DE69629228T2

DE69629228T2 - Verpackte piezoelektrische Transformatoranordnung

Info

Publication number: DE69629228T2
Application number: DE69629228T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Sugimoto; Yuji Kondo; Koichi Zama; Yuko Sato
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: EP0730312B1; US5747916A; KR960033153A; EP0730312A1; DE69629228D1; KR100219335B1

Description

Die vorliegende Eifindung betrifft eine piezoelektrische Transformatoreinheit zum Transformieren einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung unter Verwendung eines piezoelektrischen Elementes.
In Allgemeinen wird ein piezoelektrisches Element in einem Lautsprecher, Mikrofon und einer Kristallkassette für Phonoaufnahmen verwendet, um ein elektrisches Signal in eine mechanische Kraft, wie beispielsweise eine mechanische Vibration und umgekehrt zu transformieren.
Zusätzlich wurde kürzlich in Betracht gezogen, eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung durch die Verwendung eines derartigen piezoelektrischen Elementes zu transformieren. Anders ausgedrückt, es wurde eine Transformatoreinheit vorgeschlagen, die ein piezoelektrisches Element enthält und die als piezoelektrische Transformatoreinheit bezeichnet werden kann.
In der Praxis ist die piezoelektrische Transformatoreinheit häufig in einer Netzversorgungsschaltung, einer Treibschaltung und dergleichen, anstatt eines elektromagnetischen Transformators, der eine Primärspule und eine Sekundärspule hat, verwendet worden. Beispielsweise dient die piezoelektrische Transformatoreinheit dazu, die Treiberschaltung zu bilden, die eine Kaltkathoden-Fluoreszenzröhre in einem Flüssigkristallanzeigepaneel der Rücklichtbauart, eine Adapternetzversorgungsschaltung für ein übliches elektrisches Gerät und eine Hochspannungserzeugungsschaltung eines elektro nischen Kopiergerätes treibt. Es könnte sein, dass eine derartige piezoelektrische Transformatoreinheit durch eine elektromagnetische Welle nicht nachteilig beeinflusst wird.
Wie vorstehend angegeben, kann die piezoelektrische Transformatoreinheit die Eingangsspannung wie in einer elektromagnetischen Transformatoreinheit in die Ausgangsspannung transformieren, ungeachtet der Tatsache, dass das piezoelektrische Element, welches das elektrische Signal in die mechanische Kraft transformiert, in der piezoelektrischen Transformatoreinheit enthalten ist.
Herkömmlicherweise hat die piezoelektrische Transformatoreinheit zusätzlich zu dem piezoelektrischen Element eine Vielzahl von Eingangselektroden, die an dem piezoelektrischen Element befestigt sind, eine Vielzahl von Ausgangselektroden, die ebenfalls an dem piezoelektrischen Element befestigt sind und einer Vielzahl von den jeweiligen Eingangs- und Eingangselektroden führenden Leitern. Derartige Kombinationen von Eingangselektroden und Leitern können zusammen als ein erstes Elektrodenelement genannt werden, während solche Kombinationen aus Ausgangselektroden und Leitern als zweites Elektrodenelement bezeichnet werden können. Das piezoelektrische Element ist in einer vorbestimmten Richtung polarisiert, um die Ausgangsspannung in Antwort auf die Eingangsspannung zu induzieren.
Elektrische Verbindungen wurden so ausgeführt, dass eine derartige herkömmliche piezoelektrische Transformatoreinheit in die Netzversorgungsschaltung und die Treiberschaltung wie eine elektromagnetische Transformatoreinheit eingebaut werden kann. In diesem Fall sollte der piezoelektrische Transformator sorgfältig gehandhabt werden, weil das piezoelektrische Element ohne jegliche Verpackung unbedeckt ist. Daher ist sehr viel Geschick erforderlich, um die herkömmliche piezoelektrische Transformatoreinheit in die anderen Schaltungen einzubauen.
Als Regel sollten übliche piezoelektrische Umformer in einem Lautsprecher, einem Mikrofon oder dergleichen sich von der piezoelektrischen Transformatoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Veröffentlichung präzise unterscheiden, und sind durch eine breite Vielfalt von Gehäusen verkapselt. Solche Gehäuse für übliche piezoelektrische Umformer sind in den japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen Nrn. Sho 57-138,211 (nämlich 138,211/1983); Hei 2-213,210 (nämlich 213,210/1990); Hei 5-243,886 (nämlich 243,886/1993) und den japanischen ungeprüften Gebrauchsmusterveröffentlichungen Nrn. Sho 63-30,017 (30,017/1988); Sho 59-29,820 (29,820/1984) und Hei 4-85,823 (nämlich 85,823/1992) offenbart.
Um die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten, die bei der Montage hervorgerufen werden, zu klären, wurde die Verkapselung der piezoelektrischen Transformatoreinheit wie bei den üblichen piezoelektrischen Umformern in Betracht gezogen.
Hierbei ist anzumerken, dass die piezoelektrische Transformatoreinheit in der Netzversorgungsschaltung, die eine hohe elektrische Spannung entwickelt, enthalten ist. Anders ausgedrückt, das piezoelektrische Element für die piezoelektrische Transformatoreinheit wird unvermeidlich durch eine hohe Leistung von beispielsweise mehreren Watt getrieben, um einen hohen Vibrationspegel oder Größe zu erzielen. Daher muss das piezoelektrische Element für die piezoelektrische Transformatoreinheit verglichen mit demjenigen für übliche piezoelektrische Umformer eine große Größe und ein hohes Gewicht haben. Unter diesen Umständen wurde herausgefunden, dass Verpackungen, die für übliche piezoelektrische Umformer verwendet werden, nicht für die Verkapselung der piezoelektrischen Transformatoreinheit geeignet sind.
Die EP-A-O 148 361 offenbart eine piezokeramische Transformatorvorrichtung mit einer Verpackung, die aus Kunststoffen besteht, Eingangselektroden und Ausgangselektroden.
Die US-A-3,790,826 offenbart eine Hochspannungserzeugungsvorrichtung, die ein Gehäuse, Keramiktransformatoren, Eingangsleitungsdrähte und Ausgangsleitungsdrähte hat.
Die JP-A-06037366 offenbart eine Vorrichtung mit einem Gehäuse aus wärmebeständigem Harz, Metallleiteranschlüssen zum Anschließen des piezoelektrischen Keramiktransformators, Knotenteilen und Vorsprüngen.
Die JP-A-07079028 offenbart ein piezoelektrisches Keramikelement, eine Isolierrahmeneinheit, Metallleiteranschlüsse und Elektroden, die an den Knotenregionen vorgesehen sind.
Die EP-A-O 748 935, die unter Art. 54(3) EPC fällt, offenbart eine Zündvorrichtung, die eine Verpackung, ein Transformatorelement, Eingangselektroden und Ausgangselektroden aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung:
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Transformatoreinheit zu schaffen, die leicht bei dem Einbauen der piezoelektrischen Transformatoreinheit in eine andere Schaltung, wie beispielsweise eine Netzversorgungsschaltung gehandhabt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrische Transformatoreinheit der beschriebenen Art zu schaffen, die in eine Verpackung verkapselt ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfmdung ist es, eine piezoelektrische Transformatoreinheit der beschriebenen Bauart zu schaffen, die für die Verkapselung eines schweren und großen piezoelektrischen Elementes geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrische Transformatoreinheit der beschriebenen Bauart zu schaffen, die bevorzugt einem externen Stoß und externer Vibration widerstehen kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrische Transformatoreinheit der beschriebenen Bauart zu schaffen, die Rauschen unterdrücken kann.
Es ist eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfmdung, eine piezoelektrische Transformatoreinheit der beschriebenen Bauart zu schaffen, die selbst dann mechanisch stabil ist, wenn das piezoelektrische Element in starke Schwingung versetzt wird.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gezeigt.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Transformatoreinheit gemäß einem ersten Beispiel, das keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ist eine Draufsicht auf die piezoelektrische Transformatoreinheit gemäß 1;
3 ist eine Ansicht im Schnitt durch die piezoelektrische Transformatoreinheit gemäß 1 entlang einer Schnittlinie III-III;
4 ist eine Ansicht im Schnitt durch die in der 1 veranschaulichte piezoelektrische Transformatoreinheit entlang einer Schnittlinie N-N;
5(a) und 5(b) sind eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Leiters, der in der 4 veranschaulicht ist;
6(a) und 6(b) sind eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht auf einen anderen Leiter, der in der 4 verwendet werden kann;
7(a) und 7(b) sind Ansichten im Schnitt einer piezoelektrischen Transformatoreinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um die Struktur und die Funktionsweise zu beschreiben;
8(a) und 8(b) sind Ansichten im Schnitt der piezoelektrischen Transformatoreinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzw. einer Modifikation der dritten Ausführungsform;
9 ist eine Ansicht im Schnitt durch einen Vorsprung, der in den 8(a) und 8(b) verwendet werden kann;
10 ist eine Draufsicht auf eine weitere piezoelektrische Transformatoreinheit gemäß einem Beispiel, das keine Ausführungsform ist;
11(a), (b), (c) und (d) sind perspektivische Ansichten der Leiter;
12 ist eine Draufsicht zur Verwendung bei der Beschreibung einer vorzuziehenden Beziehung zwischen einem Leiter und einer Verpackung; und
13(a) und 13(b) sind vergrößerte Seitenansichten zur Verwendung bei der Beschreibung der Kontaktteile der Leiter.
Beschreibung der Beispiele die keine Ausführungsformen sind und der bevorzugten Ausführungsformen:
Bezugnehmend auf 1, hat eine piezoelektrische Transformatoreinheit gemäß einem Beispiel, das jedoch keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ein piezoelektrisches Transformatorelement 11, welches im Folgenden als piezoelektrisches Transformatorelement bezeichnet wird, und das beispielsweise NEPEC 8, hergestellt und verkauft von der Firma Tokin Corporation, Sendai, Japan, sein kann. Das piezoelektrische Transformatorelement 11 hat eine rechteckige Parallelepipedform, die durch Länge, Breite und Dicke definiert ist, wie dies in 1 gezeigt ist, und in der Praxis 42,0 mm lang, 10,0 mm breit und 1,0 mm dick ist. Hierbei ist das piezoelektrische Transformatorelement 11 mit der rechteckigen Parallelepipeform durch eine Vorderseite, die in 1 nach oben gerichtet ist, eine Rückseite, die nach unten gerichtet ist, eine vordere Seitenfläche, die nach vorne gerichtet ist, eine rückwärtige Seitenfläche, die nach rückwärts gerichtet ist, eine links liegende Seitenfläche und eine rechts liegende Seitenfläche definiert.
Ein erstes Paar von Eingangselektroden 12a sind jeweils an einer linken Seitenfläche der Vorderseite und der Rückseite des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 einander gegenüberliegend befestigt, obwohl die Eingangselektrode des ersten Paares, das an der Rückseite des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 befestigt ist, nicht dargestellt ist. Ein zweites Paar Eingangselektroden 12a sind jeweils an einer rechten Seitenfläche der Vorderseite und der Rückseite des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 und einander gegenüberliegend befestigt. Wie in der 1 gezeigt, sind die Eingangselektroden 12a und 12b des ersten und zweiten Paares voneinander entfernt an den Vorder- und Rückseiten.
An einer mittleren Fläche jeder der Vorder- und Rückseiten des piezoelektrischen Transformatorelementes und zueinander gegenüberliegend sind ein Paar Ausgangselektroden 14 befestigt. Die Ausgangselektroden 14 haben zu den ersten und zweiten Paaren Eingangselektroden 12a und 12b einen Abstand.
Die ersten und zweiten Paare Eingangselektroden 12a und 12b und das Ausgangselektrodenpaar 14 sind durch Strukturieren einer dicken Filmpaste aus AgPd unter Verwendung einer Siebdrucktechnik und durch Einbrennen einer strukturierten Platte ausgebildet worden. Danach ist das piezoelektrische Transformatorelement 11 polarisiert worden. Solche erste und zweite Paare Eingangselektroden 12a und 12b und Ausgangselektroden 14 sind an Positionen platziert, an welchen Knoten einer mechanischen Vibration an dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 erscheinen würden. Als ein Ergebnis hat das piezoelektrische Transformatorelement eine symmetrische Rosen-Bauart dritter Ordnung, das in einem Longitudinalschwingungsmodus in der dritten Ordnung betrieben werden kann.
Das dargestellte piezoelektrische Transformatorelement 11 ist in ein Gehäuse 20 gepackt, das einen oberen Gehäuseteil 21 und einen unteren Gehäuseteil 22 aufweist, die jeweils aus einem synthetischen Kunstharzmaterial, beispielsweise Vectora A-130, hergestellt und verkauft von Nippon Polyplastic Company Limited, bestehen. Der obere Gehäuseteil 21 ist mit dem unteren Gehäuseteil 22 so verbunden, dass innerhalb der oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 ein Hohlraum oder ein innerer Hohlraum bestehen bleibt. Konsequenterweise ist das piezoelektrische Transformatorelement 11 in dem Hohlraum des Gehäuses 20 verkapselt, wenn die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 mechanisch miteinander verbunden sind. Wie leicht aus der 1 zu ersehen ist, hat jeder der oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 eine Länge oder eine vorbestimmte Richtung zwischen der linken Seite der 1 und der rechten Seite derselben, während die Richtung der Breite rechtwinklig zur Längsrichtung ist und durch eine Richtung von der Vorderseite zur Rückseite der 1 definiert ist. Darüber hinaus ist die Richtung der Dicke durch eine Richtung rechtwinklig zu den Richtungen von Länge und Breite definiert.
Genauer gesagt, hat der obere Gehäuseteil 21 einen flachen Paneelteil 21a, vordere und rückwärtige Seitenkantenteile 21b, die von dem flachen Paneelteil 21a nach unten gerichtet sind, Vorsprünge 21c, die an den vorderen und rückwärtigen Seitenkantenteilen 21b mit einer vorbestimmten Länge nach unten vorstehen und linke und rechte Seitenenden 21d, die nach unten gerichtet sind und sich zwischen den vorderen und rückwärtigen Seitenkantenteilen 21b erstrecken.
Der untere Gehäuseteil 22 andererseits hat einen flachen Bodenteil 22a, vordere und rückwärtige Seitenklemmteile 22b, die mit den Vorsprüngen 22b verklemmt werden, Seitenwandteile 22c, die die vorderen und rückwärtigen Seitenklemmteile 22b fortsetzen, und linke und rechte Seitenendkontaktteile 22d, die mechanisch mit den linken und rechten Seitenenden 21d des oberen Gehäuseteils 21 in Berührung gebracht werden. Zusätzlich hat der flache Bodenteil 22a drei parallele Öffnungen, die in einem mittleren Teil des flachen Bodenteils 22a ausgebildet sind. Durch diese Konstruktion können die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 manuell miteinander durch Schnapppassung verbunden werden und können einfach zusammengebaut werden.
Somit ist das Gehäuse 20 selbst nur durch die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 gebildet und hat daher eine sehr einfache Konstruktion. In der Praxis hat das Gehäuse 20 eine Größe von 45,0 × 13,0 × 3,3 mm.
Weiterhin erstrecken sich drei obere Leiter 25a, 25b und 25c durch die rückwärtigen Seitenkantenteile 21b von der Rückseite des Gehäuses 20 in Richtung auf die Vorderseite. Ähnlich erstrecken sich drei untere Leiter 26a, 26b und 26c durch die Seitenwandteile 22c in Richtung der Breite von der Vorderseite der 1 auf die Rückseite hin. Die unteren Leiter 26a, 26b und 26c haben innen liegende Enden, die oberhalb der drei parallelen Öffnungen liegen, die in dem flachen Bodenteil 22a ausgebildet sind, und außen liegende Enden, die außerhalb des Gehäuses 20 platziert sind.
Jeder der oberen und unteren Leiter 25a bis 25c und 26a bis 26c besteht aus mit Zinn plattierter Phosphorbronze. Wie die unteren Leiter 26a bis 26c hat jeder der oberen Leiter 25a bis 25c ein geformtes, innen liegendes Ende, das jeweils mit einer der Elektroden 12a, 12b und 14 in Kontakt steht und ein außen liegendes Ende, das außerhalb des Gehäuses 20 platziert ist, wie dies später im Einzelnen beschrieben wird.
Jeder der oberen und unteren Leiter 25a bis 25c und 26a bis 26c ist durch die Rückseitenkantenteile 21b und die Seitenwandteile 22c in den Hohkaum des Gehäuses 20 eingegossen. Die äußeren Enden der oberen und unteren Leiter 25a bis 25c sind unter Verwendung einer Form zu einer vorbestimmten Konfiguration durch Biegen geformt. Somit kann die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 an eine externe Schaltung elektrisch angeschlossen werden, um eine Netzversorgungsschaltung oder dergleichen zu bilden.
Bezugnehmend auf die 2 bis 4 sind drei Knoten mit N1, N2 und N3 in den 2 und 3 angegeben, die an den Vorder- und Rückseiten des dargestellten piezoelektrischen Transformatorelementes 11 erscheinen, wenn ein Treibsignal mit einer Treibfrequenz gegeben ist. Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind die ersten und zweiten Paare Eingangselektroden 12a und 12b und die Ausgangselektroden 14 so an das piezoelektrische Transformatorelement 11 angelegt, dass jede Elektrode jeweils einen Knoten N1 bis N3 abdeckt. Zusätzlich sind die oberen und unteren Leiter 25a bis 25c und 26a bis 26c jeweils an den Knoten N1 bis N3 befestigt. Wie in der 3 gezeigt, liegen die Öffun gen in dem unteren Gehäuseteil 22 unter den jeweiligen unteren Leitern 26a bis 26c. Als ein Ergebnis wird das dargestellte piezoelektrische Transformatorelement 11 sowohl von den Vorder- als auch Rückseiten durch die oberen und unteren Leiter 25a bis 25c und 26a bis 26c an den gleichen Positionen wie die Knoten N1 bis N3 gepresst oder gestützt.
Wie in der 4 veranschaulicht, erstreckt sich der obere Leiter 25b durch den oberen Gehäuseteil 21, in der 4 gesehen nach rechts, und ist mit der Eingangselektrode 12b, die an der Vorderseite des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 ausgebildet ist, in Kontakt gebracht. Andererseits erstreckt sich der untere Leiter 26b durch den unteren Gehäuseteil 22 nach links und ist mit der Eingangselektrode 12b, die an der Rückseite des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 in Kontakt gebracht.
Aus den 3 und 4 ist leicht zu ersehen, dass die oberen und unteren Leiter 25b und 26b sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen erstrecken und in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind. Zusätzlich ist anzumerken, dass das geformte, innen liegende Ende des oberen Leiters 25b eine andere Konstruktion als diejenige des unteren Leiters 26b hat.
Kurzzeitig bezugnehmend auf die 5(a) und (b) zusammen mit 4, ist das geformte, innen liegende Ende des oberen Leiters 25b in Form einer Rippe gebogen, die sich entlang einer Linie von 0,5 mm Breite erstreckt, und die, in der 4 gesehen, nach unten gerichtet ist. Daraus folgend wird eine Kontaktlinie mit der Eingangselektrode 12b geschaffen.
Wie in Verbindung mit den 1, 3 und 4 erwähnt, sind in dem unteren Gehäuseteil 22 unterhalb der geformten, innen liegenden Enden der unteren Leiter 26a, 26b und 26c Öffnungen ausgebildet. Solche Öffnungen sind sehr hilfreich, um Wärme abzustrahlen, die an Kontaktteilen zwischen den geformten, innen liegenden Enden und den Elektroden erzeugt wird. Darüber hinaus dienen solche Öffnungen zum Reinigen des Hohl raums des Gehäuses 20 durch ein Reinigungslösungsmittel und zum Absaugen des Reinigungslösungsmittels beim Trocknen.
Zurück zu 4, hat das geformte, innen liegende Ende des unteren Leiters 26b eine rechteckige Form mit 0,5 × 1,0 mm und bildet einen Flächenkontakt.
Praktisch wirkt jeder der oberen und unteren Leiter, wie beispielsweise 25b und 26b, als eine Blattfeder, die einen festgelegten Punkt oder Stützpunkt hat, der durch jeden der oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 eingegossen ist. Das heißt, dass das piezoelektrische Transformatorelement 11 durch drei Paare Blattfedern gehalten wird, die mit den Vorder- und Rückseiten des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 in Kontakt stehen. Hierbei ist es vorzuziehen, dass die Blattfedern jedes Paares die gleiche Federkonstante haben, obwohl diese Erfindung nicht immer auf Blattfedern mit einer im Wesentlichen gleichen Federkonstante beschränkt ist.
Die oberen und unteren Leiter, wie beispielsweise 25b und 26b, können durch einen sehr einfachen Biegevorgang erhalten werden. Diese Konstruktion ermöglicht. die Verbesserung der Präzision des Biegevorganges und die ausgezeichnete Lebensdauer der Blattfedern. Zusätzlich kann eine einfache Konstruktion jeder dieser oberen und unteren Leiter, wie beispielsweise 25b und 26b, leicht gestaltet und mit engen Toleranzgrenzen hergestellt werden.
Tatsächlich werden die oberen und unteren Leiter an oberen und unteren Leiterrahmen befestigt, während die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 durch Gießen hergestellt werden. Diese Leiter erleichtern die Gestaltung des Leiterrahmens und einer Form für die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22, was auch dazu dient, die Herstellkosten zu reduzieren.
Was die Konstruktion der Blattfedern, welche durch die oberen und unteren Leiter gebildet sind, betrifft, ist das piezoelektrische Transformatorelement duch die oberen und unteren Leiter gegenüber externem Stoß oder Schock stabil gehalten, weil jeder der un teren Leiter einen Flächenkontakt bildet. Insoweit als das piezoelektrische Transformatorelement 11 zwischen den oberen und unteren Leitern angeordnet ist, die eine im Wesentlichen gleiche Federkonstante haben, sind die Kontaktteile zwischen den Leitern und den Elektroden infolge der zu dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 symmetrischen Blattfedern stabil gehalten, selbst wenn das piezoelektrische Transformatorelement 11 entweder von oben oder von unten mit einem mechanischen Stoß beaufschlagt wird.
Hierbei sollte die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 eine elektrische Charakteristik und eine mechanische Charakteristik sicherstellen, weil das piezoelektrische Transformatorelement 11 im Vergleich mit üblichen piezoelektrischen Elementen mit großer Größe schwingt. Im Einzelnen sollten die Kontaktteile zwischen den Leitern und den Elektroden gegenüber einer derartigen großen Schwingung ohne Energieumwandlungsverlust festgehalten sein.
Insoweit ist die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung überprüft worden, um die elektschen und mechanischen Charakteristika auf die folgende An und Weise zu ermitteln.
Beim Testen der elektrischen Charakteristika ist eine Wechselspannung mit einer Treibfrequenz von ungefähr 115 kHz an die Innenseite der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 angelegt worden, wobei an die Ausgangsseite eine Scheinbelastung angelegt ist. In diesem Fall wird angenommen, dass die Scheinbelastung eine Kaltkathoden-Fluoreszenzröhre ist und aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes mit 100 kΩ und einer Kapazität von 15 pF zusammengesetzt ist. Unter diesen Umständen ist ein Zündtest in Verbindung mit der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 simuliert worden, um die elektrischen Eingangs- und Ausgangsströme und -spannungen, die elektrische Leistung und die Energie abgebenden Temperaturen der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 zu messen.
Beim Testen der mechanischen Charakteristik sind ein Schwingungstest und ein Stoßtest in Verbindung mit der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 durchgeführt worden. Bei den Schwingungs- und Stoßtests wird entlang der Länge, der Breite und der Dicke des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 eine rechtwinklige Koordinate bestimmt. Im Einzelnen werden eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse der rechtwinkligen Koordinate jeweils entlang der Länge, der Breite und der Dicke bestimmt. In der Praxis ist der Schwingungstest bei 19,6 bis 49,0 m/s² (2 bis 5 G) jeweils entlang der x-, der y- und der z-Achse durchgeführt worden, während der Stoßtest bei 196 bis 980 m/s² (20 bis 100 G) für 11 Millisekunden jeweils entlang der x-, der y- und der z-Achse durchgeführt worden ist.
Vor und nach jedem der Vibrations- und Stoßtest sind Änderungen der elektrischen Charakteristika gemessen worden. Weiterhin ist auch ein Stoß-Zünd-Test bei 196 bis 980 m/s² (20 bis 100 G) für 11 Millisekunden entlang der x-, der y- und der z-Achsen durchgeführt worden. Während des Stoß-Zünd-Tests ist die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 getrieben worden und die Kaltkathoden-Fluoreszenzröhre ist gezündet worden, um zu überprüfen, ob ein Zündzustand infolge eines geöffneten Zustandes zwischen den Kontaktteilen und den Leitern sofort unterbrochen worden ist oder nicht.
Unter den elektrischen Charakteristika der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 ist die Leistungsumwandlungseffizienz wichtig, die aus der Beziehung zwischen der elektrischen Eingangsleistung und der elektrischen Ausgangsleistung berechnet wird. Im Hinblick auf das Einsparen von Energie einer Batterie ist die Leistungsumwandlungseffizienz vorzugsweise hoch. Für diesen Zweck ist es vorzuziehen, dass eine Presskraft zwischen den Leitern und den Elektroden des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 schwach ist und dass die Kontaktflächen zwischen den Leitern und dem piezoelektrischen Transformatorelement klein sind.
Gemäß der experimentellen Untersuchungen der Erfinder wurde herausgefunden, dass dann eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz erzielt wird, wenn die Presskraft der Leiter nicht größer als 1,176 N (120 grf) für jeden Kontakt für eine Gewichtseinheit des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 ist. Tatsächlich ist die Leistungsumwandlungseffizienz verglichen mit dem Fall, bei dem keine Presskraft zwischen Leitern und piezoelektrischem Transformatorelement 11 beaufschlagt worden ist, nur um 0,5% reduziert worden.
Wenn jedoch die Presskraft 1,176N (120 grf) übersteigt, ist die Leistungsumwandlungseffizienz drastisch reduziert worden und die Energie abgebende Temperatur hat sich an den Kontaktteilen zwischen den Leitern und den Elektroden laufend erhöht. Als ein Ergebnis ist die Vibration des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 infolge der hohen Temperatur der Kontaktteile nachteilig beeinträchtigt worden.
Wenn andererseits die Rate der Flächenkontakte zwischen den Elektroden und den Leitern nicht 0,5% der Gesamtfläche entweder der Vorderfläche noch der Rückfläche des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 überschreitet, ist die Leistungsumwandlungseffizienz im Vergleich mit dem Fall, bei dem keine Presskraft beaufschlagt worden ist, nur um 0,5% reduziert worden. Somit ist durch die Reduzierung der Flächen der Kontaktteile eine hohe Leistungsumwandlungseffizienz erzielt worden. Wenn im Gegenteil hierzu die Rate der Flächenkontakte 0,5% überschreitet, ist die Leistungsumwandlungseffizienz stark reduziert worden und die Temperatur hat sich an den Kontaktteilen des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 wie vorstehend erhöht.
Während des Stoß-Zünd-Testes ist es vorzuziehen, dass an der Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe durch eine leichte Schwingung, die üblicherweise der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 verliehen wird, kein Flackern stattfindet. Dies ist, weil, selbst wenn die Kaltkathoden-Fluoreszenzröhre mit einer Periode von beispielsweise mehreren zehn Millisekunden flackert, dass sich eine Bedienungsperson unbehaglich fühlt.
Unter diesen Umständen hat es sich bestätigt, dass die Kontaktteile zwischen den Leitern und dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 gegenüber externer Schwingung und Stoß oder Schock unter der Bedingung stabil gehalten worden sind, dass die Presskraft der Leiter nicht kleiner als 1,176 N (120 grf) an jedem Kontaktteil, bezogen auf das Einheitsgewicht des piezoelektrischen Transformatorelementes 11. In jedem Fall ist bestätigt worden, dass die Kontaktteile vorzugsweise einem externen Schock, der gleich oder größer als 196 m/s² (20 G) widerstehen können.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden hat die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 gemäß dem ersten Beispiel, das keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, vorzugsweise eine Presskraft zwischen 0,196 bis 1,176 N (20 bis 120 grf) an jedem Kontaktteil pro Einheitsgewicht des piezoelektrischen Transformatorelementes 11. Zusätzlich ist die Rate des Flächenkontaktes jedes Kontaktteils, bezogen auf die Rückseitenfläche, in einem Bereich gewählt, der nicht größer als 0,5% ist.
Solange als das piezoelektrische Transformatorelement 11 durch die Leiter innerhalb der vorstehenden Bereiche der Presskraft und der Rate des Flächenkontaktes gehalten wird, kann das piezoelektrische Transformatorelement 11 sich frei in dem Hohlraum des Gehäuses 20 innerhalb eines vorbestimmten Spaltes selbst dann bewegen, wenn die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 mit externem Stoß oder Schock beaufschlagt wird. Dadurch wird es möglich, die externe Belastung und einen Wärmeschock oder eine Wärmebelastung zu minimieren und dies ermöglicht eine Verbesserung der Leistungsumwandlungseffizienz.
Bezüglich der anderen elektrischen und mechanischen Charakteristika als der Leistungsumwandlungseffizienz und dem Stoß-Zünd-Test sind ausgezeichnete Ergebnisse erzielt worden.
Bei dem veranschaulichten Beispiel sind die Leiter 25 und 26 als aus Phosphorbronze bestehend angegeben worden. Es können jedoch statt Phosphorbronze auch 42-Nickel-Legierung, Messing, Berylliumkupfer oder dergleichen verwendet werden. Anstatt der Zinnplattierung kann eine Nickelplattierung, eine Indiumplattierung, eine Bleilegierungszinnplattierung, eine Goldplattierung, eine Palladiumplattierung oder deren Verbundplattierungen ausgeführt werden, um die Leiter zu bilden. Insbesondere hat sich die Nickelplattierung im Vergleich zur Zinnplattierung als wirksam erwiesen.
Als ein Gießharzmaterial ist in dem vorstehenden Beispiel Vectora A-130, das als Flüssigkristallpolymer bekannt geworden ist, angegeben worden, um den oberen und unteren Gehäuseteil 21 und 22 zu bilden. Das Gießharzmaterial kann jedoch auch ein anderes Flüssigkristallpolymer, wie beispielsweise SumikaSuper (hergestellt und verkauft von Sumitomo Chemical Company, Limited, Osaka, Japan), NOVACCURATE (hergestellt und verkauft von Mitsubishi Kasei Corporation, Tokyo, Japan) oder ein Polyphenylensulfidharz, sein.
Bezugnehmend auf die 6(a) und (b) zusammen mit der 4, wird ein anderes geformtes, innen liegendes Ende des oberen Leiters 25' unter der Annahme gezeigt, dass das geformte, innen liegende Ende des unteren Leiters, wie beispielsweise 26b, den Flächenkontakt bildet, wie dies in Verbindung mit der 4 erwähnt worden ist. In den 6(a) und (b) ist an dem dargestellten, geformten, innen liegenden Ende des oberen Leiters 25' ein halbkugelförmiger Tei1 251 ausgebildet, um zwischen dem oberen Leiter 25 und der Elektrode, wie beispielsweise 12b, einen punktförmigen Kontakt zu bilden. Diese Konstruktion kann, verglichen mit derjenigen der 5(a) und (b), die einen linienförmigen Kontakt schaffen, die Kontaktfläche verringern. Eine derartige Reduktion der Kontaktfläche kann auch dadurch bewerkstelligt werden, dass die Oberfläche an dem innen liegenden Ende des oberen Leiters in Maschenform oder dergleichen bearbeitet ist.
Bezugnehmend auf 7(a), hat eine piezoelektrische Transformatoreinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine ähnliche Konstruktion, mit Ausnahme, dass die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 gegenüber den in der 4 gezeigten etwas verändert sind. Genauer gesagt, haben die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 an ihrer Innenseite Plateauteile 31 und 32, die in 7 in den Hohlraum teilweise nach unten und nach oben vorstehen, und die mit den übrigen Teilen der oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 einstfückig ausgebildet sind. Die innen liegenden Plateauteile 31 und 32 befinden sich neben oder anschließend an die Seitenwände der oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22.
In dem dargestellten Beispiel erstrecken sich die oberen und unteren Leiter 25 und 26 (Suffixe sind weggelassen) durch die Seitenwände der oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 und sind teilweise auf den innen liegenden Plateauteilen 31 und 32 aufliegend. Anders ausgedrückt, berührt der obere Leiter 25 mit seiner Oberseite den oberen Gehäuseteil 21 und wird von diesem gestützt, während der untere Leiter 26 mit seiner Unterseite das untere Gehäuse 22 berührt und von diesem gehalten wird. Auf jeden Fall dienen die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 dazu, die oberen und unteren Leiter 25 bzw. 26 nicht durch die Seitenwände, sondern auch durch die innen liegenden Plateauteile durch Gießen zu fixieren.
Durch diese Konstruktion ist es möglich, die Eigenfrequenz im Primärmodus jedes Leiters auf eine Frequenz zu erhöhen, die höher als eine hörbare Frequenz ist. Dies zeigt, dass die Eigenfrequenz des dargestellten Leiters höher als desjenigen Leiters ist, der in Verbindung mit den 1 bis 4 veranschaulicht worden ist.
In der Praxis ist ein Rauschpegel (durch einen Schalldruckpegel spezifiziert: eine Charakteristik) in Verbindung mit der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10, die in der 7(a) dargestellt ist, gemessen worden, wobei die Einheit 10 wie bei der ersten Ausführurigsform getrieben und mit großer Größe in Schwingung versetzt worden ist. Folglich wurde herausgefunden, dass bei der ersten Ausführungsform der Rauschpegel sich, verglichen mit dem ersten Beispiel um ungefähr 3 dB verbessert hat. Dies könnte auf der Tatsache basieren, dass die Schwingung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 direkt auf die Leiter 25 und 26 übertragen wird.
Tatsächlich ist eine Laser-Doppler-Messung durchgeführt worden, um die Schwingungen der Leiter und die Schwingung des Gehäuses 20 zu bestätigen. Die Ergebnisse der Messung haben gezeigt, dass der Schwingungspegel der Leiter etwas höher als der Schwingungspegel des Gehäuses 20 ist. Das heißt, dass die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 mit einem niedrigen Rauschpegel errichtet werden kann, indem die Eigenfrequenz des Primärmodus der Leiter, wie beispielsweise 25, 26, auf eine Fre quenz höher als die hörbare Frequenz erhöht wird. Zusätzlich wurde bestätigt, dass die . dargestellte Einheit 10 ähnliche elektrische und mechanische Charakteristika wie diejenigen des ersten Beispiels hat.
Es wurde hierbei herausgefunden, dass die oberen und unteren Leiter 25 und 26, die als die Blattfedern wirken, innerhalb eines vorgewählten Bereiches in einer Richtung entlang der z-Achse verformt sein sollten, um ein Lösen der oberen und unteren Leiter 25 und 26 von dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 zu vermeiden. Dies berücksichtigend, wurde ein Presshub der oberen und unteren Leiter 25 und 26 unter Bezugnahme auf die 7(b) in Betracht gezogen, um eine derartige Lösung der Leiter 25 und 26 zu vermeiden, und um die mechanische Festigkeit der Leiter 25 und 26 gegenüber mechanischem Schock oder Stoß sicherzustellen. Dies führt zu einer Sicherstellung der Lebensdauer der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10.
Hierbei ist der Presshub durch die Beziehung zwischen der Dicke t1 des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 und einem Abstand D1 definiert, der zwischen den Kontaktteilen der oberen und unteren Leiter 25 und 26 bleibt, wenn das piezoelektrische Transformatorelement 11 nicht in dem Gehäuse 10 platziert ist. Genauer gesagt, ist der Presshub durch (t1 – D1) gegeben und ist als ein Rückfederabstand der oberen und unteren Leiter spezifiziert.
Gemäß der experimentellen Untersuchungen der Erfinder ist es vorzuziehen, dass der Presshub gleich 0,5 mm oder dergleichen ist.
Wenn zusätzlich die Federkonstanten der oberen und unteren Leiter 25 und 26 im Wesentlichen einander gleich sind, ist es möglich, den Presshub in Richtung der z-Achse zu maximieren. Dies zeigt, dass die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 gegenüber mechanischem Stoß sehr stark ist.
Bezugnehmend auf 8(a) ist eine piezoelektrische Transformatoreinheit 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in ihrer Konstruktion ähnli the wie die in der 7 dargestellt, mit Ausnahme, dass die oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 erste und zweite Gießvorsprünge 36 und 37 haben, die in der 8 an der Innenseite der ebenen Oberfläche des oberen Gehäuseteils 21 nach unten bzw. an der innen liegenden Bodenfläche des unteren Gehäuseteils 22 nach oben gerichtet sind.
Bei der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 kann infolge der Federcharakteristik der Leiter 25 und 26 eine mechanische Bewegung auftreten, wenn die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 mit einem starken mechanischen Schock oder Stoß beaufschlagt wird. Unter Berücksichtigung des Vorstehenden dienen die ersten und zweiten angegossenen Vorsprünge 36 und 37 dazu, die mechanische Bewegung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 zu beschränken.
In der 8(a) hat jeder der ersten und zweiten Gießvorsprünge 36 und 37 im Querschnitt eine runde Form, einen Durchmesser von 1,0 und eine Höhe von 0,4 mm. Mit dieser Konstruktion kann die Summe aus den Spalten zwischen dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 und jedem der Vorsprünge 36 und 37 vorzugsweise in den Bereich von 0,1 bis 0,2 mm fallen.
Bezugnehmend auf 8(b) ist eine piezoelektrische Transformatoreinheit 10 gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung, wie sie in der 8(a) dargestellt ist, gezeigt, die eine ähnliche Konstruktion wie die in der 8(a) gezeigte hat, mit Ausnahme, dass zwei der ersten Vorsprünge 36' und 36" an dem oberen Gehäuseteil 21 nach unten vorstehend, während an dem unteren Gehäuseteil 22 zwei zweite Vorsprünge 37' und 37" nach oben vorstehen. Jeder der ersten und zweiten Vorsprünge 36', 36", 37' und 37" hat eine Höhe von beispielsweise 0,4 mm, wobei die Summe der vorstehend genannten Spalte mit 0,15 mm erhalten bleibt.
Jedenfalls dienen solche Vorsprünge 36, 37, 36' bis 37" dazu, die Drehbewegung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 zu beschränken und eine irreguläre Schwingung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 infolge der Verschiebung der Kontaktteile zu unterdrücken. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass der Rauschpegel unter Verwendung der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10, wie sie in den 8(a) und (b) dargestellt worden ist, verringert hat.
Alternativ kann jeder der ersten und zweiten Gießvorsprünge 36 und 37 im Querschnitt eine zylindrische Form haben, wie dies in der 9 gezeigt ist. Der dargestellte zylindrische Vorsprung hat einen Durchmesser von 1,0 mm und eine Höhe von 0,4 mm.
In 10 kann eine Anzahl von kleinen Vorsprüngen 38 an der Innenseite des oberen oder unteren Gehäuseteils 21 oder 22 entlang des Umfangs des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 verteilt sein. Die kleinen Vorsprünge 38 sind bei der Beschränkung der Bewegung nach außen des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 hilfreich und können eine halbkugelförmige Form und einen Durchmesser von 0,2 mm im Querschnitt haben.
In der Praxis erstreckt sich jeder der kleinen Vorsprünge 38, die entlang der Längsrichtung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 angeordnet sind, in einer zylindrischen Form in einer Richtung rechtwinklig zu der Zeichenebene und ist innerhalb der Zeichenebene auf das piezoelektrische Transformatorelement 11 gerichtet, wobei zwischen den kleinen Vorsprüngen 38 und den Vorder- und Rückseitenflächen des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 Spalte bleiben. Die Summe der Spalte ist innerhalb eines. Bereiches zwischen 0,1 und 0,2 mm gewählt. Wenn die Summe der Spalte gleich 0,2 mm wird, hat sich die Änderung der Leistungsumwandlungseffizienz nur um weniger als 0,3% reduziert.
Die piezoelektrische Transformatoreinheit 10, die in 8(a) dargestellt ist, ist den in Verbindung mit dem ersten Beispiel und der ersten Ausführungsform beschriebenen elektrischen und mechanischen Tests unterzogen worden. Als ein Ergebnis hat sich bestätigt, dass die dargestellte piezoelektrische Transformatoreinheit 10 einen verbesserten Pegel von 100 G oder darüber bei dem Stoß-Zünd-Test zeigt und dass in dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 weder ein Abblättern noch Risse auftreten, selbst wenn die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 mit einem mechanischen Stoß beaufschlagt wird. Ähnliche Ergebnisse wie bei dem ersten Beispiel und der ersten Ausführungsform sind bei den elektrischen und mechanischen Tests erzielt worden.
In jedem Fall ist anzumerken, dass die Knoten N1 bis N3, die in den 2 und 3 gezeigt sind, nicht vollständig fixiert sind, was dazu dient, den Einfluss von Wärmeschock zu vermeiden, und um eine hohe Energieumwandlungseffizienz zu bewerkstelligen.
Bezugnehmend auf die 11(a), (b), (c) und (d), sind in diesen Modifikationen bezüglich der Kombinationen von oberen und unteren Leitern 25 und 26 angegeben. In der 11(a) haben sowohl der obere als auch der untere Leiter 25 und 26 ebene, innen liegende Enden 41 und 42, um das piezoelektrische Transformatorelement 11 (in dieser Figur nicht gezeigt) zu halten. Mit dieser Konstruktion bilden die Kontaktteile zwischen dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 und jedem der oberen und unteren Leiter 25 und 26 Flächenkontakte. Diese Konstruktion dient dazu, eine unerwünschte Bewegung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 zu den Kontaktteilen gegenüber mechanischem Stoß innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 10 zu vermeiden. Anders ausgedrückt, ist es mit dieser Konstruktion möglich, die Zuverlässigkeit der Kontaktteile zu verbessern, weil die Kontaktflächen zwischen den innen liegenden ebenen Enden 41 und 42 und dem piezoelektrischen Transformatorelement breit werden.
In der 11(b) hat jeder der oberen und unteren Leiter 25 und 26 ein winkelförmiges, innen liegendes Ende 41' bzw. 42', das mit dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 in Berührung gebracht ist. Die Kontaktteile zwischen dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 und jedem der oberen und unteren Leiter 25 und 26 bilden Linienkontakte, die dazu dienen, eine unerwünschte Bewegung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 bei externem mechanischem Stoß zu vermeiden. Diese Konstruktion kann verhindern, dass die Schwingung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 unerwünschterweise durch die Kontaktteile unterdrückt wird.
In der 11(c) haben die oberen und unteren Leiter 25 und 26 halbkreisförmige, innen liegende Enden 41" und 42", um zwischen dem piezoelektrischen Transformatorele ment 11 und jedem der oberen und unteren Leiter 25 und 26 einen Punktkontakt zu schaffen. Solche Punktkontakte dienen dazu, eine unerwünschte Bewegung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 selbst dann zu vermeiden, wenn die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 mit einem mechanischen Stoß beaufschlagt wird, und zu verhindern, dass die Schwingung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 unerwünschterweise durch die Kontaktteile unterdrückt wird. Durch diese Konstruktion ist es möglich, die Kontaktflächen zwischen den innen liegenden Enden 41" und 42" und dem piezoelektrischen Transformatorelement zu minimieren. Das heißt, dass die Schwingung des piezoelektrischen Transformatorelementes nicht durch die Kontaktteile nachteilig beeinträchtigt wird und dass die Leistungsumwandlungseffizienz daher ein Maximum wird.
In der 11(d) hat der obere Leiter 25 ein Paar halbkreisförmiger Vorsprünge 43, die in Richtung der Breite des oberen Leiters 25 parallel zueinander angeordnet sind, so dass der Knoten zwischen den halbkreisförmigen Vorsprüngen 43 liegt. Der untere Leiter 26 andererseits hat ein Paar halbkreisförmiger Vorsprünge 44, die entlang der Richtung der Länge des unteren Leiters 26 in Reihe angeordnet sind, so dass der Knoten zwischen den halbkreisförmigen Vorsprüngen 44 liegt.
Das piezoelektrische Transformatorelement 11 wird an den Vorder- und Rückseiten durch vier Punktkontakte, die um den Knoten herum ausgebildet sind, gehalten. Diese Konstruktion dient dazu, eine unerwünschte Bewegung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 gegenüber mechanischem Stoß zu vermeiden und zu verhindern, dass die Schwingung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 in unerwünschter Weise unterdrückt wird. Mit dieser Konstruktion kann eine hohe Zuverlässigkeit der Kontaktteile erzielt werden, weil das piezoelektrische Transformatorelement 11 durch vier Punkte gehalten wird. Zusätzlich ist auch die Leistungsumwandlungseffizienz verbessert, weil jeder der vier Punkte eine sehr kleine Fläche hat und niemals die Schwingung des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 beeinträchtigt.
Hierbei ist anzumerken, dass eine breite Vielfalt an Berücksichtigungen bezüglich der verpackten piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 getroffen werden muss, weil die piezoelektrische Transformatoreinheit 10 durch eine hohe elektrische Leistung getrieben wird, wie dies vorstehend angegeben ist. Beispielsweise können sich die Leiter (25, 26) leicht von den oberen und unteren Gehäuseteilen 21 und 22 infolge einer mechanischen Schwingung mit großer Größe lösen.
Um zu verhindern, dass jeder der oberen und unteren Leiter 25 und 26 sich von dem oberen oder unteren Gehäuseteil 21 und 22 löst, ist an einem mittleren Teil jedes der oberen und unteren Leiter 25 und 26 ein enger Teil 45 ausgebildet, wie dies in der 12 dargestellt ist. In der 12 ist der Einschnittteil 45 mit einem Kunstharz eingegossen, das jeweils den oberen bzw. unteren Gehäuseteil 21 und 22 bildet. Bei dieser Konstruktion ist es möglich, die Zugfestigkeit jedes Leiters zu verbessern und jeden Leiter an dem Gehäuse fest zu befestigen. In der Praxis hat sich die Zugkraft auf mehr als 49 N (5 kgf) erhöht, wenn der Einschnittteil 45 ausgebildet worden ist, und zwar angesichts der Tatsache, dass die Zugfestigkeit bei Abwesenheit des Einschnittteils 45 ungefähr 9,8 N (1 kgf) ist.
Um die Erzeugung von hörbarem Rauschen zu vermeiden, wurden die Überlegungen auch auf die Kontaktteile des unteren Leiters 26 mit dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 gerichtet. Dies ist deshalb, weil ein derartiges hörbares Rauschen auf der Basis einer Differenz zwischen der Eigenfrequenz des unteren Leiters 26 und einer Treibfrequenz des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 erzeugt wird. In der Praxis wird die Treibfrequenz des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 gleich 115 kHz oder dergleichen. Dies zeigt, dass die Eigenfrequenz des unteren Leiters 26 sich um wenigstens 20 kHz von der Treibfrequenz unterscheiden sollte, um ein Auftreten eines Schlagtons zu vermeiden, und anders würde der Schlagton unvermeidlich in Form eines hörbaren Geräusches von der piezoelektrischen Transformatoreinheit 10 auftreten.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden ist der untere Leiter 26 mit dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 in einem gewünschten Winkel in Berührung gebracht, wie dies in den 13(a) und 13(b) gezeigt ist.
In der 13(a) ist das äußerste Ende des innen liegenden Endteils des unteren Leiters 26 von dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 etwas entfernt, wobei der Kontaktteil einen gewissen Abstand zu dem äußersten Ende des unteren Leiters 26 hat. In diesem Fall ist beobachtet worden, dass kein hörbares Geräusch auftritt, wenn das äußerste Ende des unteren Leiters 26 vom piezoelektrischen Transformatorelement 11 um einen Abstand entfernt ist, der nicht größer als 50 μm ist. Wenn andererseits das äußerste Ende des unteren Leiters 26 mit dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 in Berührung gebracht wird, wie dies in 13(b) gezeigt ist, sollte ein Biegeteil des unteren Leiters 26 ebenfalls von dem piezoelektrischen Transformatorelement 11 um einen Abstand entfernt sein; der nicht größer als 50 μm ist.
In jedem Fall muss die Eigenfrequenz des unteren Leiters 26 gegenüber der Treibfrequenz des piezoelektrischen Transformatorelementes 11 in gewisser Weise um eine Frequenz verschoben sein, die nicht kleiner als ± 20 kHz ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung, wie beansprucht, insoweit anhand von ein paar Ausführungsformen derselben und ein paar Beispielen beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann leicht möglich, diese Erfindung in einer Vielzahl von anderen Arten in die Praxis umzusetzen. Beispielsweise kann jeder der oberen und unteren Gehäuseteile 21 und 22 beispielsweise aus Zenit, hergestellt und verkauft von Dupont, bestehen. Die Plattierschicht jedes der oberen und unteren Leiter 21 und 22 kann eine Dicke von 2 bis 5 μm haben und kann beispielsweise aus Nickel bestehen.

Claims

Piezoelektrische Transformatoreinheit zum Transformieren einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, wobei die piezoelektrische Transformatoreinheit aufweist: ein Gehäuse (21, 22), das darin einen Hohlraum begrenzt; ein piezoelektrisches Transformatorelement (11), das in dem Hohlraum des Gehäuses aufgenommen ist; eine Vielzahl von Eingangselektroden (12a, 12b), die an dem piezoelektrischen Transformatorelement befestigt sind; eine Vielzahl von Eingangsleitern (25a, 25b, 26a, 26b), die elektrisch an die Eingangselektroden angeschlossen sind und sich durch das Gehäuse nach aussen erstrecken; eine Vielzahl von Ausgangselektroden (14), die an dem piezoelektrischen Transformatorelement und entfernt von den Eingangselektroden befestigt sind; und eine Vielzahl von Ausgangsleitern (25c, 26c), die an die Ausgangselektroden elektrisch angeschlossen sind und sich durch das Gehäuse nach aussen erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass: jeder der Eingangs- und Ausgangsleiter eine Eigenfrequenz hat, die höher als eine hörbare Frequenz ist; das piezoelektrische Transformatorelement so polarisiert ist, dass an diesem drei Knoten erscheinen; und die Eingangs- und Ausgangselektroden mit den jeweiligen drei Knoten in Kontakt stehen.
Piezoelektrische Transformatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, dass: das piezoelektrische Transformatorelement (11) durch eine Treiberfrequenz getrieben wird, die als die Eingangsspannung gegeben ist.
Piezoelektrische Transformatoreinheit nach Anspruch 2, dadurch gekenzeichnet, dass: zwischen der Eigenfrequenz und der Treiberfrequenz eine Differenz besteht, die nicht kleiner als 20 kHz ist.
Piezoelektrische Transformatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, dass: das Gehäuse (21, 22) aus einem Kunstharzmaterial besteht; wobei die Eingangs- und Ausgangsleiter (25a, 25b, 25c, 26a, 26b, 26c) mit dem Gehäuse vergossen sind, um vergossene Teile zu schaffen, die durch das Kunstharzmaterial gestützt werden.
Piezoelektrische Transformatoreinheit nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Paare der Eingangs- und Ausgangsleiter als eine Blattfeder wirken, um das piezoelektrische Transformatorelement (11) zu halten, und eine Federkonstanten haben, die im wesentlichen einander gleich sind.