JP3371665B2

JP3371665B2 - 圧電トランス

Info

Publication number: JP3371665B2
Application number: JP01854396A
Authority: JP
Inventors: 修川崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1996-02-05
Publication date: 2003-01-27
Anticipated expiration: 2016-02-05
Also published as: JPH09214013A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電セラミック等の
圧電体の圧電効果により交流電圧の振幅値を変換する圧
電トランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】１９５０年代末に開発された圧電トラン
スは、高圧電源用の昇圧トランスとして着目されて開発
が進められたが、圧電セラミック材料の破壊強度などの
材料的制約があったため大きな実用化が行われないまま
開発が中断されていた。しかし、最近、圧電セラミック
材料の高強度化が進むとともに、ノートパソコン、電子
手帳、ゲーム機等の携帯用情報機器の小型化・薄型化の
要求が強くなるにつれ、これらの機器に搭載される液晶
ディスプレイ・バックライトのインバータ電源用昇圧ト
ランス、およびコピー機等の薄型高圧電源用昇圧トラン
スとして再び大きく注目されている。

【０００３】液晶ディスプレイ・バックライト用インバ
ータは、バックライト光源として使用される冷陰極蛍光
灯の点灯電源に使用されるものであり、電池等による３
Ｖ、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖなどの直流低電圧から、点灯時
１０００Ｖrms程度、定常時５００Ｖrms程度の振幅を
持つ高周波高電圧への変換を必要とする。現在、バック
ライト用インバータに使用されている電磁式巻線トラン
スは、特殊コアによる横型構造のトランスを用いること
により薄型化に対応してきているが、絶縁耐圧の確保の
ため小型・薄型化には限度があり、またコアロスや細い
銅線を使用することによる巻線ロスが大きく、そのため
効率が低いという欠点がある。

【０００４】これに対し、圧電トランスはチタン酸ジル
コン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック材料またはニ
オブ酸リチウムなどの圧電結晶材料に１次側（入力側）
および２次側（出力側）の電極を付け、１次側電極に圧
電トランスの共振周波数近傍の交流電圧を印加して圧電
効果により圧電トランスを機械的に振動させ、この機械
的振動を圧電効果により再び電圧に変換して２次側電極
から高圧電力として取り出すものである。そして、巻線
を必要としないので電磁トランスよりも小型化、特に薄
型化を実現でき、また圧電効果を利用しているので高い
変換効率を達成することができる。

【０００５】以下に、図面を参照しながら従来の圧電ト
ランスについて説明する。図８は従来のローゼン型圧電
トランス３１の概観図であり、チタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）等の圧電セラミック材料から成る矩形板に、
主面に１次側（入力側）および端面に２次側（出力側）
の電極を付けて構成している。同図中に矢印とＰで示す
ように、１次側電極部は矩形板の厚さ方向に分極されて
おり、２次側電極部は矩形板の長さ方向に分極されてい
る。１次側電極に圧電トランス３１の共振周波数近傍の
交流電圧を印加すると、圧電トランスは長さ方向に伸縮
する機械的振動を起こし、この機械的振動は圧電効果に
より２次側電極部で高圧電圧に変換され、２次側電極よ
り高圧電力として取り出される。

【０００６】図９は図８に示した圧電トランス３１を横
から見た図であり、振動モードと電極構造の関係を示す
ための図である。矩形板の主面に１次側（入力側）電極
として電極１が形成されており、共通電極として電極２
が形成されている。そして、１端面に２次側（出力側）
電極として電極３が形成されている。そして、電極２を
共通電極として電極１と電極３にそれぞれ高電圧を印加
することにより、それぞれ同図中に矢印と示すように、
１次側電極部は矩形板の厚さ方向に分極され、２次側電
極部は矩形板の長さ方向に分極される。そして、電極２
を共通電極として電極１に交流電圧を印加すると、同図
中で示す変位分布を持つ長さ方向の伸縮振動を起こし、
電極３より高圧電圧に変換して取り出すことができる。
そして、この型の圧電トランスは図９に示した変位分布
からもわかるように、矩形板の圧電トランスに両端が自
由な２分の１波長（１波長をλで表わす）の伸縮振動を
励振しているのでλ／２のローゼン型圧電トランスと呼
ばれる。

【０００７】通常、携帯機器の電源は電池であるため
に、その電源電圧は３Ｖ、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖなどの低
電圧直流である。そして、例えばこれらの携帯機器の液
晶ディスプレイ・バックライトでは冷陰極管の点灯開始
時に１０００Ｖrms程度、定常時に５００Ｖrms程度の高
周波電圧を必要とする。すなわち、携帯機器用液晶ディ
スプレイ・バックライト用圧電トランスとしては低電圧
直流電源から作られる低電圧交流から高電圧交流が得ら
れることが必要である。しかし、図８および図９に示し
た圧電トランスは、入力電極面積が小さいため入力容量
が小さく（入力インピーダンスが大きく）、そのため低
電圧の交流信号を入力した時には入力電極に流入する電
流が小さく、出力として高い交流電圧を得ることはでき
ず、このため高圧直流電圧を必要とする場合には、入力
交流電圧を昇圧するために巻数比の比較的大きな電磁ト
ランスが必要であるという課題があった。

【０００８】図１０は、このような課題に対して開発さ
れた圧電トランス３２の概観図であり、チタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック材料から成る矩
形板の主面に１次側（入力側）および１端面に２次側
（出力側）の電極を付けて構成している。そして、同図
中に矢印と記号Ｐで示すように、１次側電極部は矩形板
の厚さ方向に分極されており、２次側電極部は矩形板の
長さ方向に分極されている。１次側電極に圧電トランス
の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、圧電トラン
スは圧電効果により長さ方向に伸縮する機械的振動を起
こし、この機械的振動を再び圧電効果により２次側電極
部で高圧交流電圧に変換してから高圧電力として取り出
すことができる。

【０００９】図１１は図１０に示した圧電トランス３２
を横から見た側面図であり、振動モードと電極構造の関
係を示すための図である。矩形板の主面に１次側（入力
側）電極として電極１と電極２、共通電極として電極３
が形成されており、１端面に２次側（出力側）電極とし
て電極４が形成されている。そして、電極３を共通電極
として電極１と電極２、および電極４にそれぞれ高電圧
を印加することにより、それぞれ同図中に矢印で示すよ
うに、１次側電極部は矩形板の厚さ方向に分極され、２
次側電極部は矩形板の長さ方向に分極する。そして、電
極２を共通電極として電極１と電極２に交流電圧を印加
すると、同図中で示す変位分布を持つ長さ方向の伸縮振
動を起こし、電極４から高圧電圧に変換して取り出すこ
とができる。そして、この型の圧電トランスは図１１に
示した変位分布からもわかるように矩形板の圧電トラン
スに２分の３波長（１波長をλで表わす）の伸縮振動を
励振しているので３λ／２のローゼン型圧電トランスと
呼ばれる。

【００１０】図１０、１１に示した圧電トランス３２で
は、図８、９に示した圧電トランス３１に比べて入力電
極面積が大きいので、入力容量が大きく（入力インピー
ダンスが小さい）、そのため低電圧の交流信号を入力し
た時にも入力電極に流入する電流を大きくすることがで
き、出力としてより高電圧を得ることができる。しか
し、１次側電極の２次側部分、つまり電極２の２次側の
端で分極による残留応力が大きくなり、圧電トランスの
駆動時にこの部分が機械的に破壊する確率が大きくな
る。また出力として高電圧が得られるがバックライトを
点灯する程の充分な高電圧を得ることはできず、やはり
入力交流電圧を昇圧するための電磁トランスが必要であ
るという課題が依然としてある。

【００１１】図１２は低電圧駆動という課題に対して発
明された別の圧電トランス３３の概観図であり、チタン
酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック材料か
ら成る矩形板の主面に１次側（入力側）および２次側
（出力側）の電極を付けて構成している（ＮＥＣ技報
１９９４年ｖｏｌ．４７Ｎｏ．１０１０６〜１１
０頁）。同図中に矢印と記号Ｐで示すように、１次側電
極部は矩形板の厚さ方向に分極されており、２次側電極
部は矩形板の長さ方向に分極されている。１次側電極に
圧電トランスの共振周波数近傍の交流電圧を印加する
と、圧電トランスは長さ方向に伸縮する機械的振動を起
こし、この機械的振動を圧電効果により２次側電極部で
高圧交流電圧に変換してから高圧電力として取り出すこ
とができる。

【００１２】図１３は図１２に示した圧電トランス３３
を横から見た側面図であり、矩形板の主面に１次側（入
力側）電極として電極１と電極２および電極３と電極４
が形成されており、端面に２次側（出力側）電極として
電極５と電極６が形成されている。そして、電極２と電
極４を共通電極として電極１と電極３にそれぞれ反対極
性の高電圧を印加することにより、それぞれ同図中に矢
印に示すように、１次側電極部は矩形板の厚さ方向に分
極され、また電極２と電極４を共通電極として電極５と
電極６に高電圧を印加することにより２次側電極部は矩
形板の長さ方向に分極される。そして、電極２と電極４
を共通電極として電極１と電極３に交流電圧を印加する
と、同図中で示す変位分布を持つ長さ方向の伸縮振動を
起こし、電極５より高圧電圧に変換して取り出すことが
できる。そして、この型の圧電トランスは図１２に示し
た変位分布からもわかるように、矩形板の圧電トランス
に２分の３波長（１波長をλで表わす）の伸縮振動を励
振しているので３λ／２型ロゼン圧電トランスとも呼ば
れる。

【００１３】図１２、１３に示した圧電トランス３３で
は、図８、９に示した圧電トランス３１に比べて入力電
極面積が大きいので、入力容量が大きく（入力インピー
ダンスが小さい）、そのため低電圧の交流信号を入力し
た時にも入力電極に流入する電流を大きくすることがで
き、出力としてより高電圧を得ることができる。しか
し、１次側電極の２次側部分、つまり電極１と電極３の
２次側の端で分極による残留応力が大きくなり、圧電ト
ランスの駆動時にこの部分が機械的に破壊する確率が大
きくなる。また、高電圧化が可能であるが出力としてバ
ックライトを点灯する程の高電圧を得ることはできず、
やはり、入力交流電圧を昇圧する電磁トランスが必要で
あるいう課題が依然としてあった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した従来の
圧電トランスでは、１次側電極部ては厚み方向に分極さ
れ２次側電極部では長さ方向に分極されているので、１
次側電極部と２次側電極部の境界では分極方向が急変
し、この境界で分極による残留応力が大きくなり、圧電
トランスの駆動時にこの部分が機械的に破壊することが
多いという課題がある。また、従来の圧電トランスでは
入力電極面積が小さいため入力容量が小さいので入力イ
ンピーダンスが大きくなり、低電圧の交流信号を入力し
た時には入力電極に流入する電流が小さく、その結果、
出力としてバックライトを点灯するに充分な高電圧を得
ることはできないという課題もあった。そのため、従来
の圧電トランスを使用したインバータ回路（昇圧回路）
では、破壊しないように出力を小さくし、高圧を得るた
めに入力交流電圧を電磁トランスで昇圧してから、圧電
トランスに入力していた。

【００１５】そして、この課題を解決するために、３λ
／２モードのローゼン型圧電トランスにおいて、入力電
極面積を大きくして入力容量を大きくし、低電圧の交流
信号を入力した時にも入力電極に流入する電流を大きく
して、出力としてより高電圧を得る圧電トランスを使用
したインバータ回路（昇圧回路）が提案されていた。

【００１６】しかし、この構造でも１次側電極と２次側
電極の境界部で分極による残留応力が大きくなり、圧電
トランスの駆動時にこの部分が機械的に破壊する確率が
大きいという課題がある。また、出力としてバックライ
トを点灯するに充分な高電圧を得ることはできず、やは
り、入力交流電圧を昇圧する電磁トランスが必要である
いう課題が依然としてある。

【００１７】本発明の目的は、これらの課題を解決する
ために、λ／２、λ、３λ／２モード等のローゼン型圧
電トランスにおいて、電極構造と分極電圧の操作により
分極による残留応力を緩和して駆動時の機械的破壊を防
止することのできる高信頼性の圧電トランスを提供する
ことにある。また、入力電極面積を大きくして入力容量
を大きくし、低電圧の交流信号を入力した時にも入力電
極に流入する電流を大きくして、出力としてより高電圧
を得る圧電トランスを提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の１つめの実施態様は、圧電材料から成る矩形
板に１次側（入力側）電極と２次側（出力側）電極を形
成し、１次側電極部は矩形板の厚さ方向に分極し、２次
側電極部は前記矩形板の長さ方向に分極し、１次側電極
に交流電圧を印加し、矩形板に２分の１波長の長さ方向
に伸縮する機械的振動を起こし、２次側電極部から電圧
を取り出すローゼン型圧電トランスの主面のほぼ２等分
に相当する２つの領域の第１の領域に第１の電極を形成
し、第２の領域の一部に第２の電極を形成し、第１の電
極部の分極電圧よりも第２の電極部の分極電圧を低くし
て分極し、第１の電極と第２の電極を１次側（入力側）
電極とすることを特徴とし、本発明の２つめの実施態様
は、圧電材料から成る矩形板に１次側（入力側）電極と
２次側（出力側）電極を形成し、１次側電極部は矩形板
の厚さ方向に分極し、２次側電極部は矩形板の長さ方向
に分極し、１次側電極に交流電圧を印加し、矩形板に１
波長の長さ方向に伸縮する機械的振動を起こし、２次側
電極部から電圧を取り出すローゼン型圧電トランスの主
面のほぼ２等分に相当する２つの領域の第１の領域に第
１の電極を形成し、第２の領域の一部に第２の電極を形
成し、第１の電極部の分極電圧よりも第２の電極部の分
極電圧を低くして分極し、第１の電極と第２の電極を１
次側（入力側）電極とすることを特徴とし、本発明の３
つめの実施態様は、圧電材料から成る矩形板に１次側
（入力側）電極と２次側（出力側）電極を形成し、１次
側電極部は矩形板の厚さ方向に分極し、２次側電極部は
矩形板の長さ方向に分極し、１次側電極に交流電圧を印
加し、矩形板に２分の３波長の長さ方向に伸縮する機械
的振動を起こし、２次側電極部から電圧を取り出すロー
ゼン型圧電トランスの主面のほぼ３等分に相当する３つ
の領域の第１の領域に第１の電極を形成し、第１の領域
と隣合う第２の領域に第２の電極を形成し、第２の領域
と隣合う第３の領域の一部に第３の電極を形成し、第１
の電極部と第２の電極部の分極電圧よりも第３の電極部
の分極電圧を低くして分極し、第１の電極と第２の電極
と第３の電極を１次側（入力側）電極とすることを特徴
とするものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面に従って本発明の実施
の形態について詳細に説明する。

【００２０】（実施の形態１）図１は本発明の実施形態
１の１実施例である圧電トランスの概観図であり、図２
は図１に示した圧電トランスに励振する振動の変位分布
と、振動により発生する電荷分布を示す側面図である。
図１、２において、圧電トランス１はチタン酸ジルコン
酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック材料から成る矩形
板であり、その１主面に１次側（入力側）電極として電
極１と電極２が形成され、反対面に共通電極として電極
３が形成され、その１端面に２次側（出力側）電極とし
て電極４が形成されている。これらの電極は銀、ニッケ
ル、または金等の金属から成り、蒸着、スパッタ、印
刷、またはメッキ等の工法で形成される。そして、図１
中に矢印とＰで示すように、電極３と電極１と電極２か
ら成る１次側電極部は矩形板の厚さ方向に分極されてお
り、電極３と電極４から成る２次側電極部は矩形板の長
さ方向に分極されている。そして、電極３を共通にして
電極１と電極２に圧電トランス１の共振周波数近傍の交
流電圧を印加すると、圧電トランス１は図２に示すよう
な振動変位分布を持つ、長さ方向に伸縮する機械的振動
を起こし、この機械的振動を圧電効果により高圧電圧に
変換してから、２次側電極である電極４から高圧電力と
して取り出すことができる。

【００２１】ここで、圧電トランス１の分極は、電極３
を共通電極として電極１と電極２、および電極４にそれ
ぞれ高電圧を印加することにより、図１、２中に矢印と
示すように、電極１と電極２と電極３から成る１次側電
極部は矩形板の厚さ方向に分極され、電極４と電極３か
ら成る２次側電極部は矩形板の長さ方向に分極される。
圧電セラミックでは分極を行うと大きな歪みを発生し、
分極後は大きな残留応力が圧電セラミック中に残る。駆
動により応力が圧電セラミックにかかると、駆動による
応力と残留応力とが重畳され、この総応力が圧電セラミ
ック材料の破壊限界応力を越えると圧電セラミックは破
壊する。この残留応力は分極する時に印加する電圧の大
きさの関数となり、分極電圧が大きいほど残留応力が大
きくなる。しかし、分極電圧が小さいと十分な分極がで
きず残留応力は小さいが、十分な圧電特性が得られな
い。圧電トランスのように複雑な電極構造を持つ圧電素
子では特に残留応力が大きくなり、駆動時に破壊する確
率が高くなる。

【００２２】ローゼン型圧電トランスでは、１次側電極
と２次側電極の境界で分極方向が急変するため分極によ
る残留応力が特に大きくなり、圧電トランスの駆動時に
この境界部分が機械的に破壊する確率が大きくなる。圧
電トランス１では、電極１と電極２と電極３から成る１
次側電極部は矩形板の厚さ方向に分極され、電極４と電
極３から成る２次側電極部は矩形板の長さ方向に分極さ
れるので、電極２の２次側部分（図１、２におけるＡで
示す部分）で破壊の確率が高くなる。従って、電極１の
部分は分極時に高電圧を印加して十分に分極して、電極
２の部分は分極電圧を低めに設定して残留応力が小さく
なるようにして、圧電トランスの昇圧特性を維持したま
ま破壊の確率を低下する。

【００２３】電極３を共通電極として電極１と電極２に
交流電圧を印加すると、図２中に示す変位分布を持つ長
さ方向の伸縮振動を起こし、電極４より高圧電圧に変換
して取り出すことができる。この実施例の圧電トランス
１では電極２の境界部分Ａの残留応力が小さいので駆動
時に破壊する可能性が小さく信頼性が高い。そして、図
２に示した変位分布からもわかるように、矩形板に２分
の１波長の伸縮振動を励振しているのでλ／２モードの
ローゼン型圧電トランスと呼ばれる。図１に示したλ／
２モードのローゼン型圧電トランス１では、動作時（振
動時）に誘起する電荷分布は図２に示すように全域で同
一符号となる。そして、入力電極を図１０、１１に示し
た従来の圧電トランスのように主面のほぼ半分に形成す
るよりも、図１、２に示したように圧電トランス１の主
面の半分以上に形成する方が、入力容量が大きく（入力
インピーダンスが小さく）なり、そのため低電圧の交流
信号を入力した場合でも入力電極１、２に流入する電流
を大きくすることができ、出力として高い交流電圧を得
ることができる。例えば、液晶ディスプレイのバックラ
イトである冷陰極管を点灯するに充分な高電圧を得るこ
とができる。例えば、実験では入力電極である電極２
（および共通電極である電極３）の面積を主面面積の５
〜４０％、特に１０〜３５％にすれば著しい効果が得ら
れた。そして、従来の圧電トランスは入力インピーダン
スが大きいので、入力電流を増やそうとすれば入力電圧
を電磁トランスで昇圧する必要があったが、本発明の圧
電トランスでは入力インピーダンスが小さいので電磁ト
ランスをなくすことができる。また、強勢にλ／２モー
ドの長さ振動を励振することができるので駆動効率を向
上することできるという効果もある。

【００２４】図３は本発明の実施形態１の別の実施例で
ある圧電トランス２の概観図であり、図１、２の実施例
では、出力電極として電極４を圧電トランス１の１端面
に形成しているが、図３に示すよう出力電極として電極
４を圧電トランス２の主面上の端面に近いところに形成
しても、若干の昇圧比の低下はみられるが、図１の実施
例と同様に駆動時の破壊確率を低下させることができ、
また入力インピーダンスを小さくでき、そのため低電圧
の交流信号を入力した場合でも入力電極１、２に流入す
る電流を大きくすることができ、出力としてバックライ
トを点灯するに充分な高電圧を得ることができる。そし
て、入力交流電圧を昇圧するための電磁トランスをなく
すことができるという同様の効果が得られることは言う
までもない。

【００２５】（実施の形態２）図４は本発明の実施形態
２の１実施例である圧電トランスの概観図であり、図５
は図４の圧電トランスの変位分布と電荷分布を示す側面
図である。図４、５において、圧電トランス３はチタン
酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック材料か
ら成る矩形板であり、その１主面に１次側（入力側）電
極として電極１と電極２が形成され、反対面に共通電極
として電極３が形成され、その端面に２次側（出力側）
電極として電極４が形成されている。これらの電極は
銀、ニッケル、金等の金属材料で蒸着、スパッタ、印
刷、メッキ等の工法で形成することができる。そして、
図４中に矢印とＰで示すように、電極１と電極２と電極
３で構成される１次側電極部は、矩形板の厚さ方向にそ
れぞれ逆向きに分極されており、電極４と電極３で構成
される２次側電極部は矩形板の長さ方向に分極されてい
る。電極３を共通電極として電極１と電極２に圧電トラ
ンス３の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、圧電
トランス３は長さ方向に伸縮する機械的振動を起こし、
この機械的振動を圧電効果により２次側電極部で高圧交
流電圧に変換してから高圧電力として取り出すことがで
きる。

【００２６】圧電トランス３の分極は、電極３を共通電
極として電極１と電極２に逆方向の高電圧を、また同様
に電極３を共通電極として電極４に高電圧を印加するこ
とにより、図４、５中に矢印で示すように、それぞれ１
次側電極部は矩形板の厚さ方向に分極され、２次側電極
部は矩形板の長さ方向に分極される。圧電セラミックで
は分極を行うと大きな歪みが発生し、分極後は大きな残
留応力が圧電セラミック中に残る。駆動により応力が圧
電セラミックにかかると、駆動による応力と残留応力と
が重畳され、この総応力が圧電セラミック材料の破壊限
界応力を越えると圧電セラミックは破壊する。この残留
応力は分極する時に印加する電圧の大きさの関数とな
り、分極電圧が大きいほど残留応力が大きくなる。しか
し、分極電圧が小さいと十分な分極ができず残留応力は
小さいが、圧電体として十分な圧電特性が得られない。
そして圧電トランスのように複雑な電極構造では特に残
留応力が大きくなり、駆動時に破壊する確率が高くな
る。ローゼン型圧電トランスでは、１次側電極部と２次
側電極部の境界で分極方向が異なるため分極による残留
応力が極めて大きくなり、圧電トランスの駆動時にこの
部分が機械的に破壊する確率が大きくなる。圧電トラン
ス３では、電極１と電極２と電極３から成る１次側電極
部は矩形板の厚さ方向に分極され、電極４と電極３から
成る２次側電極部は矩形板の長さ方向に分極されるの
で、電極２の２次側境界部分（図４、５で示すＡ部分）
で破壊の確率が高くなる。従って、電極１の部分は分極
時に高電圧を印加して十分に分極して、電極２の部分は
分極電圧を低めに設定して部分Ａにおける残留応力が小
さくなるようにすることにより、圧電トランスの特性を
維持したまま駆動時の破壊の確率を低下させることがで
きる。

【００２７】電極３を共通電極として電極１と電極２に
圧電トランス３の共振周波数近傍の交流電圧を印加する
と、図２中に示す変位分布を持つ長さ方向の伸縮振動を
起こし、電極４より高圧電圧に変換して取り出すことが
できる。そして、この実施例の圧電トランス３は図５示
した変位分布からもわかるように、矩形板に１波長の伸
縮振動を励振しているのでλモードのローゼン型圧電ト
ランスである。図４、５に示したλモードのローゼン型
圧電トランス３では、動作時（振動時）に振動により誘
起する電荷分布は図５に示すように圧電トランス３のほ
ぼ中央の位置で符号が反転するので、入力電極を図１
２、１３に示した従来の圧電トランスのように主面のほ
ぼ半分に形成するよりも、図４、５に示したように圧電
トランス３の誘起電荷の極性が同じである主面のほぼ半
分に電極１を形成し、誘起電荷の極性が反対である主面
のほぼ別の半分の一部に電極２を形成し、駆動時には電
極１と電極２を短絡して交流電圧を印加する方が、入力
容量が大きく（入力インピーダンスが小さく）なり、そ
のため低電圧の交流信号を入力した場合でも入力電極
１、２、に流入する電流を大きくすることができ、出力
としてバックライトを点灯するに充分な高い交流電圧を
得ることができる。例えば、実験では電極２の面積を圧
電トランス３の主面面積の１０〜４０％程度にすると著
しい効果を確認することができた。そして、従来の圧電
トランスは入力インピーダンスが大きいので、入力電流
を増やそうとすれば入力電圧を電磁トランスで昇圧する
必要があったが、本発明の圧電トランスでは入力インピ
ーダンスが小さいので入力交流電圧を昇圧するための電
磁トランスをなくすことができる。また、λモードの振
動が励振しやすくなるので駆動効率も向上する事ができ
るという効果もある。

【００２８】なお、上記の実施例では、出力電極として
電極４を端面に形成しているが、主面上の端面に近いと
ころに形成しても、若干の昇圧比の低下はみられるが、
入力インピーダンスを小さくでき、そのため低電圧の交
流信号を入力した場合でも入力電極１、２に流入する電
流を大きくすることができ、例えば出力としてバックラ
イトを点灯するに充分な高電圧を得ることができる。そ
して、入力交流電圧を昇圧するための電磁トランスをな
くすことができるという同様の効果が得られることは言
うまでもない。

【００２９】また、図４、５に示したように圧電トラン
ス３の誘起電荷の同極性である主面のほぼ半分であるに
電極１を形成し、誘起電荷の反対極性である主面のほぼ
半分の一部に電極２を形成し、電極１と電極２の部分を
同一方向に分極し、駆動時には電極１と電極２にそれぞ
れ反対符号の交流電圧を印加しても同様の動作を行なう
ことができる。そして、駆動時の破壊の確率を低下さ
せ、入力容量が大きく（入力インピーダンスが小さく）
なり、そのため低電圧の交流信号を入力した場合でも入
力電極１、２、に流入する電流を大きくすることがで
き、出力としてバックライトを点灯するに充分な高電圧
を得ることができる。そして、入力交流電圧を昇圧する
ための電磁トランスをなくすことができるという同様の
効果が得られることは言うまでもない。

【００３０】（実施の形態３）図６は本発明の実施形態
３の１実施例である圧電トランスの概観図であり、図７
は図６に示した圧電トランスの変位分布と電荷分布を示
す側面図である。図６、７において、圧電トランス４は
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック
材料から成る矩形板であり、その１主面に１次側（入力
側）電極として電極１と電極２と電極３が、反対面にこ
れらの電極に対応して共通電極として電極４が形成さ
れ、その１端面に２次側（出力側）電極として電極５が
形成されている。これらの電極は銀、ニッケル等の金属
を蒸着、スパッタ、印刷、メッキ等の工法で形成するこ
とができる。そして、図６中に矢印とＰで示すように、
１次側電極である電極部１と電極部２と電極部３は、そ
れぞれ隣合う部分が矩形板の厚さ方向に逆向きに分極さ
れており、２次側電極部は矩形板の長さ方向に分極され
ている。電極４を共通電極として電極１と電極２と電極
３に圧電トランス４の共振周波数近傍の交流電圧を印加
すると、圧電トランス４は長さ方向に伸縮する機械的振
動を起こし、この機械的振動を圧電効果により２次側電
極部で高圧交流電圧に変換してから高圧電力として取り
出すことができる。

【００３１】圧電トランス４の分極は、電極４を共通電
極として電極１と電極２と電極３にそれぞれ隣合う部分
が逆方向の高圧直流電圧を、そして同様に電極４を共通
電極として電極５に高圧直流電圧を印加することによ
り、図６および７中に矢印で示すように、それぞれ電極
４と電極１と電極２と電極３から構成される１次側電極
部は矩形板の厚さ方向に分極され、電極４と電極５から
構成される２次側電極部は矩形板の長さ方向に分極され
る。圧電セラミックでは分極を行うと大きな歪みが発生
し、分極後は大きな残留応力が圧電セラミック中に残
る。駆動により応力が圧電セラミックにかかると、駆動
による応力と残留応力とが重畳され、この総応力が圧電
セラミック材料の破壊限界応力を越えると圧電セラミッ
クは破壊する。この残留応力は分極する時に印加する電
圧の大きさの関数となり、分極電圧が大きいほど残留応
力が大きくなる。しかし、分極電圧が小さいと十分な分
極ができず残留応力は小さいが、圧電体として十分な圧
電特性が得られない。そして圧電トランスのように複雑
な電極構造では特に残留応力が大きくなり、駆動時に破
壊する確率が高くなる。ローゼン型圧電トランスでは、
１次側電極と２次側電極部分の境界で分極方向が異なる
ため分極による残留応力が極めて大きくなり、圧電トラ
ンスの駆動時にこの部分が機械的に破壊する確率が大き
くなる。圧電トランス３では、電極１と電極２と電極３
と電極４から成る１次側電極部は矩形板の厚さ方向に分
極され、電極４と電極５から成る２次側電極部は矩形板
の長さ方向に分極されるので、電極３の２次側部分（図
６、７に示すＡ部分）で破壊の確率が高くなる。従っ
て、電極１と電極２の部分は分極時に高電圧を印加して
十分に分極して、電極３の部分は分極電圧を低めに設定
して部分Ａにおける残留応力が小さくなるようにするこ
とにより、特性を維持したまま駆動時の破壊の確率を低
下させることができる。

【００３２】電極４を共通電極として電極１と電極２と
電極３に圧電トランス４の共振周波数近傍の交流電圧を
印加すると、圧電トランス４に図７中に示す変位分布を
持つ長さ方向の伸縮振動が励振され、圧電効果により高
圧交流電圧に変換され電極５より取り出すことができ
る。そして、この実施例の圧電トランス４は図７に示し
た変位分布からもわかるように、矩形板に２分の３波長
の伸縮振動を励振しているので３λ／２モードのローゼ
ン型圧電トランスである。図６、７に示した３λ／２モ
ードの圧電トランス４では、駆動時の破壊の確率を低下
させて信頼性を向上することができる。また、動作時
（振動時）に振動により誘起する電荷分布は、図７に示
すように圧電トランス４の長さ方向のほぼ１／３の位置
で符号が反転するので、入力電極を図１２および１３に
示した従来の圧電トランスのように主面のほぼ２／３の
領域に形成するよりも、図６、７に示したように圧電ト
ランス３の誘起電荷の同極性である主面のほぼ１／３で
あるである領域に電極１を形成し、誘起電荷の反対極性
である主面のほぼ１／３の領域に電極２を形成し、誘起
電荷の同極性である主面のほぼ１／３である領域の一部
に電極３を形成し、駆動時には電極１と電極２と電極３
を短絡して交流電圧を印加する方が、入力容量が大きく
（入力インピーダンスが小さく）なり、そのため低電圧
の交流信号を入力した場合でも入力電極１と電極２と電
極３に流入する電流を大きくすることができ、例えば出
力としてバックライトを点灯するに充分な高電圧を得る
ことができる。実際に実験した結果では電極３を圧電ト
ランス４の主面面積の５〜２０％に設定すれば著しい効
果を確認することができた。そして、入力容量が大きく
入力インピーダンスが小さいので、入力交流電圧を昇圧
するための電磁トランスをなくすことができる。また、
３λ／２モードの振動が強勢に励振できるので駆動効率
も向上する事ができるという効果もある。

【００３３】なお、上記の実施例では、出力電極として
電極５を端面に形成しているが、主面上の端面に近いと
ころに形成しても、若干の昇圧比の低下はみられるが、
入力インピーダンスを小さくでき、そのため低電圧の交
流信号を入力した場合でも入力電極（電極１と電極２と
電極３）に流入する電流を大きくすることができ、例え
ば出力としてバックライトを点灯するに充分な高電圧を
得ることができる。そして、入力交流電圧を昇圧するた
めの電磁トランスをなくすことができるという同様の効
果が得られることは言うまでもない。

【００３４】また、図６、７に示したように圧電トラン
ス４の主面のほぼ１／３である第１の領域に電極１を形
成し、誘起電荷が反対極性である主面のほぼ１／３の第
２の領域に電極２を形成し、誘起電荷の同極性である主
面のほぼ１／３である第３の領域の一部に電極３を形成
し、３つの電極部１と電極部２と電極部３を同一極性に
分極して、駆動時には電極１と電極２にそれぞれ反対
符号の交流電圧を、電極３には電極１と同符号の交流電
圧を印加しても、入力容量が大きく（入力インピーダン
スが小さく）なり、そのため低電圧の交流信号を入力し
た場合でも入力電極に流入する電流を大きくすることが
でき、例えば出力としてバックライトを点灯するに充分
な高電圧を得ることができる。そして、入力交流電圧を
昇圧するための電磁トランスをなくすことができるとい
う同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明の第１の発明によれ
ば、λ／２モードのローゼン型圧電トランスにおいて、
駆動時の破壊の確率を低下させることにより信頼性を高
くすることができる。また、入力電極面積を大きくし
て、入力容量が大きく（入力インピーダンスが小さく）
することにより、そのため低電圧の交流信号を入力した
場合でも入力電極に流入する電流を大きくすることがで
き、出力として高電圧を得ることができるとともに駆動
効率を向上することができる。そして、本発明の圧電ト
ランスを使用した交流電圧昇圧回路において、入力交流
電圧を昇圧するための電磁トランスをなくすことができ
るという効果のある圧電トランスを提供することができ
る。

【００３６】また本発明の第２の発明によれば、λモー
ドのローゼン型圧電トランスにおいて、駆動時の破壊の
確率を低下させることにより信頼性を高くすることがで
きる。また、入力電極面積を大きくして、入力容量が大
きく（入力インピーダンスが小さく）することにより、
そのため低電圧の交流信号を入力した場合でも入力電極
に流入する電流を大きくすることができ、出力として高
電圧を得ることができるとともに駆動効率を向上するこ
とができる。そして、本発明の圧電トランスを使用した
交流電圧昇圧回路において、入力交流電圧を昇圧するた
めの電磁トランスをなくすことができるという効果のあ
る圧電トランスを提供することができる。

【００３７】本発明の第３の発明によれば、３λ／２モ
ードのローゼン型圧電トランスにおいて、駆動時の破壊
の確率を低下させることにより信頼性を高くすることが
できる。また、入力電極面積を大きくして、入力容量が
大きく（入力インピーダンスが小さく）することによ
り、そのため低電圧の交流信号を入力した場合でも入力
電極に流入する電流を大きくすることができ、出力とし
て高電圧を得ることができるとともに駆動効率を向上す
ることができる。そして、本発明の圧電トランスを使用
した交流電圧昇圧回路において、入力交流電圧を昇圧す
るための電磁トランスをなくすことができるという効果
のある圧電トランスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるλ／２モードのロ
ーゼン型圧電トランスの概観図

【図２】本発明の一実施の形態によるλ／２モードのロ
ーゼン型圧電トランスの側面と変位分布と電荷分布図

【図３】本発明の他の実施の形態によるλ／２モードの
ローゼン型圧電トランスの概観図

【図４】本発明の一実施の形態によるλモードのローゼ
ン型圧電トランスの概観図

【図５】本発明の一実施の形態によるλモードのローゼ
ン型圧電トランスの側面と変位分布と電荷分布図

【図６】本発明の一実施の形態による３λ／２モードの
ローゼン型圧電トランスの概観図

【図７】本発明の一実施の形態による３λ／２モードの
ローゼン型圧電トランスの側面と変位分布と電荷分布図

【図８】従来のλ／２モードのローゼン型圧電トランス
の概観図

【図９】従来のλ／２モードのローゼン型圧電トランス
の側面と変位分布と電荷分布図

【図１０】従来の３λ／２モードのローゼン型圧電トラ
ンスの概観図

【図１１】従来の３λ／２モードのローゼン型圧電トラ
ンスの側面と変位分布と電荷分布図

【図１２】従来の３λ／２モードのローゼン型圧電トラ
ンスの概観図

【図１３】従来の３λ／２モードのローゼン型圧電トラ
ンスの側面と変位分布と電荷分布図

【符号の説明】

１圧電トランス２圧電トランス３圧電トランス４圧電トランス

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電材料から成る矩形板に１次側電極と２
次側電極を形成し、前記１次側電極部は前記矩形板の厚
さ方向に分極し、前記２次側電極部は前記矩形板の長さ
方向に分極し、前記１次側電極に交流電圧を印加し、前
記矩形板に２分の１波長の長さ方向に伸縮する機械的振
動を起こし、前記２次側電極から電圧を取り出すローゼ
ン型圧電トランスであって、前記圧電トランスの主面のほぼ２等分に相当する２つの
領域の第１の領域に第１の電極を形成し、第２の領域の
一部に第２の電極を形成し、前記第１の電極部の分極電
圧よりも前記第２の電極部の分極電圧を低くして分極
し、前記第１の電極と前記第２の電極を１次側電極とす
ることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】第１の電極と第２の電極の分極方向を同一
にし、前記第１の電極と前記第２の電極を短絡して交流
電圧を印加する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】圧電材料から成る矩形板に１次側電極と２
次側電極を形成し、前記１次側電極部は前記矩形板の厚
さ方向に分極し、前記２次側電極部は前記矩形板の長さ
方向に分極し、前記１次側電極に交流電圧を印加し、前
記矩形板に１波長の長さ方向に伸縮する機械的振動を起
こし、前記２次側電極部から電圧を取り出すローゼン型
圧電トランスであって、前記圧電トランスの主面のほぼ２等分に相当する２つの
領域の第１の領域に第１の電極を形成し、第２の領域の
一部に第２の電極を形成し、前記第１の電極部の分極電
圧よりも前記第２の電極部の分極電圧を低くして分極
し、前記第１の電極と前記第２の電極を１次側電極とす
ることを特徴とする圧電トランス。
【請求項４】第１の電極と第２の電極の分極方向を逆に
し、前記第１の電極と前記第２の電極を短絡して交流電
圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の圧電ト
ランス。
【請求項５】第１の電極と第２の電極の分極方向を同一
にし、前記第１の電極と前記第２の電極に逆極性の交流
電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の圧電
トランス。
【請求項６】圧電材料から成る矩形板に１次側電極と２
次側電極を形成し、前記１次側電極部は前記矩形板の厚
さ方向に分極し、前記２次側電極部は前記矩形板の長さ
方向に分極し、前記１次側電極に交流電圧を印加し、前
記矩形板に２分の３波長の長さ方向に伸縮する機械的振
動を起こし、前記２次側電極部から電圧を取り出すロー
ゼン型圧電トランスであって、前記圧電トランスの主面のほぼ３等分に相当する３つの
領域の第１の領域に第１の電極を形成し、前記第１の領
域と隣合う第２の領域に第２の電極を形成し、前記第２
の領域と隣合う第３の領域の一部に第３の電極を形成
し、前記第１の電極部と第２の電極部の分極電圧よりも
前記第３の電極部の分極電圧を低くして分極し、前記第
１の電極と前記第２の電極と前記第３の電極を１次側電
極とすることを特徴とする圧電トランス。
【請求項７】第１の電極と第３の電極の分極方向を同一
にし、前記第１の電極と第２の電極の分極方向を逆に
し、前記第１の電極と前記第２の電極と前記第３の電極
を短絡して交流電圧を印加することを特徴とする請求項
６に記載の圧電トランス。
【請求項８】第１の電極と第２の電極と第３の電極の分
極方向を同一にし、前記第１の電極と前記第２の電極に
逆極性の交流電圧を印加し、前記第１の電極と前記第３
の電極に同極性の交流電圧を印加することを特徴とする
請求項６に記載の圧電トランス。