多層壓電變壓器的製作方法
2023-08-13 17:45:26
專利名稱：多層壓電變壓器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種具有多層壓電陶瓷的電壓變換器。更具體地，本發明涉及一種對遞升電壓變換使用組合諧振模式的多層壓電變壓器。壓電變壓器可用於提供電致發光(EL)背光的電路中。
背景技術：
繞線型電磁變壓器已經用於在諸如電視或螢光燈鎮流器的器件的內部電力電路中產生高電壓。此種電磁變壓器採用把導體纏繞到由磁性物質製成的磁芯上的形式。由於需要許多匝的導體來實現較高的變換係數，因此，生產形狀緊湊細長且同時有效的電磁變壓器是極其困難的。進一步地，考慮到高頻應用，電磁變壓器有許多涉及電磁變壓器磁性材料的缺點，如磁滯損失、渦流損失和導體集膚效應損失急劇增加。這些損失把磁性變壓器的實用頻率範圍限制在不超過500kHZ。
為補救繞線型變壓器的這一問題和其它許多問題，在現有技術中已經提供利用壓電效應的壓電陶瓷變壓器(或PT)。與電磁變壓器相反，PT具有輸出電壓-輸入電壓比的尖銳頻率特性，該特性在諧振頻率處具有峰值。此諧振頻率取決於變壓器結構中所包含材料的材料常數和尺寸，所述結構包括壓電陶瓷層和電極。進而，PT比一般的電磁變壓器具有許多優點。PT的尺寸可製作得比具有類似變換係數的電磁變壓器小很多，PT可製作成不燃的，並且不產生電磁感應噪聲。
在PT中使用的陶瓷主體採用各種形式和配置，包括環形、平板等。在圖1和2中示出現有PT的典型實例。此種形式PT一般稱作「Rosen型」壓電變壓器。在美國專利2830274中公布基本的Rosen型壓電變壓器，此基本裝置的許多變化在現有技術中是眾所周知的。典型的Rosen型PT包括其長度比寬度大一點而其寬度比厚度大很多的扁平陶瓷板20。在圖1的情形中，壓電主體20為平板形式，其寬度比厚度大很多並且其長度比寬度更大。
如圖1所示，採用某些部分極化與其它部分不同的壓電主體20。平板20的主要部分，在平板中心右邊的發生器部分22，被縱向極化，並且在極化方向上具有高阻抗。平板的其餘部分，振動器部分21，在與平板表面平面橫交的方向(厚度方向)上極化，並且具有在極化方向上具有低阻抗。在此情況下，平板的振動器部分21實際上分為兩個部分。振動器部分21的第一部分24在一個方向上橫向極化，振動器部分21的第二部分26也被橫向極化，但其方向與振動器部分21的第一部分24的極化方向相反。
為了使電壓與平板20中的機械應力相關聯，提供電極。如果需要，可以有公共電極28，以接地示出。為了一次連接並且為了使平板20的低阻抗振動器部分21的相反表面的電壓相關聯，有與公共電極28相反的電極30。為了使電壓與在平板20的高阻抗發生器部分22的縱向方向上產生的應力相關聯，在平板的端部上有用於與公共電極28協作的二次或高壓電極35。圖示的電極35連接到輸出負載36的端子34，其中，輸出負載36的相反端接地。
在圖1所示的布置中，作用到低阻抗振動器部分21的電極28和30之間的電壓遞升為高阻抗發生器部分的電極28和35之間的高電壓，用於向負載36提供比電極28和30之間作用電壓高很多的電壓。作用電壓通過x-y和y-z表面積中的成比例變化，而使平板發生變形。更具體地，通過分別向驅動電極28和30作用交變電壓而操作RosenPT。由此以橫向效應模式(d31模式)在低阻抗振動器部分21中激起縱向振動。低阻抗振動器部分21中的橫向效應模式振動又以縱向效應縱向振動模式(g33模式)在高阻抗發生器部分22中激起振動。結果，在電極28和35之間獲得高電壓輸出。另一方面，可以理解，為了獲得遞降電壓輸出，受到縱向效應模式振動的高阻抗部分22用作輸入，受到橫向效應模式振動的低阻抗部分21則作為輸出。
此現有PT的固有問題是它們具有相對較低的電力傳輸量。現有PT的此缺陷與以下事實有關在器件的振動器部分21和器件的驅動器部分22之間很少或沒有實現機械效益。由於驅動器和振動器部分每一個本身都是同一電致動部件的一部分，因此，所述部分之間的能量傳輸受Poisson耦合的限制。這固有地限制器件的機械能傳輸量，這又固有地限制此器件的功率處理量。
另外，即使在諧振條件下，由於通過成比例地改變壓電部件的x-y和y-z表面積(或者，在某些實施例中，改變x-y和x′-y′表面積)而實現Rosen型PT的壓電電壓傳輸功能，其中，此種改變是相對較低量級的，因此，使用此壓電變壓器的現有電路的功率處理量本質上較低。由於此現有PT的電力傳輸量是如此之低，因此，在現有技術中普遍把幾個這樣的變壓器組合成多層「堆」，以使實現的電力傳輸量比只使用一個這樣的現有變壓器實現的更大。當然，這既增加變壓器的大小也增加其製造成本。
另外，對於典型的Rosen變壓器，一般需要在部件的振動器部分21的相反表面上交替地作用正、負電壓，以便把部件分別「推」和「挽」成所需的形狀。即使在諧振條件下，包含此現有PT的現有電路相對而言是低效率的，因為在把壓電部件「推」成第一形狀的第一個半周期操作中需要的能量在操作的「挽」半周期中被較大地損失掉(即產生熱量)。與此熱量產生相應的是降低電路效率，增加火災危險性，和/或降低元件和電路的可靠性。為了降低此產熱電路的溫度，電路元件(一般包括開關電晶體和其它元件，以及變壓器本身)的尺寸過大，這減少電路可被利用的應用數量，並且還增加電路的成本/價格。
而且，一般都知道PT在厚度方向上極化和振動(即振動與層的極化方向平行)。此厚度模式振動PT的示例為在圖3中示出的Inoue的美國專利5118982的器件。厚度模式振動PT一般包括相互層疊的低阻抗部分11和高阻抗部分12。厚度模式PT的低阻抗部分11和高阻抗部分12一般包括一組陶瓷層與電極層交替的層疊層。每個部分都包括至少兩個電極層和至少一個壓電材料層。低阻抗部分11的每個壓電陶瓷層和高阻抗部分12的陶瓷層在厚度方向(與陶瓷層之間界面平面正交)被極化。每個部分11或12中每個交替的電極層可相互連接，並且可連接到外部端子。
圖3的厚度模式PT(TMPT)包括包含多個壓電層211-214的低阻抗振動器部分11；以及包含壓電層222的高阻抗振動器部分12，所述每一個層被整體層疊，並使之以厚度延伸模式振動。低阻抗部分11具有包括多層壓電層211-214的層疊結構，其中，每個壓電層夾在電極之間，所述電極包括頂面電極層201和內部電極層231-234。高阻抗部分12包括底部電極層202；內部電極層234；以及夾在電極層202和234之間的單個壓電層222。如箭頭所示，每個壓電層中的極化分別為厚度方向。在低阻抗部分11中，交替的壓電層相互以相反的方向極化。高阻抗部分12中的極化也為厚度方向。TMPT具有公共電極234，每個部分的一個端子16連接到此公共電極。圖3所示TMPT的總厚度限制為驅動頻率的半波長(λ/2)或一個全波長(λ)。
當交變電壓作用到振動器部分11的跨過陶瓷層的電極層上時，在陶瓷中以縱向振動模式(d33模式)激勵起振動，並且振動方向與所述層的極化方向平行。低阻抗部分11中的此種振動在高阻抗部分12中激起振動(g33模式)。隨著高阻抗部分12的振動，高阻抗部分12的g33模式變形在高阻抗部分12的電極之間產生電壓。當以具有λ/2模式(兩端自由基本模式)或λ模式(兩端自由補充模式)諧振的厚度延伸模式操作TMPT時，TMPT在1-10MHz的頻率範圍內工作。
電致發光(EL)燈在本領域中是已知的。為了在黑暗中或在低環境光線條件下觀看，液晶顯示器(LCD)必須通過從LCD顯示器的背部向前投射光而被照亮。由於EL燈易彎曲、重量輕、耐振動和撞擊，並可塑造成較小的、複雜的或不規則的形狀，因此，EL燈是用於液晶顯示器和數字按鍵鍵盤的主流背光。EL燈均勻地照亮一個區域，不會產生「亮點」。由於EL燈消耗的電通常比白熾燈泡或發光二極體(LED)少得多，因此，它們的低功耗、低發熱和柔韌性使得它們對於用電池供電的可攜式應用來說是非常理想的。典型的EL燈背光應用包括無鍵錄入系統；音頻/視頻設備遙控器；PDA鍵盤和顯示器；時鐘和手錶；蜂窩電話、尋呼機和手持式全球定位系統(GPS)中的LCD顯示器；儀器的面板照明；建築物的輔助照明；以及用於標誌顯示和推銷商品顯示的裝飾照明。典型的EL燈應用還包括各種其它器件，如安全燈；可攜式儀器；電池供電的顯示器；LCD模塊；玩具；汽車顯示板；夜間照明燈；配電板式儀表；時鐘收音機；手提式計算機和來電顯示器。
Rosen PT和TMPT兩者的共同特性是它們優選以在一個平面或方向(即徑向或縱向平面，以及厚度或縱向方向)上佔主導的諧振模式振動。
Rosen型PT的問題是它們的功率密度限制在5-10瓦/cm3，這限制它的小尺寸應用。
Rosen型PT的另一問題是它們在兩個方向上被極化，這是一個複雜的工藝。
Rosen型PT的另一問題是它們在部分之間界面上通常因極化應力而遭受機械疲勞和斷裂。
Rosen型PT的另一問題是它們難以安裝，因而具有複雜的安裝殼體。
Rosen型PT的另一問題是它們不能產生足以驅動電致發光(EL)器件的功率。
TMPT的問題是TMPT產生的電壓對於諸如驅動EL器件的應用(50K-100K歐姆)而言太低，其中，TMPT是為低負載(100-1000歐姆)而優化的。
TMPT的另一問題是厚度模式諧振頻率對於一些應用而言太高。
TMPT的另一問題是層的疊加使PT輪廓(高度)太高而不能放在小型化電路中。
TMPT的另一問題是層的疊加使厚度尺寸接近縱向或徑向尺寸。
現有TMPT的另一問題是對PT疊加層沒有明顯增加此種器件的功率密度並且增加容量損失和介電損失。
TMPT的另一問題是變壓器的效率因幾個寄生諧振峰值(在縱向模式中)影響厚度模式諧振而較低。
TMPT的另一問題是當應用到驅動電路時，因環流產生的功率損失而導致效率的頻率特性較差。
Rosen型PT和TMPT的另一問題是它們對一些應用沒有足夠的功率傳輸量。
Rosen型PT和TMPT的另一問題是它們在一些應用中，尤其是在尺寸受限制的應用中，沒有足夠的功率密度。
相應地，希望提供一種壓電變壓器設計，它比相似尺寸的現有壓電變壓器具有更高的功率傳輸量。
還希望提供一種壓電變壓器，它比具有相似功率密度和傳輸量的現有壓電變壓器更小。
還希望提供一種壓電變壓器設計，它比相似尺寸的現有壓電變壓器產生更高的電壓。
還希望提供一種壓電變壓器，它比具有相似電壓輸出但更低功率密度的現有壓電變壓器更小。
還希望提供一種壓電變壓器，它與具有相似功率傳輸量和電壓輸出的現有壓電變壓器相比，具有更低的輪廓。
還希望提供一種壓電變壓器，其中，器件的「驅動器」部分和器件的「被驅動」部分不是相同的電致動元件。
還希望提供一種壓電變壓器，它在器件的驅動器部分和器件的被驅動部分之間提供實質性的機械效益。
還希望提供一種驅動電路，它包括其特性適用於EL背光器件的壓電變壓器。
還希望提供一種被充分小型化以適應受限空間應用的壓電變壓器。
還希望提供一種能為EL器件產生大啟動電壓的壓電變壓器。
還希望提供一種能產生足以在穩態操作中驅動EL器件的功率的壓電變壓器。
還希望提供一種具有高功率密度以考慮小型化的壓電變壓器。
發明內容
根據本發明，提供一種壓電變壓器(PT)，該PT優選以自然(即「諧振」)頻率工作，把第一特徵(即電壓、頻率和電流)的變壓器輸入信號變換為第二特徵(即電壓、頻率和電流)的變壓器輸出信號。所公布的PT通過使PT的輸入「驅動器」段經受交變電壓(或者在一些實施例中為脈衝電壓)而有效地完成所述信號變換，所述交變電壓使一個(或多個)輸入部分變形並振動，這又使一個(或多個)輸出部分振動，接著使PT的「被驅動」輸出部分變形，從而在變壓器的被驅動段中產生輸出電壓。
本發明的優選實施例提供一種多層壓電變壓器PT。該PT優選具有包括一層或多層PZT的圓盤形輸入部分。輸入層在每個主面上都被電極化，並且在與輸入層的主面正交的電極之間(在厚度方向上)極化。作用交變電壓使一個(或多個)輸入層根據電壓的極性而膨脹和收縮。
PT的輸出層包括一個或多個圓盤形PZT層，所述PZT層沿著主面粘合到輸入部分。輸出層優選在其兩個相反主面上具有電極。輸出層在與輸出層的主面正交的電極之間(在厚度方向上)極化。輸入部分的變形使輸出層變形，這在輸出電極之間產生輸出電壓。在替代實施例中，可在輸入部分和輸出層之間粘合絕緣體層如氧化鋁，以便在輸入和輸出側之間提供電絕緣。輸出電壓可作用到用於驅動電致發光(EL)器件的諧振電路上。
相應地，本發明的目的是提供一種PT設計，它比相似尺寸的現有PT具有更高的功率密度和傳輸容量。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於它比具有相似功率傳輸量的現有PT具有更小的尺寸和更低的輪廓。
本發明的另一目的是提供一種PT設計，它比相似尺寸的現有PT產生更高的電壓。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於它比具有相似電壓輸出的現有PT具有更小的尺寸和更低的輪廓。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於器件的「驅動器」部分和器件的「被驅動」部分不是相同的電致動元件。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於它在器件的驅動器部分和器件的被驅動部分之間提供實質性的機械效益。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於它的製造成本比執行類似功率變換功能的現有PT相對廉價。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於它可比現有PT實現更高的電壓增益。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於它比現有PT的製造更簡單。
本發明的另一目的是提供一種PT，其特徵在於它因容量損失和介電損失而引起的損失更低。
本發明的另一目的是提供一種PT，它比現有PT產生更少的熱，由此具有更小的熱損失。
本發明的另一目的是提供一種包括具備上述特徵的PT的變換器電路。
從以下結合附圖的詳細描述中，本發明以上的和其它的目的和優點將顯而易見，在所有附圖中相同的參考號指相同的部件，在附圖中圖1為現有技術中典型的Rosen型壓電變壓器的局部示意透視圖；圖2為現有技術中Rosen型壓電變壓器的另一實例的透視圖；圖3為現有技術中典型的多層厚度模式振動壓電變壓器的透視圖；圖4為本發明壓電變壓器的2層實施例的透視圖，該實施例具有圓盤形配置；
圖5A-5C為圖4壓電變壓器的正視圖，示出在本發明的輸入和輸出層中的不對稱應力；圖6為本發明壓電變壓器的替代實施例的正視圖，該實施例具有絕緣層並具有多個輸出層，而且示出優選的電連接；圖7為壓電變壓器的優選實施例的正視圖；圖8A和8B為圖7壓電變壓器的正視圖，示出輸入和輸出層中的不對稱應力；圖9為本發明壓電變壓器另一實施例的正視圖，該實施例具有兩個多層輸入部分和一個中央輸出部分；圖10為本發明壓電變壓器另一實施例的正視圖，該實施例具有兩個輸出部分和一個中央多層輸入部分。
具體實施例方式
以下將更加完全地描述根據本發明的優選實施例，提供一種包含壓電變壓器1的電路，其中，壓電變壓器1以其自然(即「諧振」)頻率工作，把第一特徵(即電壓、頻率和電流)的變壓器輸入信號變換為第二特徵(即電壓、頻率和電流)的變壓器輸出信號。所述電路優選由DC電源供電，但也可由經過整流的AC電源供電，所述電路通過對壓電變壓器1的驅動器(或「輸入」)部分1A作用第一極性的電壓、接著使壓電變壓器1的輸入部分變形、隨後使所機械粘合的壓電變壓器的被驅動(或「輸出」)部分1B變形、並接著在變壓器1的被驅動部分1B中產生輸出電壓，而有效地實現所述信號變換。
從直接描述中應該理解，通過使用能實現高能量輸送(功率和電壓)的多層壓電變壓器1，可最有利地實現根據本發明原理而構造和工作的電路。相應地，以下描述優選的高性能多層壓電變壓器的構造和特性。然而，應該理解，在本發明的變更實施例中可使用其它的、常規的壓電變壓器，以有利地優化此常規變壓器的工作(即電壓變換和功率傳輸)性能。
在本發明的優選實施例中，包括能實現高功率密度性能的多層壓電變壓器PT，所述PT可用於對EL器件，尤其是EL背光器件，提供電源和控制的電壓變換器電路中。然而，應該理解，本發明的PT可有利地用於許多應用，從而，本發明的範圍不受作用到變壓器輸出的「負載」的性質或描述的限制。
多層壓電變壓器在本發明中，提供一種不使用常規縱向或厚度模式諧振的多層壓電變壓器，所述常規縱向或厚度模式諧振專用於遞升電壓變換應用。典型的PT在嘗試對電路應用提供更大的電壓增益和功率時利用各種構造。通過本構定律來控制壓電體中的機電相互作用，它們的相互關係為以下方程式/矩陣(1)S＝sET+dE(2)D＝εTE+d′T並且，對於PZT陶瓷材料的特殊情況為(3) 在以上方程式中，S為與應變有關的6×1矩陣，T為與應力有關的6×1矩陣。應變矩陣S包括線應變(ε)和剪應變(γ)的元素，並且應力矩陣T包括線應力(σ)和剪應力(τ)的元素。D為與電位移有關的3×1矩陣，而E為與電場有關的3×1矩陣。sE為代表材料沿笛卡兒和剪切軸的零場順應性的6×6矩陣，並且代表純機械變形。εT為代表在笛卡兒軸上在恆定零應力條件下的介電常數的3×3矩陣，並且代表材料的純電氣行為。由於本發明涉及壓電材料，因此，材料的電氣和機械行為由壓電係數矩陣(6×3矩陣d和轉置3×6矩陣d′)相互關聯。
壓電材料中可能的機電變形為與極化軸平行的d33變形、與極化軸正交的d31變形、以及作為相對極化軸的剪切變形的d15變形。因而，對於材料的極化塊，當沿z(即3)方向作用應力σ3時獲得d33係數。還在與z方向正交的表面上聚集電荷。為了測量d31係數，沿x(即1)或y(即2)方向作用應力或應力分量σ1或σ2，並且在與z方向正交的表面上聚集極化。然而，此係數的符號相對於d33係數是負的。相似地，為了測量d15分量，必須作用剪應力σ23(σ4)或σ13(σ5)，並且隨後在與x方向正交的表面上測量極化。
對Rosen型變壓器應用以上矩陣，可看到Rosen變壓器主要取決於其縱向軸上的d31變形。儘管在與縱向軸正交的軸上有相應的變形，但沿這些軸上的變形與這些軸上的尺寸成正比，並且是Poisson耦合的函數。由於Rosen變壓器的縱向尺寸大於寬度並且比其厚度大得多，因此，在厚度和寬度方向上的變形以及產生的電場僅僅是更高的順序效應，它們對這些方向上的電場沒有顯著作用。事實上，d33和d31方向上的電場是極性相反的，從而d33模式中的電場使以d31模式產生的電場減弱。
進而，由於Rosen變壓器是自由振動模式，一般通過它的一個或多個振動節點來安裝，因此，Rosen變壓器的變形根本不受約束。從而，Rosen變壓器主要沿具有自然變形傾向的軸即縱向軸變形，而不沿其它軸變形。Rosen變壓器不沿任何未被極化的、未受約束的或相反布置得表現出剪切應變的剪切軸變形。
對厚度延伸模式壓電變壓器(TMPT)作用以上矩陣，可看到TMPT主要取決於沿其厚度軸上的d33變形。儘管在與厚度軸正交的軸上有相應的變形，但沿這些軸上的變形與這些軸上的尺寸成正比，並且是Poisson耦合的函數。由於TMPT以與所述層厚度有關的頻率驅動，該厚度比TMPT的寬度(或半徑)小很多，因此，在寬度(徑向)方向上的變形以及產生的電場僅僅是更高的順序效應，它對此方向上的電場沒有顯著作用。事實上，d33和d31方向上的電場是極性相反的，從而一個方向的電場使另一方向產生的電場減弱。
進而，由於TMPT是自由振動模式，一般通過它的一個或多個振動節點來安裝，因此，TMPT的變形根本不受約束。從而，TMPT主要沿具有自然變形傾向的軸即厚度軸變形，而不沿其它軸變形。TMPT也不沿任何未被極化的、未受約束或相反布置得表現出剪切應變的剪切軸變形。
以上實例討論PZT材料的機電性質。在應用剪應力和法向應力時，包括BaTiO3、PbZrO3、PbTiO3、PbNb2O6、(Pb，Ca)TiO3、(Pb，Sm)TiO3、Pb(NbO2)2/PbTiO3、Bi4Ti3O6、Bi4.5Na0.5Ti4O15、(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3、(1-x-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3-yBaTiO3和(1-x-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xBaTiO3-yPbTiO3、xPZN-(1-x)PMN、xPMN-(1-x)PZT、PNN-PZ-PT和xPZN-(1-x)PZT的其它壓電材料有相似的表現。極化取決於d係數矩陣，該矩陣由材料的結晶結構確定。
以前的器件嘗試使用矩陣的剪切分量(d15，S44，S55，S66，γ和τ)。這是因為剪切模式的典型壓電係數比橫向模式的大三倍，並且比縱向模式更大。例如，對於PZT8(硬PZT)，d33＝275pC/N，d31＝-109pC/N，並且，d15＝450pC/N。從實例可看出，d15分量大約比d33係數大60％，並且比d31係數大三倍。一些現有器件包括雙軸變換器，如Culp的美國專利5327041；以及複合執行器，如Safari等的美國專利5796207。
Culp的器件使用一層電致變形材料，該材料以梯度或螺旋方式極化，從而提供剪切變形，該變形在界面上是線性的。Safari的器件使用在相對極化方向成一定角度的方向上具有陶瓷相的陶瓷/高分子複合物，從而產生剪應力。非陶瓷相(棒)沿著一個或多個軸貫穿陶瓷結構，以取消或使不希望有的變形，即d31模式變形，最小化。
然而，使用較高的d15分量值來增加壓電器件尤其是壓電變壓器的性能的努力已經很不成功。這是因為利用d15分量要求應用剪應力σ4和σ5並且在與x或y方向正交的表面上聚集電荷。
本發明包括具有以下設計的多層壓電變壓器，該設計使PT表現出剪應變，沿著剪切軸以d15模式變形。PT的此種配置通過機械束縱向或徑向軸上的振動而提供高功率，由此使用具有以下設計的組合諧振模式。
參照圖4PT1包括輸入部分1A和輸出部分1B。在本發明最簡單的實施例中，輸入部分1A和輸出部分1B都分別包括單個薄盤形層40和50，所述層為電致動材料，優選PZT。輸入和輸出層40和50沿著主面40a和50a而粘合到中央電極45，中央電極45優選包括在陶瓷層40和50之間共同燒制的銀、鎳或銀-鈀噴鍍金屬。儘管在本發明的優選實施例中，中央電極45包括銀/鈀噴鍍金屬，但也可使用其它包括鉑、鈀、銀、金或各種其它導電金屬和金屬氧化物及其組合物的噴鍍金屬材料。電極45也可包括諸如銅箔的金屬箔，該金屬箔用強粘附劑如醯亞胺Ciba-Geigy粘附劑而粘合在輸入和輸出層40和50之間。
其它主面40b和50b(輸入和輸出層40和50的外側表面)中的每一個也在其上分別粘合電極層39和51，所述電極層優選包括在其上共同燒制的銀或銀-鈀噴鍍金屬。儘管在本發明的優選實施例中，所有電極39、45和51包括銀/鈀噴鍍金屬，但可使用其它包括鉑、鈀、銀、金或各種其它導電金屬和金屬氧化物噴鍍金屬及其組合物的噴鍍金屬。電極39、45和51中的一部分或全部也可包括諸如銅箔的金屬箔，該金屬箔用強粘附劑如醯亞胺Ciba-Geigy粘附劑而粘合到輸入或輸出層40和50。除了用Ciba粘附劑把電極39和51粘合到輸入或輸出層40和50的外側表面以外，或作為替代例，電極39和51可電極澱積或蒸汽澱積在輸入或輸出層40和50的主面40b和50b上。優選地，外側輸入電極39連接到輸入端68，並且，中央電極45接地。可替代地，中央電極45可連接到輸入端68，而輸入電極39接地。優選外側輸出電極51也連接到輸出端67。
輸入層40和輸入層50在它們各自的主面40a和40b以及50a和50b之間極化。更具體地，如箭頭90所示，輸入層40優選在與其主面40a和40b垂直的厚度方向上極化。因而，當第一極性的輸入電壓作用到輸入電極39和中央電極45之間時，輸入陶瓷層40傾向於徑向壓電收縮變形。當相反極性的第二輸入電壓作用到輸入電極39和中央電極45之間時，輸入陶瓷層40傾向於徑向壓電膨脹變形。因而，可以理解，對輸入端68作用交變電壓將使輸入陶瓷層40以作用電壓的頻率循環膨脹和收縮。
進而，如箭頭92所示，輸出層50優選在與其主面50a和50b垂直的厚度方向上極化。因而，當第一極性的電壓作用到輸出電極和中央電極之間時，輸出陶瓷層50傾向於徑向壓電收縮變形。當相反極性的第二電壓作用到輸出電極51和中央電極45之間時，輸出陶瓷層50傾向於徑向壓電膨脹變形。因而，可以理解，對輸出端67作用交變電壓將同樣使輸出陶瓷層50以作用電壓的頻率循環膨脹和收縮。根據輸出層50的機械應變，相反的壓電效應也產生電場。換句話說，當輸出層50經受第一機械應力即壓縮時，產生的應變(剪切應變，厚度和橫向/徑向)使輸出層50產生第一極性的電場。相反地，當輸出層50受到另一機械應力即拉伸應力時，產生的應變(剪切應變，厚度和橫向/徑向)使輸出層50產生第二相反極性的電場。因而，可以理解，循環地膨脹和壓縮輸出層50將在輸出層50的電極45和51之間產生振蕩電場。
再次參照圖5a-5c此PT的操作實質是輸入層40和輸出層50相互機械耦合。更具體地，輸入和輸出層40和50中的每一個通過粘合層或界面耦合層60，如共同燒制的中央電極和/或粘附劑和/或金屬層，而相互機械耦合。粘合層或界面耦合層60的關鍵特徵是它用作對輸入層40的粘合面40a變形的機械約束。換句話說，當對輸入層40作用電場時，輸入層40的粘合面40a傾向於比輸入層40的相反「自由」面40b膨脹或收縮得更少。粘合層或界面耦合層60也用作對輸出層50的強機械耦合，它能把機械運動從粘合層60傳遞到輸出層50的粘合面50a。因而，當輸出層50的粘合面50a隨粘合層或界面層60的變形而變形時，粘合面50a傾向於比輸出層50的相反「自由」面50b膨脹或收縮得更多。
現在參照圖6在本發明的替代實施例中，PT2具有界面層60，界面層60包括粘合在輸入和輸出部分2A和2B之間的絕緣體層65。更具體地，輸入部分2A和輸出部分和2B每一個都包括一個或多個薄圓盤形層，所述層為電致動材料，優選PZT。輸入部分2A包括輸入層240，輸入層240具有兩個其上粘合電極241和242的主面240a和240b。輸出部分2B包括兩個輸出層250和270，每一個輸出層都相似地具有兩個其上粘合電極251、252和253的主面250a和250b以及270a和270b。電極241、242、251、252和253優選包括共同燒制到陶瓷層240、250和270上的銀或銀-鈀噴鍍金屬。儘管在本發明的優選實施例中，電極241、242、251、252和253包括銀/鈀噴鍍金屬，但也可使用其它包括鉑、鈀、銀、鎳、金或各種其它導電金屬和金屬氧化物噴鍍金屬及其組合物的噴鍍金屬。電極241、242、251、252和253中的一部分或全部也可包括諸如銅箔的金屬箔，該金屬箔用強粘附劑如醯亞胺Ciba-Geigy粘附劑而粘合到輸入和輸出層240和250。除了用Ciba粘附劑把電極241、242、251、252和253粘合到輸入或輸出層240和250和270的外側表面以外，或作為替代例，電極241、242、251、252和253可電極澱積或蒸汽澱積在輸入或輸出層240和250和270的主面240a和240b、250a和250b、以及270a和270b上。
優選地，一個輸入電極241連接到輸入端268，另一電極242接地。可替代地，電極242可連接到輸入端268，而相反的輸入電極241可接地。與輸出層250和270相似地，一個輸出電極252連接到輸出端267，而其它電極251和253接地。可替代地，電極251和253連接到輸出端267，而中央輸出電極252接地。
輸入層240和輸出層250和270在它們各自的主面之間被極化。更具體地，如箭頭290所示，輸入層240優選在與其主面240a和240b垂直的厚度方向上極化。因而，當第一極性的輸入電壓作用到輸入電極241和242之間時，輸入陶瓷層240傾向於徑向壓電收縮變形。當相反極性的第二輸入電壓作用到輸入電極241和242之間時，輸入陶瓷層240傾向於徑向壓電膨脹變形。因而，可以理解，對輸入端268作用交變電壓將使輸入陶瓷層240以作用電壓的頻率循環膨脹和收縮。
進而，如箭頭292和294所示，輸出層250和270優選在與它們各自的主面250a和250b以及270a和270b垂直的厚度方向上極化。優選地，輸出層250和270朝著表面250b和270b方向極化，其中，在表面250b和270b之間有中央電極252。當第一極性的電壓作用到輸出電極251和252之間時，輸出陶瓷層250傾向於徑向壓電收縮變形。同樣，當第一極性的電壓作用到輸出電極253和252之間時，輸出陶瓷層270傾向於徑向壓電收縮變形。當相反極性的第二電壓作用到輸出電極251和252之間時，輸出陶瓷層250傾向於徑向壓電膨脹變形。同樣，當相反極性的第二電壓作用到輸出電極253和252之間時，輸出陶瓷層250傾向於徑向壓電膨脹變形。因而，可以理解，對輸出端267作用交變電壓將使輸出陶瓷層250和270以作用電壓的頻率循環膨脹和收縮。
根據輸出層250和270的機械應變，相反的壓電效應也產生電場。換句話說，當輸出層250和270受到機械應力即壓縮時，產生的應變(剪切應變，厚度和橫向/徑向)使輸出層250和270在輸出電極251和252以及輸出電極252和253之間產生第一極性的電場。相反，當輸出層250和270受到另一機械應力即拉伸應力時，產生的應變(剪切應變，厚度和縱向/徑向)使輸出層250和270在輸出電極251和252以及輸出電極252和253之間產生第二相反極性的電場。因而，可以理解，循環地膨脹和壓縮輸出層250和270將在輸出電極251和252以及輸出電極252和253之間產生振蕩電場。
PT2的操作實質是輸入層240和輸出層250用界面耦合層260相互機械耦合。更具體地，輸入和輸出層240和250中每一個通過作為界面耦合層260的絕緣體層65而相互機械耦合。絕緣體層65優選包括在輸入和輸出層240和250的金屬化表面240a和250a之間共同燒制的氧化鋁層。絕緣體層65還包含其它絕緣體或介電材料，所述絕緣體或介電材料包括其它陶瓷或強粘附劑層如Ciba粘附劑。除了與輸入和輸出層240、250和270共同燒制絕緣體層65以外，絕緣體層65可替代地用強粘附劑如Ciba粘附劑而粘合在輸入和輸出層240和250的中央表面240a和250a之間。因而，絕緣體層65在一個主面65a上具有與輸入層240的中央表面240a之間的粘合層71，並且在相反主面65b上具有與輸出層250的中央主面250a之間的第二粘合層72。優選地，絕緣體層65的剛性比輸入層240的構造材料的剛性稍微更大，但足夠隨著輸入層240的變形而變形(即是不完全剛性的)。粘合層71和72與絕緣體層65的機械耦合強度優選足以把絕緣體層65的變形至少部分地傳遞到輸出層250的中央主面250a。
絕緣體層65的關鍵特徵是它用作對輸入層240的粘合面240a變形的機械約束。絕緣體層65還用作對輸出層250和270的強機械耦合，它能把機械運動(變形)從輸入層240的粘合面240a傳遞到輸出層250的粘合面250a。換句話說，當對輸入層240作用電場時，輸入層240的粘合面240a傾向於比輸入層240的相反「自由」面240b膨脹或收縮得更少。相反，當輸出層250的粘合面250a隨著絕緣體層65的變形而變形時，粘合面250a傾向於比輸出層250和270的相反「自由」面250b和270b膨脹或收縮得更多。
在操作時，在輸入層240的電極241和242之間對輸入端268作用第一極性的電壓傾向於導致陶瓷層240產生徑向d31模式變形(膨脹)。允許輸入層240的自由面240b在典型d31變形的最大範圍內變形(膨脹)。然而，由於輸入層240的中央粘合面240a在與絕緣體層65的粘合層71處受約束，因此，中央表面240a不能在它不受約束的最大範圍內膨脹。同樣，在輸入層240的電極241和242之間對輸入端268作用第二相反極性的電壓傾向於導致陶瓷層240產生徑向d31模式變形(收縮)。允許輸入層240的自由面240b在典型d31變形的最大範圍內變形(收縮)。然而，由於輸入層240的中央粘合面240a在與絕緣體層65的粘合層71處受約束，因此，中央表面240a不能在它不受約束的最大範圍內變形(收縮)。
根據材料的相對剛性，輸入層240的中央表面240a的膨脹和收縮導致絕緣體層65與之一起膨脹和收縮。優選地，絕緣體層65的剛性比輸入層240的構造材料的剛性稍微更大，但足夠隨著輸入層240的變形而變形(即是不完全剛性的)。粘合層71和72與絕緣體層65的機械耦合強度優選足以把輸入層240和絕緣體層65的運動至少部分地傳遞到輸出層250的中央表面250a，並進一步傳遞到輸出層270。
輸入層240的中央表面240a的膨脹和收縮導致所粘合的絕緣體層65與之一起膨脹和收縮。粘合的絕緣體層65把它的運動至少部分地傳遞到所連接的輸出層250的中央表面250a，並進一步傳遞到輸出層270。更具體地，當粘合的絕緣體層65隨著所連接輸入層240的膨脹而膨脹時，粘合的絕緣體層65對輸出層250的中央表面250a作用拉伸應力。輸出層250因拉伸應力而膨脹。由於在輸出層250的中央表面250a上作用拉伸應力，並且相反表面250b粘合到第二輸出層270的表面270a，因此，輸出層250的相反表面250b的變形沒有中央表面250a的那麼大。換句話說，輸出層250的一個表面250b的變形受到約束，從而它的應變或膨脹沒有輸出層250的中央表面250a的那麼大。輸出層250的相反表面250b粘合到第二輸出層的表面270a，並且把它的運動傳遞到該表面270a。因而，第二輸出層270的表面270a具有由第一輸出層250的粘合面250b作用到其上的拉伸應力。由於只在輸出層270的中央表面270a上作用拉伸應力，並且相反的「自由」表面270b沒有直接作用到其上的拉伸應力，因此，輸出層270的「自由」表面270b上的應力只是與從中央表面270a通過輸出層270傳遞的一樣大。換句話說，輸出層270的自由表面270b沒被作用同樣大的拉伸應力，從而它的應變或膨脹沒有輸出層270的中央表面270a的那麼大。
同樣，當粘合的絕緣體層65隨著所連接輸入層240的收縮而收縮時，粘合的絕緣體層65對輸出層250的中央表面250a作用壓縮應力。輸出層250因壓縮應力而收縮。由於在輸出層250的中央表面250a上作用壓縮應力，並且相反表面250b粘合到第二輸出層270的表面270a，因此，輸出層250的相反表面250b的變形沒有中央表面250a的那麼大。換句話說，輸出層250的一個表面250b的變形受到約束，從而它的應變或收縮沒有輸出層250的中央表面250a的那麼大。輸出層250的相反表面250b粘合到第二輸出層的表面270a，並且把它的運動傳遞到該表面270a。因而，第二輸出層270的表面270a具有由第一輸出層250的粘合面250b作用到其上的壓縮應力。由於只在輸出層270的中央表面270a上作用壓縮應力，並且相反的「自由」表面270b沒有直接作用到其上的壓縮應力，因此，輸出層270的「自由」表面270b上的應力只是與從中央表面270a通過輸出層270傳遞的一樣大。換句話說，輸出層270的自由表面270b沒被作用同樣大的壓縮應力，從而它的應變或收縮沒有輸出層270的中央表面270a的那麼大。
因而，當在輸入層240的電極241和242之間作用交變電壓時，輸入層240變形，這使所粘合的絕緣體層65變形，它又使PT2的輸出層250和270變形。在缺少所粘合絕緣體層65施加的約束時，此變形僅僅是d31類型的徑向變形。然而，由於所粘合絕緣體層65在粘合層71處施加的約束，輸入層240沿其厚度表現出分布式的應力梯度，結果，輸入層240受到剪應變，並且在其厚度方向上變形不均勻。另外，由於第二輸出層270對第一輸出層250的約束，並且對第二輸出層270的自由表面270b沒有任何約束，因此，輸出層250和270也受到剪應變，並且在它們的厚度方向上變形不均勻。此非均勻變形的此d15剪切分量比在只使用d31或d33分量的典型PT中產生更大的電場。
現在參照圖7在又一實施例PT3中，PT3的輸入部分包括在多個(N+1個)電極之間的多個(N個)薄輸入層。例如，在圖7的實施例中，PT3輸入部分3A包括粘合在5個電極之間的四個薄盤形輸入陶瓷層，每一個電極都包括與PZT輸入層共同燒制的銀或銀-鈀噴鍍金屬。優選地，各個輸入層是分別比單個PZT厚層具有更大電容的薄層，從而能以更低的作用電場在其中傳送更大的電流。為了有利於具有多個層的單個輸入部分的優選性能，輸入部分的特徵是使用層的交變極化和交變端連接。這允許輸入部分3A根據多個電極上的電力輸入而作為單個厚層，並且允許電力輸入在輸入部分3A的多個層上並聯相加。
更具體地，輸入部分3A包括四個薄盤形層102、104、106和108，所述層為電致動材料，如PZT。輸入層102、104、106和108優選通過與散布的電極共同燒制電致動層堆而粘合到交替電極層101、103、105、107和109，其中，所述電極包括銀或銀-鈀噴鍍金屬。因而，輸入層102粘合在電極層101和103之間，同時輸入層104粘合在電極層103和105之間。同樣，輸入層106粘合在電極層105和107之間，並且輸入層108粘合在電極層107和109之間。儘管在本發明的優選實施例中，電極101、103、105、107和109包括銀/鈀噴鍍金屬，但也可使用其它包括鉑、鈀、銀、鎳、金或各種其它導電金屬和金屬氧化物噴鍍金屬及其組合物的噴鍍金屬。對於用Ciba粘附劑把電極101、103、105、107和109粘合到輸入層102、104、106和108的替代例，電極101、103、105、107和109可電極澱積或蒸汽澱積在輸入層102、104、106和108的主面上。電極101、103、105、107和109還可包括諸如銅箔的金屬箔，該金屬箔用強粘附劑如醯亞胺Ciba-Geigy粘附劑而粘合在輸入層102、104、106和108之間。
更具體地，第一輸入電極101粘合到第一輸入陶瓷層102的第一主面102a上，並且第二輸入電極103粘合到第一輸入陶瓷層102的其餘主面102b上。第二輸入陶瓷層104在主面104a上粘合到第二輸入電極103，並且，第三輸入電極105粘合在第二輸入陶瓷層104的其餘主面104b上。第三輸入陶瓷層106在主面106a上粘合到第三輸入電極105，並且，第四輸入電極107粘合在第三輸入陶瓷層106的其餘主面106b上。第四輸入陶瓷層108在主面108a上粘合到第四輸入電極107，並且，第五輸入電極109粘合在第四輸入陶瓷層108的其餘主面108b上。優選地，電極102和104連接到輸入端368，並且，電極101、103和105連接到公共接地。可替代地，電極101、103和105可連接到輸入端368，而電極102和104連接到公共接地。
如上所述，輸入層102、104、106和108優選以交變方式極化。換句話說，如箭頭390和392所示，輸入層102和106互相之間在一個方向上極化(在厚度方向上與主面102a和102b、106a和106b垂直)。而且，如箭頭391和393所示，輸入層104和108互相之間以相同方向極化(在厚度方向上與主面104a和104b、108a和108b垂直)，但是在與層102和106相反的厚度方向上。優選地，層102和104在對著它們之間電極103的方向上極化，並且，層106和108在對著它們之間電極107的方向上極化。因而，輸入層102和104以相反的方向極化，但實際上是以對著中央輸入電極103的相同方向極化。而且，輸入層106和108以相反的方向極化，但實際上是以對著中央輸入電極107的相同方向極化。為了有利於在輸入部分3A的層102、104、106和108上作用電場，在輸入電極上連接輸入端。優選地，一個輸入端368連接到兩個電極103和107，以便對這些電極103和107同時作用電信號。優選地，其餘電極101、105和109是接地連接。
因而，每個輸入層102、104、106和108在厚度方向上極化，從而，當在層102、104、106和108之間作用電壓時，每個層102、104、106和108分別傾向於徑向變形，即以垂直各個極化方向390、391、392和393的d31模式變形。然而，由於層102、104、106和108沿著它們的主面相互粘合，因此每個層在粘合層上的變形受約束。
參照圖8a和8b在操作中，當電信號作用到與電極103和107連接的輸入端368時，第一極性(即，相對接地電極101、105和109而言的正極性)的電壓同時作用到層102的電極103和101之間、層104的電極103和105之間、層106的電極107和105之間以及層108的電極107和109之間。由於所有層102、104、106和108都朝著被作用電信號的電極極化，因此，它們都以相同的方向變形，例如徑向膨脹。相反，當第二電信號作用到與電極103和107連接的輸入端368時，第二相反極性(即，相對接地電極101、105和109而言的負極性)的電壓同時作用到層102的電極103和101之間、層104的電極103和105之間、層106的電極107和105之間以及層108的電極107和109之間。由於所有層102、104、106和108都朝著被作用電信號的電極極化，因此，它們都以相同的方向變形，例如徑向收縮。因而，應該理解，對輸入端368作用振蕩電壓將導致輸入部分1A循環地膨脹和收縮。
輸入部分3A機械耦合到輸出部分3B，輸出部分3B至少包括一個輸出層140。PT的輸出層140包括另一圓盤形層，其材料為電致動材料，優選PZT，此層在其兩個相反主面140a和140b上有電極141和142。電極141和142優選包括共同燒制到輸出層140上的銀或銀-鈀噴鍍金屬。可替代地，可通過電極澱積、蒸汽澱積或通過用粘附劑如Ciba或導電環氧樹脂把導電金屬如銅或鎳粘合到輸出層140的表面140a和140b上而塗敷電極141和142。輸出電極141和142分別連接到輸出端367和接地。可替代地，可顛倒端子367和接地與電極141和142的連接。優選地，輸出層140的厚度比各個輸入層102、104、106和108的厚度相對而言更大，並且更優選地是整個輸入部分3A厚度的2-4倍。
如箭頭394所示，輸出層140優選在與其主面140a和140b垂直的厚度方向上極化。因而，當第一極性的電壓通過端子367作用到輸出電極141和142之間時，輸出陶瓷層140傾向於徑向壓電收縮變形。當相反極性的第二電壓通過端子367作用到輸出電極141和142之間時，輸出陶瓷層140傾向於徑向壓電膨脹變形。因而，應該理解，對輸出端367作用交變電壓將同樣使輸出陶瓷層140以作用電壓的頻率循環膨脹和收縮。隨著輸出層140的機械應變，相反的壓電效應也產生電場。從而，當輸出層140受到第一機械應力即壓縮時，產生的應變(剪切應變，厚度和橫向/徑向)使輸出層140在電極141和142之間產生第一極性的電場。相反，當輸出層140受到另一機械應力即拉伸應力時，產生的應變(剪切應變，厚度和橫向/徑向)使輸出層140產生第二相反極性的電場。因而，可以理解，循環地膨脹和壓縮輸出層140將在輸出層140的電極141和142之間產生振蕩電場。
在PT3的優選實施例中，輸入層102的中央電極101在粘合層171上粘合到絕緣體層150的第一主面150a上，絕緣體層150優選包括薄的氧化鋁層，並優選共同燒制而粘合。輸出層140在粘合層172上通過電極141粘合到絕緣體層150的另一主面150b上，並優選共同燒制而粘合。絕緣體層150相對於輸入和輸出部分3A和3B變形的約束以及和它們一道的變形與以上對於圖6絕緣PT2的描述是類似的。在PT3的替代實施例中，輸入部分3A直接粘合到輸出部分3B，並且輸入和輸出部分3A和3B的約束和變形與以上對圖5A-5C的PT1的描述是類似的。
因而，輸入部分3A通過界面耦合層如絕緣體層150或其它一個(或多個)粘合層而機械耦合到輸出部分3B。PT3操作的本質是輸入部分3A和輸出部分3B相互機械耦合。從而，中央輸入層102的中央表面，即電極101和層102通過界面耦合層，例如直接通過粘合層172或優選採用絕緣體層150，而機械耦合到輸出層的中央主面140a上。粘合層172優選在共同燒制輸入層102、104、106和108的同時，通過共同燒制輸出層140而形成。界面層和粘合層172可交替地包括強粘附劑層如Ciba粘附劑層。絕緣體層150優選包括在輸入和輸出層102和140的中央金屬化表面之間共同燒制的氧化鋁層。絕緣體層150還可包括其它絕緣體或介電材料，包括其它陶瓷或強粘附劑層如Ciba粘附劑層。除了與輸入和輸出部分3A和3B共同燒制絕緣體層150之外，絕緣體層150可用強粘附劑如Ciba粘附劑交替地粘合在輸入和輸出層102和140的中央表面102a和140a之間。因而，絕緣體層150在一個主面150a上具有與輸入層102的中央表面102a之間的粘合層171，並且在相反主面150b上具有與輸出層140的中央表面140a之間的第二粘合層172。優選地，絕緣體層150的剛性比輸入層102、104、106和108的構造材料的剛性稍微更大，但足夠隨著輸入層102、104、106和108的變形而變形(即是不完全剛性的)。在粘合層171和172上與絕緣體層150的機械耦合強度優選足以把絕緣體層150的變形至少部分地傳遞到輸出層140的中央主面140a。
界面耦合層150的關鍵特徵是它用作對輸入層102的粘合面102a變形的機械約束。因而，當對輸入部分3A作用電場時，輸入部分的層的粘合面傾向於比輸入層102、104、106和108的相反「自由」面膨脹或收縮得更少。例如，更具體地，當在輸入層102上作用電壓時，中央表面102a在粘合層171或界面耦合層150上受約束，粘合層171或界面耦合層不是獨立變形的。輸入層102的相反表面102b粘合到相鄰的輸入層104，輸入層104與第一輸入層102同時變形，膨脹或收縮。因而，第一輸入層102的相反表面102a和102b受到不同的應力，從而，第一輸入層102的中央表面102a受到的變形約束比輸入層102的第二表面102b的更大。同樣，第二輸入層104具有應變量不同的相反表面104a和104b，因為在粘合到第一輸入層102的表面104a上具有比粘合到第三輸入層106的表面104b相對更大的約束。進而，第三輸入層106具有應變量不同的相反表面106a和106b，因為在粘合到第二輸入層104的表面106a上具有比粘合到第四輸入層108的表面106b相對更大的約束。最後，第四輸入層108具有應變量不同的相反表面108a和108b，因為在粘合到第三輸入層106的表面108a上有約束，而在相反「自由」表面108b上沒有約束。因而，每個輸入層102、104、106和108在層102、104、106和108遠離界面耦合層150的表面102b、104b、106b和108b上變形更大，此總體效果與包括單層相同總體厚度的輸入部分的變形相似。
界面耦合層150還作為與輸出層140的強機械耦合，它能從輸入層102的粘合面102a把機械運動(變形)傳送到輸出層140的粘合面140a。與PT3的輸入部分3A相似地，當輸出層140的粘合面140a隨著界面耦合層150的變形而變形時，粘合面140a傾向於比輸出層140的相反「自由」表面140b膨脹或收縮得更大。可替代地，輸出部分3B是多層結構，從而，它以與PT3的輸入部分3A相似的方式變形。
如本文以上所述，在輸入層102、104、106和108的電極101、103、105、107和109之間對輸入端168作用第一極性的電壓傾向於導致陶瓷層102、104、106和108的徑向變形(膨脹)。外側輸入層108的自由表面108b允許在典型d31變形的最大範圍內變形(膨脹)。然而，由於輸入層102、104、106和108的中央表面102a和內部表面102b、104a-b、106a-b和108a在它們各自的粘合層上相互約束，因此，中央表面102a和內部表面102b、104a-b、106a-b和108a不能在它們不受約束的最大範圍內膨脹。同樣，在輸入層102、104、106和108的電極101、103、105、107和109之間對輸入端168作用第二相反極性的電壓傾向於導致陶瓷層102、104、106和108的徑向變形(收縮)。輸入層108的自由表面108b允許在典型d31變形的最大範圍內變形(收縮)。然而，由於輸入層102、104、106和108的中央表面102a和內部表面102b、104a-b、106a-b和108a在它們各自的粘合層或界面耦合層上受約束，因此，中央表面102a和內部表面102b、104a-b、106a-b和108a不能在它們不受約束的最大範圍內變形(收縮)。
根據粘合層171上，即界面層150上材料對於輸入層102的相對剛性，輸入層102的中央表面102a的膨脹和收縮導致粘合層/界面耦合層150隨之一起膨脹和收縮。優選地，界面層150的剛性比輸入層102、104、106和108的構造材料的剛性稍微更大一些，但足夠隨著輸入層的變形而變形(即是不完全剛性的)。粘合層/界面耦合層上的機械耦合強度優選足以把它的運動至少部分地傳遞到輸出層140的中央表面140a。
再參照圖8a和8b輸入層102的中央表面102a的膨脹和收縮使粘合層171和界面耦合層65與之一起膨脹和收縮。界面層65把它的運動通過第二粘合層172至少部分地傳遞到所連接的輸出層140的中央表面140a。更具體地，當粘合層171和界面層65隨著所連接輸入層102的膨脹而膨脹時，界面層65通過第二粘合層172對輸出層140的中央表面140a作用拉伸應力。輸出層140隨著此拉伸應力而膨脹。由於拉伸應力只作用在輸出層140的中央表面140a上並且沒有拉伸應力直接作用在相反的「自由」表面140b上，因此，輸出層140的「自由」表面140b上的應力只是與從中央表面140a通過輸出層140傳遞的同樣大。換句話說，輸出層140的自由表面140b沒有同樣大的拉伸應力作用在其上，並從而它的應變或膨脹沒有輸出層140的中央表面140a那麼大。此膨脹在電極141和142之間產生第一極性的電壓。
同樣，當粘合層171和界面層65隨著所連接輸入層102的收縮而收縮時，界面層65對輸出層140的中央表面140a作用壓縮應力。輸出層140隨著此壓縮應力而收縮。由於壓縮應力只作用在輸出層140的中央表面140a上並且沒有壓縮應力直接作用在相反的「自由」表面140b上，因此，輸出層140的「自由」表面140b上的應力只是與從中央表面140a通過輸出層140傳遞的同樣大。換句話說，輸出層140的自由表面140b沒有同樣大的壓縮應力作用在其上，從而它的應變或收縮沒有輸出層140的中央表面140a那麼大。
因而，當交變電壓作用到輸入層102、104、106和108的電極101、103、105、107和109之間時，輸入層102、104、106和108變形，這通過粘合層171而使所連接界面層65變形，界面層65又通過粘合層172使PT3的輸出層140變形。在界面層65沒有施加約束時，此變形僅僅是d31型徑向變形。然而，由於粘合層171和界面層65所施加的約束，輸入層102、104、106和108受到剪切應變，並且在它們各個的厚度上變形不均勻。另外，由於在輸出層140的自由表面140b上沒有任何約束，因此，一個(或多個)輸出層140也受到剪切應變，並且在它的厚度上變形不均勻。此非均勻變形的此d15剪切分量比只使用d31或d33分量的典型PT產生更大的電場。
因而，在對輸入端作用第一極性的電壓時，輸入部分變形(收縮)，由此收縮粘合層和所連接的絕緣體層，粘合層把該變形傳遞給所連接的輸出層。輸出部分的變形(收縮)在連接到輸出端47的輸出電極之間壓電地產生g15模式輸出電壓。相反，在對輸入端作用第二相反極性的第二電壓時，輸入部分變形(膨脹)，由此使粘合層或連接的絕緣體層膨脹，它們把該變形傳遞到所連接的輸出層。輸出層的變形(膨脹)在連接到輸出端47的輸出電極之間壓電地產生第二相反極性的輸出電壓。因而，對輸入部分作用交變電壓使輸入層(以d15模式)變形，這使得所連接的粘合層和/或絕緣體層和輸出層變形，由此(以g15模式)產生交變的輸出電壓。
參照圖9和10根據本發明的PT的替代結構是有可能的和所希望的。例如，PT可設計為只有一個輸入層和一個輸出層，如圖4和5所示。可替代地，PT可設計為在輸入和輸出部分之間具有絕緣體層，如圖6和7所示。另外，PT可設計為具有如圖7所示的多個輸入層或如圖6所示的多個輸出層。圖9的PT4示出在兩個多層輸入部分4A和4B之間粘合具有一個輸出部分4C的PT。在圖9的PT4中，所述部分的功能可以顛倒，從而，一個部分4C用作粘合在兩個多層輸出部分4A和4B之間的輸入層4C。圖10的PT5示出在兩個輸出部分5A和5B之間粘合一個多層輸入部分5C的替代PT5。在圖10的PT5中，所述部分的功能可以顛倒，從而，一個部分5C用作粘合在兩個輸入層5A和5B之間的多層輸出部分5C。
雖然以上描述包括許多特殊性，但這些不應解釋為對本發明範圍的限制，而僅僅是本發明優選實施例的範例。許多其它變化也是有可能的，例如雖然在本發明優選實施例中，陶瓷層優選由PZT陶瓷材料構成，但其它的電致動材料也可用在適當的地方；陶瓷層可以是壓電的、鐵電的或其它電致動元件；輸入部分最少可包括一個陶瓷層或者可以是多層結構；輸出部分最少可包括一個陶瓷層或者可以是多層結構；多層輸入部分中輸入層的極化方向可以變化並且不必朝著中央電極方向，而是可遠離中央電極，或者是兩者的結合；多層輸出部分中所述層的極化方向不必朝著中央電極，而是可遠離中央電極；多層輸出部分的中央電極不必是高壓電極-外側電極可承載高電壓，並且中央電極可以是接地參考點；輸入和輸出部分可共享公共接地電極，或者可以具有獨立的利用絕緣層優點的接地連接；絕緣層不必由氧化鋁構成，而是可由其它絕緣材料構成，包括但不限於保留壓電惰性的未極化電致動材料；相應地，本發明的範圍不應由示出的實施例來確定，而是由後附權利要求和它們的合法等效物來確定。
權利要求
1.一種壓電變壓器，包括第一輸入電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；第一輸出電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；以及第一機械粘合物，該粘合物把所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面連接到所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面，從而，所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面至少部分地約束所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形；其中，對所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形的所述約束防止所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的徑向變形與所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面的徑向變形一樣大，從而，在所述第一輸入電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異。
2.如權利要求1所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形通過所述第一機械粘合物而使所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面產生徑向應變；並且其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向應變在所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面和所述第二電極主面之間壓電地產生輸出電壓。
3.如權利要求2所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸入電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第一輸入電致動盤中產生剪切應變。
4.如權利要求3所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形比所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面的所述徑向變形更大，從而，在所述第一輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異。
5.如權利要求4所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第一輸出電致動盤中產生剪切應變。
6.如權利要求5所述的壓電變壓器，其中，所述第一機械粘合物從通過以下工藝形成的粘合物組中選擇，所述工藝包括共同燒制所述輸入和輸出電致動盤；以及把所述輸入和輸出電致動盤粘附在一起。
7.一種壓電變壓器，包括第一輸入電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；第一輸出電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；以及約束層，該層機械粘合在所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面與所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面之間，從而，所述約束層至少部分地約束所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形；其中，對所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形的所述約束防止所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的徑向變形與所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面的徑向變形一樣大，從而，在所述第一輸入電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異。
8.如權利要求7所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形使所述約束層產生徑向應變；並且其中，所述約束層的所述徑向應變通過所述約束層傳遞，以使所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面產生徑向應變；而且其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向應變在所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面和所述第二電極主面之間壓電地產生輸出電壓。
9.如權利要求8所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸入電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第一輸入電致動盤中產生剪切應變。
10.如權利要求9所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形比所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面的所述徑向變形更大，從而，在所述第一輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異。
11.如權利要求10所述的壓電變壓器，其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第一輸出電致動盤中產生剪切應變。
12.如權利要求11所述的壓電變壓器，其中，所述約束層的所述機械粘合物從通過以下工藝形成的粘合物組中選擇，所述工藝包括共同燒制所述約束層和所述輸入和輸出電致動盤；把所述約束層與所述輸入和輸出電致動盤粘附在一起；以及它們的組合。
13.如權利要求3所述的壓電變壓器，進一步包括第二輸入電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；以及第二機械粘合物，該粘合物把所述第二輸入電致動盤的所述第一電極主面連接到所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面，從而，所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面至少部分地約束所述第二輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形；其中，所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面對所述徑向變形的所述約束防止所述第二輸入電致動盤的所述第一電極主面的徑向變形與所述第二輸入電致動盤的所述第二電極主面的徑向變形一樣大，從而，在所述第二輸入電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異。
14.如權利要求13所述的壓電變壓器，第二輸出電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；以及第三機械粘合物，該粘合物把所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面連接到所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面，從而，所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面至少部分地約束所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面的所述徑向變形；其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第一輸出電致動盤中產生剪切應變；並且其中，所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面的所述徑向變形通過所述第三機械粘合物而使所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面產生徑向應變；並且其中，所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形比所述第二輸出電致動盤的所述第二電極主面的徑向變形更大，從而，在所述第二輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異；而且其中，所述第二輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第二輸出電致動盤中產生剪切應變。
15.如權利要求12所述的壓電變壓器，進一步包括第二輸入電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；以及第二機械粘合物，該粘合物把所述第二輸入電致動盤的所述第一電極主面連接到所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面，從而，所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面至少部分地約束所述第二輸入電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形；其中，所述第一輸入電致動盤的所述第二電極主面對所述徑向變形的所述約束防止所述第二輸入電致動盤的所述第一電極主面的徑向變形與所述第二輸入電致動盤的所述第二電極主面的徑向變形一樣大，從而，在所述第二輸入電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異。
16.如權利要求15所述的壓電變壓器，第二輸出電致動盤，該盤具有第一和第二相反電極主面，並且在與所述第一和第二相反電極主面垂直的厚度方向上極化，從而，當在所述第一和第二相反電極主面之間作用電壓時，所述第一和第二相反電極主面徑向變形；以及第三機械粘合物，該粘合物把所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面連接到所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面，從而，所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面至少部分地約束所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面的所述徑向變形；其中，所述第一輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第一輸出電致動盤中產生剪切應變；並且其中，所述第一輸出電致動盤的所述第二電極主面的所述徑向變形通過所述第三機械粘合物而使所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面產生徑向應變；並且其中，所述第二輸出電致動盤的所述第一電極主面的所述徑向變形比所述第二輸出電致動盤的所述第二電極主面的徑向變形更大，從而，在所述第二輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間存在著差異；而且其中，所述第二輸出電致動盤的所述第一和第二相反電極主面的徑向變形量之間的所述差異在所述第二輸出電致動盤中產生剪切應變。
全文摘要
本發明提供一種多層壓電變壓器，其對遞升電壓變換應用使用組合振動模式。因被極化而徑向變形的輸入部分通過粘合層或約束層而粘合到輸出部分。輸入部分的中央表面的變形受所粘合的輸出層或約束層的約束。輸出層粘合到輸入層或約束層，而且徑向變形。在所述層之間不同自由度的運動在厚度方向上產生應力和應變梯度，這導致沿著輸入和輸出層產生較大的剪切力。輸出部分的組合徑向－剪切模式變形壓電地產生有效的、遞升的高輸出電壓。
文檔編號H01L41/107GK1589504SQ02822857
公開日2005年3月2日 申請日期2002年1月21日 優先權日2001年10月4日
發明者阿爾弗雷多·巴斯克斯·卡拉索 申請人:阿爾弗雷多·巴斯克斯·卡拉索