专利名称：压电变压器、电源电路和使用该压电变压器的照明单元的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种压电变压器，尤其涉及一种紧密制成并且能够产生较大输出的改良压电变压器。本发明也涉及一种使用所述压电变压器的电源电路和使用所述压电变压器的照明单元。
背景技术：
最近几年，为了使电器的电源电路更紧凑，把压电变压器用于开关式电源。图25是第一种已知的压电变压器的示意顶视图，所述压电变压器使用三阶径向延伸的振动模式，所述振动模式已经被提出用于输出大电流，例如在日本专利公开出版物物4-167504(1992)中。图26A是沿图25中线XXVIA-XXVIA所取截面图，而图26B和26C分别说明在图25中的已知压电变压器的三阶径向延伸振动模式中压力分布和振动偏移分布。参照这些图，多个电极14在压电陶瓷盘10的中心部分沿厚度方向层压以形成高阻抗部分12。不具有电极的绝缘环状部分15在高阻抗部分12的外部制成，低阻抗部分11进一步在绝缘环状部分15的外部制成，在所述低阻抗部分11中，多个电极13在厚度方向上被层压。
为了使低阻抗部分11和高阻抗部分12具有压电性能，在低阻抗部分11和高阻抗部分12中进行极化操作。假设已知的压电变压器具有用于电压降低目的的电输入端a和b和电输出端c和d，则高阻抗部分12作为驱动部分，而低阻抗部分11作为发生器部分。如果AC电压施加于电输入端a和b，三阶径向延伸振动在已知的压电变压器内被激发，并且下降的压力能够从电输出端c和d获得。
在上述的已知压电变压器中，如果在位于压电陶瓷盘10中心部分的高阻抗部分12的电极14的层压数量增加至与位于压电陶瓷盘10外周部分的低阻抗部分11的电极13的层压数量相同的水平，电连接变得困难，因此，电连接结构不利地变得复杂。因此，在这种已知的压电变压器中，很难进行电极14的层压。
为了解决这种问题，又提出了一种压电变压器，例如在日本专利公开出版物物11-145527(1999)所述，在此压电变压器中，电极的电连接和层压比较容易。图27是第二种传统压电变压器的顶视平面图。图28A是沿图27中的线XXIVIIIA-XXVIIIA所取截面图，而图28B和28C说明了在图27的传统压电变压器中的一阶轮廓延伸振动模式中压力分布和偏移分布。如图27所示，传统的压电变压器包括一种制成正方形的压电板20。传统的压电变压器被绝缘部分26沿厚度方向分成驱动部分21和发生器部分22。在驱动部分21和发生器部分22中的每一个中，电极25和压电层29彼此交替地层压。为了使压电层29具有压电性能，在压电层29上进行极化操作。压电层29的相邻层的极化方向彼此相反，如图28A中箭头所示。电极25和压电层29通过使用已知的陶瓷层压技术进行层压。
在驱动部分21中，电极层25在压电板20的相对外侧之一上每隔一个地方连接至外部电极23L，并且外部电极23L焊接至端子24L。其余的电极层25在压电板20的相对外侧的另一侧上连接至外部电极23R，并且外部电极23R焊接至端子24R。
相似地，在发生器部分22中，电极层25在压电板20的又一相对外侧之一上每隔一个地方连接至外部电极27U，并且外部电极27U焊接至端子28U。其余的电极层25在压电板20的又一相对外侧的另一侧上连接至外部电极27D，并且外部电极27D焊接至端子28D。
在图27所示传统的压电变压器中，如果AC电压施加于驱动部分21，轮廓延伸振动被激发，因此，下降的AC电压能够从发生器部分22中获得。
如上所述，图25的第一种已知压电变压器有这样的缺点由于复杂的电连接结构以及电极层压困难，难于制造。
另一方面，图27的第二种传统压电变压器能够通过使用已知陶瓷层压技术容易地制造。同时，由于在压电板20的外侧上进行电连接，因此电连接结构不复杂。然而，由于外部电极23R、23L、27U和27D提供在具有大的振动偏移的部分上，如图27和28C所示，由于不可靠的焊接部分和振动损失而使效率下降。
发明内容
因此，考虑消除前述技术的上述缺点，本发明的主要目的是提供一种具有高的可靠性并且能够产生较大输出的压电变压器。
本发明的另一个目的是提供一种压电变压器，其中电极能够被容易地层压。
本发明的另一目的是提供一种压电变压器，其中能够获得高效的机电耦合系数。
本发明的另一目的是提供一种使用这种压电变压器的电源电路。
本发明的另一目的是提供一种使用这种压电变压器的照明单元。
为了实现本发明的这些目的，本发明的压电变压器包括矩形板，所述矩形板主要由压电材料制成，所述矩形板在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交。作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分和作为驱动部分和发生器部分中的另一个的高阻抗部分设在矩形板上，从而沿宽度方向排列，进而压电变压器以宽度-延伸振动模式驱动。
参照附图对优选实施例进行说明，本发明的这些目的和特征将更为明显，其中图1是根据本发明的第一实施例的压电变压器的透视图；图2是沿图1的线II-II获得的截面图；图3是图1所示压电变压器的顶视平面图；图4是说明图1所示压电变压器中，在矩形板的长与宽的比率与有效的机电耦合系数keff之间的关系的曲线；图5是压电变压器的截面图，此压电变压器是图1所示压电变压器的变型；图6是图5所示压电变压器的顶视平面图；图7A和7B是分别说明在图5的压电变压器和图1的压电变压器中振动偏移的截面图；
图8是根据本发明的第二实施例的压电变压器的透视图；图9是图8所示压电变压器的顶视平面图；图10A、10B和10C分别是沿图8中线XA-XA、XB-XB和XC-XC获得的截面图；图11是说明图8的压电变压器中输入电极的宽与总宽的比率与机电耦合特性之间的关系的曲线；图12是根据本发明的第三实施例的压电变压器的透视图；图13A和13B分别是沿图12中线XIIIA-XIIIA和XIIIB-XIIIB获得的截面图；图14是压电变压器的透视图，此压电变压器是图12所示压电变压器的变型；图15A和15B分别是沿图14中线XVA-XVA和XVB-XVB获得的截面图；图16是根据本发明的第四实施例的压电变压器的透视图；图17A是沿图16中的线XVIIA-XVIIA获得的截面图，图17B、17C和17D分别是说明在图16的压电变压器中振动偏移分布、压力分布和电荷分布的视图。
图18是沿图16中的线XVIII-XVIII获得的截面图；图19是根据本发明的第五实施例的压电变压器的透视图；图20是根据本发明的第七实施例的压电变压器部件的截面图；图21是根据本发明的第七实施例的电源电路的框图；图22是包括作为图21所示电源电路的冷阴极管型照明单元的液晶显示器的示意前正视图；图23是根据本发明的第八实施例的电源电路的框图；图24是根据本发明的第九实施例的电源电路的框图；图25是使用圆板的三阶径向延伸振动模式的现有技术的压电变压器的示意顶视平面图；图26A是沿图25中的线XXVIA-XXVIA获得的截面图，图26B和26C是分别说明图25的现有技术压电变压器的压力分布、振动偏移分布的图；
图27是使用一阶轮廓延伸振动模式的又一现有技术压电变压器的顶视平面图；和图28A是沿图27中线XXVIIIA-XXVIIIA获得的截面图。图28B和28C是说明图27的又一现有技术压电变压器的压力分布、振动偏移分布图。
在本发明的说明进行前，应该指出，在多个附图中相同的部件用相同的附图标记表示。
具体实施例方式
下文参照
本发明的实施例。
(第一实施例)图1是根据本发明的第一实施例的压电变压器50A的透视图。图2是沿图1的线II-II获得的截面图，图3是压电变压器50A的顶视平面图。
请参照这些附图，压电变压器包括主要由压电材料制成的矩形板1。如果具有x-轴、y-轴和z-轴的直角坐标设定在图1中，则x-轴方向、y-轴方向和z-轴方向分别相应于矩形板的宽度方向、纵向方向和厚度方向。在矩形板1中，在纵向方向(即y-轴方向)上的尺寸大于宽度方向(即x-轴方向)的尺寸。同时，厚度方向(即z-轴方向)与纵向方向(即y-轴方向)和宽度方向(即x-轴方向)正交。在矩形板1中，在纵向方向(y-轴方向)的尺寸L与在宽度方向(x-轴方向)的尺寸W的比率是从1.08-1.65的范围，如图3所示，后面将说明。
在矩形板1中，作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分2和作为驱动部分和发生器部分中的另一个的高阻抗部分3沿宽度方向(x-轴方向)排列。如图2和3所示，低阻抗部分2包括驱动部分的电极7和共用电极9，同时高阻抗部分3包括发生器部分的电极8和共用电极9。低阻抗部分2的阻抗与高阻抗部分3的阻抗之间的比率通过变化驱动部分的电极7的面积与发生器部分的电极8的面积之间的比率来调节。
为了使矩形板1具有压电性能，矩形板1在厚度方向被极化。图2中的箭头说明了矩形板1的极化方向。通过把强电场施加于矩形板1来进行极化操作，因此，在矩形板1中的电偶极子沿固定的方向排列。矩形板1由压电物质35制成。压电陶瓷材料(例如铅锆酸盐钛酸盐(PZT))用作压电物质35。同时，不需要极化操作的压电单晶也可以用作压电物质35。
然后，说明压电变压器50A的运行。假设“λ”代表波长，机械振动以(λ/2)宽度-延伸振动模式被激发，即在图1-3的压电变压器50A中的k31’的振动模式。更具体地，具有接近共振频率f的AC电压被AC电源31施加在驱动部分的电极7与来自图2中的输入端a和b的共用电极9之间，所述共振频率f由矩形板1的宽度W决定。共振频率f通过这个公式计算(f＝c/2W)，其中“c”代表在压电变压器50A中的声速。因此，纵向振动沿压电变压器50A的宽度方向上伸长和收缩而激发。
同时，k31’的振动模式代表压电横向效应纵向振动模式，在此模式中，电场施加在厚度方向以引起宽度方向上的振动。K31’的振动模式区别于k31的振动模式，k31的振动模式代表压电横向效应纵向振动模式，所述模式中，电场施加在厚度方向上以引起纵向方向上的振动。这儿，术语“压电横向效应”表示这样一种效应，当电信号施加在极化方向时，垂直于极化方向产生变形和压力。
图3右侧的曲线说明压电变压器50A在以(λ/2)纵向振动模式下承受宽度方向上伸长和收缩的振动的时间点上，在宽度方向(x-轴方向)上的偏移分布。矩形板1在宽度方向(x-轴方向)振动以重复由曲线g所表示的振动结构和以曲线h所表示的振动结构。在图3的曲线中，如果“+”方向表示图2中压电变压器50A沿宽度方向(x-轴方向)的向右偏移，“-”方向表示图2中压电变压器50A沿宽度方向(x-轴方向)的向左右偏移。这个机械振动通过压电效应转化成电压，并且转化的AC电压能够从输出端c和d获得。此时，输入电压与输出电压的比率相应于低阻抗部分2的阻抗与高阻抗部分3的阻抗的比率。此处，阻抗比率也相应于驱动部分的电极7的面积与发生器部分的电极8的面积的比率。
然后，参照图1和4说明与在矩形板1上的长度L和宽度W的比率变化相关的有效的机电耦合系数keff的变化的研究结果。此处将解释有效机电耦合系数keff。在压电变压器中，由于输入部分和输出部分制在单一振动器上，给定电能转化成弹性能的部分降低。因此，代替振动器的机电耦合系数，即输入理想振动器中的电能部分被转化成弹性能的部分，操纵耦合系数是必要的，所述耦合系数由振动模式和结构决定。在本说明书中耦合系数被定义为有效的机电耦合系数。
图4是说明矩形板1的长L和宽W的比率与有效机电耦合系数keff之间的关系的曲线。在压电变压器50A中，低阻抗部分2和高阻抗部分3分别形成在矩形板1的半个区域上。在图4中，实线表示在本实施例中压电变压器50A以(λ/2)宽度-伸长振动模式(即k31’的振动模式)振动时有效机电耦合系数keff的最大值。另一方面，一旦压电变压器50A以传统的(λ/2)纵向振动模式振动，有效机电耦合系数keff不能达到如图4的虚线所示的0.35。从图4可以看出，如果矩形板1的长L与宽W的比率选择在范围1.08-1.65时，有效机电耦合系数keff能够超过0.35。因此，为了获得高有效的机电耦合系数keff，优选地矩形板1的长L与宽W的比率应该在范围为1.08-1.65之间。
如上所述，如果压电变压器50A以宽度-伸长振动模式(即k31’的振动模式)驱动，获得高于压电变压器50A以纵向振动模式(即k31的振动模式)驱动的有效机电耦合系数keff是可能的。这种现象能够如下解释。如果用于激发振动的振动模式在同一矩形板上变化，则作为振荡器的振动的难易程度可以变化。根据由W.P.Mason所写的题名为“PhysicalAcoustic-Principles and Method(物理声学-原理和方法)”一书，如果同一的矩形板以纵向振动模式和宽度-伸长振动模式振动，振动的难易程度可以变化。如果矩形板以纵向振动模式振动，则矩形板不仅在纵向方向上振动，而且在宽度方向上变形，以至于振动能在矩形板的宽度方向上分散。另一方面，如果矩形板以宽度-伸长振动模式振动，则矩形板在宽度方向上振动，但在纵向方向上不变形，因此振动能在矩形板的纵向方向上不分散。
因此，如果矩形板以宽度-伸长振动模式振动，则获得高于矩形板以纵向振动模式上振动的情况下的有效机电耦合系数keff是可能的。如果有效机电耦合系数较高，则弹性能可以通过压电效应有效地转化成电能。同时，输入的电能可以通过相反的压电效应被转化成弹性能。因此，由于被压电变压器的部件容量控制的弹性能(即能量密度)增加，因此能够获得大量的输出，并且效率增加。由本发明人进行的实验已经揭示出在相同的振动速度下以本实施例的宽度-伸长振动模式和以传统纵向振动模式的输出能量分别是25W和10W。在本实施例的宽度-伸长振动模式的能量密度是18W/cc，是传统纵向振动模式的12W/cc的1.5倍。同时，在本实施例的宽度-伸长振动模式的电流密度是90mA/cm2，是传统纵向振动模式的40mA/cm2的大约两倍。
然后，再参照图1-3说明用于支撑压电变压器50A的支撑件32。支撑件32在以(λ/2)宽度-伸长振动模式(第一序列模式)的矩形板1的振动结点附近支撑压电变压器50A。由于支撑件32在振动结点附近支撑压电变压器50A，因此支撑件32没有阻碍振动而支撑并固定压电变压器50A。
同时，在以(λ/2)宽度-伸长振动模式的矩形板1的振动结点附近进行低阻抗部分2的电连接和高阻抗部分3的电连接。由于振动结点不振动，在压电变压器50A的电连接的可靠性增加了。
图5说明压电变压器50A’，所述电变压器50A’是压电变压器50A的变体。在压电变压器50A’中，压电变压器50A的下部共用电极9被分成两个电分离的电极9a和9b，所述电极9a和9b彼此隔开。如上所述，下部的电极9a和9b彼此电分离。因此即使在驱动部分的电极7和电极9a之间引入噪音信号，噪音也不能在发生器部分的电极8与电极9a之间获得。同时，如果共用电极9以与压电变压器50A相同的方式制在矩形板1的下面的整体上，则振动偏移的结点限定如图7B所示的点。因此，在图7B的比较实例中，当支撑件32没有阻碍振动的情况下支撑压电变压器50A时，支撑件32应该在由振动结点限定的点处支撑压电变压器50A。因此，即使支撑件32和矩形板1之间的接触面积增加一点，振动也将被阻碍。
另一方面，在说明压电变压器50A’的图7中，由于设在矩形板1的下表面的共用电极9被分成彼此隔开的电极9a和9b，所以振动偏移结点能够制成平坦的。因此，由于支撑件32能够与由振动偏移的接点形成的平坦部分接触，所以在支撑件32和矩形板1之间的接触面积能够增加，以至于支撑件32能够没有阻碍振动而稳定地支撑压电变压器50A’。
(第二实施例)图8是根据本发明的第二实施例的压电变压器50B的透视图，图9是压电变压器50B的顶视平面图。图10A、10B、10C分别是沿图8的线XA-XA、XB-XB和XC-XC获取的横截面图。如图9所示，压电变压器50B的矩形板1也具有长度L和宽度W。
在此实施例的压电变压器50B中，矩形板1大体上沿宽度方向(x-轴方向)被截成第一和第二半区域。低阻抗部分2设在矩形板1的第一半区域上，而高阻抗部分3设在矩形板1的第二半区域。
如图8和10B所示，在低阻抗部分2中，电极层7和压电层35彼此交替地沿厚度方向(z-轴方向)层压以形成驱动部分。电极层7在矩形板1的相对侧壁之一上以每隔一个位置的方式连接至侧电极33上。其余电极层7在矩形板1的相对侧壁的另一个侧壁上连接至侧电极36上。侧电极33和36分别连接至端子a和b。
同样地，如图8和10C所示，在高阻抗部分3中，电极8和压电层35在厚度方向(z-轴方向)上彼此交替层压以形成发生器部分。电极层8在矩形板1的上述相对侧壁之一上以每隔一个位置的方式连接至侧电极34上。其余电极层8在矩形板1的上述相对侧壁的另一侧壁上连接至侧电极37上。侧电极34和37分别连接至端子c和d。
因此，低阻抗部分2的侧电极33和高阻抗部分3的侧电极34在矩形板1的相对侧壁之一上沿宽度方向(x-轴方向)排列，同时低阻抗部分2的侧电极36和高阻抗部分3的侧电极37在矩形板1的相对侧壁的另一个侧壁上沿宽度方向(x-轴方向)排列。
为了把使矩形板1上的压电层35具有压电性能，压电层35在厚度方向(z-轴方向)上极化。在图10A、10B和10C中的箭头表示极化方向。在驱动部分和发生器部分中，在厚度方向(z-轴方向)的压电层35相邻的层具有彼此相反的极化方向。
然后，说明本实施例的压电变压器50B的运行。参照图8和9，在压电变压器50B中，机械振动以二阶宽度-伸长振动模式(即k31’的振动模式)被激发。更具体地，具有与共振频率f接近的频率的AC电压施加于图10B中的输入端a和b，所述共振频率f由矩形板1的宽度W决定。共振频率f通过以下公式计算(f＝c/W)，其中“c”代表在压电变压器50B中的声速。因此，纵向振动被激发以沿压电变压器50B的宽度方向上伸长和收缩。
图9右侧的曲线说明压电变压器50B以在(λ/2)纵向振动模式下承受以二级宽度-伸长振动模式的伸长-收缩的振动的时间点上，在宽度方向上的偏移分布。矩形板1在宽度方向(x-轴方向)振动以重复由曲线i所表示的振动结构和以曲线j所表示的振动结构。在图9的曲线中，如果“+”方向表示压电变压器50B沿图8中宽度方向的向右偏移，“-”方向表示压电变压器50B沿图8中宽度方向的向左偏移。此机械振动通过压电效应转化成电压，并且转化的AC电压能够从图10C中的输出端c和d获得。
此时，输入电压与输出电压的比率相应于低阻抗部分2的阻抗与高阻抗部分3的阻抗的比率。此处，低阻抗部分2的阻抗依赖于在驱动部分中的电极层7的层数，而高阻抗部分3的阻抗依赖于在发生器部分的电极层8的层数。
在本实施例中，由于压电变压器50B以宽度-伸长振动模式(即如第一实施例相同的方式的k31’的振动模式)振动，所以输入电能可以比在纵向振动模式的情况下振动更有效地转化成弹性能，并且获得较高的有效的机电耦合系数keff。因此，由压电变压器50B的部件容量所控制的电能(即能量密度)增加，进而能够获得较大输出。
同时，在本实施例中，由于使用二阶宽度-伸长振动模式，压电变压器50B的机械振动的振幅小于一阶模式，即(λ/2)宽度-伸长振动模式的机械振动的振幅，因此，弹性应变被抑制了。而且，由于驱动频率升高，每单位时间的振动数量增加，因此，压电变压器50B能够控制较大电能。在图11中，横坐标轴代表输入电极的宽度与电变压器50B的总宽度的比率，而纵坐标轴代表在输入侧的有效机电耦合系数和在输入侧的有效机电耦合系数的乘积，即{keff(入)×keff(出)}作为机电耦合特性。从图11明显地看出，当输入电极的宽度与压电变压器50B的总宽度的比率在范围0.16-0.84之间时，电机耦合特性{keff(入)×keff(出)}大于现有技术的0.066，因此，能够获得较大输出。
在驱动部分中，由于电极层7和压电层35彼此交替地层压，电极层7彼此平行地连接，因此电极层7的总面积增加。另外，在发生器部分，由于电极层8和压电层35彼此交替地层压，并且电极层8彼此平行地连接，因此电极层8的总面积增加。因此，压电变压器50B能够控制较大电流。
此外，参照图9，引出电极33、34、36和38中的每一个都放置在以二阶宽度-伸长振动模式的矩形板1的振动结点附近，因此最少可能承受振动的影响。因此，在压电变压器中的电连接的可靠性被提高了。
在本实施例中，作为实例，低阻抗部分2作为驱动部分，和高阻抗部分3作为发生器部分。然而，低阻抗部分2和高阻抗部分3也可以分别作为发生器部分和驱动部分。
(第三实施例)图12是根据本发明的第三实施例的压电变压器550C的透视图。图1 3A和13B分别是沿图12的线XIIIA-XIIIA和XIIIB-XIIIB切开的截面图。
参照这些图，压电变压器50C包括矩形板1，所述矩形板主要由压电材料制成。在矩形板1中，在纵向方向(即y-轴方向)的尺寸大于宽度方向(即，x-轴方向)的尺寸。同时，厚度方向(即z-轴方向)与纵向方向(即y-轴方向)和宽度方向(即x-轴方向)正交。在矩形板1中，在纵向方向(y-轴方向)的尺寸与在宽度方向(x-轴方向)的尺寸的比率是从1.08-1.65的范围，如前所述。
矩形板1在厚度方向上被绝缘部分42分成作为驱动部分和发生器部分之一的低阻抗部分2和作为驱动部分和发生器部分中另一个的高阻抗部分3，一致于低阻抗部分2和高阻抗部分3沿矩形板1的厚度方向层压。
在低阻抗部分2中，电极层7和压电层35在厚度方向上彼此交替层压以制成驱动部分。电极层7在矩形板1的相对侧壁之一上以每隔一个位置方式连接至侧电极33上，侧电极33连接至端子a上。其余电极层7在矩形板1的相对侧壁的另一侧壁上连接至侧电极36上。侧电极36分别连接至端子b上。
在高阻抗部分3中电极层的层压数少于低阻抗部分2的层压数，一对电极层8插入压电层35之间以形成发生器部分。电极层8之一在矩形板1的上述相对侧壁的另一侧壁上连接至侧电极37上，侧电极37连接至端子c。电极层8的另一层连接至端子d。
为了把使矩形板1上的压电层35具有压电性能，压电层35沿厚度方向(z-轴方向)极化。在图13A和13B中的箭头表示极化方向。在低阻抗部分2中，在厚度方向(z-轴方向)的压电层35的相邻层具有彼此相反的极化方向。
压电变压器50C以(λ/2)宽度-伸长振动模式，(即与第一实施例的压电变压器50A相同的一阶模式)驱动。
在本实施例中，由于压电变压器50C以一阶宽度-伸长振动模式振动，因此输入的电能可以比以纵向振动模式(即k31的振动模式)的振动情况下更有效地转化成弹性能，因此，获得高有效机电耦合系数keff。因此，由压电变压器50C的部件容量控制的电能(即能量密度)增加，进而能够获得较大的输出。
同时，由于低阻抗部分2和高阻抗部分3在矩形板1的厚度方向(z-轴方向)彼此层压，因此压电变压器50C能够容易地通过已知的陶瓷层压技术制造。另外，由于低阻抗部分2和高阻抗部分3在矩形板1的厚度方向(z-轴方向)彼此层压，同时矩形板1的长度和宽度固定，因此矩形板1的宽度能够设计成较大的公差，对较低的阻抗能够增加电极的面积，同时有效机电耦合系数保持恒定。因此，压电变压器50C可应用于需要较大电流的设备。
在本实施例中，作为实例，低阻抗部分2作为驱动部分，和高阻抗部分3作为发生器部分。然而，低阻抗部分2和高阻抗部分3也可以分别作为发生器部分和驱动部分。
图14、15A和15C说明压电变压器50C’，所述压电变压器50C’是压电变压器50C的变体。压电变压器50C’在下述点上不同于压电变压器50C。由于压电变压器50C’的其它结构相似于压电变压器50C的其它结构，因此为了简洁的目的，这种说明就省略了。
在压电变压器50C’中，与压电变压器50C不同，绝缘部分42不设在低阻抗部分2和高阻抗部分3之间。在低阻抗部分2中，电极层7和压电层35彼此交替地层压以形成驱动部分。在高阻抗部分8中，电极层7和电极层8插在压电层35之间以形成发生器部分。即，在压电变压器50C’中，电极层7被用于共用电极。端子a被用于驱动部分，同时端子a和d被用做发生器部分。通过使用上述排列，压电变压器50C’的结构被简化了。
同时，在压电变压器50C’中，低阻抗部分2和高阻抗部分3也可以分别作为发生器部分和驱动部分。
(第四实施例)图16是根据本发明的第四实施例的压电变压器50D的透视图。图17A是沿图16的线XVIIA-XVIIA获取的截面图，而图17B、17C和17D说明压电变压器50D振动时的偏移分布、压力分布和电荷分布。图18是沿图16中的线XVIII-XVIII获取的截面图。
与第一实施例的压电变压器50A相同的方式，本实施例的压电变压器50D包括矩形板1，所述矩形板1主要由压电材料制成。矩形板1的长度大于矩形板1的宽度，从而矩形板1的长度与宽度比率是从1.08-1.65的范围。
本实施例的压电变压器50D不同于第三实施例的压电变压器50C之处在于压电变压器50D以二阶宽度-伸长振动模式驱动，而压电变压器50C是以一阶宽度-伸长振动模式驱动。因此，压电变压器50D结构与第三实施例的压电变压器50C有如下轻微的结构不同。如图16-18，压电变压器50D包括低阻抗部分2和高阻抗部分3，并且低阻抗部分2和高阻抗部分3通过绝缘部分42彼此分离。在低阻抗部分2中，第一电极层7和第二电极层47通过压电层35在厚度方向上彼此交替层压。电极层7电连接至作为低阻抗部分2的电路输入-输出端的第一端子a，同时电极层47连接至作为又一个低阻抗部分2的电路输入-输出端的第一端子b。被层压的第一电极层7连接至侧电极61上，所述侧电极61制在矩形板1的相对侧壁的每一个上，同时第二电极层47连接至侧电极60上，所述侧电极60制在矩形板1的又一相对侧壁之一上。侧电极60以二阶宽度-伸长振动模式放在压电变压器50D的振动节点附近。
至少每一个第一电极层7沿宽度方向被分为两个部分7a和7b，从而在与通过以二阶宽度-伸长振动模式驱动压电变压器50D引起的电荷分布中的电荷极性改变部分相应的位置在部分7a与7b之间形成间隙45。如图17A所示，压电层35的第一厚度部分35a和压电层35的第二厚度部分35b沿厚度方向以相反方向极化，其中第一厚度部分35a设置在第一电极层7的一个部分7a与一个部分7a之下的第二电极层47之间，第一厚度部分35a设置在第一电极层7的另一个部分7b与另一个部分7b之下的第二电极层47之间。在高阻抗部分3中，压电层35插入在连接至端子c的电极层48与连接至端子d的电极层8a和8b之间，如图17A所示。
在本实施例中，至少每一个第一电极层7沿宽度方向被分为两个部分7a和7b，从而在与通过以二阶宽度-伸长振动模式驱动压电变压器50D引起的电荷分布中的电荷极性改变部分相应的位置在部分7a与7b之间形成间隙45，如图17A所示。
当以二阶宽度-伸长振动模式驱动压电变压器50D时，在第一电极层7的一个部分7a引发的电荷极性与在第一电极层7的另一个部分7b引发的电荷极性不同，如图17D所示。然而，由于压电层35的第一厚度部分35a和压电层35的第二厚度部分35b如上所述在厚度方向上以相反的方向被极化，所述第一厚度部分35a放置在第一电极层7的一个部分与第二电极层47之间，所述第二厚度部分35b放置在第一电极层7的另一个部分7b与第二电极层47之间，相位位移180度，因此，在一个部分7a处引起的电荷和在另一个部分7b引起的电荷彼此不能抵消。因此，在压电变压器50D中，能够没有效率下降而控制较大量的电荷。
(第五实施例)图19是根据本发明的第五实施例的压电变压器50E的透视图。压电变压器50E包括压电变压器体50’，其作为第一至第四实施例的压电变压器50A和压电变压器50D之一，例如，作为第一实施例的压电变压器50A，金属矩形板55连接至压电变压器体50’的下部表面的整体上。
例如，压电变压器体50’的厚度和金属矩形板55这样设置，即压电变压器体50E的最大压力在金属矩形板55上产生。通过上述设置，由于最大压力在金属矩形板55上产生，所述金属矩形板55由金属制成，能够承受大于制成压电变压器体50’的压电物质所能承受的变形，压电变压器体50E能够在振幅大于仅由压电物质制成的压电变压器的振幅下运行，即第一至第四实施例的压电变压器50A-50D之一。因此，本实施例的压电变压器体50E能够控制较大的电能。
同时，本实施例使用金属矩形板55。然而，本发明不限于金属矩形板55。如果除了金属的材料能够承受大于压电变压器体50’的压电物质的变形，则无须说，金属矩形板55可以被由此材料制成的矩形板替代。
(第六实施例)图20是根据本发明第六实施例的压电变压器部件100的截面图。压电变压器部件100包括压电变压器50和支撑件40，所述支撑件40支撑压电变压器50，所述压电变压器部件100由导电弹性材料制成。例如，压电变压器50由第一实施例的压电变压器50A制成，并且以(λ/2)宽度-伸长振动模式(即一阶模式)驱动。在压电变压器50以(λ/2)宽度-伸长振动模式(即一阶模式)驱动时，支撑件40通过与压电变压器50接触在振动结点附近支撑压电变压器50。在支撑件40与压电变压器50接触的点上，支撑件40进行在压电变压器50上进行电能的输入-输出操作。压电变压器50和支撑件40放在外壳41内。电极7和9由导线通过支撑件40分别电连接至端子a和b，同时电极8和9通过支撑件40分别电连接至端子c和d。
在压电变压器部件100中，由于在以(λ/2)宽度-伸长振动模式(即一阶模式)压电变压器50驱动过程中振动结点附近支撑件40通过与压电变压器50接触支撑压电变压器50，并且在支撑件40与压电变压器50接触的点处在压电变压器50中进行电能的输入-输出操作，压电变压器50的支撑、固定和电连接能够没有阻碍振动的条件下进行，因此，导致可靠性提高。
在本实施例中，压电变压器50也可以由本发明的另一个压电变压器制成，例如，第三实施例的压电变压器50C。如果压电变压器50C由支撑件40在振动结点附近支撑，可以获得相似的效果。
(第七实施例)图21是根据本发明的第七实施例的电源电路110的框图。在电源电路110中，压电变压器50用作升压电路，所述压电变压器50由第一至第五实施例的压电变压器50A-50E之一制成。电源电路110包括电源101、振荡电路102、可变振荡电路103、驱动电路104、负荷105、探测器106、输出电压探测器107、第一控制电路108和第二控制电路109。在电源电路110中，把输入功率提供至压电变压器50的输入电路由元件101-104组成，同时从压电变压器50中获取输出功率的输出电路由元件105-109组成。
频率信号由可变振荡电路103产生并且压电变压器50的驱动信号由驱动电路104产生。压电变压器50由第二控制电路109通过可变振荡电路103和驱动电路104在探测器106的探测信号的基础上被控制，从而压电变压器50能够响应施加于负荷105上的电压的变化而稳定地被驱动，所述负荷105连接至压电变压器50的发生器部分的电极上。如果负荷105是一个管(例如冷阴极管和热阴极管)，则电压输出探测器107运行直至管开启。因此，当电流通过管开始流动时，输出电压探测器107停止运行。第一控制电路108控制输出电压以至于输出电压不超过预设值。
当本发明的压电变压器50用于升压变换器电路时，获得具有高于使用电磁变压器的升压电路的电路效率的效率是可能的，因为压电变压器50的驱动效率高于电磁变压器的驱动效率。同时，由于由本发明的压电变压器50的部件容量控制的电能大于电磁变压器的电能，所以压电变压器50的体积能够被减小，并且升压电路能够通过压电电路50的形状而制成很薄。此外，压电变压器50使用径向-伸长振动模式，因此，能够控制较大的电能。
图22说明包含冷阴极管型照明单元的液晶显示屏120，所述照明单元由图21的电源电路110形成。冷阴极管型照明单元被压电变压器变换器电路112和冷阴极管113制成，所述变换器电路112通过从图20的电源电路110中消除负荷105而获得，所述冷阴极管113作为图20的电源电路110的负荷105。因此，在冷阴极管型照明单元中，把输入能量供应至压电变压器50的输入电路由电源电路110的元件101-104组成，同时从压电变压器50获得输出能量的输出电路由冷阴极管113和电源电路110的元件106-109组成。在液晶显示器120中，液晶板111通过设在液晶板111的后部的光导向板114由上述排列的冷阴极管型照明单元所照明。
在传统电磁变压器中，在冷阴极管113的启动开始时的高电压应当一直被输出。另一方面，在液晶显示器120中，由于使用本发明的压电变压器50，所以在冷阴极管113的启动开始时和冷阴极管113运行过程中根据负荷的变化压电变压器50的输出电压变化，因此存在于液晶显示器120中的另一个电路不会被负荷变化而不利地影响。同时，由于在压电变压器变换器电路112中从压电变压器50处施加于冷阴极管113的输出电压实质上具有正弦波，在输出电压中没必要的频率成分是非常少的，所述没必要的频率成分是不贡献于冷阴极管113启动的成分，冷阴极管113的寿命得到延长。
(第八实施例)图23是根据本发明的第八实施例的电源电路130的框图。电源电路130使用由第一至第五实施例的压电变压器50A-50E之一制成的压电变压器50，并包括电源121、电源电压控制电路122、振荡电路123、可变振荡电路124、驱动电路125、负荷126、探测器127、比较器128和控制电路129。基准频率由荡电路123产生。比较器128将探测器127的输出与设定电压Vref进行比较，以控制供应电压控制电路122的电源电压和控制电路129的驱动频率之一或二者。响应于通过控制电路129的驱动频率控制和通过电源电压控制电路122的电源电压的控制，驱动电路125进行驱动压电变压器50的功率放大。同时，驱动电路125通过开关元件和过滤电路制成。例如，负荷126是阴极带电管。
由于由本发明的压电变压器的单位体积控制的电能大于电磁变压器的部件单位体积控制的电能，所以压电变压器50的体积能够减小，并且升压电路能够通过压电电路50的形状而制为较薄。此外，压电变压器50使用宽度-伸长振动模式，因此，能够控制较大电能。
(第九实施例)图24是根据本发明的第九实施例的电源电路140的框图。电源电路140使用第一至第四实施例的压电变压器50A-50D之一，并包括电源131、振荡电路132、可变振荡电路133、驱动电路134、负荷135、输出电压探测器136和控制电路137。连接至压电变压器50的负荷135由整流器电路制成。
在本实施例中，输出电压(即施加于负荷135上的电压)能够被控制以保持恒定。由于由本发明的压电变压器50的单位体积所控制的电能大于电磁变压器的单位体积所控制的电能，因此，压电变压器50的体积能够被减小，并且压电变压器50能够通过它的形状而制为较薄。此外，压电变压器50使用宽度-伸长振动模式，因此，能够控制较大的电能。
从上述说明中可以清楚地看出，本发明能获得下面明显的效果。由于本发明的压电变压器以宽度-伸长振动模式驱动，所以能够获得高于纵向振动模式的有效机电耦合系数。因此，由于由压电变压器的单位体积控制的电能增加，压电变压器的输出能够升高。
在本发明的电源电路和照明单元中，由于使用能够产生较大输出的高可靠的压电变压器，因此，电源电路和照明单元能够紧凑地制成，并能够控制较大的电能。
权利要求
1.一种压电变压器，包括矩形板，其主要由压电材料制成，并且其中在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交；和作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分和作为驱动部分和发生器部分其中另外一个的高阻抗部分，它们设在矩形板上从而沿宽度方向排列；其中，压电变压器适于以宽度-延伸振动模式驱动。
2.根据权利要求1的压电变压器，其中低阻抗部分包括在厚度方向上通过第一压电层彼此相对的第一上部和第二电极，并且高阻抗部分包括在厚度方向上通过第二压电层彼此相对的第二上部和下部电极。
3.根据权利要求1的压电变压器，其中低阻抗部分由第一电极层和第一压电层在厚度方向上彼此交替层压而制成，高阻抗部分由第二电极层和第二压电层在厚度方向上彼此层压而制成。
4.根据权利要求1的压电变压器，其中矩形板在宽度方向上被分成第一和第二半区域；其中低阻抗部分设在矩形板的第一半区域，高阻抗部分设在矩形板的第二半区域，以使压电变压器以二阶宽度-伸长振动模式驱动。
5.一种压电变压器，包括矩形板，其主要由压电材料制成，并且其中在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交；和作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分和作为驱动部分和发生器部分其中另一个的高阻抗部分，它们设在矩形板上从而在厚度方向上排列，其中，压电变压器适于以宽度-延伸振动模式驱动。
6.根据权利要求5的压电变压器，进一步包括绝缘部分，其用于使低阻抗和高阻抗部分彼此电分离，并设在低阻抗部分和高阻抗部分之间。
7.根据权利要求1的压电变压器，其以二阶宽度-伸长振动模式驱动，其中，低阻抗部分包括在厚度方向上通过压电层彼此交替层压并电连接至第一和第二端子的第一和第二电极层，所述第一和第二端子分别作为低阻抗部分的电流输入-输出端口和又一电流输入-输出端口，其中第一电极层的至少每一个都沿宽度方向被分成两部分，从而在相应于电荷分布中电荷极化变化部分的位置上在所述两个部分之间形成间隙，所述电荷分布变化通过以二阶宽度-伸长振动模式驱动压电变压器而引起，其中压电层的第一厚度部分和压电层的第二厚度部分分别沿厚度方向以相反的方向极化，所述第一厚度部分放置在第一电极层的每一层和第二电极层的每一层的两个部分其中之一之间，所述第二厚度部分放置在第一电极层的每一层和和第二电极层的每一层的两个部分其中另一个之间。
8.根据权利要求1的压电变压器，其中矩形板在纵向方向上的尺寸与在宽度方向上的尺寸的比率范围在1.08-1.65。
9.根据权利要求1的压电变压器，进一步包括支撑件，其用于在以宽度-伸长振动模式驱动压电变压器时在振动结点附近支撑压电变压器。
10.根据权利要求1的压电变压器，其中在以宽度-伸长振动模式驱动压电变压器时在振动结点附近进行低阻抗部分的电连接和在高阻抗部分的电连接。
11.根据权利要求1的压电变压器，进一步包括支撑件，其用于支撑压电变压器，并由导电弹性材料制成；其中在以宽度-伸长振动模式驱动压电变压器时支撑件在振动结点附近与压电变压器接触，以支撑压电变压器并在支撑件与压电变压器接触点处在压电变压器上进行电功率输入-输出操作。
12.根据权利要求1的压电变压器，进一步包括金属矩形板，其具有大体上与矩形板相同的尺寸并且沿厚度方向连接至矩形板的相对面之一上。
13.一种电源电路，包括压电变压器，其包括矩形板，所述矩形板主要由压电材料制成，并且其中在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交；和作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分以及作为驱动部分和发生器部分其中另一个的高阻抗部分，它们设在矩形板上以在宽度方向上排列，从而压电变压器适于以宽度-延伸振动模式驱动；输入电路，其用于把输入电压供应至压电变压器；和输出电路，其用于从压电变压器获取输出电压。
14.一种电源电路，包括压电变压器，其包括矩形板，所述矩形板主要由压电材料制成，并且其中在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交；和作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分和作为驱动部分和发生器部分其中另一个的高阻抗部分，它们设在矩形板上以在厚度方向上排列，从而压电变压器适于以宽度-延伸振动模式驱动，输入电路，其用于把输入电压供应至压电变压器，和输出电路，其用于从压电变压器获取输出电压。
15.一种照明单元，包括压电变压器，其包括矩形板，所述矩形板主要由压电材料制成，并且其中在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交；和作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分和作为驱动部分和发生器部分其中另一个的高阻抗部分，它们设在矩形板上以在宽度方向上排列，因此压电变压器适于以宽度-延伸振动模式驱动。输入电路，其用于把输入电压供应至压电变压器，和输出电路，其用于从压电变压器获取输出电压。
16.一种照明单元，包括压电变压器，其包括矩形板，所述矩形板主要由压电材料制成，并且其中在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交；和作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分和作为驱动部分和发生器部分的其中另一个的高阻抗部分，它们设在矩形板上以在厚度方向上排列，因此压电变压器适于以宽度-延伸振动模式驱动。输入电路，其用于把输入电压供应至压电变压器，和输出电路，其用于从压电变压器获取输出电压。
全文摘要
一种压电变压器，包括矩形板，其主要由压电材料制成，并且其中在纵向方向的尺寸大于在宽度方向上的尺寸，并且厚度方向与纵向方向和宽度方向正交。作为驱动部分和发生器部分其中之一的低阻抗部分和作为驱动部分和发生器部分其中另一个的高阻抗部分设在矩形板上以使在宽度方向上排列，从而压电变压器适于以宽度－延伸振动模式驱动。
文档编号H05B41/28GK1551382SQ200410044708
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月17日 优先权日2003年5月16日
发明者中塚宏, 武田克, 中 宏 申请人:松下电器产业株式会社