JP4309152B2 - Piezoelectric transformer element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランス素子に関し、例えば、AC/DCコンバータの降圧トランス(ダウントランス)等に用いて好適な圧電トランス素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、様々な構造の圧電トランス素子が変圧手段として提案されており、例えば、圧電体層と内部電極とが複数積層された駆動領域(1次側領域)と発電領域(2次側領域)とを有し、その駆動領域と発電領域とが当該圧電体層及び内部電極の積層方向(素子の厚さ方向)に積層された構造の圧電トランス素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、圧電体層と内部電極とが複数積層された駆動領域(1次側領域)と発電領域(2次側領域)とを有し、その駆動領域と発電領域とが素子長手方向に隣接配置された構造の圧電トランス素子が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平10−215011号公報(第3図−第4図)
【特許文献2】
特開平11−4026号公報(第1図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例において、特許文献1に係る圧電トランス素子では、1次側領域と2次側領域との境界にも圧電体が使用されている。このため、直流的な絶縁は十分に得られるが、1次側領域と2次側領域とが圧電体層及び内部電極の積層方向に積層された構造であり、その1次側及び2次側領域内の内部電極面が対向することに起因して、当該1次側領域−2次側領域間の静電容量が大きく、インピーダンスが小さくなる。このため、交流的な絶縁を得ることが容易ではない。
【0006】
また、特許文献2に係る圧電トランス素子では、素子の長さ方向で共振する振動モードであるため、電気結合係数が小さく、変換効率が低い。
【0007】
そこで本発明は、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子の提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電トランス素子は、以下の構成を特徴とする。
【0009】
上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電トランス素子は、以下の構成を特徴とする。
即ち、外形形状が直方体である圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子(1〜4,8)は、
前記外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面と垂直な面により、少なくとも1組以上の隣接配置された1次側領域と2次側領域とに区画された構造を有し、
前記1次側領域及び2次側領域は、
前記主面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記主面と垂直方向に交互に複数積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、輪郭広がり振動モードで駆動し、
前記1次側領域及び2次側領域は更に、
前記主面の長さ方向と幅方向のうち、該長さ方向に1組隣接配置された構造を有しており、前記主面の長さと幅との比率が、0.50乃至0.80の範囲または1.30乃至1.75の範囲である
ことを特徴とする。この圧電トランス素子は、後述する実施形態において例示される図1、図2、図7、図8、図16に相当する。
また、上記の同目的を達成する他の構成の圧電トランス素子は、外形形状が略円柱形状の圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子(5〜7)は、
略円柱形状の前記外形形状の底面と垂直な面により、少なくとも1組以上の隣接配置された1次側領域と2次側領域とに区画された構造を有し、
前記1次側領域及び2次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されされると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする。この圧電トランス素子は、後述する実施形態において例示される図11、図12、図15に相当する。
そして、上記の同目的を達成する他の構成の圧電トランス素子は、外形形状が略円柱形状の圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子(6)は、
略円柱形状の前記外形形状の底面の中心を通り、該底面と垂直な2つ以上の面により区画されてなる複数の領域内に複数の1次側領域と複数の2次側領域を有すると共に、それら1次側領域及び2次側領域は、前記底面の中心を対称として、対向する2つの領域が同一種の領域になるように隣接配置された構造を有し、
前記1次側領域及び2次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする。この圧電トランス素子は、後述する実施形態において例示される図12に相当する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電トランス素子を、1次側領域(駆動領域)に印加された入力電圧を2次側領域(発電領域)から出力電圧として取り出すに際して降圧する所謂ダウントランス(降圧トランス)に適用した実施形態として、図面を参照して詳細に説明する。
【0011】
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る圧電トランス素子1の構造(L19.8w14の場合)を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子1の正面図、同図(b)は当該素子1のA−A’断面図である。
【0012】
はじめに、以下の説明において、「主面」とは、直方体(即ち、平行六面体、長方体)形状の圧電トランス素子1を構成する6つの外形面のうち、最も面積の大きい外形面、即ち、図1(a)に示す外形面またはその外形面に対向する外形面を表わし、図1(b)に示すA−A’断面図では、上側及び下側の対向する2辺に相当する外形面である。
【0013】
また、「端面」とは、図1(a)及び図1(b)に示す圧電トランス素子1の左側及び右側の対向する2辺に相当する外形面である。
【0014】
また、「側面」とは、図1(a)に示す圧電トランス素子1の主面において、同図上側及び下側の対向する2辺に相当する外形面である。
【0015】
また、「長さ方向」とは、図1(a)及び図1(b)に示す全長Lの圧電トランス素子1において、同図左右方向を表わす。
【0016】
また、「幅方向」とは、図1(a)に示す全幅Wの圧電トランス素子1において、同図上下方向を表わす。
【0017】
そして、「厚さ方向(高さ方向)」とは、図1(b)に示す厚さ(高さ)Hの圧電トランス素子1において、同図上下方向を表わす。
【0018】
本実施形態において、圧電トランス素子1の主面は、全長Lが19.8 mm、全幅Wが14 mmなる寸法であり、この場合の寸法を、L19.8w14にて表現する(以下の説明においても同様に表現する)。
【0019】
圧電トランス素子1は、入力電圧を印加する入力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第1層間電極として層間電極11,12が形成された1次側領域と、出力電圧を取り出す出力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第2層間電極として層間電極31,32が形成された2次側領域とを有する。
【0020】
即ち、1次側領域及び2次側領域においては、図1(b)に示すように、外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面と垂直な面により、隣接配置された1組の当該1次側領域と2次側領域とに区画された構造を有し、当該主面に平行に形成された層間電極(11−12または31−32)と圧電体層とが、当該主面と垂直方向(厚さ方向)に交互に複数積層された構造を有する。
【0021】
本実施形態では、ダウントランス(降圧トランス)を例に説明しているため、1次側領域内の層間電極11,12の積層数は、2次側領域内の層間電極31,32の積層数より少ない。換言すれば、1次側領域内の層間電極(11−12)の電極間距離は、2次側領域内の層間電極(31−32)の電極間距離より大きい。
【0022】
また、図1(b)において、矢印は分極方向を表わしており(以下、構造を表わす各図において同様である)、1次側の層間電極11−12の層間に位置する圧電体、並びに2次側の層間電極31−32の層間に位置する圧電体は、それぞれ厚み方向に分極されており、それら複数の圧電体層のうち、ある1つの層間電極を介して接する圧電体層は、互いに逆方向に分極されている。
【0023】
圧電トランス素子1の1次側及び2次側領域において、圧電体及び層間電極には、一般的な素材を採用することができ、例えば、圧電体には、チタン酸ジルコン酸鉛等の鉛系ペロブスカイト圧電材料を採用することができ、層間電極には、AgやAg/Pd合金等を採用することができる。
【0024】
尚、本実施形態に係る圧電トランス素子に採用可能な、層間電極の積層構造及び層間接続構造、並びに入力電極及び出力電極の構造のバリエーションについては、本実施形態の最後に説明する。
【0025】
また、図2は、第1の実施形態に係る圧電トランス素子2の構造(L9.8w14の場合)を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子2の正面図、同図(b)は当該素子1のB−B’断面図であり、上述した圧電トランス素子1とは長さLと幅Wの比が異なるだけであり、素子の構造は同様である。
【0026】
ここで、図1及び図2に示す圧電トランス素子1,2は、形状寸法がL19.8w14の場合、並びにL9.8w14の場合を表わしており、本願出願人の実験の結果得られた最適な長さLと幅Wを有するものであるが、係る長さLと幅Wの比に至る前に、説明の都合上から、ここでは、まず、主面が正方形(即ち、長さLと幅Wとが等しい)の場合を想定して説明すると共に、係る主面が正方形の圧電トランス素子において生じる課題の説明、並びにその課題を解決するための手段として、素子の長さと幅の比を適当な値(範囲)の決定に至るまでについて順に説明する。
【0027】
はじめに、本願出願人は、目的とする交流的な絶縁性及び変換効率の両立可能な圧電トランス素子を実現するための当初の研究及び実験において、主面が正方形である上記構造を有する圧電トランス素子1,2を、電気機械結合係数(k)が大きい輪郭広がり振動モード(好ましくは輪郭広がり振動モードの基本モード)で駆動することを試みたが、主面の形状が正方形の場合には、副共振(スプリアス共振)が起きる場合が生じた。
【0028】
そこで、本願出願人は、上記構造を有する圧電トランス素子1(L≧W),圧電トランス素子2(L≦W)において、係る輪郭広がり振動モードによる駆動に際しての副共振の発生を未然に防止すべく、素子の長さと幅の比を適当な値にすることを試みた。
【0029】
次に、上記試みのための実験結果を参照して、素子の長さと幅の比を適当な値(範囲)の決定に至るまでについて説明する。
【0030】
図3は、第1の実施形態に係る圧電トランス素子1において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比(変圧比:Step-up Ratio)、横軸は周波数(kHz)を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子1では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は1以下である。
【0031】
また、図4は、第1の実施形態に係る圧電トランス素子1において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率(%)、横軸は周波数(kHz)を示す。
【0032】
そして、図3及び図4において、特性曲線I 乃至特性曲線VIと素子の寸法との対応関係は、
・特性曲線I :L24.5w14の場合、
・特性曲線II :L23.8w14の場合、
・特性曲線III:L22.4w14の場合、
・特性曲線IV :L21w14の場合、
・特性曲線V :L19.8w14の場合、
・特性曲線VI :L18.2w14の場合、
である。
【0033】
圧電トランス素子をAC/DCコンバータの変圧手段として採用する場合には、駆動に際しての当該圧電トランス素子の昇圧比を、所定の周波数範囲において制御するのが一般的である。より具体的には、最大昇圧比を示す周波数fmを山形のピークとして含む当該圧電トランス素子の周波数特性曲線において、係る周波数範囲は、最大昇圧比を示す周波数fmと、その最大昇圧比の値が同特性曲線上において略1/3となる高周波側の周波数fhとの間の周波数範囲で駆動するに際して、効率低下の基となるスプリアス振動の発生が抑制されることが必要である。
【0034】
そこで、この見地を、圧電トランス素子1に関する図3及び図4に示す実験結果に適用して考えると、図3及び図4に示す周波数特性曲線(I〜VI)において、周波数特性曲線VI(L18.2w14(1.3:1)の場合)では、最大昇圧比を示す周波数付近で変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動の発生が確認されており、また、周波数特性曲線I(L24.5w14(1.75:1)の場合)では、最大昇圧比の略1/3となる高周波側の周波数付近においてやはり変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動の発生が確認されていることが判る。これに対して、周波数特性曲線V(L19.8w14(1.4:1)の場合)では、スプリアス振動が発生していないことが判る。
【0035】
従って、以上の観点より、圧電トランス素子1の長さと幅の比率は、1.3乃至1.75の範囲とすることで、例えばAC/DCコンバータに好適な圧電トランス素子を実現することができる。
【0036】
一方、図5は、第1の実施形態に係る圧電トランス素子2において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比(変圧比:Step-up Ratio)、横軸は周波数(kHz)を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子1では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は1以下である。
【0037】
また、図6は、第1の実施形態に係る圧電トランス素子2において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率(%)、横軸は周波数(kHz)を示す。
【0038】
そして、図5及び図6において、特性曲線I 乃至特性曲線VIIIと素子の寸法との対応関係は、
・特性曲線I :L12.2w14の場合、
・特性曲線II :L11.2w14の場合、
・特性曲線III :L10.5w14の場合、
・特性曲線IV :L9.8w14の場合、
・特性曲線V :L9.1w14の場合、
・特性曲線VI :L8.4w14の場合、
・特性曲線VII :L7.7w14の場合、
・特性曲線VIII:L7.0w14の場合、
である。
【0039】
そして、上記見地を、圧電トランス素子2に関する図5及び図6に示す実験結果に適用して考えると、図5及び図6に示す周波数特性曲線(I〜VIII)において、周波数特性曲線II(L11.2w14(0.80:1)の場合)では、最大昇圧比を示す周波数付近で変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動が確認されており、また、周波数特性曲線VIII(L7.0w14(0.50:1)の場合)では、最大昇圧比の高周波側近傍においてやはり変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動の発生しており、全体的に変換効率が低くなっている。これに対して、周波数特性曲線IV(L9.8w14(0.7:1)の場合)では、スプリアス振動が発生していないことが判る。
【0040】
従って、以上の観点より、圧電トランス素子2の長さと幅の比率は、0.50乃至0.80の範囲とすることで、例えばAC/DCコンバータに好適な圧電トランス素子を実現することができる。
【0041】
<層間電極の積層構造及び層間接続構造>
本実施形態において、圧電トランス素子1,2の1次側及び2次側領域の層間電極11−12,31−32は、図1(b)及び図2(b)に示す如く厚み方向に積層された積層構造であり、当該1次側領域または2次側領域の内部または外部に形成された層間接続用の導体(不図示)によって、一層おきに接続された層間接続構造を有する。
【0042】
即ち、圧電トランス素子1,2の2次側領域において、層間電極31,32は、当該2次側領域の内部または外部に形成された少なくとも1組の層間接続用の導体(不図示)によって一層おきに接続されることにより、複数の層間電極31が一方の層間接続用の導体に接続され、複数の層間電極32が他方の層間接続用の導体に接続された構造を有する。
【0043】
また、圧電トランス素子1,2の1次側領域において、層間電極11,12は、上記2次側領域側の層間電極31,32と同様に、少なくとも1組の層間接続用の導体(不図示)によって一層おきに接続された層間接続構造が採用されるが、図1及び図2に示す圧電トランス素子1,2の1次側領域においては、一例として、2つの層間電極11と、1つの層間電極12とが形成されている場合を示しており、この場合、2つの層間電極11が一方の層間接続用の導体に接続され、1つの層間電極12が他方の層間接続用の導体に接続された構造となる。
【0044】
<入力電極及び出力電極の構造>
本実施形態において、上述した層間接続用の導体が圧電トランス素子1,2の内部に形成された場合には、入力電圧を印加するための入力電極、並びに出力電圧を取り出すための出力電極の少なくとも何れか一方が、係る層間接続用の導体と電気的に接続された状態で当該素子外部に形成される。
【0045】
また、上記層間接続用の導体が圧電トランス素子1,2の1次側及び2次側領域の少なくとも何れかにおいて素子外部に形成された場合には、その層間接続用の導体自体を、入力電圧を印加するための入力電極、或いは出力電圧を取り出すための出力電極として利用しても良い。
【0046】
<層間電極、層間接続用の導体、及び入出力用の外部電極の構造>
ここで、上述した本実施形態では、素子全体形状の小型化及び変圧効率の向上を図るべく、圧電トランス素子1,2の1次側領域にて複数枚積層された層間電極11及び2次側領域にて複数枚積層された層間電極31において、最上位及び最下位のものがそれぞれ上下2つの主面に露出する構造を例に説明したが、本発明に係る圧電トランス素子は係る構造に限られるものではなく、1次側及び2次側領域において、係る最上位及び最下位の層間電極のうち少なくとも何れか1つの層間電極が素子内部に埋設され、主面上には露出しない構造を採用することもできる。
【0047】
また、上述した本実施形態において、各層の層間電極11−12,31−32は、圧電トランス素子1,2の端面及び側面から素子内側方向にオフセットした構造を例に説明したが、本発明に係る圧電トランス素子は係る構造に限られるものではなく、1次側領域の層間電極11−12と、2次側領域の層間電極31−32とが必要とされる交流的な絶縁状態を満足するギャップ長をもって物理的に離間した構造であれば、1次側及び2次側領域の端面及び側面の少なくとも何れか一方に露出した構造を採用することもできる。
【0048】
以上説明した本実施形態によれば、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子が実現する。
【0049】
即ち、本実施形態に係る圧電トランス素子1,2では、1次側領域と2次側領域とが素子の長さ方向に隣接する構造なので、1次側領域の層間電極11,12と、2次側領域の層間電極31,32とが面として対向することは無いので、その1次側領域−2次側領域間の静電容量が小さく(容量結合の状態を小さくすることができ)、インピーダンスが大きくなるので、交流的な絶縁を得ることができ、輪郭広がり振動モードによる駆動により、優れた変換効率を発揮する。
【0050】
また、圧電トランス素子が変圧手段として採用される各種電子機器(例えば、携帯電話や情報処理装置の表示デバイス駆動用のインバータ回路やAC/DCコンバータ等)において、係る電子機器内部における圧電トランス素子の外形寸法への要求は、一般に、素子の長手方向への長さと比較して、厚さ(即ち、対向する2つの主面の距離)が制約される場合が多い。このような制約に対して、本実施形態に係る圧電トランス素子1,2では、1次側領域の層間電極11,12と、2次側領域の層間電極31,32とが、上記特許文献1の如く素子の厚さ方向に対向する構造とは異なり、素子長さ(L)方向において隣接する構造であるため、外形寸法の要求仕様から許容される範囲において、当該両内部電極間の離間距離(ギャップ長)を設計に際して適宜決定する(即ち、要求仕様の範囲で最大限の離間距離を確保する)ことにより、上述した交流的な絶縁特性を、更に確実なものにすることも容易である。
【0051】
[第2の実施形態]
次に、本発明に係る第2の実施形態を説明する。以下の説明においては、第1の実施形態と同様な構成については重複する説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。
【0052】
本実施形態では、素子の主面形状を正方形としたままで、上記副共振(スプリアス共振)の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することが可能な圧電トランス素子の構造について説明する。
【0053】
図7は、第2の実施形態に係る圧電トランス素子3の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子3の正面図、同図(b)は当該素子3のC−C’断面図、同図(c)は当該素子3のD−D’断面図である。
【0054】
同図に示すように、圧電トランス素子3は、外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面の中心を通り、該主面と垂直な2つ以上の偶数個の面(ここで、「偶数個の面」とは、説明の便宜からのものであり、当該素子内部に実際に存在する訳ではない)により区画されてなる複数の領域内に、複数の1次側領域と複数の2次側領域を有すると共に、それら1次側領域及び2次側領域は、当該主面の中心を対称として、対向する2つの領域が同一種の領域となるように隣接配置された構造を有する。
【0055】
また、圧電トランス素子3において、個々の1次側領域には、入力電圧を印加する入力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第1層間電極として層間電極13,14が形成されており、個々の2次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第2層間電極として層間電極33,34が形成されている。
【0056】
ここで、圧電トランス素子3の層間電極の積層構造及び層間接続構造、並びに入力電極及び出力電極の構造自体は、第1の実施形態と同様な構造を採用することができる。
【0057】
また、上記構造を有する圧電トランス素子3を、本実施形態においても、輪郭広がり振動モード(好ましくは輪郭広がり振動モードの基本モード)で駆動する。この場合の周波数特性についての実験結果を説明する。
【0058】
図9は、第2の実施形態に係る圧電トランス素子3における昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比(変圧比:Step-up Ratio)、横軸は周波数(kHz)を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子3では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は1以下である。
【0059】
また、図10は、第2の実施形態に係る圧電トランス素子3における変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率(%)、横軸は周波数(kHz)を示す。
【0060】
図9及び図10に示された周波数特性曲線Iから判るように、本実施形態に係る圧電トランス素子3では、主面が正方形であり、1次領域と2次領域を主面方向に点対称に配置したことにより、最大昇圧比を示す周波数から高周波側の広い範囲において、スプリアス振動の発生が抑制されていることが判る。
【0061】
従って、本実施形態によっても、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子が実現する。
【0062】
即ち、本実施形態に係る圧電トランス素子3では、個々の1次側領域と2次側領域とが素子の長さ方向及び幅方向に隣接する構造なので、1次側領域の層間電極13,14と、2次側領域の層間電極33,34とが面として対向することは無いので、その1次側領域−2次側領域間の静電容量が小さく(容量結合の状態を小さくすることができ)、インピーダンスが大きくなるので、交流的な絶縁を得ることができ、輪郭広がり振動モードによる駆動により、優れた変換効率を発揮する。
【0063】
尚、圧電トランス素子3(図7)では、直方体形状の外形形状において主面の2方向(当該直方体形状における長さ方向及び幅方向)に1次側領域と2次側領域とが1組(2×2)隣接配置された構造を説明した。しかしながら、本発明はこの構造に限られるものではなく、当該2方向のうち少なくとも何れかの方向に、上記1次側領域と2次側領域とが1組以上(例えば4×2)隣接配置された構造において、輪郭広がり振動モードで駆動することによっても実現される。
【0064】
<第2の実施形態の変形例>
次に、上記第2の実施形態の変形例を説明する。
【0065】
図8は、第2の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子4の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子4の正面図、同図(b)は当該素子4のE−E’断面図、同図(c)は当該素子4のF−F’断面図である。
【0066】
本変形例においても素子の主面形状は正方形であるが、圧電トランス素子4は、主面上の2つの対角線によって区画された4つの領域において、当該主面から眺めた場合に三角形をなす1次側領域と2次側領域とが、該2つの対角線の交点を対称として、対向する2つの領域が同一種の領域となるように隣接配置された構造を有する。
【0067】
また、圧電トランス素子4において、個々の1次側領域には、入力電圧を印加する入力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第1層間電極として層間電極(15−16または17−18)が形成されており、個々の2次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第2層間電極として層間電極(35−36または37−38)が形成されており、本変形例においても、輪郭広がり振動モードで駆動する。
【0068】
このような本変形例によっても、素子の主面形状を正方形としたままで、上記副共振(スプリアス共振)の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することができる。
【0069】
[第3の実施形態]
次に、本発明に係る第3の実施形態を説明する。
【0070】
図11は、第3の実施形態に係る圧電トランス素子5の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子5の正面図、同図(b)は当該素子5のG−G’断面図である。
【0071】
はじめに、以下の説明において、「底面」とは、円柱形状(略円柱形状)の圧電トランス素子5を構成する外形面のうち、図11(a)に示す外形面またはその外形面に対向する外形面を表わし、図11(b)に示すG−G’断面図では、上側及び下側の対向する2辺に相当する外形面であり、半径Rの略真円の場合と楕円の場合を含む。
【0072】
そして、「厚さ方向(高さ方向)」とは、図11(b)に示す厚さ(高さ)Hの圧電トランス素子5において、同図上下方向を表わす。
【0073】
圧電トランス素子5は、入力電圧を印加する入力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第1層間電極として層間電極19,20が形成された1次側領域と、出力電圧を取り出す出力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第2層間電極として層間電極39,40が形成された2次側領域とを有する。
【0074】
即ち、1次側領域及び2次側領域においては、図11(b)に示すように、略円柱形状の外形形状の底面と垂直な面により、隣接配置された1組の当該1次側領域と2次側領域とに区画された構造を有し、当該底面に平行に形成された層間電極(19−20または39−40)と圧電体層とが、当該底面と垂直方向に交互に積層された構造を有する。
【0075】
本実施形態においても、ダウントランス(降圧トランス)を例に説明しているため、1次側領域内の層間電極19,20の積層数は、2次側領域内の層間電極39,40の積層数より少ない。換言すれば、1次側領域内の層間電極(19−20)の電極間距離は、2次側領域内の層間電極(39−40)の電極間距離より大きい。
【0076】
また、図11(b)において、各層の圧電体の分極方向は、上述した第1の実施形態等の同様であり、且つ圧電トランス素子5の層間電極の積層構造及び層間接続構造、並びに入力電極及び出力電極の構造自体は、第1の実施形態と同様な構造を採用することができる。
【0077】
そして、本実施形態では、このような構造を有する圧電トランス素子5を、径方向広がり振動モード(好ましくは径方向広がり振動モードの基本モード)で駆動する。但し、底面を2分割した1組の1次側及び2次側領域を有する圧電トランス素子5は、径方向広がり振動モードで駆動すると、副共振(スプリアス共振)が起きる場合が生じたので、4の倍数にて等分割した場合の一例として、2組の1次側及び2次側領域を有する圧電トランス素子6を併せて説明する。
【0078】
即ち、図12は、第3の実施形態に係る圧電トランス素子6の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子6の正面図、同図(b)は当該素子6のH−H’断面図、同図(c)は当該素子6のI−I’断面図である。
【0079】
同図に示す圧電トランス素子6は、略円柱形状の外形形状の底面の中心Pを通り、該底面と垂直な2つ以上の偶数個の面(ここで、「偶数個の面」とは、説明の便宜からのものであり、当該素子内部に実際に存在する訳ではない)により区画されてなる複数の領域内に複数の1次側領域と複数の2次側領域(この場合は2つずつ)を有すると共に、それら1次側領域及び2次側領域は、前記底面の中心Pを対称として、対向する2つの領域が同一種の領域になるように隣接配置された構造を有する。
【0080】
また、圧電トランス素子6において、個々の1次側領域には、入力電圧を印加する入力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第1層間電極として層間電極(21−22または23−24)が形成されており、個々の2次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第2層間電極として層間電極(41−42または43−44)が形成されており、径方向広がり振動モード(好ましくは径方向広がり振動モードの基本モード)で駆動する。
【0081】
図13は、第3の実施形態に係る圧電トランス素子5,6における昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比(変圧比:Step-up Ratio)、横軸は周波数(kHz)を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子5,6では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は1以下である。
【0082】
また、図14は、第3の実施形態に係る圧電トランス素子5,6における変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率(%)、横軸は周波数(kHz)を示す。
【0083】
図13及び図14に示されたところの、周波数特性曲線I(図11に示す圧電トランス素子5の場合)と、周波数特性曲線II(図12に示す圧電トランス素子6の場合)とから判るように、本実施形態に係る圧電トランス素子5,6の特性を比較すると、周波数特性曲線Iでは、最大昇圧比を示す周波数付近で変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動が発生しているが、周波数特性曲線IIでは、1次領域と2次領域を、底面の中心Pを対称として複数組み配置したことにより、スプリアス振動の発生が抑制されていることが判る。
【0084】
従って、本実施形態によっても、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子が実現する。
【0085】
即ち、本実施形態に係る圧電トランス素子5,6では、個々の1次側領域と2次側領域とが素子の底面に平行な方向に隣接する構造なので、1次側領域の層間電極(21−24)と、2次側領域の層間電極(41−44)とが面として対向することは無いので、その1次側領域−2次側領域間の静電容量が小さく(容量結合の状態を小さくすることができ)、インピーダンスが大きくなるので、交流的な絶縁を得ることができ、径方向広がり振動モードによる駆動により、優れた変換効率を発揮する。
【0086】
<第3の実施形態の変形例>
第3の実施形態に係る圧電トランス素子は、図11及び図12に示したような、少なくとも1組み以上の1次側領域と2次側領域とが対称に隣接配置されている構造に限られるものではなく、本変形例において説明する構造であっても良い。
【0087】
即ち、図15は、第3の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子7の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子7の正面図、同図(b)は当該素子7のJ−J’断面図である。
【0088】
本変形例においても素子の底面形状は、半径Rの円形をなすが、圧電トランス素子7では、図15に示すように、底面の中心Pを超えて形成された1次側領域と、三日月型の2次側領域とが隣接配置された構造を有する。
【0089】
また、圧電トランス素子7において、1次側領域には、入力電圧を印加する入力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第1層間電極として層間電極25,26が形成されており、2次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極(不図示)に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第2層間電極として層間電極45,46が形成されており、本変形例においても、径方向広がり振動モードで駆動する。
【0090】
このような本変形例によっても、上記副共振(スプリアス共振)の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することができる。
【0091】
[第4の実施形態]
次に、上述した第1乃至第3の実施形態に共通の変形例としての第4の実施形態を説明する。
【0092】
上述した第1乃至第3の実施形態及びその変形例では、主面が四角形である場合(第1及び第2の実施形態)に、その主面に平行に形成された1次側及び2次側領域の層間電極も四角形をなし、一方、底面が円形である場合(第3の実施形態)には、その底面に平行に形成された1次側及び2次側領域の層間電極は、半円を含む扇型形状である構造例を説明した。しかしながら、本発明は係る構造例に限られるものではなく、例えば、本実施形態において説明するような構造を採用することもできる。
【0093】
即ち、図16は、第4の実施形態に係る圧電トランス素子8の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子8の正面図、同図(b)は当該素子8のK−K’断面図、同図(c)は当該素子8のL−L’断面図である。
【0094】
同図に示す圧電トランス素子8は、上述した圧電トランス素子4(図8)における2組の1次及び2次領域の層間電極の形状が、区画された形状と同じではなく、上述した圧電トランス素子6(図12)における扇形をなす1次及び2次領域の層間電極の形状において形成された構造を有する。
【0095】
このような構造の圧電トランス素子8によっても、上記副共振(スプリアス共振)の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することができる。
【0096】
尚、上述した各実施形態及びその変形例においては、本発明に係る圧電トランス素子をダウントランス(降圧トランス)に適用した実施形態として説明したが、本発明はこれに限られるものではない。
【0097】
より具体的に、本発明は、1次側領域(駆動領域)に印加された入力電圧を2次側領域(発電領域)から出力電圧として取り出すに際して昇圧する昇圧トランスに適用することもでき、係る昇圧トランスの場合には、1次側領域の各層間電極の電極間距離を、2次側領域の各層間電極の電極間距離と比較して短くした構造とすれば良い。即ち、昇圧トランスの場合には、上述した各実施形態において降圧トランスとして説明した圧電トランス素子1乃至8において、1次側領域を2次側領域として使用する一方で2次側領域を1次側領域として使用する(即ち、入出力状態を反対にして使用する)ことにより、係る圧電トランス素子1乃至8は、昇圧トランスとして機能する。
【0098】
また、係る降圧トランスまたは昇圧トランスとしての圧電トランス素子の構造において、出力電圧と入力電圧との比率が1程度であることを要求される降圧回路仕様の場合には、1次側領域の層間電極の積層数と、2次側領域の層間電極の積層数とが同一となる場合も本発明の範囲に含まれる。
【0099】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子の提供が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る圧電トランス素子1の構造(L19.8w14の場合)を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子1の正面図、同図(b)は当該素子1のA−A’断面図である。
【図2】第1の実施形態に係る圧電トランス素子2の構造(L9.8w14の場合)を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子2の正面図、同図(b)は当該素子1のB−B’断面図である。
【図3】第1の実施形態に係る圧電トランス素子1において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図4】第1の実施形態に係る圧電トランス素子1において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図である。
【図5】第1の実施形態に係る圧電トランス素子2において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図6】第1の実施形態に係る圧電トランス素子2において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図である。
【図7】第2の実施形態に係る圧電トランス素子3の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子3の正面図、同図(b)は当該素子3のC−C’断面図、同図(c)は当該素子3のD−D’断面図である。
【図8】第2の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子4の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子4の正面図、同図(b)は当該素子4のE−E’断面図、同図(c)は当該素子4のF−F’断面図である。
【図9】第2の実施形態に係る圧電トランス素子3における昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図10】第2の実施形態に係る圧電トランス素子3における変換効率−周波数特性を示す図である。
【図11】第3の実施形態に係る圧電トランス素子5の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子5の正面図、同図(b)は当該素子5のG−G’断面図である。
【図12】第3の実施形態に係る圧電トランス素子6の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子6の正面図、同図(b)は当該素子6のH−H’断面図、同図(c)は当該素子6のI−I’断面図である。
【図13】第3の実施形態に係る圧電トランス素子5,6における昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図14】第3の実施形態に係る圧電トランス素子5,6における変換効率−周波数特性を示す図である。
【図15】第3の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子7の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子7の正面図、同図(b)は当該素子7のJ−J’断面図である。
【図16】第4の実施形態に係る圧電トランス素子8の構造を示す図であり、同図(a)は圧電トランス素子8の正面図、同図(b)は当該素子8のK−K’断面図、同図(c)は当該素子8のL−L’断面図である。
【符号の説明】
1〜8:圧電トランス素子,
11−12,13−14,15−16,17−18,19−20,21−22,23−24,25−26:1次側層間電極,
31−32,33−34,35−36,37−38,39−40,41−42,43−44,45−46:2次側層間電極,
P:円柱形状の圧電トランス素子5乃至7の主面の中心点,
Q:圧電トランス素子8の主面の中心点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric transformer element, for example, a piezoelectric transformer element suitable for use in a step-down transformer (down transformer) of an AC / DC converter.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, piezoelectric transformer elements having various structures have been proposed as a transforming means. For example, a drive region (primary side region) and a power generation region (secondary side region) in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrodes are stacked. And a piezoelectric transformer element having a structure in which a drive region and a power generation region are stacked in the stacking direction of the piezoelectric layer and the internal electrode (the thickness direction of the element) has been proposed (for example, Patent Document 1). reference).
[0003]
In addition, it has a drive region (primary side region) and a power generation region (secondary side region) in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrodes are stacked, and the drive region and the power generation region are arranged adjacent to each other in the longitudinal direction of the element. A piezoelectric transformer element having such a structure has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-215011 (FIGS. 3-4)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-4026 (FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, in the piezoelectric transformer element according to
[0006]
Moreover, since the piezoelectric transformer element according to
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric transformer element that is excellent in AC insulation and conversion efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a piezoelectric transformer element according to the present invention is characterized by the following configuration.
[0009]
In order to achieve the above object, a piezoelectric transformer element according to the present invention is characterized by the following configuration.
That is, a piezoelectric transformer element whose outer shape is a rectangular parallelepiped,
The piezoelectric transformer elements (1 to 4, 8) are
Of the plurality of outer surfaces forming the outer shape, the outer surface having the largest area is used as a main surface, and at least one pair of primary and secondary regions arranged adjacent to each other by a surface perpendicular to the main surface. Having a partitioned structure;
The primary side region and the secondary side region are:
A plurality of electrodes and piezoelectric layers formed in parallel to the main surface are alternately stacked in a direction perpendicular to the main surface, and among the plurality of piezoelectric layers, a piezoelectric layer in contact with the electrode through the electrodes Have structures that are polarized in opposite directions and are driven in a contour spreading vibration modeAnd
The primary side region and the secondary side region further include
Of the length direction and the width direction of the main surface, one set is adjacently arranged in the length direction, and the ratio between the length and the width of the main surface is 0.50 to 0.80. Range or 1.30 to 1.75.
It is characterized by that. This piezoelectric transformer element corresponds to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 7, FIG. 8, and FIG.
AlsoThe piezoelectric transformer element having another configuration that achieves the same object is a piezoelectric transformer element having a substantially cylindrical outer shape,
The piezoelectric transformer element (5-7)
Having a structure that is partitioned into at least one or more adjacent primary side regions and secondary side regions by a plane perpendicular to the bottom surface of the substantially cylindrical outer shape;
The primary side region and the secondary side region are:
Electrodes and piezoelectric layers formed in parallel to the bottom surface are alternately stacked in a direction perpendicular to the bottom surface, and among the plurality of piezoelectric layers, the piezoelectric layers in contact with each other through the electrodes are mutually It has a structure that is polarized in the opposite direction, and is driven in a radially expanded vibration mode.
It is characterized by that. This piezoelectric transformer element corresponds to FIG. 11, FIG. 12, and FIG. 15 exemplified in the embodiments described later.
And the piezoelectric transformer element of other composition which achieves the above-mentioned object is a piezoelectric transformer element whose outer shape is a substantially cylindrical shape,
The piezoelectric transformer element (6)
And having a plurality of primary regions and a plurality of secondary regions in a plurality of regions that pass through the center of the bottom surface of the substantially cylindrical outer shape and are partitioned by two or more surfaces perpendicular to the bottom surface. The primary side region and the secondary side region have a structure in which the centers of the bottom surfaces are symmetrical and are adjacently arranged so that two opposing regions are the same type of region,
The primary side region and the secondary side region are:
Electrodes and piezoelectric layers formed in parallel to the bottom surface are alternately stacked in a direction perpendicular to the bottom surface, and among the plurality of piezoelectric layers, the piezoelectric layers in contact with the electrodes are opposite to each other. It has a structure that is polarized in the direction, and is driven in a radially expanded vibration mode.
It is characterized by that. This piezoelectric transformer element corresponds to FIG. 12 illustrated in an embodiment described later.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the piezoelectric transformer element according to the present invention is a so-called down transformer (step-down transformer) that steps down the input voltage applied to the primary side region (drive region) when taking out the output voltage from the secondary side region (power generation region). The applied embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[0011]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing the structure of the
[0012]
First, in the following description, the “main surface” refers to the outer surface having the largest area among the six outer surfaces constituting the
[0013]
Further, the “end face” is an outer face corresponding to two opposing sides on the left side and the right side of the
[0014]
The “side surface” is an outer surface corresponding to two opposing sides on the upper and lower sides of the
[0015]
The “length direction” represents the horizontal direction of the
[0016]
The “width direction” represents the vertical direction of the
[0017]
The “thickness direction (height direction)” represents the vertical direction of the
[0018]
In the present embodiment, the main surface of the
[0019]
The
[0020]
That is, in the primary side region and the secondary side region, as shown in FIG. 1B, the outer surface having the largest area among the plurality of outer surfaces forming the outer shape is used as the main surface and is perpendicular to the main surface. Interlayer electrode (11-12 or 31-32) having a structure partitioned into a set of primary side region and secondary side region arranged adjacent to each other by a surface and formed in parallel to the main surface And a plurality of piezoelectric layers are alternately stacked in the direction perpendicular to the main surface (thickness direction).
[0021]
In the present embodiment, a down transformer (a step-down transformer) is described as an example. Therefore, the number of
[0022]
In FIG. 1B, the arrow indicates the polarization direction (hereinafter the same as in each of the drawings showing the structure), the piezoelectric body located between the layers of the primary-side interlayer electrode 11-12, and 2 The piezoelectric bodies positioned between the interlayer electrodes 31-32 on the next side are polarized in the thickness direction, and among the plurality of piezoelectric layers, the piezoelectric layers in contact with each other through one interlayer electrode are mutually connected. Polarized in the opposite direction.
[0023]
In the primary side and secondary side regions of the
[0024]
Note that variations in the layered structure and interlayer connection structure of the interlayer electrodes and the structure of the input and output electrodes that can be employed in the piezoelectric transformer element according to the present embodiment will be described at the end of the present embodiment.
[0025]
2 is a view showing the structure of the
[0026]
Here, the
[0027]
First, the applicant of the present application has proposed that a piezoelectric transformer element having the above structure in which the main surface is a square in the initial research and experiment for realizing a target piezoelectric transformer element capable of achieving both alternating insulation and conversion efficiency. 1 and 2 are driven in a contour spreading vibration mode (preferably a basic mode of the contour spreading vibration mode) having a large electromechanical coupling coefficient (k). There was a case where resonance (spurious resonance) occurred.
[0028]
Therefore, the applicant of the present application prevents sub-resonance from occurring when the piezoelectric transformer element 1 (L ≧ W) and the piezoelectric transformer element 2 (L ≦ W) having the above-described structure are driven in the contour spreading vibration mode. Therefore, an attempt was made to set the ratio of the element length and width to an appropriate value.
[0029]
Next, with reference to the experimental results for the above trial, description will be made on the ratio of the length and width of the element until the determination of an appropriate value (range).
[0030]
FIG. 3 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic when the ratio of length to width is changed in the
[0031]
FIG. 4 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the
[0032]
3 and 4, the correspondence relationship between the characteristic curves I to VI and the element dimensions is as follows:
・ Characteristic curve I: L24.5w14
・ Characteristic curve II: L23.8w14
・ Characteristic curve III: L22.4w14
・ Characteristic curve IV: L21w14
・ Characteristic curve V: L19.8w14
・ Characteristic curve VI: L18.2w14
It is.
[0033]
When a piezoelectric transformer element is employed as a transformer means of an AC / DC converter, it is common to control the step-up ratio of the piezoelectric transformer element during driving in a predetermined frequency range. More specifically, in the frequency characteristic curve of the piezoelectric transformer element including the frequency fm indicating the maximum boost ratio as the peak of the mountain shape, the frequency range includes the frequency fm indicating the maximum boost ratio and the value of the maximum boost ratio. When driving in a frequency range between the frequency fh on the high frequency side, which is approximately 3 on the same characteristic curve, it is necessary to suppress the occurrence of spurious vibrations that are the basis of efficiency reduction.
[0034]
Therefore, when this viewpoint is applied to the experimental results shown in FIGS. 3 and 4 relating to the
[0035]
Therefore, from the above viewpoint, by setting the ratio of the length and width of the
[0036]
On the other hand, FIG. 5 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic when the ratio of length to width is changed in the
[0037]
FIG. 6 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the
[0038]
5 and 6, the correspondence relationship between the characteristic curves I to VIII and the dimensions of the element is
・ Characteristic curve I: L12.2w14
・ Characteristic curve II: L11.2w14
・ Characteristic curve III: L10.5w14
・ Characteristic curve IV: L9.8w14
・ Characteristic curve V: L9.1w14
・ Characteristic curve VI: L8.4w14
・ Characteristic curve VII: L7.7w14
・ Characteristic curve VIII: L7.0w14
It is.
[0039]
When the above viewpoint is applied to the experimental results shown in FIG. 5 and FIG. 6 regarding the
[0040]
Therefore, from the above viewpoint, by setting the ratio of the length and width of the
[0041]
<Laminated structure of interlayer electrode and interlayer connection structure>
In the present embodiment, the interlayer electrodes 11-12 and 31-32 in the primary and secondary regions of the
[0042]
That is, in the secondary region of the
[0043]
Further, in the primary region of the
[0044]
<Structure of input electrode and output electrode>
In this embodiment, when the above-described interlayer connection conductor is formed inside the
[0045]
When the interlayer connection conductor is formed outside the element in at least one of the primary and secondary regions of the
[0046]
<Structure of interlayer electrode, conductor for interlayer connection, and external electrode for input / output>
Here, in the above-described embodiment, in order to reduce the overall shape of the element and improve the transformation efficiency, the
[0047]
Further, in the above-described embodiment, the interlayer electrodes 11-12 and 31-32 of each layer have been described by taking an example of a structure that is offset from the end face and side face of the
[0048]
According to this embodiment described above, a piezoelectric transformer element excellent in AC insulation and conversion efficiency is realized.
[0049]
That is, in the
[0050]
Further, in various electronic devices (for example, an inverter circuit or an AC / DC converter for driving a display device of a mobile phone or an information processing apparatus) in which the piezoelectric transformer element is used as a transformer, the piezoelectric transformer element in the electronic device is used. In general, the demand for the external dimension is often limited by the thickness (that is, the distance between two opposing main surfaces) as compared with the length in the longitudinal direction of the element. With respect to such restrictions, in the
[0051]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment according to the present invention will be described. In the following description, the description similar to that of the first embodiment will be omitted, and the description will focus on the characteristic part of the present embodiment.
[0052]
In the present embodiment, a structure of a piezoelectric transformer element capable of suppressing the occurrence of the sub-resonance (spurious resonance) and realizing good conversion efficiency while keeping the main surface shape of the element to be square will be described. .
[0053]
7A and 7B are diagrams showing the structure of the
[0054]
As shown in the figure, the
[0055]
In the
[0056]
Here, the laminated structure of the interlayer electrodes and the interlayer connection structure of the
[0057]
The
[0058]
FIG. 9 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in the
[0059]
FIG. 10 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in the
[0060]
As can be seen from the frequency characteristic curve I shown in FIGS. 9 and 10, in the
[0061]
Therefore, the present embodiment also realizes a piezoelectric transformer element excellent in AC insulation and conversion efficiency.
[0062]
That is, in the
[0063]
In the piezoelectric transformer element 3 (FIG. 7), in the rectangular parallelepiped outer shape, a pair of a primary side region and a secondary side region in two directions of the main surface (the length direction and the width direction in the rectangular parallelepiped shape) ( 2 × 2) Adjacent structures have been described. However, the present invention is not limited to this structure, and the primary side region and the secondary side region are adjacent to each other in at least one of the two directions (for example, 4 × 2). This structure can also be realized by driving in the contour spreading vibration mode.
[0064]
<Modification of Second Embodiment>
Next, a modification of the second embodiment will be described.
[0065]
FIG. 8 is a diagram showing the structure of a
[0066]
The main surface shape of the element is also a square in this modification, but the
[0067]
In the
[0068]
According to this modified example as well, it is possible to suppress the occurrence of the sub-resonance (spurious resonance) while maintaining the main surface shape of the element to be square, and to realize good conversion efficiency.
[0069]
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment according to the present invention will be described.
[0070]
FIG. 11 is a diagram illustrating the structure of the
[0071]
First, in the following description, the “bottom surface” refers to the outer surface shown in FIG. 11A or the outer shape facing the outer surface among the outer surfaces constituting the cylindrical (substantially cylindrical)
[0072]
The “thickness direction (height direction)” represents the vertical direction of the
[0073]
The
[0074]
That is, in the primary side region and the secondary side region, as shown in FIG. 11 (b), a set of primary side regions arranged adjacent to each other by a surface perpendicular to the bottom surface of the substantially cylindrical outer shape. Interlayer electrodes (19-20 or 39-40) and piezoelectric layers formed in parallel to the bottom surface are alternately stacked in a direction perpendicular to the bottom surface. Has a structured.
[0075]
Also in the present embodiment, a down transformer (step-down transformer) is described as an example, and therefore the number of
[0076]
Further, in FIG. 11B, the polarization directions of the piezoelectric bodies in the respective layers are the same as those in the first embodiment described above, and the laminated structure and interlayer connection structure of the interlayer electrodes of the
[0077]
In the present embodiment, the
[0078]
12 is a diagram showing the structure of the
[0079]
The
[0080]
In the
[0081]
FIG. 13 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in the
[0082]
FIG. 14 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in the
[0083]
As can be seen from the frequency characteristic curve I (in the case of the
[0084]
Therefore, the present embodiment also realizes a piezoelectric transformer element excellent in AC insulation and conversion efficiency.
[0085]
That is, in the
[0086]
<Modification of Third Embodiment>
The piezoelectric transformer element according to the third embodiment is limited to a structure in which at least one or more primary side regions and secondary side regions are symmetrically adjacent to each other as shown in FIGS. 11 and 12. The structure described in this modification may be used instead.
[0087]
15A and 15B are views showing the structure of a
[0088]
Also in this modification, the bottom shape of the element is a circle having a radius R. However, in the
[0089]
In the
[0090]
According to such a modification as well, it is possible to suppress the occurrence of the sub-resonance (spurious resonance) and to realize good conversion efficiency.
[0091]
[Fourth Embodiment]
Next, a description will be given of a fourth embodiment as a modification common to the first to third embodiments described above.
[0092]
In the above-described first to third embodiments and modifications thereof, when the main surface is a quadrangle (first and second embodiments), the primary side and the secondary formed in parallel to the main surface. When the interlayer electrode in the side region is also square and the bottom surface is circular (third embodiment), the interlayer electrodes in the primary and secondary regions formed parallel to the bottom surface are half An example of a structure having a sector shape including a circle has been described. However, the present invention is not limited to such a structural example, and for example, a structure as described in this embodiment can be adopted.
[0093]
16A and 16B are diagrams showing the structure of the
[0094]
In the
[0095]
Also with the
[0096]
In the above-described embodiments and modifications thereof, the piezoelectric transformer element according to the present invention has been described as an embodiment applied to a down transformer (step-down transformer). However, the present invention is not limited to this.
[0097]
More specifically, the present invention can also be applied to a step-up transformer that boosts the input voltage applied to the primary side region (driving region) when the input voltage is extracted from the secondary side region (power generation region) as an output voltage. In the case of a step-up transformer, the inter-electrode distance of each interlayer electrode in the primary side region may be made shorter than the inter-electrode distance of each interlayer electrode in the secondary side region. That is, in the case of a step-up transformer, in the
[0098]
Further, in the structure of the piezoelectric transformer element as the step-down transformer or the step-up transformer, in the case of a step-down circuit specification in which the ratio of the output voltage to the input voltage is required to be about 1, the interlayer electrode in the primary side region A case in which the number of stacked layers and the number of stacked interlayer electrodes in the secondary region are the same is also included in the scope of the present invention.
[0099]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, it is possible to provide a piezoelectric transformer element excellent in AC insulation and conversion efficiency.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a structure of a
2A and 2B are diagrams showing the structure of the
FIG. 3 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic when the ratio of length to width is changed in the
FIG. 4 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the
FIG. 5 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic when the ratio of length to width is changed in the
6 is a graph showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the
7A and 7B are diagrams showing a structure of a
8A and 8B are diagrams showing the structure of a
FIG. 9 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in the
FIG. 10 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in the
11A and 11B are diagrams showing the structure of a
12A and 12B are diagrams showing the structure of a
FIG. 13 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in
14 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in
15A and 15B are diagrams showing the structure of a
16A and 16B are diagrams showing the structure of a
[Explanation of symbols]
1-8: Piezoelectric transformer element,
11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26: primary side interlayer electrodes,
31-32, 33-34, 35-36, 37-38, 39-40, 41-42, 43-44, 45-46: secondary side interlayer electrodes,
P: the center point of the main surface of the cylindrical
Q: Center point of main surface of
Claims (3)
前記圧電トランス素子は、
前記外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面と垂直な面により、少なくとも1組以上の隣接配置された1次側領域と2次側領域とに区画された構造を有し、
前記1次側領域及び2次側領域は、
前記主面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記主面と垂直方向に交互に複数積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、輪郭広がり振動モードで駆動し、
前記1次側領域及び2次側領域は更に、
前記主面の長さ方向と幅方向のうち、該長さ方向に1組隣接配置された構造を有しており、前記主面の長さと幅との比率が、0.50乃至0.80の範囲または1.30乃至1.75の範囲である
ことを特徴とする圧電トランス素子。A piezoelectric transformer element whose outer shape is a rectangular parallelepiped,
The piezoelectric transformer element is
Of the plurality of outer surfaces forming the outer shape, the outer surface having the largest area is used as a main surface, and at least one pair of primary and secondary regions arranged adjacent to each other by a surface perpendicular to the main surface. Having a partitioned structure;
The primary side region and the secondary side region are:
A plurality of electrodes and piezoelectric layers formed in parallel to the main surface are alternately stacked in a direction perpendicular to the main surface, and among the plurality of piezoelectric layers, a piezoelectric layer in contact with the electrode through the electrodes Have structures that are polarized in opposite directions, driven in a contour spreading vibration mode ,
The primary side region and the secondary side region further include
Of the length direction and the width direction of the main surface, one set is adjacently arranged in the length direction, and the ratio between the length and the width of the main surface is 0.50 to 0.80. A piezoelectric transformer element characterized by being in the range of 1.30 to 1.75 .
前記圧電トランス素子は、
略円柱形状の前記外形形状の底面と垂直な面により、少なくとも1組以上の隣接配置された1次側領域と2次側領域とに区画された構造を有し、
前記1次側領域及び2次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されされると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする圧電トランス素子。A piezoelectric transformer element having a substantially cylindrical outer shape,
The piezoelectric transformer element is
A structure that is partitioned into at least one or more adjacent primary side regions and secondary side regions by a plane perpendicular to the bottom surface of the substantially cylindrical outer shape;
The primary side region and the secondary side region are:
Electrodes and piezoelectric layers formed in parallel to the bottom surface are alternately stacked in a direction perpendicular to the bottom surface, and among the plurality of piezoelectric layers, the piezoelectric layers in contact with each other through the electrodes are mutually A piezoelectric transformer element having a structure polarized in the reverse direction and driven in a radially expanding vibration mode.
前記圧電トランス素子は、
略円柱形状の前記外形形状の底面の中心を通り、該底面と垂直な2つ以上の面により区画されてなる複数の領域内に複数の1次側領域と複数の2次側領域を有すると共に、それら1次側領域及び2次側領域は、前記底面の中心を対称として、対向する2つの領域が同一種の領域になるように隣接配置された構造を有し、
前記1次側領域及び2次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする圧電トランス素子。A piezoelectric transformer element having a substantially cylindrical outer shape,
The piezoelectric transformer element is
And having a plurality of primary regions and a plurality of secondary regions in a plurality of regions that pass through the center of the bottom surface of the substantially cylindrical outer shape and are partitioned by two or more surfaces perpendicular to the bottom surface. The primary side region and the secondary side region have a structure in which the centers of the bottom surfaces are symmetrical and are adjacently arranged so that two opposing regions are the same type of region,
The primary side region and the secondary side region are:
Electrodes and piezoelectric layers formed in parallel to the bottom surface are alternately stacked in a direction perpendicular to the bottom surface, and among the plurality of piezoelectric layers, the piezoelectric layers in contact with the electrodes are opposite to each other. A piezoelectric transformer element having a structure polarized in a direction and driven in a radially expanded vibration mode.
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