專利名稱：一種徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷變壓器，具體是涉及一種徑向振動模式獨石圓片型壓電陶瓷變壓器；本發(fā)明還涉及上述壓電陶瓷變壓器的制備方法。
背景技術(shù)：
自從20世紀八十年代以來，壓電陶瓷變壓器的研究與應(yīng)用取得了很大的突破，其相對于電磁變壓器具有高升壓、高能量密度和片型化的小尺寸等優(yōu)勢。壓電變壓器是一種從材料結(jié)構(gòu)到工作原理都不同于傳統(tǒng)概念的變壓器，它是用壓電材料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、高壓極化等一系列工藝制備而成的，具有片型化體積小、重量輕、不會擊穿、不怕短路、升壓比高等顯著特點，用壓電變壓器制作的小型電源不僅克服了傳統(tǒng)變壓器工作在高壓狀態(tài)下所存在的問題，而且能很好地適應(yīng)電子設(shè)備小型、輕型化、薄型化的需要。目前的壓電陶瓷變壓器多為單層結(jié)構(gòu)，而壓電陶瓷是一種脆性材料，因而單層結(jié)構(gòu)的變壓器首先不能做得太薄，太薄則容易斷裂，為了保證單層結(jié)構(gòu)的變壓器的機械強度， 則要有一定的厚度支撐，又因為單層變壓器的厚度決定了變壓器的驅(qū)動電壓，從而限制了變壓器的驅(qū)動電壓，不能使其工作在最佳的狀態(tài)。因而單層變壓器在使用時，不能發(fā)揮其優(yōu)異的性能以及不利于其往小體積方向的發(fā)展。同時，為解決上述問題，現(xiàn)有的多層復(fù)合的壓電陶瓷變壓器，主要是將多個壓電陶瓷薄單片用膠水或其他粘接材料粘接在一起，使其單片做得更薄以及保證其機械強度。但該類變壓器的缺陷是，一旦使用了其它材料與壓電陶瓷連接一起，都會使壓電陶瓷在工作過程中產(chǎn)生的機械振動受到限制或者機械振動在傳遞過程中受到有機材料的作用衰減。同時，粘在一起的多層變壓器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也不能得到保證，膠體容易在使用過程受振動掉落或提前老化，進而造成變壓器的分層報廢。這樣也不能發(fā)揮壓電陶瓷變壓器的最大性能。另外，目前的壓電變壓器基本是無隔離的三端自耦變壓器，即變壓器的輸入與輸出電壓共地，如Rosen型壓電變壓器，具有沒有輸入與輸出端的電壓隔離功能，在工作環(huán)境較為復(fù)雜的工業(yè)測試系統(tǒng)、醫(yī)療電子設(shè)備、電力設(shè)備等許多信號傳輸系統(tǒng)中的傳輸過程中很不安全，不適用于信號隔離的領(lǐng)域等不足。同時，目前的壓電陶瓷變壓器基本沒有反饋電極設(shè)置，在自激電路中需要采樣信號進行信號跟蹤調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種機械性能穩(wěn)定、傳輸功率和轉(zhuǎn)換效率高、隔離效果好的徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器。本發(fā)明的另一目的在于提供所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的制備方法。為達到本發(fā)明的第一個目的，本發(fā)明通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)一種徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，包括層疊式壓電陶瓷體，最頂層上端面覆有輸入上電極和輸出上電極，最底層下端面覆有輸入下電極和輸出下電極，其特征在于所述層疊式壓電陶瓷體包含至少三層奇數(shù)層數(shù)的等厚度薄圓片徑向振動模式壓電陶瓷層；每相鄰兩層之間被覆有輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極；所述層疊式壓電陶瓷體的側(cè)表面還覆有四個相分離的側(cè)電極，第一和第二側(cè)電極被覆在輸入上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)，第三和第四側(cè)電極被覆在輸出上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)；各位于偶數(shù)層的輸入內(nèi)電極和輸入下電極與所述第一側(cè)電極之間設(shè)有偶數(shù)層輸入隔離島，第一側(cè)電極導(dǎo)通連接輸入上電極和各位于奇數(shù)層的輸入內(nèi)電極；各位于奇數(shù)層的輸入內(nèi)電極和輸入上電極與所述第二側(cè)電極之間設(shè)有奇數(shù)層輸入隔離島，第二側(cè)電極導(dǎo)通連接輸入下電極和各位于偶數(shù)層的輸入內(nèi)電極；各位于偶數(shù)層的輸出內(nèi)電極和輸出下電極與所述第三側(cè)電極之間設(shè)有偶數(shù)層輸出隔離島，第三側(cè)電極導(dǎo)通連接輸出上電極和各位于奇數(shù)層的輸出內(nèi)電極；各位于奇數(shù)層的輸出內(nèi)電極和輸出上電極與所述第四側(cè)電極之間設(shè)有奇數(shù)層輸出隔離島，第四側(cè)電極導(dǎo)通連接輸出下電極和各位于偶數(shù)層輸出內(nèi)電極；所述輸入上電極和輸入下電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的原邊，所述輸出上電極和輸出下電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的副邊。為使徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的輸入電壓和輸出電壓相隔離，每層輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極之間、輸入上電極和輸出上電極之間、輸入下電極和輸出下電極之間還設(shè)有貫穿圓周的原副邊隔離帶，所述每層原副邊隔離帶的位置相重合。為了提供一個與驅(qū)動頻率(即輸入電壓頻率)同步的信號，以實現(xiàn)自激式的驅(qū)動電路，任一輸入內(nèi)電極或輸入上電極或輸入下電極通過反饋隔離帶隔離出一個反饋電極， 該反饋電極與所述個各個側(cè)電極隔離，反饋電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的反饋端。為了提高隔離程度，反饋隔離帶上，各原副邊隔離帶上，各偶數(shù)層輸入隔離島、各奇數(shù)層輸入隔離島、各偶數(shù)層輸出隔離島、各奇數(shù)層輸出隔離島和四個側(cè)電極之間均被覆有絕緣材料。為了使變壓器的結(jié)構(gòu)更緊湊以及反饋頻率及相位更接近輸入端，各原副邊隔離帶為寬度沿壓電陶瓷體的圓周直徑向兩邊延伸的帶狀隔離帶；所述四個側(cè)電極以中心對稱方式分布在原副邊隔離帶兩側(cè)；所述各偶數(shù)層輸入隔離帶、各偶數(shù)層輸出隔離帶、各奇數(shù)層輸入隔離帶和各奇數(shù)層輸出隔離帶均為帶狀隔離帶且與所在層的原副邊隔離帶相連。為達到本發(fā)明的第二個目的，本發(fā)明通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)一種徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的制備方法，包括以下步驟疊印成型(1)在一塊方塊壓電陶瓷坯料上端面刷涂或覆蓋上一層具有由通過直徑的帶狀及其兩端引出的弧形組成的類” S”形隔離帶的圓形電極，然后在類” S”形隔離帶上填充陶瓷泥料；(2)在步驟(1)所述方塊坯料上端面覆蓋上另一方塊坯料，在另一方塊坯料上端面刷涂或覆蓋上一層與步驟(1)所述電極以隔離帶所在直徑為軸相對稱的電極，然后在隔離帶上填充陶瓷泥料，最后接著覆蓋下一方塊坯料；(3)依次重復(fù)步驟(1)和步驟O)，直到達到所需層數(shù)的方塊坯料為止；(4)將疊印好的方塊坯料通過相應(yīng)的切割模具加工出以圓形電極為邊界的圓片胚體；燒結(jié)將圓片胚體高溫?zé)Y(jié)、整形成瓷體，將其外圓打磨平整一致；
外電極制作在瓷體的側(cè)表面覆蓋四個條形電極，它們的位置對應(yīng)每層圓形電極隔離帶中弧形部分所在位置；在瓷體的上端面和下端面分別按步驟(1)刷涂或覆蓋上電極；最后將覆蓋好電極的瓷體進行電極燒銀；極化將經(jīng)過燒銀的瓷體置于極化箱內(nèi)進行高壓極化。為提高變壓器的隔離程度，還包括以下步驟包封對已極化的瓷體中未被覆電極的隔離帶和瓷體側(cè)表面被覆或滲漬一層絕緣材料。為了簡化工藝，高壓極化為沿厚度方向的極化。高壓極化為極化溫度在300-400°C，極化場強在500_1000V/mm的極化。高溫?zé)Y(jié)為溫度在950-1100°C之間，保溫時間在2_6小時之間的燒結(jié)；所述燒銀為溫度在680-880°C之間的燒銀。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下特點1.因變壓器采用獨石結(jié)構(gòu)，而變壓器的最佳驅(qū)動電壓部分取決于其單層厚度，可以避免單層薄片容易斷裂的缺陷，將每一層陶瓷體做到現(xiàn)有工藝所能達到的最薄程度，又因變壓器采用徑向振動模式，每一層陶瓷體均不產(chǎn)生厚度方向的振動所引起的扭曲振動， 提高了壓電陶瓷變壓器各層電極和外部導(dǎo)線的連接可靠性，所以變壓器具有機械性能穩(wěn)定的特點。2.變壓器的驅(qū)動電壓與單層厚度有關(guān)，驅(qū)動電壓越小，需要的單層壓電陶瓷體得厚度越小，因本發(fā)明每層壓電陶瓷體的厚度可以做到很薄，可以對應(yīng)更小的驅(qū)動電壓選擇一個合適的單層厚度，使壓電陶瓷體工作在最佳的諧振狀態(tài)，所以變壓器具有傳輸功率和轉(zhuǎn)換效率高的特點。3.因變壓器采用隔離帶使輸入與輸出電壓相隔離，在中小功率的傳輸領(lǐng)域中可以達到良好的電壓轉(zhuǎn)換及隔離效果，確保操作人員工作安全和高壓現(xiàn)場的正常運行。4.因變壓器的制備方法中，變壓器沿厚度方向極化，只需在上電極和下電極之間加一個方向的電壓就可以完成整個變壓器的多層極化，所以變壓器的制備方法具有方法簡單，容易實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)的特點。


下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的示意圖，其中圖中陰影部分表示電極；圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述偶數(shù)層圓片形壓電陶瓷胚體的振動模型；圖3為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述奇數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極的以及輸入下電極和輸出下電極形狀示意圖；圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述偶數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極的形狀示意圖；圖5為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述輸入上電極、輸出上電極和反饋電極的形狀示意圖；圖6為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述多層結(jié)構(gòu)的放大拆分示意圖；圖7為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述壓電陶瓷體被覆內(nèi)電極后的側(cè)視圖，其中陰影部分表示電極；
圖8為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述側(cè)電極的位置示意圖；圖9為本發(fā)明優(yōu)選實施例A-A截面的位置圖；圖10為圖9的A-A截面的結(jié)構(gòu)示意圖，其中粗線表示電極；圖11為為本發(fā)明優(yōu)選實施例二所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的頻率掃描圖；圖12為為一種針對本發(fā)明所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的測試電路；圖13為通過圖12所示電路對優(yōu)選實施例所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器進行測試的測試結(jié)果；圖14為各壓電陶瓷層的電連接原理示意圖；圖15為各壓電陶瓷層的等效電連接原理示意圖。
具體實施例方式如圖1所示為本發(fā)明徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，其壓電陶瓷體2包含至少三層奇數(shù)層壓電陶瓷薄圓片層疊而成，每個壓電陶瓷層均選用徑向振動模式且等厚度薄圓片形狀；其最頂層上端面被覆有輸入上電極a和輸出上電極b，最底層下端面被覆有輸入下電極和輸出下電極。每相鄰兩層壓電陶瓷層之間被覆有輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極，被覆于奇數(shù)層壓電陶瓷層上端面和偶數(shù)層壓電陶瓷層下端面之間的內(nèi)電極為奇數(shù)層輸入內(nèi)電極c和奇數(shù)層輸出內(nèi)電極d ；被覆于偶數(shù)層壓電陶瓷層上端面和奇數(shù)層壓電陶瓷層下端面之間的內(nèi)電極為偶數(shù)層輸入內(nèi)電極e和偶數(shù)層輸出內(nèi)電極f。壓電陶瓷體側(cè)表面被覆有四個與層疊式壓電陶瓷體等高的側(cè)電極。每一層壓電陶瓷層可分為三個部分有輸入電極被覆在其端面的輸入部分、有輸出電極被覆在其端面的輸出部分和無電極被覆在其端面的隔離部分。通過第一側(cè)電極g電導(dǎo)通連接奇數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸入上電極、第二側(cè)電極h電導(dǎo)通連接偶數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸入下電極、第三側(cè)電極i電導(dǎo)通連接奇數(shù)層輸出內(nèi)電極和輸出上電極、第四側(cè)電極j電導(dǎo)通連接偶數(shù)層輸出內(nèi)電極f和輸出下電極(見圖14)，這樣，使得每層壓電陶瓷層的輸入部分電連接且相并聯(lián)，每層壓電陶瓷層的輸出部分電連接且相并聯(lián)(見圖15)。輸入上電極和輸入下電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的原邊，輸出上電極和輸出下電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的副邊。輸入電壓Vin通過第一側(cè)電極g、第二側(cè)電極h和輸入部分的電極以并聯(lián)的方式輸入到每一層壓電陶瓷層的輸入部分，每一層壓電陶瓷層分別對輸入電壓進行變壓后在各層壓電陶瓷層的輸出部分輸出，各層的輸出電壓通過第三側(cè)電極i、第四側(cè)電極j和輸出部分的上電極、內(nèi)電極、下電極并聯(lián)后輸出一個確定的電壓即為變壓器的輸出電壓Vout，其大小等于各層輸出電壓中的最小值；其中反饋電極K引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的反饋端Vf。如圖2所示，偶數(shù)層壓電陶瓷層均采用徑向擴張振動模式，即壓電陶瓷層的直徑和厚度之比Φ/t ^ 10，各層壓電陶瓷層沿厚度方向極化，圖中偶數(shù)層的壓電陶瓷層沿厚度方向向上極化，它們的振動方向均從圓心往四周擴張伸縮振動。另外奇數(shù)層的壓電陶瓷層也采用徑向擴張振動模式，但沿厚度方向向下極化(圖未顯示)。根據(jù)薄圓片型壓電振子的振動模式規(guī)則，此時圓片的振動方向從圓心往四周擴張伸縮振動，圓片中心為節(jié)點，應(yīng)力T最大，圓周邊緣為形變最大處，這樣徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的各層壓電陶瓷層均不產(chǎn)生厚度方向的振動所引起的扭曲振動，提高了壓電陶瓷變壓器各層電極和外部導(dǎo)線的連接可靠性。如圖3所示，為奇數(shù)層壓電陶瓷層的上端面與偶數(shù)層壓電陶瓷層的下端面之間電極被覆方式電極均勻被覆在圓片端面上，位于圓片的直徑上的帶狀原副邊隔離帶1將電極分隔為左側(cè)的奇數(shù)層輸入內(nèi)電極c和右側(cè)的奇數(shù)層輸出內(nèi)電極d，原副邊隔離帶上端沿圓周邊緣向右延伸出奇數(shù)層輸出隔離島4，原副邊隔離帶1下端沿圓周邊緣向左延伸出奇數(shù)層輸入隔離島3。如圖4所示，為偶數(shù)層壓電陶瓷層的上端面與奇數(shù)層壓電陶瓷層的下端面之間的電極被覆方式電極均勻被覆在圓片端面上，位于圓片的直徑上的帶狀原副邊隔離帶將電極分隔為左側(cè)的偶數(shù)層輸入內(nèi)電極e和右側(cè)的偶數(shù)層輸出內(nèi)電極f，原副邊隔離帶上端沿圓周邊緣向左延伸出偶數(shù)層輸入隔離島5，原副邊隔離帶下端沿圓周邊緣向右延伸出偶數(shù)層輸出隔離島6。如圖5所示，為最頂層壓電陶瓷層的上端面電極被覆方式電極均勻被覆在圓片端面上，圓片的直徑上設(shè)有帶狀原副邊隔離帶1，圓片半徑上設(shè)有垂直原副邊隔離帶的反饋隔離帶7，原副邊隔離帶1和反饋隔離帶7將電極分隔為左側(cè)上部分的輸入上電極a、左側(cè)下部分的反饋電極k和右側(cè)的輸出上電極b，原副邊隔離帶1上端沿圓周邊緣向右延伸出奇數(shù)層輸出隔離島4，原副邊隔離帶下端沿圓周邊緣向左延伸出奇數(shù)層輸入隔離島3。如圖6所示，各層壓電陶瓷層相重疊放大拆開示意圖，總共有2n+l層；最頂層壓電陶瓷層的上端面以圖5所示被覆方式被覆電極，奇數(shù)層壓電陶瓷層的上端面與偶數(shù)層壓電陶瓷層的下端面之間以圖3所示被覆方式被覆電極，偶數(shù)層壓電陶瓷層的上端面與奇數(shù)層壓電陶瓷層的下端面之間以圖4所示被覆方式被覆電極，每層原副邊隔離帶1的位置相重合。另外，最底層壓電陶瓷層的下端面也以圖3所示被覆方式被覆電極，其中奇數(shù)層輸入內(nèi)電極c即為變壓器的輸入下電極，奇數(shù)層輸出內(nèi)電極d即為變壓器的輸出下電極。如圖7所示，為各層壓電陶瓷層被覆輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極后的側(cè)視圖，每層原副邊隔離帶1的位置在垂直方向上相重合。如圖8所示，層疊式壓電陶瓷體的側(cè)表面被覆有四個與層疊式壓電陶瓷體等高的側(cè)電極，第一側(cè)電極g被覆在各層偶數(shù)層輸入隔離島的弧形邊緣范圍的側(cè)表面內(nèi)，第二側(cè)電極h被覆在各層奇數(shù)層輸入隔離島的弧形邊緣范圍的側(cè)表面內(nèi)，第三側(cè)電極i被覆在各層偶數(shù)層輸出隔離島的弧形邊緣范圍的側(cè)表面內(nèi)，第四側(cè)電極j被覆在各層奇數(shù)層輸出隔離島的弧形邊緣范圍的側(cè)表面內(nèi)，為使得壓電陶瓷變壓器的結(jié)構(gòu)更加的緊密、規(guī)則、便于加工，四個側(cè)電極可以是以中心對稱方式分布的。圖10示出了層數(shù)為五層時，壓電陶瓷變壓器的A-A截面(A-A截面位置如圖9所示)的電極分布結(jié)構(gòu)。圖中顯示壓電陶瓷變壓器中設(shè)有反饋隔離帶7;位于第二層壓電陶瓷層上端面和第三層壓電陶瓷層下端面之間、位于第四層壓電陶瓷層上端面和第五層壓電陶瓷層下端面之間設(shè)有偶數(shù)層輸入隔離島5、位于第一層(即最底層)壓電陶瓷層下端面設(shè)有輸入隔離島。通過上述這些隔離島的隔離作用，第一側(cè)電極g電導(dǎo)通連接輸入上電極 a、被覆于第一層壓電陶瓷層上端面和第二層壓電陶瓷層下端面之間的奇數(shù)層輸入內(nèi)電極c 以及被覆于第三層壓電陶瓷層上端面和第四層壓電陶瓷層下端面之間的奇數(shù)層輸入內(nèi)電
8極C。另外，位于第五層壓電陶瓷層上端面、位于第一層壓電陶瓷層上端面和第二層壓電陶瓷層下端面之間、位于第三層壓電陶瓷層上端面和第四層壓電陶瓷層下端面之間設(shè)有奇數(shù)層輸入隔離島3，通過這些奇數(shù)層輸入隔離島3隔離作用，第二側(cè)電極h電導(dǎo)通連接輸入下電極m、被覆于第二層上端面和第三層壓電陶瓷層下端面之間的偶數(shù)層輸入內(nèi)電極e以及被覆于第四層壓電陶瓷層上端面和第五層壓電陶瓷層下端面之間的偶數(shù)層輸入內(nèi)電極e。另外，反饋隔離帶上，各原副邊隔離帶上，各偶數(shù)層輸入隔離島、各奇數(shù)層輸入隔離島、各偶數(shù)層輸出隔離島、各奇數(shù)層輸出隔離島和四個側(cè)電極之間均被覆有絕緣材料層 (圖中未示出)。上述一種徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器可以通過以下制備方法，包括以下步驟粉體加工按壓電陶瓷常規(guī)制備方法制備陶瓷粉體；軋膜片根據(jù)不同的需要，通過雙輥軋膜機將陶瓷粉體與粘接劑混合成的陶瓷泥料軋成不同厚度的薄片坯料，然后將薄片坯料切割成大小一致的方塊坯料并送到移印設(shè)備上進行疊?。化B印成型(1)在一塊方塊壓電陶瓷坯料上端面刷涂或覆蓋上一層具有由通過直徑的帶狀及其兩端引出的弧形組成的類” S”形隔離帶的圓形電極，然后在類” S”形隔離帶上填充陶瓷泥料；(2)在步驟(1)所述方塊坯料上端面覆蓋上另一方塊坯料，在另一方塊坯料上端面刷涂或覆蓋上一層與步驟(1)所述電極以隔離帶所在直徑為軸相對稱的電極，然后在隔離帶上填充陶瓷泥料，最后接著覆蓋下一方塊坯料；(3)依次重復(fù)步驟(1)和步驟O)，直到達到所需層數(shù)的方塊坯料為止；(4)將疊印好的方塊坯料通過相應(yīng)的切割模具加工出以圓形電極為邊界的圓片胚體；燒結(jié)將圓片胚體高溫?zé)Y(jié)、整形成瓷體，將其外圓打磨平整一致；高溫?zé)Y(jié)為溫度在950-1100°C之間，保溫時間在2-6小時之間；外電極制作在瓷體的側(cè)表面覆蓋四個條形電極，它們的位置對應(yīng)每層圓形電極隔離帶中弧形部分所在位置；在瓷體的上端面和下端面分別按步驟(1)刷涂或覆蓋上電極；最后將覆蓋好電極的瓷體進行電極燒銀；燒銀溫度在680-880°C之間；極化將經(jīng)過燒銀的瓷體置于極化箱內(nèi)進行高壓極化；為了簡化工藝，高壓極化可沿厚度方向的極化；高壓極化為極化溫度在300-400°C，極化場強在500-1000V/mm。包封對已極化的瓷體中未被覆電極的隔離帶和瓷體側(cè)表面被覆或滲漬一層絕緣材料。選取上述方法制作的本發(fā)明徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，參數(shù)為每層壓電陶瓷層厚度為0. 18mm，層數(shù)為5層，原副邊隔離帶寬度為1. 0mm，成型后的壓電陶瓷變壓器直徑大小為8. 3mm，厚度為0. 75mm。如圖11所示，為上述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的頻率掃描圖，從圖11 可以看出，其諧振頻率在282kHz附近，此時對應(yīng)的阻抗在2-3Ω之間。如圖12所示，為一種針對本發(fā)明所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的測試電路；信號發(fā)生器輸出的信號通過功率放大器輸入徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的原邊，經(jīng)過徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器PT進行變壓后從徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器PT的副邊輸出到負載RL，變壓器PT的原邊接有電壓表可讀出其實時電壓 Vin，變壓器PT的副邊接有電壓表可讀出其實時電壓Vout。通過圖12所示電路對上述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器進行測試，其中負載RL為純阻性，大小為27 Ω，可以得出如圖13所示的測試結(jié)果，由圖中可知，在8V原邊輸入電壓下，變壓器的副邊輸出電壓為7. 2V，并且通過其他測試儀器可以得知此時變壓器的長時間工作溫升不足20°C，該變壓器的最大輸出功率在2. Off以上(以溫升25°C為參考)，最大轉(zhuǎn)換效率達到96 %，包封后的隔離電壓5000V以上。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，還可以做出若干改進和潤飾，具體如下一，本發(fā)明所述每層的薄圓片壓電陶瓷層采用徑向振動模式，除優(yōu)選實施例一所述方式外，它們的極化方向只需滿足薄圓片壓電體徑向振動模式的條件即可，即極化方向與薄圓片厚度方向平行。二，本發(fā)明所述的四個側(cè)電極應(yīng)相分離，第一和第二側(cè)電極被覆在輸入上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)，第三和第四側(cè)電極被覆在輸出上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)，除優(yōu)選實施例一所述方式外，它們還可以是相互平行并與圓片垂線成一夾角或是任意滿足上述條件的，并且每層的隔離島緊隨側(cè)電極而變化位置，以保證第一側(cè)電極只連接奇數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸入上電極，第二側(cè)電極只連接偶數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸入下電極，第三側(cè)電極只連接奇數(shù)層輸出內(nèi)電極和輸出上電極，第四側(cè)電極只連接偶數(shù)層輸出內(nèi)電極和輸出下電極。三，各層原副邊隔離帶的位置可以同時從圓片直徑位置向兩側(cè)移動，使得壓電陶瓷體的輸入電極面積較大或輸出電極面積較大，則變壓器獲得較強的驅(qū)動能力或輸出能力。原副邊隔離帶的位置設(shè)定，需通過對比測試分析，選擇一個合適的輸入輸出電極的比例，使其同時得到最高的轉(zhuǎn)換效率和最大傳輸功率。四，反饋電極可以通過任一輸入內(nèi)電極或輸入上電極或輸入下電極通過反饋隔離帶隔離出來，且與所述個各個側(cè)電極隔離，反饋電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的反饋端；另外，在變壓器無需自激式驅(qū)動的情況下，也可以不設(shè)置反饋電極。五，在隔離度要求不高的情況下，反饋隔離帶上，各原副邊隔離帶上，各偶數(shù)層輸入隔離島、各奇數(shù)層輸入隔離島、各偶數(shù)層輸出隔離島、各奇數(shù)層輸出隔離島和四個側(cè)電極之間可以不被覆絕緣材料。因此，上述優(yōu)選實施方式不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
10
權(quán)利要求
1.一種徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，包括層疊式壓電陶瓷體，最頂層上端面覆有輸入上電極和輸出上電極，最底層下端面覆有輸入下電極和輸出下電極，其特征在于所述層疊式壓電陶瓷體包含至少三層奇數(shù)層數(shù)的薄圓片徑向振動模式壓電陶瓷層；每相鄰兩層之間被覆有輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極；所述層疊式壓電陶瓷體的側(cè)表面還覆有四個相分離的側(cè)電極，第一和第二側(cè)電極被覆在輸入上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)，第三和第四側(cè)電極被覆在輸出上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)；所述輸入下電極和各位于偶數(shù)層的輸入內(nèi)電極與所述第一側(cè)電極之間設(shè)有偶數(shù)層輸入隔離島，第一側(cè)電極導(dǎo)通連接輸入上電極和各位于奇數(shù)層的輸入內(nèi)電極；所述輸入上電極和各位于奇數(shù)層的輸入內(nèi)電極與所述第二側(cè)電極之間設(shè)有奇數(shù)層輸入隔離島，第二側(cè)電極導(dǎo)通連接輸入下電極和各位于偶數(shù)層的輸入內(nèi)電極；所述輸出下電極和各位于偶數(shù)層的輸出內(nèi)電極與所述第三側(cè)電極之間設(shè)有偶數(shù)層輸出隔離島，第三側(cè)電極導(dǎo)通連接輸出上電極和各位于奇數(shù)層的輸出內(nèi)電極；所述輸出上電極各位于奇數(shù)層的輸出內(nèi)電極與所述第四側(cè)電極之間設(shè)有奇數(shù)層輸出隔離島，第四側(cè)電極導(dǎo)通連接輸出下電極和各位于偶數(shù)層輸出內(nèi)電極；所述輸入上電極和輸入下電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的原邊，所述輸出上電極和輸出下電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的副邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，其特征在于所述每層輸入內(nèi)電極和輸出內(nèi)電極之間、輸入上電極和輸出上電極之間、輸入下電極和輸出下電極之間還設(shè)有貫穿圓周的原副邊隔離帶，所述每層原副邊隔離帶的位置相重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，其特征在于所述任一輸入內(nèi)電極或輸入上電極或輸入下電極通過反饋隔離帶隔離出一個反饋電極，該反饋電極與所述個各個側(cè)電極隔離，反饋電極引出獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的反饋端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，其特征在于所述反饋隔離帶上，各原副邊隔離帶上，各偶數(shù)層輸入隔離島、各奇數(shù)層輸入隔離島、各偶數(shù)層輸出隔離島、各奇數(shù)層輸出隔離島和四個側(cè)電極之間均被覆有絕緣材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，其特征在于所述各原副邊隔離帶為寬度沿壓電陶瓷體的圓周直徑向兩邊延伸的帶狀隔離帶；所述四個側(cè)電極以中心對稱方式分布在原副邊隔離帶兩側(cè)；所述各偶數(shù)層輸入隔離島、各偶數(shù)層輸出隔離島、 各奇數(shù)層輸入隔離島和各奇數(shù)層輸出隔離島均與所在層的原副邊隔離帶相連。
6.一種徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的制備方法，包括以下步驟疊印成型(1)在一塊方塊壓電陶瓷坯料上端面刷涂或覆蓋上一層具有由通過直徑的帶狀及其兩端引出的弧形組成的類” S”形隔離帶的圓形電極，然后在類” S”形隔離帶上填充陶瓷泥料；(2)在步驟(1)所述方塊坯料上端面覆蓋上另一方塊坯料，在另一方塊坯料上端面刷涂或覆蓋上一層與步驟(1)所述電極以隔離帶所在直徑為軸相對稱的電極，然后在隔離帶上填充陶瓷泥料，最后接著覆蓋下一方塊坯料；(3)依次重復(fù)步驟(1)和步驟O)，直到達到所需層數(shù)的方塊坯料為止；(4)將疊印好的方塊坯料通過相應(yīng)的切割模具加工出以圓形電極為邊界的圓片胚體； 燒結(jié)將圓片胚體高溫?zé)Y(jié)、整形成瓷體，將其外圓打磨平整一致； 外電極制作在瓷體的側(cè)表面覆蓋四個條形電極，它們的位置對應(yīng)每層圓形電極隔離帶中弧形部分所在位置；在瓷體的上端面和下端面分別按步驟(1)刷涂或覆蓋上電極；最后將覆蓋好電極的瓷體進行電極燒銀；極化將經(jīng)過燒銀的瓷體置于極化箱內(nèi)進行高壓極化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的制備方法，其特征在于還包括以下步驟包封對已極化的瓷體中未被覆電極的隔離帶和瓷體側(cè)表面被覆或滲漬一層絕緣材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的制備方法，其特征在于所述高壓極化為沿厚度方向的極化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的制備方法，其特征在于所述高壓極化為極化溫度在300-400°C，極化場強在500-1000V/mm的極化。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器的制備方法，其特征在于所述高溫?zé)Y(jié)為溫度在950-1100°C之間，保溫時間在2-6小時之間的燒結(jié)；所述燒銀為溫度在680-880°C之間的燒銀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種徑向擴張獨石圓片型壓電陶瓷變壓器，由層疊式壓電陶瓷體和電極組成，層疊式壓電陶瓷體包含至少三層奇數(shù)層數(shù)的薄圓片徑向振動模式壓電陶瓷層，其側(cè)表面覆有四個相分離的側(cè)電極，第一和第二側(cè)電極被覆在輸入上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)，第三和第四側(cè)電極被覆在輸出上電極圓弧范圍的側(cè)表面內(nèi)；第一側(cè)電極連接奇數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸入上電極；第二側(cè)電極連接偶數(shù)層輸入內(nèi)電極和輸入下電極；第三側(cè)電極連接奇數(shù)層輸出內(nèi)電極和輸出上電極；第四側(cè)電極連接偶數(shù)層輸出內(nèi)電極和輸出下電極，本發(fā)明具有機械性能穩(wěn)定、傳輸功率和轉(zhuǎn)換效率高、隔離效果好的優(yōu)點。
文檔編號H01L41/107GK102324461SQ201110203030
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者胡健仁, 黃天華 申請人:廣州金升陽科技有限公司