JP2006041150A

JP2006041150A - 圧電トランス

Info

Publication number: JP2006041150A
Application number: JP2004218314A
Authority: JP
Inventors: Iesato Sato; 家郷佐藤
Original assignee: Meisei Electric Co Ltd
Current assignee: Meisei Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】圧電体に圧電セラミックを用いた圧電トランスでは、故障し易く、耐圧電圧及び駆動周波数も低く、小型軽量化及び高効率化に限界があり、更なる改良が望まれていた。
【解決手段】圧電体1に入力用の電極2、3と出力用の電極4を形成した振動子6を有し、入力用の電極2、3に交流信号を印加することにより振動子6を励振させて出力用の電極4から出力信号を出力させる圧電トランスにおいて、圧電体1は、高分子圧電材料によりシート状に形成されていて、該圧電体を一層又は複数層支持して見かけ上の機械的品質係数を高める支持体5を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は機械―電気エネルギー変換素子としての圧電体に高分子圧電材料を用いた圧電トランスに関する。

圧電トランスとして、圧電振動子を矩形平板形状に形成したローゼンタイプの圧電トランスがある（特許文献１）。

図５は、ローゼンタイプのλモード圧電トランスに用いられる圧電振動子の基本構成及び入出力回路を示した外観斜視図である。

この圧電振動子は、矩形平板形状に形成された圧電セラミックスからなる圧電体１００の長手方向における片半分部の表裏面に厚さ方向で対向する一対の入力用表面電極１０１、１０２を形成すると共に、入力用表面電極１０１、１０２の形成される該片半分部とは反対側の長手方向における他方の片半分部の厚さ方向と平行な端面に出力用表面電極１０３を形成して構成されている。

この圧電振動子は、圧電体１００における対向する一対の入力用表面電極１０１、１０２の間を矢印で示すように厚さ方向に分極処理して該一方の片半分部を駆動入力部とし、出力用表面電極１０３から入力用表面電極１０１、１０２の対向する部分までの間を矢印で示すように長さ方向に分極処理して該他方の片半分部を高電圧出力部としている。

このような圧電振動子を用いた圧電トランスでは、駆動入力部における入力用表面電極１０１、１０２に、圧電体１００の長手方向におけるλ共振モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の入力電圧を駆動回路１０４により印加すると、入力用表面電極１０１、１０２と出力用表面電極１０３の間には圧電縦効果により電圧が発生する。

ここで、入力用表面電極１０１、１０２に印加した入力電圧、並びに入力用表面電極１０１、１０２と出力用表面電極１０３との間に発生した出力電圧の関係について説明すると、一対の入力用表面電極１０１、１０２が対向する間隔は入力用表面電極１０１、１０２と出力用表面電極１０３３との間隔に比べ十分に小さく、しかも入力用表面電極１０１、１０２の面積は出力用表面電極１０３の面積より十分に大きいため、入力側の静電容量は出力側の静電容量に比べて十分大きな値となる。従って、圧電トランスでは、入力側の駆動入力部において低い入力電圧を印加して圧電振動子を振動させた場合、負荷１０５の接続された出力側の高電圧出力部において入力側の電極間隔と入力側電極及び出力側電極間の間隔との比、及び入出力側の静電容量の比に反比例した大きな出力電圧が発生する。
特開２００３−１７７７１号公報

上記した従来の圧電トランスを構成する圧電振動子は、圧電体１００として圧電セラミックス材を使用していることから、耐圧が２０００Ｖ程度と低く、割れ易く、駆動周波数の使用範囲が１００ｋＨｚ台までと制限され、また１００ｋΩ以下の負荷インピーダンスでなければ効率が数％台まで低下する。

また、航空機あるいは人工衛星などの電源として圧電トランスを使用する場合には、小型軽量で、高効率化が望まれ、しかも故障がなく、広範囲にわたる出力電圧の確保が望まれていた。また、液晶パネルのバックライトの電源とする場合にも同様に小型軽量化等の要望があった。

本発明は、このような課題を解決し、信頼性が高く、小型軽量で高効率化が達成でき、出力電圧の高電圧化を実現できる圧電トランスを提供することを目的とするものである。

本発明の目的を実現する第１の発明は、請求項１に記載のように、圧電体に入力用の電極と出力用の電極を形成した振動子を有し、該入力用の電極に交流信号を印加することにより該振動子を励振させて該出力用の電極から出力信号を出力させる圧電トランスにおいて、前記圧電体は、高分子圧電材料によりシート状に形成されていて、該圧電体を一層又は複数層支持して見かけ上の機械的品質係数を高める支持体を有することを特徴とする。

本発明の目的を実現する第２の発明は、請求項２に記載のように、上記した第１の発明で、前記支持体は、前記圧電体が固着されていて、緊張させたテンションシートであることを特徴とする。

本発明の目的を実現する第３の発明は、請求項３に記載のように、上記した第１の発明で、前記支持体は、前記圧電体が固着されていて、剛性を有する基板であることを特徴とする。

本発明の目的を実現する第４の発明は、請求項４に記載のように、上記した第３の発明で、前記支持体は、支持する圧電体と一体に共振すると共に、共振振動の振幅が拡大する形状に形成されていることを特徴とする。

振動子を例えば駆動周期の一波長（λ）分の長さを持つ二次ローゼン型とすると、駆動周波数が１３０ｋHzで圧電体の長手方向長さが２４ｍｍ程度になる。このことから、駆動周波数を1.3ＭHzとすると、圧電体１の長手方向の長さは単純に2.4ｍｍとなる。

圧電セラミックスからなる従来の圧電体では、前述したように駆動周波数１００ｋHz台までで、１００ｋΩ以下の負荷インピーダンスでなければ効率が数％台まで低下する。これに対し、高分子圧電材料製の圧電体では、比誘電率が圧電セラミックスの場合に比べて非常に小さいため、高周波駆動が可能となり、且つ高インピーダンス負荷時で効率の低下を招くことなく駆動することが可能となるが、機械的品質係数が極めて小さいため、圧電トランスにおける圧電体の材料としては不向きであるとされていた。しかし、高分子圧電材料製の圧電体を支持体で支持し機械的品質係数を見かけ上高めることにより、高周波駆動を実現することが可能となった
このため、ＭHzオーダという高い駆動周波数での駆動が可能となり、併せて圧電体の小型軽量化が図れることになる。また、ＭHzオーダという高い駆動周波数での駆動が可能となることから、例えば直流出力が必要な場合、検波出力にフィルターをかける電気フィルターの小型化及び出力リップルの微小化（低下）が可能となる。

第１の実施の形態
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態を示す圧電トランスの斜視図、（ｂ）は振動子の斜視図である。

本実施の形態は、圧電トランスの振動子を構成する圧電体１として、高分子圧電材料を使用している。高分子圧電材料からなる圧電体１は、フィルム状に形成されていて、本実施の形態ではこれを矩形形状に形成したものを使用している。フィルム状の矩形片である圧電体１は、このままの状態では曲げ等の剛性が殆どないので、圧電セラミックス製の圧電体のように駆動回路より共振周波数で交流電圧が印加されても共振しにくく、所謂Ｑ_ｍ値が非常に低い特性を有している。

圧電体の材料として、高分子圧電材料と、従来用いられている圧電セラミックスとの特性を下記の表１に示す。

高分子圧電材料としては本実施の形態で使用するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、
圧電セラミックスとしてはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）とチタン酸バリウム（BaTiO3）を示す。

高分子圧電材料であるＰＶＤＦは、耐電圧性を示す圧電応力定数ｇ₃₁が２１６と圧電セラミックスの１０に比べて約２０倍と高く、また高分子圧電材料であるＰＶＤＦは比誘電率が１２と圧電セラミックスの１２００に比べて１/１００と低く、高周波駆動が可能となり、且つ高インピーダンス駆動が可能となる。

なお、機械的品質係数Ｑ_ｍはＰＶＤＦが１０と低く、ＰＺＴが２０００と非常に大きいことも事実であり、この点より圧電トランスには不向きであると考えられていた。

本発明は、高分子圧電材料製の圧電体に外力を加えることで機械的品質係数Ｑ_ｍを高めるようにしており、本第１の実施の形態では、細長い平板形状に形成した高分子圧電材料製の圧電体１に対し、長手方向を２分する一方の片半部分１Ａの両面に一対の入力用表面電極２、３を形成し、また他方の片半部分１Ｂの長手方向の端面に出力用表面電極４を形成している。また、圧電体１には、一方の片半部分１Ａに対して図５の従来例と同様に厚み方向を分極方向とする分極処理を行い、他方の片半部分１Ｂには長手方向を分極方向とする分極処理を行なっている。

以上のように構成した圧電体１をその長手方向を帯状のテンション伝達フィルム（以下テンションシートと称す）５の長手方向に合わせ、接着剤などで圧電体１をテンションシート５上に固着する。

このように、テンションシート５上に圧電体１を固着した構成を振動子６とし、この振動子６を枠体７にテンションを掛けて固定する。具体的には、振動子６のテンションシート５の長手方向両端部を矩形フレーム形状に形成した枠体７の長手方向両端部の短辺枠部７Ａ、７Ｂに固定する。

枠体７内に固定された振動子６は、テンションシート５にその長手方向両側に向けてテンションが掛けられているので、高分子圧電材料製のフィルム状の圧電体１はその長手方向において緊張にあるため、圧電体１の厚み方向及び長手方向における剛性が飛躍的に増し、その結果圧電体１の厚み方向及び長手方向における機械的品質係数Ｑ_ｍは高くなる。テンションシート５のテンションを強くすると機械的品質係数Ｑ_ｍも高くなるので、テンションシート５のテンションを調節することで所望する機械的品質係数Ｑ_ｍとすることが可能となる。

このような高分子圧電材料製の圧電体１をテンションシート５に固着した圧電振動子６を枠体７にテンションを掛けて取り付けた圧電トランスでは、圧電体１は支持体であるテンションシート５に支持され、駆動入力部における入力用表面電極２、３に、圧電体１の長手方向におけるλ共振モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の入力電圧を駆動回路１０４により印加すると、圧電振動子６は一種の弦として作用し振動する。そして、入力用表面電極２、３と出力用表面電極４との間には圧電縦効果により電圧が発生する。

ここで、圧電振動子を例えば駆動周期の一波長（λ）分の長さを持つ二次ローゼン型とすると、駆動周波数が１３０ｋHzで圧電体１の長手方向長さが２４ｍｍ程度になる。このことから、駆動周波数を1.3ＭHzとすると、圧電体１の長手方向の長さは単純に2.4ｍｍとなる。

圧電セラミックスからなる従来の圧電体では、前述したように駆動周波数１００ｋHz台までで、１００ｋΩ以下の負荷インピーダンスでなければ効率が数％台まで低下するが、高分子圧電材料製の圧電体１では、表１に示すように、比誘電率が圧電セラミックスの場合に比べて百分の１と非常に小さいため、高周波駆動が可能となり、且つ高インピーダンス駆動が可能となる。

このため、ＭHzオーダという高い駆動周波数での駆動が可能となり、併せて圧電体の小型軽量化が図れることになる。また、ＭHzオーダという高い駆動周波数での駆動が可能となることから、例えば直流出力が必要な場合、検波出力にフィルターをかける電気フィルターの小型化及び出力リップルの微小化（低下）が可能となる。

なお、本実施の形態ではテンション伝達フィルム５を帯状に形成し、その長さ方向の両端部を互いに反対方向に向けて引っ張るようにして枠体７に固定しているが、さらにテンション伝達フィルム５の対向する長手方向の両端を互いに反対方向に向けて引っ張るようにして枠体７の幅方向両端部の長辺枠部７Ｃ、７Ｄに固定することにより、圧電体１の厚み方向、長手方向及び該長手方向と直交する幅方向の互いに直交する３軸方向における剛性が大きくなり、見かけ上の機械的品質係数Ｑ_ｍがより一層高くなる。また、このように圧電体１に対して直交する３軸方向における見かけ上の機械的品質係数Ｑ_ｍを高めることにより、圧電体１に形成する振動を上記した厚み方向の伸縮変位及び長手方向の伸縮変位に伴う振動以外の方向からの振動を形成することができる。

第２の実施の形態
上記した第１の実施の形態では、圧電体１をテンションシート５に固着し、このテンションシート５にテンションを与えることにより圧電体１の剛性を高め、見かけ上の機械的品質係数Ｑ_ｍを高めているが、高分子圧電材料製の圧電体１に対して見かけ上の機械的品質係数Ｑ_ｍを高める方法として、機械的品質係数Ｑｍの高い支持体としての基板上に高分子圧電材料製の圧電体１を接着剤等で固着しても、第１の実施の形態と同様に圧電体１の見かけ上の機械的品質係数Ｑ_ｍを高めることができる。

図２は本発明の第２の実施の形態を示す振動子の斜視図である。

図２において、本実施の形態における高分子材料製の圧電体２１は、高硬度マシナブルセラミックスなどの高い機械的品質係数Ｑ_ｍを有する材料で形成した基板２２上に接着剤などで固着されて振動子２３を構成している。

圧電体２１は、基板２２上に固着されることで見かけ上の機械的品質係数Ｑ_ｍが飛躍的に高くなり、この圧電体２１自体は厚みが薄いので、厚み方向及びこの厚み方向に対して互いに直交する他の２軸方向における機械的品質係数Ｑ_ｍが高くなる。振動子２３は長手方向に平面Ｕ字形状の切欠部２４が形成され、この切欠部２４の幅方向両側に対向する一対の分岐部２５、２６が形成されている。

圧電体２１は、第１の実施の形態と同様に、長手方向の一方の片半部分２１Ａの表裏面に入力用表面電極２７、２８が形成されており、この一方の片半部分２１Ａは上述の分岐部２５、２６に該当する。また、圧電体２１の他方の片半部分の長手方向の端面に出力用表面電極２９が形成されている。

本実施の形態において、圧電体２１の厚み方向における表裏面に形成された対向する一対の入力用表面電極２７、２８は、一対の分岐部２５と２６にそれぞれ形成されており、入力電圧を駆動回路１０４により各分岐部２５と２６に形成した一対の入力用表面電極２７、２８に印加すると、この一対の入力用表面電極２７、２８の形成面における分極処理方向が厚み方向であることから、各分岐部２５と２６の厚み方向の変位に伴い、ポアソン比により該厚み方向と直交する矢印ａ方向に振動が形成される。この振動子２１は図２に示すように音叉形状に形成されているので、各分岐部２５、２６の矢印ａ方向の振動は拡大されることになり、その分出力電圧も高くなる。

第３の実施の形態
図３は本発明の第３の実施の形態を示す。

上記した第２の実施の形態では、高分子圧電材料製の圧電体２１を音叉形状の支持体としての基板２２に固着し、音叉形状の振動子を形成するようにしているが、本実施の形態では、高分子圧電材料製の矩形平板形状に形成した圧電体３１を高硬度マシナブルセラミックスなどの高い機械的品質係数Ｑ_ｍを有する材料で形成したＵ字形状の支持体としての基板３２に接着剤などで固着して振動子２３を構成している。

圧電体３１は、基板３２の一方の先端部の外表面に接着剤などで固着されている。上述した各実施の形態と同様に、圧電体３１の一方の片半部分には表裏面に入力用表面電極３３、３４が形成され、圧電体３１の他方の片半部分の長手方向の端面に出力用表面電極３５を形成して振動子３６を構成している。

本実施の形態の場合は、基板３２は、Ｕ字形状（立体馬蹄形）に形成されているため、第２の実施の形態の基板２２と同様に共振体として作用し、振動子３６を共振周波数で振動させる。

本実施の形態の場合も上記した各実施の形態と同様に高分子圧電材料製の圧電体３１の機械的品質係数Ｑ_ｍを見かけ上高めることができ、振動子３６の振動振幅を大きくすることができるので、上記の各実施の形態と同様に、ＭHzオーダという高い駆動周波数での駆動が可能となり、併せて圧電体の小型軽量化が図れることになる。また、ＭHzオーダという高い駆動周波数での駆動が可能となることから、例えば直流出力が必要な場合、検波出力にフィルターをかける電気フィルターの小型化及び出力リップルの微小化（低下）が可能となる。

第４の実施の形態
図４は本発明の第４の実施の形態を示す。

本実施の形態は、例えば図１に示した圧電体を複数枚積層して構成した積層振動子にテンションを与えることにより、該積層振動子を構成する複数の圧電体の機械的品質係数Ｑ_ｍを見かけ上高めるようにしている。また、積層振動子に与えるテンションを調節可能としている。以下に具体的な構成を図４を参照して説明する。

積層振動子４０は、矩形平板形状に形成した高分子圧電材料製の圧電体４１を厚み方向に積層したもので、各圧電体４１は一方の片半部分の上面に入力用表面電極４２を接着剤などで固着すると共に、他方の片半部分の長手方向端面に出力用表面電極４３を接着剤などで固着している。そして、上記複数の圧電体４１をその入力用表面電極４２を上面にして重ね合わせ、接着剤などで上下の圧電体４１同士を固着している。なお、最下層の圧電体４１の下面にのみ、入力用表面電極４２を形成している。

その際、上部の圧電体４１の下面と、下部の圧電体４１の上面に形成されている入力用表面電極４２が当接し、この入力用表面電極４２はその上下の圧電体４１の下面と上面に位置する電極の両方を兼用する。この場合、上下に離隔して配置された複数の入力用表面電極４２のうち、上方から下方に向けて奇数番目と偶数番目の２つのグループに入力用表面電極４２を分け、奇数番目の入力用表面電極４２の第１グループと、偶数番目の入力用表面電極４２の第２グループとを夫々一まとめにして接続するために、各入力用表面電極４２が外部に露出している端面を第１グループ用導電体（不図示）と、第２グループ用導電体（不図示）に接続する。また、複数の出力用表面電極４３については、これらの電極が外部に露出している端面を第３グループ用導電体からなる出力電極４４で一括して接続している。

なお、この第１グループ用導電体と第２グループ用導電体に駆動回路１０４からの交流電圧を印加する。その際、積層されている複数の圧電体４１の厚み方向における収縮動作が奇数番目と偶数番目で反対動作とならないように、奇数番目と偶数番目の圧電体４１の分極方向を厚み方向において逆方向としている。

このように構成した積層振動子４０の上面及び下面を帯状に形成した支持体としてのテンションシート４５、４６に接着剤などで固着する。また、上下のテンションシート４５と４６の両端部には、積層振動子４０の厚みと同じ厚みを有する金属製の直方体に形成されたブロック部材４７、４８が接着剤などで固着され、このブロック部材４７、４８を上下のテンションシート４５、４６の長さ方向に沿って反対方向に引っ張ると、この上下のテンションシート４５と４６には同じ張力が付与され、積層圧電素子４０の厚み方向における剛性が均一となり、高い機械的品質係数Ｑ_ｍが得られる。

振動子４０を取り付けた上下のテンションシート４５、４６は、矩形フレーム形状に形成された剛性を有する枠体４９内に配置され、一方のブロック部材４７が枠体４９を構成する長手方向の一方の短辺枠部４９Ａにねじ等で固定される。また他方のブロック部材４７には複数のねじ孔（不図示）が長手方向に沿って形成され、この他方のブロック部材４７に対向する枠体４９の他方の短辺枠部４９Ｂには、他方のブロック部材４７に形成されている複数のねじ孔に正対してテンションビス（不図示）が挿通されるビス孔５０が形成されている。

他方のブロック部材４７の外方から不図示のテンションビスをそれぞれ前記ビス孔５０に挿通し、これらのテンションビスを他方のブロック部材４７のねじ孔に螺合させる。そして、これらのテンションビスを締め付けるに従って、上下一対のテンションシート４５、４６に与えられる張力が大きくなる。したがって、前記複数のテンションビスの締め付け量を調節することで、高分子圧電材料製の積層振動子４０の見かけ上の機械的品質係数Ｑ_ｍを高くすることができる。

なお前記第１グループ用導電体を上テンションシート４５の表面に形成した駆動側の第１電極５１に接続し、同様に前記第２グループ用導電体を下テンションシート４６の表面に形成した駆動側の第２電極（不図示）に接続し、この駆動側の第１電極５１と第２電極に駆動回路１０４（図５参照）のリード線５２、５３を接続させている。また、出力電極４４に出力側のリード線５４を接続させている。

なお、本実施の形態は図１に示す第１の実施の形態の圧電体を積層しているが、図２、図３に示す基板上に圧電体を積層しても良い。

（ａ）は本発明の第１の実施の形態を示す圧電トランスの斜視図、（ｂ）は振動子の斜視図。第２の実施の形態を示す振動子の斜視図。第３の実施の形態を示す振動子の斜視図。本発明の第４の実施の形態を示す圧電トランスの斜視図、（ｂ）は振動子の斜視図。従来の圧電トランスの振動子を示す斜視図。

符号の説明

１、２１、３１、４１圧電体
１Ａ、２１Ａ一方の片半部分１Ｂ、２１Ｂ他方の片半部分
２、３、２７、２８、３３、３４、４２入力用表面電極
４、２９、３５、４３出力用表面電極
５テンション伝達フィルム（以下テンションシート）
６、３６振動子
７枠体
７Ａ、７Ｂ短辺枠部７Ｃ、７Ｄ長辺枠部
２２、３２基板
２３振動子
２４切欠部
２５、２６分岐部
４０積層振動子
４４出力電極
４５、４６テンションシート
４７、４８ブロック部材
４９枠体
４９Ａ、４９Ｂ短辺枠部
５０ビス孔
５１第１電極
５２、５３、５４リード線

Claims

圧電体に入力用の電極と出力用の電極を形成した振動子を有し、該入力用の電極に交流信号を印加することにより該振動子を励振させて該出力用の電極から出力信号を出力させる圧電トランスにおいて、
前記圧電体は、高分子圧電材料によりシート状に形成されていて、該圧電体を一層又は複数層支持して見かけ上の機械的品質係数を高める支持体を有することを特徴とする圧電トランス。
前記支持体は、前記圧電体が固着されていて、緊張させたテンションシートであることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
前記支持体は、前記圧電体が固着されていて、剛性を有する基板であることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
前記支持体は、支持する圧電体と一体に共振すると共に、共振振動の振幅が拡大する形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電トランス。