JP3607411B2 - 圧電トランス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高電圧発生回路等に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電トランスは、車両用前照灯として用いられる高圧放電灯を点灯させる高電圧発生回路等に用いられるもので、低圧の入力電圧を高圧の出力電圧に変換する。電圧を変換するトランスとしては従来から巻線タイプのものが使用されているが、実用的な変換効率を得るためには形状を薄型にするのが困難であった。そこで近年、薄型化が可能で、プリント基板への実装に適した圧電トランスが期待されている。
【０００３】
圧電トランスは圧電材料よりなる圧電体に入力電極と出力電極とを設けて、上記入力電極から入力する電気エネルギーを圧電効果を利用して機械エネルギーに変換し、機械エネルギーを再び電気エネルギーに変換して出力電極から取り出すようになっている。上記出力電極で得られる出力電圧は、上記入力電極に印加する入力電圧が昇圧されたもので、昇圧比は圧電トランスの形状等に依存する。また入力する電気エネルギーを大きくするハイパワー化を実現するため、上記入力電極と圧電体とが交互に層をなす積層構造とすることにより入力容量を大きくし、入力インピーダンスを低く抑えるようにしたものがある。
【０００４】
入力電極と圧電体とを積層構造としたものには、特開平５−２３５４３４号公報記載の厚み縦振動圧電磁器トランス及びその駆動方法のように、２対の出力電極を設けて１つの圧電トランスから２つの出力電流を取り出せるようにしたものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで入力インピーダンスを低く抑えるべく積層する層数を多くすると、１層あたりの厚さが薄くなる。この結果、入力電圧を耐電圧の関係からあまり高くはできず結局、入力エネルギーを大きくするには限界がある。圧電体の比誘電率を上げてハイパワー化する方法もあるが、ハイパワー化に見合う高い出力電圧が得られない。このため高い出力電圧を得ようとすると、圧電トランスは形状が細長いものとなり、プリント基板に実装する部品として都合が悪い。このようにハイパワー化と一緒に出力電圧の高圧化を図ることは困難であった。
【０００６】
そこで本発明は、ハイパワー化と一緒に出力電圧の高圧化も実現することのできる圧電トランスを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、励振部に入力する入力電圧を発電部で昇圧して、出力電圧を取り出す圧電トランスの上記励振部の圧電体と上記発電部の圧電体とを板状であって比誘電率が異なる圧電材料で構成するとともに、両圧電体の並び方向を圧電体の板面に平行な方向にとって一体結合せしめ、かつ上記発電部の圧電体の比誘電率を、上記励振部の圧電体の比誘電率より小さくすることにより、励振部は、その圧電体の比誘電率に応じた電気エネルギーが入力する。上記発電部は、その圧電体の比誘電率が小さいから出力容量も小さく、高い出力電圧を取り出すことができる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、上記励振部および発電部の圧電体として成分が同じで成分の含有率のみが異なるものを用いることにより、焼成時に上記励振部と上記発電部間の上記成分の拡散が抑えられ、同一の圧電材料を用いたのと同様に良好な圧電特性が得られる。
【０００９】
請求項３記載の発明では、上記励振部を、上記入力電極と圧電体とが交互に層をなす積層構造とすることにより、入力容量が大きくなり、入力する電気エネルギーが増大する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の圧電トランスを図１に示す。圧電トランス１Ａは幅１５ｍｍ×長さ５６ｍｍ×厚さ３ｍｍの薄型矩形体で、図の右側の半部が励振部たる入力部１１で、左側の半部が発電部たる出力部１２である。入力部１１は入力電極たる電極層３Ｂと圧電体たる圧電磁器層２とが交互に積層している。その一番外側には一対の外部電極３Ａ（図中、表側の外部電極のみ示す）が設けてあり、これに入力電圧が印加されるようになっている。入力部１１では厚み方向に分極する。出力部１２は圧電体４の右端面に出力電極５が設けてあり、長さ方向の分極により出力電圧が取り出されるようになっている。
【００１１】
入力部１１、出力部１２には上下の各面の中央部に断面三角形の棒状の保持部材６１，６２，６３，６４がその角部を圧電トランス１Ａ側にして接着してある。保持部材６１〜６４をこの位置に取付けるのは、この位置が圧電効果による振動の節となる位置で、振動による変位が最小であるため保持部材６１〜６４が振動を阻害せず、圧電トランス１Ａの変換効率の低下を防止できるからである。
【００１２】
図２、図３は圧電トランス１Ａの製作過程を示すもので、これにより圧電トランス１Ａの構造を詳細に説明する。
【００１３】
まず、製品たる圧電トランス１Ａと同形同大で一方の面に離型剤を塗着した合成樹脂製のフィルム７を準備する。そして離型剤を塗着した面の一方の半部７１に、Ｐｔ 等のペーストをスクリーン印刷して電極層３Ｂを形成する。この場合、電極層３Ｂの幅はフィルム７の幅よりも若干小さくし、電極層３Ｂの一方の側縁３Ｂａがフィルム７の一方の側縁７１ａと一致するもの（図２（Ａ））と，電極層３Ｂの他方の側縁３Ｂｂがフィルム７の他方の側縁７１ｂと一致するものの、２種類を準備する。
【００１４】
乾燥させた後、一方の半部７１側には入力部用のＰＺＴ（チタン酸ジルコニア酸鉛）を流して圧電磁器層２をつくり、他方の半部７２側に出力部用のＰＺＴを流し、上記圧電磁器層２と面一の圧電磁器層４１を形成する（図２（Ｂ））。入力部用のＰＺＴは（Ｐｂ_{０．８８５}Ｓｒ_{０．１１５}）（Ｚｒ_{０．５４５}Ｔｉ_{０．４５５}）Ｏ_３ ＋０．１ａｔｍ％Ｍｎ Ｏ_２ で、出力部用のＰＺＴは（Ｐｂ_０．９６ Ｓｒ_０．０４ ）（Ｚｒ_{０．５３８}Ｔｉ_{０．４６２}）Ｏ_３ ＋０．５ａｔｍ％Ｍｎ Ｏ_２ とする。この２種のＰＺＴは、成分は同じであるが、成分の含有率が異なっており、比誘電率が前者は２５００で、後者は１０００である。次に上記２種類のものからフィルム７を除去する。
【００１５】
再び乾燥した後、上記２種類のものを交互に重ね（図３）、これを一体焼成する。しかして入力部１１には、比誘電率の大きな圧電磁器層２と、電極層３Ｂが交互に積層する積層構造体が形成され、出力部１２には、上記圧電磁器層４１が一体化し、かつ上記積層構造体と一体結合する比誘電率の小さい圧電体４（図１）が形成される。上記積層構造体の長辺側の両側面には、図１に示すようにそれぞれ上下方向に帯状にＡｇ ペーストを塗布、焼成する。これが各層の一つおきに露出する電極層３Ｂの端縁および外部電極３Ａと導通して電極引き出し部３Ｃとなる（図１はその一方のみを示す）。しかして入力電圧が、隣あう電極層３Ｂ間に印加されて、これにより隣あう圧電磁器層２に逆方向の電場が生じる。
【００１６】
次に圧電トランス１Ａの作動を説明する。入力電圧が入力部１１用のＰＺＴを挟んで隣あう電極層３Ｂ間に印加されて、入力部１１に横効果３１モードで電気機械結合係数Ｋ３１により横振動が励振され、圧電トランス１Ａ全体が振動する。そして出力部１２では電気機械結合係数Ｋ３３により縦効果縦振動モードにより昇圧された出力電圧が出力電極５から取り出される。
【００１７】
図４は圧電トランスの等価回路を示すもので、トランスＴの一次側に直列にリアクタンス成分Ｌ，容量成分Ｃ，抵抗成分Ｒが形成され、並列に入力容量Ｃｉｎが形成される。またトランスＴの二次側に並列に出力容量Ｃｏｕｔ が形成される。したがって入力電圧をＶｉｎ、出力電圧をＶｏｕｔ とすると、入力する電気エネルギーＥｉｎ、出力する電気エネルギーＥｏｕｔ は次のように表せる。
Ｅｉｎ＝Ｃｉｎ（Ｖｉｎ）^２ ／２
Ｅｏｕｔ ＝Ｃｏｕｔ （Ｖｏｕｔ ）^２ ／２
【００１８】
ここで入力容量Ｃｉｎは圧電磁器層２の比誘電率と積層する層数とに比例し、出力容量Ｃｏｕｔ はＰＺＴの比誘電率に比例する。入力部１１は、圧電磁器層２の比誘電率を大きくしてあるから入力インピーダンスが小さくなって入力する電気エネルギーを大きくでき、出力部１２は、圧電体４の比誘電率を小さくしてあるから高い出力電圧を取り出すことができる。しかも圧電材料の組成が、成分を同一としてあるため焼成時に元素の拡散が抑えられ、同一の圧電材料を用いたのと同じように良好な圧電特性が得られる。
【００１９】
（第２実施形態）
本発明の別の実施形態を図５に示す。図中、図１と同一番号を付したものは実質的に同じ作用をするので相違点を中心に説明する。
【００２０】
圧電トランス１Ｂは、入力部１１の両側に出力部１２Ｌ，１２Ｒが設けてある。各出力部１２Ｌ，１２Ｒは図１の出力部１２と実質的に同一の構造で、図１の圧電体４に相当する圧電体４Ｌ，４Ｒが設けてあり、また図１の出力電極５に相当する出力電極５Ｌ，５Ｒが設けてあり、互いに導通している。すなわち出力部１２Ｌ，１２Ｒを並列に接続した構造としてある。
【００２１】
これにより大きな電気エネルギーが入力しても入力部１１と出力部１２Ｌ，１２Ｒの接合部１ａ，１ｂにおける応力が緩和されて耐性が高くなる。しかして接合部１ａ，１ｂに割れが生じるおそれがなく、信頼性が向上する。そして出力部１２Ｌ，１２Ｒの圧電材料の比誘電率を入力部１１の圧電材料の比誘電率より小さくしてあるから、出力部１２Ｌ，１２Ｒが並列に接続されていても出力容量が倍増するようなことはなく、高い出力電圧を得ることができる。
【００２２】
なお上記各実施形態において、圧電材料としてのＰＺＴは実施形態中に記載のものに限定されるものではなく、入力電圧や必要とする出力電圧によって適宜、成分の比率を設定することができる。例えば（Ｐｂ_０．９６ Ｓｒ_０．０４ ）（Ｚｒ_{０．５３８}Ｔｉ_{０．４６２}）Ｏ_３ ＋０．１ａｔｍ％Ｍｎ Ｏ_２ とすれば比誘電率は１８００となる。励振部と発電部の圧電材料は、ＰＺＴ以外のものも用いることができる。この場合、成分が同一で含有率が異なる材料が用いられ得る。また成分を異にし、比誘電率が相違する圧電材料が用いられ得る。
【００２３】
また上記各実施形態では励振部を積層構造体としたが、単一の圧電体の上下面に入力電極を形成し、この圧電体と、これよりも比誘電率の小さい発電部の圧電体を一体結合せしめるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の圧電トランスの全体斜視図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は本発明の第１の圧電トランスの要部の製作過程を示す第１、第２の図である。
【図３】本発明の第１の圧電トランスの製作過程を示す第３の図である。
【図４】本発明の第１の圧電トランスの等価回路図である。
【図５】本発明の第２の圧電トランスの全体斜視図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ 圧電トランス
１１ 入力部（励振部）
１２，１２Ｌ，１２Ｒ 出力部（発電部）
２ 圧電磁器層（圧電体）
３Ａ 外部電極（入力電極）
３Ｂ 電極層（入力電極）
４，４Ｌ，４Ｒ 圧電体
５，５Ｌ，５Ｒ 出力電極

Claims (3)

1. 入力電極と圧電体を備えた励振部と、出力電極と圧電体を備えた発電部とよりなり、上記入力電極に印加する入力電圧を昇圧せしめて上記出力電極から出力電圧を取り出す圧電トランスにおいて、上記励振部の圧電体と上記発電部の圧電体とを板状であって比誘電率が異なる圧電材料で構成するとともに、両圧電体の並び方向を圧電体の板面に平行な方向にとって一体結合せしめ、かつ上記発電部の圧電体の比誘電率を、上記励振部の圧電体の比誘電率より小さくしたことを特徴とする圧電トランス。
2. 請求項１記載の圧電トランスにおいて、上記励振部の圧電材料と上記発電部の圧電材料の組成は、成分を同一とし、かつ成分の含有率を上記比誘電率に応じて設定した圧電トランス。
3. 請求項１または２いずれか記載の圧電トランスにおいて、上記励振部は、上記入力電極と圧電体とが交互に層をなす積層構造とし、上記入力電極を挟んで隣あう上記圧電体に上記入力電圧による電場が逆方向に生ずるようにした圧電トランス。

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