专利名称：一种交错极化型压电陶瓷变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种交错极化型压电陶瓷变压器，具体地说，涉及一种工作于全波振动模式或1.5倍波振动模式，并将输入驱动区分为二个驱动端交错极化的升压型压电陶瓷变压器。
背景技术：
压电陶瓷变压器于二十世纪60年代初由美国专利(专利号2974296)所公布，作为LCD中CCFL背光系统的元件，升压压电陶瓷变压器近年来再次受到密切地关注。
随着IT产业的发展，宽屏、高亮LCD显示器近几年来得到蓬勃的展，并有效地应用于15.0″、17.0″、19.0″笔记本电脑或25.0″液晶电视。基于此种应用，需要压电变压器有更高的功率密度和负载特性从而增加LCD显示器的亮度。从换能器能换定律E＝1/2(mv2)可知采用提高压电变压器工作频率(即采用减小尺寸提升光效率)的方法可以提升其单位质量的功率密度。但是由于CCFL的特性，工作频率的提升是很有限的。大多数CCFL制造商都将其产品的工作频率限制在不大于80~90kHz的范围内。为了更大幅度地降低LCD逆变器的尺寸，尤其在宽度和厚度方向，需要最大幅度地在允许的范围内提升压电变压器的工作频率范围。
目前常用压电陶瓷变压器主要有Rosen型压电陶瓷变压器和Center型压电陶瓷变压器两种。
如图1所示，Rosen型压电陶瓷变压器是将一矩形压电体平均分为左右两个半区；左半区103为输入驱动区，其上下表面涂有电极102，并且沿厚度方向极化；右半区104为输出发电区，其端头涂有电极101，并且沿长度方向极化。这种结构的Rosen型压电陶瓷变压器主要有λ/2和λ二种振动模式，实际应用中变压器的振动频率越高、其损耗越大、因此，压电陶瓷变压器，一般都工作在λ/2振动模式。当它工作于λ/2振动模式时，只有一个节点并在变压器中心位置，Rosen型压电陶瓷变压器的优点是制作工艺简单。它的缺点是相位大，升压比低，转换效率低，安装不便。
图2所示，Center型压电陶瓷变压器是将一矩形压电体分为三个区；中间区105为输入驱动区，其上下表面涂有电极110，并且沿厚度方向极化；两边为输出发电区106和107，它们的端头均涂有电极109和108，并且沿长度方向极化，两个输出发电区结构对称，相位同相。在实际使用过程中多为并接使用。Center型压电陶瓷变压器主要有λ/2和λ二种有实际使用价值的振动模式。当它工作于λ/2振动模式时，只有一个节点并在变压器中心位置，Center型压电陶瓷变压器的优点是升压比较高。它的缺点是制作工艺复杂，制造成本高，对两发电区平衡度要求高，功率密度较小，一般工作于λ/2振动模式时，只有一个节点，安装不便。
发明内容
为了克服现有压电变压器功率密度小、升压比低、实际工作模式只有一个节点，压电变压器固定不便的缺陷，本发明的目的是提供一种功率密度大，升压比高、振动节点有二个或三个，压电变压器固定方便且牢固的一种新型的压电陶瓷变压器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种交错极化型压电陶瓷变压器，由矩形压电体制成，沿着长度方向将矩形压电体分为二个区，第一区为输入驱动区，由上下表面涂有平面电极并沿厚度方向极化的二个驱动端组成，其驱动极性相反；第二个区为输出发电区，其输出端头涂有电极，沿长度方向极化。
所述交错极化型压电陶瓷变压器通过组成输入驱动区二个驱动端及输出发电区长度比例的调节可工作于全波模式及1.5倍波模式。
所述交错极化型压电陶瓷变压器的矩形压电体由多个单层压电体叠加而成，即具有多层结构。
所述交错极化型压电陶瓷变压器具有多层结构，其输入驱动区的每一层沿厚度方向极化，且相临的两层具有相对的极性；两个输入驱动端沿长度方向极化，且相临的同一层也具有相对的极性，输出发电区的每个单层压电体沿长度方向极化。
所述矩形压电体上下层的外表面都覆有保护层。
所述输入驱动区的二个驱动端每层的外电极以0°的相位彼此相连后于外电路相接。
本发明具有发热少、升压比高，功率密度大、转换效率高、安装方面可靠等优点。
图1为已知Rosen型压电陶瓷变压器结构示意图。
图2为已知Center型压电陶瓷变压器结构示意图。
图3为本发明交错极化型压电陶瓷变压器全波模式的结构示意图。
图4为本发明交错极化型压电陶瓷变压器1.5倍波模式的结构示意图。
图5为本发明交错极化型压电陶瓷变压器全波模式多层内外电极结构图。
图6为本发明交错极化型压电陶瓷变压器全波模式谐振时的应力-应变曲线。
图7为本发明交错极化型压电陶瓷变压器1.5倍波模式谐振时的应力-应变曲线。
图8为本发明交错极化型压电陶瓷变压器全波模式输入驱动区的二个驱动端电路连接示意图。
图9为本发明交错极化型压电陶瓷变压器1.5倍波模式输入驱动区的二个驱动端电路连接示意图。
图10为本发明交错极化型压电陶瓷变压器与Rosen型、Center型实际应用于39×6×1.2mm3尺寸的变压器，同输入时分别带负载RL＝100KΩ时的输出电压有效值关系图。
图11为本发明交错极化型压电陶瓷变压器与Rosen型、Center型实际应用于39×6×1.2mm3尺寸的变压器，同输入时分别带负载RL＝100KΩ时的升压比关系图。
图12为本发明交错极化型压电陶瓷变压器与Rosen型、Center型实际应用于39×6×1.2mm3尺寸的变压器，同输入时分别带负载RL＝100KΩ时的输出功率关系图。
图13为本发明交错极化型压电陶瓷变压器与Rosen型、Center型实际应用于39×6×1.2mm3尺寸的变压器，同输入时分别带负载RL＝100KΩ时的转换效率关系图。
具体实施例方式
如图3、图4所示，本发明公开的交错极化型压电陶瓷变压器是将一块矩形压电体分为二个区左区为输入驱动区，由两个驱动端211和212组成，右区为输出发电区213。
图3所示为交错极化型压电陶瓷变压器全波模式(λ模式)的结构示意图，L为矩形压电体的长度，当λ模式时，输入驱动区211、212占据矩形压电体210的3/4长度，输出端213占据矩形压电体210的剩余长度，且输入驱动区的两个驱动端211和212的长度比例为2∶1。
图4所示为交错极化型压电陶瓷变压器1.5倍波模式(3λ/2模式)的结构示意图，L为矩形压电体的长度，当3λ/2模式时，输入驱动区211、212占据矩形压电体210的2/3长度，输出端213占据矩形压电体210的剩余长度，且输入驱动区的两个驱动端211和212的长度比例为1∶1。
图5所示为交错极化型压电陶瓷变压器全波模式(λ模式)多层内外电极结构图，其中219、220为多层内电极结构，211和212为矩形压电体210的输入驱动区的两个驱动端，213为矩形压电体210的输出发电区。
每个驱动端交错排布的内电极219a、219b、220a、220b通过各自的外电极215、216和217、218以电学并联方式引出，输出电极221位于所述输出发电区213的端头。
内电极通常以Ag-Pd、Pd或其他导体浆料构成，外电极215、216、217、218和输出电极221通常以Ag浆料构成。输入驱动区沿厚度方向极化，沿厚度方向相临的两层具有相对的极性；两个输入驱动端沿长度方向相临的同一层具有相对的极性。输出端沿长度方向极化。
1.5倍波谐振模式(3λ/2模式)多层内外电极具有相同的结构。
图6、图7分别为全波模式(λ模式)和1.5倍波谐振模式(3λ/2模式)的矩形压电体谐振时的应力-应变曲线。很容易看出两个驱动端有相反的应变状况。即当输入驱动端211压缩时，212却扩张，反之亦然。但是，如果驱动端只有一块的话，如图1所示的Rosen型或图2所示的Center型，在进行全波谐振时，它们的机械一致性不好。
将居于输入端同侧的两对外电极215、217和216、218以0°的相位彼此相连后接入高频输入源上，如图8或图9所示。从图6中可以看出因为全波模式具有两个振动节点A、B，较之图1，图2作为元器件的固定而言更为方便、可靠。对于图7所示的1.5倍波模式(3λ/2模式)而言，因其具有三个振动节点A、B、C，亦是如此。
本发明的实例按照上述交错极化型压电陶瓷变压器结构设计实际制作一种用于背光电源(Inverter)6W并具有全波模式(λ模式)的压电陶瓷变压器(采用PZT固溶体)，该压电变压器的尺寸为39×6×2.6mm3。输入驱动区采用9层叠加而成，内电极采用Ag-Pd浆料；压电变压器制备工艺为流延-叠层印刷-共烧的多层独石化工艺。输出及外电极采用Ag，在空气中极化。其谐振频率为85kHz，负载为1.8×600mm(Φ×L)的CCFL，经测试灯管的管电流和管电压分别为5.5mA和1400Vrms，即灯管分配7.7W的功率。此时转换效率大于96％，CCFL采用反馈控制，未见闪烁。压电变压器亦未明显发热，工作稳定、满足实际要求。
图10、11所示为25V输入，负载RL＝100KΩ时测出各种类型压电陶瓷变压器输出电压有效值关系图、升压比关系图，由图可知本发明交错极化型压电陶瓷变压器升压比最高，这是Rosen型压电陶瓷变压器和Center型压电陶瓷变压器所达不到的。
图12、图13所示为25V输入，负载RL＝100KΩ时所分别测出的各种类型压电陶瓷变压器输出功率、效率关系图，看出本发明交错极化型压电陶瓷变压器不仅具有高功率密度的特性，而在转换效率上也不降低。
下表将本发明与Rosen型压电陶瓷变压器和Center型压电陶瓷变压器三者进行了比较
总之本发明交错极化型压电陶瓷变压器最大特点是，升压比高、功率密度大、发热少、转换效率高，安装非常方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局于此。任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种交错极化型压电陶瓷变压器，它由矩形压电体制成，其特征在于它沿着长度方向将矩形压电体分为二个区，第一区为输入驱动区，由上下表面涂有平面电极并沿厚度方向极化的二个驱动端组成，其驱动极性相反；第二区为输出发电区，其输出端头涂有电极，沿长度方向极化。
2.如权利要求1所述的交错极化型压电陶瓷变压器，其特征在于通过组成输入驱动区二个驱动端及输出发电区长度比例的调节可工作于全波模式或1.5倍波模式，其振动节点分别为二个或三个。
3.如权利要求2所述的交错极化型压电陶瓷变压器，其特征在于当工作于全波模式时，输入驱动区211、212占据矩形压电体210的3/4长度，输出端213占据矩形压电体210的剩余长度，且输入驱动区的两个驱动端211和212的长度比例为2∶1，振动节点为二个。
4.如权利要求2所述的交错极化型压电陶瓷变压器，其特征在于当工作于1.5倍波模式时，输入驱动区211、212占据矩形压电体210的2/3长度，输出端213占据矩形压电体210的剩余长度，且输入驱动区的两个驱动端211和212的长度比例为1∶1，振动节点为三个。
5.如权利要求1所述的交错极化型压电陶瓷变压器，其特征在于所述矩形压电体由多个单层压电体叠加而成，即具有多层结构。
6.如权利要求5所述的交错极化型压电陶瓷变压器，其特征在于具有多层结构的输入驱动区的每一层沿厚度方向极化，且相临的两层具有相对的极性，两个输入驱动端沿长度方向极化，且相临的同一层也具有相对的极性，输出发电区每个单层压电体沿长度方向极化。
7.如权利要求1所述的交错极化型压电陶瓷变压器，其特征在于所述矩形压电体上下层的外表面都覆有保护层。
8.如权利要求1所述的交错极化型压电陶瓷变压器，其特征在于所述输入驱动区的二个驱动端每层的外电极以0°的相位彼此相连后于外电路相接。
全文摘要
本发明公开了一种交错极化型压电陶瓷变压器，它是沿着长度方向将矩形压电体分为二个区，第一区为输入驱动区，由上下表面涂有平面电极并沿厚度方向极化的二个驱动端组成，其极性相反；第二区为输出发电区，其输出端头涂有电极，沿长度方向极化，通过组成输入驱动区的二个驱动端及输出发电区长度比例的调节，可工作于全波模式及1.5倍波模式。本发明具有安装方面，升压比高，功率密度大等优点。此压电变压器广泛用于高压电源、液晶显示器(LCD)中驱动冷阴极荧光灯(CCFL)的背光电源中。
文档编号H01L41/107GK1585147SQ20041002617
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月27日 优先权日2004年5月27日
发明者陈耀强, 袁明波, 王成利 申请人:西安康鸿信息技术股份有限公司