JPH04127486A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 圧電トランスに関し、 大きな昇圧比を有し、かつ、出力インピーダンスが低（
大きな負荷電流が得られる信頼性の高い圧電トランスを
実用化することを目的とし、一様に分極され単分域化さ
れた圧電体基板を用いる圧電トランスであって、前記圧
電体基板の長さ方向の一部両面から厚さ方向に入力電圧
を印加して圧電的に振動を励起し、前記入力電圧を印加
してない部分の板厚方向に発生する電圧を出力として取
り出すように圧電トランスを構成する。具体的にはこの
ような圧電体基板としてＺ軸方向に一様に分極され単分
域化されたニオブ酸リチウム単結晶の１２０゜〜１６０
°回転Ｙ板を用いて効果的に構成することができる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は圧電トランス、とくに、圧電単結晶。

たとえば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶の
回転Ｙ板を用い、大きな負荷電流が得られて、しかも、
安定性の高い圧電トランスの構成に関する。

〔従来の技術１ 陰極線管（ＣＲＴ）の電子線の偏向や静電印刷における
光導電ドラムの帯電、さらには、ＤＣコンバータの電圧
変換用トランスなど、数ｋＶ以上の高電圧を必要とした
機器が多くある。現在、−船釣には電磁トランスを使用
しているが、小型・軽量でソリッドステートなデバイス
として圧電トランスが注目され一部に具体的に提案され
ている。

第９図は従来の圧電トランスの構造例を示す図で、Ｒｏ
ｓｅｎによって提案された代表的な例であり（Ｃ，Ａ、
　Ｒｏｓｅｎ：Ｐｒｏｃ、　、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　Ｓｙｍｐ、　。

ｐ２０５．１９５７）　、同図（イ）は斜視図、同図（
ロ）は断面図である。

図中、ｌｏは圧電セラミック板、たとえば、チタン酸バ
リウムセラミック板で、長方形の薄板の。

たとえば、図示したごとく中央部から左側は板厚方向に
分極（Ｐ、　）　Ｌ、右側は板の長さ方向に分極（Ｐ。

）しである。そして左側の分極（Ｐｌ）部分の両面に入
力電極２を形成して入力部とし、右側の分極（Ｐ。）部
分の右端に一方の出力電極３′を形成し、他方の出力電
極は一方の入力電極２と共用させである。

いま、両面の入力電極２の間に長さ方向の寸法で決まる
共振周波数の入力電圧■１を印加すると。

たとえば、図中、変位が実線ｄ、破線ｄ°で示したごと
き長さ方向の振動が励起され、圧電縦効果を介して出力
電極３′、２間に高電圧Ｖ。が発生する。この場合、出
力端無負荷時の昇圧比（Ｖ、／Ｌ）は次式で表される。

Ｖ、／Ｖ＋　＝４／ｆｆ”　・ｋｓ＋　　・ｋｓ３Ｑ−
”Ｌ２／Ｔ　−−・−−一−−・・−−−−−・・−＜
ｉ＋こ＼で、ｋ３１は横効果の結合係数、に３３は縦効
果の結合係数＋Ｑａは圧電板ｌ°の機械的Ｑ、　Ｌ２は
右半分の長さ方向の分極（Ｐｏ）部分の長さ、Ｔは圧電
セラミック板の厚さである。

すなわち、このような構造の圧電トランスの昇圧比（■
。／■１）は、横効果の結合係数に３１＋縦効果の結合
係数に３ｓおよび圧電板１゛の機械的ＱであるＱ、の積
に比例する。そして、デバイスとしては中央部の振動の
節の部分を支点５で支えて固定し圧電トランスを構成し
ている。

〔発明が解決しようとした課題〕

しかし、上記従来の圧電セラミック板を用いた圧電トラ
ンスでは、入力部と出力部の境界、たとえば、圧電セラ
ミック板１“の中央部分で分極方向が直交するように分
極処理をしなければならず、このために振動変位の大振
巾時に歪み集中などが原因となって破壊するなどのトラ
ブルが生じる。

また、一般にセラミックは入力電圧を上げていくと飽和
特性を示したり、大振巾時に発熱その他の原因により圧
電定数や弾性定数が劣化して動作安定性や長期の信頼性
に不安がある。さらに、出力部に縦効果を用いているの
で静電容量が小さく。

すなわち、出力インピーダンスが高（なり、したかって
、負荷電流が大きくとれないなど多くの問題があり、そ
の解決が求められている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、一様に分極され単分域化された圧電体基
板ｌを用いる圧電トランスであって、前記圧電体基板ｌ
の長さ方向の一部両面から厚さ方向に入力電圧を印加し
て圧電的に振動を励起し、前記入力電圧を印加してない
部分の板厚方向に発生する電圧を出力として取り出すよ
うに構成した圧電トランスによって解決することができ
る。具体的には前記圧電体基板ｌの、たとえば、長さ方
向に励振される縦振動モードの振動が半波長共振（基本
波振動）であるように構成したり、前記圧電体基板ｌの
長さ方向に励振される縦振動モードの振動が一波長共振
（２次振動）であるように構成する。また、前記圧電体
基板ｌの両面に設けられた入出力電極２および３の少な
くとも一方の出力電極３ａが圧電体基板ｌの周辺端部よ
りも内側に形成されるようにしたり、前記圧電体基板１
の少な（とも一方の面に前記入出力電極２．３の電極端
子引出し部２０．３０を除いて保護膜４を形成して動作
安定性を高めることができる。

さらに、前記圧電体基板ｌの材料としてはＺ軸方向に一
様に分極され単分域化されたニオブ酸リチウム単結晶の
回転Ｙ板、とくに、１２０゜〜１６０゜回転Ｙ板を用い
た圧電トランスにより効果的に解決することができる。

〔作用〕

本発明によれば、入力部を圧電横効果により駆動し出力
部も横効果を用いて出力をとり出している。この場合の
出力端無負荷時の昇圧比は次式で表される。

Ｖ、／Ｖ、　ｃ＝−ｋ、　　　ｋ、　　　Ｑ、　　　Ｌ
、／Ｌ、　−ｍ−（２）こ＼で、ｋ、、に、はそれぞれ
入力部、出力部に用いた圧電効果の電気機械結合係数、
Ｌ、、Ｌ。

はそれぞれ入力部、出力部における電極間の距離である
。

本発明の構成ではに、　＝　ｋ。であるので、昇圧比は
横効果の結合係数の自乗に比例する。一方、Ｌ、／Ｌ、
　＝１なので従来例より昇圧比の低下が予想されるが、
圧電体基板としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯｓ）単
結晶を用いればＱ、が約１００００と非常に高いので昇
圧比は充分高（とれる。しかも、本発明は構造上静電容
量が太き（出力インピーダンスが小さいので負荷をつな
いでも昇圧比の低下は小さく、通常の電磁トランスのよ
うに電力伝送ができる圧電トランスが構成されるのであ
る。

さらに、従来の縦効果を用いる場合に比較して出力部の
電極形成が極めて容易で、全ての工程がウェーハ上での
一括処理を可能とし製品の低価格化が実現できる。

また、単結晶を用いているので誘電損失や機械損失が小
さいので変換効率が高＜、シたがって、自己発熱による
温度上昇も少なく、特性が安定しており動作安定性と長
期の信頼性も極めて優れているのである。

〔実施例〕

通常、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯａ）のような圧電
、単結晶は圧電セラミックとは異なり、入力部と出力部
で自発分極の方向を変えることはできないが、そのカッ
トの方位を最適に選択することによって圧電トランスに
適用可能であることがわかった。

第３図はＬｉＮｂＯ５回転Ｙ板における結合係数の回転
角依存性を示す図で、縦軸に電気機械結合係数（横効果
のに２３）、横軸に回転角をとっである。すなわち、１
２０〜１６０°の範囲に大きな結合係数を有しピーク値
は１３７°であることがわかる。

第１図は本発明の第１実施例を示す図で、同図（イ）は
斜視図、同図（ロ）は断面図である。

図中、ｌは圧電体基板、たとえば、ニオブ酸リチウム（
ＬｉＮｂＯｓ）単結晶板でＺ軸方向に一様に分極処理を
行った単結晶から切り出された。たとえば、回転Ｙカッ
ト板（１４０°回転Ｙカット板）である。

２は入力電極で圧電体基板１の中央から左側の半分の両
面に厚さ３０ｎｍのＮｉＣｒを下地にしその上に厚さ１
１００ｎのＡｕを何れも真空蒸着により形成した。３は
出力電極で圧電体基板１の中央から右側の半分の両面に
、同様に厚さ３０ｎｍのＮｉＣｒを下地にしその上に厚
さ１１００ｎのＡｕを何れも真空蒸着により形成した。

図では入出力電極は両面とも分離して形成しであるが、
一方、たとえば、下面側を一枚の連続した共通電極とし
て形成しても構わない。図中、板の側面図あるいは側断
面に図示した矢印ｐは分極方向を概念的に示したもので
ある。

いま、図示してない交流発振電源から入力電極２に長さ
方向の寸法で決まる共振周波数の入力電圧ｖ１を印加す
ると、たとえば、同図（ロ）に示した変位が実線ｄ、破
線ｄ′で示したごとき長さ方向の振動（基本振動）が励
起され、圧電横効果を介して出力電極４に高電圧ｖ０が
発生するので、たとえば、ハイインピーダンスの交流電
圧計でそれを測定すれば昇圧比（■。／Ｖ、）を求める
ことができる。この場合、振動が有効に励起されるよう
に圧電単結晶板ｌは振動の節、すなわち、図示した例で
は中央部を支点５で支えるように、たとえば、図示して
ないベースの上に接続搭載する。

また、各電極からは、たとえば、Ａｕワイヤでボンディ
ングすればよい。

第２図は本発明の第２実施例を示す図で、５ａ、５ｂは
支点である。

なお、前記の諸図面で説明したものと同等の部分につい
ては同一符号を付し、かつ、同等部分についての説明は
省略する。

圧電体基板ｌとしてはＬ　１Ｎｂ０３をＺ軸方向に一様
に分極処理して単分域化した単結晶から切り出された１
４０°回転Ｙカット板で、板の大きさは長さ２０ｍｍ、
巾７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのものを用い、入力電極２と
しては圧電体基板１の中央から左側に９．５ｍｍの長さ
にわたって両面に厚さ３０ｎｍのＮｉＣｒを下地にしそ
の上に厚さ１１００ｎのＡｕを何れも真空蒸着により形
成した。出力電極３は同様の構成で右側の端部から８．
５ｍｍの長さにわたって同じ（真空蒸着により形成した
。したがって、板の中央近辺に巾２ｍｍの入出力電極間
ギャップが形成されている。なお、板の側断面に図示し
た矢印ｐは分極方向を概念的に示したものである。

本実施例では入力電極２に長さ方向に２次モードの振動
が励起されるような周波数の入力電圧を印加した場合で
、図示したごと（振動の節が２個所に生じるので圧電体
基板ｌを２つの支点５ａ、　５ｂで保持することができ
実装上安定なデバイスを構成できる利点がある。また、
電極リードもこの節近辺から取り出せばよく、Ｑ、の低
下やリード線の断線などといったトラブルが起こる恐れ
がない。

第４図は入力電圧と出力電圧の関係を示す図で、前記第
２実施例の場合について図示したものであり、縦軸に出
力電圧、横軸に入力電圧をとっである。２次モードの共
振周波数が約３０３ＫＨｚ、入力電圧は実効値、出力電
圧は整流した直流電圧で整流回路は負荷抵抗１００ＭΩ
、リップルを生じないように４７００９Ｆのコンデンサ
を用いた。図かられかるように極めて簡単な構造で約８
２０という大きな昇圧比が得られ、しかも、直線性のよ
い特性を示している。

第５図は昇圧比および出力電流の負荷抵抗依存性を示す
図で、図中、○実線が昇圧比、×破線が出力電流である
。同じく前記第２実施例の場合について入力電圧がＩＶ
のときのデータであり、図から、たとえば、５ＭΩの負
荷に５００■の電圧をかけるためには負荷電流は０．１
ｍＡで、その時の昇圧比は約１５０であることから入力
電圧は約３．３Ｖでよいことがわかる。

上記実施例では２次モードの振動について示したが、必
要によりさらに高い高調波振動を用いてもよいことは勿
論である。

第６図は共振時の入力抵抗の負荷抵抗依存性を示す図で
、縦軸に共振時の入力抵抗Ｒ，を、横軸に負荷抵抗Ｒ１
をとっである。図中、■は本発明の入力横効果−出力横
効果の場合、■は従来の入力横効果−出力縦効果の場合
で、よ（知られたメーソンの等価回路モデルを用いたコ
ンピュータシミュレーションにより計算した結果である
。試料の圧電体基板ｌとしてはＬｉＮｂＯ５の１２８°
回転Ｙ板で、そのサイズは長さ３０ｍｍ、巾６．６ｍｍ
、厚さ０．５ｍｍ、入力電極および出力電極はそれぞれ
両端から１４．５ｍ　ｍの長さに形成した場合について
の計算である。また、−点鎖線の右下部（Ａ領域）は昇
圧動作領域で左上部（Ｂ領域）は降圧動作領域である。

この図から本発明では昇圧、降圧いずれのトランス動作
にも対応できることがわかる。

なお、本図から凡その昇圧比の推定や所定の電源から伝
送可能な電力の大きさの推定も可能である。

第７図は本発明の第３実施例を示す図である。

上記実施例で入力電圧を大きくしていくと、出力電圧が
数ＫＶで出力とアース電極間で放電が生じる場合がある
。これは圧電体基板ｌの厚さが薄いために空気の絶縁破
壊電圧に達したためで、これを防止する目的で図示した
ごとく前記圧電体基板ｌの両面に設けられた入出力電極
２，３の少なくとも一方の出力電極、たとえば、上側の
出力電極３ａが圧電体基板ｌの周辺端部よりも約１ｍｍ
の巾を残して内側に形成されるようにしたもので、これ
により出力電圧が絶縁破壊を起こすことな（約２倍に向
上した。その他の入出力電極も基板端部からずらせるよ
うにしてもよいことは言うでもない。

第８図は本発明の第４実施例を示す図で、図中、４は保
護膜、６は電極リード、２０．３０は電極端部引出し部
である。

なお、前記の諸国面で説明したものと同等の部分につい
ては同一符号を付し、かつ、同等部分についての説明は
省略する。

本実施例では電極部の保護と出力電極の絶縁破壊の防止
を兼ねて、圧電体基板１の少なくとも一方の面に、入出
力電極２，３の電極端子引出し部２０゜３０を除いて保
護膜４を形成する例であり、保護膜４としては、たとえ
ば、厚さ０．５〜１μｍの５ｉ０２膜をスパッタ法で形
成するか、同じ＜　ＳｉＮ、膜をＣＶＤ法などで形成す
ればよい。電極端子引出し部２０．３０は、たとえば、
イオンエツチングなどで適宜の大きさに形成すればよく
、そこから各電極リード６をそれぞれの電極にボンディ
ング接続すればよい。

なお、本実施例を前記第７実施例で示した電極を基板端
部から後退させる方法と共用し、より効果を高めるよう
にしてもよいことは勿論である。

以上述べた実施例は例を示したものであり、本発明の趣
旨に添うものである限り、上記実施例に示した以外の素
材（たとえば、ＬｉＴａＯ５単結晶など）、素子構成、
あるいは、それらの組み合わせや。

また、膜形成技術についても他の方法を適宜用いて、本
発明の圧電トランスを構成してよいことは言うまでもな
い。

〔発明の効果〕

以上詳しく述べたように、本発明によれば、圧電体基板
ｌは単一の方向に分極を揃えた圧電材料。

とくに、端分域化された単結晶であり、それから所望の
カットを選択することにより充分大きな昇圧比のトラン
ス作用が得られる。とくに、ＬｉＮｂＯ３は圧電定数積
が大きく、かつ、機械的Ｑもセラミックに比較してはる
かに大きいのでより大きな昇圧比が得られる。　とくに
、入出力とも横効果を用いているので出力インピーダン
スが低（、シたがって、大きな負荷電流がとれ、かつ、
昇圧比も大きい。

さらに、単結晶の特性として誘電損失や機械損失が小さ
いので変換効率が高り、シたがって、自己発熱による温
度上昇も少なく特性が安定しており、圧電トランスの性
能１品質ならびに信頼性の向上に寄与するところが極め
て大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は本発明
の第２実施例を示す図、第３図はＬｉＮｂＯ３回転Ｙ板
における結合係数の回転角依存性を示す図、 第４図は入力電圧と出力電圧の関係を示す図、第５図は
昇圧比および出力電流の負荷抵抗依存性を示す図、 第６図は共振時の入力抵抗の負荷抵抗依存性を示す図、 第７図は本発明の第３実施例を示す図、第８図は本発明
の第４実施例を示す図、第９図は従来の圧電トランスの
構造例を示す図である。 図において、 ｌは圧電体基板、 ２（２ａ、　２ｂ）は入力電極、 ３（３ａ、　３ｂ）、　３’は出力電極、４は保護膜、 ５（５ａ、　５ｂ）は支点、 ６は電極リート、 ２０、３０は電極端子引出し部である。 ７入力譲様 （ロ）断面図 藁 図 本針明のＺ２実旋佼ＩＹ示イ図 ’ｊｆ”、２図 回転角０ｉ） ＬＩＮｂｏａ回転Ｙ４反（二お（する結合係数の回転角
薇昏・１１を示す勿第　　３　　図 入力電圧Ｖ：　（Ｖ） 入力電圧と出力電圧の閏イ系之示ｆ図 竿 図 負＠Ｅ札Ｒえ（Ω） 筏１に許の入力１ｋｌｌｌＬＯ＊狛）ｆｘｌ几板で）（
１−を応待ツ第　　／）　　口 ２α 弘 本紀１月の″Ｉｊ３突バリ列を１．４２寥 図 ２０３０：ｉ□杢に事都）引出し客Ｄ ＃’ｉｅ−＋１（Ｉ）’Ａ　４　＊Ｊ＋７’ｌ　’ｔ　
カス（’Ｗ箋 図 （ＡＩ）主１ ル ツ イ足釆のＥ−電トラン又の構造４列乞示イロ竿 フ 図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）一様に分極され単分域化された圧電体基板（１）
   を用いる圧電トランスであって、前記圧電体基板（１）
   の一部の板厚方向に電界を印加し、他の一部の板厚方向
   に生じる電界を出力電圧として取り出すことを特徴とし
   た圧電トランス。
2. （２）長さ方向に振動する一様に分極され単分域化され
   た圧電体基板（１）を用いる圧電トランスであって、前
   記圧電体基板（１）の長さ方向の一部両面から厚さ方向
   に入力電圧を印加して圧電的に振動を励起し、前記入力
   電圧を印加してない部分の板厚方向に発生する電圧を出
   力として取り出すことを特徴とした圧電トランス。
3. （３）前記圧電体基板（１）の長さ方向に励振される縦
   振動モードの振動が半波長共振（基本波振動）であるこ
   とを特徴とした請求項（２）記載の圧電トランス。
4. （４）前記圧電体基板（１）の長さ方向に励振される縦
   振動モードの振動が一波長共振（２次振動）であること
   を特徴とした請求項（２）記載の圧電トランス。
5. （５）前記圧電体基板（１）の両面に設けられた入出力
   電極（２，３）の少なくとも一方の出力電極（３ａ）が
   圧電体基板（１）の周辺端部よりも内側に形成されてい
   ることを特徴とした請求項（１）〜（４）記載の圧電ト
   ランス。
6. （６）前記圧電体基板（１）の少なくとも一方の面に、
   前記入出力電極（２，３）の電極端子引出し部（２０，
   ３０）を除いて保護膜（４）を形成することを特徴とし
   た請求項（１）〜（５）記載の圧電トランス。
7. （７）前記圧電体基板（１）がＺ軸方向に一様に分極さ
   れ単分域化されたニオブ酸リチウム単結晶の回転Ｙ板で
   あることを特徴とした請求項（１）〜（６）記載の圧電
   トランス。（８）前記ニオブ酸リチウム単結晶の回転Ｙ
   板の回転角が１２０゜〜１６０゜の範囲であることを特
   徴とした請求項（７）記載の圧電トランス。