DE69828521T2

DE69828521T2 - Piezoelektrischer transformator

Info

Publication number: DE69828521T2
Application number: DE69828521T
Authority: DE
Inventors: Masako Chiyoda-ku KATAOKA; Takeshi Chiyoda-ku FUJIMURA; Katsuyuki Chiyoda-ku ISHIKAWA; Takahiro Chiyoda-ku YAMAKAWA; Keizo Chiyoda-ku TSUKAMOTO
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2018-10-15
Also published as: ATE286624T1; TW442986B; DE69828521D1; EP1025597B1; US6342752B1; CN1169237C; JPH11186629A; WO1999019916A1; KR20010015770A; KR100390888B1; CN1275247A; JP4166867B2; EP1025597A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Transformatorelement, das in geeigneter Weise beispielsweise zum Einschalten einer Kaltkathodenröhre verwendet wird.
Stand der Technik
Eine Kaltkathodenröhre wird im allgemeinen für das Gegenlicht der Flüssigkristallanzeige eines Notebook-Personalcomputers oder dergleichen verwendet. Diese Kaltkathodenröhre benötigt zum Einschalten eine Hochspannung von etwa 1 kV und eine Spannung von mehreren hundert Volt, um sie in Betrieb zu halten. Die Kaltkathodenröhre kann auf einer Spannung in Betrieb gehalten werden, die viel niedriger ist als die zum Einschalten erforderliche. Die Betriebseigenschaften der Kaltkathodenvorrichtung ähneln den Betriebseigenschaften eines piezoelektrischen Transformatorelements, so daß ein Wechselrichter mit einem solchen piezoelektrischen Transformatorelement in jüngster Zeit als Stromversorgung für die Kaltkathodenröhre verwendet wird. Als piezoelektrisches Transformatorelement wird weithin ein piezoelektrisches Rosen-Transformatorelement wie das in 21 gezeigte verwendet.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die ein allgemeines piezoelektrisches Rosen-Transformatorelement zeigt. In 21 weist ein piezoelektrisches Transformatorelement 106 eine rechteckige Form auf, wobei seine linke Hälfte in 21 als Eingangsbereich dient und seine rechte Hälfte in 21 als Ausgangsbereich dient. An der oberen und der unteren Seite des Eingangsbereichs sind äußere Elektroden 101 und 102 als Eingangselektroden zum Anlegen einer Eingangsspannung ausgebildet. Auf der Stirnfläche des Ausgangsbereichs ist eine äußere Elektrode 103 als Ausgangselektrode zum Abziehen einer verstärkten Wechselspannung ausgebildet. Wenn eine Wechselspannung (Eingangsspannung) mit einer Resonanzfrequenz, die von Material und Länge des piezoelektrischen Transformatorelementes 106 bestimmt wird, zwischen den äußeren Elektroden 101 und 102 angelegt wird, schwingt das piezoelektrische Transformatorelement 106 mechanisch und kommt in Längsrichtung in Resonanz. Die mechanische Schwingung erzeugt eine verstärkte Wechselspannung zwischen einer der äußeren Elektroden 101 und 102 als der der Eingangs- und der Ausgangsseite gemeinsamen geerdeten lektrode und der äußeren Elektrode 103. Das Verstärkungsverhältnis als Verhältnis der Ausgangsspannung zu der Eingangsspannung ist proportional dem Verhältnis des Abstands zwischen den Ausgangselektroden und dem Abstand zwischen den Eingangselektroden.
Als piezoelektrisches Transformatorelement wird üblicherweise ein piezoelektrisches Einplatten-Transformatorelement wie das in 21 gezeigte verwendet. Bei einem Wechselrichter mit einem solchen piezoelektrischen Einplatten-Transformatorelement beträgt das Verstärkungsverhältnis höchstens etwa 10. Zum Einschalten einer Kaltkathodenröhre für einen Notebook-Personalcomputer muß ein an der Eingangsstufe des piezoelektrischen Transformatorelementes ein verstärkender Durchstecktransformator vorgesehen werden. Demgemäß wird, um ein höheres Verstärkungsverhältnis als das des piezoelektrischen Einplatten-Transformatorelement zu erhalten und den Durchstecktransformator aus der Eingangsstufe zu beseitigen, ein piezoelektrisches Transformatorelement mit einer Struktur gebildet, bei welcher der Abstand zwischen den inneren Elektroden in dem Eingangsbereich der piezoelektrischen Schichten vermindert ist, d.h. die dünnen piezoelektrischen Schichten und die inneren Elektroden geschichtet sind.
Bei diesem mehrschichtigen piezoelektrischen Transformatorelement müssen die Elektroden in dem Eingangsbereich elektrisch verbunden sein. Als Verbindungsverfahren wird beispielsweise in den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 7-302938 oder 8-214665 ein Verfahren offenbart, bei dem Elektroden 305 zum elektrischen Verbinden von inneren Elektroden 301a und 302a in dem Eingangsbereich zwischen den äußeren Elektroden 301 und 302 an den Ecken der Seiten- oder der Stirnflächen eines piezoelektrischen Transformatorelements 306 in der in 24 gezeigten Weise ausgebildet sind. In dem Japanischen Patent Nr. 8-52553 schlug die hier auftretende Anmelderin ein Verfahren zum abwechselnden Verbinden einer Anzahl von in dem Eingangsbereich eines piezoelektrischen Transformatorelements geschichteten inneren Elektrodenschichten durch zwei (im folgenden als zwischen den Schichten verbindende Leiter bezeichnete) säulenförmige Leiter vor.
Wenn ein solches piezoelektrisches Transformatorelement auf einer Leiterplatte befestigt wird, wird das piezoelektrische Transformatorelement oft in einem Gehäuse verwendet, so daß der Hochspannungsabschnitt nicht freiliegt. Bei einem herkömmlichen mehrschichtigen piezoelektrischen Transformatorelement sind die Zuleitungsdrähte mit Lötmittel oder leitfähigem Klebstoff mit äußeren Elektroden verklebt, die ähnlich wie die äußeren Elektroden 101 und 102 in 21 an der Ober- und der Unterseite des Eingangsbereichs ausgebildet sind. Zwar weist das piezoelektrische Transformatorelement den Vorteil einer geringen Dicke auf, jedoch sind zum Befestigen des mit den Zuleitungsdrähten verbundenen piezoelektrischen Transformatorelements ein Spielraum von zumindest dem Durchmesser des Zuleitungsdrahtes zwischen dem Element und der Platte und ein Zwischenraum für zumindest den Durchmesser des Zuleitungsdrahtes über dem piezoelektrischen Transformatorelement notwendig. Infolgedessen nimmt die Dicke des Gehäuses zu, und der Vorteil des dünnen piezoelektrischen Transformatorelementes läßt sich nicht voll ausnutzen.
Das Gehäuse muß derart konstruiert sein, daß es angesichts des Durchmessers des Zuleitungsdrahtes und der Dicke des Lötmittels oder leitfähigen Klebstoffs zum Verkleben des Zuleitungsdrahtes eine große Dicke aufweist. Die Dicke des piezoelektrischen Transformatormoduls wird deshalb beim Befestigen mit der "Dicke für den Verklebungsraum" größer.
Zur Lösung dieses Problems sind beispielsweise gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 9-116250 Eingangselektroden 201 und 202 auf der Ober- und der Unterseite auf der Primärseite eines piezoelektrischen Transformatorelements 206 ausgebildet und zu den Seitenflächen des Elements hin verlängert, um Zuleitungselektroden 201a und 202a zu bilden, um so in der in 22 und 23 gezeigten Weise das piezoelektrische Transformatorelement 206 mit Klemmen 210A und 210B an Knotenpositionen der Seitenflächen in Längsrichtung an einem Gehäuse 205 zu befestigen. Auf der Sekundärseite sind an den zwei Seitenflächen des Elementes Ausgangselektroden 204 ausgebildet. Durch diese Struktur kann das Gehäuse dünn gestaltet werden und den Befestigungsvorgang vereinfachen.
In dem Dokument EP 0 665 000 wird ein Ansteuervorgang für einen piezoelektrischen Keramiktransformator offenbart, bei dem an den Seitenflächen parallel zu der Längsrichtung des piezoelektrischen Transformatorelementes auf der Eingangsbereichsseite Eingangselektroden ausgebildet sind.
Jedoch ist mit den jüngsten Entwicklungen bei Notebook-Personalcomputern oder transportablen Informationsterminals ein Bedarf an kleiner bemessenen Vorrichtungen entstanden. Zusammen damit vermindert sich der Größenunterschied zwischen der Flüssigkristallanzeige und dem Hauptkörper. Da ein Wechselrichter für das Gegenlicht der Flüssigkristallanzeige im allgemeinen um die Flüssigkristallanzeige herum angeordnet ist, muß der Wechselrichter schmaler werden, da die Außenabmessung des Hauptkörpers eines Personalcomputers oder dergleichen verkleinert wird.
Mit dem üblichen Unterbringungsverfahren kann zwar das Gehäuse oder Modul dünn gestaltet werden, aber das Gehäuse läßt sich nicht enger gestalten.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Transformatorelement zu schaffen, dessen zum Befestigen erforderliche Höhe und Breite verkleinert werden kann.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, ist ein piezoelektrisches Transformatorelement gemäß der vorliegenden Erfindung durch die folgende Anordnung gekennzeichnet.
Ein piezoelektrisches Transformatorelement mit einer Mehrschichtstruktur, das einen Eingangsbereich aufweist, der in einer Dickenrichtung polarisiert ist, und das Eingangselektroden sowie einen Ausgangsbereich aufweist, welcher in einer Längsrichtung polarisiert ist, und das eine Ausgangselektrode aufweist, wobei das piezoelektrische Transformatorelement ferner eine Anzahl von inneren Elektroden als Eingangselektroden aufweist, welche zwischen einer Anzahl von piezoelektrischen Schichten ausgebildet sind, ersten und zweiten äußeren Elektroden, die auf einer ersten Stirnfläche des piezoelektrischen Transformatorelements auf der Eingangsbereichsseite ausgebildet sind, und einer äußeren Elektrode, die auf einer zweiten Stirnfläche des piezoelektrischen Transformatorelements auf der Ausgangsbereichsseite ausgebildet ist, wobei die Anzahl von inneren Elektroden jede zweite Schicht abwechselnd mit den ersten und zweiten äußeren Elektroden verbunden ist und die äußeren Elektroden als Elektroden zum Anlegen der Eingangsspannung dienen, dadurch gekennzeichnet, daß das Element außerdem dritte und vierte äußere Elektroden umfaßt, die auf Seitenflächen parallel zur Längsrichtung des piezoelektrischen Transformatorelements auf der Eingangsbereichsseite ausgebildet sind, und jede der inneren Elektroden Vorsprünge an beiden Seiten derart aufweist, daß die Anzahl von inneren Elektroden über die Vorsprünge nicht nur mit den ersten inneren und äußeren Elektroden, sondern auch mit den dritten und vierten äußeren Elektroden abwechselnd jede zweite Schicht verbunden ist. Mit dieser Struktur läßt sich, wenn das piezoelektrische Transformatorelement an einem weiteren Glied befestigt ist, die zum Befestigen notwendige Höhe vermindern.
Das Element umfaßt außerdem eine Anzahl von säulenförmigen Leitern, die in dem Eingangsbereich ausgebildet sind, und die Anzahl von inneren Elektroden ist jede zweite Schicht über die Anzahl von säulenförmigen Leitern abwechselnd verbunden.
Mit dieser Anordnung läßt sich stark die Möglichkeit vermindern, daß die Ansteuerung des piezoelektrischen Transformatorelements versagt.
Erwünschterweise sind die dritte und die vierte Elektrode oder die Anzahl von säulenförmigen Leitern an Positionen ausgebildet, die Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformatorelements entsprechen.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen erkennbar, in denen in allen Figuren derselben gleiche Bezugsziffern die gleichen oder ähnliche Abschnitte bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Beispiel für ein piezoelektrisches Transformatorelement zeigt;
2 ist eine Vorderansicht des piezoelektrischen Transformatorelements gemäß 1;
3 ist eine entlang der Linie 1-1 gemäß 2 geführte Schnittansicht;
4 ist eine Draufsicht, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigt, die auf einem piezoelektrischen Rohblech gemäß dem ersten Beispiel ausgebildet sind;
5 ist eine Draufsicht, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigt, die auf einem piezoelektrischen Rohblech gemäß dem ersten Beispiel ausgebildet sind;
6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein piezoelektrisches Transformatorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine Vorderansicht des piezoelektrischen Transformatorelements gemäß 6;
8 ist eine Draufsicht, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigt, die auf einem piezoelektrischen Rohblech gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
9 ist eine Draufsicht, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigt, die auf einem piezoelektrischen Rohblech gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind;
10 ist eine Schnittansicht eines zweiten Beispiels für ein piezoelektrisches Transformatorelement;
11 ist eine Draufsicht, die ein piezoelektrisches Rohblech mit Löchern für einen zwischen den Schichten verbindende Leiter gemäß dem zweiten Beispiel zeigt;
12 ist eine Draufsicht, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigt, die auf dem piezoelektrischen Rohblech gemäß dem zweiten Beispiel ausgebildet sind;
13 ist eine Draufsicht, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigt, die auf dem piezoelektrischen Rohblech gemäß dem zweiten Beispiel ausgebildet sind;
14 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für ein Gehäuse zeigt, an dem ein piezoelektrisches Transformatorelement befestigt ist;
15 ist eine entlang der Linie III-III gemäß 14 geführte Schnittansicht;
16 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für ein Gehäuse zeigt, an dem ein piezoelektrisches Transformatorelement befestigt ist;
17 ist eine entlang der Linie IV-IV gemäß 16 geführte Schnittansicht;
18 ist eine Schnittansicht, die den Hauptabschnitt eines Gehäuses zeigt, an dem ein piezoelektrisches Transformatorelement befestigt ist;
19 ist eine Tabelle (Betriebsweise λ), welche die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen dem Abstützverfahren des piezoelektrisches Transformatorelements gemäß den in den 14 bis 17 gezeigten Beispielen und einem herkömmlichen Abstützverfahren für das piezoelektrische Transformatorelement an Knoten zeigt;
20 ist eine Tabelle (Betriebsweise λ/2), welche die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen dem Abstützverfahren des piezoelektrisches Transformatorelements gemäß den in den 14 bis 17 gezeigten Beispielen und dem herkömmlichen Abstützverfahren für das piezoelektrische Transformatorelement an Knoten zeigt;
21 ist eine perspektivische Ansicht, die ein piezoelektrisches Rosen-Transformatorelement zeigt;
22 ist eine perspektivische Ansicht, die ein herkömmliches piezoelektrisches Transformatorelement zeigt;
23 ist eine Ansicht von oben, die den Zustand zeigt, in dem das piezoelektrische Transformatorelement in einem Gehäuse befestigt ist; und
24 ist eine perspektivische Ansicht, die ein anderes herkömmliches piezoelektrisches Transformatorelement zeigt.
Beste Ausführungsweise der Erfindung
Es werden Ausführungsformen eines piezoelektrischen Transformatorelements gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich an Hand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung bedeuten die Stirnflächen des piezoelektrischen Transformatorelements in Längsrichtung zwei Flächen, die keine Position umfaßt, die beim Ansteuern des Elements in der Betriebsweise λ oder λ/2 einem Schwingungsknoten entspricht.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein piezoelektrisches Transformatorelement gemäß einem ersten Beispiel zeigt. 2 ist eine Vorderansicht des piezoelektrischen Transformatorelements gemäß 1. 3 ist eine entlang der Linie 1-1 gemäß 2 geführte Schnittansicht.
Wie in 1 bis 3 gezeigt ist, sind an der Stirnfläche des Eingangsbereichs, linke Seite der Längsrichtung, eines piezoelektrischen Transformatorelements 6 äußere Elektroden 1 und 2 zum Anlegen einer Eingangsspannung ausgebildet. An der Stirnfläche des Ausgangsbereichs, rechte Seite der Längsrichtung, ist eine äußere Elektrode 3 zum Abziehen einer verstärkten Hochspannung ausgebildet. In dem Eingangsbereich des piezoelektrischen Transformatorelements 6 sind Anzahlen von inneren Elektroden 1a und 2a abwechselnd über dünnplattenartige piezoelektrische Rohbleche geschichtet (die den piezoelektrischen Rohblechen 8 vor dem Sintern entsprechen; später zu beschreiben). Die inneren Elektroden 1a und 2a weisen Vorsprünge auf, die jeweils mit den äußeren Elektroden 1 und 2 zu verbinden sind. Man beachte, daß nicht jede innere Elektrode in dem piezoelektrischen Transformatorelement ausgebildet zu werden braucht, sondern an der Seitenfläche freiliegen kann.
An Hand von 4 und 5 wird das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Transformatorelement 6 mit dieser Struktur beschrieben.
4 und 5 sind Ansichten, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigen, die auf einem piezoelektrischen Rohblech ausgebildet sind. Die piezoelektrischen Bleche sind abwechselnd geschichtet und zu einer vorgegebenen Form geschnitten, um ein piezoelektrisches Transformatorelement 6 auszubilden, das keine äußeren Elektroden 1 bis 3 aufweist.

(1) 25 Gew.-Teile Wasser und 10 Gew.-Teile einer Emulsion eines Acrylbinders werden mit 100 Gew.-Teilen eines auf Pb(Zr, Ti)O₃ basierten Pulvers von piezoelektrischem Material gemischt; und das entstandene Material wird mit einer Kugelmühle aufgeschlämmt. Diese Aufschlämmung wird unter Verwendung eines Streichmessers zu einem 130 μm dicken piezoelektrischen Rohblech verarbeitet. Das 130 μm dicke Rohblech wird gesintert, um nach dem Sintern eine Dicke von 100 μm zu erhalten.
(2) Das erhaltene piezoelektrische Rohblech 8 wird zu einer 100 mm × 100 mm messenden Form geschnitten und mit einem Druckrahmen verklebt. Auf das piezoelektrische Rohblech 8 wird unter Verwendung von Abdeckmasken Ag-Pd-Paste zur Ausbildung der inneren Elektroden 1a und 2a aufgedruckt. Die inneren Elektroden 1a und 2a werden derart aufgedruckt, daß sie beim Berechnen eine äußere Abmessung von 16 mm × 4,6 mm aufweisen und beim Schichten in dem Eingangsbereich zu liegen kommen. Jede der inneren Elektroden 1a und 2a ist auf einer Seite des Rechtecks mit einem Vorsprung versehen, so daß sie zum Teil auf der Stirnfläche des Elements freiliegen und mit einer entsprechenden von den äußeren Elektroden 1 und 2 verbunden sind. Zum abwechselnden Verbinden der inneren Elektroden 1a und 2a mit den äußeren Elektroden 1 und 2 jede zweite Schicht werden zwei Arten von Abdeckmasken als eine ungeradzahlig numerierte Folie (5) und eine geradzahlig numerierte Folie (4) beim Schichten verwendet.
(3) Es werden 10 piezoelektrische Rohbleche 8, auf die innere Elektroden 1a aufgedruckt sind, und 10 piezoelektrische Rohbleche 8, auf die innere Elektroden 2a aufgedruckt sind, abwechselnd geschichtet, oben darauf wird ein piezoelektrisches Rohblech gelegt, auf das keine Elektrode aufgedruckt ist, und sämtliche Bleche werden bei 100°C und 30 MPa thermisch gepreßt. Die entstandene Struktur wird unter Verwendung eines Gefäßes aus Aluminiumoxid 2 Stunden lang bei 1150°C in der Luft gesintert. Auf Grund des Schichtens und Kalzinierens der 21 piezoelektrischen Bleche weist das Element beim Berechnen eine Dicke von 2,2 mm auf.
(4) Nach dem Sintern wird die gesinterte Struktur mit einem Diamantschneider in eine Anzahl von 32 mm × 5 mm messenden Elementen zerschnitten. Auf die Vorsprünge der inneren Elektroden 1a und 2a, die auf der Stirnfläche des Eingangsbereichs jedes geschnittenen Elements freiliegen, wird 2 mm breite Ag-Paste zur Ausbildung der äußeren Elektroden 1 und 2 aufgedruckt. Auf die Stirnfläche des Ausgangsbereichs des Elements wird Ag-Paste zur Ausbildung der äußeren Elektrode 3 aufgedruckt. Das mit der Ag-Paste bedruckte Element wird bei 700°C in einen Ofen eingebracht, um die Paste zu sintern, wodurch eine äußere Elektrode 1, 2 und 3 ausgebildet wird.
(5) Das gesinterte Element wird bei 150°C in isolierendes Öl getaucht, um den Eingangsbereich 30 Minuten lang bei einer Feldstärke von 3 kV/mm zu polarisieren. Die äußeren Elektroden des Eingangsbereichs werden kurzgeschlossen, und zwischen dem kurzgeschlossenen Abschnitt und der äußeren Elektrode auf der Stirnfläche des Ausgangsbereichs wird eine Gleichspannung von 1,5 kV/mm angelegt, wodurch ein piezoelektrisches Transformatorelement 6 erhalten wird.

Bei dem in dem ersten Beispiel beschriebenen piezoelektrischen Transformatorelement 6 sind die äußeren Elektroden 1 und 2 zum Anlegen der Eingangsspannung auf der Stirnfläche des Elements in Längsrichtung ausgebildet. Für diese Struktur ist kein Zuleitungsdraht oder keine äußere Elektrode zum Anlegen der Eingangsspannung auf der Seitenfläche des Elements erforderlich, das sich von einem herkömmlichen piezoelektrischen Transformatorelement unterscheidet. Deshalb lassen sich Höhe und Breite (Breite in der Breitenrichtung) des Elements einschließlich von Zuleitungsdrähten und äußeren Elektroden vermindern.
An den inneren Elektroden 1a und 2a sind Vorsprünge ausgebildet, liegen auf der Stirnfläche des Elements frei und sind mit den äußeren Elektroden 1 und 2 verbunden. Mit dieser Struktur lassen sich in dem Herstellungsverfahren der Schritt des elektrischen Verbindens der inneren Elektroden und der Schritt des Ausbildens der äußeren Elektroden für den Eingangsbereich zu einem Schritt kombinieren.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein piezoelektrisches Transformatorelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 7 ist eine Vorderansicht des piezoelektrischen Transformatorelements gemäß 6. Der Schnitt des in 7 gezeigten piezoelektrisches Transformatorelement, der entlang der Linie II-II geführt ist, ähnelt dem in 3 gezeigten.
Wie in 6 und 7 gezeigt ist, weisen die Stirnflächen des Eingangs- und des Ausgangsbereichs eines piezoelektrischen Transformatorelements 16 in Längsrichtung die gleichen Strukturen wie diejenigen des piezoelektrischen Transformatorelements 6 gemäß dem ersten Beispiel auf. Auch ist die Mehrschichtstruktur der inneren Elektroden 11a und 12a fast die gleiche wie diejenige des piezoelektrischen Transformatorelements 6 gemäß dem ersten Beispiel, nur daß die inneren Elektroden 11a und 12a in der Breitenrichtung des Elements zusätzlich zu ersten Vorsprüngen in Längsrichtung mit zweiten Vorsprüngen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform liegen die zweiten Vorsprünge auf den Seitenflächen des piezoelektrischen Transformatorelements 16 frei und sind mit äußeren Elektroden 4 und 5 verbunden. Man beachte, daß die für die inneren Elektroden 11a und 12 und die äußeren Elektroden 4 und 5 vorgesehenen zweiten Vorsprünge vorzugsweise an Positionen ausgebildet sind, die den Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformatorelements 16 entsprechen.
Das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Transformatorelement 16, das diese Struktur aufweist, wird an Hand von 8 und 9 beschrieben.
8 und 9 sind Ansichten, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigen, die auf einem piezoelektrischen Rohblech gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Diese piezoelektrischen Rohbleche sind abwechselnd geschichtet und zu einer vorgegebenen Form geschnitten, um ein piezoelektrisches Transformatorelement 16 zu bilden, das keine äußeren Elektroden 3, 4, 5, 11 und 12 aufweist.

(1) Es wird ein piezoelektrisches Rohblech mit dem gleichen Verfahren wie bei dem ersten Beispiel hergestellt und mit einem Rahmen verklebt. Bei der Ausführungsform weist jede der inneren Elektroden 11a und 12a in der in 8 und 9 gezeigten Weise Vorsprünge auf zwei Seiten des Rechtecks auf, um die jeweiligen Schichten auf der Stirnfläche und der Seitenfläche des Elements elektrisch zu verbinden.
(2) 10 piezoelektrische Rohbleche 8, auf die innere Elektroden 11a aufgedruckt sind, und 10 piezoelektrische Rohbleche 8, auf die innere Elektroden 12a aufgedruckt sind, werden abwechselnd geschichtet, oben darauf wird ein piezoelektrisches Rohblech gelegt, auf das keine Elektrode aufgedruckt ist, und sämtliche Bleche werden bei 100°C und 30 MPa thermisch gepreßt. Die entstandene Struktur wird unter Verwendung eines Gefäßes aus Aluminiumoxid 2 Stunden lang bei 1150°C in der Luft gesintert.
(3) Nach dem Sintern wird die gesinterte Struktur mit einem Diamantschneider in eine Anzahl von 32 mm × 5 mm messenden Elementen zerschnitten. Auf die Vorsprünge der inneren Elektroden 1a und 2a, die auf der Stirnfläche und der Seitenfläche des Eingangsbereichs jedes geschnittenen Elements freiliegen, wird 2 mm breite Ag-Paste zum Ausbilden der äußeren Elektroden 11, 12, 4 und 5 aufgedruckt. Auf die Stirnfläche des Ausgangsbereichs des Elements wird Ag-Paste zum Ausbilden der äußeren Elektrode 3 aufgedruckt. Das mit der Ag-Paste bedruckte Element wird bei 700°C in einen Ofen eingebracht, um die Paste zu sintern, wodurch die äußeren Elektrode 11, 12, 4 und 5 ausgebildet werden. Dabei wird eine Anzahl von inneren Elektroden 11a elektrisch mit den äußeren Elektroden 11 und 5 verbunden, während eine Anzahl von inneren Elektroden 12a elektrisch mit den äußeren Elektroden 12 und 4 verbunden wird. Bei dieser Ausführungsform weisen die gesinterten äußeren Elektroden 4 und 5 eine Dicke von etwa mehreren μm bis 10 μm auf.
(4) Das gesinterte Element wird bei 150°C in isolierendes Öl getaucht, um den Eingangsbereich 30 Minuten lang bei einer Feldstärke von 3 kV/mm zu polarisieren. Die äußeren Elektroden des Eingangsbereichs werden kurzgeschlossen, und zwischen dem kurzgeschlossenen Abschnitt und der äußeren Elektrode auf der Stirnfläche des Ausgangsbereichs wird eine Gleichspannung von 1,5 kV/mm angelegt, wodurch ein piezoelektrisches Transformatorelement 16 erhalten wird.

Bei dem bei der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen piezoelektrischen Transformatorelement 16 ist die innere Elektrode mit den zwei Elektroden auf der Stirnfläche und der Seitenfläche verbunden, und deshalb läßt sich stark die Möglichkeit vermindern, daß die Ansteuerung des Elements versagt, und es kann ein piezoelektrisches Transformatorelement mit höherer Sicherheit als das piezoelektrische Transformatorelement des ersten Beispiels geschaffen werden. Da die Dicke der gesinterten äußeren Elektroden 4 und 5 sehr gering ist, etwa mehrere um bis 10 um, braucht die Breitenabmessung (Breite) des Gehäuses auf Grund der äußeren Elektroden 4 und 5 beim Befestigen des piezoelektrischen Transformatorelements 16 an dem Gehäuse nicht groß konstruiert zu werden.
Bei der obigen Ausführungsform sind die äußeren Elektroden 4 und 5 auf den Seitenflächen des piezoelektrischen Transformatorelements 16 ausgebildet, um die Sicherheit der elektrischen Verbindung zu verbessern. Bei einer zweiten Ausführungsform sind zwei säulenförmige zwischen den Schichten verbindende Leiter, wie sie in "BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK" beschrieben sind, in dem Element als Leiter ausgebildet, die den äußeren Elektroden 4 und 5 entsprechen, wodurch eine Sicherheit der elektrischen Verbindung gleich derjenigen des piezoelektrischen Transformatorelements 16 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform erzielt wird.
Die äußere Form eines piezoelektrischen Transformatorelements 26 gemäß dem zweiten Beispiel ist die gleiche wie diejenige des in 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Transformatorelements 6, und auf eine Beschreibung desselben wird verzichtet.
10 ist eine entlang der Linie I-I gemäß 2 geführte Schnittansicht des piezoelektrischen Transformatorelements gemäß dem zweiten Beispiel. Wie in 10 gezeigt ist, sind Anzahlen von inneren Elektroden 21a und 22a in dem Eingangsbereich des piezoelektrischen Transformatorelements 26 abwechselnd über dünnplattenartige piezoelektrische Rohbleche (die den piezoelektrischen Rohblechen 8 vor dem Sintern entsprechen) in dem Element geschichtet. Ein zwischen den Schichten verbindender Leiter 25a ist mit einer Anzahl von inneren Elektroden 21a verbunden, während ein (in einer Schnittansicht gemäß 10 der Bequemlichkeit der Darstellung halber nicht gezeigter) zwischen den Schichten verbindender Leiter 25b mit einer Anzahl von inneren Elektroden 22a verbunden ist. Außerdem weisen ähnlich wie bei dem ersten Beispiel die inneren Elektroden 21a und 22a Vorsprünge auf, die jeweils mit den äußeren Elektroden 21 und 22 auf der Stirnflächenseite des piezoelektrischen Transformatorelements 26 in Längsrichtung zu verbinden sind.
Die Ausbildungspositionen der zwischen den Schichten verbindenden Leiter 25a und 25b sind nicht begrenzt, sofern sie innerhalb des Eingangsbereichs des piezoelektrischen Transformatorelements 26 liegen. Bei dem zweiten Beispiel sind die zwischen den Schichten verbindenden Leiter 25a und 25b an Positionen ausgebildet, die Schwingungsknoten entsprechen, so daß sie die Schwingung des Elements nicht beinträchtigen.
Jede innere Elektrode kann auf der nicht in das piezoelektrische Transformatorelement einzuschließenden Seitenfläche des piezoelektrischen Transformatorelements freiliegen.
An Hand von 11 bis 13 wird das Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Transformatorelement 26 beschrieben, das diese Konstruktion aufweist.
11 ist eine Draufsicht, die ein piezoelektrisches Rohblech mit Löchern für den zwischen den Schichten verbindenden Leiter gemäß dem zweiten Beispiel zeigt.
12 und 13 sind Draufsichten, die eine Anzahl von inneren Elektroden zeigen, die auf dem piezoelektrischen Rohblech gemäß dem zweiten Beispiel ausgebildet sind. Diese piezoelektrischen Rohbleche werden abwechselnd geschichtet und zu einer vorgegebenen Form geschnitten, um ein piezoelektrisches Transformatorelement 26 auszubilden, das keine äußeren Elektroden 3, 21 und 22 aufweist.

(1) Es wird ein piezoelektrisches Rohblech 8 mit dem gleichen Verfahren wie bei dem ersten Beispiel hergestellt und mit einem Rahmen verklebt. Es werden Löcher zum Befüllen mit Paste zur Ausbildung der zwischen den Schichten verbindenden Leiter 25a und 25b derart ausgebildet, daß sie beim Sintern einen Durchmesser von 0,12 mm in zwei Positionen aufweisen, welche den Resonanzknoten des Elements entsprechen, nachdem das piezoelektrische Rohblech 8 zu einer Anzahl von piezoelektrischen Transformatorelementen 26 geschnitten ist. 11 zeigt diesen Zustand. Durch Aufdrucken unter Verwendung von Masken aus Metall wird Ag-Paste in diese Löcher eingefüllt.
(2) Auf das piezoelektrische Rohblech 8 im Zustand gemäß 11 wird Ag-Pd-Paste zur Ausbildung der inneren Elektroden 21a und 22a unter Verwendung von Abdeckmasken aufgedruckt. Zur abwechselnden Verbinden der inneren Elektroden 11a und 22a mit den die Schichten verbindenden Leitern 25a und 25b werden zwei Arten von Abdeckmasken, eine ungeradzahlig numerierte Folie (13) und eine geradzahlig numerierte Folie (12), beim Schichten verwendet. Man beachte, daß ähnlich wie bei dem ersten Beispiel jede innere Elektrode an einem Abschnitt auf der Stirnfläche des piezoelektrischen Transformatorelements 26 in Längsrichtung nach dem Sintern mit einem Vorsprung versehen ist.
(3) 10 piezoelektrische Rohbleche 8, auf die innere Elektroden 21a aufgedruckt sind, und 10 piezoelektrische Rohbleche 8, auf die innere Elektroden 22a aufgedruckt sind, werden abwechselnd geschichtet, oben darauf wird ein piezoelektrisches Rohblech gelegt, auf das keine Elektrode aufgedruckt ist, und sämtliche Bleche werden bei 100°C und 30 MPa thermisch gepreßt. Die entstandene Struktur wird unter Verwendung eines Gefäßes aus Aluminiumoxid 2 Stunden lang bei 1150°C in der Luft gesintert. Auf Grund des Schichtens und Kalzinierens der 21 piezoelektrischen Bleche weist das Element beim Berechnen eine Dicke von 2,2 mm auf.
(4) Nach dem Sintern wird die gesinterte Struktur mit einem Diamantschneider in eine Anzahl von 32 mm × 5 mm messenden Elementen zerschnitten. Auf die Vorsprünge der inneren Elektroden 21a und 22a, die auf der Stirnfläche des Eingangsbereichs jedes geschnittenen Elements freiliegen, wird 2 mm breite Ag-Paste zur Ausbildung der äußeren Elektroden 21 und 22 aufgedruckt. Auf die Stirnfläche des Ausgangsbereichs des Elements wird Ag-Paste zur Ausbildung der äußeren Elektrode 3 aufgedruckt. Das mit der Ag-Paste bedruckte Element wird bei 700°C in einen Ofen eingebracht, um die Paste zu sintern, wodurch eine äußere Elektrode 1, 2 und 3 ausgebildet wird.

Gemäß dem Verfahren zum Befestigen des piezoelektrischen Transformatorelements 6 an dem Gehäuse 31 mit dieser Struktur wird das piezoelektrische Transformatorelement 6 in das Gehäuse eingeführt, so daß die äußeren Elektroden 1, 2 und 3 jeweils an die Befestigungsklemmen 32, 33 und 34 anstoßen. Jeder anstoßende Abschnitt wird mit Lötmittel als leitfähiges Verbindungsmaterial oder mit leitfähigem Klebstoff befestigt. Infolgedessen wird das piezoelektrische Transformatorelement 6 in dem Gehäuse 31 befestigt, und die Befestigungsklemmen werden elektrisch verbunden.
Wenn das piezoelektrische Transformatorelement 6 in der Betriebsweise λ angesteuert wird, kommt ein Resonanzknoten in eine Position, die ¼ der Länge des Elements von dem Endabschnitt des Elements aus entspricht. Wenn sich das in der Betriebsweise λ angesteuerte piezoelektrische Transformatorelement 6 in Resonanz befindet, wird die Gesamtlänge des Elements fast konstant gehalten. Deshalb wird selbst dann, wenn die zwei Stirnflächen des piezoelektrischen Transformatorelements 6 an dem Gehäuse 31 befestigt sind, der befestigte Zustand nicht durch Resonanz verschlechtert.
Auf diese Weise wird das piezoelektrische Transformatorelement 6 in dem Gehäuse 31 an seinen Stirnflächen befestigt und elektrisch mit den Befestigungsklemmen des Gehäuses verbunden. Da die Breitenabmessung (Breite) und die Höhe (Tiefe) des Gehäuses 31 unter Berücksichtigung von nur der Breite und der Höhe des piezoelektrischen Transformatorelements 6 selbst befriedigend festgelegt werden, können Breite und Höhe des Gehäuses verkleinert werden. Da kein Zuleitungsdraht oder dergleichen verwendet wird, läßt sich das Herstellungsverfahren vereinfachen.
Das folgende Beispiel betrifft ein weiteres Unterbringungsverfahren zum Befestigen des piezoelektrischen Transformatorelements an seinen zwei Stirnflächen in Längsrichtung. Bei der folgenden Beschreibung wird ein Verfahren zum Befestigen des in dem ersten Beispiel beschriebenen piezoelektrischen Transformatorelements 6 beispielhaft erläutert.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Gehäuse zeigt, an dem ein piezoelektrisches Transformatorelement befestigt ist. 17 ist eine entlang der Linie IV-IV gemäß 16 geführte Schnittansicht. In 17 ist die innere Struktur des piezoelektrischen Transformatorelements 6 nicht dargestellt.
Wie in 16 und 17 gezeigt ist, ist ein Gehäuse 41 aus einem isolierenden Harz ausgebildet und weist eine Innenabmessung L = 32,6 mm × W = 5,2 mm × D = 2,4 mm auf. An zwei Stellen 0,4 mm von den Endabschnitten entfernt, d.h. Stellen nahe den zwei Stirnflächen des piezoelektrischen Transformatorelements 6 in Längsrichtung, sind Vorsprünge 45 ausgebildet, die das piezoelektrische Transformatorelement 6 in dem Gehäuse 41 befestigen und eine Höhe von etwa 0,1 mm bis 0,15 mm aufweisen. Um das piezoelektrische Transformatorelement 6 in dem Gehäuse 41 zu befestigen, wird auf die Vorsprünge 45 ein Klebstoff auf Epoxidbasis aufgebracht.
Man beachte, daß die Vorsprünge 45 nur auf der inneren Bodenfläche des Gehäuses 41 ausgebildet werden können.
Auf den zwei Stirnflächen des Gehäuses 41 sind Befestigungsklemmen 42 und 43 zum Anlegen einer Eingangsspannung und eine Befestigungsklemme 44 zum Abziehen einer Ausgangsspannung einstückig ausgebildet. Diese Befestigungsklemmen sind aus einem metallischen Glied ausgebildet. In dem Beispiel sind äußere Elektroden 1, 2 und 3 durch verbindende Zuleitungsdrähte mit 0,26 mm Durchmesser mit Lötmittel oder leitfähigem Klebstoff elektrisch mit den Befestigungsklemmen 42, 43 und 44 verbunden.
Mit den äußeren Elektroden des Elements werden vor dem Befestigen des piezoelektrischen Transformatorelements 6 an dem Gehäuse 41 jeweils Zuleitungsdrähte 46 verbunden.
Die in dem Gehäuse 41 ausgebildeten Vorsprünge 45 können eine kontinuierliche lineare Form aufweisen oder können diskontinuierliche Vorsprünge sein.
Die Form des Vorsprungs 45 ist nicht auf die in 16 und 17 gezeigte eine beschränkt. Beispielsweise können Vorsprünge 45A eines Gehäuses 41A in einer Schnittansicht gemäß 18, welche den Hauptteil zeigt, nahe den zwei Stirnflächen des piezoelektrischen Transformatorelements 6 in Längsrichtung ausgebildet werden, so daß sie das Element befestigen.
In diesem Beispiel sind die Befestigungsklemmen des Gehäuses 41 oder 41A über die Zuleitungsdrähte 46 mit den äußeren Elektroden des piezoelektrischen Transformatorelements 6 auf den Stirnflächen des Gehäuses elektrisch verbunden. Dadurch ist zusätzlich der Schritt des Anschließens der Zuleitungsdrähte erforderlich, jedoch kann das piezoelektrische Transformatorelement 6 sicher in dem Gehäuse 41 abgestützt werden.
In den oben genannten Beispielen sind, da die äußere Elektrode zum Anlegen der Eingangsspannung auf der Stirnfläche des Elements ausgebildet ist, keine äußeren Elektroden auf der oberen und der unteren Fläche des Eingangsbereichs des Elements erforderlich. Jedoch können in dem Polarisierungsschritt bei Bedarf äußere Elektroden auf der oberen und der unteren Fläche des Eingangsbereichs des Elements ausgebildet werden.
Die Abmessungen des piezoelektrischen Transformatorelement, der Elektrode und dergleichen in der vorliegenden Beschreibung sind lediglich Beispiele, und ihre Abmessungen sind nicht auf die obigen Werte beschränkt.
Erläuterungen zu dem Verfahren zum Befestigen des piezoelektrischen Transformatorelements auf zwei Stirnflächen
Es wird das oben beschriebene Unterbringungsverfahren, d.h. das Verfahren zum Befestigen des piezoelektrischen Transformatorelements an seinen zwei Stirnflächen, erläutert.
Als herkömmliches Verfahren zum Unterbringen des piezoelektrischen Transformatorelements in dem Gehäuse wird das piezoelektrische Transformatorelement bei Resonanz wie das herkömmliche piezoelektrische Transformatorelement 206 und das Gehäuse 205 gemäß 23 im wesentlichen an den Knotenstellen (im folgenden als Knotenpositionen bezeichnet) des Elements abgestützt. Dieses Verfahren beruht auf allgemeinen Kenntnissen über die Schwingung, gemäß denen ein Medium (in diesem Fall das Material jedes das piezoelektrische Transformatorelement bildenden Teils) sogenannte Längswellen (Druckwellen) erzeugt und, wenn die Längswellen ortsfeste Wellen sind, das Medium keine Verlagerung an den Knoten der ortsfesten Wellen erfährt und der Positionsabstand zwischen den Knoten auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Demgemäß befinden sich bei dem herkömmlichen Unterbringungsverfahren (Befestigungsverfahren) für das piezoelektrische Transformatorelement die optimalen Befestigungspositionen des Elements an den zwei Knotenpositionen, die L/2 von den zwei Stirnflächen des Elements in der Betriebsweise λ entfernt entsprechen, d.h. der Ansteuerweise, bei der eine Wellenlänge (λ) der Spannung zum Ansteuern des piezoelektrischen Transformatorelements gleich der Länge 2L des Elements in Längsrichtung ist. Um eine Dämpfung der Resonanz zu verhindern, muß das Element ohne jede Abweichung von diesen Knotenpositionen abgestützt (befestigt) werden. Mit anderen Worten, die zwei Stirnflächen des piezoelektrischen Transformatorelements in Längsrichtung dienen in der Betriebsweise λ als Resonanzregelkreise, und das Element erfährt an diesen Regelkreisen die maximale Verschiebung. Aus diesem Grund wird das technische Prinzip der vorliegenden Erfindung, bei dem das Element an den Resonanzregelkreispositionen, d.h. den zwei Stirnflächen des Elements, abgestützt wird, nicht angewandt.
In umfassenden Untersuchungen zu piezoelektrischen Transformatorelementen und zu Ansteuerkreisen und Gehäusen für die Elemente hat die hier auftretende Anmelderin ein piezoelektrisches Transformatorelement an dessen zwei Stirnflächen in Längsrichtung abgestützt und das abgestützte piezoelektrisches Transformatorelement in der Betriebsweise λ in Resonanz versetzt. Infolgedessen konnte fast die gleiche Verstärkungseffektivität wie die Verstärkungseffektivität bei dem herkömmlichen Verfahren zum Abstützen des piezoelektrischen Transformatorelements an Knotenpositionen erhalten werden.
19 und 20 sind Tabellen, welche die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen dem Abstützverfahren des piezoelektrisches Transformatorelements gemäß den oben genannten Beispielen und dem herkömmlichen Abstützverfahren für das piezoelektrische Transformatorelement an Knoten zeigt. 19 und 20 zeigen jeweils die Meßergebnisse, wenn das piezoelektrische Transformatorelement in der Betriebsweise λ und der Betriebsweise λ/2 angesteuert wird.
Bei der Messung wurde das in dem ersten Beispiel beschriebene piezoelektrische Transformatorelement gemäß 1 bis 3 mit dem Verfahren gemäß den oben genannten Beispielen abgestützt. Wie bei dem herkömmlichen Abstützverfahren wurde das in dem ersten Beispiel beschriebene piezoelektrische Transformatorelement gemäß 1 bis 3 an Knoten abgestützt und über Zuleitungsdrähte äußerlich angesteuert. In jedem Fall waren die Meßbedingungen beim Ansteuern des piezoelektrischen Transformatorelements eine Last von 50 kΩ und ein Ausgang von 4 W.
Wie in 19 und 20 gezeigt ist, sind das Verstärkungsverhältnis und der Wirkungsgrad (%) bei dem Abstützverfahren gemäß den Beispielen etwas niedriger als diejenigen bei dem herkömmlichen Abstützverfahren, jedoch ist der Unterschied zwischen ihnen bei praktischem Gebrauch vernachlässigbar. Diese Erscheinung steht nicht im Einklang mit bei dem herkömmlichen Prinzip erwarteten Ergebnissen.
Im folgenden wird eine Erklärung für die Erscheinung gegeben. Da sehr gute Verstärkungseigenschaften (Resonanzeigenschaften) selbst dann erhalten werden können, wenn das piezoelektrische Transformatorelement an seinen zwei Stirnflächen in Längsrichtung abgestützt wird, wird angenommen, daß die Gesamtlänge des piezoelektrischen Transformatorelements bei Resonanz nahezu konstant bleibt. Insbesondere stellte die hier auftretende Anmelderin fest, daß die Gesamtlänge des Elements gleich aufrechterhalten wurde, als das piezoelektrische Transformatorelement beim Ansteuern in Resonanz kam. Das heißt, das es durch Befestigen des piezoelektrischen Transformatorelement in dem Gehäuse an den oder nahe den zwei Stirnflächen des Elements in Längsrichtung nicht zu einer Dämpfung der Resonanz, durch die der Wirkungsgrad der Verstärkung des Elements abnimmt, und zu einer Verschlechterung des befestigten Zustands des Elements in dem Gehäuse kommt. In den oben beschriebenen Beispielen ist das in dem ersten Beispiel beschriebene piezoelektrische Transformatorelement 6 an den zwei Stirnflächen des Elements in Längsrichtung an dem Gehäuse 31, 41 oder 41A befestigt.
Die hier auftretende Anmelderin studierte sachdienliche Literatur, um die Erscheinung aufzuklären, und stellte fest, daß die Verlagerung des piezoelektrischen Transformatorelements bei Resonanz durch die folgende Gleichung 1 gegeben ist. Gemäß Gleichung (17) in Sekiji Yamagata, "Vibrating Modes, Surface Electric Charge and Potential Distributions of Ceramic Transformer", Electronic Ceramics, Sommer 1976, S. 44–50, ist die Verlagerung (ξx) gegeben durch [Gleichung 1] (ξx) = Acos(mπ/2L)xef(mxv/2L)t+ε wobei:
(ξx): Verlagerungsbetrag [mm] des Mediums von Position x zur Zeit t
A: vorgegebener Koeffizient
m: Schwingungsweise (m = 2 in Betriebsweise λ )
2L: Länge [mm] des piezoelektrischen Transformatorelements in Längsrichtung
x: Abstand [mm] von einem Endabschnitt des Elements zu einem beliebigen Punkt
e: Basis des natürlichen Logarithmus
j: Quadratwurzel von –1
v: Schallgeschwindigkeit [mm/s] in dem Element
t: beliebige Zeit [s]
ε: Dielektrizitätskonstante [F/mm]
Die Gesamtlänge des piezoelektrischen Transformatorelements in Längsrichtung beim Ansteuern in der Betriebsweise λ (m = 2) erhält man durch Integration von Gleichung 1 für x = 0 bis 2L. Das Ergebnis ist stets ein vorgegebener Wert unabhängig von der Zeit t. Das heißt, das Ergebnis der Integration zeigt an, daß sich der Abstand zwischen den zwei Stirnflächen des piezoelektrischen Transformatorelements selbst beim Ansteuern des Elements in der Weise λ nicht ändert, und erklärt die Erscheinung, die hier auftretende Anmelderin experimentell feststellte.
An Knotenpositionen, die bei Resonanz in der Betriebsweise λ in dem Eingangs- und dem Ausgangsbereich des piezoelektrischen Transformatorelements auftreten, schwingt das Medium an diesen Positionen wahrscheinlich in Längsrichtung des Elements in Bezug auf Positionen in einem unbewegten Zustand. Insbesondere wiederholen vermutlich die Knotenpositionen die relative Bewegung in Bezug auf die Stirnflächen des Eingangs- und des Ausgangsbereiches. Das läßt sich durch Betrachtung der experimentellen Erscheinung und der Berechnungsergebnisse erklären, die bekräftigen, daß sich die Länge des piezoelektrischen Transformatorelements bei Resonanz in der Betriebsweise λ nicht ändert, und eine bekannte Erscheinung bekräftigen, daß sich der Eingangs- und der Ausgangsbereich des Elements bei Resonanz mehrmals in entgegengesetzten Richtungen ausdehnen und zusammenziehen.
Deshalb sollte das piezoelektrische Transformatorelement, wenn das Element an seinen oder nahe seinen zwei Stirnflächen in Längsrichtung befestigt wird, mit einem Vorsprung, Klebstoff oder dergleichen an keinen anderen Positionen als nur an den zwei Stirnflächen oder in deren Nachbarschaft befestigt werden.
Wie oben beschrieben, kann das piezoelektrische Transformatorelement, wenn es zur Resonanz in der Betriebsweise λ verwendet wird, nur an seinen zwei Stirnflächen in Längsrichtung abgestützt werden, und das Gehäuse kann verschiedene Formen nutzen. Gleichzeitig lassen sich Höhe und Breite vermindern, die zum Befestigen des Elements erforderlich sind.
Als die obige Gleichung 1 auf die Ansteuerungsweisen angewandt wurde, beispielsweise auf die Weise λ/2 (m = 1) und die Weise 3λ/2 (m = 3), änderte sich die Länge des piezoelektrischen Transformatorelements, wenn es in diesen Ansteuerungsweisen zur Resonanz gebracht wurde. Selbst in diesem Fall jedoch war die Verschlechterung der Resonanzeigenschaften, die durch das Abstützen des Elements an dessen Ende verursacht wurde, sehr gering und bewirkte beim praktischen Gebrauch durch einen Vergleich zwischen den experimentellen Ergebnissen in dem Fall, in dem das Element an Resonanzknoten abgestützt wird, und dem Fall, in dem das Element an seinen Enden abgestützt wird, kein ernstes Problem. Dagegen erbringen diese Betriebsweisen hinsichtlich von Veränderungen der Befestigungs- und Unterbringungsverfahren für das piezoelektrische Transformatorelement im wesentlichen die gleichen industriellen Vorteile wie die Betriebsweise λ.
In der oben beschriebenen Weise können gemäß den obigen Ausführungsformen ein piezoelektrisches Transformatorelement, dessen zum Befestigen notwendige Höhe und Breite verkleinert werden kann, und ein Verfahren zum Unterbringen desselben bereitgestellt werden.
Da viele stark voneinander abweichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne Abweichung von Wesen und Umfang derselben geschaffen werden können, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen derselben, sondern nur auf die in den beigefügten Ansprüchen definierten beschränkt ist.

Claims

Piezoelektrisches Transformatorelement (16) mit einer Mehrschichtstruktur, das einen Eingangsbereich aufweist, welcher in einer Dickenrichtung polarisiert ist, und das Eingangselektroden sowie einen Ausgangsbereich aufweist, welcher in einer Längsrichtung polarisiert ist, und das eine Ausgangselektrode aufweist, umfassend: eine Anzahl von inneren Elektroden (11a, 12a) als die Eingangselektroden, welche zwischen einer Anzahl von piezoelektrischen Schichten ausgebildet sind; erste und zweite äußere Elektroden (11, 12) die auf einer ersten Stirnfläche des piezoelektrischen Transformatorelements auf der Eingangsbereichsseite ausgebildet sind; und eine äußere Elektrode (3), die auf einer zweiten Stirnfläche des piezoelektrischen Transformatorelements auf der Ausgangsbereichsseite ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Stirnfläche des piezoelektrischen Transformatorelements in der Längsrichtung einen Abstand aufweist, wobei die Anzahl von inneren Elektroden jede zweite Schicht abwechselnd mit den ersten und zweiten äußeren Elektroden verbunden ist und die äußeren Elektroden als Elektroden zum Anlegen der Eingangsspannung dienen, dadurch gekennzeichnet, daß das Element außerdem dritte und vierte äußere Elektroden (4, 5) umfaßt, die auf Seitenflächen parallel zur Längsrichtung des piezoelektrischen Transformatorelements auf der Eingangsbereichsseite ausgebildet sind, und jede der inneren Elektroden (11a, 12a) Vorsprünge an beiden Seiten derart aufweist, daß die Anzahl von inneren Elektroden (11a, 12a) über die Vorsprünge nicht nur mit den ersten und zweiten äußeren Elektroden sondern auch mit den dritten und vierten äußeren Elektroden abwechselnd jede zweite Schicht verbunden ist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten äußeren Elektroden an Stellen ausgebildet sind, die den Schwingungsknoten des piezoelektrischen Transformatorelements entsprechen.