JP2001284673A

JP2001284673A - 圧電トランス

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Publication number: JP2001284673A
Application number: JP2000095796A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Watabe; 嘉幸渡部; Hiroshi Kishi; 弘志岸; Yasuyuki Inomata; 康之猪又; Shigeo Ishii; 茂雄石井; Mitsuya Tsujikawa; 光也辻川
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-12
Also published as: US6445111B2; US20010040420A1

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱を抑制して大出力を得ることができる圧
電トランスを提供する。【解決手段】入力部１０のシート１４，１６の材料と
して、出力部２０のシート２４，２６よりも圧電定数ｄ
の大きな材料が用いられる。入力側では効率的な機械振
動が得られるとともに、出力側では機械振動が電気信号
に効率的に変換される。このため、損失が少なく、結果
的に発熱も低減されるようになり、大出力の圧電トラン
スを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンバータやアダ
プタなどに使用される圧電トランスに関するものであ
る。

【０００２】

【背景技術と発明が解決しようとする課題】圧電トラン
スは、電磁型のトランスと比較して小型，高効率のもの
を比較的容易に得ることができるという利点があり、液
晶ディスプレイのバックライト駆動用インバータなどに
昇圧用トランスとして利用されている。しかし、電源用
として汎用性の高いトランスとしては、昇圧型のものよ
りも降圧型のものが一般的である。

【０００３】一方、圧電トランスとしての好ましい態様
としては、出力が大きいこと，発熱が小さいこと，
小型であること，効率が高いこと，である。しかし
ながら、従来の圧電トランスで大出力を得ようとする
と、その発熱のために出力が低下してしまう。圧電トラ
ンスの出力Ｐは、変位の伝播速度ν，二次側の電気機械
結合定数ｋ，二次側の体積Ｖに対して、Ｐ∝ｋ^２＊ν^２
＊Ｖで表される。発熱が大きいと二次側の電気機械結合
定数ｋが低下するため、出力Ｐも低下するようになる。

【０００４】本発明は、以上の点に着目したもので、発
熱を抑制して大出力を得ることができる圧電トランスを
提供することを、その目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、圧電材料によるシートを積層した積層型
の圧電トランスであって、出力側の圧電材料よりも圧電
定数が大きな材料を、入力側の圧電材料として使用した
ことを特徴とする。他の発明は、圧電材料によって形成
した第１のシートに内部電極を形成するとともに、該内
部電極が第１の方向に交互に積層体から露出するように
引出部を形成して、前記第１のシートを複数積層した出
力部；該出力部よりも圧電定数が大きな圧電材料を使用
した第２のシートに内部電極を形成するとともに、該内
部電極が前記第１の方向と交差する第２の方向に交互に
積層体から露出するように引出部を形成して、前記第２
のシートを複数積層した入力部；を備えており、これら
出力部及び入力部を更に積層するとともに、この積層体
に、前記内部電極に接続する外部電極を形成したことを
特徴とする。

【０００６】主要な形態の一つは、前記入力部を、前記
出力部を挟むように積層したことを特徴とする。他の形
態は、前記圧電トランスを降圧型としたことを特徴とす
る。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の
詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【０００７】

【発明の実施の形態】＜発明の概要＞……最初に、本発
明の概要を説明する。圧電トランスでは、基本的に機械
振動の速度が出力の大きさを決める。大きな出力，すな
わち大きな振動速度を得るためには、圧電材として変位
の大きな高変位材料を用いることが望ましい。しかし、
一般的には、機械品質係数Ｑｍの大きな比較的変位が小
さく発電効率のよい高発電材料が多く用いられている。
これは、発電効率のよい圧電材料を使用することで、大
きな出力を小さな振動で得られるという要求に適合した
ためと思われる。

【０００８】ところで、本来的に圧電トランスは、例え
ばローゼン型の圧電トランスに見られるように、横振動
を用いる形状のものが多く、入力側と出力側を異なる材
料で形成することが困難とされている。

【０００９】しかし、圧電トランスの電気・機械・電気
変換のメカニズムに着目すると、入力側では電気信号が
機械振動に変換され、出力側では機械振動が電気信号に
変換される。従って、入力側では、電気信号が機械振動
に効率的に変換されることが望ましく、圧電材料として
は柔らかい材料が好ましい。一方、出力側では、機械振
動が電気信号に効率的に変換されることが望ましく、圧
電材料としては固い材料が好ましい。

【００１０】より具体的には、入力側は、電気信号を
変位に変換する部分に当たるので、低い電圧で大きな変
位の得られる材料がよい。圧電アクチュエータや発音体
に用いられている高変位材は、圧電変位定数ｄが大き
く、機械品質係数Ｑｍが低くいためにソフト材と呼ばれ
ており、入力側の圧電材として好適である。一方、出
力側は、機械振動を電気信号に変換する部分に当たるの
で、わずかな変位で大きな電気信号が得られる材料が望
ましい。高発電材は、機械品質係数Ｑｍが高く、出力側
の圧電材として好適である。

【００１１】以上の点をまとめると、次の表１のように
なる。

【００１２】このように、大出力の圧電トランスを得よ
うとすると、入力・出力間でそれぞれ異なる材料特性が
求められる。本発明は、入出力の役割を考慮し、圧電ト
ランスの入力側と出力側の材料の最適化を図り、入力側
に高変位材料を使用するとともに出力側に高発電材料を
使用することで、圧電体の振動速度の向上を図り、ひい
ては大出力を得ることができるようにしたものである。

【００１３】＜実施形態１＞……次に、図１〜図４を参
照しながら、本発明の実施形態１について説明する。本
実施形態の圧電トランスは、図１に積層状態を示すよう
に、入力部（励振側）１０が出力部（発電側）２０を挟
んだ積層型の構造となっている。まず、上下の入力部１
０から説明すると、例えば円形の内部電極１２が略中央
に形成されたシート１４，１６が２枚積層されている。
ただし、シート１４の内部電極１２には、図の背面方向
にシート端部まで延設された引出部１４Ａが設けられて
いる。また、シート１６の内部電極１２には、図の正面
方向にシート端部まで延設された引出部１６Ａが設けら
れている。すなわち、内部電極１２は、引出部１４Ａ，
１６Ａによって前後方向に引き出されている。

【００１４】出力部２０は、例えば円形の内部電極２２
が略中央に形成されたシート２４，２６が交互に多数積
層されている。例えば、シート２４，２６を、交互に６
層づつ，全体で１２層積層する。ただし、シート２４の
内部電極２２には、図の右方向にシート端部まで延設さ
れた引出部２４Ａが設けられている。また、シート２６
の内部電極２２には、図の左方向にシート端部まで延設
された引出部２６Ａが設けられている。すなわち、内部
電極２２は、引出部２４Ａ，２６Ａによって右左方向に
引き出されている。

【００１５】入力部１０と出力部２０との間には分離用
絶縁シート３０が積層されており、上下端には保護用絶
縁シート３２が積層されている。

【００１６】以上の各部のうち、入力部１０のシート１
４，１６としては、上述したように、誘電率ε及び圧電
定数ｄが大きく、機械品質係数Ｑｍが低くいＰＺＴグリ
ーンシートが使用される。一方、出力部２０のシート２
４，２６としては、上述したように、誘電率ε及び圧電
定数ｄが小さく、機械品質係数Ｑｍが高いＰＺＴグリー
ンシートが使用される。一方、内部電極１２，２２及び
引出部１４Ａ，１６Ａ，２４Ａ，２６Ａとしては、例え
ばＡｇとＰｄの合金が使用される。

【００１７】各シートは、図１に示すように積層した後
に圧着される。そして、脱バインダ及び焼成の処理後、
図２に示すように外部電極付けが行なわれる。この例で
は、入力部１０の引出部１４Ａが外部電極４０Ａに接続
され、引出部１６Ａが４０Ｂに接続される。また、出力
部２０の引出部２４Ａが４２Ａに接続され、引出部２６
Ａが４２Ｂに接続される。外部電極４０Ａ，４０Ｂ，４
２Ａ，４２Ｂとしては、例えばＡｇが使用される。次
に、形成した外部電極を利用して圧電材の分極処理が行
なわれる。例えば、外部電極４０Ａ，４０Ｂ間及び４２
Ａ，４２Ｂ間に、２kv／mmを１００℃で１０分印加する
ことで、分極を施す。このようにして、圧電トランス４
４が得られる。

【００１８】次に、以上のようにして得た本実施形態の
圧電トランスの特性の良否を検討するため、比較用サン
プルを得る。図３には、本実施形態のサンプルと比較用
のサンプルのシート構造が示されている。同図（Ａ）は
上述した本実施形態のサンプルで、入力部１０として高
変位材Ｓが使用されており、出力部２０として高発電材
Ｈが使用されている。同図（Ｂ）は比較例のサンプル
で、入力部１０として高発電材Ｈが使用されており、出
力部２０として高変位材Ｓが使用されている。ちょうど
（Ａ）と逆の関係となっている。同図（Ｃ）も比較例の
サンプルで、入力部１０及び出力部２０の全体が高発電
材Ｈとなっている。

【００１９】このような各サンプルについて電力の負荷
依存性を調べたところ、図４に示すような結果が得られ
た。同図中、横軸は負荷抵抗（Ω），縦軸は出力電力
（Ｗ）である。また、グラフＧＡ〜ＧＣは図３の（Ａ）
〜（Ｃ）にそれぞれ対応する。これらのグラフを比較す
れば明らかなように、本実施形態は、他の比較例のいず
れよりも高い出力電力が得られている。

【００２０】このように、本形態によれば、入力側の圧
電材料として、出力側よりも圧電定数ｄの大きな材料が
用いられるので、入力側では効率的な機械振動が得られ
るとともに、出力側では機械振動が電気信号に効率的に
変換される。このため、損失が少なく、結果的に発熱も
低減されるようになり、大出力の圧電トランスを得るこ
とができる。

【００２１】＜実施形態２＞……次に、図５及び図６を
参照しながら実施形態２について説明する。なお、上述
した実施形態１に対応する部分には、同一の符号を用い
る。図５には、本実施形態の積層構造が示されている。
同図において、入力部１０のシート５４上には、矩形の
内部電極５４Ａ〜５４Ｄがシートの前後端側に露出する
ように、適宜の間隔で形成されている。他のシート５６
上には、前記内部電極５４Ａ，５４Ｄに重なるように矩
形の内部電極５６Ａが形成されており、内部電極５４
Ｂ，５４Ｃに重なるように矩形の内部電極５６Ｂが形成
されている。

【００２２】一方、出力部２０のシート６４上には、矩
形の内部電極６４Ａ〜６４Ｄがシートの左右端に露出す
るように、適宜の間隔で形成されている。他のシート６
６上には、前記内部電極６４Ａ，６４Ｂに重なるよう
に、矩形の内部電極６６Ａが形成されており、内部電極
６４Ｃ，６４Ｄに重なるように矩形の内部電極６６Ｂが
形成されている。

【００２３】入力部１０と出力部２０との間には分離用
絶縁シート３０が積層されており、上下端には保護用絶
縁シート３２が積層されている。また、入力部１０のシ
ート５４，５６としては、上述したように、誘電率ε及
び圧電定数ｄが大きく、機械品質係数Ｑｍが低くいＰＺ
Ｔグリーンシートが使用される。一方、出力部２０のシ
ート６４，６６としては、上述したように、誘電率ε及
び圧電定数ｄが小さく、機械品質係数Ｑｍが高いＰＺＴ
グリーンシートが使用される。

【００２４】各シートは、図５に示すように積層した後
に圧着され、更に４分割に切断される。図６には、切断
時の様子が示されている。入力部１０は、同図（Ａ）に
ラインＬＡ，ＬＢで示すように切断される。このため、
シート５６の内部電極５６Ａ，５６Ｂが切断部分でシー
ト端から露出するようになる。一方、出力部２０は、同
図（Ｂ）にラインＬＡ，ＬＢで示すように切断される。
このため、シート６６の内部電極６６Ａ，６６Ｂが切断
部分でシート端から露出するようになる。以上のような
切断の後に、脱バインダ及び焼成の処理が行なわれ、図
２に示すように外部電極付けが行なわれて、圧電トラン
スが得られる。

【００２５】この実施形態２においても、内部電極形状
や積層体からの露出方向が異なるのみで、基本的には上
述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。

【００２６】＜実施形態３＞……次に、図７を参照しな
がら本発明の実施形態３について説明する。同図（Ａ）
において、圧電トランス１００の入力部１１０は、圧電
材１１２に内部電極１１４を交互に上下方向に積層して
圧着した構造となっている。内部電極１１４は、交互に
外部電極１１６，１１８に接続されている。一方、出力
部１２０は、圧電材１２２に内部電極１２４を交互に左
右方向に積層した構造となっている。内部電極１２４
は、交互に外部電極１２６，１２８に接続されている。
図示の例では、外部電極がいずれも圧電体の上下面に設
けられているが、側面に設けるようにしてもよい。入力
部１１０と出力部１２０は、絶縁用の結合材１３０によ
って結合されている。

【００２７】入力部１１０では、圧電材１１２として誘
電率ε及び圧電定数ｄが大きく、機械品質係数Ｑｍが低
くい材料が使用される。一方、出力部１２０では、圧電
材１２２として誘電率ε及び圧電定数ｄが小さく、機械
品質係数Ｑｍが高い材料が使用される。これらの点は、
上述した実施形態１，２と同様である。なお、本形態に
おいて、上下積層側を出力部とするとともに、左右積層
側を入力部とするようにしてもよい。もちろん、この場
合は、使用する圧電材料も取り換えるようにする。

【００２８】図７（Ｂ）の例は、同図（Ａ）の例と比較
して、入力部を左右方向の積層構造としたものである。
すなわち、入力部２１０は、圧電材２１２に内部電極２
１４を交互に左右方向に積層した構造となっている。内
部電極２１４は、交互に外部電極２１６，２１８に接続
されている。この例は、上述した実施形態１もしくは２
の全体形状が異なるものであると考えることもできる。

【００２９】＜他の実施形態＞……本発明には数多くの
実施形態があり、以上の開示に基づいて多様に改変する
ことが可能である。例えば、次のようなものも含まれ
る。（１）圧電シートや電極の形状，積層体に対する外部電
極の取り付け位置，圧電シートの積層数は、必要に応じ
て適宜変更してよい。（２）圧電材料や電極材料についても、公知の各種のも
のを使用してよい。（３）本発明は、大出力が得られるため、特に降圧型の
トランスに好適であるが、昇圧型のトランスに適用する
ことを妨げるものではない。すなわち、入力側のインピ
ーダンスを低く出力側のインピーダンスを高くすれば昇
圧トランスとなり、逆に、入力側のインピーダンスを高
く出力側のインピーダンスを低くすれば降圧トランスと
なる。このような制御は、積層構造を変更することで可
能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
出力側よりも圧電定数ｄの大きな圧電材料を入力側に用
いることとしたので、入力側では効率的な機械振動が得
られるとともに、出力側では機械振動が電気信号に効率
的に変換され、発熱の少ない大出力の圧電トランスを得
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の積層構造を示す図であ
る。

【図２】前記実施形態１の圧電トランスの外観を示す図
である。

【図３】前記実施形態１と比較例の使用材料の積層状態
を示す図である。

【図４】前記実施形態１と比較例の負荷依存性を示すグ
ラフである。

【図５】本発明の実施形態２の積層構造を示す図であ
る。

【図６】前記実施形態２の切断の様子を示す図である。

【図７】本発明の実施形態３を示す図である。

【符号の説明】

１０…入力部１２…内部電極１４，１６…シート１４Ａ，１６Ａ…引出部２０…出力部２２…内部電極２４，２６…シート２４Ａ，２６Ａ…引出部３０…分離用絶縁シート３２…保護用絶縁シート４０Ａ，４０Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ…外部電極４４…圧電トランス５４，５６…シート５４Ａ〜５４Ｄ，５６Ａ，５６Ｂ…内部電極６４，６６…シート６４Ａ〜６４Ｄ，６６Ａ，６６Ｂ…内部電極１００…圧電トランス１１０，２１０…入力部１１２，１２２，２１２…圧電材１１４，１２４，２１４…内部電極１１６，１２６，２１６…外部電極１２０…出力部１３０…結合材Ｈ…高発電材Ｓ…高変位材ＬＡ…ライン

フロントページの続き (72)発明者猪又康之東京都台東区上野６丁目16番20号太陽誘電株式会社内 (72)発明者石井茂雄東京都台東区上野６丁目16番20号太陽誘電株式会社内 (72)発明者辻川光也東京都台東区上野６丁目16番20号太陽誘電株式会社内Ｆターム(参考） 5H730 AA14 AS05 AS15 EE48 ZZ19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電材料によるシートを積層した積層型
の圧電トランスであって、出力側の圧電材料よりも圧電定数が大きな材料を、入力
側の圧電材料として使用したことを特徴とする圧電トラ
ンス。
【請求項２】圧電材料によって形成した第１のシート
に内部電極を形成するとともに、該内部電極が第１の方
向に交互に積層体から露出するように引出部を形成し
て、前記第１のシートを複数積層した出力部；該出力部
よりも圧電定数が大きな圧電材料を使用した第２のシー
トに内部電極を形成するとともに、該内部電極が前記第
１の方向と交差する第２の方向に交互に積層体から露出
するように引出部を形成して、前記第２のシートを複数
積層した入力部；を備えており、これら出力部及び入力部を更に積層するとともに、この
積層体に、前記内部電極に接続する外部電極を形成した
ことを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】前記入力部を、前記出力部を挟むように
積層したことを特徴とする請求項２記載の圧電トラン
ス。
【請求項４】入力電圧が出力電圧よりも高い降圧型と
したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
圧電トランス。