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Dokumentenidentifikation DE69318743T2 17.12.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0555887
Titel Piezoelektrischer Transformation sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen
Anmelder NEC Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kawai, Jun, Minato-ku, Tokyo, JP;
Tagami, Satoru, Minato-ku, Tokyo, JP
Vertreter Glawe, Delfs, Moll & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69318743
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 15.02.1993
EP-Aktenzeichen 931023535
EP-Offenlegungsdatum 18.08.1993
EP date of grant 27.05.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.12.1998
IPC-Hauptklasse H01L 41/08

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Transformator, der für verschiedene Hochspannungsnetzversorgungen verwendet wird, und insbesondere einen piezoelektrischen Transformator für eine klein dimensionierte Hochspannungsnetzversorgung, die miniaturisiert sein soll und eine hohe Zuverlässigkeit haben soll.

In den meisten Fällen sind Hochspannung erzeugende Transformatoren, die für Fotokopiergeräte und ein Hintergrundlicht einer Flüssigkristallanzeige verwendet werden, herkömmlicherweise aus elektromagnetischen Solenoidtransformatoren zusammengesetzt

Einerseits ist ein piezoelektrischer Transformator vorgeschlagen worden, der ein völlig anderes Funktionsprinzip als der elektromagnetische Solenoidtransformator hat. Ein typisches Beispiel eines herkömmlichen, piezoelektrischen Transformators ist aus einer langgestreckten piezoelektrischen Platte und einem Paar Treiberelektroden gebildet, die jeweils auf den Ober- und Unterseiten einer Hälfte der piezoelektrischen Platte in Längsrichtung ausgebildet sind. Ein Eingangswechselstrom (AC) wird zwischen das Paar Treiberelektroden angelegt. Daher ist ein Abschnitt der piezoelektrischen Platte mit einer Eingangsspannung beaufschlagt, der als "Treiberabschnitt" bezeichnet wird. Die piezoelektrische Platte ist im "Treiberabschnitt" in Dikkenrichtung polarisiert. Der andere Teil der piezoelektrischen Platte wird als "Generatorabschnitt" bezeichnet, und die piezoelektrische Platte ist im "Generatorabschnitt" der Länge nach oder in Längsrichtung polarisiert.

An einer Endfläche des Generatorabschnittes der piezoelektrischen Platte ist eine Ausgangselektrode ausgebildet, so daß zwischen der Ausgangselektrode und einer der Treiberelektroden eine Ausgangsspannung erhalten wird. Zur Befestigung des piezoelektrischen Transformators ist an einem Knoten in einer Längsrichtung einer mechanischen Längsoszillation der Länge nach ein Halteelement positioniert.

Wenn unter dieser Bedingung eine Wechselspannung mit einer Resonanzfrequenz der Längsoszillation in Längsrichtung der piezoelektrischen Platte zwischen dem Paar Treiberelektroden angelegt wird, schwingt die piezoelektrische Platte mechanisch. Als Ergebnis wird eine Hochspannung mit der gleichen Frequenz wie die der Eingangsspannung am "Generatorteil" ausgegeben.

Eine Vorrichtung, wie vorstehend beschrieben und die die Grundlage für den Oberbegriff des Patentanspruches 1 darstellt, ist in der US-A-2 974 296 offenbart.

Bei dem vorstehend erwähnten, herkömmlichen piezoelektrischen Transformator wird die Verbindung der Elektroden des Treiberabschnittes und des Generatorabschnittes nicht an irgendeinem Schwingungsknoten bewirkt, wodurch die Zuverlässigkeit merklich verschlechtert ist. Um die vorstehend erwähnten Defekte zu lösen, wurde ein verbesserter piezoelektrischer Transformator vorgeschlagen.

Dieser verbesserte piezoelektrische Transformator ist aus einer länglichen, piezoelektrischen Platte gebildet, die in ein Paar Treiberabschnitte und einen Generatorabschnitt zwischen den Treiberabschnitten unterteilt ist. Jeder der Treiberabschnitte hat ein Paar Treiberelektroden, die an den Ober- und Unterseiten des Treiberabschnittes ausgebildet sind, und der Generatorabschnitt hat eine Ausgangselektrode, die sich auf der piezoelektrischen Platte in deren Querrichtung an einer Position erstreckt, die den Generatorabschnitt der piezoelektrischen Platte in gleiche Teile halbiert. Diese Ausgangselektrode funktioniert auch als ein Halteelement.

Die zwei "Treiberabschnitte" der piezoelektrischen Platte sind in derselben Dickenrichtung, beispielsweise in einer Richtung nach aufwärts, polarisiert. Die zwei Hälften der piezoelektrischen Platte des Generatorabschnittes sind in einander entgegensetzten Richtungen in Längsrichtung, beispielsweise in Richtungen auf die Ausgangselektroden zu, polarisiert.

Bei dieser Konstruktion wird eine Eingangswechselspannung zwischen dem Paar Treiberelektroden jedes der Treiberabschnitte angelegt, und es wird zwischen den Ausgangselektroden einer der Treiberelektroden jedes der Treiberabschnitte eine Ausgangsspannung erhalten.

Die zwei vorstehend erwähnten piezoelektrischen Transformatoren haben eine kleine Baugröße und können eine Hochspannung erzeugen. Demgemäß sind diese Transformatoren für einen Inverter, der für die Hintergrundbeleuchtung eines Flüssigkristalls verwendet wird, sehr attraktiv, für den eine starke Miniaturisierung erforderlich ist. Selbst der als zweiter vorstehend beschriebene, verbesserte piezoelektrische Transformator hat jedoch große Probleme, wie folgt:

(1) Die Treiberabschnitte der zwei Enden der piezoelektrischen Platte werden mit gleicher Phase getrieben. Daher ist im Fall, daß der piezoelektrische Transformator unter Verwendung einer Gleichstromnetzquelle getrieben wird, die Änderung der Last für die Netzquelle im Verlauf der Zeit sehr groß.

(2) Die Eingangsspannung muß relativ groß sein, so daß der Freiheitsgrad für deren Wahl begrenzt ist.

(3) In Verbindung mit der Ausgangsspannung ist der Freiheitsgrad für die Wahl des Transformationsverhältnisses ebenfalls klein.

(4) Da nur eine kleine Anzahl von Anschlüssen und Haltepunkten vorhanden ist, kann im Gebrauch ein Anstoß eine Beschädigung verursachen.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Transformator zu schaffen, bei dem der vorstehend beschriebene Nachteil des herkömmlichen Transformators überwunden ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Transformator und ein Verfahren zum Treiben desselben zu schaffen, bei dem es möglich ist, ein Paar Treiberabschnitte des piezoelektrischen Transformators jeweils in entgegengesetzter Phase zu treiben.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Transformator und ein Verfahren zum Treiben desselben zu schaffen, bei dem eine reduzierte Eingangsspannung und ein großes Transformationsverhältnis möglich ist.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, durch einen piezoelektrischen Transformator, gebildet aus einer piezoelektrischen Platte in Form einer länglichen Platte und darauf ausgebildeten Elektroden, wobei die piezoelektrische Platte in ein Paar Treiberabschnitte und wenigstens einen Generatorabschnitt unterteilt ist, die zwei Treiberabschnitte in zwei Längsendbereichen der piezoelektrischen Platte ausgebildet sind, wobei jeder der Endbereiche einen mechanischen Resonanzknoten in einem Oszillationsmodus mit drei oder mehr ungeraden Vielfachen von 1/2 der Resonanzwellenlänge λ der mechanischen Längsoszillation in der Länge der piezoelektrischen Platte aufweist, wobei mindestens ein Generatorabschnitt in einem zentralen Bereich der piezoelektrischen Platte ausgebildet ist, der einen mechanischen Resonanzknoten in dem vorstehend erwähnten Oszillationsmodus hat, wobei die Treiberabschnitte in einer Dickenrichtung polarisiert sind, und die Treiberabschnitte einen Abstand von λ/2 zum entsprechenden Ende der piezoelektrischen Platte haben.

Vorzugsweise ist wenigstens ein Generatorabschnitt in drei oder mehr ungeradzahlige Bereiche bei jedem Abstand von unterteilt.

In einer Ausführungsform sind die Treiberabschnitte in der Dickenrichtung der piezoelektrischen Platte, jedoch in zueinander entgegengesetzter Richtung, polarisiert. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Treiberabschnitte in der gleichen Dickenrichtung der piezoelektrischen Platte polarisiert. Zusätzlich sind an den Knoten der mechanischen Resonanz der Längsoszillation längs der piezoelektrischen Platte in beiden der Treiberabschnitte und wenigstens einem Generatorabschnitt Träger angeordnet, die ebenfalls als elektrische Anschlüsse dienen.

Wie aus dem vorstehenden zu ersehen ist, ist die vorliegende Erfindung zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme dadurch gekennzeichnet, daß:

(1) ein Treiberabschnitt an jedem der zwei einander gegenüberliegenden Enden, die einen Knoten einer mechanischen Oszillation enthalten, vorgesehen ist;

(2) die Richtungen der Polarisation der Treiberabschnitte einander entgegengesetzt sind;

(3) Eingänge, die die umgekehrte Phase oder die gleiche Phase haben, jeweils an die zwei Treiberabschnitte angelegt sind;

(4) in einem zentralen Abschnitt, der einen Knoten der mechanischen Oszillation enthält, ein Generatorabschnitt vorgesehen ist;

(5) ein Oszillationsmodus hoher Ordnung verwendet wird;

(6) die Richtung der Polarisationen so eingestellt ist, daß eine erzeugte Spannung einer weiteren addiert wird; und

(7) elektrische Anschlüsse, die auch als ein Träger dienen, an Oszillationsknoten in den Treiberabschnitten und in dem Generatorabschnitt vorgesehen sind.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der begleitenden Figuren hervor.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen Modus mit drei λ/2 hat;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen Modus mit fünf λ/2 hat.

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen Modus mit sieben λ/2 hat;

Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen Modus mit neun λ/2 hat;

Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen Modus mit fünf λ/2 hat;

Fig. 6 ein Beispiel der Bewertung und des Treibervorganges des piezoelektrischen Transformators; und

Fig. 7 ein weiteres Beispiel der Bewertung und des Treiberprozesses des piezoelektrischen Transformators.

Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen in der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen beschrieben. Nun werden gemeinsame Punkte der folgenden Ausführungsformen zusammen erläutert.

(1) Materialpiatte für den piezoelektrischen Transformator

Als piezoelektrisches Material, das einen kleinen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k&sub3;&sub1; (in einer Richtung rechtwinkelig zur Polarisationsrichtung) hat und einen großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k&sub3;&sub3; (in der Polarisationsrichtung) hat, ist ein Sintermaterial, welches unter dem Handelsnamen NEPEC 8 der Firma Torkin (japanische Firma) zur Verfügung steht, verwendet worden. Dieses Sintermaterial wurde zu einer gewünschten Form einer länglichen Platte geschnitten.

(2) Ausbildung der Elektroden

Die Elektroden wurden durch Strukturierung einer Silberpalladiumpaste, die 75% Silber und 25% Palladium enthält, mittels eines üblichen Dickschichtsiebdruckverfahrens und dann durch Sintern der struktuierten Elektroden bei einer Temperatur von 600ºC, gebildet.

(3) Polarisationsbehandlung

In einem isolierenden Öl, das auf eine Temperatur von 150ºC erhitzt ist, wird ein elektrisches Gleichstromfeld von 1,5 KV/mm angelegt und für 15 Minuten aufrechterhalten.

(4) Installation der Träger

Für den Treiberabschnitt wurde ein Träger durch Ausschneiden einer Kupferplatte mit einer Dicke von 0,1 mm hergestellt. Die Länge des Trägers wurde gleich der Breite der Elektroden, die auf der piezoelektrischen Transformatormaterialplatte ausgebildet sind, und die Breite des Trägers wurde gleich 0,3 mm hergestellt. Diese ausgeschnittene Kupferplatte wurde elektrisch an einer Position der Unterseite der piezoelektrischen Transformatormaterialplatte, entsprechend einem Schwingungsknoten, gelötet.

Ein Träger für den Generatorabschnitt wurde durch Ausschneiden einer Kupferplatte mit einer Dicke von 0,1 mm hergestellt, um ein Loch, das etwas größer als die Querschnittform der piezoelektrischen Transformatormaterialplatte war, auszubilden. Diese ausgeschnittene Kupferplatte wurde als ein Träger verwendet. Die piezoelektrische Transformatormaterialplatte wurde in das Loch des ausgeschnittenen Kupferplattenträgers eingesetzt, und der ausgeschnittene Kupferplattenträger wurde mit der Silberpalladiumelektrode, die an einem Punkt entsprechend einem Schwingungsknoten in der Längsrichtung aufgebracht worden ist, elektrisch verlötet und an dieser befestigt.

(5) Installation der Anschlüsse

Ein Anschluß, der durch Ausschneiden einer Kupferplatte mit einer Dicke von 0,1 mm zu einem Quadrat zu einer Größe von 0,3 mm x 0,3 mm, hergestellt war, wurde durch Punktlöten an einem dem Oszillationsknoten entsprechenden Zentrum der Oberfläche des Treiberabschnittes befestigt.

Ausführungsform 1

Bezugnehmend auf die Fig. 1 zeigt diese eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung, der einen Modus mit drei λ/2 hat.

Es wurde der piezoelektrische Transformator mit einem Modus mit drei λ/2, wie in der Fig. 1 gezeigt, hergestellt. In der Fig. 1 ist der piezoelektrische Transformator aus einer piezoelektrischen Platte 1 gebildet, die in ein Paar Treiberabschnitte (oder Eingangsabschnitte) 5A und 5B und einen Generatorabschnitt (oder Ausgangsabschnitt) 6 zwischen den Treiberabschnitten 5A und 5B unterteilt ist. Der piezoelektrische Transformator hat ein Paar Elektroden 2A und 3A und 2B und 3B, die auf der Oberseite und der Unterseite jeweils jedes Treiberabschnittes 5A und 5B ausgebildet sind. An einer Ausgangselektrode, die auf dem Generatorabschnitt 6 in einer zentralen Position in Längsrichtung ausgebildet ist, ist ein Anschluß und ein Träger 7 elektrisch angelötet. Der piezoelektrische Transformator hat auch untere und obere Elektrodenanschlüsse 9 und 10, die auf den Elektroden 2A und 3A und 2B und 3B jeweils jedes der Treiberabschnitte 5A und 5B ausgebildet sind und die in Längsrichtung der Treiberabschnitte 5A und 5B in mittleren Positionen liegen. In der vorliegenden Figur sind Pfeile an den vorderen Längsseitenflächen der piezoelektrischen Platte 1 gezeichnet, die eine Polarisationsrichtung angeben. Wie durch die Pfeile gezeigt, sind die zwei Treiberabschnitte 5A und 5B in Dickenrichtung, jedoch in zueinander entgegengesetzten Richtungen, polarisiert. Der Generatorabschnitt 6 wurde durch eine zentrale Querebene in zwei Teile in Längsrichtung unterteilt, und die zwei Teile wurden in Längsrichtung, aber in zueinander entgegengesetzter Richtung, polarisiert.

Bei dieser Anordnung wird eine Eingangsspannung Vin zwischen dem Paar Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A und zwischen dem Paar Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B angelegt, und es wird zwischen der Ausgangselektrode 7 und der Eingangselektrode 3A des Treiberabschnittes 5A und zwischen der Ausgangselektrode 7 und der Eingangselektrode 3B des Treiberabschnittes 5B eine Ausgangsspannung Vout erhalten.

Alle Treiberabschnitte 5A und 5B, die an den einander gegenüberliegenden Endabschnitten der piezoelektrischen Platte 1 ausgebildet sind, und der Generatorabschnitt 6, der in der Fig. 1 gezeigt ist, haben eine Länge von λ/2 (wobei λ die Wellenlänge einer Resonanzfrequenz ist), und die piezoelektrische Platte 1 hat eine Gesamtlänge von 72,7 mm, eine Breite von 22,6 mm und eine Dicke von 1,4 mm. Daher liegen die Ausgangselektrode 7 und die unteren und oberen Elektrodenanschlüsse 9 und 10 an jeweiligen Knoten einer mechanischen Schwingung, die in der piezoelektrischen Platte 1 erzeugt wird.

Zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A und zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B werden elektrische Wechselspannungen mit zueinander entgegengesetzten Phasen angelegt. Das heißt, die Eingangswechselspannung, welche zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A anliegt, hat eine entgegengesetzte Phase zu der Wechselspannung, die zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B angelegt wird. Die Ausgangsspannung Vout, die zwischen der Ausgangselektrode 7 und der Eingangselektrode 3A des Treiberabschnittes 5A liegt, und die Ausgangsspannung Vout, die zwischen der Ausgangselektrode 7 und der Eingangselektrode 3B des Treiberabschnittes 5B liegt, sind andererseits parallel zueinander kombiniert.

Dann ist die Resonanzfrequenz des Modus dritter Ordnung 64,4 kHz Wenn die Ausgangsimpedanz 211 KΩ ist, ist bei einer Eingabe von 48 V die Ausgabe 1300 V. Es werden nämlich 8 W als Ausgabe erhalten.

Weiterhin wurde das Rauschen der Netzquelle, das beim Treiben des piezoelektrischen Transformators durch Schalten der Gleichstromnetzquelle auftrat, gemessen. Der piezoelektrische Transformator gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde nämlich durch einen Schaltungsaufbau, wie er in der Fig. 6 gezeigt ist, gemessen, während der zweite herkömmliche Transformator, der zuvor erläutert worden ist, durch einen Schaltungsaufbau, wie er in der Fig. 7 gezeigt ist, gemessen wurde. In den Fig. 6 und 7 repräsentieren die Bezugsziffern 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 eine Gleichstromnetzquelle, einen elektrolytischen Glättungskondensator, eine Drosselspule, einen Varistor zum Schutz der Netzquelle, einen elektronischen Schalter, einen piezoelektrischen Transformator bzw. einen Lastwiderstand.

Der elektrische Schalter 25 wurde so geschaltet, daß die wiederholte Impulsfrequenz zur Resonanzfrequenz wurde und daß das Einschaltverhältnis 50% betrug. Zusätzlich wurde die Spannung der Gleichstromnetzquelle 21 so eingestellt, daß die in den zwei Treiberabschnitten, welche in den Fig. 6 und 7 gezeigt sind, verbrauchte elektrische Leistung gleich war.

In der in der Fig. 6 gezeigten Schaltung wurden elektrische Felder, die zueinander um 180º phasenverschoben waren, an die zwei Treiberabschnitte 5A bzw. 5B angelegt. In der in der Fig. 7 gezeigten Schaltung wurden elektrische Felder, die die gleiche Phase hatten, gleichzeitig an die zwei Treiberabschnitte angelegt.

Als Ergebnis konnte festgestellt werden, daß die Ausgaben der piezoelektrischen Transformatoren, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt sind, weitgehend gleich waren. Andererseits wurde die Ausgangsvarianz der Gleichstrom-Netzquelle 1 gemessen. Somit wurde beobachtet, daß die Varianz um mehr als eine Stelle bei der vorliegenden Ausführungsform, wie in der Fig. 6 gezeigt, verglichen mit dem in der Fig. 7 gezeigten Beispiel, reduziert ist.

Als ein Zuverlässigkeitstest des piezoelektrischen Transformators gemäß dieser Ausführungsform wurde der Dauerbetriebstest für 20.000 Stunden in einer Atmosphäre mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% und einer Temperatur von 80ºC, durchgeführt. Als Ergebnis zeigte keine einzige Probe von 250 Proben eine Anomalität der Charakteristika.

Ausführungsform 2

Es wurde ein piezoelektrischer Transformator mit fünffachem λ/2-Modus, wie in der Fig. 2 gezeigt, hergestellt. In der Fig. 2 sind Elemente, welche ähnlich oder entsprechend jenen in der Fig. 1 gezeigten sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und auf ihre Erläuterung wird verzichtet. Die zweite Ausführungsform hat anstatt des einzigen Generatorabschnittes 6 der Ausführungsform 1 drei Generatorabschnitte 6A, 6B und 6C.

In der Fig. 2 zeigt jeder der Pfeile, die an einer vorderen Längsfläche der piezoelektrischen Platte 1 aufgetragen sind, eine Polarisationsrichtung an. Wie durch die Pfeile dargestellt, wurden die zwei Treiberabschnitte 5A und 5B in Dickenrichtung, jedoch in einander entgegengesetzten Richtungen, polarisiert.

Der Teil der piezoelektrischen Platte 1 zwischen den Treiberabschnitten 5A und 5B ist in zwei mittlere Abschnitte mit einem Abstand von λ/4 zur Längsmittelebene und zwei äußere Abschnitte 6A und 6C mit einem Abstand λ/2, neben den mittleren Abschnitten, unterteilt. Diese vier Abschnitte sind in Längsrichtung so polarisiert, daß die Polarisationen jedes Paares einander benachbarter Abschnitte einander entgegengesetzt ist. Die zwei mittleren Abschnitte mit einem Abstand λ/4 bilden einen Generatorabschnitt 6B. Jeder der drei Generatorabschnitte 6A, 6B und 6C hat eine Ausgangselektrode und einen Träger 7, der in der mittleren Position in Längsrichtung positioniert ist und die auf ähnliche Art und Weise wie die Ausgangselektroden der Träger 7 der Ausführungsform 1 gebildet sind.

Jeder der Treiberabschnitte 5A und 5B hat eine Länge λ/2, und die Generatorabschnitte 6A, 6B und 6C haben eine Länge von zusammen 1,5λ. Der piezoelektrische Transformator hat eine Gesamtlänge von 121,2 mm, eine Breite von 22,6 mm und eine Dicke von 1,4 mm.

Zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A und zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B sind Wechselspannungen mit einander entgegengesetzter Phase angelegt. Die Eingangs-Wechselspannung, welche zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A liegt, hat nämlich eine entgegengesetzte Phase zu der Spannung, die zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B angelegt ist. Andererseits wird die Ausgangsspannung Vout durch Parallelschalten der drei Ausgangselektroden 7, der Eingangselektrode 3A des Treiberabschnittes 5A und der Eingangselektrode 3B des Treiberabschnittes 5B erhalten.

Bei dieser Ausführungsform ist die Resonanzfrequenz des Modus fünfter Ordnung 64,4 kHz. Wenn die Ausgangsimpedanz 211 KQ ist, ist die Ausgabe 1300 V bei einer Eingabe von 16 V. Es wird nämlich eine Ausgabe von 8 W erhalten.

Als ein Zuverlässigkeitstest des piezoelektrischen Transformators gemäß dieser zweiten Ausführungsform wurde ein Dauerbetriebstest für 20.000 Stunden in einer Atmosphäre von 85% relativer Luftfeuchtigkeit und bei einer Temperatur von 80ºC durchgeführt. Als Ergebnis hat keine einzige der 200 Proben eine Anomalität des Verhaltens gezeigt.

Ausführungsform 3

Es wurde ein piezoelektrischer Transformator vom siebenfachen λ/2-Modus, wie in der Fig. 3 gezeigt, hergestellt. In der Fig. 3 sind Elemente entsprechend oder gleich jenen wie in der Fig. 1 gezeigten, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und auf deren Erläuterung wird verzichtet. Die zweite Ausführungsform hat fünf Generatorabschnitte 6A, 6B, 6C, 6D und 6E anstatt des einzigen Generatorabschnittes 6 in der Ausführungsform 1.

In der Fig. 3 zeigen die Pfeile, welche entlang der vorderen Längsseite der piezoelektrischen Platte 1 gezeichnet sind, eine Polarisationsrichtung an. Wie durch die Pfeile angegeben, sind die zwei Treiberabschnitte 5A und 5B in Dickenrichtung, jedoch in zueinander entgegengesetzten Richtungen, polarisiert.

Der Teil der piezoelektrischen Platte 1 zwischen den Treiberabschnitten 5A und 5B ist in zwei mittlere Abschnitte mit einem Abstand von λ/4 zur Mittelebene in Längsrichtung, zwei mittlere Abschnitte 6B und 6C mit einem Abstand λ/2 neben den mittleren Abschnitten, und zwei äußere Abschnitte 6A und 6E mit einem Abstand λ/2 nach außen benachbart zu den mittleren Abschnitten 6B bzw. 6D unterteilt. Diese sechs Abschnitte sind in Längsrichtung so polarisiert, daß die Polarisation jedes Paares benachbarter Abschnitte einander entgegengesetzt ist. Die zwei mittleren Abschnitte mit einem Abstand λ/4 bilden einen Generatorabschnitt 6C. Jeder der Generatorabschnitte 6A, 6C und 6E hat eine Ausgangselektrode und einen Träger 7, die in mittlerer Position in Längsrichtung positioniert sind und die ähnlich wie die Ausgangselektrode und der Träger 7 der Ausführungsform 1 gebildet sind.

Jeder der Treiberabschnitte 5A und 5B hat eine Länge von λ/2, und die Generatorabschnitte 6A, 6B, 6C, 6D und 6E haben zusammen eine Länge von 2,5λ. Der piezoelektrische Transformator hat eine Gesamtlänge von 169,6 mm und eine Breite von 22,6 mm und eine Dicke von 1,4 mm.

Zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A und zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B werden wechselspannungen mit einander entgegengesetzter Phase angelegt. Die Eingangswechselspannung, die zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A liegt, hat nämlich eine entgegengesetzte Phase zu der Spannung, welche zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B angelegt ist. Die Ausgangsspannung Vout wird andererseits erhalten, indem die drei Ausgangselektroden 7, die Eingangselektrode 3A des Treiberabschnittes 5A und die Eingangselektrode 3B des Treiberabschnittes 5B parallel geschaltet werden.

Bei dieser Ausführungsform ist die Resonanzfrequenz des Modus siebter Ordnung 64,4 kHz. Wenn die Ausgangsimpedanz 211 KΩ ist, ist die Ausgabe 1300 V mit Bezug auf eine Eingabe von 9,6 V. Es wird nämlich eine Ausgabe von 8 W erhalten.

Als ein Zuverlässigkeitstest des piezoelektrischen Transformators gemäß dieser Ausführungsform wurde ein Dauerbetriebstest für 20.000 Stunden in einer Atmosphäre von 85% relativer Luftfeuchtigkeit und bei einer Temperatur von 80ºC durchgeführt. Als Ergebnis zeigte keine einzige Probe von 200 Proben ein anormales Verhalten.

Die Basen der Anschlüsse 9 und 7 des piezoelektrischen Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung wurden durch Löten an einer gedruckten Standardleiterplatte montiert. Es wurde in drei Richtungen, der Länge, der Breite und der Dicke, ein Schlagversuch durchgeführt. Als ein Ergebnis konnte klar beobachtet werden, daß der Transformator einem Schlag von 500 G widerstehen kann.

Ausführungsform 4

Es wurde ein piezoelektrischer Transformator mit neunfachem λ/2-Modus, wie in der Fig. 4 gezeigt, hergestellt. In der Fig. 4 sind entsprechende oder ähnliche Elemente, wie die in der Fig. 1 gezeigten, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und auf deren Erläuterung wird verzichtet. Die vierte Ausführungsform hat sieben Generatorabschnitte 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G anstatt des einzigen Generatorabschnittes 6 der Ausführungsform 1.

In der Fig. 4 zeigt jeder der Pfeile, die an einer vorderen Längsseite der piezoelektrischen Platte 1 aufgezeichnet sind, eine Polarisationsrichtung an. Wie durch die Pfeile dargestellt, wurden die zwei Treiberabschnitte 5A und 5B in Dickenrichtung, aber in zueinander entgegengesetzten Richtungen, polarisiert.

Der Teil der piezoelektrischen Platte 1 zwischen den Treiberabschnitten 5A und 5B ist in zwei mittlere Abschnitte mit einem Abstand λ/4 zur Mittelebene in Längsrichtung, zwei mittlere Abschnitte 6C und 6E mit einem Abstand von λ/2 benachbart zu den mittleren Abschnitten, zwei mittleren Abschnitten 6B und 6F mit einem Abstand λ/2 nach außen benachbart zu den mittleren Abschnitten 6C und 6E und zwei äußeren Abschnitten 6A und 6G mit einem Abstand λ/2 nach außen benachbart zu den mittleren Abschnitten 6B bzw. 6F unterteilt. Diese acht Abschnitte sind in Längsrichtung so polarisiert, daß die Polarisation jedes Paares einander benachbarter Abschnitte einander entgegengesetzt sind. Die zwei mittleren Abschnitte mit einem Abstand λ/4 bilden einen Generatorabschnitt 6D. Jeder der Generatorabschnitte 6B, 6D und 6F hat eine Ausgangselektrode und einen Träger 7, die in mittlerer Position in Längsrichtung positioniert sind, und die auf ähnliche Art und Weise wie die Ausgangselektrode und der Träger 7 der Ausführungsform 1 ausgebildet sind.

Jeder der Treiberabschnitte 5A und 5B hat eine Länge λ/2, und die Generatorabschnitte 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G haben zusammen eine Länge von 3,5λ. Der piezoelektrische Transformator hat eine Gesamtlänge von 218,1 mm, eine Breite von 22,6 mm und eine Dicke von 1,4 mm.

Zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A und zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B liegen Wechselspannungen mit jeweils entgegengesetzter Phase. Die Eingangs-Wechselspannung, die zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnitt 5A angelegt ist, hat nämlich eine entgegengesetzte Phase zu der, die zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B angelegt ist. Andererseits wird die Ausgangsspanne Vout erhalten, indem die drei Ausgangselektroden 7, die Eingangselektrode 3A des Treiberabschnittes 5A und die Eingangselektrode 3B des Treiberabschnittes 5B parallel geschaltet sind.

Bei dieser Ausführungsform ist die Resonanzfregenz im Modus neunter Ordnung 64,4 kHz. Wenn die Ausgangsimpedanz 211 KΩ ist, ist die Ausgabe 1300 V bei einer Eingabe von 6,9 V. Es wird nämlich eine Ausgabe von 8 W erhalten.

Als ein Zuverlässigkeitstest des piezoelektrischen Transformators gemäß dieser Ausführungsform wurde ein Dauerbetriebstest für 20.000 Stunden in einer Atmosphäre von 85% relativer Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 80ºC durchgeführt. Als Ergebnis zeigte keine einzige der Proben von 100 Proben ein anomales Verhalten.

Die piezoelektrischen Transformatoren gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurden durch Löten auf eine Standardleiterplatte montiert. Es wurde in drei Richtungen, der Länge, der Breite und der Dicke, ein Schlagversuch durchgeführt. Als Ergebnis konnte klar beobachtet werden, daß die Transformatoren einem Schlag von 500 G widerstehen können.

Ausführungsform 5

Es wurde ein piezoelektrischer Transformator mit fünffachem λ/2-Modus, wie in der Fig. 5 gezeigt, hergestellt. In der Fig. 5 sind Elemente entsprechend oder ähnlich jenen, wie in der Fig. 1 gezeigt, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und es wird auf ihre Erläuterung verzichtet. Die fünfte Ausführungsform hat drei Generatorabschnitte 6A, 6B und 6C anstatt des einzigen Generatorabschnittes 6 der Ausführungsform 1.

In der Fig. 5 zeigt jeder der Pfeile, die an einer vorderen Längsseite der piezoelektrischen Platte 1 aufgezeichnet sind, eine Polarisationsrichtung an. Wie durch die Pfeile angegeben, wurden die zwei Treiberabschnitte 5A und 5B in derselben Dickenrichtung polarisiert.

Der Teil der piezoelektrischen Platte 1 zwischen den Treiberabschnitten 5A und 5B ist in zwei mittlere Abschnitte mit einem Abstand λ/4 von der Mittelebene in Längsrichtung und in zwei äußere Abschnitte 6A und 6C mit einem Abstand λ/2 benachbart zu den mittleren Abschnitten, unterteilt. Diese vier Abschnitte sind in Längsrichtung so polarisiert, daß die Polarisationen jedes Paares benachbarter Abschnitte einander entgegengesetzt sind. Die zwei mittleren Abschnitte mit einem Abstand von λ/4 bilden einen Generatorabschnitt 6B. Jeder der drei Generatorabschnitte 6A, 6B und 6C hat eine Ausgangselektrode und einen Träger 7, die in der mittleren Position in Längsrichtung positioniert sind und die auf ähnliche Art und Weise wie die Ausgangselektrode und der Träger 7 der Ausführungsform 1 gebildet sind.

Jeder der Treiberabschnitte 5A und 5B hat eine Länge von λ/2, und die Generatorabschnitte 6A, 6B und 6C haben eine Länge von insgesamt 1,5λ. Der piezoelektrische Transformator hat eine Gesamtlänge von 121,2 mm, eine Breite von 22,6 mm und eine Dicke von 1,4 mm.

Zwischen den Elektroden 2A und 3A des Treiberabschnittes 5A und zwischen den Elektroden 2B und 3B des Treiberabschnittes 5B wurden Wechselspannungen mit dergleichen Phase angelegt. Andererseits wird die Ausgangsspannung Vout durch Parallelschalten der drei Ausgangselektroden 7, der Eingangselektrode 3A des Treiberabschnittes 5A und der Eingangselektrode 3B des Treiberabschnittes 5B erhalten.

Bei dieser Ausführungsform beträgt die Resonanzfreguenz des Modus fünfter Ordnung 64,4 kHz Wenn die Ausgangsimpedanz 211 KΩ ist, ist die Ausgabe 1300 V bei einer Eingabe von 16 V. Es wird nämlich eine Ausgabe von 8 W erhalten.

Als ein Zuverlässigkeitstest des piezoelektrischen Transformators gemäß dieser fünften Ausführungsform wurde der Dauerbetriebstest für 20.000 Stunden in einer Atmosphäre mit 85% relativer Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von 80ºC durchgeführt. Als Ergebnis hat keine einzige Probe von 150 Proben ein anomales Verhalten gezeigt.

Der Transformator mit kleiner Größe wird häufig in einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem elektrostatischen Fotokopiergerät oder einem Hintergrundlicht für einen Flüssigkristall integriert und wird dann durch eine Gleichstromquelle von einem Hauptgerät gespeist. In diesem Fall speist das Hauptgerät zahlreiche Untersysteme mit einer elektrischen Leistung von derselben Netzquelle. Wenn somit durch Rauschen durch eine Netzquelle eine Interferenz verursacht wird, führt dies zu großen Problemen. Eine erste Wirkung der vorliegenden Erfindung ist es, das Rauschen um mehr als eine Stelle, verglichen mit dem herkömmlichen piezoelektrischen Transformator, zu reduzieren.

Weiterhin ist der Selektionsbereich des Transformationsverhältnisses breit, ohne daß die Resonanzfrequenz variiert, indem der Modus höherer Ordnung, falls erforderlich, verwendet wird. Wie nämlich vorstehend erwähnt, ist die Spannung, welche von dem Hauptgerät zugeführt wird, strikt begrenzt. Die vorliegende Erfindung ist sehr nützlich, diese Begrenzung zu eliminieren. Weiterhin kann, wenn die Eingangsspannung konstant ist, die Ausgangsspannung in Übereinstimmung mit der Ordnung des Osziallationsmodus erhöht werden. Dies ist ebenfalls sehr von Vorteil.

Zusätzlich ist es aus den Ausführungsformen klar zu ersehen, daß die vorliegende Erfindung einen Spannungsübersetzungstransformator mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit schafft. Es ist bekannt, daß der herkömmliche Solenoidtransformator immer bei hoher Luftfeuchtigkeit und einer hohen Temperatur einen Kurzschlußausfall hat. Die Transformatoren der vorliegenden Erfindung bewirken jedoch keinen Ausfall, wie Kurzschlußausfall, wie dies klar aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zu ersehen ist. Dies resultiert aus der Tatsache, daß der piezoelektrische Transformator gemäß der vorliegenden Erfindung einen einfachen Aufbau hat und daß die elektrischen Anschlüsse nur an notwendigen Punkten der Knoten durchgeführt werden können, deren Anzahl gleich der Ordnungsziffer der Oszillation ist.

Obwohl herkömmlicherweise piezoelektrische Transformatoren mit einer ausgezeichneten Struktur vorgeschlagen worden sind, sind sie nicht in breitem Umfang im industriellen Umfeld verwendet worden. Dies ist deshalb der Fall, weil der elektrische Anschluß nicht an einer unstabilen Seite (Seite der Welle) der mechanischen Schwingung durchgeführt war. Die vorliegende Erfindung verbessert die Stabilität, weil der Träger konstant für viele mechanische Schwingungsknoten vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Probleme vollständig.

Die Erfindung ist somit anhand der spezifischen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden. Es ist jedoch anzumerken, daß die vorliegende Erfindung auf keine Art und Weise auf die Details begrenzt ist, die in den dargestellten Konstruktionen gezeigt sind, sondern daß Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfanges der anhängenden Patentansprüche durchgeführt werden können.


Anspruch[de]

1. Piezoelektrischer Transformator mit einer länglichen piezoelektrischen Platte (1) und darauf ausgebildeten Elektroden (2A, 2B, 3A, 3B, 7), wobei die piezoelektrische Platte (1) in einen Treiberbereich, in dem die piezoelektrische Platte in Dickenrichtung polarisiert ist, und zumindest einen Generatorabschnitt (6) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiberbereich ein paar Treiberabschnitte (5A, 5B) aufweist, die in zwei Längsendbereichen der piezoelektrischen Platte ausgebildet sind, wobei jeder der Endbereiche einen mechanischen Resonanzknoten in einem Oszillationsmodus mit drei oder mehr ungeraden Vielfachen von 1/2 der Resonanzwellenlänge λ der mechanischen Längsoszillation in der Länge der piezoelektrischen Platte aufweist, daß der zumindest eine Generatorabschnitt aus einem Zentralbereich der piezoelektrischen Platte ausgebildet ist und einen mechanischen Resonanzknoten in diesem Oszillationsmodus aufweist, wobei der Treiberabschnitt eine Länge von λ/2 des entsprechenden Endes der piezoelektrischen Platte aufweist.

2. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Generatorabschnitt (6) eine Länge von λ/2 aufweist und zwei Unterabschnitte gleicher Länge aufweist, die in Längsrichtung, aber entgegengesetzt zueinander polarisiert sind.

3. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Generatorabschnitt in drei oder mehr ungradzahlige Bereiche (6A, 6B,...) bei jedem Abstand von λ/2 unterteilt ist.

4. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, wobei die Treiberabschnitte (5A, 5B) in Dickenrichtung der piezoelektrischen Platte, aber entgegengesetzt zu einander polarisiert sind.

5. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, wobei die Treiberabschnitte (5a, Sb) in die gleiche Dickenrichtung der piezoelektrischen Platte polarisiert sind.

6. Piezoelektrischer Transformator nach Anspruch 1, wobei Träger (7), die auch als elektrische Anschlüsse dienen, an allen Knoten der mechanischen Resonanz der Längsoszillation in der Länge der piezoelektrischen Platte sowohl in den Treiberabschnitten als auch in dem zumindest einen Generatorabschnitt ausgebildet sind.

7. Verfahren zum Betreiben des piezoelektrischen Transformators nach Anspruch 5,

wobei die Treiberabschnitte (5A, 5B) mit Treiberpotentialen mit gleicher Phase versorgt werden.

8. Verfahren zum Treiben des piezoelektrischen Transformators nach Anspruch 4,

wobei die Treiberabschnitte (5A, 5B) mit Treiberpotentialen entgegengesetzter Phasen versorgt werden.







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