JP4356098B2 - 圧電信号変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器を用いることにより入力電気信号を弾性振動に変換し、その弾性振動を再び電気信号に変換して出力する圧電信号変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電信号変換装置の応用例の１つとしてスイッチング電源が挙げられる。スイッチング電源は通信機器や情報機器などの電子機器の電源として広く用いられている。従来のスイッチング電源は入力した直流電源を半導体の高速スイッチング作用を利用することにより高周波電力に変換し、さらに制御、整流して所定の直流を得るものであった。スイッチング電源を小型化するには高周波化技術の促進、各種の部品のダウンサイジング等の必要がある。スイッチング周波数の高周波化はスイッチング用半導体の損失と電磁トランスの損失の増加をもたらすことから、スイッチング電源の小型化は困難であった。スイッチング周波数が１ＭＨｚを越えると、スイッチング用半導体の損失と電磁トランスの損失が著しく増加するので、これ以上の小型化は困難な状況にある。スイッチング用半導体の損失を最少限に抑えるためにはスイッチング回路に発生するスイッチ動作の遅れを共振などの方法により改善する必要がある。電磁トランスの損失を最少限に抑えるためには材料を改善する必要があるが、大幅な改善は困難な状況にあった。
【０００３】
圧電トランスをスイッチング電源の電源回路に応用するために様々な試みが行なわれてきた。従来の圧電トランスとしては圧電磁器による分極変化型圧電トランス、積層圧電磁器による縦振動型圧電トランスなどが主に挙げられる。これら従来の圧電トランスは、材料の弾性的な損失や電気的および弾性的なヒステリシスなどのために大振幅動作が困難であるという問題、電源回路に応用する際、負荷抵抗の小さな場合の電圧比を制御することが難しく、また大電力により破損しやすいという問題、基板の支持方法が難しく、電力増加とともに支持を強固にする必要もあって、素子の損失を増加させる原因になっているという問題等を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチング電源を小型化するには高周波化技術の促進、各種の部品のダウンサイジング等の必要がある。圧電トランスをスイッチング電源の電源回路に応用するために様々な型の圧電トランスが提案されている。しかし従来の圧電トランスでは、素子の支持方法が難しい、圧電トランスの内部損失抵抗が大きい等の問題点を有する。
【０００５】
本発明の目的は、入力電気信号をその電圧とは異なる電圧の電気信号に高効率で変換して出力することができ、しかも互いに異なる電圧を有する電気信号を同時に出力することも可能で、入力用の電極に接続された回路と出力用の電極に接続された回路とを絶縁状態に保つことができ、小型軽量で、幅広い応用が可能で、たとえばスイッチング電源などへの応用も可能な圧電信号変換装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の圧電信号変換装置は、四角柱状の圧電磁器と、１組の入力用デバイスと、少なくとも１組の出力用デバイスから成る圧電信号変換装置であって、
前記圧電磁器の分極軸は前記圧電磁器の両端面に垂直で、
前記１組の入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂から成り、
前記１組の出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒから成り、
前記電極Ｐ₁およびＰ₂は前記圧電磁器の側面Ａに設けられ、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂は前記圧電磁器の側面Ｂ，ＣおよびＤのうちの１つに設けられ、
前記側面ＡおよびＢは互いに平行で、
前記側面ＣおよびＤは互いに平行で、
前記電極Ｐ₁およびＰ₂は、互いに電気的に絶縁されており、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、互いに電気的に絶縁されており、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられており、
前記負荷抵抗Ｒは、前記端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されていて、Ｎ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、前記部分Ｒ_iとＲ_(i+1)の間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられており、
前記圧電磁器、前記電極Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁およびＱ₂から成る複合体は、前記電極Ｐ₁とＰ₂の間に前記圧電磁器の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加されることにより励振されて弾性振動し、
前記圧電磁器の共振周波数は前記複合体の共振周波数とほぼ等しく、
前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記複合体における弾性振動を電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換し、
前記電圧Ｖ_OUTは、前記部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しく、
前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つは１組の出力用端子を形成し、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nの中の少なくとも１組の前記出力用端子は、前記出力用端子に含まれる２つの端子の間の電圧に対応する電気信号を出力する。
【０００７】
請求項２に記載の圧電信号変換装置は、前記電極Ｑ₁およびＱ₂によって電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される前記弾性振動が、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面に垂直な方向に振動する弾性振動で成る。
【０００８】
請求項３に記載の圧電信号変換装置は、前記圧電磁器の前記両端面の形状が正四角形で成る。
【０００９】
請求項４に記載の圧電信号変換装置は、前記側面Ａ上における前記電極Ｐ₁およびＰ₂が、前記分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されており、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上における前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されている。
【００１０】
請求項５に記載の圧電信号変換装置は、前記側面Ａ上における前記電極Ｐ₁およびＰ₂が、前記分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されており、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上における前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電信号変換装置は四角柱状の圧電磁器と、１組の入力用デバイスと、少なくとも１組の出力用デバイスから成る簡単な構造を有する。１組の入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂から成り、１組の出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒから成る。圧電磁器の分極軸はその圧電磁器の両端面に垂直であり、電極Ｐ₁およびＰ₂は圧電磁器の側面Ａに設けられている。電極Ｑ₁およびＱ₂は圧電磁器の側面Ｂ，ＣおよびＤのうちの１つに設けられている。側面ＡおよびＢは互いに平行で、側面ＣおよびＤは互いに平行である。電極Ｐ₁およびＰ₂は互いに電気的に絶縁されており、電極Ｑ₁およびＱ₂は互いに電気的に絶縁されている。電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられている。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されている。圧電磁器、電極Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁およびＱ₂は複合体を形成する。負荷抵抗ＲはＮ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、部分Ｒ_iとＲ_(i+1)との間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられている。もしも、電極Ｐ₁とＰ₂の間に圧電磁器の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加すると、複合体は励振されて弾性振動をする。このとき、圧電磁器の共振周波数は複合体の共振周波数とほぼ等しい。複合体に励振された弾性振動のうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面に垂直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ₁とＱ₂の間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される。このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しくなる。従って、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つの間から、その２つの間の抵抗の大きさに対応した電圧の電気信号を出力することが可能になる。つまり、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つで成る１組の出力用端子を用いることにより、その出力用端子に含まれる２つの端子の間の抵抗の大きさに対応した電圧の電気信号を出力することができ、しかも２組以上の出力用端子から、互いに異なった電気信号を出力することも可能である。たとえば、端子Ｔ₀と端子Ｔ₂の間からは、部分Ｒ₁とＲ₂の合計に等しい抵抗に対応する電圧、つまり、電圧Ｖ₁とＶ₂の合計に等しい電圧を有する電気信号が出力される。また、端子Ｔ₀とＴ₁の間から電圧Ｖ₁を有する電気信号を同時に出力することもでき、端子Ｔ₀とＴ_Nの間から電圧Ｖ_OUTの電気信号を同時に出力することもできる。
【００１２】
本発明の圧電信号変換装置では、圧電磁器の両端面の形状が正四角形で成る構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強され、入力電気信号を効率よく出力電気信号に変換することが可能となる。
【００１３】
本発明の圧電信号変換装置では、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に平行な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に平行な直線によってほぼ２等分された構造が可能である。このような構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強され、入力電気信号を効率よく出力電気信号に変換することが可能となる。
【００１４】
本発明の圧電信号変換装置では、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分された構造が可能である。このような構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強され、入力電気信号を効率よく出力電気信号に変換することが可能となる。
【００１５】
【実施例】
図１は本発明の圧電信号変換装置の一実施例を示す構成図である。本実施例は圧電磁器２、１組の入力用デバイスおよび３組の出力用デバイスから成る。入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂から成る。各出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒから成る。圧電磁器２は縦および横がともに５ｍｍで、高さが６ｍｍの直方体で成る。電極Ｐ₁およびＰ₂は、圧電磁器２の側面Ａに設けられており、互いに電気的に絶縁されている。圧電磁器２の側面Ｂ，ＣおよびＤにはそれぞれ電極Ｑ₁とＱ₂が設けられ、電極Ｑ₁とＱ₂は互いに電気的に絶縁されている。圧電磁器２と、電極Ｐ₁およびＰ₂と、３組の電極Ｑ₁およびＱ₂は複合体１を形成する。図１における複合体１は、それを上方から見たときの平面図として描かれている。また、図１では各電極の厚さは誇張して描かれている。電極Ｐ₁およびＰ₂にはそれぞれ端子Ｚ₁およびＺ₂が設けられている。電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ₃が設けられており、負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ₃の間に接続されている。負荷抵抗Ｒは３個の部分Ｒ₁，Ｒ₂およびＲ₃から成り、部分Ｒ₁とＲ₂の間には端子Ｔ₁が、部分Ｒ₂とＲ₃の間には端子Ｔ₂が設けられている。但し、図１では側面ＢおよびＤに関する端子Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂およびＴ₃と負荷抵抗Ｒは省いて描かれている。
【００１６】
図２は図１の複合体１の斜視図である。上述した通り、圧電磁器２は縦および横がともに５ｍｍで、高さが６ｍｍの直方体で成る。圧電磁器２の共振周波数は約２７７ｋＨｚであり、圧電磁器２の分極軸は、圧電磁器２の互いに平行な２つの端面に垂直、つまり高さ方向に平行である。電極Ｐ₁およびＰ₂は、互いに電気的に絶縁された状態で、圧電磁器２の分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されている。電極Ｑ₁およびＱ₂も、互いに電気的に絶縁された状態で、圧電磁器２の分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されている。
【００１７】
図１の圧電信号変換装置において、もしも電極Ｐ₁とＰ₂の間に圧電磁器２の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加すると、複合体１は励振されて弾性振動をする。この弾性振動は電極Ｑ₁とＱ₂の間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に再び変換される。このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ₁に対応する電圧Ｖ₁と、部分Ｒ₂に対応する電圧Ｖ₂と、部分Ｒ₃に対応する電圧Ｖ₃の合計と等しくなる（Ｖ_OUT＝Ｖ₁＋Ｖ₂＋Ｖ₃）。従って、端子Ｔ₀とＴ₃の間から電圧Ｖ_OUTの電気信号、端子Ｔ₁とＴ₃の間から電圧（Ｖ₂＋Ｖ₃）の電気信号、または端子Ｔ₂とＴ₃の間から電圧Ｖ₃の電気信号を出力することが可能となる。このようにして、本発明の圧電信号変換装置は変圧機能を有する。
【００１８】
図１の圧電信号変換装置では３組の出力用デバイスが用いられたが、その３組の出力用デバイスのうち１組または２組のみを使用することも可能である。このようにして、用途に応じて数種類の電圧を有する電気信号を同時に出力することが可能である。
【００１９】
図３は図１の圧電信号変換装置における負荷抵抗Ｒの大きさと、変圧比（Ｖ_OUT／Ｖ_IN）との関係の一実施例を示す特性図である。但し、図３は入力電圧Ｖ_INが１２Ｖの場合の特性を示す。負荷抵抗Ｒの値を調整することにより、出力電圧Ｖ_OUTを降圧または昇圧させることが可能であることが分かる。
【００２０】
図４は図１の複合体１の替わりに用いられる複合体３の斜視図である。複合体３は圧電磁器２と、電極Ｐ₁およびＰ₂と、３組の電極Ｑ₁およびＱ₂から成り、各電極の配置が複合体１とは異なる。すなわち、電極Ｐ₁およびＰ₂は、互いに電気的に絶縁された状態で、圧電磁器２の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されている。電極Ｑ₁およびＱ₂も、互いに電気的に絶縁された状態で、圧電磁器２の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されている。このような複合体３は、複合体１と同様な機能を有する。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の圧電信号変換装置は圧電磁器と、１組の入力用デバイスと、少なくとも１組の出力用デバイスから成る。１組の入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂から成り、１組の出力用デバイスは電極Ｑ₁，Ｑ₂および負荷抵抗Ｒから成る。圧電磁器の分極軸はその圧電磁器の両端面に垂直である。電極Ｐ₁およびＰ₂は圧電磁器の側面Ａに設けられている。電極Ｑ₁およびＱ₂は圧電磁器の側面Ｂ，ＣおよびＤのうちの１つに設けられている。電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられている。負荷抵抗Ｒは端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されている。圧電磁器、電極Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁およびＱ₂は複合体を形成する。負荷抵抗ＲはＮ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、部分Ｒ_iとＲ_(i+1)との間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられている。もしも、電極Ｐ₁とＰ₂の間に電圧Ｖ_INの電気信号を印加すると、複合体は励振されて弾性振動をする。この弾性振動のうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面に垂直な方向に振動する弾性振動が、電極Ｑ₁とＱ₂の間で電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される。このとき、電圧Ｖ_OUTは部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しくなる。従って、端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つの間から、その２つの間の抵抗の大きさに対応した電圧の電気信号を出力することが可能になる。たとえば、端子Ｔ₀と端子Ｔ₂の間からは、電圧Ｖ₁とＶ₂の合計に等しい電圧を有する電気信号が出力される。
【００２２】
本発明の圧電信号変換装置では、圧電磁器の両端面の形状が正四角形で成る構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強され、入力電気信号が効率よく出力電気信号に変換される。
【００２３】
本発明の圧電信号変換装置では、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に平行な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に平行な直線によってほぼ２等分された構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強され、入力電気信号を効率よく出力電気信号に変換することが可能となる。また、側面Ａ上における電極Ｐ₁およびＰ₂が圧電磁器の分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分され、電極Ｑ₁およびＱ₂もまた電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上において分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分された構造を採用することにより、複合体の結合振動が増強され、入力電気信号を効率よく出力電気信号に変換することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電信号変換装置の一実施例を示す構成図。
【図２】図１の複合体１の斜視図。
【図３】図１の圧電信号変換装置における負荷抵抗Ｒの大きさと、変圧比（Ｖ_OUT／Ｖ_IN）との関係の一実施例を示す特性図。
【図４】図１の複合体１の替わりに用いられる複合体３の斜視図。
【符号の説明】
１ 複合体
２ 圧電磁器
３ 複合体
Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁，Ｑ₂ 電極
Ｒ 負荷抵抗
Ｚ₁，Ｚ₂，Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃ 端子

Claims (5)

1. 四角柱状の圧電磁器と、１組の入力用デバイスと、少なくとも１組の出力用デバイスから成る圧電信号変換装置であって、
   前記圧電磁器の分極軸は前記圧電磁器の両端面に垂直で、
   前記１組の入力用デバイスは電極Ｐ₁およびＰ₂から成り、
   前記１組の出力用デバイスは電極Ｑ₁およびＱ₂と、負荷抵抗Ｒから成り、
   前記電極Ｐ₁およびＰ₂は前記圧電磁器の側面Ａに設けられ、
   前記電極Ｑ₁およびＱ₂は前記圧電磁器の側面Ｂ，ＣおよびＤのうちの１つに設けられ、
   前記側面ＡおよびＢは互いに平行で、
   前記側面ＣおよびＤは互いに平行で、
   前記電極Ｐ₁およびＰ₂は、互いに電気的に絶縁されており、
   前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、互いに電気的に絶縁されており、
   前記電極Ｑ₁およびＱ₂にはそれぞれ端子Ｔ₀およびＴ_Nが設けられており、
   前記負荷抵抗Ｒは、前記端子Ｔ₀とＴ_Nの間に接続されていて、Ｎ個の部分Ｒ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）から成り、前記部分Ｒ_iとＲ_(i+1)の間には端子Ｔ_i｛ｉ＝１，２，……（Ｎ−１）｝が設けられており、
   前記圧電磁器、前記電極Ｐ₁，Ｐ₂，Ｑ₁およびＱ₂から成る複合体は、前記電極Ｐ₁とＰ₂の間に前記圧電磁器の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧Ｖ_INを印加されることにより励振されて弾性振動し、
   前記圧電磁器の共振周波数は前記複合体の共振周波数とほぼ等しく、
   前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記複合体における弾性振動を電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換し、
   前記電圧Ｖ_OUTは、前記部分Ｒ_iに対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，２，……Ｎ）の合計と等しく、
   前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nのうちのどれか２つは１組の出力用端子を形成し、 前記端子Ｔ₀，Ｔ_iおよびＴ_Nの中の少なくとも１組の前記出力用端子は、前記出力用端子に含まれる２つの端子の間の電圧に対応する電気信号を出力する圧電信号変換装置。
2. 前記電極Ｑ₁およびＱ₂によって電圧Ｖ_OUTの電気信号に変換される前記弾性振動は、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面に垂直な方向に振動する弾性振動で成る請求項１に記載の圧電信号変換装置。
3. 前記圧電磁器は、前記圧電磁器の前記両端面の形状が正四角形で成る請求項１または２に記載の圧電信号変換装置。
4. 前記側面Ａ上における前記電極Ｐ₁およびＰ₂は、前記分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されており、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上における前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記分極軸に平行な直線によってほぼ２等分されている請求項１，２または３に記載の圧電信号変換装置。
5. 前記側面Ａ上における前記電極Ｐ₁およびＰ₂は、前記分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されており、前記側面Ｂ，ＣおよびＤのうち前記電極Ｑ₁およびＱ₂が設けられた側面上における前記電極Ｑ₁およびＱ₂は、前記分極軸に垂直な直線によってほぼ２等分されている請求項１，２または３に記載の圧電信号変換装置。

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