JP2001044527A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】不要振動によるスプリアスの影響を受けにく
く、昇降圧比の高い圧電トランスを提供することにあ
る。 【解決手段】長方形板状をなし、その長さ方向両端面に
電極が形成されて長さ方向に分極された第一の圧電基板
１と、この第一圧電基板と平面視同形をなし、両側主面
に電極が形成されて厚さ方向に分極された第二の圧電基
板２ａ、２ｂとを備えた圧電トランスにおいて、前記第
二圧電基板２ａ、２ｂは、第一圧電基板１の上下に各々
それら圧電基板と平面視同形の低誘電率基板３ａ、３ｂ
を介して積層されており、第一圧電基板及び第二圧電基
板の一方を駆動部、他方を発電部とし、低誘電率基板を
絶縁層としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種電子機器に用
いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ、および
ノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディス
プレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ等に用い
られる圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化に関し、電源回
路の小型化は重要な課題の一つであり、電源回路内の高
周波による小型化が図られている。

【０００３】従来のスイッチング電源では、変圧器とし
て電磁誘導を原理とする電磁トランスを用いるが、高周
波下での電磁トランスは、ヒステリシス損、渦電流損お
よび表皮効果による損失が増大するという問題があっ
た。

【０００４】さらに、電磁トランス自身の小型化、薄型
化は、巻線の極細線多数巻による銅損、磁器結合の低下
および漏れ磁束の増加を招き、いずれも電源回路の効率
を大きく下げる原因となっていた。さらにまた、巻線に
よる電磁ノイズの発生などの問題があった。

【０００５】一方、圧電トランスは圧電効果を原理と
し、電磁トランスと比べて、小型化してもエネルギー密
度が高く、かつ巻線を用いないため電磁ノイズが少ない
などの長所がある。

【０００６】図６に、従来のローゼン型圧電トランスを
示す。このローゼン型圧電トランスは、長方形板状圧電
基板１０１の長手方向のほぼ半分を１次側とし、厚み方
向に電極１０２、１０３が形成され、長手方向の残るほ
ぼ半分を２次側とし、端面に電極１０４が形成されて構
成されている。１次側は厚み方向に分極され、２次側は
長手方向に分極されている。圧電トランスの１次側は圧
電基板１０１の制動容量が大きいため低インピーダンス
であり、２次側は制動容量が小さいため高インピーダン
スである。

【０００７】そして、２次側の電極１０４と１次側の電
極１０２（あるいは１０３）に負荷抵抗を接続し、圧電
トランスの１次側の電極１０２、１０３間に、圧電基板
１０１の長さで決まる圧電トランスの共振周波数あるい
はその近傍の周波数の交流電圧を印加すると、逆圧電効
果により長さ方向に強い機械的振動を励起し、これによ
り電極１０４に圧電効果によって電荷が発生し、２次側
の電極１０４と１次側の電極１０２（あるいは１０３）
間に電圧が得られる。

【０００８】このローゼン型圧電トランスは、２次側の
制動容量にもよるが、一般に使用される範囲として、負
荷抵抗が１０ＫΩ以上の高インピーダンスであれば、昇
圧用の圧電トランスとして、一方、負荷が１０ＫΩ未満
の低インピーダンスであれば降圧用の圧電トランスとし
て動作する。

【０００９】一方、負荷抵抗を１次側の電極対１０２、
１０３間に接続し、圧電トランスの２次側の電極１０４
を入力とし、電極１０４と電極１０２（あるいは１０
３）に共振周波数あるいはその近傍の周波数の交流電圧
を印加すると、負荷抵抗が高インピーダンスであれば昇
圧用の圧電トランスとして、低インピーダンスであれば
降圧用の圧電トランスとして動作する。

【００１０】しかしながら、上記ローゼン型圧電トラン
スにおいて、１次側を入力とし、２次側を出力とした場
合、２次側の電極１０４の面積が狭いため、電極１０４
に表れる電荷量が少なく、高出力電流を得ることは困難
であった。

【００１１】また電極１０４と電極１０２（あるいは１
０３）との距離が長いため、圧電トランスの出力側の容
量が小さく、出力インピーダンスが高い。そのため、負
荷を接続した場合、高出力電力が得られる負荷はおのず
と高いものに制限されてしまうという問題があった。即
ち、例えば、ノートパソコン等の電子機器に用いられる
アダプタ用電源の場合、負荷が低インピーダンスのた
め、従来のローゼン型圧電トランスでは高出力電力を得
ることができず、アダプタ用電源として用いることがで
きないという問題があった。

【００１２】一方、上記圧電トランスにおいて、２次側
を入力とし、１次側を出力とすると、出力側電極面積は
広くなるが、電極１０４と電極１０２（あるいは１０
３）との距離が長いため、入力インピーダンスが高くな
り、圧電トランス入力部での損失が大きく、高出力電力
を得ることができない。また、入力インピーダンスを下
げるため電極１０４の面積を広げると、圧電トランス自
体が大型化してしまい、圧電トランスの持つ小型という
利点を損なうという問題があった。

【００１３】さらに、上記従来のローゼン型圧電トラン
スでは、電極１０４を持つため、単一の磁器からなる圧
電基板１０１を長手方向と厚み方向の異なる２方向に分
極する必要があり、そのため、分極方向が異なる界面付
近で分極に伴う大きな応力が発生し、使用中に圧電基板
１０１が損傷したり破壊するなど信頼性が低いという問
題があった。

【００１４】また、単一の磁器に方向が異なる２種類の
分極を施す必要があるため、製造が困難であるという問
題があった。さらに、圧電基板１０１の長手方向の分極
作業は高電圧を印加する必要があるため、作製時のトラ
ンス破壊および作製時における作業の危険性が増大する
という問題があった。

【００１５】そこで、ローゼン型圧電トランスの問題点
を解決するために、特開平９−８３０３６号公報には、
長さ方向に分極した長方形板状の圧電基板を二次側と
し、その上下両主面の中央の対向する位置に幅が同じで
長さの短い厚さ方向に分極した圧電基板を接着して一次
側とすることにより、昇圧比を高めるようにした圧電ト
ランスが提案されている。又、特開平９−２６０７３９
号公報には、厚さ方向に分極した長方形板状の圧電基板
を一次側とし、長さ方向に分極した長方形板状の圧電基
板を二次側とし、それらを上下に貼り合わせることによ
り、昇圧比を高めるようにした圧電トランスが提案され
ている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記２つの公
報に記載された圧電トランスは、いずれも一次側の電極
が二次側の圧電基板の主面に接触して形成されているの
で、一次側の駆動電圧による影響を受けて二次側の出力
電圧が低下するという問題が判明した。更に特開平９−
２６０７３９号公報に開示された圧電トランスは、上下
非対称であるために、屈曲振動などの不要振動によりス
プリアスが発生し、特性を劣化させることも判明した。

【００１７】それ故、本発明の課題は、不要振動による
スプリアスの影響を受けにくく、上記２つの公報に記載
の圧電トランスよりも昇降圧比の高い圧電トランスを提
供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明の圧電トランスは、長方形板状をなし、その
長さ方向両端面に電極が形成されて長さ方向に分極され
た第一の圧電基板と、この第一圧電基板と平面視同形を
なし、両側主面に電極が形成されて厚さ方向に分極され
た第二の圧電基板とを備えた圧電トランスにおいて、前
記第二圧電基板は、第一圧電基板の上下に各々それら圧
電基板と平面視同形の低誘電率基板を介して積層されて
おり、第一圧電基板及び第二圧電基板の一方を駆動部、
他方を発電部とし、低誘電率基板を絶縁層としたことを
特徴とする。

【００１９】本発明の圧電トランスにおいては、第一圧
電基板が圧電縦効果を利用して機械的振動を電気的な出
力に変換し、第二圧電基板が圧電横効果を利用して電気
的な入力を機械的な振動に変換する。そして、第一圧電
基板を発電部、第二圧電基板を駆動部とするときは昇圧
用トランス、逆の場合は降圧用トランスとして機能す
る。即ち、前者の場合、第二圧電基板の厚み方向に交流
電圧を印加すれば、圧電横効果により長さ方向の振動が
励起され、この振動に伴って第一圧電基板の長さ方向端
面に圧電縦効果により高い電圧が発生し、昇圧効果を得
る。逆に後者の場合、第一圧電基板の長さ方向に交流電
圧を印加すれば、圧電縦効果により長さ方向の振動が励
起され、この振動に伴って第二圧電基板の厚み方向主面
に圧電横効果により低い電圧が発生し、降圧効果を得
る。

【００２０】従って、圧電縦効果を利用する第一圧電基
板としては、圧電縦効果の電気機械結合係数ｋ３３の大
きな材料からなり、他方、圧電横効果を利用する第二圧
電基板としては、圧電横効果の電気機械結合係数ｋ３１
の大きな材料からなるのが好ましい。

【００２１】本発明の圧電トランスでは、第一圧電基板
と第二圧電基板とが、それら基板よりも誘電率の高くな
い低誘電率基板によって分離されているので、いずれを
駆動部又は発電部としても発電部の電位分布が駆動部の
電位分布の影響を受けにくい。従って、昇圧用として利
用するときは高い昇圧比を得ることができ、降圧用とし
て利用するときは高い降圧比を得ることができる。そし
て、上下対称構造であるから、圧電トランスの機能を発
現するために利用する伸縮振動以外の不要な振動が起こ
りにくく、スプリアスなどの特性劣化要因が少ない。

【００２２】又、上記のように圧電基板同士が低誘電率
基板によって絶縁されていることから、圧電基板材料と
して駆動部と発電部のそれぞれに適した材料を選択する
ことができ、単結晶材料を用いることもできる。特に駆
動部の電位が発電部の電位分布に影響をもたらさないよ
うにするためには、低誘電率基板の比誘電率が１０以下
であることが好ましい。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図面とともに
説明する。図１は実施形態の昇圧用圧電トランスを示す
斜視図、図２は同トランスの厚み方向断面結線図であ
る。

【００２４】圧電トランス１１は、発電部となる長方形
板状の１枚の圧電基板１と、駆動部となる長方形板状の
同じ厚さの２枚の圧電基板２ａ、２ｂとを備える。圧電
基板１は、長さ方向両端面にそれぞれ電極６ａ、６ｂが
形成され、図１中に矢印で示すように長さ方向に分極さ
れている。圧電基板２ａ、２ｂは、上下両主面上にそれ
ぞれ電極４ａ、４ｂ及び５ａ、５ｂが形成され、図１中
矢印で示すように厚さ方向且つ互いに反対方向に分極さ
れている。

【００２５】圧電基板１と圧電基板２ａ、２ｂとは、絶
縁層となる低誘電率基板３ａ、３ｂを介して密着してい
る。従って、圧電トランス１１は、圧電基板２ａ、低誘
電率基板３ａ、圧電基板１、低誘電率基板３ｂ及び圧電
基板２ｂが順に積層された構造をなしている。そして、
圧電基板２ａの上側に位置する電極４ａと圧電基板２ｂ
の下側に位置する電極５ｂとは、外部の共通の入力端子
７に接続されて入力電極となり、圧電基板２ａの下側に
位置する電極４ｂと圧電基板２ｂの上側に位置する電極
５ａとは、外部の共通のグランド端子８に接続されてグ
ランド電極となる。また、圧電基板１の一方の端面電極
６ａは出力端子９に接続されて出力電極となり、他方の
端面電極６ｂはグランド端子１０に接続されてグランド
電極となる。

【００２６】圧電トランス１１は、外部端子７−８間に
圧電基板２ａ、２ｂの長さ方向縦振動モードの共振周波
数近傍の周波数をもつ交流電圧を印加すれば、圧電効果
（圧電横効果）により圧電基板２ａ、２ｂに長さ方向に
振動が励起される。圧電基板２ａ、２ｂは、低誘電率基
板３ａ、３ｂを介して密着していることから、圧電基板
２ａ、２ｂの振動が低誘電率基板３ａ、３ｂを介して圧
電基板１に伝わり、圧電基板１を振動させる。その結
果、圧電基板１の外部端子９−１０間に圧電逆効果（圧
電縦効果）により入力電圧と同じ周波数の高い交流電圧
が発生する。

【００２７】この圧電トランス１１においては、駆動部
の内部に位置するグランド電極４ｂ、５ａと発電部とな
る圧電基板１との間に絶縁層としての低誘電率基板３
ａ、３ｂが存在するので、出力電極６ａ、６ｂ間の出力
電圧に対するグランド電極４ｂ、５ａの影響が小さい。
従って、高い昇圧比を得ることができる。

【００２８】なお、圧電トランス１１は、結線方法を変
えることにより降圧用として利用することもできる。こ
の場合は外部端子９が入力端子、外部端子７が出力端子
となる。即ち、圧電基板２ａの上側に位置する電極４ａ
と圧電基板２ｂの下側に位置する電極５ｂとは、外部の
共通の出力端子７に接続されて出力電極となり、また圧
電基板１の一方の端面電極６ａは入力端子９に接続され
て入力電極となる。グランド電極とグランド端子との接
続は昇圧用と同様である。そして、外部端子９−１０間
に圧電基板１の長さ方向縦振動モードの共振周波数近傍
の周波数をもつ交流電圧を印加すれば、圧電縦効果によ
り圧電基板１に長さ方向に振動が励起される。この振動
は圧電基板２ａ、２ｂに伝わり、その結果、外部端子７
−８間に圧電横効果により入力電圧と同じ周波数の低い
交流電圧が発生する。

【００２９】昇圧用にしても降圧用にしても、圧電基板
２ａ、２ｂは圧電横効果を利用し、圧電基板１は圧電縦
効果を利用している。そして、昇圧比（又は降圧比）は
駆動側と発電側の電気機械結合係数の積に比例すること
から、より高い昇圧比（又は降圧比）を得るために、圧
電基板２ａ、２ｂとしては圧電横効果の電気機械結合係
数ｋ３１の大きい材料を選択し、圧電基板１としては圧
電縦効果の電気機械結合係数ｋ３３の大きい材料を選択
するのが望ましい。そのような材料の典型例はＰｂ、Ｔ
ｉを主成分とするＰＴ系やＰＺＴ系の圧電セラミックで
あるが、この実施形態の圧電トランス１１の場合、駆動
部と発電部とが絶縁層で分離されているので、各々に最
適の圧電特性を示す材料を選択することができ、単結晶
をも利用することができる。

【００３０】各圧電基板は、ＰＴ系やＰＺＴ系の圧電セ
ラミックからなる場合、それぞれ対向する電極４ａ−４
ｂ、５ｂ−５ａ、６ａ−６ｂ間に直流の高電圧を印加す
ることにより、容易に分極処理することができる。低誘
電率基板としては、アルミナなどの低誘電率のもの、特
に比誘電率が１０以下の材料からなるのが好ましい。

【００３１】すべての電極は、Ａｇ粉末などの導電性材
料とガラスからなるペーストをスクリーン印刷し、焼成
することにより形成することができる。又、蒸着、スパ
ッタなどの薄膜技術を用いて形成することもできる。

【００３２】圧電基板及び低誘電率基板は、個別に焼成
した後の各基板を互いに接着剤で接合することにより積
層してもよいし、グリーンシート（未焼成シート）の段
階で積層し、同時焼成することにより接合することもで
きる。例えば、低誘電率基板の誘電率を重視し、比誘電
率１０以下のものを選択したために圧電基板との焼成収
縮率が合わない場合は前者の方法で積層する。また製造
工程の簡略化を重視し、低誘電率基板の比誘電率を若干
犠牲にしても良い場合は、低誘電率基板材料を焼成収縮
率に関して圧電基板と近似する組成にし、後者の方法で
積層する。

【００３３】上記昇圧用圧電トランス１１について、圧
電基板材料としてＰＺＴ、低誘電率基板材料として比誘
電率４のＳｉＯ₂ を用い、圧電トランスの寸法を縦２０
ｍｍ、横５ｍｍ、３枚の圧電基板の厚みがそれぞれ１ｍ
ｍ、絶縁層の厚みを０．５ｍｍとして昇圧比を解析し
た。その時、長さ縦振動モードの共振周波数は９２ＫＨ
ｚであった。その結果を図３に共振周波数における電位
分布の等高線として示す。比較のために低誘電率基板を
備えていない以外は、上記昇圧用圧電トランス１１と同
形同質の比較圧電トランスについても同一条件で解析し
た。その結果を図４に示す。図３と図４とを対比すれば
明らかなように、本発明の圧電トランス１１は、発電部
の電位が駆動部の電位の影響をあまり受けていない。こ
れに対して、比較圧電トランスは、発電部の上下面の電
位が駆動部のグランド電極の電位によって拘束されてい
る。よって、低誘電率基板からなる絶縁層が駆動部と発
電部とを有効に分離していると認められる。図５は、Ｓ
ｉＯ₂ に代えて圧電基板１と同質の未分極の材料（比誘
電率：１１５０）を絶縁層とし、上記と同一条件で共振
周波数における電位分布を解析して得られた等高線であ
る。図４の場合ほど発電部の上下面の電位は拘束されて
いないが、図３の場合よりも拘束されていることが明ら
かである。

【００３４】

【発明の効果】本発明の圧電トランスは、駆動部と発電
部との間に低誘電体材料が絶縁層として介在しているの
で、駆動部の電位が発電部の電位分布に影響を及ぼすこ
とがない。そのため、高い昇圧（降圧）比を得ることが
できるし、入出力の周辺回路の自由度を増すことができ
る。さらに、上下対称構造であるから、スプリアスなど
の特性劣化要因も少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の圧電トランスを示す斜視図である。

【図２】上記圧電トランスの断面結線図である。

【図３】上記圧電トランスの電位分布を示す等高線図で
ある。

【図４】比較圧電トランスの電位分布を示す等高線図で
ある。

【図５】圧電基板と同質の材料を絶縁層とした場合の圧
電トランスの電位分布を示す等高線図である。

【図６】従来の圧電トランスを示す斜視図である。

【符号の説明】

１１ 圧電トランス １、２ａ、２ｂ、１０１ 圧電基板 ３ａ、３ｂ 低誘電率基板 ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、１０２、１０
３、１０４ 電極 ７、８、９、１０ 外部端子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長方形板状をなし、その長さ方向両端面に
   電極が形成されて長さ方向に分極された第一の圧電基板
   と、この第一圧電基板と平面視同形をなし、両側主面に
   電極が形成されて厚さ方向に分極された第二の圧電基板
   とを備えた圧電トランスにおいて、 前記第二圧電基板は、第一圧電基板の上下に各々それら
   圧電基板と平面視同形の低誘電率基板を介して積層され
   ており、 第一圧電基板及び第二圧電基板の一方を駆動部、他方を
   発電部とし、低誘電率基板を絶縁層としたことを特徴と
   する圧電トランス。
2. 【請求項２】低誘電率基板の比誘電率が１０以下である
   請求項１に記載の圧電トランス。