CN201233908Y - 压电变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种压电变压器，包括由压电片组成的输入端和输出端，所述压电变压器所包括的输出端为一组或多组，和/或所述压电变压器所包括的输入端为一组或多组，并且组成所述输入端和所述输出端的压电片均为方形。组成压电变压器的压电片表面和侧面覆盖有金属电极，表面电极的形状可以是方形也可以是圆形等其他形状，沿厚度方向极化。从侧电极处直接引出输入输出导线。本实用新型可以实现器件的低频化和薄型化，满足小型电子元件的需要，方形压电片便于定位，侧电极焊接方便牢固，能大大提高工作效率。

Description

压电变压器

技术领域

本实用新型涉及一种变压器，尤其涉及一种压电变压器。

背景技术

传统的绕线型变压器采取将导线缠绕在磁体制成的铁心上的形式，由于需要大量的导线匝数来实现高的电压比率，随着电子电路微型化的趋势，制造造型紧密细小的变压器日趋困难。而压电变压器采用压电效应来改变电压，在变压器相差不大的情况下，压电变压器的体积可以作的比电磁变压器的小。

压电变压器是20世纪50年代开始研制，并于70年代发展起来的新型变压器。与传统的绕线变压器相比，压电变压器具有体积小、重量轻、耐高温、耐辐射、高可靠、使用时不会击穿，且不产生电磁干扰等优良特性。压电变压器由于结构简单，易于批量生产，目前已广泛应用于负离子发生器、液晶显示背景光源、荧光灯电子镇流器和压电电源等。

压电变压器的陶瓷体采用多种形式的外形，包括平板形、圆形、环形和类似形状。按照压电变压器的发展历程，大致分为：长条状的Rosen型、矩形的厚度振动型和圆形的径向振动型几种结构形式，其中以长条状的Rosen型最为常见，如图1所示。Rosen型压电变压器是由横向振动模式的压电驱动器和纵向振动模式的压电换能器的组合，由于Rosen型压电变压器相关的固有高电压输出，它们通常被用作高压发生压电变压器，其典型应用就是很适合用于驱动高压灯，例如用作笔记本电脑平板显示背光源的冷阴极荧光灯。而Rosen型压电变压器的问题是带宽非常窄、功率传输能力低、电路效率相对较低。为了克服上述缺点，增加功率传输能力，往往采用将几个变压器结合在一起的多层“层叠”结构。

Rosen型压电变压器需要分别在厚度和横向两个不同的方向极化，因此存在着制备工艺复杂、难于制造的问题。对Rosen型压电变压器进行不断的改进和优化，出现了后来采用不同厚度或宽度的矩形板叠加的厚度振动型和纵向振动型等Rosen型压电变压器的变体。方形厚度振动型压电变压器由日本NEC于20世纪90年代研发，如图2所示，其输入端、输出端均是由纵向振动模式的压电换能器在厚度方向叠加而成。厚度振动型压电变压器因为其固有的低电压输出被用作低电压转换压电变压器。由于其内部电压增益很低，其工作效率最优时最佳匹配负载阻抗大约为10Ω左右，主要应用于低功率的变换器和适配器中。但由于厚度振动型压电变压器工作在厚度振动方向，同样存在着功率传输能力低、谐振频率太高(2MHz左右)、发热量大、在厚度方向多层叠加使变压器太高(接近纵向或径向尺寸)而不能放在小型电子电路中等缺点。

径向振动型压电变压器的输入部分和输出部分都是由工作于横向振动模式的陶瓷片组成的。相对于上述两种变压器来说，其突出的特点是制备工艺相对简单，制作方便，可调整的自由度大，输出功率和转换效率大大增加，能以很小的尺寸实现低频和大功率，效率最高时的最佳匹配输出负载阻抗大约介于几欧姆到几千欧姆之间，介于Rosen型和厚度振动型的最佳负载阻抗值之间，适用范围大大增加，可以满足降压型和升压型电子电路的应用需要，例如有效用于DC/DC变流器、交换器、适配器和荧光灯的电子镇流器等。

径向振动型压电变压器大多是采用多层圆形陶瓷片叠加粘结等方法制备而成。目前，现有的压电变压器的形状结构过于单一，不能更好地满足应用需要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种压电变压器，更好地满足应用需求。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种径向振动压电变压器，包括由压电片组成的输入端和输出端，所述压电变压器所包括的输出端为一组或多组，和/或所述压电变压器所包括的输入端为一组或多组，并且组成所述输入端和所述输出端的压电片均为方形。

进一步来说，所述多组输出端之间采用串联或者并联的方式连接，所述多组输入端之间采用串联或者并联的方式连接。

进一步来说，所述输入端与所述输出端之间设置有隔离层。

进一步来说，组成变压器压电片表面电极为方形、圆形、或者菱形，表面电极在棱边上与相应侧电极相连。

进一步来说，所述隔离层为玻璃片、陶瓷片或者绝缘膜片。

进一步来说，所述输入端、输出端和隔离层直接用粘结剂粘结。

进一步来说，所述粘接剂为环氧树脂或者聚酰亚胺。

进一步来说，所述输入端和所述输出端分别由一层或者多层压电片组成，所述输入端和所述输出端的多层压电片之间分别采用并联的方式连接。

进一步来说，所述输入端与所述输出端侧面周围涂覆有绝缘层。

本实用新型所提供的压电变压器采用径向振动模式，即采用径向振动的激励方式，可以实现器件的低频化和薄型化，满足小型电子元件的需要，比以往的厚度振动模式的压电变压器有很大改进，压电变压器的可调整自由度大，能以很小的尺寸实现大功率和高效率。另外，方形压电片便于定位，侧电极焊接方便牢固，能大大提高工作效率。同时，本实用新型所提供的多输出的夹层结构能够较好地实现将驱动端的机械能传递至输出端，转换成电能输出，有利于驱动端和输出端能量和功率的传递和转换，降低功率损耗，提高输出功率和转换效率。

附图说明

图1为Rosen型升压压电变压器结构图。

图2为降压叠层式厚度振动型压电变压器结构图。

图3为本实用新型压电变压器结构示意图。

图4为本实用新型压电变压器驱动端和输出端压电片连接示意图。

图5(A)、(B)、(C)、(D)、(E)为本实用新型所提供的压电片的结构图。

图6(A)、(B)、(C)、(D)、(E)为本实用新型所提供的不同电极形状压电片的结构图。

图7为本实用新型所提供输出端在驱动端上下两边的复合夹层结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的主要思想是设置多输出的压电变压器结构，同时将各层压电片的形状设置为方形，从而构成方形的径向多输出压电变压器，具有压电片定位方便、侧电极焊接方便的特点，可以大大提高工作效率。

下面通过附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。

参照图3所示，为本实用新型所提供的压电变压器结构示意图。压电变压器包括：第一驱动端31和第二驱动端37构成输入驱动部分，输出端33、35构成输出发电部分，多层隔离层32、34、36，覆盖于驱动端和输出端侧面的绝缘层38。在本实施例中，输出端为两个，实际上所述输出端的个数也可以为一个或者多个，本实用新型对此不加以限定。

在本实施例中，各层驱动端、发电端是由一层或多层如图5或图6所示的压电陶瓷片并联而成的，其连接方式如图4所示。按照图3所示的顺序组装成多层输出端位于两层驱动端的中间、层层叠加的多输出复合结构，也可以组装成驱动端位于两层输出端中间、层层叠加的多输出复合结构的压电变压器。

如图5(A)、(B)、(C)、(D)、(E)所示，组成压电变压器的压电片51呈方形结构，可以采用干压、轧膜、流延等方法制成方形形状的陶瓷片。然后在压电片51的表面覆盖一层如图5中所示形状的金属(如银)电极52，在侧面覆盖金属侧电极53，两个表面的电极52分别与两个侧面相应的侧电极53连接为一体，将压电陶瓷片在厚度方向加压极化即成。如图6(A)、(B)、(C)、(D)、(E)所示是采取表面金属电极形状不同的压电片61，其表面电极的形状为方形形状62，与对应的侧电极63连接为一体，在厚度方向加压极化。

方形形状的压电片便于定位，直线型的侧电极容易对齐，将多层压电片的侧电极焊接到一起，在侧电极上焊接导线非常方便，用导线直接引出。平整的焊接面相对于圆弧形的焊接面更加牢固可靠，同时便于生产时叠片定位。

本实施例所提供的压电变压器的一组驱动端和一组输出端均采用并联方式连接，如图4所示压电片采取并联方式连接，即将相同或不同厚度、不限层数的压电片41、42、43、44按照两两压电片极性方向相反、正对表面电极面完全相同的连接在一起形成并联方式。不同驱动端和输出端间可采用并联或串联方式连接。压电片沿厚度方向叠加，各层之间用粘接剂粘结。将各层压电片的侧电极焊接为一体，引出输入(输出)导线45、46。

组装压电变压器时，首先将压电片41、42、43、44按照图4所示并联组成如图3所示的第一驱动端31、第二驱动端37，以同样的方式组装成输出端33、35；所述各层压电片的表面和侧面覆盖有金属电极，沿厚度方向极化。各层压电片均在厚度方向叠加，并有环氧树脂类、聚酰亚胺等粘接剂粘结而成多层驱动端和输出端。

如图3所示，将第一驱动端31、第二驱动端37、输出端33、35、隔离层32、34、36按照图3的方式组装，驱动端31、37和输出端33、35的侧电极可以分别错开0-180度的角度(例如90度)，各层驱动端、输出端在厚度方向叠加，用环氧树脂类、聚酰亚胺等粘接剂粘结成多输出结构的压电变压器。然后用绝缘漆包覆各驱动端和输出端的整个侧面形成绝缘层38。将各组驱动端、输出端的侧电极焊接为一体，并在侧电极处直接焊接引线，引出输入导线组和输出导线组，不同组输入导线、输出导线之间分别可以采取并联也可以采取串联的方式与外部连接。以上所述隔离层32、34、36可以相同也可以不同，由无机玻璃片、陶瓷片、绝缘膜片等组成，位于输入端和输出端之间，使驱动端和输出端在电学上完全隔离。绝缘层38为环氧、酚醛、聚氨酯等材料，将压电片的侧面完全包覆，形成绝缘层。隔离层和绝缘层构成强的电压隔离系统，保证器件的安全要求。

本实用新型中压电片的表面电极形状可以是圆形，也可以是方形、菱形等多种形状。

以上所述输出部分可以由一组一层或多层输出端组成也可以由多组一层或多层输出端组成。

以上所述驱动部分也可以由两层以上驱动端组成，均匀分布在输出端的中间，形成均匀的夹层结构，利于提高输出功率和效率。

本发明所提供的压电变压器，并不局限于输出发电部分位于输入驱动部分中间，输入驱动部分位于输出发电部分的上下两边、层层叠加的多输出结构的压电变压器。同样地，根据电路和设计要求，驱动端和输出端可以相互调换，组装成输入驱动部分位于输出发电部分中间、输出发电部分位于输入驱动部分的上下两边，层层叠加的多输出复合结构的压电变压器。如图7所示，由一层或者多层压电陶瓷片并联而成的驱动端71位于中间，由一层或者多层压电陶瓷片并联而成的两组输出端72、73位于驱动端71的上下两边，隔离层74、75分布在输出端和驱动端的中间起隔离作用，各层在厚度方向叠加组成复合夹层结构。输出端子72、73之间可以采取并联的方式连接，也可以采取串联的方式连接，也可以作为单独输出端子组成多输出结构的变压器。如图7所示，输出端72、73之间采用串联的方式连接。

本发明所提供的压电变压器的输出端层数并不受以上内容所述和图形层数限制，可以依据设计需要组装成一组一层或多层输出端组成也可以由多组一层或多层输出端组成构成输出部分结构的压电变压器，满足电子电路中多路输出的需要。

下面通过具体应用中的实例对本实用新型的技术方案进行示例性说明。

在本实例中，采用降压型压电变压器，所述压电陶瓷片由PZT基压电陶瓷材料制备而成。如图3所示，其由上、下两层驱动端31、37，中间一层输出端33、两层隔离层32、34和绝缘层38构成。其中，所述驱动端31、37均由一层压电片组成，输出端33由6层压电片组成。所述压电片可以采用干压、轧膜或流延等方法制成，然后经过烧结、在压电片的表面和侧面印刷金属电极、加压极化等步骤制得压电片。本实例中，输出端采用6层压电片并联的方式连接，压电片的尺寸相同，为20*20*0.5mm，电极形状如图5所示；驱动端采用2层压电片并联的方式连接，压电片尺寸相同，为为20*20*1mm，电极形状如图5所示；隔离层采用2层尺寸为为21*21*0.4mm玻璃片组成。

如图4所示，将构成输出端33的6层压电片41、42、43、44采取并联的方式连接，即相邻片的极化方向相反，正对两片电极完全相同的连接在一起，在厚度方向叠加并用粘接剂粘结形成输出端33。

将驱动端31、37，输出端33，隔离层32、34按照图3所示的顺序进行组装，各层驱动端和输出端之间分别错开90度，在厚度方向叠加，各层之间用粘接剂粘结。上下两个驱动端采用并联方式将相同电极连接在一起构成驱动部分，引出输入导线。将输出端的各层侧电极焊接在一起，直接引出输出导线，然后用环氧树脂等绝缘漆包覆压电片的整个侧面形成绝缘层38。

经过测试，本实例所提供的压电变压器工作于100KHz，输出功率20W以上，输入电压70-90伏，输出电压30伏，最佳负载为50Ω，实际输出功率可达94％，发热量很小。

本发明提供了一种工作频率应用更加广泛、频带较宽、体积更小、输出功率和效率更高的性能优异的压电变压器。

本实用新型提供的压电变压器，方形形状的压电片便于定位，增加了牢固性和可靠性，降低了操作难度，提高了工作效率。同时夹层结构能够较好地实现将驱动端的机械能传递至输出端，转换成电能输出，有利于驱动端和输出端能量和功率的传递和转换，降低功率损耗，提高了变压器的输出功率和转换效率。

需要指出的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，而不是对本实用新型技术方案的进一步限定，任何熟悉本领域的技术人员对本实用新型技术特征所做的等同替换或者相应改进，仍在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种压电变压器，包括由压电片组成的输入端和输出端，其特征在于，所述压电变压器所包括的输出端为一组或多组，和/或所述压电变压器所包括的输入端为一组或多组，并且组成所述输入端和所述输出端的压电片均为方形。

2、如权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述多组输出端之间采用串联或者并联的方式连接，所述多组输入端之间采用串联或者并联的方式连接。

3、如权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述输入端与所述输出端之间设置有隔离层。

4、如权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，组成变压器压电片表面电极为方形、圆形或者菱形，表面电极在棱边上与相应侧电极相连。

5、如权利要求3所述的压电变压器，其特征在于，所述隔离层为玻璃片、陶瓷片或者绝缘膜片。

6、如权利要求4所述的压电变压器，其特征在于，所述输入端、输出端和隔离层直接用粘结剂粘结。

7、如权利要求5所述的压电变压器，其特征在于，所述粘接剂为环氧树脂或者聚酰亚胺。

8、如权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述输入端和所述输出端分别由一层或者多层压电片组成，所述输入端和所述输出端的多层压电片之间分别采用并联的方式连接。

9、如权利要求1所述的压电变压器，其特征在于，所述输入端与所述输出端侧面周围涂覆有绝缘层。

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