专利名称：多层压电变压器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种压电陶瓷变压器，特别地，本发明涉及一种多层压电陶瓷变压器。
在如电视这种装置的内部电源电路中或在需要高压的复印机的充电装置中已采用缠绕式电磁变压器产生高压。这种电磁变压器采取将导线缠绕到磁体制成的铁心上面的形式。由于需要大量的导线匝数来实现高的电压比率，所以，虽然这种电磁变压器是有效的，但与此同时其造型紧密且细小，因而很难生产制造。
为了解决这个问题，在现有技术中提供了采用压电效应的压电变压器。与通常的电磁变压器相比，这种压电陶瓷变压器有许多优点。在变压比相差不大的情况下，压电变压器的体积可做得比电磁变压器的小。压电变压器可被制成不可燃的，而且它们不产生电磁感应噪音。
在现有的压电变压器中使用的陶瓷体采用多种形式的外形，包括环形、平板形和类似形状。现有的压电变压器的一典型实施例如
图1中所示。这种类型的压电变压器通常被称之为“Rosen型”压电变压器。这种基本的“Rosen型”压电变压器在Rosen的美国专利US2830274中披露。在现有技术中许多这种基本装置的变形也是众所周知的。这种典型的“Rosen型”压电变压器包括一块扁平陶瓷平板10，很明显地，其长度比宽度大，宽度大体上又比厚度大。如图1中所示，压电体10具有一些与其他部分被不同地极化的部分。在图1所示的情况，所述压电体10呈平板形式，且宽度大于厚度，长度又大于宽度。平板10的基本部分，即该平板的中心右侧部分12沿长度方向被极化，而该平板的其余部分相对于该平板的表平面被横向极化。在这种情况下，平板的所述其余部分实际上被分成两部分，一部分是沿横向被极化的部分14，另一部分是平板的左半部分，即部分16也被横向极化，但是极化的方向是沿部分14极化方向的相反方向。
为了使电压可与平板10中的机械应力发生关系，提供了几个电极。如需要的话，可提供一表示为接地的共用电极18。为了初级连接并且在平板10的横向极化部分14的对面产生电压，提供了一个对着所述共用电极18的电极20。为了使电压与沿平板10的长度方向产生的应力发生关系，提供了一个与所述共用电极18配合的二次电压或高电压电极22。电极22被表示为与输出载荷26的一端24连接，而该输出载荷26的另一端接地。
在图1所示的设置中，电极18和20之间的电压升高到电极18和22之间的一个高压，使得给载荷26施加一个比电极18和20之间所施加的电压高得多的电压。
现有的压电变压器存在的一个问题是它们难于制造，因为单个的陶瓷件必须每个被“极化”至少两次，这些极的方向必须相互不同。
现有的压电变压器存在的再一个问题也是它们难于制造，因为不仅必须在所述陶瓷件的主要面加电极，而且在该陶瓷件的至少一个辅助面上也要加电极。
现有的压电变压器存在的又一个问题还是它们难于制造。因为为了所述变压器与电路之间的电连接，必须将电导体(例如导线)连接(即通过钎焊或其他方法)到所述陶瓷件的所述主要面的电极上以及至少一个辅助表面的电极上。
现有的压电变压器存在的另一个问题是该装置的电压输出受所述电磁体经受变形而不断裂或结构不破坏的能力的限制。所以需要提供一种压电变压器，这种压电变压器适合于在高压条件下变形而不损坏该装置的所述陶瓷件。
这种压电变压器在这里被应用到一种无源(passive)电能转换装置上，这种装置采用两种相互接合材料的压电性能来达到电压或电流或阻抗的改变。本发明的目的是提供一种压电变压器，它不仅能得到基本的转换比率，而且相对于所述装置的尺寸能转换相对高的能量。
所以，本发明的主要目的是提供一种压电变压器，它易于制造且价格低廉。
本发明的另一个目的是提供一种具有所述特征的装置，它能产生高压且可在高压电路中安全使用。
本发明的又一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，这种变压器包括一对陶瓷件，每一个都具有压电性能，它们相互之间物理(机械)连接，以致于一个陶瓷件的变形导致另一个陶瓷件的相应变形。
本发明还有一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，它易于制造，这是由于它仅一次就足以极化每一陶瓷件，并且每一陶瓷件的成极方向在其整个件上是不变的。
本发明的再一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，它易于制造，这是由于它仅在所述陶瓷件的所述主要面上施加电极，而不需要在该陶瓷件的次要面上加电极。
本发明的又一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，它易于制造，这是由于它仅在陶瓷件的两个平行面上加电极。
本发明还有一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，它易于连接或安装在一电路中，因为它将电导体(例如导线)仅连接(即通过钎焊或其它方法)到所述陶瓷件的主要面上。
本发明还有一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，它适合于在高压条件下变形而不破坏所述装置的陶瓷件。
本发明的再一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，它在宽的输入和输出频率的频带宽范围内适用。
本发明还有一个目的是提供一种具有所述特征的压电变压器，它将装置输入处的电压和电流与输出处的电压和电流进行电隔离。
本发明进一步的目的和优点通过附图和下面的描述将变得清楚明白。
图1是现有技术中的Rosen型压电变压器的结构透视图；图2是按照本发明的压电变压器的优选实施例的透视图；图3是表示本发明叠层结构详细情况的横截面剖视图；图4是本发明一个改进实施例的透视图5是本发明一个改进实施例的透视图；图6是本发明一个改进实施例的透视图。
在本发明的优选实施例中，压电变压器(总体表示为1)是通过将如图2所示的下面将要更详细地描述的许多叠层堆积并粘接在一起而制成的。
第一压电陶瓷板片30最好呈扁平形式，并具有两个大体上平行的主表面，每一表面是被电镀的面32和38。
第二压电陶瓷板片48最好呈扁平形式，并具有两个大体上平行的主表面，每一表面是被电镀的面46和50。
第一预加应力层36置于与第一压电陶瓷板片30的一个电镀表面32邻接的位置。粘接层34被设置在所述第一预加应力层36和邻接的第一压电陶瓷板片30的电镀表面32之间，以便使得这两个件(即第一预加应力层36和第一压电陶瓷板片30)粘接在一起。第一预加应力层36最好是一种导电材料(优选为金属)，其热膨胀系数/收缩系数大于所述第一陶瓷板片30材料的热膨胀/收缩系数。
第二预加应力层42置于与第一压电陶瓷板片30的一个电镀表面38邻接的位置。粘接层40被设置在所述第二预加应力层42和邻接的第一压电陶瓷板片30的电镀表面38之间，以便使得这两个件(即第二预加应力层42和第一压电陶瓷板片30)粘接在一起。第二预加应力层42最好是一种导电材料(优选为金属)，其热膨胀系数/收缩系数大于所述第一陶瓷板片30材料的热膨胀/收缩系数。
第二压电陶瓷板片48的一个电镀表面46被设置在与第二预加应力层42邻接的位置，以便如图2所示，第二预加应力层42在两个陶瓷板片30和48之间。将粘接层44设置在第二预加应力层42和第二压电陶瓷板片48的相邻电镀表面46之间，以便将这两个件(即第二预加应力层42和第二压电陶瓷板片48)粘接在一起。所述的第一预加应力层36的热膨胀/收缩系数最好大于第二陶瓷板片48材料的热膨胀/收缩系数。
第三预加应力层54被设置在邻接第二压电陶瓷板片48的另一电镀表面50的地方。粘接层52被设置在所述第三预加应力层54和相邻的所述第二压电陶瓷板片48的电镀表面50之间，以便将这两个件(即第三预加应力层54和第二压电陶瓷板片48)粘接在一起。所述的第三预加应力层54最好是一种热膨胀/收缩系数大于第二陶瓷板片48材料的热膨胀/收缩系数的导电材料。
在生产变压器1的过程中，如上所述和如图2所示的那样设置整个叠层(即，两层陶瓷板片30和48，三层预加应力层36、42和54，以及四层粘接层34、40、44和52)，并且将整个叠层同时加热到高于所述粘接材料34、40、44和52的熔点的温度。在本发明的这一优选实施例中，如由NASA-Langley研究中心研制的、纽约Schenectady的IMITEC股份有限公司注册的商标那样，上述四层粘接层34、40、44和52中使用的粘接材料是LaRC-SITM粘接剂。熔点在300℃以上的LaRC-SITM粘接剂是一种高强度粘接剂，其热收缩系数比大多数陶瓷材料的热收缩系数大(特别地，最好大于上述两种陶瓷板片30和48材料的热收缩系数)。尽管在本发明的优选实施例中使用LaRC-SITM粘接剂，但是其它的其熔点低于所述变压器另外一些层(即，两层陶瓷板片30和48，三层预加应力层36、42和54)的熔点的粘接剂也在本发明的范围内，这些粘接剂能够变硬从而在相应的预加应力层36、42和54和陶瓷板片30和48之间施加一种粘接，足以在所述变压器1的相邻层之间传送纵向应力。
当整个的一堆叠层(即，两层陶瓷板片30和48，三层预加应力层36、42和54，以及四层粘接剂层34、40、44和52)被加热到高于所述粘接材料34、40、44和52的熔点后，接着允许该整个一堆叠层(即，两层陶瓷板片30和48，三层预加应力层36、42和54，以及四层粘接剂层34、40、44和52)冷却到环境温度。由于这一叠层(即，两层陶瓷板片30和48，三层预加应力层36、42和54，以及四层粘接剂层34、40、44和52)的温度降至低于所述粘接材料34、40、44和52的熔点温度以下，所以，这四层粘接层34、40、44和52固化，将它们与所述邻接层粘接在一起。在冷却过程中，由于所述预加应力层36、42和54构成材料的热收缩系数相对较高，所述陶瓷板片30和48沿其纵向轴被挤压地受力。
应该理解，按照上面所述构成的压电变换器1包括一对沿长度方向预加应力(即受压)的压电陶瓷板片，它们沿着其一个主要面紧密地相互粘接在一起(即使由叠层粘接层和预加应力层分开)。
如上面讨论得那样，在本发明的优选实施例中，所述四层粘接层34、40、44和52最好包含LaRC-SITM粘接剂。LaRC-SITM粘接剂是绝缘的。所以，在本发明的优选实施例中，最好将与所述四层粘接层34、40、44和52接触的三层预加应力层36、42和54的表面弄粗糙(如图3所示)，以便所述预加应力层36、42和54可与相应的陶瓷板片30和48的电镀表面32、38、46和50电传导。
在本发明的优选实施例中，预加应力层36、42和54以及四层粘接层34、40、44和52比所述两个陶瓷板片30和48长，故伸出所述陶瓷件的端部之外。电接头56、58和60分别连接到(例如通过导线或钎焊、或其它公知手段)所述预加应力层54、42和36的暴露表面上。
在本发明的优选实施例中，三层预加应力层36、42和54，以及四层粘接剂层34、40、44和52每一层都挤压所述的两层陶瓷件30和48。通过挤压这两层陶瓷件30和48，这些陶瓷件30和48不易被破坏(即，破裂和断裂)。
图4描述了改进的压电变压器2的结构，这种变压器类似于本发明优选实施例中的变压器(图2)。只是少了外侧的预加应力层36和54以及粘接层34和52。
图5描述了另一种改进的压电变压器3的结构。在这一改进的压电变压器3中，带有平行的电镀表面32、38、46和50的两个压电板片30和48在两个邻接的主要面上被粘接在一起。
在压电变压器1和两个改进的压电变压器2和3的优选实施例中，每一个陶瓷板片30和48沿一个方向被极化。更具体地说，在压电变压器1和两个改进的压电变压器2和3的优选实施例中，所述陶瓷板片48和30中的每一个被这样极化，即，当在其相应主要面上，在相应的电极46和50或32和38之间施加一电压时，所述板片将沿长度方向产生应变。相反地，在压电变压器1和两个改进的压电变压器2和3的优选实施例中，所述陶瓷板片48和30中的每一个被这样极化，即，当任何一个陶瓷板片48和30沿长度方向变形时，在其相应主要面上，相应电极46和50或32和38之间产生一个电压。
现在参看图2当在连接到第一陶瓷板片30的电极32和38上的接头58和60之间施加初级电压V1(即输入电压)时，所述第一陶瓷板片30将压电地产生一个与所述输入电压V1的值、板片30材料的压电性能、板片30的尺寸和几何形状、其它被粘接到所述第一板片30上的叠层(即所述陶瓷板片48、三层预加应力层36、42和54，以及四层粘接剂层34、40、44和52)的材料的弹性相当的外延应力。由所述输入电压V1产生的所述的外延应力引起第一陶瓷板片30沿长度方向产生应变(如箭头64所示)。
因为第一陶瓷板片30被牢固地粘接在第二陶瓷板片48上(即，通过粘接层40和44)，第一陶瓷板片30的任何沿长度方向的应变64将导致第二陶瓷板片48的一个沿长度方向的应变(相同数值和方向)(如箭头65所示)。第二压电陶瓷板片48的沿长度方向的应变65产生一个加在第二陶瓷板片48的两个电镀表面46和50上的电压V2。所述电接头58和56可被电连接到第二陶瓷板片48的相应电镀表面46和50上。在第二陶瓷板片48的两个电极46和50之间压电产生的电压值V2取决于陶瓷板片48材料的压电性能、尺寸、几何形状和板片48材料的极化。
所以，可以理解通过在所述第一陶瓷板片30的电镀的主要面32和38之间施加第一电压V1，就引起第一陶瓷板片30沿长度方向的应变64，这一应变64反过来又使得第二陶瓷板片48沿长度方向产生一个相同量的应变65，这一应变65反过来又在第二陶瓷板片48的电镀层的主要面46和50之间产生一个第二电压V2。
可以理解所述第一电压V1和第二电压V2之间的比率是所述板片30和48的压电性能、板片30和48材料的尺寸和几何形状、其它叠层(即所述陶瓷板片30和48、三层预加应力层36、42和54，以及四层粘接剂层34、40、44和52)材料的弹性、两个陶瓷板片30和48的极化性能的函数。也可以清楚所述第一电压V1可替换地为一“输入”电压或者一“输出”电压，第二电压V2可相应地为一“输出”电压或者一“输入”电压。
在本发明的这一优选实施例中，第一陶瓷板片30和第二陶瓷板片48的相应对着的电镀表面38和46分别被电连接到一共用电接头58上。在变压器4一个替换的实施例中(如图6所示)，两个陶瓷板片30和48的相应对着的电镀表面38和46彼此电绝缘(例如通过一种电绝缘粘接层62a)，并且被连接到相应的接头69和68上。最好是在变压器4的这一改进实施例中，两个压电陶瓷板片30和48相互之间完全电绝缘。这样可以明白，按照本发明的这一改进实施例设计的变压器4可在电路中使用，以保护所述变压器4“下游”的电元件不受该变压器4的“上游”间断高电流的损坏。
尽管上述内容包含了许多特征，但是不能把这些作为对本发明范围的限制，而是作为对本发明优选实施例的解释。本发明还可以有其它的变化，例如多个不同的叠层(即所述陶瓷板片30和48、预加应力层36、42和54，以及四层粘接剂层34、40、44和52)可相互粘接在一起，而不需要随后加热和冷却，以便将陶瓷件预加应力。
两个陶瓷板片30和48可由类似或不类似的压电材料构成，这种材料可具有相同或不相同的压电系数。
所述的两个陶瓷板片30和48可具有相同或不同的厚度。以及所述粘接层(34、40、44、52)可以是导电的或不导电的。
所以，本发明的范围应当不是被所述的实施例确定的，而是由附加的权利要求及其等同物确定的。
权利要求
1.一种变压器包括具有两个相对的主要面的第一电活化件，所述两个主要面被设置在第一长度方向轴的相对侧；具有两个相对的主要面的第二电活化件，所述两个主要面被设置在第二长度方向轴的相对侧；其中一个电极被连接到所述第一电活化件的所述两个相对主要面的每一个上；并且其中一个电极被连接到所述第二电活化件的所述两个相对主要面的每一个上；所述第一电活化件沿厚度方向在所述第一电活化件的两个相对主要面之间被横向极化，以便当在所述第一电活化件的两个相对主要面之间施加电压时，所述第一电活化件沿长度方向产生应变；所述第二电活化件沿厚度方向在所述第二电活化件的两个相对主要面之间被横向极化，以便当在所述第二电活化件的两个相对主要面之间施加电压时，所述第二电活化件沿长度方向产生应变，所述第二电活化件沿基本上平行于所述第一电活化件的方向被极化；其中所述第一电活化件通过一粘接层被机械地粘接在所述第二电活化件上，所述粘接层被设置在所述第一电活化件的第一主要面和所述第二电活化件的第一主要面之间。
2.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二电活化件包括一种压电材料。
3.一种如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述粘接层包括一个第一导电件。
4.一种如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述粘接层进一步包括一个第二导电件和一个绝缘层，其中，所述绝缘层设置在所述第一和第二导电件之间，且所述第一导电件与所述第一电活化件的第一主要面电连接，所述第二导电件与所述第二电活化件的第一主要面电连接。
5.一种如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一电活化件的所述第一主要面是凹形的，而所述第一电活化件的第二主要面是凸形的。
6.一种如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二电活化件的所述第一主要面是凸形的，而所述第二电活化件的第二主要面是凹形的。
7.一种如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述粘接层包括熔点高于100℃的热塑性共聚多酰亚胺。
8.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述粘接层包括给所述第一和第二电活化件施加一个长度方向压应力的预加应力装置。
9.一种如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的预加应力装置包括熔点高于100℃的热塑性共聚多酰亚胺。
10.一种如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述预加应力装置进一步包括一个第一导电件。
11.一种如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述预加应力装置进一步包括一个第二导电件以及一个绝缘层，其中所述绝缘层被设置在所述第一和第二导电件之间，并且所述第一导电件与所述第一电活化件的第一主要面电连接，所述第二导电件与所述第二电活化件的第一主要面电连接。
12.一种如权利要求10所述的装置，进一步包括一个被粘接到所述第一电活化件的第二表面上的一个预加应力层，其特征在于，所述预加应力层给所述第一电活化件施加一个沿长度方向的压应力，或者所述预加应力层被粘接到所述第二电活化件的第二表面上，其中所述预加应力层给所述第二电活化件施加一个沿长度方向的压应力。
13.一种如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的预加应力层包括熔点高于100℃的热塑性共聚多酰亚胺材料。
14.一种如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述预加应力层进一步包括一个第三导电件。
15.一种如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一电活化件的所述第一主要面是凹形的，而所述第一电活化件的第二主要面是凸形的。
16.一种如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第二电活化件的所述第一主要面是凸形的，而所述第二电活化件的第二主要面是凹形的。
全文摘要
一种多层压电变压器装置(1),包括具有连接到它们每一相对的主要面上的电极(32,38,46,50)的第一和第二电活化件(30,48);以及设置在它们之间的一个粘接层(34,40,44,52)。所述第一和第二电活化件(30,48)沿厚度方向在它们的两个主要面之间被极化,以便当在所述第一和第二电活化件(30,48)之间施加电压时,所述第一和第二电活化件沿长度方向产生应变。所述第一和第二电活化件(30,48)被这样设置,即一个电活化件(30)的变形导致另一个电活化件(48)的相应变形。这种装置提供了一个基本的变压比,其中相对于该装置的尺寸可以转换相对高的能量,在宽的输入和输出频带范围内操作,且在该装置的输入端的电压和电流与在该装置输出端的电压和电流是电隔离的。
文档编号H01L41/107GK1265229SQ98806687
公开日2000年8月30日 申请日期1998年5月26日 优先权日1997年5月27日
发明者理查德·帕腾·毕晓普 申请人:理查德·帕腾·毕晓普