JP2019160873A - Piezoelectric element, piezoelectric transformer, piezoelectric transformer device, and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は圧電素子に関する。また、本発明は前記圧電素子を用いた圧電トランス、圧電トランス装置、および電子機器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element. The present invention also relates to a piezoelectric transformer, a piezoelectric transformer device, and an electronic device using the piezoelectric element.
圧電トランスは、単板または積層の圧電材料(例えば圧電セラミックス)に一次電極および二次電極を取り付けて、圧電セラミックスを所定の方向に分極処理したものである。圧電トランスの一次電極に交番電圧を印加して電気エネルギーを与えると、一次電極側の圧電セラミックスの逆圧電効果によって伸縮し、電気エネルギーが弾性エネルギーに変換される。この伸縮により二次電極側の圧電セラミックスは、正圧電効果によって電圧を生じ、弾性エネルギーは再び電気エネルギーとなり、二次電極から取り出される。すなわち、一次電極に電圧を印加し、伸縮などの機械振動を介して二次電極に低電圧あるいは高電圧を生じさせ、変圧された出力を得る構成となっている。 A piezoelectric transformer is obtained by attaching a primary electrode and a secondary electrode to a single plate or laminated piezoelectric material (for example, piezoelectric ceramics), and polarizing the piezoelectric ceramic in a predetermined direction. When an alternating voltage is applied to the primary electrode of the piezoelectric transformer to apply electric energy, the piezoelectric ceramic expands and contracts by the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric ceramic on the primary electrode side, and the electric energy is converted into elastic energy. Due to this expansion and contraction, the piezoelectric ceramic on the secondary electrode side generates a voltage due to the positive piezoelectric effect, and the elastic energy becomes electric energy again and is taken out from the secondary electrode. That is, a voltage is applied to the primary electrode, and a low voltage or a high voltage is generated in the secondary electrode through mechanical vibration such as expansion and contraction to obtain a transformed output.
圧電トランスは、巻き線トランス(電磁トランスとも言う)と同様に印加された電圧を変圧(昇圧あるいは降圧)する機能を有するが、巻き線トランスと比べて磁気ノイズを発生せずエネルギーロスが少ない、難燃性である、という利点がある。 A piezoelectric transformer has a function of transforming (boosting or stepping down) an applied voltage in the same manner as a winding transformer (also called an electromagnetic transformer), but does not generate magnetic noise and has less energy loss than a winding transformer. There is an advantage that it is flame retardant.
従来のローゼン型の圧電トランスには、長さ方向縦振動の第1次共振周波数(圧電セラミックス素子長が1/2波長の振動。λ/2モード)あるいは第2次共振周波数(圧電セラミックス素子長と波長が同じとなる振動。λモード)で駆動するものがそれぞれある。 A conventional Rosen-type piezoelectric transformer has a primary resonance frequency of longitudinal vibration in the longitudinal direction (piezoelectric ceramic element length is 1/2 wavelength vibration; λ / 2 mode) or a secondary resonance frequency (piezoelectric ceramic element length). There are vibrations that have the same wavelength.
それら従来の圧電トランスを構成する圧電セラミックスの支持構造について、特許文献1、2には、圧電セラミックスの共振周波数における振動モードの節となる部分を抑える構造が開示されている。具体的には、λモードでは圧電セラミックスの長さ方向に端から1/4長さの位置、λ/2モードでは長さ方向で中央の位置で支持される。つまりλ/2モードでの駆動を想定した場合、従来の技術では、圧電素子の長さの半分の位置で支持部材により支持されていた。
Regarding the support structure of piezoelectric ceramics constituting these conventional piezoelectric transformers,
圧電トランスは、印加電圧を機械振動に変換してから電圧に再変換して出力するため、圧電セラミックスの支持構造によっては機械振動が阻害され、出力の低下、駆動安定性の低下につながっていた。 Piezoelectric transformers convert the applied voltage into mechanical vibration, then convert it back into voltage and output it. Depending on the support structure of the piezoelectric ceramic, mechanical vibration is hindered, leading to lower output and lower drive stability. .
本発明は、この様な課題を解決するためになされたものであり、振動の阻害を低減し、出力および駆動安定性の優れた圧電素子、圧電トランスを提供するものである。また本発明は、前記圧電トランスを用いた圧電トランス装置、および電子機器を提供するものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a piezoelectric element and a piezoelectric transformer that reduce the inhibition of vibration and have excellent output and drive stability. The present invention also provides a piezoelectric transformer device and an electronic device using the piezoelectric transformer.
本発明は、直方体状の圧電材料と、3つ以上の電極と、前記圧電材料を保持する支持部材を備えた圧電素子であって、前記圧電材料は、複数の電極で狭持された前記圧電材料の一端を含む一次領域と、他端を含む二次領域を有し、前記支持部材は前記圧電材料の長辺方向の幾何的中心と接しており、かつ、前記長辺方向の前記支持部材の幾何的中心は、前記圧電材料の幾何的中心より一次領域側に位置していることを特徴とする圧電素子を提供する。 The present invention is a piezoelectric element comprising a rectangular parallelepiped piezoelectric material, three or more electrodes, and a support member for holding the piezoelectric material, wherein the piezoelectric material is sandwiched by a plurality of electrodes. The support member has a primary region including one end of the material and a secondary region including the other end, the support member is in contact with a geometric center in the long side direction of the piezoelectric material, and the support member in the long side direction The geometric center is located on the primary region side of the geometric center of the piezoelectric material.
また、本発明は、上記の圧電素子と外装部を有する圧電トランスを提供する。 The present invention also provides a piezoelectric transformer having the above piezoelectric element and an exterior part.
また、本発明は、前記圧電トランスと、前記圧電トランスに交番電圧を給電する駆動回路を備える圧電トランス装置を提供する。 The present invention also provides a piezoelectric transformer device comprising the piezoelectric transformer and a drive circuit for supplying an alternating voltage to the piezoelectric transformer.
また、本発明は、電子部品と、圧電素子あるいは前記圧電トランスあるいは前記圧電トランス装置を有する電子機器を提供する。 The present invention also provides an electronic device having an electronic component and a piezoelectric element or the piezoelectric transformer or the piezoelectric transformer device.
本発明は、適切な圧電素子の支持構造を与えることで、支持に由来する振動の阻害を低減し、出力および駆動安定性の優れた、圧電トランスに好適な圧電素子あるいは圧電トランスを提供する。また本発明は、その圧電トランスを用いた圧電トランス装置、および電子機器を提供することができる。 The present invention provides a piezoelectric element or a piezoelectric transformer suitable for a piezoelectric transformer, which provides an appropriate support structure for a piezoelectric element, reduces the inhibition of vibration caused by the support, and has excellent output and drive stability. In addition, the present invention can provide a piezoelectric transformer device and an electronic device using the piezoelectric transformer.
以下、図面を参照しつつ本発明を実施するための形態について説明する。本発明は以下の実施形態に限らず、本発明の趣旨の範囲における様々な形態を含むものとする。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and includes various forms within the scope of the gist of the present invention.
本発明に係る第一の形態の圧電素子は、直方体状の圧電材料と、3つ以上の電極と、圧電材料を保持する支持部材を備えた圧電素子であって以下の特徴を有する。すなわち、圧電材料は、複数の電極で狭持された前記圧電材料の一端を含む一次領域と、他端を含む二次領域を有する。 The piezoelectric element according to the first aspect of the present invention is a piezoelectric element including a rectangular parallelepiped piezoelectric material, three or more electrodes, and a support member that holds the piezoelectric material, and has the following characteristics. That is, the piezoelectric material has a primary region including one end of the piezoelectric material sandwiched by a plurality of electrodes and a secondary region including the other end.
そして前記支持部材は前記圧電材料の長辺方向の幾何的中心と接しており、かつ、前記長辺方向の前記支持部材の幾何的中心は、前記圧電材料の幾何的中心より一次領域側に位置していることを特徴とする。 The support member is in contact with the geometric center in the long side direction of the piezoelectric material, and the geometric center of the support member in the long side direction is located on the primary region side from the geometric center of the piezoelectric material. It is characterized by that.
またさらに、本発明に係る第二の形態の圧電素子は、直方体状の圧電材料と、3つ以上の電極と、前記圧電材料を保持する支持部材を備え圧電素子であって、以下の特徴を有する。 Furthermore, a piezoelectric element according to a second aspect of the present invention is a piezoelectric element including a rectangular parallelepiped piezoelectric material, three or more electrodes, and a support member that holds the piezoelectric material, and has the following characteristics. Have.
すなわち前記圧電材料は、複数の電極で狭持された前記圧電材料の一端を含む一次領域と、他端を含む二次領域を有している。そして、長辺方向の支持部材の幾何的中心は圧電材料の幾何的中心より一次領域側に位置しており、支持部材の幾何的中心と、圧電材料の長辺方向の幾何的中心の間の距離が、圧電材料の長辺に対して1%以上5%未満であることを特徴とする。 That is, the piezoelectric material has a primary region including one end of the piezoelectric material sandwiched by a plurality of electrodes and a secondary region including the other end. The geometric center of the support member in the long side direction is located on the primary region side from the geometric center of the piezoelectric material, and is between the geometric center of the support member and the geometric center in the long side direction of the piezoelectric material. The distance is 1% or more and less than 5% with respect to the long side of the piezoelectric material.
さらに、本発明に係る圧電トランスは前記圧電素子と外装部よりなる圧電トランスであって、前記圧電素子と前記外装部が、前記支持部材で支持されていることを特徴とする圧電トランスである。さらには圧電素子と前記外装部が前記支持部材でのみで支持されていると振動の阻害をいっそう抑制できるため、なおよい。 Furthermore, the piezoelectric transformer according to the present invention is a piezoelectric transformer including the piezoelectric element and an exterior part, and the piezoelectric element and the exterior part are supported by the support member. Furthermore, if the piezoelectric element and the exterior portion are supported only by the support member, vibration inhibition can be further suppressed, which is even better.
またさらに、本発明に係る圧電トランス装置は、前記圧電素子あるいは前記圧電トランスと、前記圧電素子の一次領域の電極に交番電圧を給電する駆動回路を備えることを特徴とする圧電トランス装置である。またさらに、本発明に係る電子機器は、電子部品と、前記の圧電トランス装置を有することを特徴とする電子機器である。 Furthermore, the piezoelectric transformer device according to the present invention is a piezoelectric transformer device comprising the piezoelectric element or the piezoelectric transformer and a drive circuit for supplying an alternating voltage to an electrode in a primary region of the piezoelectric element. Still further, an electronic device according to the present invention is an electronic device characterized by including an electronic component and the piezoelectric transformer device.
前記第一の形態の圧電素子の特徴と第二の形態の圧電素子の特徴は、いずれも満たしていても、いずれかのみを満たしていても本発明の範囲となる。 The characteristics of the piezoelectric element of the first form and the characteristics of the piezoelectric element of the second form satisfy both, or satisfy only one of them, and are within the scope of the present invention.
図1は本発明の圧電トランス用途の圧電素子(a)、(b)および圧電トランス(c)、(d)の構成の一実施形態を示す側面概略図である。対象物の一部である基材に本願発明の圧電素子が設けられることにより圧電トランスとしての機能を対象物に持たせることができる。あるいは外装部111を備えることでユニット化し、対象物の所望の位置に設けることもできる。
FIG. 1 is a schematic side view showing an embodiment of the configuration of piezoelectric elements (a) and (b) and piezoelectric transformers (c) and (d) for use in a piezoelectric transformer according to the present invention. By providing the piezoelectric element of the present invention on a base material that is a part of the object, the object can have a function as a piezoelectric transformer. Or it can also unitize by providing the
図1において、矩形板状の圧電材料104は、電力を入力する側である一次領域105および電力を出力する側である二次領域106の2つの領域からなる。一次領域105には入力用の電極101と電極102が圧電材料104を挟んで対向するように設けられている。二次領域106には出力用の電極103が設けられている。圧電材料104の長手方向長さLの半分の位置を示す位置107(圧電材料の長辺方向の幾何的中心)を境に、圧電材料104には一次領域105と二次領域106が在る。圧電材料104の内部に描かれた白抜き矢印は圧電材料の分極方向を示している。
In FIG. 1, a rectangular plate-shaped
図1(a)に示す第一の形態の圧電素子では支持部材108は圧電材料104と接しているが、図1(b)に示す第二の形態もとり得、支持部材108は圧電材料104の長辺方向の幾何的中心107と接していても離れていてもよい。ただし図1(a)から図1(d)のいずれもが示すように、支持部材108のL方向(圧電材料の長辺方向)の幾何的中心は一次領域105の側にある。
In the piezoelectric element of the first form shown in FIG. 1A, the
このように本願発明は圧電材料の支持構造に特徴があり、このように構成する理由は以下のとおりである。一般的にローゼン型の圧電素子(長辺方向の長さをLとする)では、一次領域は分極方向の上下面に入力電極が配置され、電位が制御される(入力電位)。一方、二次領域側の電極は開放端(出力電極)となる。ローゼン型の圧電素子は取りうる形状は板状が多いが、圧電素子を構成する圧電材料は分極方向が互いに異なる複数の領域を持つ構成となり、素子の駆動には圧電材料の長さ方向縦振動を利用する。 As described above, the present invention is characterized by the support structure of the piezoelectric material, and the reason for the configuration is as follows. In general, in a Rosen-type piezoelectric element (the length in the long side direction is L), the primary region has input electrodes arranged on the upper and lower surfaces in the polarization direction, and the potential is controlled (input potential). On the other hand, the electrode on the secondary region side is an open end (output electrode). A Rosen-type piezoelectric element can take many shapes, but the piezoelectric material constituting the piezoelectric element has a plurality of regions with different polarization directions, and the longitudinal vibration of the piezoelectric material is used to drive the element. Is used.
ヤング率の逆数であるコンプライアンス定数は電界制御条件とオープン条件で異なる値を示すが、電気機械結合係数を介して相関をもち、一般的にオープン条件でのコンプライアンス定数はショート状態のコンプライアンス定数より小さいという関係を有する。
このため、ローゼン型の素子では、駆動時に二次領域よりも一次領域の方が小さいヤング率を示すということになる。 このような領域による特性の違いを反映し、圧電素子における長さ方向縦振動の第1次共振モードの節の位置はL/2の位置から、電圧の印加時にヤング率が小さくなる一次領域の側にずれることが分かった。
The compliance constant, which is the reciprocal of the Young's modulus, shows different values depending on the electric field control condition and the open condition, but there is a correlation through the electromechanical coupling coefficient. Generally, the compliance constant in the open condition is smaller than the compliance constant in the short state. Have the relationship.
For this reason, in the Rosen element, the primary region exhibits a smaller Young's modulus than the secondary region during driving. Reflecting the difference in characteristics depending on the region, the position of the node of the primary resonance mode of the longitudinal longitudinal vibration in the piezoelectric element is from the position of L / 2 to the primary region where the Young's modulus becomes small when a voltage is applied. I understood that it was shifted to the side.
つまりλ/2モードでの駆動を想定した場合、従来のように、圧電素子の長さの半分の位置で圧電材料を支持すると、振動の節の真の位置とは異なるため、振動が阻害され、十分な出力が得られないことがわかった。 In other words, when driving in the λ / 2 mode is assumed, if the piezoelectric material is supported at a position that is half the length of the piezoelectric element as in the prior art, vibration is hindered because it is different from the true position of the vibration node. It was found that sufficient output could not be obtained.
したがって本発明は、電圧を印加した際に生じる振動における真の節の位置を支持部材によって支持することで、高振動速度における振動阻害を低減し、素子の出力および駆動安定性に優れた圧電素子を提供するものである。 Accordingly, the present invention supports the position of the true node in the vibration generated when a voltage is applied by the support member, thereby reducing the vibration inhibition at a high vibration speed, and excellent in the output and driving stability of the element. Is to provide.
ここで、支持部材108は、図1(c)、(d)に例示するように、圧電材料104の長辺方向の幾何中心と接していても離れていてもよい。
Here, as illustrated in FIGS. 1C and 1D, the
具体的な支持の方法としては、ゴムなどの弾性体を支持部材として用いて圧電素子の上下を挟んで押さえること形態が好ましい。また圧電材料を長辺方向と交差する方向に横断するように設置されているとよい。 As a specific support method, a mode in which an elastic body such as rubber is used as a support member and the piezoelectric element is held between the upper and lower sides is preferable. Moreover, it is good to install so that a piezoelectric material may be crossed in the direction which cross | intersects a long side direction.
支持部材の幾何的中心が圧電材料の幾何的中心よりも一次領域側にシフトしているので、素子駆動時の振動阻害が軽減される。シフト量が小さすぎると十分な効果が得られず、大きすぎると振動の節を大きく超えて素子の一次領域を固定することになり、これも駆動振動の阻害を引き起こしてしまう。支持部材の幾何的中心と、圧電材料の幾何的中心の間の距離xは、圧電材料の長辺Lに対して1%以上5%未満であることが好ましい。前記距離が、前記圧電材料の長辺に対して2.5%以上4.5%以下であると昇圧比が高くより好ましい。 Since the geometric center of the support member is shifted to the primary region side with respect to the geometric center of the piezoelectric material, vibration inhibition during driving of the element is reduced. If the shift amount is too small, a sufficient effect cannot be obtained. If the shift amount is too large, the primary region of the element is fixed greatly exceeding the vibration node, which also inhibits drive vibration. The distance x between the geometric center of the support member and the geometric center of the piezoelectric material is preferably 1% or more and less than 5% with respect to the long side L of the piezoelectric material. It is more preferable that the distance is 2.5% or more and 4.5% or less with respect to the long side of the piezoelectric material because the step-up ratio is high.
図1(a)に示すように、支持部材は圧電材料の幾何的中心と接していても、図1(b)のように離れていてもよい。また、前記圧電素子と前記外装部111が、支持部材が配された位置のみ支持されていることは、そのほかの部材との接触による振動阻害が生じる原因を取り除く観点から好ましい。
As shown in FIG. 1A, the support member may be in contact with the geometric center of the piezoelectric material or may be separated as shown in FIG. In addition, it is preferable that the piezoelectric element and the
図1(a)、(b)に示すように、一次側の電極の接続が支持部材を介して引き出し電極が設けられていることも、そのほかの部材との接触による振動阻害が生じる原因を取り除く観点から好ましい。 As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the connection of the primary electrode is provided with a lead electrode through a support member, which also eliminates the cause of vibration inhibition due to contact with other members. It is preferable from the viewpoint.
外装部は、前記圧電材料の全体を取り囲む必要はなく、駆動回路あるいは電子機器に組み込む際に支障のない形状であればよい。 The exterior portion does not need to surround the entire piezoelectric material, and may have a shape that does not hinder when incorporated in a drive circuit or an electronic device.
図1(a)(b)の例では、電極101および電極102は一次領域105における圧電材料104の上面および下面のほぼ全面を被覆し、端部に短絡防止用のマージンを残している。もちろん圧電材料104の一次領域105の上面または下面の全部分を被覆していても良いし、あるいはより大きなマージンを有していても良い。
In the example of FIGS. 1A and 1B, the
二次領域106には、出力用の電極103が設けられている。図1(a)の例では、電極103は前記端面の大部分を被覆しているが、前記端面の全部分を被覆あるいはより大きなマージンを有していても良い。また、出力用の電極103は二次領域の上面の一部あるいは下面の一部、あるいはその両方に設けてもよい。
An
以下、本発明を実施するための圧電素子および圧電トランス、圧電トランス装置、電子機器についてさらに詳しく説明する。 Hereinafter, a piezoelectric element, a piezoelectric transformer, a piezoelectric transformer device, and an electronic device for carrying out the present invention will be described in more detail.
以下示すように、長さL、幅w、厚さdのローゼン型圧電トランス用圧電素子の表裏面(あるいは片面)に長さLf,幅wfの固定領域を設け、長さ方向縦振動のλ/2モードの昇圧比(出力電圧/入力電圧)を、確認した。その際、有限要素法パッケージソフト“ANSYS”(ANSYS Inc.)を使用して確認した。シミュレーションに用いる材料特性は、主として、市販されているチタン酸ジルコン酸鉛系材料の物性値を用いた。 As shown below, a fixed region having a length Lf and a width wf is provided on the front and back surfaces (or one surface) of a piezoelectric element for a Rosen type piezoelectric transformer having a length L, a width w, and a thickness d. The step-up ratio (output voltage / input voltage) in the / 2 mode was confirmed. In that case, it confirmed using finite element method package software "ANSYS" (ANSYS Inc.). As the material characteristics used for the simulation, the physical property values of commercially available lead zirconate titanate-based materials were mainly used.
(実施形態1−1〜1−5)
図3は、本発明の圧電トランス用途の圧電素子における実施形態および比較形態の固定位置を示した概略図である。
(Embodiments 1-1 to 1-5)
FIG. 3 is a schematic view showing fixed positions of the embodiment and the comparative embodiment in the piezoelectric element for use in the piezoelectric transformer of the present invention.
図3に示したような、L(=20mm)のローゼン型圧電素子において、支持部材による支持位置をずらした例を用意し、入力電圧に対する出力電圧の比、すなわち昇圧比を見積もった。この検討においては、支持位置は振動によって座標が全く変動しないものとしたが、実際の素子では固定位置に与える力は小さいことが望ましい。以下の実施形態および比較形態も同様の条件で実施した。 In an L (= 20 mm) Rosen-type piezoelectric element as shown in FIG. 3, an example in which the support position by the support member was shifted was prepared, and the ratio of the output voltage to the input voltage, that is, the step-up ratio was estimated. In this examination, it is assumed that the coordinates of the support position do not change at all due to vibration, but it is desirable that the force applied to the fixed position is small in an actual element. The following embodiments and comparative embodiments were also carried out under the same conditions.
圧電素子の支持部材による支持位置は、短辺方向に素子を横切る形(幅wf=w=4mm)で素子の表面および裏面に接して長さLf=0.4mmの帯状領域とした。この帯状領域(一方のみ図示)は支持部材が配された位置を示すものであり、図中の帯状領域の中心(110)は支持部材の幾何的中心に相当する。 The support position of the piezoelectric element by the support member was a band-shaped region having a length Lf = 0.4 mm in contact with the front and back surfaces of the element in a shape (width wf = w = 4 mm) across the element in the short side direction. This belt-like region (only one is shown) indicates the position where the support member is disposed, and the center (110) of the belt-like region in the figure corresponds to the geometric center of the support member.
また、図3において圧電素子の長さの1/2位置(107)は、圧電材料の長辺方向の幾何的中心に相当する。 In FIG. 3, the half position (107) of the length of the piezoelectric element corresponds to the geometric center in the long side direction of the piezoelectric material.
圧電素子の長さの1/2位置(107)を起点とし、帯状領域の中心値(110)の一次領域側へのずれをx(mm)とした。 Starting from the half position (107) of the length of the piezoelectric element, the deviation of the center value (110) of the belt-like region toward the primary region side was x (mm).
x/L(%)の値が、1、2.5、3.5、4.5、4.9%の場合の、実施形態1−1〜1−5の結果を表1および図4に示す。これは長辺方向の支持部材の幾何的中心が、圧電材料の幾何的中心より一次領域側にどれだけシフトした位置にあるかを示している。 The results of Embodiments 1-1 to 1-5 when the value of x / L (%) is 1, 2.5, 3.5, 4.5, 4.9% are shown in Table 1 and FIG. Show. This indicates how much the geometric center of the support member in the long side direction is shifted to the primary region side from the geometric center of the piezoelectric material.
表1に示すように、比較形態1−1(従来技術)に比べて昇圧比が向上する結果が得られた。 As shown in Table 1, the result that the boost ratio was improved as compared with Comparative Example 1-1 (prior art) was obtained.
表1は、長さL(=20mm)のローゼン型圧電素子におけるλ/2モードを利用した昇圧比の固定位置依存性を示すものである。この結果は短辺方向に圧電素子を横切る形で素子の表面および裏面に接して長さ0.4mm、幅4mmの支持部材を用いた場合の特性を示している。 Table 1 shows the fixed position dependency of the step-up ratio using the λ / 2 mode in a Rosen piezoelectric element having a length L (= 20 mm). This result shows the characteristics when a support member having a length of 0.4 mm and a width of 4 mm is used in contact with the front and back surfaces of the element so as to cross the piezoelectric element in the short side direction.
(比較形態1−1〜1−3)
実施形態1−1と同様の形状の素子において、xがLの0、0.5、5%の場合について昇圧比を見積もった結果を表1および図4に示す。実施形態よりも昇圧比は低くなる。
(Comparative forms 1-1 to 1-3)
Table 1 and FIG. 4 show the results of estimating the step-up ratio when x is 0, 0.5, and 5% of the element having the same shape as in Embodiment 1-1. The step-up ratio is lower than in the embodiment.
(比較形態1−0)
実施形態1−1と同様の形状の素子において、支持部材を設けない場合の昇圧比を見積もった。素子の長さ方向に、図2に示すような変位量の分布がみられ、駆動時の節となる領域が一次領域側にシフトすることが確認できた。実際には支持部材を設けない構成はとりえないので、この比較形態における昇圧比はあくまでも参考値にとどまる。
(Comparative Form 1-0)
In the element having the same shape as that of Embodiment 1-1, the step-up ratio when the support member is not provided was estimated. A distribution of displacement amounts as shown in FIG. 2 was observed in the length direction of the element, and it was confirmed that the region serving as a node during driving shifted to the primary region side. In practice, a configuration without a support member is not possible, so the boost ratio in this comparative embodiment is only a reference value.
(実施形態2−1〜2−4)
図3に示したような、L(=20mm)のローゼン型圧電素子において、支持部材による支持位置をずらして昇圧比を見積もった。実施形態1−1〜1−5と比べて幅wfが小さい構成である。
(Embodiments 2-1 to 2-4)
In the Rosen type piezoelectric element of L (= 20 mm) as shown in FIG. 3, the boosting ratio was estimated by shifting the support position by the support member. Compared to Embodiments 1-1 to 1-5, the width wf is small.
支持部材による指示位置は、幅wf=0.4mm、長さLf=0.4mmであり、実質的な点支持構造である。圧電素子の表面および裏面に接する領域を固定した。xの値がLの1、2.5、3.5、4.5%の場合を表2に示す。比較形態1−1および後述する比較形態2−1(従来技術)に比べて昇圧比が向上することが得られた。 The indication position by the support member has a width wf = 0.4 mm and a length Lf = 0.4 mm, which is a substantial point support structure. The area in contact with the front and back surfaces of the piezoelectric element was fixed. Table 2 shows cases where the value of x is 1, 2.5, 3.5, and 4.5% of L. It was obtained that the step-up ratio was improved as compared with Comparative Example 1-1 and Comparative Example 2-1 (prior art) described later.
表2は、長さL(=20mm)のローゼン型圧電素子におけるλ/2モードを利用した昇圧比の固定位置依存性を示すものである。素子の表面および裏面に接して長さ0.4mm、幅0.4mmの領域を固定した結果を示す。 Table 2 shows the fixed position dependency of the step-up ratio using the λ / 2 mode in a Rosen piezoelectric element having a length L (= 20 mm). The result of fixing a region having a length of 0.4 mm and a width of 0.4 mm in contact with the front and back surfaces of the element is shown.
圧電素子の長さの1/2位置(107)を起点とし、帯状領域の中心値(110)の一次領域側へのずれをx(mm)とした。 Starting from the half position (107) of the length of the piezoelectric element, the deviation of the center value (110) of the belt-like region toward the primary region side was x (mm).
(比較形態2−1)
実施形態2−1〜2−4と同様の形状の素子において、xが0の場合について昇圧比を見積もった結果を表2に示す。実施形態よりも昇圧比は低くなる。
(Comparison 2-1)
Table 2 shows the results of estimating the step-up ratio when x is 0 in the elements having the same shapes as those of Embodiments 2-1 to 2-4. The step-up ratio is lower than in the embodiment.
(実施形態3−1〜3−4)
図3に示したような、L(=20mm)のローゼン型圧電素子において、支持部材による支持位置をずらして昇圧比を見積もった。
(Embodiments 3-1 to 3-4)
In the Rosen type piezoelectric element of L (= 20 mm) as shown in FIG. 3, the boosting ratio was estimated by shifting the support position by the support member.
素子の表面および裏面に接する、幅wf=1mm、長さLf=0.4mmの領域で素子の領域を固定した。幅wfの大きさが実施形態1および2の間にあたるものである。 The region of the element was fixed in a region of width wf = 1 mm and length Lf = 0.4 mm in contact with the front and back surfaces of the element. The size of the width wf is between the first and second embodiments.
x/L(%)の値が1、2.5、3.5、4.5%の場合を表3に示す。比較形態1−1および後述する比較形態3−1(従来技術)に比べて昇圧比が向上することが得られた。 Table 3 shows cases where the value of x / L (%) is 1, 2.5, 3.5, 4.5%. It was obtained that the step-up ratio was improved as compared with Comparative Example 1-1 and Comparative Example 3-1 (prior art) described later.
表3は、長さL(=20mm)のローゼン型圧電素子におけるλ/2モードを利用した昇圧比の固定位置依存性を示すものである。素子の表面および裏面に接して長さ0.4mm、幅1mmの領域を固定した結果を示す。 Table 3 shows the fixed position dependency of the step-up ratio using the λ / 2 mode in a Rosen piezoelectric element having a length L (= 20 mm). The result of fixing a region having a length of 0.4 mm and a width of 1 mm in contact with the front and back surfaces of the element is shown.
圧電素子の長さの1/2位置(107)を起点とし、帯状領域の中心値(110)の一次領域側へのずれをx(mm)とした。 Starting from the half position (107) of the length of the piezoelectric element, the deviation of the center value (110) of the belt-like region toward the primary region side was x (mm).
(比較形態3−1)
実施形態3−1〜3−4と同様の形状の素子において、xが0の場合について昇圧比を見積もった結果を表3に示す。実施形態よりも昇圧比は低くなる。
(Comparative Form 3-1)
Table 3 shows the result of estimating the step-up ratio when x is 0 in the elements having the same shapes as those of Embodiments 3-1 to 3-4. The step-up ratio is lower than in the embodiment.
(実施形態4−2、4−4)
図3に示したような、L(=20)mmのローゼン型圧電素子において、支持部材による支持位置をずらして昇圧比を見積もった。長さLfが実施形態1から3と比べて短く、幅wfは実施形態1と同じく圧電素子の幅と同じ長さである構成をとっている。
(Embodiments 4-2 and 4-4)
In the Rosen type piezoelectric element of L (= 20) mm as shown in FIG. 3, the boosting ratio was estimated by shifting the support position by the support member. The length Lf is shorter than those in the first to third embodiments, and the width wf is the same as the width of the piezoelectric element as in the first embodiment.
素子の表面および裏面に接する、幅wf=4mm、長さLf=0.2mmの領域で素子の領域を固定した。xの値がLの2.5、4.5%の場合を表4に示す。比較形態1−1および後述する比較形態4−1(従来技術)に比べて昇圧比が向上することが得られた。 The region of the element was fixed in the region of width wf = 4 mm and length Lf = 0.2 mm in contact with the front and back surfaces of the element. Table 4 shows the case where the value of x is 2.5 and 4.5% of L. It was obtained that the step-up ratio was improved as compared with Comparative Example 1-1 and Comparative Example 4-1 (prior art) described later.
表4は、長さL(=20mm)のローゼン型圧電素子におけるλ/2モードを利用した昇圧比の固定位置依存性を示すものである。短辺方向に素子を横切る形で素子の表面および裏面に接して長さ0.2mm、幅4mmの領域を固定した結果をしめす。 Table 4 shows the fixed position dependency of the step-up ratio using the λ / 2 mode in a Rosen piezoelectric element having a length L (= 20 mm). A result of fixing a region having a length of 0.2 mm and a width of 4 mm in contact with the front and back surfaces of the element in a direction crossing the element in the short side direction is shown.
圧電素子の長さの1/2位置(107)を起点とし、帯状領域の中心値(110)の一次領域側へのずれをx(mm)とした。 Starting from the half position (107) of the length of the piezoelectric element, the deviation of the center value (110) of the belt-like region toward the primary region side was x (mm).
(比較形態4−1)
実施形態4−2、4−4と同様の形状の素子において、xが0の場合について昇圧比を見積もった結果を表4に示す。実施形態よりも昇圧比は低くなる。
(Comparative Form 4-1)
Table 4 shows the result of estimating the step-up ratio when x is 0 in the element having the same shape as in Embodiments 4-2 and 4-4. The step-up ratio is lower than in the embodiment.
(実施形態11−1)
図3に示したような、L(=30)mmのローゼン型圧電素子において、支持部材による支持位置をずらして昇圧比を見積もった。
(Embodiment 11-1)
In the L (= 30) mm Rosen-type piezoelectric element as shown in FIG. 3, the step-up ratio was estimated by shifting the support position by the support member.
素子の固定位置は、幅wf=0.4mm、長さLf=4mmで素子の表面および裏面に接する領域を固定した。xの値がLの2.5%の場合を表5に示す。後述する比較形態11−1(従来技術)に比べて昇圧比が向上することが得られた。 The element was fixed at a width wf = 0.4 mm and a length Lf = 4 mm, and the area in contact with the front and back surfaces of the element was fixed. Table 5 shows the case where the value of x is 2.5% of L. It was obtained that the step-up ratio was improved as compared with Comparative Example 11-1 (prior art) described later.
(比較形態11−1)
実施形態11−1と同様の形状の素子において、xが0の場合について昇圧比を見積もった結果を表5に示す。実施形態よりも昇圧比は低くなる。
(Comparative form 11-1)
Table 5 shows the result of estimating the step-up ratio when x is 0 in the element having the same shape as in Embodiment 11-1. The step-up ratio is lower than in the embodiment.
表5は、長さL(=30)mmのローゼン型圧電素子におけるλ/2モードを利用した昇圧比の固定位置依存性を示すものである。素子の表面および裏面に接して長さ0.4mm、幅4mmの領域を固定した結果を示す。圧電素子の長さの1/2位置(107)を起点とし、帯状領域の中心値(110)の一次領域側へのずれをx(mm)とした。 Table 5 shows the fixed position dependency of the step-up ratio using the λ / 2 mode in a Rosen piezoelectric element having a length L (= 30) mm. The result of fixing a region having a length of 0.4 mm and a width of 4 mm in contact with the front and back surfaces of the element is shown. Starting from the half position (107) of the length of the piezoelectric element, the deviation of the center value (110) of the belt-like region toward the primary region side was x (mm).
さらに、素子が固定できれば、固定は片面のみとするのも好ましい。 Further, if the element can be fixed, it is preferable that the fixing is performed only on one side.
例えば実施形態1−2において、片面のみを固定する条件では76kHzで138倍の昇圧比が得られる。利用したいモードの節を固定することで、不要なモードの混成によるロスを抑えられる効果が得られると考えられる。 For example, in the embodiment 1-2, under the condition that only one side is fixed, a step-up ratio of 138 times can be obtained at 76 kHz. By fixing the node of the mode you want to use, it is considered that the effect of suppressing the loss due to the mixing of unnecessary modes can be obtained.
加えて、チタン酸ジルコン酸鉛系材料とは組成が異なる圧電材料を用いた場合でも、本発明の要件を満たす構成であれば本発明の効果が得られる。 In addition, even when a piezoelectric material having a composition different from that of the lead zirconate titanate material is used, the effect of the present invention can be obtained as long as the configuration satisfies the requirements of the present invention.
また、ローゼン型の圧電素子において、一次領域の長さが圧電素子長さの半分に満たないような構成の素子でも、本発明の効果は期待できる。 In addition, in the Rosen-type piezoelectric element, the effect of the present invention can be expected even in an element having a configuration in which the length of the primary region is less than half the length of the piezoelectric element.
(圧電トランス装置)
本発明の圧電トランス装置は、本発明の圧電素子あるいは圧電トランスと、前記圧電素子に交番電圧を給電する駆動回路とを備えることが好ましい。
(Piezoelectric transformer device)
The piezoelectric transformer device of the present invention preferably includes the piezoelectric element or the piezoelectric transformer of the present invention and a drive circuit that supplies an alternating voltage to the piezoelectric element.
図5は、本発明の圧電トランス装置の構成の一例を示す回路模式図である。 FIG. 5 is a schematic circuit diagram showing an example of the configuration of the piezoelectric transformer device of the present invention.
但し、本構成はあくまで例示であり、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。 However, this configuration is merely an example, and the present invention is not limited to these configurations.
ここに示す回路は高圧電源としての圧電トランス装置であり、本発明の圧電トランス1001を含む。圧電トランス1001からの電気的出力はダイオード1002、1003及び高圧コンデンサ1004によって正電圧に整流平滑され、負荷(後述するカラーレーザプリンタの場合、転写ローラなど)に供給される。すなわち、ダイオード1002、1003及び高圧コンデンサ1004により整流回路の役割を担う。また、スイッチング素子にFET1011を用いたLC共振回路を圧電トランス1001に交番電圧を給電するための駆動回路としている。以上のように、直流高電圧発生のための圧電トランス装置は、駆動回路、圧電トランスを含み、必要に応じて整流回路を含むこととなる。
The circuit shown here is a piezoelectric transformer device as a high voltage power source, and includes the
出力電圧は抵抗1005、1006、1007によって分圧され、保護用抵抗1008を介してオペアンプ1009の非反転入力端子(+端子)に入力される。他方オペアンプの反転入力端子(−端子)には抵抗1014を介してアナログ信号である高圧電源の制御信号(Vcont)が入力される。オペアンプ1009と抵抗1014とコンデンサ1013を図のように構成することにより、制御信号Vcontに対する積分回路として機能する。また抵抗とコンデンサの部品定数によって決まる積分時定数で平滑化された制御信号がオペアンプ1009に入力される。オペアンプ1009の出力端は電圧制御発振器(VCO)1010に接続され、電圧制御発振器(VCO)1010はオペアンプ1009の出力電圧に応じた周波数でスイッチング素子1011をスイッチングする。そして、インダクタ1012で電圧を増幅して圧電トランスの一次側に電圧を供給する。
The output voltage is divided by
前記駆動回路は前記交番電圧を所定の周波数帯で掃引するものであることが好ましく、前記周波数帯には前記圧電セラミックスの固有共振周波数が含まれていることが好ましい。前記周波数帯が、前記圧電セラミックスの固有共振周波数を含んでいることで、圧電セラミックス部の振動変位振幅が大きくなる。本発明の圧電素子あるいは圧電トランスを用いることで、優れた出力および駆動安定性を得ることができる。 The drive circuit preferably sweeps the alternating voltage in a predetermined frequency band, and the frequency band preferably includes a natural resonance frequency of the piezoelectric ceramic. When the frequency band includes the natural resonance frequency of the piezoelectric ceramic, the vibration displacement amplitude of the piezoelectric ceramic portion is increased. By using the piezoelectric element or the piezoelectric transformer of the present invention, excellent output and driving stability can be obtained.
(電子機器)
図6は、本発明の圧電トランス装置を有する電子機器の一例として、画像形成装置であるカラーレーザプリンタの概略構成を示す断面図である。このカラーレーザプリンタには高圧電源としての圧電トランス装置が搭載されている。図6において、カラーレーザプリンタ401は、記録紙32を収納するデッキ402、デッキ402内の記録紙32の有無を検知するデッキ紙有無センサ403、デッキ402から記録紙32を繰り出すピックアップローラ404を有する。また、カラーレーザプリンタ401は、ピックアップローラ404によって繰り出された記録紙32を搬送するデッキ給紙ローラ405、デッキ給紙ローラ405と対をなし記録紙32の重送を防止するためのリタードローラ406も有する。そして、デッキ給紙ローラ405の下流には記録紙32を同期搬送するレジストローラ対407、レジストローラ対407への記録紙32の搬送状態を検知するレジ前センサ408が配設されている。
(Electronics)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a color laser printer as an image forming apparatus as an example of an electronic apparatus having the piezoelectric transformer device of the present invention. This color laser printer is equipped with a piezoelectric transformer device as a high voltage power source. In FIG. 6, the
また、レジストローラ対407の下流には、静電吸着搬送転写ベルト(以下、ETBという)409が配設されている。本画像形成装置はカラーレーザプリンタであるため、複数色のプロセスカートリッジ410を搭載しており、それぞれ交換が可能である。ETB409上には、4色(イエローY、マゼンタM、シアンC、ブラックBk)分のプロセスカートリッジ410Y、410M、410C、410Bkと、スキャナユニット420Y、420M、420C、420Bkからなる画像形成部によって形成された画像が、転写ローラ430Y、430M、430C、430Bkによって順次重ね合わされてゆくことによりカラー画像が形成される。形成されたカラー画像は、記録紙32上に転写され、記録紙32は下流に搬送される。下流には記録紙32上に転写されたトナー像を熱定着するために内部に加熱用のヒータ432を備えた定着ローラ433と加圧ローラ434の対を有する。更に、定着ローラ433からの記録紙32を搬送するための、定着排紙ローラ対435、定着部からの搬送状態を検知する定着排紙センサ436が配設されている。
Further, an electrostatic attraction transfer belt (hereinafter referred to as ETB) 409 is disposed downstream of the
また、スキャナユニット420のそれぞれは、ビデオコントローラ440から送出される各画像信号に基づいて変調されたレーザ光を発光するレーザユニット421、各レーザユニット421からのレーザ光を感光ドラム305上に走査するためのポリゴンミラー422とスキャナモータ423、結像レンズ群424より構成されている。そして、プロセスカートリッジ410のそれぞれは、公知の電子写真プロセスに必要な感光ドラム305、帯電ローラ303と現像ローラ302、トナー格納容器411を備えている。そして、スキャナユニット420はそれぞれカラーレーザプリンタ401本体に対して着脱可能に構成されている。さらに、ビデオコントローラ440は、パーソナルコンピュータ等の外部装置441から送出される画像データを受信すると、受信した画像データをビットマップデータに展開し、画像形成用の画像信号を生成する。
Each of the scanner units 420 scans the photosensitive drum 305 with a laser unit 421 that emits laser light modulated based on each image signal sent from the
また、カラーレーザプリンタ401のエンジンコントローラ201は、RAM207a、ROM207b、タイマ207c、デジタル入出力ポート207d、D/Aポート207eを備えた制御部であるCPU207、及び各種入出力制御回路(不図示)等で構成されている。また、圧電トランス装置(高圧電源)202は以下のように構成されている。各プロセスカートリッジ410に対応した帯電高圧電源(不図示)と、現像高圧電源(不図示)と、各転写ローラ430に対応した高圧を出力可能な圧電トランスを使用した転写高圧電源(不図示)である。なお、本明細では画像形成装置の説明を、タンデム方式のカラー画像形成装置を例に挙げて説明したが、高圧電源を用いた画像形成装置であれば本発明の圧電トランス装置を適用可能である。
The
ここでは、本発明の電子機器としてレーザプリンタについて説明したが、本発明の圧電トランス装置は、ACアダプタ、音声録音再生機器、画像入出力装置、空気清浄機やエアコン等のプラズマ発生装置、情報端末等の各種の電子機器に適用することができる。 Here, the laser printer has been described as the electronic device of the present invention. However, the piezoelectric transformer device of the present invention is an AC adapter, a sound recording / reproducing device, an image input / output device, a plasma generator such as an air cleaner or an air conditioner, and an information terminal. It can be applied to various electronic devices.
本発明の圧電素子、あるいは圧電トランス、あるいは本発明の圧電トランス装置は本発明の利用者が用途に応じて適宜利用することができる。たとえば、外装部を有していなくても、対象物の一部品を外装として本発明の圧電素子を組み込み、圧電トランスとしての機能を利用することができる。また駆動回路を有する圧電トランス装置をユニットとして対象物に組み込んでも良い。 The piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric transformer, or the piezoelectric transformer device of the present invention can be appropriately used by the user of the present invention depending on the application. For example, even if it does not have an exterior part, the piezoelectric element of the present invention can be incorporated by using one part of the object as an exterior, and the function as a piezoelectric transformer can be used. In addition, a piezoelectric transformer device having a drive circuit may be incorporated into an object as a unit.
本発明の圧電素子、あるいは圧電トランス、あるいは本発明の圧電トランス装置を用いることで、優れた出力および駆動安定性を有する電子機器を得ることができる。 By using the piezoelectric element, the piezoelectric transformer of the present invention, or the piezoelectric transformer device of the present invention, an electronic apparatus having excellent output and driving stability can be obtained.
以上のように本発明は、圧電トランスおよびその他の用途の圧電素子において支持位置を制御することで、素子の支持に由来する振動の阻害を低減し、素子の出力および駆動安定性の優れた圧電素子を提供する。また本発明は、前記圧電素子を用いた圧電トランス、圧電トランス装置、および電子機器を提供することができる。なお、本発明の圧電トランスは、変圧器としての特性を利用して昇圧器、降圧器等のさまざまな用途に利用することができる。 As described above, the present invention controls a support position in a piezoelectric transformer and other uses of piezoelectric elements, thereby reducing vibration inhibition resulting from the support of the elements, and improving the output and driving stability of the elements. An element is provided. In addition, the present invention can provide a piezoelectric transformer, a piezoelectric transformer device, and an electronic device using the piezoelectric element. In addition, the piezoelectric transformer of this invention can be utilized for various uses, such as a booster and a step-down voltageer, using the characteristic as a transformer.
101 電極
102 電極
103 電極
104 圧電セラミックス
105 一次領域
106 二次領域
107 L/2位置目安線(圧電材料の長辺方向の幾何的中心)
108 支持位置
109 長さ方向振動変位
110 支持部材のL方向(圧電材料の長辺方向)の幾何的中心
111 外装部
201 エンジンコントローラ
202 圧電トランス装置(高圧電源)
401 カラーレーザプリンタ
441 外部装置
1001 圧電トランス
1009 オペアンプ
1010 電圧制御発振器(VCO)
1011 スイッチング素子
32 記録紙
DESCRIPTION OF
108
401
1011
Claims (13)
前記圧電材料は、複数の電極で狭持された前記圧電材料の一端を含む一次領域と、他端を含む二次領域を有し、
前記支持部材は前記圧電材料の長辺方向の幾何的中心と接しており、かつ、前記長辺方向の前記支持部材の幾何的中心は、前記圧電材料の幾何的中心より一次領域側に位置していることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element comprising a rectangular parallelepiped piezoelectric material, three or more electrodes, and a support member for holding the piezoelectric material,
The piezoelectric material has a primary region including one end of the piezoelectric material sandwiched between a plurality of electrodes, and a secondary region including the other end,
The support member is in contact with the geometric center in the long side direction of the piezoelectric material, and the geometric center of the support member in the long side direction is located on the primary region side from the geometric center of the piezoelectric material. A piezoelectric element characterized by comprising:
前記圧電材料は、複数の電極で狭持された前記圧電材料の一端を含む一次領域と、他端を含む二次領域を有し、
前記長辺方向の前記支持部材の幾何的中心は前記圧電材料の幾何的中心より一次領域側に位置しており、前記支持部材の幾何的中心と、前記圧電材料の長辺方向の幾何的中心の間の距離が、前記圧電材料の長辺に対して1%以上5%未満であることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element comprising a rectangular parallelepiped piezoelectric material, three or more electrodes, and a support member for holding the piezoelectric material,
The piezoelectric material has a primary region including one end of the piezoelectric material sandwiched between a plurality of electrodes, and a secondary region including the other end,
The geometric center of the support member in the long side direction is located on the primary region side of the geometric center of the piezoelectric material, and the geometric center of the support member and the geometric center in the long side direction of the piezoelectric material. The distance between is between 1% and less than 5% with respect to the long side of the piezoelectric material.
前記圧電素子の一次領域の電極に交番電圧を給電する駆動回路、
を備えた圧電トランス装置。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6, or the piezoelectric transformer according to any one of claims 7 to 9,
A drive circuit for supplying an alternating voltage to the electrode of the primary region of the piezoelectric element;
A piezoelectric transformer device comprising:
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電素子、あるいは請求項7乃至9のいずれか1項に記載の圧電トランス、あるいは請求項10乃至12のいずれか1項に記載の圧電トランス装置、
を有する電子機器。 Electronic components,
The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6, the piezoelectric transformer according to any one of claims 7 to 9, or the piezoelectric transformer device according to any one of claims 10 to 12. ,
Electronic equipment having
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