Hintergrund der Erfindung
Erfindungsgebiet
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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen
Transformator für eine kleine Hochspannungs-Stromversorgung mit hoher
Zuverlässigkeit und insbesondere einen piezoelektrischen
Transformator als Inverter für das rückseitige Licht einer
Flüssigkristallanzeige.
Beschreibung des Standes der Technik
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In den meisten Fällen wurden hochspannungserzeugende
Transformatoren für ein rückseitiges Licht von
Flüssigkristallanzeigen aus elektromagnetischen Spulentransformatoren
gebildet.
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Einerseits wurde ein piezoelektrischer Transformator mit
einem Betriebsprinzip, das sich vollständig von jedem
elektromagnetischen Spulentransformator unterscheidet,
vorgeschlagen. In der US-Patentschrift US-A-5,365,141 und ihrer
entsprechenden offengelegten europäischen Patentanmeldung
EP 0 555 887 A1 wurde ein piezoelektrischer Transformator
vorgeschlagen, der möglicherweise als ein Inverter für ein
rückseitiges Licht einer Flüssigkristallanzeige verwendet
wird und der dem ersten Teil des Anspruchs 1 entspricht.
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In Fig. 1 ist eine diagrammatische perspektive Ansicht
eines in der genannten US-Patentschrift und der europäischen
Patentanmeldung vorgeschlagenen piezoelektrischen
Transformators gezeigt.
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In Fig. 1 ist der piezoelektrische Transformator aus einer
piezoelektrischen Platte gebildet, die in ein Paar
Treiberabschnitte (oder Eingabeabschnitte) 5A und 5B und einen
Generatorabschnitt (oder Ausgabeabschnitt) 6 zwischen den
Treiberabschnitten 5A und 5B unterteilt ist. Der
piezoelektrische Transformator enthält ein Paar Elektroden 2A und 3A
und 2B und 3B, die auf einer oberen Oberfläche und einer
unteren Oberfläche jedes Treiberabschnitts 5A bzw. 5B
gebildet sind. Ein Anschluß- und Stützelement 7 ist
elektrisch an einer Ausgabeelektrode angelötet, die in dem
Generatorabschnitt 6 an einer Mittelposition in Längsrichtung
gebildet ist. Der piezoelektrische Transformator enthält
auch untere und obere Elektrodenanschlüsse 9 und 10, die an
den Elektroden 2A, 3A und 2B, 3B für jeden der
Treiberabschnitte 5A bzw. 5B gebildet sind und die an einer
Mittelposition in einer Längsrichtung der Treiberabschnitte 5A
und 5B ausgebildet sind. In dieser Figur bezeichnen in
einer Längsvorderseitenoberfläche der piezoelektrischen
Platte 1 angeordnete Pfeile eine Polarisationsrichtung. Wie
es durch die Pfeile angezeigt ist, werden die zwei
Generatorabschnitte 5A und 5B in einer Dickenrichtung - aber in
zueinander entgegengesetzten Richtungen - polarisiert. Der
Generatorabschnitt 6 war durch eine mittlere Querebene der
Länge nach in zwei Teile geteilt, und die zwei Teile wurden
in einer Längsrichtung, aber in zueinander
entgegengesetzter Richtung - polarisiert.
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Mit dieser Anordnung wurden elektrische
Eingangswechselspannungen Vin mit einer Resonanzfrequenz im Modus der
dritten Ordnung einer longitudinalen mechanischen Vibration
in Längsrichtung der piezoelektrischen Platte 1 mit jeweils
zueinander entgegengesetzten Phasen zwischen das
Elektrodenpaar 2A und 3A des Treiberabschnitts 5A und zwischen das
Elektrodenpaar 2B und 3B des Treiberabschnitts 5B angelegt.
Im Ergebnis verursacht die piezoelektrische Platte 1 eine
mechanische Resonanz, so daß eine Ausgangsspannung Vout von
dem Generatorabschnitt 6 erhalten wurde, nämlich parallel
zueinander zwischen der Ausgangselektrode 7 des
Generatorabschnitts 6 und der Eingangselektrode 3A des
Treiberabschnitts 5A bzw. zwischen der Ausgangselektrode 7 und der
Eingangselektrode 3B des Treiberabschnitts 5B.
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Die zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnitts
5A angelegte Eingangswechselspannung hat nämlich eine
entgegengesetzt Phase zu jener, die zwischen den Elektroden 2B
und 3B des Treiberabschnitts 5B anliegt. Andererseits sind
die Ausgangsspannung Vout zwischen der Ausgangselektrode 7
und der Eingangselektrode 3a des Treiberabschnitts 5A und
die Ausgangsspannung Vout zwischen der Ausgangselektrode 7
und der Eingangselektrode 3B des Treiberabschnitts 5B
parallel zueinander geschaltet.
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Somit war es möglich, einen Inverter zu schaffen, der aus
einem piezoelektrischen Transformator mit geringer Größe
und geringer Dicke gebildet war, was mit dem bekannten
elektromagnetischen Spulentransformator nicht möglich war.
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Jedoch hatte der oben genannte piezoelektrische
Transformator die folgenden Nachteile.
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Da beispielsweise eine große Lichtmenge für das rückseitige
Licht einer Flüssigkristallfarbanzeige benötigt wird, wurde
für gewöhnlich eine kalte fluoreszierende Kathodenlampe (im
folgenden als "CFL", cold cathode fluorescent lamp,
bezeichnet) als Lichtquelle verwendet. Da diese CFL eine hohe
Impedanz - in der Größenordnung von 100 KΩ - hat, wurde
eine Streukapazität Cst zwischen der CFL und einer
metalli
schen Spiegelplatte geschaffen, die in der Nähe der CFL
vorgesehen war, um die CFL abzudecken. Diese Streukapazität
Cst ist parallel zu der CFL als parasitäre Kapazität und
kann für eine CFL in der Größenordnung von 10 pF geschätzt
werden. Hierbei sei angenommen, daß die Resonanzfrequenz im
Modus dritter Ordnung des piezoelektrischen Transformators
in der Größenordnung von 100 kHz ist, wobei die
synthetisierte Impedanz der Streukapazität Cst und der CFL in die
Größenordnung von 61 KΩ abfallen.
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Andererseits ändern sich die Ausgangscharakteristika des
piezoelektrischen Transformators in Abhängigkeit von der
mit dem piezoelektrischen Transformator verbundenen
Lastimpedanz. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der
Ausgangscharakteristika des in der oben genannten US-Patentschrift und
der europäischen Patentanmeldung offenbarten
piezoelektrischen Transformators. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, kann,
wenn der piezoelektrische Transformator mit einer Last mit
einer hohen Impedanz - in der Größenordnung von 1 MΩ -
verbunden ist, ein hohes Übersetzungs-Verhältnis und deshalb
eine hohe Ausgangsleistung erhalten werden, und
andererseits, wenn die Impedanz der mit dem piezoelektrischen
Transformator verbundenen Last nicht größer als 100 KΩ ist,
fällt die Ausgabe stark ab, und das Übersetzungs-Verhältnis
wird nicht größer als 10.
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In dieser Situation ist, da die Eingangsspannung des
rückseitigen Lichtinverters in der Größenordnung von 12 Volt
Gleichspannung ist, das Übersetzungs-Verhältnis in der
Größenordnung von 10 vollkommen unzureichend, um die
Ausgangsspannung in der Größenordnung von 350 Volt zu
erhalten, die zum Leuchten der CFL benötigt wird. Um dieses
Problem zu lösen, könnte beispielsweise:
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(1) in Betracht gezogen werden, die Eingangsspannung des
piezoelektrischen Transformators zu erhöhen; oder
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(2) in Betracht gezogen werden, den piezoelektrischen
Transformator neu zu gestalten, indem beispielsweise ein
geschichtetes System erwogen wird.
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Um die Gegenmaßnahme (1) zu verwirklichen, ist es nötig,
die Leistung einer Spannungszufuhr eines oberen Systems des
Rücklichtinverters, beispielsweise eines
Personal-Computers, anzuheben oder die Zahl der vor dem
piezoelektrischen Transformator vorgesehenen Übersetzungs-Schaltungen
zu erhöhen. Der erste Ansatz ist jedoch entgegengesetzt der
neuen Tendenz zu niedrigen Spannungen auf dem Gebiet der
LSI (large scaled integrated circuit, hochintegrierte
Schaltungen). Der letztere Ansatz führt zu einer Erhöhung
der Zahl der Teile und der Kosten. Zusätzlich läuft der
letztere Ansatz entgegen der Tendenz zur Verringerung der
Größe und der Dicke des Inverters und somit der
Anzeigevorrichtung, die aus der Forderung zur Verkleinerung des
gesamten Systems resultiert. Somit würde die erste
Gegenmaßnahme (1) die industrielle Brauchbarkeit verlieren und
ist nicht akzeptabel.
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Die zweite Gegenmaßnahme (2) kann verwirklicht werden,
indem die benötigte Anzahl von keramischen Schichten mit
einer Filmdicke in der Größenordnung von wenigen 10 um
geschichten werden, indem ein "Green-Sheet-Verfahren"
verwendet wird, so daß es möglich ist, die elektrische
Eingangsfeldstärke zu erhöhen, wodurch der Nachteil des
Übersetzungs-Verhältnisses überwunden und somit eine hohe
Ausgangsspannung erhalten werden kann. Jedoch gibt es kein
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Transformators vom geschichteten Typ in Übereinstimmung mit dem
Green-Sheet-Verfahren. Zusätzlich würde die zweite
Gegenmaßnahme (2) zu einer Erhöhung der Kosten führen.
Dementsprechend würde die zweite Gegenmaßnahme (2) nicht
praktikabel sein. Alternativ dazu würde, wenn der
piezoelektrische Transformator größer gebildet wird, anstatt das
ge
schichtete System zu verwirklichen, die industrielle
Anwendbarkeit auch verloren gehen, ähnlich der ersten
Gegenmaßnahme (1).
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, einen
piezoelektrischen Transformator zu schaffen, der das oben
genannte Problem des bekannten überwindet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
piezoelektrischen Transformator zu schaffen, der ein hohes
"Übersetzungs"-Verhältnis hat.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen
piezoelektrischen Transformator mit einem hohen
Transformationsverhältnis und einer hohen Transmissionseffizienz zu
schaffen.
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Um das oben genannte Problem des bekannten
piezoelektrischen Transformators zu überwinden, schafft die Erfindung
einen neuen piezoelektrischen Transformator nach Anspruch
1. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf verschiedene
vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
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Der piezoelektrische Transformator entsprechend der
Erfindung liefert die folgenden Mittel, die unter Bezug auf Fig.
2 erläutert werden, welche den Zusammenhang der
Ausgabecharakteristika des piezoelektrischen Transformators mit der
Impedanz der verbundenen Last zeigt.
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Die Last, die den abrupten Anstieg der
Ausgabecharakteristika verursacht, wird eine passende Last (matching
load) genannt, bei der die Ausgabeimpedanz des
piezoelektrischen Transformators mit der Lastimpedanz zusammenpaßt.
Um nämlich die Ausgabecharakteristika des piezoelektrischen
Transformators zu verbessern, ist es hinreichend, die
folgende Beziehung zu erfüllen:
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Ausgabeimpedanz < Impedanz der verbundenen Last
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Um diese Anforderung zu erfüllen, schlägt die Erfindung
vor, die Ausgabelastimpedanz des piezoelektrischen
Transformators zu verringern, um so keinen nachteilhaften
Einfluß auf die verbundene Last zu verursachen.
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Hier kann die Ausgangsimpedanz Z2,out des piezoelektrischen
Transformators wie folgt ausgedrückt werden:
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Z2,out = 1/(Cd2 · ω)
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= 1/{1-k&sub3;&sub3;²) · εo · εr · (w · t/l&sub2;) · 2 · π · f} (1)
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dabei ist Cd2 = eingegrenzte Kapazität der
Sekundärseite des piezoelektrischen
Transformators,
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k&sub3;&sub3; = elektromechanischer
Kopplungskoeffizient in einer 33-Polarisationsrichtung
des piezoelektrischen Materials,
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εo = Vakuumpermeabilität,
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εr = relative Permeabilität des
piezoelektrischen Materials,
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W = Breite des piezoelektrischen
Transformators,
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t = Dicke des piezoelektrischen
Transformators,
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l&sub2; = Zwischenelektrodenabstand auf der
Sekundärseite des piezoelektrischen
Transformators,
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f = Treiberfrequenz,
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ω = Treiberkreisfrequenz,
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Somit kann aus der obigen Gleichung (1) gesagt werden, daß
das Vergrößern der Breite "W" des piezoelektrischen
Transformators es ermöglicht, die Ausgabeimpedanz zu verringern,
um so die Ausgabecharakteristika zu verbessern.
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Hier kann in Betracht gezogen werden, daß die
Ausgabecharakteristika verbessert werden können, indem t oder f
vergrößert werden. Wenn t jedoch vergrößert wird, fällt die
elektrische Eingangsfeldstärke, oder wenn ein f vergrößert
wird, wird verursacht, daß die Impedanz der verbundenen
Last, wie etwa dem rückseitigen Licht, aufgrund der
Existenz von Cst abfällt. Aus der Gesamtbetrachtung kann
gesagt werden, daß die Vergrößerung von t oder f nicht zu
einer Verbesserung der Ausgabecharakteristika führt. Da
außerdem die Verringerung von l&sub2; äquivalent der
Vergrößerung von f ist, wird diese Diskussion hier weggelassen.
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Aus einem anderen Blickwinkel wird mit der Vergrößerung der
Breite W zusätzlich zu der Längsvibration in der
Längsrichtung leicht eine Vibration in Breitenrichtung anregbar.
Anders gesagt, wenn die Breite W vergrößert wird, wird die
Längsvibration oder mechanische Oszillation in der
Längsrichtung entsprechend abgeschwächt und deshalb fallen die
Ausgabecharakteristika des piezoelektrischen Transformators
ebenfalls ab. Dementsprechend war es bekannte Praxis, das
Verhältnis von "λ/2" und W in einer Relation zu halten, so
daß gilt "λ/2" : W > 1 : 0,5 (wobei "λ" die
Resonanzwellenlänge ist).
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Entsprechend der beanspruchten Erfindung kann der oben
genannte Vorteil, der aus der Verringerung der
Ausgabeimpedanz erhalten wird, auch dann erhalten werden, wenn 1.
0,5 das Verhältnis von "λ/2" übersteigt, wobei die
Ausgabecharakteristika des piezoelektrischen Transformators
verbessert werden können. Jedoch, wenn 1 : 0,5 in zu großem
Ausmaß das Verhältnis von "λ/2" und W übersteigt, fällt die
Ausgabe aufgrund der höheren Schwingungen. Deshalb wird
angenommen, daß ein optimaler Bereich für die Breite "W" des
piezoelektrischen Transformators existiert.
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Ein bevorzugter Transformator nach Anspruch 2 ist unter
anderem gekennzeichnet durch:
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den zumindest einen Generatorabschnitt, der aus einem
mittleren Abschnitt der piezoelektrischen Platte gebildet
ist, der einen mechanischen Resonanzknoten der oben
genannten drei oder höheren ungeraden Zahl des
Oberschwingungsmodus enthält,
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die Treiberabschnitte, die in einer Dickenrichtung
polarisiert werden,
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die Treiberabschnitte, die einen Abstand von λ/2 von
den entsprechenden Enden der piezoelektrischen Platte
haben, und
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das Verhältnis "R" von der Breite "W" der
piezoelektrischen Platte zur Resonanzhalbwellenlänge "λ/2", das im
Bereich von 0,5 ≤ R ≤ 0,8 ist.
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Die oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine diagrammartige perspektivische Ansicht
des bekannten piezoelektrischen Transformators;
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Fig. 2 ist eine Kurve, die ein Beispiel der
Ausgabecharakteristika des bekannten in Fig. 1 gezeigten
piezoelektrischen Transformators zeigt;
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Fig. 3 ist eine diagrammartige perspektivische Ansicht
der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Transformators mit dem
dreifachen λ/2-Modus;
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Fig. 4 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der
Breite und der Konversionseffizienz des in Fig. 3
gezeigten piezoelektrischen Transformators zeigt;
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Fig. 5 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der
Breite und dem Übersetzungs-Verhältnis des in
Fig. 3 gezeigten piezoelektrischen Transformators
zeigt;
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Fig. 6A ist eine diagrammatische perspektivische Ansicht
einer zweiten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators;
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Fig. 6B und 6C sind Querschnitte an den Positionen B bzw.
A des in Fig. 6A gezeigten Transformators.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Erfindung wird nun detailliert in der folgenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dargelegt.
Zunächst werden gemeinsame Punkte der folgenden
Ausführungsformen zusammen erläutert.
(1) Materialplatte des piezoelektrischen Transformators
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Als ein keramisches piezoelektrisches Material mit einem
großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k&sub3;&sub3; (in
einer Polarisationsrichtung) und einem großen mechanischen
Gütekoeffizienten Qm wurde ein gesintertes Material mit der
Handelsmarke NEPEC 8 von Torkin (japanisches Unternehmen)
verwendet. Das gesinterte Material wurde in eine gewünschte
Form einer länglichen Platte geschnitten.
(2) Bildung der Elektroden
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Die Elektroden wurden gebildet, indem mittels einer
Silberpaste mit einem bekannten Dickfilm-Siebdruckprozeß ein
Muster aufgebracht und dann die aufgebrachten Elektroden bei
einer Temperatur von 600ºC gesintert wurden.
(3) Polarisationsverarbeitung
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In einem isolierenden, auf eine Temperatur von 150ºC
aufgeheizt Öl wurde ein konstantes elektrisches Feld von 1,5
KV/mm angelegt und über 15 Minuten aufrechterhalten.
(4) Anbringen der Stützen
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Ein metallisches Material, wie etwa eine polierte
Kupferplatte, wurde elektrisch an einer Stelle der
piezoelektrischen Transformatormaterialplatte angelötet, wobei die
Position einem Schwingungsknoten entspricht und auf der
Hälfte der Breite des piezoelektrischen Transformators
angeordnet ist.
(5) Einrichtung der Anschlüsse
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Dünn plattierter Kupferdraht wurde durch Punkt-Löten an
einer Stelle des piezoelektrischen Transformators befestigt
und fixiert, wobei die Stelle einem Schwingungsknoten
entspricht und auf der Hälfte der Breite des piezoelektrischen
Transformators angeordnet ist.
Ausführungsform 1
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In Fig. 3 ist eine diagrammatische perspektivische Ansicht
der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Transformators mit dem dreifachen λ/2-Modus
gezeigt. In Fig. 3 haben Elemente, die jenen in Fig. 1
gezeigten entsprechen, die gleichen Bezugszeichen.
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Ein in Fig. 3 gezeigter piezoelektrischer Transformator mit
dem dreifachen λ/2-Modus wurde erstellt. In Fig. 3 ist der
piezoelektrische Transformator aus einer piezoelektrischen
Platte 1 gebildet, die in ein Paar Treiberabschnitte (oder
Eingangsabschnitte) 5A und 5B und einen Generatorabschnitt
(oder Ausgabeabschnitt) 6 zwischen den Treiberabschnitten
5A und 5B unterteilt ist. Der piezoelektrische
Transformator umfaßt ein Paar Elektroden 2A und 3A bzw. 2B und 3B,
die jeweils auf einer oberen Oberfläche und einer unteren
Oberfläche der Treiberabschnitte 5A bzw. 5B gebildet sind.
Ein Anschluß- und Stütze 7 ist elektrisch auf einer
Ausgangselektrode angelötet, die auf dem Generatorabschnitt 6
in einer Mittelposition in der Längsrichtung gebildet ist.
Der piezoelektrische Transformator enthält auch obere und
untere Elektrodenanschlüsse 9 und 10, die auf den
Elektroden 2A und 3A bzw. 2B und 3B jeder der Treiberabschnitte 5A
bzw. 5B gebildet und an einer Position angeordnet sind, die
in einer Mitte in der Breitenrichtung der piezoelektrischen
Platte liegt und einen Abstand von λ/6 von jedem Ende der
piezoelektrischen Platte einhält (wobei λ die Wellenlänge
der Resonanzfrequenz ist). Deshalb sind die
Ausgangselektrode 7 und die unteren und oberen Elektrodenanschlüsse 9
und 10 an jeweiligen Knoten der in der piezoelektrischen
Platte 1 erzeugten mechanischen Schwingung angeordnet. In
dieser Figur zeigen an der Längsvorderseitenoberfläche der
piezoelektrischen Platte 1 dargestellte Pfeile eine
Polarisationsrichtung. Wie durch die Pfeile gezeigt wird, werden
die zweite Generatorabschnitte 5A und 5B in Dickenrichtung
und in der gleichen Richtung zueinander polarisiert. Der
Generatorabschnitt 6 ist der Länge nach durch eine mittlere
Querebene in zwei Teile unterteilt, und die zwei Teile
werden in Längsrichtung, aber in zueinander entgegengesetzten
Richtungen polarisiert.
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Bei dieser Anordnung wird eine Eingangsspannung Vin
zwischen dem Elektrodenpaar 2A und 3A des Treiberabschnitts 5A
und zwischen dem Elektrodenpaar 2B und 3B des
Treiberabschnitts 5B angelegt, und eine Ausgangsspannung Vout wird
zwischen der Ausgangselektrode 7 und der Eingangselektrode
3A des Treiberabschnitts 5A und zwischen der
Ausgangselek
trode 7 und der Eingangselektrode 3B des Treiberabschnitts
5B erhalten.
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Alle Treiberabschnitte 5A und 5B sind an entgegengesetzten
Endabschnitten der piezoelektrischen Platte 1 gebildet, und
der Generatorabschnitt 6, der in Fig. 1 gezeigt ist, hat
eine Länge von λ/2, und die piezoelektrische Platte hat
eine Gesamtlänge von 42 mm und eine Dicke von 1 mm.
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Die Breite "W" der piezoelektrischen Platte 1 wurde wie
folgt bestimmt.
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Zunächst sei angenommen, daß das rückseitige Licht einer
Farbflüssigkristallanzeige (23,9 cm (9,4 Zoll); eine Lampe)
als eine Last mit dem piezoelektrischen Transformator
verbunden ist. Das rückseitige Licht enthält eine CFL, eine
die CFL bedeckende Reflexionsplatte und eine lichtleitende
Platte. Außerdem hat, wenn die CFL mit einer Helligkeit von
2000 Cd/m² auf der lichtleitenden Platte leuchtet, das
rückseitige Licht eine elektrische Impedanz von etwa 100
KΩ.
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Die Charakteristika des piezoelektrischen Transformators
unter dieser Bedingung sind als Kurve in Fig. 4 gezeigt,
wobei die Abszissenachse die Breite des piezoelektrischen
Transformators und die Ordinatenachse die Effizienz des
piezoelektrischen Transformators zeigt. Hier ist die
Effizienz des piezoelektrischen Transformators ein Verhältnis
einer Ausgangsleistung zu einer Eingangsleistung, und das
Breitenverhältnis R ist "W"/(λ/2).
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Aus Fig. 4 kann gesehen werden, daß, wenn das Verhältnis R
in dem Bereich von 0,5 bis 0,7 ist, die Effizienz des
piezoelektrischen Transformators maximial 93% bis 95% beträgt.
Als Grund hierfür wird angenommen, daß, wenn die Breite "W"
groß gewählt wird, die Ausgangsimpedanz des
piezoelektri
schen Transformators abfällt, so daß die Impedanzabstimmung
der rückseitigen Lichtlast verbessert wird.
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In Fig. 5 ist eine Kurve gezeigt, die eine Beziehung
zwischen dem Übersetzungs-Verhältnis und der Breite des
piezoelektrischen Transformators zeigt. Das
Übersetzungs-Verhältnis steigt abrupt im Bereich von 8 mm ≤ "W" ≤ 10 mm an. Als
Grund hierfür wird angenommen, daß in diesem Bereich von 8
mm ≤ "W" ≤ 10 mm die Eingangsimpedanz des piezoelektrischen
Transformators kleiner als die Lastimpedanz ist.
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Somit kann aus den Fig. 4 und 5 gesehen werden, daß, wenn
die Breite "W" des piezoelektrischen Transformators 10 mm
übersteigt, sowohl die Effizienz als auch das Übersetzungs-
Verhältnis abfallen. Als Grund hierfür wird angenommen, daß
zusätzlich zu der longitudinalen mechanischen Vibration in
der Längsrichtung der piezoelektrischen Platte 1, die
longitudinale mechanische Vibration in einer Breitenrichtung
der piezoelektrischen Platte 1 auftritt, was eine höhere
mechanische Vibration darstellt, und deshalb sinken die
Transformatorcharakteristika. Dementsprechend kann gesagt
werden, daß das Breitenverhältnis R einen optimalen Wert
enthält. Aus einem praktischen Gesichtspunkt ist die
Verwendung von 0,5 ≤ R ≤ 0,8 optimal. In diesem Beispiel wurde
"W" = 10 mm gewählt:
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Der oben genannte Sachverhalt wird auf die Kopplung des
Vibrationsmodus, beruhend auf der Oszillatorform,
zurückgeführt und deshalb kann dies allgemein auf alle
piezoelektrischen Transformatoren mit einer plattenähnlichen Form
ohne Beschränkung auf die Ordnungszahl des
Oszillationsmodus angewendet werden.
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Somit wurde der piezoelektrische Transformator mit einer
Gesamtlänge von 42 mm, der Breite von 10 mm und der Dicke
von 1 mm zum Betrieb des rückseitigen Lichts verwendet.
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Dann wurden mit der Resonanzfrequenz des dritten Modus mit
115 kHz und der Eingangsspannung von 22 V die
Ausgangsspannung von 550 V und die Ausgangsleistung von 3 W erzielt. Die
Effizienz betrug 93% und die Helligkeit der lichtleitenden
Platte lag bei 2000 Cd/m².
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Hierbei kann, da die elektrostatische Kapazität des
Ausgangs des piezoelektrischen Transformators 30 pE war, die
Ausgangsimpedanz aus der oben genannten Gleichung (1) mit
85 KΩ berechnet werden.
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Die Ausgangsimpedanz war nämlich kleiner als die Impedanz
von 100 KΩ des rückseitigen Lichts als Last. Deshalb kann
gesagt werden, daß ein großes Übersetzungs-Verhältnis
erhalten werden konnte, da die Ausgangsimpedanz kleiner als
die Lastimpedanz war.
Ausführungsform 2
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In Fig. 6A ist eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators gezeigt.
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Die zweite Ausführungsform wurde hergestellt, indem drei
piezoelektrische Platten 1 übereinander geschichtet wurden,
die jeweils der ersten Ausführungsform entsprachen, mit der
Ausnahme, daß die Dicke jeder piezoelektrischen Platte 1
gleich 0,4 mm war und die drei piezoelektrischen Platten 1
parallel zueinander elektrisch verbunden waren, wobei aber
die mechanische Kopplung der drei piezoelektrischen Platten
1 in einer Dickenrichtung in Reihe erfolgte, wie es in den
Fig. 6A, 6B und 6C gezeigt ist.
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Der Generatorabschnitt hat nämlich eine Elektrode 21, die
jede der drei piezoelektrischen Platten 1 umgibt, wie es in
Fig. 6B gezeigt ist. Deshalb hat die Elektrode 21 das
gleiche Potential. Andererseits hat der Treiberabschnitt
eine Bauweise ähnlich einem bekannten geschichteten
keramischen Kondensator. Der Treiberabschnitt hat nämlich ein
Paar Elektroden 22, die elektrisch voneinander isoliert
sind. Für die mechanische Kopplung wurde ein isolierendes
Bindemittel aus Epoxyharz zwischen den piezoelektrischen
Platten 1 angewendet, so daß eine Isolierschicht 23
sichergestellt ist, wie es in Fig. 6C gezeigt ist, um so
elektrisch die Elektroden 22 voneinander zu isolieren.
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Wenn eine reine Widerstandslast von 100 KΩ mit dieser
zweiten Ausführungsform verbunden ist, wurden eine
Ausgangsspannung von 500 V und eine Ausgangsleistung von 2,5 W
erzielt bei der Resonanzfrequenz von 100 kHz und der Eingabe
von 8 V. Bei dieser Ausführungsform sind die
Ausgangscharakteristika am besten im Bereich von 0,5 ≤ R ≤ 0,8.
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Wie aus dem oben beschriebenen zu sehen ist, ist der
piezoelektrische Transformator entsprechend der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der
Ausgabecharakteristika des piezoelektrischen Transformators das
Breitenverhältnis R in einen optimalen Bereich von 0,5 ≤ R ≤ 0,8
gesetzt ist. Mit diesem Merkmal kann das
Übersetzungs-Verhältnis groß gemacht werden, während die
Konversionseffizienz auf einem hohen Wert gehalten werden kann. Alternativ
dazu ist es möglich, den Abfall des Ausgangs zu vermeiden,
der ansonsten durch die Falschschwingungen erzeugt würde
(nämlich einer Schwingung in Breitenrichtung).
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Da des weiteren der erfindungsgemäße piezoelektrische
Transformator ein großes Übersetzungs-Verhältnis haben
kann, wenn der erfindungsgemäße piezoelektrische
Transformator in einem Inverter zum Antreiben eines rückseitigen
Lichts einer Farbflüssigkristallanzeige verwendet wird, ist
es möglich, die benötigte Eingangsspannung zu verringern
und deshalb den Niederspannungstreiber für den Zweck des
Energiesparens bei elektrischen Instrumenten zu
verwirklichen. Da der erfindungsgemäße piezoelektrische
Transformator eine hohe Konversionseffizienz hat, ist es zusätzlich
möglich, die Effizienz des Inverters zum Antrieb des
rückseitigen Lichts der Farbflüssigkristallanzeige zu erhöhen
und deshalb weiter das Energiesparen zu vereinfachen.
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Da der piezoelektrische Transformator entsprechend der
Erfindung verwirklicht werden kann, indem die Breite des
piezoelektrischen Transformators erhöht wird, kann zusätzlich
der den piezoelektrischen Transformator enthaltende
Inverter sowohl in der Größe als auch in der Dicke klein
ausgebildet werden. Beispielsweise ist im Vergleich mit dem
bekannten Inverter vom Spulentransformatortyp zum Antrieb des
rückseitigen Lichts der Farbflüssigkristallanzeige die
benötigte Fläche um 50% verringerbar, und die benötigte
Höhe kann um 40% verringert werden.
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Die Erfindung wurde unter Bezug auf die spezifischen
Ausführungsformen gezeigt und beschrieben. Jedoch ist zu
verstehen, daß die Erfindung in keiner Weise auf die Details
der gezeigten Strukturen beschränkt ist und daß Änderungen
und Modifikationen innerhalb des Rahmens der beiliegenden
Ansprüche vorgenommen werden können.