JP2009510791A - 圧電式の変圧器 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電式の変圧器であって、ベース体が設けられていて、該ベース体が、入力部（２）と、この入力部（２）に機械的に接続された出力部（３）とを有している形式のものに関する。前記入力部（２）及び出力部（３）内に複数の内側電極（２１，２２，３１，３２）が配置されており、これらの内側電極が、変圧器の分極軸線に対して垂直に位置している。前記変圧器は補助電極（２５）を有しており、この補助電極は、前記入力部（２）及び出力部（３）に対して電気的に分離されており、この場合、前記補助電極（２５）の少なくとも一部が、入力部（２）及び出力部（３）の内側電極（２１，２２，３１，３２）に対して平行に配置されている。

Description

本発明は、圧電材料を含有する本体を備えた圧電式の変圧器に関する。

アメリカ合衆国特許出願第２００１／００２８２０６号明細書によれば、本体内部に内側電極が設けられている圧電式の変圧器が公知である。

アメリカ合衆国特許公告第６７９４７９６号明細書には、センサ電極を有する、ローゼン型（Rosen-Typs）の圧電式高圧変圧器について記載されている。

解決しようとする課題は、種々異なる電極間の火花電圧発生の危険性を低減させた、圧電式の変圧器を提供するという点にある。

例えば圧電セラミックと同様の圧電特性を有する材料を含有するベース体を備えた変圧器が提供されている。圧電材料は、例えばジルコン酸チタン酸鉛−セラミック（Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik）であってよい。

ベース体は、入力部と、この入力部に機械的に結合された出力部とを有している。２つの変圧器部分内には内側電極が設けられており、この内側電極はベース体内に配置されている。変圧器はさらに、補助電極を有していて、この補助電極は、入力部、出力部及び内側電極に対して電気的に分離されている。

この場合、逆電圧効果とは、場合によっては素子を挿入するために、極性が与えられる圧電セラミックが、磁界を印加する際に、極性方向に対して平行に又は逆平行に、或いは角度を成して変形せしめられる、ということである。正圧電効果とは、変形が発生した時に変圧器の本体内の電圧が低下する、ということである。

変圧器の入力部には、電圧によって変圧器の本体内に機械的な振動が生ぜしめられる。出力部において、変圧器の本体の機械的な振動が電界に変換され、この電界は、適当な電極によって取り出すことができる。

第１の有利な実施例によれば、補助電極の少なくとも一部が、入力部及び出力部の内側電極に対して平行に配置されている。ベース体内には内側電極が配置されており、この内側電極は変圧器の分極軸線に対して垂直に配置されている。

変圧器の分極軸線は、有利な形式でベース体の長手方向軸線に沿って方向付けられている。励磁されると、ベース体の長手方向振動が生ぜしめられ、この場合、機械的な振動が、入力部においても、また出力部においてもベース体の長手方向で広がる。

しかしながら変圧器の分極軸線は、ベース体の幅方向に向けられている。励磁されると、ベース体の幅方向の振動が生ぜしめられ、この場合、機械的な振動が入力部でも、また出力部でも、ベース体の幅方向に広がる。

内側電極に対して平行に配置された、補助電極の部分は、例えばベース体の内部に配置された、つまり内側に位置する電極として構成されている。内側に位置する補助電極は、有利な形式で補助接点に接続されており、この補助接点は、ベース体の表面上に配置されている。

補助電極の少なくとも一部、変化実施例では補助電極全体も、ベース体の表面上に配置され、補助接点として適している。

第２の有利な実施例によれば、補助電極の少なくとも一部がベース体内部に配置されている。入力部及び出力部内に、有利な形式でそれぞれ複数の内側電極が配置されており、これらの内側電極は、変圧器の分極軸線に対して垂直に位置している。ベース体内に配置された、補助電極の一部は、有利な形式で、入力部及び出力部に対して平行に配置されている。

以上の有利な２つの実施例は、互いに組み合わせることができる。

以下に、第１実施例及び第２実施例による圧電変圧器の有利な実施態様、並びにその機能形式について詳しく説明する。

入力部及び出力部の内側電極は、外部からアクセス可能は、変圧器の入力部及び出力部に接続されている。内側に位置する補助電極は、変圧器の、外部からアクセス可能な少なくとも１つの補助電極に導電接続されている。

入力接点及び出力接点は、ベース体に接触していて、有利にはベース体の表面上に配置されている。また有利には、変圧器のすべての外側接点、つまりその入力接点及び出力接点及び補助接点は、はんだ付け可能である。

入力接点に電圧を印加すると、変圧器本体が機械的に変形せしめられる。出力接点によって、変圧器本体の変形時に発生する電圧が取り出される。

変圧器は、ドライバ回路によって駆動され、この場合、その入力接点に入力電圧が印加される。この変圧器は、その出力接点において取り出される出力電圧が入力電圧とは異なっていることを特徴としている。特に、出力電圧は入力電圧よりも大きい。しかしながら出力電圧は、入力電圧よりも小さい。しかも変圧器は、補助接点において取り出された制御電圧が、変圧器の入力及び出力電圧とは異なっていることを特徴としている。この制御電圧は、ドライバ回路を監視するためのフィードバック回路において使用され、このドライバ回路によって変圧器が駆動される。補助電極は、入力部に対しても、また変圧器の出力部に対しても電気的にデカップリング（entkoppeln）若しくは分離されていることによって、変圧器を制御するためのフィードバック回路において、高価なデカップリングエレメント例えばオプトカプラを省くことができる。

以下に、フィードバックループによる変圧器の制御例を説明する。

変圧器の補助電極は、補助出力部を形成している。補助出力部で取り出された電圧の、入力電圧に対する比を、以下では変圧器の伝達係数と呼ぶ。補助電圧における電圧は、変圧器の出力電圧に対してほぼ比例している。

変圧器の入力部は一次バスに接続されていて、出力部は二次バスに接続されている。変圧器の入力部において印加された入力電圧は、ＨＦジェネレータによって供給され、このＨＦジェネレータは、一次バス内に配置された、発信器とドライバと単数又は複数のスイッチとを備えた回路を有している。ドライバは、例えばスイッチを制御するために適している。発信器は、特に電圧制御発信器（Voltage Control Oscillator）であってよい。この発信器は、例えばドライバを介して単数又は複数のスイッチに接続されている。

ＨＦジェネレータの補助出力部とドライバ入力部との間にフィードバックバスが設けられていて、このフィードバックバス内にフィードバック回路が配置されている。フィードバックバスは、有利な変化実施例では、一次部分に対しても、また二次部分に対しても電気的にデカップリングされている。フィードバック回路は、例えばコンパレータ、増幅器及び／又は、補助電極において取り出されるフィードバック信号を別の制御信号に処理するための別のエレメントを有している。この別の制御信号は、ＨＦジェネレータのドライバ入力部に送られて、ＨＦジェネレータの発信器を制御し、それによって特に発信器の周波数を調節することができる。

入力電圧の周波数を適合させることによって、変圧器の出力電圧を一定に維持することができる。これは、フィードバックループによって可能である。この場合、変化実施理恵によれば、変圧器の周波数に応じた伝達係数は、入力電圧の周波数によって影響を受ける。

与えられた圧電変圧器は、有利な形式で共振特性を有している。つまり、その伝達係数は、共振曲線によって特徴付けられている。変圧器の作業点は、例えばその共振曲線の左側又は右側の側面において、つまり共振周波数の下側又は上側において選定される。

変圧器の補助電圧において電圧が作業点に対してずれている場合、この電圧差は、フィードバック回路によって、ＨＦジェネレータのドライバを制御するための制御信号に処理される。この場合、入力電圧の周波数は、電圧変位に対抗するように変化する。この場合、変圧器の作業点もシフトする。例えば出力電圧における電圧ディップを補償するために、作業点が変圧器の共振周波数を上回っている場合は、入力信号の周波数をやや低くする必要がある。これによって、より高い伝達係数が調節され、より高い出力電圧が得られる。それとは逆に、作業点が変圧器の共振周波数を下回っている場合は、入力信号の周波数がやや高くする必要がある。

補助電極において取り出された信号は、変圧器周波数を調節するためだけではなく、有利には所望の若しくは必要な入力信号を調節するための制御信号としても用いることができる。

補助電極の長さ及び／又は幅は、この補助電極に向き合う、入力部又は出力部の内側電極の相応の寸法と同じ寸法に設計される。補助電極の長さ及び／又は幅は、この内側電極の相応の寸法よりも小さいか又は大きくてもよい。

補助接点を接触させるために、補助電極の少なくとも１つの縁部がベース体の表面まで達していれば有利である。内側に位置する補助電極は、変化実施例によれば、その縁部のうちの２つ又はすべてが、ベース体の表面まで達する程度に大きい。

補助接点は端面側に配置することができる。この場合、補助接点は、ベース体の端面に限定されていて、有利な形式で補助電極を形成している。補助接点は、キャップ状に構成されていて、この場合、ベース体の端面側を有利な形式で完全に覆っており、また補助接点は、ベース体の主要面上及び側面上に配置された領域を有している。

ベース体は、例えば直方体状であるか、又は特に厚さ方向の振動に基づいて作業する変圧器において円筒形であってよい。円筒形の構成においては、内側電極は、分極軸線に対して平行に延在する円筒形軸線に対して垂直に配置されている。補助電極又は、内側に位置する補助で局に接続された補助接点は、有利な形式で円筒形のベース対の端面上に配置されている。

ベース体は、有利な実施例ではフラットであってよいが、この場合ベース体の厚さは、その長さ及び幅よりも著しく（例えば少なくとも係数４だけ）小さい。

入力接点、出力接点及び少なくとも１つの補助接点はすべて、ベース体の側面に配置することができる。この場合、入力接点は有利な形式で、ベース体の互いに向き合う第１の面上に配置されている。出力接点も有利な形式で、ベース体の互いに向き合う面に配置されている。少なくとも１つの補助接点の少なくとも一部は、前記第１の面に対して垂直に位置する、ベース体の少なくとも１つの第２の面上に配置されている。

第１の面は、有利にはベース体の第１の側面である。第２の面は、例えばベース体の主要面又は第２の側面である。

補助電極を、ベース体の、端部側特に端面側の部分に配置すれれば、特に有利である。この場合、端部部分は有利には、補助電極と出力電極との間に配置されている。また出力部分を補助電極と入力部との間に配置することも可能である。

補助電極は、絶縁部分内に配置してもよい。この絶縁部分は、変圧器の出力部と入力部とを互いに機械的に接続する。原則として、補助電極を、変圧器の出力部又は入力部の２つの部分間に配置することができる。この場合、補助電極はこれら２つの部分を電気的に分離している。

１つだけの補助電極の代わりに、電気的に互いに接続されていて、有利な形式で互いに連続している複数のこのような電極を設けることも可能である。また、ベース体の種々異なる部分内に配置された、電気的に互いに分離された補助電極を形成することも可能である。例えば、入力部の領域内に配置された補助電極を、入力部を監視するために設け、また出力部の領域内に配置された別の補助電極を、出力部を監視するために設けることができる。

入力部は、有利な形式で出力部に対して電気的に分離されている。また２つの変圧器が例えば１つの共通の測定電極を有していてもよい。

以下に図面に示した実施例を用いて、変圧器及びその製造法を詳しく説明する。

図１は、端面に配置された補助接点を有する変圧器の１例を示す概略的な斜視図、
図２は、主要面上に配置された補助接点を備えた変圧器の概略的な斜視図、
図３は、端面側に配置された補助接点を備えた変圧器の概略的な斜視図である。

図面では、同じ部材又は同じ機能を有する部材には同じ符号が付けられている。図面は縮尺通りではない。

図１は、フラットなベース体を有する圧電式の変圧器を示す。このベース体は、２つの部分、つまり１つの一次部分（入力部）と、１つの二次部分（出力部）とから成っている。これら２つの部分は、互いに機械的に接続されている。有利な形式で、入力部と出力部と絶縁部とは互いに一体的に接続されている。例えばこれはセラミック製の未加工シート（Ｇｒｕｅｎｆｏｌｉｅｎ）を互いに積層させ、これらの積層体間に内部電極を配置しておき、次いでこの積層体を焼結させることによって得られる。これによってモノリシックな素子が形成される。電気信号は入力部において、逆圧電効果によって変圧器体の機械的な振動に変換される。機械的な振動は、変圧器の本体を通って広がり、変圧器の二次側に達し、ここで正圧電効果によって、電気信号に戻り変換される。有利には、入力部も出力部も、圧電式のセラミックの複数の層より成っており、これらの層は、内部電極によって互いに分離されている。この場合、セラミック製の層は、有利な形式で互いに電気的に接続されている。

変圧器の入力部と出力部とを電気的に分離するために、両側の間に絶縁材料（絶縁部）より成る層が配置されている。この層は、例えば、変圧器のその他の部分と同じ圧電材料より成っていてよい。この層は、互いに上下に積層された複数のセラミック部分層を有している。

図１は、入力部２と出力部３とを有する変圧器本体を備えた変圧器を示す。２つの部分２，３は、絶縁部１によって接続されている。入力部２は、第１の種類の電極２１と、第２の種類の電極２２とを備えている。これらの電極２１，２２は、互いに噛み合う電極構造を有しており、この電極構造によって、入力部２の内部に電界が生ぜしめられる。第１の種類の電極２１は、外側接点２３と電気的に接触している。第２の種類の電極２２は、外側接点２４と接触している。同様に形式で、変圧器の出力部に、電極３１及び３２の２つのグループが設けられており、これらのグループは、電圧を取り出すために用いられ、この場合、電圧は、電極３１に接続された外側接点３３によって、若しくは電極３２に接続された外側接点３４によって管理される。

ベース体の端面側の部分、つまり入力部の縁部領域に補助電極２５が配置されており、この補助電極２５は補助電極２６に接続されている。図１に示した変化実施例では、補助電極は、出力部の内側電極２２と同じ長さ及び幅で構成されている。補助電極２５は、外側接点２３，２４，３３及び３４に対して電気的に分離されている。

入力部の外側接点２３及び２４は、ベース体の、互いに逆向きの側面に配置されている。これは、出力部の外側接点３３及び３４のためにも当てはまる。外側接点２４，３４と補助接点２６とは、ベース体の同じ面（図示の実施例では前方側の側面）に配置されている。この場合、ベース体の主要面及び端面には、有利な形式で金属被覆が設けられていない。

変圧器の電気的な接点２３，２４，３３，３４及び２６は、接続ワイヤ４によって接触されている。

図２に示した変化例では、補助電極２５は、入力部若しくは出力部の内側電極よりも短く構成されている。補助電極は、ベース体の第１の主要面上に配置された補助接点２６、並びに第２の主要面上に配置された第２の補助接点２６′に接続されている。この場合、ベース体の端面には、有利な形式で金属被覆が設けられていない。接点２６′は接続ワイヤ５′によって接触されている。

図３に示した変化例では、補助電極２５が、入力部若しくは出力部の内側電極よりも長く構成されている。この補助電極２５は、キャップ状の補助電極２６に接続されている。これによって、このような接点は、接続ワイヤ５をはんだ漬けするための特に大きいはんだ面が提供される、という利点を有している。

例えば図３の変化例のような、ベース体の端面側に構成された補助接点においては、ベース体内の内側に設けられる補助電極２５は省かれている。何故ならば、このような補助接点は、それ自体で補助電極として適しているからである。提供された変圧器は、図示の実施例、概略的に示された部材の数及び形状だけに限定されるものではない。

端面に配置された補助接点を有する変圧器の１例を示す概略的な斜視図である。 主要面上に配置された補助接点を備えた変圧器の概略的な斜視図である。 端面側に配置された補助接点を備えた変圧器の概略的な斜視図である。

符号の説明

１ 絶縁部、 ２ 入力部、 ３ 出力部、 ２１，２２ 入力部の内側電極、 ３１，３２ 出力部の内側電極、 ２３，２４ 入力部の外側接点、 ３３，３４ 出力部の外側接点、 ２５ 補助電極、 ２６ 補助接点、 ４，５ 接続ワイヤ

Claims (15)

1. 圧電式の変圧器において、
   ベース体が設けられていて、該ベース体が、入力部（２）と、この入力部（２）に機械的に接続された出力部（３）とを有していて、前記入力部（２）及び出力部（３）内に複数の内側電極（２１，２２，３１，３２）が配置されており、これらの内側電極が、変圧器の分極軸線に対して垂直に位置しており、
   前記入力部（２）及び出力部（３）に対して電気的に分離された補助電極（２５）が設けられており、
   該補助電極（２５）の少なくとも一部が、入力部（２）及び出力部（３）の内側電極（２１，２２，３１，３２）に対して平行に配置されている、
   ことを特徴とする、圧電式の変圧器。
2. 補助電極（２５）の少なくとも一部がベース体内に配置されている、請求項１記載の変圧器。
3. 補助電極（２５）の少なくとも一部が、ベース体の表面上に配置されている、請求項１記載の変圧器。
4. 入力部（２）の内側電極が、変圧器の入力部（２）の、外部からアクセス可能な外側接点（２３，２４）に接続されており、
   出力部（３）の内側電極が、変圧器の出力部（３）の、外部からアクセス可能な外側接点（３３，３４）に接続されており、
   補助電極（２５）が、変圧器の、外部からアクセス可能な少なくとも１つの補助接点（２６）に導電接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の変圧器。
5. 入力部（２）の外側接点（２３，２４）と、出力部（３）の外側接点（３３，３４）と、少なくとも１つの補助接点（２６）とが、ベース体の端面上に配置されている、請求項４記載の変圧器。
6. 入力部（２）の外側接点（２３，２４）と、出力部（３）の外側接点（３３，３４）とが、ベース体の互いに逆向きの面上に配置されており、
   少なくとも１つの補助電極の少なくとも一部が、第１の面に対して垂直に位置する、ベース体の少なくとも１つの第２の面上に配置されている、
   請求項４記載の変圧器。
7. 前記第１の面が、ベース体の端面であって、
   少なくとも１つの第２の面が、ベース体の端面である、
   請求項６記載の変圧器。
8. 第１の面がベース体の端面であって、
   少なくとも１つの第２の面が、ベース体の主要面である、請求項６又は７記載の変圧器。
9. 変圧器の分極軸線が、ベース体の長手方向軸線に沿って方向付けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の変圧器。
10. 変圧器の分極軸線が、ベース体の幅方向に方向付けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の変圧器。
11. 入力部（２）が、少なくとも１つの補助電極（２５）と出力部（３）との間に配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の変圧器。
12. 入力部（２）と出力部（３）とが、絶縁部（１）によって互いに機械的に接続されており、
    少なくとも１つの補助電極（２５）が絶縁部（１）内に配置されている、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の変圧器。
13. 少なくとも１つの補助電極（２５）が入力部（２）の領域内に配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の変圧器。
14. 少なくとも１つの補助電極（２５）が出力部（３）の領域に配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の変圧器。
15. 補助電極（２５）の少なくとも一部が、ベース体の主要面に対して垂直に配置されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の変圧器。

Images