JP2001068753A - Piezoelectric transformer - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[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、及びノ
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に用いられ
る圧電トランスに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an AC adapter and a DC-DC converter used for various electronic devices, and an inverter for a backlight cold-cathode tube for a liquid crystal display used for a notebook computer, a portable terminal and the like. Related to a piezoelectric transformer.
【０００２】[0002]
【従来技術】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
波化による小型化が図られている。2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization of power supply circuits has been one of the important issues in miniaturization of electronic devices, and miniaturization has been attempted by increasing the frequency of power supply circuits.
【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。In a conventional switching power supply, an electromagnetic transformer based on the principle of electromagnetic induction is used as a transformer. However, an electromagnetic transformer under a high frequency has a problem that hysteresis loss, eddy current loss, and loss due to skin effect increase. Was.
【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、磁気結合の低下
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。Further, the miniaturization and thinning of the electromagnetic transformer itself lead to copper loss due to a large number of extra fine wire windings, decrease in magnetic coupling, and increase in leakage magnetic flux. Had become. Further, there is a problem that electromagnetic noise is generated by the winding.
【０００５】これに対して、圧電効果を用いた圧電トラ
ンスが提案されている。図５に従来の代表的な圧電トラ
ンスであるローゼン型圧電トランスの構造を示す。図に
おいて低インピーダンスの駆動部１１には、圧電板１の
上下面に電極１３、１４が設けられており、この部分
は、厚み方向に分極されている。また、高インピーダン
スの発電部１２にはその端面に電極１５が設けられてお
り、発電部１２は、圧電板１の長さ方向に分極されてい
る。On the other hand, a piezoelectric transformer using a piezoelectric effect has been proposed. FIG. 5 shows the structure of a Rosen type piezoelectric transformer, which is a typical conventional piezoelectric transformer. In the figure, a low impedance driving unit 11 is provided with electrodes 13 and 14 on the upper and lower surfaces of the piezoelectric plate 1, and this portion is polarized in the thickness direction. An electrode 15 is provided on the end surface of the high impedance power generation unit 12, and the power generation unit 12 is polarized in the length direction of the piezoelectric plate 1.
【０００６】この圧電トランスの作動は、以下の通りで
ある。外部端子１６、１７から電極１３、１４に電圧を
印加すると、駆動部１１では分極方向に電界が加わり、
分極方向に対して垂直方向に変位する圧電効果（圧電横
効果３１モード）で長さ方向の縦振動が励振され、トラ
ンス全体が振動する。The operation of this piezoelectric transformer is as follows. When a voltage is applied to the electrodes 13 and 14 from the external terminals 16 and 17, an electric field is applied in the polarization direction in the driving unit 11,
Longitudinal vibration in the length direction is excited by the piezoelectric effect (piezoelectric horizontal effect 31 mode) displaced in the direction perpendicular to the polarization direction, and the entire transformer vibrates.
【０００７】さらに、発電部１２では分極方向に機械的
歪みが生じ、分極方向に電位差が発生する圧電効果（圧
電縦効果３３モード）により、出力電極１５から外部端
子１８に入力電圧と同じ周波数の電圧が取り出される。
このとき、駆動周波数を圧電トランスの共振周波数と等
しくすれば、非常に高い出力電圧が得られる。尚、高電
圧を入力し、低電圧を出力させる場合には、縦効果の高
インピーダンス部１２を入力側とし、横効果の低インピ
ーダンス部１１を出力側にすれば良い。Further, in the power generation unit 12, mechanical distortion occurs in the polarization direction, and a potential difference occurs in the polarization direction. The piezoelectric effect (piezoelectric longitudinal effect 33 mode) causes the output electrode 15 to the external terminal 18 to have the same frequency as the input voltage. The voltage is taken out.
At this time, if the drive frequency is made equal to the resonance frequency of the piezoelectric transformer, a very high output voltage can be obtained. When a high voltage is input and a low voltage is output, the vertical effect high impedance section 12 may be set as the input side, and the horizontal effect low impedance section 11 may be set as the output side.
【０００８】この圧電トランスは、共振状態で使用さ
れ、一般の電磁トランスに比べて、巻線構造が不要でエ
ネルギー密度も高いため小型化、薄型化が図れること、
不燃化が図れること、電磁誘導ノイズが出ないこと等、
数多くの長所を有する。[0008] This piezoelectric transformer is used in a resonance state and does not require a winding structure and has a high energy density as compared with a general electromagnetic transformer, so that its size and thickness can be reduced.
Incombustibility, no electromagnetic induction noise, etc.
It has many advantages.
【０００９】しかし、上記従来のローゼン型圧電トラン
スでは、発電部１２の電極１５が振動の腹に位置するた
め、外部端子１８の接続が振動の損失を増大させたり、
また、ハイパワー駆動時に電極１５と外部端子１８に接
続するリード線が切れる等、信頼性の点で問題があっ
た。また、圧電トランスの出力インピーダンスに比べて
極端に大きな負荷抵抗（例えば１０〜１００ＭΩ）の場
合には高い出力電圧が得られるが、負荷抵抗の値がさほ
ど大きくない場合にはそれほど高い出力電圧が得られな
いといった欠点があった。However, in the above-mentioned conventional Rosen-type piezoelectric transformer, since the electrode 15 of the power generation unit 12 is located at the antinode of vibration, the connection of the external terminal 18 increases the vibration loss,
In addition, there is a problem in terms of reliability, for example, a lead wire connected to the electrode 15 and the external terminal 18 is cut during high power driving. A high output voltage can be obtained when the load resistance is extremely large (for example, 10 to 100 MΩ) compared to the output impedance of the piezoelectric transformer, but a very high output voltage can be obtained when the value of the load resistance is not so large. There was a disadvantage that it could not be done.
【００１０】さらに、従来のローゼン型圧電トランスで
は、低電圧で大振幅駆動を行うためには、極端に板厚を
薄くしなければならず、この場合には、トランスの出力
インピーダンスが大きくなりすぎ、負荷インピーダンス
とのインピーダンス不整合を起こすことがあるので、実
質的に低電圧で高い出力電圧を得ることが難しい。又、
トランスの体積が小さくなりすぎ、充分な出力パワーを
得られないといった問題もある。Further, in the conventional Rosen-type piezoelectric transformer, in order to perform large-amplitude driving at a low voltage, the plate thickness must be extremely thin, and in this case, the output impedance of the transformer becomes too large. Since impedance mismatch with load impedance may occur, it is difficult to obtain a high output voltage at a substantially low voltage. or,
There is also a problem that the volume of the transformer becomes too small and sufficient output power cannot be obtained.
【００１１】そこで、従来のローゼン型圧電トランスの
問題点を解決し、低電圧でも充分な出力パワーを取り出
せ、高い信頼性の圧電トランスを提供する目的で、特開
平７−１７６８０４号公報には、長さ縦３次モードで作
動する圧電トランスが提案されている。In order to solve the problems of the conventional Rosen type piezoelectric transformer, to obtain sufficient output power even at a low voltage, and to provide a highly reliable piezoelectric transformer, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-176804 discloses A piezoelectric transformer that operates in a tertiary longitudinal mode has been proposed.
【００１２】この圧電トランスは、長さ方向の両端面の
それぞれの位置からトランス長の１／３以下の部分に、
内部電極と圧電磁器層とを交互に板厚方向に積層し、低
インピーダンス部を形成し、長さ方向の中央部には相対
向する２つの面上に相対向する１対の電極を形成し、高
インピーダンス部とした構成であり、長さ縦３次モード
で作動するものである。The piezoelectric transformer has a portion which is less than 1/3 of the length of the transformer from each position on both end faces in the longitudinal direction.
An internal electrode and a piezoelectric ceramic layer are alternately laminated in the thickness direction to form a low impedance portion, and a pair of electrodes facing each other are formed on two surfaces facing each other at a central portion in the length direction. , A high-impedance portion, and operates in the third mode in the longitudinal vertical direction.
【００１３】このような圧電トランスでは、低入力電圧
でハイパワー駆動が可能であり、容易に高電圧を取り出
すことができ、しかも、負荷とのインピーダンスの整合
も良いことから特性に優れ、構造的にも最も弱い内部電
極の積層方向に振動応力が加わらない構成となっている
ので、ハイパワー作動時にあっても充分強度を保持する
ことができ、高い信頼性を満足することができる。In such a piezoelectric transformer, high-power driving can be performed at a low input voltage, a high voltage can be easily taken out, and impedance matching with a load is good, so that the piezoelectric transformer has excellent characteristics and structural characteristics. However, since the vibration stress is not applied in the laminating direction of the weakest internal electrodes, sufficient strength can be maintained even during high-power operation, and high reliability can be satisfied.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記圧
電トランスでは、電極寸法が最適化されておらず、この
ため長さ縦３次モードの電気機械結合係数が未だ低く、
高出力の圧電トランスを得ることができないという問題
があった。However, in the above-mentioned piezoelectric transformer, the electrode dimensions are not optimized, so that the electromechanical coupling coefficient in the third mode in the longitudinal length mode is still low.
There is a problem that a high-output piezoelectric transformer cannot be obtained.
【００１５】本発明は、低電圧駆動が可能で、充分な出
力パワーを取り出せる圧電トランスを提供することを目
的とする。It is an object of the present invention to provide a piezoelectric transformer which can be driven at a low voltage and can take out sufficient output power.
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明の圧電トランス
は、厚さ方向に分極され両主面の長さがＬ1 、幅がＷで
ある長方形板状の圧電基板と、該圧電基板の片側主面に
形成されたグランド電極と、他側主面に形成され、か
つ、主面の長さ方向に所定間隔を置いて形成された３個
の分割電極とを具備するとともに、該３個の分割電極の
うち両側の分割電極を入力側分割電極、中央の分割電極
を出力側分割電極とした圧電トランスであって、前記主
面の長さ方向における前記入力側分割電極の長さＬ2 と
前記主面の長さＬ1 の比（Ｌ2 ／Ｌ1 ）が、長さ縦基本
モードで作動する場合には４／１５以上であり、長さ縦
３次モードで作動する場合には３／１５〜４／１５であ
ることを特徴とする。According to the present invention, there is provided a piezoelectric transformer in the form of a rectangular plate which is polarized in the thickness direction and has a length of L 1 and a width of W on both main surfaces, and one side of the piezoelectric substrate. A ground electrode formed on the main surface; and three divided electrodes formed on the other main surface at predetermined intervals in the length direction of the main surface. A piezoelectric transformer in which the split electrodes on both sides of the split electrodes are the input split electrodes, and the center split electrode is the output split electrode, wherein the length L 2 of the input split electrode in the length direction of the main surface is The ratio (L 2 / L 1 ) of the length L 1 of the main surface is 4/15 or more when operating in the longitudinal mode, and 3 when operating in the tertiary mode. / 15 to 4/15.
【００１７】本発明の圧電トランスは、長さ方向の両側
の低インピーダンス部（入力側分割電極）に交流電圧を
印加すると、横効果電気機械結合係数Ｋ31を介して、電
気エネルギーが機械振動エネルギーに変換される。この
とき、長さ縦基本モード、或いは、長さ縦３次モードを
効率よく励振させるためには、左右両端部の低インピー
ダンス部を同位相で駆動することが重要である。また、
左右両端部の低インピーダンス部の電気的結線は並列と
した方が低電圧で大電流を投入できる。さらに、入力側
で励振した振動により、長さ縦基本モード、或いは、長
さ縦３次モードで駆動された圧電トランスの出力側高イ
ンピーダンス部分にも振動が励振され、横効果電気機械
結合係数Ｋ31を介して高電圧が外部端子から出力され
る。The piezoelectric transformer of the present invention, when an AC voltage is applied to both sides of the low impedance portion of the length direction (the input side dividing electrode), through the transverse effect electromechanical coupling coefficient K 31, electrical energy is mechanical vibration energy Is converted to At this time, it is important to drive the low-impedance portions at the left and right ends in the same phase in order to efficiently excite the longitudinal vertical mode or the longitudinal tertiary mode. Also,
If the electrical connection of the low-impedance section at both left and right ends is parallel, a large current can be supplied at a low voltage. Further, the vibration excited on the input side also excites the vibration on the output high impedance part of the piezoelectric transformer driven in the longitudinal vertical mode or the longitudinal tertiary mode, and the transverse effect electromechanical coupling coefficient K High voltage is output from the external terminal via 31 .
【００１８】圧電トランスの出力電力は、トランスの駆
動部（低インピーダンス部）の電気機械結合係数と発電
部（高インピーダンス部）の電気機械結合係数との積に
比例しており、高出力電力を得るためには、電気機械結
合係数を大きくすることが重要である。The output power of the piezoelectric transformer is proportional to the product of the electromechanical coupling coefficient of the transformer driving section (low impedance section) and the electromechanical coupling coefficient of the power generation section (high impedance section). In order to obtain, it is important to increase the electromechanical coupling coefficient.
【００１９】そこで、本発明の圧電トランスでは、各振
動モード（長さ縦基本モード或いは、長さ縦３次モー
ド）で作動する場合に、主面の長さと圧電基板の主面の
長さ方向における入力側分割電極の長さＬ2 との比（Ｌ
2 ／Ｌ1 ）を一定の範囲に制御することにより、各振動
モードにおける電気機械結合係数を大きくすることがで
き、これにより、高出力の圧電トランスを得ることがで
きる。Therefore, in the piezoelectric transformer according to the present invention, when operating in each of the vibration modes (the longitudinal vertical mode or the longitudinal tertiary mode), the length of the main surface and the length of the main surface of the piezoelectric substrate in the longitudinal direction are reduced. ratio of the length L 2 of the input-side split electrodes in (L
By controlling 2 / L 1 ) within a certain range, the electromechanical coupling coefficient in each vibration mode can be increased, and a high-output piezoelectric transformer can be obtained.
【００２０】さらに、長さ縦基本モードで作動する場合
には、圧電基板の主面の長さＬ1 と幅Ｗとの比（Ｌ1 ／
Ｗ）が４以上であり、長さ縦３次モードで作動する場合
には６以上であることが望ましい。このような構成を採
用することにより、各振動モードにおける電気機械結合
係数をさらに大きくすることができ、これにより、さら
に高出力の圧電トランスを得ることができる。Further, when operating in the length-longitudinal basic mode, the ratio (L 1 / L) of the length L 1 to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate.
W) is 4 or more, and preferably 6 or more when operating in the tertiary longitudinal mode. By adopting such a configuration, it is possible to further increase the electromechanical coupling coefficient in each vibration mode, thereby obtaining a higher-output piezoelectric transformer.
【００２１】また、入力側分割電極は、圧電基板の主面
端からＬ1 ／６の位置を中心にして形成されていること
が望ましい。このような構成を採用することにより、長
さ縦３次モードにおける電気機械結合係数をさらに大き
くすることができる。Further, the input side dividing electrode is preferably formed around the position of the L 1/6 from the main surface end of the piezoelectric substrate. By employing such a configuration, it is possible to further increase the electromechanical coupling coefficient in the length-longitudinal third mode.
【００２２】さらに、グランド電極は、圧電基板の他側
主面に形成された３個の分割電極とそれぞれ対向した３
個のグランド分割電極から構成されていることが望まし
い。このような構成を採用することにより、３個の分割
電極とそれぞれ対向するグランド電極同士を分離して絶
縁することもでき、グランド電極を共通化することによ
る不具合を解消できる。Further, the ground electrode faces each of the three divided electrodes formed on the other main surface of the piezoelectric substrate.
It is desirable to be composed of ground split electrodes. By adopting such a configuration, it is also possible to separate and insulate the three divided electrodes and the ground electrodes facing each other, and it is possible to solve the problem caused by sharing the ground electrode.
【００２３】また、入力側分割電極とグランド電極との
間、および／または出力側分割電極とグランド電極との
間における圧電基板には、内部電極層が形成されている
ことが望ましい。即ち、入力側の低インピーダンス部お
よび／または出力側の高インピーダンス部を、内部電極
層と圧電体層とを交互に積層した構造とすることによ
り、入力部、出力部のインピーダンスはそれぞれの部分
の積層数を調整することでコントロールすることができ
る。この場合に、入力側と、出力側の内部電極層の数は
必ずしも一致している必要はない。Further, it is desirable that an internal electrode layer is formed on the piezoelectric substrate between the input-side split electrode and the ground electrode and / or between the output-side split electrode and the ground electrode. That is, the input side low impedance section and / or the output side high impedance section have a structure in which the internal electrode layer and the piezoelectric layer are alternately laminated, so that the impedance of the input section and the output section of each section are reduced. It can be controlled by adjusting the number of layers. In this case, the number of the internal electrode layers on the input side and the output side does not necessarily need to match.
【００２４】そして、圧電基板としては、圧電横効果の
電気機械結合係数が大きいことが要求されるため、Ｐ
ｂ、Ｔｉを主成分とするＰＺＴ系圧電セラミックスを用
いることが望ましい。The piezoelectric substrate is required to have a large electromechanical coupling coefficient of the piezoelectric transverse effect.
It is desirable to use PZT-based piezoelectric ceramics containing b and Ti as main components.
【００２５】[0025]
【発明の実施の形態】図１は本発明の圧電トランスの斜
視図を示すもので、両主面が長さＬ1 、幅Ｗである長方
形板状の圧電基板２１には、全長の１／３の領域内に、
順次低インピーダンス部ＩLa、高インピーダンス部
ＩH 、低インピーダンス部ＩLbが形成されている。長方
形板状の圧電基板２１は、図中の矢印で示すように板厚
方向に一様に分極されている。FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric transformer according to the present invention, wherein a rectangular plate-shaped piezoelectric substrate 21 having both main surfaces having a length L 1 and a width W has a length of 1/1. In the area of 3,
A low-impedance portion I La , a high-impedance portion I H , and a low-impedance portion I Lb are sequentially formed. The rectangular plate-shaped piezoelectric substrate 21 is uniformly polarized in the plate thickness direction as indicated by the arrow in the drawing.
【００２６】低インピーダンス部ＩLaにおける圧電基板
２１には、上面に入力側分割電極２３ａ、下面にグラン
ド電極２４ａが形成され、低インピーダンス部ＩLbにお
ける圧電基板２１には、上面に入力側分割電極２３ｂ、
下面にグランド電極２４ｂが形成され、高インピーダン
ス部ＩH における圧電基板２１には、上面に出力側分割
電極２５、下面にグランド電極２４ｃが形成されてい
る。入力側分割電極２３ａ、２３ｂ、出力側分割電極２
５は、主面の長さ方向に所定間隔を置いて形成されてい
る。[0026] piezoelectric substrate 21 in the low-impedance part I La is input divided electrode 23a on the upper surface, a ground electrode 24a is formed on the lower surface, the piezoelectric substrate 21 in the low-impedance part I Lb is input divided electrodes on the upper surface 23b,
The ground electrode 24b is formed on the lower surface, the piezoelectric substrate 21 in the high impedance section I H, the output-side divided electrodes 25 on the upper surface, a ground electrode 24c is formed on the lower surface. Input-side split electrode 23a, 23b, output-side split electrode 2
5 are formed at predetermined intervals in the length direction of the main surface.
【００２７】低インピーダンス部ＩLa、ＩLbに形成され
る電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂの幅は、圧電基
板１の主面の幅Ｗと同じである。The width of the electrodes 23a, 23b, 24a, 24b formed on the low impedance portions I La , I Lb is the same as the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 1.
【００２８】そして、入力側分割電極２３ａ、２３ｂの
長さＬ2 は使用する長さ縦振動モードの振動次数に対し
て最適化されている。即ち、入力側分割電極２３ａ、２
３ｂの長さＬ2 と主面の長さＬ1 の比（Ｌ2 ／Ｌ1 ）
が、長さ縦基本モードで作動する場合には４／１５以上
であり、長さ縦３次モードで作動する場合には３／１５
〜４／１５とされている。このように、入力側分割電極
２３ａ、２３ｂを最適な長さで形成することにより、長
さ縦振動モードの電気結合係数Ｋ31を増大でき、高出力
の圧電トランスを実現できる。The length L 2 of the input-side divided electrodes 23a and 23b is optimized for the vibration order of the length longitudinal vibration mode to be used. That is, the input side split electrodes 23a, 2
The length L 2 and the main surface of the ratio of the length L 1 of 3b (L 2 / L 1)
Is more than 4/15 when operating in the length-longitudinal basic mode, and 3/15 when operating in the length-longitudinal tertiary mode.
４4/15. Thus, the input-side split electrodes 23a, by forming at 23b the optimum length, can increase the electrical coupling coefficient K 31 of length extensional vibration mode, it can be realized high-output piezoelectric transformer.
【００２９】また、圧電基板２１の主面の長さＬ1 と幅
Ｗとの比（Ｌ1 ／Ｗ）が、長さ縦基本モードで作動する
場合には４以上とされ、長さ縦３次モードで作動する場
合には６以上とされている。このように、圧電基板２１
の形状を最適化することによって長さ縦振動モードの電
気機械結合係数Ｋ31を増大でき、高出力の圧電トランス
を実現できる。The ratio (L 1 / W) of the length L 1 to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate 21 is set to 4 or more when the operation is performed in the basic mode, and the length 3 is set. When operating in the next mode, the number is set to 6 or more. Thus, the piezoelectric substrate 21
Shape can increase the electromechanical coupling coefficient K 31 of length longitudinal vibration mode by optimizing can be realized high-output piezoelectric transformer.
【００３０】さらに、低インピーダンス部ＩLa、ＩLbの
電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂの形成される位置
は、圧電基板２１の主面端からＬ1 ／６の位置を中心に
して形成している。Furthermore, the low impedance section I La, I Lb electrodes 23a, 23b position, 24a, 24b are formed of, formed around the position of the L 1/6 from the main surface end of the piezoelectric substrate 21 I have.
【００３１】本発明の圧電トランスでは、低インピーダ
ンス部ＩLa、ＩLbと高インピーダンス部ＩH の電極が分
離されており、入力側の外部端子２７、２８と出力側の
外部端子２９、３０の４端子回路となっている。このよ
うな構成とすることで、入出力の外部端子がそれぞれ直
流的に絶縁されることとなり、周辺回路の自由度を高く
することが可能である。In the piezoelectric transformer of the present invention, the electrodes of the low impedance portions I La and I Lb and the high impedance portion I H are separated, and the external terminals 27 and 28 on the input side and the external terminals 29 and 30 on the output side are separated. It has a four-terminal circuit. With such a configuration, the input and output external terminals are each insulated in a DC manner, and the degree of freedom of the peripheral circuit can be increased.
【００３２】本発明の圧電トランスでは、外部端子２
７、２８間に矩形状圧電基板２１の長さ縦基本モード或
いは、長さ縦３次モードの共振周波数近傍の周波数を持
つ交流電圧を印加すれば、低インピーダンス部ＩLa、Ｉ
Lbにおいて、圧電横効果の電気機械結合係数Ｋ31を介し
て圧電基板２１が長さ縦基本モード或いは、長さ縦３次
モードで励振され、圧電基板２１全体が振動する。そし
て、高インピーダンス部ＩH において、再び圧電横効果
の電気機械結合係数Ｋ31を介して出力側分割電極２５、
グランド電極２４ｃ間に入力電圧と同じ周波数の電圧が
発生し、外部端子２９、３０で取り出すことができる。
このとき、出力電圧は負荷や駆動周波数に依存する。In the piezoelectric transformer of the present invention, the external terminal 2
If an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the longitudinal longitudinal third mode or the longitudinal longitudinal tertiary mode is applied between the piezoelectric substrates 7 and 28, the low impedance portions I La and I
In Lb, the piezoelectric transverse effect electromechanical coupling coefficient K 31 of longitudinal piezoelectric substrate 21 in length the fundamental mode through the or are excited by long longitudinal tertiary mode, the entire piezoelectric substrate 21 vibrates. Then, in the high-impedance portion I H , the output-side split electrode 25 is again connected via the electromechanical coupling coefficient K 31 of the piezoelectric transverse effect.
A voltage having the same frequency as the input voltage is generated between the ground electrodes 24c and can be taken out at the external terminals 29 and 30.
At this time, the output voltage depends on the load and the driving frequency.
【００３３】本発明の圧電トランスでは、長さ縦３次モ
ードで使用する場合は、振動の節が３箇所存在する。振
動の節は、図２の左側から順に、低インピーダンス部Ｉ
Laの中央部、高インピーダンス部ＩH の中央部、及び低
インピーダンス部ＩLbの中央部にある。従って、低イン
ピーダンス部ＩLa、ＩLb、高インピーダンス部ＩH の電
極が露出しているので、振動の節の位置において通常の
はんだ付けなどの方法で取り出しが可能である。When the piezoelectric transformer of the present invention is used in the tertiary mode, there are three vibration nodes. The nodes of the vibration are, in order from the left side of FIG.
The central portion of La, there central portion of the high impedance section I H, and the center of the low-impedance part I Lb. Therefore, since the electrodes of the low impedance portions I La and I Lb and the high impedance portion I H are exposed, the electrodes can be taken out at the position of the node of the vibration by a method such as normal soldering.
【００３４】本発明の圧電トランスは、圧電横効果の電
気機械結合係数Ｋ31をもって交流の入力電圧を機械的な
振動に変換し、更に再び圧電横効果の電気機械結合係数
Ｋ31をもって交流の出力電圧に変換するために、エネル
ギー伝送の高効率化・高電力化を図るために、圧電材料
としては、電気機械結合係数Ｋ31の大きな材料が望まし
い。特にはＰｂ、Ｔｉを主成分とするＰＴ系、またはＰ
ＺＴ系圧電セラミック材料が望ましい。また、この圧電
トランスは分極領域が１つであるために、圧電性の単結
晶材料を利用することも可能である。The piezoelectric transformer of the present invention converts an input voltage of the AC with a electromechanical coupling coefficient K 31 of the piezoelectric transverse effect in mechanical vibration, further again the output of the AC with a electromechanical coupling coefficient K 31 of the piezoelectric transverse effect to convert voltage, in order to achieve high efficiency and high power of energy transfer, as the piezoelectric material, a material having large electromechanical coupling coefficient K 31 is desirable. In particular, PT based on Pb or Ti as a main component, or P
ZT-based piezoelectric ceramic materials are desirable. In addition, since this piezoelectric transformer has one polarization region, it is possible to use a piezoelectric single crystal material.
【００３５】圧電基板２１として圧電セラミックスを利
用する場合には、低インピーダンス部ＩLa、ＩLbの電極
２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、高インピーダンス部
ＩHの電極２５、２４ｃを形成した後、電極２３ａ、２
３ｂ、２５と電極２４ａ、２４ｂ、２４ｃとの間に直流
の高電界を印加して分極処理する。圧電基板２１の板厚
方向に一様に分極するため、分極処理が非常に簡素化で
きる。また、ローゼン型トランスのように、圧電基板２
１の長さ方向の分極処理が必要ないために、比較的低電
圧の直流電圧で分極が可能である。When a piezoelectric ceramic is used as the piezoelectric substrate 21, the electrodes 23a, 23b, 24a and 24b of the low impedance portions I La and I Lb and the electrodes 25 and 24c of the high impedance portion I H are formed. 23a, 2
Polarization is performed by applying a high DC electric field between the electrodes 3b and 25 and the electrodes 24a, 24b and 24c. Since the polarization is uniformly performed in the thickness direction of the piezoelectric substrate 21, the polarization process can be greatly simplified. Also, like a Rosen type transformer, the piezoelectric substrate 2
Since the lengthwise polarization process is not required, the polarization can be performed with a relatively low DC voltage.
【００３６】圧電基板２１の低インピーダンス部ＩLa、
ＩLbの電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、高インピ
ーダンス部ＩH の電極２５、２４ｃは、Ａｇ粉末とガラ
スからなるペーストをスクリーン印刷、焼成して形成し
てもよい。また、蒸着、スパッタ等の手法を用いて形成
しても良い。また、Ａｇ以外の導電性材料を用いても良
い。The low impedance portion I La of the piezoelectric substrate 21
The electrodes 23a, 23b, 24a and 24b of the I Lb and the electrodes 25 and 24c of the high impedance section I H may be formed by screen-printing and baking a paste made of Ag powder and glass. Further, it may be formed using a technique such as vapor deposition or sputtering. Further, a conductive material other than Ag may be used.
【００３７】さらに、出力電力を増加したい用途に対し
ては、図２に示すように、低インピーダンス部及び高イ
ンピーダンス部を内部電極層と圧電体層を交互に積層し
た積層構造の圧電トランスとすることも可能である。Further, for applications in which output power is desired to be increased, as shown in FIG. 2, the low impedance portion and the high impedance portion are formed as a piezoelectric transformer having a laminated structure in which internal electrode layers and piezoelectric layers are alternately laminated. It is also possible.
【００３８】このような積層構造の圧電トランスにおい
ても低インピーダンス部ＩLa、ＩLbの内部電極３５ａ、
３５ｂの長さは、上記したように、入力側分割電極３６
ａ、３６ｂと同じ長さとするのが良い。これにより、電
気機械結合係数を増大でき、より高出力電力を得ること
が可能となる。Even in the piezoelectric transformer having such a laminated structure, the internal electrodes 35a and 35a of the low impedance portions I La and I Lb are provided.
As described above, the length of the input side split electrode 36b is
It is good to make it the same length as a and 36b. Thereby, the electromechanical coupling coefficient can be increased, and higher output power can be obtained.
【００３９】また、低インピーダンス部ＩLa、ＩLbと高
インピーダンス部ＩH の積層数は必ずしも一致させる必
要はなく、図２に示すように積層数を異ならせるのが一
般的である。積層数を調整することで、外部回路とのマ
ッチングをコントロールすることが可能となる。The number of layers of the low impedance portions I La and I Lb and the number of layers of the high impedance portion I H do not necessarily have to be the same, and the number of layers is generally different as shown in FIG. By adjusting the number of layers, matching with an external circuit can be controlled.
【００４０】図２に示すような積層構造は、積層型圧電
アクチュエーター等で通常用いられている製造手法を用
いれば作製することが可能である。積層した場合は、内
部電極は１層おきに逆の極性の電極となり、隣接する圧
電磁器同士は互いに逆向きに分極される。The laminated structure as shown in FIG. 2 can be manufactured by using a manufacturing method generally used for a laminated piezoelectric actuator or the like. When stacked, the internal electrodes become electrodes of opposite polarity every other layer, and adjacent piezoelectric ceramics are polarized in opposite directions.
【００４１】本発明者は、本発明の圧電トランスの有限
要素法を用いたコンピューターシミュレーションを行っ
た。解析条件としては、圧電材料としてＰｂ（Ｔｉ、Ｚ
ｒ）Ｏ3 を用い、図１に示した形状においてＬ1 を３０
ｍｍ、圧電基板の厚みを０．５ｍｍとして解析した。長
さ縦基本モードにおける電気機械結合係数Ｋ1 と長さ縦
３次モードにおける電気機械結合係数Ｋ3 は、長さ縦基
本モードの共振周波数Ｆｒ1 と反共振周波数Ｆａ1 、或
いは長さ縦３次モードの共振周波数Ｆｒ3 と反共振周波
数Ｆａ3 より、式 Ｋ1 （％）＝ａ×１００×（（Ｆａ1 −Ｆｒ1 ）／Ｆｒ
1 ）1/2 Ｋ3 （％）＝ａ×１００×（（Ｆａ3 −Ｆｒ3 ）／Ｆｒ
3 ）1/2 により、比例係数ａを１として見積もった。The inventor performed computer simulation using the finite element method for the piezoelectric transformer of the present invention. The analysis conditions were as follows: Pb (Ti, Z
r) Using O 3 , L 1 is 30 in the shape shown in FIG.
mm and the thickness of the piezoelectric substrate was 0.5 mm. Electromechanical coupling coefficient K 3 in electromechanical coupling factor K 1 and length longitudinal tertiary mode in length the longitudinal basic mode, the resonance frequency Fr 1 and antiresonant frequency Fa 1 length longitudinal basic mode, or length vertical 3 From the resonance frequency Fr 3 of the next mode and the anti-resonance frequency Fa 3 , the equation K 1 (%) = a × 100 × ((Fa 1 −Fr 1 ) / Fr
1 ) 1/2 K 3 (%) = a × 100 × ((Fa 3 −Fr 3 ) / Fr
3 ) The proportional coefficient a was estimated as 1 by 1/2 .
【００４２】図３に、低インピーダンス部の主面の長さ
方向における入力側分割電極２３ａ、２３ｂの長さＬ2
と主面の長さＬ1 の比（Ｌ2 ／Ｌ1 ）と、電気機械結合
係数の関係の解析結果を示す。図３（ａ）より、長さ縦
基本モードを利用した圧電トランスの場合はＬ2 ／Ｌ1
を４／１５以上とした場合において高い結合係数が得ら
れることが判る。一方、図３（ｂ）より、長さ縦３次モ
ードを利用した圧電トランスの場合はＬ2 ／Ｌ1 を３／
１５〜４／１５とした場合において高い結合係数が得ら
れることが判る。FIG. 3 shows the length L 2 of the input side split electrodes 23a and 23b in the length direction of the main surface of the low impedance portion.
The ratio of the length L 1 of the main surface (L 2 / L 1), shows the analysis result of the relationship between the electromechanical coupling coefficient. From FIG. 3A, in the case of the piezoelectric transformer using the longitudinal basic mode, L 2 / L 1
It can be seen that a high coupling coefficient can be obtained when is set to 4/15 or more. On the other hand, from FIG. 3B, in the case of the piezoelectric transformer using the third mode in the longitudinal vertical direction, L 2 / L 1 is set to 3 / L.
It can be seen that a high coupling coefficient is obtained when the ratio is 15 to 4/15.
【００４３】図４に、圧電基板２１の主面の長さＬ1 と
幅Ｗとの比（Ｌ1 ／Ｗ）と電気機械結合係数の関係の解
析結果を示す。解析条件としては、圧電材料としてＰｂ
（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ3 を用い、図１に示した形状において
Ｌ1 を３０ｍｍ、圧電基板の厚みを０．５ｍｍとして解
析した。図４（ａ）より、長さ縦基本モードを利用した
圧電トランスの場合はＬ1 ／Ｗを４以上とした場合に、
図４（ａ）より、長さ縦３次モードで作動する場合には
６以上とした場合に、結合係数が大きな値を示している
ことが判る。FIG. 4 shows an analysis result of the relationship between the ratio (L 1 / W) of the length L 1 to the width W (L 1 / W) of the main surface of the piezoelectric substrate 21 and the electromechanical coupling coefficient. The analysis conditions were Pb as the piezoelectric material.
Using (Ti, Zr) O 3 , analysis was performed with L 1 being 30 mm and the thickness of the piezoelectric substrate being 0.5 mm in the shape shown in FIG. From FIG. 4A, when L 1 / W is set to 4 or more in the case of the piezoelectric transformer using the length vertical fundamental mode,
From FIG. 4A, it can be seen that the coupling coefficient shows a large value when it is set to 6 or more when operating in the tertiary longitudinal mode.
【００４４】[0044]
【発明の効果】本発明の圧電トランスは、低インピーダ
ンス部の電極形状、圧電トランスの形状を、振動モード
に応じて最適化することで、出力電力を決定する要因と
なる電気機械結合係数を増大でき、更には高出力の圧電
トランスが実現できる。また、圧電トランスを積層構造
とすることにより負荷とのインピーダンス整合のコント
ロールも容易にでき、特性に優れ、工業的価値も大であ
る。According to the piezoelectric transformer of the present invention, the electrode shape of the low impedance portion and the shape of the piezoelectric transformer are optimized according to the vibration mode, thereby increasing the electromechanical coupling coefficient which is a factor for determining the output power. And a high-output piezoelectric transformer can be realized. Further, since the piezoelectric transformer has a laminated structure, the impedance matching with the load can be easily controlled, the characteristics are excellent, and the industrial value is great.
【００４５】また、本発明の圧電トランスは、単一の方
向に分極された圧電基板の両主面に入出力、グランド電
極を形成するため、容易に作成できる。また、基板の厚
さ方向に分極するため分極処理用の印加電圧を低くする
ことができ、基板全体を一様に分極するため分極処理も
非常に簡略化できる。また、圧電セラッミクス以外の圧
電性結晶を圧電トランスとして使用することもできる。
さらに、圧電基板には分極域に分極方向が異なる領域が
接するような界面が存在しないため、駆動時に応力集中
による圧電基板の破損、破壊の恐れがなく信頼性が向上
する。Further, the piezoelectric transformer of the present invention can be easily manufactured because input / output and ground electrodes are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate polarized in a single direction. Further, since the polarization is performed in the thickness direction of the substrate, the applied voltage for the polarization process can be reduced, and the polarization process can be greatly simplified since the entire substrate is uniformly polarized. Further, a piezoelectric crystal other than the piezoelectric ceramics can be used as the piezoelectric transformer.
Furthermore, since there is no interface in the piezoelectric substrate where regions having different polarization directions are in contact with the polarized regions, there is no risk of breakage or breakage of the piezoelectric substrate due to stress concentration during driving, and reliability is improved.
【図１】本発明の圧電トランスの構造を示す斜視図であ
る。FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a piezoelectric transformer of the present invention.
【図２】本発明の積層型の圧電トランスの構造を示す斜
視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a structure of a laminated piezoelectric transformer of the present invention.
【図３】本発明の圧電トランスの主面の長さと入力側分
割電極の長さの比に対する結合係数の関係を示すグラフ
である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient and the ratio of the length of the main surface of the piezoelectric transformer of the present invention to the length of the input-side split electrode.
【図４】本発明の圧電トランスの主面の長さと幅の比に
対する結合係数の関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a relationship between a coupling coefficient and a length-to-width ratio of a main surface of a piezoelectric transformer according to the present invention.
【図５】従来のローゼン型圧電トランスを示す斜視図で
ある。FIG. 5 is a perspective view showing a conventional Rosen-type piezoelectric transformer.
２１・・・圧電基板 ２３ａ、２３ｂ・・・入力側分割電極 ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ・・・グランド電極 ２５・・・出力側分割電極 ＩLa、ＩLb・・・低インピーダンス部 ＩH ・・・高インピーダンス部21: Piezoelectric substrate 23a, 23b: Input side split electrode 24a, 24b, 24c: Ground electrode 25: Output side split electrode I La , I Lb: Low impedance section I H ... High impedance section
Claims (5)
幅がＷである長方形板状の圧電基板と、該圧電基板の片
側主面に形成されたグランド電極と、他側主面に形成さ
れ、かつ、主面の長さ方向に所定間隔を置いて形成され
た３個の分割電極とを具備するとともに、該３個の分割
電極のうち両側の分割電極を入力側分割電極、中央の分
割電極を出力側分割電極とした圧電トランスであって、
前記主面の長さ方向における前記入力側分割電極の長さ
Ｌ2 と前記主面の長さＬ1 の比（Ｌ2 ／Ｌ1 ）が、長さ
縦基本モードで作動する場合には４／１５以上であり、
長さ縦３次モードで作動する場合には３／１５〜４／１
５であることを特徴とする圧電トランス。1. The method according to claim 1, wherein the two main surfaces are polarized in the thickness direction and have a length of L 1 ,
A rectangular plate-shaped piezoelectric substrate having a width of W, a ground electrode formed on one main surface of the piezoelectric substrate, and a ground electrode formed on the other main surface, and at predetermined intervals in the length direction of the main surface A piezoelectric transformer comprising: three divided electrodes formed, wherein the divided electrodes on both sides of the three divided electrodes are input-side divided electrodes, and the central divided electrode is an output-side divided electrode.
The ratio (L 2 / L 1 ) between the length L 2 of the input-side split electrode and the length L 1 of the main surface in the length direction of the main surface is 4 when operating in the length vertical basic mode. / 15 or more,
3/15 to 4/1 when operating in tertiary mode
5. A piezoelectric transformer, characterized in that:
（Ｌ1 ／Ｗ）が、長さ縦基本モードで作動する場合には
４以上であり、長さ縦３次モードで作動する場合には６
以上であることを特徴とする請求項１記載の圧電トラン
ス。The ratio (L 1 / W) of the length L 1 to the width W of the main surface of the piezoelectric substrate (L 1 / W) is 4 or more when operating in the length-longitudinal basic mode; 6 if operating in mode
2. The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein:
Ｌ1 ／６の位置を中心に形成されていることを特徴とす
る請求項１または２記載の圧電トランス。Wherein the input side dividing electrode according to claim 1 or 2, wherein the piezoelectric transformer, characterized in that it is formed around the position of the L 1/6 from the main surface end of the piezoelectric substrate.
成された３個の分割電極とそれぞれ対向した３個のグラ
ンド分割電極から構成されていることを特徴とする請求
項１乃至３のうちいずれかに記載の圧電トランス。4. The ground electrode comprises three ground electrodes, each of which is opposed to three split electrodes formed on the other main surface of the piezoelectric substrate. The piezoelectric transformer according to any one of the above.
よび／または出力側分割電極とグランド電極との間にお
ける圧電基板には、内部電極層が形成されていることを
特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の圧電
トランス。5. An internal electrode layer is formed on a piezoelectric substrate between an input-side split electrode and a ground electrode and / or between an output-side split electrode and a ground electrode. 5. The piezoelectric transformer according to any one of 1 to 4.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24450299A JP2001068753A (en) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | Piezoelectric transformer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24450299A JP2001068753A (en) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | Piezoelectric transformer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001068753A true JP2001068753A (en) | 2001-03-16 |
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ID=17119639
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24450299A Pending JP2001068753A (en) | 1999-08-31 | 1999-08-31 | Piezoelectric transformer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001068753A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001135875A (en) * | 1999-11-09 | 2001-05-18 | Tamura Seisakusho Co Ltd | Piezoelectric transformer |
| JP2002289937A (en) * | 2001-03-27 | 2002-10-04 | Kyocera Corp | Piezoelectric transformer and power source device |
-
1999
- 1999-08-31 JP JP24450299A patent/JP2001068753A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001135875A (en) * | 1999-11-09 | 2001-05-18 | Tamura Seisakusho Co Ltd | Piezoelectric transformer |
| JP2002289937A (en) * | 2001-03-27 | 2002-10-04 | Kyocera Corp | Piezoelectric transformer and power source device |
| JP4721540B2 (en) * | 2001-03-27 | 2011-07-13 | 京セラ株式会社 | Piezoelectric transformer and power supply device |
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