專利名稱：擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電變壓器，尤其是擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器。
以往的壓電陶瓷變壓器多以一次燒成的單一或多層結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷制成。由于構(gòu)成材料單一，在制造工藝和性能上很難得到滿意的結(jié)果，特別是降壓型壓電變壓器，由于需要廣泛適應(yīng)各種輸入及輸出匹配，需要調(diào)整壓電變壓器的初級(jí)及次級(jí)各項(xiàng)參數(shù)，這就要求初次級(jí)采用不同的壓電材料及不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，而不同材料的燒結(jié)要求不同，因此，一次燒成工藝很難得到理想的壓電變壓器。
以往的降壓型壓電陶瓷變壓器往往采用厚度振動(dòng)模式，以圖利用壓電材料33方向的壓電性能，同時(shí)也可以得到很高的工作頻率。但是由于厚度振動(dòng)模式造成的應(yīng)力分布使得初級(jí)和次級(jí)的排列十分困難，往往會(huì)造成電荷抵消和不平衡，影響變壓器的工作狀態(tài)，難以得到滿意的輸出。
另一方面，以往的壓電陶瓷變壓器結(jié)構(gòu)中雖然也有初級(jí)和次級(jí)間的隔離層，但是隔離層造成的初次級(jí)間隔離電容太大，形成交流通道，只能起到隔離直流的作用，對(duì)于高頻工作的壓電陶瓷變壓器實(shí)際起不到隔離作用；有的隔離層雖然減小了初次級(jí)間的電容量，但經(jīng)常造成應(yīng)力傳遞困難、損耗加大或限制功率輸出等等不利影響。同時(shí)，由于壓電變壓器本身體積很小，特別是厚度僅為數(shù)毫米，即使變壓器的內(nèi)部隔離的絕緣強(qiáng)度足夠高，也可能因?yàn)橥獠砍醮渭?jí)間距離過近而引起空間擊穿或表面爬電，使隔離失效，從而造成設(shè)備損壞甚至人身傷害事故。
以往的壓電變壓器多為單一輸出模式，而電子設(shè)備往往要求多輸出。這也限制了壓電變壓器的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述不足，設(shè)計(jì)一種擴(kuò)張振模復(fù)合結(jié)構(gòu)的多輸出壓電變壓器，其初次級(jí)匹配參數(shù)容易調(diào)整，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率高，初次級(jí)間的隔離可靠，可以滿足降壓型電源的實(shí)際應(yīng)用需要。
一種擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器，由初級(jí)壓電陶瓷組件和次級(jí)壓電陶瓷組件組成，其特征在于本擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器還包括高分子結(jié)合結(jié)構(gòu)，絕緣隔離結(jié)構(gòu)和電極引出結(jié)構(gòu)，所述初級(jí)壓電陶瓷組件、次級(jí)壓電陶瓷組件以及絕緣隔離結(jié)構(gòu)中的隔離層層迭并由高分子聚合物結(jié)合結(jié)構(gòu)緊密粘合在一起組成夾層結(jié)構(gòu)；壓電陶瓷件由電極引出結(jié)構(gòu)引出電極，構(gòu)成輸入及輸出端子；壓電陶瓷組件、電極引出結(jié)構(gòu)的外表面由高分子絕緣材料膜覆蓋，該絕緣材料層與隔離層一起構(gòu)成連續(xù)、完整的絕緣隔離結(jié)構(gòu)。
所述擴(kuò)張振模的多輸出壓電陶瓷與高分子聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電變壓器，其初級(jí)和次級(jí)構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)將初級(jí)壓電陶瓷組件分為相同的兩組，分別置于壓電變壓器的上、下兩側(cè)，次級(jí)壓電陶瓷組件構(gòu)成一組，處于兩個(gè)初級(jí)壓電陶瓷組件中間。次級(jí)壓電陶瓷組件組上下兩面分別通過一個(gè)隔離層與上下兩側(cè)的初級(jí)壓電陶瓷組件相連，所有壓電陶瓷組件及隔離層由高分子結(jié)合結(jié)構(gòu)緊密粘合在一起，構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)也可以是次級(jí)壓電陶瓷組件在兩側(cè)，初級(jí)壓電陶瓷組件居中。這種夾層結(jié)構(gòu)可以保證變壓器工作時(shí)不會(huì)因初級(jí)和次級(jí)的阻尼狀態(tài)不同而產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，確保單一的擴(kuò)張振動(dòng)模式。
所述絕緣隔離結(jié)構(gòu)由隔離層和絕緣膜構(gòu)成。隔離層處于初級(jí)和次級(jí)之間，必要時(shí)也用于多路輸出時(shí)的不同次級(jí)組之間，直徑略大于壓電陶瓷組件，起變壓器內(nèi)部電隔離作用，隔離層用陶瓷、玻璃或復(fù)合材料膜片制成，其特點(diǎn)是隔離層的彈性模量值必須處于所用的壓電陶瓷材料的彈性模量值的十分之一至十倍的范圍內(nèi)，以保證隔離層不會(huì)影響變壓器的工作狀態(tài)。絕緣膜處于初級(jí)和次級(jí)壓電陶瓷組件組的外表面及引出電極的裸露表面并與隔離層結(jié)合，與隔離層一起形成完全包覆壓電陶瓷組件組并與之緊密結(jié)合的絕緣隔離結(jié)構(gòu)，達(dá)到防止變壓器內(nèi)部電擊穿和外部空氣擊穿及表面爬電而引起的絕緣失敗。絕緣膜采用環(huán)氧類樹脂，酚醛、脲醛、聚胺脂、聚脂、聚酰亞胺等高分子聚合物材料，采用涂敷或噴涂等工藝制成。
采用上述方案后，由于是復(fù)合結(jié)構(gòu)的多輸出變壓器，使其初次級(jí)匹配參數(shù)容易調(diào)整，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率高，初次級(jí)間的隔離可靠，可以滿足降壓型電源的實(shí)際應(yīng)用需要。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述

圖1是 壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是 輸出壓電陶瓷部件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是 共地的正負(fù)輸出的次級(jí)組的壓電陶瓷圓片的排布方法示意圖；圖4是 輸出壓電陶瓷部件引出側(cè)電極排布示意圖；圖5是 次極壓電陶瓷組件引出電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是 輸入壓電陶瓷組件與輸出壓電陶瓷組件以及隔離片構(gòu)成壓電變壓器主體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是 初級(jí)電極引出結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是 隔離絕緣結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9是 壓電變壓器的結(jié)構(gòu)與電連接示意圖；如圖1所示，所述壓電陶瓷組件為直徑相同的圓形薄片103，其上下兩個(gè)平面均制備金屬電極101，105，側(cè)面制備兩個(gè)引出電極102，104并分別與上下兩個(gè)平面電極相連構(gòu)成引出電極結(jié)構(gòu)的一部分。壓電陶瓷圓形薄片沿厚度方向極化。初級(jí)壓電陶瓷組件由單片或厚度相同的多片壓電陶瓷圓片組成，各片按相鄰片極化方向相反，相鄰電極相連的方式層迭構(gòu)各成初級(jí)組，壓電陶瓷圓片的厚度和數(shù)量由輸入阻抗匹配、輸入電壓及輸入功率匹配要求確定。次級(jí)壓電陶瓷組件根據(jù)輸出端子數(shù)量的要求分為相應(yīng)的次級(jí)組；每一組均由厚度相同的同種材料的壓電陶瓷片組成，不同組間厚度和所用壓電陶瓷材料可以不同；每一組的數(shù)量、厚度及壓電陶瓷材料種類均根據(jù)輸出電壓、功率及輸出阻抗匹配要求確定；單一輸出或獨(dú)立輸出的次級(jí)組均按相鄰片極化方向相反，相鄰電極相連的方式層迭構(gòu)成如圖2所示；共的正負(fù)輸出的次級(jí)組的壓電陶瓷圓片的排布方法如圖3所示，正負(fù)輸出組內(nèi)的壓電陶瓷片排列方式與單一輸出的次極組相同，正負(fù)輸出組結(jié)合面兩側(cè)分屬正負(fù)輸出組的兩個(gè)陶瓷片34，35按極化方向相同的方式排列，34，35的相鄰面的引出側(cè)電極方向相同。分別與34，35的相鄰面的引出側(cè)電極屬于同組的正負(fù)輸出組的側(cè)電極組由端子片相聯(lián)作為雙輸出的共同地33。正負(fù)輸出組的另一個(gè)側(cè)電極組分別構(gòu)成正負(fù)輸出組的輸出極31，32。各次級(jí)組間可以有隔離層隔離。
如圖4所示，所述電極引出結(jié)構(gòu)分為兩部分其中一部分為壓電陶瓷圓片側(cè)面的分別與壓電陶瓷圓片上下兩個(gè)平面電極相連的側(cè)電極41和42，同組壓電陶瓷圓片的側(cè)電極引出方向相同，以便于相互連接；另一部分是作為輸入和輸出連線的端子片，一端與對(duì)應(yīng)壓電陶瓷組件組的側(cè)電極以焊接方式相連，將同組的同方向側(cè)電極連接在一起；另一端則作為輸入或輸出接口。
所述高分子結(jié)合結(jié)構(gòu)是處于初級(jí)壓電陶瓷組件、次級(jí)壓電陶瓷組件和絕緣隔離結(jié)構(gòu)中的隔離層的單個(gè)圓片之間的粘合層。它可以由環(huán)氧，酚醛，脲醛，聚醚，聚酰亞胺及其他耐高溫的雜環(huán)聚合物樹脂構(gòu)成；采用表面涂敷，迭片，固化的方式或采用灌注的工藝制成。
以下是實(shí)施例實(shí)施例1一種適用于170伏至250伏驅(qū)動(dòng)電壓，輸出電壓12伏，最佳匹配阻抗為8歐姆的壓電變壓器，其次級(jí)壓電陶瓷組件由P5壓電陶瓷材料制成，共十層，每層均為如圖1所示圓薄片103，厚度為0.3毫米，直徑為26毫米，上下兩面制備銀電極101及105，在側(cè)面分別制備了分別與上下兩個(gè)銀電極相聯(lián)的引出電極102及104，上下兩個(gè)電極面及引出電極之間均保證有不小于0.3毫米的距離以保證兩個(gè)電極之間的隔離。如圖2所示，十層壓電陶瓷圓薄片層層相迭，相鄰兩片的極化方向P相反。每一層的極化正方向的面電極的引出電極2011，2024，2092，2104均置于同一角度，構(gòu)成次極壓電陶瓷組件的正引出側(cè)電極組42(見圖4)，極化負(fù)方向的面電極的引出電極2015，2022，2095，2102均置于另一角度，構(gòu)成次極壓電陶瓷組件的負(fù)引出側(cè)電極，以便于電極引出組件的引出。相鄰面電極均為極化方向相同的面電極(2014，2021；……，2094，2101)所有十層均由環(huán)氧樹脂粘和劑層2016，2026，……，2090粘結(jié)成為一個(gè)整體。
如圖5所示，次極壓電陶瓷組件引出電極結(jié)構(gòu)示意圖，圖中51，57為引出焊片，它們分別通過釬料52，56與次極壓電陶瓷組件54的兩個(gè)側(cè)電極組53和55焊接在一起，使得側(cè)電極組中的每一個(gè)側(cè)電極與本組的其它側(cè)電極導(dǎo)通，通過引出焊片構(gòu)成變壓器的輸出電極。
初級(jí)壓電陶瓷組件由兩片厚1.6毫米，直徑26毫米的P8壓電陶瓷材料構(gòu)成，其兩平面均制備銀電極，側(cè)面制備兩個(gè)分別與兩個(gè)面電極相聯(lián)的引出電極。結(jié)構(gòu)示意圖同圖一。
隔離絕緣組件中的隔離片由玻璃制成，其厚度為0.3毫米，直徑為27毫米。
圖6為輸入壓電陶瓷組件與輸出壓電陶瓷組件以及隔離片構(gòu)成壓電變壓器主體結(jié)構(gòu)的示意圖。初級(jí)壓電陶瓷組件61，69，分別位于變壓器上下面，次極壓電陶瓷組件65位于中間，初極壓電陶瓷組件與次極壓電陶瓷組件之間由隔離片63，67隔離。以上各部分由環(huán)氧黏合劑層62，64，66，68緊密粘結(jié)在一起。
圖7為初級(jí)電極引出結(jié)構(gòu)示意圖，端子片71，72的兩端分別與初級(jí)壓電陶瓷組件的側(cè)電極74通過焊錫73焊接在一起，端子片將初極壓電陶瓷組件的同極端連接，同時(shí)端子片構(gòu)成輸入電極。
圖8為隔離絕緣結(jié)構(gòu)的示意圖。
在上下兩個(gè)隔離片81，83之間的次級(jí)壓電陶瓷組件的裸露表面及次級(jí)電極引出結(jié)構(gòu)和輸出導(dǎo)線的裸露表面上完全涂覆一層0.3毫米厚的環(huán)氧型包封膠82，81、82與83形成一個(gè)完全封閉的包覆，將次級(jí)與外界完全絕緣，從而實(shí)現(xiàn)與初級(jí)之間的可靠隔離。
該變壓器的工作參數(shù)如下工作頻率90KHz最大輸出功率45W輸出電壓12V最高效率98％初次極間絕緣強(qiáng)度5000伏直流，漏流小于80微安實(shí)施例2通過實(shí)驗(yàn)，制成了一種適用于110伏50赫茲輸入，同時(shí)具有正15伏，正負(fù)5伏三輸出的壓電電源的三輸出擴(kuò)張振模復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器。
圖9為該壓電變壓器的結(jié)構(gòu)與電連接示意圖。
為適應(yīng)110伏輸入電壓，初極壓電陶瓷組件由的每一個(gè)部分均由兩片厚度為0.6毫米，直徑為30毫米的二元系PZT壓電陶瓷圓片913，914及915，916構(gòu)成，其排列方法和側(cè)電極的布置方法如圖九所示。所有極化正方向的側(cè)電極全部由端子片連接在一起，構(gòu)成輸入端的一極902，所有極化負(fù)方向的側(cè)電極全部由端子片連接在一起構(gòu)成輸入端的另一極901。
15伏輸出次極壓電陶瓷組件由六片厚度為0.3毫米直徑為30毫米的P5系列PZT壓電陶瓷制成，其結(jié)構(gòu)與圖一相同。其兩組側(cè)電極組分別構(gòu)成15伏輸出的獨(dú)立兩極904，905。
共地的正負(fù)5伏次極壓電陶瓷組件分別由三片和兩片厚度為0.12毫米，直徑為30毫米的P4系列壓電陶瓷片構(gòu)成。其中，三片組為正5伏輸出組，兩片為負(fù)5伏輸出組。兩組相鄰的壓電陶瓷片910和911的極化方向相同。正5伏輸出組的極化正方向的側(cè)電極組與負(fù)5伏輸出組的極化負(fù)方向的側(cè)電極組由端子片相聯(lián)構(gòu)成正負(fù)輸出的共同地908。正5伏輸出組的極化負(fù)方向的側(cè)電極由端子片相聯(lián)構(gòu)成正5伏輸出極907，負(fù)5伏輸出組的極化正方向的側(cè)電極組由端子片相聯(lián)構(gòu)成負(fù)5伏輸出極909。初極壓電陶瓷組件與次極壓電陶瓷組件之間由超硬玻璃制成的厚度為0.3毫米，直徑為32毫米的隔離片903，912隔離。15伏輸出組與正負(fù)5優(yōu)輸出組之間由原屬為0.2毫米，直徑為31毫米的隔離片906隔離。
所有壓電陶瓷組件以及隔離片均由改性酚醛樹脂黏合劑粘結(jié)在一起。所有次極壓電陶瓷組件的側(cè)面均由環(huán)氧樹脂涂覆，環(huán)氧樹脂涂覆層與隔離片形成封閉結(jié)構(gòu)，將初極與次極完全隔離。
該壓電變壓器的主要參數(shù)如下工作頻率72千赫茲15伏輸出最大功率45瓦正5伏輸出最大功率8瓦負(fù)5伏輸出最大功率5瓦最高工作效率98％尺寸32×5.2毫米
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器，由初級(jí)壓電陶瓷組件和次級(jí)壓電陶瓷組件組成，其特征在于本擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器還包括高分子結(jié)合結(jié)構(gòu)，絕緣隔離結(jié)構(gòu)和電極引出結(jié)構(gòu)，所述初級(jí)壓電陶瓷組件、次級(jí)壓電陶瓷組件以及絕緣隔離結(jié)構(gòu)中的隔離層層迭并由高分子聚合物結(jié)合結(jié)構(gòu)緊密粘合在一起組成夾層結(jié)構(gòu)；壓電陶瓷件由電極引出結(jié)構(gòu)引出電極，構(gòu)成輸入及輸出端子；壓電陶瓷組件、電極引出結(jié)構(gòu)的外表面由高分子絕緣材料膜覆蓋，該絕緣材料層與隔離層一起構(gòu)成連續(xù)、完整的絕緣隔離結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器，其特征在于壓電變壓器可以具有多路輸出，對(duì)于獨(dú)立的輸出壓電陶瓷組件，由隔離片與其它輸出壓電陶瓷組件相互隔離，組件內(nèi)相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；對(duì)于共地的正負(fù)輸出壓電陶瓷組件之間，則采用兩組件間相聯(lián)的壓電陶瓷片極化方向相同，組件組內(nèi)仍采用相鄰片極化方向相反的方式排列構(gòu)成，正輸出壓電陶瓷組件中與負(fù)輸出壓電陶瓷組件相鄰的電極面方向相同的電極面的引出側(cè)電極由引出組件相聯(lián)，并與負(fù)輸出壓電陶瓷組件中與正輸出壓電陶瓷組件相聯(lián)的電極面的極化方向相同的電極面的側(cè)電極相連，構(gòu)成輸出共同地，而正負(fù)輸出壓電陶瓷組件中的另一組側(cè)電極則分別由引出組件引出，分別構(gòu)成正輸出及負(fù)輸出的另一極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器，其特征在于具有由初級(jí)壓電陶瓷組件、次級(jí)壓電陶瓷組件和隔離絕緣組件中的隔離片構(gòu)成的夾層結(jié)構(gòu)。其中初級(jí)壓電陶瓷組件分為兩組，分別位于夾層結(jié)構(gòu)的最外側(cè)。次級(jí)壓電陶瓷組件位于中間，隔離絕緣組件中的隔離片位于初級(jí)壓電陶瓷組件和次級(jí)壓電陶瓷組件的所有結(jié)合面及不同次級(jí)壓電陶瓷組件組間的結(jié)合面之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器，其特征在于其中的次級(jí)壓電陶瓷組件被處于其外側(cè)的隔離片和絕緣膜完全包覆，可靠地與初級(jí)壓電陶瓷組件隔離，隔離片可由玻璃，陶瓷，高分子材料膜片以及復(fù)合材料膜片等低介電常數(shù)，高絕緣電阻及高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的材料制成，其外型與初級(jí)壓電陶瓷組件相同，尺寸大于初級(jí)壓電陶瓷組件，厚度可以保證所要求的絕緣強(qiáng)度，彈性模量大于壓電陶瓷彈性模量的十分之一，小于壓電陶瓷彈性模量的十倍，絕緣膜包覆于次級(jí)壓電陶瓷組件的側(cè)面裸露部分，與隔離片緊密結(jié)合，形成封閉結(jié)構(gòu)，絕緣膜為環(huán)氧，酚醛，聚胺酯類材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器，其特征在于變壓器具有獨(dú)立可靠的電極引出組件，該組件由壓電陶瓷片上的側(cè)電極和引出端子片構(gòu)成。引出端子片一端與壓電陶瓷片的側(cè)電極通過釬焊的方式牢固焊接，同時(shí)將需要連接在一起的側(cè)電極連接在一起，端子片的另一端與輸入輸出導(dǎo)線壓接，構(gòu)成牢固可靠的輸入及輸出端子，端子片由銅或鋼制成，與壓電陶瓷片側(cè)電極焊接部分制成與需連接的側(cè)電極或側(cè)電極組的形狀相同，面積相同或略小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種擴(kuò)張振模的多輸出復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電變壓器,其特點(diǎn)是:初級(jí)壓電陶瓷組件,多輸出的次級(jí)壓電陶瓷級(jí)線和絕緣隔離結(jié)構(gòu)中的隔離層層迭并由高分子聚合物結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu);壓電陶瓷組件中電極由引出結(jié)構(gòu)引出構(gòu)成輸入及輸出端子,隔離層與覆蓋于壓電陶瓷組件電極引出結(jié)構(gòu)的外表面的絕緣材料完全隔離,具有初次級(jí)匹配系數(shù)容易調(diào)整,輸出功率和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L41/083GK1275781SQ9910784
公開日2000年12月6日 申請(qǐng)日期1999年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月1日
發(fā)明者李竑一 申請(qǐng)人:李竑一