CN1423349A - 压电变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以很容易地实现外部电连接以及电极的极化,同时获得稳定的输出特性的压电变压器。上述压电变压器包括压电元件,上述压电元件具有:两个相对的矩形主表面,即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面。上述压电元件沿纵向被分为两个部分,即第一部分和第二部分,从而第一和第二表面均沿纵向被分为第一表面部分和第二表面部分。上述压电变压器还包括:设置在压电元件的第一表面的第一表面部分上的输入电极；设置在压电元件的第二表面的第一表面部分上且与输入电极在垂直方向上对称的接地电极；以及设置在压电元件的第二部分的远离输入电极的末端的输出电极。

Description

压电变压器

技术领域

本发明涉及一种压电变压器，其具有改良的输出电极结构，可以很容易实现外部电连接和电极的极化，同时提高压电特性。

背景技术

最近，用于高压DC发生装置的压电变压器由于具有尺寸小、高效率、良好的绝缘、以及不燃性等良好的性能，所以与线圈变压器相比，其使用率更高。

压电变压器主要用于高压电源供给装置，上述高压电源供给装置装备在用于开/关笔记本电脑、PDA(个人数字助理)、DVC(数码摄像机)、DSC(数码照相机)以及类似产品的彩色液晶显示器的背光转换器、静电刷、空气过滤器以及臭氧发生器等中。

上述压电变压器基本上由压电元件以及设置在压电元件上的输入和输出电极构成。当具有与压电元件的固有振动频率相应的频率的AC电压经由输入电极被施加在压电元件上时，压电元件产生机械振动。压电元件的机械振动能转换成电能，然后经由输出电极输出。因此，压电变压器通过压电振动提升了输入电压。

图1示出了一种普通Rozen型压电变压器。如图1所示，标号10所表示的Rozen型压电变压器包括压电元件11。压电元件11具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及四个侧表面，即连接第一和第二表面的第三至第六表面。压电元件11沿纵向分为两个部分，即第一部分和第二部分。因此，压电元件11的第一和第二表面均沿纵向分为两个表面部分，即第一表面部分和第二表面部分。压电变压器10还包括：一个设置在压电元件11的第一表面的第一表面部分上的输入电极12；设置在压电元件11的第三表面上、不与输入电极12接触的输出电极13；以及设置在压电元件11的第二表面的第一表面部分上、同时与输入电极12相对配置的接地电极14。

当由一个AC电源S产生的具有一定电平的AC电压被施加在上述传统的Rozen型压电变压器的输入电极12和接地电极14之间时，在压电元件11的第一部分，即第一电极单元上就会产生沿垂直方向的、与所施加的电压的电能相应的机械振动。通过上述振动，压电元件11的第二部分，即第二电极单元沿纵向振动。纵向振动转换成电能，随后经由输出电极13输出。上述通过施加AC电压而产生的压电效应起到了产生放大效应的作用。

图1下部所示的波形图表示由Rozen型压电变压器10产生的振动的波形图。

形成有输入电极12的第一电极单元用作将电能转换成机械振动能的驱动单元(或输入单元)，而形成有输出电极13的第二电极单元用作将机械振动能转换成电能的电输出发生单元(或输出单元)。

但是，传统的Rozen型压电变压器10存在以下问题，即由于输出电极13设置在具有很小的宽度和很小的面积的侧表面上，所以不能很容易地实现外部电连接和输出电极13的极化。并且，当输出电极13被极化时，其可能被破坏。

为了改良上述Rozen型压电变压器的电极结构，已经提出了多种结构。图2示出了一种改良Rozen型压电变压器。

如图2所示，标号20所表示的压电变压器包括一个矩形压电元件21，该压电元件21具有与如图1所示的Rozen型压电变压器10的压电元件11相似的结构。与Rozen型压电变压器10相似，压电变压器20还包括：设置在压电元件21的第一表面的第一表面部分上的输入电极22；设置在压电元件21的第一表面的第二表面部分的远离输入电极22的末端的条形输出电极23；以及分别设置在压电元件21的第二表面上、同时与输入电极22和输出电极23在垂直方向上对称的接地电极24、25。

这种Rozen型压电变压器20具有以下优点，即由于输出电极23与输入电极22同样设置在压电元件21的第一表面上，所以可以很容易地形成所期望的电极图案，同时很容易地实现外部电连接和输出电极23的极化。但是，电输出发生单元(第二电极单元)在纵向未充分被极化。而且，还存在压电元件的特性离散的问题。

发明内容

因此，本发明就是鉴于现有技术的上述问题提出的，其目的是提供一种可以很容易地实现外部电连接以及电极的极化，同时获得稳定的输出特性的压电变压器。

本发明的另一目的是提供一种可以调节输出电极的长度，从而调节输出电容的压电变压器。

因此，一方面，本发明提供了一种压电变压器，包括：

压电元件，具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面，该压电元件沿纵向被分为两个部分，即第一部分和第二部分，从而第一和第二表面均沿纵向被分为第一表面部分和第二表面部分；

输入电极，设置在压电元件的第一表面的第一表面部分上；

接地电极，设置在压电元件的第二表面的第一表面部分上，同时与输入电极在垂直方向上对称；以及

输出电极，设置在压电元件的第二部分的远离输入电极的末端，上述输出电极包括：设置在压电元件的第一表面上的第一电极部分；设置在压电元件的第二表面上且与第一电极部分在垂直方向上对称的第二电极部分；以及设置在压电元件的远离输入电极的侧表面上的第三电极部分，上述第三电极部分用于连接第一电极部分和第二电极部分。

另一方面，本发明提供了一种压电变压器，包括：

压电元件，具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面，压电元件沿纵向被分为三个部分，即相对的末端部分和设置在相对的末端部分之间的中间部分，从而，压电元件的第一和第二表面均沿纵向被分为相对的末端表面部分和中间表面部分；

输入电极，设置在压电元件的第一表面的中间表面部分上；

接地电极，设置在压电元件的第二表面上，同时与输入电极在垂直方向上对称；以及

一对输出电极，分别设置在压电元件相对的末端部分上，每个输出电极包括：设置在压电元件的第一表面上的第一电极部分；设置在压电元件的第二表面上且与第一电极部分在垂直方向上对称的第二电极部分；以及设置在压电元件的侧表面上的第三电极部分，上述第三电极部分设置在压电元件的相关端部，第三电极部分用于连接第一电极部分和第二电极部分。

优选地，输出电极的第一和第二电极部分具有0.5mm或0.5mm以上的电极宽度。

为了在纵向上极化压电变压器的输出单元，正电压被施加在输入和接地电极，同时负电压被施加在输出电极的第一电极部分。

输出电极在第一电极部分的中央与外部电极连接。

另一方面，本发明提供了一种制造如权利要求1或2的压电变压器的方法，包括以下步骤：

准备压电元件，该压电元件具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面；

在压电元件的第一表面上设置输入电极和输出电极的第一电极部分，以使输入电极和第一电极部分彼此分开；

在压电元件的第二表面上设置接地电极和输出电极的第二电极部分，同时使接地电极和第二电极部分分别与输入电极和第一电极部分在垂直方向上对称；以及

在压电元件的远离输入电极和接地电极的侧表面上印刷输出电极的第三电极部分，以使第三电极部分连接第一和第二电极部分，从而第一至第三电极部分连接在一起形成输出电极。

附图说明

通过以下对附图的详细说明，可以更清楚地理解本发明的上述和其他目的、性质以及其他优点。其中：

图1为表示传统的Rozen型压电变压器的基本结构的透视图，以及表示压电变压器产生的振动的波形的波形图；

图2为表示另一个将图1的压电变压器改良后的传统的Rozen型压电变压器的透视图；

图3为表示根据本发明的一个实施例的压电变压器的透视图；

图4为表示根据本发明的另一个实施例的压电变压器的透视图；

图5a为表示极化图1的传统的Rozen型压电变压器的一种方法的示意图；

图5b为表示极化图2的改良Rozen型压电变压器的一种方法的示意图；

图5c为表示极化图3的压电变压器的一种方法的示意图；

图6为描述图2的改良Rozen型压电变压器的压电特性离散的大小的图表；

图7为描述本发明的压电变压器的压电特性离散的大小的图表；

具体实施方式

以下参照附图，对根据本发明的压电变压器进行说明。

图3为根据本发明的一个实施例的压电变压器的透视图。

图3中标号30所表示的压电变压器包括一个压电元件31，该压电元件31具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及四个侧表面，即连接第一和第二表面的第三至第六表面。压电元件31沿纵向被分为两个部分，即第一部分和第二部分。因此，压电元件31的第一和第二表面均沿纵向被分为两个表面部分，即第一表面部分和第二表面部分。压电变压器30还包括：一个设置在压电元件31的第一表面的第一表面部分上的输入电极32。在压电元件31的第二部分的远离输入电极32的末端设置有一个输出电极33。输出电极33包括：设置在压电元件31的第一表面上的第一电极部分33a；设置在压电元件31的第二表面上且与第一电极部分33a在垂直方向上对称的第二电极部分33b；以及设置在压电元件31的远离输入电极32的第三表面上、用于连接第一电极部分33a和第二电极部分33b的第三电极部分33c。压电变压器30还包括设置在压电元件31的第二表面的第一表面部分上的接地电极34，该电极与输入电极32在垂直方向上对称。

在具有上述结构的压电变压器30中，形成有输入电极32和接地电极34的单元作为驱动单元，而形成有输出电极33的第二单元作为电输出发生单元。如图3中箭头所示，驱动单元在垂直方向上被极化，而电输出发生单元在纵向被极化。当负电压被施加在输入电极32上，同时正电压被施加在接地电极34上时，压电变压器30在其输入级就发生极化。即，压电变压器的驱动单元在垂直方向上被极化。另一方面，如图5c所示，当正电压被施加在输入电极32和接地电极34上，同时负电压被施加在输出电极33的第一电极部分33a上时，压电变压器30在其输出级就发生极化。即，压电元件31的电输出发生单元在纵向上被极化。当负电压被施加在设置在压电元件31第一表面上的输出电极33的第一电极部分33a上时，由于第三电极部分33c与第一电极部分33a相连，所以该电压也被施加在设置在相连侧表面上的第三电极部分33c上。结果使极化特性得到良好的离散性。由于负电压耦合到设置有输入电极32的压电元件31的第一表面上，所以可以很容易实现外部电连接以及输出电极33的极化。

输出电极33的第一电极部分33a和第二电极部分33b应具有0.5mm或0.5mm以上的电极宽度。上述电极宽度是使输出电极的外部电连接和输出电极的耦合成为所期望的电压源，以获得所期望的极化的最小宽度。

图4为根据本发明的另一个实施例的压电变压器的透视图。

图4中标号40所表示的压电变压器包括一个压电元件41，该压电元件41具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及四个侧表面，即连接第一和第二表面的第三至第六表面。压电元件41沿纵向被分为三个部分，即相对的末端部分和设置在相对的末端部分之间的中间部分。因此，压电元件41的第一和第二表面均沿纵向被分为三个表面部分，即相对的末端表面部分和中间表面部分。压电变压器40还包括一个设置在压电元件41的第一表面的中间表面部分上的输入电极42，以及分别设置在位于压电元件41相对两端上的压电元件41的相对的末端部分上的一对输出电极43。每个输出电极43包括：设置在压电元件41的第一表面上的第一电极部分43a；设置在压电元件41的第二表面上且与第一电极部分43a在垂直方向上对称的第二电极部分43b；以及设置在压电元件41的侧表面上的第三电极部分43c，上述第三电极部分设置在压电元件41的相关端部，即第三和第四侧表面，用以连接第一电极部分44a和第二电极部分44b。压电变压器40还包括设置在压电元件41的第二表面的中间表面部分上，同时与输入电极42在垂直方向上对称的接地电极44。

在具有上述结构的压电变压器40中，由输入电极42和接地电极44所构成的中间单元作为驱动单元，而分别由输出电极43所构成的相对的末端单元作为电输出发生单元。输出电极43可以连接同一负载。作为选择，输出电极43也可以分别连接不同的负载。

如图4中箭头所示，驱动单元在垂直方向上被极化，而电输出发生单元在纵向被极化。

与本发明上述实施例相同，当正电压被施加在输入电极42和接地电极44上，同时负电压被施加在输出电极43的第一电极部分43a上时，压电变压器40就发生纵向极化。

因此，很容易实现通过施加正和负电压来获得所期望的极化。而且，由于负电压也施加到压电元件41的第三和第四表面上，所以可以使极化特性沿与极化方向垂直的方向得到良好的离散性。

每个输出电极43的第一电极部分43a和第二电极部分43b应具有0.5mm或0.5mm以上的电极宽度。上述电极宽度是使每个输出电极的外部电连接和输出电极的耦合成为所期望的电压源，以获得所期望的极化的最小宽度。

图5a示出了一种极化图1的传统Rozen型压电变压器的方法。根据该方法，为了将所期望的高电平电压施加到压电变压器上，正电压被耦合到输入电极12和接地电极14上，而负电压被耦合到输出电极13上。当高电平电压被施加到压电变压器上时，压电变压器的电输出发生单元在纵向被极化。但是，这种方法存在一个问题，即由于输出电极13被设置在具有薄体结构的压电元件的狭窄侧表面上，所以将输出电极13连接到负电压源上很不方便。而且，压电元件可能会被破坏。

图5b示出了一种极化图2的传统Rozen型压电变压器的方法，该方法与图1的方法相比，具有一个改良结构。根据该方法，为了在纵向上极化压电变压器的电输出发生单元，正电压被耦合到输入电极22和接地电极24上，而负电压被耦合到输出电极23和接地电极25上。在这种情况下，与图1的Rozen型压电变压器相比，尽管电极与相关电压源的耦合方式复杂，但由于耦合到电压源上的电极被设置在压电元件的第一和第二表面上，而上述第一和第二表面的宽度比相应侧表面的宽度要宽，所以可以防止压电元件受到破坏。但是，由于负电压被施加到输出电极23上，所以会发生沿与极化方向相同方向的极化特性的离散，结果使品质下降。

图5c示出了一种极化根据本发明的如图3所示的压电变压器的方法。根据该方法，正电压被耦合到输入电极32和接地电极34上，而负电压被耦合到输出电极33上。在这种情况下，电极与相关电压源的耦合不在压电元件31的任何侧表面上实现，而在压电元件31的第一和第二表面上实现。特别是，与输出电极33相连的电压源被耦合到设置在压电元件31的第一表面上的第一电极部分33a上，或者设置在压电元件31的第二表面上的第二电极部分33b上。因此，可以很容易实现所期望的极化。而且，由于施加在压电元件31的第一电极部分33a和第二电极部分33b上的负电压被均匀地施加在覆盖压电元件31的相连侧表面的第三电极部分33c上，所以也可以降低极化特性的离散。与相连电压源的耦合相同，由于是在设置在压电元件31的第一表面上的第一电极部分33a，或者设置在压电元件31的第二表面上的第二电极部分33b上进行的，所以与图5b的改良Rozen型压电变压器相比，输出电极的外部电连接也很容易获得。因此，根据本发明的压电变压器同时具有图1的传统Rozen型压电变压器的优点和图2的改良Rozen型压电变压器的优点。

下面的表1表示通过测试图1的传统Rozen型压电变压器，图2的改良Rozen型压电变压器，以及本发明的压电变压器而获得的压电特性。参照表1可知，与传统的压电变压器相比，本发明的压电变压器具有更小的电压损失和更高的效率。

表1

压电变压器	电-机械耦合系数(K33)	压电特性系数(Qm)
			Rozen型(图1)	0.419	446.166
改良的Rozen型(图2)	0.449	407.896
			本发明(图3)	0.451	474.647

在表1中，“K33”为电一机械耦合系数。当该系数“K33”的值升高时，可以获得更高的效率。“Qm”为压电特性系数。当该系数“Qm”的值升高时，压电变压器的电压损失降低。

图6和图7分别为描述改良Rozen型压电变压器和本发明的压电变压器的压电特性离散的大小的图表。在图6和图7中，“ΔF”为与压电变压器的谐振频率Fr和反谐振频率Fa的差(ΔF＝Fa-Fa)相应的压电特性。该系数“ΔF”的值最好为较大的值，同时均一分布。参照图6和图7可知，本发明的压电变压器显示了具有较大平均值的压电特性，同时降低了离散。因此，本发明可以获得很好的压电特性，同时降低了压电特性的离散。

从上述说明显而易见，本发明提供了一种可以获得改良的压电特性的离散、以及最大的压电特性，同时很容易实现外部电连接和电极的极化的压电变压器。根据本发明，通过在输出级调节电极宽度，可以调节压电变压器的输出阻抗，以与压电变压器在输出级连接的负载相匹配。当希望通过将输出阻抗与负载例如灯匹配而获得最大效率时，只要在输出级简单地调节外部电连接终端的长度就可以实现，而无需改变压电变压器的尺寸，从而在输出级调节了电容。

尽管为了说明的目的而公开了本发明的优选实施例，但正如本领域的技术人员所知，在不脱离所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (8)

1.一种压电变压器，包括：

压电元件，具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面，上述压电元件沿纵向被分为两个部分，即第一部分和第二部分，从而第一和第二表面均沿纵向被分为第一表面部分和第二表面部分；

输入电极，设置在压电元件的第一表面的第一表面部分上；

接地电极，设置在压电元件的第二表面的第一表面部分上，同时与输入电极在垂直方向上对称；以及

输出电极，设置在压电元件的第二部分的远离输入电极的末端，上述输出电极包括：设置在压电元件的第一表面上的第一电极部分；设置在压电元件的第二表面上且与第一电极部分在垂直方向上对称的第二电极部分；以及设置在压电元件的远离输入电极的侧表面上的第三电极部分，上述第三电极部分用于连接第一电极部分和第二电极部分。

2.一种压电变压器，包括：

压电元件，具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面，压电元件沿纵向被分为三个部分，即相对的末端部分和设置在相对的末端部分之间的中间部分，从而，压电元件的第一和第二表面均沿纵向被分为相对的末端表面部分和中间表面部分；

输入电极，设置在压电元件的第一表面的中间表面部分上；

接地电极，设置在压电元件的第二表面上，同时与输入电极在垂直方向上对称；以及

一对输出电极，分别设置在压电元件相对的末端部分上，每个输出电极包括：设置在压电元件的第一表面上的第一电极部分；设置在压电元件的第二表面上且与第一电极部分在垂直方向上对称的第二电极部分；以及设置在压电元件的侧表面上的第三电极部分，上述第三电极部分设置在压电元件的相关端部，第三电极部分用于连接第一电极部分和第二电极部分。

3.根据权利要求1或2所述的压电变压器，其中输出电极的第一和第二电极部分具有0.5mm或0.5mm以上的电极宽度。

4.根据权利要求1或2所述的压电变压器，其中正电压被施加在输入和接地电极上，而负电压被施加在输出电极的第一电极部分，由此压电变压器在输出单元被纵向极化。

5.根据权利要求1或2所述的压电变压器，其中输出电极在第一电极部分的中央与外部电极连接。

6.根据权利要求1或2所述的压电变压器，其中当输出级连接负载时，调节输出电极的第一和第二电极部分的宽度，以调节压电变压器在输出级的阻抗。

7.根据权利要求1或2所述的压电变压器，其中输入、接地以及输出电极通过丝网印刷制得。

8.一种制造如权利要求1或2的压电变压器的方法，包括以下步骤：

准备压电元件，该压电元件具有：两个相对的矩形主表面，即第一和第二表面；以及连接第一和第二表面的四个侧表面；

在压电元件的第一表面上设置输入电极和输出电极的第一电极部分，以使输入电极和第一电极部分彼此分开；

在压电元件的第二表面上设置接地电极和输出电极的第二电极部分，同时使接地电极和第二电极部分分别与输入电极和第一电极部分在垂直方向上对称；以及

在压电元件的远离输入电极和接地电极的侧表面上印刷输出电极的第三电极部分，以使第三电极部分连接第一和第二电极部分，从而第一至第三电极部分连接在一起形成输出电极。

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