JP2009302493A - 絶縁性圧電変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性圧電変圧器を提供する。
【解決手段】絶縁性圧電変圧器は、セラミック材料から構成される基材上の、それぞれ、上表面と下表面に、対応する上下電極を形成し、一次側と二次側を構成し、一次側と二次側により直流高圧電が通電し、電極部分間のセラミック材料が極化し、基材が極化されていない部分は、セラミック材料の特性を維持し、一次側、二次側の絶縁効果を達成して、絶縁性圧電変圧器として使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電変圧器に関するものであって、特に、一部の基材が極化されず、セラミック特性を保有し、一次側、二次側絶縁となる絶縁性圧電変圧器に関するものである。

隔離変圧器は、一般に、ノイズを防止する変圧器の総称で、電源は各種電気製品に進入する前、電源変圧器を通過するが、高周波数ノイズが変圧器の一次側と二次側コイル間のキャパシタ効果、磁性結合、或いは、輻射等の方式により二次側を通過し、更に、電気製品の回路内に進入する。しかし、電源は、通過しなければいけない素子に制限されるので、小電力使用ならいいが、高電力使用の場合、隔離変圧器自身の容量が非常に巨大で、工業用隔離変圧器が１００キロ以上になる。

近年、情報製品は軽薄短小の発展趨勢にあり、圧電変圧器を液晶ディスプレイのバックライト冷陰極蛍光ランプの駆動に応用し、特に、ノート型パソコンへの応用において、重要な趨勢を形成している。圧電変圧器は、圧電材料の機械エネルギーと電気エネルギー間の相互転換特性を応用し、圧電素子の入力端、即ち、有効側が、共振周波数に近い弦波交流電圧を送る時、逆圧電効果要素により、圧電素子を励起して共振させ、正圧電効果により、共振の応力が機械エネルギーを電気エネルギーに転換し、圧電素子の出力端、即ち、エネルギー転換側から出力して、変圧作用を達成する。圧電変圧器は、高電力密度（＞40 W/cm³）、高電気エネルギー転換効率（９７％）、高変圧比、高信頼度、低高度、小体積、軽重量、低発熱、高絶縁度、不可燃、低価格、無ワイヤールーティング、及び、磁心、単体構造、自動生産に適する、電磁干渉がほぼない等の多くの長所がある。

公知の圧電変圧器は、公知の変圧器を加えて、一次、二次側の絶縁とし、直流電の安全規格要求に合せているので、効率が悪い。中華民国特許公告第４９２２０４号は、高出力スタック式圧電変圧器を開示していて、発振速度を減少させることにより、高出力すると共に、熱釈放温度を低下させるが、複合材料を採用した多層構造であり、絶縁層とその他の層が異なる材質で、効率損耗が高く、且つ、高圧入力、振動が激しい時、複合材質は負荷できず、断裂、破損が生じやすく、また、異なる材料は、エネルギー伝送時にカップリングが実行できず、一次側と二次側絶縁の安全規格要求を満たすことができず、よって、絶縁性の圧電変圧器として使用することができない。
台湾特許公告第４９２２０４号

本発明は、絶縁性の圧電変圧器を提供し、公知技術の欠点を解決し、効果的に一次側と二次側絶縁の目的を達成し、絶縁性の圧電変圧器として使用できるようにすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の絶縁性圧電変圧器は、基材と、第一上電極と、第一下電極と、第二上電極と、第二下電極と、からなり、基材はセラミック材料からなり、且つ、上下表面を有し、第一、第二上電極が基材の上表面に設置され、且つ、相互に連通せず、第一、第二下電極は基板の下表面に設置され、且つ、相互に連通しない。また、第一上電極、第一下電極は対称で、第二上電極、第二下電極は対称で、それぞれ、一次側と二次側を構成し、一次側と二次側がそれぞれ、直流高圧を通電し、中間の両側電極に挟まれた基材を極化し、中間の未極化の部分はセラミック材料の特性を維持している。よって、入力が、周波数がない電圧である時、一次側、二次側が絶縁になり、絶縁性の圧電変圧器として使用できる。単層の設計を採用するので、公知のような複合材質を採用するのと異なり、高圧下で、断裂する危険がない。また、セラミック材料の物理特性により、入力が直流電圧である時、一次側と二次側は高インピーダンス状態の真の絶縁を呈する。

本発明は、公知技術の欠点を解決し、効果的に一次側と二次側絶縁の目的を達成し、絶縁性の圧電変圧器として使用できるようになる。

図１Ａは、本発明の実施例による絶縁性の圧電変圧器を示す図である。

絶縁性の圧電変圧器は、基材１０と、第一上電極２１と、第一下電極２２と、第二上電極３１と、第二下電極３２と、からなる。図１Ｂは、本発明の実施例による絶縁性の圧電変圧器の上視図で、基材１０は円板状を呈し、つまり、上視図をみると、円形で、セラミック材料を焼結成型してなり、対応する上下表面１１、１２を有し、第一上電極２１が基材１０の上表面１１に形成され、図で示されるように、弓形で、つまり、弧線と弦により構成される。第一下電極２２は、基材１０の下表面１２に設置され、且つ、第一上電極２１と対称で、つまり、それぞれ、基材１０の上表面１１と下表面１２に設置され、且つ、同じ形状である。一方、第二上電極３１も、基材１０の上表面１１に形成され、図で示されるように、弓形である。第二下電極３２は、基材１０の下表面１２に設置され、第二上電極３１と対称で、つまり、それぞれ、基材１０の上表面１１と下表面１２に設置され、同じ形状である。実際の応用上、基材１０は四角形、或いは、その他の対称な幾何学形状に設計でき、第一上電極２１と第一下電極２２、及び、第二上電極３１と第二下電極３２は、基材１０の形状に適合し、相互に対称である。第一上電極２１と第二上電極３１は相接せず、同様に、第一下電極２２と第二下電極３２も相接しない。上述の電極（第一上電極２１、第一下電極２２、第二上電極３１、第二下電極３２を含む）は、ニッケル、銀、銅材質からなり、塗布の方式で形成される。

図２は、本発明の絶縁性の圧電変圧器極化の第一実施例を示す図である。

同時に、高圧直流電を通電し、強度は例えば、30kV/cmで、第一上電極２１、第一下電極２２の間、及び、第二上電極３１、第二下電極３２間の基材１０を極化し、基材１０中央の電極に被覆されていない部分（第一上電極２１、第一下電極２２、第二上電極３１、第二下電極３２を含む）に、未極化領域１３を形成し、セラミック材料の物理性質を維持する。よって、図で示されるように、第一上電極２１、第一下電極２２は、変圧器の一次側となり、第二上電極３１、第二下電極３２は変圧器の二次側となる。

また、図３Ａ、図３Ｂは、本発明の絶縁性の圧電変圧器極化の第二実施例を示す図である。

一次側と二次側は、それぞれ二回極化され、つまり、図３Ａで示されるように、まず、第一上電極２１、第一下電極２２一側を極化し、その後、図３Ｂで示されるように、第二上電極３１、第二下電極３２一側を極化する。図で示される極性は任意に置換でき、よって、それぞれ、極化の方式は、絶縁インピーダンス値を高くし、インピーダンス値は、極化過程とその他の物理特性により決定される。

よって、一次側により方形波を入力する時、二次側が正弦波を出力する。一般に、共振周波数下で、最高の効率出力が得られる。本発明は実験分析により分かるように、セラミック材料の特性を有する中央の未極化領域１３は、インピーダンス値が入力周波数の減少に伴って増大し、共振周波数の周波数帯域範囲内のインピーダンス値が最低になる。故に、入力が周波数のない電圧の時（例えば、High、或いは、Lowの直流電）、インピーダンス値は10¹⁰~10¹¹オームで、これにより、絶縁性の圧電変圧器として使用できる。実際の操作制御時、出力する負荷端が故障を感知した時（例えば、OVP、OCP等）、異常を保護回路にフィードバックして、信号を発し、制御ロジック（CPU）に告知して、直流電圧を送出し、一次側と二次側が高インピーダンス状態（真の絶縁）を呈する。

同時に、本発明は、一次側、二次側電極面の面積が大きいので、キャパシタ値が大きく、大電力の絶縁変圧器となり、同時に、第一上電極２１と第二上電極３１は相同の形状、且つ、好ましくは、基材１９の直径、或いは、中心線に対称で、且つ、発光ダイオード照明、バックライト、冷陰極蛍光ランプ（Cold Cathode Fluorescent Lamp ; CCFL)、バックライトモジュールのインバータ、外部電極蛍光ランプ（External Flat Fluorescent Lamps ; EFFL）の安定器(ballast)、或いは、ノート型パソコン、デスクトップパソコン、PDAなどの電子装置上に適用できる。本発明は、単層の隔離変圧器であるので、PFC DC４００Vの入力に適合し、DC ４００V降圧、DC１２−２４V再昇圧が不要で、出力効率が更によい。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本発明の実施例による絶縁性圧電変圧器を示す図である。 本発明の実施例による絶縁性圧電変圧器の上視図である。 本発明の実施例による絶縁性圧電変圧器の第一実施例を示す図である。 本発明の実施例による絶縁性圧電変圧器の第二実施例を示す図である。 本発明の実施例による絶縁性圧電変圧器の第二実施例を示す図である。

符号の説明

１０ 基材
１１ 上表面
１２ 下表面
１３ 未極化領域
２１ 第一上電極
２２ 第一下電極
３１ 第二上電極
３２ 第二下電極

Claims (9)

1. 絶縁性圧電変圧器であって、セラミック材料からなり、且つ、上下表面を有する基材と、
   前記基材の上表面に設置される第一上電極と、
   前記基材の下表面に設置され、前記第一上電極と対称で、通電方式により、前記第一上電極との間の前記基材を極化して一次側とする第一下電極と、
   前記基材の上表面に設置され、且つ、前記第一上電極と相接しない第二上電極と、
   前記基材の下表面に設置され、前記第二上電極と対称で、通電方式により、前記第二上電極との間の前記基材を極化して二次側とする第二下電極と、からなり、
   前記基材の前記電極により被覆されない部分は未極化で、セラミック材料の特性を維持していることを特徴とする絶縁性圧電変圧器。
2. 前記一次側と前記二次側は同時に極化することを特徴とする請求項１に記載の絶縁性圧電変圧器。
3. 前記一次側と前記二次側はそれぞれ極化することを特徴とする請求項１に記載の絶縁性圧電変圧器。
4. 前記基板は円板状、或いは、四角形板状であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁性圧電変圧器。
5. 前記第一上電極と前記第二上電極は同じ形状であることを特徴とする請求項４に記載の絶縁性圧電変圧器。
6. 前記第一上電極と前記第二上電極は、皆、弓形、或いは、四角形であることを特徴とする請求項５に記載の絶縁性圧電変圧器。
7. 前記第一上電極と前記第二上電極は、前記基材の直径、或いは、中心線に対称であることを特徴とする請求項５に記載の絶縁性圧電変圧器。
8. 前記電極は、ニッケル、銀、或いは、銅材質であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁性圧電変圧器。
9. 前記一次側が周波数のない入力電圧を受信する時、前記基材の未極化の部分は絶縁状態を呈することを特徴とする請求項１に記載の絶縁性圧電変圧器。

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