專利名稱：多層壓電陶瓷變壓器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多層壓電陶瓷變壓器及其制作方法，尤其涉及采用粘結法制備的多層壓電陶瓷變壓器及其制作方法，屬于HOIF29/00類。
普通變壓器和脈沖變壓器都是通過磁耦合來傳輸信號和實現變壓作用。隨著電子技術發(fā)展，電子元器件向著輕、薄、短、小方向發(fā)展，各種集成電路、電阻、電容等元器件均已微型化，唯有變壓器仍擺脫不了體積較大的磁芯和線圈，同時由于變壓器逆程工作產生很高的反峰壓和需要專門負載短路自動保護電路，很難實現微型化和片型化。
壓電陶瓷變壓器具有無反峰壓、負載短路自動保護的優(yōu)點并可實現微型化和片型化。以往的壓電陶瓷變壓器雖然因其擺脫了磁芯和線圈而使體積縮小，但由于采用單一燒結體，且多為橫縱向振動模式，其高壓和低壓之間的絕緣不可靠，且其變比受限制，不能方便的變換級間關系。采用復合結構多層壓電陶瓷變壓器可以解決上述問題，但它采用多層迭合內設鈀銀內電極的方法，其缺點是成型工藝復雜、層間缺陷不易控制，不同材料難以復合，內電極材料昂貴，由于成型后極化單層的缺陷就可能造成整體的失敗。
本專利的目的是針對上述不足，設計一種多層壓電陶瓷變壓器及其制作方法，其工藝簡單，容易控制成型缺陷，不同壓電材料均可方便地結合在一起，可用相對廉價的電極材料，降低了成本同時提高了成品率。
本發(fā)明的目的是這樣達到的一種多層壓電陶瓷變壓器，由驅動端、絕緣片和發(fā)電端通過粘結而構成，其特點驅動端由一至九片被覆好電極并極化處理過的壓電陶瓷薄片粘結在一起，發(fā)電端由一至三十片被覆好電極并極化處理過的壓電陶瓷薄片粘結在一起。
所述發(fā)電端可由不同材料或不同厚度的壓電陶瓷薄片粘結而成，不同材料或不同厚度的壓電陶瓷片，分別構成多個輸出端子，以適應不同的輸出特性要求；構成不同輸出端子的壓電陶瓷片的電極通過外部聯線分別并聯引出。
所述驅動端由相同材料和相同或不同厚度的壓電陶瓷片構成，各壓電陶瓷片的電極由外部聯線串聯或并聯引出。
一種多層壓電陶瓷變壓器的制作方法，其制作步驟如下(1)壓電陶瓷薄片成型將所需壓電陶瓷材料通過干壓法、等靜壓法、流延法或扎膜法成型，經燒結后再通過切割、研磨等工藝制作成所需形狀、厚度的壓電陶瓷片；其軸向截面可是圓形、正多邊形和長方形；驅動端采用高電壓下壓電參數高、且損耗小的A類壓電材料，其厚度為0.4--3毫米；要求輸出大電流、低內阻的發(fā)電端采用高介電常數ε33和高壓電常數d33的B類壓電材料；當要求較高電壓、匹配阻抗較高的發(fā)電端，可采用介電常數ε33較小的C類壓電材料；發(fā)電端壓電陶瓷厚度為0.2--1.0毫米；(2)制備電極將上述各類壓電陶瓷片通過高溫法制備銀電極或采用電鍍、真空鍍膜的方法制備好電極，壓電陶瓷片的電極位于厚度方向兩端平面上；根據所用的壓電材料所需要求對制備好的壓電陶瓷片進行極化處理；
(3)迭片粘結將構成驅動端和發(fā)電端的壓電陶瓷片涂上粘結劑層，按相鄰片極化方向相反的原則，分別粘結構成發(fā)電端和驅動端，由于所選用A、B、C三種壓電陶瓷片的居里溫度多在200--400℃之間，所選用的粘結劑為固化溫度遠低于材料的居里溫度的環(huán)氧類、酚醛類、脲醛類、聚酰亞胺和丙烯酸類粘合劑，是為了避免粘結工藝中高溫影響壓電陶瓷材料的壓電性能的損失；(4)變壓器成型將上述粘結好的驅動端、發(fā)電端依次按驅動端、絕緣片、發(fā)電端、絕緣片排列，通過粘結劑粘結而成多層壓電陶瓷變壓器；(5)電極聯線將驅動端各輸入端串聯或并聯構成驅動端輸入端，將發(fā)電端分別并聯引出作為具有不同輸出特性的輸出端，要求外部聯接的工藝溫度均比壓電材料的居里溫度低100℃以上。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是(1)成型工藝簡單，層間缺陷容易控制，避免了對比技術中成型后某一單層的缺陷造成整體的不合格；(2)本發(fā)明多層壓電陶瓷變壓器及其制作方法克服了對比技術中不同材料難以復合的缺點；(3)本發(fā)明克服了對比技術中壓電材料必需燒結成一體而帶來的材料選擇上的限制，本發(fā)明可利用不同燒結溫度和材料配比的壓電材料使壓電陶瓷變壓器的性能改善；(4)由于不設內電極，本發(fā)明的積極效果是避免了對比技術復合壓電變壓器的多層燒結體內設造價昂貴的鈀銀電極的方法，不僅制作工藝簡化，尤其是造價便宜。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。


圖1是本發(fā)明多層壓電陶瓷變壓器的縱向斷面示意圖(實施例1)。
圖2是本發(fā)明多層壓電陶瓷變壓器的縱向斷面示意圖(實施例2)。
如圖1所示，該多層壓電陶瓷變壓器的發(fā)電端、驅動端由壓電陶瓷薄片、外電極、粘結層和外部聯線構成。以驅動端為例，壓電陶瓷片102、106上分別制備了外電極101、103、105、107；壓電陶瓷片102、106在粘結前已完成極化，其極化方向如圖中箭頭所示，相鄰壓電陶瓷薄片極化方向相反。這是為了壓電陶瓷片的并聯使用，以適應不同的輸入電壓的要求。驅動端壓電陶瓷片102、106為A類壓電陶瓷材料，在高電壓下壓電參數高且損耗小，其厚度為0.4--3毫米。
發(fā)電端的構成方法與驅動端相同。而其相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反的目的在于避免電荷的相互抵消，以獲得有效的輸出電流。
發(fā)電端由五片壓電陶瓷片303、307、311、315、319構成，其中B類材料303、307、311、315其特性為提供較大電流和降低輸出阻抗；C類材料319具有相對小的ε33和大的d33，其特點有利于提供較高電壓，輸出阻抗較高。外部聯線321將壓電陶瓷片303、307、311、315并聯引出，構成了輸出電流較大的輸出端子。外部聯線322將C類壓電陶瓷片319引出構成輸出電壓較高的輸出端子。
構成驅動端的壓電材料A具有良好的高電場下的壓電特性，以適應高電壓驅動的要求，驅動端壓電陶瓷片102、106由外部聯線109并聯引出構成輸入端子。
驅動端、發(fā)電端各壓電陶瓷片通過粘結層104、305、309、313、317結合成整體，驅動端、發(fā)電端和絕緣片之間通過粘結層108、301結合成多層壓電陶瓷變壓器。
本實施例經試驗已制成軸向截面積為圓形，其直徑為25mm厚度為5.1mm驅動端由2層1.2mmA類壓電陶瓷片構成，發(fā)電端由4層其厚度為0.4mm的B類壓電陶瓷片和1層厚度為0.8mm的C類壓電陶瓷片構成雙輸出端子。絕緣片厚度為0.15mm。本變壓器為平面擴張的振動模式，其中A類壓電陶瓷片主要性能壓電常數d33 320×10 庫倫/牛頓介電常數ε331300×8.85×10法拉/米居里溫度284℃B類壓電陶瓷片主要性能壓電常數d33 460×10 庫倫/牛頓介電常數ε333400×8.85×10法拉/米居里溫度280℃C類壓電陶瓷片主要性能壓電常數d33 390×10 庫倫/牛頓介電常數ε331400×8.85×10法拉/米居里溫度263℃所用粘合劑為改性環(huán)氧樹脂，其固化溫度140℃所制成壓電陶瓷變壓器主要參數為諧振頻率85.5千赫茲4層輸出功率 18瓦1層輸出功率 3.5瓦最大轉換效率＞90％重量15克輸入電壓峰值＜500伏圖2為本實施例2的結構示意圖，其發(fā)電端和驅動端的構成方法同實施例1，但為了較低輸出電壓和較高輸出功率的要求，驅動端可有9片厚度為0.4mmA類壓電陶瓷材料構成。其主要參數為壓電常數d33 280×10 庫倫/牛頓介電常數ε33800×8.85×10法拉/米發(fā)電端有27片厚度為0.2mm的B類壓電陶瓷材料和2片厚度為0.5mm的C類壓電陶瓷材料構成。壓電材料B主要參數為壓電常數d33 460×10 庫倫/牛頓介電常數ε333400×8.85×10法拉/米C類壓電材料主要參數為壓電常數d33 320×10 庫倫/牛頓介電常數ε331300×8.85×10法拉/米它們構成了一個29片的發(fā)電端。
驅動端和發(fā)電端分別由丁晴橡膠和環(huán)氧樹脂、改性酚醛樹脂粘結而成，其固化工藝溫度為120℃/2小時或150℃/2小時。兩個驅動端通過絕緣片200、300分別與發(fā)電端的兩端面粘結而成，兩個驅動端的壓電陶瓷片由外部聯線并聯引出。發(fā)電端由27片B類壓電陶瓷片通過外部聯線并聯引出，構成大功率輸出端而C類壓電陶瓷片由外部聯線并聯引出，構成電壓輸出端子。
經試驗，已制成垂直軸向截面為正六邊形，其外接圓直徑為30mm，驅動端為兩個9層厚度為0.4mm的壓電陶瓷片構成，發(fā)電端為27片B類壓電材料和2片C類壓電材料總厚度14.8mm的壓電陶瓷變壓器，其主要參數為諧振頻率71.5千赫茲功率輸出端最大輸出功率95瓦電壓輸出端輸出功率25伏/1.15安總量82克圖2中兩端各由9層A類壓電陶瓷片組成的兩個驅動端各層標號是1a102、1a202……1a902，1b103、1b202……1b902；由27層B類壓電陶瓷片和2層C類壓電陶瓷片組成的發(fā)電端各層的標號是20103、20202、……22702、22802、22902；驅動端外電極標號是1a101、1a103、1a201、1a203……1a901、1a903、1b102、1b104、1b201、1b203……1b901、1b903；發(fā)電端外電極標號是20102、20104、20201、20203……22701、22703、22801、22803、22901、22903；各片間粘結層標號是1a104、1a904、20101、20105、22704、22804、22904、1b101、1b105；輸出端子標號為10001，輸出電流較大的端子標號為23001，輸出電壓較大的端子為23002。
權利要求
1.一種多層壓電陶瓷變壓器，由驅動端、絕緣片和發(fā)電端通過粘結而構成，其特征是驅動端由一至九片被覆好電極并極化處理過的壓電陶瓷片粘結在一起；發(fā)電端由一至三十片被覆好并極化處理過的壓電陶瓷片粘結在一起。
2.根據權利要求1所述多層壓電陶瓷變壓器，其特征是所述發(fā)電端可由不同材料或不同厚度的壓電陶瓷薄片粘結而成，不同材料或不同厚度的壓電陶瓷瓷片，分別構成多個輸出端子，以適應不同輸出特性的要求；構成不同輸出端子的壓電陶瓷片的電極通過外部聯線分別并聯引出。
3.根據權利要求1所述多層壓電陶瓷變壓器，其特征是所述驅動端由相同材料和相同或不同厚度的壓電陶瓷片構成，各壓電陶瓷片的電極由外部聯線分別引出。
4.一種多層壓電陶瓷變壓器的制作方法，其特征是該多層壓電陶瓷變壓器的制作步驟(1)壓電陶瓷薄片成型將所需壓電陶瓷加工成所需厚度的薄片，其垂直于軸向截面可以是圓形、正多邊形或長方形；驅動端和發(fā)電端可以采用不同的壓電材料，當需要多組輸出且輸出要求不同時，發(fā)電端的壓電薄片加工成不同厚度或選用不同材料；(2)制備電極可用高溫法制備銀電極或采用電鍍、真空鍍膜方法制備壓電陶瓷片的電極，壓電陶瓷片的電極位于厚度方向兩端平面上；根據所用壓電材料所需要求對制備好的壓電陶瓷片進行極化處理；(3)迭片粘結將上述各類已制備好的壓電陶瓷薄片按極化方向相反的原則層迭，并由粘合劑按設計要求分別粘結成驅動端和發(fā)電端，所用粘結劑的固化溫度應遠低于所用壓電陶瓷材料的居里溫度，通常采用改性環(huán)氧、改性酚醛、改性脲醛、聚酰亞胺和丙烯酸類粘結劑；(4)變壓器成型將驅動端、絕緣片和發(fā)電端按設計規(guī)定順序排列，通過粘結劑粘結而成變壓器；(5)電極聯接將驅動端各片串聯或并聯引出作為輸入端子，將發(fā)電端各片分別并聯引出作為具有不同輸出特性的輸出端子；外部聯接方法的工藝溫度均應比壓電材料居里溫度低100℃以上。
全文摘要
一種壓電陶瓷變壓器及其制作方法，該變壓器是由發(fā)電端、驅動端和絕緣片通過粘結方法構成驅動端由1至9片和發(fā)電端由1至30片被覆好電極并經過極化處理的壓電陶瓷薄片粘結在一起，發(fā)電端由相同或不同的材料及相同或不同厚度的壓電陶瓷片組成，驅動端由相同材料，相同或不同厚度的壓電陶瓷片構成，上述各壓電陶瓷片的電極由外部聯線分別引出，本發(fā)明工藝簡單，避免了由于某一單層缺陷造成整體失效，并對不同的壓電材料均能方便地結合，可使用廉價電極材料降低了成本。
文檔編號H01F19/00GK1130292SQ9510795
公開日1996年9月4日 申請日期1995年8月4日 優(yōu)先權日1995年8月4日
發(fā)明者鄧維體, 李竑一 申請人:北京偉泰電子電器有限公司