JP2002324923A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化しても、一次側と二次側の絶縁距離を
充分に保つことができ、各国で利用できる圧電トランス
を提供する。 【解決手段】 一次電極接続部（５Ａ、６Ａ）に交流電
圧を印加し、圧電基板（１４）全体に機械的振動の定在
波が励起させて、二次電極接続部（９Ａ、１０Ａ）から
変圧した交流電圧を発生させる。一次電極接続部（５
Ａ、６Ａ）と二次電極接続部（９Ａ、１０Ａ）は、定在
波の節となる部位に突設された絶縁性突条（１２）で画
されるので、機械的振動に影響することなく、両者間の
絶縁距離を充分に長くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器に電源を
供給するＡＣアダプターや、充電器に用いられるＤＣ−
ＤＣコンバータ、冷陰極線管のインバータ等に用いられ
る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、携帯電話機などの携帯電子機器の
普及に伴い、電源回路の小型化が求められている。従来
のスイッチング電源回路では、変圧器として電磁誘導を
原理とする電磁トランスが用いられているが、電磁トラ
ンスの小型化は、結合の低下、漏れ磁束の増加を招き、
電源回路の効率が低下するものであった。また、高周波
では、ヒステリシスによる損失、過電流による損失が増
大するものであった。

【０００３】そこで、高周波帯、特にＭ_ＨＺ帯で、出力
電力密度が従来の電磁トランスの数倍に達する圧電効果
を原理とする圧電トランスが、用いられるようになって
いる。図７は、この従来の圧電トランス１００を示すも
ので、それぞれ、同一の輪郭で矩形平板状に形成された
一次側圧電部１０１、絶縁部１０２及び二次側圧電部１
１１からなり、一次側圧電部１０１と二次側圧電部１１
１の対向する主面に絶縁部１０２を一体に固着した状態
で積層し圧電基板が形成される。

【０００４】一次側圧電部１０１は、ＰＺＴ系の圧電磁
器材料からなる圧電体層１０１ａを挟み、平板状の第１
入力電極１０４と第２入力電極１０５が、厚み方向に交
互に積層して構成されている。これにより、各圧電体層
１０１ａは、厚み方向に分極され、図に示すように、上
下に隣り合う圧電体層１０１ａ間は、互いに逆方向に分
極される。

【０００５】第１入力電極１０４と第２入力電極１０５
は、それぞれ一次側圧電部１０１の対抗する側面に露出
する一対の一次電極接続部１０６、１０６を介して、こ
れらの電極１０４、１０５間に交流電圧が印加されるよ
うになっている。

【０００６】また、二次側圧電部１１１も、一次側圧電
部１０１とほぼ同様の構成で、圧電材料からなる圧電体
層１１１ａを挟んで、平板状の第１出力電極１１４と第
２出力電極１１５が、厚み方向に交互に積層され、これ
により、上下に隣り合う圧電体層１１１ａ間は、互いに
厚み方向で逆方向に分極される。

【０００７】第１出力電極１１４と第２出力電極１１５
は、それぞれ二次側圧電部１１１の対抗する側面に露出
する一対の二次電極接続部１１６、１１６に接続し、二
次電極接続部１１６、１１６間に接続される負荷１２０
に変圧した交流電圧が出力される。

【０００８】絶縁部１０２は、例えば、上下に密着する
圧電体層１０１ａ、１１１ａと同一の圧電磁器材料で一
体に形成され、一次側圧電部１０１と二次側圧電部１１
１間の機械的振動を伝達するものである。

【０００９】この圧電トランス１００は、第１入力電極
１０４と第２入力電極１０５間に交流電圧を印加する
と、一次側圧電部１０１内に圧電逆効果で分極方向に厚
み縦振動が発生し、この機械的振動が、絶縁部１０２を
介して二次側圧電部１１１に伝わり、所定の共振周波数
で、機械的振動の定在波が励起される。この定在波によ
る二次側圧電部１１１の振動は、圧電正効果により、第
１出力電極１１４と第２出力電極１１５間に、交流電圧
となって現れる。

【００１０】このとき、一次側にある圧電体層１０１ａ
の１層当たりの厚みと、二次側にある圧電体層１１１ａ
の１層当たりの厚みの比は、電磁トランスの一次側と二
次側の等価巻線比に等しいので、これらの厚みを調整す
ることで、任意の等価巻線比を得ることができる。

【００１１】従って、この従来の圧電トランス１００に
よれば、小型で出力電力密度が高く、変圧効率にすぐれ
た変圧器が得られる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電磁ト
ランスに比べて、この種の圧電効果を利用する圧電トラ
ンス１００は、比較的近年に開発されたものであること
から、充分に普及し利用されているものではない。

【００１３】従って、保安上、圧電トランス１００の側
面に露出する一次電極接続部１０６と、二次電極接続部
１１６間の距離を所定距離以上と定める各国の安全規格
も、電磁トランスの一次巻線と二次巻線間の距離につい
て考慮して規定されているものである。

【００１４】一方、前述のように、圧電トランス１００
の大きさは、電磁トランスに比べて小型化が可能である
ことから、一次電極接続部１０６と二次電極接続部１１
６間の距離も接近し、小型化が可能な圧電トランスであ
っても上記安全規格の条件を満たせず、当該国で使用す
ることができないものであった。

【００１５】本発明は、上述問題に鑑みてなされたもの
で、小型化した圧電トランスであっても、一次側と二次
側の絶縁距離を充分に保つことができ、各国で利用でき
る圧電トランスを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述の目的に鑑み、請求
項１に係る圧電トランスは、両主面が平板状で、圧電材
料の圧電体層を介して第１入力電極と第２入力電極が積
層方向に沿って交互に配置された一次側圧電部と、両主
面が平板状で、圧電材料の圧電体層を介して第１出力電
極と第２出力電極が積層方向に沿って交互に配置された
二次側圧電部と、一次側圧電部と二次側圧電部の対向す
る主面間に一体に積層配置され、一次側圧電部と二次側
圧電部との全体で圧電基板が形成される絶縁部と、第１
入力電極と第２入力電極にそれぞれ接続し、第１入力電
極と第２入力電極を一次側圧電部の側面に引き出す一対
の一次電極接続部と、第１出力電極と第２出力電極にそ
れぞれ接続し、第１出力電極と第２出力電極を二次側圧
電部の側面に引き出す一対の二次電極接続部とを備え、
一次電極接続部の間に交流電圧を印加することにより、
圧電基板の全体で、積層方向に機械的振動の定在波を励
起させ、二次電極接続部間に交流電圧を発生させる圧電
トランスにおいて、圧電基板のいずれかの側面であっ
て、定在波の節となる部位に、絶縁性突条を突設すると
ともに、絶縁性突条で画した一側に一次電極接続部を露
出させ、他側に二次電極接続部を露出させることを特徴
とする。

【００１７】第１入力電極と第２入力電極間に所定共振
周波数の交流電圧が印加されると、圧電基板全体で、積
層方向に機械的振動の定在波が励起され、第１出力電極
と第２入力電極間に変圧した交流電圧が発生する。

【００１８】一次電極接続部と二次電極接続部は、絶縁
性突条で画されるので、その間の沿面距離は、安全規格
に規定する絶縁条件を満たす程度に充分長くなる。

【００１９】絶縁性突条は、定在波の節となる部位に突
設されるので、機械的振動に影響することなく、絶縁性
突条が形成される。

【００２０】請求項２の圧電トランスは、絶縁性突条
を、圧電体層と同一の圧電材料で、一体に形成したこと
を特徴とする。

【００２１】絶縁性突条は、圧電体層の成形工程で同時
に形成することができる。

【００２２】請求項３の圧電トランスは、同一の一次電
極接続部若しくは二次電極接続部に接続する少なくとも
一組の電極間を、圧電体層に貫通するスルーホールを介
して電気接続することを特徴とする。

【００２３】圧電体層を介して配置される電極間は、ス
ルーホールを介して電気接続するので、複数の電極を外
部に露出することなく、圧電基板内に配置できる。

【００２４】請求項４の圧電トランスは、圧電基板が、
一次側圧電部と二次側圧電部の各主面が平板の平面と直
交する厚み方向で、一次側圧電部と絶縁部と二次側圧電
部とが平板の平面の長手方向に沿って積層される複数の
ユニット板を、平面と背面に露出するユニット板間の電
極を接続させた状態で貼り合わせて形成されることを特
徴とする。

【００２５】複数のユニット板は、圧電基板の積層方向
と直交する方向に切断した形状に形成されるので、表面
若しくは背面の貼り合わせ面上に露出する導電パターン
で、圧電基板内に複数配置される電極間を電気接続する
ことができ、スルーホールを形成せずに、圧電基板内の
電極間を電気接続できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
圧電トランス１について、図１乃至図４を用いて説明す
る。圧電トランス１は、図１、図２に示すように、一次
側圧電部２、絶縁部３及び二次側圧電部４を積層させた
直方体状の圧電基板１４で構成される。

【００２７】下層に配置される一次側圧電部２は、両主
面を圧電基板１４の平面と平行とするもので、ＰＺＴ系
（チタンジルコン酸鉛）系の圧電磁器材料からなる圧電
体層２ａを挟み、平板状の３枚の第１入力電極５と、同
じく平板状の２枚の第２入力電極６が、厚み方向に交互
に積層して構成されている。この積層構造は、圧電体層
２ａとなる圧電磁器材料のシート両面に、第１入力電極
５と第２入力電極６となる導電材料を蒸着、スクリーン
印刷の後に焼成等で付着させて形成する。その後、電極
５、６が付着した圧電体層２ａを厚み方向に重ねて一体
化する。

【００２８】３枚の第１入力電極５間と、２枚の第２入
力電極６間は、それぞれ圧電体層２ａに穿設されたスル
ーホール７を介して電気接続され、これによって、各圧
電体層２ａは、厚み方向に分極され、上下で隣り合う圧
電体層２ａ間は、互いに逆方向に分極される。

【００２９】一次側圧電部２内に埋め込まれた第１入力
電極５と第２入力電極６は、それぞれ一次側圧電部２の
対抗する側面に引き出され、その側面に貼り付けられた
帯状の一次電極接続板５Ａ、６Ａに電気接続している。
一次電極接続板５Ａ、６Ａには、交流の入力電源８が接
続し、交流電圧が印加されるようになっている。

【００３０】上層の二次側圧電部４も、一次側圧電部２
と同様の構成で、圧電磁器材料からなる圧電体層４ａを
挟んで、平板状の２枚の第１出力電極９と２枚の第２出
力電極１０が、厚み方向に交互に積層され、これによ
り、上下に隣り合う圧電体層４ａ間は、互いに厚み方向
で逆方向に分極される。２枚の第１出力電極９間と２枚
の第２出力電極１０間は、それぞれ、一次側圧電部２と
同様に、圧電体層４ａに穿設されたスルーホール７を介
して接続される。二次側圧電部４の積層構造も、上記一
次側圧電部２と同様の工程で形成されるので、その説明
を省略する。

【００３１】二次側圧電部４に埋め込まれる第１出力電
極９と第２出力電極１０は、それぞれ、二次側圧電部４
の対抗する側面で、一次電極接続板５Ａ、６Ａが露出す
る上方に引き出され、その側面に貼り付けられた帯状の
二次電極接続板９Ａ、１０Ａに電気接続する。この二次
電極接続板９Ａ、１０Ａ間に接続される負荷１１に、圧
電トランス１で変圧した交流電圧が出力される。

【００３２】絶縁部３は、一次側圧電部２と二次側圧電
部４を絶縁するとともに、これらの間に連続的に機械的
振動が伝達するように作用するもので、ここでは、一次
側圧電部２と二次側圧電部４の圧電体層２ａ、４ａと同
一の圧電磁器材料で、直方体状に形成される。絶縁部３
は、上下で隣接する一次側圧電部２と二次側圧電部４に
固着され一体に積層される。

【００３３】このように構成された圧電トランス１の一
次電極接続板５Ａ、６Ａ間に所定共振周波数の交流電圧
を印加すると、分極方向に厚み縦振動が生じ、機械的振
動の定在波が生じるが、本発明では、この定在波による
変位が生じない位置、すなわち定在波の節となる位置に
絶縁性突条１２が突設される。

【００３４】以下、この定在波の節となる位置につい
て、図３と図４で説明する。これらの図に示すように、
圧電トランス１の圧電基板１４には、複数の異なる共振
周波数で、それぞれ異なるモードの定在波が生じる。

【００３５】図３は、圧電トランス１の厚み全体に半波
長の定在波が生じている一次モードにおいて、厚み方向
の各位置での変位と、厚み方向の各位置での応力を示す
説明図であり、図に示す一次モードでは、一次側圧電部
２と二次側圧電部４は、同時に伸縮し、厚み全体の中央
である絶縁部３の中央に定在波の節が生じる。

【００３６】また、図４は、更に高い共振周波数で、圧
電トランス１の厚み全体に一波長の定在波が生じている
二次モードでの厚み方向の各位置での変位と、厚み方向
の各位置での応力を示す説明図であり、一次側圧電部２
と二次側圧電部４は、交互に伸縮する。また、二次モー
ドでは、一次側圧電部２と二次側圧電部４の中間に、そ
れぞれ、定在波の節が生じる。

【００３７】振動応力は、圧電体層２ａ、４ａの電気機
械結合係数Ｋで定まる比例定数で、電気エネルギーに比
例するので、圧電トランス１による電力伝送において
は、圧電基板１４に生じる最大応力を有効に利用するこ
とが好ましく、本実施の形態では、一次側圧電部２と二
次側圧電部４の中間に最大応力が生じる二次モードで、
定在波を励起させている。

【００３８】従って、図１、図２に示すように、圧電ト
ランス１では、定在波の節が生じる一次側圧電部２と二
次側圧電部４の各中間位置の対向する側面に、圧電体層
２ａ、４ａと一体の絶縁性突条１２を突設させている。
絶縁性突条１２が突設される側面は、一次電極接続部５
Ａ、６Ａ及び二次電極接続部９Ａ、１０Ａが露出する側
面であり、一次電極接続部５Ａ、６Ａは、絶縁性突条１
２の下方に、二次電極接続部９Ａ、１０Ａは、絶縁性突
条１２の上方に露出するので、一次側と二次側の各電極
接続部間には、２本の絶縁性突条１２が介在し、表面に
沿ったこれらの接続部間の距離（沿面距離）が延び、安
全規格の条件を満たす充分な沿面距離が確保される。ま
た、各絶縁性突条１２は、定在波の節に相当する部位に
突設されるので、絶縁性突条１２が振動することによ
り、圧電トランス１の効率が低下することがない。

【００３９】尚、一次側圧電部２と二次側圧電部４の上
下表面である平面と底面には、共振周波数の微調整のた
めに、不活性層１３、１３が設けられている。

【００４０】圧電トランス１の一次電極接続板５Ａ、６
Ａ間に、二次モードの定在波が励起される共振周波数の
交流電圧を印加すると、二次電極接続板９Ａ、１０Ａ間
に、同じ周波数の交流電圧が発生する。二次側に発生す
る交流電圧は、二次電極接続板９Ａ、１０Ａ間接続され
る負荷１１や一次側の共振周波数により定まる。

【００４１】図５は、スルーホール７を用いずに圧電基
板１４を形成する本発明の第２実施の形態に係る圧電ト
ランス２０を示すもので、以下、図５、図６で、この圧
電トランス２０を説明する。これらの図において、第１
実施の形態に係る圧電トランス１と同一、若しくは同様
に作用する構成については、同一番号を付してその説明
を省略する。

【００４２】圧電トランス２０は、圧電基板１４の積層
方向と直交する方向に沿って切断して分割した薄板と、
それぞれ同じ構成となるように形成した複数のユニット
板２１を用いる。すなわち、図６に示すように、各ユニ
ット板２１、２１は、一次側圧電部２と二次側圧電部４
の各主面は、平板の平面２１ａに直交する厚み方向と平
行であり、また、一次側圧電部２と絶縁部３及び二次側
圧電部４は、平板の平面２１ａの長手方向に沿って積層
されたものとなっている。

【００４３】一次側圧電部２の５枚の第１入力電極５と
４枚の第２入力電極６は、圧電体層２ａを挟んで、櫛の
歯状に表面２１ａと背面に表れるが、それぞれ表面若し
くは背面に表れる導電パターン２２で電気接続される。
同様に、圧電体層４ａを挟み、櫛の歯状に表面２１ａと
背面に表れる二次側圧電部４の４枚の第１出力電極９と
４枚の第２出力電極１０も、それぞれ表面若しくは背面
に表れる導電パターン２２で互いに電気接続される。

【００４４】圧電基板１４は、このように構成されたユ
ニット板２１の各平面と背面を、他のユニット板２１と
の貼り合わせ面として、貼り合わせ面で対向するように
露出する各電極５、６、９、１０を電気接続させながら
貼り合わせて、ユニット板２１間を固着する。尚、貼り
合わせたユニット板２１の両側には、ユニット板２１と
同じ輪郭形状の絶縁ユニット板２３を貼り付け、各電極
５、６、９、１０が外部に露出しないようにしておく。

【００４５】その後、図５に示すように、圧電基板１４
の両側面で、絶縁性突条１２で画された左右の部位に、
各電極５、６、９、１０に接続する一次電極接続部５
Ａ、６Ａと二次電極接続部９Ａ、１０Ａを貼り付けて、
圧電トランス２０を形成する。

【００４６】この圧電トランス２０は、ユニット板２１
に、電極間を接続する導電パターン２２を形成しておく
ので、第１実施の形態に係る圧電トランス１のように、
スルーホール７を用いることなく、内部の電極間を電気
接続できる。

【００４７】本発明は、上述の実施の形態に限られるも
のではなく、例えば、絶縁部３は、圧電体層２ａ、４ａ
と同一の圧電材料で形成しているが、機械的振動を伝達
し、一次側と二次側を絶縁するものであれば、他の絶縁
材料で形成してもよい。

【００４８】また、絶縁性突条１２についても、絶縁材
料であれば、圧電材料以外の材料を用いてもよい。

【００４９】更に、二次モードでの定在波の節は、上記
のように２カ所の部位に生じるが、１カ所の節に絶縁性
突条１２を突設して、充分な沿面距離が得られれば、一
次側圧電部２と二次側圧電部４のいずれかの側面のみに
突設するものであってもよい。更に、二次モード以外の
定在波を励起するものであってもよく、各モードで生じ
る定在波の節のいずれかの部位に、絶縁性突条１２を形
成するものであればよい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、小型化しても、一次側と二次側の絶縁距離を充分
に保つことができる圧電トランスが得られる。

【００５１】また、機械的振動に影響することなく、一
次側と二次側を絶縁する絶縁性突条を形成できる。

【００５２】請求項２の発明によれば、これに加えて、
絶縁性突条を圧電トランスの製造工程で同時に形成でき
る。

【００５３】請求項３の発明によれば、これに加えて、
圧電基板の表面に露出することなく、一組の電極間を電
気接続できる。

【００５４】請求項４の発明によれば、これに加えて、
圧電体層にスルーホールを穿設することなく、圧電基板
内に埋め込まれる一組の電極間を電気接続できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電トランス１の縦断面図であ
る。

【図２】圧電トランス１の斜視図である。

【図３】圧電トランス１の厚み全体に半波長の定在波が
生じている一次モードでの、厚み方向の各位置での変位
と、厚み方向の各位置での応力を示す説明図である。

【図４】圧電トランス１の厚み全体に一波長の定在波が
生じている二次モードでの、厚み方向の各位置での変位
と、厚み方向の各位置での応力を示す説明図である。

【図５】本発明の第２実施の形態に係る圧電トランス２
０を示す斜視図である。

【図６】圧電トランス２０を構成するユニット板２１の
斜視図である。

【図７】従来の圧電トランス１００を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１、２０ 圧電トランス ２ 一次側圧電部 ２ａ 一次側圧電部の圧電体層 ３ 絶縁部 ４ 二次側圧電部 ４ａ 二次側圧電部の圧電体層 ５ 第１入力電極 ６ 第２入力電極 ５Ａ、６Ａ 一次電極接続部 ７ スルーホール ９ 第１出力電極 １０ 第２出力電極 ９Ａ、１０Ａ 二次電極接続部 １２ 絶縁性突条 １４ 圧電基板 ２１ ユニット板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両主面が平板状で、圧電材料の圧電体層
   （２ａ）を介して第１入力電極（５）と第２入力電極
   （６）が積層方向に沿って交互に配置された一次側圧電
   部（２）と、 両主面が平板状で、圧電材料の圧電体層（４ａ）を介し
   て第１出力電極（９）と第２出力電極（１０）が積層方
   向に沿って交互に配置された二次側圧電部（４）と、 一次側圧電部（２）と二次側圧電部（４）の対向する主
   面間に一体に積層配置され、一次側圧電部（２）と二次
   側圧電部（４）との全体で圧電基板（１４）が形成され
   る絶縁部（３）と、 第１入力電極（５）と第２入力電極（６）にそれぞれ接
   続し、第１入力電極（５）と第２入力電極（６）を一次
   側圧電部（２）の側面に引き出す一対の一次電極接続部
   （５Ａ、６Ａ）と、 第１出力電極（９）と第２出力電極（１０）にそれぞれ
   接続し、第１出力電極（９）と第２出力電極（１０）を
   二次側圧電部（４）の側面に引き出す一対の二次電極接
   続部（９Ａ、１０Ａ）とを備え、 一次電極接続部（５Ａ、６Ａ）の間に交流電圧を印加す
   ることにより、圧電基板（１４）の全体で、積層方向に
   機械的振動の定在波を励起させ、二次電極接続部（９
   Ａ、１０Ａ）間に交流電圧を発生させる圧電トランスに
   おいて、 圧電基板（１４）のいずれかの側面であって、定在波の
   節となる部位に、絶縁性突条（１２）を突設するととも
   に、 絶縁性突条（１２）で画した一側に一次電極接続部（５
   Ａ、６Ａ）を露出させ、他側に二次電極接続部（９Ａ、
   １０Ａ）を露出させることを特徴とする圧電トランス。
2. 【請求項２】 絶縁性突条（１２）は、圧電体層（２
   ａ、４ａ）と同一の圧電材料で、一体に形成したことを
   特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
3. 【請求項３】 同一の一次電極接続部（５Ａ、６Ａ）若
   しくは二次電極接続部（９Ａ、１０Ａ）に接続する少な
   くとも一組の電極（５、６、９、１０）間は、圧電体層
   （２ａ、４ａ）に貫通するスルーホール（７）を介して
   電気接続することを特徴とする請求項１又は２のいずれ
   か１項に記載の圧電トランス。
4. 【請求項４】 圧電基板（１４）は、一次側圧電部
   （２）と二次側圧電部（４）の各主面が平板の平面と直
   交する厚み方向で、一次側圧電部（２）と絶縁部（３）
   と二次側圧電部（４）とが平板の平面の長手方向に沿っ
   て積層される複数のユニット板（２１）を、平面と背面
   に露出するユニット板（２１）間の電極（５、６、９、
   １０）を接続させた状態で貼り合わせて形成されること
   を特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の圧
   電トランス。