JPH10223939A - 圧電トランス - Google Patents

圧電トランス

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JPH10223939A
JPH10223939A JP9025510A JP2551097A JPH10223939A JP H10223939 A JPH10223939 A JP H10223939A JP 9025510 A JP9025510 A JP 9025510A JP 2551097 A JP2551097 A JP 2551097A JP H10223939 A JPH10223939 A JP H10223939A
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JP
Japan
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electrodes
length direction
piezoelectric transformer
piezoelectric
rectangular plate
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Application number
JP9025510A
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English (en)
Inventor
Yoshiaki Fuda
良明 布田
Yukifumi Katsuno
超史 勝野
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Tokin Corp
Original Assignee
Tokin Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 破壊することなく、機械的強度が高く、かつ
エネルギー変換効率も良い構造の圧電トランスを得るこ
とである。 【解決手段】 圧電セラミックス矩形板11は、内部電
極として交差指状内部電極12,14をそれぞれ設けて
おり、積層方向は圧電セラミック矩形板11の厚さ方向
で、分極方向が圧電セラミック矩形板11の長さ方向と
している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電性セラミック
スを用いた圧電トランスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】携帯テレビやノート型パーソナルコンピ
ュータ等を始め各種携帯電子機器の普及に伴い、これら
の携帯電子機器に直流電圧を供給するために、商用交流
電圧を入力電源とし直流電圧を出力するACアダプター
が用いられている。一般的なACアダプターの電気回路
図を図3に示す。この電気回路は、入力側ACにまず電
磁ノイズ対策用コモンモードチョークコイル31、次に
全波整流回路32が入力側直流回路を構成し、この直流
回路に並列に大きな瞬時断線対策用の平滑コンデンサー
33が接続される。その次に直流を交流に変換するため
のスイッチング回路34すなわちスイッチS1,S2が
接続され、ここで変換された交流電圧が電磁式トランス
35に入り、所定の交流電圧に変換される。最後にこの
交流電圧を出力側の整流回路36を介して整流し、出力
側の平滑回路37を介して平滑することにより、所定の
直流電圧を出力するのがスイッチング方式のACアダプ
ターである。ACアダプターに用いられている電子部品
の中で体積が大きくかつACアダプターの変換効率に影
響を及ぼすのが電磁式トランス35である。最近、AC
アダプターに対する高効率化、小型低背化、電磁ノイズ
の低減や低消費電力化の要求が高まり、電磁式トランス
35に代わって機械的振動のエネルギーをエネルギー変
換媒体とする圧電トランスの実用化の検討がなされてい
る。
【0003】圧電トランスの効率は、圧電トランスの出
力抵抗と負荷抵抗とのインピーダンスマッチングが重要
であり、マッチングが良いとき機械的振動のエネルギー
を効率良く電気的出力エネルギーに変換することが出来
る。ACアダプターの出力部に接続される各種携帯電子
機器の入力抵抗はおよそ数オーム〜数10オーム程度で
あり、圧電トランスの出力抵抗も数オーム〜数10オー
ム程度にする必要がある。圧電トランスの出力抵抗は、
(1)式に示すように共振角周波数(ω)の逆数と出力
部の制動容量(Cd2 )の逆数の積で決まる。
【0004】 R=1/ω・1/Cd2 ……(1)式 ここで、一般的なACアダプターとして、R=10オー
ム、ω=2πf0 ≒6.28×100kHzの値を用い
て圧電トランス出力部の制動容量を計算するとCd2
160nFと比較的大きな値となる。実用的な寸法のA
Cアダプターの内部で、圧電トランスの出力部にかかる
大きな静電容量を構成するには、出力部に対向内部電極
を埋め込んだ積層構造とすることが考えられる。
【0005】ところで、セラミック矩形板の長さ共振モ
ードを利用した圧電トランスにおいて、出力側の電極構
造が矩形板の長さ方向に対向する交差指電極構造は特願
平6−210994号に基づく国内優先権出願(特願平
7−227968号)や特願平6−280590号等に
おいて、すでに提示している。
【0006】このような従来の構造では、負荷抵抗が1
0Kから10MΩと非常に大きな値の時に大きな昇圧比
を得るためのものであり、かつ入力側は厚さ方向に分極
していわゆる圧電横効果を利用している。
【0007】インピーダンスの整合を取るために、出力
側に対向内部電極を有する積層構造を採用するには、内
部電極とセラミックスの積層方向が圧電セラミック矩形
板の長さ方向に一致する方法と、内部電極とセラミック
スの積層方向が圧電セラミック矩形板の厚さ方向に一致
する方法の二通りがある。前者は、分極方向と振動方向
が一致する圧電縦効果を利用することになり高い電気機
械結合係数が得られるので、圧電トランスとしてのエネ
ルギー変換効率も良くなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、積層方向が圧
電セラミック矩形板の長さ方向に一致する場合に、内部
電極層である貴金属と圧電セラミックスは化学的反応は
しないで、機械的に固着しているだけなので、圧電トラ
ンスをその長さ方向の共振周波数近傍で駆動したとき、
長さ方向に引っ張り応力が働き、内部電極とセラミック
ス境界面から破壊するという問題点がある。
【0009】更に、長さ方向への積層は、積層数が膨大
となりプロセス的にも問題である。積層方向が圧電セラ
ミック矩形板の厚さ方向に一致する後者の方法において
は、分極方向と振動方向が直交する圧電横効果を利用す
ることになり電気機械結合係数が圧電縦効果の約半分し
か得られないので、圧電トランスとしてのエネルギー変
換効率が悪くなるという問題点がある。
【0010】また、圧電トランスの入力部の積層構造に
関して、制動容量はトランス設計上の変成比で決まり、
励振時の機械的強度や入力電気エネルギーを機械的振動
のエネルギーに変換する効率と積層構造の問題点は出力
部と全く同様である。
【0011】そこで、本発明の目的は、破壊することな
く、機械的強度が高く、かつエネルギー変換効率も良い
構造の圧電トランスを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電性
セラミック矩形板の長さ方向の共振モードを利用した圧
電トランスにおいて、矩形板の長さ方向の略半分の圧電
トランス入力部分には、長さ方向に直交した複数の交差
指状内部電極層を有し、該内部電極層は厚み方向に複数
積層され、該交差指状内部電極は長さ方向で対向電極と
なるように長さ方向で一本ずつ第1の側面と第2の側面
とでそれぞれ共通の外部電極に接続し、矩形板の長さ方
向の残り略半分の圧電トランス出力部分には、長さ方向
に直交した複数の交差指状内部電極層を有し、該内部電
極層は厚み方向に複数積層され、該交差指状内部電極は
長さ方向で対向電極となるように長さ方向で一本ずつ第
1の側面と第2の側面とでそれぞれ共通の外部電極に接
続した構造を特徴とする圧電トランスが得られる。
【0013】また、圧電性セラミック矩形板の長さ方向
の共振モードを利用した圧電トランスにおいて、矩形板
の長さ方向の略半分の圧電トランス入力部分には、長さ
方向に直交した複数の交差指状内部電極層および交差指
状表面電極を有し、該内部電極層は厚み方向に複数積層
され、該交差指状内部電極および交差指状表面電極は長
さ方向で対向電極となるように長さ方向で一本ずつ第1
の側面と第2の側面とでそれぞれ共通の外部電極に接続
し、矩形板の長さ方向の残り略半分の圧電トランス出力
部分には、長さ方向に直交した複数の交差指状内部電極
層および交差指状表面電極を有し、該内部電極層は厚み
方向に複数積層され、該交差指状内部電極および交差指
状表面電極は長さ方向で対向電極となるように長さ方向
で一本ずつ第1の側面と第2の側面とでそれぞれ共通の
外部電極に接続した構造を特徴とする圧電トランスが得
られる。
【0014】
【作用】内部電極を交差指電極とし、この交差指電極は
電極幅と電極ピッチおよび電極本数から構成したので、
圧電トランスの入出力部の静電容量はこれらの構成要素
と交差指電極層の積層数に依存する。圧電トランスの長
さ方向の断面で見たとき、交差指電極は電極幅と厚さの
断面積を有する点状であり、分極や駆動時には、その点
間に電界がかかる様になる。当然電気力線は点間に積層
厚さ一層分の広がりを持って分布するので、圧電セラミ
ック矩形板を長さ方向に分極または励振する事が可能と
なる。
【0015】さらに、積層方向は圧電セラミック矩形板
の厚さ方向で、分極方向が圧電セラミック矩形板の長さ
方向とした構成であるため、同じ圧電トランスの長さ方
向の断面で見たとき、長さ方向に連続する圧電セラミッ
ク部が存在し、長さ方向に直交する内部電極層を有する
場合より長さ方向の引っ張り強度は大きくなり、それに
より、圧電トランスをその長さ方向の共振周波数近傍で
駆動したとき、長さ方向に引っ張り応力による破壊は防
止され得る。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
圧電トランスを実施例により詳細に説明する。
【0017】(実施例1)図1(a)および(b)を参
照して、PZT系圧電セラミックス矩形板11の長さ方
向に直交する複数の交差指内部電極12,14を有する
寸法長さ32mm、幅10mm、厚さ6mmの圧電トラ
ンスを試作した。
【0018】圧電トランスの入力部として動作する入力
領域は、セラミックス矩形板11の長手方向に沿って図
中左側の略半分の部分であり、銀−パラジウム合金を用
い、一層置きに両側面で共通の外部側面電極13、13
に接続するように幅100μm、長さ9mm、ピッチ1
mmの交差指内部電極12を15本形成し、厚さ方向に
120μm間隔で50層積層した。
【0019】また、圧電トランスの出力部として動作す
る出力領域は、セラミックス矩形板11の残り略半分の
部分であり、銀−パラジウム合金を用い、一層置きに両
側面で共通の外部側面電極15、15に接続するように
幅100μm、長さ9mm、ピッチ250μmの交差指
内部電極14を60本形成し、厚さ方向に120μm間
隔で60層積層した。詳しく述べると、セラミックス矩
形板11は、入出領域の境界として、tの幅を持つセラ
ミックスだけの中央領域を持っている。
【0020】試作した圧電トランスの共振周波数と入出
力側の制動容量および出力側の制動容量から計算した最
適負荷抵抗値を表1に示した。この表1は、試作した圧
電トランスの1波長共振モードを利用し、矩形板11の
長さ方向の左右の両端面からほぼ四分の一の2箇所の位
置をそれぞれ支持して、入力電圧100Vrms、負荷
抵抗20Ωの時の圧電トランス特性の測定結果である。
【0021】
【表1】
【0022】尚、この実施例では、外部側面電極13、
13と15、15とは、それぞれセラミックス矩形板1
1の中央領域を除く両側面上に左右両端面の縁まで伸び
るように形成されているが、左右両端面に近傍の交差指
内部電極12および14と直交する接続部から長手方向
外側のそれぞれの側面部分には、外部側面電極を形成し
なくても良い。
【0023】(実施例2)実施例1と同じ寸法の圧電ト
ランスで、交差指内部電極12,14と同じ寸法の交差
指表面電極23,26をセラミックス矩形板11の上下
面の入出力領域に追加した圧電トランスを試作した。実
施例1と同様の評価、測定結果を表1に示した。
【0024】また、比較試料として特願平6−2805
90号の圧電トランスで寸法、入出力の制動容量を実施
例1と等しい構造の圧電トランスを試作し、実施例1と
同様の評価、測定結果を表1に示した。表1より本発明
の圧電トランスは降圧比は4倍であり、入力電圧が10
0Vrmsの入力電圧を5〜6V程度に降圧することが
可能で、かつインピーダンスのマッチングが良好のため
90%以上の高効率が達成されている。特願平6−28
0590号の圧電トランスの構造では入力側に圧電横効
果を利用しているので電気機械結合係数が小さく、電気
的エネルギーから機械的振動エネルギーへの変換効率が
低いので発熱が大きい。その結果、圧電トランスとして
の入出力の電力比である効率が本発明の圧電トランスに
比較して小さい。かつ、機械的強度評価の3点曲げ試験
結果も圧電セラミック単体の強度にほぼ等しい値が得ら
れ、実用強度の問題が解決された。
【0025】尚、実施例1および2では、圧電トランス
の入力部として動作する入力領域は、セラミックス矩形
板11の長手方向に沿って図1(a)および(b)の左
側の略半分の部分で、出力領域は、右側の略半分の部分
で説明したが、入出力部を逆にして圧電トランスを構成
できることは言うまでもない。
【0026】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、内部電極を交差指電極とし、積層方向は圧電セ
ラミック矩形板の厚さ方向で、分極方向が圧電セラミッ
ク矩形板の長さ方向とすることにより、機械的強度が高
く、かつエネルギー変換効率も95%以上の構造の圧電
トランスを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の実施例1に係る圧電トラン
スの概略斜視図である。(b)は、(a)に示された圧
電トランスをB−B線を含む切断水平面で切断した断面
図である。
【図2】本発明の実施例2に係る圧電トランスの概略斜
視図である。
【図3】一般的なスイッチング方式のACアダプターの
電気回路図である。
【符号の説明】
11 圧電セラミック矩形板 12 圧電トランス入力側の交差指内部電極 13 入力側の側面の外部電極 14 圧電トランス出力側の交差指内部電極 15 圧電トランス出力側の側面の外部電極 21 圧電セラミック矩形板 22 圧電トランス入力側の交差指内部電極 23 圧電トランス入力側の交差指表面電極 24 入力側の側面の外部電極 25 圧電トランス出力側の交差指内部電極 26 圧電トランス出力側の交差指表面電極 27 圧電トランス出力側の側面の外部電極 31 入力側の電磁ノイズ対策用コモンモードチョー
クコイル 32 入力側の全波整流回路 33 入力側の平滑コンデンサー 34 スイッチング回路 35 電磁式トランス 36 出力側の整流回路 37 出力側の平滑回路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電性セラミック矩形板の長さ方向の共
    振モードを利用した圧電トランスにおいて、矩形板の長
    さ方向の略半分の部分は、長さ方向に直交した複数の交
    差指状内部電極を有する層から成り、該内部電極を有す
    る層は厚み方向に複数積層され、該交差指状内部電極は
    長さ方向で対向電極となるように長さ方向で一本ずつ一
    方の側面と他方の側面とでそれぞれ共通の外部電極に接
    続し、矩形板の長さ方向の残り略半分の部分は、長さ方
    向に直交した複数の交差指状内部電極を有する層から成
    り、該内部電極を有する層は厚み方向に複数積層され、
    該交差指状内部電極は長さ方向で対向電極となるように
    長さ方向で一本ずつ一方の側面と他方の側面とでそれぞ
    れ共通の外部電極に接続した構造を特徴とする圧電トラ
    ンス。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の圧電トランスにおい
    て、矩形板の長さ方向の略半分の部分は、長さ方向に直
    交した複数の交差指状表面電極を有し、該交差指状表面
    電極は長さ方向で対向電極となるように長さ方向で一本
    ずつ一方の側面と他方の側面とでそれぞれ共通の外部電
    極に接続し、矩形板の長さ方向の残り略半分の部分は、
    長さ方向に直交した複数の交差指状表面電極を有し、該
    交差指状表面電極は長さ方向で対向電極となるように長
    さ方向で一本ずつ一方の側面と他方の側面とでそれぞれ
    共通の外部電極に接続した構造を特徴とする圧電トラン
    ス。
JP9025510A 1997-02-07 1997-02-07 圧電トランス Pending JPH10223939A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7411340B2 (en) * 2004-08-13 2008-08-12 Epcos Ag Piezoelectric transformer
DE112011103776B4 (de) * 2010-11-15 2019-07-04 Tdk Electronics Ag Piezoelektrisches Bauelement und Verfahren zu seinem Betrieb

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7411340B2 (en) * 2004-08-13 2008-08-12 Epcos Ag Piezoelectric transformer
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