压电变压器制造技术

在处理大的电功率用途中，欲使压电变压器小型化，因变形增加而发热，对特性产生有害影响，难于高效化。本发明专利技术利用高次模型振动，而且以多个电极形式形成初级侧电极，在提高实际电—机械结合系数的条件下，实现小型大输出功率的压电变压器。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及因压电陶瓷等压电体的压电效应使交流电压的振幅值改变的压电变压器。
技术介绍
作为高压电源用升压变压器而被推进开发的压电变压器，当初因压电陶瓷材料的破坏强度等材料性能的制约而没能产品化。但是，由于最近高强度压电陶瓷材料开发的进展，以及对笔记本型个人电脑和便携式终端等便携式信息设备小型化和轻量化要求的提高，压电变压器作为这些仪器搭载的液晶背光变换器电源用升压变压器再次被人们所注目。例如，液晶背光用变换器，过去使用以所使用的冷阴极荧光管的照明电源作为背光电源，开始照明时电压为1kVrms，恒定照明时为500kVrms左右，以需要将电池等3V～12V左右的直流电压，变换成频率为60～80kHz左右的高频电压。现在在背光用变换器中使用的电磁线圈式变压器，通过使用特殊形状铁芯的卧式结构变压器而作到薄型化，但是要确保对数kVrms高压的绝缘耐压，就会限制小型化和薄型化。而且由于升压高就得使用细铜线，因而使线圈损失增加，变换效率下降。此外，还有铁芯引起损失的缺点。与此相比，压电变压器是在钛酸锆(PZT)等压电陶瓷材料或者铌酸锂等压电晶体材料上，形成初级侧电极(输入侧)和次级侧电极(输出侧)的变压器。一旦在此初级侧电极上施加频率处于压电变压器共振频率附近的交流电压，使压电变压器振动，这种机械振动因压电效应而改变电压，根据次级侧电极与初级侧电极之间的阻抗之比，就能从次级侧电极取出高电压。与电磁变压器相比，压电变压器既能更小型化和薄型化，也能实现更高变换效率。以下参照附图说明已往的压电变压器。首先图31是已有压电变压器100的轴侧视图。压电变压器100，是在由压电材料组成的矩形板上，与厚度方向大体垂直的主面左半部形成作相对初级侧(输入侧)电极用的电极104和电极106，沿长度方向的一个端面上形成作次极侧(输出侧)电极用的电极108。当矩形板102的材料是钛酸锆(PZT)等压电陶瓷的情况下，矩形板102，如图31中箭头所示，利用电极104和电极106使左半部分事先沿厚度方向极化，利用电极1-4、电极106和电极108使右半部分事先沿长度方向极化。其中一旦以电极106作为公共电极，在电极104和电极108之间施加频率处于能使矩形板沿长度方向产生伸缩机械振动的压电变压器100共振频率附近的交流电压，则压电变压器100将会产生沿长度方向伸缩的机械振动，这种机械振动因压电效应而转变换成电压，能够从作次级侧电极用电极108和电极106之间取出高电压，这种高电压与由作次级侧电极用的电极108和电极106求出的阻抗与由作初级侧电极用的电极104和电极106求出的阻抗之比相对应。图32(1)是图31所示压电变压器100的侧视图。图32(1)中的箭头，表示矩形板事先被极化的方向。图32(2)表示压电变压器100沿长度方向作1/2波长伸缩振动时的某时刻长度方向的位置变化分布。其中横轴表示，变压器100长度方向的位置。纵轴表示某瞬间压电变压器100因机械振动引起长度方向位置的变化，+方向表示压电变压器100沿长度方向位置向右侧变化，而-方向则表示沿长度方向向左变化。此外，图32(2)表示的位置变化分布时矩形板102内部应力分布，以及因振动引起的电荷分布分别示于图32(3)和(4)中。在图32(3)中，横轴表示压电变压器100长度方向的位置。纵轴表示沿长度方向压缩和伸长时内部应力大小。而且在图32(4)中，横轴表示压电变压器100长度方向的位置。纵轴表示因振动引起的电荷的正负极性和电荷量。图32(3)和图32(4)表明，矩形板中央部分，即振动位置变化为0的部分中，矩形板内部的应力最大，所感应产生的电荷量也最大。正如图32(2)所示的位置分布那样，激起1/2波长机械振动的压电变压器，一般称为λ/2振动模型(λ表示一个波的波长)压电变压器。压电变压器，一般而言若使机械振动产生的变形极端增大，则断裂的可能性增高，而且可靠性降低。因此，必须尽可能抑制压电变压器机械振动的振幅。其中若将压电变压器的厚度和宽度增大，则即使在处理大功率的情况下也能减小压电变压器机械振动的振幅。但是一旦导入压电变压器的系统和仪器受到压电变压器所能使用的空间限制，就会对抑制仅靠形状引起的变形产生限制。另外，即使压电变压器处理的电功率小到数瓦的程度，为了能置入便携式仪器等系统中，当然也必须实现压电变压器的小型化、薄型化和低背化，这种情况下与压电变压器单位体积相当的处理电功率就会增大。因此，与处理大功率的情况同样，从机械强度观点来看尚存在不能实现可靠性高、小型和薄型压电变压器的课题。此外，当构成压电变压器矩形板的材料是压电陶瓷的情况下，极化方向不连续的部分，在极化时产生变形的影响下，机械强度比极化方向连续的部分弱。但是，对于图31、图32(1)所示的那种已往的λ/2振动模型的压电变压器100来说，矩形板102中通常动作时产生应力大的部分(图32中的P点)与极化不连续的部分(矩形板102中被电极104和电极106夹持的部分，处于电极108侧的端部附近)几乎一致。因此，一旦因压电变压处理电功率增大而使机械振动振幅增大，就会在极化方向不连续的部分产生大应力，因而存在容易形成裂纹的课题。不仅如此，即使矩形板102使用无需极化处理的压电单晶(这种情况下图31和图32(1)中的箭头表示C轴取向方向)的情况下，要实现这种结构的压电变压，由于必须借助于C轴方向不同元件的竞争以及与压电陶瓷的极化处理相当的方法来改变C轴方向，所以与压电陶瓷的情况同样，压电单晶中C轴方向不连续部分的机械强度，就会变得比连续部分弱。因此，一旦因压电变压器处理电功率增大而使机械振动的振幅增大，就会使C轴方向不连续部分产生大应力，因而存在容易产生裂纹的课题。以下作为已往的压电变压器，说明特开平9-74236号公报等中所公开的压电变压器。这种变压器与图31所示的不同，其结构特点是机械振动产生最大应力的部分，与极化方向不连续的部分不一致。图33表示因机械振动产生最大应力的部分与极化方向不连续的部分不一致的λ/2振动模型压电变压器120的轴侧视图。在由压电陶瓷制成的矩形板122上，作初级侧(输入侧)电极用的电极124和电极126在沿矩形板122厚度方向垂直的两个主面的中央部分沿厚度方向相对形成，而作次极(输出侧)电极用的电极128和电极130沿矩形板122长度方向的两个端面上沿长度方向相对形成。如图33中的箭头所示，矩形板122在作初级侧电极用的电极124和电极126间沿厚度方向极化，而初级侧电极与次级侧电极间沿长度方向极化。图34(1)是图33所示压电变压器120的侧视图。图34(2)、图34(3)和图34(4)分别表示压电变压器120沿长度方向产生1/2波长伸缩振动时刻在长度方向上的位置变化分布、压电变压器120在图34(2)所示位置变化时刻矩形板122内部的应力分布、和因振动使矩形板122感应产生的电荷分布。图34(1)中的箭头，与图33的情况同样表示极化方向。在图34(2)中，横轴表示压电变压器120沿长度方向的位置。而纵轴表示因某时刻压电变压器120的机械振动引起长度方向的位置变化，+方向表示压电变压器120沿长度方向向右侧的位置变化，而-方向则表示沿长度方向向左侧的位置变化。在图34(3)中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电变压器，包括由压电材料制成的矩形板和在所说的矩形板上形成的初级侧电极和次级侧电极，对所说的初级侧电极施加交流电压，使所说的矩形板沿所说的矩形板长度方向激起相当于二分之三波长伸缩的机械振动，从所说的次级侧电极输出电压的变压器， 其特征在于：所说的初级侧电极沿与所说的矩形板厚度方向垂直的两个主面相对夹持所说的矩形板形成的多个电极对组成，所说的次级侧电极由多个电极组成。

【技术特征摘要】
JP 2001-9-28 P2001-3010931.一种压电变压器，包括由压电材料制成的矩形板和在所说的矩形板上形成的初级侧电极和次级侧电极，对所说的初级侧电极施加交流电压，使所说的矩形板沿所说的矩形板长度方向激起相当于二分之三波长伸缩的机械振动，从所说的次级侧电极输出电压的变压器，其特征在于所说的初级侧电极沿与所说的矩形板厚度方向垂直的两个主面相对夹持所说的矩形板形成的多个电极对组成，所说的次级侧电极由多个电极组成。2.按照权利要求1所述的变压器，其特征在于其中所说的初级侧电极由以所说的矩形板长度方向为基准在中央部分形成的第一电极对，和以所说的矩形板长度方向为基准处于所说的第一电极对两侧并与所说的第一电极对相邻形成的第二和第三电极对组成。3.按照权利要求2所述的变压器，其特征在于所说的矩形板由压电陶瓷或压电单晶组成，所说的矩形板中被所说的第二和第三电极对夹持区域内压电陶瓷的极化方向或压电单晶的C轴方向，与被所说的矩形板的所说的第一电极对所夹持区域的极化方向或C轴方向不同。4.按照权利要求2所述的变压器，其特征在于所说的矩形板由压电陶瓷或压电单晶组成，所说的矩形板中被所说的第一、第二和第三电极对夹持区域内压电陶瓷的极化方向或压电单晶的C轴方向全等。5.按照权利要求1～4中任何一项所述的压电变压器，其特征在于所说的次级侧电极在所说的矩形板长度方向的两个端部附近形成。6.一种压电变压器，是一种包括由压电材料制成的矩形板和在所说的矩形板上形成的初级侧电极和次级侧电极，对所说的初级侧电极施加交流电压，使所说的矩形板沿着所说的矩形板长度方向激起相当于二分之三波长伸缩的机械振动，从所说的次级侧电极输出电压的变压器，其特征在于所说的矩形板由沿厚度方向叠层的多个压电体层组成，所说的初级侧电极由所说的多个压电体层和多个电极层沿所说的矩形板厚度方向叠层而成，而且由多个电极组沿长度方向组成，所说的次级侧电极沿所说的矩形板长度方向的两个端部附近形成。7.按照权利要求6所述的压电变压器，其特征在于所说的初级侧电极由以所说的矩形板长度方向为基准在中央部分形成的第一电极组，和以所说的矩形板长度方向为基准处于所说的第一电极组两侧并与所说的第一电极组相邻形成的第二和第三电极组组成。8.按照权利要求6或7所述的压电变压器，其特征在于所说的矩形板内部电极层的端部，从所说的矩形板宽度方向的端面露出，所说的矩形板内部电极层用所说的端面电连接。9.按照权利要求6或7所述的压电变压器，其特征在于所说的矩形板内部电极层的端部，仅从所说的矩形板宽度方向的一个端面露出，所说的矩形板内部电极层仅用所说的一个端面电连接。10.按照权利要求5、8或9所述的压电变压器，其特征在于所说的初级侧电极中沿与所说的矩形板厚度方向垂直的两个主面上形成的电极，从所说的主面至所说的矩形板宽度方向的一个端面形成。11.按照权利要求7～10中任何一项所述的压电变压器，其特征在于所说的次级侧电极在所说的矩形板长度方向的两个端部附近形成，在所说的矩形板长度方向上，所说的第一电极对或电极组中的电极长度，小于所说的矩形板的三分之一。12.按照权利要求7～11中任何一项所述的压电变压器，其特征在于所说的第一、第二和第三电极对，或者第一、第二及第三电极组，与所说的矩形板长度方向垂直，而且沿着将所说的矩形板长度方向二等分的中心线对称形成。13.按照权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：武田克，中塚宏，山口健，奥山浩二郎，守时克典，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]