JP2000315828A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】変換効率を高め、大電力を変圧できる圧電トラ
ンスを提供することを目的とする。 【構成】少なくとも2つの圧電基板１，２と、圧電基板
の間に介在する結合子４，５を有し、前記２つの圧電基
板は、それぞれの主面が互いに向き合うように配置さ
れ、かつ前記主面間で円環状の結合子または円環状に配
置された少なくとも一つの結合子を介して結合されてお
り、前記円環状の内側に空隙が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばDC−DCコン
バータあるいは蛍光灯照明器具用インバータの変圧器等
の電力変換装置に用いられる圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電トランスは電磁トランスに比
較して、高効率、小型、不燃性、低ノイズといった利点
を生かして、その応用が期待されてきており、その構造
も用途に応じて各種のものが提案されている。図１１に
示した圧電トランスは、大電力の伝送に好適なものとし
て特開平１０−７９５３５号で提案されたものである。
円形の平面形状を持つ２枚の圧電セラミック板５１、５
２が厚み方向で積層している。各圧電セラミックス板は
その表裏面に電極５３〜５５を有する。そして一方の圧
電セラミックス板５２が入力部であり、他方の圧電セラ
ミックス板５１が出力部である。

【０００３】入力電極は電源に接続され、出力電極は負
荷に接続される。電源から入力部に交流電圧が印加され
ると圧電横方向振動の励振による電気エネルギーから振
動エネルギーへの変換が行なわれ、その振動エネルギー
が入力部から出力部へ伝達され、出力部では圧電横方向
振動を利用した振動エネルギーから電気エネルギーへの
変換が行なわれる。圧電トランスの共振周波数近傍の周
波数の駆動電圧を印加すると入力部には大きな電力が投
入でき、また出力部では大きな電力を取り出せる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示したトランス構造では、次に述べる理由により効率
が低下するおそれがある。すなわち、圧電トランスの発
電部は面に垂直な方向に分極してあり、その分極部が厚
み方向に変位することで圧電効果により電気的エネルギ
ーが出力される。この場合、厚み方向の変位の大きい箇
所は、圧電セラミックス板の円形面の中心部であるが、
この箇所が発電に大きく寄与する。しかしながら、２つ
の圧電セラミックス板の円形面の中心部は互いに機械的
に拘束しているため、厚み方向の振動が阻害され、エネ
ルギー損失が生じる。また入出力の圧電基板は電気的な
境界条件が異なるため、その機械的な拘束の無い状態で
は各々振動の変位分布の状態は異なる。しかしその異な
った振動の圧電板を主面で貼り合わせてあるために、2
層のずれによる機械的な損失が生じ、効率が低下するこ
とが考えられる。

【０００５】そこで本発明は上記の問題を解決し、変換
効率を高め、大電力を変圧できる圧電トランスを提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この問題点に対して、本
発明は以下の構成の圧電トランスとすることで解決を図
る。

【０００７】本発明は、２つの主面を有する少なくとも
２つの圧電基板と、圧電基板の間に介在する結合子とを
有し、前記２つの圧電基板は、それぞれの主面が互いに
向き合うように配置され、かつ前記主面間で円環状の結
合子または円環状に配置された少なくとも一つの結合子
を介して結合されており、前記円環の内側に空隙が設け
られている圧電トランスである。

【０００８】この圧電トランスは径拡がり振動により動
作し、前記２つの圧電基板間に介在する少なくとも一つ
の前記結合子が、圧電基板の径拡がり振動の振動の腹部
に配置されていることが好ましい。

【０００９】この圧電トランスを構成する圧電基板の電
極構造および分極方向として、対向する２つの主面に電
極が設けられており、前記圧電基板が前記主面に垂直方
向に分極されていてもよいし、また圧電基板の主面の中
心部分に円状電極が、外縁部に環状の電極が設けられて
おり、前記圧電基板の円状電極から環状電極間が径方向
に分極方向が向いていてもよい。

【００１０】そして、圧電基板は複数の電極層と圧電材
料からなる複数の圧電層とが交互に厚み方向に積層した
構造からなっており、前記複数の電極層が一つおきに電
気的に接続され、隣り合う電極層が直流的に絶縁されて
いてもよい。

【００１１】また本発明の圧電トランスを構成する圧電
基板は２枚にかぎらず３枚以上に拡張ができ、第１の圧
電基板を入力部とし、第２の圧電基板を出力部とし、第
３の圧電基板を入力部或いは出力部とし、入力部と出力
部の配置が圧電基板に平行な面に対して鏡面対称に配置
してあることが好ましい。さらに圧電基板と圧電基板に
設けられた電極の形状が同一軸に対して回転対称であっ
てもよい。さらに同心円環状に配置された前記結合子の
円環状の中心が前記圧電基板の平板の重心と厚み方向に
重なりあうように配置してあればよい。２つの圧電基板
が結合子を介して結合される方法は、圧電基板と結合子
とが接着剤で接着されてもよいし、結合子と圧電基板が
一体成形されたものでもよいし、結合子と圧電基板とを
嵌合したものでもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の動作原理について実施の
形態を用いて説明する。図1(a)は本発明の圧電トランス
の構造の１例を示す図である。この圧電トランスは図１
(b)に示すように、圧電セラミックスからなり電極１
ａ，２ａ、３ａ（片面の電極のみ表示）が形成されてい
る平板状の圧電基板１、２、３が、円環状の結合子４に
よって接合された構造からなっている。互いの接合面に
は接着層（図示せず）が形成されていて、全体が一体と
なっている。

【００１３】次に動作原理について以下に示す。ここで
は中間にある圧電基板２を出力部、その上下に設けられ
た圧電基板１および３を入力部として説明する。入力部
の圧電基板１、３の円状の主面のほぼ全面に形成された
円形の電極部に、１次の径拡がり振動を励振させる周波
数の交流電圧波形を、２枚の入力基板の径拡がり振動の
位相が一致するように同位相で印加する。径拡がり振動
による電気機械結合により２つの圧電基板には、主面の
中心が振動の節となるような圧電共振振動が生じる。こ
の振動状態を図２に示す。それぞれの圧電基板は、図２
の(a)と(b)に示すような基本径広がり振動による収縮を
繰り返す。図２の(c)と(d)は、基本径拡がり振動の径拡
がり方向の変位分布と応力分布を示している。図２(c)
に示すように、主面の外周縁部で変位が大きい振動の腹
部となり、圧電基板の主面の中心の部位が径拡がり方向
の変位が最も小さい振動の節部となる。したがって図１
に示したように、入力部となる圧電基板と出力部となる
圧電基板とを振動の腹部となる外周縁部で結合子を介し
て結合すれば、入力部の振動を出力部に効率よく伝達す
ることができる。出力部ではこの機械的振動エネルギー
を径拡がり電気機械結合により電気的振動エネルギーに
変換して圧電基板２の主面に設けられた電極から出力す
る。発電に大きな寄与をする、出力部の厚み方向の振動
の腹となる中心部分は結合子のない空隙となっているた
め、厚み方向の振動が阻害されることがない。

【００１４】このような圧電トランスを固定するために
は、径拡がり振動の節となる中心部に固定具を接合すれ
ば、機械振動を阻害することなく圧電トランスを支持固
定することが可能となる。

【００１５】次に高次の径拡がり振動を利用する圧電ト
ランスを説明する。図３は３次モードを利用する圧電ト
ランスをたてに分解して示したものである。すなわち圧
電基板１と２は径が異なる２つの円環状の結合子６ａと
６ｂを介して接合されており、また圧電基板２の裏面と
圧電基板３は同じように円環状の結合子７ａと７ｂを介
して接合されている。各圧電基板には、円状の２つの主
面に互いに対向する電極対１ａ，１ｂ、１ｃ（図では片
面のみ表示）が形成されている。圧電基板１と３を入力
部とし、それらに挟まれた圧電基板２を出力部とする場
合は、圧電基板１と３のそれぞれの電極対間に入力の交
流電圧を印加し、圧電基板２の電極対から出力電圧をと
りだせばよい。

【００１６】ここで３次の径拡がり振動の様子を図４に
示す。このモードで振動している圧電基板は図４(a)と
(b)のような伸縮を繰り返す。その変位と応力の径方向
の分布は図４(c)と(d)のようになり、振動の腹部と節部
が存在する。この例ではこの振動の径方向の２箇所の腹
部に位置するように、２つの結合子を取り付けることに
より、入力部から出力部へ振動を効果的に伝達すること
ができる。

【００１７】このように径拡がり振動の次数によって決
まる振動の腹部に、次数にあった個数の結合子を設けれ
ばよい。高次モードを用いることで、形状を一定にした
まま駆動周波数を上げることが可能となる。円環状の結
合子の寸法は、圧電基板の振動の腹部の位置で接合され
るように、定めればよい。圧電基板の振動の腹部の位置
は駆動周波数、圧電基板の寸法や圧電材料の物性値から
求まる。

【００１８】結合子を円環または円環状に配置すること
で、円板型の結合子とくらべ、発電効率の大きい円の中
心部で厚み方向の振動を阻害することがないため、ほぼ
設計通りの変圧比が得られる。結合子の材料は導電体で
もよいし、誘電体でもよい。結合子が誘電体からなる場
合、円環または円環状に配置された結合子と電極との接
触面積が小さいので、これにより入出力間の容量結合が
小さくなり、容量的結合をとおして伝播するノイズを大
幅に遮断することが可能となる。

【００１９】またこの結合子形状が円環または円環状に
配置されることで、素子の共振周波数の低下という付随
的な効果があることがわかった。これは入力部に対して
出力部が、あるいは出力部に対して入力部が互いに機械
共振系に付加する質量として加わるため、機械的共振系
の周波数が低減しているためと思われる。この円環の幅
の寸法を変えることで共振周波数をある程度の範囲で調
整することも可能である。

【００２０】各圧電基板と結合子の接合は、結合子をセ
ラミックス材料を用いて一体焼結により行なっても良
い。

【００２１】また図１や図３に示したのは、3枚の圧電
基板が結合子により接合された構造であるが、さらに圧
電基板と結合子を厚み方向に拡張して増やしてもよい。
その場合、入出力部を構成する圧電基板の配置が厚み方
向で中間値に位置する仮想面を対称面とした鏡面対称で
あることが望ましい。また圧電基板をこのように増やす
ことで1入力多出力のトランスを得ることもできる。

【００２２】

【実施例１】図５に本実施例の圧電トランスの斜視図を
示す。本実施例では圧電基板１０と１２を入力部、圧電
積層体である圧電基板１１を出力部として説明する。入
力部である圧電基板1０と１２は、圧電トランスの材料
として一般的なPZT系の圧電材料からなる円板であり、
その上面及び下面には円形の電極１０ａ、１２ａなどが
設けられている。電極はPd-Ag系の導電ペーストを用い
スクリーン印刷により塗布し焼成することで形成され
る。出力部は入力部と同じ圧電材料からなる圧電積層体
である圧電基板１１で、複数の電極層と圧電材料からな
る複数の円板状の圧電層とが交互に厚み方向に積層した
構造からなっている。ここで入力部の圧電基板は上下面
に垂直方向に分極軸が向くように分極処理されている。
また出力部の圧電積層体である圧電基板は上下面に垂直
方向に分極されているが、隣り合う圧電層は互いに反平
行に分極されている。本積層構造とすることで出力イン
ピーダンスを小さくでき、変圧比を大きくすることが可
能となる。そして2つの入力部の間に出力部を配置し、
各圧電基板と圧電積層体の間にPZT系セラミックスから
なる円環状の結合子を振動の腹部となる円板の外周部に
配置し、それぞれの接触面を熱硬化型エポキシ接着剤或
いはポリでイミド系接着剤等で貼りあわせた。この圧電
トランスの大きさはφ20mm、厚み4ｍｍである。

【００２３】出力部では、複数の電極層が一つおきに電
気的に接続され、リード線１６、１７で外部に取り出さ
れる。入力部では、２つの圧電基板１０、１２の向き合
った面に形成された電極をリード線１５で電気接続し、
最外面上の電極にリード線１８、１９で電源からの交流
を印加する。このように入力基板が容量的に直列接続す
ると入力インピーダンスを大きくすることができる。ま
た別の接続方法で２つの入力基板を並列に接続すること
で入力インピーダンスを小さくすることも可能となる。
昇圧比は入力インピーダンスと出力インピーダンスの比
の平方根に比例する。図５に示した電気的接続にすれ
ば、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大き
くなり降圧動作が可能となる。入力と出力の接続を逆に
すれば入力インピーダンスが出力インピーダンスより小
さくなり昇圧動作が可能となる。

【００２４】またこの圧電トランスでは結合子１３、１
４の外径を圧電基板１０、１２および圧電積層体である
圧電基板１１の外径よりも小さくすることにより、結合
子の円周端面を入出力基板の外円周よりひきこみ、側面
に凹凸が形成されている。本構造とすることで、さらに
単位体積当たりの表面積を拡大して放熱効果が増大でき
る。また圧電基板上の電極をエポキシ樹脂やポリイミド
樹脂のような耐絶縁破壊電圧の高い樹脂でコーティング
することにより、入力電極と出力電極間の沿面距離を拡
大することが可能となり、入出力間の絶縁破壊耐電圧を
大幅に向上することが可能となる。この結合子の材料を
エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の剛性の大きい樹脂と
してもよい。そうすることで用いる複数の圧電基板を射
出成形機の金型に配置した状態で、結合子となる樹脂を
射出成形することでトランス部品を容易に製造すること
が可能となる。また結合子に絶縁物を用いることで、入
出力間を直流的に絶縁することができる。

【００２５】ここで結合子の構造例を図６に示す。本発
明において圧電基板の間に介在する結合子は必ずしも図
６(a)のような閉じた円環だけでなく、図６(b)、図６
(c)、図６(d)に示すように、円環がいくつかのブロック
に分断されて、環状に配置されているような場合でも、
閉じた円環と同様な性能を発揮することができる。

【００２６】また、図６(b)、図６(c)、図６(d)のよう
に分断された形状の結合子によって囲まれる空間に空気
の流入が可能となる。このため、圧電トランスが発熱す
ることにより内部の気体の圧力が高まり接着層が剥離し
たり、結合子が破壊したりすることを防ぐことができ
る。また外部から圧電体間の結合子により画定された空
隙内部に空気が流入すれば内部の空隙内部の冷却効率も
高まり、温度上昇によって規定される最大出力電力を増
大することが可能となる。また図７〜図１０に本実施例
の入力基板または出力基板を構成する圧電基板のバリエ
ーションを示す。これらの圧電基板は入力部にも出力部
にも使用することができ、これらの圧電基板を組み合せ
ることで様々な入出力インピーダンス比をもつトランス
を設計することが容易になる。

【００２７】図７(a)は円板状の圧電基板２０の２つの
主面に電極２１ａ、２１ｂを設け、電極面に垂直方向に
分極したものである。また図７(b)は圧電積層体である
圧電基板が、圧電材料からなる複数の圧電層２０ａ、２
０ｂ、２０ｃと複数の電極層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、
２２ｄとが交互に厚み方向に積層した構造からなってお
り、前記複数の電極層が一つおきに電気的に接続され、
隣り合う電極層が直流的に絶縁されていることを特徴と
する。また分極方向は、円板面に対して垂直で隣り合う
圧電層では互いに反平行となっている。この圧電積層体
を用いることで静電容量を大きくし、インピーダンスを
低減することが可能となる。図７(c)と図７(d)に示した
圧電基板は、それぞれ図７(a)と図７(b)の圧電基板の円
板形状を正方形状にしたものである。本形状にすること
で、電子部品として実装する際、デッドスペースが減り
スペースの有効活用が図れる。また単位体積当たりの放
熱面積が円板より大きくなる。

【００２８】さらに図８は高次のモードで励振が可能な
電極構成を有す圧電基板の例をその斜視図(a)と断面図
(b)で示している。ここでは圧電基板２５の上下２つの
主面に円形の電極２６ｂとそれを囲む円環状の電極２６
ａが設けられている。２つの電極の境界は高次の径拡が
り振動の腹に位置するようにすることにより、効率よく
高次径拡がり振動を励振することが可能となる。上下の
２つの円形の電極２６ｂの間の円柱状領域と、上下の円
環状の電極２６ａの間の円環柱状領域の分極方向は、厚
さ方向で互いに反平行で、かつ同じ主面に位置する電極
を導体２９で電気的に接続することで、外部への電極取
り出し箇所を減らすことができる。

【００２９】図９に示す圧電積層体である圧電基板は、
図８の圧電体のかわりに、圧電層２７ａ、２７ｂ、２７
ｃと電極層３１ａ、３１ｂを交互に積層したもので、そ
の圧電積層体の上下の面に円形電極２８ｂとそれを囲む
円環電極２８ａを形成したものである。このとき図９
(b)に示すように、縦方向と横方向で隣り合う領域の分
極方向は互いに反平行となるようにする。こうすること
で貼りあわせた円板の端面から電気的接続が可能とな
る。この圧電積層体は図８に示した圧電基板２５を貼り
あわせることでも作製できる。

【００３０】図１０に示す圧電基板は分極が面内方向で
かつ中心から径方向に放射状に分極したものである。図
１０(a)では圧電基板３２の中心部分に円形の電極３
３、外周側部に環状の電極３２ａが設けられている。ま
た分極方向は、前記圧電基板の円状電極から環状電極間
が放射状に分極軸が向いている。こうすることで静電容
量を大幅に減らし、大きなインピーダンス値の基板を設
計することが容易となる。図１０(b)の圧電基板は高次
モードの径拡がり振動でも動作するようにしたものであ
る。圧電基板３４の主面上に円状電極３６と外周側部の
環状電極３４ａに加えて、径拡がり振動の腹部に、第２
の環状電極３５を設けて、圧電基板は面内でかつ中心か
ら放射状に分極され、中心と第２の環状電極３５の間の
分極方向と第２の環状電極と外周部の環状電極３４との
間の分極方向は互いに逆方向としている。図１０(a)と
(b)の圧電基板で、外周側部に設けられた環状の電極３
２ａと３４ａは、外周側部のかわりに圧電基板の主面上
に形成されてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明により、高効率、大電力で設計通
りの変圧比が得られ、共振周波数の低減が可能な圧電ト
ランスを提供できる。また結合子の材料が誘電体の場
合、入出力間の静電容量を低減してノイズの伝播を遮断
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電トランスを示す斜視図である。

【図２】図１の圧電トランスの振動の様子を示す図であ
る。

【図３】３次モードの圧電トランスを示す斜視図であ
る。

【図４】図２の圧電トランスの振動の様子を示す図であ
る。

【図５】実施例１の圧電トランスの斜視図である。

【図６】結合子の各種の態様を示す斜視図である。

【図７】圧電基板の各種の態様を示す斜視図である。

【図８】高次モードの圧電基板を示す斜視図(a)および
断面図(b)である。

【図９】高次モードの圧電積層体を示す斜視図(a)およ
び断面図(b)である。

【図１０】面内分極の圧電体を示す斜視図である。

【図１１】従来の圧電トランスを示す図である。

【符号の説明】

１、２、３、１０、１２ ・・圧電基板 ４、５、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、１３、１４ ・・結
合子 ２０、２３、２５、３２、３４ ・・・圧電基板 ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｄ、２４、２６ａ、２６
ｂ ・・電極 ２２ｂ、２２ｃ、３１ａ、３１ｂ 内部電極 ２８ａ、２８ｂ、３２ａ、３４ａ、３３、３５、３６
・・電極 ２９、３０ ・・導体 ２７ａ、２７ｂ、２７ｃ ・・圧電層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】２つの主面を有する少なくとも２つの圧電
   基板と、圧電基板の間に介在する結合子とを有し、前記
   ２つの圧電基板は、それぞれの主面が互いに向き合うよ
   うに配置され、かつ前記主面間で円環状の結合子または
   円環状に配置された少なくとも一つの結合子を介して結
   合されており、前記円環状の内側に空隙が設けられてい
   ることを特徴とする圧電トランス。
2. 【請求項２】前記２つの圧電基板間に介在する少なくと
   も一つの結合子が、圧電基板の径拡がり振動の振動の腹
   部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の圧
   電トランス。
3. 【請求項３】前記圧電基板の対向する主面に電極が設け
   られており、前記圧電基板が前記主面に垂直方向に分極
   されていることを特徴とする請求項１または２に記載の
   圧電トランス。
4. 【請求項4】前記圧電基板の少なくとも１つの主面の中
   心部分に円状電極が、外縁部に環状の電極が設けられて
   おり、前記圧電基板の円状電極から環状電極間が径方向
   に分極方向が向いていることを特徴とする請求項１また
   は２に記載の圧電トランス。
5. 【請求項５】前記圧電基板が、複数の電極層と圧電材料
   からなる複数の圧電層とが交互に厚み方向に積層した構
   造からなっており、前記複数の電極層が一つおきに電気
   的に接続され、隣り合う電極層が直流的に絶縁されてい
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電トラ
   ンス。
6. 【請求項６】前記圧電基板のうち第１の圧電基板を入力
   部とし、第２の圧電基板を出力部とし、さらに第３の圧
   電基板を入力部或いは出力部とし、入力部と出力部の配
   置が圧電基板に平行な面に対して鏡面対称に配置してあ
   ることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の
   圧電トランス。