DE69412247T2

DE69412247T2 - Piezoelektrischer Transformator

Info

Publication number: DE69412247T2
Application number: DE69412247T
Authority: DE
Inventors: Takeshi C/O Minato-Ku Tokyo Inoue; Osamu C/O Minato-Ku Tokyo Ohnishi
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-07-26
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2014-11-26
Also published as: US5576590A; EP0694978A1; EP0694978B1; US5806159A; DE69412247D1

Description

Hintergrund der Erfindung:

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezokeramischen Wandler, der in verschiedenen Arten von Leistungsschaltungen zur Hochspannungserzeugung verwendet wird, und insbesondere einen sehr betriebssicheren piezokeramischen Wandler, der dünn und kompakt ist und der ebenfalls Hochspannung erzeugt.

Beschreibung des Standes der Technik:

In den letzten Jahren hat man zur Hochspannungserzeugung in internen Leistungsschaltungen von Vorrichtungen wie Fernseh-Ablenkvorrichtungen oder Ladevorrichtungen von Kopierern, die Hochspannung benötigen, elektromagnetische Wandler vom gewickelten Typ verwendet. Solche elektromagnetischen Wandler haben die Form eines Leiters, der auf einen Kern aus einem magnetischen Stoff gewickelt ist. Da man eine große Zahl von Windungen des Leiters benötigt, um ein hohes Übersetzungsverhältnis zu verwirklichen, ist es äußerst schwierig, elektromagnetische Wandler herzustellen, die eine kompakte und schlanke Form haben.
Um diesem Problem abzuhelfen, hat man piezoelektrische Wandler geschaffen, die den piezoelektrischen Effekt ausnutzen. Fig. 1 zeigt den Aufbau eines piezoelektrischen Wandlers vom Rosen-Typ, ein typisches Beispiel für einen piezoelektrischen Wandler nach dem Stand der Technik. Zur Erzeugung von Hochspannung ist der mit 41 bezeichnete Teil in diesem piezokeramischen Wandler sein niederohmiger Treiber, der auf seinen Ober- und Unterseiten mit Elektroden 43, 44 versehen ist, wobei dieser Teil in der Dickenrichtung einer piezoelektrischen Platte polarisiert ist, wie mit dem Pfeil in der Figur gezeigt. Der mit 42 bezeichnete Teil in der Figur ist ein hochohmiger Generator, der mit einer Elektrode 45 an seinem Ende versehen ist, wobei der Generator 42 entlang der Länge der piezoelektrischen Platte polarisiert ist, wie mit dem Pfeil in der Figur gezeigt. Dieser piezoelektrische Wandler arbeitet wie folgt: Wenn von äußeren Anschlüssen 46, 47 eine Spannung an die Ansteuerelektroden 43, 44 angelegt wird, wird ein elektrisches Feld in der Polarisationsrichtung größer, und durch den in einer Richtung senkrecht zur Polarisation verschobenen piezoelektrischen Effekt (nachstehend abgekürzt "Modus des piezoelektrischen Quereffektes 31") wird eine Längsschwingung in der Längsrichtung erregt, wodurch der gesamte Wandler schwingt. Weiterhin wird im Generator 42 aufgrund des piezoelektrischen Effektes, der eine Potentialdifferenz in der Polarisationsrichtung erzeugt (nachstehend abgekürzt "Modus des piezoelektrischen Längseffektes 33"), die durch eine in der Polarisationsrichtung auftretende mechanische Verformung verursacht wird, von der Ausgangselektrode 45 an einem äußeren Anschluß 48 eine Spannung erzeugt, die die gleiche Frequenz wie die Eingangsspannung hat. Wird dabei die Ansteuerfrequenz gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers gemacht, kann man eine äußerst hohe Ausgangsspannung erhalten. Außerdem ist offensichtlich, daß zur Eingabe von Hochspannung und zur Ausgabe von Niederspannung der hochohmige Teil 42 des Längseffektes zur Eingangsseite und der niederohmige Teil 41 des Quereffektes zur Ausgangsseite gemacht werden können.
Dieser piezoelektrische Wandler wird in einem Resonanzzustand verwendet und hat gegenüber gewöhnlichen elektromagnetischen Wandlern zahlreiche Vorteile einschließlich folgenden: 1) man kann eine kompakte und schlanke Form erzielen, da man keinen Aufbau vom gewickelten Typ benötigt und die Energiedichte hoch ist, 2) Nichtbrennbarkeit ist möglich und (3) es gibt kein elektromagnetisches Induktionsrauschen. Nichtsdestoweniger befindet sich bei diesem piezoelektrischen Wandler vom Rosen-Typ nach dem Stand der Technik die Elektrode des Generatorteils am Ende des Wandlers, d. h. am Schwingungsbauch, und ein äußerer elektrischer Anschluß aus Draht muß ebenfalls aus diesem Teil herausgeführt werden. Da die Masse des Anschlusses aus Draht und außerdem Verbindungsbestandteile wie Lot am Schwingungsbauch liegen, gibt es in so einem Fall mechanischen Verlust und Pendeln der Frequenzeigenschaften während Resonanz. Die Zunahme des mechanischen Verlustes verursacht einen Abfall des Wirkungsgrades, während das Pendeln der Frequenzeigenschaften eine Instabilität im Schaltungsbetrieb verursacht, und beide Probleme bilden schwerwiegende Hindernisse, so einen Wandler in praktischen Gebrauch zu bringen.
Im Gegensatz zu einem piezoelektrischen Element, das zur Signalverarbeitung benutzt wird, etwa in Filtern, muß ein piezoelektrischer Wandler außerdem mit relativ hoher Leistung arbeiten und wird mit großen Amplituden schwingen gelassen, die bis an die Leistungsgrenzen piezoelektrischer Materialien gehen. Bei so einem piezoelektrischen Wandler bedeutet die Anordnung der Verbindungsbestandteile am Schwingungsbauch, daß die Verbindungsbestandteile die Hauptlast großer Schwingungen tragen, mit dem Resultat, daß die Betriebssicherheit der Verbindungsbestandteile in Form der Lebenserwartung trotz Verwendung von Verbindungsverfahren wie Löten oder Kleben stark gefährdet ist.
Daher besteht der weitere Nachteil, daß man zwar eine relativ hohe Ausgangsspannung erhalten kann, wenn der Lastwiderstandswert wesentlich größer als die Impedanz des piezoelektrischen Wandlers ist, daß man aber keine besonders hohe Ausgangsspannung erhalten kann, wenn der Lastwiderstandswert nicht so groß ist.
Wie aus Fig. 1 deutlich wird, besteht weiterhin das Problem, daß dieser piezoelektrische Wandler vom Rosen-Typ einen Aufbau mit drei Anschlüssen hat und daß man keine elektrische Isolation zwischen Eingang und Ausgang erreichen kann.
Die EP 0 605 900 A1 zeigt einen piezokeramischen Wandler, der eine piezoelektrische Keramikplatte mit einem Ansteuerbereich und einem angesteuerten Bereich aufweist. Der angesteuerte Bereich enthält in Abständen angeordnete Elektrodenfinger und eine Verbindungselektrode, die diese Finger verbindet. Der Ansteuerbereich ist in der Dickenrichtung polarisiert, und der angesteuerte Bereich ist in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung polarisiert.

Abriß der Erfindung:

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezokeramischen Wandler zu schaffen, der die oben beschriebenen Probleme löst, der die Eigenschaften hoher Spannung, hoher Leistung und hoher Betriebssicherheit aufweist und der weiterhin schlank und kompakt ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt die erste Erfindung einen piezokeramischen Wandler gemäß Anspruch 1.
Die zweite Erfindung umfaßt einen piezokeramischen Wandler gemäß Anspruch 2.
Die dritte Erfindung umfaßt einen piezokeramischen Wandler gemäß Anspruch 3.
Die vierte Erfindung umfaßt einen piezokeramischen Wandler gemäß Anspruch 4.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, die Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht, die den Aufbau eines piezoelektrischen Wandlers vom Rosen-Typ nach dem Stand der Technik zeigt,
Fig. 2(a) ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer ersten Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 2 (b) ist eine Schnittansicht dieser Ausführungsform,
Fig. 3(a) ist ein Verbindungsplan der äußeren Anschlüsse der zweiten Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 3(b) zeigt die Verlagerungsverteilung,
Fig. 4 ist ein Schaltplan der näherungsweisen Ersatzschaltung mit konzentrierten Parametern des piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ist eine Perspektivansicht, die den Aufbau der dritten Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die vierte Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die fünfte Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 zeigt ein Beispiel für ein Herstellungsverfahrens für Kammelektroden für einen piezokeramischen Wandler,
Fig. 9 zeigt den ersten Schritt eines Herstellungsverfahrens für Kammelektroden in jeder der Ausführungsformen, und Fig. 9(b) zeigt den zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens für Kammelektroden in jeder der Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform eines piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2(a) gezeigt, und eine Schnittansicht ist in Fig. 2(b) gezeigt. Ein Treiber 11 besteht aus einer piezoelektrischen Keramikplatte, die in der Dickenrichtung polarisiert ist, wie mit dem Pfeil in Fig. 2(b) gezeigt, und einer äußeren Elektrode 131, 132 auf jeder oberen und unteren Hauptfläche der piezoelektrischen Keramikplatte 17, und äußere elektrische Anschlüsse 151 und 1 52 führen vom Mittelteil in der Längsrichtung der äußeren Elektroden 131 bzw. 132 weg. Im Generator 12 ist auf jeder oberen und unteren Hauptfläche einer piezoelektrischen Keramikplatte 18 ein Aufbau mit einander gegenüberliegenden Kammelektroden 141, 142 angeordnet. Zwischen Kammelektrodenfingern 141a, 142a der Kammelektroden 141, 142 ist die piezoelektrische Keramikplatte 18 mit abwechselnd vertauschten Polaritäten in der Längsrichtung polarisiert, wie mit den Pfeilen in der Figur gezeigt, und auf beiden oberen und unteren Hauptflächen führen äußere Elektrodenanschlüsse 161, 162 vom Elektrodenfinger 141a, der im Mittelteil der Kammelektrode 141 angeordnet ist, bzw. vom Mittelteil in der Längsrichtung der Kammelektrode 142 weg.
Erläuterungen in bezug auf den Herausführungsort der äußeren Anschlüsse und die Ansteuerfrequenz des vorliegenden piezokeramischen Wandlers werden zusammen mit der zweiten Ausführungsform gegeben. Hier wird nun der Betrieb der vorlie genden Ausführungsform erläutert.
Wird zwischen den äußeren Anschlüssen 151-152 des Treibers 11 mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz einer Längsschwingung angelegt, wird durch den Modus des piezoelektrischen Quereffektes 31 über den elektromechanischen Kopplungsfaktor k&sub3;&sub1; eine Längsschwingung in der Längsrichtung erzeugt. Diese Längsschwingung wird im Generator 12 übertragen, und durch den Modus des piezoelektrischen Längseffektes 33 aufgrund des elektromechanischen Kopplungsfaktors k&sub3;&sub3; wird zwischen den Kammelektroden 141-142 eine Spannung erzeugt, die aus den Ausgangsanschlüssen 161-162 herausgeführt wird. Da die Frequenz der angelegten Spannung gleich der Resonanzfrequenz der Längsschwingung des piezokeramischen Wandlers ist, kann dabei eine ziemlich hohe Ausgangsspannung erhalten werden. Wie in Fig. 2(b) gezeigt, sind die Kammelektroden in zusammenpassenden Positionen auf den beiden oberen und unteren Hauptflächen angeordnet, ein Betrieb ist bei leichter Verminderung der Generatorwirkung aber auch dann noch möglich, wenn die Kammelektroden nur auf einer Hauptfläche angeordnet sind. Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform sind jeweils zwei Treiber 11 und Generatoren 12 wie in der ersten Ausführungsform beschrieben in einer abwechselnden Anordnung in einer Linie in der Längsrichtung auf der piezoelektrischen Keramikplatte gebildet. Fig. 3(a) zeigt die Verbindungspunkte der äußeren Anschlüsse dieses piezokeramischen Wandlers. Fig. 3(b) zeigt die Verlagerungsverteilung der Längsschwingung in der Längsrichtung der (2+2), d. h. vierten Ordnung in der Längsrichtung dieses piezokeramischen Wandlers. Wie aus der Figur deutlich wird, fallen die Herausführungspunkte der äußeren Anschlüsse 151, 152, 153, 154, 161, 162, 163 und 164 mit Schwingungsknoten A, B, C und D zusammen.
Allgemein gibt es bei einer Längsschwingung p-ter Ordnung Schwingungsknoten an den Mitten einer Anzahl p von Unterteilungen, in die die Länge des piezokeramischen Wandlers unterteilt ist. Wird daher ein piezokeramischer Wandler aus m Treibern und n Generatoren mit der Resonanzfrequenz der Längsschwingung (m + n)-ter Ordnung in der Längsrichtung angesteuert, können sämtliche äußeren Anschlüsse von den Schwingungsknoten herausgeführt werden, wodurch man hervorragende Schwingungseigenschaften und hohe Betriebssicherheit erreicht. Als Beispiel sind hier zwei Treiber und zwei Generatoren abwechselnd verbunden, der vorliegende piezokeramische Wandler arbeitet aber auch, wenn es jeweils einen oder mehr Treiber und Generatoren gibt, und die Treiber und Generatoren müssen nicht abwechselnd verbunden sein. Weiterhin können die elektrischen Verbindungen jedes der mehreren Treiber und Generatoren in Reihe, parallel oder eine Kombination sein, solange die Verbindungen die elektrische Ladung nicht nullen.
Die näherungsweise Ersatzschaltung mit konzentrierten Parametern in der Nähe der Resonanzfrequenz des piezokeramischen Wandlers der vorliegenden Ausführungsform und auch die der ersten Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 sind Cd&sub1; und Cd&sub2; die gedämpften Kapazitäten der Eingangsseite bzw. der Ausgangsseite, A&sub1; und A&sub2; sind der Eingangs-Umwandlungsfaktor bzw. der Ausgangs- Umwandlungsfaktor und m, c und rm sind die Äquivalentmasse, das Äquivalentschubmodul bzw. der mechanische Äquivalentwiderstand des betreffenden Längsschwingungsmodus. Die Eingangs- und Ausgangs-Umwandlungsfaktoren A&sub1;, A&sub2; des piezokeramischen Wandlers der vorliegenden Erfindung ändern sich mit der Breite und Dicke des Wandlers, dem Abstand zwischen den Elektrodenfingern und der Anzahl der Elektrodenfinger. Wie aus der Ersatzschaltung von Fig. 4 deutlich wird, ändert sich die Ausgangsspannung Vaus des piezokeramischen Wandlers allgemein in Übereinstimmung mit dem Widerstand einer verbundenen Last, und je größer der Lastwiderstandswert, desto größer ist der Wert von Vaus. Zusätzlich hängt der Wirkungsgrad der Energieübertragung vom Lastwiderstand ab, und bei anderen Lasten als einem zur Ausgangsimpedanz des piezokeramischen Wandlers passenden Wert ist der Übertragungswirkungsgrad nicht sehr hoch. Bei einem piezokeramischen Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung besteht nicht nur in bezug auf die Gesamtlänge (die Anzahl von Treibern und Generatoren), die Breite und die Dicke des Wandlers ein Maß an Freiheit, sondern auch in bezug auf die Anzahl von Elektrodenfingern oder den Abstand zwischen den Elektrodenfingern, und so ein Wandler ist daher durch einen weiten Bereich gekennzeichnet, über den die Last und die Ausgangsimpedanz des piezokeramischen Wandlers angepaßt werden kann.
Wie aus Fig. 2 und Fig. 4 deutlich wird, bildet der vorliegende piezokeramische Wandler außerdem eine Struktur mit vier Anschlüssen, bei der die äußeren Anschlüsse für Eingang und Ausgang elektrisch isoliert sind, und ermöglicht ein hohes Maß an Freiheit für periphere Schaltungen verglichen mit dem in Fig. 1 gezeigten piezoelektrischen Wandler vom Rosen-Typ mit drei Anschlüssen.

[Dritte Ausführungsform]

Fig. 5 zeigt eine Perspektivansicht der dritten Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers der vorliegenden Erfindung. Der gesamte piezokeramische Wandler mit Streifenstruktur ist in der Breitenrichtung allgemein in zwei Teile unterteilt: einen Treiber 11 und einen Generator 12. Wie mit dem Pfeil 117 in der Figur gezeigt, ist der Treiber 11 mit äußeren Elektroden 131 aufgebaut, die auf den oberen und unteren Hauptflächen einer in ihrer Dickenrichtung polarisierten Piezokeramik 10 angeordnet sind, mit äußeren Anschlüssen 151, 152, die vom Mittelteil in der Längsrichtung herausführen. Der Generator 12 ist aus einander gegenüberliegenden Kammelektroden 141 und 142 aufgebaut, die auf einer der Hauptflächen der Piezokeramik 10 angeordnet sind, die zwischen den Elektrodenfingern der Kammelektroden in durch Pfeile 18 angezeigten abwechselnden Richtungen polarisiert ist, mit äußeren Anschlüssen 161, 162, die von den Mittelteilen der Kammelektroden 141, 142 in der Längsrichtung herausgeführt sind.
Wird zwischen den äußeren Anschlüssen 151-152 des Treibers 11 mit dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau eine Wechselspannung angelegt, wird aufgrund des Modus des piezoelektrischen Quereffektes 31 durch den elektromechanischen Kopplungsfaktor k&sub3;&sub1; eine Längsschwingung in der Längsrichtung des gesamten piezokeramischen Wandlers erzeugt. Dementsprechend wird im Generator 12 aufgrund des Modus des piezoelektrischen Längseffektes 33 durch den elektromechanischen Kopplungsfaktor k&sub3;&sub3; zwischen den Kammelektroden 141-142 eine Spannung erzeugt, die über die Ausgangsanschlüsse 161-162 herausgeführt wird. Wenn die Frequenz der angelegten Spannung gleich der Resonanzfrequenz der Längsschwingung des piezokeramischen Wandlers ist, kann dabei eine ziemlich hohe Ausgangsspannung erhalten werden.
Ein Betrieb ist auch möglich, wenn die Kammelektroden 141, 142 nur auf einer Seite auf der Hauptfläche angeordnet sind, eine Anordnung mit Kammelektroden in zusammenpassenden Positionen sowohl auf der oberen als auch der unteren Hauptfläche liefert aber natürlich einen höheren Generatorwirkungsgrad.
Die näherungsweise Ersatzschaltung mit konzentrierten Parametern in der Nähe der Resonanzfrequenz dieses piezokeramischen Wandlers ist wie für die erste und die zweite Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers in Fig. 4 gezeigt.
Dementsprechend sind die Eigenschaften und Vorteile dieser Ausführungsform die gleichen wie für die erste und die zweite Ausführungsform.

[Vierte Ausführungsform]

Die vierte Ausführungsform, ein piezokeramischer Wandler mit einer Rechteckplattenstruktur, ist in Fig. 6 gezeigt. Dieser piezokeramische Wandler ist mit einer rechteckigen Piezokeramikplatte 10 versehen, wobei der gesamte piezokeramische Wandler in einen Treiber 11 und einen Generator 12 unterteilt ist. Der Treiber 11 ist mit einander gegenüberliegenden Kammelektroden 111, 112 angeordnet, die auf der Hauptfläche des Treibers 11 angeordnet sind. Jede Kammelektrode besteht aus zahlreichen Elektrodenfingern, die sich entlang der Breite des piezokeramischen Wandlers erstrecken, und einem Verbindungsglied, das diese Elektrodenfinger elektrisch miteinander verbindet. Jeder Elektrodenfinger einer Kammelektrode steht zwischen einem Paar Elektrodenfinger der anderen Kammelektrode vor, wobei die Elektrodenfinger einander in der Längsrichtung der Piezokeramikplatte 10 gegenüberliegen. Im Gegensatz zu einem Fall, in dem die gesamte Vorrichtung gleichförmig polarisiert ist, etwas einer Vorrichtung für Oberflächenwellen, sind die Teile der Platte zwischen einander gegenüberliegenden Elektrodenfingern in einer Längsrichtung abwechselnd polarisiert, wie mit den Pfeilen in der Figur gezeigt. Was das Verbindungsglied betrifft, sind äußere elektrische Anschlüsse 113, 114 von der Mitte der Länge des Treibers 11 herausgeführt.
Der mit dem Treiber 11 verbundene Generator 12 ist mit einander gegenüberliegenden Kammelektroden 121, 122 angeordnet und in der Längsrichtung zwischen jedem Paar Elektrodenfinger abwechselnd polarisiert, wie mit den Pfeilen in der Figur gezeigt. In der Mitte der Länge des Generators 12 sind äußere elektrische Anschlüsse 123, 124 herausgeführt.
Als nächstes wird der Betrieb der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wird zwischen den äußeren Anschlüssen 113-114 des Treibers 11 mit dem in Fig. 6 gezeigten Aufbau eine Wechselspannung angelegt, wird aufgrund des Modus des piezoelektrischen Längseffektes 33 durch den elektromechanischen Kopplungsfaktor k&sub3;&sub3; zwischen jedem Paar Elektrodenfinger eine Verformung in Längsrichtung erzeugt. Da die Polarisationsrichtung und die Richtung des angelegten elektrischen Feldes beide abwechseln, wiederholen dabei alle Teile der Platte zwischen den Elektrodenfingern des Treibers 11 das Ausdehnen und Zusammenziehen mit der gleichen Phase. Als Folge wird durch den piezokeramischen Wandler eine Längsschwingung in der Längsrichtung erzeugt. Diese Längsschwingung wird an den Generator 12 übertragen, und im Generator 12 wird ebenfalls aufgrund des Modus des piezoelektrischen Längseffektes 33 durch den elektromechanischen Kopplungsfaktor k&sub3;&sub3; zwischen jedem Paar Elektrodenfinger eine Spannung erzeugt. Wird dabei mit der gleichen Frequenz wie die Resonanzfrequenz der Längsschwingung in der Längsrichtung angesteuert, kann man eine hohe Spannung im Generator 12 erhalten, und wird ein Modus zweiter Ordnung (1-Wellenlänge-Modus) verwendet, treten an Punkten von 1/4 der Gesamtlänge des piezokeramischen Wandlers von beiden Stirnflächen aus Schwingungsknoten auf. In Übereinstimmung mit dem Aufbau der vorliegenden Erfindung kann man äußerst hohe Betriebssicherheit erzielen, da sämtliche äußeren Anschlüsse von diesen Knoten herausgeführt sind.
Man erkennt außerdem leicht, daß auf die gleiche Weise wie in der zweiten Ausführungsform erläutert m Treiber 11 und n Generatoren 12 einen piezokeramischen Wandler bilden können, der auf der Resonanzfrequenz der Längsschwingung (m + n)-ter Ordnung angesteuert wird.
Wie bei den piezoelektrischen Wandlern der Ausführungsformen eins bis drei ist die näherungsweise Ersatzschaltung mit konzentrierten Parametern in der Nähe der Resonanzfrequenz für diesen piezokeramischen Wandler in Fig. 4 gezeigt. Dementsprechend sind die Eigenschaften und Vorteile dieser Ausführungsform die gleichen wie für die früher beschriebenen Ausführungsformen.

[Fünfte Ausführungsform]

Die fünfte Ausführungsform des piezokeramischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Die Elektrode des Treibers 11 ist die gleiche wie für die vierte Ausführungsform, jedoch ist im Generator 12 anstelle einer Kammelektrode eine 1 mm breite Streifenelektrode 125 in der Mitte des Ausgangsteils angeordnet, wobei ein äußerer elektrischer Anschluß 126 herausführt und der andere elektrische Anschluß 127 mit einem äußeren elektrischen Anschluß 114 des Treibers 11 verbunden ist, und außerdem sind die Elektrodenfinger des Treibers 11 0,3 mm breit. Hinsichtlich der Polarisationsverarbeitung nach Verbindung der äußeren Anschlüsse wird an die Elektroden 111-112 im Treiber 11 eine Spannung angelegt, jedoch gibt es im Generator 12 zwischen der Elektrode 112 des Treibers 11 und der Elektrode 125 des Generators 12 Polarisation. Als Folge wird nur die Hälfte des Bereichs des Generators 12 als ein piezoelektrischer Körper aktiviert; diese Anordnung genügt aber für einen Aufbau mit niedriger Leistung und drei Anschlüssen.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der in jeder der oben erläuterten Ausführungsformen verwendeten Kammelektroden erläutert.
Wie in Fig. 8 gezeigt, wird der Fall betrachtet, daß auf der Oberfläche einer rechteckigen Piezokeramik 50, die nach dem Brennen noch inaktiv ist, einander gegenüberliegende Kammelektroden 51, 52 gebildet werden. Die Kammelektrode 51 wird gebildet aus Elektrodenfingern 53 und einer Verbindungselektrode 56, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet, und die Kammelektrode 52 wird gebildet aus Elektrodenfingern 55 und einer Verbindungselektrode 56, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet. Diese Kammelektroden können durch Drucken mit einer leitenden Paste und Brennen, durch ein Sputterverfahren, durch ein Vakuumaufdampfverfahren oder durch irgendein Verfahren, das die Piezokeramik nicht chemisch oder physikalisch beschädigt, gebildet werden.
Nach Bildung einer Kammelektrode wird ein Polarisationsprozeß durchgeführt, um das Material als einen piezoelektrischen Stoff zu aktivieren (Pfeile in der Figur zeigen die Polarisationsrichtung an). Um Polarisation in diesem Zeitpunkt möglich zu machen, wird die Elektrode in einen Zustand hoher Temperatur unterhalb des Curie-Punktes versetzt und wird eine äußerst hohe Gleichspannung Vpol zwischen den Kammelektroden 51-52 angelegt, wobei man für eine typische PZT-Keramik eine Feldstärke mit einem Pegel von 3-4 kV/mm benötigt. Da diese Feldstärke der Feldstärke nahekommt, bei der dielektrischer Durchschlag zwischen den Elektroden auftritt, muß der Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden zumindest ein bestimmter Betrag sein. Mit anderen Worten, der Abstand d22 zwischen einem Elektrodenfinger und einer Verbindungselektrode muß mindestens der Abstand d&sub2;&sub1; zwischen den Elektrodenfingern 53-55 sein. Als Folge besteht das Problem, daß der Abstand I&sub2;, entlang dem die Elektrodenfinger 53, 55 einander gegenüberliegen, kleiner wird, wodurch der längspolarisierte Bereich, der wirksam als piezoelektrischer Stoff benutzt werden kann, verkleinert wird. Außerdem sind Piezokeramiken, die polarisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich gegenüber dem nichtpolarisierten Zustand in der Richtung des elektrischen Feldes ausdehnen und in einer Richtung senkrecht zum elektrischen Feld zusammenziehen. In einem in Übereinstimmung mit diesem Verfahren hergestellten piezokeramischen Wandler mischt sich der Bereich der Ausdehnung in Richtung der Länge mit dem Bereich senkrecht zu dieser Ausdehnung in Richtung der Breite, was das Problem verursacht, daß in der Nähe der Grenzen dieser Bereiche mechanische Verformung und folglich eine Tendenz zu Durchschlag erzeugt wird.
In den oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsformen werden auf der Oberfläche einer rechteckigen Piezokeramik 210, die nach dem Brennen inaktiv ist, streifenförmige Elektroden 211 angeordnet, wie in Fig. 9 gezeigt. Die Länge dieser Elektroden wird auf die gleiche Länge oder größer als die Gesamtbreite der zu bildenden Kammelektrode eingestellt. Von den Streifenelektroden 211 werden elektrisch und abwechselnd verbundene Leitungen 212, 213 herausgeführt, und die Polarisationsspannung Vpol wird angelegt (Pfeile in der Figur zeigen die Polarisationsrichtung an). Nach Beendigung des Polarisationsprozesses werden die Leitungen 212, 213 und die Streifenelektroden 211 entfernt.
Wie in Fig. 9(b) gezeigt, werden nachfolgend bei einer Temperatur gleich dem oder kleiner als der Curie-Punkt einander gegenüberliegende Kammelektroden 214, 215 gebildet. Die Kammelektrode 214 besteht aus Elektrodenfingern 216 und einer Verbindungselektrode 217, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet, und die Kammelektrode 215 besteht aus Elektrodenfingern 18 und einer Verbindungselektrode 219, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet. Dabei werden die Elektrodenfinger 216, 218 der Kammelektroden 214, 215 auf die Positionen der ursprünglichen Streifenelektroden 211 ausgerichtet.
Wenn die Kammelektroden 214, 215 durch diesen Prozeß gebildet werden, wird zwischen den einander gegenüberliegenden Kammelektroden keine hohe Spannung zur Polarisation angelegt, und die Isolation muß nur die relativ niedrige Spannung aushalten, die während des Betriebs als piezokeramischer Wandler benutzt wird. Folglich kann der Abstand d&sub1;&sub2; zwischen den Elektrodenfingern und einer gegenüberliegenden Verbindungselektrode kleiner als der Abstand d&sub1;&sub1; zwischen einander gegenüberliegenden Elektrodenfingern sein, und in diesem Maße kann der Abstand I&sub1; zwischen den einander gegenüberliegenden Elektrodenfingern 216, 218 größer gemacht werden, wodurch ein größerer Teil der Piezokeramik in der Richtung der Längspfeile polarisiert werden kann und wirksam arbeiten kann.
Wie aus Fig. 9(a) und 9(b) deutlich wird, ist außerdem die gesamte Piezokeramik nur in der Längsrichtung des piezokeramischen Wandlers polarisiert, so daß es keine benachbarten Bereiche mit verschiedener Polarisationsrichtung gibt, weshalb das Auftreten von mechanischen Defekten unterdrückt werden kann.
Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung der in Fig. 6 gezeigten oben beschriebenen vierten Ausführungsform als Beispiel erläutert.
Als piezokeramisches Material wurde eine Piezokeramik PZT (PbZrO&sub3;-PbTiO3) verwendet.
Zuerst wird ein gebrannter Piezokeramikblock mittels eines Diamantschneiders geschnitten, und durch Schleifen mittels 3000er SiC-Schleifstaub wird eine piezoelektrische Keramikplatte 10 von 30 mm Länge, 8 mm Breite und 1,0 mm Dicke vorbereitet. Auf der piezoelektrischen Keramikplatte 10 werden durch ein Vakuumaufdampfverfahren unter Verwendung einer Metallmaske Aluminium-Streifenelektroden (in der Figur nicht gezeigt) gebildet. Von den Streifenelektroden werden abwechselnd elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt) herausgeführt, wobei zur Verbindung eine bei 150ºC ausgehärtete Silberpaste dient.
Als nächstes werden der Treiber und der Generator beide durch einen Polarisationsprozeß behandelt, bei dem eine Spannung von 4 kV/mm in isolierendem Öl bei 100ºC angelegt wird. Nach dem Polarisationsprozeß wird die AG-Paste durch ein organisches Lösemittel entfernt, und nach Entfernen der Aluminiumelektroden mit einer KOH-Ätzflüssigkeit werden durch ein Vakuumaufdampfverfahren unter Verwendung einer Metalimaske Kammelektroden mit der Zusammensetzung Au/Ti gebildet.
In Fig. 6 sind die Kammelektroden des Treibers 11 mit 111 und 112 bezeichnet und sind die Kammelektroden des Generators 12 mit 121 und 122 bezeichnet. Es wird keine Plattenheizung verwendet, um die Temperatur der Piezokeramik während des Vakuumaufdampfens unterhalb des Curie-Punktes zu halten, und außer dem werden die elektrischen Anschlüsse 113, 114, 123 und 124 durch Löten verbunden.
Bei dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren kann anstelle von Al ein beliebiges entfernbares leitendes Material für die Streifenelektroden verwendet werden, und als Bildungsverfahren kann ein beliebiges Verfahren verwendet werden, das die Piezokeramik nicht beschädigt, einschließlich einem Sputterverfahren, Brennverfahren oder Plattierverfahren. Weiterhin kann anstelle von Ätzflüssigkeit reaktives Ionenätzen (RIE) oder physikalisches Schleifen verwendet werden. Die Bildung der Kammelektroden im Anschluß an die Polarisation kann ebenfalls durch andere als die oben beschriebenen Verfahren durchgeführt werden, wobei die Bildung aber bei einer Temperatur unterhalb des Curie-Punktes stattfinden muß, damit die Polarisation der Piezokeramik nicht beeinträchtigt wird.
Aus einem auf diese Weise hergestellten piezokeramischen Wandler kann man eine Ausgangsleistung von 1,5 W erhalten, was eine große Verbesserung gegenüber der maximalen Ausgangsleistung von 1,1 W des piezokeramischen Wandlers mit den gleichen äußeren Abmessungen ist, bei dem der früher beschriebene Polarisationsprozeß nach Bildung der Kammelektroden durchgeführt wird.
Außerdem erlitt von 100 piezokeramischen Wandlern, die in Übereinstimmung mit diesem Verfahren hergestellt wurden, nicht eine Probe während der Polarisation oder während eines der folgenden Herstellungsprozesse einen Defekt.
Zwar wurden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung wie in den nachfolgenden Patentansprüchen angegeben können aber natürlich verschiedene Änderungen und Modifizierungen daran vorgenommen werden.

Claims

1. Piezokeramischer Wandler mit folgenden Merkmalen:

einer piezoelektrischen Keramikplatte (17), die ein piezoelektrisches Schwingmaterial in Form einer rechteckigen Platte ist, die mindestens einen Treiber (11) und mindestens einen Generator (12) enthält, wobei alle Treiber (11) und Generatoren (12) in beliebiger Reihenfolge in einer Linie entlang der Längsrichtung angeordnet sind;

Eingangsanschlüssen (151, 152) zum Anlegen einer gemeinsamen Spannung an alle Treiber (11);

Ausgangsanschlüssen (161, 162) zum Aufnehmen einer gemeinsamen Spannung von allen Generatoren (12);

jeder Treiber enthält ein Paar einander gegenüberliegende äußere Elektroden (131, 132), auf jeder Seite der piezoelektrischen Keramikplatte (17) in der Dickenrichtung eine, wobei die piezoelektrische Keramikplatte (17) des Treibers (11) in der Dickenrichtung polarisiert ist und jeder Generator (12) einen Kammelektrodenaufbau (141, 142) enthält, der auf mindestens einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikplatte (17) in der Dickenrichtung vorgesehen ist; ein Teil des Kammelektrodenaufbaus (141, 142) besteht aus einer Vielzahl von Elektrodenfingern (141a, 142a), die in Abständen und parallel zur Breitenrichtung der piezoelektrischen Keramikplatte (17) angeordnet sind, und einer Verbindungselektrode, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet; dieser Teil und ein weiterer, ähnlich aufgebauter Teil sind so angeordnet, daß Elektrodenfinger (141a, 142a) der beiden Teile abwechselnd vorstehen, um einander über die Breite der piezoelektrischen Keramikplatte (17) gegenüberzuliegen; die piezoelektrische Keramikplatte (17) des Generators (12) ist zwischen jedem einander benachbarten Paar Elektrodenfinger (141a, 142a) in abwechselnden Längsrichtungen polarisiert; die Eingangsanschlüsse (151, 152) sind mit dem Paar äußere Elektroden (131, 132) jedes Treibers (11) verbunden und die Ausgangsanschlüsse (161, 162) sind mit dem Kammelektrodenaufbau (141, 142) jedes Generators (12) verbunden, wobei alle Eingangs- und Ausgangsanschlüsse (151, 152; 161, 162) an Stellen verbunden sind, an denen Schwingungsknoten liegen, wenn die piezoelektrische Keramikplatte (17) mit einer Längsschwingungs-Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Keramikplatte (17) angesteuert wird.

2. Piezokeramischer Wandler mit folgenden Merkmalen:

einer piezoelektrischen Keramikplatte (10), die ein piezoelektrisches Schwingmaterial in Form einer rechteckigen Platte ist, in deren Breitenrichtung ein Treiber (11) ein Generator (12) angeordnet sind;

Eingangsanschlüssen (151, 152) zum Anlegen einer Spannung an den Treiber (11);

Ausgangsanschlüssen (161, 162) zum Aufnehmen einer Spannung vom Generator (12);

der Treiber (11) enthält ein Paar einander gegenüberliegende äußere Elektroden (131, 132), auf jeder Seite der piezoelektrischen Keramikplatte (10) in der Dickenrichtung eine, und die piezoelektrische Keramikplatte (10) des Treibers ist in der Dickenrichtung polarisiert; der Generator (12) enthält einen Kammelektrodenaufbau (141, 142), der auf mindestens einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikplatte (10) in der Dickenrichtung vorgesehen ist; ein Teil des Kammelektrodenaufbaus (141, 142) besteht aus einer Vielzahl von Elektrodenfingern, die in Abständen und parallel zur Breitenrichtung der piezoelektrischen Keramikplatte (10) angeordnet sind, und einer Verbindungselektrode, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet; dieser Teil und ein weiterer, ähnlich aufgebauter Teil sind so angeordnet, daß Elektrodenfinger der beiden Teile abwechselnd vorstehen, um einander über die Breite der piezoelektrischen Keramikplatte (10) gegenüberzuliegen; die piezoelektrische Keramikplatte (10) des Generators (12) ist zwischen jedem einander benachbarten Paar Elektrodenfinger in abwechselnden Längsrichtungen polarisiert; die Eingangsanschlüsse (151, 152) und die Ausgangsanschlüsse (161, 162) sind in der Mitte des Treibers (11) bzw. Generators (12) in der Längenrichtung der piezoelektrischen Keramikplatte (10) mit dem äußeren Elektrodenpaar (131, 132) bzw. dem Kammelektrodenaufbau (141, 142) verbunden.

3. Piezokeramischer Wandler mit folgenden Merkmalen:

einer piezoelektrischen Keramikplatte (10), die ein piezoelektrisches Schwing material in Form einer rechteckigen Platte ist, die mindestens einen Treiber (11) und mindestens einen Generator (12) enthält, wobei alle Treiber (11) und Generatoren (12) in beliebiger Reihenfolge in einer Linie entlang der Längsrichtung angeordnet sind;

Eingangsanschlüssen (113, 114) zum Anlegen einer gemeinsamen Spannung an alle Treiber (11);

Ausgangsanschlüssen (123, 124) zum Aufnehmen einer gemeinsamen Spannung von allen Generatoren (12);

jeder Treiber (11) und jeder Generator (12) enthält einen Kammelektrodenaufbau (111, 112; 121, 122), der auf wenigstens einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikplatte (10) vorgesehen ist; ein Teil jedes Kammelektrodenaufbaus (111, 112; 121, 122) besteht aus einer Vielzahl von Elektrodenfingern, die in Abständen und parallel zur Breitenrichtung der piezoelektrischen Keramikplatte (10) angeordnet sind, und einer Verbindungselektrode, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet; dieser Teil und ein weiterer, ähnlich aufgebauter Teil sind so angeordnet, daß Elektrodenfinger der beiden Teile abwechselnd vorstehen, um einander über die Breite der piezoelektrischen Keramikplatte (10) gegenüberzuliegen; die piezoelektrische Keramikplatte (10) jedes Treibers (11) und jedes Generators (12) ist zwischen jedem einander benachbarten Paar Elektrodenfinger in abwechselnden Längsrichtungen polarisiert; die Eingangsanschlüsse (113, 114) und die Ausgangsanschlüsse (123, 124) sind in der Mitte jedes Treibers (11) bzw. jedes Generators (12) in der Längenrichtung der piezoelektrischen Keramikplatte (10) mit dem entsprechenden Kammelektrodenaufbau (11 l, 112; 121, 122) verbunden.

4. Piezokeramischer Wandler mit folgenden Merkmalen:

einer piezoelektrischen Keramikplatte, die ein piezoelektrisches Schwingmaterial in Form einer rechteckigen Platte ist, in deren Längenrichtung ein Treiber (11) ein Generator (12) angeordnet sind;

Eingangsanschlüssen (113, 114) zum Anlegen einer Spannung an den Treiber (11);

Ausgangsanschlüssen (126, 127) zum Aufnehmen einer Spannung vom Generator (12);

der Treiber (11) enthält einen Kammelektrodenaufbau (111, 112), der auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Keramikplatte vorgesehen ist; ein Teil des Kammelektrodenaufbaus (111, 112) besteht aus einer Vielzahl von Elektrodenfingern, die in Abständen und parallel zur Breitenrichtung der piezoelektrischen Keramikplatte angeordnet sind, und einer Verbindungselektrode, die die Elektrodenfinger miteinander verbindet; dieser Teil und ein weiterer, ähnlich aufgebauter Teil sind so angeordnet, daß Elektrodenfinger der beiden Teile abwechselnd vorstehen, um einander über die Breite der piezoelektrischen Keramikplatte gegenüberzuliegen; die piezoelektrische Keramikplatte des Treibers (11) ist zwischen jedem einander benachbarten Paar Elektrodenfinger in abwechselnden Längsrichtungen polarisiert; der Generator (12) besteht aus einer Streifenelektrode (125), die in einer Position 1/4 der Länge der gesamten piezoelektrischen Keramikplatte von einer der Treiberseite in der Längsrichtung gegenüberliegenden Stirnseite der piezoelektrischen Keramikplatte her angeordnet ist, wobei die piezoelektrische Keramikplatte des Generators (12) zwischen dem Treiber (11) und der Streifenelektrode (125) in der Längsrichtung polarisiert ist; die Eingangsanschlüsse (113, 114) sind in der Mitte der piezoelektrischen Keramikplatte des Treibers (11) in der Längenrichtung mit dem Kammelektrodenaufbau (111, 112) verbunden und einer der Ausgangsanschlüsse (127) ist mit einem der Enden der Streifenelektrode (125) und mit einem der Eingangsanschlüsse (114) verbunden und der andere Ausgangsanschluß (126) ist vom anderen Ende der Streifenelektrode (125) her nach außen geführt.