一種彎曲振動型壓電變壓器的製作方法
2023-12-02 20:18:06
專利名稱：一種彎曲振動型壓電變壓器的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓電變壓器結構領域，特別是涉及一種低頻壓電變壓器。
背景技術：
壓電變壓器是上世紀70年代後期發展起來的新型電子變壓器，最早由C. A. Rosen 於1956年提出並製作出來，它利用逆壓電效應，將電能轉化為機械能，再利用正壓電效應 將機械能轉化為電能，達到能量的傳遞。與傳統線繞變壓器相比，壓電變壓器具有體積小、 重量輕、耐高溫、耐輻射、高可靠性、無短路擊穿，不產生電磁幹擾等優良特性，並逐步在高 壓電源、電子整流器、開關電源、液晶顯示背光電源等電子系統中得到廣泛的應用。目前，國際上對高頻壓電變壓器的研發工作開展的非常廣泛，以高壓小功率器件 中的Rosen型壓電變壓器和低壓大功率器件中的厚度振動和徑向振動型壓電變壓器為代 表，而對低頻壓電變壓器的研究尚未引起足夠的重視。事實上，低頻壓電變壓器同樣具有廣 泛的用途，而將壓電變壓器在工頻範圍內得到應用，許多民用電器設備中的電磁式變壓器 就可以被取代，可以節省大量的能源和金屬材料，帶來巨大的經濟和社會效益。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種小尺寸下實現低基波工作頻率 並便於批量生產的彎曲振動型壓電變壓器。為了實現上述發明目的，採用的技術方案如下一種彎曲振動型壓電變壓器，包括相互疊放的五層結構，其中第一、二、四和五層 為壓電陶瓷層，第三層為金屬層，第一層和第五層沿厚度方向的極化方向相同，而第二層和 第四層沿厚度方向的極化方向相反，所述第一層與第二層之間、第五層與第四層之間設有 絕緣層，而第二、三、四層之間則設有導電層，所述第一層和第五層的上下表面均設置有導 電極，所述第二層與第一層相鄰的表面、第四層與第五層相鄰的表面設置有導電極。上述技術方案中，所述第一、二、四和五層的面積相同，第一層和第五層的厚度相 同，第二層和第四層的厚度相同，而第一層和第五層與第二層和第四層的厚度不同。所述第三層的面積比其它層的面積大。所述第一層和第二層之間以及第四層和第五層之間採用絕緣膠緊密粘合，而第二 層和第三層之間以及第三層和第四層之間採用導電矽膠緊密粘合。所述壓電變壓器輸入端加正弦策動電壓，在逆壓電效應的作用下，第一層和第五 層的壓電陶瓷層做伸縮振動，且振動方向相反，帶動整個壓電變壓器做彎曲振動，輸出部分 第二層和第四層壓電陶瓷層在正壓電效應的作用下，電極上產生輸出電壓；本發明在充分 考慮縱向振動型壓電變壓器工作原理、工作特性的基礎上，提出了依賴於平面機電耦合系 數kp的彎曲振動型壓電變壓器，能夠以較小的幾何尺寸得到低頻基波振動，並且安裝點精 確牢固。
圖1為實施例一結構示意圖；圖2為圖1的輸入部分和輸出部分結構分解示意圖；圖3為實施例二結構示意圖；圖4為圖3的輸入部分和輸出部分結構分解示意圖。
具體實施方式
實施例一
如附圖1、2所示，為條形彎曲振動型壓電變壓器，包括輸入和輸出兩個部分，輸入 部分夾住輸出部分，輸出部分夾住金屬薄片，採用電極和疊層共燒工藝製備。輸入部分包括 兩片條形壓電陶瓷薄片1和5，幾何尺寸相同，上下表面覆蓋銅電極，採用電極和疊層共燒 工藝製備，它們的外側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的一個輸入端子6，內側表面銅電 極並聯，引出壓電變壓器的另外一個輸入端子7。輸出部分包括兩片條形壓電陶瓷薄片2和 4以及中間的金屬薄片夾層3，條形壓電陶瓷薄片2和4的幾何尺寸相同，上下表面覆蓋銅 電極，採用電極和疊層共燒工藝製備，金屬薄片夾層3的長度和寬度略大於條形壓電陶瓷 薄片，金屬薄片夾層3上引出壓電變壓器的一個輸出端子8，條形壓電陶瓷薄片2和4的外 側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的另外一個輸入端子9。條形壓電陶瓷薄片1和2之間用絕緣膠緊密粘合；條形壓電陶瓷薄片2和金屬薄 片夾層3之間用導電矽膠緊密粘合；金屬薄片夾層3和條形壓電陶瓷薄片4之間用導電矽 膠緊密粘合；條形壓電陶瓷薄片4和5之間用絕緣膠緊密粘合；輸入部分條形壓電陶瓷薄 片和輸出部分條形壓電陶瓷薄片長度和寬度相同，厚度不同，且長度遠大於寬度和厚度，整 個壓電變壓器的結構為棒狀長條形；附圖中的縱向箭頭為條形壓電陶瓷薄片的極化方向。壓電變壓器各層之間緊密粘合，在波節點處固定安裝或者在輸入輸出電極引出端 子所在的左端(右端)固定安裝；工作時，在輸入端加上交變激勵電壓，因為輸入部分的條 形壓電陶瓷薄片極化方向相同，電路上並聯，激勵電壓極性相反，通過逆壓電效應，在電場 激勵下，當某一時刻其中一片伸張時，另一片則縮短，使條形壓電陶瓷薄片產生彎曲振動， 從而帶動輸出端條形壓電陶瓷薄片也做彎曲振動，通過正壓電效應，在輸出端電極產生電 荷，進而產生響應電壓。由機電類比理論和能量法可求得所述壓電變壓器的基波工作頻率為 其中1為壓電變壓器的長度，It為壓電變壓器的厚度，E為壓電陶瓷的楊氏模量，P為 壓電陶瓷密度；另外，長度為1的條形壓電變壓器做長度縱向伸縮振動的基波工作頻率為 所以 說明同樣尺寸的條形壓電變壓器做彎曲振動的頻率比作縱向振動的頻率低的多， 故能用較小的尺寸獲得較低的基波工作頻率。由式(1)可以發現，基波工作頻率與長度的 平方成反比，也就是說能夠以較小的長度的增加獲得較明顯的壓電變壓器基波工作頻率的 降低。從式(1)還可以看出，壓電變壓器的基波工作頻率與其厚度成反比，這樣在設計條形 彎曲振動型壓電變壓器的時候可以根據所需的工作頻率和壓電陶瓷的材料參數大致確定 變壓器的尺寸參數。實施例二 如圖3和圖4所示，為圓盤彎曲振動型壓電變壓器，包括輸入和輸出兩個部分，輸 入部分夾住輸出部分，輸出部分夾住金屬圓片，採用電極和疊層共燒工藝製備。 輸入部分包括兩片圓形壓電陶瓷薄片1和5，厚度相同，半徑相同，上下表面覆蓋 銅電極，採用電極和疊層共燒工藝製備，它們的外側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的一 個輸入端子6，內側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的另外一個輸入端子7。輸出部分包括兩片圓形壓電陶瓷薄片2和4以及中間的金屬薄片夾層3，圓形壓電 陶瓷薄片2和4的厚度相同，半徑相同，上下表面覆蓋銅電極，採用電極和疊層共燒工藝制 備，金屬薄片夾層3的半徑略大與圓形壓電陶瓷薄片，金屬薄片夾層3上引出壓電變壓器的 一個輸出端子8，圓形壓電陶瓷薄片2和4的外側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的另外 一個輸入端子9。圓形壓電陶瓷薄片1和2之間用絕緣膠緊密粘合；圓形壓電陶瓷薄片2和金屬薄 片夾層3之間用導電矽膠緊密粘合；金屬薄片夾層3和圓形壓電陶瓷薄片4之間用導電矽 膠緊密粘合；圓形壓電陶瓷薄片4和5之間用絕緣膠緊密粘合；輸入部分圓形壓電陶瓷薄 片和輸出部分圓形壓電陶瓷薄片直徑相同，厚度不同，整個壓電變壓器呈三明治夾心式。圖中的縱向箭頭為圓形壓電陶瓷薄片的極化方向。壓電變壓器各層之間緊密粘合，沿金屬薄片夾層3四周做簡支安裝，工作時，在輸 入端加上交變激勵電壓，因為輸入部分的圓形壓電陶瓷薄片極化方向相同，電路上並聯，激 勵電壓極性相反，通過逆壓電效應，在電場激勵下，當某一時刻其中一片伸張時，另一片則 縮短，使圓形壓電陶瓷薄片產生彎曲振動，從而帶動輸出端圓形壓電陶瓷薄片也做彎曲振 動，通過正壓電效應，在輸出端電極產生電荷，進而產生響應電壓。由機電類比理論和能量法可求得所述壓電變壓器的最低基波工作角頻率為 其中，a為壓電變壓器陶瓷圓片的半徑，h為壓電變壓器的厚度，P為壓電陶瓷密 度，De為壓電變壓器的有效抗彎剛度，其表達式為 其中= -%，D ^是壓電陶瓷的開路柔順常數，kp是平面機電耦合係數。
sW "11、^12
另外，半徑為a的圓盤徑向振動型壓電變壓器的基波工作角頻率為
( 3 )其中
是壓電陶瓷的短路柔順常數，P為壓電陶瓷密度。 由式⑵可知，所述壓電變壓器的基波工作頻率與半徑的平方成反比，由式(3)知 圓盤徑向振動型壓電變壓器的基波工作頻率與半徑的一次方成反比，說明圓盤的彎曲振動 與徑向振動相比，能夠以較小的半徑增量獲得較明顯的壓電變壓器基波工作頻率的降低。 從式(2)還可以看出，壓電變壓器的基波工作頻率與其厚度成正比，這樣在設計圓盤彎曲 振動型壓電變壓器的時候可以根據所需的工作頻率和壓電陶瓷的材料參數大致確定變壓 器的尺寸參數。
權利要求
一種彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於包括相互疊放的五層結構，其中第一、二、四和五層為壓電陶瓷層，第三層為金屬層，第一層和第五層沿厚度方向的極化方向相同，而第二層和第四層沿厚度方向的極化方向相反，所述第一層與第二層之間、第五層與第四層之間設有絕緣層，而第二、三、四層之間則設有導電層，所述第一層和第五層的上下表面均設置有導電極，所述第二層與第一層相鄰的表面、第四層與第五層相鄰的表面設置有導電極。
2.根據權利要求1所述的彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於所述第一、二、四和五層 的面積相同，第一層和第五層的厚度相同，第二層和第四層的厚度相同，而第一層和第五層 與第二層和第四層的厚度不同。
3.根據權利要求1或2所述的彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於所述第三層的面積 比其它層的面積大。
4.根據權利要求1所述的彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於第一層和第二層之間以 及第四層和第五層之間採用絕緣膠緊密粘合，而第二層和第三層之間以及第三層和第四層 之間採用導電矽膠緊密粘合。
5.根據權利要求1所述的彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於由上到下分為五層，第 一層和第五層為條形壓電陶瓷薄片振子，幾何尺寸相同，沿與條形壓電陶瓷薄片表面垂直 的厚度方向極化，極化方向相同；第二層和第四層也為條形壓電陶瓷薄片，幾何尺寸相同， 沿與條形壓電陶瓷薄片表面垂直的厚度方向極化，極化方向相反；第一層、第五層和第二 層、第四層條形壓電陶瓷薄片的長度和寬度相同，厚度不同；第三層為條形金屬薄片，長度 和寬度比條形壓電陶瓷薄片略大；第一層和第二層之間採用絕緣膠緊密粘合、第二層和第 三層之間用導電矽膠緊密粘合、第三層和第四層之間用導電矽膠緊密粘合、第四層和第五 層之間用絕緣膠緊密粘合；第一層、第二層、第四層、第五層條形壓電陶瓷薄片上下表面覆 蓋有銅電極。
6.根據權利要求5所述的彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於第一層和第五層條形壓 電陶瓷薄片組成壓電變壓器的輸入部分，它們的外側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的 一個輸入端子，內側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的另外一個輸入端子，兩個輸入端子 的引出節點設在壓電變壓器的一端；第二層、第四層條形壓電陶瓷薄片和第三層金屬薄片 組成壓電變壓器的輸出部分，第三層金屬薄片引出壓電變壓器的一個輸出端子，第二層和 第四層條形壓電陶瓷薄片的外側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的另外一個輸出端子， 兩個輸出端子的引出節點設在壓電變壓器的一端。
7.根據權利要求1所述的彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於由上到下分為五層，第 一層和第五層為圓形壓電陶瓷薄片，厚度相同，半徑相同，沿與圓形壓電陶瓷薄片表面垂直 的厚度方向極化，極化方向相同；第二層和第四層也為圓形壓電陶瓷薄片，厚度相同，半徑 相同，沿與圓形壓電陶瓷薄片表面垂直的厚度方向極化，極化方向相反；第一層、第五層和 第二層、第四層圓形壓電陶瓷薄片的半徑相同，厚度不同；第三層為金屬薄圓片，半徑比圓 形壓電陶瓷薄片略大；第一層和第二層之間用絕緣膠緊密粘合、第二層和第三層之間用導 電矽膠緊密粘合、第三層和第四層之間用導電矽膠緊密粘合、第四層和第五層之間用絕緣 膠緊密粘合；第一層、第二層、第四層、第五層圓形壓電陶瓷薄片上下表面覆蓋有銅電極。
8.根據權利要求7所述的彎曲振動型壓電變壓器，其特徵在於第一層和第五層圓形壓電陶瓷薄片組成壓電變壓器的輸入部分，第一層和第五層壓電陶瓷片外側表面銅電極並 聯，引出壓電變壓器的一個輸入端子，內側表面銅電極並聯，引出壓電變壓器的另外一個輸 入端子，兩個輸入端子的引出節點設在外側邊緣處，並處於相對的兩邊；第二層、第四層圓 形壓電陶瓷薄片和第三層金屬薄片組成壓電變壓器的輸出部分，第三層金屬薄片引出壓電 變壓器的一個輸出端子，第二層和第四層圓形壓電陶瓷薄片的外側表面銅電極並聯，引出 壓電變壓器的另外一個輸出端子，兩個輸出端子的引出節點設在外側邊緣處，並處於相對 的兩邊。
全文摘要
本發明提供了一種彎曲振動型壓電變壓器，包括相互疊放的五層結構，其中第一、二、四和五層為壓電陶瓷層，第三層為金屬層，第一層和第五層沿厚度方向的極化方向相同，而第二層和第四層沿厚度方向的極化方向相反，所述第一層與第二層之間、第五層與第四層之間設有絕緣層，而第二、三、四層之間則設有導電層，所述第一層和第五層的上下表面均設置有導電極，所述第二層與第一層相鄰的表面、第四層與第五層相鄰的表面設置有導電極。本發明在充分考慮縱向振動型壓電變壓器工作原理、工作特性的基礎上，提出了依賴於平面機電耦合係數kp的彎曲振動型壓電變壓器，能夠以較小的幾何尺寸得到低頻基波振動，並且安裝點精確牢固。
文檔編號H01L41/083GK101872834SQ20101018333
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者劉燕林, 廖世文, 張健翀, 黃以華, 黃偉 申請人:中山大學