JPH09321363A

JPH09321363A - 圧電トランスおよびその支持構造

Info

Publication number: JPH09321363A
Application number: JP13670196A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitami; 剛北見; Kanichi Isobe; 皖一磯部
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-12
Anticipated expiration: 2016-05-30
Also published as: JP2885183B2; US5861704A; KR100260984B1; KR970077931A

Abstract

(57)【要約】【課題】製造時における圧電体のチッピングを減少さ
せ、トランスの損壊を防止して信頼性を高め、製造段階
での取扱いを容易にして作業能率、良品率を共に向上さ
せる。不要モードの振動を抑制して可聴周波数領域の雑
音発生を防止すると共に、設計を容易にする。小型で昇
圧比の高いトランスを提供する。上記三つの目的を実現
可能にする支持構造を提供する。【解決手段】圧電体１の形状を円柱とする。円柱を軸に
沿って駆動部１２と発電部１３に分け、駆動部１２には
その側面に、電位的には一対で駆動部を円柱の軸に沿っ
て複数の領域に分ける複数の電極１４₁，…，１４_nを
設け、複数の領域をそれぞれ円柱の軸に沿う交互に逆の
向きに分極させる。発電部１３には、駆動部の発電部に
直近の電極１４₁と対になる電極を設け、円柱の軸に沿
ういずれか一方の向きに分極させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電トランスおよ
びその支持構造に関し、特に、入力用電極と出力用電極
とを共に圧電体の表面に設けた構造の圧電トランスおよ
びその支持構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】テレビジョンの偏向装置や複写機の帯電
装置などの高電圧を必要とする装置のための高電圧発生
用変圧素子としては、従来、巻線型の電磁トランスが多
用されてきた。

【０００３】一方、近年、圧電効果を利用した圧電トラ
ンスを用いて高電圧を発生させる技術が一般的になりつ
つある。図１２（ａ）に、従来の代表的な圧電トランス
の斜視図を示す。図１２（ａ）を参照して、長板状の圧
電体１３１が長手軸（紙面左右方向）に沿って、駆動部
１３５と発電部１３６の二つの領域に分れている。駆動
部１３５の上面には、電極１３２が被着形成されてい
る。駆動部の下面にも、上面の電極１３２に対向する電
極１３３が被着形成されている。それら二つの電極１３
２，１３３は互いに絶縁されており、二つの電極間に電
圧を印加することが可能である。一方、発電部１３６に
おいては、長手軸に垂直な端面に、電極１３７が被着形
成されている。これら三つの電極が形成された圧電体１
３１は、駆動部１３５においては図中縦向きの矢印で示
すように、厚さ軸に沿って分極されており、発電部１３
６においては図中横向きの矢印で示すように、長手軸に
沿って分極されている。そして、全体としての圧電トラ
ンスは、通常、長手軸の中央に装着された支持具１３９
により、支持、固定される。この圧電トランスで昇圧を
行うには、駆動部の二つの電極１３２，１３３の間に．
交流電圧ｅ_inを印加する。その入力交流電圧の周波数を
圧電体の長手軸に沿う縦振動の共振周波数にしておくと
圧電体１３１が機械的に共振し、その結果、発電部１３
６に入力交流電圧と同じ周波数の高電圧ｅ_outが発生す
る。その発電部１３６に生じた高電圧を、端面電極１３
７と入力用電極１３３（又は、１３２）との間から取り
出す。前述の支持具１３９の装着位置は、このような圧
電体の長手方向縦振動の節点に当る。尚、以上の変圧動
作は飽く迄も昇圧に関するものである。ここで、入力用
に用いた電極１３２，１３３と出力用に用いた電極１３
７とを入れ換えれば、つまり、これまで出力用としてい
た電極１３７と電極１３３（又は、１３２）との間に交
流電圧を入力し、入力用としていた電極１３２，１３３
の間から電圧を取り出せば、降圧トランスとしても利用
できる。表面電極を入力用と称するか出力用と呼ぶか或
いは、圧電体の二つの領域を駆動部と呼ぶか発電部と言
うかは、使用目的によって変わる。

【０００４】ところで、上に述べた図１２（ａ）に示す
圧電トランスを実用に供するには、外部の回路との電気
的接続のために、各表面電極１３２，１３３，１３７
に、例えばリード線のような外部接続用端子を取り付け
なければならない。その場合、駆動部１３５，発電部１
３６とも、それぞれの領域に設けられた電極と上記リー
ド線との接続点は、必ずしも圧電体１３１の機械的振動
の節点に位置しない。そのため、各電極に取り付けたリ
ード端子が断線するなどの故障が起り易い。この各表面
電極における接続の信頼性を高めるには、リード線と表
面電極との接続を振動の節で行うことが有効であり、そ
のために、圧電体を三つの領域に分けることが知られて
いる。図１２（ｂ）に、そのような改良型圧電トランス
の斜視図を示す。図１２（ｂ）を参照して、圧電体１４
１が、長手軸に沿って三つの領域に分けられている。両
端が、駆動部１４５Ｌ，１４５Ｒである。中央が、発電
部である。発電部は、長手軸の中央に位置して幅方向に
延びて圧電体を取り巻く帯状の電極１４７によって、更
に左右二つの領域に区分されている。つまり、この圧電
トランスでは圧電体１４１が、左側から、駆動部１４５
Ｌ，発電部１４６Ｌ，発電部１４６Ｒ，駆動部１４５Ｒ
に分かれており、発電部の電極１４７を挟んで左右対称
な構造をしている。駆動部１４５Ｌには、これまでの圧
電トランスと同様に、上・下両面に入力用の電極１４２
Ｌ，１４３Ｌが被着形成されている。右側の駆動部１４
６Ｒにも同様に、入力用の電極１４２Ｒ，１４３Ｒが形
成されている。各駆動部はこれまでと同様に、図中上向
きの矢印で示す厚さ軸の向きに分極されている。一方、
発電部の分極は、長手方向である点ではこれまでと同じ
であるが、左右の発電部では向きが互いに逆向きである
点が新規な点である。つまり、左側の発電部１４６Ｌは
図中左向きの矢印で示す、長手軸左向きに分極されてお
り、右側の発電部１４６Ｒは、長手軸右向きに分極され
ている。このトランスでは、駆動部の上側の二つの入力
電極１４２Ｌ，１４２Ｒを結線し、下側の二つの入力電
極１４３Ｌ，１４３Ｒを結線して、上下の入力電極間に
交流電圧ｅ_inを加える。出力の高電圧ｅ_outは、発電部
の電極１４７と駆動部の上側入力電極１４２Ｌ，１４２
Ｒとの間から、取り出す。その際、入力交流電圧の周波
数を、圧電体の長手軸に沿って３次の共振が発生するよ
うな周波数に選ぶ。このようにすると、圧電体の長手軸
に垂直な両端面からそれぞれ圧電体１４１の長さの１／
６だけ内側に入った点と、長手軸中央の点とが振動の節
点になる。すなわち、表面電極１４２Ｌ，１４３Ｌ，１
４２Ｒ，１４３Ｒ，１４７に対し、外部との接続用リー
ド線を上記の節点に取り付けることによって、圧電体の
振動によるリード線断線を防止できる。

【０００５】これまで述べた平板状圧電トランスは、小
型で高電圧が発生できることから、小型化の要求が強い
例えば液晶バックライト用インバータなどの用途には、
極めて魅力的である。しかしながら、この平板状圧電ト
ランスにも、圧電体が平板であることに伴って必然的に
生じる、解決すべき下記のような問題が残っていた。

【０００６】すなわち、振動の節点付近では圧電体の内
部応力が大きくなるのであるが、図１２（ａ）にあって
は駆動部１３５と発電部１３６の境界部、また図１２
（ｂ）にあっては発電部の電極１４７の近傍は、応力が
引張り方向に働くので、圧電体に破損が発生し状態にな
っている。通常、この引張り応力が圧電体の破壊限界以
下となるように設計し、使用する。しかしセラミックは
僅かな衝撃で欠けを生じ易く、一旦このような欠けが発
生すると、破壊限界は急激に低下し、容易に圧電体の損
壊に至る。このような欠けは、圧電体の製造工程やその
後の取扱いの過程で往々にして避けられないものであ
り、トランスとしての信頼性向上の大きな阻害要因の一
つとなっている。延いては、圧電体を扱う際には細心の
注意が必要となり、コスト上昇の要因ともなっている。
上記のようなセラミックの欠け、破損による信頼性の低
下、製造コストの上昇は、圧電体が平板や角柱などの直
方体であるときに特に問題となる。直方体には稜が多
く、この稜で欠けが発生し易いかあである平板状圧電トランスの第二の問題点は、可聴領域の雑音
が発生し易いことである。一般に、圧電トランスは機械
的な振動を利用するものであるので、通常、その動作周
波数を可聴領域を越えた、概ね３０〜１５０ｋＨｚの範
囲内に選ぶ。しかし、平板状圧電トランスでは、トラン
ス動作に利用される長手軸に沿う縦振動の他に、幅方向
の縦振動、平板の曲げ振動、平板のねじれ振動などが起
り易い。そこで、これらの周波数そのものや、二つの異
った振動の間のビート周波数或いは種々な振動の高次モ
ードの周波数と別のモードとのビート周波数が可聴領域
に入ると、人間の耳に対して雑音として聞こえ、実用上
大きな問題となる。平板以外の形状でも種々振動モード
は存在するが、平板が最も容易に好ましからざるモード
の振動を発生し、又、その振動のレベルが大きくなり易
い。

【０００７】このような、平板状圧電体を用いることに
起因する諸問題を解決するための一方法として、圧電体
を円筒状または円柱状にすることが考えられる。以下に
述べる幾つかの例は、圧電トランスにおける圧電体の欠
け防止、雑音防止を直接の目的とするものではないが、
上記の目的にも有効であろうと推測される。先ず、米国
特許第２，９７４，２９６号には、円筒型の圧電トラン
スが開示されている。このトランスは、やや薄肉の円筒
型の圧電体を円筒軸に沿って三分すると共に、それぞれ
の境界と両側の端部の計４箇所に、円筒を一周するリン
グ状の電極を被着形成し、軸沿って４箇所並んだ電極の
うち、内側の２箇所を駆動部用の電極とし、外側の２箇
所を発電部用の電極としている。この構造では、入力電
圧と出力電圧の比すなわち昇圧比を大きくすることが困
難であることから、同じ米国特許には、圧電体の外面と
内面との間を駆動部とし、全長を発電部とする構造の圧
電トランスが開示されている。

【０００８】次に、特開平２ー３１１８１号公報には、
いわゆる交差指電極を用いた、円筒状または円柱状の圧
電モータが開示されている。又、特開平２ー１６３９８
２号公報には、円柱状または円筒状の捩り方向の圧電ア
クチュエータが開示されている。

【０００９】一方、特開平４ー３０７３２２号公報に
は、円柱形状の圧電ジャイロが開示されている。

【００１０】上記の圧電モータや圧電アクチュエータ或
いは圧電ジャイロは、電気ー機械エネルギー変換あるい
は機械ー電気エネルギー変換機構として用いられるもの
であって、モータ或いはジャイロなどのような機械的な
回転運動が関連するものにあっては、圧電体は必然的に
円柱あるいは円筒となる。これに対し、電気ー電気エネ
ルギー変換機構としての圧電トランスは、圧電体の形状
には必ずしも制限はないものの、円柱状の圧電体を用い
た圧電トランスは、これまで知られていなかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、圧電体表面
に入力用、出力用の電極を設けた構造の圧電トランスに
おいて、製造時における圧電体の稜部のチッピングを無
くすことを目的とするものである。このチッピングに起
因するトランスの損壊を防止してトランスとしての信頼
性を高めると共に、製造段階での取扱いを容易にして作
業能率、良品率を共に向上させて、製造コストを低減す
るためである。

【００１２】本発明の他の目的は、不要モードの振動を
抑制することである。圧電トランス使用時の可聴周波数
領域の雑音発生を防止すると共に、圧電トランスの設計
に際して不要モードの振動排除を考慮に入れなくても済
むようにして、設計を容易にするためである。

【００１３】本発明の更に他の目的は、上記二つの目的
を、圧電トランスの形状を犠牲にすることなく実現し
て、小型で昇圧比の高いトランスを提供することであ
る。

【００１４】本発明は、又、上記三つの目的を実現可能
にする圧電トランスの支持構造を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電トランス
は、圧電体に円柱形状の圧電体を用いたことを特徴とす
る。具体的には、圧電性材料からなる円柱をその軸に沿
って駆動部と発電部とに区分し、前記駆動部にはその側
面に、電気的に互いに独立した一対の電極であって、駆
動部を円柱の軸に沿って複数の領域に分ける電極を設け
ると共に、前記複数の領域をそれぞれ円柱の軸に沿う交
互に逆の向きに分極させ、発電部には、前記駆動部の発
電部に直近の電極と対になる電極を設けると共に、円柱
の軸に沿ういずれか一方の向きに分極させた構造を持
つ。

【００１６】上記のような圧電トランスを実用に供する
ときは、前記駆動部に交流電圧を入力して圧電体を軸に
沿って縦振動させたときの節で、弾力性を有する絶縁性
材料を介して支持する。或いは、前記駆動部及び発電部
の表面に設けられた電極の位置で弾力性を有する導電性
材料で支持すると共に、前記導電性材料を介して、前記
駆動部及び発電部に設けた電極と外部との接続用端子と
を導通させる構造とする。

【００１７】本発明の圧電トランスでは、円柱状の圧電
体を用いる。駆動部に交流電圧を印加すると、円柱の軸
に沿って交互に極性が交替する電界が生じ、これと同期
して向きが交替している分極のために、円柱の軸に沿っ
て一つの縦振動が起る。入力交流電圧の周波数は、誘起
される縦振動が円柱状圧電体内で１次または高次の機械
的共振を起す周波数に選ぶ。このようにして誘起された
圧電体内の振動によって、発電部には同じ周波数で昇圧
された交流電圧が発生する。この昇圧交流電圧を、発電
部に設けた電極で外部に取り出す。

【００１８】本発明に用いた圧電体円柱は、柱体の両底
面にしか稜を持たない。稜の数そのものが平板状圧電体
に比べて少いので、チッピングが発生する確率そのもの
が、小さい。しかも、上記両底面の稜は、圧電体内で引
張り応力の発生する部位ではない。従って、仮に稜部に
チッピングが生じたとしても、圧電トランスが全面的破
壊に至る可能性は小さく、信頼性は非常に高い。又、製
造段階での取扱いが容易になるので、製造能率が向上す
る。更に、良品率も向上し、製造コストが低減される。

【００１９】円柱は平板に比べ、容易に励起され得る振
動モードは単純である。最も基本的には円柱軸に沿う縦
振動があり、次いで曲げ振動がある。その他のねじれ振
動などは励起に多大のエネルギーを要するので、大きな
レベルの振動は殆ど発生しない。又、上記の曲げ振動は
比較的容易に発生するが、同一断面積の平板の曲げより
は励起に大きなエネルギーを必要とするので、たとえ不
要振動モードとして発生しても、その振動レベルは平板
の場合に比較して小さくなる。これらのことから、本発
明の圧電トランスが可聴周波数の有害な雑音を発生する
可能性は、平板状の圧電トランスに比較して、非常に小
さい。

【００２０】圧電トランスが取り扱い得る電力は、周知
のように、第１次近似としては圧電トランスの振動が伝
搬する断面積に比例する。本発明の圧電トランスで用い
る円柱状の圧電体は、前述の米国特許第、２，９７４，
２９６号記載の圧電トランスに用いられる円筒状の圧電
体に比べ、断面積は大である。従って、小型で昇圧比の
高い圧電トランスが得られる。しかも、平板と比較した
場合、円筒軸方向から見たときの幅と高さとが同一であ
ることは、用途によっては非常に有利な形状である。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の幾つかの実施の形
態について、図面を参照して説明する。

【００２２】（第１の実施の形態）図１に、本発明の第
１の実施の形態による圧電トランスの模式的斜視図を、
示す。図１を参照して、圧電体１は、圧電性セラミック
材料（株式会社トーキン。商品名：ネペック８）を成
形、焼結した後、直径２．５ｍｍ、長さ４２ｍｍの円柱
に加工したものである。軸に沿って、駆動部１２と発電
部１３の二つの領域に分けられている。駆動部１２は、
円周を一周する複数個（この場合は、ｎ個）の帯状電極
１４₁，１４₂，１４₃，……，１４_nを備えている。
それらｎ個の帯状電極は、円筒軸に沿って等間隔で配置
されている。発電部１３には、円柱の一底面（端面）に
電極４が設けられている。駆動部１２の帯状電極、発電
部１３の端面の電極は、銀ペーストを曲面印刷し、焼成
して形成したものである。焼成後の厚さは、約１５μｍ
であった。

【００２３】電極焼成後、駆動部のｎ個の帯状電極が一
つ置きに同電位になるように、奇数番目の電極１４₁，
１４₃，…どうしを結線し、又、偶数番目の電極１
４₂，１４₄，……を結線し、駆動部１２を分極させ
る。分極は、１００〜２００℃のシリコーンオイル中
で、帯状電極間に２〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加す
ることによって行った。この分極により、帯状電極１４
₁，１４₂，１４₃，……，１４_n の間は、図中に軸方
向の短い矢印で示すように、軸にそって一つ毎に交互に
逆の向きに分極された。次いで、発電部１３の分極を行
う。発電部端面の電極４と駆動部のｎ個の帯状電極のう
ち発電部に一番近い電極１４₁との間に、直流電界を印
加する。分極の条件は、駆動部の分極条件と同一とし
た。この分極の結果、発電部１３は、図中に軸に沿う長
い矢印で示す方向に分極された。

【００２４】本実施の形態による圧電トランスを駆動す
るには、駆動部の奇数番目の帯状電極１４₁，１４₃，
……を集結した端子２Ａと、偶数番目の帯状電極１
４₂，１４₄，……を集結した端子２Ｂとの間に交流電
圧ｅ_inを入力する。交流入力電圧の周波数は、３８ｋＨ
ｚである。この交流電圧の入力により、電気機械結合係
数ｋ₃₃を介して、円柱の軸に沿う歪が繰り返し発生す
る。その結果、圧電体１の全体に、端部を開放端とする
軸に沿う縦振動が共振として発生する。上記の軸に沿う
縦振動共振により発電部１３には、端面電極４と駆動部
の１番目の帯状電極１４₁との間に、電気機械結合係数
ｋ₃₃を介して電圧が発生する。この発生電圧が、端面電
極４つまり端子３Ｂと帯状電極１４₁つまり端子３Ａと
の間から、取り出される。本実施の形態において帯状電
極の線幅を０．２ｍｍ，隣接電極間間隔を０．８ｍｍと
したとき、この圧電トランスは約２Ｗの電力を取り扱う
ことができた。昇圧比は、約３０であった。

【００２５】本実施の形態においては、帯状電極１４₁
の近傍に最大の引張り応力が発生する。しかし圧電トラ
ンスの製造工程において通常セラミックを扱う程度の注
意力をもって取り扱い、その後５Ｗ程度の電力で動作試
験を行った十分な個数の圧電トランスについて調査した
ところ、破損の発生は全くなかった。

【００２６】又、可聴雑音は、トランスから５ｃｍ離れ
た位置で２５ｄＢ以下であり、実用上全く問題なかっ
た。

【００２７】（第２の実施の形態）図２に、本発明の第
２の実施の形態による圧電トランスの模式的斜視図を、
示す。図２を参照して、本実施の形態が第１の実施の形
態と異るのは、駆動部２２の電極形状と分極方法であ
る。この相違点について、以下に説明する。

【００２８】駆動部２２には、一対の交差指電極２
４₁，２４₂が設けられている。各交差指電極では、圧
電体１を周方向に一部分が切れた状態で一周する電極
（以後、指電極と呼ぶ）が複数、円柱の軸に沿って並ん
でおり、それらの指電極の間を、円柱の軸に沿って延び
る電極（以後、接続電極と呼ぶ）が接続している。そし
て、二つの交差指電極それぞれの指電極どうしは互いに
噛み合されて、円柱の軸に沿って交互に平行に並んでい
る。一方、発電部２３にはその端面に、電極４が形成さ
れている。それら駆動部の交差指電極２４₁，２４₂と
発電部の端面電極４とは第１の実施の形態におけると同
様に、銀ペーストを印刷塗布し、焼成したものである。
焼成後の厚さは、約１５μｍであった。

【００２９】電極形成後、駆動部２２の分極を行う。分
極は、温度１００〜２００℃のシリコーンオイル中で電
極２４₁，２４₂間に、１ｍｍ当り２〜３ｋＶの直流電
界を印加することによって行った。分極の結果、各指電
極の間は、図中に軸に沿う短い矢印で示すように、軸に
沿って一つ毎に交互に逆向きに分極された。次に、発電
部２３の分極を行う。分極に当っては、先ず、駆動部の
交差指電極２４₁，２４₂を結線し、同電位とする。其
の後、発電部の端面電極４と駆動部の同電位の交差指電
極２４₁，２４₂との間に、直流電界を印加する。分極
の条件は、駆動部の分極条件と同一とした。この分極の
結果、発電部２３は、図中に軸に沿う長い矢印で示す向
きに分極された。本実施の形態において、圧電体１の寸
法を第１の実施の形態におけると同一とし、交差指電極
２４₁，２４₂の指電極の部分の線幅を０．２ｍｍ，指
電極の間隔を０．８ｍｍとしたとき、この圧電トランス
は約２Ｗの電力を取り扱うことができた。昇圧比は、約
２５であった。駆動による圧電トランスの破損は発生せ
ず、又、実用上問題となる可聴雑音の発生も無かった。

【００３０】本実施の形態においては、分極が圧電体の
軸に沿ってだけでなく、交差指の先端では円周に沿う望
ましくない方向にも同時に分極されてしまうことにな
る。しかし、交差指電極２４₁，２４₂を形成すると
き、各指電極は印刷によって、同一電位になるように予
め接続されるので、別途改めて結線する必要がない。本
実施の形態によれば、製造工程を簡略にできる。

【００３１】（第３の実施の形態）図３に、本発明の第
３の実施の形態による圧電トランスの模式的斜視図を、
示す。図３を参照して、本実施の形態が第１の実施の形
態と異るのは、駆動部３２の電極形状と分極方法であ
る。この相違点について、以下に説明する。

【００３２】円柱形状の圧電体１が、軸方向に沿って、
駆動部３２と発電部３３とに分けられている。駆動部３
２は、ほぼ等間隔で配置された二重螺旋構造の、一対の
電極３４₁，３４₂を備えている。すなわち、電極３４
₁は細い線状の電極で、駆動部３２の端部から出発して
駆動部３２を螺旋状に進む。もう一方の電極３４₂は電
極３４₁と同様の電極で、電極３４₁の螺旋のちょうど
中間を進むように、配置されている。発電部３３にはそ
の端面に、電極４が形成されている。それら電極は、こ
れまでの第１，第２の実施の形態におけると同様に、銀
ペーストを印刷塗布し、焼成したものである。焼成後の
厚さは、約１５μｍであった。

【００３３】電極形成後、駆動部３２の分極を行う。分
極は、温度１００〜２００℃のシリコーンオイル中で螺
旋電極３４₁，３４₂間に、１ｍｍ当り２〜３ｋＶの直
流電界を印加することによって行った。この分極の結
果、二つの螺旋電極の間は、図中に軸に沿う短い矢印で
示すように、軸に沿って一つ毎に交互に逆向きに分極さ
れた。次に、発電部３３の分極を行う。分極に当って
は、先ず、駆動部の螺旋電極３４₁，３４₂を結線し、
同電位とする。其の後、発電部の端面電極４と駆動部の
同電位の螺旋電極３４₁，３４₂との間に、直流電界を
印加する。分極の条件は、駆動部の分極条件と同一とし
た。この分極の結果、発電部３３は、図中に軸に沿う長
い矢印で示す方向に分極された。

【００３４】本実施の形態の圧電トランスを駆動すると
きは、駆動部３２の二つの螺旋電極３４₁，３４₂の間
に、周波数３８ｋＨｚ付近の交流電圧を印加する。本実
施の形態において、螺旋電極３４₁，３４₂の線幅を
０．２ｍｍ，間隔を０．８ｍｍとしたとき、この圧電ト
ランスは約２Ｗの電力を取り扱うことができた。昇圧比
は、約２７であった。駆動による圧電トランスの破損は
発生せず、又、実用上問題となる可聴雑音の発生も無か
った。

【００３５】（第４の実施の形態）図４に、本発明の第
４の実施の形態による圧電トランスの模式的斜視図を、
示す。図４を参照して、この図に示す圧電トランスは、
駆動部を二つ備えている。それら駆動部４２Ｌ，４２Ｒ
はそれぞれ、円柱状圧電体１の両端側に位置している。
二つの駆動部の間の領域が、発電部４３となっている。

【００３６】圧電体１は、圧電性セラミック材料（株式
会社トーキン製。商品名：ネペック８）を成形、焼結し
た後、直径２．５ｍｍ、長さ４２ｍｍの円柱に加工した
ものである。軸に沿って大きく三つの領域に区分されて
おり、両端側に位置する二つの領域が駆動部４２Ｌ，４
２Ｒである。中央に位置する領域が、発電部４３であ
る。駆動部４２Ｌは、円周を一周する複数個（この場合
は、ｎ個）の帯状電極４４_1L，４４_2L，４４_3L，……，
４４_nLを備えている。それらｎ個の帯状電極は、軸方向
に、等間隔で配置されている。駆動部４２Ｒにも、同様
な円周を一周するｎ個の帯状電極４４_1R，４４_2R，４４
_3R，……，４４_nRが形成されている。発電部４３にはそ
の中央に、円柱を取り巻く電極５が設けられている。駆
動部４２Ｌ，４２Ｒおよび発電部４３の電極は、銀ペー
ストを曲面印刷し、焼成して形成したものである。焼成
後の厚さは、約１５μｍであった。

【００３７】電極焼成後、各駆動部の分極を行う。その
場合、合計２ｎ個の帯状電極を次のように結線する。す
なわち、両方の駆動部４２Ｌ，４２Ｒで発電部４３に近
い側から奇数番目の電極４４_1L，４４_3L，……，４
４_1R，４４_3R，……が同電位になるように結線し、偶数
番目の電極４４_2L，４４_2L，……，４４_2R，４４_2R，…
…が同電位になるように結線する。そして、温度１００
〜２００℃のシリコーンオイル中で、帯状電極の間隔１
ｍｍ当り２〜３ｋＶの直流電界を印加した。この分極に
より、帯状電極４４_1L，４４_2L，４４_3L，……，４
４_nL，４４_1R，４４_2R，４４_3R，……，４４_nRの間は、
図中に軸に沿う短い矢印で示すように、それぞれの駆動
部の中では軸に沿って一つ毎に交互に逆向きで、しか
も、駆動部４２Ｌと駆動部４２Ｒとでは、発電部の電極
４３を挟んで対称に分極された。

【００３８】次いで、発電部４３の分極を行う。この分
極は、次のようにして行った。すなわち、駆動部４２Ｌ
の帯状電極のうち発電部４３に一番近い電極４４_1Lと駆
動部４２Ｒの帯状電極のうち発電部に一番近い電極４４
_1Rとを、同電位になるように結線する。そして、それら
同電位の電極４４_1L，４４_1Rと発電部の帯状電極５との
間に直流電界を印加する。分極の条件は、駆動部の分極
条件と同一とした。この分極の結果、発電部４３は、図
中に軸に沿う長い矢印で示すように、電極５を挟んで軸
に沿った逆の向きに分極された。

【００３９】本実施の形態による圧電トランスを駆動す
るには、駆動部の各奇数番目の帯電極４４_1L，４４_3L，
……，４４_1R，４４_3R，……を集結した端子２Ａと、偶
数番目の帯状電極４４_2L，４４_4L，……，４４_2R，４４
_4R，……を集結した端子２Ｂとの間に交流電圧ｅ_inを入
力する。交流入力電圧の周波数は、１１２ｋＨｚであ
る。この交流電圧の入力により、電気機械結合係数ｋ₃₃
を介して、円柱の軸に沿う歪が繰り返し発生する。その
結果、圧電体１全体に、軸に沿う縦振動が共振として発
生する。その振動は、３次の振動モードである。すなわ
ち、圧電体１の端面が開放端で振動の腹となり、円筒軸
に沿って６等分したときの第１領域と第２領域との間、
第３領域と第４領域との間および第５領域と第６領域と
の間に振動の節点ができる。上記の軸に沿う縦振動共振
により発電部４３には、電極５と駆動部４２Ｌの１番目
の帯状電極４４_1Lとの間および、電極５と駆動部４２Ｒ
の１番目の帯状電極４４_1Rとの間に、電気機械結合係数
ｋ₃₃を介して電圧が発生する。この発生電圧が、電極５
つまり端子３Ｂと電極４４_1L，４４_1Rつまり端子３Ａと
の間から、取り出される。本実施の形態において帯状電
極の線幅を０．２ｍｍ，隣接電極間間隔を０．８ｍｍと
したとき、この圧電トランスは約２Ｗの電力を取り扱う
ことができた。昇圧比は約２０で、これ迄の実施の形態
に比べて低かった。しかし、比較的低いインピーダンス
の負荷（例えばノート型パーソナルコンピュータの液晶
バックライト用の冷陰極蛍光灯は、点灯時のインピーダ
ンスが７０ｋΩ程度である）を、第１の実施の形態によ
る圧電トランスで駆動すると昇圧比は１０程度に下って
しまうのに対し、本実施の形態による圧電トランスでは
昇圧比の低下はなく、昇圧比２０を維持できた。これ
は、本実施の形態による圧電トランスの出力インピーダ
ンスが第１〜第３の実施の形態による圧電トランスに比
較して、小さくなっているからである。

【００４０】本実施の形態においては、発電部の電極５
の近傍に最大の引張り応力が発生する。しかし圧電トラ
ンスの製造工程において通常セラミックを扱う程度の注
意力をもって取り扱い、その後５Ｗ程度の電力で動作試
験を行った十分な個数の圧電トランスについて調査した
ところ、破損の発生は全くなかった。

【００４１】又、可聴雑音は、トランスから５ｃｍ離れ
た位置で２５ｄＢ以下であり、実用上全く問題なかっ
た。

【００４２】この実施の形態では、上述したように、振
動の節点が円柱の軸に沿って３箇所生じる。そこで、こ
の節点を外部との接続用端子としてのリード線を固着す
べき位置とすることによって、圧電トランスの支持を容
易にし、リード線の接続の信頼性を大幅に向上させるこ
とができる。又、上述の如く、圧電トランスの出力イン
ピーダンスが低くなるので、比較的小さなインピーダン
スの負荷に対しても高い昇圧比が得られるという長所も
合せ持っている。

【００４３】本実施の形態は、３次の共振を利用する圧
電トランスに対し、駆動部４２Ｌ，４２Ｒそれぞれの電
極に、第１の実施の形態における帯状電極を適用した例
を示すが、図５には、本実施の形態の変形例として、駆
動部の電極を第２の実施の形態と同様の交差指電極にし
た３次モードの圧電トランスの模式的斜視図を示す。
又、他の変形例として、駆動部の電極構造を第３の実施
の形態におけると同様の二重螺旋電極にした３次モード
の圧電トランスの模式的斜視図を、図６に示す。これら
変形例の圧電トランスにおいても第４の実施の形態にお
けると同様の効果が得られた。

【００４４】（第５の実施の形態）図７に、本発明の第
５の実施の形態による圧電トランスの模式的斜視図を、
示す。図７と図１とを比較して、第１の実施の形態によ
る圧電トランス（図１）では、発電部の電極は円柱の底
面（端面）に形成されていた。これに対し、本実施の形
態による圧電トランスでは、発電部の電極５は円柱の側
面端部に、円柱を取り巻くように設けられている。この
ような電極構造の圧電トランスは、円柱の長さが短いと
き、第１の実施の形態のような円柱の底面に電極が形成
された構造に比べ、昇圧比が小さくなるという傾向を示
したが、長さ４２ｍｍ、直径２．５ｍｍの場合には、第
１の実施の形態との差はなかった。本実施の形態は、電
極形成の際の印刷回数が少くて済み、製造コストを低減
できるという利点を持つ。

【００４５】本実施の形態は、発電部の電極を円柱状圧
電体の側面端部に設ける構造に対して、駆動部の電極と
して、第１の実施の形態における帯状電極を適用した例
を示すが、図８には、本実施の形態の変形例として、駆
動部の電極を第２の実施の形態と同様の交差指電極にし
た圧電トランスの模式的斜視図を示す。又、他の変形例
として、駆動部の電極構造を第３の実施の形態における
と同様の二重螺旋電極にした圧電トランスの模式的斜視
図を、図９に示す。これら変形例の圧電トランスにおい
ても第５の実施の形態におけると同様の効果が得られる
ことを、確認した。

【００４６】（第６の実施の形態）図１０に、本発明の
第６の実施の形態による圧電トランスの模式的斜視図
を、示す。図１０を参照して、圧電トランス３１は、第
３の実施の形態による圧電トランス（図３）におけるも
のと同一の構造で、外径２．５ｍｍ、長さ４２ｍｍであ
る。この圧電トランス３１は、収納ケース内に固定され
ているリング３６の中に挿入されており、圧電体がその
中間点で、弾力性にとむ絶縁性シリコーン樹脂３７によ
り、リング３６に接着、固定されている。発電部の端面
には、外部との接続用端子として、細いリード線６がは
んだ付けされていて、トランスからの出力の取り出しに
用いられている。このようにして収納ケースに固定され
た圧電トランスを測定、評価したところ、トランスを固
定することなく単独で評価した場合と比較して、ほぼ同
等のトランス変換効率を示した。

【００４７】（第７の実施の形態）図１１（ａ）に、本
発明の第７の実施の形態による圧電トランスの模式的斜
視図を、示す。図１１（ａ）を参照して、圧電トランス
１１は第１の実施の形態によるものと同一の構造で、外
径２．５ｍｍ、長さ４．２ｍｍである。パッケージは絶
縁体で出来たスペーサ１６Ａ，１６Ｂと、絶縁板の外面
に金属層などを設けた電極板１７Ａ，１７Ｂとからなっ
ている。断面は、ほぼ正方形である。図１１（ｂ）に、
本実施の形態による圧電トランスの断面図を、示す。図
１１（ｂ）を参照して、電極板１７Ａ，１７Ｂはトラン
ス１１の駆動部の帯状電極の列に交互に対応した位置に
小孔１８Ａ₁，１８Ａ₂，……，１８Ｂ₁，１８Ｂ₂，
……を有している。それら小孔内に、導電性の弾力性に
富むシリコーンゴム１９が充填され、パッケージ内で圧
電トランス１１を固定、支持すると同時に、圧電トラン
スの帯状電極を交互に電極板１７Ａ，１７Ｂに接続して
いる。各電極板にはリード線６Ａ，６Ｂが接続されてい
て、それらリード線間に入力交流電圧が印加される。一
方、トランスの発電部端面の電極にはリード線６Ｃが接
続され、ここから出力が取り出される。このようにして
収納パッケージに支持した圧電トランスを測定、評価し
たところ、トランスを支持、固定していない単独の圧電
トランスに対して、トランス変換効率が僅かに低下した
が、実用上大きな問題となるものではなかった。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電トラ
ンスでは、円柱状の圧電体を用いる。圧電体円柱は、柱
体の両底面にしか稜を持たない。稜の数そのものが平板
状圧電体に比べて少いので、チッピングが発生する確率
そのものが小さく、しかも、上記両底面の稜は、圧電体
内で引張り応力の発生する部位ではない。従って、仮に
稜部にチッピングが生じたとしても、圧電トランスが全
面的破壊に至る可能性は小さく、信頼性は非常に高い。
又、製造段階での取扱いが容易となるので、製造能率が
向上する。更に、良品率も向上し、製造コストが低減さ
れる。

【００４９】円柱は平板に比べ、容易に励起され得る振
動モードは単純である。最も基本的には軸に沿う縦振動
があり、次いで曲げ振動がある。その他のねじれ振動な
どは励起に多大のエネルギーを要するので、大きなレベ
ルの振動は殆ど発生しない。又、上記の曲げ振動は比較
的容易に発生するが、同一断面積の平板の曲げよりは励
起に大きなエネルギーを必要とするので、たとえ不要振
動モードとして発生しても、その振動レベルは平板の場
合に比較して小さくなる。従って、本発明の圧電トラン
スが可聴周波数の有害な雑音を発生する可能性は、平板
状の圧電トランスに比較して、非常に小さい。

【００５０】圧電トランスが取り扱い得る電力は、周知
のように、第１次近似としては圧電トランスの振動が伝
搬する断面積に比例する。本発明の圧電トランスで用い
る円柱状の圧電体は、従来の円筒状の圧電体に比べ、断
面積が大である。従って、本発明によれば、小型で昇圧
比の高い圧電トランスが得られる。しかも、平板と比較
した場合、軸方向から見たときの幅と高さとが同一であ
るので、用途によっては非常に使い易い。

【００５１】本発明の圧電トランスの支持構造によれ
ば、圧電体を弾力性を有する絶縁体あるいは導電体で保
持することにより、トランス変換効率を低下させること
なく、簡単なトランスを構造で支持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による圧電トランス
の、模式的斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による圧電トランス
の、模式的斜視図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態による圧電トランス
の、模式的斜視図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態による圧電トランス
の、模式的斜視図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態による圧電トランス
の変形例の、模式的斜視図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態による圧電トランス
の他の変形例の、模式的斜視図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態による圧電トランス
の、模式的斜視図である。

【図８】本発明の第５の実施の形態による圧電トランス
の変形例の、模式的斜視図である。

【図９】本発明の第５の実施の形態による圧電トランス
の他の変形例の、模式的斜視図である。

【図１０】本発明の第６の実施の形態による圧電トラン
スの、模式的斜視図である。

【図１１】本発明の第７の実施の形態による圧電トラン
スの模式的斜視図及び、断面図である。

【図１２】従来の圧電トランスの一例の模式的斜視図お
よび、他の例の模式的斜視図である。

【符号の説明】

１圧電体２Ａ，２Ｂ入力用端子３Ａ，３Ｂ出力用端子４，５出力用電極６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃリード線１２，２２，３２，４２Ｌ，４２Ｒ駆動部１３，２３，３３，４３発電部１４₁，…，１４_n，４４1_A，…，４４_nA，４４_1B，
…，４４_nB 帯状電極２４₁，２４₂ 交差指電極３４₁，３４₂ 二重螺旋電極１１，３１圧電トランス３６リング３７絶縁性シリコーン樹脂１６Ａ，１６Ｂスペーサ１７Ａ，１７Ｂ電極板１８Ａ，１８Ｂ小孔１９導電性シリコーン樹脂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電性材料からなる圧電体を駆動部と発
電部とに区分し、駆動部にはその表面に、交流電圧を入
力して前記圧電体に振動を生じさせるための一対の入力
用電極を設け、発電部にはその表面に、前記入力用電極
の一方と対になって前記圧電体に生じさせた振動により
圧電体が発生する電圧を取り出すための出力用電極を設
けた構造の圧電トランスにおいて、前記圧電体に、円柱形状の圧電体を用いたことを特徴と
する圧電トランス。
【請求項２】圧電性材料からなる円柱をその軸に沿っ
て駆動部と発電部とに区分し、前記駆動部にはその側面
に、電気的には互いに独立した一対の電極であって、駆
動部を円柱の軸に沿って複数の領域に分ける電極を設け
ると共に、前記複数の領域をそれぞれ円柱の軸に沿う交
互に逆の向きに分極させ、発電部には、前記駆動部の発
電部に直近の電極と対になる電極を設けると共に、円柱
の軸に沿ういずれか一方の向きに分極させたことを特徴
とする圧電トランス。
【請求項３】請求項１又は請求項２記載の圧電トラン
スにおいて、前記駆動部の電極を、円柱の側面を閉じた状態で取り巻
く帯状電極が複数円柱の軸に沿って互いに平行に並ぶ構
造とすると共に、前記複数の帯状電極を一つ置きに同電
位になるように結線したことを特徴とする圧電トラン
ス。
【請求項４】請求項１又は請求項２記載の圧電トラン
スにおいて、前記駆動部の電極を、円柱の側面を周方向に一部分が切
れた状態で取り巻く指電極が複数円柱の軸に沿って並
び、それら複数の指電極を円柱の軸に沿って延びる接続
電極が連結する構造の二つの交差指電極を、二つの交差
指電極それぞれの指電極どうしが平行で円柱の軸に沿っ
て交互に並ぶように噛み合せた構造としたことを特徴と
する圧電トランス。
【請求項５】請求項１又は請求項２記載の圧電トラン
スにおいて、前記駆動部の電極を、二重螺旋状電極としたことを特徴
とする圧電トランス。
【請求項６】請求項２，請求項３，請求項４又は請求
項５記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体円柱を、その軸にそって、一方の底面を含む
一つの駆動部と、他方の底面を含む一つの発電部の二つ
の領域に区分し、前記発電部の電極を前記円柱の他方の
底面に形成したことを特徴とする圧電トランス。
【請求項７】請求項６記載の圧電トランスにおいて、前記発電部の電極を、前記円柱の他方の底面に形成する
のに替えて、前記発電部の側面端部に形成したことを特
徴とする圧電トランス。
【請求項８】請求項２，請求項３，請求項４又は請求
項５記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体円柱を、その軸にそって、一方の底面を含む
一つの駆動部とその駆動部に隣接する一つの発電部と、
その発電部に隣接し他方の底面を含む他の一つの駆動部
の三つの領域に区分し、前記発電部の電極を、前記円柱
の中央で円柱を一周する帯状電極としたことを特徴とす
る圧電トランス。
【請求項９】請求項１又は請求項２記載の圧電トラン
スを、前記駆動部に交流電圧を入力して圧電体を軸に沿
って縦振動させたときの節で、弾力性を有する絶縁性材
料を介して支持することを特徴とする圧電トランスの支
持構造。
【請求項１０】請求項１又は請求項２記載の圧電トラ
ンスを、前記駆動部及び発電部の表面に設けられた電極
の位置で弾力性を有する導電性材料で支持すると共に、
前記導電性材料を介して、前記駆動部及び発電部に設け
た電極と外部との接続用端子とを導通させる構造とした
ことを特徴とする圧電トランスの支持構造。