JP4831859B2

JP4831859B2 - Piezoelectric transformer

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Publication number: JP4831859B2
Application number: JP2000332652A
Authority: JP
Inventors: 春美林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2002141572A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電トランスに関し、特に、各種電子機器に用いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ、およびノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディスプレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ等に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、電子機器の小型化に関し、電源回路の小型化は重要な課題の一つであり、電源回路内の高周波化による小型化が図られている。
【０００３】
従来のスイッチング電源では、変圧器として電磁誘導を原理とする電磁トランスを用いるが、高周波下での電磁トランスは、ヒステリシス損、渦電流損および表皮効果による損失が増大するという問題があった。
【０００４】
さらに、電磁トランス自身の小型化、薄型化は、巻線の極細線多数巻による銅損、磁気結合の低下および漏れ磁束の増加を招き、いずれも電源回路の効率を大きく下げる原因となっていた。さらにまた、巻線による電磁ノイズの発生などの問題があった。
【０００５】
一方、圧電トランスは圧電効果を原理とし、電磁トランスと比べて、小型化してもエネルギー密度が高く、かつ巻線を用いないため電磁ノイズが少ないなどの長所がある。
【０００６】
図１２に、従来のローゼン型圧電トランスを示す。このローゼン型圧電トランスは、長板状圧電基板１の長手方向のほぼ半分を１次側とし、厚み方向に電極２、３が形成され、長手方向の残るほぼ半分を２次側とし、端面に電極４が形成されて構成されている。１次側は厚み方向に分極され、２次側は長手方向に分極されている。圧電トランスの１次側は圧電基板１の制動容量が大きいため低インピーダンスであり、２次側は制動容量が小さいため高インピーダンスである。
【０００７】
そして、２次側の電極４と１次側の電極２（あるいは３）に負荷抵抗を接続し、圧電トランスの１次側の電極２、３間に、圧電基板１の長さで決まる圧電トランスの共振周波数あるいはその近傍の周波数の交流電圧を印加すると、逆圧電効果により長さ方向に強い機械的振動を励起し、これにより電極４に圧電効果によって電荷が発生し、２次側の電極４と１次側の電極２（あるいは３）間に電圧が得られる。
【０００８】
このローゼン型圧電トランスは、２次側の制動容量にもよるが、一般に使用される範囲として、負荷抵抗が１０ＫΩ以上の高インピーダンスであれば、昇圧用の圧電トランスとして、一方、負荷が１０ＫΩ未満の低インピーダンスであれば降圧用の圧電トランスとして動作する。
【０００９】
一方、負荷抵抗を１次側の電極２、３間に接続し、圧電トランスの２次側の電極４を入力とし、電極４と電極２（あるいは３）に共振周波数あるいはその近傍の周波数の交流電圧を印加すると、負荷抵抗が高インピーダンスであれば昇圧用の圧電トランスとして、低インピーダンスであれば降圧用の圧電トランスとして動作する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ローゼン型圧電トランスにおいて、１次側を入力とし、２次側を出力とした場合、２次側の電極４の面積が狭いため、電極４に表れる電荷量が少なく、高出力電流を得ることは困難であった。
【００１１】
また電極４と電極２（あるいは３）との距離が長いため、圧電トランスの出力側の容量が小さく、出力インピーダンスが高い。そのため、負荷を接続した場合、高出力電力が得られる負荷はおのずと高いものに制限されてしまうという問題があった。
【００１２】
即ち、例えば、ノートパソコン等の電子機器に用いられるアダプタ用電源の場合、負荷が低インピーダンスのため、従来のローゼン型圧電トランスでは高出力電力を得ることができず、アダプタ用電源として用いることができないという問題があった。
【００１３】
一方、上記圧電トランスにおいて、２次側を入力とし、１次側を出力とすると、出力側電極面積は広くなるが、電極４と電極２（あるいは３）との距離が長いため、入力インピーダンスが高くなり、圧電トランス入力部での損失が大きく、高出力電力を得ることができない。また、入力インピーダンスを下げるため電極４の面積を広げると、圧電トランス自体が大型化してしまい、圧電トランスの持つ小型という利点を損なうという問題があった。
【００１４】
さらに、上記従来のローゼン型圧電トランスでは、電極４を持つため、単一の磁器からなる圧電基板１を長手方向と厚み方向の異なる２方向に分極する必要があり、そのため、分極方向が異なる界面付近で分極に伴う大きな応力が発生し、使用中に圧電基板１が損傷したり破壊するなど信頼性が低いという問題があった。
【００１５】
また、単一の磁器に方向が異なる２種類の分極を施す必要があるため、製造が困難であるという問題があった。さらに、圧電基板１の長手方向の分極作業は高電圧を印加する必要があるため、作製時のトランス破壊および作製時における作業の危険性が増大するという問題があった。
【００１６】
本発明は、低負荷時に高出力電力が得られ、かつ大出力電流を高効率で取り出すことができるとともに、小型化を達成できる圧電トランスを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電トランスは、両主面が長方形状の圧電基板の長さ方向に、電圧入力部、電圧出力部を交互に順次形成し、前記電圧入力部および前記電圧出力部における前記圧電基板内に、それぞれ２以上の入力部用内部電極層および出力部用内部電極層を厚み方向に所定間隔を置いて設けられているとともに、前記電圧入力部および前記電圧出力部における前記圧電基板の両主面に、それぞれ入力部用第２外部電極、出力部用第２外部電極が設けられており、前記入力部用第２外部電極と、該入力部用第２外部電極に最も近接して配置された前記入力部用内部電極層とが同電位になるように接続されており、前記出力部用第２外部電極と、該出力部用第２外部電極に最も近接して配置された前記出力部用内部電極層とが同電位になるように接続されており、前記電圧入力部に、振動に寄与する圧電体層が２層以上形成され、且つ前記圧電基板の主面の幅方向に対して基本波モードで縦振動するものである。
【００１８】
このような構成を採用することにより、内部電極層間の圧電体層が厚み方向に分極され、内部電極層を介して隣設する圧電体層の分極方向が逆であり、主面の幅方向に対して基本波モードで縦振動させることにより、電圧入力部の圧電体層に、圧電基板の主面の幅方向に対して縦振動する振動（以下、幅方向縦振動ということもある）が生じ、例えば基本波の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を入力すれば、電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって圧電基板の電圧入力部に幅方向縦振動の基本波が励振され、再び電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって、中央の電圧出力部の圧電体層に入力電圧と同じ周波数の出力電圧が発生する。
【００１９】
即ち、本発明の圧電トランスでは、入力部用内部電極層間に、圧電基板の主面の幅方向に振動する基本波振動の共振周波数、またはその近傍に対応した周波数を持つ同位相の交流電圧を印加することで駆動する。
【００２０】
この場合、電圧入力部は、圧電基板の幅方向に振動する基本波振動の共振周波数またはその近傍の周波数で、且つ同位相の交流電圧の印加で励振することで、電圧入力部に形成された振動が電圧出力部に伝搬し、電圧出力部の振動により圧電効果を介して交流の出力電圧が発生する。
【００２１】
本発明の圧電トランスでは、強制振動部となる電圧入力部を電圧出力部に隣設し弾性的な連続体として形成することで、電圧出力部においても強制振動部と同一方向の振動が形成しやすくなり、弾性損失の低下とともに高電力化、高効率化を図ることができる。
【００２２】
また、表層の圧電体層の表面を研摩することにより、上下面の平行を出し、保持をし易くできる。この後、表層の圧電体層の表面に外部電極を形成することもできる。
【００２３】
即ち、電圧入力部、電圧出力部における圧電基板の両主面に、それぞれ入力部用第２外部電極、出力部用第２外部電極が形成されており、該入力部用第２外部電極、出力部用第２外部電極が、それぞれ入力部用第１外部電極、出力部用第１外部電極に接続されていることが望ましい。
【００２４】
また、幅方向縦振動の電気機械結合係数は一般的に長さ方向の電気機械結合係数よりも大きいが、本発明の圧電トランスでは、幅方向縦振動を利用するために、長さ方向の振動モードを利用する従来のローゼン型圧電トランスに比べると、エネルギー伝送を行う場合においては、高効率化、高電力化が可能となる。
【００２５】
また、圧電トランスの出力側の制動容量をＣｄ₂、圧電トランスの共振周波数をｆｒ、負荷抵抗をＲＬとした場合、ローゼン型圧電トランスと比較して、同形状において電極面積を広く取れるためＣｄ₂を大きな値とでき、共振周波数ｆｒに関しても、幅方向縦振動を用いるため大きな値にできる。
【００２６】
最大電力を取れる負荷抵抗、すなわちインピーダンス整合となる負荷抵抗ＲＬ’は、ＲＬ’＝１／（２πｆｒＣｄ₂）で決定されるので、本発明の圧電トランスでは、従来のローゼン型圧電トランスと比べて、低インピーダンスにおいて高出力電力を得ることができる。
【００２７】
本発明の圧電トランスは、基本波モードで作動することが望ましい。一般に、基本波の電気機械結合係数は高次モードの電気機械結合係数に比べて大きいことから、基本波を利用した本発明の圧電トランスは、高次モードを利用したトランスと比較すると材料の持つ特性を充分に発揮でき、高効率化、高電力化が可能となる。
【００２８】
また、積層構造にすることで、同じ設置面積で電圧出力部の電極面積を広くすることができ、大電力電流が取り出せる。さらに、圧電基板の厚さ方向に分極するため、分極処理用の印加電圧を低くすることができる。また、電圧入力部、電圧出力部における圧電基板の両主面に、それぞれ入力部用第２外部電極、出力部用第２外部電極を形成することにより、これらの入力部用第２外部電極、出力部用第２外部電極を用いて、単一方向に分極処理を行うことができるため、製造が容易となる。また、振動の節が圧電基板の幅中央であって長さ方向に形成され、この振動の節に対応する外部電極の部分を固定したり、この部分にリード線等を接続することができる。
【００２９】
そして、本発明では、電圧入力部および電圧出力部に、それぞれ２以上の入力部用内部電極層および出力部用内部電極層を厚み方向に所定間隔を置いて設けるとともに、電圧入力部に、振動に寄与する圧電体層が２層以上形成されているので、電圧入力部に、振動に寄与する圧電体層を形成しない場合と比較して、同一電圧印可時に圧電体に作用する電場を高くすることができ、同一電圧印可時の出力電力を高くすることができる。
【００３０】
また、電圧出力部の積層構造を変更する事で電圧出力部の静電容量を所望の値に設定する事ができ、機器とのインピーダンス整合を容易にできる。
【００３１】
特に、電圧出力部における出力部用内部電極層の層数が、電圧入力部における入力部用内部電極層の層数より多いことが望ましい。これにより、電圧入力部の静電容量を電圧出力部の静電容量より低くできるので、低負荷接続時に降圧特性を示すことができる。さらに、電圧入力部の積層構造を変更する事で電圧入力部の静電容量を所望の値に設定する事ができ、入力部と出力部の静電容量の比率を自由に変更でき、降圧比を制御できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
圧電トランスは、図１に示すように、両主面が長方形状の圧電基板２０の長さ方向に、電圧入力部２１、電圧出力部２２、電圧入力部２３が順次形成され、電圧入力部２１における圧電基板２０内に、２層の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂが厚み方向に所定間隔を置いて形成され、電圧出力部２２における圧電基板２０内に、８層の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂが厚み方向に所定間隔を置いて交互に設けられている。
【００３３】
即ち、電圧入力部２１は、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂと圧電体層２９ａが交互に積層され、振動に寄与する圧電体層２９ａを３層有しており、電圧出力部２２は、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂと圧電体層３１ａが交互に積層され構成され、振動に寄与する圧電体層３１ａを９層有している。
【００３４】
電圧入力部２１、２３における圧電基板２０の側面には、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂにそれぞれ接続する一対の入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂが形成され、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂはそれぞれ入力部用第１外部電極３３ｂ、３３ａと絶縁層１５により絶縁されている。
【００３５】
電圧出力部２２における圧電基板２０の側面には、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂに交互に接続する一対の出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂが形成され、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂはそれぞれ出力部用第１外部電極３５ｂ、３５ａと絶縁層１５により絶縁されている。
【００３６】
即ち、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂは、図２（ａ）に示すように、圧電基板２０の両側面に露出し、一方の側面を絶縁層１５により被覆されており、出力部用内部電極層２７ａの被覆されていない端部は、出力部用第１外部電極３５ａと電気的に接続され、出力部用内部電極層２７ｂの被覆されていない端部は、出力部用第１外部電極３５ｂと接続されている。
【００３７】
また、一対の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂは図２（ｂ）に示すように、圧電基板２０の両側面に露出しており、一方の側面を絶縁層１５により被覆されており、入力部用内部電極層２５ａの被覆されていない端部は、入力部用第１外部電極３３ａと電気的に接続され、入力部用内部電極層２５ｂの被覆されていない端部は、入力部用第１外部電極３３ｂと接続されている。
【００３８】
電圧入力部２１、２３、電圧出力部２２における圧電基板２０の両主面には、それぞれ入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂが形成されており、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂは、それぞれ入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂに、また出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂは、出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂにそれぞれ接続されている。
【００３９】
そして、電圧入力部２１、２３、電圧出力部２２では、圧電体層２９ａ、３１ａが厚み方向に分極されているとともに、内部電極層を介して上下に隣接する圧電体層の分極方向が逆とされている。
【００４０】
この圧電トランスは、主面の幅方向に対して縦振動するものであり、基本波モードで作動することが望ましい。また降圧用として機能することが望ましい。
【００４１】
本発明の圧電トランスの製造方法について説明する。例えば、圧電体層としてＰＺＴ系圧電磁器材料を用い、また内部電極層としてＡｇ／Ｐｄを用いて、ＰＺＴ系圧電材料からなるグリーンシート上に、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す内部電極パターン形状にＡｇ／Ｐｄペーストをスクリーン印刷し、このような内部電極パターン７１が形成されたグリーンシート７３を、図４に示す積層構造となるように、８層積層し、その上に内部電極パターンが形成されていないグリーンシートを積層し、この積層成形体を焼成する。
【００４２】
この後、両主面に図４に示すように銀とガラスを主成分とする電極ペーストを塗布して焼き付け、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂを形成すると同時に、両側面に電極ペーストを塗布して焼き付け、分極用外部電極４５ａ、４５ｂ、４７ａ、４７ｂを形成する。分極用外部電極４５ａ、４５ｂはそれぞれ入力部用内部電極層２５ａ，２５ｂおよび入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂと接続され、分極用外部電極４７ａ、４７ｂはそれぞれ出力部用内部電極層２７ａ，２７ｂおよび出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂと接続されている。図５に図４の断面図を示す。
【００４３】
この後、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ間および出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂ間に直流の高電界を印加して分極処理する。
【００４４】
入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂ、および分極用外部電極４５ａ、４５ｂ、４７ａ、４７ｂは、例えば、Ａｇ粉末とガラスからなるペーストをスクリーン印刷し、焼成して形成してもよい。また、蒸着、スパッタ、メッキ等の手法を用いて形成しても良い。また、Ａｇ以外の導電性材料を用いても良い。
【００４５】
この後、ダイシングソーを用いて図４中の破線形状に切断加工して、図１の圧電基板２０を作製する。圧電基板２０の側面に、内部電極層の一方端部を絶縁するため、スクリーン印刷によりポリイミド絶縁層１５を形成した。次にメッキ電極を用いて圧電基板２０の側面に入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂ、出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂを設け、それぞれ入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂ、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂに接続する。入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂは、それぞれ入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂ、出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂに接続されている。
【００４６】
尚、ここでは圧電磁器材料としてＰＺＴ系圧電磁器材料を、内部電極材料としてＡｇ／Ｐｄを用いたが、圧電性を有する圧電磁器材料、およびそれと一体焼成可能である電極材料であれば他の組み合わせでも良いことは言うまでもない。
【００４７】
本発明の圧電トランスでは、電圧入力部２１、２３の入力部用内部用電極層２５ａ、２５ｂ間、即ち圧電体層２９ａに、圧電基板２０の主面の幅方向ｘに縦振動する基本波の共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を印加すれば、圧電横効果の電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって圧電基板２０が幅方向縦振動の基本波で励振し、再び圧電横効果の電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって電圧出力部２２の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂ間に、入力電圧と同じ周波数の電圧が発生する。このとき、出力電圧は負荷抵抗や駆動周波数に依存する。
【００４８】
即ち、電圧入力部２１、２３の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂ間に、圧電基板２０の幅方向に縦振動する基本波の共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を印加すると、図１に示したように、圧電基板２０の主面の幅方向（短辺方向）に半周期となるような振動（基本波）が生じ、つまり、短辺方向に伸縮する振動が生じ、この振動が中央の電圧出力部２２に伝達され、電圧出力部２２の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂ間に入力電圧と同じ周波数の電圧が発生する。
【００４９】
そして、このような幅方向に縦振動する基本波を用いると、図１の一点鎖線で示すように、圧電基板２０の主面の短辺の中央部が振動の節Ｙとなり、この振動の節Ｙの部分で圧電基板２０を保持すれば、圧電基板２０の幅方向縦振動モードの基本波を妨げずに固定することができる。特に、節Ｙで各電極の中央部を保持することが望ましい。
【００５０】
さらに、本発明の圧電トランスは幅方向縦振動モードを利用しており、一般に主面が長方形状の圧電基板２０の幅方向縦振動の電気機械結合係数Ｋ’₃₁は、圧電基板２０の長さ方向振動の電気機械結合係数Ｋ₃₁よりも大きいため、より高電力化、高効率化を図ることができる。
【００５１】
また、本発明の圧電トランスは分極方向が積層方向の単一方向であるために、ローゼン型圧電トランスと比較して、圧電基板２０の長さ方向の分極処理の必要がないため、比較的低電圧の直流電圧で分極でき、製造工程を簡略化でき、製造工程における安全性を向上できる。
【００５２】
本発明の圧電トランスは、圧電横効果の電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって交流の入力電圧を機械的な振動に変換し、再び圧電横効果の電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって交流の出力電圧に変換するために、エネルギー伝送の高効率化、高電力化を図るために、圧電材料としては、電気機械結合係数Ｋ’₃₁の大きな材料が望ましい。特にＰＺＴ系の圧電セラミック材料が望ましい。
第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明の圧電トランスは、図６に示すように、両主面が長方形状の圧電基板５０の長さ方向に、電圧入力部５１、電圧出力部５２、電圧入力部５３が順次形成され、電圧入力部５１における圧電基板５０内に、４層の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂが厚み方向に所定間隔を置いて交互に設けられ、電圧出力部５２における圧電基板５０内に、１０層の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂが厚み方向に所定間隔を置いて交互に設けられている。
【００５３】
即ち、電圧入力部５１は、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂと圧電体層２９ａが交互に積層され、最上下の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂの表面に表層圧電体層２９ｂ、２９ｃを形成して構成され、電圧出力部５２は、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂと圧電体層３１ａが交互に積層され、最上下の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂの表面に表層圧電体層３１ｂ、３１ｃを形成して構成されている。
【００５４】
電圧入力部５１、５３における圧電基板５０の側面には、一対の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂに交互に接続する一対の入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂが形成され、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂはそれぞれ入力部用第１外部電極３３ｂ、３３ａと絶縁層１５により絶縁されている。
【００５５】
電圧出力部５２における圧電基板５０の側面には、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂに交互に接続する一対の出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂが形成され、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂはそれぞれ出力部用第１外部電極３５ｂ、３５ａと絶縁層１５により絶縁されている。
【００５６】
即ち、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂは、図７（ａ）に示すように、圧電基板５０の両側面に露出し、一方の側面を絶縁層１５により被覆されており、出力部用内部電極層２７ａの被覆されていない端部は、出力部用第１外部電極３５ａと電気的に接続され、出力部用内部電極層２７ｂの被覆されていない端部は、出力部用第１外部電極３５ｂと接続されている。
【００５７】
また、一対の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂは図７（ｂ）に示すように、圧電基板５０の両側面に露出しており、一方の側面を絶縁層１５により被覆されており、入力部用内部電極層２５ａの被覆されていない端部は、入力部用第１外部電極３３ａと電気的に接続され、入力部用内部電極層２５ｂの被覆されていない端部は、入力部用第１外部電極３３ｂと接続されている。
【００５８】
また、電圧入力部５１、５３、電圧出力部５２における圧電基板５０の両主面には、それぞれ入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂが形成されており、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂに入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂが、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂにそれぞれ出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂに接続されている。
【００５９】
そして、最上の入力部用内部電極層２５ｂは、入力部用第２外部電極３７ｂと、最下の入力部用内部電極層２５ａは、入力部用第２外部電極３７ａと、最上の出力部用内部電極層２７ｂは、出力部用第２外部電極３９ｂと、最下の出力部用内部電極層２７ａは、出力部用第２外部電極３９ａと接続され、同電位とされており、表層圧電体層２９ｂ、２９ｃ、３１ｂ、３１ｃは、振動に寄与しない圧電体層とされている。
【００６０】
このような構成にすることで、、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂを形成する前に、表層圧電体層２９ｂ、２９ｃ、３１ｂ、３１ｃの表面を研摩することにより、上下面の平行を出し、保持をし易くできる。
【００６１】
また、電圧入力部５１、５３、電圧出力部５２では圧電体層２９ａ、３１ａが厚み方向に分極されているとともに、内部電極層を介して上下に隣接する圧電体層の分極方向が逆とされている。
【００６２】
この圧電トランスは、主面の幅方向に対して縦振動するものであり、基本波モードで作動することが望ましい。また降圧用として機能することが望ましい。
第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態について説明する。本発明の圧電トランスは、図８に示すように、両主面が長方形状の圧電基板６０の長さ方向に、電圧入力部６１、電圧出力部６２、電圧入力部６３が順次形成され、電圧入力部６１における圧電基板６０内に、２層の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂが厚み方向に所定間隔を置いて交互に設けられ、電圧出力部６２における圧電基板６０内に、８層の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂが厚み方向に所定間隔を置いて交互に設けられている。
【００６３】
即ち、電圧入力部６１は、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂと圧電体層２９ａが交互に積層され、電圧出力部６２は、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂと圧電体層３１ａが交互に積層され構成されている。
【００６４】
電圧出力部６２における圧電基板６０の側面には、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂが、図９（ａ）に示すように、圧電基板６０の厚み方向に１層おきに露出している。
【００６５】
即ち、出力部用内部電極層２７ａは圧電基板６０の片方の同一側面に露出し、出力部用内部電極層２７ｂは、相対する同一側面に露出している。
【００６６】
電圧入力部６１、６３における圧電基板６０の側面には、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂが、図９（ｂ）に示すように、圧電基板２０の対向する側面に露出している。
【００６７】
電圧入力部６１、６３における圧電基板６０の側面には、入力部用内部電極層２５ａと接続する入力部用第１外部電極３３ａと、入力部用内部電極層２５ｂに接続する入力部用第１外部電極３３ｂが形成され、電圧出力部６２における圧電基板６０の側面には、出力部用内部電極層２７ａに接続する出力部用第１外部電極３５ａと、出力部用内部電極層２７ｂに接続する出力部用第１外部電極３５ｂが形成されている。
【００６８】
この構成により、本発明の第１の実施の形態と比較して、絶縁層を形成して内部電極層と接続する必要がなく、製造工程を短縮することができる。
【００６９】
また、電圧入力部６１、６３、電圧出力部６２における圧電基板６０の両主面には、それぞれ入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂが形成されており、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂが、それぞれ入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂ、出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂに接続されている。
【００７０】
また、電圧入力部６１、６３、電圧出力部６２では圧電体層２９ａ、３１ａが厚み方向に分極されているとともに、内部電極層を介して上下に隣接する圧電体層の分極方向が逆とされている。
【００７１】
この圧電トランスは、主面の幅方向に対して縦振動するものであり、基本波モードで作動することが望ましい。また降圧用として機能することが望ましい。
第４の実施の形態
本発明の第４の実施の形態について説明する。本発明の圧電トランスは、図１０に示すように、両主面が長方形状の圧電基板７０の長さ方向に、電圧入力部７１、電圧出力部７２、電圧入力部７３が順次形成され、電圧入力部７１における圧電基板７０内に、４層の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂが厚み方向に所定間隔を置いて交互に設けられ、電圧出力部７２における圧電基板７０内に、１０層の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂが厚み方向に所定間隔を置いて交互に設けられている。
【００７２】
即ち、電圧入力部７１は、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂと圧電体層２９ａが交互に積層され、最上下の入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂの表面に表層圧電体層２９ｂ、２９ｃを形成して構成され、電圧出力部７２は、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂと圧電体層３１ａが交互に積層され、最上下の出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂの表面に表層圧電体層３１ｂ、３１ｃを形成して構成されている。
【００７３】
電圧出力部７２における圧電基板７０の側面には、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂが、図１１（ａ）に示すように、圧電基板７０の厚み方向に１層おきに露出している。
【００７４】
即ち、出力部用内部電極層２７ａは圧電基板７０の片方の同一側面に露出し、出力部用内部電極層２７ｂは、相対する同一側面に露出している。
【００７５】
電圧入力部７１、７３における圧電基板７０の側面には、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂが、図１１（ｂ）に示すように、圧電基板７０の厚み方向に１層おきに露出している。
【００７６】
即ち、出力部用内部電極層２５ａは圧電基板７０の片方の同一側面に露出し、出力部用内部電極層２７ｂは、相対する同一側面に露出している。
【００７７】
電圧入力部７１、７３における圧電基板７０の側面には、入力部用内部電極層２５ａと接続する入力部用第１外部電極３３ａと、入力部用内部電極層２５ｂに接続する入力部用第１外部電極３３ｂが形成され、電圧出力部７２における圧電基板７０の側面には、出力部用内部電極層２７ａに接続する出力部用第１外部電極３５ｂと、出力部用内部電極層２７ｂに接続する出力部用第１外部電極３５ａが形成されている。
【００７８】
この構成により、本発明の第２の実施の形態と比較して、絶縁体層を形成する必要がなく、製造プロセスを短縮することができる。
【００７９】
また、電圧入力部７１、７３、電圧出力部７２における圧電基板７０の両主面には、それぞれ入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂが形成されており、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂが、それぞれ入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂ、出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂに接続されている。
【００８０】
そして、最上の入力部用内部電極層２５ｂは、入力部用第２外部電極３７ｂと、最下の入力部用内部電極層２５ａは、入力部用第２外部電極３７ａと、最上の出力部用内部電極層２７ｂは、出力部用第２外部電極３９ｂと、最下の出力部用内部電極層２７ａは、出力部用第２外部電極３９ａと接続され、同電位とされており、表層圧電体層２９ｂ、２９ｃ、３１ｂ、３１ｃは、振動に寄与しない圧電体層とされている。
【００８１】
このような構成にすることで、、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂを形成する前に、表層圧電体層の表面を研摩することにより、上下面の平行を出し、保持をし易くできる。
【００８２】
また、電圧入力部７１、７３、電圧出力部７２における圧電体層２９ａ、３１ａが厚み方向に分極され、内部電極を介して隣接する圧電体層の分極方向が逆とされている。
【００８３】
この圧電トランスは、主面の幅方向に対して縦振動するものであり、基本波モードで作動することが望ましい。また降圧用として機能することが望ましい。
【００８４】
【実施例】
第１の実施の形態の実施例として、図１に示した圧電トランス（層構成は異なる）をグリーンシート法により作製した。先ず、圧電磁器材料としてＰＺＴ系圧電磁器材料を用い、また内部電極材料としてＡｇ／Ｐｄを用い、ＰＺＴ系圧電磁器材料からなるグリーンシート上に、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す内部電極パターン形状にＡｇ／Ｐｄペーストをスクリーン印刷し、このような内部電極パターンが形成されたグリーンシートを８層積層し、その上に内部電極パターンが形成されていないグリーンシートを積層した後、焼成し、図５に示すような圧電基板を得た。
【００８５】
この後、両主面に図４に示すように銀とガラスを主成分とする電極ペーストを塗布して焼き付け、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂを形成すると同時に、両側面に電極ペーストを塗布して焼き付け、分極用外部電極４５ａ、４５ｂ、４７ａ、４７ｂを形成した。
【００８６】
作製した圧電基板２０の電圧入力部２１、２３では、圧電体層２９ａが３層、入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂが１層づつ積層され、電圧出力部２２では、圧電体層３１ａが１５層、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂが７層づつ、積層されており、圧電体層３１ａの厚さが０．２ｍｍ、圧電体層２９ａの厚さが１．０ｍｍであった。
【００８７】
この後、１９０℃のシリコンオイル中で１．６ｋＶ／ｍｍの電場を印加した。つまり入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ間には１．６ｋＶを、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂ間に３２０Ｖを印加し、１０分間分極を行い、圧電基板２０を厚み方向に分極し、図４および図５に示すような圧電基板を得た。
【００８８】
次に、ダイシングソーを用いて図４中の破線形状に加工して、長さ３５．２ｍｍ、幅７．０ｍｍの圧電基板２０を得た。
【００８９】
次に圧電基板２０の側面に、スクリーン印刷によりポリイミド絶縁層１５を形成した。次にメッキ電極を用いて圧電基板２０の側面に入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂ、出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂを形成し、それぞれ入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂ、出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂと電気的に接続した。入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂは、それぞれ入力部用第１外部電極３３ａ、３３ｂ、出力部用第１外部電極３５ａ、３５ｂと電気的に接続した。
【００９０】
電圧入力部２１、２３の入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ、および入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂの寸法は、主面の長さ方向の辺を７．６ｍｍ、主面の幅方向の辺を７．０ｍｍとし、入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂと、出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂとの間隔、および入力部用内部電極層２５ａ、２５ｂと出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂの間隔は１．２ｍｍとした。
【００９１】
電圧出力部２２の出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂ、およびの出力部用内部電極層２７ａ、２７ｂの寸法は、主面の長さ方向の辺を７．６ｍｍ、主面の幅方向の辺を７．０ｍｍとした。
【００９２】
そして、圧電トランスの電圧入力部２１、２３の入力部用第２外部電極３７ａ、３７ｂ（１次側電極）に入力用端子を接続し、電圧出力部２２の出力部用第２外部電極３９ａ、３９ｂ（２次側電極）に出力用端子を接続し、この出力用端子に負荷抵抗１０Ωを接続した。入力電圧は関数発生器を用いの正弦波を入力側電極に印加し、出力用端子からの出力電圧（Ｖ）を検出し、出力電流（ｍＡ）、出力電力（ｍＷ）、変換効率（出力電力／入力電力×１００）を求めた。
【００９３】
振幅５Ｖの正弦波を入力した場合には、出力電圧＝０．８９５Ｖ、出力電流＝８９．５ｍＡ、出力電力＝８０ｍＷ、最大変換効率（出力電力／入力電力×１００）＝８３％を示し、ゲイン（＝出力電圧／入力電圧）は０．１７９であった。
【００９４】
振幅３０Ｖの正弦波を入力した場合には、出力電圧＝５．３８５Ｖ、出力電流＝５３９．５ｍＡ、出力電力＝２．９Ｗ、最大変換効率（出力電力／入力電力×１００）＝８２％を示し、ゲイン（＝出力電圧／入力電圧）は０．１８０であった。
【００９５】
この結果より、本発明のトランスは負荷抵抗が１０Ω程度と小さい場合においても、高電圧、高電流、高電力および高変換効率を得ることができ、低負荷時に充分使用できることが判った。よって、本発明の圧電トランスでは、出力側に大電流を得ることが可能で、かつ、低負荷時に出力電力を大きくとることができ、しかもトランス形状は小型であり、分極が一方向であるため、製造も容易であることが明白である。
【００９６】
比較のため、図１２に示すようなローゼン型圧電トランスを作製した。ここで、圧電基板の形状は長さ３０ｍｍ、幅４．５ｍｍ、厚み１．０ｍｍとし、電極は、一次側電極を片側端部から中央部まで１５ｍｍで、両面に一様となるように塗布し、２次側電極については端面部に形成した。１次側電極を入力とし、２次側電極を出力とし、この出力用端子に種々の負荷抵抗ＲＬを接続した。ＲＬ＝１０Ωの場合では出力電圧を測定できず、比較例では、低負荷では使用できないことがわかる。ＲＬ＝１０ｋΩの場合は、出力電圧＝２９．８Ｖ、出力電流＝２．９８ｍＡ、出力電力＝４４．４ｍＷを示し、高負荷抵抗において出力電力が高い値を示した。
【００９７】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスでは、電圧入力部の入力部用内部電極間に、圧電基板の主面の幅方向に対して縦振動する基本波の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を入力すれば、電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって圧電基板に幅方向縦振動の基本波が励振され、再び電気機械結合係数Ｋ’₃₁をもって電圧出力部の出力部用内部電極間に入力電圧と同じ周波数の出力電圧が発生し、従来のローゼン型圧電トランスと比較して、大出力電流を取り出せる。
【００９８】
また、電圧出力部の積層構造を変更する事で電圧出力部の静電容量を所望の値に設定する事ができ、機器とのインピーダンス整合を容易にできる。
【００９９】
さらに、電圧入力部の積層構造を変更する事で電圧入力部の静電容量を所望の値に設定する事ができ、入力部と出力部の静電容量の比率を自由に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電トランスを示す斜視図である。
【図２】図１の圧電トランスを示すもので、（ａ）は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｂ）は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の圧電トランスを作製する際の印刷パターンを示す平面図である。
【図４】本発明の圧電トランスを作製する途中の、圧電磁器の斜視図である。
【図５】図４の圧電磁器の断面図を示すもので、（ａ）は図４のＣ−Ｃ線に沿った断面図、（ｂ）は図４のＤ−Ｄ線に沿った断面図、（ｃ）は図４のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。
【図６】本発明の他の圧電トランスを示す斜視図である。
【図７】図６の圧電トランスを示すもので、（ａ）は図６のＦ−Ｆ線に沿った断面図、（ｂ）は図６のＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【図８】本発明のさらに他の圧電トランスを示す斜視図である。
【図９】図８の圧電トランスを示すもので、（ａ）は図８のＨ−Ｈ線に沿った断面図、（ｂ）は図８のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図１０】本発明のさらに他の圧電トランスを示す斜視図である。
【図１１】図１０の圧電トランスを示すもので、（ａ）は図１０のＪ−Ｊ線に沿った断面図、（ｂ）は図１０のＫ−Ｋ線に沿った断面図である。
【図１２】従来のローゼン型圧電トランスを示す斜視図である。
【符号の説明】
２０、５０、６０、７０・・・圧電基板
２１、２３、５１、５３、６１、６３、７１、７３・・・電圧入力部
２２、５２、６２、７２・・・電圧出力部
２５ａ、２５ｂ・・・入力部用内部電極層
２７ａ、２７ｂ・・・出力部用内部電極層
２９ａ、３１ａ・・・圧電体層
２９ｂ、２９ｃ、３１ｂ、３１ｃ・・・表層圧電体層
３３ａ、３３ｂ・・・入力部用第１外部電極
３５ａ、３５ｂ・・・出力部用第１外部電極
３７ａ、３７ｂ・・・入力部用第２外部電極
３９ａ、３９ｂ・・・出力部用第２外部電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric transformer, and in particular, to AC adapters and DC-DC converters used in various electronic devices, and backlight cold cathode tube inverters for liquid crystal displays used in notebook computers, portable terminals, and the like. The present invention relates to a piezoelectric transformer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, miniaturization of power supply circuits has been one of the important issues regarding miniaturization of electronic devices, and miniaturization has been achieved by increasing the frequency in the power supply circuit.
[0003]
In a conventional switching power supply, an electromagnetic transformer based on the principle of electromagnetic induction is used as a transformer. However, an electromagnetic transformer under a high frequency has a problem that hysteresis loss, eddy current loss, and loss due to skin effect increase.
[0004]
Furthermore, the miniaturization and thinning of the electromagnetic transformer itself caused copper loss due to the large number of windings of the windings, a decrease in magnetic coupling, and an increase in leakage flux, all of which greatly reduced the efficiency of the power supply circuit. . Furthermore, there are problems such as generation of electromagnetic noise due to the winding.
[0005]
On the other hand, the piezoelectric transformer is based on the piezoelectric effect, and has advantages such as high energy density even if it is miniaturized and less electromagnetic noise because it does not use windings.
[0006]
FIG. 12 shows a conventional Rosen piezoelectric transformer. In this Rosen-type piezoelectric transformer, approximately half of the longitudinal direction of the long plate-like piezoelectric substrate 1 is the primary side, electrodes 2 and 3 are formed in the thickness direction, and the remaining half of the longitudinal direction is the secondary side. An electrode 4 is formed and configured. The primary side is polarized in the thickness direction and the secondary side is polarized in the longitudinal direction. The primary side of the piezoelectric transformer has a low impedance because the braking capacity of the piezoelectric substrate 1 is large, and the secondary side has a high impedance because the braking capacity is small.
[0007]
A load resistance is connected to the secondary electrode 4 and the primary electrode 2 (or 3), and the piezoelectric transformer determined by the length of the piezoelectric substrate 1 between the primary electrodes 2 and 3 of the piezoelectric transformer. When an AC voltage having a resonance frequency of or near that frequency is applied, a strong mechanical vibration is excited in the longitudinal direction due to the inverse piezoelectric effect, whereby electric charges are generated in the electrode 4 due to the piezoelectric effect, and the secondary electrode 4 And a voltage is obtained between the primary electrode 2 (or 3).
[0008]
This Rosen-type piezoelectric transformer depends on the braking capacity on the secondary side, but as a generally used range, if the load resistance is high impedance of 10 KΩ or more, it is a boosting piezoelectric transformer, while the load is less than 10 KΩ. If the impedance is low, it operates as a step-down piezoelectric transformer.
[0009]
On the other hand, a load resistor is connected between the primary side electrodes 2 and 3, the secondary side electrode 4 of the piezoelectric transformer is used as an input, and the electrode 4 and the electrode 2 (or 3) have an alternating current at a resonance frequency or in the vicinity thereof. When a voltage is applied, it operates as a step-up piezoelectric transformer if the load resistance is high impedance, and as a step-down piezoelectric transformer if the load resistance is low.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the Rosen-type piezoelectric transformer, when the primary side is input and the secondary side is output, the area of the electrode 4 on the secondary side is small, so that the amount of charge appearing on the electrode 4 is small and a high output current is obtained. It was difficult to get.
[0011]
Further, since the distance between the electrode 4 and the electrode 2 (or 3) is long, the capacitance on the output side of the piezoelectric transformer is small and the output impedance is high. Therefore, when a load is connected, there is a problem that the load that can obtain high output power is naturally limited to a high load.
[0012]
That is, for example, in the case of an adapter power source used in an electronic device such as a notebook personal computer, the load is low impedance, so a high output power cannot be obtained with a conventional Rosen piezoelectric transformer, and it can be used as an adapter power source. There was a problem that I could not.
[0013]
On the other hand, in the piezoelectric transformer, when the secondary side is input and the primary side is output, the output side electrode area becomes large, but the distance between the electrode 4 and the electrode 2 (or 3) is long. This increases the loss at the piezoelectric transformer input section, and high output power cannot be obtained. Further, if the area of the electrode 4 is increased in order to reduce the input impedance, the piezoelectric transformer itself is increased in size, and there is a problem that the advantage of the small size of the piezoelectric transformer is impaired.
[0014]
Furthermore, since the conventional Rosen-type piezoelectric transformer has the electrode 4, it is necessary to polarize the piezoelectric substrate 1 made of a single porcelain in two directions different in the longitudinal direction and the thickness direction. There is a problem that reliability is low such that a large stress is generated in the vicinity due to polarization, and the piezoelectric substrate 1 is damaged or broken during use.
[0015]
In addition, since it is necessary to apply two types of polarization in different directions to a single porcelain, there is a problem that it is difficult to manufacture. Further, since the polarization work in the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 1 needs to apply a high voltage, there is a problem that the transformer is destroyed during the production and the danger of the production work is increased.
[0016]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric transformer that can obtain a high output power at a low load, can take out a large output current with high efficiency, and can achieve downsizing.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In the piezoelectric transformer of the present invention, the voltage input unit and the voltage output unit are alternately formed in the length direction of the piezoelectric substrate having both principal surfaces rectangular, and the voltage input unit and the voltage output unit Said Two or more input part internal electrode layers and output part internal electrode layers are provided in the piezoelectric substrate at predetermined intervals in the thickness direction. Being And A second external electrode for an input unit and a second external electrode for an output unit are provided on both main surfaces of the piezoelectric substrate in the voltage input unit and the voltage output unit, respectively. The input part internal electrode layer disposed closest to the input part second external electrode is connected to have the same potential, and the output part second external electrode and the output part The output part internal electrode layer arranged closest to the second external electrode for use is connected to have the same potential, Two or more piezoelectric layers contributing to vibration are formed in the voltage input section, and longitudinal vibration is performed in the fundamental wave mode with respect to the width direction of the main surface of the piezoelectric substrate.
[0018]
By adopting such a configuration, the piezoelectric layer between the internal electrode layers is polarized in the thickness direction, and the polarization direction of the piezoelectric layer adjacent to the internal electrode layer via the internal electrode layer is reversed, and in the width direction of the main surface On the other hand, when the longitudinal vibration is performed in the fundamental wave mode, vibration that longitudinally vibrates in the width direction of the main surface of the piezoelectric substrate is generated in the piezoelectric layer of the voltage input unit (hereinafter also referred to as widthwise longitudinal vibration). For example, if an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the fundamental wave is input, the electromechanical coupling coefficient K ′ ₃₁ The fundamental wave of the longitudinal vibration in the width direction is excited at the voltage input portion of the piezoelectric substrate, and again the electromechanical coupling coefficient K ′ ₃₁ Therefore, an output voltage having the same frequency as the input voltage is generated in the piezoelectric layer of the central voltage output unit.
[0019]
That is, in the piezoelectric transformer of the present invention, an in-phase AC voltage having a frequency corresponding to the resonance frequency of the fundamental vibration that vibrates in the width direction of the main surface of the piezoelectric substrate or a frequency in the vicinity thereof is provided between the internal electrode layers for the input unit. Drive by applying.
[0020]
In this case, the voltage input unit is formed in the voltage input unit by exciting at the resonance frequency of the fundamental wave vibration that vibrates in the width direction of the piezoelectric substrate or a frequency in the vicinity thereof and by applying an AC voltage having the same phase. The vibration propagates to the voltage output unit, and an AC output voltage is generated by the vibration of the voltage output unit via the piezoelectric effect.
[0021]
In the piezoelectric transformer according to the present invention, the voltage input unit serving as the forced vibration unit is provided adjacent to the voltage output unit and formed as an elastic continuum so that vibration in the same direction as the forced vibration unit is also formed in the voltage output unit. As a result, the power loss and the efficiency can be improved as the elastic loss is reduced.
[0022]
Further, by polishing the surface of the surface piezoelectric layer, the upper and lower surfaces can be made parallel and easily held. Thereafter, an external electrode can be formed on the surface of the surface piezoelectric layer.
[0023]
That is, a second external electrode for an input unit and a second external electrode for an output unit are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate in the voltage input unit and the voltage output unit, respectively. It is desirable that the second external electrode for part is connected to the first external electrode for input part and the first external electrode for output part, respectively.
[0024]
The electromechanical coupling coefficient of the longitudinal vibration in the width direction is generally larger than the electromechanical coupling coefficient in the length direction. However, in the piezoelectric transformer of the present invention, the vibration in the length direction is used in order to use the longitudinal vibration in the width direction. Compared to a conventional Rosen-type piezoelectric transformer that uses a mode, when energy transmission is performed, higher efficiency and higher power can be achieved.
[0025]
Also, the braking capacity on the output side of the piezoelectric transformer is defined as Cd ₂ When the resonance frequency of the piezoelectric transformer is fr and the load resistance is RL, the electrode area can be increased in the same shape compared with the Rosen piezoelectric transformer. ₂ Can be set to a large value, and the resonance frequency fr can also be set to a large value because the longitudinal vibration in the width direction is used.
[0026]
The load resistance that can take the maximum power, that is, the load resistance RL ′ for impedance matching is RL ′ = 1 / (2πfrCd ₂ Therefore, the piezoelectric transformer of the present invention can obtain high output power at a low impedance as compared with the conventional Rosen piezoelectric transformer.
[0027]
The piezoelectric transformer of the present invention preferably operates in the fundamental wave mode. In general, since the electromechanical coupling coefficient of the fundamental wave is larger than the electromechanical coupling coefficient of the higher order mode, the piezoelectric transformer of the present invention using the fundamental wave has a material compared to the transformer using the higher order mode. The characteristics can be fully exhibited, and high efficiency and high power can be achieved.
[0028]
In addition, by using a laminated structure, the electrode area of the voltage output unit can be widened with the same installation area, and a large power current can be taken out. Furthermore, since polarization is performed in the thickness direction of the piezoelectric substrate, the applied voltage for polarization processing can be lowered. Further, by forming the second external electrode for the input unit and the second external electrode for the output unit on both main surfaces of the piezoelectric substrate in the voltage input unit and the voltage output unit, respectively, the second external electrode for the input unit, Since the polarization process can be performed in a single direction using the second external electrode for the output section, the manufacture is facilitated. Further, the vibration node is formed in the longitudinal direction at the center of the width of the piezoelectric substrate, and a portion of the external electrode corresponding to the vibration node can be fixed, or a lead wire or the like can be connected to this portion.
[0029]
In the present invention, two or more input part internal electrode layers and output part internal electrode layers are provided at predetermined intervals in the thickness direction in the voltage input part and the voltage output part, respectively, and vibration is applied to the voltage input part. Since two or more piezoelectric layers contributing to the vibration are formed, the electric field acting on the piezoelectric body when the same voltage is applied is made higher than in the case where the piezoelectric layer contributing to vibration is not formed in the voltage input portion. The output power when the same voltage is applied can be increased.
[0030]
Further, the capacitance of the voltage output unit can be set to a desired value by changing the laminated structure of the voltage output unit, and impedance matching with the device can be facilitated.
[0031]
In particular, it is desirable that the number of output part internal electrode layers in the voltage output part is greater than the number of input part internal electrode layers in the voltage input part. Thereby, since the electrostatic capacitance of a voltage input part can be made lower than the electrostatic capacitance of a voltage output part, a pressure | voltage fall characteristic can be shown at the time of low load connection. Furthermore, the capacitance of the voltage input unit can be set to a desired value by changing the laminated structure of the voltage input unit, the ratio of the capacitance of the input unit and the output unit can be freely changed, and the step-down ratio Can be controlled.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Pressure As shown in FIG. 1, in the electric transformer, a voltage input unit 21, a voltage output unit 22, and a voltage input unit 23 are sequentially formed in the length direction of the piezoelectric substrate 20 whose both main surfaces are rectangular. In the piezoelectric substrate 20, two layers of internal electrode layers 25 a and 25 b for input unit are formed at predetermined intervals in the thickness direction, and eight layers of internal electrodes for output unit are formed in the piezoelectric substrate 20 of the voltage output unit 22. The layers 27a and 27b are alternately provided at a predetermined interval in the thickness direction.
[0033]
That is, the voltage input unit 21 includes input unit internal electrode layers 25a and 25b and piezoelectric layers 29a that are alternately stacked, and includes three piezoelectric layers 29a that contribute to vibration. The output portion internal electrode layers 27a and 27b and the piezoelectric layers 31a are alternately stacked, and have nine piezoelectric layers 31a that contribute to vibration.
[0034]
A pair of first external electrodes 33a and 33b for input parts connected to the internal electrode layers 25a and 25b for input parts are formed on the side surfaces of the piezoelectric substrate 20 in the voltage input parts 21 and 23, respectively. 25 a and 25 b are insulated from each other by the insulating layer 15 and the first external electrodes 33 b and 33 a for the input section.
[0035]
On the side surface of the piezoelectric substrate 20 in the voltage output unit 22, a pair of first external electrodes 35a and 35b for output unit connected alternately to the internal electrode layers 27a and 27b for output unit is formed, and the internal electrode layer 27a for output unit is formed. , 27b are insulated from the first external electrodes 35b, 35a for the output section by the insulating layer 15, respectively.
[0036]
That is, as shown in FIG. 2A, the output portion internal electrode layers 27a and 27b are exposed on both side surfaces of the piezoelectric substrate 20, and one side surface is covered with the insulating layer 15, The uncovered end portion of the electrode layer 27a is electrically connected to the output portion first external electrode 35a, and the uncovered end portion of the output portion internal electrode layer 27b is the output portion first external electrode. 35b.
[0037]
Further, as shown in FIG. 2B, the pair of internal electrode layers 25a and 25b for the input portion are exposed on both side surfaces of the piezoelectric substrate 20, and one side surface is covered with the insulating layer 15, The uncovered end of the internal electrode layer 25a for the part is electrically connected to the first external electrode 33a for the input part, and the uncovered end of the internal electrode layer 25b for the input part is connected to the input part first electrode 33a. 1 is connected to the external electrode 33b.
[0038]
On both main surfaces of the piezoelectric substrate 20 in the voltage input portions 21 and 23 and the voltage output portion 22, second external electrodes 37a and 37b for input portions and second external electrodes 39a and 39b for output portions are formed, respectively. The second external electrodes 37a and 37b for the input section are respectively connected to the first external electrodes 33a and 33b for the input section, and the second external electrodes 39a and 39b for the output section are respectively connected to the first external electrodes 35a and 35b for the output section. It is connected.
[0039]
In the voltage input units 21 and 23 and the voltage output unit 22, the piezoelectric layers 29a and 31a are polarized in the thickness direction, and the polarization directions of the piezoelectric layers adjacent vertically above and below through the internal electrode layers are reversed. Has been.
[0040]
This piezoelectric transformer vibrates longitudinally with respect to the width direction of the main surface, and preferably operates in a fundamental wave mode. It is desirable to function as a step-down device.
[0041]
A method for manufacturing the piezoelectric transformer of the present invention will be described. For example, a PZT piezoelectric ceramic material is used as a piezoelectric layer and Ag / Pd is used as an internal electrode layer on a green sheet made of a PZT piezoelectric material as shown in FIGS. 3A, 3B, 3C. A green sheet 73 on which an internal electrode pattern 71 is formed is screen-printed with an Ag / Pd paste in the shape of the internal electrode pattern shown in FIG. Then, a green sheet on which no internal electrode pattern is formed is laminated thereon, and this laminated molded body is fired.
[0042]
Thereafter, as shown in FIG. 4, an electrode paste mainly composed of silver and glass is applied and baked on both main surfaces, and the second external electrodes 37a and 37b for the input section and the second external electrodes 39a and 39b for the output section. At the same time, electrode paste is applied and baked on both side surfaces to form polarization external electrodes 45a, 45b, 47a, 47b. The polarization external electrodes 45a and 45b are connected to the input portion internal electrode layers 25a and 25b and the input portion second external electrodes 37a and 37b, respectively, and the polarization external electrodes 47a and 47b are respectively connected to the output portion internal electrode layers 27a and 27b. 27b and the output second external electrodes 39a and 39b. FIG. 5 shows a cross-sectional view of FIG.
[0043]
Thereafter, a polarization process is performed by applying a high DC electric field between the second external electrodes 37a and 37b for the input section and between the second external electrodes 39a and 39b for the output section.
[0044]
The second external electrodes 37a and 37b for input part, the second external electrodes 39a and 39b for output part, and the external electrodes 45a, 45b, 47a and 47b for polarization, for example, screen-print a paste made of Ag powder and glass, You may form by baking. Moreover, you may form using methods, such as vapor deposition, a sputter | spatter, and plating. Moreover, you may use electroconductive materials other than Ag.
[0045]
Thereafter, the substrate is cut into a broken line shape in FIG. 4 using a dicing saw to produce the piezoelectric substrate 20 in FIG. A polyimide insulating layer 15 was formed on the side surface of the piezoelectric substrate 20 by screen printing in order to insulate one end of the internal electrode layer. Next, the first external electrodes 33a and 33b for the input unit and the first external electrodes 35a and 35b for the output unit are provided on the side surface of the piezoelectric substrate 20 by using the plating electrode, and the internal electrode layers 25a and 25b for the input unit and the output unit are provided The internal electrode layers 27a and 27b are connected. The second external electrodes 37a and 37b for input part and the second external electrodes 39a and 39b for output part are connected to the first external electrodes 33a and 33b for input part and the first external electrodes 35a and 35b for output part, respectively. .
[0046]
Here, PZT-based piezoelectric ceramic material is used as the piezoelectric ceramic material, and Ag / Pd is used as the internal electrode material. However, other combinations may be used as long as the piezoelectric ceramic material has piezoelectricity and can be integrally fired with the piezoelectric ceramic material. But it goes without saying.
[0047]
In the piezoelectric transformer of the present invention, a fundamental wave that longitudinally vibrates in the width direction x of the main surface of the piezoelectric substrate 20 between the input portion internal electrode layers 25a and 25b of the voltage input portions 21 and 23, that is, the piezoelectric layer 29a. When an AC voltage having a frequency near the resonance frequency is applied, the electromechanical coupling coefficient K ′ of the piezoelectric lateral effect ₃₁ The piezoelectric substrate 20 is excited by the fundamental wave of the longitudinal vibration in the width direction, and again the electromechanical coupling coefficient K ′ of the piezoelectric transverse effect. ₃₁ Thus, a voltage having the same frequency as the input voltage is generated between the output portion internal electrode layers 27a and 27b of the voltage output portion 22. At this time, the output voltage depends on the load resistance and the driving frequency.
[0048]
That is, when an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the fundamental wave that longitudinally vibrates in the width direction of the piezoelectric substrate 20 is applied between the input portion internal electrode layers 25a and 25b of the voltage input portions 21 and 23, FIG. As shown, a vibration (fundamental wave) that has a half cycle occurs in the width direction (short side direction) of the main surface of the piezoelectric substrate 20, that is, a vibration that expands and contracts in the short side direction occurs. The voltage output unit 22 generates a voltage having the same frequency as the input voltage between the output unit internal electrode layers 27 a and 27 b of the voltage output unit 22.
[0049]
If a fundamental wave that longitudinally vibrates in such a width direction is used, as shown by a one-dot chain line in FIG. 1, the central portion of the short side of the main surface of the piezoelectric substrate 20 becomes a vibration node Y, and this vibration node If the piezoelectric substrate 20 is held at the Y portion, the piezoelectric substrate 20 can be fixed without hindering the fundamental wave of the longitudinal vibration mode in the width direction of the piezoelectric substrate 20. In particular, it is desirable to hold the center of each electrode at the node Y.
[0050]
Furthermore, the piezoelectric transformer of the present invention utilizes the widthwise longitudinal vibration mode, and generally the electromechanical coupling coefficient K ′ of the widthwise longitudinal vibration of the piezoelectric substrate 20 whose main surface is rectangular. ₃₁ Is the electromechanical coupling coefficient K of the longitudinal vibration of the piezoelectric substrate 20 ₃₁ Therefore, higher power and higher efficiency can be achieved.
[0051]
Moreover, since the polarization direction of the piezoelectric transformer of the present invention is a single direction in the stacking direction, there is no need for the polarization treatment in the length direction of the piezoelectric substrate 20 as compared with the Rosen type piezoelectric transformer. It can be polarized with a direct voltage of voltage, the manufacturing process can be simplified, and the safety in the manufacturing process can be improved.
[0052]
The piezoelectric transformer of the present invention has an electromechanical coupling coefficient K ′ of the piezoelectric lateral effect. ₃₁ The AC input voltage is converted into mechanical vibration, and the electromechanical coupling coefficient K ′ of the piezoelectric transverse effect is again obtained. ₃₁ In order to increase the efficiency of energy transmission and increase the power in order to convert to an AC output voltage, the piezoelectric material has an electromechanical coupling coefficient K ′. ₃₁ A large material is desirable. In particular, a PZT-based piezoelectric ceramic material is desirable.
Second embodiment
A second embodiment of the present invention will be described. In the piezoelectric transformer of the present invention, as shown in FIG. 6, a voltage input unit 51, a voltage output unit 52, and a voltage input unit 53 are sequentially formed in the length direction of the piezoelectric substrate 50 whose both main surfaces are rectangular. In the piezoelectric substrate 50 in the input portion 51, four layers of the internal electrode layers 25a and 25b for the input portion are alternately provided at predetermined intervals in the thickness direction, and 10 layers are provided in the piezoelectric substrate 50 in the voltage output portion 52. The output portion internal electrode layers 27a and 27b are alternately provided at predetermined intervals in the thickness direction.
[0053]
That is, in the voltage input unit 51, the input unit internal electrode layers 25a and 25b and the piezoelectric layer 29a are alternately laminated, and the surface piezoelectric layers 29b and 29c are formed on the uppermost input unit internal electrode layers 25a and 25b. In the voltage output section 52, the output section internal electrode layers 27a and 27b and the piezoelectric layer 31a are alternately laminated, and the surface piezoelectric layer is formed on the surface of the lowermost output section internal electrode layers 27a and 27b. The body layers 31b and 31c are formed.
[0054]
On the side surface of the piezoelectric substrate 50 in the voltage input portions 51 and 53, a pair of first external electrodes 33a and 33b for input portions that are alternately connected to the pair of input portion internal electrode layers 25a and 25b are formed. The internal electrode layers 25a and 25b are insulated from the first external electrodes 33b and 33a for the input section by the insulating layer 15, respectively.
[0055]
On the side surface of the piezoelectric substrate 50 in the voltage output unit 52, a pair of first external electrodes 35a and 35b for output unit connected alternately to the internal electrode layers 27a and 27b for output unit is formed, and the internal electrode layer 27a for output unit is formed. , 27b are insulated from the first external electrodes 35b, 35a for the output section by the insulating layer 15, respectively.
[0056]
That is, as shown in FIG. 7A, the output portion internal electrode layers 27a and 27b are exposed on both side surfaces of the piezoelectric substrate 50, and one side surface is covered with the insulating layer 15, The uncovered end portion of the electrode layer 27a is electrically connected to the output portion first external electrode 35a, and the uncovered end portion of the output portion internal electrode layer 27b is the output portion first external electrode. 35b.
[0057]
Further, as shown in FIG. 7B, the pair of internal electrode layers 25a and 25b for the input portion are exposed on both side surfaces of the piezoelectric substrate 50, and one side surface is covered with the insulating layer 15, The uncovered end of the internal electrode layer 25a for the part is electrically connected to the first external electrode 33a for the input part, and the uncovered end of the internal electrode layer 25b for the input part is connected to the input part first electrode 33a. 1 is connected to the external electrode 33b.
[0058]
Further, on both main surfaces of the piezoelectric substrate 50 in the voltage input portions 51 and 53 and the voltage output portion 52, second external electrodes 37a and 37b for input portions and second external electrodes 39a and 39b for output portions are formed, respectively. The input part second external electrodes 37a and 37b are connected to the input part first external electrodes 33a and 33b, and the output part second external electrodes 39a and 39b are connected to the output part first external electrodes 35a and 35b, respectively. ing.
[0059]
The uppermost input portion internal electrode layer 25b is an input portion second external electrode 37b, and the lowermost input portion internal electrode layer 25a is an input portion second external electrode 37a. The internal electrode layer 27b is connected to the output portion second external electrode 39b, and the lowermost output portion internal electrode layer 27a is connected to the output portion second external electrode 39a so as to have the same potential, and the surface layer piezoelectric body. The layers 29b, 29c, 31b, and 31c are piezoelectric layers that do not contribute to vibration.
[0060]
With this configuration, the surface of the surface piezoelectric layers 29b, 29c, 31b, and 31c is formed before the second external electrodes 37a and 37b for the input unit and the second external electrodes 39a and 39b for the output unit are formed. By polishing the surface, the upper and lower surfaces can be made parallel and easy to hold.
[0061]
In the voltage input units 51 and 53 and the voltage output unit 52, the piezoelectric layers 29a and 31a are polarized in the thickness direction, and the polarization directions of the piezoelectric layers adjacent vertically above and below are reversed via the internal electrode layers. ing.
[0062]
This piezoelectric transformer vibrates longitudinally with respect to the width direction of the main surface, and preferably operates in a fundamental wave mode. It is desirable to function as a step-down device.
Third embodiment
A third embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 8, in the piezoelectric transformer of the present invention, a voltage input unit 61, a voltage output unit 62, and a voltage input unit 63 are sequentially formed in the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 60 whose main surfaces are rectangular. In the piezoelectric substrate 60 in the input unit 61, two layers of internal electrode layers 25a and 25b for the input unit are alternately provided at predetermined intervals in the thickness direction, and eight layers are formed in the piezoelectric substrate 60 in the voltage output unit 62. The output portion internal electrode layers 27a and 27b are alternately provided at predetermined intervals in the thickness direction.
[0063]
In other words, the voltage input unit 61 has the input unit internal electrode layers 25a and 25b and the piezoelectric layer 29a alternately stacked, and the voltage output unit 62 has the output unit internal electrode layers 27a and 27b and the piezoelectric layer 31a alternately. It is laminated and configured.
[0064]
On the side surface of the piezoelectric substrate 60 in the voltage output unit 62, the output unit internal electrode layers 27a and 27b are exposed every other layer in the thickness direction of the piezoelectric substrate 60 as shown in FIG.
[0065]
That is, the output part internal electrode layer 27a is exposed on one and the same side surface of the piezoelectric substrate 60, and the output part internal electrode layer 27b is exposed on the same side surface.
[0066]
On the side surfaces of the piezoelectric substrate 60 in the voltage input portions 61 and 63, the input portion internal electrode layers 25a and 25b are exposed on the opposite side surfaces of the piezoelectric substrate 20, as shown in FIG. 9B.
[0067]
On the side surface of the piezoelectric substrate 60 in the voltage input units 61 and 63, the first external electrode 33a for input unit connected to the internal electrode layer 25a for input unit and the first input unit connected to the internal electrode layer 25b for input unit. The external electrode 33b is formed, and on the side surface of the piezoelectric substrate 60 in the voltage output unit 62, the output unit first external electrode 35a connected to the output unit internal electrode layer 27a and the output unit internal electrode layer 27b are connected. A first external electrode 35b for the output unit is formed.
[0068]
With this configuration, it is not necessary to form an insulating layer and connect to the internal electrode layer as compared with the first embodiment of the present invention, and the manufacturing process can be shortened.
[0069]
In addition, input main second external electrodes 37a and 37b and output second external electrodes 39a and 39b are formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate 60 in the voltage input units 61 and 63 and the voltage output unit 62, respectively. The input second external electrodes 37a and 37b and the output second external electrodes 39a and 39b are connected to the input first external electrodes 33a and 33b and the output first external electrodes 35a and 35b, respectively. ing.
[0070]
In the voltage input units 61 and 63 and the voltage output unit 62, the piezoelectric layers 29a and 31a are polarized in the thickness direction, and the polarization directions of the piezoelectric layers adjacent vertically above and below are reversed via the internal electrode layers. ing.
[0071]
This piezoelectric transformer vibrates longitudinally with respect to the width direction of the main surface, and preferably operates in a fundamental wave mode. It is desirable to function as a step-down device.
Fourth embodiment
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the piezoelectric transformer of the present invention, as shown in FIG. 10, a voltage input unit 71, a voltage output unit 72, and a voltage input unit 73 are sequentially formed in the longitudinal direction of a piezoelectric substrate 70 whose main surfaces are rectangular. In the piezoelectric substrate 70 in the input portion 71, four layers of the internal electrode layers 25a and 25b for the input portion are alternately provided at predetermined intervals in the thickness direction, and 10 layers are provided in the piezoelectric substrate 70 in the voltage output portion 72. The output portion internal electrode layers 27a and 27b are alternately provided at predetermined intervals in the thickness direction.
[0072]
That is, in the voltage input unit 71, the input part internal electrode layers 25a and 25b and the piezoelectric layer 29a are alternately laminated, and the surface piezoelectric layers 29b and 29c are formed on the surface of the lowermost input part internal electrode layers 25a and 25b. In the voltage output section 72, the output section internal electrode layers 27a and 27b and the piezoelectric layer 31a are alternately laminated, and the surface piezoelectric layer is formed on the surface of the lowermost output section internal electrode layers 27a and 27b. The body layers 31b and 31c are formed.
[0073]
On the side surface of the piezoelectric substrate 70 in the voltage output portion 72, the output portion internal electrode layers 27a and 27b are exposed every other layer in the thickness direction of the piezoelectric substrate 70 as shown in FIG.
[0074]
In other words, the output part internal electrode layer 27a is exposed on one and the same side surface of the piezoelectric substrate 70, and the output part internal electrode layer 27b is exposed on the same side surface.
[0075]
On the side surfaces of the piezoelectric substrate 70 in the voltage input portions 71 and 73, the input portion internal electrode layers 25a and 25b are exposed every other layer in the thickness direction of the piezoelectric substrate 70 as shown in FIG. Yes.
[0076]
That is, the output part internal electrode layer 25a is exposed on one and the same side surface of the piezoelectric substrate 70, and the output part internal electrode layer 27b is exposed on the same side surface.
[0077]
On the side surface of the piezoelectric substrate 70 in the voltage input portions 71 and 73, the first external electrode 33a for input portion connected to the internal electrode layer 25a for input portion and the first input portion input connected to the internal electrode layer 25b for input portion. The external electrode 33b is formed, and on the side surface of the piezoelectric substrate 70 in the voltage output unit 72, the output unit first external electrode 35b connected to the output unit internal electrode layer 27a and the output unit internal electrode layer 27b are connected. A first external electrode 35a for the output section is formed.
[0078]
With this configuration, it is not necessary to form an insulator layer as compared with the second embodiment of the present invention, and the manufacturing process can be shortened.
[0079]
Further, on both main surfaces of the piezoelectric substrate 70 in the voltage input portions 71 and 73 and the voltage output portion 72, second external electrodes 37a and 37b for input portions and second external electrodes 39a and 39b for output portions are formed, respectively. The input second external electrodes 37a and 37b and the output second external electrodes 39a and 39b are connected to the input first external electrodes 33a and 33b and the output first external electrodes 35a and 35b, respectively. ing.
[0080]
The uppermost input portion internal electrode layer 25b is an input portion second external electrode 37b, and the lowermost input portion internal electrode layer 25a is an input portion second external electrode 37a. The internal electrode layer 27b is connected to the output portion second external electrode 39b, and the lowermost output portion internal electrode layer 27a is connected to the output portion second external electrode 39a so as to have the same potential, and the surface layer piezoelectric body. The layers 29b, 29c, 31b, and 31c are piezoelectric layers that do not contribute to vibration.
[0081]
With this configuration, the surface of the surface piezoelectric layer is polished before forming the second external electrodes 37a and 37b for the input section and the second external electrodes 39a and 39b for the output section. The bottom surface can be made parallel to facilitate holding.
[0082]
In addition, the piezoelectric layers 29a and 31a in the voltage input portions 71 and 73 and the voltage output portion 72 are polarized in the thickness direction, and the polarization directions of the adjacent piezoelectric layers through the internal electrodes are reversed.
[0083]
This piezoelectric transformer vibrates longitudinally with respect to the width direction of the main surface, and preferably operates in a fundamental wave mode. It is desirable to function as a step-down device.
[0084]
【Example】
As an example of the first embodiment, the piezoelectric transformer (with different layer structures) shown in FIG. 1 was produced by a green sheet method. First, a PZT piezoelectric ceramic material is used as the piezoelectric ceramic material, Ag / Pd is used as the internal electrode material, and the green sheets made of the PZT piezoelectric ceramic material are used in FIGS. 3A, 3B, and 3C. , (D) is a screen printing of Ag / Pd paste in the shape of the internal electrode pattern, 8 layers of green sheets on which such internal electrode pattern is formed are laminated, and green on which no internal electrode pattern is formed. After the sheets were laminated, they were baked to obtain a piezoelectric substrate as shown in FIG.
[0085]
Thereafter, as shown in FIG. 4, an electrode paste mainly composed of silver and glass is applied and baked on both main surfaces, and the second external electrodes 37a and 37b for the input section and the second external electrodes 39a and 39b for the output section. At the same time, electrode paste was applied to both sides and baked to form polarization external electrodes 45a, 45b, 47a, 47b.
[0086]
In the voltage input portions 21 and 23 of the fabricated piezoelectric substrate 20, three piezoelectric layers 29 a and one input portion internal electrode layers 25 a and 25 b are stacked, and in the voltage output portion 22, the piezoelectric layers 31 a have 15 layers. The internal electrode layers 27a and 27b for the output part were laminated in layers of 7. The thickness of the piezoelectric layer 31a was 0.2 mm, and the thickness of the piezoelectric layer 29a was 1.0 mm.
[0087]
Thereafter, an electric field of 1.6 kV / mm was applied in silicon oil at 190 ° C. That is, 1.6 kV is applied between the second external electrodes 37a and 37b for the input section, 320V is applied between the second external electrodes 39a and 39b for the output section, polarization is performed for 10 minutes, and the piezoelectric substrate 20 is polarized in the thickness direction. Thus, a piezoelectric substrate as shown in FIGS. 4 and 5 was obtained.
[0088]
Next, it was processed into a broken line shape in FIG. 4 using a dicing saw to obtain a piezoelectric substrate 20 having a length of 35.2 mm and a width of 7.0 mm.
[0089]
Next, a polyimide insulating layer 15 was formed on the side surface of the piezoelectric substrate 20 by screen printing. Next, the first external electrodes 33a and 33b for the input part and the first external electrodes 35a and 35b for the output part are formed on the side surface of the piezoelectric substrate 20 by using the plating electrode, and the internal electrode layers 25a and 25b for the input part are output. The internal electrode layers 27a and 27b were electrically connected. The second external electrodes 37a and 37b for input part and the second external electrodes 39a and 39b for output part are electrically connected to the first external electrodes 33a and 33b for input part and the first external electrodes 35a and 35b for output part, respectively. did.
[0090]
The dimensions of the second external electrodes 37a and 37b for the input part of the voltage input parts 21 and 23 and the internal electrode layers 25a and 25b for the input part are 7.6 mm in the length direction of the main surface, and the width direction of the main surface Of the input portion second external electrodes 37a and 37b and the output portion second external electrodes 39a and 39b, and the input portion internal electrode layers 25a and 25b and the output portion internal electrodes. The distance between the layers 27a and 27b was 1.2 mm.
[0091]
The dimensions of the second external electrodes 39a and 39b for the output part of the voltage output part 22 and the internal electrode layers 27a and 27b for the output part are 7.6 mm in the length direction of the main surface, and are in the width direction of the main surface. The side was set to 7.0 mm.
[0092]
Then, input terminals are connected to the input part second external electrodes 37a and 37b (primary side electrodes) of the voltage input parts 21 and 23 of the piezoelectric transformer, and the output part second external electrodes 39a of the voltage output part 22 are connected. An output terminal was connected to 39b (secondary electrode), and a load resistance of 10Ω was connected to this output terminal. For the input voltage, a sine wave using a function generator is applied to the input side electrode, the output voltage (V) from the output terminal is detected, output current (mA), output power (mW), conversion efficiency (output power) / Input power × 100).
[0093]
When a sine wave having an amplitude of 5 V is input, output voltage = 0.895 V, output current = 89.5 mA, output power = 80 mW, maximum conversion efficiency (output power / input power × 100) = 83%, and gain (= Output voltage / input voltage) was 0.179.
[0094]
When a sine wave with an amplitude of 30 V is input, output voltage = 5.385 V, output current = 539.5 mA, output power = 2.9 W, maximum conversion efficiency (output power / input power × 100) = 82% The gain (= output voltage / input voltage) was 0.180.
[0095]
From this result, it was found that the transformer of the present invention can obtain a high voltage, a high current, a high power and a high conversion efficiency even when the load resistance is as small as about 10Ω, and can be sufficiently used at a low load. Therefore, in the piezoelectric transformer of the present invention, a large current can be obtained on the output side, the output power can be increased at a low load, the transformer shape is small, and the polarization is unidirectional. Obviously, it is easy to manufacture.
[0096]
For comparison, a Rosen-type piezoelectric transformer as shown in FIG. 12 was produced. Here, the piezoelectric substrate has a length of 30 mm, a width of 4.5 mm, and a thickness of 1.0 mm. The electrode is applied so that the primary electrode is 15 mm from one end to the center and is uniform on both sides. About the secondary side electrode, it formed in the end surface part. The primary electrode was used as an input, the secondary electrode was used as an output, and various load resistors RL were connected to this output terminal. When RL = 10Ω, the output voltage cannot be measured, and it can be seen that the comparative example cannot be used at a low load. In the case of RL = 10 kΩ, the output voltage = 29.8 V, the output current = 2.98 mA, the output power = 44.4 mW, and the output power was high at the high load resistance.
[0097]
【The invention's effect】
In the piezoelectric transformer of the present invention, if an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the fundamental wave that longitudinally vibrates in the width direction of the main surface of the piezoelectric substrate is input between the input portion internal electrodes of the voltage input portion, Mechanical coupling coefficient K ' ₃₁ The fundamental wave of the longitudinal vibration in the width direction is excited on the piezoelectric substrate, and again the electromechanical coupling coefficient K ′ ₃₁ Therefore, an output voltage having the same frequency as the input voltage is generated between the output unit internal electrodes of the voltage output unit, and a large output current can be taken out as compared with a conventional Rosen piezoelectric transformer.
[0098]
Further, the capacitance of the voltage output unit can be set to a desired value by changing the laminated structure of the voltage output unit, and impedance matching with the device can be facilitated.
[0099]
Furthermore, the capacitance of the voltage input unit can be set to a desired value by changing the laminated structure of the voltage input unit, and the ratio of the capacitance between the input unit and the output unit can be freely changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric transformer of the present invention.
2 shows the piezoelectric transformer of FIG. 1, wherein (a) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a print pattern when producing the piezoelectric transformer of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view of a piezoelectric ceramic during the production of the piezoelectric transformer of the present invention.
5 shows a cross-sectional view of the piezoelectric ceramic of FIG. 4, wherein (a) is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 4, and (b) is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. (C) is sectional drawing along the EE line of FIG.
FIG. 6 is a perspective view showing another piezoelectric transformer of the present invention.
7 shows the piezoelectric transformer of FIG. 6, in which (a) is a sectional view taken along line FF in FIG. 6, and (b) is a sectional view taken along line GG in FIG.
FIG. 8 is a perspective view showing still another piezoelectric transformer of the present invention.
9 shows the piezoelectric transformer of FIG. 8, wherein (a) is a cross-sectional view taken along line HH in FIG. 8, and (b) is a cross-sectional view taken along line II in FIG.
FIG. 10 is a perspective view showing still another piezoelectric transformer of the present invention.
11 shows the piezoelectric transformer of FIG. 10, where (a) is a cross-sectional view taken along line JJ in FIG. 10, and (b) is a cross-sectional view taken along line KK in FIG.
FIG. 12 is a perspective view showing a conventional Rosen piezoelectric transformer.
[Explanation of symbols]
20, 50, 60, 70 ... piezoelectric substrate
21, 23, 51, 53, 61, 63, 71, 73 ... voltage input section
22, 52, 62, 72 ... Voltage output section
25a, 25b ... internal electrode layer for input part
27a, 27b... Internal electrode layer for output section
29a, 31a ... piezoelectric layer
29b, 29c, 31b, 31c... Surface piezoelectric layer
33a, 33b ... first external electrode for input section
35a, 35b ... first external electrode for output section
37a, 37b ... second external electrode for input section
39a, 39b ... second external electrode for output section

Claims

The length of the both main surfaces are rectangular piezoelectric substrate, voltage input, sequentially forming a voltage output unit alternately, the piezoelectric substrate in the voltage input and the voltage output unit, each of two or more input parts internal electrode layers and internal electrode layers output section has the thickness direction is provided at predetermined intervals Rutotomoni, on both major surfaces of the piezoelectric substrate in the voltage input and the voltage output unit, for each input unit The second external electrode and the second external electrode for the output part are provided, the second external electrode for the input part, and the internal electrode for the input part arranged closest to the second external electrode for the input part And the second external electrode for output section and the internal electrode layer for output section disposed closest to the second external electrode for output section are the same. are connected so that a potential, said voltage input To contribute piezoelectric layer on the vibration is formed of two or more layers, and the piezoelectric transformer, characterized in that the longitudinal vibration in the fundamental mode with respect to the width direction of the main surface of the piezoelectric substrate.

The number of layers of the internal electrode layer and the output portion of the voltage output unit, according to claim 1, wherein the piezoelectric transformer, characterized in that more than the number of layers of the internal electrode layer said input unit in the voltage input.

A side surface of the piezoelectric substrate in the voltage input section, a pair of first external electrode input for alternately connecting the internal electrode layer wherein the input unit is respectively provided, on the side surface of the piezoelectric substrate in the voltage output unit 3. The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein a pair of first external electrodes for the output section that are alternately connected to the output section internal electrode layers are provided.

Claim 3 in which the second external electrode the input unit, the second external electrode and the output unit, each of the first external electrode the input unit, characterized in that it is connected to the first external electrode and the output unit The piezoelectric transformer as described.

The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the piezoelectric transformer is used for step-down.