JP2000183419A - 圧電信号変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電磁器を用いることにより入力電気信号を
弾性振動に変換し、その弾性振動を再び電気信号に変換
して出力すること。 【解決手段】 電極Ｐ_AとＰ_Bの間に圧電磁器２の共振周
波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加すると、複合
体１は励振されて弾性振動をする。この弾性振動のうち
主に側面Ｃに垂直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ
_CとＱ_Dの間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に再び変換される。
このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ₁に対応する電圧Ｖ₁と、
部分Ｒ₂に対応する電圧Ｖ₂と、部分Ｒ₃に対応する電圧
Ｖ₃の合計と等しくなる（Ｖ_OUT＝Ｖ₁＋Ｖ₂＋Ｖ₃）。従
って、端子Ｔ₀とＴ₃の間から電圧Ｖ_{OU T}の電気信号、端
子Ｔ₁とＴ₃の間から電圧（Ｖ₂＋Ｖ₃）の電気信号、また
は端子Ｔ₂とＴ₃の間から電圧Ｖ₃の電気信号を出力する
ことが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電磁器を用いる
ことにより入力電気信号を弾性振動に変換し、その弾性
振動を再び電気信号に変換して出力する圧電信号変換装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電信号変換装置の応用例の１つとして
スイッチング電源が挙げられる。スイッチング電源は通
信機器や情報機器などの電子機器の電源として広く用い
られている。従来のスイッチング電源は入力した直流電
源を半導体の高速スイッチング作用を利用することによ
り高周波電力に変換し、さらに制御、整流して所定の直
流を得るものであった。スイッチング電源を小型化する
には高周波化技術の促進、各種の部品のダウンサイジン
グ等の必要がある。スイッチング周波数の高周波化はス
イッチング用半導体の損失と電磁トランスの損失の増加
をもたらすことから、スイッチング電源の小型化は困難
であった。スイッチング周波数が１ＭＨｚを越えると、
スイッチング用半導体の損失と電磁トランスの損失が著
しく増加するので、これ以上の小型化は困難な状況にあ
る。スイッチング用半導体の損失を最少限に抑えるため
にはスイッチング回路に発生するスイッチ動作の遅れを
共振などの方法により改善する必要がある。電磁トラン
スの損失を最少限に抑えるためには材料を改善する必要
があるが、大幅な改善は困難な状況にあった。

【０００３】圧電トランスをスイッチング電源の電源回
路に応用するために様々な試みが行なわれてきた。従来
の圧電トランスとしては圧電磁器による分極変化型圧電
トランス、積層圧電磁器による縦振動型圧電トランスな
どが主に挙げられる。これら従来の圧電トランスは、材
料の弾性的な損失や電気的および弾性的なヒステリシス
などのために大振幅動作が困難であるという問題、電源
回路に応用する際、負荷抵抗の小さな場合の電圧比を制
御することが難しく、また大電力により破損しやすいと
いう問題、基板の支持方法が難しく、電力増加とともに
支持を強固にする必要もあって、素子の損失を増加させ
る原因になっているという問題等を有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】スイッチング電源を小
型化するには高周波化技術の促進、各種の部品のダウン
サイジング等の必要がある。圧電トランスをスイッチン
グ電源の電源回路に応用するために様々な型の圧電トラ
ンスが提案されている。しかし従来の圧電トランスで
は、素子の支持方法が難しい、圧電トランスの内部損失
抵抗が大きい等の問題点を有する。

【０００５】本発明の目的は、入力電気信号をその電圧
とは異なる電圧の電気信号に高効率で変換して出力する
ことができ、しかも互いに異なる電圧を有する電気信号
を同時に出力することも可能で、入力用の電極に接続さ
れた回路と出力用の電極に接続された回路とを絶縁状態
に保つことができ、小型軽量で、幅広い応用が可能で、
たとえばスイッチング電源などへの応用も可能な圧電信
号変換装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の圧電信
号変換装置は、四角柱状の圧電磁器と、前記圧電磁器の
４つの側面Ａ，Ｂ，ＣおよびＤにそれぞれ設けられた電
極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dと、負荷抵抗Ｒから成る圧電
信号変換装置であって、前記側面ＡおよびＢは互いに平
行で、前記側面ＣおよびＤは互いに平行で、前記電極Ｑ
_CおよびＱ_Dにはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられて
おり、前記負荷抵抗Ｒは、前記端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続
されていて、Ｎ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）か
ら成り、前記部分Ｒ_iとＲ_(i+1)の間には端子Ｔ_i｛ｉ＝
１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられており、前記圧電
磁器、前記電極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dから成る複合体
は、前記電極Ｐ_AとＰ_Bの間に前記圧電磁器の共振周波数
とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加されることにより
励振されて弾性振動し、前記圧電磁器の共振周波数は前
記複合体の共振周波数とほぼ等しく、前記電極Ｑ_Cおよ
びＱ_Dは、前記複合体における弾性振動を電圧Ｖ_OUTの電
気信号に変換し、前記電圧Ｖ_OUTは、前記部分Ｒ_iに対応
する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しく、
前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つは１組
の出力用端子を形成し、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_N
における少なくとも１組の前記出力用端子は、前記出力
用端子に含まれる２つの端子の間の電圧に対応する電気
信号を出力する。

【０００７】請求項２に記載の圧電信号変換装置は、前
記電極Ｑ_CおよびＱ_Dによって電圧Ｖ_OUTの電気信号に変
換される前記弾性振動が、主に前記側面Ｃに垂直な方向
に振動する弾性振動で成る。

【０００８】請求項３に記載の圧電信号変換装置は、前
記電極Ｐ_Aの前記側面Ａとの固着面積が、前記電極Ｐ_Bの
前記側面Ｂとの固着面積とほぼ等しく、前記電極Ｑ_Cの
前記側面Ｃとの固着面積と異なり、前記電極Ｑ_Cの前記
側面Ｃとの前記固着面積は、前記電極Ｑ_Dの前記側面Ｄ
との固着面積とほぼ等しい。

【０００９】請求項４に記載の圧電信号変換装置は、四
角柱状の圧電磁器と、前記圧電磁器の側面Ａに設けられ
た電極ＭおよびＦと、前記圧電磁器の側面Ｂ，Ｃおよび
Ｄにそれぞれ設けられた電極Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dと、負
荷抵抗Ｒから成る圧電信号変換装置であって、前記側面
ＡおよびＢは互いに平行で、前記側面ＣおよびＤは互い
に平行で、前記電極ＭおよびＦは、互いに電気的に絶縁
されており、前記電極Ｑ_CおよびＱ_Dにはそれぞれ端子Ｔ
₀およびＴ_Nが設けられており、前記負荷抵抗Ｒは、前記
端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されていて、Ｎ個の部分Ｒ
_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、前記部分Ｒ_iとＲ
_(i+1)の間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝
が設けられており、前記圧電磁器、前記電極Ｍ，Ｆ，Ｐ
_B，Ｑ_CおよびＱ_Dから成る複合体は、前記電極ＭとＰ_Bの
間に前記圧電磁器の共振周波数とほぼ等しい周波数の電
圧Ｖ_INを印加されることにより励振されて弾性振動し、
前記圧電磁器の共振周波数は前記複合体の共振周波数と
ほぼ等しく、前記電極ＦおよびＰ_Bは、前記複合体にお
ける弾性振動の一部を電気信号に変換して再び前記電極
ＭとＰ_Bの間に印加し、前記電極Ｑ_CおよびＱ_Dは、前記
複合体における前記弾性振動の残部を電圧Ｖ_{OU T}の電気
信号に変換し、前記電圧Ｖ_OUTは、前記部分Ｒ_iに対応す
る電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しく、前
記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つは１組の
出力用端子を形成し、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nに
おける少なくとも１組の前記出力用端子は、前記出力用
端子に含まれる２つの端子の間の電圧に対応する電気信
号を出力する。

【００１０】請求項５に記載の圧電信号変換装置は、前
記複合体における前記弾性振動の前記一部が、主に前記
側面Ａに垂直な方向に振動する弾性振動で成り、前記複
合体における前記弾性振動の前記残部は、主に前記側面
Ｃに垂直な方向に振動する弾性振動で成る。

【００１１】請求項６に記載の圧電信号変換装置は、前
記電極Ｍの前記側面Ａとの固着面積が、前記電極Ｆの前
記側面Ａとの固着面積よりも大きい。

【００１２】請求項７に記載の圧電信号変換装置は、前
記圧電磁器の分極軸が前記圧電磁器の両端面に垂直であ
る。

【００１３】請求項８に記載の圧電信号変換装置は、前
記圧電磁器は、前記圧電磁器の両端面の形状が正四角形
で成る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の圧電信号変換装置は四角
柱状の圧電磁器と、電極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dと、負
荷抵抗Ｒから成る簡単な構造を有する。電極Ｐ_Aおよび
Ｐ_Bは圧電磁器における互いに平行な２つの側面Ａおよ
びＢにそれぞれ設けられ、電極Ｑ_CおよびＱ_Dは圧電磁器
における互いに平行な２つの側面ＣおよびＤにそれぞれ
設けられている。電極Ｑ_CおよびＱ_Dにはそれぞれ端子Ｔ
₀およびＴ_Nが設けられている。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀と
Ｔ_Nの間に接続されている。圧電磁器、電極Ｐ_A，Ｐ_B，
Ｑ_CおよびＱ_Dは複合体を形成する。負荷抵抗ＲはＮ個の
部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、部分Ｒ_iとＲ
_(i+1)との間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−
１）｝が設けられている。もしも、電極Ｐ_AとＰ_Bの間に
圧電磁器の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを
印加すると、複合体は励振されて弾性振動をする。この
とき、圧電磁器の共振周波数は複合体の共振周波数とほ
ぼ等しい。複合体に励振された弾性振動のうち主に側面
Ｃに垂直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ_CとＱ_Dの
間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される。このとき、電
圧Ｖ_OUTは部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，…
…Ｎ）の合計と等しくなる。従って、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよ
びＴ_Nのうちのどれか２つの間から、その２つの間の抵
抗の大きさに対応した電圧の電気信号を出力することが
可能になる。たとえば、端子Ｔ₀と端子Ｔ₂の間からは、
部分Ｒ₁とＲ₂の合計に等しい抵抗に対応する電圧、つま
り、電圧Ｖ₁とＶ₂の合計に等しい電圧を有する電気信号
が出力される。また、本発明では、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよび
Ｔ_Nのうちのどれか２つの間から、その２つの間の抵抗
の大きさに対応した電圧の電気信号を出力するのと同時
に、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちの別の２つの間か
ら、その別の２つの間の抵抗の大きさに対応した電圧の
電気信号を出力することが可能である。たとえば、端子
Ｔ₀とＴ₂の間から電圧Ｖ₁とＶ₂の合計に等しい電圧を有
する電気信号を出力するのと同時に、端子Ｔ₀とＴ₁の間
から電圧Ｖ₁を有する電気信号を出力することができ
る。

【００１５】本発明の圧電信号変換装置では、電極Ｐ_A
の側面Ａとの固着面積が電極Ｐ_Bの側面Ｂとの固着面積
とほぼ等しく電極Ｑ_Cの側面Ｃとの固着面積と異なり、
また、電極Ｑ_Cの側面Ｃとの固着面積が電極Ｑ_Dの側面Ｄ
との固着面積とほぼ等しい構造が可能である。このよう
な構造を採用することにより、入力電気信号の電圧Ｖ_IN
に対して出力電気信号の電圧Ｖ_OUTを所定の大きさに制
御することが可能となる。

【００１６】本発明の圧電信号変換装置では、電極Ｐ_A
が電気的に絶縁された２つの電極ＭおよびＦから成るよ
うな構造が可能である。この場合、電極Ｍの側面Ａとの
固着面積が電極Ｆの側面Ａとの固着面積よりも大きい構
造が採用される。もしも、電極ＭとＰ_Bの間に電圧Ｖ_IN
を印加すると、複合体は励振されて弾性振動をする。こ
の弾性振動のうち主に側面Ａに垂直な方向に振動する弾
性振動が、電極ＦとＰ_Bの間で電気信号に変換されて再
び電極ＭとＰ_Bの間に印加される。このようにして、自
励式駆動が可能となることから、電池での駆動も容易に
なるばかりでなく、装置の小型軽量化も可能となり、温
度などの環境変化にも対応し、さらに、低消費電力での
駆動が可能となる。一方、弾性振動のうち主に側面Ｃに
垂直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ_CとＱ_Dの間で
電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される。

【００１７】本発明の圧電信号変換装置では、圧電磁器
の両端面の形状が正四角形で成る構造を採用することに
より、複合体の結合振動が増強され、入力電気信号を効
率よく出力電気信号に変換することが可能となる。

【００１８】本発明の圧電信号変換装置では、圧電磁器
の分極軸がその圧電磁器の両端面に垂直である構造を採
用することにより、複合体の結合振動が増強され、入力
電気信号を効率よく出力電気信号に変換することが可能
となる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の圧電信号変換装置の第１の実
施例を示す構成図である。本実施例は複合体１および負
荷抵抗Ｒから成る。複合体１は圧電磁器２、電極Ｐ_A，
Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dから成り、図１では上方から見たと
きの平面図として描かれている。圧電磁器２は縦および
横がともに５ｍｍで、高さが６ｍｍの直方体で成る。電
極Ｐ_AおよびＰ_Bは圧電磁器２における互いに平行な２つ
の側面ＡおよびＢにそれぞれ設けられ、電極Ｑ_Cおよび
Ｑ_Dは圧電磁器２における互いに平行な２つの側面Ｃお
よびＤにそれぞれ設けられている。図１では各電極の厚
さは誇張して描かれている。電極Ｐ_AおよびＰ_Bにはそれ
ぞれ端子Ｚ₁およびＺ₂が設けられ、電極Ｑ_CおよびＱ_Dに
はそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ₃が設けられている。負荷抵
抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ₃の間に接続されている。負荷抵抗Ｒ
は３個の部分Ｒ₁，Ｒ₂およびＲ₃から成る。部分Ｒ₁とＲ
₂の間には端子Ｔ₁が、部分Ｒ₂とＲ₃の間には端子Ｔ₂が
設けられている。

【００２０】図２は図１の複合体１の斜視図である。上
述した通り、圧電磁器２は縦および横がともに５ｍｍ
で、高さが６ｍｍの直方体で成る。圧電磁器２の共振周
波数は約２７７ｋＨｚであり、圧電磁器２の分極軸は、
圧電磁器２の互いに平行な２つの端面に垂直、つまり高
さ方向に平行である。

【００２１】図１の圧電信号変換装置において、もしも
電極Ｐ_AとＰ_Bの間に圧電磁器２の共振周波数とほぼ等し
い周波数の電圧Ｖ_INを印加すると、複合体１は励振され
て弾性振動をする。この弾性振動のうち主に側面Ｃに垂
直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ_CとＱ_Dの間で電
圧Ｖ_OUTの電気信号に再び変換される。このとき、電圧
Ｖ_OUTは部分Ｒ₁に対応する電圧Ｖ₁と、部分Ｒ₂に対応す
る電圧Ｖ₂と、部分Ｒ₃に対応する電圧Ｖ₃の合計と等し
くなる（Ｖ_OUT＝Ｖ₁＋Ｖ₂＋Ｖ₃）。従って、端子Ｔ₀と
Ｔ₃の間から電圧Ｖ_OUTの電気信号、端子Ｔ₁とＴ₃の間か
ら電圧（Ｖ₂＋Ｖ₃）の電気信号、または端子Ｔ₂とＴ₃の
間から電圧Ｖ₃の電気信号を出力することが可能とな
る。このようにして、本発明の圧電信号変換装置は変圧
機能を有する。

【００２２】図３は図１の圧電信号変換装置における負
荷抵抗Ｒの大きさと、変圧比（Ｖ_{OU T}／Ｖ_IN）との関係
の一実施例を示す特性図である。但し、図３は入力電圧
Ｖ_INが１２Ｖの場合の特性を示す。負荷抵抗Ｒの値を調
整することにより、出力電圧Ｖ_OUTを降圧または昇圧さ
せることが可能であることが分かる。

【００２３】図４は本発明の圧電信号変換装置の第２の
実施例を示す構成図である。本実施例は複合体３および
負荷抵抗Ｒから成る。複合体３は圧電磁器２、電極Ｍ，
Ｆ，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dから成り、図４では上方から見
たときの平面図として描かれている。電極ＭおよびＦは
側面Ａ上に設けられ、電極Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dは側面
Ｂ，ＣおよびＤにそれぞれ設けられている。図４では各
電極の厚さは誇張して描かれている。電極ＭおよびＦに
はそれぞれ端子Ｚ₀およびＺ₁が設けられ、電極Ｐ_Bには
端子Ｚ₂が設けられ、電極Ｑ_CおよびＱ_Dにはそれぞれ端
子Ｔ₀およびＴ₃が設けられている。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ
₀とＴ₃の間に接続されている。負荷抵抗Ｒの部分Ｒ₁と
Ｒ₂の間には端子Ｔ₁が、部分Ｒ₂とＲ₃の間には端子Ｔ₂
が設けられている。

【００２４】図５は図４の複合体３の斜視図である。複
合体３は、側面Ａ上に電極ＭおよびＦが設けられている
ということを除いては、図２の複合体１と同様な構造を
有する。電極ＭおよびＦは側面Ａ上に互いに絶縁された
状態で設けられており、電極Ｍの側面Ａ上の面積は電極
Ｆの側面Ａ上の面積よりも大きい。

【００２５】図６は図４の複合体３を励振させるための
自励発振回路４の一実施例を示す構成図である。自励発
振回路４はコイルＬ₁、トランジスタＴ_r、抵抗Ｒ_aおよ
びＲ_b、およびダイオードＤ₁から成る。もしも、直流電
源Ｖ_dcから自励発振回路４を介して電極ＭとＰ_Bの間に
電圧Ｖ_INを印加すると、複合体３は励振されて弾性振動
をする。この弾性振動のうち主に側面Ａに垂直な方向に
振動する弾性振動が、電圧Ｖ_INとは逆相の電圧として電
極ＦとＰ_Bの間から出力され、電極ＭとＰ_Bの間に再び印
加される。この動作の繰り返しによって正帰還の自励発
振が生じる。なお、側面Ａ上の電極Ｍの面積が電極Ｆの
面積に対し３倍〜４倍の大きさを有する場合に、最もよ
い発振状態が得られた。このようにして、圧電磁器２の
共振周波数、つまり複合体３の共振周波数とほぼ等しい
周波数の電気信号が雰囲気温度の変化に追随して安定し
て複合体３に供給されることになる。自励発振回路４に
直流電源Ｖ_dcからたとえば０〜１０Ｖの直流電圧を印加
すると、コイルＬ₁の値を調整することにより、電極Ｍ
とＰ_Bの間に最大で約６０Ｖ_p-pの交流電圧を印加させる
ことができる。このとき電極ＦとＰ_Bの間から約１Ｖ_p-p
の電気信号を取り出すことができる。また、他励駆動の
際に問題となる発熱等により複合体３の共振周波数が偏
移して発振条件が悪くなるという問題点が解決される。
従って、自励発振回路４を用いることにより、直流電源
電圧の約６倍の交流電圧を複合体３に印加することが可
能となるばかりでなく、常に最適の発振状態を維持する
ことが可能となる。さらに、１つのコイルＬ₁、１つの
トランジスタＴ_r、２つの抵抗Ｒ_aおよびＲ_b、および１
つのダイオードＤ₁という極く少ない部品で回路を構成
することが可能である。しかも、部品点数が少ないにも
かかわらず、直流電源Ｖ_dcを利用することができ、しか
も電力効率もよいことから、電源の小型化対応が可能で
ある。

【００２６】図４の圧電信号変換装置では、上述の通
り、電極ＭとＰ_Bの間に電圧Ｖ_INを印加すると複合体３
が励振されて弾性振動をする。この弾性振動のうち主に
側面Ｃに垂直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ_Cと
Ｑ_Dの間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される。このと
き、電圧Ｖ_OUTは電圧Ｖ₁，Ｖ₂およびＶ₃の合計と等しく
なる（Ｖ_OUT＝Ｖ₁＋Ｖ₂＋Ｖ₃）。従って、端子Ｔ₀とＴ₃
の間から電圧Ｖ_OUTの電気信号、端子Ｔ₁とＴ₃の間から
電圧（Ｖ₂＋Ｖ₃）の電気信号、または端子Ｔ₂とＴ₃の間
から電圧Ｖ₃の電気信号を出力することが可能となる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の圧電信号変換装置は圧電磁器
と、電極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dと、負荷抵抗Ｒから成
る。電極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dは圧電磁器の側面Ａ，
Ｂ，ＣおよびＤにそれぞれ設けられている。電極Ｑ_Cお
よびＱ_Dにはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられてい
る。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されている。
圧電磁器、電極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dは複合体を形成
する。負荷抵抗ＲはＮ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……
Ｎ）から成り、部分Ｒ_iとＲ_(i+1)との間には端子Ｔ
_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられている。
もしも、電極Ｐ_AとＰ_Bの間に電圧Ｖ_INの電気信号を印加
すると、複合体は励振されて弾性振動をする。この弾性
振動のうち主に側面Ｃに垂直な方向に振動する弾性振動
が、電極Ｑ_CとＱ_Dの間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換さ
れる。このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ
_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しくなる。従っ
て、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つの間か
ら、その２つの間の抵抗の大きさに対応した電圧の電気
信号を出力することが可能になる。たとえば、端子Ｔ₀
と端子Ｔ₂の間からは、電圧Ｖ₁とＶ₂の合計に等しい電
圧を有する電気信号が出力される。また、側面Ａ上の電
極Ｐ_Aの面積が側面Ｂ上の電極Ｐ_Bの面積とほぼ等しく、
側面Ｃ上の電極Ｑ_Cの面積が側面Ｄ上の電極Ｑ_Dの面積と
ほぼ等しく、しかも電極Ｐ_Aの面積と電極Ｑ_Cの面積とが
異なる構造を採用することにより、入力電気信号の電圧
Ｖ_INに対して出力電気信号の電圧Ｖ_OUTを所定の大きさ
に制御することが可能となる。

【００２８】本発明の圧電信号変換装置では、電極Ｐ_A
が電気的に絶縁された２つの電極ＭおよびＦから成るよ
うな構造を採用することにより、自励式駆動が可能とな
る。この場合、側面Ａ上の電極Ｍの面積が電極Ｆの面積
よりも大きい構造を採用することにより、さらに効率の
よい自励式駆動が可能となる。もしも、電極ＭとＰ_Bの
間に電圧Ｖ_INを印加すると、複合体は励振されて弾性振
動をし、この弾性振動のうち主に側面Ａに垂直な方向に
振動する弾性振動が、電極ＦとＰ_Bの間で電気信号に変
換されて再び電極ＭとＰ_Bの間に印加される。一方、弾
性振動のうち主に側面Ｃに垂直な方向に振動する弾性振
動が、電極Ｑ_CとＱ_Dの間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換
される。

【００２９】本発明の圧電信号変換装置では、圧電磁器
の両端面の形状が正四角形で成る構造を採用することに
より、また、圧電磁器の分極軸がその圧電磁器の両端面
に垂直である構造を採用することにより、複合体の結合
振動が増強され、入力電気信号が効率よく出力電気信号
に変換される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電信号変換装置の第１の実施例を示
す構成図。

【図２】図１の複合体１の斜視図。

【図３】図１の圧電信号変換装置における負荷抵抗Ｒの
大きさと、変圧比（Ｖ_OUT／Ｖ_{I N}）との関係の一実施例
を示す特性図。

【図４】本発明の圧電信号変換装置の第２の実施例を示
す構成図。

【図５】図４の複合体３の斜視図。

【図６】図４の複合体３を励振させるための自励発振回
路４の一実施例を示す構成図。

【符号の説明】

１ 複合体 ２ 圧電磁器 ３ 複合体 ４ 自励発振回路 Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_C，Ｑ_D，Ｍ，Ｆ 電極 Ｚ₀，Ｚ₁，Ｚ₂，Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃ 端子 Ｒ 負荷抵抗 Ｌ₁ コイル Ｔ_r トランジスタ Ｒ_a，Ｒ_b 抵抗 Ｄ₁ ダイオード Ｖ_dc 直流電源

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 四角柱状の圧電磁器と、前記圧電磁器の
   ４つの側面Ａ，Ｂ，ＣおよびＤにそれぞれ設けられた電
   極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dと、負荷抵抗Ｒから成る圧電
   信号変換装置であって、 前記側面ＡおよびＢは互いに平行で、 前記側面ＣおよびＤは互いに平行で、 前記電極Ｑ_CおよびＱ_Dにはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが
   設けられており、 前記負荷抵抗Ｒは、前記端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されて
   いて、Ｎ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成
   り、前記部分Ｒ_iとＲ_(i+1)の間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，
   ２，……（Ｎ−１）｝が設けられており、 前記圧電磁器、前記電極Ｐ_A，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dから成
   る複合体は、前記電極Ｐ_AとＰ_Bの間に前記圧電磁器の共
   振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加されるこ
   とにより励振されて弾性振動し、 前記圧電磁器の共振周波数は前記複合体の共振周波数と
   ほぼ等しく、 前記電極Ｑ_CおよびＱ_Dは、前記複合体における弾性振動
   を電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換し、 前記電圧Ｖ_OUTは、前記部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ
   ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しく、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つは１組
   の出力用端子を形成し、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_N
   における少なくとも１組の前記出力用端子は、前記出力
   用端子に含まれる２つの端子の間の電圧に対応する電気
   信号を出力する圧電信号変換装置。
2. 【請求項２】 前記電極Ｑ_CおよびＱ_Dによって電圧Ｖ
   _OUTの電気信号に変換される前記弾性振動は、主に前記
   側面Ｃに垂直な方向に振動する弾性振動で成る請求項１
   に記載の圧電信号変換装置。
3. 【請求項３】 前記電極Ｐ_Aの前記側面Ａとの固着面積
   は、前記電極Ｐ_Bの前記側面Ｂとの固着面積とほぼ等し
   く、前記電極Ｑ_Cの前記側面Ｃとの固着面積と異なり、 前記電極Ｑ_Cの前記側面Ｃとの前記固着面積は、前記電
   極Ｑ_Dの前記側面Ｄとの固着面積とほぼ等しい請求項１
   または２に記載の圧電信号変換装置。
4. 【請求項４】 四角柱状の圧電磁器と、前記圧電磁器の
   側面Ａに設けられた電極ＭおよびＦと、前記圧電磁器の
   側面Ｂ，ＣおよびＤにそれぞれ設けられた電極Ｐ_B，Ｑ_C
   およびＱ_Dと、負荷抵抗Ｒから成る圧電信号変換装置で
   あって、 前記側面ＡおよびＢは互いに平行で、 前記側面ＣおよびＤは互いに平行で、 前記電極ＭおよびＦは、互いに電気的に絶縁されてお
   り、 前記電極Ｑ_CおよびＱ_Dにはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが
   設けられており、 前記負荷抵抗Ｒは、前記端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されて
   いて、Ｎ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成
   り、前記部分Ｒ_iとＲ_(i+1)の間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，
   ２，……（Ｎ−１）｝が設けられており、 前記圧電磁器、前記電極Ｍ，Ｆ，Ｐ_B，Ｑ_CおよびＱ_Dか
   ら成る複合体は、前記電極ＭとＰ_Bの間に前記圧電磁器
   の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加され
   ることにより励振されて弾性振動し、 前記圧電磁器の共振周波数は前記複合体の共振周波数と
   ほぼ等しく、 前記電極ＦおよびＰ_Bは、前記複合体における弾性振動
   の一部を電気信号に変換して再び前記電極ＭとＰ_Bの間
   に印加し、 前記電極Ｑ_CおよびＱ_Dは、前記複合体における前記弾性
   振動の残部を電圧Ｖ_{OU T}の電気信号に変換し、 前記電圧Ｖ_OUTは、前記部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ
   ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しく、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つは１組
   の出力用端子を形成し、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_N
   における少なくとも１組の前記出力用端子は、前記出力
   用端子に含まれる２つの端子の間の電圧に対応する電気
   信号を出力する圧電信号変換装置。
5. 【請求項５】 前記複合体における前記弾性振動の前記
   一部は、主に前記側面Ａに垂直な方向に振動する弾性振
   動で成り、前記複合体における前記弾性振動の前記残部
   は、主に前記側面Ｃに垂直な方向に振動する弾性振動で
   成る請求項４に記載の圧電信号変換装置。
6. 【請求項６】 前記電極Ｍの前記側面Ａとの固着面積
   は、前記電極Ｆの前記側面Ａとの固着面積よりも大きい
   請求項４または５に記載の圧電信号変換装置。
7. 【請求項７】 前記圧電磁器の分極軸は前記圧電磁器の
   両端面に垂直である請求項１，２，３，４，５または６
   に記載の圧電信号変換装置。
8. 【請求項８】 前記圧電磁器は、前記圧電磁器の両端面
   の形状が正四角形で成る請求項１，２，３，４，５，６
   または７に記載の圧電信号変換装置。