JP3064458B2 - 厚み縦振動圧電磁器トランスとその駆動方法 - Google Patents

厚み縦振動圧電磁器トランスとその駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高周波帯で動作可能な
圧電磁器トランス、特に小型化、低ノイズ化が要求され
るオンボード用圧電磁器トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子装置を小型化するために、ス
イッチング電源のスイッチング周波数の高周波化が図ら
れている。従来より、このスイッチング電源には電磁ト
ランスが用いられているが、このスイッチング周波数を
高くすると、電磁トランスに用いられている磁性材料の
ヒステリシス損失、渦電流損失や導線の表皮効果による
損失が急激に増大し、トランスの効率が非常に低くなる
欠点があった。このため、電磁トランスの実用的な周波
数帯域の上限はせいぜい５００ＫＨｚであった。
【０００３】これに対して、圧電磁器トランスは、共振
状態で使用され、一般の電磁トランスに比べて（１）同
一の周波数においてエネルギー密度が高いため小型化が
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、など、数多くの長所を有
している。
【０００４】図４には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
設けられた圧電磁器板において、４１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分であり、その上
下面に電極４３、４４が設けられており、この部分は高
インピーダンスの発電部分であり、その端面に電極４５
が設けられており、発電部分４２は図中４７で示すよう
に圧電磁器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、駆動電極４３、４４に電圧が印加され
ると横効果３１モードで電気機械結合係数ｋ31によって
縦振動が励振され、トランス全体が振動する。さらに発
電部分４２では、電気機械結合係数ｋ33により縦効果縦
振動（３３モード）により、出力電極４５から高電圧が
取り出せる。一方、高電圧を入力して低電圧を出力させ
るには、縦効果の高インピーダンス部分４２を入力側と
し、横効果の低インピーダンス部分４１を出力側にすれ
ばよいことは明らかである。他の圧電トランスいずれも
ローゼン型と同じ平板の伸び振動や円板径方向の径広が
り振動を利用したものであり、適用周波数は最高２００
ｋＨｚまでである。
【０００５】それに対し、本発明者らはすでに厚み方向
に分極した圧電磁器板を積み重ねた構造であり、厚み縦
振動の共振周波数で駆動する事により、ＭＨｚ帯での動
作が可能な圧電磁器トランスを提案している。（特願平
１−１３９５２５）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らがすでに提
案した厚み縦振動モードを用いた積層圧電磁器トランス
を駆動させる際、低インピーダンス部の分極が厚み方向
に一様で同じ向きでありかつ各磁器層の厚みが均一であ
ると、低インピーダンス部全体で電荷のキャンセルが起
こり、各磁器層に誘起される電界は互いに打ち消し合
う。すなわち、蓄えられる静電エネルギーはキャンセル
されて電力伝送効率は低下する。
【０００７】また、従来の分極法では素子全体を厚み方
向に一様に分極後、低インピーダンス部の各磁器層を、
互いに向きを変えて分極していたが、この方法では低イ
ンピーダンス部の分極反転にともなう機械的歪により、
電極の剥離や圧電磁器層の破壊が部分的に起こり、この
ため圧電磁器トランスの機械的品質係数Ｑｍが低下し、
圧電磁器トランスの電力伝送効率が劣化する欠点があっ
た。
【０００８】さらには、先の圧電トランスでは構造的に
出力端子対を複数個とすることは困難であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、内部電極と圧
電磁器層とが交互に積層された構造を有し、該積層体中
に低インピーダンス部と高インピーダンス部とが形成さ
れた厚み縦振動圧電磁器トランスであって、複数の圧電
磁器層からなる低インピーダンス部では、駆動時に電荷
分布の最大になる位置またはその近傍に他の圧電磁器層
より厚みの薄い圧電磁器層が１また２以上配置されてお
り、また該トランスにおいて、各内部電極間の圧電磁器
層は厚さ方向にかつ同じ向きに分極されている。
【００１０】また、低インピーダンス部と高インピーダ
ンス部を同時に厚み方向にかつ同じ向きに分極した該圧
電磁器トランスにおいて、上下面を平行平面研磨するこ
とにより厚み縦振動の２分の１波長モードあるいは１波
長モードの共振周波数が所期の周波数と一致するように
厚さを調整し、その共振周波数で駆動することを特徴と
する駆動方法である。
【００１１】
【作用】本発明は、１ＭＨｚ以上の高周波において低損
失で十分な機能を有する圧電トランスを提供するために
なされたものである。図１に例示するように、本発明の
圧電磁器トランスは、厚み方向に分極され厚みの異なる
圧電磁器層１１１〜１１５を多数積層した低インピーダ
ンス部１１と単層もしくはせいぜい２、３層の圧電磁器
層からなる高インピーダンス部１２および周波数調整用
磁器層１３、１４、低インピーダンス部１１と高インピ
ーダンス部を電気的に分離する働きを持つ絶縁層１５で
構成されている。ここで低インピーダンス部１１の圧電
磁器板を隣接する各層の分極が厚み方向にかつ同じ向き
に一様になるように、また各層の厚みがｔ2 ＞ｔ1 とな
るように積層している。厚みｔ1 をもつ大容量の、相対
向する２つの電極を有する磁器層が電荷分布の最大にな
る位置ｋ近いほど電力伝送効率が高くなることは言うま
でもない。このような構造に設計することで低インピー
ダンス部の電荷のキャンセルの少ない、従って電力伝送
効率の高い圧電磁器トランスを実現できる。
【００１２】また、本発明の圧電磁器トランスは厚み縦
振動共振モードで駆動させるため、使用される材料には
輪郭広がり振動のスプリアス振動を抑制した、すなわち
電気機械結合係数の異方性を有する材料、例えばＰｂＴ
ｉＯ3 系材料を用いる。従来、分極操作の際には素子全
体を厚み方向にかつ同じ向きに一様に分極処理した後、
低インピーダンス部を、電極に挟まれた各磁器層の分極
の向きが互いに逆向きになるようにさらにもう１回の分
極操作を行うが、ＰｂＴｉＯ3 系材料のように結晶の軸
率ｃ／ａの大きな材料を用いて作製した圧電磁器トラン
スに対してこの方法を用いると、低インピーダンス部の
分極反転に伴う歪が大きいために、電極の剥離や圧電磁
器の部分的な破壊が起こり易くなる。電極の剥離や圧電
磁器の破壊は電力伝送効率を低下させる。そこで高イン
ピーダンス部と低インピーダンス部を１回で同時に、ま
た厚み方向にかつ同じ向きに一様な分極操作を行うこと
により、電極の剥離や圧電磁器の破壊を完全になくすこ
とができる。
【００１３】このような内部多層電極構造を有する圧電
磁器トランスは、積層セラミックコンデンサーや積層圧
電アクチュエター等で用いられている積層セラミック技
術（ドクターブレード法）で作製可能であり、このよう
な方法で作製した圧電磁器トランスでは層間隔を２０μ
ｍ程度まで薄くすることができる。従って、２分の１波
長モード（両端自由の基本モード）あるいは１波長モー
ド（両端自由の２次モード）で厚み縦共振振動を利用す
るとしても、積層セラミック技術を用いて、５〜１０Ｍ
Ｈｚ帯の超高周波領域で動作する圧電磁器トランスも実
現できる。
【００１４】厚み縦振動で駆動させる本圧電磁器トラン
スの結線図を図２に示す。低インピーダンス部１１の内
部電極１６に電気端子２３、２４を図のように接続す
る。このように接続した場合、高インピーダンス側の電
気端子２１、２２間に厚み縦振動の共振周波数と等しい
周波数の高電圧を印加すると、高インピーダンス部１２
の圧電逆効果により圧電磁器トランスは機械的に共振し
低インピーダンス部１１では圧電正効果により入力電圧
と同一周波数の電圧が発生し、電気端子２１、２２間に
出力する。その際、入力側と出力側のインピーダンスの
違いにより、電気端子２３、２４間の電圧は電気端子２
１、２２間の電圧よりも低くなる。逆に低電圧を高電圧
に変換する場合は、電気端子２３、２４間に低電圧を印
加すれば端子２１、２２間から高電圧が出力されること
はもちろん可能である。
【００１５】図２では本発明圧電磁器トランスに対して
高インピーダンス部１２に入力１系統、低インピーダン
ス部は相対向する内部電極に挟まれた各圧電磁器を並列
に接続した出力１系統とする結線図を示したが、図３の
ように低インピーダンス部１１の電気端子３３〜３８を
単独に取り出せば、多系統の出力端子対が得られ、様々
な変成比を得ることが可能である。
【００１６】また、図２に示すように、低インピーダン
ス部１１と高インピーダンス部１２の間に絶縁層１５を
配置すれば電気端子２１、２２と電気端子２３、２４を
電気的に分離できるため周辺回路の自由度を増すことが
できる。
【００１７】
【実施例】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積層セラ
ミック技術により作製した。圧電磁器の材料はＰｂＴｉ
Ｏ3 系圧電磁器（株式会社トーキン製、商品名ＮＥＰＥ
Ｃ−２００）である。
【００１８】低インピーダンス部１１の圧電磁器板を、
１層の厚さが約０．１７ｍｍのものを３枚、約０．３４
ｍｍのものを２枚交互に積層した。但し、厚さ約０．１
７ｍｍの磁器板１枚を電極分布が最大となる位置に配置
した。高インピーダンス部１２の厚さは約１．４ｍｍと
し、また低インピーダンス部１１と高インピーダンス部
１２に挟まれた絶縁層１５の厚さを０．２ｍｍとする。
また、周波数調整層１３、１４にも同じ材料を用い、厚
さは約０．１ｍｍとした。 尚、この周波数調整層は低
インピーダンス部、高インピーダンス部と一体焼成でき
るものであれば一向に構わない。ここで該圧電磁器トラ
ンスの外形寸法を約１．８ｍｍ（＝ｌ）×１．４ｍｍ
（＝ｗ）×２．８（ｔ）ｍｍとした。白金ペーストをス
クリーン印刷し圧電磁器板とともに一体焼成することに
より白金の内部電極層１６を形成した。焼成後に＃３０
００の研磨材を用いて上下面に対し平行平面研磨を行っ
た。その後、直流高電圧により分極処理を施した。
【００１９】実施例では本発明圧電磁器トランスを、高
インピーダンス部１２の電気端子２１、２２から厚み縦
２次モード（１波長共振モード）励振する高周波、高圧
電圧信号を入力し、低インピーダンス部１１の電気端子
２３、２４から出力を取り出す降圧型の４端子トランス
として評価した。
【００２０】一方、外形寸法を本発明圧電磁器トランス
と同様にし、低インピーダンス部の各電極の厚みを均一
（ｔ1 ＝ｔ2 ＝約０．２５ｍｍ）にし、分極処理を素子
厚み方向に同じ向きに一様に施した後、低インピーダン
ス部の各磁器層の分極の向きが厚み方向に対して交互に
異なるように分極処理を施した圧電磁器トランスの電力
伝送効率は、駆動共振周波数１．６２ＭＨｚにおいて８
５％であるのに対し、本発明圧電磁器トランスは駆動共
振波数１．６４ＭＨｚにおいて９８％の電力伝送効率が
得られた。
【００２１】別の実施例として図３に示すように、同様
に分極処理を施した本発明圧電磁器トランスを、高イン
ピーダンス部に入力１系統２端子、低インピーダンス部
に出力３系統６端子の降圧型８端子トランスとして評価
したところ、低インピーダンス部の各々の出力端子対か
ら異なる変成比が得られ、電力伝送効率も駆動周波数
１．６４ＭＨｚにおいて９８％の高効率となった。
【００２２】
【発明の効果】以上記述した如く、本発明に従った構成
の圧電磁器トランスは、すでに提案されているものの欠
点を解決し、１ＭＨｚ以上の高周波帯において使用する
ことができ、かつ小型で高効率であるという従来の圧電
トランスにはない長所があり、工業価値も多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す圧電磁器トランスの斜視
図である。
【図２】本発明の実施例を示す圧電磁器トランスの結線
図である。
【図３】本発明の実施例を示す圧電磁器トランスの結線
図である。
【図４】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 低インピーダンス部 １２、４２ 高インピーダンス部 １１１、１１２、１１３、１１４、１１５ 磁器層 １５ 絶縁層 １６ 内部電極 ２１、２２、２３、２４、３１、３２、３３、３４、３
５、３６、３７、３８ 電気端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−206581（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−196493（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−18776（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/107 H01F 30/00 H01L 41/083

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部電極と圧電磁器層とが交互に積層さ
    れた構造を有し、該積層体中に低インピーダンス部と高
    インピーダンス部とが形成された厚み縦振動圧電磁器ト
    ランスにおいて、複数の圧電磁器層からなる低インピー
    ダンス部では、駆動時に電荷分布の最大になる位置また
    はその近傍に他の圧電磁器層より厚みの薄い圧電磁器層
    が１または２以上配置されており、また該トランスにお
    いて、各内部電極間の圧電磁器層は厚さ方向にかつ同じ
    向きに分極されていることを特徴とする厚み縦振動圧電
    磁器トランス。
  2. 【請求項２】 請求項（１）の厚み縦振動圧電磁器トラ
    ンスにおいて厚さ方向の上下面を平行平面研磨すること
    により、厚み縦振動２分の１波長モードあるいは１波長
    モードの周辺数が所期の周波数と一致するように厚さを
    調整し、その共振周波数で駆動することを特徴とする厚
    み縦振動圧電磁器トランスの駆動方法。
  3. 【請求項３】 請求項（１）の厚み縦振動圧電磁器トラ
    ンスに於いて、高インピーダンス部を入力１系統、低イ
    ンピーダンス部の電気端子対を並列接続して出力１系統
    とした構成を特徴とする厚み縦振動圧電磁器トランス。
  4. 【請求項４】 請求項（１）の厚み縦振動圧電磁器トラ
    ンスに於いて、高インピーダンス部を入力１系統、低イ
    ンピーダンス部の電気端子対を互いに独立として出力多
    系統にした構成を特徴とする厚み縦振動圧電磁器トラン
    ス。
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