JP4309152B2 - Piezoelectric transformer element - Google Patents

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【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 Patent Document 1, a piezoelectric body is also used at the boundary between the primary side region and the secondary side region. For this reason, although DC insulation is sufficiently obtained, the primary side region and the secondary side region are stacked in the stacking direction of the piezoelectric layer and the internal electrode, and the primary side and the secondary side Due to the opposing internal electrode surfaces in the region, the capacitance between the primary side region and the secondary side region is large, and the impedance is small. For this reason, it is not easy to obtain alternating insulation.
[0006]
Moreover, since the piezoelectric transformer element according to Patent Document 2 is a vibration mode that resonates in the length direction of the element, the electrical coupling coefficient is small and the conversion efficiency is low.
[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 piezoelectric transformer element 1 according to the first embodiment (in the case of L19.8w14). FIG. 1 (a) is a front view of the piezoelectric transformer element 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the element 1 along AA ′.
[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 piezoelectric transformer element 1 having a rectangular parallelepiped (that is, parallelepiped, rectangular parallelepiped) shape, The external surface shown in FIG. 1 (a) or the external surface facing the external surface is shown, and in the AA ′ sectional view shown in FIG. 1 (b), the external surface corresponding to the two opposing sides on the upper side and the lower side It is.
[0013]
Further, the “end face” is an outer face corresponding to two opposing sides on the left side and the right side of the piezoelectric transformer element 1 shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
[0014]
The “side surface” is an outer surface corresponding to two opposing sides on the upper and lower sides of the piezoelectric transformer element 1 shown in FIG.
[0015]
The “length direction” represents the horizontal direction of the piezoelectric transformer element 1 having the full length L shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
[0016]
The “width direction” represents the vertical direction of the piezoelectric transformer element 1 having the full width W shown in FIG.
[0017]
The “thickness direction (height direction)” represents the vertical direction of the piezoelectric transformer element 1 having the thickness (height) H shown in FIG.
[0018]
In the present embodiment, the main surface of the piezoelectric transformer element 1 has dimensions with a total length L of 19.8 mm and a total width W of 14 mm. The dimensions in this case are expressed as L19.8w14 (the same applies to the following description). To express).
[0019]
The piezoelectric transformer element 1 is electrically connected to an input electrode (not shown) for applying an input voltage, and a primary side in which interlayer electrodes 11 and 12 are formed as a plurality of first interlayer electrodes between piezoelectric layers. And a secondary region in which interlayer electrodes 31 and 32 are formed as a plurality of second interlayer electrodes between the piezoelectric material layers and electrically connected to an output electrode (not shown) for extracting an output voltage. Have.
[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 interlayer electrodes 11 and 12 in the primary region is the number of interlayer electrodes 31 and 32 in the secondary region. Fewer. In other words, the interelectrode distance of the interlayer electrode (11-12) in the primary side region is larger than the interelectrode distance of the interlayer electrode (31-32) in the secondary side region.
[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 piezoelectric transformer element 1, a general material can be used for the piezoelectric body and the interlayer electrode. For example, a lead-based lead zirconate titanate or the like is used for the piezoelectric body. A perovskite piezoelectric material can be employed, and Ag, Ag / Pd alloy, or the like can be employed for the interlayer electrode.
[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 piezoelectric transformer element 2 according to the first embodiment (in the case of L9.8w14). FIG. 2A is a front view of the piezoelectric transformer element 2, and FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the element 1, and is different from the piezoelectric transformer element 1 described above only in the ratio of the length L to the width W, and the structure of the element is the same.
[0026]
Here, the piezoelectric transformer elements 1 and 2 shown in FIG. 1 and FIG. 2 represent the case where the shape dimension is L19.8w14 and the case of L9.8w14, and the optimum results obtained as a result of the applicant's experiment are shown. Before reaching the ratio of the length L and the width W, for convenience of explanation, here, first, the main surface is a square (that is, the length L and the width W). In the case of a piezoelectric transformer element whose main surface is a square, the ratio of the length and width of the element is appropriately set as a means for solving the problem. The process until the determination of the correct value (range) will be described in order.
[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 piezoelectric transformer element 1 according to the first embodiment. In the figure, the vertical axis represents the step-up ratio (transformation ratio). : Step-up Ratio), the horizontal axis indicates the frequency (kHz), and the piezoelectric transformer element 1 according to the present embodiment describes a step-down transformer that is a preferred application example of the present invention. In the vertical axis shown in FIG.
[0031]
FIG. 4 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the piezoelectric transformer element 1 according to the first embodiment. In the figure, the vertical axis represents the vertical axis. Efficiency (%), the horizontal axis indicates frequency (kHz).
[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 piezoelectric transformer element 1, the frequency characteristic curve VI (L18) in the frequency characteristic curves (I to VI) shown in FIGS. In the case of .2w14 (1.3: 1)), the conversion efficiency is extremely reduced near the frequency that shows the maximum step-up ratio, the occurrence of spurious vibrations has been confirmed, and the frequency characteristic curve I (L24.5w14) In the case of (1.75: 1)), it can be seen that the conversion efficiency is also extremely reduced in the vicinity of the frequency on the high frequency side, which is approximately 1/3 of the maximum step-up ratio, and the occurrence of spurious vibration has been confirmed. In contrast, the frequency characteristic curve V (in the case of L19.8w14 (1.4: 1)) shows that spurious vibration is not generated.
[0035]
Therefore, from the above viewpoint, by setting the ratio of the length and width of the piezoelectric transformer element 1 in the range of 1.3 to 1.75, a piezoelectric transformer element suitable for an AC / DC converter, for example, can be realized.
[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 piezoelectric transformer element 2 according to the first embodiment. In FIG. Step-up Ratio), the horizontal axis indicates the frequency (kHz), and the piezoelectric transformer element 1 according to this embodiment describes a step-down transformer that is a preferred application example of the present invention. In the vertical axis shown in the figure, the value of the step-up ratio is 1 or less.
[0037]
FIG. 6 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the piezoelectric transformer element 2 according to the first embodiment. In the figure, the vertical axis represents the vertical axis. Efficiency (%), the horizontal axis indicates frequency (kHz).
[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 piezoelectric transformer element 2, the frequency characteristic curve II (L11) in the frequency characteristic curves (I to VIII) shown in FIG. 5 and FIG. In the case of .2w14 (0.80: 1), the conversion efficiency is extremely reduced near the frequency that shows the maximum step-up ratio, spurious vibration is confirmed, and the frequency characteristic curve VIII (L7.0w14 (0.50)) In the case of 1)), the conversion efficiency is extremely decreased near the high frequency side of the maximum step-up ratio, spurious vibrations are generated, and the conversion efficiency is low as a whole. In contrast, the frequency characteristic curve IV (in the case of L9.8w14 (0.7: 1)) shows that spurious vibrations are not generated.
[0040]
Therefore, from the above viewpoint, by setting the ratio of the length and width of the piezoelectric transformer element 2 in the range of 0.50 to 0.80, a piezoelectric transformer element suitable for an AC / DC converter, for example, can be realized.
[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 piezoelectric transformer elements 1 and 2 are laminated in the thickness direction as shown in FIGS. 1B and 2B. And has an interlayer connection structure that is connected every other layer by an interlayer connection conductor (not shown) formed inside or outside the primary side region or the secondary side region.
[0042]
That is, in the secondary region of the piezoelectric transformer elements 1 and 2, the interlayer electrodes 31 and 32 are further layered by at least one set of interlayer connection conductors (not shown) formed inside or outside the secondary region. By being connected every other time, a plurality of interlayer electrodes 31 are connected to one interlayer connection conductor, and a plurality of interlayer electrodes 32 are connected to the other interlayer connection conductor.
[0043]
Further, in the primary region of the piezoelectric transformer elements 1 and 2, the interlayer electrodes 11 and 12 are at least one pair of interlayer connection conductors (not shown), like the interlayer electrodes 31 and 32 on the secondary region side. 1), the interlayer connection structure connected every other layer is adopted. However, in the primary region of the piezoelectric transformer elements 1 and 2 shown in FIGS. 1 and 2, as an example, two interlayer electrodes 11 and one In this case, two interlayer electrodes 11 are connected to one interlayer connection conductor, and one interlayer electrode 12 is connected to the other interlayer connection conductor. It becomes the structure made.
[0044]
<Structure of input electrode and output electrode>
In this embodiment, when the above-described interlayer connection conductor is formed inside the piezoelectric transformer elements 1 and 2, at least an input electrode for applying an input voltage and an output electrode for extracting an output voltage are included. Either one is formed outside the element in a state of being electrically connected to the interlayer connection conductor.
[0045]
When the interlayer connection conductor is formed outside the element in at least one of the primary and secondary regions of the piezoelectric transformer elements 1 and 2, the interlayer connection conductor itself is connected to the input voltage. May be used as an input electrode for applying voltage or an output electrode for extracting output voltage.
[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 interlayer electrode 11 and the secondary side that are stacked in the primary region of the piezoelectric transformer elements 1 and 2 are stacked. In the interlayer electrode 31 laminated in a plurality of regions, the structure in which the uppermost and lowermost electrodes are respectively exposed on the upper and lower main surfaces has been described as an example. However, the piezoelectric transformer element according to the present invention is limited to such a structure. In the primary side and secondary side regions, at least one of the uppermost and lowermost interlayer electrodes is embedded in the element and not exposed on the main surface. You can also
[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 piezoelectric transformer elements 1 and 2 toward the element inner side. Such a piezoelectric transformer element is not limited to such a structure, and satisfies the AC insulation state in which the interlayer electrode 11-12 in the primary side region and the interlayer electrode 31-32 in the secondary side region are required. As long as the structure is physically separated with a gap length, a structure exposed on at least one of the end surface and the side surface of the primary side and the secondary side region may be employed.
[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 piezoelectric transformer elements 1 and 2 according to this embodiment, since the primary side region and the secondary side region are adjacent to each other in the length direction of the element, the interlayer electrodes 11 and 12 in the primary side region, Since the interlayer electrodes 31 and 32 in the secondary region do not face each other as a surface, the capacitance between the primary region and the secondary region is small (capacitive coupling state can be reduced), Since the impedance increases, AC insulation can be obtained, and excellent conversion efficiency is exhibited by driving in the contour spreading vibration mode.
[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 piezoelectric transformer elements 1 and 2 according to the present embodiment, the interlayer electrodes 11 and 12 in the primary side region and the interlayer electrodes 31 and 32 in the secondary side region are described in Patent Document 1. Unlike the structure facing in the thickness direction of the element as described above, since the structure is adjacent in the element length (L) direction, the distance between the internal electrodes is within the range allowed by the required external dimensions. By determining (gap length) as appropriate during design (that is, ensuring the maximum separation distance within the required specification range), it is easy to further ensure the above-mentioned AC insulation characteristics. .
[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 piezoelectric transformer element 3 according to the second embodiment. FIG. 7A is a front view of the piezoelectric transformer element 3, and FIG. 'Cross-sectional view, FIG. 5C is a cross-sectional view along the line DD' of the element 3.
[0054]
As shown in the figure, the piezoelectric transformer element 3 includes two or more outer surfaces having an outer shape, the outer surface having the largest area as a main surface, passing through the center of the main surface and perpendicular to the main surface. In a plurality of regions defined by an even number of surfaces (here, "even number of surfaces" is for convenience of explanation and does not actually exist inside the element) While having a plurality of primary side regions and a plurality of secondary side regions, these two primary side regions and secondary side regions are symmetrical with respect to the center of the main surface, and the two opposing regions are the same type of region. Thus, it has the structure arranged adjacently.
[0055]
In the piezoelectric transformer element 3, each primary region is electrically connected to an input electrode (not shown) for applying an input voltage, and a plurality of first interlayer electrodes are provided between the piezoelectric layers. Electrodes 13 and 14 are formed, and each secondary side region is electrically connected to an output electrode (not shown) for extracting an output voltage, and a plurality of second interlayer electrodes are provided between the piezoelectric layers. Interlayer electrodes 33 and 34 are formed.
[0056]
Here, the laminated structure of the interlayer electrodes and the interlayer connection structure of the piezoelectric transformer element 3 and the structure of the input electrode and the output electrode itself can adopt the same structure as in the first embodiment.
[0057]
The piezoelectric transformer element 3 having the above structure is also driven in the contour spreading vibration mode (preferably the basic mode of the contour spreading vibration mode) in this embodiment. The experimental results regarding the frequency characteristics in this case will be described.
[0058]
FIG. 9 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in the piezoelectric transformer element 3 according to the second embodiment. In the figure, the vertical axis represents the step-up ratio, and the horizontal axis represents the frequency. In the piezoelectric transformer element 3 according to this embodiment, a step-down transformer that is a preferred application example of the present invention has been described. Therefore, on the vertical axis shown in FIG. 1 or less.
[0059]
FIG. 10 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in the piezoelectric transformer element 3 according to the second embodiment. In the figure, the vertical axis represents efficiency (%), and the horizontal axis represents frequency (kHz). ).
[0060]
As can be seen from the frequency characteristic curve I shown in FIGS. 9 and 10, in the piezoelectric transformer element 3 according to the present embodiment, the main surface is square, and the primary region and the secondary region are point-symmetric in the main surface direction. It can be seen that the occurrence of spurious vibrations is suppressed in a wide range from the frequency indicating the maximum boost ratio to the high frequency side.
[0061]
Therefore, the present embodiment also realizes a piezoelectric transformer element excellent in AC insulation and conversion efficiency.
[0062]
That is, in the piezoelectric transformer element 3 according to the present embodiment, since each primary side region and the secondary side region are adjacent to each other in the length direction and the width direction of the element, the interlayer electrodes 13 and 14 in the primary side region. Since the interlayer electrodes 33 and 34 in the secondary region do not face each other as a surface, the capacitance between the primary region and the secondary region is small (capacitive coupling state can be reduced). Since the impedance increases, AC insulation can be obtained, and excellent conversion efficiency is exhibited by driving in the contour spreading vibration mode.
[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 piezoelectric transformer element 4 according to a modification of the second embodiment. FIG. 8A is a front view of the piezoelectric transformer element 4, and FIG. EE 'sectional drawing and the figure (c) are FF' sectional views of the element 4 concerned.
[0066]
The main surface shape of the element is also a square in this modification, but the piezoelectric transformer element 4 forms a triangle when viewed from the main surface in four regions defined by two diagonal lines on the main surface. The secondary side region and the secondary side region have a structure in which the two diagonal lines are symmetric with respect to each other so that two opposing regions are the same type of region.
[0067]
In the piezoelectric transformer element 4, each primary region is electrically connected to an input electrode (not shown) for applying an input voltage, and a plurality of first interlayer electrodes are provided between the piezoelectric layers. Electrodes (15-16 or 17-18) are formed, and each secondary region is electrically connected to an output electrode (not shown) for extracting an output voltage, and between the layers of the piezoelectric body. Interlayer electrodes (35-36 or 37-38) are formed as a plurality of second interlayer electrodes, and also in this modified example, it is driven in the contour spreading vibration mode.
[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 piezoelectric transformer element 5 according to the third embodiment. FIG. 11A is a front view of the piezoelectric transformer element 5, and FIG. 'Cross section.
[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) piezoelectric transformer element 5. In FIG. 11 (b), the GG ′ cross-sectional view showing the surface is an outer surface corresponding to two opposite sides on the upper side and the lower side, and includes a case of a substantially perfect circle with a radius R and a case of an ellipse. .
[0072]
The “thickness direction (height direction)” represents the vertical direction of the piezoelectric transformer element 5 having a thickness (height) H shown in FIG.
[0073]
The piezoelectric transformer element 5 is electrically connected to an input electrode (not shown) for applying an input voltage, and a primary side in which interlayer electrodes 19 and 20 are formed as a plurality of first interlayer electrodes between layers of a piezoelectric body. And a secondary region in which interlayer electrodes 39 and 40 are formed as a plurality of second interlayer electrodes between the piezoelectric material layers and electrically connected to an output electrode (not shown) for extracting an output voltage. Have.
[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 interlayer electrodes 19 and 20 in the primary region is the number of interlayer electrodes 39 and 40 in the secondary region. Less than the number. In other words, the inter-electrode distance of the interlayer electrode (19-20) in the primary side region is larger than the inter-electrode distance of the interlayer electrode (39-40) in the secondary side region.
[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 piezoelectric transformer element 5 and the input electrodes. The output electrode structure itself can adopt the same structure as that of the first embodiment.
[0077]
In the present embodiment, the piezoelectric transformer element 5 having such a structure is driven in a radially expanded vibration mode (preferably a fundamental mode of the radially expanded vibration mode). However, since the piezoelectric transformer element 5 having a set of primary side and secondary side regions obtained by dividing the bottom surface into two parts is driven in a radially expanding vibration mode, a sub-resonance (spurious resonance) may occur. The piezoelectric transformer element 6 having two sets of primary side and secondary side regions will be described together as an example in the case of equally dividing by a multiple of.
[0078]
12 is a diagram showing the structure of the piezoelectric transformer element 6 according to the third embodiment. FIG. 12A is a front view of the piezoelectric transformer element 6, and FIG. FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line II ′ of the element 6.
[0079]
The piezoelectric transformer element 6 shown in the figure passes through the center P of the bottom surface of a substantially cylindrical outer shape, and two or more even numbers of surfaces (here, “even number of surfaces”) perpendicular to the bottom surface are: For convenience of explanation, a plurality of primary regions and a plurality of secondary regions (in this case, two regions) are divided into a plurality of regions divided by the elements that do not actually exist inside the element. The primary side region and the secondary side region have a structure in which the center P of the bottom surface is symmetric and adjacent two regions are arranged so as to be the same type of region.
[0080]
In the piezoelectric transformer element 6, each primary region is electrically connected to an input electrode (not shown) for applying an input voltage, and a plurality of first interlayer electrodes are provided between the piezoelectric layers. Electrodes (21-22 or 23-24) are formed, and each secondary region is electrically connected to an output electrode (not shown) for extracting an output voltage, and between the layers of the piezoelectric body. Interlayer electrodes (41-42 or 43-44) are formed as a plurality of second interlayer electrodes, and are driven in a radially expanded vibration mode (preferably the fundamental mode of the radially expanded vibration mode).
[0081]
FIG. 13 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in the piezoelectric transformer elements 5 and 6 according to the third embodiment. In the figure, the vertical axis represents the step-up ratio, and the horizontal axis. Indicates a frequency (kHz), and the piezoelectric transformer elements 5 and 6 according to the present embodiment are described with reference to a step-down transformer that is a preferred application example of the present invention. The value of the ratio is 1 or less.
[0082]
FIG. 14 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in the piezoelectric transformer elements 5 and 6 according to the third embodiment. In the figure, the vertical axis represents efficiency (%), and the horizontal axis represents frequency. (KHz).
[0083]
As can be seen from the frequency characteristic curve I (in the case of the piezoelectric transformer element 5 shown in FIG. 11) and the frequency characteristic curve II (in the case of the piezoelectric transformer element 6 shown in FIG. 12) shown in FIGS. In addition, when the characteristics of the piezoelectric transformer elements 5 and 6 according to the present embodiment are compared, in the frequency characteristic curve I, the conversion efficiency is extremely reduced near the frequency indicating the maximum step-up ratio, and spurious vibration is generated. However, in the frequency characteristic curve II, it can be seen that the occurrence of spurious vibrations is suppressed by arranging a plurality of primary regions and secondary regions with the center P of the bottom surface symmetrical.
[0084]
Therefore, the present embodiment also realizes a piezoelectric transformer element excellent in AC insulation and conversion efficiency.
[0085]
That is, in the piezoelectric transformer elements 5 and 6 according to the present embodiment, each primary side region and the secondary side region are adjacent to each other in the direction parallel to the bottom surface of the element. −24) and the interlayer electrode (41-44) in the secondary side region do not face each other, the capacitance between the primary side region and the secondary side region is small (capacitive coupling state). Since the impedance is increased, alternating current insulation can be obtained, and excellent conversion efficiency can be achieved by driving in the radially expanded vibration mode.
[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 piezoelectric transformer element 7 according to a modification of the third embodiment. FIG. 15A is a front view of the piezoelectric transformer element 7 and FIG. 7 is a sectional view taken along line JJ ′ of FIG.
[0088]
Also in this modification, the bottom shape of the element is a circle having a radius R. However, in the piezoelectric transformer element 7, as shown in FIG. 15, a primary region formed beyond the center P of the bottom surface and a crescent moon shape are formed. The secondary side region is adjacently disposed.
[0089]
In the piezoelectric transformer element 7, the primary side region is electrically connected to an input electrode (not shown) for applying an input voltage, and the interlayer electrode 25 serves as a plurality of first interlayer electrodes between the layers of the piezoelectric body. 26 are formed in the secondary region, and are electrically connected to an output electrode (not shown) for extracting an output voltage, and an interlayer electrode 45 serving as a plurality of second interlayer electrodes between the layers of the piezoelectric body. , 46 are formed, and also in this modified example, it is driven in a radially expanding vibration mode.
[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 piezoelectric transformer element 8 according to the fourth embodiment. FIG. 16A is a front view of the piezoelectric transformer element 8, and FIG. -K 'sectional view and FIG. 6C are LL' sectional views of the element 8.
[0094]
In the piezoelectric transformer element 8 shown in the figure, the shape of the two pairs of primary and secondary region interlayer electrodes in the piezoelectric transformer element 4 (FIG. 8) is not the same as the partitioned shape. The device 6 (FIG. 12) has a structure formed in the shape of interlayer electrodes in the primary and secondary regions that form a sector.
[0095]
Also with the piezoelectric transformer element 8 having such a structure, it is possible to suppress the occurrence of the sub-resonance (spurious resonance) and realize good conversion efficiency.
[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 piezoelectric transformer elements 1 to 8 described as step-down transformers in each of the above-described embodiments, the primary region is used as the secondary region while the secondary region is used as the primary side. The piezoelectric transformer elements 1 to 8 function as a step-up transformer when used as a region (that is, used with the input / output states reversed).
[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 piezoelectric transformer element 1 according to a first embodiment (in the case of L19.8w14), where FIG. 1A is a front view of the piezoelectric transformer element 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the element 1 along AA ′. FIG.
2A and 2B are diagrams showing the structure of the piezoelectric transformer element 2 according to the first embodiment (in the case of L9.8w14), where FIG. 2A is a front view of the piezoelectric transformer element 2 and FIG. 3 is a sectional view of the element 1 taken along the line BB ′. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic when the ratio of length to width is changed in the piezoelectric transformer element 1 according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the piezoelectric transformer element 1 according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic when the ratio of length to width is changed in the piezoelectric transformer element 2 according to the first embodiment.
6 is a graph showing conversion efficiency-frequency characteristics when the ratio of length to width is changed in the piezoelectric transformer element 2 according to the first embodiment. FIG.
7A and 7B are diagrams showing a structure of a piezoelectric transformer element 3 according to a second embodiment, in which FIG. 7A is a front view of the piezoelectric transformer element 3 and FIG. 'Cross-sectional view, FIG. 5C is a cross-sectional view along the line DD' of the element 3.
8A and 8B are diagrams showing the structure of a piezoelectric transformer element 4 according to a modification of the second embodiment. FIG. 8A is a front view of the piezoelectric transformer element 4, and FIG. EE 'sectional drawing and the figure (c) are FF' sectional views of the element 4 concerned.
FIG. 9 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in the piezoelectric transformer element 3 according to the second embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in the piezoelectric transformer element 3 according to the second embodiment.
11A and 11B are diagrams showing the structure of a piezoelectric transformer element 5 according to a third embodiment. FIG. 11A is a front view of the piezoelectric transformer element 5, and FIG. 'Cross section.
12A and 12B are diagrams showing the structure of a piezoelectric transformer element 6 according to a third embodiment. FIG. 12A is a front view of the piezoelectric transformer element 6, and FIG. 'Cross-sectional view, FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line II' of the element 6.
FIG. 13 is a diagram showing a step-up ratio-frequency characteristic in piezoelectric transformer elements 5 and 6 according to a third embodiment.
14 is a diagram showing conversion efficiency-frequency characteristics in piezoelectric transformer elements 5 and 6 according to a third embodiment. FIG.
15A and 15B are diagrams showing the structure of a piezoelectric transformer element 7 according to a modification of the third embodiment. FIG. 15A is a front view of the piezoelectric transformer element 7, and FIG. It is JJ 'sectional drawing.
16A and 16B are diagrams showing the structure of a piezoelectric transformer element 8 according to a fourth embodiment. FIG. 16A is a front view of the piezoelectric transformer element 8, and FIG. 16B is a KK of the element 8. 'Cross-sectional view, FIG. 5C is a cross-sectional view of the element 8 taken along the line LL'.
[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 piezoelectric transformer elements 5 to 7,
Q: Center point of main surface of piezoelectric transformer element 8

Claims (3)

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 .
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.
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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