專利名稱：用于熒光燈的壓電變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電變壓器，具體地說，涉及用于熒光燈的壓電變壓器，包括壓電塊，為了適用于普通熒光燈，其在各側(cè)邊中央?yún)^(qū)域的電極尺寸小于在角落區(qū)域的電極尺寸，從而將壓電塊中央?yún)^(qū)域處的應(yīng)力減至最小。
20世紀(jì)40年代中期把BaTiO3作為一種壓電陶瓷(seramic)材料提出，這種具有良好的壓電特性的陶瓷材料，例如Pb(Zr,Ti)O3(PZT)，被用于電子設(shè)備中。PZT是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，它是具有良好壓電特性的基于2-元素的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。最近，已經(jīng)研究出了基于3-元素的鈣鈦礦，容易地改變了基于2-元素的鈣鈦礦的組成，改善了壓電特性。例如，開發(fā)了Pb(Mg,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Ta)O3-Pb(Zr,Ti)O3和Pb(Mn,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3作為基于3-元素的復(fù)雜鈣鈦礦化合物。


圖1示出了壓電材料的一個應(yīng)用實例，即，用于調(diào)幅的帶通濾波器。其中，圖1A是帶通濾波器的平面圖，圖1B是沿圖1A中的A-A線的剖視圖。如圖所示，帶通濾波器包括六面體形狀的壓電塊，在其上表面和下表面具有電極。同時，在上表面上的電極是輸入/輸出電極3和5，在下表面上的電極是公共電極7。
當(dāng)對應(yīng)于諧振頻率的交流電壓施加到輸入電極3時，電信號轉(zhuǎn)化成在輸入電極附近的強(qiáng)機(jī)械振動，轉(zhuǎn)化的振動被傳送到輸出電極。結(jié)果，從輸出電極5輸出與諧振頻率成正比的電壓。
在20世紀(jì)10年代末期提出了壓電材料并且應(yīng)用于多種電子設(shè)備，例如，高(電)壓發(fā)生器、超聲波發(fā)生器、音響設(shè)備、用于調(diào)幅收音機(jī)的45.5千赫中頻濾波器和用于調(diào)頻收音機(jī)的10.7兆赫濾波器、通訊設(shè)備以及各種傳感器。另外，壓電材料被應(yīng)用于通訊設(shè)備的諧振器或濾波器，用作液晶顯示器背光的冷陰極射線管的變換器(inverter)。另外，還提出了用于通用變換器的壓電變壓器。
包括壓電材料的典型的變壓器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，圖2A是透視圖，圖2B是剖視圖。該變壓器是Rosen型變壓器，其具有在厚度和長度方向上的振動模式。如圖所示，變壓器在上表面和下表面的一部分上的輸入電極區(qū)沿厚度方向偏振。另外，在輸出電極區(qū)，變壓器沿長度方向偏振。當(dāng)將對應(yīng)于諧振頻率的交流電壓施加到輸入電極3a和3b上，提升壓電變壓器的電壓時，所施加的電信號被轉(zhuǎn)換成在輸入電極附近的長度方向的強(qiáng)機(jī)械振動，然后傳送到輸出電極，生成縱向振動。然后，從輸出電極5輸出縱向機(jī)械振動，作為提升的高壓，其頻率與施加到輸入電極的電壓頻率相同。
同時，當(dāng)輸入電壓的頻率與在輸出電極的機(jī)械振動頻率相同時，在輸出電極處的電壓升高最大。另外，壓電變壓器的升壓(voltage-raise)比取決于材料的負(fù)載阻抗，在相當(dāng)高的負(fù)載阻抗施加到輸出電極時，升壓比最大。在低負(fù)載阻抗的情況下，升壓比降低好幾十倍。
當(dāng)壓電變壓器用于電燈時，例如，冷陰極射線管和熒光燈，其根據(jù)燈的類型不同而具有不同的負(fù)載阻抗。但是，如果壓電變壓器在最佳制造條件下制造，在低負(fù)載阻抗的情況下，能夠維持高的升壓比。在正常情況下，在點(diǎn)亮燈后阻抗降低，另外，能夠適當(dāng)?shù)乇３稚龎罕?，使得壓電變壓器能夠適用于燈，例如冷陰極射線管和熒光燈。
近來，提出了如圖3所示具有周邊(outline)振動模式的壓電變壓器。如圖3所示，除了電極的形狀不同外，周邊振動模式的壓電變壓器具有與圖1中所示的帶通濾波器相似的結(jié)構(gòu)。具體地說，圖3中的電極是圓形的，而圖1中的電極是矩形的。在該壓電變壓器中，輸出電極5設(shè)置在壓電塊1的上表面上，與輸入電極3隔開預(yù)定的距離，公共電極7設(shè)置在壓電塊1的下表面上。
當(dāng)電壓通過輸入電極3施加到壓電塊1時，電信號被轉(zhuǎn)換成從壓電塊1的中心指向側(cè)邊的機(jī)械振動，然后通過輸出電極5輸出正比于機(jī)械振動的信號。該壓電變壓器可以用于筆記本電腦的液晶顯示器以及低功耗變壓器。
但是，存在一個問題，即，壓電材料不適用于高功率變壓器。由于Rosen型或淀積Rosen型壓電變壓器(美國專利號6,037,706)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且輸出信號小，它不能應(yīng)用于熒光燈中。在周邊振動模式壓電變壓器中，由于材料的問題，還要研究壓電材料的淀積結(jié)構(gòu)。在IEEE(1998.2.15),P1141中作者為Sung Jin Choi的題目為“Design ofFluorescent lamp with PFC using a power piezoelectric transformer”的文章中公開了在周邊振動模式壓電變壓器中的圓形或矩形的電極。但是，在該變壓器中，存在輸出信號小的問題。
另外，還有一個問題是當(dāng)電信號被轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動時，在一部分壓電塊內(nèi)的應(yīng)力最大，從而破壞壓電器件，使其效率降低。
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電變壓器，其中，將在壓電塊的低振動區(qū)，即，側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域的電極最小化，從而消除由于應(yīng)力而引起的熱，并防止對壓電塊的損傷。
為了達(dá)到上述目的，在本發(fā)明的壓電變壓器中，減小在壓電塊上表面的應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)內(nèi)的電極大小而使由應(yīng)力產(chǎn)生的熱最小化。應(yīng)力主要在壓電塊的各側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域附近產(chǎn)生。通過將在該區(qū)域的電極縮至最小，而使應(yīng)力減至最小，結(jié)果，壓電變壓器也適用于高功率變壓器。為了使電極最小，可將電極做成菱形(diamond)或十字形。電極能夠做成多種形狀，而不受限制。
圖1是顯示利用壓電材料的常規(guī)帶通濾波器結(jié)構(gòu)的視圖。
圖2是顯示利用壓電材料的常規(guī)Rosen型壓電變壓器結(jié)構(gòu)的視圖。
圖3是顯示利用壓電材料的周邊振動模式的常規(guī)壓電變壓器結(jié)構(gòu)的視圖。
圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的用于熒光燈的壓電變壓器結(jié)構(gòu)的視圖。
圖5是顯示當(dāng)電壓施加到用于熒光燈的壓電變壓器時的機(jī)械振動的視圖。
圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的用于熒光燈的壓電變壓器結(jié)構(gòu)的視圖。
一般地，用于液晶顯示設(shè)備的背光使用Rosen型壓電變壓器。這種用作冷陰極射線管的點(diǎn)亮裝置的Rosen型壓電變壓器具有高電壓和低電流的特性，使得它不適用于普通熒光燈。在點(diǎn)亮期間，普通熒光燈的阻抗小于幾千歐，而冷陰極射線管的阻抗大約為80到100千歐。這樣，普通熒光燈的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷陰極射線管的阻抗。
本發(fā)明提供了適用于普通熒光燈的壓電變壓器。為了制造該壓電變壓器，在本發(fā)明中，電極具有與常規(guī)壓電變壓器不同的結(jié)構(gòu)。通過這種電極結(jié)構(gòu)，在與常規(guī)壓電變壓器產(chǎn)生最大應(yīng)力的區(qū)域不同的區(qū)域產(chǎn)生最大應(yīng)力，結(jié)果可以得到期望的電流和電壓。
下面，將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的壓電變壓器。
圖4是顯示本發(fā)明的壓電變壓器的視圖。其中，圖4A是平面圖，圖4B是剖視圖。如圖所示，本發(fā)明的壓電變壓器包括六面體形狀的壓電塊101；在壓電塊101的上表面上的輸入/輸出電極103和105；以及在壓電塊101的下表面上的公共電極107。
輸入電極103基本上做成斜方形(rhombic)或者菱形，并且與輸出電極105隔開預(yù)定的距離。公共電極107與壓電塊101下表面的至少一部分整體形成。
在壓電變壓器中，當(dāng)電信號通過輸入電極103和公共電極107輸入時，電信號被轉(zhuǎn)換成在壓電塊101內(nèi)的周邊模式的機(jī)械振動，然后通過輸出電極105輸出正比于該機(jī)械振動的信號。
如圖5的雙點(diǎn)劃線所示，當(dāng)施加電壓時，在壓電塊的角落區(qū)域的合振動最大，而在各側(cè)邊的中心區(qū)域的合振動最小。在圖中，角落區(qū)域的箭頭表示在壓電塊101中振動的程度。同時，振動的程度由壓電材料和施加的電壓決定。
由于機(jī)械振動在壓電塊101的角落區(qū)域最大，在側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域(在圖中由P表示)最小，最大應(yīng)力作用于壓電塊101的中央?yún)^(qū)域，第二高應(yīng)力作用于壓電塊101的側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域。因此應(yīng)力在側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域產(chǎn)生熱，而可能損壞壓電塊。
當(dāng)電信號被轉(zhuǎn)化成機(jī)械振動時，在輸入/輸出電極產(chǎn)生強(qiáng)振動。因此，如果減小在側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域P處的電極的尺寸，振動程度也會減小。結(jié)果，在該區(qū)域產(chǎn)生更少的熱。同時，輸入電極103和輸出電極105的尺寸之比優(yōu)選在1∶1.5至1∶3.14。
為了形成具有上述尺寸比的電極，輸入電極103做成菱形。因此，在輸入電極103和輸出電極105之間沒有設(shè)置電極的區(qū)域延伸到壓電塊101的側(cè)邊的中心區(qū)域P附近，使得電極在區(qū)域P的尺寸減小。
在把輸入電極103做成如上所述的菱形的情況下，改善了能量轉(zhuǎn)換效率，增加了電容，以減小輸出端的阻抗，因為在半徑方向上的電-機(jī)耦合系數(shù)Kp高于在長度方向上的耦合系數(shù)。結(jié)果，增加了輸出功率。另外，降低了升壓比，使得在輸入電極103為菱形的情況下，壓電變壓器適用于具有低阻抗的熒光燈。
不必將輸入電極103的形狀限制為菱形。換句話說，電極可做成任何形狀，只要該形狀由于減小了在壓電塊101側(cè)邊中央?yún)^(qū)域的尺寸而能夠減小應(yīng)力，以使產(chǎn)生的熱最小化。
如圖4B所示，公共電極107在壓電塊101的下表面的一部分上整體形成，輸入/輸出電極103和105連接到外部電路(圖中未示出)。在這種情況下，噪聲會從外部電路通過公共電極107輸入。為了解決這個問題，能夠?qū)⒐搽姌O107做成多個如圖6A所示的隔離的電極207。通過隔離公共電極207，噪聲不能從外部電路輸入到壓電塊。通常，如圖6A所示，公共電極207做成與輸入電極203和輸出電極205的形狀不同的形狀。但是，如圖6B所示，公共電極207也可以做成與輸入電極203和輸出電極205同樣的形狀。
在本發(fā)明的壓電變壓器中，如上所述，在壓電塊各側(cè)邊中央?yún)^(qū)域的電極的尺寸小于在角落區(qū)域電極的尺寸。同時，對電極的形狀無需具體規(guī)定。輸入電極能夠做成各種形狀，例如，菱形、斜方形或十字形。
如上所述，把在最大應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域的電極尺寸減至最小，從而減小了應(yīng)力。這樣，當(dāng)壓電變壓器用作高(電)壓變壓器時，能夠防止由熱引起的壓電塊的損壞或效率的退化。
盡管本發(fā)明用其優(yōu)選實施例的形式進(jìn)行了描述，這不應(yīng)該認(rèn)為是對本發(fā)明范圍的限制。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該由所述實施例決定，而由所附權(quán)利要求和它們的等同物決定。
權(quán)利要求
1．一種壓電變壓器，包括壓電塊，其具有第一表面和第二表面，用于將電信號變換成周邊振動模式的機(jī)械振動；輸入電極，其在第一表面的中央?yún)^(qū)域，電信號被輸入到輸入電極；輸出電極，其在第一表面上的邊緣部分，用于將機(jī)械振動變換成電信號，并輸出轉(zhuǎn)換后的電信號，輸出電極與輸入電極隔開預(yù)定的距離；以及公共電極，其在壓電塊的第二表面上；其中，在第一表面的側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域的輸入電極和輸出電極的尺寸最小。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，輸入電極為菱形。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電變壓器，其中，輸入電極和輸出電極的尺寸比率約為1∶1.5至1∶3.14。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，公共電極在壓電塊的第二表面的至少一部分上整體形成。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，公共電極形成在壓電塊的第二表面上，并形成多個隔離開的公共電極，以防止噪音的輸入。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，公共電極面對輸入電極和輸出電極。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，輸入電極為菱形，在壓電塊的第一表面上側(cè)邊的中央?yún)^(qū)域的輸出電極的尺寸小于在角落部分輸出電極的尺寸。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電變壓器，其中，輸入電極大體為十字形。
9．一種壓電變壓器，包括壓電塊，其具有第一和第二表面，用于將電信號變換成周邊振動模式的機(jī)械振動；輸入電極，其設(shè)置在壓電塊的第一表面上，其到各側(cè)邊中央?yún)^(qū)域的距離比到角落區(qū)域的距離近，電信號被輸入到輸入電極；輸出電極，其在第一表面上的邊緣部分與輸入電極隔開預(yù)定的距離，使得其在各側(cè)邊中央?yún)^(qū)域的尺寸小于在角落區(qū)域的尺寸，輸出電極用于將機(jī)械振動變換成電信號；以及公共電極，其在壓電塊的第二表面上。
全文摘要
在用于熒光燈的壓電變壓器中,在第一表面上各側(cè)邊中央?yún)^(qū)域處的電極尺寸小于在角落區(qū)域的電極尺寸。結(jié)果,將在壓電塊內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力減至最小,防止了由應(yīng)力引起的熱,從而防止壓電塊的損傷和效率的降低。輸入電極能夠做成各種形狀,例如,菱形、十字形和斜方形。
文檔編號H01L41/107GK1325144SQ0111569
公開日2001年12月5日 申請日期2001年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月4日
發(fā)明者金鐘宣, 劉忠植 申請人:三星電機(jī)株式會社