JPH08191160A - 圧電トランス及びその制動容量値の調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的小さな負荷抵抗に適し、また広い範囲
の負荷抵抗の変化に容易に対応可能で、しかも、高いＱ
による高昇圧比と大振幅時の発熱の抑制を可能とし、更
に煩雑な分極工程を排除可能な圧電トランスを提供する
こと。 【構成】 自発分極を座標系のＺ軸として有するニオブ
酸リチウム圧電単結晶で、且つ前記座標系をそのＸ軸の
まわりに１２０〜１７０°回転した座標系を更にその
Ｚ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系のＸ′
軸及びＺ′軸に対して側面が平行になるように切り出さ
れたものから成る圧電振動子矩形板１１の長さ方向の一
端面からおよそ長さの２分の１の領域に、厚さ方向で相
対向する第１側の対向電極１２，１３を形成し、残り２
分の１の領域の両側面、或いは残り２分の１の領域の上
下面の内の少なくとも一方の面の前記両側面近傍に前記
長さ方向に平行な相対向する第２側の対向電極１４，１
５を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子式複写機や静電式
空気清浄器などに用いられる直流高電圧電源や、液晶デ
ィスプレー用バックライト点灯用のインバータ電源に用
いられる圧電トランスに関し、負荷インピーダンスの異
なる用途にも容易に適用可能な圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の圧電トランスの構造の概略
を示す斜視図である。図４において、圧電振動子矩形板
１には長さ方向のおよそ半分の部分にその厚さ方向で相
対向する対向電極２及び対向電極３が形成され、これら
対向電極２，３が形成された部分から遠い方の圧電振動
子矩形板１の長さ方向端面に電極４が形成されている。
図中白抜き矢印は分極方向を示す。

【０００３】図５は従来の圧電トランスの動作原理の説
明図であり、図５（ａ）は圧電振動子矩形板の断面図、
図５（ｂ）は圧電振動子矩形板が長さ方向振動の１波長
共振モードで振動している場合の変位分布であり、図５
（ｃ）はその時の歪分布を示している。図５（ａ）にお
いて、電極３をアース端子とし、電極２に圧電振動子矩
形板１の長さ方向振動の１波長共振モードの共振周波数
に等しい周波数の電圧を印加すると圧電振動子矩形板１
は図５（ｂ），（ｃ）に示すように振動する。この時、
電極３と端面電極４との間には圧電効果により電圧を発
生する。

【０００４】圧電トランスの電気的な等価回路は図６の
ように表わされる。図６（ａ）は、それぞれの変成比φ
１及びφ２の１次側及び２次側の電気−機械変換の変成
器を含む場合であり、ｍ，ｓ，ｒはそれぞれ、機械振動
系の等価質量、等価スティフネス及び等価抵抗である。
また、Ｃｄ1 及びＣｄ2 はそれぞれ、１次側及び２次側
の制動容量である。更に、Ｒ_L は負荷抵抗である。図６
（ｂ）は図６（ａ）の回路を１次側から見た場合の等価
回路である。図６（ｂ）において、等価回路は各定数は
次式で与えられる。

【０００５】Ｌ＝ｍ／φ1 ² ， Ｃ＝φ1 ² ／ｓ， Ｒ
＝ｒ／φ1 ² Ｃｄ2 ′＝Ａ1 ² ／Ａ2 ² ・Ｃｄ2 ， ＲL ′＝Ａ2 ²
／Ａ1 ² ・ＲL 図６（ｂ）の等価回路における等価直列インダクタンス
Ｌ、等価直列キャパシタンスＣ２次側の制動容量Ｃｄ2
′の直列回路の共振周波数で励振すると等価直列イン
ダクタンスＬの端子電圧と等価直列キャパシタンスＣと
２次側の制動容量Ｃｄ2 ′の直列接続した合計のキャパ
シタンスの端子には、（１）式で与えられる振幅の極性
の逆の出力電圧が発生する。

【０００６】 ＶL ＝−Ｖc ＝Ｑm ・Ｖ1 …（１） ここで、Ｑm は直列共振回路のＱであり、Ｖ1 は入力電
圧である。

【０００７】したがって、圧電トランスの出力電圧は
（１）式で表わされる入力電圧のＱm倍の電圧が、等価
直列キャパシタンスＣと２次側の制動容量Ｃｄ2 ′とで
分圧された電圧となる。したがって、高い出力電圧を得
るためには、（２）式で表される２次側の容量比γ2 の
値が小さいことが要求される。

【０００８】 γ2 ＝Ｃｄ2 ′／Ｃ …（２） 一方、圧電トランスに負荷抵抗ＲL を接続した場合、負
荷抵抗ＲL により、実効的なＱm の値が低下し、負荷抵
抗ＲL が小さくなると出力電圧が急激に低下する。更
に、圧電トランスの効率は、負荷抵抗ＲL の値が２次側
の制動容量Ｃｄ2の共振周波数でのインピーダンス１／
（ωr ・Ｃｄ2 ）に等しい時に最大になることが知られ
ている。

【０００９】したがって、圧電トランスが使用される負
荷抵抗の条件により、必要な出力電圧と効率の両方を満
足させる条件を求める必要がある。

【００１０】しかし、図４及び図５に示した従来の圧電
トランスにおいて、結合振動の無い長さ振動モードで励
振しようとした場合、幅と長さの比を４倍以上にする必
要があり、２次側の電極間距離が大きくなり、制動容量
Ｃｄ2 の値が小さくなる。したがって、図４のタイプの
圧電トランスでは、負荷抵抗ＲL が大きい時に、出力電
圧が大きくなり、効率も高くなる。一方、この圧電トラ
ンスの負荷抵抗ＲL が小さいときは、出力電圧と効率が
大幅に低下する。

【００１１】図４に示した従来の圧電トランスの構造に
おいて、２次側の制動容量Ｃｄ2 の値を大きくしようと
すると、２次側の電極間距離を短くするか、圧電振動子
矩形板の厚さを厚くする必要がある。しかし、圧電振動
子矩形板の厚さを厚くすることは、１次側の制動容量Ｃ
ｄ1 の値が小さくなり、出力電圧の低下を招くことにな
り、２次側の電極間距離を短くすることは、圧電振動子
矩形板の幅を小さくしないと結合振動を生じさせること
になり、幅を小さくするとまた２次側の制動容量Ｃｄ2
が小さくなり、設計の自由度は極めて狭いものであっ
た。

【００１２】また、振動子に圧電セラミックを用いた場
合は、Ｑが低く所望の高い昇圧比が得られないことはも
とより、大振幅振動時の発熱によりＱが大幅に低下し特
性が劣化してしまい、最悪の場合はキリュー点温度以上
の発熱が生じ結果として圧電の効果を失ってしまうとい
う欠点があった。

【００１３】更に圧電セラミックの場合は振動子の作成
工程において所望の構成に分極処理を行う必要があり、
トランスの量産を考えた場合には非常に複雑な製造工程
が必要であった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は以上に
示した従来の圧電トランスの欠点を除去し、比較的小さ
な負荷抵抗に適し、しかも、ニオブ酸リチウム単結晶圧
電振動子矩形板の寸法、電極寸法を変化させることによ
り、広い範囲の負荷抵抗の変化に容易に対応可能な圧電
トランスを提供し、またニオブ酸リチウム単結晶の振動
子を用いることにより１００００以上の高いＱによる高
昇圧比と大振幅時にも発熱の抑制を実現した圧電トラン
スを実現し、更に製造工程においても自発分極を有する
ことによる煩雑な分極工程の排除を目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
れば、自発分極を座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺ軸として有
するニオブ酸リチウム圧電単結晶であって、且つ前記座
標系をそのＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座
標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を、更にそのＺ′軸のまわりに
−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）の
Ｘ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切
り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成る圧電振
動子矩形板の長さ方向の一端面からおよそ該圧電振動子
矩形板の長さの２分の１の領域に、厚さ方向で相対向す
る第１側の対向電極を形成し、前記圧電振動子矩形板の
残り２分の１の領域の両側面、或いは前記残り２分の１
の領域の上下面の内の少なくとも一方の面の前記両側面
近傍に前記長さ方向に平行な相対向する第２側の対向電
極を形成し、前記第１側の対向電極を１次側電極、前記
第２側の対向電極を２次側電極としたことを特徴とする
圧電トランスが得られる。

【００１６】請求項２記載の発明によれば、前記圧電振
動子矩形板の前記第１側の対向電極を設けた側の前記長
さ方向一端面から前記圧電振動子矩形板の長さの４分の
１の部位で前記第１側の対向電極の一方の電極の一部が
除去され、該除去部分に帰還用の電極が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の圧電トランスが得られ
る。

【００１７】請求項３記載の発明によれば、前記残り２
分の１の領域の両側面に形成した前記第２側の対向電極
の一部を、それぞれ前記第２側の電極が形成された側の
前記圧電振動子矩形板の長さ方向の他端面から前記圧電
振動子矩形板のほぼ４分の１の位置を中心にして前記圧
電振動子矩形板の上面或いは下面に延長し、該延長部分
をリード引出部としたことを特徴とする請求項１又は請
求項２記載の圧電トランスが得られる。

【００１８】請求項４記載の発明によれば、前記第１側
の対向電極の長さを前記圧電振動子矩形板の長さ方向一
端面から前記圧電振動子矩形板の長さの４分の１の位置
を中心にして前記圧電振動子矩形板の長さの１０分の３
から１０分の４の長さとし、同様に、前記第２側の対向
電極の長さを前記圧電振動子矩形板の長さ方向他端面か
ら前記圧電振動子矩形板の長さの４分の１の位置を中心
にして前記圧電振動子矩形板の長さの１０分の３から１
０分の４の長さとしたことを特徴とする請求項１乃至請
求項３記載の圧電トランスが得られる。

【００１９】請求項５記載の発明によれば、請求項１乃
至請求項４記載の圧電トランスにおいて、前記圧電振動
子矩形板の厚さ或いは幅、又は前記１次側及び前記２次
側電極の寸法を変化させることにより前記圧電振動子矩
形板の１次側及び２次側の制動容量値を調整することを
特徴とする圧電トランスの制動容量値の調整方法が得ら
れる。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の圧電トランスの第１の実施例
の構造の概略を示す斜視図であり、ニオブ酸リチウム単
結晶から成る圧電振動子矩形板１１の長さ方向の一端面
からおよそ圧電振動子矩形板１１の長さの２分の１の領
域のほぼ全面に厚さ方向で相対向する第１側の対向電極
１２及び対向電極１３を形成し、残りの２分の１の領域
の両側面に、第２側の対向電極１４，１５が形成されて
いる。この圧電振動子矩形板１１を構成するニオブ酸リ
チウム圧電単結晶は、自発分極を座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
のＺ軸として有するニオブ酸リチウム圧電単結晶であっ
て、且つ前記座標系をそのＸ軸のまわりに１２０〜１７
０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を、更にその
Ｚ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系
（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側
面が平行になるように切り出されたものである。図１で
白抜き矢印はニオブ酸リチウム単結晶の自発分極Ｚ軸で
ある。また図１において、第１側の対向電極１２，１３
を１次側電極として、圧電振動子矩形板１１の１波長共
振モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の電圧を印加
すると、逆圧電横効果により圧電振動子矩形板１１は長
さ方向に共振する。このとき第２側の対向電極１４，１
５を２次側電極とすると、圧電横効果により、電極１４
〜電極１５間に出力電圧を発生する。このようにして圧
電トランスを構成することができる。

【００２１】図１に示した圧電トランスでは、以下のよ
うにすることにより、１次側及び２次側の制動容量値を
調整することができる。

【００２２】１）圧電振動子矩形板１１の厚さを薄く変
化させると、１次側の制動容量の値が大きくなり、同時
に２次側の制動容量の値は小さくなる。

【００２３】逆に厚さを厚くした場合は、１次側の制動
容量の値が小さくなり、同時に２次側の制動容量の値は
大きくなる。

【００２４】２）圧電振動子矩形板の幅を小さく変化さ
せると、１次側の制動容量の値が小さくなり、同時に２
次側の制動容量の値は大きくなる。

【００２５】逆に幅を大きくした場合は、１次側の制動
容量の値が大きくなり、同時に２次側の制動容量の値は
小さくなる。

【００２６】このように、用途に合わせて、最適の設計
が可能となる。

【００２７】表１に長さ２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、の
圧電振動子矩形板を用いて図１に示す構造の圧電トラン
スを構成した場合の特性例を示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】尚、側面に設けた第２側の対向電極１４，
１５のリード線を取り付けるために、図１に点線で示す
ように、第２側の対向電極１４，１５の一部を圧電振動
子矩形板１１の上面（下面でも良い）に延長してリード
取付部１４ａ，１５ａを形成しても良い。また、このリ
ード取付部１４ａ，１５ａの位置は、振動の節となるの
が好ましいので、圧電振動子矩形板１１の長さ方向にお
いて、第２の対向電極１４，１５が設けられている方の
長さ方向端面から、圧電振動子矩形板１１の長さの１／
４の距離の点にすると良い。

【００３０】図２は本発明の圧電トランスの第２の実施
例の構造の概略を示す斜視図であり、圧電振動子矩形板
１１の長さ方向の一端面からおよそ圧電振動子矩形板１
１の長さの２分の１の領域のほぼ全面に厚さ方向で相対
向する第１の対向電極１２及び対向電極１３を形成し、
残りの２分の１の少なくとも上下面の内の一方の面（本
実施例の場合、上面）の、両側面の近傍に、長さ方向と
平行な第２側の対向電極１４′及び対向電極１５′が形
成されている。図２において、白抜矢印はニオブ酸リチ
ウム圧電単結晶の自発分極Ｚ軸を示す。このニオブ酸リ
チウム圧電単結晶は、第１の実施例のものと同じ構成を
有するものである。図２において、第１側の対向電極１
２，１３を１次側電極として、圧電振動子矩形板１１の
１波長共振モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の電
圧を印加すると、逆圧電横効果により圧電振動子矩形板
１１は長さ方向に共振する。このとき第２側の対向電極
１４′，１５′を２次側電極とすると、圧電横効果によ
り、電極１４〜電極１５′間に出力電圧を発生する。こ
のようにして圧電トランスを構成することができる。

【００３１】図２の場合も図１の場合とほぼ同様の作用
をするため、ほぼ同じ効果を得ることができる。

【００３２】図３は本発明の第３の実施例の構造を示す
斜視図であり、図２に示した構造の圧電トランスに、更
に自励発振回路を構成するための帰還電極１６を付加し
たものである。帰還電極１６を圧電振動子矩形板１１の
上面に形成された第１側の対向電極１２の一部を除去
し、図３に示すように、圧電振動子矩形板１１の長さ方
向一端面から圧電振動子矩形板１１の長さの４分の１の
位置に形成することにより実現したものである。

【００３３】尚、上述した圧電振動子矩形板の厚さや幅
を変化させて１次側及び２次側の制動容量値を調整する
方法以外に、本発明の圧電トランスでは、圧電横効果の
振動を効率良く励振できる電極寸法範囲である振動の節
の点を中心に、２分の１波長の長さの６０％から８０％
の範囲で、１次側及び２次側のそれぞれの電極の寸法を
変化させ、これにより１次側及び２次側の制動容量を調
整することが可能であり、最適な負荷抵抗の範囲を更に
広くすることができる。

【００３４】具体的に言えば、第１側の対向電極１２，
１３は、圧電振動子矩形板１１の対向電極１２，１３を
設けた側の長さ方向一端面から圧電振動子矩形板１１の
長さの１／４の距離（図１のａ）の点を中心にして圧電
振動子矩形板１１の長さの３／１０から４／１０に渡る
長さ（図１のｂ）に選ぶのが良い。第２側の対向電極１
４，１５或いは１４′，１５′も圧電振動子矩形板１１
の長さ方向他端面から圧電振動子矩形板１１の長さの１
／４の距離（図１のａ）の点を中心にして圧電振動子矩
形板１１の長さの３／１０から４／１０の渡る長さ（図
１のｂ）に選ぶと良い。

【００３５】

【発明の効果】以上示したように、本発明によれば、ニ
オブ酸リチウム単結晶圧電振動子矩形板の長さを一定
（共振周波数一定）の状態で、その厚さや幅、或いは電
極の寸法を変化させることにより、１次側及び２次側の
制動容量の値を幅広く変化させることが可能であり、広
い負荷抵抗範囲の用途に対して、所望の出力電圧を効率
良く発生させることが可能な圧電トランスを得ることが
可能となり、実用的な効果は非常に大きい。

【００３６】また、ニオブ酸リチウム単結晶の振動子を
用いることにより１００００以上の高いＱによる高昇圧
比と大振幅時にも発熱の抑制を実現した圧電トランスを
実現し、更に製造工程においても自発分極を有すること
による煩雑な分極工程の排除することが可能となり、実
用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電トランスの第１の実施例の構造概
略図である。

【図２】本発明の圧電トランスの第２の実施例の構造概
略図である。

【図３】本発明の圧電トランスの第３の実施例の構造概
略図である。

【図４】従来の圧電トランスの構造の概略を示す斜視図
である。

【図５】図４に示す圧電トランスの動作説明図である。

【図６】圧電トランスの一般的な電気的等価回路図であ
る。

【符号の説明】

１１ 圧電振動子矩形板 １２ 第１側の対向電極 １３ 第１側の対向電極 １４ 第２側の対向電極 １４′ 第２側の対向電極 １５ 第２側の対向電極 １５′ 第２側の対向電極 １６ 帰還用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 僖良 宮城県仙台市泉区南中山３丁目18−２

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自発分極を座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺ軸
   として有するニオブ酸リチウム圧電単結晶であって、且
   つ前記座標系をそのＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回
   転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を、更にそのＺ′軸の
   まわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，
   Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になる
   ように切り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成
   る圧電振動子矩形板の長さ方向の一端面からおよそ該圧
   電振動子矩形板の長さの２分の１の領域に、厚さ方向で
   相対向する第１側の対向電極を形成し、前記圧電振動子
   矩形板の残り２分の１の領域の両側面、或いは前記残り
   ２分の１の領域の上下面の内の少なくとも一方の面の前
   記両側面近傍に前記長さ方向に平行な相対向する第２側
   の対向電極を形成し、前記第１側の対向電極を１次側電
   極、前記第２側の対向電極を２次側電極としたことを特
   徴とする圧電トランス。
2. 【請求項２】 前記圧電振動子矩形板の前記第１側の対
   向電極を設けた側の前記長さ方向一端面から前記圧電振
   動子矩形板の長さの４分の１の部位で前記第１側の対向
   電極の一方の電極の一部が除去され、該除去部分に帰還
   用の電極が形成されていることを特徴とする請求項１記
   載の圧電トランス。
3. 【請求項３】 前記残り２分の１の領域の両側面に形成
   した前記第２側の対向電極の一部を、それぞれ前記第２
   側の電極が形成された側の前記圧電振動子矩形板の長さ
   方向の他端面から前記圧電振動子矩形板のほぼ４分の１
   の位置を中心にして前記圧電振動子矩形板の上面或いは
   下面に延長し、該延長部分をリード引出部としたことを
   特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧電トランス。
4. 【請求項４】 前記第１側の対向電極の長さを前記圧電
   振動子矩形板の長さ方向一端面から前記圧電振動子矩形
   板の長さの４分の１の位置を中心にして前記圧電振動子
   矩形板の長さの１０分の３から１０分の４の長さとし、
   同様に、前記第２側の対向電極の長さを前記圧電振動子
   矩形板の長さ方向他端面から前記圧電振動子矩形板の長
   さの４分の１の位置を中心にして前記圧電振動子矩形板
   の長さの１０分の３から１０分の４の長さとしたことを
   特徴とする請求項１乃至請求項３記載の圧電トランス。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４記載の圧電トラン
   スにおいて、前記圧電振動子矩形板の厚さ或いは幅、又
   は前記１次側及び前記２次側電極の寸法を変化させるこ
   とにより前記圧電振動子矩形板の１次側及び２次側の制
   動容量値を調整することを特徴とする圧電トランスの制
   動容量値の調整方法。