JP3080052B2

JP3080052B2 - 圧電トランス

Info

Publication number: JP3080052B2
Application number: JP09324089A
Authority: JP
Inventors: 晋斉藤; 剛北見
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 2000-08-21
Anticipated expiration: 2017-11-26
Also published as: JPH11163430A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶ディスプレイ
のバックライトインバータ、蛍光管点灯用インバータ、
複写機等の高圧電源回路に用いられる圧電トランスに関
し、特に機械的強度を高めた圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶ディスプレイのバックライト
インバータ、蛍光管点灯用インバータ、複写機等の高圧
電源回路では、高電圧発生用の素子として巻線型の電磁
トランスが用いられているが、発生電磁ノイズの低減や
低消費電力化、小型低背化などの要求により圧電トラン
スが注目されてきている。図５に従来の対称ローゼン３
次型圧電トランスの構造を示す。この対称ローゼン３次
型圧電トランスでは、矩形板状の圧電板１の両端部が駆
動部１１として構成され、これら駆動部１１間に挟まれ
た中央部が発電部１２として構成されるそして、前記駆
動部１１では、前記圧電板１の上下面にそれぞれ対をな
して平面状の入力電極２ａ，２ｂと３ａ，３ｂが設けら
れており、この部分は圧電板１の厚み方向に分極されて
いる。また、前記発電部１２では、前記圧電板１の上面
に対をなして出力電極４ａ，４ｂが設けられており、こ
の部分は圧電板の長さ方向に分極されている。

【０００３】この構成の圧電トランスの動作は、次の通
りである。図６（ａ）のように、外部端子５ａ，５ｂか
ら駆動部１１の入力電極２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂに電圧
が印加されると、駆動部１１では圧電板１に分極方向の
電界が加わり、図６（ｂ）のように、その分極方向と直
交する方向に変位する圧電逆効果により長さ方向の縦振
動が励振され、圧電板１の全体が振動する。この振動に
伴い発電部１２では、図６（ｃ）のように、分極方向に
機械的歪みが生じ、分極方向に電位差が発生する圧電正
効果により、出力電極４ａ，４ｂから外部端子６ａ，６
ｂに入力電圧と同じ周波数の電圧が取り出される。この
時、駆動周波数を圧電板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。また、圧電トランスか
ら引き出し得る出力は機械的振動のパワーに比例し、構
造的には素子の断面積に比例する。圧電トランスの効率
は、電気→機械→電気へのエネルギーの変換効率である
ため、電気機械結合係数を大きくとれば高い効率が得ら
れる。また、昇圧比を大きくするためには駆動部の電極
間厚みを薄くしたり積層構造にするか、または、発電部
の長さを長くする必要がある。そのため、従来の圧電ト
ランスは発電部の長さを長くするために、発電部の出力
電極４ａ，４ｂの幅をできるだけ短くするように設計し
ていた。

【０００４】ところで、前記した圧電トランスにおいて
大出力を得るためには、素子を大型化するか圧電トラン
ス素子の振動速度を大きくする方法が考えられる。素子
を大型化する方法は、電源を搭載する機器の小型化要求
から実用的では無く、そのために振動速度を上げること
で圧電トランスの大出力化が図られている。しかしなが
ら、振動速度を上げていった場合、素子の機械的強度を
超えてしまい破壊してしまうことがある。圧電トランス
は分極による残留応力により、素子の機械的強度が低下
するという問題があるため、分極時に高い電圧を印加し
た履歴を持つ素子の場合には、その駆動時に所望する出
力を取り出せずに素子が破壊してしまうことがあった。
特に、ローゼン３次型圧電トランスの場合は、分極時の
残留応力による強度低下部分と、図６（ｃ）に示すよう
に引っ張り応力などが働く応力集中点が近いことによ
り、素子中央部の特に出力電極部とセラミックスの境界
部で破壊する場合がほとんどである。

【０００５】このような駆動時の機械的破壊を防止する
ために、特開平９−２１４０１３号公報、特開平８−３
３５７２９号公報、特開平９−８３０３２号公報には、
それぞれ次のような技術が提案されている。特開平９−
２１４０１３号公報に記載の圧電トランスは、図７に示
すように、圧電板１の上面に第１の入力電極２１と第２
の入力電極２２が形成され、圧電板１の端面に出力電極
４１が形成されている。また、同図において５ａ，５ｂ
は入力端子、６ａ，６ｂは出力端子である。そして、第
２の入力電極２１の間に挟まれた圧電板１の部分は、第
１の入力電極２２の間に挟まれた部分より、分極電圧を
低く設定してある。これにより、分極時における応力の
緩和を図り、機械的な破壊を防止する。

【０００６】また、特開平８−３３５７２９号公報に記
載の圧電トランスは、図８に示すように、圧電板１に形
成した入力電極２３と出力電極４２との間に、圧電板１
の幅方向の１／２以上の間隔ｄをあけて配置している。
さらに、特開平９−８３０３２号公報に記載の圧電トラ
ンスは、図９に示すように、圧電板１に設けた入力電極
２４と、出力電極４３，４４との間に非分極部を設けた
構造を提案している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た各公報に記載の機械的破壊防止技術は、圧電トランス
の電極への配線をノード点で行う図５に示したような対
称ローゼン３次型圧電トランスには適用できない。すな
わち、図５に示した対称ローゼン３次型圧電トランスの
場合は、分極時の残留応力による強度低下部分と、図６
（ｃ）に示したように引っ張り応力などが働く応力集中
点が同じ位置であるため、素子中央部の特に出力電極部
とセラミックスの境界部で破壊する場合がほとんどであ
った。また、特開平９−２１４０１３号公報に示された
ような分極電圧を緩和する方法は、電気機械結合係数を
大きくすることができず、高いトランス効率を得ること
ができなくなる。

【０００８】本発明の目的は、ローゼン３次型圧電トラ
ンスにおける、分極時の残留応力により強度が低下した
部分を振動時の引っ張り応力集中点から遠ざけることで
素子中央部の強度を向上し、駆動時における機械的破壊
を防止した圧電トランスを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電トランス素
子は、矩形板状の圧電板の長さ方向の両端部に厚さ方向
に分極された駆動部を備え、またこれら駆動部に挟まれ
た領域に長さ方向に分極された発電部を配置したローゼ
ン３次型圧電トランスにおいて、発電部の出力電極の幅
寸法を圧電トランスの長さに対して５％以上とする。ま
た、出力電極の長さを１２％以下とする。

【００１０】ローゼン３次型圧電トランスは、その構造
上出力電極に挟まれた圧電板の領域は未分極状態であり
機械的強度の低下が無い。本発明の圧電トランスは、素
子中央に位置する出力電極の幅寸法を圧電トランスの長
さに対し５％以上とすることで、未分極領域を長さ方向
に拡大し、分極時の残留応力による強度低下部を振動時
の応力集中点から遠ざけることで、素子駆動時の割れの
発生を抑制できる。また、１２％以下の範囲とすること
で、圧電トランスの変換効率を８５％以上の高効率に維
持することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施
形態を示す斜視図である。この実施形態におけるローゼ
ン３次型圧電トランスでは、矩形板状をした単板構成の
圧電板１の両端部が駆動部１１として構成され、また前
記圧電板１の長さ方向に前記駆動部１１に挟まれる領域
が発電部１２として構成されている。そして、前記圧電
板１を厚さ方向に挟むように、前記駆動部１１にはその
上下面に平面状の二対の入力電極２ａ，２ｂと３ａ，３
ｂが形成されており、かつこの圧電板１の駆動部１１の
領域は厚み方向に分極されている。また、前記発電部１
２の上下面には短冊状をした一対の出力電極４ａ，４ｂ
が設けられており、この発電部１２の前記圧電板１は長
さ方向に分極されている。そして、前記入力電極２ａ，
２ｂ，３ａ，３ｂ間には入力側配線５ａ，５ｂが接続さ
れ、出力電極４ａ，４ｂには出力側配線６ａ，６ｂが接
続されている。そして、前記出力電極４ａ，４ｂは、前
記圧電板１の長さ方向に沿う寸法が、前記圧電板１の全
長の５％以上で１２％以下の寸法に設定されている。

【００１２】図２は図１に示した圧電トランスの動作原
理の説明図であり、図２（ａ）は圧電トランスの断面
図、図２（ｂ）は圧電トランスが長さ方向の３／２波長
共振モードで振動している場合の変位分布であり、図２
（ｃ）は、その時の応力分布と応力の種類を示したもの
である。また、図２に示す一点鎖線は圧電トランスの長
さ方向の中心を示し、破線は圧電トランスの長さ方向に
おける出力電極の端部位置を示す。入力端子５ａ，５ｂ
から駆動部１１の電極２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂに電圧が
印加されると、駆動部１１では分極方向に電界が加わ
り、その分極方向と直交する方向に変位する圧電逆効果
により長さ方向の縦振動が励振され、圧電板全体が図２
（ｂ）のように振動する。さらに発電部１２では、分極
方向に機械的歪みが生じ、分極方向に電位差が発生する
圧電正効果により、出力電極４ａ，４ｂから出力端子６
ａ，６ｂに入力電圧と同じ周波数の電圧が取り出され
る。

【００１３】ここで、圧電トランスを駆動させると、図
２（ｃ）に示すように、振動のノードに応力が集中し、
特に素子の長さ方向の中心部には引っ張り応力が集中す
る。圧電板を構成するセラミックは圧縮応力には強いが
引っ張り応力には弱いため、分極により低下した部分が
引っ張り応力集中部である素子中央部に近接していると
素子割れが発生し易くなる。しかしながら、この実施形
態では、圧電トランスの長さ方向に沿う出力電極４ａ，
４ｂの寸法、すなわち幅寸法を、圧電板１の全長の５％
以上で１２％以下に設定していることで、圧電トランス
の中央に位置する出力電極の幅を圧電トランスの長さ方
向に広げて未分極領域を増やすことになり、その結果、
分極時の残留応力による強度低下部をノード点、すなわ
ち振動時の引っ張り応力集中点から遠ざけ、圧電トラン
スにおける割れ等の破壊の発生を抑制することができ
る。また、これとを同時に圧電トランスにおける効率を
高く維持することが可能となる。

【００１４】

【実施例】以上の実施形態に基づく本発明の実施例につ
いて説明する。第１の実施例として、図１に示した構成
の圧電トランスを作製した。圧電板１の材料には、ＰＺ
Ｔ（チタン酸ジルコン酸鉛：ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ
₃）系セラミックスを用いた。圧電板１の寸法は、長さ
４２ｍｍ，幅５ｍｍ，厚さ１ｍｍである。圧電板１の厚
み方向の両端面にＡｇペーストをスクリーン印刷し、か
つ焼成することにより、二対の入力電極２ａ，２ｂ，３
ａ，３ｂと出力電極４ａ，４ｂを形成した。駆動部１１
の入力電極２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、長さ１４ｍｍ，
幅５ｍｍの寸法に設定し、発電部１２の出力電極４ａ，
４ｂは長さを５ｍｍに固定し幅を１，２，５，７ｍｍの
異なる値のものを４種類作製した。続いてこれらの素子
を駆動部１１及び発電部１２ともに１７０℃の絶縁油中
において、２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して分極処理を行
ない圧電トランスを得た。

【００１５】次に、これらの圧電トランスを無負荷状態
で振動速度１〜１．２ｍ/ ｓになるように入力側に電圧
を５分間印加し、各水準１０個について破壊試験を実施
した結果を図３に示す。破壊は、全て素子の中央部近辺
で発生している。また、負荷として１００ｋΩの抵抗を
接続し、出力３Ｗを得たときの効率をあわせて検査し
た。この結果から明らかなように、本発明の圧電トラン
スは、出力電極の圧電板１の長さ方向に沿う幅寸法を圧
電板１の長さの５％以上に広げることにより素子中央部
での割れ発生を抑制することができ、機械的破壊を抑制
した高信頼度の圧電トランスが得られることが確認され
た。また、その一方で、出力電極の幅寸法を増大する
と、圧電トランスにおける変換効率が低下されることが
認められたが、前記実験から出力電極の幅寸法を圧電板
１の長さ方向の１２％以下とすれば、圧電トランスの効
率を８５％以上の高い値を保つことができることも確認
された

【００１６】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。第１の実施例と同様にＰＺＴ系セラミックスを用
いて、長さ４８ｍｍ，幅５ｍｍ，厚さ１ｍｍの圧電板を
作製した。圧電板１の厚み方向の両端面にＡｇペースト
をスクリーン印刷し、かつ焼成することにより、３対の
電極２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを形成した。
駆動部１１の入力電極２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは、長さ
１６ｍｍ，幅５ｍｍの寸法に設定し、発電部１２の出力
電極４ａ，４ｂは長さを５ｍｍに固定し、圧電板１の長
さ方向に沿う幅寸法を１，２，３，５.5，７ｍｍの異な
る値のものを５種類作製した。続いて、これらの素子を
駆動部１１、発電部１２ともに１７０℃の絶縁油中にお
いて、２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して分極処理を行ない
圧電トランスを得た。

【００１７】次に、これらの圧電トランスを無負荷状態
で振動速度１〜１．２ｍ/ ｓになるように入力側に電圧
を５分間印加し、各水準１０個について破壊試験を実施
した結果を図４に示す。また、負荷として１００ｋΩの
抵抗を接続し、出力３Ｗを得たときの効率をあわせて調
査した。図４より明らかなように、第２の実施例におい
ても本発明の圧電トランスは、出力電極の幅寸法を圧電
トランスの長さの５％以上に広げることにより素子中央
部での割れ発生を抑制し、機械的な破壊強度を高めるこ
とができるとともに、その一方で出力電極の幅寸法を圧
電トランスの長さの１２％以下とすることで圧電トラン
スの効率を８５％以上の高い値を保つことができること
が確認された

【００１８】なお、本発明は、前記実施形態で示したよ
うに圧電板が積層構造のものにかかわらず、単板構造の
ものにおいても同様に適用できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、矩
形状をした圧電板の両端部に駆動部を構成する入力電極
を備え、これら駆動部の間に発電部を構成する出力電極
を備える、いわゆる対称ローゼン３次型圧電トランスに
おいて、前記出力電極の長さ方向の幅寸法を５％以上に
設定したことにより、分極時の残留応力による強度低下
部を振動時の応力集中点から離し、圧電トランスを駆動
したときの破壊による不良発生率を著しく低減し、機械
的強度の高い高信頼度の圧電トランスを得ることができ
る。また、その一方で前記出力電極の幅寸法を１２％以
下に設定することで、圧電トランスの変換効率を高効率
に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の圧電トランスの斜視図であ
る。

【図２】図１の圧電トランスの動作原理を示す説明図で
ある。

【図３】本発明の第１実施例における素子割れ数と変換
効率の特性を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例における素子割れ数と変換
効率の特性を示す図である。

【図５】従来のローゼン３次型圧電トランスの斜視図で
ある。

【図６】従来のローゼン３次型圧電トランスの動作原理
を示す説明図である。

【図７】従来の改善された圧電トランスの一例の外観図
である。

【図８】従来の改善された圧電トランスの他の例の外観
図である。

【図９】従来の改善された圧電トランスの更に他の例の
外観図である。

【符号の説明】

１圧電板２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ入力電極４ａ，４ｂ出力電極５ａ，５ｂ入力側配線６ａ，６ｂ出力側配線１１駆動部１２発電部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形状をした圧電板と、前記圧電板の長
さ方向の両端部の主面上に形成された平面電極を入力電
極として厚み方向に分極された二つの駆動部と、前記圧
電板の長さ方向の前記二つの駆動部に挟まれた領域で前
記主面上に形成された短冊状の電極を出力電極として前
記入力電極との間が長さ方向に分極された発電部とを備
える圧電トランスにおいて、前記出力電極の長さ方向の
寸法を前記圧電板の全長の５％以上に設定したことを特
徴とする圧電トランス。
【請求項２】前記出力電極の長さ方向の寸法を前記圧
電板の全長の１２％以下の長さに設定したことを特徴と
する請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】前記入力電極及び出力電極における入力
電圧と出力電圧の端子位置はノード点に設定されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電トラン
ス。
【請求項４】前記圧電板は、前記駆動部及び発電部の
構造が、薄い圧電板と内部電極とを積層した構成である
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
圧電トランス。
【請求項５】前記圧電板は単一の圧電板で構成されて
いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
載の圧電トランス。