自耦式壓電陶瓷降壓變壓器及其製備方法
2023-06-09 18:34:51 1
專利名稱：自耦式壓電陶瓷降壓變壓器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及固態電子元器件，具體涉及一種壓電陶瓷降壓變壓器。
人門已經知道在電子陶瓷電力器件應用領域中，利用壓電陶瓷正逆壓電效應進行電壓或電流轉換的技術，具體地說，這種技術就是通過對壓電陶瓷進行一定的極化取向和電極結構設計，利用逆壓電效應使壓電陶瓷在輸入端電壓激勵下產生機械振蕩，然後利用正壓電效應使該機械振動能轉化為輸出端的電能，從而實現電力傳輸過程中以機械能為媒介的電能互換。在該能量轉化過程中，壓電陶瓷變壓器的結構和尺寸、振動方式和電能取出方式影響了壓電陶瓷變壓器自身的輸入和輸出電阻抗特性。當輸入和輸出端的電阻抗不等時，其輸入和輸出端間的電壓在負載匹配情況下將不相等，這在效果上便等同於電磁式變壓器，即通常所謂的壓電陶瓷變壓器。
壓電陶瓷變壓器從功能上可分為升壓和降壓二種，前者是以高輸出電壓為主要目的，而後者是以高輸出功率、大電流為主要目的。它們已成為近年來特別引入注目的電子陶瓷元件，其原因是與目前大量應用的電磁式變壓器相比，具有不可燃、無電磁輻射、體積小、結構簡單等特點，適合於近年來迅猛發展的小型化電子如通訊、計算機設備等。90年代初，日本重要的公司和研究機構，如NEC、Toshiba、Tokin等公司以及東京工業大學即以計算機設備為應用目標，開展了壓電陶瓷變壓器應用研究。經過了近十年的研究工作後，率先在可攜式手提計算機液晶屏幕顯示和計算機降壓變壓器這種量大面廣的應用。因而，可以預計壓電陶瓷變壓器在未來的電子元件器件中有著重要的地位。
圖1所示的是1956年Rosen首先提出的壓電陶瓷升壓變壓器結構。這種變壓器是利用壓電陶瓷的壓電應變係數d31產生橫向振動，然後利用壓電應變係數d33來獲得與振動方向平行的縱向電場來獲得高輸出電壓。在這種結構中，輸入和輸出端電阻抗相差大才能保證負載有高的輸出電壓，因而變壓器一般採用的是不對稱結構。目前大多數壓電陶瓷升壓變壓器都是以Rosen型結構為基本雛形而發展的產品，用於可攜式手提計算機液晶屏幕顯示便是採用Rosen改進型多層陶瓷電壓變壓器而工作的。日本專利申請第09059969號是這種類型的壓電陶瓷變壓器的一個實例。
圖2所示的電壓電陶瓷降壓變壓器常用的基本結構。它的輸入和輸出電流一般均很大，降壓比在小於1和大於0.1之間，因而能滿足於日益增長的小型化、大電流交流-交流(AC-AC)和直流-直流(DC-DC)轉換電路的應用要求。該器件的輸入和輸出電阻抗不大且很接近，因而輸入和輸出端的電極結構通常是對稱的或相近的，它們的振動模式亦是相同的。日本Tokin公司就是採用了與圖2(a)相似的多層陶瓷片的輸入和輸出結構，製備了80瓦功率的縱向厚度振動模式壓電陶瓷降壓變壓器，它的降壓比接近0.4，用於計算機的交流-交流(AC-AC)轉換器中。授予Takeshi Ⅰ等人的美國專利第5,118,982是這種壓電陶瓷變壓器的一個實例。
在以上二種壓電陶瓷變壓器中，輸入和輸出端處的壓電陶瓷至今都採用了傳統的工作方式即與輸入端部分相連的那部分壓電陶瓷在電壓驅動下使壓電陶瓷器件產生整體機械振動，通過駐波振動將機械能傳遞至另一作為輸出端的壓電陶瓷上來獲得電能。這種工作方式對於升壓變壓器而言尚可；但對降壓變壓器而言卻有些不足。以圖2所示一些常用降壓變壓器為例，單片壓電陶瓷製成的降壓變壓器太長，很難小型化，功率亦低；而二片壓電陶瓷製成的降壓變壓器在降壓比為0.4～0.1間，其電功率轉換效率小於60％(J.W.Waanders,Piezoelectric Ceramics:properties and applications,Philips,1991)。以上問題雖然用多層陶瓷結構作為輸入和輸出端能有效地解決，但多層壓電陶瓷結構複雜，如採用流延或軋膜以及多層壓電陶瓷片與內電極共燒技術製備多層片式壓電變壓器，將增加工藝難度和生產成本；而採用粘結劑粘結傳統幹壓法得到的壓電陶瓷片來製備多層壓電陶瓷結構器件，這種製備方法雖然製備工藝簡單、成本提高不大，但粘結劑與壓電陶瓷機械阻抗不匹配，將大大提高器件機械阻抗，從而降低器件的電功率轉換效率。所以，傳統的工作方式對多層壓電陶瓷降壓變壓器而言，存在著製備工藝要求高和性能可下降等不足。其次，測試壓電陶瓷變壓器性能時，常發現輸入電壓和電流間有一個相位角，它表明變壓器的無功功率佔有一定的比例，因而人們通常在輸入端加一個電感來調節該相位角，使得其接近於零度，但這種方法的工作頻帶邊窄，且增加成本和器件的體積。最後，傳統的工作方式使器件設計不夠靈活，也限制器件尺寸進一步微小型化。因此，探索結構簡單、製備方便、性能良好的新型壓電陶瓷降壓變壓器對提高器件性能和器件小型化有實用價值。
本發明的一個目的是提供一種自耦式壓電陶瓷降壓器。
本發明的另一個目的是提供製備自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的方法。
本發明所提供的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器，其包括二片設置在變壓器的輸入和輸出端的壓電陶瓷材料製成壓電陶瓷片，該二片壓電陶瓷片用環氧樹脂粘結劑粘結層粘結，每一個壓電陶瓷片的二個表面均設置有電極，以及連接到相應電極的輸入和輸出端電壓的引線，其特徵在於該二片壓電陶瓷極化方向相同，激勵二片壓電陶瓷振動的輸入電壓是加在二片壓電陶瓷片上，二片壓電陶瓷片間引出的電線與輸入端的地線之間作為該壓電陶瓷變壓器的降壓輸出端。
在本發明的一個方面，壓電陶瓷是圓形的，另一片的圓周上對稱地磨去一拱形部分，該二片壓電陶瓷粘結後，在未磨陶瓷部分的電極上引出壓電陶瓷變壓器的輸出端引線。
在本發明的又一個方面，該壓電陶瓷以徑向振動方式激勵，振動模態包括低階和高階的振動模態。
在本發明中該二片壓電陶瓷片的厚度可以相等，也可以不相等。
在本發明的又另一個方面，其輸出端的壓電陶瓷至少為一片壓電陶瓷片，該至少一片壓電陶瓷片在電學上並聯，在機械結構上串聯，從而可進一步降低輸出電壓與輸入電壓的比例。
在本發明中該二片壓電陶瓷片為不同厚度的幹壓法、軋膜法、流延法製成的壓電陶瓷片。
在本發明中該二片壓電陶瓷片間的粘結層為有機材料粘結劑，還包括與該陶瓷片一體化燒結的銀電極，和陶瓷素坯與銀鈀內電極共燒的一體化陶瓷/電極。
在本發明中，該二片壓電陶瓷的極化方向相互平行，而壓電陶瓷在長度方向上以橫向d31振動模式和厚度方向上以縱向d33振動模式激勵，以及在圓片和圓環上以徑向振動模式激勵，而其振動模態為低階和高階振動模式。
本發明的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的製備方法如下在二片壓電陶瓷圓片上覆蓋以銀電極料漿；之後，將該二片壓電陶瓷圓片進行高溫燒結該銀電極；再對帶該電極的陶瓷進行極化，使其具有壓電性能；在其中的一片壓電陶瓷片的對稱邊緣處各磨去一個拱形部分，使之成類似橢圓形狀；用環氧樹脂粘接劑均勻地塗在該二圓片壓電陶瓷的一個電極面上，再用模具將該二片壓電陶瓷片緊密地粘結在一起，該環氧樹脂粘結劑便形成一粘結層；再在該二片陶瓷片的最上和最下面電極，以及在該二片壓電陶瓷之間那部分未磨去陶瓷邊緣上的電極上分別焊接以作為變壓器的輸入和輸出端的電線。
本發明器件的製備方法還包括軋膜法和流延法及內電極共燒技術。在本發明的壓電陶瓷降壓變壓器的部件結構上包括採用二層相同陶瓷厚度和不同的厚度，以及三層或三層以上陶瓷組成不同變壓比的壓電陶瓷變壓器。在陶瓷振動模式上除徑向振動模式外，還包括壓電系統d31橫向長度伸縮模式，壓電係數d33縱向厚度模式。
本發明所提供的自耦式降壓陶瓷降壓變壓器結構簡單、製備方便、器件尺寸小、能有效地降低輸出電壓和高電功率轉換效率的本發明的特點是1．從製備工藝看，本發明的器件可用傳統的幹壓壓電陶瓷片和粘結劑來製備多層結構壓電降壓變壓器，即使生產條件簡單的企業單位也可容易製作，因而可降低成本。
2．從器件結構看，以往用二片壓電陶瓷較難實現的壓電陶瓷降壓變壓器，現本發明結構即可製備成功，因而不僅有利製備，且簡單的器件結構也有利克服複雜結構可能帶來的新問題。
3．從器件尺寸看，由於本發明結構的降低功能是通過電陶瓷電學串聯方式來實現的，因而充分利用了輸入端本身的降壓作用。這一結構比以往壓電陶瓷降壓變壓器更易小型化。
4．從輸入和輸出電壓的連接方式看，輸入和輸出端處的壓電陶瓷在電場作用下能產生共同振動，因而粘結劑對器件機械阻抗並不產生很大的影響，從而消除傳統工作方式中用粘結劑粘結壓電陶瓷對變壓器性能產生不利的影響，有利降低成本。
5．從壓電陶瓷的激勵方式看，就我們所知，至今未見這種工作方式用於壓電陶瓷降壓變壓器上。這也是本發明結構的關鍵所在它使壓電陶瓷降壓變壓器具有以上各優點，使降壓變壓器的設計和製作更趨靈活性。
以下用具體實施例來進一步闡明本發明結構的特徵和優點。
圖1為Rosen型壓電陶瓷升壓變壓器的示意結構圖；圖2為壓電陶瓷降壓變壓器的示意結構圖；圖3為本發明的自耦式徑向振動壓電陶瓷降壓變壓器的示意結構圖；圖4為壓電陶瓷圓片對稱地磨去部分陶瓷後的壓電陶瓷形狀。
圖5示出壓電陶瓷圓片徑向振動的等效電路；圖6為本發明的壓電陶瓷變壓器在輸出端帶有不同的阻抗負載下的負載與相位角的關係的試驗數據曲線圖；圖7為本發明的自耦式徑向振動壓電陶瓷變壓器的輸入電壓、電流和二者的相位、輸出電壓和電流，以及電功率轉換效率隨負載阻抗變化的特性曲線。
參照圖3，所示為本發明所提供的壓電陶瓷降壓變壓器，其包括二片設置在變壓器的輸入和輸出端的壓電陶瓷材料製成壓電陶瓷片1，該二片壓電陶瓷片1用環氧樹脂粘結劑粘結層3粘結，每一個壓電陶瓷片的二個表面均設置有電極2，以及連接到相應電極的輸入和輸出端電壓的引線4，該二片壓電陶瓷極化方向P相同，激勵該二片壓電陶瓷片1振動的輸入電壓Vin是加在二片壓電陶瓷片1上，該二片壓電陶瓷片1間引出的電線4與輸入端的地線之間作為該壓電陶瓷變壓器的降壓輸出端。
本發明的壓電陶瓷可以是圓形的，此時，另一片的圓周上對稱地磨去一拱形部分，形成如圖4所示的類似於橢圓的形狀，該二片壓電陶瓷片經粘結後，在未磨陶瓷部分的電極2上引出壓電陶瓷變壓器的輸出端引線4。
在本發明中，該壓電陶瓷片以徑向振動方式激勵，振動模態包括低階和高階的振動模態。
在本發明中，該二片壓電陶瓷片的厚度可以相等，也可以不相等。
本發明的壓電陶瓷降壓變壓器其輸出端的壓電陶瓷片至少為一片壓電陶瓷片，為進一步降低輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的比例，通常採用二片或二片以上壓電陶瓷片，各片壓電陶瓷片的連接關係，在電學上需體現成相互並聯，而在機械結構上則體現成相互串聯。
在本發明中，該二片壓電陶瓷片1可用不同的方法製成，諸如採用幹壓法、軋膜法、流延法製成該壓電陶瓷片，各該壓電陶瓷片也可具有不同的厚度。
在本發明中，該二片壓電陶瓷片1間的粘結層3為有機材料粘結劑，還包括與該壓電陶瓷片一體化燒結的銀電極2，和陶瓷素坯與銀鈀內電極共燒的一體化陶瓷/電極。
在本發明中，該二片壓電陶瓷片1的極化方向P相互平行，而該壓電陶瓷片1在長度方向上，以橫向d31振動模式激勵，在厚度方向上以縱向d33振動模式激勵，以及在圓片或圓環上以徑向振動模式激勵，而其振動模態為低階和高階振動模式。
本發明提供的製備自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的製備方法包括在二片壓電陶瓷圓片1上覆蓋以銀電極2料漿；之後，將該二片壓電陶瓷圓片進行高溫燒結該銀電極；再對帶該電極的陶瓷進行極化，使其具有壓電性能；在其中的一片壓電陶瓷片的對稱邊緣處各磨去一個拱形部分，使之成類似橢圓形狀；用環氧樹脂粘結劑均勻地塗在該二圓片壓電陶瓷的一個電極面上，再用模具將該二片壓電陶瓷片1緊密地粘結在一起，該環氧樹脂粘結劑便形成粘結層3；再在該二片陶瓷片1的最上和最下面電極2，以及在該二片壓電陶瓷片1之間那部分未磨去陶瓷邊緣上的電極上分別焊接以作為變壓器的輸入和輸出端的電線4。
本發明器件的製備方法還包括軋膜法和流延法及內電極共燒技術。在本發明的壓電陶瓷降壓變壓器的部件結構上包括採用二層相同陶瓷厚度和不同的厚度，以及三層或三層以上陶瓷組成不同變壓比的壓電陶瓷變壓器。在陶瓷振動模式上除徑向振動模式外，還包括壓電系統d31橫向長度伸縮模式，壓電係數d33縱向厚度模式。
實施例以PZT基壓電陶瓷材料作為本發明結構的基本材料製備陶瓷圓片，被上銀電極後在高溫燒結該銀電極、極化該陶瓷，以獲得單片壓電陶瓷圓片，其尺寸如下直徑φ=22.15毫米，厚度t=1.53毫米，面積A=385.2平方毫米。
對上述實施例中用以製成本發明的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的單片陶瓷圓片的材料的性能進行測試，其測量結果如下介電係數εT33(1kHz)為1000；機電耦合係數Kp為0.51圖5示出本發明的自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的壓電陶瓷單片徑向振動的等效電路。對如圖5所示的單片壓電陶瓷徑向振動等效電路進行性能測試，其結果測得該單片壓電陶瓷徑向振動的共振頻fr為102.8kHz，而其反共振頻率fa為115.9kHz；還測得其等效負載電阻R為4.95歐姆，等效電感L為4.20號亨利，等效電容Ca為567微微法拉，等效電容Cb為1880微微法拉，機械Q因子Qm為554。
如圖4所示的本發明的壓電陶瓷變壓器中已對稱地磨去其中一片壓電陶瓷的邊緣後的形狀。如圖中所示已磨去的拱形高度為1毫米。用環氧樹脂粘結劑粘結已磨去邊緣和未磨去邊緣的壓電陶瓷圓片成如圖3所示的結構。測量如圖3所示的由二片壓電陶瓷片構成壓電陶瓷變壓器在輸出端開路情況下的徑向振動的等效電路性能，測試結果如下等效負載電阻R為9.31歐姆，等效電感L為10.6毫亨利，等效電容Ca為231微微法拉，等效電容Cb為905微微法拉，機械Q因子Qm為725。
從上述測量結果，可以看到粘結劑對壓電陶瓷降壓變壓器的徑向振動無大的影響。計算結果，輸出端的負載的匹配電阻為90歐姆。
圖6示出用HP4194阻抗分析儀測量壓電陶瓷變壓器在輸出端上帶有不同負載阻抗下的相位角關係，其中輸出端短路時，θ接近+90°，表明電路為電感性電路；輸出端為開路時，θ接近-90°，表明電路為電容性電路；而接近匹配電阻時，θ接近於零度，亦即接近純電阻電路。所以，當輸出端連接匹配純電阻負載時，輸入端電功率將消耗在負載上。因此，當壓電變壓器自身機械阻抗很小時，壓電陶瓷變壓器有大的電功率轉換效率。
圖7示出在測量輸入有效電壓為35V時，在不同輸出負載時壓電陶瓷變壓器的輸入電流、輸入電壓和電流間的相位角、輸出電壓和電流以及電功率轉換效率。圖7顯示輸出電壓在負載匹配時為16.5V，約為輸入電壓的1/2；相位角θ與用阻抗分析儀基本一致，即在輸出端與負載阻抗匹配時，θ接近於零度。在該電壓下的輸出功率在0.3～0.4之間，效率最高達94％。以上壓電陶瓷變壓器性能測量過程中，壓電陶瓷變壓器的溫度未發生變化。
權利要求
1．一種自耦式壓電陶瓷降壓變壓器，其包括二片設置在變壓器的輸入和輸出端的壓電陶瓷材料製成壓電陶瓷片，所述二片壓電陶瓷片用環氧樹脂粘結劑粘結層粘結，每一個所述壓電陶瓷片的二個表面均設置有電極，以及連接到相應電極的輸入和輸出端電壓的引線，其特徵在於所述二片壓電陶瓷極化方向相同，激勵二片壓電陶瓷振動的輸入電壓是加在所述二片壓電陶瓷片上，所述二片壓電陶瓷片間引出的電線與輸入端的地線之間作為所述壓電陶瓷變壓器的降壓輸出端。
2．根據權利要求1所述的變壓器，其特徵在於二片壓電陶瓷片中的一片壓電陶瓷是圓形的，另一片的圓周上對稱地磨去一拱形部分，所述二片壓電陶瓷粘結後，在未磨陶瓷部分的電極上引出壓電陶瓷變壓器的輸出端引線。
3．根據權利要求2所述的變壓器，其特徵在於所述壓電陶瓷以徑向振動方式激勵，振動模態包括低階和高階的振動模態。
4．根據權利要求1所述的變壓器，其特徵在於所述二片壓電陶瓷片的厚度相等。
5．根據權利要求1所述的變壓器，其特徵在於所述二片壓電陶瓷片的厚度不相等。
6．根據權利要求1所述的變壓器，其特徵在於輸出端的壓電陶瓷至少為一片壓電陶瓷片，所述至少一片壓電陶瓷片在電學上並聯，在機械結構上串聯，從而進一步降低輸出電壓與輸入電壓的比例。
7．根據權利要求1至6中任意一項所述的變壓器，其特徵在於所述二片壓電陶瓷片間的粘結層為有機材料粘結劑，還包括與所述陶瓷片一體化燒結的銀電極，和陶瓷素坯與銀鈀內電極共燒的一體化陶瓷/電極。
8．根據權利要求1至6中任意一項所述的變壓器，其特徵在於所述二片壓電陶瓷片為由幹壓法、軋膜法、流延法中的一種方法製成的不同厚度的壓電陶瓷片。
9．根據權利要求7所述的變壓器，其特徵在於所述二片壓電陶瓷片為由幹壓法、軋膜法、流延法中的一種方法製成的不同厚度的壓電陶瓷片。
10．根據權利要求1所述的變壓器，所述二片壓電陶瓷的形狀包括長方形、方形以及圓環形，所述二片壓電陶瓷的極化方向相互平行，相應地，壓電陶瓷在長度方向上以橫向d31振動模式激勵、厚度方向上以縱向d33振動模式激勵，及在圓片和圓環上以徑向振動模式激勵，而其振動模態可以是低階和高階振動方式。
11．一種製備自耦式壓電陶瓷降壓變壓器的方法，所述方法包括在二片壓電陶瓷圓片上覆蓋以銀電極料漿；將所述二片壓電陶瓷圓片進行高溫燒結所述銀電極；再對帶所述電極的壓電陶瓷片進行極化，使其具有壓電性能；在其中的一片壓電陶瓷片的對稱邊緣處各磨去一個拱形部分，使之成類似橢圓形狀；用環氧樹脂粘接劑均勻地塗在所述二圓片壓電陶瓷片的一個電極面上，再用模具將所述二片壓電陶瓷片緊密地粘結在一起，該環氧樹脂粘結劑便形成一粘結層；再在所述二片陶瓷的最上和最下面電極，以及在所述二片壓電陶瓷之間那部分未磨去陶瓷邊緣上的電極上分別焊接以作為變壓器的輸入和輸出端的電線。
全文摘要
本發明涉及一種壓電陶瓷降壓變壓器的新型結構和製備方法。它利用輸入和輸出端的電學串聯結構使壓電陶瓷產生共振,在輸出端輸出低電壓並獲得高電功率轉換效率的壓電陶瓷變壓器。該壓電陶瓷變壓器具有結構簡單、製備方便、器件尺寸小等特點,適合於小型化的電子儀器,特別是在小型直流－直流或交流－交流轉換器的應用。
文檔編號H01F19/00GK1300087SQ9912644
公開日2001年6月20日 申請日期1999年12月16日 優先權日1999年12月16日
發明者陳王麗華, 李國榮, 胡俊輝, 蔡忠龍 申請人:香港理工大學