专利名称：一种圆形压电变压器的制作方法
技术领域：
本发明属于能源技术领域，涉及一种压电变压器，具体是一种给打印机高压包、CRT显示器、液晶显示器背景光源等系统提供高压的圆形压电变压举。
背景技术：
压电变压器作为一种新型电子器件，与传统的电磁变压器相比，具 有体积小、重量轻、高升压比、高转换效率、使用时不会击穿、耐高 温、不怕燃烧和不引起电磁干扰等优点，特别适用于电子集成领域。压 电变压器分驱动部分和发电部分。工作时，在驱动部分的输入电极加上 一交变的输入电压，使压电陶瓷片振动，振动传播到发电部分，在发电 部分输出电极上产生交变的输出电压。目前的压电变压器一般在升压比较大时，输出功率较小，或者升压 比较小时，输出功率较大。在实际照明系统等应用中常常需要在高升压 比的情况下实现大功率输出。现有的压电变压器多为长方形，基于"和 "的耦合方式，被称为Rosen型。此类压电变压器一般输入几伏到几十 伏的交变电压，就可以获得几千伏以上的高压输出，但输出功率不大， 仅有几瓦。 发明内容本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种在高升压比下实 现大功率输出的压电变压器，适合在CRT、液晶显示器、等离子发生 器、打印机等产品中使用。本发明的压电变压器包括通过叠层共烧在一起的n个完全相同的单 层压电变压器，2《n《20;每个单层压电变压器包括圆环形的压电陶瓷 片，圆环形压电陶瓷片的外侧壁固定设置有输出电极，压电陶瓷片的上下两面分别固定设置有输入电极。所述的输出电极为圆环形，其内径与圆环形的压电陶瓷片的外径相 同，其高度与压电陶瓷片边沿的厚度相同，输出电极与压电陶瓷片的外 侧壁紧密配合。所述的输入电极为圆环形，其中心孔的直径与压电陶瓷片中心孔的 直径相同，且中心孔与压电陶瓷片中心孔位置对应。所述的压电陶瓷片的中心孔的直径为5 7mm、压电陶瓷片的外径为 10 30cm、压电陶瓷片的边沿的厚度为0.5 2mm;圆环形的输入电极的 内、外径之差与圆环形的压电陶瓷片的内、外径之差的比为l: 2。所述的输入电极和输出电极采用Cu和Ni合金。由压电陶瓷片、输入电极和输出电极构成的单层压电变压器为等厚 的片状环形结构；叠在一起的n个单层压电变压器的中心孔对应，整体 压电变压器为圆筒形。所述的压电变压器中每个单层压电变压器的输出电极依次相互接 触，相邻的两个单层压电变压器对应的输入电极相互接触。本发明在充分考虑Rosen型压电变压器工作机理、升压比等特性的 基础上，提出了利用k15、 kp耦合能量的圆形压电变压器，在提高升压 比的同时，增大输出功率。
图l为本发明的结构示意图；图2为图1中一个单层压电变压器的结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，圆形压电变压器包括叠层结构的n (2《n《20) 个完全相同的单层压电变压器，层数根据使用需要决定。多个单层压电 变压器采用叠层共烧工艺制备，是典型的独石结构。每个单层压电变压器包括圆环形的压电陶瓷片2，压电陶瓷片2的 外侧壁固定设置有输出电极3，压电陶瓷片2的上下两面分别固定设置有输入电极1。输出电极3为圆环形，其内径与圆环形的压电陶瓷片2的外径相同，其高度与压电陶瓷片2边沿的厚度相同。输入电极1为圆 环形，其中心孔的直径与压电陶瓷片2的中心孔4的直径相同，且中心 孔与压电陶瓷片中心孔4位置对应。输入电极和输出电极均采用Cu和 Ni合金。叠在一起的n个单层压电变压器的中心孔对应，整体压电变压器为圆筒形，每个单层压电变压器的输出电极依次相互接触，相邻的两个单层压电变压器对应的输入电极相互接触。图中的横向箭头和纵向箭头为压电陶瓷片2的极化方向。工作时，压电变压器驱动部分输入电极几伏特的电压，压电陶瓷片产生振动，振动传播到发电部分，在输出电极上产生上千伏的输出电压。压电变压器的效率可以表达为(1)其中《是负载，疋是器件损耗。定义机械品质因数Qm、机电耦合因数k与输出电学品质因数Qe:0 =^ (2) i 附/P丄 (3)a=(4)其中"为谐振频率、d为压电系数、e为介电常数、s是弹性顺 度、《2是输出电学电容、Z:,是器件有效质量等效的电学电感，并考虑谐振频率表示为C_丄 (5)将等式2、 3、 4代入到等式1中，并借助Mason等效模型，效率表达式为17/ =77 i+a/^c。2"/C 其中c二是器件有效力顺等效的电学电容，并定义电容比则效率公式8又可以表达为 1(6)(7)(8)i+(a+他W(a"22)其中n2为发电部分机电转换系数，考虑机电耦合系数与机电转换系 数的平方成正比，则效率又可以化为 7i+(a+他w(OA)同样由Mason等效模型可以得到压电变压器的升压比同效率以及输 出功率同效率之间的关系式w2=《"2 vm2.wc。2(i+g2)尸0 =六 7 2(10)(11)利用机电耦合系数与机电转换系数的平方成正比的关系，输出功萄 又表示为d & 2 Vm2.wC02(l+ee2) 尸oc丄77--^-1(12)从式10可知，压电变压器的升压比同驱动部分和发电部分的机电转 换系数的比值成正比。基于kp、"的叠层圆形压电变压器的机电转换系 数比同基于h,与"的Rosen型压电变压器此比值大小为同一数量级， 因此在效率相同的情况下，升压比也为同一数量级。由式12可知，在相同的输入电压下，效率相同的情况下工作频率越 高，输出电学电容越大，输出功率也越大。由于叠层圆形压电变压器的输出电学电容通常是Rosen型压电变压器的输出电学电容的10 100 倍，因此输出功率也远大于Rosen型压电变压器。圆形压电变压器由于采用叠层结构，因此在确保一定刚度的情况 下，厚度通常为取0.5mm以上，这不仅是利用传统的流延等制陶工艺容 易实现的一个厚度范围，并且是批银工艺等较易实现的厚度，同时也能 保持压电陶瓷片保持一定刚度所必须的厚度范围。在现有工艺可以实现的情况下，从集成的角度考虑，当然希望厚度 越薄越好。而从输出功率考虑，厚度越厚，输出电学电容C。2越大，由公 式12可知，输出功率也越大。综合考虑可知最佳的厚度范围是0. 5 2mm。同样基于提高输出功率的考虑，可以用叠层的方式来增加输出功 率，原因是叠层相当于输出电容C。2的并联，叠层越多，C。2也越大。圆形压电陶瓷片的外径通常由器件的工作频率决定。由于圆形压电 变压器高升压比、大功率输出等特点，极易用于驱动荧光灯管。而不论 是普通荧光灯管还是无极灯管，随着厂家、型号的不同，其最佳的工作 频率是落在5 120KHz范围内。对于PZT-5材料的压电陶瓷来说，压电 圆片的直径在10 30cm之间。压电陶瓷片的内径实际上是孔径。压电陶瓷片中间留孔， 一是为了 铺设输入电极的连接线(叠层压电变压器用)， 一是为了散热，提高器 件所能承受的输入功率的上限值。综合考虑集成度和器件有效利用等情 况，压电陶瓷片内径的最佳取值范围是5 7腿。如图2所示，压电变压器输入电极所在部分是压电变压器的驱动部 分，其极化方向垂直于压电陶瓷表面，压电陶瓷片中极化方向平行于压 电变压器表面的是变压器发电部分。压电变压器工作时，其器件内的机械振动在物理学角度上讲是驻波振动。压电变压器最大的损耗来源于机械振动的损耗。输入电极内外径 之差正好为压电陶瓷片的内外径之差的一半，此时器件振动时的寄生效应最小，机械损耗最小，机械品质因数Qm就高。由公式9、 10、 11可知，效率就高、升压比高、输出功率大。由方程10和11可知，当所取负载为器件最大效率时的负载，电学 品质因数Qe为l，此时升压比同机电转换系数的比值、效率成正比；而输出功率还同输出电学容抗成正比。因此在升压比确定的情况下，可以尽可能的增加C。2，以提高输出功率。输入输出的机电转换系数比值实际上主要由压电陶瓷片的直径和厚 度比决定。因此高升压比对尺寸的要求是，压电陶瓷片的直径比厚度越 大越好，但压电陶瓷片的直径由工作频率确定，厚度由工艺和刚度要求 确定。同时厚度的减少，将导致输出电学电容C。2的减少，输出功率减 少，为了在保持高升压比的情况下，实现大功率输出，就考虑用叠层的 方式来解决。叠层相当于输出电容C。2的并联，叠层越多，C。2也越大，输 出功率也越大。同时用叠层而不是多个单层压电变压器电学并联，是由 于叠层的器件刚度更大，电学和机械损耗更小，所以性能更加。但叠层 的工艺复杂，成本高，过多的叠层也不利于散热，反而会导致输出功率 下降。从刚度和成本两方面综合考虑，叠层范围是2 20层。
权利要求
1、一种圆形压电变压器包括通过叠层共烧在一起的n个完全相同的单层压电变压器，2≤n≤20，其特征在于每个单层压电变压器包括圆环形的压电陶瓷片，圆环形压电陶瓷片的外侧壁固定设置有输出电极，压电陶瓷片的上下两面分别固定设置有输入电极；压电变压器中每个单层压电变压器的输出电极依次相互接触，相邻的两个单层压电变压器对应的输入电极相互接触；所述的输出电极为圆环形，其内径与圆环形的压电陶瓷片的外径相同，其高度与压电陶瓷片边沿的厚度相同，输出电极与压电陶瓷片的外侧壁紧密配合；所述的输入电极为圆环形，其中心孔的直径与压电陶瓷片中心孔的直径相同，且中心孔与压电陶瓷片中心孔位置对应；所述的压电陶瓷片的中心孔的直径为5～7mm、压电陶瓷片的外径为10～30cm、压电陶瓷片的边沿的厚度为0.5～2mm；圆环形的输入电极的内、外径之差与圆环形的压电陶瓷片的内、外径之差的比为1∶2；所述的输入电极和输出电极采用Cu和Ni合金；由压电陶瓷片、输入电极和输出电极构成的单层压电变压器为等厚的片状环形结构；叠在一起的n个单层压电变压器的中心孔对应，整体压电变压器为圆筒形。
全文摘要
本发明涉及一种圆形压电变压器。目前的压电变压器一般在升压比较大时，输出功率较小，或者升压比较小时，输出功率较大。本发明包括叠层共烧在一起的多个完全相同的单层压电变压器；每个单层压电变压器包括圆环形的压电陶瓷片，压电陶瓷片的外侧壁固定设置有输出电极，压电陶瓷片的上下两面分别固定设置有输入电极。每个单层压电变压器的输出电极依次相互接触，相邻的两个单层压电变压器对应的输入电极相互接触。叠在一起的多个单层压电变压器的中心孔对应，整体为圆筒形。本发明在提高升压比的同时，增大了输出功率。
文档编号H01L41/00GK101404318SQ20081012188
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月21日 优先权日2008年10月21日
发明者余厉阳, 高明煜 申请人:杭州电子科技大学