壓電變壓器元件及將其裝入外殼的方法

專利名稱：壓電變壓器元件及將其裝入外殼的方法
技術領域：
本發明是關于一種壓電變壓器元件，適合使用于例如打開一冷陰極管，及其封裝方法。
相關技藝的敘述冷陰極管通常被使用于筆記型個人電腦的液晶顯示的背光。此冷陰極管需要約1kV的高電壓使其打開，及約數百V的電壓來保持打開的狀態。可在遠低于將其打開所需要的電壓的電壓，使冷陰極管保持在打開的狀態。冷陰極管的操作特性是與壓電變壓器元件的操作特性類似，所以具有此壓電變壓器元件的反相器近來被使用作為冷陰極管的電源。
廣泛地使用圖21所示的Rosen壓電變壓器元件作為壓電變壓器元件。
圖21是一立體圖，指出Rosen壓電變壓器元件。圖21中，壓電變壓器元件106具有矩形的形狀，圖21中的左半部作用為輸入區域，且圖21中的右半部作用為輸出區域。作為用于施加輸入電壓的輸入電極的外部電極101與102，被形成在輸入區域的上與下表面上。作為用于取出升壓的AC電壓的輸出電極的外部電極103，被形成在輸出區域的端面上。當具有由壓電變壓器元件106的材料與長度來決定的共振頻率的AC電壓(輸入電壓)，被施加于外部電極101與102的間時，壓電變壓器元件106在縱向上機械地振動及共振。機械振動在作為通至輸入與輸出側的接地電極的外部電極101與102的其中的一與外部電極103的間產生升壓的AC電壓。作為輸出電壓對輸入電壓的比的升壓比，是和輸出電極間的距離與輸入電極間的距離的比成正比。
習知已使用圖21所示的單板壓電變壓器元件作為壓電變壓器元件。在具有此單板壓電變壓器元件的反相器中，升壓比最多為10。欲打開筆記型個人電腦的冷陰極管，在壓電變壓器元件的輸入級上必須提供升壓繞組變壓器。因此，欲得到比單板壓電變壓器元件更高的升壓比，且欲從輸入級消除繞組變壓器，形成具大一構造的壓電變壓器元件，其中在壓電層的輸入區域中內部電極間的距離減小，亦即壓電層與內部電極被堆疊。
在此多層壓電變壓器元件中，輸入區域中的電極必須被電氣地連接。作為連接方法，例如日本專利公開第7-302938號揭示如圖24所示，在壓電變壓器元件306的端面或側面的角隅形成電極305，用于電氣地連接在外部電極301與302間的輸入區域中的內部電極301a與302a。在日本專利第8-52553號中，申請人提出一種方法，藉著兩個行導體(下文中稱為中間位準連接導體)來交替地連接堆疊于壓電變壓器元件的輸入區域內的許多內部電極。
當此一壓電變壓器元件被安裝在電路板上時，壓電變壓器元件通常被使用于外殼中以暴露高電壓部分。在習知多層壓電變壓器元件中，引線以焊料或導電粘著劑被結合至形成在輸入區域的上與下表面的外部電極，類似于圖21中的外部電極101與102。雖然壓電變壓器元件具有小厚度的優點，安裝連接至引線的壓電變壓器元件需要至少元件與板的間的引線的直徑的邊限，及一空間用于至少壓電變壓器元件上方的引線的直徑。結果，外殼的厚度增加，且薄壓電變壓器元件的優點無法充分地顯露出來。
考慮引線的直徑及用于結合引線的焊料或導電粘劑的厚度，外殼必須被設計成具有大的厚度。所以于安裝時壓電變壓器模組的厚度隨著結合空間的厚度而增加。
欲解決此問題，例如依據日本專利公開第9-116250號，輸入電極201與202被形成在壓電變壓器元件206的主側上的上與下表面上，并延伸至元件的側表面以形成引線電極201a與202a，以將壓電變壓器元件206固定至外殼205，藉著在縱向上的側表面的節點位置，如圖22與23所示。輸出電極204被形成在二次側上的元件的兩個表面上。此構造可使外殼變薄并簡化安裝程序。
然而，隨著近來在筆記型個人電腦或可攜式資訊終端的發展，對于較小尺寸的裝置的需求已增加。伴隨著此，消除液晶顯示與主體的間的尺寸差異。由于用于液晶顯示的背光的反相器通常被擺設于液晶顯示器的周圍，隨著個人電腦的主體的外尺寸減小，反相器必須變窄。
然而藉著習知的封裝方法，外殼或模組可以變薄，但是外殼無法變窄。
發明節要本發明的目的在于提供一種壓電變壓器元件，其用于安裝所需的高度與寬度可被減小，以及其封裝方法。
欲達成上述目的，本發明的壓電變壓器元件的特征為以下配置。
一種具有多層構造的壓電變壓器元件，多層構造具有在厚度的方向被極化且具有輸入電極的輸入區域，以及在縱向上被極化且具有輸出電極的輸出區域，其特征在于包含許多輸入電極作為形成在許多壓電層間的輸入電極；形成在輸入區域側的縱向上的壓電變壓器元件的端面上的第一與第二外部電極；及形成在輸出區域側的縱向上的壓電變壓器元件的端面上的外部電極，其中許多內部電極被每兩層交替地連接至第一與第二外部電極，且外部電極為用于施加輸入電壓的電極。使用此構造，當壓電變壓器元件被安裝在另一構件上時，元件可只被連接在其縱向上的端面，且用于安裝所需的高度與寬度(元件的寬度方向上的寬度)可被減小。
元件最好進一步包含形成在與輸入區域側上的壓電變壓器元件的縱向平行的側表面上的第三與第四外部電極，且許多內部電極亦每兩層被交替地連接至第三與第四外部電極。
元件最好進一步包含許多形成在輸入區域內的行導體，且許多內部電極每兩層經由許多行導體被交替地連接。
此配置可大大地減小沒有驅動壓電變壓器元件的可能性第三與第四外部電極或許多行導體被形成在對應壓電變壓器元件的振動節點的位置。
欲達成上述目的，本發明的壓電變壓器元件封裝方法的特征為以下步驟。
特別是，安裝具有上述配置的壓電變壓器元件于外殼上的壓電變壓器元件封裝方法的特征為包含以下步驟在縱向上的外殼的端面上形成許多安裝端子；將壓電變壓器元件插入于外殼中以使許多安裝端子靠在第一與第二外部電極及輸出電極；及藉由導電的連接材料來固定被靠著的部分。藉著此方法，壓電變壓器元件可被安裝在外殼上，只能將元件連接在其縱向上的端面上，安裝所需的高度與寬度(元件的寬度方向的寬度)可被減小，且可簡化制造程序。
另一種方式，安裝具有上述配置的壓電變壓器元件于外殼上的壓電變壓器元件封裝方法的特征為包含以下步驟在壓電變壓器元件被封裝的后，在元件的兩個端面于縱向上被定位的外殼內的位置附近形成突起；以突起來支撐壓電變壓器元件；經由引線將第一與第二外部電極連接至形成在縱向上的外殼的端面上的許多安裝端子；及經由引線將輸出電極連接至形成在縱向上的外殼的另一端面上的安裝端子。藉著此方法，壓電變壓器元件可被安裝在外殼上，能夠只將元件連接在其縱向上的端面上，且安裝所需的高度與寬度(元件的寬度方向的寬度)可被減小。
連同附圖從以下的敘述可明顯看出本發明的其它特征與優點，其中相同的字元代表相同或類似的部分。
附圖的簡要敘述

圖1是一立體圖，指出依據本發明的第一實施例的壓電變壓器元件；圖2是圖1中的壓電變壓器元件的前視圖；圖3是一剖面圖，取自沿著圖2中的線I-I；圖4是一平面圖，指出形成在依據本發明的第一實施例的壓電綠片上的許多內部電極；圖5是一平面圖，指出形成在依據本發明的第一實施例的壓電綠片上的許多內部電極；圖6是一立體圖，指出依據本發明的第二實施例的壓電變壓器元件；圖7是圖6中的壓電變壓器元件的前視圖；圖8是一平面圖，指出形成在依據本發明的第二實施例的壓電綠片上的許多內部電極；圖9是一平面圖，指出形成在依據本發明的第二實施例的壓電綠片上的許多內部電極；圖10是依據本發明的第三實施例的壓電變壓器元件的剖面圖；圖11是一平面圖，指出具有依據本發明的第三實施例的中間位準連接導體的孔的壓電綠片；圖12是一平面圖，指出形成在依據本發明的第三實施例的壓電綠片上的許多內部電極；圖13是一平面圖，指出形成在依據本發明的第三實施例的壓電綠片上的許多內部電極；圖14是一立體圖，指出依據本發明的第四實施例的外殼，其上安裝壓電變壓器元件；圖15是一剖面圖，取自沿著圖14中的λ線III-III；圖16是一立體圖，指出依據本發明的第五實施例的外殼，其上安裝壓電變壓器元件；圖17是一剖面圖，取自沿著圖16中的線IV-IV；圖18是一剖面圖，指出依據本發明的第五實施例的修改的外殼，其上安裝壓電變壓器元件；圖19是一表(λ模式)，指出依據本發明的第四與第五實施例的壓電變壓器元件支撐方法，與在節點支撐壓電變壓器元件的習知方法的比較結果；圖20是一表(λ/2模式)，指出依據本發明的第四與第五實施例的壓電變壓器元件支撐方法，與在節點支撐壓電變壓器元件的習知方法的比較結果；圖21是一立體圖，指出一盧森(Rosen)壓電變壓器元件圖22是一立體圖，指出一習知的壓電變壓器元件；圖23是一頂面圖，指出圖22中的壓電變壓器元件被安裝在外殼上的狀態；及圖24是一立體圖，指出另一個習知的壓電變壓器元件較佳實施例的詳細敘述
參見附圖將敘述依據本發明的壓電變壓器元件的實施例。在以下的敘述中，在縱向上壓電變壓器元件的端面意指于驅動λ或λ/2模式中的元件時，不包括對應振動節點的位置的兩個端面。〔第一實施例〕圖1是一立體圖，指出依據本發明的第一實施例的壓電變壓器元件。圖2是圖1中的壓電變壓器元件的前視圖。圖3是一剖面圖，取自圖1中的線I-I。
如圖1至3所示，用于施加輸入電壓的外部電極1與2，被形成在壓電變壓器元件6的縱向上左側輸入區域的端面上。用于取出升壓的高電壓的外部電極3，被形成在縱向上右側輸出區域的端面上。許多內部電極1a與2a被交替地堆疊，經由在壓電變壓器元件6的輸入區域中的薄板狀壓電綠片(對應在燒結的前的壓電綠片，將敘述于后)。內部電極1a與2a具有突起，分別連接至外部電極1與2。注意各內部電極不需要形成于壓電變壓器元件中，但可被曝露在側表面上。
參見圖4與5，將敘述具有此構造的壓電變壓器元件6的制造方法。
圖4與5為附圖，指出依據本發明的第一實施例，形成在壓電綠片上的許多內部電極。壓電片被交替地堆疊且切割成預定形狀，以形成沒有外部電極1至3的壓電變壓器元件6。
(1)25重量比例的水與10重量比例的乳狀丙烯酸粘合劑與100重量比例的Pb(Zr，TI)O3基的壓電材料粉末混合，且所得到的材料被攪拌成土泥。使用手術刀此土泥被處理成130μm厚的壓電綠片。130μm厚的綠片被燒結以得到燒結后為100μm的厚度。
(2)所得到的壓電綠片8被切割成100mm×100mm形狀并結合至一印刷框。用于形成內部電極1a與2a的Ag-Pd膏使用銀幕罩被印刷在壓電綠片8上。內部電極1a與2a被印刷成具有16mm×4.6mm的外部尺寸，并在堆疊時被定位在輸入區域中。各內部電極1a與2a在矩形的一側上提供一突起，以被曝露在元件的端面上，并被連接至對應的外部電極1與2。欲每兩層將內部電極1a與2a交替地連接至外部電極1與2，于堆疊時使用兩種型式的銀幕罩作為奇數片(圖5)與偶數片(圖4)。
(3)其上印刷有內部電極1a的10個壓電綠片8，及其上印刷有內部電極2a的10個壓電綠片8被交替地堆疊，沒有印刷電極的壓電綠片被放置在頂部上，且全部的這些片在100℃及30Mpa被熱處理。所得到的構造使用鋁容器在空氣中于1150℃被燒結2小時。藉著堆疊及鍛燒21個壓電片，元件具有2.2mm的厚度。
(4)在燒結的后，燒結的構造藉由手術刀被切割成許多32mm×5mm的元件。用于形成外部電極1與2的2mm寬的Ag膏，被印刷在曝露于各切割元件的輸入區域的端面上的內部電極1a與2a的突起上。用于形成外部電極3的Ag膏被印刷在元件的輸出區域的端面上。以Ag膏印刷的元件被負載進入爐中以700℃來燒結膏，藉以形成外部電極1、2與3。
(5)燒結后的元件被浸漬于絕緣油中，在150℃下以3kV/mm的場強度來極化輸入區域30分鐘。輸入區域的外部電極被短路，且1.5kV/mm的DC電壓被施加于輸出區域的端面上的短路部分與外部電極間，以形成極化30分鐘，藉以得到壓電變壓器元件6。
在第一實施例中所述的壓電變壓器元件6中，用于施加輸入電壓的外部電極1與2被形成在縱向上的元件的端面上。此構造在元件的側表面上不需要用于施加輸入電壓的引線或外部電極，與習知的壓電變壓器元件不同。所以，可以減小包括引線與外部電極的元件的高度與寬度(寬度方向的寬度)。
突起被形成在內部電極1a與2a上，被曝露在元件的端面上，并被連接至外部電極1與2。以此構造，在制造程序中，電氣地連接內部電極的步驟與形成輸入區域的外部電極的步驟可被結合成一步驟。〔第二實施例〕圖6是一立體圖，指出依據本發明的第二實施例的壓電變壓器元件。圖7是圖6中的壓電變壓器元件的前視圖。圖7中取自沿著線II-II的壓電變壓器元件的剖面，與圖3所示的類似。
如圖6與7所示，在縱向上的壓電變壓器元件16的輸入與輸出區域的端面，具有與依據第一實施例的壓電變壓器元件6相同的構造。而且，內部電極11a與12a的多層構造幾乎與依據第一實施例的壓電變壓器元件6相同，除了內部電極11a與12a在縱向上的第一突起外，在元件的寬度方向上設有第二突起。在第二實施例中，第二突起被曝露在壓電變壓器元件16的側表面上，并被連接至外部電極4與5。注意提供至內部電極11a與12a的第二突起及外部電極4與5，最好被形成在對應壓電變壓器元件16的振動節點的位置參見圖8與9，將敘述具有此構造的壓電變壓器元件16的制造程序。
圖8與9為圖形，指出依據本發明的第二實施例，形成在壓電綠片上的許多內部電極。此壓電綠片被交替地堆疊并切割成預定形狀，以形成沒有外部電極3、4、5、11與12的壓電變壓器元件16。
(1)藉著與第一實施例相同的方法，壓電綠片8被制造并被結合至一框。在第二實施例中，如圖8與9所示，各內部電極11a與12a在矩形的兩側上具有突起，以將各別層電氣地連接在元件的端面與側表面上。
(2)其上印刷有內部電極11a的10個壓電綠片8，及其上印刷有內部電極12a的10個壓電綠片8被交替地堆疊，沒有印刷電極的壓電綠片被放置在頂部上，且全部的這些片在100℃及30Mpa被熱處理。所得到的構造使用鋁容器在空氣中于1150℃被燒結2小時。
(3)在燒結的后，燒結的構造藉由手術刀被切割成許多32mm×5mm的元件。用于形成外部電極11、12、4與5的2mm寬的Ag膏，被印刷在曝露于各切割元件的輸入區域的端面上的內部電極11a與12a的突起上。用于形成外部電極3的Ag膏被印刷在元件的輸出區域的端面上。以Ag膏印刷的元件被負載進入爐中以700℃來燒結膏，藉以形成外部電極11、12、4與5。在此時，許多內部電極11a被電氣地連接至外部電極11與5，而許多內部電極12a被電氣地連接至外部電極12與4。在第二實施例中，燒結后的外部電極4與5具有約數μm至10μm的厚度。
(4)燒結后的元件被浸漬于絕緣油中，在150℃下以3kV/mm的場強度來極化輸入區域30分鐘。輸入區域的外部電極被短路，且1.5kV/mm的DC電壓被施加于輸出區域的端面上的短路部分與外部電極間，以形成極化30分鐘，藉以得到壓電變壓器元件16。
在第二實施例中所述的壓電變壓器元件16中，由于內部電極被連接至端面與側表面上的兩個電極，無法驅動元件的可能性可大幅地減小，且可以實現具有可靠度比第一實施例的壓電變壓器元件更高的壓電變壓器元件。由于燒結后的外部電極4與5的厚度非常小，約數μm至10μm，在將壓電變壓器元件16安裝于外殼上時由于外部電極4與5，外殼的寬度尺寸(寬度)不需要被設計成很大。〔第三實施例〕在第二實施例中，外部電極4與5被形成在壓電變壓器元件16的側表面上，以改善電氣連接的可靠度。在第三實施例中，在“相關技藝的敘述”中所述的兩個行中間位準連接導體，被形成在元件內作為對應外部電極4與5的導體，藉以得到與依據第二實施例的壓電變壓器元件16相等的電氣連接可靠度。
依據第三實施例的壓電變壓器元件26的外部形狀，與圖1及2所示的壓電變壓器元件6相同，將省略其敘述。
圖10是取自沿著圖2的線I-I，依據本發明的第三實施例的壓電變壓器元件的剖面圖。如圖10所示，許多內部電極21a與22a經由元件中的薄皮狀壓電綠片(對應燒結前的壓電綠片8)，被交替地堆疊在壓電變壓器元件26的輸入區域內。中間位準連接導體25a被連接至許多內部電極21a，而中間位準連接導體25b(為了顯示方便，在圖10的剖面中未示)被連接至許多內部電極22a。此外，與第一實施例類似，內部電極21a與22a具有突起，分別被連接至在縱向上的壓電變壓器元件26的端面側上的外部電極21與22。
中間位準連接導體25a與25b的形成位置并沒有限制，只要它們是在壓電變壓器元件26的輸入區域內。在第三實施例中，中間位準連接導體25a與25b被形成在對應振動節點的位置，以不干擾元件的振動。
各內部電極可被曝露在壓電變壓器元件的側表面上，沒有包括于壓電變壓器元件中。
參見圖11至13，將敘述具有此構造的壓電變壓器元件26的制造程序。
圖11是一平面圖，指出依據本發明的第三實施例，具有中間位準連接導體的孔的壓電綠片。圖12與13為平面圖，指出依據本發明的第三實施例，形成在壓電綠片上的許多內部電極。此壓電綠片被交替地堆疊并切割成預定形狀，以形成具有外部電極3、21與22的壓電變壓器元件26。
(1)藉著與第一實施例相同的方法，壓電綠片8被制造并被結合至一框。形成用于填充形成中間位準連接導體25a與25b的膏的孔，以在壓電變壓器元件26被切割成許多壓電綠片8的后，在對應元件的諧振節點的位置中，具有燒結時為0.12mm的直徑。圖11指出此狀態。使用金屬罩藉著印刷而使Ag-Pd膏被填充于這些孔中。
(2)使用在圖11的狀態的壓電綠片8上的銀幕罩，用于形成內部電極21a與22a的Ag-Pd膏被印刷。欲交替地將內部電極21a與22a連接至中間位準連接導體25a與25b，于堆疊時使用兩種型式的銀幕罩，奇數片(圖13)與偶數片(圖12)。注意，與第一實施例類似，在燒結的后于縱向上的壓電變壓器元件26的端面側上的部分，各內部電極設有一突起。
(3)其上印刷有內部電極21a的10個壓電綠片8，及其上印刷有內部電極22a的10個壓電綠片8被交替地堆疊，沒有印刷電極的壓電綠片被放置在頂部上，且全部的這些片在100℃及30Mpa被熱處理。所得到的構造使用鋁容器在空氣中于1150℃被燒結2小時。藉著堆疊及鍛燒21個壓電片，元件具有2.2mm的厚度。
(4)在燒結的后，燒結的構造藉由鉆石切割器被切割成許多32mm×5mm的元件。用于形成外部電極21、22的2mm寬的Ag膏，被印刷在曝露于各切割元件的輸入區域的端面上的內部電極21a與22a的突起上。用于形成外部電極3的Ag膏被印刷在元件的輸出區域的端面上。以Ag膏印刷的元件被負載進入爐中以700℃來燒結膏，藉以形成外部電極1、2與3。
(5)燒結后的元件被浸漬于絕緣油中，在150℃下以3kV/mm的場強度來極化輸入區域30分鐘。輸入區域的外部電極被短路，且1.5kV/mm的DC電壓被施加于輸出區域的端面上的短路部分與外部電極間，以形成極化30分鐘，藉以得到壓電變壓器元件26。
在第三實施例中所述的壓電變壓器元件26中，內部電極、外部電極與中間位準連接導體被連接。因此，與第二實施例類似，可實現具有高可靠度的壓電變壓器元件26。〔第四實施例〕第四實施例是關于將依據第一至第三實施例的壓電變壓器元件封裝于外殼上的封裝方法。在以下的敘述中，將舉例將第一實施例中所述的壓電變壓器元件6封裝于外殼上的封裝方法。
圖14是一立體圖，指出依據本發明的第四實施例的外殼，其上封裝有一壓電變壓器元件。圖15是取自沿著圖14中的線III-III的剖面圖。在圖15中，并沒有示出壓電變壓器元件6的內部構造。
如圖14與15所示，由絕緣樹脂形成一外殼31，并有L32mm×W5.2mm×D2.4mm的內部尺寸(注意長度L等于安裝端子32或33與安裝端子34的間的距離)。用于施加輸入電壓的安裝端子32與33及用于取出輸出電壓的安裝端子34，被集積地形成在外殼31的兩個端面上。
依據將壓電變壓器元件6封裝于具有此構造的外殼31上的方法，壓電變壓器元件6被插入于外殼中，以分別使外部電極1、2與3靠在安裝端子32、33與34。各被靠著的部分是以作為導電連接材料的焊料或導電粘著劑來固定。結果，壓電變壓器元件6被固定在外殼31內，且安裝端子被電氣地連接。
當壓電變壓器元件6在λ模式中被驅動時，諧振節點來到對應元件至元件的尾端部分的長度的1/4的位置。當λ模式中被驅動的壓電變壓器元件6正在諧振時，元件的總長度幾乎保持固定。所以，即使壓電變壓器元件6的兩個端面被固定至外殼31，不會被諧振破壞固定的狀態。
以此方式，在第四實施例的外殼31中，壓電變壓器元件6被固定在其端面，并被電氣地連接至外殼的安裝端子。由于只考慮壓電變壓器元件本身的寬度與高度，可滿意地設定外殼31的寬度尺寸(寬度)與高度(深度)，所以可減小外殼的寬度與高度。由于沒有使用引線等等，可簡化制造程序。〔第五實施例〕第五實施例是關于將壓電變壓器元件固定在縱向上的兩個端面上的另一封裝方法，其使用于第四實施例中。在以下的敘述中，將舉例封裝第一實施例所述的壓電變壓器元件6的方法。
圖16是一立體圖，指出依據本發明的第五實施例的外殼，其上封裝有一壓電變壓器元件。圖17是取自沿著圖16中的線IV-IV的剖面圖。在圖17中，并沒有示出壓電變壓器元件6的內部構造。
如圖16與17所示，由絕緣樹脂形成一外殼31，并有L32.6mm×W5.2mm×D2.4mm的內部尺寸。在距離端部0.4mm的兩個位置，亦即在縱向上壓電變壓器元件6的兩個端面附近的位置，形成將壓電變壓器元件6固定于外殼41內并具有約0.1mm至0.15mm的高度的突起。環氧樹脂基的粘著劑被涂至突起45，以將壓電變壓器元件6固定于外殼41內。
注意突起45可只被形成在外殼41的內部底表面上。
用于施加輸入電壓的安裝端子42與43及用于取出輸出電壓的安裝端子44，被集積地形成在外殼41的兩個端面上。這些安裝端子是由一金屬構件做成。在第五實施例中，外部電極1、2與3被電氣地連接至安裝端子42、43與44，藉著以焊料或導電粘著劑來連接直徑為0.26mm的引線。
引線46在將壓電變壓器元件6固定至外殼41的前，分別被連接至元件的外部電極。
形成于外殼41內的突起45可具有連續的線性形狀，或者可以是非連續的突起。
突起45的形狀并不限于圖16與17所示。例如，在指出主要部分的圖18的剖面圖中，外殼41A的突起45A可被形成在縱向上的壓電變壓器元件6的兩個端面附近以固定元件。
在第五實施例中，外殼41或41A的安裝端子經由引線46，被電氣地連接至在外殼的端面上的壓電變壓器元件6的外部電極。此額外地需要連接引線的步驟，但是壓電變壓器元件6可被可靠地支撐于外殼41內。
在前述的實施例中，由于用于施加輸入電壓的外部電極被形成在元件的端面上，所以在元件的輸入區域的上與下表面上不需要外部電極。然而，在極化步驟中，外部電極可被形成在元件的上與下表面上，如果需要的話。
在各別的實施例中壓電變壓器元件、電極等等的尺寸只是例子，其尺寸并不限于上述值。〔將壓電變壓器元件固定在兩個端面的方法的討論〕將討論在第四與第五實施例中所述的封裝方法，亦即將壓電變壓器元件固定在兩個端面的方法。
作為將壓電變壓器元件封裝于外殼中的習知方法，于諧振時壓電變壓器元件通常被支撐在元件的節點(在下文中稱為節點位置)的位置，如同圖23中的習知的外殼205與壓電變壓器元件206。此方法是根據振動的常識，媒體(在此情形中為構成壓電變壓器元件的各成分的材料)會產生所謂的縱向波(壓縮波)，且當縱向波為靜止波時，媒體在靜止波的節點沒有位移，且節點的間的間隔被保持在一預定值。因此，在習知壓電變壓器元件封裝方法(固定方法)中，元件的最佳固定位置是在對應距離λ模式中的元件的兩個端面L/2的兩個節點位置，λ模式亦即用于驅動壓電變壓器元件的電壓的波長(λ)等于在縱向上的元件的長度2L。欲避免諧振的衰減，元件必須被支撐(固定)，而沒有偏離這些節點位置。換句話說，在λ模式中，縱向上的壓電變壓器元件的兩個端面作用為諧振回路，且元件在這些諧振回路具有最大的位移。為此理由，沒有采用本發明的技術原理，其中元件被支撐在諧振回路位置，亦即元件的兩個端面。
然而，在壓電變壓器元件的廣泛研究中，申請人已將壓電變壓器元件支撐在縱向上的兩個端面，并在λ模式中的支撐壓電變壓器元件諧振。結果，可得到與將壓電變壓器元件支撐在節點位置的習知方法幾乎相同的升壓效率。
圖19與20為表，指出依據第四和第五實施例的壓電變壓器元件封裝方法，與將壓電變壓器元件支撐在節點的習知方法的間的比較結果。圖19與20分別指出當以λ模式及λ/2模式來驅動壓電變壓器元件時的測量結果。
在測量中，第一實施例中所述的圖1至3中的壓電變壓器元件是以依據第四和第五實施例的方法被支撐。至于習知的支撐方法，第一實施例中所述的圖1至3中的壓電變壓器元件被支撐在節點，并經由引線被外部地驅動。在兩種情形中，驅動壓電變壓器元件的測量條件為50kΩ的負載及4W的輸出。
如圖19與20所示，在依據第四和第五實施例的支撐方法中的升壓比及效率(％)，比習知的支撐方法稍低，但是它們的間的差異在實際上不可忽略。此現象與習知原理所預期的結果并不相合。
以下將說明現象的檢查。由于即使壓電變壓器元件被支撐在縱向上的兩個端面，可得到良好的升壓特性(諧振特性)，所以假設在諧振時壓電變壓器元件的總長度幾乎是固定的。特別是，申請人發現當驅動被諧振的壓電變壓器元件時，元件的總長度保持相同。此意指將壓電變壓器元件固定在縱向上的元件的兩個端面附近的外殼內，并不會導致諧振的衰減，其減小元件的升壓效率，且使外殼內的元件的固定狀態變差。所以在第四和第五實施例中，第一實施例中所述的壓電變壓器元件6被固定至縱向上的元件的兩個端面的外殼31、41或41A。
申請人研究相關的文獻以說明此現象，并發現諧振時壓電變壓器元件的位移是由以下的公式1來給定。依據SekijiYamagata，“Vibrating Modes，Surface Electric Charge andPotential Distributions of Ceramic Transformer”，E1ectronicCeramics，Summer1976，PP.44-50中的公式(17)，位移ξ(x)給定如下ξ(x)＝Acos(mπ/2L)xej(mxv/2L)t+ε其中ξ(x)在時間t的位置x的媒體的位移量〔mm〕；A預定的是數；m振動模式(在λ模式中m＝2)；2L縱向上的壓電變壓器元件的長度〔mm〕；x從元件的尾端部分至任意點的距離〔mm〕；E自然對數的底；j-1的均方根；V在元件內的聲音的速度〔mm/秒〕；t任意時間〔秒〕；ε介電常數〔F/mm〕。
藉著對于x＝0至2L積分公式(1)，得到在驅動于λ模式(m＝2)中時縱向上的壓電變壓器元件的總長度。不論時間t為何，結果總是一預定值。亦即，積分結果表示即使當在λ模式中驅動元件時，壓電變壓器元件的兩個端面的間的距離不會改變，并說明了由申請人實驗所發現的現象。
在λ模式中的諧振時的壓電變壓器元件的輸入與輸出區域中出現的節點位置，參見靜止狀態的位置，在這些位置的媒體可能會在元件的縱向上振動。特別是，相對于輸入與輸出區域的端面，假設節點位置重覆相對移動。此可藉由考慮支持在λ模式中諧振時壓電變壓器元件的長度不會改變的實驗現象與計算結果，及元件的輸入與輸出區域在諧振時于相反方向上的重覆擴張收縮的已知現象來說明。
所以當壓電變壓器元件被固定在縱向上的兩個端面時，元件不應以突起、粘著劑等等被固定在兩個端面或其附近的位置以外。
如上所述，當使用壓電變壓器元件在λ模式中諧振時，它只能被支撐在縱向上的兩個端面，且外殼可使用不同的形狀。同時，可減小封裝元件所需的高度與寬度。
當上述公式(1)被應用于例如λ/2模式(m＝1)與3λ/2模式(m＝3)的驅動模式時，當在這些驅動模式諧振時壓電變壓器元件的長度會改變。然而即使在此情形中，由將元件支撐在其尾端所導致的諧振特性變差非常小，且在元件被支撐在諧振節點的情形與元件被支撐在其尾端的情形的實驗結果的間的比較，可知在實際的使用中不會產生任何嚴重的問題。相反地，以壓電變壓器元件固定及封裝方法的改變的觀點來看，這些模式產生與λ模式相同的工業優點。
如以上已敘述了依據上述實施例，提供一壓電變壓器元件，可減小封裝所需的高度與寬度，及此壓電變壓器元件的封裝方法。
在不偏離本發明的精神與范圍下，可做成本發明的不同實施例，應了解本發明并不限于這些特定的實施例，而是欲以申請專利范圍來界定其范圍。
權利要求
1.一種多層構造的壓電變壓器元件(6)，具有在厚度方向被極化且具有輸入電極的輸入區域，及在縱方向上被極化且具有輸出電極的輸出區域，其特征在于包含許多內部電極(1a，2a)作為輸入電極，其被形成于許多壓電層之間；第一及第二外部電極(1，2)，形成在輸入區域側上縱方向的該壓電變壓器元件之端面上；及一外部電極(3)，形成在輸出區域側上縱方向的該壓電變壓器元件之端面上，其中該許多內部電極每兩個層被交替地連接至該第一及第二外部電極，且該外部電極為用于施加輸入電壓的電極。
2.如權利要求1所述的壓電變壓器元件(16)，其特征在于該元件進一步包含第三及第四外部電極(4，5)，形成在與輸入區域側上的該壓電變壓器元件之縱方向平行的側表面上，且該許多內部電極(21a，22a)亦每兩個層被交替地連接至該第三及第四外部電極。
3.如權利要求1所述的壓電變壓器元件(26)，其特征在于該元件進一步包含許多行導體(25a，25b)形成于輸入區域的內部，且該許多內部電極(21a，22a)被交替地連接經過每兩個層的該許多行導體。
4.如權利要求2所述的壓電變壓器元件，其特征在于該第三及第四外部電極被形成在對應該壓電變壓器元件的振動節點的位置。
5.如權利要求3所述的壓電變壓器元件，其特征在于該許多行導體被擺設在對應該壓電變壓器元件的振動節點的位置。
6.一種壓電變壓器元件封裝方法，將如權利要求1-3中任一項所述的該壓電變壓器元件(6，16，26)安裝在外殼(31)上，其特征在于包含以下步驟將許多安裝端子(32，33，34)形成在縱向上的該外殼的兩個端面上；將該壓電變壓器元件插入于該外殼以使該許多安裝端子靠在該第一及第二外部電極與該輸出電極；及藉由導電連接材料來固定被靠著的部分。
7.一種壓電變壓器元件封裝方法，將如權利要求1-3中任一項所述的該壓電變壓器元件(6，16，26)安裝在外殼(41)上，其特征在于包含以下步驟在封裝該壓電變壓器元件之后，定位在縱向上的該元件的兩個端面的該外殼內部的部分附近形成突起(45)，由突起來支撐壓電變壓器組件；經由引線(46)將該第一及第二外部電極連接至，形成在縱向上的該外殼的端面上的許多安裝端子(42，43)；及經由引線(46)將輸出電極連接至，形成在縱向上的該外殼的另一端面上的安裝端子(44)。
全文摘要
形成在縱向上的外殼(31)的端面上的安裝端子(32—34)分別靠在外部電極(1,2),其被形成在縱向上的壓電元件的端面上且用來施加輸入電壓,及用于取出輸出電壓的外部電極(3)。這些被靠著的部分以焊接或導電粘著劑被固定,以電氣地連接安裝端子至外部電極,并固定外殼(31)內部的壓電元件(6)。
文檔編號H01L41/107GK1275247SQ98810045
公開日2000年11月29日 申請日期1998年10月14日 優先權日1997年10月15日
發明者片岡昌子, 藤村健, 石川勝之, 山川孝宏, 塚本惠三 申請人:太平洋水泥株式會社