CN101743072A - 具有风车式电极的压电变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一具有一风车式电极的一压电变压器。本发明的压电变压器包含一本体、一上电极及一下电极。本体是一圆形平面结构并由压电材料所组成。上电极与对应于本体的上、下表面的第一及第二平面其中的一个相邻，且上电极具有相同的平板形状并依轮转的外形分离。于上电极中，输入电压输入至一些分离的电极，并由其余的电极中产生输出电压。下电极是相邻于一相对于上电极形成的平面，且下电极的外形是形成如该本体的平板形状。
Description
技术领域
本发明是有关于一种压电变压器，其用于利用压电材料的压电效果和反向压电效果放大电压，特别是指一种高效能压电变压器，其利用一个新电极结构及一个新极性方向的分布而有效率地产生扭曲的震动，以获得高输出特性。
背景技术
一般来说，对于压电变压器的研究是依据1957年C.E.Rosen，et al.in GE的研究，因当时所使用的压电变压器为在无负载条件下有一50至60倍的升压比范围的钡钛酸盐，故当时的压电变压器于使用上便有了限制。然而，之后压电材料领域的技术人员发现一种新的压电材料，其为一种以锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)为主要成分的压电材料，故，更加宽广的升压比范围变成可能，于是压电变压器于实际运用性上的研究便因此问世。
在传统绕线式变压器与压电变压器的相比较下，绕线式变压器使用以电磁感应为基础升压方法，但压电变压器使用压电效果及反向压电效果，故，压电变压器能降低电磁的噪声干扰。再者，对绕线式变压器来说，升压比是取决于绕线比，但对压电变压器来说，升压比是依材料特性及电极的结构和大小而定；且，对于绕线式变压器的输出功率而言，由于增加绕线比以转换二次侧的电压及电流为高电压与低电流，使漏电比例与绕线比的增加成正比；但对于压电变压器的输出功率而言，使用压电材料的压电变压器是利用电机(一次侧)与机电的(二次侧)整合，其可获得的优点为变压器具有90％以上的变压效能，如一二次侧具有高电压与低电流的变压器于高阻抗负载时，可较佳地实现阻抗匹配，故，改善变压器的效能，因而获得很好的负载特性且增加能源转换效能。
现今，具有高电压及低电流特性的压电变压器仍非常充分的受到运用，且压电变压器已应用于笔记本电脑的背光应用的反相器并获重视。近来，笔记本电脑的发展趋势已趋向面积小且厚度薄的设计，但因为传统绕线式变压器于实现量测比例小且厚度薄时而取得绝缘和阻抗电压，而导致传统绕线式变压器的实用性受限制，且传统绕线式变压器因绕线损失(winding loss)，如芯材损失(core loss)等，而降低其效能。为了克服此种缺点，假如应用于笔记本电脑的液晶显示器背光的压电变压器，压电变压器与液晶显示器背光之间的是充分地达成阻抗匹配，应用至笔记本电脑的背光反相器的压电变压器便没有任何问题，且一些应用压电变压器的产品已经上市了。同时，最近关于高输出功率的研究，如一次罗森式(primaryRosen type)压电变压器与三次罗森式(tertiary Rosen type)压电变压器，已如火如荼地在进行；且关于利用一分层法使前述压电变压器两者平行运作的研究亦已随之而兴起。
请参阅图1，其为传统压电变压器的结构示意图。如图所示，传统压电变压器的基本结构具有多种形态的变化，其中从制造的程序及升压比的观点来看，特别以图1(a)的矩形平面结构最受好评，为最有效用的结构。如第一图所示，一半的平板压电组件是电极设置于厚度方向，且极性方向设置于厚度方向，另一半的平板压电组件是电极设置于长度方向，且极性方向设置于长度方向。在此种状况下，设置于厚度方向的电极部分被命名为驱动单元，且设置于长度方向的电极被命名为输出单元，前述驱动单元与输出单元两者对应于变压器的一次侧及二次侧。
当输入于驱动单元(厚度方向的电极部)长轴方向而产生固定共鸣频率的输入电压设定为2L，强势的机械震动即因压电效果而产生，因此，输出单元(长度电极部分)因由机械震动所引起的压电效果而产生电，并由输出端输出高交流电电压，亦即，在从电能转换到机械能或从机械能转换到电能的过程中实现升压作用。
请参阅图2，其为压电材料的震动模式的示意图。如图2所示，其分别在各震动模式中说明了移位和应力的分布，其中，在位移为0且应力为最大值的数据点称作为结点，且只能在结点取得最大的升压比。这个结构的最不利的因素是由于驱动单元和输出单元的极性方向相互垂直，故，一有固定范围的表面上的应力集中度会变得更强；又由于输出单元在呈现极性且处于3kV/mm的高电场下，极性的表现会显得相当困难；更因为输出端的电极区域小，故，难以产生高电流量，于是，获得高电压及低电流的输出特性。因此，此种结构却不适用于高电流照明，如荧光灯。为了解决此问题，提倡使用个别制造复数个压电组件和平行驱动压电组件的方法。
然而，此种方法并不确定，由于电极的量测比例大小的精确度难以控制，故，彼此间的共鸣频率无法完全相同，且因极性处理的缺点并未被克服，故输出特性随之下降。
发明内容
因此，本发明的主要目的，在于提供一种压电变压器，可获得高输出特性(高电压与高电流)，使用一种新的电极结构及一种新的极性方向的排列组合，与传统的压电变压器截然不同。
本发明的另一目的，在于提供一种高效率压电变压器，其能够稳定的点亮一外部电极荧光灯管(External Electrode Fluorescent Lamp，外部电极荧光灯管(EEFL))，其为一种荧光灯管及一种三波长灯泡，其需要高电压及高电流，于一220V/110V的家用输入电压而不在驱动电路中使用一种绕线式的变压器。
由上述可知，本发明的优点在于可藉由利用风车式电极结构中得到扭曲震动而获得高电压及高电流输出，且因驱动单元和输出单元的极性为同一方向，故可保证其耐久性及生产性。再者，本发明的另一优点是其可点亮传统荧光灯管泡及外部电极荧光灯管，以便于使用一般家用电器设备，这是传统式变压器于供应质量不好的电压下所无法达到的功能。
兹为使贵审查委员对本发明的结构特性及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后：
附图说明
图1A与图1B为传统式压电变压器的结构的示意图；
图2为习知罗森式压电变压的应力位移分布的示意图；
图3为本发明的电极形状的一实施例的示意图；
图4为本发明的电极形状的另一实施例的示意图；
图5为本发明的电极形状的另一实施例的示意图；
图6为本发明的扭曲震动于坐标系统的示意图；
图7和图8为本发明的扭曲震动的一实施例的示意图；
图9为本发明的驱动压电变压器的一实施例的示意图；
图10为本发明的驱动压电变压器的另一实施例的示意图；
图11为本发明的极性方向的一实施例的示意图；
图12为本发明的电场方向的一实施例的示意图；
图13为本发明的压电变压器的一实施例的示意图；
图14为本发明的一第一实施例的方块图；
图15为本发明的一第一实施例的电压与电流的波形图；
图16为本发明的一第二实施例的方块图；
图17为本发明的一第二实施例的电压与电流的波形图；
图18为本发明的一第三实施例的方块图；
图19为本发明的一第三实施例的电压与电流的波形图；以及
图20为本发明的一实施例的压电变压器驱动外部电极荧光灯管(EEFL)的示意图。
具体实施方式
为了达成上述的目的，本发明是提供一种压电变压器，其包含一个由压电材料组成的本体、设置于该本体的一表面上的上电极以及设置于该本体的另一表面的下电极；其中该上电极是呈一平板形状，其外形相同于该本体的外形，且该些电极间相互分离呈风车形状，该上电极运作为输入电压输入至一些分离的电极，且由其余的电极中产生输出电压。
在一个实施例中，下电极呈一平板形状，其外形相同于本体的外形，且实施上是以使用一个输入/输出共同电极为例。
在另一实施例中，下电极呈一平板形状，其外形相同于本体的外形，且该些电极间相互分离而呈现风车的外形，所以该下电极依据该上电极以一既定的角度旋转，该下电极的动作为一输入电压输入至对应于那些上电极的电极，以及可由其余的电极取得输出电压。
本发明的一实施例为该上电极包含复数个螺旋翼状的电极，及一个除了复数个翼状电极的外的电极，当该些翼状电极间以固定的间隔分离而呈一风车形状。在上电极的分离的电极之中，输入电压输入至除了翼状电极外的电极，且可由复数个翼状电极取得输出电压，反之亦然。
于另一实施例中，复数个螺旋状绝缘线从位于上电极中心的一绝缘区以放射状的向外延伸，因而分离上电极为风车形状。该本体较佳地实施方式为一极性方向形成于自身厚度方向。该本体的另一较佳地实施方式为上电极设置成风车形状，可为顺时针转动方向或者逆时针转动方向的形状。该本体可为不同平板形状，如为圆形平面或环形平面。
以下，针对本发明的实施例将会详细叙述并附图说明。针对图所示的标示，同样的标示号码会用在数个不同的图示中，以标明相同或类似的组成组件。本发明以下的详细说明中，为了避免模糊本发明的发明精神，因此省略于习知功能或架构的详细叙述。
请参阅图3，其为本发明的电极形状的一实施例的示意图。如图3(a)所示，其为压电变压器的上电极，如图3(b)所示，其为压电变压器的下电极。其中，上电极是设置于本体的上表面(第一平面)上，且下电极设置于本体的下表面(第二平面)上，本实施例的本体为由压电材料所组成，并呈铜板状。如图3(a)所示，上电极的电极5作为一输入电极，及四个翼状电极1、2、3和4作为输出电极，而形成该风车形状。如图3(b)所示，下电极为一输入/输出共同电极，其外形对应于本体的平板形状(圆型平板)，而同为平板形状。
图3(a)的该些输出电极包含四个螺旋设置的翼状电极1、2、3和4以及电极5，该些翼状电极分别分离设置而形成该风车形状，该些翼状电极彼此间依据既定的间隔距离被隔离开来。此外，该些上电极可藉由其风车形状可依据顺时针方向或逆时针方向转动。如图3(a)所示，该些上电极是以翼状电极1、2、3和4以外的电极5接收该输入电压，且由翼状电极1、2、3和4取得该输出电压。如图3(b)所示，下电极设置如一单一结构，而未经分离，是一共同电极且连接于接地端。如图9所示，其为驱动图3所示的压电变压器的示意图，此仅为图3的压电变压器连接输入电压和输出电压的其中一个实施例，除此之外，本发明更可使用其他方法，以连接输入电压和输出电压而驱动压电变压器。例如，另一实施例可为输入电压输入至该些翼状电极1、2、3和4，如此输出电压即可由电极5中获得。
请参阅图4，其为根据本发明的电极的形状的另一实施例的示意图。如图4(a)所示，其揭示压电变压器的上电极，且如图4(b)所示，其揭示压电变压器的下电极。如图4的实施例中，上电极设置于的上表面(第一平面)上，且下电极设置于本体的下表面(第二平面)上，其中本体由压电材料所组成，且该本体的外形为一铜板状。如图4(a)所示，上电极包含翼状电极1、2、3和4及电极5，其中由电极5作为输入电极5，且翼状电极1、2、3和4做为输出电极，又，上电极的输入电极和输出电极之间藉由一条绝缘线(依据黑色线条标示)相互分离。如图4(b)所示，该些下电极设置于与本体的平板形状(圆形平板)相同形状的表面上，且该些下电极分离为该风车形状，其与上电极相同，且该些分离的下电极根据上电极的转动方向以一个既定的角度旋转。
如图4(a)所示，上电极包含复数个翼状电极1、2、3和4以及电极5，其中每一翼状电极于上电极的中心点周围具有一尖端，且该些翼状电极分别分离设置而形成该风车形状，该些翼状电极彼此间依据既定的间隔距离被隔离开来。此外，该些上电极可藉由其风车形状可依据顺时针方向或逆时针方向转动。
如图4(a)所示，上电极可由翼状电极1、2、3和4以外的电极5接收输入电压，且由翼状电极1、2、3和4获得输出电压。如图4(b)所示，由于下电极对应上电极，所以下电极的翼状电极1′、2′、3′和4′对应于上电极的翼状电极1、2、3和4，下电极的电极5′对应于上电极的电极5，因此下电极连接输入电压的连接方向可参照图4(a)的上电极的连接方式，以电极5′接收输入电压，并以翼状电极1′、2′、3′和4′获得输出电压。
如图10所示，其为驱动图4所示的压电变压器的示意图，此仅为图4的压电变压器连接输入电压和输出电压的其中一个实施例，除此之外，本发明更可使用其他方法，以连接输入电压和输出电压而驱动压电变压器。例如，另一实施例可为输入电压输入至该些翼状电极1、2、3和4，如此输出电压即可由电极5中获得。例如，以下驱动压电变压器的方法：输入电压输入至分离的翼状电极1、2、3和4，输出电压可从输入电极以外的翼状电极1、2、3和4以外的电极5中获得，此外，另一方法为下电极的输入与输出电压可等同于上电极的输入与输出电压。
此外，本发明的实施例更可包含不同于图3与图4的电极形状的其他电极形状的实施例。如图5所示，其为本发明压电变压器的另一实施例，其电极形状不同于图3与图4的电极形状，其中，如图5(a)所示，其揭示所有输入及输出电极彼此间相互分离，如图5(b)所示，其揭示具环状外形的压电变压器的实施例。接续，如图5(a)所示，复数个上电极显然地自位于中心位置的绝缘区域(以黑色圆圈标示)呈放射状地并依据螺旋绝缘线向外螺旋延伸而分离，因而形成风车形状，其中该些电极分别依据该绝缘区域和绝缘线而分离。
如图5(b)所示，本实施例的该环状压电变压器包含一个本体、复数上电极与至少一下电极，其中该本体由压电材料所组成的环状平板，上电极设置于本体的第一或第二平面的其中一者，该第一与第二平面邻近如同本体的上及下表面的第一或第二平面，且上电极依据该本体的平板形状而分离为风车形状，而，下电极可为一个共同接地电极，其如图3(b)所示，或可依据该本体的平板形状而分离为一风车形状，其如同上电极的设置方式，且依据上电极的设置方向而以一个既定的角度旋转。此外，一驱动单元可连接输入电压至部分分离的电极，且从其余的电极取得输出电压。
举例来说，翼状电极1、2、3和4可连接输入电压，且其余的电极5、6、7和8获得输出电压。同理，反之亦然，且本发明压电变压器可藉使用多种连接方式，而连接输入电压和取得输出电压，以驱动压电变压器。
请参阅图6，其为本发明的扭曲震动的示意图。如图所示，本发明的实施例电极于坐标系统上扭曲震动，其中坐标系统为一极坐标系统，且可明显观察到电极围绕着坐标系统的原点以顺时针方向旋转。此外，本发明的实施例更可为电极围绕着坐标系统的原点以逆时针方向旋转，其可视为图6实施例的相反实施例。
请参阅图与图8，其为本发明的电极在一个共鸣的频率的扭曲震动的示意图。如图所示，其表示电极在个别的震动模式中位移仿真的结果。
由图7与图8可知，可明显地观察到电极依据位移a→b→c→d→a的顺序产生扭曲震动，其中上述的箭头为表示震动的位移方向，且其中位移a和位移c的震动结果为中和状态，而位移b和位移d的震动结果为最大位移。如上所述，由于本发明的电极结构为风车形状的缘故，因而产生上述的扭曲震动。
请参阅图11，其为本发明其中的一实施例的示意图；如图所示，其为表示本发明的压电变压器的极性方向，其中，压电变压器的本体的极性方向形成于本体的厚度方向。且，图11所示的上电极的翼状末端通过虚线与下电极的相同的翼状末端相连，以指出上电极和下电极依据一既定角度旋转。如图11所示，下电极根据上电极的转动而以一个既定的角度旋转。如图12所示，其为本发明的压电变压器的电场方向的一实施例的示意图，其为揭示第三图所示的电极结构位于输出侧的电场方向，其中，下电极根据上电极的转动方向以一个既定的角度旋转，前述的上电极与下电极的转动状态由电极的结构示意图以虚线表示。
如图13所示，其为本发明的压电变压器的一实施例的实体的示意图，其中该压电变压器的实体于实际上为应用于本发明的实验中。如图14所示，其为本发明使用压电变压器的一实施例的方块图，其表示使用压电变压器所建构的系统，其中该系统包含一个波形产生器110、一个功率放大器120、一个输入匹配电路130、一个压电变压器140、一个输出匹配电路150及外部电极荧光灯管(EEFLs)160。压电变压器的驱动单元是依据最大输出模式下的输入频率将正弦波以输入电压范围从0到130Vrms输入至压电变压器，以驱动压电变压器，其中波形产生器110即产生该正弦波，输入匹配电路130与输出匹配电路150分别驱使压电变压器的输入侧与输出侧的阻抗达成匹配。
再者，实施例中所使用的陶器压电组件的压电特性与诱电特性的叙述如下。
<用于压电变压器的压电组件的压电与诱电的特性>
综合方程式为：
Pb(Mnχ
/3
Nb
2/3
)-PZT+添加物
纵向压电常数(d
31
)-150pC/N
纵向电机耦合是数(kp)0.6
介电常数为1200Tanδ0.25
Qm值为2200
Tc为310℃
如图14所示，其为第四图所示的压电变压器的电极结构的应用，其中，电极间的间隔为1.5mm，电极结构的直径为28mm，及电极结构的厚度为5mm。电感值为2.4mH的电感器用于一次侧上的阻抗匹配，其中平行驱动具6W输出功率的10外部电极荧光灯管(EEFL)相当于负载电阻一般，另外，有电感值为8mH的电感器用于负载端上的阻抗匹配。
如图15所示，其为本发明的第一实施例的电压与电流的波形图；如图所示，其中图15(a)为第一实施例的压电变压器于输入侧的电压与电流的波形图，图15(b)为第一实施例的压电变压器于输出侧上的电压与电流的波形图。又，图15(a)揭示压电变压器于输入侧上的输入电压与输入电流的波形，且图15(b)揭示压电变压器于输出侧上的输出电压与输出电流的波形，其中，需要注意的地方是本实施例的示波器所显示的电压波形，由于探针的量测比例为500∶1且示波器的显示比例为1000∶1，因此电压与电流经测量出来的量测值为示波器所显示的量测值的0.5倍。举例来说，输入侧电压经示波器所显示出的均方根(Root Mean Square，RMS)值为206.2Vrms，但输入侧电压实际测得的量测值为103.1Vrms，其亦即206.2Vrms乘以0.5倍所求得的结果。
如图16所示，其本发明的第二实施例的方块图，如图所示，其表示使用第三图的压电变压器所建构的系统。该系统包含一个波形产生器110、一个功率放大器120、一个输出匹配电路150，及外部电极荧光灯管(EEFLs)170。如图16所示所使用的陶瓷压电组件的压电和诱电的特性与上述的实施例相同。此外，一驱动单元依据使用于最大输出模式的输入频率产生电压范围0到130Vrms的正弦波形至10个6瓦外部电极荧光灯管(EEFLs)，以平行驱动该些外部电极荧光灯管。
如图17所示，其为本发明的第二实施例的电压与电流的波形图；如图所示，其中图17(a)为第二实施例的压电变压器于输入侧的电压与电流的波形图，图17(b)为第二实施例的压电变压器于输出侧上的电压与电流的波形图。如图17所示，需要注意的地方是本实施例的示波器所显示的电压波形，由于探针的量测比例为500∶1且示波器的显示比例为1000∶1，因此电压与电流经测量出来的量测值为示波器所显示的量测值的0.5倍。举例来说，输入侧电压经示波器所显示出的均方根(Root Mean Square，RMS)值为206.2Vrms，但输入侧电压实际测得的量测值为103.1Vrms，其亦即206.2Vrms乘以0.5倍所求得的结果。
如图18所示，其为本发明的第三实施例的方块图，其表示使用第三图的压电变压器所建构的系统。如图所示，该系统包含一个波形产生器110、一个功率放大器120、一个输入匹配电路130、一个压电变压器140、及一个荧光灯管180。
如图18所示，其揭示平行驱动55W-level的荧光灯管。如图19所示，其为本发明的第三实施例的电压与电流的波形图；如图所示，其中图19(a)为第三实施例的压电变压器于输入侧的电压与电流的波形图，图19(b)为第三实施例的压电变压器于输出侧上的电压与电流的波形图，其中，需要注意的地方是本实施例的示波器所显示的电压波形，由于探针的量测比例为500∶1且示波器的显示比例为1000∶1，因此电压与电流经测量出来的量测值为示波器所显示的量测值的0.5倍。举例来说，输入侧电压经示波器所显示出的均方根(Root Mean Square，RMS)值为168.9Vrms，但输入侧电压实际测得的量测值为84.4Vrms，其亦即168.9Vrms乘以0.5倍所求得的结果。
如图20所示，其为本发明使用一压电变压器驱动一外部电极荧光灯管的示意图。如图所示，其表示压电变压器驱动外部电极荧光灯管的实体图形，其中，压电变压器是以145kHz频率的正方形波形输入至10个外部电极荧光灯管，以平行驱动该些外部电极荧光灯管。
虽然本发明已叙述使用许多较佳的实施例，但这些实施例都只属示范性质，并不会因此而局限本发明的范围。
举例来说，上述实施例中，四个电极组成一风车形状，但本发明仍含有其他变化，例如：三个或五个或是更多个电极构成风车形状。此外，风车的方向可为一顺时针方向或一逆时针方向。
惟，以上所述，仅为本发明最佳的一的具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特性并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求范围为准，凡合于本发明权利要求范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本发明的专利范围。
Claims (12)
1.一种压电变压器，其包含：
一本体，其由一压电材料所组成；
复数个上电极，其设置于该本体的第一及第二平面中的任一者上，该些上电极的外形对应于该本体的一平板形状而呈该平板形状与分离设置而呈一风车形状，部分该些上电极接收一输入电压，其余上电极取得一输出电压；
一下电极，其设置于相对于该些上电极所设置的该平面的另一平面上，该下电极设置为一输入/输出的共同电极。
2.一压电变压器，其包含
一本体，其由一压电材料所组成；
复数个上电极，其设置于该本体的第一及第二平面中的任一者上，该些上电极的外形对应于该本体的一平板形状而呈该平板形状与分离设置而呈一风车形状，部分该些上电极接收一输入电压，其余的上电极取得一输出电压；
复数个下电极，其设置于该些上电极所相对的另一平面上，该些下电极的外形对应于该本体的一平板形状而呈该平板形状与分离设置而呈一风车形状，该些下电极对应于该些上电极而接收该输入电压与输出该输出电压。
3.如权利要求2所述的压电变压器，其中该风车形状的该些下电极是依据该风车形状的该些上电极以一既定的角度而旋转。
4.如权利要求1或2所述的压电变压器，其中该些上电极包含：
复数个翼状电极；以及
一电极，其设置于该些翼状电极以外的部分，该些翼状电极间具有一固定间隔，而呈该风车形状。
5.如权利要求4所述的压电变压器，其中该电极接收该输入电压，该些翼状电极取得该输出电压。
6.如权利要求4所述的压电变压器，其中该些翼状电极接收该输入电压，该电极取得该输出电压。
7.如权利要求1或2所述的压电变压器，其中该些上电极受复数条螺旋绝缘线所分离，该些螺旋绝缘线从设置该些上电极的该表面的中心位置的一绝缘区域呈放射状地向外螺旋延伸，而呈该风车形状。
8.如权利要求1或2所述的压电变压器，其中该本体具有一极性方向，其形成于该本体的一厚度方向。
9.如权利要求1或2所述的压电变压器，其中该风车形状的该些上电极具有一逆时针转动方向的形状。
10.如权利要求1或2所述的压电变压器，其中该风车形状的该些上电极具有一顺时针转动方向的形状。
11.如权利要求1或2所述的压电变压器，其中该本体的该些平面分别为一圆形平面。
12.如权利要求1或2所述的压电变压器，其中该本体的该些平面分别为一环形平面。
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