JPH065944A

JPH065944A - 圧電磁器トランスフィルタとその駆動方法

Info

Publication number: JPH065944A
Application number: JP4165202A
Authority: JP
Inventors: Kaneo Uehara; 兼雄上原; Takeshi Inoue; 武志井上
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1994-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は高周波帯域において広帯域で高効率
な周波数特性を有する新規な圧電トランスフィルタであ
る。【構成】本発明に基づく圧電トランスは、第１図に示
す如く、複数の内部電極層１２、１３と圧電磁器層が交
互に積層され、内部電極層１２、１３を介して隣接する
圧電磁器層は互いに逆向きに分極されている２個の積層
体であって、高インピーダンス部分は互いに逆向き分極
されている。低インピーダンス部の各内部電極は一層お
きに２つの電気端子のうちの一方の端子と接続し、残り
の電極端子はもう一方の端子と接続する。同様に接続し
たもう一方の圧電磁器トランスとを電極端子１４、１５
にそれぞれ接続し高インピーダンス部の内部電極１３を
各々並列に接続し構成している。本発明の圧電磁器トラ
ンスフィルタは、数ＭＨｚ以上の高周波帯域において広
帯域で使用することが出来、かつ、小型で高効率である
という特徴がありフィルタ小型化に著しく寄与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高周波帯で広帯域で高効
率な周波数特性を有する圧電トランスフィルタに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】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、一般の電磁トランスに比べて、（１）
同一周波数においてエネルギー密度が高いため小型化が
図れる。（２）不燃化が図れる。（３）電磁誘導による
ノイズがでないこと。等、数多くの長所を有し実用化が
進められている。図６に従来の代表的な積層型圧電トラ
ンスであるローゼン型圧電トランスの構造を示す。以
下、図面に沿って説明する。高電圧を取り出す場合、表
面に電極が設けられた圧電板において、６１で示す部分
は圧電トランスの低インピーダンスの駆動部分であり、
その上下面に電極６３、６４が設けられており、この部
分は図中６６で示すように厚み方向に分極されている。
また、同様に６２で示す部分は高インピーダンスの発電
部分であり、その端面に電極６５が設けられており、発
電部分６２は図中６６で示すように圧電板の長さ方向に
分極されている。この圧電トランスの動作は、駆動電極
６３、６４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ｋ_{3 1}によって縦振動が励振され、トラ
ンス全体が振動する。さらに発電部５２では、電気機械
結合係数ｋ_{3 3}によって縦効果縦振動モード（３３モー
ド）により、出力電極６５から高電圧がとりだされる。
一方、高電圧を入力し、低電圧を出力させる場合には、
縦効果の高インピーダンス部分６２を入力側とし、横効
果の低インピーダンス部分６１を出力側にすれば良いこ
とは明らかである。他のタイプの圧電トランスも、いず
れもローゼン型と同じ平板の伸び振動や円板の半径方向
拡がり振動を利用したものであり、適用周波数は最高２
００ｋＨｚ程度までである。

【０００３】また、図６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他
に、周囲温度変化や自己発熱などによる電圧変動が大き
いなどの欠点がある。

【０００４】これらの欠点を改善する一つの方法とし
て、帯域通過型の機械フィルタ構成とした圧電磁器トラ
ンスフィルタとする方法が提案されている。（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セラミックトランスフィルタを
図５（ａ）に、またその等価回路表示を図５（ｂ）に示
す。

【０００５】図５（ａ）について説明すると、５０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５３、５４は駆動電極であり、５１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、５
５、５６は発電電極である。これら２種の振動子を結合
子５２が機械的に結合させており、駆動用電気端子５
７、５７’が駆動電極５３、５４と接続し、また出力用
電極端子５８、５８’は発電電極５５、５６と接続して
いる。図５（ａ）に示した圧電磁器トランスフィルタは
周知の如く、ｆ１、ｆ２と二つの共振モードが現れ、ｆ
１、ｆ２の間が通過帯域において出力電圧が最も大きく
取り出される。図５（ｂ）は（ａ）に示した圧電磁器ト
ランスフィルタの等価回路でＣｄ１、Ａ１、Ｓ１、ｍ１
はそれぞれ横効果低インピーダンス振動子５０の制動容
量、力係数、等価スチフネス、等価質量を示し、Ｓｃは
結合子５２の等価スチフネス、Ｃｄ２、−Ｃｄ２、Ａ
２、Ｓ２、ｍ２はそれぞれ縦効果高インピーダンスの振
動子５１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と横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ィルタを
得ようとする構成である。しかし、図５（ａ）に示した
トランスフィルタは、図６に示したローゼンタイプの単
一共振型圧電トランスの欠点を改善することはできる
が、圧電磁器板の長さ方向の縦振動を用いている点で、
やはり適用周波数領域は最高２００ｋＨｚ程度である。
一方、これらの欠点を改善する一つの方法としてエネル
ギー閉じ込め形圧電磁器トランスフィルタが提案されて
いる。（特開昭５９−１７５１７５）。ここで提案され
ている圧電磁器トランスフィルタを図４に示す。図４に
ついて説明すると、厚み方向に分極された圧電磁器板４
０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と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
成されている。矢印は分極方法を示す。低インピーダン
ス部分の電極（４１）は１層おきに出力端子１４に、残
りの電極４１’は出力端子１５に接続されている。同様
に高インピ−ダンス部の電極４２、４２’は入力端子で
１６、１７にそれぞれ接続されて構成している。このよ
うな圧電磁器トランスフィルタは高次厚み縦振動を用い
たトランスフィルタ構成となっているため高周波（数Ｍ
Ｈｚ以上）で電圧の変圧（例えば高電圧の発生）が可能
である。しかし、この圧電磁器トランスフィルタは一般
的な周波数低下型といわれるエネルギー閉じ込め現象を
利用しているためエネルギー閉じ込め電極の面積が小さ
く限られてしまう。この結果、大電流を流すことが出来
ない。従って電力伝送には不向きである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来例で示した
ように、従来の圧電トランスおよび、圧電トランスフィ
ルタの適用周波数領域は２００ｋＨｚ以下の低周波領域
においてのみであった。また、１ＭＨｚ以上の高周波数
帯において、一例としてＰＣＭ搬送装置の中継器では、
搬送波からタイミングを抽出し、しかも入力信号電圧に
比べ出力信号電圧を大きくとるようなトランスフィルタ
が必要とされていることは周知の通りである。このよう
なトランスフィルタを電圧トランスフィルタで実現する
ことができれば、装置の著しい小型化及び固体化が可能
であるが現在このような圧電トランスフィルタは実現さ
れていない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の欠点を
克服するために、なされたものである。

【０００８】本発明は複数の内部電極層と圧電磁器層が
交換に積層された積層帯であって、内部電極層を介して
隣接する圧電磁器層が互いに逆向きに分極されている低
インピーダンス部と高インピーダンス部とを備え、これ
ら２つのインピーダンス部の各内部電極は一層おきに２
つの電気端子のうち一方の端子と接続し、残りの電極端
子はもう一方の端子と接続して外部電極端子とした圧電
磁器トランスを２個用い、それぞれの高インピーダンス
部の分極方向が互いに逆向きであり、各々高インピーダ
ンス部は高インピーダンス部に、低インピーダンス部は
低インピーダンス部で並列に接続されて構成している圧
電磁器トランスフィルタとその駆動方法である。

【０００９】

【作用】本発明は、１ＭＨｚ以上の高周波において低損
失で十分な機能を有する圧電磁器トランスフィルタを提
供するためになされたものである。図１の（ａ）に本発
明の圧電磁器トランスフィルタの断面図、結線図で、
（ｂ）は等価回路、図２は圧電磁器トランスの斜視図で
ある。図１、図２において、本発明の圧電磁器トランス
フィルタを構成するは、２対の圧電磁器トランス１０、
１１は外部電極端子で並列に接続した差動接続形であ
る。まず、圧電磁器トランスは内部電極１２を介し厚み
方向に分極された圧電磁器層２６を多数積層した低イン
ピーダンス部２１と、その中間に絶縁層２７と複数の内
部電極１３と圧電磁器層２８からなる高インピーダンス
部２２で構成されている。この圧電磁器トランス２対は
互いに低インピーダンス部２１の内部電極１２を外部で
交互に接続し出力端子１４、１５とした。次に高インピ
ーダンス部２２の上下電極１３から互いに取り出し入力
端子１６、１７とした。尚、高インピーダンス部２２の
各圧電セラミック層の厚さと各低インピーダンス部２１
が同じ厚みとなるように構成した。ここで、圧電磁器層
２６、２７、２８は隣接する各層の分極方向（矢印）が
逆になるように配置されている。また、各圧電磁器板の
間には、内部電極１２、１３により、圧電磁器板に対し
厚み方向に電界を印加することが可能な構成をしてい
る。尚、２対の圧電磁器トランスの高インピーダンス部
２２の分極方向は互いに逆向きである（矢印）。このよ
うな内部多層電極を有する圧電磁器トランスは、積層圧
電セラミックコンデンサや積層圧電アクチュエータ等で
用いられている積層セラミック技術（ドクターブレード
法）で作製することが可能である。この様な方法で作製
した圧電磁器トランスでは層間隔を２５μｍ程度まで薄
くすることも可能である。従って，１／２波長モード
（両端自由の基本モード）あるいは１波長モード（両端
自由の２次モード）の厚み縦共振振動を利用するとして
も、積層セラミック技術を用いて、圧電磁器トランスを
作成し、厚み縦振動の差動接続型で使用すれば２〜１０
ＭＨｚ帯の超高周波領域で動作する圧電磁器トランスフ
ィルタも実現できる。本圧電磁器トランスフィルタを厚
み縦振動差動接続型で使用する結線図を図１（ａ）に、
また、等価回路を（ｂ）に示す。まず１対の圧電磁器ト
ランス１０の動作原理は高インピーダンス部２２の入力
端子１６、１７間に厚み縦振動の共振周波数と等しい周
波数の高電圧を印加すると、高インピーダンス部２２の
逆圧電効果により圧電磁器トランス１０の全体が機械的
に共振し、低インピーダンス部２１では圧電効果により
入力電圧と同一周波数の電圧を発生し、出力端子１４、
１５に出力する。その際、入力側と出力側のインピーダ
ンスの違いにより、出力端子１４、１５間の電圧は入力
端子１６、１７間の電圧よりも低くなる。さらに、低イ
ンピーダンスの電極間隔を変えることにより異なった電
圧を自由に出力することが出来る。尚、低電圧を高電圧
に変換する場合端子１４、１５間に低電圧を印加すれば
端子１６、１７間から高電圧が出力される。また、低イ
ンピーダンス部２１と高インピーダンス部２２の間に絶
縁板２７を配置する構造にすれば入力端子１６、１７と
出力端子１４、１５を電気的に分離できるため周辺回路
の自由度を増すことができる。このような動作はもう１
対の圧電磁器トランスでも全く同じであるが高インピー
ダンス部２２の分極方向が全く逆であるため厚み振動の
位相が丁度１８０°ずれる。さらに図１において左側の
圧電トランスの共振周波数をｆ１、右側の圧電トランス
の共振周波数をｆ２となる（ｆ１≠ｆ２）ようにあらか
じめトランスの厚みを調整してやり、２対の圧電トラン
スの入出力端子それぞれを並列接続することによりｆ
１、ｆ２間の通過帯域においてもっとも出力電圧が大き
く取り出される。

【００１０】特にｆ１、ｆ２の共振周波数を調整するこ
とによりより周波数−ゲイン特性がフラットな帯域特性
を実現出来る。

【００１１】厚み縦振動の共振周波数は圧電縦効果によ
る共振周波数の低下を無視すれば次式で表される。ｆ_r＝ｎ・Ｖ_t／２ｔ（ｎ＝１，２，３…）ここに、ｆ_r：厚み縦振動の共振周波数ｎ：モード次数Ｖ_t：厚さ方向の縦波の音速ｔ：厚みここでＶ_t，ｔが一定となるように圧電磁器トランスを
作製できれば厚み縦振動の共振周波数ｆ_rも一定になる
が、一体焼成時の収縮率のバラツキ等により必ずしも設
計通りの共振周波数とは成らない。そこで、焼成後に共
振周波数を調整出来る構造が望ましい。即ち、上下主面
に電極を設けている圧電トランスでは焼成後に調整する
事は容易ではないが、本発明の圧電トランスでは上下に
研磨可能な周波数調整層を配置しているため、焼成後の
研磨により所要の共振周波数が得られ、外部回路の駆動
周波数と正確に一致させることができる。さらに、直方
体の振動子においてはｋ３１を介して長さ方向、幅方向
の振動も発生し、その共振周波数はそれぞれ以下のよう
に表される。ｆ_{l n}＝ｎ・Ｖ_l／２ｌ（ｎ＝１，２，３…）ｆ_{w n}＝ｎ・Ｖ_w／２ｗ（ｎ＝１，２，３…）ここに、ｆ_{l n}：長さ縦振動の共振周波数Ｖ_l ：長さ方向の縦波の音速ｌ：長さｆ_{w n}：幅縦振動の共振周波数Ｖ_w ：幅方向の縦波の音速ｗ：幅これら長さ方向、幅方向の振動は、厚み縦振動に対する
スプリアス振動となる。そのため、広帯域の圧電トラン
スを実現するためには駆動周波数近傍で長さ方向、幅方
向の強い振動が起きないようにする必要がある。また、
幅方向の厚みは、厚みｔ方向との関係は２分の１波長が
高インピーダンス部分の各圧電セラミック層の厚さと低
インピーダンス部分が同じになる厚み縦振動２次モード
の共振周波数で駆動した場合、幅方向の厚みは３分の１
波長以下に共振させた場合に厚み縦振動に対するスプリ
アス振動を抑えることが可能で、単一モードで非常にき
れいなアドミッタンス一周波数特性が実現出来る。この
結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動時に周波数制御時に都
合よく対応できる。

【００１２】次に、効率について考える。圧電磁器トラ
ンスの損失は大半が機械的損失であり、その機械的損失
は機械的品質数Ｑｍが小さいほど大きい。この機械的品
質数Ｑｍは上下主面の平行度、平面度に大きく存在す
る。招請しただけの圧電トランスの表面は平行度、平面
度とも悪く、その機械的品質係数Ｑｍはせいぜい数１０
０である。これに対し本発明の圧電トランスでは平行平
面研磨を行うことにより、数μｍ以内の平行度、平面度
を得ることが可能で、１０００以上の機械的品質係数Ｑ
ｍが容易に得られる。

【００１３】

【実施例】図１、図２は、それぞれ本発明の圧電磁器ト
ランスフィルタの一実施例の接続図、等価回路及び、圧
電磁器トランスの斜視図である。本発明の２個の圧電磁
器トランス１０、１１は各々一体積層型であり、２ＭＨ
ｚ帯厚み縦二次モードを用い、圧電材料としてはＰｂＴ
ｉＯ₃系圧電材料を用いている。本圧電磁器トランスで
は、高インピーダンス部２２と低インピーダンス部２１
それぞれに複数の内部電極層１２、１３を形成した構造
である。次に、本発明の製造方法について実施例に基づ
いて説明する。第２図に示すように、まず圧電材料とし
てＰｂＴｉＯ₃系圧電セラミック粉末を有機バインダー
と共に溶媒中に分散しスラリー状とする。これをドクタ
ーブレードを用いたキャスティング法によって、厚さが
約７０μｍのグリーンシートを作製する。次に内部電極
層としてＰｔ、バインダー、有機溶剤からなるＰｔペー
ストをスクリーン印刷法により印刷する。その後、必要
な形状の大きさにパンチング機により打ち抜き切断し所
定の順序で組合せ重ねた後、プレス機にて熱圧着し一体
のグリーン積層体とした。このグリーン積層体を６００
℃で空気中で熱処理して脱バインダし、１２００℃２時
間焼成した後、ダイシングソーにより所定の形状に切断
して圧電磁器トランス素子を作製する。次に低インピー
ダンス部の各内部電極は一層おきに２つの電気端子のう
ちの一方の端子と接続し、残りの電極端子はもう一方の
端子と接続する。同様に接続したもう一方の圧電磁器ト
ランスとを電極端子１４、１５にそれぞれ接続し７ｋＶ
／ｍｍの直流電圧を印加し分極させる。また、高インピ
ーダンス部２２の電極端子１６、１７は圧電磁器トラン
ス各々に７ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し分極させる。
但し、２個の圧電磁器トランスの分極方向は逆である。
そして最後に共振周波数調整のために必要な厚さになる
ように平行平面研磨を施す。この実施例では２ＭＨｚで
圧電トランスを駆動するため、圧電トランスの厚さが
２．８ｍｍになるように平行平面研磨する。次に、高イ
ンピーダンス部２２の電気端子１６、１７からそれぞれ
縦２次モードを励振する高周波・高電圧信号を入力し、
低インピーダンス部２１の電気端子１４、１５に適当な
抵抗負荷で終端し出力を取り出す降圧型のトランスフィ
ルタとして評価した。図３に圧電トランスフィルタの周
波数−ゲイン特性の実測値を示す。評価した結果、周波
数１．５０ＭＨｚ〜２．６ＭＨｚで、最大エネルギー変
換効率９７％以上を達成した。さらに、機械的品質係数
Ｑｍ値は８４５〜８７０、電力容量は５Ｗが得られた．
試作した圧電トランスフィルタは、高周波で広帯域の周
波数特性を示しかつ、高いエネルギー変換効率を実現し
ていることは明らかである。更に、低インピーダンス部
の１層の層間隔を変えることにより、所望の電圧が得ら
れることも確認している。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電磁器
トランスフィルタは、複数の圧電トランスを並列接続す
る事により差動型圧電トランスフィルタとして、１ＭＨ
ｚ以上の高周波帯において広帯域の帯域フィルタとして
使用することができ、小型、高効率を実現していること
は明らかで、従来の圧電トランスフィルタにはない長所
があり、工業的価値も多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電磁器トランスフィルタの一例を示
す図である。

【図２】圧電磁器トランスの斜視図である。

【図３】周波数−ゲイン特性図である。

【図４】従来の圧電磁器トランスフィルタを示す図であ
る。

【図５】従来の圧電磁器トランスフィルタを示す図であ
る。

【図６】従来のローゼン型圧電トランスの斜視図であ
る。

【符号の説明】

１０，１１圧電磁器トランス１２，１３内部電極１４，１５出力端子１６，１７入力端子２１圧電トランスの低インピーダンス部分２２圧電トランスの高インピーダンス部分２６，２８，２７，２５圧電磁器層４０圧電磁器板４１，４１’，４２，４２’ エネルギー閉じ込め電極５０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５１長さ方向に分極された縦効果高インピー
ダンス振動子５２結合子５３，５４駆動電極５５，５６発電電極５７，５７’ 入力端子５８，５８’ 出力端子６１圧電トランスの低インピーダンスの駆動
部分６２高インピーダンスの発電部分６３，６４，６５電極６６分極方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の内部電極層と圧電磁器層が交互に
積層された積層体であって、内部電極層を介して隣接す
る圧電磁器層が互いに逆向きに分極されている低インピ
ーダンス部と高インピーダンス部を備え、これら２つの
インピーダンス部の各内部電極は一層おきに２つの電気
端子のうち一方の端子と接続し、残りの電極端子はもう
一方の端子と接続して外部電極端子とした圧電磁器トラ
ンスを２個用い、それぞれの高インピーダンス部の分極
方向が互いに逆向きであり、各々高インピーダンス部は
高インピーダンス部に、低インピーダンス部は低インピ
ーダンス部で並列に接続されていることを特徴とする圧
電磁器トランスフィルタ。
【請求項２】請求項１の圧電磁器トランスフィルタに
おいて低インピーダンス部から取り出した外部電極を出
力端子とし、高インピーダンス部の上下電極から取り出
した外部電極を入力端子とし、１対の圧電トランスの２
分の１波長が高インピーダンス部分の圧電セラミック層
の厚さと各低インピーダンス部分が同じ厚さになる厚み
縦振動２次モードの共振周波数で駆動することを特徴と
する圧電磁器トランスフィルタの駆動方法。