JPH0418713B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高周波帯で使用可能な圧電トランスフ
イルタに関するものである。

圧電トランスは、通常、共振状態で使用され、
共振周波数において最大の効率及び昇圧比が得ら
れるものであり、一般の巻線型トランスに比較し
て、(1)小型化がはかれること、(2)不燃化がはかれ
ること、(3)電磁誘導がないことなど数多くの特徴
を備えており、実用化がすすめられている。

第１図に従来の代表的な圧電トランスであるロ
ーゼンタイプ圧電トランスの構造を示す。第１図
について説明すると表面に電極が設けられた圧電
板において、１１で示す部分は圧電トランスの駆
動部分であり、その上下面に電極１３，１４が設
けられており、この部分は厚み方向に分極されて
いる。（図中の矢印で示す。）また、同様に１２で
示す部分は発電部分であり、その端面に電極１５
に設けられており、発電部分１２は圧電板の長さ
方向に分極されている。（図中の矢印で示す。） この圧電トランスの動作は、駆動電極１３，１
４に電圧が印加されると横効果31モードで電気機
械結合係数k₃₁を介して縦振動が励振される。そ
して発電部分１２において電気機械結合係数k₃₃
を介して電極１５から高電圧が取り出される。

他のタイプの圧電トランスも、いずれもローゼ
ンタイプと同様に板の伸び振動を利用したもの
や、円板の拡がり振動を利用したものであり、適
用周波数はせいぜい200KHz程度である。

また、第１図に示した圧電トランスは、いずれ
も単一共振利用のため負荷による出力電圧変動の
ほかに、周囲温度変化や自己発熱などによる電圧
変動が大きく、その上使用帯域幅が狭く周波数安
定度に乏しいといつた欠点がある。

これらの欠点を改善する一つの方法として、帯
域通過形の機械フイルタ構成とした圧電トランス
フイルタが提案されている。（日本音響学会誌33
巻10号、524頁、1977年）ここで提案されている
代表的なトランスフイルタを第２図に、またその
等価回路表示を第３図に示す。

第２図について説明すると、２０は厚み方向に
分極された（矢印で示す。）横効果低インピーダ
ンス振動子で２３，２４は駆動電極であり、２１
は長さ方向に分極された縦効果高インピーダンス
振動子で、２５，２６は発電電極である。これら
２種の振動子を結合子２２が機械的に結合させて
おり、駆動用電気端子２７，２７′が駆動電極２
３，２４と接続し、また出力用電極端子２８，２
８′は発電電極２５，２６と接続している。

第２図に示した圧電磁器トランスフイルタは、
周知の如く、f₁，f₂と二つの共振モードが現わ
れ、f₁，f₂の間が通過帯域となり、通過帯域にお
いて出力電圧が最も大きくとり出される。第３図
は、第２図に示した圧電磁器トランスフイルタの
等価回路でC_d1，A₁，s₁，m₁はそれぞれ横効果低
インピーダンス振動子２０の制動容量、力係数、
等価スチフネス、等価質量を示し、s_cは結合子２
２の等価スチネフ、C_d2，−C_d2，A₂，s₂，m₂はそ
れぞれ縦効果高インピーダンス振動子２１の制動
容量、負容量、力係数、等価スチフネス、等価質
量を示す。即ち、横効果低インピーダンス振動子
の力係数A₁と縦効果高インピーダンス振動子の
力係数A₂の大きさの違いを利用してトランスフ
イルタを得ようとする構成である。しかし、第２
図に示したトランスフイルタは、第１図に示した
ローゼンタイプの単一共振形圧電トランスの欠点
を改善することはできるが、圧電危機板の長さ方
向の縦振動を用いている点で、やはり適用周波数
は最高200KHz程度である。

以上従来例で示したように、電圧トランス、圧
電トランスフイルタの適用周波数領域は低周波帯
においてのみであつた。

一方、数ＭHz以上の高周波帯において、一例と
してPCM搬送装置の中継器では搬送液からタイ
ミングパルスを抽出し、しかも入力信号電圧に比
べ出力電圧を大きくとるようなトランスフイルタ
が必要とされていることは周知の通りである。こ
のトランスフイルタを圧電トランスフイルタで実
現することができれば、装置の著しい小型化及び
固体化が可能であるが、現在のところこのような
圧電トランスフイルタは実現されていない。

本発明はこのような要求に答える数ＭHz以上の
高周波帯において十分な機能を有する圧電磁器ト
ランスフイルタを提供することを目的とする。

本発明の圧電磁器トランスフイルタは板厚方向
に一様に分極された圧電磁器板において、板厚方
向に互に重なり合う位置で、主面に対して平行な
４層以上の電極からなる部分電極群と圧電磁器中
の電極のない弾性的な結合部を介して、同様に主
面に対して平行で、板厚方向に互いに重なる２層
の部分電極を具備しており、４層以上の複数の部
分電極群に関して、各電極は一層おきに２つの電
気端子のうちの一方の端子と接続し、残りの電極
は他方の電気端子と接続する構造を有している。
ここで、電極が４層であれば３次の高次モード、
６層であれば５次の高次モードが励振される。一
般にｎ＋１層の電極に対しｎの厚みたて高次モー
ドが強勢に励振されるわけである。

また一対の平行電極に関して、基本厚みたて振
動の他に、３次５次といつた奇数次の高次モード
が励振させることは周知の通りである。

即ち、本発明の圧電磁器トランスフイルタは数
ＭHz以上の高周波帯で動作させるため、厚みたて
振動の奇数次の高次モードを用い、また良好な共
振応答を得るためにエネルギー閉じ込め現象を利
用した新しい機能素子である。

以下本発明を図面に従つて説明する。本発明の
圧電磁器トランスフイルタの構造の例について第
４図、第５図を用いて説明する。第４図に示すよ
うに本発明のトランスフイルタは積層構造となつ
ており、キヤステイング法により製造した圧電磁
器粉末と有機物からなる生シート４０の上にエネ
ルギー閉じ込み部分電極４１，４１′，４２，４
２′及びリード電極４３，４３′，４４，４４′が
設けられる。ついで、これらの生シートを積層、
圧着、焼成し、板厚方向に一様に分極されて、本
圧電磁器トランスフイルタは製造される。

本発明は圧電磁器トランスフイルタの一例の断
面図を第５図に示す。第５図に示した例では圧電
磁器板４０′の左側に４層のエネルギー閉じ込め
電極４１，４１′のある低インピーダンス部分、
及び２層のエネルギー閉じ込め電極４２，４２′
のある高インピーダンス部分から構成される。矢
印は分極方向を示す。ここで左側の電極群におい
て、１層おきに配置されている電極４１はすべて
の電気端子５０と接続されており、残りの電極４
１′はもう一方の電気端子５０′に接続されてい
る。同様に、右側の相対向する２層の電極４２，
４２′はそれぞれ電気端子５１，５１′に接続され
ている。第５図の左側の低インピーダンス部分に
おいて、隣接する各層間において、電界方向は互
いに異なり、また分極方向は板厚方向に一様であ
るから、厚みたて高次モード（この場合３次モー
ド）が強勢に励振されるわけである。右側の高イ
ンピーダンス部分において、周知の如く基本厚み
たて振動の他に３次、５次、…といつた奇数次高
次モードが励振される。この圧電磁器トランスフ
イルタは、周知のモノリシツク二重モードフイル
タと同様のふるまいをし、第５図左の低インピー
ダンス部分と右側の高インピーダンス部分におけ
る力係数が大きく異るわけであるから、厚みたて
３次モードにおいて第３図に示した複合機械系の
圧電磁器トランスフイルタと同様の等価回路で表
現できる。

即ち本発明の圧電磁器トランスフイルタは、高
次厚みたて振動を用いたトラスフイルタ構成とな
つているため、数ＭHz以上の周波数帯において昇
圧が可能であり、圧電トラスフイルタの適用領域
を著しく拡張するものである。

なお第５図において、低インピーダンス部分に
おける電極は４層であつたが、一般にｎ次の奇数
次高次モードに対してｎ＋１層の電極を形成する
ことにより、ｎ次の高次モードを利用した圧電ト
ランスフイルタが実現できることは言うまでもな
い。

次に本発明の一実施例として第５図に示した構
造を有する中心周波数f₀が10.7MHzの圧電磁器ト
ランスフイルタについて述べる。まず、圧電磁器
として３次厚みたて振動モードのエネルギー閉じ
込めが可能な、厚みたて結合係数k_tが0.43の
PbTiO₃系圧電磁器を用いた。この圧電磁器粉末
と有機バインダー及び有機分散媒からなる生シー
ト上に電極を形成し、積層、圧着し、所定の大き
さに切断したあと、1200〜1400℃の温度で焼成し
た。焼成後、圧電磁器板の側面に銀電極を形成し
電気端子５０，５０′，５１，５１′とし、厚み方
向に一様に分極処理を行つた。第５図中の矢位は
分極方向を示す。また周波数調整は圧電磁器板を
平行平面研磨することにより行つた。最後的な板
厚は0.615mmである。また第５図左側の低インピ
ーダンス部分の電極４１，４１′の間隔は0.19mm、
右側の高インピーダンス部分の電極４２，４２′
の間隔は0.57mm、全体の外形は10mm×８mmであ
る。

このときの入力電圧V_iに対する出力電圧V₀の
比V₀／V_iの周波数特性を第６図に示す。第６図
のグラフは中心周波数f₀が10.7MHzで横軸に周波
数（単位ＫHz）、縦横にV₀／V_iの値をとつてい
る。第６図から、f₀において40倍近い昇圧比が得
られていることがわかる。

以上述べたように、本発明の圧電磁器トランス
フイルタは数ＭHz以上の高周波帯において良好な
周波数選択特性と昇圧特性を同時に実現できるも
のであり、大きな工業的価置を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のローゼンタイプ圧電トランス
を示す斜視図。第２図は、従来の複合機械フイル
タ構成の圧電磁器トランスフイルタを示す斜視
図。第３図は、第２図に示した従来の複合機械フ
イルタ構成の圧電磁器トランスフイルタの等価回
路図。第４図は、本発明の圧電磁器トランスフイ
ルタの積層構造を示す図。第５図は、本発明の圧
電磁器トランスフイルタの一例を示す断面図。第
６図は、第５図に示す構造の圧電磁器トランスフ
イルタの特性図。 以上の図において、１１は圧電トランスの駆動
部分、１２は圧電トランスの発電部分、１３，１
４，１５は電極、２０は厚み方向に分極された横
効果低インピーダンス振動子、２１は長さ方向に
分極された縦効果高インピーダンス振動子、２２
は結合子、２３，２４，２５，２６は電極、２
７，２７′，２８，２８′は電気端子、C_d1，A₁，
s₁，m₁はそれぞれ横効果低インピーダンス振動
子の制動容量、力係数、等価スチフネス、等価質
量、s_cは結合子の等価スチネフネス、C_d2，−C_d2，
A₂，s₂，m₂はそれぞれ縦効果高インピーダンス
振動子の制動容量、負容量、力係数、等価スチフ
ネス、等価質量、４０は圧電磁器生シート、４
０′は焼成した圧電磁器板、４１，４１′，４２，
４２′はエネルギー閉じ込め電極、４３，４３′，
４４，４４′はリード電極、５０，５０′，５１，
５１′は電気端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 厚み方向の一定の向きに分極処理された圧電
   磁器板内部に、主面と平行に厚み方向に互いに重
   なり合う位置に４層以上のエネルギー閉じ込め部
   分電極を有し、前記部分電極の各電極は一層おき
   に２つの電極端子のうちの一方の端子と接続し、
   残りの電極は他方の電極端子と接続しており、さ
   らに該圧電磁器板内部には主面に平行で厚み方向
   に互いに重なり合う位置に２層のエネルギー閉じ
   込め部分電極を有していることを特徴とする圧電
   磁器トランスフイルタ。