JP4102481B2

JP4102481B2 - 圧電トランス、及びその駆動方法

Info

Publication number: JP4102481B2
Application number: JP14603698A
Authority: JP
Inventors: 超史勝野; 俊輝胡; 良明布田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2018-05-27
Also published as: JPH11340538A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電セラミックス方形板において入出力に径方向振動を利用した圧電トランスに属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯テレビやノート型パソコンを始め各種携帯電子機器の普及にともない、これらの機器に直流電圧を供給するために商用交流電圧を電源とし直流電圧を出力するＡＣアダプターが用いられている。ＡＣアダプターに用いられている電子部品の中で体積が大きくかつ、ＡＣアダプターの変換効率に影響を及ぼすのが電磁トランスである。
【０００３】
最近では、ＡＣアダプターに対する高効率化、小型低背化、電磁ノイズの低減や低消費電力の要求が高まり、電磁式トランスに変わり、機械振動のエネルギーを変換媒体とする圧電トランスの検討がなされている。圧電トランスの効率は、圧電トランス出力インピーダンスと負荷とのインピーダンスマッチングが重要であるが、ＡＣアダプターの出力部に接続される各種携帯電子機器の入力インピーダンスはおよそ数Ωから数十Ω程度である。圧電トランスの出力インピーダンスは各周波数ω（＝２πｆ）と出力側制動容量Ｃ_d2によって（１）式のように求まる。
【０００４】
Ｒ＝１／ωＣ_d2 （１）式
ここで一例としてＲ＝６０Ω、ｆ＝１２０ｋＨｚ、のときＣ_d2＝１６０ｎＦとなる。
【０００５】
実用的な寸法のＡＣアダプター用圧電トランスにおいてこのような大きな制動容量を確保するためには対抗内部電極による積層構造が必要となってくる。
【０００６】
出力側に対抗内部電極を採用する構造の一例として、圧電セラミックス円板の径方向振動を中止しながら、内部電極とセラミックスの積層方向が厚み方向とする構造が考えられる。ｋｒを用いる場合のメリットとして、各種振動モードの中で、最も電気機械結合係数が高く、更に最大も周波数定数が高いことがあげられる。
【０００７】
即ち圧電トランスの出力電力Ｐout は、
Ｐout ∝ ｋ_eff ²×ｖ²×ｆ×ｍ（２）式
ここでｋeff は実効的電気機械結合係数、ｖは振動速度、ｆは駆動周波数、更にｍはトランスの質量である。上式から、ｋｒを用いた場合には、ｋ及びｆが大きくなることから、他の振動モードと比較して、同一出力電力をより小さな体積で実現可能である。更に形状が円板状であるから、低背であるる上に、損失分の発熱量をより効率よく放熱することが可能である。
【０００８】
図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照して、従来の圧電トランスについて説明する。図４（ａ）は、従来の円板での径広がりモードを利用した圧電トランスを示している。図４（ｂ）は圧電トランスの断面構造を示している。図４（ｃ）は圧電トランスの応用、変位分布図である。
【０００９】
圧電トランス円板１３１は厚さ方向に２分割され、一方は入力部１３２、もう一方は出力部１３３である。入力部１３２には入力用電極１３５ａ，１３５ｂが配置され、厚み方向に分極されている。入力部１３２は１層である。出力部１３３には同じく出力用内部電極１３６ａ，１３６ｂが配置され、厚み方向一層置きに、互いに厚み方向に逆向きに分極されている。出力部１３２は４層の積層構造である。
【００１０】
図５（ａ）は、従来の圧電トランス円板での径広がり３次モードを利用した圧電トランスを示している。図５（ｂ）は圧電トランスの断面構造図、図５（ｃ）は、圧電トランスの応用、変位分布図である。
【００１１】
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示した圧電トランスにおいて、圧電トランス円板１４１は内部電極パターンの通り、辺方向に絶縁部を介して２分割されており、中央部には入力部１４２、その周辺に出力部１４３が配置されている。入力部１４２には内部電極１４４ａ，１４４ｂが配置され、厚み方向に分極されている。出力部１４３には同じく出力用内部電極１４５ａ，１４５ｂが配置され、厚み方向一層置きに、互いに厚み方向に逆向きに分極されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧電トランスでは、ｋｒを用いる場合、特に図４（ａ）〜図４（ｃ）の様な（Ｒ、１）振動を用いる場合のデメリットとして、
（１）振動の節（変位がゼロの点）が円板１３１の中央部のみで、支持が困難であること。
【００１３】
（２）円板１３１を厚み方向に分割して入出力部を設ける場合、入出力間距離が極めて接近していることから、入出力間の結合容量が大きくなり、伝導ノイズに対する耐性が小さくなってしまうこと。
【００１４】
（３）入出力間の縁面距離が極めて小さく電源（ｃｆ；ＡＣアダプター用電源トランスでは通常２〜３ｍｍ、強化絶縁でも０．５ｍｍ程度は必要）用に用いることが出来ない。
【００１５】
（４）円板状構造は製造が複雑で多くの工程を要する。
【００１６】
等の問題が存在した。この為、（１）の理由から実装及び、入出力端子の取り出しには注意が必要であり、（２），（３）の理由から電源としての用途が限定されている可能性があった。そのためこれら問題点を解決する方法として、図５に示すように圧電セラミックス円板１４１の径広がり３次モードを利用した構造が考案されている。
【００１７】
この場合、円環状のノード曲線が存在することから支持が可能である上に、入力部と出力部を絶縁部を介して分離することにより、絶縁距離と、結合容量の問題を解決していることが特徴である。
【００１８】
ただし、この３次モードの場合でも外形は円板状であることから上記（４）の円板状構造は製造が複雑で多くの工程を要するという問題に関しては解決には至っていない。
【００１９】
それ故に本発明の課題は、小型で低背な、量産に適した圧電トランス、及び圧電トランスの駆動方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧電セラミックス方形板の中心領域において厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミック層と複数の電極とが交互に積層されている入力部と、該入力部の外側に前記電極を有しない絶縁縁状領域と、更に該絶縁縁状領域の外側に前記厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の電極とが交互に積層されている複数の縁状電極を有する出力部とを備え、前記入力部及び前記出力部では前記各電極間が前記方形板の厚み方向に分極されていることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、圧電トランスを用いる圧電トランスの駆動方法において、前記方形板の径広がり３次振動モードで駆動することを特徴とする圧電トランスの駆動方法が得られる。
【００２２】
【作用】
本発明の圧電トランスにより比較的大きな結合係数を、製造が容易な方形状において得ることが可能となり、更に薄型低背な積層型の圧電トランスの製造を可能とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
図１に本発明の圧電トランスを示している。図１（ａ）は圧電トランス方形板３１の上面図（点線は内部電極パターンを示している）、図１（ｂ）は内部構造図、図１（ｃ）は応力、変位分布図である。
【００２４】
圧電トランスは、圧電セラミック方形板３１において、厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミックス層３４と複数の入力用の内部電極３５ａ，３５ｂとが交互に積層されている入力部３２と、同様に厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミックス層３４と複数の出力用の内部電極３６ａ，３６ｂとが交互に積層されている出力部３３とを備えている。
【００２５】
入力部３２及び出力部３３では、各電極３５ａ，３５ｂ、３６ａ，３６ｂ間が方形板３１の厚み方向に分極されている。この圧電トランスでは、方形板３１の径広がり１次振動モードで駆動する。
【００２６】
実施例１の圧電トランスの寸法は一辺が２０ｍｍの正方形で、厚さ２．３ｍｍである。正方形である方形板３１は厚さ方向に２分割され一方が入力部３２、もう一方が出力部３３であり、入力部３２及び出力部３３の境界の中央の領域には、厚み０．３ｍｍのセラミックの圧電セラミックス層（絶縁層）３４が配置されている。入力部３２には入力用の内部電極３５ａ，３５ｂが配置され、図中矢印で示すように厚み方向に分極されている。入力部３２は１層である。出力部３３には同じく出力用の内部電極３６ａ，３６ｂが配置され、厚み方向一層置きに、互いに厚み方向に逆向きに分極されている。出力部３３は４層の積層構造である。
【００２７】
分極は入出力双方とも、１５０℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で行った。試作した圧電トランスの出力側に負荷抵抗６０Ωを接続し、振動子定数とパワー特性を測定した結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
［実施例２］
図２に本発明の実施例２における圧電トランスを示す。図２（ａ）は圧電トランス方形板４１の上面図（点線は内部電極パターン）、図２（ｂ）は内部構造図、図４（ｃ）は３次モードでの応力、変位分布図である。
【００３０】
圧電トランスは、圧電セラミックス方形板４１の中心領域において厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミック層（実施例１の圧電セラミック層３４と同様なもの）と複数の入力用の内部電極４４ａ，４４ｂとが交互に積層されている入力部４２（あるいは出力部４３であってもよい）４２と、入力部４２の外側に電極４４ａ，４４ｂを有しない絶縁縁状領域と、更にその外側に厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の出力用の内部電極４５ａ，４５ｂとが交互に積層されている縁状電極を有する出力部（あるいは入力部４２であってもよい）４３とを備えている。
【００３１】
入力部４２及び出力部４３では、各電極４４ａ，４４ｂ、４５ａ，４５ｂ間が方形板の厚み方向に分極されている。圧電トランスの駆動は、方形板の径広がり３次振動モードで行う。
【００３２】
実施例２の圧電トランスの寸法は、一辺が２０ｍｍの正方形で、厚さ２．３ｍｍである。方形板４１は図２（ａ）の内部電極パターン（点線部分で示した）の通り、辺方向に絶縁部を介して２分割されており、中央部には入力部４２、その周辺に出力部４３が配置されている。なお、適切な積層数と面積が得られれば、入力部４２と出力部４３はどちらが内側で外側でもかまわない。
【００３３】
入力部４２には内部電極４４ａ，４４ｂが配置され、図中矢印で示すように厚み方向に分極されている。出力部４３には同じく出力用の内部電極４５ａ，４５ｂが配置され、厚み方向一層置きに、互いに厚み方向に逆向きに分極されている。
【００３４】
分極は入出力双方とも、１５０℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で行った。試作した圧電トランスの出力側に負荷抵抗６０Ωを接続し、振動子定数とパワー特性を測定した結果を表１に示す。表１は振動子特性及び７０Ｖ入力時の諸特性を示している。
【００３５】
［実施例３］
図３に本発明の圧電トランスの実施例３を示す。図３（ａ）は圧電トランス方形板５１の上面図（点線は内部電極パターン）、図３（ｂ）は内部構造図、図５（ｃ）は３次モードでの応力、変位分布図である。
【００３６】
圧電トランスは、圧電セラミックス方形板５１の中心領域において厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミック層（実施例１の圧電セラミック層３４と同様なもの）と複数の電極５４ａ，５４ｂ、５５ａ，５５ｂが交互に積層されている第１の電極部と、その外側に電極５４ａ，５４ｂを有しない絶縁縁状領域と、更にその外側に厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の電極５５ａ，５５ｂが交互に積層されている複数の縁状電極を有する第２の電極部とを備えている。第２の電極部の外側に電極５４ａ，５４ｂ、５５ａ，５５ｂを有しない絶縁縁状領域と、更にその外側に厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の電極５５ａ，５５ｂが交互に積層されている複数の縁状電極を有する第３の電極部とを備えている。
【００３７】
各電極５４ａ，５４ｂ、５５ａ，５５ｂ間は、方形板５１の厚み方向に分極され、第１乃至第３の電極部のいずれかを入力部５２と出力部５３とする。圧電トランスの駆動は、方形板５１の径広がり５次振動モードで行う。
【００３８】
この実施例３の圧電トランスの寸法は、一辺が２０ｍｍの正方形で、厚さ２．３ｍｍである。方形板５１は図３（ａ）の内部電極パターンの通り、辺方向に絶縁部を介して３分割されており、中央部とその１つ外側には入力部５２、最外部に出力部５３が配置されている。入力部５２には入力用の内部電極５４ａ，５４ｂが配置され、図中矢印で示すように厚み方向に分極されている。出力部５３には同じく出力用の内部電極５５ａ，５５ｂが配置され、厚み方向一層置きに、互いに厚み方向に逆向きに分極されている。
【００３９】
分極は入出力双方とも、１５０℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で行った。試作した圧電トランスの出力側に負荷抵抗６０Ωを接続し、振動子定数とパワー特性を測定した結果を表１に示す。
【００４０】
また参考までに従来の円盤状３次径広がりモードの積層型圧電トランスを標準試料として同時評価を行った。
【００４１】
表１では上段に微少振動時の振動子定数、下段に負荷を接続した状態での振動子定数とパワー特性を表示してある。ここで、
ｆｒ；共振周波数
Ｃ_d2；出力側制動容量
Ｑｍ₂；出力側機械的品質係数（損失係数の逆数）
１／ωＣ_d2；負荷マッチング状態でのインピーダンス
γ１，γ２；入力側，出力側容量比
Ｐout ；出力電力
をそれぞれ示している。
【００４２】
表１において実施例１〜３いずれの圧電トランスにおいても図５の従来のｋｒを用いた３次広がり積層圧電トランスと比較して、効率で２〜３％程度低下し、そのため温度上昇量が数度アップしていることが分かる。これは実施例１〜３いずれの圧電トランスにおいても方形板の径広がり振動であるため、実効的な結合係数が純粋な円板の状態よりも低下する（容量比γが増大する。）ためであると考えられる。
【００４３】
むしろ完全な方形状になったにも関わらず、圧電トランスとしての基本的な動作特性が得られ９０％以上の効率が得られたことが重要である。
【００４４】
なお、上述した各実施例における方形板は、正方形として説明したが、その他の形状として、角部が直線状に切り落とされている方形板や、方形板の角部が曲線状に切り落とされている方形板を用いてもよい。
【００４５】
すなわち、方形板は、製造、実装の観点からもっとも効率がよいものであるが、方形板が回転対称形であって、例えば、方形板の角部が曲線状に切り落とされている方形板を採用すれば、実装時における角部のカケ防止などができ、しかも変換効率は正方形と比べてほとんど変わらない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスにより入力側、または出力側、あるいは双方ともｋｒを用いた、小型で低背な、量産に適した圧電トランスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態例における実施例１の圧電トランスの平面図、（ｂ）はｈａ（ａ）実施例１の圧電トランスの断面構造図、（ｃ）は（ａ）実施例１の圧電トランスの応用、変位分布図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態例における実施例２の圧電トランスの平面図、（ｂ）は（ａ）実施例２の圧電トランスの断面構造図、（ｃ）は（ａ）実施例２の圧電トランスの応用、変位分布図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施の形態例における実施例３の圧電トランスの平面図、（ｂ）は（ａ）実施例３の圧電トランスの断面構造図、（ｃ）は（ａ）実施例３の圧電トランスの応用、変位分布図である。
【図４】（ａ）は従来の円板での径広がりモードを利用した圧電トランスの平面図、（ｂ）は（ａ）の圧電トランスの断面構造図、（ｃ）は（ａ）の圧電トランスの応用、変位分布図である。
【図５】（ａ）従来の円板での径広がり３次モードを利用した圧電トランスの平面図、（ｂ）は（ａ）の圧電トランスの断面構造図、（ｃ）は（ａ）の圧電トランスの応用、変位分布図である。
【符号の説明】
３１，４１，５１圧電トランス方形板
３２，４２，５２，１３２，１４２入力部
３３，４３，５３，１３３，１４３出力部
３４圧電セラミック層
３５ａ，４５ａ，３６ａ，３６ｂ，５５ａ，３５ｂ，
４５ｂ，５５ｂ電極
１３１，１４１圧電トランス円板

Claims

圧電セラミックス方形板の中心領域において厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミック層と複数の電極とが交互に積層されている入力部と、該入力部の外側に前記電極を有しない絶縁縁状領域と、更に該絶縁縁状領域の外側に前記厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の電極とが交互に積層されている複数の縁状電極を有する出力部とを備え、前記入力部及び前記出力部では前記各電極間が前記方形板の厚み方向に分極されていることを特徴とする圧電トランス。
圧電セラミックス方形板の中心領域において厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミック層と複数の電極とが交互に積層されている出力部と、該出力部の外側に前記電極を有しない絶縁縁状領域と、更に該絶縁縁状領域の外側に厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の電極とが交互に積層されている複数の縁状電極を有する入力部とを備え、前記入力部及び前記出力部では前記各電極間が前記方形板の厚み方向に分極されていることを特徴とする圧電トランス。
請求項１又は２の圧電トランスを用いる圧電トランスの駆動方法において、前記方形板の径広がり３次振動モードで駆動することを特徴とする圧電トランスの駆動方法。
圧電セラミックス方形板の中心領域において厚み方向に相対向するように複数の圧電セラミック層と複数の電極が交互に積層されている第１の電極部と、該第１の電極の外側に前記電極を有しない絶縁縁状領域と、更に該絶縁縁状領域の外側に厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の電極とが交互に積層されている複数の縁状電極を有する第２の電極部とを備え、該第２の電極部の外側に前記電極を有しない絶縁縁状領域と、更に該絶縁縁状領域の外側に厚み方向に相対向する様に複数の圧電セラミックス層と複数の電極とが交互に積層された複数の縁状電極を有する第３の電極部とを備え、前記各電極間が前記方形板の厚み方向に分極され、前記第１又は第２の電極部のいずれかを入力部と出力部とすることを特徴とする圧電トランス。
請求項４記載の圧電トランスを用いる圧電トランスの駆動方法において、前記方形板の径広がり５次振動モードで駆動することを特徴とする圧電トランスの駆動方法。
請求項１、２又は４の圧電トランスにおいて、前記方形板が正方形であることを特徴とする圧電トランス。
請求項１、２又は４の圧電トランスにおいて、前記方形板の角部が直線状に切り落とされていることを特徴とする圧電トランス。
請求項１、２又は４の圧電トランスにおいて、前記方形板の角部が曲線状に切り落とされていることを特徴とする圧電トランス。