壓電變壓器的製作方法

2023-05-22 23:25:06

專利名稱：壓電變壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用1波長共振型壓電振子的壓電變壓器，該壓電振子採用由壓電性陶瓷構成的矩形片。
背景技術：
作為變壓器，已知有將線圈繞在鐵心上的電磁式變壓器。該電磁式變壓器由於尺寸大、消耗功率大、以及產生電磁噪音和發熱，所以不適合作為小型電氣設備的電源使用。例如，作為靜電發生裝置或液晶顯示器的背面光點亮用的高電壓電源中的變壓器，雖然不需要大的輸出電流，但卻需要1kV-數瓦左右的輸出電壓，同時要求降低電磁噪音和消耗功率、以及小型化等。
另一方面，由於利用壓電現象的壓電變壓器幾乎不產生電磁噪音，且能小型化，所以可以研究將其作為小型設備的電源用變壓器的實用化的問題。
參照圖1(a)及(b)，現有的壓電變壓器11備有壓電性陶瓷矩形片13；在從該壓電性陶瓷矩形片13的一端起沿縱向的大約一半的部分(以下稱第1部分)沿厚度方向相對地設置的2個表面電極15、15；以及在兩個表面電極之間的上述第1部分的內部沿厚度方向互相間隔開形成的多個內部電極16、17。另外，表面電極15、15分別連接著在上述第1部分的相對的側面上分別形成的側面電極18、19，同時每隔一個內部電極16和剩餘的內部電極17分別連接。另外，還備有在與壓電性陶瓷矩形片13的上述第1部分相反一側的半部分(以下稱第2部分)的端面上形成的輸出、取出用的端面電極20。
通過將直流電壓加在側面電極18、19之間，能對壓電性陶瓷矩形片13的上述第1部分進行極化處理。即，壓電性陶瓷矩形片13在表面電極15、15及內部電極16、17各電極之間被極化，其極化方向如圖1(b)中的小箭頭所示，在內部電極16、17各自的兩側彼此方向相反。再者，通過將直流電壓再加在2個表面電極1 5和端面電極20之間，如圖1(b)中的大箭頭所示，壓電性陶瓷矩形片13的第2部分沿縱向被極化。
上述的電極結構中的1波長共振型壓電變壓器被稱為羅真(ロ-ゼン)式壓電變壓器。
另外，作為輸入電極，具有上述的多個內部電極的類型，實際上是在製造時將內部電極和壓電體互相交替地重疊形成的，所以稱為重疊型。與此不同，還知道有這樣一種類型的電極，它不設內部電極、而在相對的表面電極15、15之間使厚度方向的極化只朝向一個方向。這種類型在製造時不需要進行重疊，只在一個壓電體的表面上構成電極即可，以下稱為單片型。
下面說明圖1(a)及(b)所示的羅真式壓電變壓器的工作情況。
將側面電極18、19中的一個作為接地端子，將交流電壓作為輸入電壓加在另一個電極上，上述交流電壓的頻率與壓電性陶瓷矩形片13沿縱向振動時的1波長共振方式的共振頻率相等，這樣，重疊型壓電變壓器就能起壓電振子的作用，如圖2(a)及(b)所示，分別以所示的位移分布和變形分布進行振動。這時，利用壓電效應，在表面電極15及內部電極16、17和端面電極20之間產生交流電壓。所產生的交流電壓的大小基本上由表面電極15及內部電極16、17之間的距離、表面電極15和端面電極20之間的距離、以及輸入電壓決定。即，在壓電變壓器中，通過利用壓電效應的能量變換、即電-機械-電變換，能獲得變壓了的電壓。
因此，伴隨近年來電子設備的小型輕量化的要求，這種壓電變壓器也要求小型輕量化。例如要求將長(mm)×寬(mm)×厚(mm)＝42×12×1.5的壓電振子的寬度縮小一半(42×6×1.5)，而將其體積減小一半。
可是，如果減小壓電振子的體積，則傳遞的功率將與體積的減小成比例地降低。因此，為了獲得規定的輸出功率，必須增大壓電振子的振動速度。就是說，如果振動方式及壓電振子的長度已被確定，那麼振動頻率也就確定了，所以在如上那樣將壓電振子的寬度減小一半的情況下，為了增大振動速度，必須增大輸入電壓、增大壓電振子的位移量(振幅)。
可是，壓電振子的振動速度的增大將導致發熱的增大，導致效率下降。特別是在達到了壓電陶瓷的固有振動程度的極限(意味著振子在振動速度大、振幅大時由於發熱造成的溫度(ΔT)達到規定值的振動速度，該規定值可選定例如ΔT＝25℃)振動速度，也不能獲得所希望的輸出的情況下，即使進一步超過振動程度的極限而增加振動速度，也只能使發熱呈指數函數地增大，效率下降很大，而不能獲得所希望的輸出。即在現有的羅真式電極結構的壓電變壓器中，存在難以小型化的問題。
本發明的目的在於提供一種既能比現有的壓電變壓器的體積小，又能以比材料固有的振動程度極限低的振動速度，獲得與現有的壓電變壓器同等程度的輸出的壓電變壓器。
發明的公開如果採用本發明的一種形態，則能獲得這樣一種壓電變壓器，即在利用沿矩形壓電片的縱向以1波長共振方式振動的壓電變壓器中，其特徵在於備有具有從第1端延伸到相對一側的第2端的片長、片寬和片厚、且沿外片長度假想地4等分的第1至第4區按照從上述第1端至第2端這一順序排列的上述矩形壓電片；具有設在分別與上述壓電片的第1端及第2端相鄰的上述第1區及第4區中的至少2個平面電極、接收與上述片長相等的波長對應的頻率的交流輸入電壓、驅動上述壓電片的1波長共振用的輸入電極裝置；以及具有設在上述壓電片的第2及第3區邊界部分且沿上述寬度方向延伸的帶狀電極、輸出由上述壓電片的1波長共振發生的交流輸出電壓用的輸出電極裝置，而且上述第1區及第4區在上述片的厚度方向上彼此沿相反的方向極化，上述第2及第3區沿上述片的長度方向極化。
如果採用本發明的另一形態，則能獲得這樣一種壓電變壓器，即在利用沿矩形壓電片的縱向以1波長共振方式振動的壓電變壓器中，其特徵在於備有具有從第1端延伸到相對一側的第2端的片長、片寬和片厚、且沿外片長度假想地4等分的第1至第4區按照從上述第1端至第2端這一順序排列的上述矩形壓電片；具有分別設在上述壓電片的中央部分的上述第2區及第3區中的至少2個平面電極、接收與上述片長相等的波長對應的頻率的交流輸入電壓、驅動上述壓電片的1波長共振用的輸入電極裝置；以及具有設在上述壓電片的上述第1端及第2端的端面上的平面電極、輸出由上述壓電片的1波長共振發生的交流輸出電壓用的輸出電極裝置，而且上述第2區及第3區在上述片的厚度方向上彼此沿相反的方向極化，上述第1及第4區沿上述片的長度方向極化。
另外，如果採用本發明的另一形態，則能獲得這樣一種壓電變壓器，即在利用沿矩形壓電片的縱向以1波長共振方式振動的壓電變壓器中，其特徵在於備有具有從第1端延伸到相對一側的第2端的片長、片寬和片厚、且沿外片長度假想地4等分的第1至第4區按照從上述第1端至第2端這一順序排列的上述矩形壓電片；具有遍及上述壓電片的第1區及第2區設置的至少2個平面電極、接收與上述片長相等的波長對應的頻率的交流輸入電壓、驅動上述壓電片的1波長共振用的輸入電極裝置；以及具有設在上述壓電片的上述第3及第4區的邊界部分且延上述寬度方向延伸的帶狀電極和設在上述第2端的端面上的接地用電極、輸出由上述壓電片的1波長共振發生的交流輸出電壓用的輸出電極裝置，而且上述第1區及第2區在上述片的厚度方向上沿相同的方向極化，上述第3及第4區在上述片的長度方向上彼此沿相反的方向極化。
另外，如果採用本發明的另一形態，則能獲得這樣一種壓電變壓器，即其特徵在於上述壓電片上具有上述輸入電極裝置的上述第1及第2區的部分和上述壓電片上具有上述輸出電極裝置的上述第3及第4區的部分分別與作為輸入部及輸出部而由另外的零件構成，該輸入部和輸出部互相結合且粘接。
即，如果採用本發明，則能獲得利用1波長振動方式的壓電變壓器，通過將輸入電極設在壓電片的上述第1至第4區內的由上述1波長共振引起的壓電片的位移互相對稱或相反的2個區內，將輸出電極設在其它區內，與現有的羅真式的壓電振子相比，振動速度及發熱量都小，而且體積小、效率好。
附圖的簡單說明圖1是現有的羅真式壓電變壓器的說明圖，(a)是簡略斜視圖，(b)是沿(a)中的1B-1B線的剖面圖。
圖2(a)及(b)是分別表示驅動圖1中的壓電變壓器時壓電陶瓷片的位移分布和變形分布的示意圖。
圖3是表示本發明的一實施例的壓電變壓器的示意圖，(a)是其簡略斜視圖，(b)是驅動(a)圖中的壓電變壓器時壓電陶瓷片的位移分布和變形分布的示意圖。
圖4是表示本發明的另一實施例的壓電變壓器的示意圖，(a)是其簡略斜視圖，(b)及(c)是分別表示沿(a)中的4B-4B線及4C-4C線的剖面圖。
圖5是製造圖4中的重疊型壓電變壓器時交替重疊的2種帶有電極的印刷電路板各自的斜視圖。
圖6是表示本發明的另一實施例的單片型壓電變壓器的簡略斜視圖。
圖7是表示本發明的另一實施例的重疊型壓電變壓器的示意圖，(a)是其簡略斜視圖，(b)、(c)、(d)及(e)分別是沿圖(a)中的7B-7B線、7C-7C線、7D-7D線及7E-7E線的剖面圖。
圖8是表示本發明的另一實施例的重疊型壓電變壓器的簡略斜視圖。
實施發明用的最佳形態用


本發明的一實施例壓電變壓器。
參照圖3(a)，壓電變壓器21有由壓電性陶瓷(例如，PZT＝鉛·鋯酸鹽·鈦酸鹽)構成的矩形片23。假定將該壓電性陶瓷矩形片23沿其長度(l)方向4等分，且等分後的4個區(長度為l/4)在圖中從左至右分別為第1～第4區A1、A2、A3及A4。在長度方向上兩端的第1及第4區A1及A4分別沿其厚度方向在相對的表面上形成輸入用的表面電極24a、25a、24b、25b。這些表面電極是平面電極，在第1及第4區內沿矩形片23的長度方向及寬度方向延伸，被限定在各區內。
另外，在壓電性陶瓷矩形片23的中央側的第2及第3區A2及A3的邊界部分且在矩形片23的表面和背面上分別形成在其寬度方向上延伸的帶狀表面電極30a及30b。
表面電極24a、25a、24b、25b被用作施加以1波長共振方式驅動矩形片23用的輸入電壓的輸入電極裝置，在各自相鄰的區的邊界部分附近分別連接著輸入端28a、29a、28b、29b。
另一方面，帶狀內部電極26及27作為取出輸出電壓的輸出電極裝置使用，分別連接著輸出電極端30a及30b。
通過將輸入端28a和28b互相連接，而且將輸入端29a和29b互相連接，並在它們之間施加直流電壓，對上述第1及第4區A1及A4的部分進行極化處理。極化方向如圖3中的箭頭所示，在厚度方向上彼此的方向相反。
另外，通過將第1區A1的2個輸入端28a、 29a互相連接，將輸出電極26、27的2個輸出端30a和30b互相連接，並在它們之間施加直流電壓，如圖3(a)中的粗箭頭所示，第2區A2沿長度方向向右被極化(當然也可以向左)。同樣，將第4區A4的2個輸入端28b、29b互相連接，將輸出端30a和30b互相連接，並在它們之間施加直流電壓，如圖3(a)中的粗箭頭所示，第3區A3沿長度方向向右被極化(當然也可以向左)。
在表面一側，將兩側的2個輸入端28a、28b互相連接，將背面一側的2個輸入端29a、29b互相連接，在它們之間施加交流電壓。使其頻率為與矩形片23的長度(l)相等的波長的頻率，矩形片23進行呈圖3(b)所示的位移及形變狀態的振動。第1及第2區A1及A2的邊界部分和第3及第4區A3及A4的邊界部分成為振動的波節。
利用該振動，在輸出電極26及27和輸入電極28a、28b、29a或29b之間能獲得升壓的交流輸出電壓。因此，能從輸入端28a或29a和輸出端30a或30b之間獲得輸出電壓。或者，能從輸入端28b或29b和輸出端30a或30b之間獲得輸出電壓。
如下製造了如上構成的壓電變壓器。
在大氣中在1200℃的溫度下，對由含有高Qm的Mn*1/3Sb*2/3的PZT構成的尺寸為42×6×1.5(mm)的矩形壓電陶瓷印刷電路板進行燒結，然後將銀膏燒結在上述規定的位置，形成輸入電極28a～29b和輸出電極26及27。此後，在矽油中用140℃的溫度、1.0kV/mm的電場強度進行了上述的極化處理。
作為負載，驅動直徑為2.6mm、長為220mm的冷陰極管，對如上製造的壓電變壓器進行了評價實驗。將測定的特性示於表1。作為比較例，製成現有的羅真式壓電變壓器，進行了同樣的評價實驗。將其結果一併示於表1。
表1羅真式 本發明輸入電壓(Vpp)95 110管電流(mA) 5 5升壓比 5 4.5振動速度(m/s)0.380.2發熱量ΔT(℃)65 15效率(％) 80 84由表1可知，在本發明實施例的壓電變壓器(實施例)中，與現有的壓電變壓器(羅真式)相比，獲得同樣的輸出(管電流)時的振動速度低，發熱量小。因此，效率也高。
在作為實施例的壓電變壓器中，其振動程度的極限由電極形狀和振動片的形狀決定，但通常為0.1～0.2(m/s)左右，未發現大量發熱，可認為在振動程度的極限內。與此不同，在作為比較例的羅真式的情況下，振動速度接近於實施例的2倍，發熱量也多。因此，在作為比較例的羅真式的情況下，已超過了振動程度的極限，可以認為體積再小是不可能了。
另外，在作為實施例的壓電變壓器中，與在作為比較例的羅真式的壓電變壓器相比，升壓比低。可是，該升壓比下降得很小，將輸入電極作成重疊結構(使壓電材料和電極材料交替地重疊的結構)，就能容易地提高升壓比，所以不會成為大問題。
如果採用本實施例，則在以1波長振動方式驅動的壓電變壓器中，通過在壓電振子的縱向端部形成輸入電極，在縱向的中央形成輸出電極，就能提供小型、振動速度小、發熱少、效率高的壓電變壓器。
另外，在上述實施例中，作為輸入電極只有在矩形片23的表面和背面形成的表面電極，但如以下的實施例所示，也可以構成具有內部電極的重疊型。另外，還可以將輸入輸出端作為側面電極形成。
下面，參照圖4及圖5，說明本發明的另一實施例。
參照圖4(a)、(b)及(c)，本實施例的壓電變壓器也與上述實施例一樣，將輸入電極裝置及輸出電極裝置設在壓電性陶瓷矩形片23上。與圖3中的實施例一樣，假定將壓電性陶瓷矩形片23沿其縱向在圖4(a)中從左至右等分成第1～第4區A1～A4這樣4個區，本實施例的壓電變壓器與圖3中的壓電變壓器的基本不同點在於輸入電極裝置設在第2及第3區A2及A3中(用A2+A3表示)，而且用內部電極33a～34b代替表面電極24a～25b，有側面電極28a～29b作為輸入端，以及輸出電極裝置設在矩形片的縱向的兩個端面上作為端面電極32a及32b。更詳細地說，在本實施例中，在矩形片23的縱向的中央部分的第2及第3區A2及A3各自的內部，沿厚度方向互相間隔開形成多個內部電極33a、34a、33b、34b作為輸入電極。這些內部電極是平面電極，分別在第2及第3區A2及A3內沿矩形片23的長度方向及寬度方向延伸，但被限定在各區內。還在寬度方向上相對的側面上形成側面電極28a、29a、28b、29b。
如圖4(b)所示，在第2區A2中，在內部電極33a及34a中，每隔一個的內部電極33a連接在側面電極28a上，另外的每隔一個的內部電極34a連接在側面電極29a上。另一方面，如圖4(c)所示，在第3區A3中，內部電極33b及34b，每隔一個的內部電極33b連接在側面電極29b上，另外的每隔一個的內部電極34b連接在側面電極28b上。
這些內部電極及側面電極被作為輸入電極使用，用來施加以1波長共振方式驅動矩形片23用的輸入電壓。
與圖3所示的實施例同樣地進行極化處理。即，通過將第2及第3區A2及A3中的各部分的側面電極28a和28b互相連接，而且將29a和29b互相連接，並在它們之間施加直流電壓，對上述第2及第3區A2及A3的部分進行極化處理。極化方向如圖4(b)及(c)中的箭頭所示，在厚度方向上在各內部電極的兩側彼此的方向相反。另外，圖4(b)所示的第2區A2部分的極化方向與圖4(c)所示的第3區A3部分的極化方向彼此相反。
另外，通過將第2區A2的側面電極28a、29a互相連接，並在與端面電極32a之間施加直流電壓，如圖4(a)中的粗箭頭所示，第1區A1沿長度方向向右被極化(當然也可以向左)。同樣，將第3區A3的側面電極28b、29b互相連接，並在與端面電極32b之間施加直流電壓，如圖4(a)中的粗箭頭所示，第4區A4沿長度方向向右被極化(當然也可以向左)。
將第2區A2及第3區A3的一側的2個側面電極28a、28b互相連接，將相對一側的另外的2個側面電極29a、29b互相連接，在它們之間施加交流電壓。使其頻率為與矩形片23的長度(l)相等的波長的頻率，矩形片23進行與圖3(b)所示相同的位移及形變的振動。利用該振動，在端面電極32a和32b之間能獲得升壓的交流輸出電壓。
以下，參照圖5具體地說明該壓電變壓器的製造方法。
首先，如圖5(a)所示，在由高Qm的PZT構成的規定形狀的壓電陶瓷印刷電路板上的規定位置，用銀-鈀電極膏印刷內部電極26a、26b及帶狀內部電極31，作為內部電極圖形。準備好多個具有相同的電極圖形的印刷電路板。另一方面，如圖5所示，將內部電極27a、27b及帶狀內部電極31印刷在相同的壓電陶瓷印刷電路板上。準備好多個具有相同的電極圖形的印刷電路板。接著，將這些(a)圖及(b)圖所示的印刷電路板交替地重疊多層，再在它上面重疊沒有電極圖形的陶瓷印刷電路板，製成重疊體。再將該重疊體進行熱壓並在大氣中進行燒結，製成燒結體。接著，用銀-鈀膏在燒結體的兩側面及兩端面上分別形成側面電極28a～29b和端面電極32a32b。然後用上述的方法進行極化處理，能獲得圖4所示的壓電變壓器。
根據本實施例製造了壓電變壓器。燒結條件為在1100℃下燒結2小時，極化條件為在150℃的矽油中，在1kV/mm的電場強度下極化15分鐘。為了評價所得到的壓電變壓器的特性，將直徑為2.2mm、長為220mm的冷陰極管作為負載，施加正弦波輸入電壓進行驅動。測定了這時的升壓特性及穩定亮燈時的振動速度和發熱的關係。將該測定結果示於表2。
為了比較，在相同的尺寸、重疊層數、燒結及極化條件下製成現有結構的羅真式的壓電變壓器，進行了相同的評價實驗，將其結果示於同一表2中。
表2羅真式 本發明尺寸(mm) 42×12×1.5 42×6×1.5重疊層數 10 10輸入電壓(Vpp) 18 24管電流(mA) 55升壓比 50 45振動速度(m/s) 0.38 0.20發熱量ΔT(℃) 65 15效率(％) 80 84參照表2可知，現有的壓電變壓器的振動速度為0.38m/s，發熱量為65℃。本發明的壓電變壓器，其升壓比45稍低些，在輸出(管電流)相同的情況下，振動速度及發熱量都低，因此效率更好。
另外，在上述實施例中，作為輸入電極，只使用內部電極，是重疊型的，但也可以在矩形片的第2及第3區A2及A3的表面及背面設置表面電極。另外，也可以不設內部電極，只使用表面及背面上的表面電極。
參照圖6，再說明本發明的另一實施例。
參照該圖，本實施例的壓電變壓器與關於圖1說明過的現有的羅真式壓電變壓器中的單片型的相似。不同點在於輸出電極由與圖3中的實施例相同的的帶狀電極26及27構成，該輸出電極的設置位置是在第3區A3及第4區A4的邊界處。還有，在第4區A4一側的端面上設置端面電極作為輸出用的接地電極電極，第3及第4區A3及A4的極化方向在縱向上方向相反。
極化處理和製造方法與圖3中的實施例相同，不同點僅在於輸入電極數及電極的形成位置不同，故這裡的詳細說明從略。
以下，說明工作情況。
作為輸入電極的表面電極24及25中的兩者之一和端面電極32接地。圖中雖然未示出，但與圖3一樣，通過連接在輸入電極24及25上的輸入端(圖3中的28、29)或與圖1相同通過在側面形成的側面電極(圖1中的18)，將輸入電壓加在輸入電極24及25之間。該輸入電壓是與矩形片23的長度(l)為1波長相當的頻率的交流電壓。其結果是與現有的羅真式壓電變壓器一樣，利用壓電效應，矩形片進行具有圖2(a)及(b)所示的位移分布及應力分布的振動。該振動結果是利用壓電效應，在輸出電極26及27上出現輸出電壓。該輸出電壓的取出是在輸出電極26、27中的至少一個電極和接地側的輸入電極24或25之間進行的。或者從輸出電極26、27中的至少一個電極和端面電極32(接地)之間取出。
按照本實施例製造了壓電變壓器。極化條件為在140℃的矽油中，在1kV/mm的電場強度下極化15分鐘。為了評價所得到的壓電變壓器的特性，附加進行了與圖3中的實施例相同的評價實驗。將其結果示於表3。
為了比較，按相同的尺寸及極化條件製成現有結構的單片型羅真式壓電變壓器，進行了相同的評價實驗，將其結果示於同一表3中。
由表3可知，本發明實施例的壓電變壓器與現有的羅真式壓電變壓器相比較，不僅體積減小了一半，而且升壓比也毫不遜色。另外，在輸出(管電流)相同的情況下，振動速度低，因而發熱量變小。因此，作為小型、高輸出的壓電變壓器是相當出色的。
表3羅真式 本發明元件尺寸(mm) 42×12×1.5 42×6×1.5輸入電壓(Vpp)95 120管電流(mA) 55升壓比 54振動速度(m/s)0.4 0.2發熱量ΔT(℃)65 15效率(％) 80 84另外，在本實施例中，圖示並說明了只以表面電極24及25為輸入電極的單片型的結構。可是，作為輸入電極如圖1中的現有例所示，也可以構成使用內部電極和表面電極的重疊型的結構。另外，也可以不使用表面電極，而是只用內部電極構成輸入電極的重疊型。如果構成重疊型，則能提高升壓比。
如上所述，圖6所示實施例的壓電變壓器在使用時，將輸入電極中的一個和端面電極作為接地用。這是為了得到高輸出電壓。這一點與用內部電極作為輸入電極的重疊結構的情況是相同的。
可是，也可以在輸入電極的附近即在第2區A2和第3區A3的邊界附近，與輸入電極相鄰地設置接地電極，以代替將輸入電極中的一個作為接地電極。圖7是具有這種結構的實施例。
在該實施例的壓電變壓器中，參照圖7(a)、(b)及(c)，輸入電極備有與圖1中的實施例所示的輸入電極同樣的內部電極33及34、以及側面電極28及29。可是，不用表面電極(24、25)。當然，也可以採用表面電極。
參照圖7(a)、(c)及(e)，設置在輸入電極附近的接地電極由在該位置在壓電片的內部沿厚度方向間隔開且沿寬度方向延伸的多個帶狀內部電極35和其側面電極36a及36b構成。當然，也可以在與帶狀內部電極35一致的位置設置帶狀的表面電極，也可以不使用帶狀的內部電極而只使用表面電極。
參照圖7(a)、(d)及(e)，輸出電極由設在第3及第4區A3及A4的邊界部分的帶狀內部電極37及其兩側的側面電極30a及30b構成。它還可以增加設置圖6所示的帶狀表面電極26及27，或者只用表面的帶狀電極。
本實施例的壓電變壓器的工作情況與圖6的實施例相同。但是，使用時不需要將輸入電極接地，不用說，也可以代之以將接地電極35通過其側面電極36a、36b接地。
圖8是表示另一實施例的斜視圖。該實施例也與圖7中的實施例在基本結構上相同，但由第1及第2區A1及A2構成的輸入部23a和由第3及第4區A3及A4構成的輸出部23b是用不同的矩形片形成的，將它們互相連接起來構成壓電變壓器。
輸入部23a呈重疊型的結構，該結構具有作為輸入電極的與圖7所示實施例的輸入電極相同的多個內部電極33、34，以及作為輸入端的側面電極28及29。當然，輸入電極也可以有表面電極，或者也可以不用內部電極而只用表面電極構成。
輸出部23b由衝壓成形的壓電片構成，在它的縱向的兩個端面上有作為接地電極的端面電極32a及32b，在縱向中央部分的表面和背面上有沿寬度方向延伸的帶狀表面電極26、27。在輸出部23b的兩側面上有與這些帶狀表面電極26、27的兩端連接的側面電極30a、30b(圖中只示出了30b)，作為整體構成無頭的帶狀電極，將其作為輸出電極。
輸入部23a及輸出部23b的端面之間用粘接劑粘接起來，構成由一個矩形壓電片構成的壓電變壓器。另外，為了將配置在輸入部23a及輸出部23b的粘接面之間構成的接地用端面電極32a導出到外部，在輸出部23b的側面形成與該接地用端面電極32a連接的側面電極36a、36b。其結果是端面電極32a相當於圖7中的接地電極35。
該壓電變壓器的工作與圖7中的壓電變壓器的工作基本相同，其說明從略。
與圖5中的實施例的情況一樣，將各電極印刷在印刷電路板上，並進行重疊、燒結，然後在燒結體的外表面上形成側面電極及端面電極，在表4所示的各種條件下進行極化處理，從而製成圖7所示的重疊型壓電變壓器。所製作的壓電變壓器的尺寸為42mm×6mm×2mm。
另一方面，用下述方法製作了相同尺寸(42mm×6mm×2mm)的圖8所示的壓電變壓器。
作為重疊體製作了具有21×6×2立方毫米尺寸的輸入部23a。即，對由具有高Qm的壓電陶瓷構成的印刷電路板進行制膜，將內部電極圖形印刷在它上面，在將印刷好的印刷電路板重疊10層，然後按規定的尺寸切斷。除去夾子後，在1100℃的溫度下，對該重疊體燒結2小時。將輸入用的側面電極23燒結在所得到的燒結體的外側面上，從而獲得了壓電變壓器的輸入部23a。
另一方面，輸出部23b製作出衝壓成形品和熱靜水壓制(HIP)品2種。即，通過乾式衝壓，將與用於輸入部23的相同成分的壓電陶瓷粉末壓製成成形品，用1200℃燒結所得到的成形品，獲得燒結品。將這樣獲得的燒結品中的若干個加工成與輸入部23a相同的尺寸21×6×2立方毫米，然後在其外表面上形成接地用端面電極及無頭的帶狀輸出電極，得到作為衝壓品的輸出部23b。再者，對其餘的上述燒結品進行熱靜水壓制，得到改善了瓷器特性的HIP成形品。同樣，通過在其外表面上形成接地用端面電極及無頭的帶狀輸出電極，得到作為HIP品的輸出部23b。
用粘接劑分別將先得到的多個重疊型的輸入部23a和作為輸出部23b的衝壓品及HIP品粘接起來。在表4所示的各種條件下，分別對這樣獲得的粘接體進行極化處理，得到圖8中的壓電變壓器的試樣。
表4各試樣的極化條件圖7中的實施例 圖8中的實施例I II III(1)輸出側 180℃0.8kV/mm 180℃0.8kV/mm 180℃0.8kV/mm輸入側150℃1.5kV/mm 150℃1.5kV/mm 150℃1.5kV/mm(2)輸出側 180℃1.0kV/mm 180℃1.0kV/mm 180℃1.0kV/mm
輸入側 150℃1.5kV/mm 150℃1.5kV/mm 150℃1.5kV/mm(3)輸出側 180℃1.5kV/mm 180℃1.5kV/mm 180℃1.5kV/mm輸入側 150℃1.5kV/mm 150℃1.5kV/mm 150℃1.5kV/mm在表4中，用I表示圖7中的類型，用II表示圖8所示實施例中將衝壓品用作輸出部23b的類型，用III表示將HIP品用作輸出部23b的類型。對各種類型採用了3種極化條件，所以獲得了從I(1)到III(3)的共9種試樣。
在表4中，如果將輸入側極化條件保持一定，增加輸出側施加電場強度，在類型I中，在1.0kV/mm的電場強度下，在類型II中，在1.5kV/mm的電場強度下，在輸出側帶狀電極附近產生裂紋。另一方面，在類型III中，在3種極化條件中的任意一種條件下，都未發現異常。即在圖7所示實施例的整體燒結品的情況下，由於輸出側燒結不足，所以只能施加不太大的電場強度。即，在圖7所示結構的壓電變壓器中，輸出側極化時，拉伸應力集中在取出高壓用的帶狀電極附近，所以在選擇極化條件時要注意。與此不同，在圖8所示的實施例中，將重疊品作為輸入部形成，將成形品作為輸出部形成，然後進行粘接，由於其輸出部的燒結溫度不同，提高了作為瓷器的機械強度，所以不僅成分相同，而且能充分極化。
在通過極化得到的壓電變壓器的試樣中，選擇了每一種類型的試樣，並對試樣I(1)、II(2)、III(3)進行了以下測定，即將直徑為2.6mm、長為220mm冷陰極管作為負載，將與壓電變壓器的長度相等的波長對應的頻率的正弦波電壓加在壓電變壓器的輸入端上，測定了振子特性、升壓特性。將得到的結果示於表5及表6。
表5試樣的振子特性試樣I(1)試樣II(2) 試樣III(3)Cd 輸入側 80nF80nF80nF輸出側 18pF23pF28pFKeff輸入側 22％22％22％輸出側 42％46％49％Qm 輸入側 500 520 500
輸出側440 570 660表6壓電變壓器特性試樣I(1)試樣II(2)試樣III(3)輸入電壓(Vpp)24 21 19振動速度(m/s)0.3 0.28 0.26發熱量ΔT(℃)10 74從表5可知，圖8所示實施例的類型II、特別是類型III的輸出側的靜電電容Cd及耦合係數Keff比圖7所示實施例的類型I提高了一些。這可以認為是由於改變了輸入部和輸出部之間的燒結條件，所以提高了壓電片的瓷器特性，從而能充分地進行極化的結果，以及振子常數產生了顯著的差別之故。
再者，由表6可知，圖8所示實施例的類型II及類型III的5mA穩定亮燈時的輸入電壓、元件溫度、振動速度都比圖7所示實施例的類型I的低。
另外，通過對表2及表6進行比較可知，圖7所示實施例的類型I與圖1所示的現有的重疊型的羅真式壓電變壓器相比，在振動速度及發熱溫度方面有所改善。
在以上實施例中，作為壓電片舉例示說明了PZT陶瓷片，但也可以是具有壓電性能的其它材料。例如也可以採用壓電振動性能好的已知的鈮酸鋰單晶等。另外，作為電極舉例說明了通過印刷銀膏獲得的薄膜，當然也可以使用其它導電性薄膜。
以上就幾個實施例說明了本發明，但本發明不限定於這些實施例，在本發明的範圍內各種實施形態都是可能的。
工業上利用的可能性如上所述，如果採用本發明，與現有的羅真式壓電變壓器相比較，能獲得體積減小1/2、在相同的輸出功率下、振動速度低、發熱少、效率高的壓電變壓器，特別是能提供一種適用於液晶顯示器的背面光點亮用的電源的壓電變壓器。
權利要求
1.一種利用沿矩形壓電片的縱向以1波長共振方式振動的壓電變壓器，其特徵在於備有具有從第1端延伸到相對一側的第2端的片長、片寬和片厚、且沿外片長度假想地4等分的第1至第4區按照從上述第1端至第2端這一順序排列的上述矩形壓電片；具有設在分別與上述壓電片的第1端及第2端相鄰的上述第1區及第4區中的至少2個平面電極、接收與上述片長相等的波長對應的頻率的交流輸入電壓、驅動上述壓電片的1波長共振用的輸入電極裝置；以及具有設在上述壓電片的第2及第3區邊界部分且沿上述寬度方向延伸的帶狀電極、輸出由上述壓電片的1波長共振發生的交流輸出電壓用的輸出電極裝置，；而且上述第1區及第4區在上述片的厚度方向上彼此沿相反的方向極化，上述第2及第3區沿上述片的長度方向極化。
2.一種利用沿矩形壓電片的縱向以1波長共振方式振動的壓電變壓器，其特徵在於備有具有從第1端延伸到相對一側的第2端的片長、片寬和片厚、且沿外片長度假想地4等分的第1至第4區按照從上述第1端至第2端這一順序排列的上述矩形壓電片；具有分別設在上述壓電片的中央部分的上述第2區及第3區中的至少2個平面電極、接收與上述片長相等的波長對應的頻率的交流輸入電壓、驅動上述壓電片的1波長共振用的輸入電極裝置；以及具有設在上述壓電片的上述第1端及第2端的端面上的平面電極、輸出由上述壓電片的1波長共振發生的交流輸出電壓用的輸出電極裝置；而且上述第2區及第3區在上述片的厚度方向上彼此沿相反的方向極化，上述第1及第4區沿上述片的長度方向極化。
3.一種利用沿矩形壓電片的縱向以1波長共振方式振動的壓電變壓器，其特徵在於備有具有從第1端延伸到相對一側的第2端的片長、片寬和片厚、且沿外片長度假想地4等分的第1至第4區按照從上述第1端至第2端這一順序排列的上述矩形壓電片；具有設在遍及上述壓電片的第1區及第2區的至少2個平面電極、接收與上述片長相等的波長對應的頻率的交流輸入電壓、驅動上述壓電片的1波長共振用的輸入電極裝置；以及具有設在上述壓電片的上述第3及第4區的邊界部分且沿上述寬度方向延伸的帶狀電極和設在上述第2端的端面上的接地用電極、輸出由上述壓電片的1波長共振發生的交流輸出電壓用的輸出電極裝置；而且上述第1區及第2區在上述片的厚度方向上沿相同的方向極化，上述第3及第4區在上述片的長度方向上彼此沿相反的方向極化。
4.根據權利要求3所述的壓電變壓器，其特徵在於在上述壓電片的上述第2區和第3區的邊界部分還設有增加的接地用電極。
5.根據權利要求1～4中的任意一項所述的壓電變壓器，其特徵在於構成上述輸入電極裝置的2個上述平面電極分別在上述壓電片的表面上和背面上形成。
6.根據權利要求1～4中的任意一項所述的壓電變壓器，其特徵在於構成上述輸入電極裝置的上述平面電極是在上述壓電片中沿上述片的厚度方向互相間隔開形成的至少3個內部電極。
7.根據權利要求6所述的壓電變壓器，其特徵在於上述輸入電極裝置還有在上述壓電片的表面上和背面上分別形成的平面電極。
8.根據權利要求1～7中的任意一項所述的壓電變壓器，其特徵在於上述壓電片在上述片的寬度方向上有彼此相對的側面；上述輸入電極部有上述平面電極，以及在上述壓電片上設有該輸入電極裝置的區的上述相對的側面上設置的施加上述交流輸入電壓用的2個側面電極；該2個側面電極中的1個連接著上述平面電極中沿上述片的厚度方向互相相鄰的每2個中的1個，另1個側面電極連接著該平面電極的互相相鄰的每2個中的另1個；設有上述輸入電極裝置的各個區通過預先將直流電壓加在上述2個側面電極上，上述平面電極互相相鄰的每2個之間被極化。
9.根據權利要求1及3～8中的任意一項所述的壓電變壓器，其特徵在於構成上述輸出電極裝置的上述帶狀電極具有沿上述片的厚度方向互相間隔開的多個帶狀電極；以及在上述壓電片的寬度方向互相相對的側面上形成、而且與上述帶狀電極的兩端分別連接、取出上述交流輸出電壓用的2個輸出側面電極。
10.根據權利要求9所述的壓電變壓器，其特徵在於上述帶狀電極作為內部帶狀電極被埋在上述壓電片內。
11.根據權利要求9所述的壓電變壓器，其特徵在於上述帶狀電極中的2個分別設在上述上表面及下表面上，其餘的帶狀電極作為內部帶狀電極被埋在上述壓電片內。
12.根據權利要求4所述的壓電變壓器，其特徵在於上述增加的接地用電極具有沿上述片的厚度方向互相間隔開的多個接地用帶狀電極；以及在上述壓電片的寬度方向互相相對的側面上形成、而且與上述接地用帶狀電極的兩端分別連接、取出上述交流輸出電壓用的2個接地用側面電極。
13.根據權利要求12所述的壓電變壓器，其特徵在於上述接地用帶狀電極作為內部帶狀電極被埋在上述壓電片內。
14.根據權利要求12所述的壓電變壓器，其特徵在於上述接地用帶狀電極中的2個分別設在上述壓電片的表面及背面上，其餘的接地用帶狀電極作為內部帶狀電極被埋在上述壓電片內。
15.根據權利要求3所述的壓電變壓器，其特徵在於上述壓電片上具有上述輸入電極裝置的上述第1及第2區的部分和上述壓電片上具有上述輸出電極裝置的上述第3及第4區的部分分別由另外的零件構成，作為輸入部及輸出部，該輸入部和輸出部互相結合且粘結。
16.根據權利要求15所述的壓電變壓器，其特徵在於上述輸入部是上述平面電極和壓電體層交替地重疊後經過燒結的重疊體，上述輸出部是在壓電體的成形燒結體的表面上設有上述輸出電極裝置的部分。
17.根據權利要求16所述的壓電變壓器，其特徵在於上述成形燒結體是熱靜水壓制體。
18.根據權利要求15～17中的任意一項所述的壓電變壓器，其特徵在於在上述輸出部的與上述輸入部的結合面之間夾著增加的接地用電極。
全文摘要
一種壓電變壓器(21),它有沿長度方向將矩形壓電體等分的第1至第4區(A1、A2、A3、A4),在第1及第4區(A1、A4)設有平面電極(24、25、26、27)作為輸入電極,同時沿厚度方向互相沿相反的方向極化,在其餘的2個區(A2、A3)的邊界上設有帶狀電極(30、31)作為輸出電極。該變壓器體積小、振動速度低、發熱少、效率高。
文檔編號H01L41/107GK1178604SQ97190064
公開日1998年4月8日 申請日期1997年2月10日 優先權日1996年2月8日
發明者勝野超史, 布田良明 申請人:株式會社東金