JP2508575B2

JP2508575B2 - 圧電磁器トランスとその駆動方法

Info

Publication number: JP2508575B2
Application number: JP5012186A
Authority: JP
Inventors: 修大西; 武志井上
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-01-28
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1996-06-19
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: JPH06224484A; US5440195A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種の高電圧発生用電
源回路で動作可能な圧電トランス、特に小型化、高信頼
度が要求される小型・薄型でかつ高電圧を発生する圧電
トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、テレビジョンの偏向装置や複写機
の帯電装置など高電圧を必要とする装置内の電源回路で
は高電圧発生用の変圧素子として巻線型の電磁トランス
が用いられてきた。この電磁トランスは磁性体のコアに
導線を巻き付ける構造になっており、高い変成比を実現
するためには巻き付ける導線の数を多くする必要があ
る。そのため、小型・薄型の電磁トランスを実現するの
は非常に困難であった。

【０００３】これに対し、圧電効果を用いた圧電トラン
スが提案されている。図７に従来の代表的な圧電トラン
スであるローゼン型圧電トランスの構造を示す。以下、
図面に沿って説明する。高電圧を取り出す場合、表面に
電極が設けられた圧電板において、７１で示す部分は圧
電トランスの低インピーダンスの駆動部であり、その上
下面に電極７３、７４が設けられており、この部分は図
中矢印で示すように厚み方向に分極されている。また、
同様に７２で示す部分は高インピーダンスの発電部分で
あり、その端面に電極７５が設けられており、発電部７
２は図中矢印で示すように圧電板の長さ方向に分極され
ている。この圧電トランスの動作は以下の通りである。
外部端子７６、７７から駆動電極７３、７４に電圧が印
加されると、駆動部７１では分極方向に電界が加わり分
極とは垂直方向に変位する圧電効果（以後、圧電横効果
３１モードと略す）で長さ方向の縦振動が励振され、ト
ランス全体が振動する。さらに発電部７２では、分極方
向に機械的歪が生じ分極方向に電位差が発生する圧電効
果（以後、圧電縦効果３３モードと略す）により、出力
電極７５から外部端子７８に入力電圧と同じ周波数の電
圧が取り出される。このとき、駆動周波数を圧電トラン
スの共振周波数と等しくすれば非常に高い出力電圧が得
られる。尚、高電圧を入力し、低電圧を出力させる場合
には、縦効果の高インピーダンス部分７２を入力側と
し、横効果の低インピーダンス部分７１を出力側にすれ
ば良いことは明かである。

【０００４】この圧電トランスは共振状態で使用され、
一般の電磁トランスに比べて（１）巻線構造が不用でエ
ネルギー密度も高いため小型化・薄型化が図れること、
（２）不燃化が図れること、（３）電磁誘導によるノイ
ズがでないこと、等数多くの長所を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のローゼン型圧電
トランスでは、発電部の電極が振動の腹に位置するた
め、外部端子の接続が振動に悪影響を与えたり信頼性が
大きく低下する等の短所があった。また、圧電トランス
のインピーダンスに比べて極端に大きな負荷抵抗の場合
では比較的高い出力電圧が得られるが、負荷抵抗の値が
さほど大きくない場合にはそれほど高い出力電圧が得ら
れないという欠点があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、長板構造の圧
電磁器トランスにおいて、それぞれ全体の長さの厚さ方
向に分極された圧電磁器層と内部電極をそれぞれ複数層
積層した構造を有する２つの駆動部を圧電磁器トランス
の両端部に配置し、さらに長さ方向の中心を含む中央部
に長さ方向に分極された発電部を配置し長さ方向の中心
部から出力の電気端子を取り出す構造を特徴とする圧電
磁器トランスとその駆動方法である。

【０００７】

【作用】以下、図を用いて説明する。本圧電磁器トラン
スの幅方向に垂直に切断した断面図を図１（ａ）に示
す。また、図１中ａ−ａ’における長手方向に垂直に切
断した断面図を図１（ｂ）に、ｂ−ｂ’，ｃ−ｃ’にお
ける長手方向に垂直に切断した断面図を図１（ｃ）に示
す。本圧電磁器トランスでは駆動部１１を長さ方向の両
端に配置し、中央部に発電部１２を配置した構造となっ
ている。駆動部では、厚さ方向に分極した圧電磁器層１
１１を、分極方向が互い違いになるように内部電極１１
２を挟みながら配置し、その内部電極は１枚おきに表面
の外部電極１１３、１１４（１１５、１１６）と接続さ
れている。尚、ここでは圧電磁器層１１１を奇数である
５層としたため、図１（ｂ）において外部電極１１３が
上と左、１１４が下と右に配置されているが、圧電磁器
層１１１の数が偶数の場合はどちらかの外部電極が１つ
の側面と２つの主面、もう一方の外部電極は残りの１つ
の側面だけに配置される。

【０００８】一方、発電部の圧電磁器１２１は長さ方向
に分極されており、その両側に比較的細い内部電極１２
２と表面の外部電極１２４が、さらに長手方向の中心に
は内部電極１２３と外部電極１２５が配置されている。
このとき、内部電極１２３を挟んで分極方向は逆向きに
なっている。内部電極１２２と１２３はそれぞれ外部電
極１２４と１２５により接続されている。外部電極１２
４は駆動部の外部電極１１４、１１６と接続され同電位
電極として機能し、一方、外部電極１２５から出力端子
が取り出される。

【０００９】さて、この圧電磁器トランスの駆動部１１
の外部電極１１３−１１４（１１５−１１６）間に電圧
を印加すると、電気機械結合係数ｋ_{3 1}を介して圧電横
効果３１モードにより長さ方向の縦振動が発生する。そ
の縦振動は出力部１２に伝わり電気機械結合係数ｋ_{3 3}
を介して圧電縦効果３３モードにより電圧が発生し、外
部電極１２５から取り出される。このとき、印加される
電圧の周波数が圧電磁器トランスの長さ縦振動の共振周
波数と等しければかなり高い出力電圧が得られる。

【００１０】続いて本圧電磁器トランスに有利な外部端
子の取り出し方について説明する。図２に外部端子の接
続方法と長さ縦振動３次モードの長さ方向の変位および
応力分布を示す。入力端子２１は駆動部の外部電極１１
５、１１３とそれぞれ接続点２４、２５において接続さ
れている。入出力の共通端子２２は外部電極１１６、１
１４と接続点２６、２７において接続されている。ま
た、出力端子２３は、発電部の外部電極１２５と接続点
２８で接続されている。

【００１１】さて、長さ縦振動３次モードは縦振動の３
／２波長が圧電磁器トランス全体の長さに等しい振動モ
ードで、図２の変位分布に示したように３カ所の振動の
節Ａ，Ｂ，Ｃが存在する。このうち、節Ａと節Ｃは両端
から１／４波長内側に入った所で、節Ｂは圧電磁器トラ
ンス全体の中心である。ここで節の位置と接続点を比較
した場合、接続点２４と２６を節Ａに、接続点２５と２
７を節Ｃに、接続点２８を節Ｂに配置させることが可能
である。このように本発明の構造の圧電磁器トランスで
は、全ての電気端子を振動の節から取り出すことが可能
であるため、良好な振動特性と高い信頼性を実現でき
る。

【００１２】本圧電磁器トランスの共振周波数近傍の集
中定数近似等価回路は、他の圧電トランスと同様に図３
で示される。図３においてＣｄ₁，Ｃｄ₂はそれぞれ入
力側，出力側の制動容量，Ａ₁，Ａ₂は入出力の力係
数，ｍ，ｃ，ｒ_mは長さ縦振動３次モードに関する等価
質量、等価コンプライアンス、等価機械抵抗である。本
発明の圧電磁器トランスの入出力の力係数Ａ₁，Ａ
₂は、次式で表される。

【００１３】

【数１】

【００１４】

【数２】

【００１５】ここに、ｗ：幅、ｔ：全体の厚さ、ｌ₂：
出力部の半分の長さ、ε：誘電率、ｓ：弾性コンプライ
アンス、ｋ：電気機械結合係数図３の等価回路から明らかなように、一般に圧電トラン
スの出力電圧Ｖ_{o u t}は、接続される負荷の抵抗値によ
って変化し、負荷抵抗の値が大きいほどＶ_{o u t}の値も
大きくなる。ところが、高電圧かつ高電力の用途では負
荷の抵抗値はさほど高くなく、出力電圧Ｖ_{o u t}は出力
端解放時よりも数分の１以下とかなり低くなってしまう
傾向があった。それに対し本発明の圧電磁器トランスで
は、駆動部をｎ層の圧電磁器層で構成しているため、式
（１）で示される力係数Ａ₁は積層数ｎに比例して大き
くなる。そのため、積層していない構造の圧電トランス
に比べて約ｎ倍の出力電圧を得ることができ、比較的低
い負荷抵抗に対しても十分高い電圧を供給できる。

【００１６】また、本発明の圧電磁器トランスでは、図
１に示したように発電部に内部電極１２２、１２３を配
置しているので、外部電極１２４、１２５だけの場合に
比べて、分極処理の際の発電部１２内の電気力線の歪み
が少なくほぼ長さ方向に平行となる。そのため発電部の
圧電磁器の分極は長さ方向に揃い電気機械結合係数ｋ
_{3 3}を材料の限界近くまで高めることができる。

【００１７】

【実施例】（実施例１）本発明に基づく圧電磁器トラン
スの実施例として図１に示した構成の圧電磁器トランス
をグリーンシート法により作製した。圧電磁器の材料に
はＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃）系圧電磁器を
用いた。また、内部電極は１１２、１２２、１２３はＰ
ｔペーストを圧電材料のグリーンシート上にスクリーン
印刷し、圧電材料と共に一体焼成することにより形成し
た。ここでは圧電磁器と内部電極の材料としてＰＺＴ系
圧電磁器およびＰｔを用いたが、圧電性を有する圧電磁
器材料およびそれと一体焼成可能である電極材料であれ
ば他の組合せでも動作することは言うまでもない。駆動
部および発電部の電極部とも圧電磁器層５層、内部電極
４層の構造で各圧電磁器層の厚さは０．２ｍｍとし全体
の厚さを１ｍｍとした。焼成後、長さ３０ｍｍ、幅５ｍ
ｍの寸法に切断し、Ａｇペーストを塗布、焼成すること
により外部電極１１３、１１４、１１５、１１６、１２
４、１２５、１２６を形成した。これらの外部電極は、
塗布・焼成以外の方法、例えば蒸着法はスパッタ法を用
いてＡｇ以外の導電性材料の薄膜を形成しても一向に構
わない。その後、１００℃の絶縁油中において４ｋＶ／
ｍｍの電圧を印加する分極処理を施した。さらに、図２
で示したように導線をハンダを用いて接続した。このと
き、駆動部の接続点２４、２５、２６、２７は圧電磁器
トランスの両端から５ｍｍ内側の位置とした。

【００１８】この圧電磁器トランスの長さ縦振動３次モ
ードの共振周波数はアドミタンスの周波数特性から１５
３ｋＨｚと測定された。この圧電磁器トランスに高電圧
用途としては比較的低抵抗である２００ｋΩの負荷抵抗
を接続したところ、入力電圧１０Ｖに対して６５０Ｖの
出力電圧が得られ、このときの出力電力は２．１Ｗであ
った。

【００１９】また、この実施例による圧電磁器トランス
１００個を連続２０００時間駆動したが、外部電極の剥
離や特性の異常が認められた試料は１個も無かった。

【００２０】尚、この圧電磁器トランスは図４に示す様
に４端子の変圧素子として使用することも可能である。
すなわち、発電部の外側の外部電極１２４、１２６に接
続点４２、４３を介して出力端子４１を設ければよい。
接続点４２、４３が長さ縦振動３次モードの節ではない
が、このような端子構造とすることで入力端子２１、２
２と出力端子２３、４１が直流的には完全に絶縁され
る。したがって、電源回路に使用する際に回路設計上の
自由度が増す。

【００２１】（実施例２）続いて上下の主面に外部電極
の存在しない圧電磁器トランスを作製した。構造を図５
に示す。図４（ａ）は幅方向に垂直に切断した断面図、
（ｂ）（ｃ）はそれぞれａ−ａ’，ｂ−ｂ’で切断した
断面図である。この圧電磁器トランスの駆動部５１は、
３層の圧電磁器層５１１と４層の内部電極５１２の上下
に圧電磁器の不活性層５１３が配置されている。内部電
極５１２は図５（ｂ）に示した様に側面に配置された外
部電圧５２、５３さらに外部端子５６、５７に接続され
ている。この接続点の位置は振動の節に置くのが望まし
い。一方発電部では、図５（ｃ）に示すように内部電極
５２３は側面の外部電極５４、５５を介して出力端子５
８に接続される。この場合外部端子の５５は必ずしも必
要ではない。また、内部電極５２２も同様に側面の外部
電極で接続されるが、この外部電極は駆動部の外部電極
５２、５３のいずれかに接続される。この圧電磁器トラ
ンスの動作原理等は先の実施例と同じである。活性層の
割合が減る分扱えるパワーは減少するが、上下の主面に
電極を配置していないので振動の節であれば上下から金
属などの導体で挟む様な支持が可能となる。実際に作製
した圧電磁器トランスに２００ｋΩの負荷抵抗を接続し
たところ、入力電圧１０Ｖの時に、出力電圧５１０Ｖす
なわち出力電力１．３Ｗが得られた。

【００２２】（実施例３）さらに、発電部には内部電極
を有しない圧電磁器トランスを作製した。その幅方向に
垂直な断面図を図６に示す。駆動部６１は実施例１と全
く同じ構造であるが、発電部は長さ方向に分極された圧
電磁器６２１と外部電極６２２のみで構成されている。
３個の外部端子は外部電極６１３、６１４、６２２に接
続される。尚、外部端子を４端子としたい場合には発電
部の比較的外側に外部電極（図１の１２４に相当）を設
ければよい。この実施例では発電部に内部電極がないた
め、分極処理の際に外部電極に電圧を印加しても電気力
線が長さ方向に完全には揃わず効率の面でやや不利であ
るが、圧電磁器トランスの厚さに比べて発電部の長さが
十分長い場合には効率の低下はさほど大きくない。実際
に作製した圧電磁器トランスに３３０ｋΩの負荷抵抗を
接続したところ、入力電圧１０Ｖの時に、出力電圧６８
０Ｖすなわち出力電力１．４Ｗが得られた。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明に従った構成
の圧電磁器トランスは、高電圧・高電力・高信頼性の特
性を持ち、かつ小型・薄型であるという点で従来の圧電
トランスにはない長所があり、工業的価値も多大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電磁器トランスの断面図である。

【図２】本発明の圧電磁器トランスの接続図および変位
分布図である。

【図３】圧電磁器トランスの集中定数等価回路図であ
る。

【図４】４端子構造の圧電トランスの接続図である。

【図５】上下面に電極のない実施例の断面図である。

【図６】発電部に内部電極のない実施例の断面図であ
る。

【図７】従来のローゼン型圧電トランスの斜視図であ
る。

【符号の説明】

１１、４１、５１、６１、７１駆動部１２、４２、５２、６２、７２発電部１１１、１２１、５１１、５１３、６１１、６２１圧
電磁器１１２、１２２、１２３、５１２、５２２、５２３、６
１２内部電極１１３、１１４、１１５、１１６、１２４、１２５、１
２６、５２、５３、５４，５５、６１３、６１４、６２
２，７３、７４，７５、外部電極２１、２２、２３、４１、５６、５７、５８、７６、７
７、７８電気端子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】長板構造の圧電磁器トランスにおいて、
厚さ方向に分極された圧電磁器層と内部電極を交互に複
数層積層した駆動部を圧電磁器トランスの両端部に配置
し、さらに長さ方向の中心を含む中央部に長さ方向に端
部から中央部の向きに分極された発電部を配置し長さ方
向の中心部から出力の電気端子を取り出す構造を特徴と
する圧電磁器トランス。
【請求項２】請求項１の圧電磁器トランスにおいて、圧
電磁器トランスの長さ方向の中心部に１層あるいは複数
の内部電極を配置しその内部電極すべてに出力電気端子
を接続し、また発電部の両端にそれぞれ１層あるいは複
数の内部電極を配置してそれを駆動部の一方の電極と接
続したことを特徴とする圧電磁器トランス。
【請求項３】請求項１、２の圧電磁器トランスにおい
て、駆動部の外部電極と導線との接続点を、圧電磁器ト
ランスの両端から長さ縦振動３次モードの波長の４分の
１だけ内側に配置し、その圧電磁器トランスを長さ縦振
動３次モードの共振周波数で駆動することを特徴とする
圧電磁器トランスの駆動方法。