JP2002261349A

JP2002261349A - 圧電トランスおよびａｃ−ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2002261349A
Application number: JP2001059466A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Yamakawa; 孝宏山川; Kazumasa Asumi; 一将阿隅; Masayuki Watanabe; 雅幸渡邉; Ryoichi Fukunaga; 了一福永; Junko Seki; 順子関
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】周波数変換回路等を必要とせず、耐久性に優
れた圧電トランスを提供する。【解決手段】圧電トランス１０は積層体２１と拘束部
材２２からなる。入力部１０ａの圧電体層１１ａと出力
部１０ｂの圧電体層１１ｂとは厚みが異なり、入力部の
電極層１２ａを介して所定の交流電圧を圧電体層１１ａ
に印加したときに生ずる伸縮変位を拘束部材２２によっ
て抑制して出力部１０ｂに応力を発生させ、出力部１０
ｂの電極層１２ｂから出力電圧を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノート型パーソナ
ルコンピュータ等の携帯型電子機器に好適に用いられ、
好ましくは非共振周波数を用いて駆動される圧電トラン
スと圧電トランスを用いたＡＣ−ＤＣコンバータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄型で昇圧比の高い圧電トランス
が、液晶表示装置のバックライト点灯用電源等に用いら
れるようになってきている。このような圧電トランスと
しては、例えば、図３に示す圧電トランス３０のような
単板型構造のものが知られており、圧電トランス３０
は、矩形板状の圧電体３１の長手方向半分の一方がその
主面に入力用電極３２ａ・３２ｂが形成され、厚み方向
に分極された入力部（一次側）となっており、長手方向
半分の他方が、その端面に電極３２ｃが形成され、長手
方向に分極された出力部（二次側）となっている。

【０００３】このような圧電トランス３０の一般的な駆
動方法は、入力用電極３２ａ・３２ｂに共振周波数の電
気信号を入力して、出力部も含めた圧電トランス３０全
体を共振させるというものである。このときの共振振動
モードの代表例としては、圧電トランス３０の長手方向
長さをＬとすれば、長手方向の両端面からそれぞれＬ／
４の長さの位置に振動の節を生じさせるλ／２モードを
挙げることができ、λ／２モードで駆動する圧電トラン
ス３０を回路基板へ装着したり、またはケースに収納す
る際には、共振振動を阻害しないように振動振幅が小さ
い節の部分で保持する方法が用いられる。

【０００４】このように、圧電トランスは一般的に共振
周波数で駆動されるために、出力電圧も入力電圧の周波
数と同じ周波数の交流電圧として得られる。このため、
実際に圧電トランスを液晶表示装置等に組み込む場合に
は、圧電トランスから出力された交流電圧を直流電圧に
変換するための変換器が必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電ト
ランスの共振周波数は、圧電トランスの長さや利用する
振動モードにもよるが、おおよそ５０ｋＨｚ〜２００ｋ
Ｈｚであるのに対し、日本国を含めて一般的な商用周波
数は５０Ｈｚ〜６０Ｈｚであるため、商用周波数を共振
周波数に変換する回路が必要であった。また、圧電トラ
ンスは温度変化等によって共振周波数が微妙に変化する
ため、この変化に追従させるための回路等も必要とな
る。このため、従来は、圧電トランス制御用の専用ＩＣ
を組み込む必要があった。さらに、圧電トランスにおい
ては、振動の節の部分に大きな応力が発生することか
ら、この部分において破壊する危険性が高いという問題
がある。従って、このような圧電トランスを用いたＡＣ
−ＤＣコンバータは、付属回路等によって大型化する問
題があった。

【０００６】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、周波数変換回路等を必要と
せず、耐久性に優れた圧電トランスを提供することを目
的とする。また、本発明はこのような圧電トランスを用
いた小型のＡＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、圧電体層と電極層が交互に積層され、前記電極層を
介して隣接する圧電体層は電極層に垂直な方向において
互いに逆向きに分極されている積層体と、前記積層体の
積層方向における変位を抑制する変位抑制機構と、を具
備し、前記積層体は圧電体層の厚みを異ならしめた入力
部と出力部とを有し、前記入力部の電極層を介して入力
部の圧電体層に所定の交流電圧を印加したときに圧電体
層に生ずる伸縮変位を前記変位抑制機構によって抑制す
ることにより前記出力部に応力を発生させて、前記出力
部の電極層から出力電圧を得ることを特徴とする圧電ト
ランス、が提供される。

【０００８】また、本発明によれば、上記圧電トランス
を用いたＡＣ−ＤＣコンバータ、すなわち、圧電体層と
電極層が交互に積層された入力部と出力部とを有し、前
記入力部と前記出力部とでは圧電体層の厚みが異なる積
層体、および、前記積層体の積層方向における変位を抑
制する変位抑制機構を具備し、前記入力部に所定の交流
電圧を印加したときに入力部に生ずる伸縮変位を前記変
位抑制機構によって抑制することにより前記出力部に応
力を印加して、前記出力部から所定の交流出力電圧を得
る圧電トランスと、前記圧電トランスからの交流出力電
圧を直流電圧に変換する整流回路と、を具備することを
特徴とするＡＣ−ＤＣコンバータ、が提供される。

【０００９】本発明の圧電トランスは、圧電体層を積層
方向において伸縮振動させ、これによって生ずる応力を
利用して高電圧化や大電流化を行うため、駆動周波数の
制限がなく、これにより商用周波数を用いる場合におい
て、共振周波数への変換回路等の付属回路を必要としな
い。また、積層体は積層方向に掛かる応力に対しては優
れた機械的強度を有するために、圧電トランスの寿命の
長期化を図ることができる。さらに、従来の単板型の圧
電トランスは振動を抑制しないようにして保持する必要
があったが、本発明の圧電トランスは振動を抑制して駆
動するものであるため基板等への装着が容易である。さ
らにまた、本発明の圧電トランスを用いたＡＣ−ＤＣコ
ンバータは付属回路を有しないことから小型化が容易で
ある。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の圧電トランスに用いられ
る圧電体としては、圧電セラミックスや圧電性高分子等
の各種の圧電材料が挙げられ、その材質に制限はない
が、本実施の形態においては、圧電体として圧電セラミ
ックスを用いた場合について説明することとする。

【００１１】図１は本発明の圧電トランスの一実施形態
示した斜視図である。圧電トランス１０は、圧電体層１
１ａと電極層１２ａが交互に積層された入力部（一次
側）１０ａおよび圧電体層１１ｂと電極層１２ｂが交互
に積層された出力部（二次側）１０ｂからなる積層体２
１と、積層体２１の積層方向の伸縮変位を抑制する拘束
部材２２から構成されている。

【００１２】圧電トランス１０においては、入力部１０
ａと出力部１０ｂの厚み（積層方向の長さ）を同じとし
ている。また、圧電トランス１０は、昇圧用トランスと
して好適に用いることができるように、入力部１０ａの
圧電体層１１ａの厚みが圧電体層１１ｂの厚みよりも薄
く形成されており、従って、入力部１０ａにおける圧電
体層１１ａの積層数が、出力部１０ｂにおける圧電体層
１１ｂの積層数よりも多くなっている。

【００１３】入力部１０ａにおいて、電極層１２ａは一
層おきに接続されており、一対の電極１３ａ・１３ｂが
形成されている。また、出力部１０ｂにおいても、電極
層１２ｂも一層おきに接続されて一対の電極１４ａ・１
４ｂが形成されている。ここで、圧電トランス１０にお
いては、電極１３ｂと電極１４ｂとが接続され、入力用
電極および出力用電極として共用される共用電極１５と
なっている。この共用電極は、アース用電極として用い
られる。

【００１４】入力部１０ａにおいて、電極層１２ａを介
して隣接する圧電体層１１ａは電極層１２ａに垂直な方
向（積層方向）において互いに逆向きに分極されてお
り、出力部１０ｂについても同様に、電極層１２ｂを介
して隣接する圧電体層１１ｂは積層方向において互いに
逆向きに分極されている。なお、図１においては、全て
の圧電体層１１ａ・１１ｂについて分極の向きは示して
いない。

【００１５】拘束部材２２は積層体２１よりも高剛性、
高弾性の材料、例えば、金属またはセラミックス等から
なり、入力部１０ａに所定の電圧を印加したときに、入
力部１０ａに生ずる圧電体層１１ａの積層方向の伸縮変
位を抑制している。なお、拘束部材２２は、積層体２１
の積層方向において、積層体２１に所定の圧縮加重を加
えている状態とすることも好ましく、このように積層体
２１に圧縮加重を加えても、圧電トランス１０の性能は
何ら悪い影響を受けない。

【００１６】上記構造を有する圧電トランス１０は、例
えば、以下の方法を用いて作製することができる。すな
わち、最初に、所定の組成を有する圧電セラミックス粉
末、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミック
ス粉末を用いてセラミックスグリーンシート（以下「グ
リーンシート」という）を作製する。このグリーンシー
トの作製は、公知の方法、例えば、ドクターブレード法
や押出成形法、カレンダロール法等を用いることができ
る。

【００１７】ここで、グリーンシートを成形するにあた
っては、厚みの薄い圧電体層１１ａに対応する１種類の
厚みのグリーンシートを成形する手段と、厚みの異なる
圧電体層１１ａ・１１ｂのそれぞれに対応する２種類の
グリーンシートを成形する手段とがある。本実施形態で
は、１種類の厚みのグリーンシートを成形する場合につ
いて説明するものとする。

【００１８】こうして作製したグリーンシートを焼成収
縮や加工しろを考慮して打ち抜き加工または切り取り加
工等し、作製する圧電トランス１０の形状に適合した所
定形状のシートを作製する。ここで、作製する積層体２
１の積層方向端の面積が小さい場合には、後述する方法
によって作製された積層体から複数個の圧電トランス１
０が得られるように、シートの大きさを調節することも
好ましい。

【００１９】こうして得たシートを、電極を印刷するシ
ート（以下「印刷用シート」という）と、電極の印刷を
行わずに圧電体層の厚みを増すために用いるシート（以
下「増厚用シート」という）に分け、印刷用シートに、
例えば、銀／パラジウムや白金等の電極ペーストをスク
リーン印刷法等を用いて印刷する。ここで、電極ペース
トの印刷は、例えば、焼成後に２〜５μｍ程度となるよ
うに印刷厚みを調節し、また、形成される電極層をその
後に一層おきに接続することが容易となるように、印刷
するパターンを定めることが望ましい。

【００２０】次に、入力部１０ａとなる部分を形成する
ために、電極ペーストが印刷された印刷用シートを位置
合わせしながら所定枚数ほど積層する。次に、出力部１
０ｂとなる部分を形成するために、先に形成された入力
部１０ａとなる部分の上に、例えば、増厚用シートを１
０枚積層した後に印刷用シートを１枚積層するといった
ように、複数枚の増厚用シートと１枚の印刷用シートを
順次に積層する。こうして、入力部１０ａの圧電体層１
１ａと出力部１０ｂの圧電体層１１ｂの厚みに差を設け
ることができる。なお、最初に出力部１０ｂとなる部分
を増厚用シートと印刷用シートを積層して形成し、次に
入力部１０ａとなる部分を形成してもよい。

【００２１】印刷用シートと増厚用シートからなる積層
体を熱プレス等を用いて熱圧着し、一体化する。こうし
て一体化された積層体を所定の条件にて焼成すること
で、１枚の印刷用シートから圧電体層１１ａが形成さ
れ、複数枚の増厚用シートと１枚の印刷用シートから圧
電体層１１ｂが形成され、印刷用シートに印刷された電
極ペーストから電極層１２ａ・１２ｂが形成される。

【００２２】得られた焼成体の側面や表面に、必要に応
じて、研削加工や研磨加工を施して形状を整え、次い
で、銀ペースト等を用いて、入力部１０ａの電極層１２
ａを一層おきに接続して電極１３ａを、また出力部１０
ｂの電極層１２ｂを一層おきに接続して電極１４ａを、
入力部１０ａと出力部１０ｂの一層おきに残された電極
層１２ａ・１２ｂを接続して電極１５を形成し、所定の
温度で処理して銀ペースト等を焼き付ける。通常、この
銀ペースト等の焼き付け処理は焼成温度よりも低い温度
で行う。そして、必要に応じて形成された電極１３ａ・
１４ａ・１５にリード線を取り付ける。

【００２３】続いて、電極１３ａ・１５間に所定の電圧
を印加して入力部の分極処理を行い、その後に電極１４
ａ・１５間に所定の電圧を印加して出力部の分極処理を
行う。このとき、電極１３ａ・１４ａを高電位側とし、
電極１５をアース用として用いると、図１に示すよう
に、圧電体層１１ａ・１１ｂは電極１５に接続された電
極層から電極１３ａ・１４ａに接続された電極層へ向か
う方向に分極される。

【００２４】この分極処理においては、入力部の分極処
理において圧電体層１１ａに印加される電界の大きさ
と、出力部の分極処理において圧電体層１１ｂに印加さ
れる電界の大きさを等しくして、圧電体層１１ａ・１１
ｂが同等の圧電特性を有するようにする。なお、分極処
理は、圧電セラミックスのキュリー点より低い所定の温
度において所定時間行われ、入力部の分極処理と出力部
の分極処理はどちらを先に行ってもよい。

【００２５】分極処理された積層体２１を拘束部材２２
に接着剤等を用いて固定して、圧電トランス１０が作製
される。拘束部材２２として、３辺を構成するコの字型
部材に１辺を構成する板状部材を取り付ける構成のもの
を用いると、積層体２１に所定の圧縮応力を掛けなが
ら、拘束部材２２へ積層体２１を固定する作業を容易に
行うことができる。

【００２６】上述のようにして作製された圧電トランス
１０において、電極１３ａ・１５間に所定の交流電圧を
印加すると、入力部１０ａの圧電体層１１ａには積層方
向に伸縮する振動が生ずる。しかしながら、この伸縮振
動は拘束部材２２によって妨げられているために、出力
部１０ｂに、圧電体層１１ａが伸長しようとするときに
は圧縮応力が掛かり、また、圧電体層１１ａが縮もうと
するときには引張応力が掛かる。この応力によって出力
部１０ｂに所定の交流電圧が発生し、この交流電圧を電
極層１２ｂを介して電極１４ａ・１５により取り出すこ
とができる。

【００２７】このように圧電トランス１０は、入力部１
０ａに歪みを生じさせたときに出力部１０ｂに発生する
応力によって出力部１０ｂから所定の電圧を得るもので
あり、積層体２１の共振を利用するものではない。従っ
て、入力部１０ａに印加する電圧の周波数帯域は任意で
ある。しかしながら、例えば、共振周波数等のキロヘル
ツオーダー以上の高い周波数で駆動した場合には、圧電
セラミックスの有する誘電損失による発熱量が大きくな
る問題がある。

【００２８】このため、圧電トランス１０は、共振周波
数よりも低い周波数で駆動することが好ましい。具体的
には、５０Ｈｚや６０Ｈｚといった商用周波数の電圧を
そのまま利用することが可能であり、この場合には、従
来の共振を利用した圧電トランスと比較して、圧電トラ
ンス１０の駆動のための周波数変換装置を必要とせず、
また圧電トランス１０の共振周波数の温度変化等に追従
させるための回路も不要となる。こうして、駆動回路を
簡単なものとして軽量化、低コスト化が実現される。な
お、積層体２１は積層方向に掛かる応力に対しては優れ
た機械的強度を有しているため、圧電トランス１０は長
寿命であるという特徴をも有する。

【００２９】圧電トランス１０においては、入力部１０
ａと出力部１０ｂの積層方向長さが同じであり、かつ、
出力部１０ｂの圧電体層１１ｂの厚みが入力部１０ａの
圧電体層１１ａの厚みよりも厚くなっていることから、
エネルギーの変換損失がないと仮定すると、ほぼ圧電体
層１１ａ・１１ｂの厚み比（圧電体層１１ｂの厚み／圧
電体層１１ａの厚み）に相当する昇圧が可能となる。

【００３０】ここで、出力部１０ｂに発生する電圧の大
きさは、入力部１０ａで発生する歪みの大きさに依存す
るため、積層体２１における入力部１０ａの占有体積を
出力部１０ｂの占有体積に対して大きく取れば、大きな
歪みを小さな体積で受けることとなるため、より高い昇
圧が可能となる。また、出力部１０ｂの体積が不変の場
合には、出力部１０ｂを形成する圧電体層１１ｂの積層
数を少なくすることによっても、昇圧比を大きくするこ
とが可能である。

【００３１】圧電トランス１０は、上述の通り、所定周
波数の交流電圧を印加して、同周波数の交流電圧を得る
ものであることから、例えば、直流電圧を必要とする場
合には、この出力交流電圧を直流電圧に変換する必要が
ある。

【００３２】図２は、圧電トランス１０を用いたＡＣ−
ＤＣコンバータ５０の構成を示した説明図である。圧電
トランス１０は、上述の通り、共振周波数を用いて駆動
する必要がないことから、商用周波数電源を用いて駆動
する場合にも、周波数変換装置等を必要としない。この
ため、図２に示すように、ＡＣ−ＤＣコンバータ５０
は、整流素子（ダイオード）５１ａ・５１ｂとコンデン
サ５２からなるダイオード整流器６０を用いるだけで容
易に直流電圧を得ることが可能である。

【００３３】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるもので
はない。上記説明においては、圧電トランス１０を昇圧
用トランスとして用いた場合について説明したが、圧電
トランス１０において入力部１０ａと出力部１０ｂを逆
に用いる、つまり、厚みの厚い圧電体層１１ｂ側を入力
部として用い、厚みの薄い圧電体層１１ａ側を出力部と
して用いることによって、圧電トランス１０を電流増幅
用トランスとして用いることも可能である。この場合に
は、入力電圧に対して出力電圧は低下するが、電極層１
２ａ間の距離が短く、全体的な電極面積が広くなること
から、電極層１２ａはより多くの電荷を得て大きな電流
を取り出すことが可能となる。

【００３４】なお、圧電トランス１０を昇圧用トランス
として用いる場合または電流増幅トランスとして用いる
場合のいずれの場合においても、圧電体層１１ａ・１１
ｂの厚みの絶対値は、入力電圧の大きさや必要とされる
出力電圧の大きさ、または出力電流の大きさ等を考慮し
て、適宜、適切な値に定められる。

【００３５】また、上記実施の形態では、積層体２１は
グリーンシートを用いた一体焼成法により製造したが、
その他の方法、例えば、表裏主面に電極が形成された板
状の圧電体と金属箔とを交互に接着剤等を用いて積層し
て積層体を製造する方法を用いることもできる。この場
合には、接着剤が入力部で生じた歪みを吸収し難いよう
に、材質および接着厚みを制御する必要がある。さら
に、拘束部材２２は、例えば、圧電トランス１０を装着
する基板に設けられたものであってもよい。つまり、圧
電トランス１０は、使用時に積層体２１がその積層方向
で変位を拘束されていればよく、常に、積層体２１と拘
束部材２２が一体としてある必要はない。

【００３６】

【発明の効果】上述の通り、本発明の圧電トランスによ
れば、圧電体層を積層方向において伸縮振動させ、これ
によって生ずる応力を利用して高電圧化や大電流化を行
うため、駆動周波数に制限がない。従って、商用周波数
の電源を直接に駆動用電源として用いることが可能であ
り、この場合には、商用周波数から共振周波数への変換
回路等の付属回路を必要としないために、駆動回路を簡
単化して、軽量化と低コスト化が実現されるという効果
を奏する。また、積層体は積層方向に掛かる応力に対し
ては優れた機械的強度を有するために、圧電トランスの
寿命が長期化される効果が得られる。さらに、従来の単
板型の圧電トランスは振動を抑制しないようにして保持
する必要があったが、本発明の圧電トランスは振動を抑
制して駆動するものであるため基板等への装着が容易で
ある。本発明の圧電トランスを用いれば、小型で軽量の
ＡＣ−ＤＣコンバータが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電トランスの一実施形態を示す斜視
図。

【図２】本発明の圧電トランスを用いたＡＣ−ＤＣコン
バータの構成の一実施形態を示す説明図。

【図３】従来の単板型圧電トランスの構造を示す斜視
図。

【符号の説明】

１０；圧電トランス１０ａ；入力部１０ｂ；出力部１１ａ・１１ｂ；圧電体層１２ａ・１２ｂ；電極層１３ａ・１３ｂ・１４ａ・１４ｂ・１５；電極２１；積層体２２；拘束部材３０；単板型圧電トランス３１；圧電体３２ａ・３２ｂ；入力用電極３２ｃ；出力用電極５０；ＡＣ−ＤＣコンバータ５１ａ・５１ｂ；整流素子（ダイオード）５２；コンデンサ６０；ダイオード整流器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡邉雅幸千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者福永了一千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者関順子千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内Ｆターム(参考） 5H006 AA00 CB03 CC01 CC08 5H730 AA15 AS01 BB21 EE02 EE07 ZZ19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体層と電極層が交互に積層され、前
記電極層を介して隣接する圧電体層は電極層に垂直な方
向において互いに逆向きに分極されている積層体と、前記積層体の積層方向における変位を抑制する変位抑制
機構と、を具備し、前記積層体は圧電体層の厚みを異ならしめた入力部と出
力部とを有し、前記入力部の電極層を介して入力部の圧電体層に所定の
交流電圧を印加したときに圧電体層に生ずる伸縮変位を
前記変位抑制機構によって抑制することにより前記出力
部に応力を発生させて、前記出力部の電極層から出力電
圧を得ることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】前記積層体の共振周波数よりも小さい非
共振周波数で駆動されることを特徴とする請求項１に記
載の圧電トランス。
【請求項３】圧電体層と電極層が交互に積層された入
力部と出力部とを有し、前記入力部と前記出力部とでは
圧電体層の厚みが異なる積層体、および、前記積層体の
積層方向における変位を抑制する変位抑制機構を具備
し、前記入力部に所定の交流電圧を印加したときに入力
部に生ずる伸縮変位を前記変位抑制機構によって抑制す
ることにより前記出力部に応力を印加して、前記出力部
から所定の交流出力電圧を得る圧電トランスと、前記圧電トランスからの交流出力電圧を直流電圧に変換
する整流回路と、を具備することを特徴とするＡＣ−ＤＣコンバータ。