DE69605830T2

DE69605830T2 - Piezoelektrischer Transformator, Verfahren zum Herstellen und Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE69605830T2
Application number: DE69605830T
Authority: DE
Inventors: Hiroyo Hakamata
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: EP0727831B1; KR960032525A; JPH08222778A; EP0727831A1; KR100219336B1; US5939818A; DE69605830D1; JP3039307B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen piezoelektrischen Transformator und Verfahren zum Herstellen und Betreiben desselben. Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Transformator, der in einer Ablenkvorrichtung eines Fernsehempfängers, einer Ladungsvorrichtung eines Kopiergerätes usw. verwendet wird, und auf Verfahren zum Herstellen und Betreiben desselben.
Im Allgemeinen wurde in einer Versorgungsquellenschaltung in einem Gerät, das eine hohe Spannung erfordert, wie beispielsweise eine Ablenkvorrichtung eines Fernsehempfängers, ein Ladungsgerät eines Kopiergerätes usw., ein elektromagnetischer Transformator der Wickelbauart als Transformatorelement zum Erzeugen einer hohen Spannung verwendet. Der elektromagnetische Transformator hat eine Konstruktion, bei der ein Leiterdraht um einen Kern eines magnetischen Körpers gewickelt ist. Daher muss die Anzahl der Wicklungen des Leiterdrahtes, die um den Kern gewickelt ist, erhöht werden, um ein hohes Transformationsverhältnis zu realisieren. Daher ist es ziemlich schwierig, kompakte und dünne elektromagnetische Transformatoren zu realisieren.
Andererseits wurde ein piezoelektrischer Keramiktransformator (im Nachfolgenden als "piezoelektrischer Transformator" bezeichnet) vorgeschlagen, der den piezoelektrischen Effekt anwendet. Ein derartiger piezoelektrischer Transformator wurde im Resonanzzustand verwendet. Im Vergleich zu dem elektromagnetischen Transformator ist (1) die Leiterstruktur unnötig und die Energiedichte hoch, so dass der Transformator kompakt und dünn ausgeführt werden kann, (2) kann der Transformator aus einem nicht brennbaren Material bestehen und es tritt (3) kein Rauschen infolge der elektromagnetischen Induktion usw. auf und es gibt eine große Anzahl von anderen Vorteilen.
Da andererseits der piezoelektrische Transformator im Resonanzzustand arbeitet, muss die Verbindungsleiterstruktur zwischen den jeweiligen Bauteilen des Transformators, insbesondere die Herausziehstruktur eines Anschlusses (externen Anschlusses) für eine externe elektrische Verbindung, eine Struktur haben, die eine hohe Verbindungszuverlässigkeit garantieren kann, um der Vibration zu widerstehen, die mit dem Umformvorgang auftritt.
Angesichts der vorstehend angegebenen Verbindungszuverlässigkeit wird ein piezoelektrischer Transformator der Roazen-Bauart als ein Beispiel für den piezoelektrischen Transformator betrachtet. Die Fig. 13 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Konstruktion des piezoelektrischen Transformators der Roazen-Bauart. Fig. 14A zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie L-L in Längsrichtung des Transformators gemäß Fig. 13 und eine grafische Darstellung zeigt den Verbindungszustand mit dem externen Anschluss.
Bezugnehmend auf Fig. 13 sind jeweils an beiden Enden in Längsrichtung einer piezoelektrischen Platte einer lang gestreckten Plattenstruktur zwei Treiberteile 91a bzw. 91b mit niedriger Impedanz vorgesehen. An der Oberseite des Treiberteils 91a links in der Figur ist eine Elektrode 912 vorgesehen. Ähnlich sind an der oberen und der unteren Seite des Treiberteils 91b auf der rechten Seite Elektroden 915 und 916 vorgesehen.
In diesen zwei Treiberteilen 91a und 91b sind, wie in der Fig. 14a gezeigt, beide oberen Elektroden 912 und 915 an einen externen Anschluss 917 angeschlossen und beide unteren Elektroden 913 und 916 an einen externen Anschluss 918 angeschlossen. Beide piezoelektrischen Platten 911 und 914 an den Treiberteilen 91a und 91b sind in Richtung der Dicke polarisiert, wie dies in der Figur durch die Pfeile Ya und Yb gezeigt ist.
In dem Teil, der im mittleren Teil positioniert ist, welcher zwischen den zwei Treiberteilen 91a und 91b liegt, befindet sich ein Generatorteil 92, der eine hohe Impedanz hat. In der Mitte des Generatorteils 92 ist eine streifenförmige Elektrode 923 vorgesehen, die den Umfang der piezoelektrischen Platte an diesem Teil umrundet. Die Elektrode 923 ist mit einem externen Anschluss 919 (siehe Fig. 14A) verbunden. Die piezoelektrischen Platten 921 und 922 sind an Teilen zwischen den Elektroden 923 und den zwei Treiberteilen 91a, 91b jeweils in Längsrichtung quer zur Elektrode 923 einander entgegengesetzt polarisiert, wie dies durch die Pfeile Yc und Yd in der Figur angegeben ist.
Wenn von diesem piezoelektrischen Transformator eine hohe Spannung abgenommen wird, arbeitet der Transformator wie folgt. Wenn für den Fall des Treiberteils 91a an die Elektroden 912 und 913 von den externen Anschlüssen 917 und 918 eine Wechselspannung angelegt wird (für den Fall des Treiberteils 91b die Elektroden 915 und 916), wird in Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Platte 911 (oder 914) ein Wechselstromspannungsfeld angelegt. Dann wird durch den sog. piezoelektrischen Quereffekt-31-Modus, bei dem eine Verschiebung in Richtung rechtwinklig zur Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Platte durch das Wechselstromspannungsfeld verursacht wird, die piezoelektrische Platte 921 (oder 922) in Längsrichtung mit einer Längsvi bration beaufschlagt, um eine Vibration am gesamten Transformator zu verursachen.
Andererseits wird in dem Generatorteil 92 in Antwort auf die Längsvibration in Längsrichtung durch den sog. piezoelektrischen Längseffekt-33-Modus, bei welchem infolge der mechanischen Störung, die in der Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Platte verursacht wird, eine Potentialdifferenz in Polarisationsrichtung erzeugt, wobei zwischen den Elektroden 923 und 912 (oder 915) oder zwischen den Elektroden 923 und 913 (oder 916) eine Spannung erzeugt wird. Diese Spannung wird als die Ausgangsspannung an dem externen Anschluss 919 abgenommen. Zu diesem Zeitpunkt kann, wenn die Frequenz einer Antriebswechselspannung, die zwischen den externen Anschlüssen 917 und 918 angelegt wird, gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators eingestellt ist, eine ziemlich hohe Ausgangsspannung erzielt werden.
Es ist anzumerken, dass, wenn eine niedrige Spannung durch Eingeben einer hohen Spannung ausgegeben werden soll, der hochimpedante Generatorteil 92, der den piezoelektrischen Längseffekt bewirkt, als Eingangsseite und der niedrigimpedante Treiberteil 91 der den piezoelektrischen Quereffekt bewirkt, für den Betrieb als Ausgangsseite genommen wird.
Hier wird eine Diskussion bezüglich der Zuverlässigkeit der Verbindung für Befestigungspositionen der externen Anschlüsse 917, 918, 919 im piezoelektrischen Transformator der Roazen-Bauart zu den entsprechenden Elektroden 912, 913, 915, 916, 923 gegeben.
Bezugnehmend auf Fig. 14A ist der Anschluss 917 an der Treiberteilseite mit der Elektrode 912 im Treiberteil 91a und der Elektrode 915 im Treiberteil 91b über die Verbindungen 911a bzw. 913c verbunden. Ähnlich ist ein weiterer Anschluss 918 an der Treiberteilseite mit der Elektrode 913 im Treiberteil 91a und der Elektrode 916 im Treiberteil 91b über die Verbindungen 912a bzw. 914c verbunden. Andererseits ist der Anschluss 919 an der Generatorteilseite mit der Elektrode 923 im Generatorteil 91 über eine Verbindung 921b verbunden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 19B, die die Verteilung der Verschiebung in Längsrichtung im tertiären Längsschwingungsmodus in der Länge des Transformators zeigt, ist dieser Modus ein Schwingungsmodus, in welchem 3/2 der Wellenlänge der Längsschwingung gleich der Gesamtlänge des piezoelektrischen Transformators ist, in welchem drei Schwingungsknoten N1, N2 und N3 und vier Schwingungsscheitelwerte L1, L2, L3, L4 vorhanden sind. Wenn die Positionen der Schwingungsknoten und die Positionen der jeweiligen Übergangsstellen der externen Anschlüsse verglichen werden, können die Übergangsstellen 911a und 912a mit dem Knoten N1 zusammenpassen, die Übergangsstellen 921b können mit dem Knoten N3 zusammenpassen. Dieser Typ von piezoelektrischem Transformator kann nämlich alle Übergangsstellen zum Anschließen der externen Anschlüsse an den Schwingungsknoten anordnen, um gute Schwingungscharakteristika und Verbindungszuverlässigkeit sicherzustellen.
Unter Berücksichtigung, dass der piezoelektrische Transformator so gestaltet ist, dass eine hohe Spannung abgezogen werden kann, angesichts der Sicherheit der Ausrüstung, mit welcher der Transformator zusammengebaut ist, wie beispielsweise einer Hochspannung erzeugenden Spannungsversorgungsquellenschaltung usw., und der Freiheit des Schaltungsdesigns, ist die Anschlussstruktur wünschenswerterweise eine Vier-Anschlussstruktur, nämlich zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse, und somit sind vier Anschlüsse insgesamt gegeneinander isoliert. Bei dem herkömmlichen piezoelektrischen Keramiktransformator ist es jedoch schwierig, die beiden vorstehenden zwei Punkte zu erzielen.
In dem herkömmlichen piezoelektrischen Transformator ist nämlich nur eine Elektrode 923 zum Abziehen der erzeugten Spannung vom Generatorteil 92 vorgesehen. Anders ausgedrückt, der ausgangsseitige Anschluss ist nur ein Anschluss 919. Diese Transformatorbauart hat grundsätzlich die Drei- Anschlussstruktur. Demgemäß muss im praktischen Gebrauch einer der zwei Anschlüsse 917 und 918 an der Treiberteilseite als ein gemeinsamer Anschluss für Eingang und Ausgang dienen.
Die US-A-3622813 offenbart einen Transformator, der einen Keramikkörper hat, um in einer Grundmodus-Längsschwingung oder einem zweiten höheren harmonischen Modus der Längsschwingung zu schwingen.
Die US-A-3598909 zeigt eine Vier-Anschlussstruktur eines derartigen Transformators, der in einem Primär- oder Sekundärmodus schwingt.
Ein Transformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und wie anhand der Fig. 14a und 14b beschrieben, ist in der EP-A-555887 offenbart.
Ein scheibenförmiger Transformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 3 ist in der US-A-3610969 offenbart.
Die EP-A-148361 beschreibt ein Befestigungsmittel für einen piezoelektrischen Transformator, der vier Elektroden hat.
Ein piezoelektrischer Transformator, der vier Elektroden hat, ist auch in der EP-A-694978 beschrieben. Dieser Transformator hat kammförmige Elektroden, die so angeordnet sind, dass die entsprechenden zwei Elektroden Finger haben, die in verzahnter Weise angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung soll die Probleme des Standes der Technik lösen. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Transformator zu schaffen, der eine Vier-Anschlussstruktur hat, bei welcher vier Anschlüsse zum Eingeben und Ausgeben gegeneinander isoliert sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Transformator zu schaffen, bei dem die vier Anschlüsse eines Treiberteils und eines Generatorteils an Schwingungsknoten abgezogen werden können und der dadurch eine überragende Verbindungszuverlässigkeit, Sicherheit im Gebrauch und Freiheit bei der Schaltungsgestaltung hat.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellverfahren zu schaffen, das das Ansteigen der Kosten bei dem Ausbildungsvorgang der Komponentenelektroden drücken kann und das eine hohe Ausbeute aufrechterhalten kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Treiberverfahren zu schaffen, das eine hohe Zuverlässigkeit der Anschlussverbindung und hohe Spannung, hohe Leistungsausgangscharakteristika hat.
Diese Aufgaben werden durch piezoelektrische Transformatoren gemäß der Ansprüche 1 bzw. 3, durch ein Herstellverfahren gemäß der Ansprüche 4 bzw. 5 und durch ein Treiberverfahren gemäß der Ansprüche 7 bzw. 8 erzielt; die übrigen Ansprüche beziehen sich auf Weiterentwicklungen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung, wie beansprucht, wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung und aus den begleitenden Figuren der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besser verständlich, wobei jedoch diese nicht als für die vorliegende Erfindung begrenzend anzusehen ist, sondern allein zur Erläuterung und zum Verständnis dient.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 eine Konstruktion der ersten Ausführungsform eines piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2A der piezoelektrische Transformator gemäß Fig. 1 im Schnitt;
Fig. 2B bis 2D Schnittansichten der jeweiligen Teile in Fig. 2A;
Fig. 3A eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltungsverbindung des piezoelektrischen Transformators gemäß Fig. 1;
Fig. 3B und 3C Schnittansichten der jeweiligen Teile aus Fig. 3A;
Fig. 3D eine grafische Darstellung der Verteilung der Verschiebung in Längsrichtung in dem tertiären Längsschwingungsmodus in Längsrichtung des piezoelektrischen Transformators;
Fig. 4A eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltungsverbindung des piezoelektrischen Transformators in der Anordnung, bei welcher die Ausgangsteile der T-förmigen Elektrode nicht auf derselben Oberfläche ausgebildet sind;
Fig. 4B bis 4D Schnittansichten der jeweiligen Teile gemäß Fig. 4A;
Fig. 5A eine perspektivische Darstellung einer Konstruktion der zweiten Ausführungsform eines piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5B eine Schnittansicht des piezoelektrischen Transformators gemäß Fig. 5A und die schematische Darstellung des Verbindungszustandes zu externen Anschlüssen;
Fig. 6A der Transformator gemäß Fig. 5A in einer Draufsicht, von oben;
Fig. 6B eine grafische Darstellung der Verteilung der Verschiebung in Längsrichtung des piezoelektrischen Transformators im tertiären Längsschwingungsmodus;
Fig. 7A bis 7B Schnittdarstellungen der jeweiligen Teile des piezoelektrischen Transformators gemäß Fig. 6A;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer Konstruktion der dritten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der Erfindung;
Fig. 9A eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltungsverbindung des piezoelektrischen Transformators gemäß Fig. 8;
Fig. 9B und 9C Schnittdarstellungen der jeweiligen Teile gemäß Fig. 9A;
Fig. 10A und 105 perspektivische Darstellungen der Konstruktionen, die keine Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 11A eine Konstruktion in der Draufsicht, bei welcher die vorliegende Erfindung bei einem scheibenförmigen piezoelektrischen Transformator angewandt ist;
Fig. 11B der piezoelektrische Transformator gemäß Fig. 11A im Schnitt;
Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Treiberverfahrens für den piezoelektrischen Transformator gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 eine Konstruktion des herkömmlichen piezoelektrischen Transformators in perspektivischer Darstellung;
Fig. 14A der piezoelektrische Transformator gemäß Fig. 13 im Schnitt und eine schematische Darstellung eines Verbindungszustandes mit externen Anschlüssen; und
Fig. 14B eine grafische Darstellung der Verteilung der Verschiebung in Längsrichtung des piezoelektrischen Transformators gemäß Fig. 13 im tertiären Längsschwingungsmodus.
Als Nächstes wird die vorliegende Erfindung, wie beansprucht, im Einzelnen anhand der begleitenden Figuren erörtert. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten angegeben, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung, wie beansprucht, zu schaffen. Für den Fachmann ist es jedoch klar zu ersehen, dass die vorliegende Erfindung, wie beansprucht, ohne diese spezifischen Detail in die Praxis umgesetzt werden kann. Zum anderen sind allgemein bekannte Strukturen nicht im Einzelnen gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht unnötigerweise zu verdunkeln.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Konstruktion der ersten Ausführungsform eines piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 2A ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie L-L in Fig. 1 und die Fig. 2B, 2C und 2D sind jeweils Schnittdarstellungen, die entlang der zueinander parallelen Schnittlinien in Richtung der Breite einer lang gestreckten Platte jeweils am Teil A-A, Teil B-B und Teil C-C in Fig. 1 durchgeführt wurden.
Gemäß Fig. 1 hat die erste Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung eine Konstruktion mit einer Masseelektrode zum Abnehmen einer erzeugten Spannung an einem Generatorteil zwischen einer Leitungselektrode und einem Treiberteil, zusätzlich zu der Leitungselektrode zum Abnehmen einer Spannung am mittleren Teil des Generatorteils in einem piezoelektrischen Transformator der Roazen-Bauart.
Dann wird durch diese Elektroden eine Spannung abgenommen, die zwischen der zentralen Leitungselektrode und der Masseelektrode erzeugt worden ist, die an der Seite des Generatorteils einen externen Anschluss als Anordnung mit zwei Anschlüssen bilden, der aus zwei gegeneinander isolierten Anschlüssen gebildet ist. Dadurch sind die zwei externen Anschlüsse an der Seite des Treiberteils und die zwei externen Anschlüsse an der Seite des Generatorteils vollständig voneinander isoliert. Somit kann der piezoelektrische Transformator mit einer Vier-Anschlussanordnung realisiert werden.
Das Befestigen des externen Anschlusses an der Masseelektrode wird an der Elektrode durchgeführt, die sich von einem Streifenteil der Masseelektrode in Richtung auf die Stirnfläche in T-förmiger Form erstreckt, und an einer Position, die von der Stirnfläche des Transformators in Längsrichtung um das Maß 1/4 der Wellenlänge des tertiären Längsschwingungsmodus entfernt ist. Diese Position entspricht dem Knoten einer Längsschwingung des Tertiärmodus.
Demgemäß können durch Treiben der gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators mit einer Resonanzfrequenz des tertiären Längsschwingungsmodus in Längsrichtung die Positionen aller Übergänge der externen Anschlüsse entsprechend der jeweiligen Elektroden des Treiberteils und des Generatorteils an die Schwingungsknoten angepasst sein.
Andererseits werden in dem Generatorteil die Elektrode, die an der Position zwischen der Elektrode in der Mitte des Generatorteils und der Elektrode des Treiberteils liegt, und die Elektrode des Treiberteils vor der Polarisation in Längsrichtung und in der Dickenrichtung ausgebildet. Andererseits wird für die Elektrode, die einen Schenkelteil hat, der sich in T-Form in Richtung auf das Ende des Transformators, ausgehend vom Streifenteil, erstreckt, ein Zeitablauf zur Durchführung des Ausbildungsprozesses in Abhängigkeit von einem Abstand zwischen der fraglichen Elektrode und der Elektrode des Treiberteils bestimmt.
Wenn nämlich der Abstand zwischen den Elektroden länger als ein Isolationsabstand des elektrischen Feldes ist, welches bei der Polarisation in Richtung der Dicke beaufschlagt wird, wird die Ausbildung der T-förmigen Elektrode vor der Polarisation durchgeführt und ansonsten wird die Ausbildung nach der Polarisation durchgeführt.
Wenn der Abstand zwischen der Elektrode länger als der Isolationsabstand ist und die Möglichkeit des Auftretens einer Entladung bei Polarisation in Richtung der Dicke gering ist, wird es möglich, zusätzliche Kosten, die für die Elektrodenkonstruktion in der gezeigten Ausführungsform neu hinzukommen, zu senken, indem die T-förmige Elektrode gleichzeitig mit den anderen Elektroden ausgebildet wird. Wenn andererseits der Abstand zwischen den Elektroden kurz ist und somit die Möglichkeit des Auftretens einer Entladung hoch ist, kann das Absinken der Ausbeute bei der Herstellung des piezoelektrischen Transformators infolge Auftretens von Entladung vermieden werden, indem die T-förmige Elektrode nach der Polarisation ausgebildet wird. In einem solchen Fall wird, wenn die T-förmige Elektrode bei einer Temperatur unterhalb des Curie-Punktes (Curie-Temperatur) des piezoelektrischen Keramikmaterials ausgebildet wird, die Schwächung des Polarisationszustandes nicht verursacht.
Im Folgenden erfolgt eine konkrete Erörterung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Bezugnehmend auf Fig. 1 hat die gezeigte Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators zwei Treiberteile 11a und 11b, die in Längsrichtung an den beiden Enden angeordnet sind, und den Generatorteil 12, der zwischen den zwei Treiberteilen angeordnet ist.
Der Treiberteil 11a hat eine Konstruktion, bei der eine piezoelektrische Keramikplatte 111 (114 für den Fall des Treiberteils 11b) zwischen oberen und unteren Elektroden 112, 113 (für den Treiberteil 115, 116) geschichtet ist. In den Treiberteilen 11a und 11b, die an den beiden Enden des Transformators liegen, sind die piezoelektrischen Kera mikplatten 111 und 114 in Richtung der Dicke in gleicher Orientung, wie durch die Pfeile Ya und Yb in Fig. 2 gezeigt, polarisiert. Demgemäß werden in der gezeigten Ausführungsform durch Anschließen der Elektroden 112 und 115 und der Elektroden 113 und 116 die piezoelektrischen Keramikplatten 111 und 114 der zwei Treiberteile getrieben, um mit gleicher Phase zu schwingen.
Als Nächstes wird auf die Fig. 2A Bezug genommen. Der Generatorteil 12 ist mit den folgenden drei Arten von Teilen aufgebaut:

(1) Mittelteilelektrode

Dies ist ein Teil, der an der mittleren Position des Generatorteils liegt, in welchem eine streifenförmige Leitungselektrode 123 ausgebildet ist, die um den Transformator herum geht;

(2) Spannungsgeneratorteil

Dies ist ein Teil, der an beiden Seiten des Mittenelektrodenteils liegt, in welchem piezoelektrische Keramikplatten 121 und 122 in Längsrichtung polarisiert sind, wie dies durch die Pfeile Yc und Yd gezeigt ist, wobei die Ausrichtungen der Polarisation einander entgegengesetzt quer zur Elektrode 123 am mittleren Teil sind;

(3) Erdungselektroden

Dies sind Elektroden 124 und 125, die zwischen den Spannungsgeneratorteilen und den beiden Treiberteilen 11a und 11b liegen und die Streifenteile haben, welche sich um den Transformator erstrecken, und Schenkelteile haben, die sich ausgehend von dem Streifenteil an der Seitenfläche des Transformators in Richtung auf das Längsende hin erstrecken, um in der Draufsicht eine T-Form zu bilden.
In der Fig. 3A ist die elektrische Schaltungsverbindung der gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators schematisch dargestellt. In der Fig. 3A sind zum Treiben des gezeigten piezoelektrischen Transformators die folgenden Anschlüsse für externes Anschließen (externe Anschlüsse) mit den entsprechenden Elektroden verbunden).
(1) Die obere Elektrode 112 des an der linken Seite liegenden Treiberteils 11a und die obere Elektrode 115 des an der rechten Seite liegenden Treiberteils 11b sind an eine externe Elektrode 311 angeschlossen, um ein gleiches Potenzial zu erlangen.
(2) Die untere Elektrode 113 des linksseitigen Treiberteils 11a und die untere Elektrode 116 des rechtsseitigen Treiberteils 11b sind an einen externen Anschluss 312 angeschlossen, um gleiches Potenzial zu erlangen.
(3) Die Elektrode 123 an der Mitte des Generatorteils ist an einen externen Anschluss 321 angeschlossen.
(4) Die linksseitige Erdungselektrode 124 und die rechtsseitige Erdungselektrode 125 sind an den externen Anschluss 322 angeschlossen, um einander gleich zu werden. In diesem Fall kann der Lötvorgang erleichtert werden, indem die Breiten der Elektroden an den Übergängen 111a, 112a, 122a, 121b, 113c, 114c und 123c größer als in anderen Teilen ausgeführt werden.
Durch Errichten von Verbindungen, wie vorstehend angegeben, sind ein Paar externer Anschlüsse 311 und 312 an der Treiberteilseite und ein Paar externer Anschlüsse 321 und 322 gegeneinander isoliert.
In der vorstehend angegebenen Konstruktion kann, wenn zwischen den externen Anschlüssen 311 und 312 an der Seite des Treiberteils des Transformators eine Eingangswechselspannung angelegt wird, zwischen den externen Anschlüssen 321 und 322 des Generatorteils eine hohe Ausgangsspannung erzielt werden. Wenn nun zwischen den externen Anschlüssen 311 und 312 eine Wechselspannung angelegt wird, beaufschlagt die Wechselspannung die piezoelektrischen Keramikplatten der zwei Treiberteile über die Elektroden 112, 113 und 115, 116 mit elektrischen Feldern mit gleicher Phase. Daher wird über den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k31 in den Modi des piezoelektrischen Transversaleffektes eine Längsschwingung erzeugt. Die Längsschwingung wird auf den Generatorteil 12 übertragen. Als ein Ergebnis wird im Modus des piezoelektrischen Längseffektes über einen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k33 zwischen dem mittleren Elektrodenteil 123 und dem Streifen für die Elektroden 124 und 125 der Erdungselektrodenteile eine Spannung erzeugt. Die erzeugte Spannung wird an dem Teil zwischen den externen Anschlüssen 321 und 322 nach außen abgenommen.
Zu diesem Zeitpunkt kann, wenn die Frequenz der an die Treiberteile 11a und 11b angelegten Eingangswechselspannung so eingestellt ist, dass sie gleich der Resonanzfrequenz der Längsschwingung in Längsrichtung des Transformators ist, eine hohe Ausgangsspannung erzielt werden. Anzumerken ist, dass, wenn eine hohe Spannung eingegeben wird und eine niedrige Spannung durch Spannungsabfall abgenommen wird, die Eingangswechselspannung an den Generatorteil 12 angelegt wird, wobei die externen Anschlüsse 321 und 322 der Generatorteilseite als Eingangsanschlüsse verwendet werden, und die Ausgangsspannung wird an dem Treiberteil abgenommen, indem die externen Anschlüsse 311 und 312 der Treiberteilseite als Ausgangsanschlüsse verwendet werden. Dies entspricht dem Fall des herkömmlichen piezoelektrischen Transformators.
Als Nächstes wird die Befestigungsposition der externen Anschlüsse 311, 312, 321 und 322 an den jeweiligen Elektroden im piezoelektrischen Transformator erörtert. Die Fig. 3B und 3C sind Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinien, welche sich in Richtung der Breite und parallel zueinander an den gezeigten Positionen A-A und B-B in Fig. 3A erstrecken, und sind schematische Schnittdarstellungen, die die Verbindungsbedingungen zwischen den jeweiligen externen Anschlüssen und den jeweiligen Elektroden zeigen. Anzumerken ist, dass die Positionen A-A und B-B gemäß Fig. 3A Positionen sind, die bezüglich der beiden Längsenden des Transformators in einem Abstand entsprechend 1/4 und 3/4 der Wellenlänge des tertiären Längsschwingungsmodus in Längsrichtung verschoben sind.
Bezugnehmend auf die Fig. 3A, 3B und 3C ist für den Fall des Treiberteils 11a der externe Anschluss 311 des Treiberteils an die Elektrode 112 des Treiberteils (115 für den Fall des Treiberteils 11b) an einem Übergang 111a an der oberen Oberfläche des Transformators für den Fall des Treiberteils 11a angeschlossen (113c für den Fall des Treiberteils 11b). Ein weiterer externer Anschluss 312 des Treiberteils ist für den Fall des Treiberteils 11a an der Elektrode 113 (für den Fall des Treiberteils 11b an 116) an einem Übergang 112a für den Fall des Treiberteils 11a an der unteren Oberfläche des Transformators angeschlossen (für den Fall des Treiberteils 11b an 114c).
Andererseits ist der externe Anschluss 322 des Generatorteils an die Erdungselektrode 124 an einem Übergang 112a auf der Seitenfläche des Transformators und an der Erdungselektrode 125 an einem Übergang 123c an der Seite des Transformators angeschlossen. Ein weiterer externen Anschluss 321 des Generatorteils ist mit der Elektrode 123 an dem mittleren Teil an einem Übergang 121b verbunden.
Die Fig. 3D zeigt hierbei die Verteilung der Verschiebung, wenn der Transformator, der, wie vorstehend angegeben, ausgebildet ist, im tertiären Längsschwingungsmodus betrieben wird. Dies ist der Schwingungsmodus, bei welchem 3/2 der Längsschwingung gleich der gesamten Länge des piezoelektrischen Transformators sind. Wie in der Fig. 3D gezeigt, sind drei Schwingungsknoten N1, N2 und N3 und vier Schwingungsscheitelpunkte L1, L2, L3 und L4 vorhanden. Die Knoten N1 und N2 liegen an Positionen, die jeweils um 1/4 der Wellenlänge zu beiden Enden des Transformators versetzt sind, und der Knoten N2 liegt in der Mitte der gesamten Länge des Transformators.
Wenn die Positionen der Knoten und die entsprechenden Übergänge anhand der Fig. 3A und 3D verglichen werden, ist zu ersehen, dass die Übergänge 111a, 122a und 112a an dem Knoten N1 angeordnet sind, die Übergänge 113c, 114c und 123c am Knoten N3 angeordnet sind und der Übergang 121b am Knoten N2 angeordnet ist. Somit können in der gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators alle externen Anschlüsse an den Schwingungsknoten abgenommen werden. Daher können sowohl gute Schwingungscharakteristika als auch hohe Verbindungszuverlässigkeit realisiert werden.
Andererseits sind bei der gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators die mittlere Elektrode 123 des Generatorteils und die Streifenteile der Erdungselektroden 124, 125 so angeordnet, dass sie um den Umfang des Transformators herumgeführt sind. Daher wird die Verzerrung kleiner als für den Fall, wo die Elektroden nur auf den oberen und unteren Oberflächen angeordnet sind und damit wird sie im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung. Demgemäß kann die Polarisation der piezoelektrischen Platten 121 und 122 im Generatorteil in Längsrichtung ausgerichtet werden, um ein Ansteigen des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k33 bis zur Grenze des Materials zuzulassen.
Anzumerken ist, dass in der gezeigten Ausführungsform der Schenkelteil der T-förmigen Elektrode auf der Seitenfläche des Transformators ausgebildet ist, obwohl es nicht wesentlich ist, ihn an der Seitenfläche auszubilden. Obwohl die Schenkelteile der T-förmigen Elektrode der Elektrode 123 an den linken und rechten Seiten des mittleren Teils liegen, ist es andererseits nicht inhärent, diese an denselben Flächen an den linken und rechten Seiten anzuordnen. Fig. 4A zeigt den Transformator in der Seitenansicht mit der Konstruktion, bei der die Schenkelteile der links- und rechtsseitigen T-förmigen Elektroden nicht an denselben Seitenflächen ausgebildet sind. Die Fig. 4B, 4C und 4D sind Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinien, die sich in Richtung der Breite an den Positionen A-A, B-B und C-C der Fig. 4A erstrecken. Wie später erörtert, sind die externen Anschlüsse an den Teilen der Schenkel der T-förmigen Elektroden befestigt.
In dem piezoelektrischen Transformator mit der Konstruktion gemäß Fig. 4A ist von den Schenkelteilen der T-förmigen Elektroden, welche die linken und rechten Seiten in Längsrichtung repräsentieren, einer auf der linken Seite in Richtung der Breite (Fig. 4B) und der andere an der rechten Seite (Fig. 4D) vorhanden. Daher wird jeweils ein externer Anschluss an jeweils einer Seite der linken und rechten Seite abgenommen.
Anzumerken ist, dass in den Fig. 4A bis 4D Bauteile, die denen in den Fig. 1 bis 3D gezeigten entsprechen, durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sind.
Obwohl die Schenkelteile der T-förmigen Elektroden der Erdungselektroden am Generatorteil bei der vorstehenden Ausführungsform an den Seitenflächen des Transformators ausgebildet sind, ist es nicht inhärent, die Schenkelteile an den Seitenflächen vorzusehen. Im Folgenden wird die zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators erör tert, bei dem der Schenkelteil der T-förmigen Elektrode an der Hauptoberfläche rechtwinklig zur Dickenrichtung des Wandlers liegt.
Fig. 5A zeigt in perspektivischer Darstellung die gezeigte Ausführungsform des Transformators. Bauteile, die denen der Fig. 1 bis 4D entsprechen, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Fig. 5B ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie L-L in Längsrichtung der gezeigten Ausführungsform des Transformators. Fig. 6A ist eine Draufsicht auf den Transformator gemäß Fig. 5A von oben.
Die Fig. 7A, 7B, 7C und 7D andererseits zeigen Schnitte entlang der Schnittlinien, die an den Positionen A-A, B-B, C-C und D-D gemäß Fig. 6A liegen. Bauelemente, die jenen der Fig. 1 bis 4D entsprechen, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bezugnehmend auf die Fig. 5A bis 7D unterscheidet sich die gezeigte Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators von den Transformatoren gemäß den Fig. 1 bis 4D in den folgenden Punkten:
(1) Zusätzlich zu den Schenkelteilen der T-förmigen Elektroden 524 und 525 der Erdungselektrode des Generatorteils 52, die auf der oberen Oberfläche des Transformators ausgebildet sind, sind Elektroden 512 und 515 der Treiberteile 51a und 51b in U-Form, die Schenkelteile umgebend, ausgebildet (siehe Fig. 5A).
(2) Wie durch den Pfeil, welcher in der Fig. 7B die Polarisation repräsentiert, dargestellt, sind nur Teile, wo die U-förmigen Elektroden an der oberen Oberfläche der Treiberteile 51a und 51b vorgesehen sind, polarisiert. Die Teile außerhalb der U-förmigen Elektroden sind nämlich piezoelektrisch inaktive Teile.
(3) Bezugnehmend auf Fig. 7B sind die externen Anschlüsse 517 und 518 der Treiberteile 51a und 51b an punktsym metrischen Positionen, bezogen auf den Mittelpunkt des Querschnittes an den oberen und unteren Oberflächen des Transformators, angeschlossen. Ein externer Anschluss 518 ist an der mittleren Elektrode 523 an einem Übergang 521b angeschlossen und der andere externe Anschluss 520 ist an die Schenkelteile der T-förmigen Erdungselektroden 524 und 525 an den Übergängen 522a und 523c angeschlossen, die innerhalb der Treiberteile liegen.
Bezugnehmend auf die Verteilung der Verschiebung beim Treiben im Tertiärmodus der Längsschwingung in Längsrichtung, wie in der Fig. 6B gezeigt, entsprechen die Übergänge 511a, 512a und 522a dem Knoten N1, die Übergänge 521b entsprechen dem Knoten N2 bzw. die Übergänge 513c, 514c und 523c entsprechen dem Knoten N3.
Verglichen mit der ersten Ausführungsform des Transformators kann hierdurch bei der gezeigten Ausführungsform der externe Anschluss nur von den oberen und unteren Hauptoberflächen des Transformators ohne störende Schwingung abgenommen werden, während die Effizienz abgesenkt ist, um den piezoelektrisch aktiven Teil zu reduzieren. Wenn daher der elektrische Anschluss, der auch als Halter dient, errichtet ist, kann die Halterung des Transformators gemäß den Fig. 1 bis 4D erleichtert werden, wo externe Anschlüsse an den beiden Seitenflächen und der Hauptoberfläche vorgesehen sind.
Als Nächstes wird die dritte Ausführungsform des Transformators erörtert, der eine Konstruktion zum Abnehmen von allen externen Anschlüssen nur an den Seitenflächen des Transformators hat. Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung der dritten Ausführungsform des Transformators und Fig. 9A zeigt die Seitenansicht. Gleiche Bauelemente, wie die in den Fig. 1 bis 7D gezeigten, sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Fig. 9B und 9C sind Schnittdar stellungen entlang der Schnittlinien in Richtung der Breite, die bei A-A und B-B positioniert sind. Die Merkmale der gezeigten Ausführungsform des Transformators sind wie folgt:
(1) Obere und untere Elektroden 712 und 713 des Treiberteils 71a (715 und 716 für den Fall des Treiberteils 71b) erstrecken sich von den oberen und unteren Hauptoberflächen zu den Seitenflächen des Transformators und haben L-förmige Querschnitte. Anzumerken ist, dass die oberen und unteren Elektroden 712 und 713 (715 und 716 im Fall des Treiberteils 71b) an Positionen ausgebildet sind, die ausgehend von den Enden des Transformators (Anwendungsgrenzen sind vorhanden) nach innen verschoben sind, um zwischen den Elektroden angesichts der Vermeidung von Entladung während des Polarisationsvorganges in Richtung der Dicke einen längeren Abstand zu schaffen.
(2) Die externen Anschlüsse 717 und 718 der Treiberteile sind jeweils an die Übergänge 711a, 713c und 712c, 714c an den jeweils linken und rechten Seitenflächen des Transformators (siehe Fig. 9A) angeschlossen. Ein externer Anschluss 718 des Generatorteils 72 ist an den Übergang 721b der Seitenfläche des Transformators der Elektrode 723 am mittleren Teil angeschlossen und der andere externe Anschluss 720 ist an die Übergänge 722a und 723c der T-förmigen Elektroden 724 und 725 angeschlossen, die an den Seitenflächen des Transformators vorgesehen sind.
Da das Abnehmen an allen externen Anschlüssen von den Seitenflächen her erfolgen kann, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 5A bis 6B, ist demgemäß die Halterung in Verbindung mit dem elektrischen Anschluss erleichtert. Während andererseits die gezeigte Ausführungsform die Erdungselektroden des Generatorteils an denselben Seiten flächen ausbildet, tritt selbst dann kein Problem auf, wenn die Erdungselektroden nicht an denselben Flächen an den linken und rechten Seiten, wie in den Fig. 4A bis 4D dargestellt, ausgebildet sind.
Anzumerken ist, dass, obwohl die vorstehende Erörterung unter der Prämisse des piezoelektrischen Transformators der Roazen-Bauart durchgeführt worden ist, der den Modus mit dem piezoelektrischen Transversaleffekt 31 und den Modus mit dem piezoelektrischen Längseffekt 33 verwendet, kann die vorliegende Erfindung, wie beansprucht, gleichermaßen bei irgendeinem anderen Typ von piezoelektrischem Transformator angewendet werden.
Ein Beispiel, das keine Ausführungsform ist, ist in der Fig. 10A gezeigt, wobei ein piezoelektrischer Transformator Elektroden 112 und 113 aufweist, die an der halben Fläche der beiden Hauptoberflächen der piezoelektrischen Keramikplatte 111 vorgesehen sind, wobei die streifenförmige Elektrode 124 am mittleren Teil vorgesehen ist, die den Umfang des Transformators umschließt, und die Elektrode 123 ist am Endteil der piezoelektrischen Keramikplatte 111 vorgesehen. Bei einem derartigen Transformator wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die Anschlüsse 311 und 312 die Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen 321 und 322 erhalten. Bei diesem Transformator sind vier Anschlüsse elektrisch isoliert, um gute elektrische Charakteristika zu erzielen.
Anzumerken ist, dass in Abhängigkeit von den verwendeten Modi die Übergänge der jeweiligen Anschlüsse an geeigneten Positionen angebracht werden müssen.
Andererseits hat ein piezoelektrischer Transformator, der als ein Beispiel, das keine Ausführungsform ist und wie in der Fig. 10B gezeigt, Elektroden 112 und 113, die an der halben Fläche der beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Keramikplatte 111 angeordnet sind, die T-förmige Elektrode 124, die aus einem Streifenteil gebildet ist, welcher den Umfang des Transformators umgibt, und wobei sich der Schenkelteil an der Seitenfläche des Transformators in Richtung auf den Endteil des Transformators zu erstreckt, welche an dem mittleren Teil, den Umfang des Transformators umgebend, angeordnet ist und die Elektrode 123, die am Endteil der piezoelektrischen Keramikplatte 111 vorgesehen ist. Ein derartiger Transformator kann ähnlich arbeiten. Die Übergänge der jeweiligen Anschlüsse können an geeigneten Positionen in Abhängigkeit von den verwendeten Modi angeordnet sein.
Anzumerken ist, dass in den Fig. 10A und 108 gleiche Bauteile wie in den Fig. 1 bis 4D mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Es ist auch möglich, anstatt der lang gestreckten Plattenform eine scheibenförmige piezoelektrische Keramikplatte zu verwenden. Fig. 11A zeigt beispielsweise in der Draufsicht den piezoelektrischen Transformator, der eine scheibenförmige piezoelektrische Keramikplatte verwendet, und Fig. 11B zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie L-L in Fig. 11A.
Bezugnehmend auf die Fig. 11A und 11B sind an dem mittleren Teil der beiden Hauptoberflächen der scheibenförmigen piezoelektrischen Keramikplatte 100 kreisförmige Elektroden 101 und 104 vorgesehen. Am Umfang der piezoelektrischen Keramikplatte 100, nämlich deren Seitenfläche, ist eine Elektrode 103 vorgesehen. Quer zu einem Isolationsabstand ist auch eine ringförmige Elektrode 102 vorgesehen, die die Elektrode 101, welche auf einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Keramikplatte 100 ausgebildet ist, umgibt. Die Elektrode 102, wie in der Figur dargestellt, hat einen vorstehenden Teil 105, der dem Schenkelteil der T-förmigen Elektrode, wie in der Fig. 1 usw. gezeigt, entspricht.
Wenn zwischen den Anschlüssen 311 und 312 eine Wechselspannung angelegt wird, wird die Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen 321 und 322 erhalten. Bei einem derartigen Transformator sind vier Anschlüsse elektrisch gegeneinander isoliert, um gute elektrische Charakteristika zu schaffen. Im Betrieb werden in einem derartigen Transformator radial sich ausbreitende Schwingungen vom mittleren Teil bis zum Umfangsteil erzeugt. Daher können die Übergänge der jeweiligen Anschlüsse an geeigneten Positionen in Abhängigkeit von den verwendeten Modi angeordnet sein.
Anzumerken ist, dass auch in den Fig. 11A und 11B gleiche Komponenten, wie in den Fig. 1 bis 4D gezeigt, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Die vorstehenden ersten bis dritten Ausführungsformen der piezoelektrischen Transformatoren werden durch den folgenden Vorgang hergestellt.
Als erstes wird als ein Material der piezoelektrischen Keramik ein Sinterkörper aus NEPEC8 (Handelsname: von der Firma Tokin Corporation in Japan erhältlich), der ein PZT- (Pb (Zrx · Ti1-x)O&sub3;) -Typ einer piezoelektrischen Keramik ist, verwendet. Der Sinterkörper wird in die erforderliche Form geschnitten, um ihn in die lang gestreckte Plattenform zu bringen. Die Transformatoren der vorstehenden ersten bis dritten Ausführungsformen sind so geschnitten, dass sie Außenabmessungen von 42,00 mm Länge, 10 mm Breite und 1 mm Dicke haben.
Als Nächstes wird die Elektrode ausgebildet. Bei dem Herstellvorgang der Elektrode wird eine Paste aus 100% Ag verwendet, um mittels eines gewöhnlichen Siebdruckverfahrens für dicke Filme ein Muster auszubilden und dieses wird bei 600ºC ausgehärtet. Bezugnehmend auf den piezoelektrischen Transformator gemäß der ersten Ausführungsform werden zum Studieren der Ladung während der Polarisation in der Rich tung der Dicke in einem Abstand zwischen dem Schenkelteil der T-förmigen Erdungselektrode 124, die auf der einen Seitenfläche für den Fall des Treiberteils 11a vorgesehen ist (der Schenkelteil der T-förmigen Erdungselektrode 125 für den Fall des Treiberteils 11b), und den Elektroden 112, 113 für den Fall des Treiberteils 11a (für den Fall des Treiberteils 11b die Elektroden 115, 116) des Treiberteils, die an den oberen und unteren Hauptoberflächen vorgesehen sind, werden die Elektroden mit verschiedenen Breiten der Schenkelteile der T-förmigen Elektroden 124 und 125 gedruckt.
Für die Ausbildung der Elektrode ist es hierbei nicht wesentlich, die Elektroden durch ein Siebdruckverfahren für Dickilme auszubilden, sondern es kann irgendein anderes geeignetes Verfahren, wie beispielsweise ein Dampfabscheidungsverfahren, ein Aufsprühverfahren usw., verwendet werden. Die Paste ist auch nicht auf Ag spezifiziert, sondern kann irgendein geeignetes Material sein, welches gesintert werden kann.
Anschließend wird die Temperatur bis auf den Curie-Punkt (340ºC) des verwendeten piezoelektrischen Materials angehoben. Bei Absenken der Temperatur bis auf Zimmertemperatur wird in Längsrichtung ein elektrisches Feld mit 3,5 kV angelegt, um den Polarisationsvorgang durchzuführen. Die Polarisation in der Richtung der Dicke wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes von 2 kV in 150ºC-heißem isolierendem Öl vom Silikontyp durchgeführt.
Wenn zu diesem Zeitpunkt der Abstand zwischen dem Schenkelteil der T-förmigen Elektrode 124 (oder dem Schenkelteil der Elektrode 125) und den Elektroden 112 und 113 des Treiberteils (oder Elektroden 115, 116) 0,3 mm ist, ist eine Entladung mit einer Wahrscheinlichkeit von ungefähr 20% verursacht worden. Wenn andererseits der Abstand zwischen den Elektrode 0,1 mm ist, ist eine Entladung mit einer Wahrscheinlichkeit von ungefähr 80% verursacht. Bei der ge zeigten Ausführungsform wird, da die Dicke des Transformators 1 mm ist, selbst wenn 0,3 mm der Elektrodenbreite als Minimum reserviert worden sind, wie dies für das Löten erforderlich ist und wie später ausgeführt wird, an den Schenkelteilen der T-förmigen Elektroden 124 und 125 der Abstand zwischen den Elektroden größer als oder gleich 0,3 mm. Daher wird die Möglichkeit des Auftretens der Entladung während der Polarisation relativ gering. Wenn jedoch ein Transformator mit einer Dicke von 0,8 mm gebildet wird, wird der Abstand zwischen den Elektroden kleiner oder gleich 0,3 mm, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Entladung auf 50% angehoben wird.
Andererseits kann, während die Polarisation in Richtung der Dicke unter den vorstehend angegebenen Bedingungen durchgeführt wurde, der Abstand zwischen den Elektroden zum Verursachen der Entladung gemäß der Änderung der Bedingungen variiert werden, um die Polarisation anstatt in Öl in Luft durchführen zu können, um die Intensität des elektrischen Feldes, welches angelegt wird usw. zu variieren. Daher wird es nötig, den Abstand zwischen den Elektroden, der möglicherweise eine Entladung verursacht, in Abhängigkeit von den Bedingungen (Art des Mediums, Temperatur des Mediums, Intensität des elektrischen Feldes usw.) bei der Polarisation sowie die Abmessungen des Transformators gründlich zu bestimmen.
Wenn ein Sicherheitsabstand (Isolationsabstand), bei dem eine Entladung nicht verursacht wird, wie in Abhängigkeit von der Abmessung des Transformators und der Polarisationsbedingung, nicht erzielt werden kann, werden die Elektroden 112, 113, 115 und 116 des Treiberteils, die mittlere Elektrode 123 und der Streifenteil der Erdungselektroden 124, 125 vor der Polarisation ausgebildet und die Schenkelteile der T-förmigen Elektroden 124 und 125 des Generatorteils werden nach der Polarisation ausgebildet, um den Transformator zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ausbildung der Schenkelteile der T-förmigen Elektroden bei einer Temperatur durchgeführt, die niedriger als oder gleich dem Curie-Punkt ist. Wenn die Verfahrenstemperatur den Curie- Punkt überschreitet, wird die Polarisation in Längsrichtung und in Richtung der Dicke gelöscht.
Daher ist es bei der Ausbildung der Elektroden schwierig, die leitfähige Paste (wie vorstehend angegeben, im Fall von Ag 600ºC) als die der anderen Elektroden zu verwenden. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Schenkelteile mit einer leitfähigen Paste vom Aushärttyp (Aushärttemperatur 140ºC), die gelötet werden kann, mittels eines Dickfilm- Siebdruckverfahrens ausgebildet. Dann wurde keine Anomalität des Transformatorbetriebes beobachtet. Es ist unnötig zu sagen, dass ein normaler Betrieb selbst dann erzielt werden kann, wenn die Schenkelteile durch ein Strahldruckverfahren usw. ausgebildet sind. Wenn der Sicherheitsabstand (Isolationsabstand) zwischen den Elektroden sicher erzielt werden kann, können alle Elektroden gleichzeitig vor dem Polarisationsverfahren ausgebildet werden. Selbstverständlich ist dieses Verfahren im Vergleich zum ersteren Verfahren sehr viel billiger.
Wie vorstehend angegeben, werden nach dem Polarisationsvorgang die Leiter an die jeweiligen Elektroden angelötet. Die Positionen für das Löten der Leiter sind in den Fig. 3A bis 3D, 6A, 6B und 8 dargestellt. Wie vorstehend angegeben, liegen die Knoten beim Treiben in dem tertiären Längsmodus in der Länge an den Positionen, die gegenüber beiden Enden des Transformators um 7 mm nach innen verschoben sind und in der Mitte, das heißt in einem Abstand von 21 mm zu jedem Ende des Transformators, da die Länge aller Transformatoren der ersten bis dritten Ausführungsformen 42 mm ist.
Daher liegen, wie in der Fig. 4A in der ersten Ausführungsform gezeigt, die Übergänge lila, 112a, 122a und 113c, 114c, 123c an Positionen, die an beiden Enden des Transfor mators um 7 mm nach innen verschoben sind, und der Übergang 121b ist an einer Position gelegen, die zu jedem Ende des Transformators 21 mm verschoben ist. Ähnlich sind bei der zweiten Ausführungsform, wie in der Fig. 6A gezeigt, die Übergänge 511a, 512a, 522a und 513c, 514c, 523c an Positionen angeordnet, die an beiden Enden des Transformators um 7 mm nach innen verschoben sind, und der Übergang 521b ist an der Position angeordnet, die zu jedem Ende des Transformators um 21 mm nach innen verschoben ist. Auch bei der dritten Ausführungsform, wie in den Fig. 9A bis 9C gezeigt, liegen die Übergänge 711a, 712a, 722a und 713c, 714c, 723c an Positionen, die ausgehend von beiden Enden des Transformators um 7 mm nach innen verschoben sind, und der Übergang 721b liegt an der Position, die zu jedem Ende des Transformators um 21 mm verschoben ist.
Als Nächstes wird das Treiberverfahren des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert.
Fig. 12 ist ein Schaltbild, das einen Zustand zeigt, bei dem die erste Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators an eine Last angeschlossen ist. Bei der gezeigten Ausführungsform wird eine Kaltkathodenröhre 52 mit 220 mm Länge und 3 mm Durchmesser als Last verwendet. In der Kaltkathodenröhre 52 ist ein Reflektorstreifen 53 aus Aluminium parallel geschaltet.
Bei einer derartigen Konstruktion wird eine Wechselspannung mit einer Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des tertiären Längsschwingungsmodus in Längsrichtung des piezoelektrischen Transformators von einer Treiberstromversorgungsquelle 51 zugeführt. Wie vorstehend angegeben, ist die Resonanzfrequenz im tertiären Längsschwingungsmodus in Längsrichtung des Transformators bei den ersten bis dritten Ausführungsformen aus den Eingangs-/Ausgangs-Frequenzcharakteristika des Transformators mit 110 kHz gemessen worden.
Wenn bei der ersten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators eine Wechselspannung von 26 Vrms (root mean square; Effektivwert) als Eingangsspannung angelegt wird, dann werden 550 Vrms Ausgangsspannung erhalten. Dann betrug die Ausgangsleistung 3 W. Andererseits wurden 100 dieser piezoelektrischen Transformatoren für 200 Stunden betrieben. Als ein Ergebnis wurde kein Element beobachtet, das eine Abschälung der externen Elektrode, ein Brechen des Leiters oder eine Anomalität der Charakteristika hatte.
Die zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators wurde ebenfalls hergestellt und an dieselbe Last, wie das frühere Beispiel, angeschlossen in Betrieb gesetzt. Bezogen auf die Eingangsspannung von 26 Vrms wurden 370 Vrms Ausgangsspannung und 1,4 W Ausgangsleistung erzielt.
Bei der dritten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators wurden bezüglich der Eingangsspannung von 26 Vrms 510 Vrms Ausgangsspannung und 2,6 W Ausgangsleistung erzielt.
Wie vorstehend angegeben, haben die gezeigten Ausführungsformen des piezoelektrischen Transformators zwei Spannungsabnahmeteile, die parallel in Längsrichtung im Generatorteil angeordnet sind. Bei diesen zwei Arten von Spannungsabnahmeteilen kann die Spannung, die zwischen den Spannungsabnahmeteilen erzeugt worden ist, zwischen diesen Elektroden abgenommen werden, da die Elektroden unabhängig voneinander vorgesehen sind. Somit können vier Anschlüsse bestehend aus zwei externen Anschlüssen der Treiberteilseite und zwei Anschlüsse des Generatorteils vollständig voneinander isoliert sein.
Andererseits erstreckt sich in dem Spannungsabnahmeteil die Elektrode des Spannungsabnahmeteils von der mittleren Seite in Längsrichtung bis zur Stirnfläche, um eine Verbindung zwischen dem externen Anschluss und der Elektrode an der Position, die gegenüber dem Ende des Transformators um das Maß 1/4 der Wellenlänge des tertiären Längsschwingungsmodus in Längsrichtung nach innen verschoben ist, zu errichten. Diese Position entspricht der Position des Knotens bei der Längsschwingung im Tertiärmodus.
Daher sind durch Treiben der gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators mit der Resonanzfrequenz im tertiären Längsschwingungsmodus die Positionen der Übergänge zwischen den externen Anschlüssen und der entsprechenden Elektrode des Treiberteils und des Generatorteils mit den Schwingungsknoten in Übereinstimmung gebracht, um die hohe mechanische Festigkeit aufrechtzuerhalten.
Wenn weiterhin ein Abstand zwischen dem vorstehenden Teil des Generatorteils der gezeigten Ausführungsform des Transformators zur Elektrode des Treiberteils kurz ist und somit eine Entladung verursachen kann, wird der vorstehende Teil nach dem Polarisationsvorgang bei einer Temperatur unterhalb oder gleich dem Curie-Punkt durchgeführt. Hierdurch kann die Entladung vermieden werden, um ein Absinken der Ausbeute zu verhindern.
Wie vorstehend angegeben, kann die vorliegende Erfindung, wie beansprucht, die Zuverlässigkeit des Transformators verbessern, indem ein piezoelektrischer Transformator realisiert wird, der eine Konstruktion hat, welche die jeweiligen Eingangs- und Ausgangsanschlüsse vollständig isolieren kann. Außerdem kann durch das Herstellverfahren, bei dem der Zeitpunkt der Ausbildung der Elektrode in Abhängigkeit von dem Isolationsabstand bestimmt wird, ein Herstellverfahren für den Transformator, das eine hohe Ausbeute erzielt, realisiert werden.

Claims

1. Piezoelektrischer Transformator zum Betrieb in einem tertiären Längsschwingungsmodus mit:

einem piezoelektrischen Körper (111, 114) in polarisiertem Zustand, Eingangselektroden (112, 116), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers vorgesehen sind und einen Teil aufweisen, der an einem Schwingungsknoten des piezoelektrischen Körpers angeordnet ist, und

einer Leitungselektrode (123), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers vorgesehen ist, wobei die Positionen von Übergängen (lila, 112a, 113c, 114c, 121b) zwischen externen Anschlüssen und jeweiligen Elektroden an Schwingungsknoten des piezoelektrischen Körpers angeordnet sind,

gekennzeichnet durch eine Erdungselektrode (124, 125), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers in einer Position von Spitzenschwingung angeordnet ist und einen Teil aufweist, der sich zu einem Schwingungsknoten des piezoelektrischen Körpers erstreckt und einen Übergang (122a, 123c) zu einem externen Anschluß an diesem Knoten aufweist, wobei die Erdungselektrode elektrisch von den Eingangselektroden isoliert ist.

2. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Körper (111, 114) Plattenform mit einer Länge aufweist, die 3/2 der Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Eingangselektroden (112, 116) auf einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche an beiden Enden des piezoelektrischen Körpers in Längsrichtung angeordnet sind, der piezoelektrische Körper einen Generatorteil aufweist, der im wesentlichen im Zentrum des piezoelektrischen Körpers angeordnet ist, wobei die Leitungselektrode im wesentlichen in der Mitte des Generatorteils angeordnet ist und wobei die Erdungselektrode ein Paar mit der Leitungselektrode bildet und sich um die Plattenform in Breitenrichtung erstreckt, wobei der Erstreckungsteil sich zumindest zu einer Seitenfläche des piezoelektrischen Körpers erstreckt.

3. Piezoelektrischer Transformator mit:

einem piezoelektrischen Körper (100) in Scheibenform, einem Treiberteil mit Eingangselektroden (311, 312), die auf der ersten und der zweiten Hauptoberfläche des piezoelektrischen Körpers ausgebildet sind, wobei die Eingangselektrode einen Teil aufweist, der an einem Schwingungsknoten des piezoelektrischen Körpers angeordet ist, und

einem Generatorteil mit einer Leitungselektrode (103), wobei die Positionen der Übergänge zwischen externen Anschlüssen und jeweiligen Elektroden mit Schwingungsknoten des piezoelektrischen Körpers übereinstimmen,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Scheibenform einen Durchmesser entsprechend 3/2 der Wellenlänge entsprechend der Resonanzfrequenz aufweist,

der Treiberteil im wesentlichen im Mittenteil des piezoelektrischen Körpers vorgesehen ist,

der Generatorteil am Umfang des piezoelektrischen Körpers angeordnet ist, und

daß eine Erdungselektrode (102) vorgesehen ist, die ein Paar mit der Leitungselektrode (103) bildet, wobei die Erdungselektrode (102) in einer Position der Spitzenschwin gung des piezoelektrischen Körpers angeordnet ist und einen Teil (105) aufweist, der sich von der Erdungselektrode aus zu einem Schwingungsknoten erstreckt und isoliert von den Eingangselektroden (101, 104) ist.

4. Herstellungsverfahren für einen piezoelektrischen Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem piezoelektrischen Körper (111, 114) in polarisiertem Zustand, Eingangselektroden (112, 116), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers vorgesehen sind, einer Leitungselektrode (123), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers vorgesehen ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch

einen ersten Schritt zur Ausbildung der Eingangselektroden und einer Erdungselektrode auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers, die von den Eingangselektroden elektrisch isoliert ist, und

einen zweiten Schritt zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den piezoelektrischen Körper nach dem ersten Schritt.

5. Herstellungsverfahren für eine piezoelektrischen Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem piezoelektrischen Körper (111, 114) in polarisiertem Zustand, Eingangselektroden (112, 116), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers vorgesehen sind, einer Leitungselektrode (123), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers vorgesehen ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch

einen ersten Schritt zur Ausbildung der Eingangselektroden (112-116),

einen zweiten Schritt zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den piezoelektrischen Körper nach dem ersten Schritt und

einen dritten Schritt zur Ausbildung einer Erdungselektrode auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers, die elek trisch isoliert von den Eingangselektroden sind, nach dem zweiten Schritt.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, wobei die Ausbildung der Erdungselektrode (124, 125) bei einer Temperatur unterhalb der Curietemperatur des piezoelektrischen Körpers durchgeführt wird.

7. Treiberverfahren zum Treiben eines piezoelektrischen Transformators nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

wobei an die Eingangselektroden eine Wechselspannung mit einer Frequenz angelegt wird, die der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Körpers entspricht,

gekennzeichnet durch Abnehmen einer Spannung, abhängig von der Schwingung des piezoelektrischen Körpers, an der Leitungs- und der Erdungselektrode (124, 125, 123).

8. Treiberverfahren zum Treiben eines piezoelektrischen Transformators nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei an die Leitungs- und die Erdungselektroden eine Wechselspannung mit einer Frequenz angelegt wird, die der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Körpers entspricht, gekennzeichnet durch das Abnehmen einer Spannung, die von der Schwingung des piezoelektrischen Körpers abhängt, an den Eingangselektroden (124, 125, 123).