CN1173421C - 用于荧光灯的压电变压器 - Google Patents

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Abstract

在用于荧光灯的压电变压器中，在第一表面上各侧边中央区域处的电极尺寸小于在角落区域的电极尺寸。结果，将在压电块内产生的应力减至最小，防止了由应力引起的热，从而防止压电块的损伤和效率的降低。输入电极能够做成各种形状，例如，菱形、十字形和斜方形。

Description

用于荧光灯的压电变压器
技术领域
本发明涉及一种压电变压器，具体地说，涉及用于荧光灯的压电变压器，包括：压电块，为了适用于普通荧光灯，其在各侧边中央区域的电极尺寸小于在角落区域的电极尺寸，从而将压电块中央区域处的应力减至最小。
背景技术
20世纪40年代中期把BaTiO3作为一种压电陶瓷(seramic)材料提出，这种具有良好的压电特性的陶瓷材料，例如Pb(Zr，Ti)O3(PZT)，被用于电子设备中。PZT是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，它是具有良好压电特性的基于2-元素的钙钛矿结构。最近，已经研究出了基于3-元素的钙钛矿，容易地改变了基于2-元素的钙钛矿的组成，改善了压电特性。例如，开发了Pb(Mg，Nb)O3-Pb(Zr，Ti)O3、Pb(Mg，Ta)O3-Pb(Zr，Ti)O3和Pb(Mn，Nb)O3-Pb(Zr，Ti)O3作为基于3-元素的复杂钙钛矿化合物。
图1示出了压电材料的一个应用实例，即，用于调幅的带通滤波器。其中，图1A是带通滤波器的平面图，图1B是沿图1A中的A-A线的剖视图。如图所示，带通滤波器包括：六面体形状的压电块，在其上表面和下表面具有电极。同时，在上表面上的电极是输入/输出电极3和5，在下表面上的电极是公共电极7。
当对应于谐振频率的交流电压施加到输入电极3时，电信号转化成在输入电极附近的强机械振动，转化的振动被传送到输出电极。结果，从输出电极5输出与谐振频率成正比的电压。
在20世纪10年代末期提出了压电材料并且应用于多种电子设备，例如，高(电)压发生器、超声波发生器、音响设备、用于调幅收音机的45.5千赫中频滤波器和用于调频收音机的10.7兆赫滤波器、通讯设备以及各种传感器。另外，压电材料被应用于通讯设备的谐振器或滤波器，用作液晶显示器背光的冷阴极射线管的变换器(inverter)。另外，还提出了用于通用变换器的压电变压器。
包括压电材料的典型的变压器的结构如图2所示。其中，图2A是透视图，图2B是剖视图。该变压器是Rosen型变压器，其具有在厚度和长度方向上的振动模式。如图所示，变压器在上表面和下表面的一部分上的输入电极区沿厚度方向偏振。另外，在输出电极区，变压器沿长度方向偏振。当将对应于谐振频率的交流电压施加到输入电极3a和3b上，提升压电变压器的电压时，所施加的电信号被转换成在输入电极附近的长度方向的强机械振动，然后传送到输出电极，生成纵向振动。然后，从输出电极5输出纵向机械振动，作为提升的高压，其频率与施加到输入电极的电压频率相同。
同时，当输入电压的频率与在输出电极的机械振动频率相同时，在输出电极处的电压升高最大。另外，压电变压器的升压(voltage-raise)比取决于材料的负载阻抗，在相当高的负载阻抗施加到输出电极时，升压比最大。在低负载阻抗的情况下，升压比降低好几十倍。
当压电变压器用于电灯时，例如，冷阴极射线管和荧光灯，其根据灯的类型不同而具有不同的负载阻抗。但是，如果压电变压器在最佳制造条件下制造，在低负载阻抗的情况下，能够维持高的升压比。在正常情况下，在点亮灯后阻抗降低，另外，能够适当地保持升压比，使得压电变压器能够适用于灯，例如冷阴极射线管和荧光灯。
近来，提出了如图3所示具有周边(outline)振动模式的压电变压器。如图3所示，除了电极的形状不同外，周边振动模式的压电变压器具有与图1中所示的带通滤波器相似的结构。具体地说，图3中的电极是圆形的，而图1中的电极是矩形的。在该压电变压器中，输出电极5设置在压电块1的上表面上，与输入电极3隔开预定的距离，公共电极7设置在压电块1的下表面上。
当电压通过输入电极3施加到压电块1时，电信号被转换成从压电块1的中心指向侧边的机械振动，然后通过输出电极5输出正比于机械振动的信号。该压电变压器可以用于笔记本电脑的液晶显示器以及低功耗变压器。
但是，存在一个问题，即，压电材料不适用于高功率变压器。由于Rosen型或淀积Rosen型压电变压器(美国专利号6,037,706)的结构复杂而且输出信号小，它不能应用于荧光灯中。在周边振动模式压电变压器中，由于材料的问题，还要研究压电材料的淀积结构。在IEEE(1998.2.15)，P1141中作者为Sung Jin Choi的题目为“Design ofFluorescent lamp with PFC using a power piezoelectric transformer”的文章中公开了在周边振动模式压电变压器中的圆形或矩形的电极。但是，在该变压器中，存在输出信号小的问题。
另外，还有一个问题是：当电信号被转化成机械振动时，在一部分压电块内的应力最大，从而破坏压电器件，使其效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电变压器，其中，将在压电块的低振动区，即，侧边的中央区域的电极最小化，从而消除由于应力而引起的热，并防止对压电块的损伤。
为了达到上述目的，在本发明的压电变压器中，减小在压电块上表面的应力产生区内的电极大小而使由应力产生的热最小化。应力主要在压电块的各侧边的中央区域附近产生。通过将在该区域的电极缩至最小，而使应力减至最小，结果，压电变压器也适用于高功率变压器。为了使电极最小，可将电极做成菱形(diamond)或十字形。电极能够做成多种形状，而不受限制。
综上所述，本发明提供了一种压电变压器，包括：压电块，其具有第一表面和第二表面，用于将电信号变换成周边振动模式的机械振动；输入电极，其在第一表面的中央区域，电信号被输入到输入电极；输出电极，其在第一表面上的边缘部分，用于将机械振动变换成电信号，并输出转换后的电信号，输出电极与输入电极隔开预定的距离；以及公共电极，其在压电块的第二表面上；其中，在压电块各侧边中央区域的电极的尺寸小于在角落区域的电极的尺寸。
附图说明
图1是显示利用压电材料的常规带通滤波器结构的视图。
图2是显示利用压电材料的常规Rosen型压电变压器结构的视图。
图3是显示利用压电材料的周边振动模式的常规压电变压器结构的视图。
图4是显示根据本发明实施例的用于荧光灯的压电变压器结构的视图。
图5是显示当电压施加到用于荧光灯的压电变压器时的机械振动的视图。
图6是显示根据本发明另一个实施例的用于荧光灯的压电变压器结构的视图。
具体实施方式
一般地，用于液晶显示设备的背光使用Rosen型压电变压器。这种用作冷阴极射线管的点亮装置的Rosen型压电变压器具有高电压和低电流的特性，使得它不适用于普通荧光灯。在点亮期间，普通荧光灯的阻抗小于几千欧，而冷阴极射线管的阻抗大约为80到100千欧。这样，普通荧光灯的阻抗远远小于冷阴极射线管的阻抗。
本发明提供了适用于普通荧光灯的压电变压器。为了制造该压电变压器，在本发明中，电极具有与常规压电变压器不同的结构。通过这种电极结构，在与常规压电变压器产生最大应力的区域不同的区域产生最大应力，结果可以得到期望的电流和电压。
下面，将参照附图详细描述根据本发明的压电变压器。
图4是显示本发明的压电变压器的视图。其中，图4A是平面图，图4B是剖视图。如图所示，本发明的压电变压器包括：六面体形状的压电块101；在压电块101的上表面上的输入/输出电极103和105；以及在压电块101的下表面上的公共电极107。
输入电极103基本上做成斜方形(rhombic)或者菱形，并且与输出电极105隔开预定的距离。公共电极107与压电块101下表面的至少一部分整体形成。
在压电变压器中，当电信号通过输入电极103和公共电极107输入时，电信号被转换成在压电块101内的周边模式的机械振动，然后通过输出电极105输出正比于该机械振动的信号。
如图5的双点划线所示，当施加电压时，在压电块的角落区域的合振动最大，而在各侧边的中心区域的合振动最小。在图中，角落区域的箭头表示在压电块101中振动的程度。同时，振动的程度由压电材料和施加的电压决定。
由于机械振动在压电块101的角落区域最大，在侧边的中央区域(在图中由P表示)最小，最大应力作用于压电块101的中央区域，第二高应力作用于压电块101的侧边的中央区域。因此应力在侧边的中央区域产生热，而可能损坏压电块。
当电信号被转化成机械振动时，在输入/输出电极产生强振动。因此，如果减小在侧边的中央区域P处的电极的尺寸，振动程度也会减小。结果，在该区域产生更少的热。同时，输入电极103和输出电极105的尺寸之比优选在1∶1.5至1∶3.14。
为了形成具有上述尺寸比的电极，输入电极103做成菱形。因此，在输入电极103和输出电极105之间没有设置电极的区域延伸到压电块101的侧边的中心区域P附近，使得电极在区域P的尺寸减小。
在把输入电极103做成如上所述的菱形的情况下，改善了能量转换效率，增加了电容，以减小输出端的阻抗，因为在半径方向上的电-机耦合系数Kp高于在长度方向上的耦合系数。结果，增加了输出功率。另外，降低了升压比，使得在输入电极103为菱形的情况下，压电变压器适用于具有低阻抗的荧光灯。
不必将输入电极103的形状限制为菱形。换句话说，电极可做成任何形状，只要该形状由于减小了在压电块101侧边中央区域的尺寸而能够减小应力，以使产生的热最小化。
如图4B所示，公共电极107在压电块101的下表面的一部分上整体形成，输入/输出电极103和105连接到外部电路(图中未示出)。在这种情况下，噪声会从外部电路通过公共电极107输入。为了解决这个问题，能够将公共电极107做成多个如图6A所示的隔离的电极207。通过隔离公共电极207，噪声不能从外部电路输入到压电块。通常，如图6A所示，公共电极207做成与输入电极203和输出电极205的形状不同的形状。但是，如图6B所示，公共电极207也可以做成与输入电极203和输出电极205同样的形状。
在本发明的压电变压器中，如上所述，在压电块各侧边中央区域的电极的尺寸小于在角落区域电极的尺寸。同时，对电极的形状无需具体规定。输入电极能够做成各种形状，例如，菱形、斜方形或十字形。
如上所述，把在最大应力产生区域的电极尺寸减至最小，从而减小了应力。这样，当压电变压器用作高(电)压变压器时，能够防止由热引起的压电块的损坏或效率的退化。
尽管本发明用其优选实施例的形式进行了描述，这不应该认为是对本发明范围的限制。因此，本发明的范围不应该由所述实施例决定，而由所附权利要求和它们的等同物决定。

Claims (8)

1.一种压电变压器，包括：
压电块，其具有第一表面和第二表面，用于将电信号变换成周边振动模式的机械振动；
输入电极，其在第一表面的中央区域，电信号被输入到输入电极；
输出电极，其在第一表面上的边缘部分，用于将机械振动变换成电信号，并输出转换后的电信号，输出电极与输入电极隔开预定的距离；以及
公共电极，其在压电块的第二表面上；
其中，在压电块各侧边中央区域的电极的尺寸小于在角落区域的电极的尺寸。
2.根据权利要求1所述的压电变压器，其中，输入电极为菱形。
3.根据权利要求2所述的压电变压器，其中，输入电极和输出电极的尺寸比率约为1∶1.5至1∶3.14。
4.根据权利要求1所述的压电变压器，其中，公共电极在压电块的第二表面的至少一部分上整体形成。
5.根据权利要求1所述的压电变压器，其中，公共电极形成在压电块的第二表面上，并形成多个隔离开的公共电极，以防止噪音的输入。
6.根据权利要求1所述的压电变压器，其中，公共电极面对输入电极和输出电极。
7.根据权利要求1所述的压电变压器，其中，输入电极为菱形，在压电块的第一表面上侧边的中央区域的输出电极的尺寸小于在角落部分输出电极的尺寸。
8.根据权利要求1所述的压电变压器，其中，输入电极大体为十字形。
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