JP2918319B2 - 圧電トランス - Google Patents
圧電トランスInfo
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Landscapes
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 圧電トランスに関し、 昇圧比が大きく高安定で，かつ、信頼性の高い圧電ト
ランスを実用化することを目的とし、 長さ方向に振動する一様に分極された圧電単結晶板を
用いる圧電トランスであって、前記圧電単結晶板の長さ
方向の一部両面から厚さ方向に入力電圧を印加して圧電
的に振動を励起し、前記入力電圧を印加していない部分
の長さ方向に発生する電圧を出力として取り出すように
圧電トランスを構成する。具体的にはこのような圧電単
結晶板としてＺ軸方向に一様に分極されたニオブ酸リチ
ウム単結晶の130゜±20゜回転Ｙ板を用いて効果的に構
成することができる。
ランスを実用化することを目的とし、 長さ方向に振動する一様に分極された圧電単結晶板を
用いる圧電トランスであって、前記圧電単結晶板の長さ
方向の一部両面から厚さ方向に入力電圧を印加して圧電
的に振動を励起し、前記入力電圧を印加していない部分
の長さ方向に発生する電圧を出力として取り出すように
圧電トランスを構成する。具体的にはこのような圧電単
結晶板としてＺ軸方向に一様に分極されたニオブ酸リチ
ウム単結晶の130゜±20゜回転Ｙ板を用いて効果的に構
成することができる。
本発明は圧電トランス，とくに、圧電単結晶，たとえ
ば、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）単結晶の回転Ｙ板を用
いた高性能で，かつ、安定性の高い圧電トランスの構成
に関する。
ば、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）単結晶の回転Ｙ板を用
いた高性能で，かつ、安定性の高い圧電トランスの構成
に関する。
陰極線管（CRT）の電子線の偏向や静電印刷における
光導電ドラムの帯電など、大きな電流は必要としないが
数kV以上の高電圧を必要とする機器が多くある。現在、
一般的には電磁トランスを使用しているが、小型・計量
でソリッドステートなデバイスとして圧電トランスが注
目され一部に具体的に提案されている。
光導電ドラムの帯電など、大きな電流は必要としないが
数kV以上の高電圧を必要とする機器が多くある。現在、
一般的には電磁トランスを使用しているが、小型・計量
でソリッドステートなデバイスとして圧電トランスが注
目され一部に具体的に提案されている。
第５図は従来の圧電トランスの構造例を示す図で、Ro
senによって提案された代表的な例であり（C.A.Rosen:P
roc.,Electronic Components Symp.,p205,1957）、同図
（イ）は斜視図，同図（ロ）は断面図である。
senによって提案された代表的な例であり（C.A.Rosen:P
roc.,Electronic Components Symp.,p205,1957）、同図
（イ）は斜視図，同図（ロ）は断面図である。
図中、１′は圧電セラミック板，たとえば、チタン酸
バリウムセラミック板で、長方形の薄板の，たとえば、
図示したごとく中央部から左側は板厚方向に分極（Pi）
し、右側は板の長さ方向に分極（Po）してある。そして
左側の分極（Pi）部分の両側に入力電極２および３を形
成して入力部とし、右側の分極（Po）部分の右端に一方
の出力電極４を形成し、他方の出力電極は入力電極３と
共用させてある。
バリウムセラミック板で、長方形の薄板の，たとえば、
図示したごとく中央部から左側は板厚方向に分極（Pi）
し、右側は板の長さ方向に分極（Po）してある。そして
左側の分極（Pi）部分の両側に入力電極２および３を形
成して入力部とし、右側の分極（Po）部分の右端に一方
の出力電極４を形成し、他方の出力電極は入力電極３と
共用させてある。
いま、入力電極2,3の間に長さ方向の寸法で決まる共
振周波数の入力電圧Viを印加すると，たとえば、図中、
変異が実線d,破線ｄ′で示したごとき長さ方向の振動が
励起され、圧電縦効果を介して出力電極4,3間に高電圧V
oが発生する。この場合、出力端無負荷時の昇圧比（Vo/
Vi）は次式で表される。
振周波数の入力電圧Viを印加すると，たとえば、図中、
変異が実線d,破線ｄ′で示したごとき長さ方向の振動が
励起され、圧電縦効果を介して出力電極4,3間に高電圧V
oが発生する。この場合、出力端無負荷時の昇圧比（Vo/
Vi）は次式で表される。
Vo/Vi＝4/π２・K31・k33・Qa・L2/T ……（１） こゝで、k31は横効果の結合係数,k33は縦効果の結合
係数,Qaは圧電板１′の機械的Q,L2は右半分の長さ方向
の分極（Po）部分の長さ,Tは圧電セラミック板の厚さで
ある。
係数,Qaは圧電板１′の機械的Q,L2は右半分の長さ方向
の分極（Po）部分の長さ,Tは圧電セラミック板の厚さで
ある。
すなわち、このような構造の圧電トランスの昇圧比
（Vo/Vi）は、横効果の結合係数K31,縦効果の結合係数k
33および圧電板１′の機械的ＱであるQaの積に比例す
る。
（Vo/Vi）は、横効果の結合係数K31,縦効果の結合係数k
33および圧電板１′の機械的ＱであるQaの積に比例す
る。
そして、デバイスとしては中央部の振動の節の部分を
支点５で支えて固定し圧電トランスを構成している。
支点５で支えて固定し圧電トランスを構成している。
しかし、上記従来の圧電セラミック板を用いた圧電ト
ランスでは、入力部と出力部の境界，たとえば、圧電セ
ラミック板１′の中央部分で分極方向が直交するように
分極処理をしなければならず、このために振動変位の大
振巾時に歪み集中などが原因となって破壊するなどのト
ラブルが生じる。また、一般にセラミックは入力電圧を
上げていくと飽和特性を示したり、大振巾時に蒸発その
他の原因により圧電定数や弾性定数が劣化して動作安定
性や長期の信頼性に不安があるなど多くの問題があり、
その解決が求められている。
ランスでは、入力部と出力部の境界，たとえば、圧電セ
ラミック板１′の中央部分で分極方向が直交するように
分極処理をしなければならず、このために振動変位の大
振巾時に歪み集中などが原因となって破壊するなどのト
ラブルが生じる。また、一般にセラミックは入力電圧を
上げていくと飽和特性を示したり、大振巾時に蒸発その
他の原因により圧電定数や弾性定数が劣化して動作安定
性や長期の信頼性に不安があるなど多くの問題があり、
その解決が求められている。
上記の課題は、長さ方向に振動する一様に分極された
圧電単結晶板１を用いる圧電トランスであって、前記圧
電単結晶板１の長さ方向の一部両面から厚さ方向に入力
電圧を印加して圧電的に振動を励起し、前記入力電圧を
印加していない部分の長さ方向に発生する電圧を出力と
して取り出すように構成した圧電トランスによって解決
することができる。具体的には前記圧電単結晶板１の長
さ方向の半分の領域に入力電圧を印加し中央部に振動の
節が生じるように構成する。
圧電単結晶板１を用いる圧電トランスであって、前記圧
電単結晶板１の長さ方向の一部両面から厚さ方向に入力
電圧を印加して圧電的に振動を励起し、前記入力電圧を
印加していない部分の長さ方向に発生する電圧を出力と
して取り出すように構成した圧電トランスによって解決
することができる。具体的には前記圧電単結晶板１の長
さ方向の半分の領域に入力電圧を印加し中央部に振動の
節が生じるように構成する。
なお、前記圧電単結晶板１の材料としては、Ｚ軸方向
に一様に分極されたニオブ酸リチウム単結晶の回転Ｙ
板，とくに、130゜±20゜回転Ｙ板を用いた圧電トラン
スにより効果的に解決することができる。
に一様に分極されたニオブ酸リチウム単結晶の回転Ｙ
板，とくに、130゜±20゜回転Ｙ板を用いた圧電トラン
スにより効果的に解決することができる。
本発明によれば、圧電単結晶板１は単結晶であるの
で、単一の方向に分極を揃え所望のカットを選択するこ
とにより充分大きい昇圧比のトランス作用が得られる。
とくに、LiNbO3は圧電定数積が大きく、かつ、機械的Ｑ
もセラミックに比較してはるかに大きいのでより大きな
昇圧比か得られる。
で、単一の方向に分極を揃え所望のカットを選択するこ
とにより充分大きい昇圧比のトランス作用が得られる。
とくに、LiNbO3は圧電定数積が大きく、かつ、機械的Ｑ
もセラミックに比較してはるかに大きいのでより大きな
昇圧比か得られる。
さらに、単結晶の特性として誘電損失や機械損失が小
さいので変換効率を高く，したがって、自己発熱による
温度上昇も少なく、また特性が安定しているので動作安
定性も長期の信頼性も極めて優れているのである。
さいので変換効率を高く，したがって、自己発熱による
温度上昇も少なく、また特性が安定しているので動作安
定性も長期の信頼性も極めて優れているのである。
第１図は本発明の実施例を示す図で、同図（イ）は斜
視図，同図（ロ）は断面図である。
視図，同図（ロ）は断面図である。
通常、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）のような圧電単結
晶は圧電セラミックとは異なり、入力部と出力部で自発
分極の方向を変えることはできないが、あとで詳しく述
べるごとく、そのカットの方位を最適に選択することに
よって圧電トランスに適用可能であることがわかった。
晶は圧電セラミックとは異なり、入力部と出力部で自発
分極の方向を変えることはできないが、あとで詳しく述
べるごとく、そのカットの方位を最適に選択することに
よって圧電トランスに適用可能であることがわかった。
図中、１は圧電単結晶板，たとえば、ニオブ酸リチウ
ム（LiNbO3）単結晶板でＺ軸方向に一様に分極処理を行
った単結晶から切り出された，たとえば、回転Ｙカット
板（とくに、約128゜回転Ｙカット板）を用いた。板の
大きさは長さ29.5mm,巾6.6mm,厚さ0.53mmのものを用
い、入力電極２および３としては圧電単結晶板１の中央
から左側の半分の両面に厚さ30nmのNiCrを下地にしその
上に厚さ100nmのAuを何れも真空蒸着により形成した。
出力電極４は同様の構成で右端側の端部から上面の約3m
mの巾にかけて同じく真空蒸着により形成した。図中、
板の側面図あるいは側断面に図示した矢印ｐは分極方向
を概念的に示したものである。
ム（LiNbO3）単結晶板でＺ軸方向に一様に分極処理を行
った単結晶から切り出された，たとえば、回転Ｙカット
板（とくに、約128゜回転Ｙカット板）を用いた。板の
大きさは長さ29.5mm,巾6.6mm,厚さ0.53mmのものを用
い、入力電極２および３としては圧電単結晶板１の中央
から左側の半分の両面に厚さ30nmのNiCrを下地にしその
上に厚さ100nmのAuを何れも真空蒸着により形成した。
出力電極４は同様の構成で右端側の端部から上面の約3m
mの巾にかけて同じく真空蒸着により形成した。図中、
板の側面図あるいは側断面に図示した矢印ｐは分極方向
を概念的に示したものである。
いま、図示していない交流発振電源から入力電源2,3
の間に長さ方向の寸法で決まる共振周波数の入力電圧Vi
を印加すると，たとえば、同図（ロ）に示した変位が実
線d,破線ｄ′で示したごとき長さ方向の振動（基本振
動）が励起され、圧電縦効果を介して出力電極4,入力電
極３間に高電圧Voが発生するので，たとえば、ハイイン
ピーダンスの交流電圧計でそれを測定すれば昇圧比（Vo
/Vi）を求めることができる。この場合、振動が有効に
励起されるように圧電単結晶板１は振動の節，すなわ
ち、図示した例では中央部を支点５で支えるように，た
とえば、図示していないベースの上に接続搭載する。ま
た、各電極からは，たとえば、Auワイヤでボンディング
すればよい。
の間に長さ方向の寸法で決まる共振周波数の入力電圧Vi
を印加すると，たとえば、同図（ロ）に示した変位が実
線d,破線ｄ′で示したごとき長さ方向の振動（基本振
動）が励起され、圧電縦効果を介して出力電極4,入力電
極３間に高電圧Voが発生するので，たとえば、ハイイン
ピーダンスの交流電圧計でそれを測定すれば昇圧比（Vo
/Vi）を求めることができる。この場合、振動が有効に
励起されるように圧電単結晶板１は振動の節，すなわ
ち、図示した例では中央部を支点５で支えるように，た
とえば、図示していないベースの上に接続搭載する。ま
た、各電極からは，たとえば、Auワイヤでボンディング
すればよい。
第２図は本発明実施例の入力電圧−出力電圧特性を示
す図で、縦軸に出力電圧，横軸に入力電圧をとってあ
る。図からわかるように極めて簡単な構造で約600とい
う大きな昇圧比が得られ，しかも、直線性のよい特性を
示している。
す図で、縦軸に出力電圧，横軸に入力電圧をとってあ
る。図からわかるように極めて簡単な構造で約600とい
う大きな昇圧比が得られ，しかも、直線性のよい特性を
示している。
第３図はLiNbO3回転Ｙ板における結合係数の回転角依
存性を示す図、縦軸に結合係数，横軸に回転角をとって
ある。図からLiNbO3単結晶の結晶本来の電気機械結合係
数ｋは余り大きくないが単結晶板を切り出す方位により
大きな結合係数が選べることがわかる。
存性を示す図、縦軸に結合係数，横軸に回転角をとって
ある。図からLiNbO3単結晶の結晶本来の電気機械結合係
数ｋは余り大きくないが単結晶板を切り出す方位により
大きな結合係数が選べることがわかる。
前記式（１）をLiNbO3単結晶の回転Ｙ板に置き換え
て、横効果の結合係数K23,縦効果の結合係数k33の回転
角依存性を実線で、両者の積K23・k33のそれを破線で示
した。すなわち、K23・k33の値は回転角130゜近辺で最
大（約0.30）となり、この値は代表的な圧電セラミック
のK31・k33の値（0.24）よりも大きい。すなわち、実用
的には回転角として130゜±20゜の範囲であれば有効な
圧電トランスが得られることがわかる（K23・k33の値が
0.15以上）。
て、横効果の結合係数K23,縦効果の結合係数k33の回転
角依存性を実線で、両者の積K23・k33のそれを破線で示
した。すなわち、K23・k33の値は回転角130゜近辺で最
大（約0.30）となり、この値は代表的な圧電セラミック
のK31・k33の値（0.24）よりも大きい。すなわち、実用
的には回転角として130゜±20゜の範囲であれば有効な
圧電トランスが得られることがわかる（K23・k33の値が
0.15以上）。
第４図は本発明実施例の周波数−昇圧比特性を示す図
で、縦軸に昇圧比，横軸に周波数をとってある。この図
から機械的Ｑがかなり大きいことがわかる。Ｑが余り大
きすぎると共振周波数が少し変化しただけで昇圧比が大
巾に小さくなるが、実際にはLiNbO3単結晶は大振巾時で
も共振周波数の変化は小さく，さらに、入力側駆動回路
を自励発振器とすれば実用上何ら問題は生じない。
で、縦軸に昇圧比，横軸に周波数をとってある。この図
から機械的Ｑがかなり大きいことがわかる。Ｑが余り大
きすぎると共振周波数が少し変化しただけで昇圧比が大
巾に小さくなるが、実際にはLiNbO3単結晶は大振巾時で
も共振周波数の変化は小さく，さらに、入力側駆動回路
を自励発振器とすれば実用上何ら問題は生じない。
以上述べた実施例は例を示したものであり、本発明の
趣旨に添うものである限り、上記実施例に示した以外の
素材（たとえば、LiNbO3単結晶など），素子構成，ある
いは、それらの組み合わせや，また、膜形成技術につい
ても他の方法を適宜用いて、本発明の圧電トランスを構
成してよいことは言うまでもない。
趣旨に添うものである限り、上記実施例に示した以外の
素材（たとえば、LiNbO3単結晶など），素子構成，ある
いは、それらの組み合わせや，また、膜形成技術につい
ても他の方法を適宜用いて、本発明の圧電トランスを構
成してよいことは言うまでもない。
以上詳しく述べたように、本発明によれば、圧電単結
晶板１は単結晶であるので、単一の方向に分極を揃え所
望のカットを選択することにより充分大きな昇圧比のト
ランス作用が得られる。とくに、LiNbO3は圧電定数積が
大きく，かつ、機械的Ｑもセラミックに比較してはるか
に大きいのでよい大きな昇圧比が得られる。さらに、単
結晶の特性として誘電損失や機械損失が小さいので変換
効率が高く，したがって、自己発熱による温度上昇も少
なく特性が安定しており、圧電トランスの性能，品質な
らびに信頼性の向上に寄与するところが極めて大きい。
晶板１は単結晶であるので、単一の方向に分極を揃え所
望のカットを選択することにより充分大きな昇圧比のト
ランス作用が得られる。とくに、LiNbO3は圧電定数積が
大きく，かつ、機械的Ｑもセラミックに比較してはるか
に大きいのでよい大きな昇圧比が得られる。さらに、単
結晶の特性として誘電損失や機械損失が小さいので変換
効率が高く，したがって、自己発熱による温度上昇も少
なく特性が安定しており、圧電トランスの性能，品質な
らびに信頼性の向上に寄与するところが極めて大きい。
第１図は本発明の実施例を示す図、 第２図は本発明実施例の入力電圧−出力電圧特性を示す
図、 第３図はLiNbO3回転Ｙ板における結合係数の回転角依存
性を示す図、 第４図は本発明実施例の周波数−昇圧比特性を示す図、 第５図は従来の圧電トランスの構造例を示す図である。 図において、 １は圧電単結晶板、 2,3は入力電極、 ４は出力電極、 ５は支点である。
図、 第３図はLiNbO3回転Ｙ板における結合係数の回転角依存
性を示す図、 第４図は本発明実施例の周波数−昇圧比特性を示す図、 第５図は従来の圧電トランスの構造例を示す図である。 図において、 １は圧電単結晶板、 2,3は入力電極、 ４は出力電極、 ５は支点である。
Claims (4)
- 【請求項１】長さ方向に振動する一様に分極された圧電
単結晶板（１）を用いる圧電トランスであって、前記圧
電単結晶板（１）の長さ方向の一部両面から厚さ方向に
入力電圧を印加して圧電的に振動を励起し、前記入力電
圧を印加していない部分の長さ方向に発生する電圧を出
力として取り出すことを特徴とした圧電トランス。 - 【請求項２】前記圧電単結晶板（１）の長さ方向の半分
の領域に入力電圧を印加し、中央部に振動の節が生じる
ように構成することを特徴とした請求項（１）記載の圧
電トランス。 - 【請求項３】前記圧電単結晶板（１）がＺ軸方向に一様
に分極されたニオブ酸リチウム単結晶の回転Ｙ板である
ことを特徴とした請求項（１）または（２）記載の圧電
トランス。 - 【請求項４】前記ニオブ酸リチウム単結晶の回転Ｙ板の
回転角が130゜±20゜であることを特徴とした請求項
（３）記載の圧電トランス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2244634A JP2918319B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 圧電トランス |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2244634A JP2918319B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 圧電トランス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04124886A JPH04124886A (ja) | 1992-04-24 |
| JP2918319B2 true JP2918319B2 (ja) | 1999-07-12 |
Family
ID=17121674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2244634A Expired - Lifetime JP2918319B2 (ja) | 1990-09-14 | 1990-09-14 | 圧電トランス |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2918319B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030046574A (ko) * | 2001-12-05 | 2003-06-18 | 삼성전기주식회사 | 압전트랜스포머 |
-
1990
- 1990-09-14 JP JP2244634A patent/JP2918319B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04124886A (ja) | 1992-04-24 |
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