JPH09186373A

JPH09186373A - 圧電トランス

Info

Publication number: JPH09186373A
Application number: JP7353371A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Kakinuma; 博美柿沼; Tatsuya Kuroda; 達也黒田
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1997-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高い変圧比を得るとともに、圧電材料の分極
や支持を容易に行う。【解決手段】入力端子３６の交流駆動電圧Ｖinは、入
力側圧電素子１２の電極１６，１８間に印加され、圧電
体１４が圧電効果によって振動する。圧電体１４の振動
は振動体２８を介して出力側圧電素子２０の圧電体２２
に伝達され、圧電逆効果によって出力端子３８に出力電
圧Ｖoutが生ずる。振動体２８のメカニカルＱを十分大
きく設定すれば、圧電素子１２，２０のメカニカルＱが
低くても全体のメカニカルＱは大きくなり、大きな昇圧
比を得ることができる。また、振動の節が振動体２８の
表面に存在するため、節の個所に支持線３２をスポット
溶接して支持することで、メカニカルＱが低下すること
なく圧電トランス１０をプリント基板３４上に支持でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子を利用
した圧電トランスの改良に関するものである。

【０００２】

【背景技術】圧電素子は、周知のように、電気エネルギ
を機械エネルギに変換し、あるいは逆に機械エネルギを
電気エネルギに変換する性質を有している。圧電トラン
スでは、そのような圧電効果，圧電逆効果を利用して電
圧の変換が行われ、ノートパソコン用バックライトのイ
ンバータや、小型・小容量のＤＣ−ＤＣコンバータなど
に応用されている。

【０００３】図５には、従来の圧電トランスの一例が示
されている。同図（A）には圧電材料部分の斜視図が示
されており、（B）には支持状態の側面図が示されてい
る。これらの図において、全体として形状が角柱状の圧
電材料によって形成された圧電板１００の左側半分が低
インピーダンスの入力部（駆動部）１０２となってお
り、右側半分が高インピーダンスの出力部（発電部）１
０４となっている。

【０００４】これらのうち、入力部１０２側では、その
上下面に入力電極１０６，共通電極１０８が圧電板１０
０を挟んで対向するように形成されている。また、出力
部１０４側では、圧電板１００の右端面に出力電極１１
０が形成されている。これらの電極１０６，１０８，１
１０は、例えば銀ペーストの印刷，焼成によって形成さ
れる。圧電板１００の分極方向は、同図（B）に矢印で
示すように、入力部１０２では厚み方向，出力部１０４
では長さ方向となっている。

【０００５】図５に示したタイプはローゼンタイプと呼
ばれており、圧電板１００の長さ方向に伸び縮みする、
いわゆる縦振動の第一次モードで動作し、振動の節は中
心部分にある。詳述すると、外部から電極１０６，１０
８に駆動電圧が印加されると、入力部１０２では分極方
向に電界が形成されて分極方向と垂直の方向に変位する
圧電効果が生ずる。これにより、圧電板１００が励振さ
れて長さ方向の縦振動が生じ、圧電板１００全体が振動
する。

【０００６】他方、出力部１０４では、かかる振動によ
って分極方向に機械的歪みが生じ、圧電逆効果によって
分極方向に電位差が発生する。これが電極１１０から外
部に取り出される。出力電圧の周波数は入力電圧と同様
である。このとき、駆動周波数を圧電トランスの共振周
波数と等しくすれば、非常に高い出力電圧を得ることが
でき、圧電トランスは昇圧トランスとして作用する。な
お、降圧トランスとするときは、逆に電極１１０側を入
力，１０６側を出力とすればよい。

【０００７】この圧電トランスを使用している状態での
入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutの昇圧比（＝Ｖout／Ｖi
n）は、Ｖout／Ｖin＝（Ｌ／Ｔ）・ｋ31・ｋ33・Ｑm ……（1）で表わされる。ここで、Ｌは圧電板１００の長さ，Ｔは
圧電板１００の厚さ，ｋ31，ｋ33は電気機械結合係数，
Ｑmは圧電板１００全体のメカニカルＱ（クオリティフ
ァクタ）である。なお、電気機械結合係数ｋ31，ｋ33
は、電気エネルギと機械エネルギの比を表わすもので、
電気機械結合係数ｋabの「a」は分極方向，「b」は伸縮
方向をそれぞれ表わす。この式から明らかなように、
（Ｌ／Ｔ）を大きくすることによって昇圧が可能にな
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような背景技術には、次のような不都合がある。前記
（1）式によれば、昇圧比を高くするためにはＱmを大き
くすることも有効である。ところが、圧電板１００の機
械振動を妨げるとＱmが低下してしまう。このため、図
５（B）に示すように、振動の節である中心個所を利用
してシリコン樹脂１１２により回路基板１１４に固定す
る。あるいは、圧電板１００として、Ｑmの高い圧電材
料を用いるようにする。

【０００９】しかしながら、図５（B）の如くシリコン
樹脂１１２で圧電板１００を固定すると、振動の節の範
囲外までシリコン樹脂１１２が流れてしまい、Ｑmがそ
の分低下してしまう。また、圧電材料のＱmは、高性能
な金属に比べても非常に小さい。このような理由から、
入出力間の変圧比（昇圧比あるいは降圧比）にはおのず
と限界がある。

【００１０】また、背景技術の圧電トランスでは、圧電
板１００の入力部１０２と出力部１０４の境界部分で、
図５（A）に矢印で示すように２方向の分極が交差し
て、内部応力が生ずる。このため、分極を行ったときに
圧電板１００が割れてしまうというようなことがある。
更に、前記矢印の如く長さ方向の分極が厚さ成分を持つ
ことによりロスが生じ、電力変換効率が悪化するという
問題もある。

【００１１】この発明は、以上の点に着目したもので、
高い変圧比を得ることができるとともに、圧電材料の分
極や支持を容易に行うことができる圧電トランスを提供
することを、その目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

【発明の開示】前記目的を達成するため、この発明の圧
電トランスは、圧電体を挟んで対向する一対の電極を有
する第１及び第２の圧電素子を、振動体によって機械的
に結合したことを特徴とする。主要な態様によれば、前
記振動体は、その振動の節が支持手段によってスポット
支持される。前記振動体が導電性を有するときは、圧電
素子の電極を振動体に接続して支持手段を外部接続に利
用したり、振動体が電極を兼用することも可能である。
前記第１及び第２の圧電素子のうちの少なくとも一方を
積層構造とすることもできる。

【００１３】

【発明の効果】前記振動体にメカニカルＱの高いものを
使用して圧電トランスの振動子を構成することができ、
振動子全体としてのメカニカルＱが向上する。支持手段
によって振動体の振動の節がスポット支持されるので、
振動が支持個所で妨害されず、これによってもメカニカ
ルＱの向上を図ることができる。そして、メカニカルＱ
の向上により、変圧比（昇圧比，降圧比）が高くなる。
更に、振動体を設けることで、圧電素子の分極や圧電ト
ランスの支持が容易になる。

【００１４】この発明の前記及び他の目的，特徴，利点
は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て実施例を参照しながら詳細に説明する。本発明の圧電
トランスは、小型・薄型で高電圧を発生する必要がある
場合に特に有効であり、テレビジョンの電子ビーム偏向
装置などに好適である。

【００１６】

【実施例１】図１には、実施例１の圧電トランス１０が
示されている。同図（A）には斜視図が示されており、
同図（B）には側面図が示されている。入力側（駆動
側）から説明すると、入力側圧電素子１２の圧電体１４
には、圧電トランス１０の長さ方向に位置する側面に、
電極１６，１８がそれぞれ形成されている。他方、出力
側（発電側）の出力側圧電素子２０の圧電体２２には、
圧電トランス１０の長さ方向に位置する側面に、電極２
４，２６がそれぞれ形成されている。これらの電極１
６，１８，２４，２６は、例えば銀ペーストの印刷，焼
成によって形成される。

【００１７】これら圧電素子１２，２０の間には振動体
２８が設けられており、圧電素子１２の電極１８側と圧
電素子２０の電極２４側が接着剤である樹脂３０によっ
て振動体２８に接着されている。振動体２８としては、
機械振動に対する損失係数が小さい，すなわちメカニカ
ルＱが高く導電性を有する金属あるいは合金材料，例え
ばエリンバ合金，モリブデン合金，ステンレスなどが用
いられる。圧電素子１２の圧電体１４は矢印ＦＡ方向に
分極されており、圧電素子２０の圧電体２２は矢印ＦＢ
方向に分極されている。このような分極は、電極１６，
１８間及び電極２４，２６間に適当な電圧を印加するこ
とで容易に実現できる。

【００１８】これら３つの部材１２，２０，２８によっ
て構成された振動子の厚み振動に対する振動の節の位置
は、振動体２８の表面にも存在する。そこで、本実施例
では、この振動の節の位置に、圧電トランス１０を支持
するための２本の支持線３２が対称的に設けられている
（図中には１つのみ表示されている）。これら支持線３
２としては、例えばＮｉメッキされたモリブデン線が用
いられる。そして、支持線３２の一方の端側は振動体２
８の側面にスポット溶接され、他方の端はプリント基板
３４に半田などで固定されている。

【００１９】電極１６はプリント基板３４上の入力端子
３６に接続されており、電極２６はプリント基板３４上
の出力端子３８に接続されている。支持線３２は、アー
ス端子４０に接続されている。この支持線３２は振動体
２８に電気的，機械的に接続しており、この振動体２８
は樹脂３０を介して電極１８，２４にそれぞれ接続して
いる。これによって、電極１８，２４がアース端子４０
に接続されることになる。

【００２０】次に、以上のように構成された実施例１の
動作について説明する。入力端子３６には、全体の振動
子の一次厚み振動モードに相当する直列共振周波数の交
流駆動電圧Ｖinが印加される。この駆動電圧Ｖinは、入
力側圧電素子１２の電極１６，１８間に印加され、圧電
体１４が圧電効果によって振動する。この圧電体１４の
振動は振動体２８を介して出力側圧電素子２０の圧電体
２２に伝達され、圧電トランス１０を構成する振動子の
全体が振動するようになる。このため、出力側圧電素子
２０の圧電体２２では、圧電逆効果によって電圧が発生
し、出力端子３８に発電電圧Ｖoutが生じることとな
る。

【００２１】このときの昇圧比（＝Ｖout／Ｖin）は、Ｖout／Ｖin＝（ｄ2／ｄ1）・ｋ33²・Ｑm ……（2）で表わされる。ここで、ｄ1，ｄ2は、それぞれ入力側圧
電素子１２と出力側圧電素子２０の厚み（図１（B）参
照），ｋ33はこれら圧電素子１２，２０の電気機械結合
係数，Ｑmは振動子全体（圧電体１４，２２及び振動体
２８）のメカニカルＱである。なお、本実施例では、圧
電体１４，２２の分極方向が揃っているので、圧電素子
１２，２０の電気機械結合係数は等しくなり、ｋ33で表
わされる。

【００２２】本実施例では、振動体２８のＱmが十分大
きく設定されている。このため、圧電素子１２，２０の
Ｑmが低くても、振動体２８のＱmが大きいために振動子
全体のＱmも大きくなる。従って、前記（2）式から明ら
かなように、全体として大きな昇圧比を得ることができ
る。また、振動の節がスポット溶接の容易な合金で形成
された振動体２８の表面に存在するため、この個所を支
持することで、Ｑmをほとんど低下させることなく圧電
トランス１０を支持することができる。

【００２３】

【実施例２】次に、図２を参照しながら実施例２につい
て説明する。上述した実施例１では、圧電トランスが全
体として四角柱状となっており、その長さ方向に電極を
形成した。しかし、この実施例２の圧電トランス５０で
は、全体が平板形状となっており、入力側圧電素子の電
極位置が厚み方向となっている。図２（A）には斜視図
が示されており、同図（B）には側面図が示されてい
る。

【００２４】入力側から説明すると、入力側圧電素子５
２の圧電体５４には、圧電トランス５０の厚さ方向に位
置する表裏面に、電極５６，５８がそれぞれ形成されて
いる。他方、出力側の出力側圧電素子６０の圧電体６２
には、圧電トランス５０の長さ方向に位置する側面に、
それぞれ電極６４，６６が形成されている。これらの電
極５６，５８，６４，６６も、前記実施例と同様に銀な
どによって形成されている。このように、電極配置は、
上述した背景技術と同様となっている。

【００２５】これら圧電素子５２，６０の間にはエリン
バ合金などによる振動体６８が設けられており、圧電素
子５２の一方の側面と圧電素子６０の電極６４側が樹脂
７０によって振動体６８に接着されている。圧電素子５
２の電極５６，５８間に直流高電圧を印加することで、
圧電体５４が矢印ＦＣ方向に分極され、圧電素子６０の
電極６４，６６間に直流高電圧を印加することで、圧電
体６２は矢印ＦＤ方向に分極される。すなわち、入力側
圧電素子５２の圧電体５４は厚さ方向に分極され、出力
側圧電素子６０の圧電体６２は長さ方向に分極される。

【００２６】これを上述した背景技術と比較すると、背
景技術の圧電トランスでは、上述したように、圧電板１
００の入力部１０２と出力部１０４の境界部分で２方向
の分極が交差して内部応力が生じ、分極時に圧電板１０
０が割れてしまうなどの不都合がある。ところが、本実
施例では、入力側圧電素子５２と出力側圧電素子６０と
の間に振動体６８が挿入されているため、両圧電素子５
２，６０の分極を別個独立して良好に行うことができ
る。

【００２７】次に、上述した振動体６８の表面の振動の
節の位置には、圧電トランス５０を支持するための２本
のモリブデン線などによる支持線７２が対称的に設けら
れている（図中には１つのみ表示されている）。支持線
７２の一方の端側は振動体６８の側面にスポット溶接さ
れ、他方の端はプリント基板７４に半田などで固定され
ている。

【００２８】電極５６はプリント基板７４上の入力端子
７６に接続されており、反対側の電極５８は振動体６８
に接続されている。また、電極６６はプリント基板７４
上の出力端子７８に接続されており、支持線７２はアー
ス端子８０に接続されている。この支持線７２は振動体
６８に電気的，機械的に接続しており、この振動体６８
は電極５８，６４にそれぞれ接続している。これによっ
て、電極５８，６４がアース端子８０に接続されること
になる。

【００２９】以上のように構成された実施例２の動作
は、基本的に実施例１と同様である。入力端子７６の入
力電圧Ｖinと出力端子７８の出力電圧Ｖoutの昇圧比
（＝Ｖout／Ｖin）は、Ｖout／Ｖin＝（Ｌ／Ｔ）・ｋ31・ｋ33・Ｑm ……（3）で表わされる。Ｌは圧電トランス５０の長さ，Ｔは圧電
素子５２（又は６０）の圧電体５４（又は６２）の厚
み，ｋ31，ｋ33は圧電素子５２，６０の電気機械結合係
数，Ｑmは振動子全体のメカニカルＱである。

【００３０】本実施例でも、振動体６８のＱmが十分大
きく設定されている。このため、圧電素子５２，６０の
Ｑmが低くても振動子全体のＱmは大きくなる。従って、
前記（3）式から全体として大きな昇圧比を得ることが
できる。また、同様に、振動体６８の振動の節がスポッ
ト支持されているので、Ｑmをほとんど低下させること
なく圧電トランス５０を支持することができる。

【００３１】

【他の実施例】この発明には多くの実施の形態があり、
以上の開示に基づいて多様に改変することが可能であ
る。例えば、次のようなものも含まれる。

【００３２】（1）入力側，出力側の各圧電素子やそれ
らの間の振動体としては、入力側の振動が出力側に伝達
されれば、どのような形状や電極配置であってもよい。
図３には、そのような各種の実施例が示されており、ハ
ッチング部分が電極である。まず、同図（A）の例は、
圧電素子２００，２０２がいずれも三角柱形状となって
おり、それらに挟まれた振動体２０４は四角柱状となっ
ている。この例の電極配置は、実施例１と同様である。
同図（B）の例は、圧電素子２１０，２１２，及び振動
体２１４のいずれもが円柱状となっており、電極配置は
実施例２と同様となっている。同図（C）の例は、圧電
素子２２０が四角柱状，圧電素子２２２が小径の円柱
状，振動体２２４が大径の円柱状となっている。電極配
置は実施例２と同様である。同図（D）の例は、圧電素
子２３０，２３２が円柱状となっており、振動体２３４
が四角柱状となっている。電極配置は実施例１と同様で
ある。

【００３３】（2）前記実施例では、いずれも圧電素子
の圧電体がブロック状のものであるとしたが、例えば特
開平６−２２４４８４号に開示されているような積層構
造としてもよい。図４（A）には、上述した実施例２を
積層構造とした圧電トランス３００の長さ方向断面が示
されており、同図（B）は（A）の＃４−＃４線に沿って
矢印方向に見た断面である。入力側圧電素子３０２の圧
電体３０４は、内部電極３０６，３０８と圧電層３１０
を積層した構成となっている。内部電極３０６は、圧電
体３０４の側面において電極３１４に接続されており、
内部電極３０８は、圧電体３０４の側面において電極３
１２に接続されている。

【００３４】他方、出力側圧電素子３２０の圧電体３２
２は、内部電極３２４〜３３４と圧電層３３６を積層し
た構成となっている。内部電極３２４，３２８，３３２
は、圧電体３２２の上面において電極３４０に接続され
ており、内部電極３２６，３３０，３３４は、圧電体３
２２の下面において電極３３８に接続されている。この
ような圧電素子３０２，３２０は、樹脂あるいは半田３
４２によって振動体３４４に結合されている。電極３１
２には入力電圧が印加され、電極３１４，３３８はアー
スに至る。また、電極３４０から出力電圧が取り出され
る。なお、この例では、入力側，出力側の両方の圧電素
子を積層構造としたが、いずれか一方のみを積層構造と
してもよい。

【００３５】（3）前記実施例は、主として昇圧トラン
スに本発明を適用したものであるが、入力側と出力側を
逆にすれば降圧トランスとしても使用できる。

【００３６】（4）前記実施例は、いずれも一次側と二
次側を有するトランスの例であるが、振動体に３つの圧
電素子を結合して三巻線トランスを構成するようにして
もよい。更にそれ以上の多数の巻線を有するトランスを
構成することも可能である。

【００３７】（5）前記実施例では、圧電素子及び振動
体が長さ方向に揃って同一軸線上に位置するような配置
としたが、入力側で生ずる振動が出力側に伝達されるよ
うであれば、どのような結合形状であってもよい。ま
た、入力側の圧電素子と出力側の圧電素子の形状，寸
法，材料，電極配置などは異なっていてもよい。

【００３８】（6）振動体が導電性を有する場合には、
圧電素子に形成される電極のうちの振動体側の電極を振
動体と兼用するようにしてもよい。

【００３９】（7）前記実施例では、アースに対する接
続を振動体を介して行ったが、もちろん電極毎に個別に
アースに接続するようにしてもよい。しかし、振動体が
プリント基板上に支持されるときには、支持線を介して
アースに接続することで、接続用の配線構成を簡略化で
き、好都合である。また、振動体に対する圧電素子の接
合には、樹脂接着の他、各種の手法を用いてよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の構成を示す図である。
（A）は斜視図，（B）は側面図である。

【図２】この発明の実施例２の構成を示す図である。
（A）は斜視図，（B）は側面図である。

【図３】他の実施例の主要部を示す斜視図である。

【図４】他の実施例を示す図である。（A）は長さ方向
の断面図，（B）は（A）の＃４−＃４線に沿って矢印方
向に見た断面図である。

【図５】背景技術を示す図である。（A）は主要部の斜
視図，（B）は側面図である。

【符号の説明】

１０，５０，３００…圧電トランス１２，２０，５２，６０，２００，２０２，２１０，２
１２，２２，２２２，２３０，２３２，３０２，３２０
…圧電素子１４，２２５４，６２，３０４，３２２…圧電体１６，１８，２４，２６，５４，５６，６４，６６，３
０６，３０８，３１２，３１４，３２４〜３３４，３３
８，３４０…電極２８，６８，２０４，２１４，２２４，２３４，３４４
…振動体３０，７０，３４２…樹脂３２，７２…支持線３４，７４…プリント基板３６，７６…入力端子３８，７８…出力端子４０，８０…アース端子３１０，３３６…圧電層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体を挟んで対向する一対の電極を有
する第１及び第２の圧電素子；第１及び第２の圧電素子
が機械的に結合しており、一方の圧電素子の振動に基づ
いて他方の圧電素子を振動させるための振動体；を備え
たことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】前記振動体は、その振動の節をスポット
支持する支持手段を備えたことを特徴とする請求項１記
載の圧電トランス。
【請求項３】前記振動体を導電性を有する材料によっ
て形成するとともに、前記第１及び第２の圧電素子の電
極の少なくとも一つを、前記振動体に電気的に接続した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電トランス。
【請求項４】前記振動体を導電性を有する材料によっ
て形成するとともに、前記第１及び第２の圧電素子の電
極の少なくとも一つを、前記振動体と兼用したことを特
徴とする請求項１，２又は３記載の圧電トランス。
【請求項５】前記支持手段を外部接続線と兼用したこ
とを特徴とする請求項３又は４記載の圧電トランス。
【請求項６】前記第１及び第２の圧電素子のうちの少
なくとも一方を積層構造としたことを特徴とする請求項
１，２，３，４又は５記載の圧電トランス。