JPH11150311A

JPH11150311A - 圧電トランス

Info

Publication number: JPH11150311A
Application number: JP9317841A
Authority: JP
Inventors: Terutaka Sugano; 照登菅野; Akira Shiraishi; 晃白石
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1999-06-02

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電トランスの効率向上を図る。【解決手段】圧電磁器板１の上下面に、その外周端縁
を囲むように所定幅の導体層を形成して相対向する入力
電極２，２を形成すると共に、この圧電磁器板１のほぼ
中心部分に貫通孔３を設け、その内側面に導体層を形成
して出力電極４を形成する。そして、外周より中心方向
に分極Ｐ２を施すと共に、厚み方向に分極Ｐ１を施して
圧電トランス１０を構成する。このように、圧電磁器板
１の外周端縁を囲むように入力電極２，２を形成するこ
とで入力電極２，２の静電容量を大きく取れるため、発
電時は比較的低い電源入力で効率良く電力供給が行える
ようになり、かつ、外周端面の機械的振動が中心部の出
力電極４に効率良く伝達されるので、所望の高電圧を効
率的に発生できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＣＤバックライ
ト、電気集塵機、ＦＡＸ・スキャナー用の冷陰極管、あ
るいは、デジタルカメラ用のバックライト等の高電圧発
生器等に使用される圧電トランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、上記したような高電圧発生器
等に使用されている昇圧用トランスにあっては、磁性材
であるフェライトコアに一次巻線、および二次巻線を形
成すると共に、この一次巻線に駆動用トランジスタを介
して３０〜５０ＫＨｚの高周波電力を供給することによ
りトランス二次側より巻数比に応じて誘起される高電圧
を取り出す、所謂、巻線型トランスが周知であるが、近
年、この巻線による昇圧機構に替わり、圧電セラミック
ス（圧電体）の圧電効果を利用した圧電トランスが利用
されるようになってきた。すなわち、上記圧電体は、機
械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する機能を有
していることから、変成器としての用途が注目されてい
る。

【０００３】図９は、従来より用いられている代表的な
圧電トランスの概略構成図であって、一般的にローゼン
型圧電トランスと呼ばれるものである。

【０００４】図示するように、この圧電トランスは、長
さＬ、幅Ｗ、厚さＴの平板矩形状に形成された圧電磁器
２１から成り、この矩形体のほぼ半分（Ｌ／２）の上下
面に相対向する駆動用の入力電極２２，２３を形成する
と共に、もう一方（Ｌ／２）の片端面に発電用の出力電
極２４を形成し、入力電極２２，２３間、ならびに出力
電極２４と入力電極２２（または２３）間に、各々２〜
３ＫＶ／ｍｍの直流電圧を印加することで、この矩形体
の半分に矢印で示す厚み方向の分極Ｐ１を、また、他の
半分に長さ方向の分極Ｐ２を施して構成されている。

【０００５】上記構成の圧電トランスにおいて、入力電
極２２−２３間に所定の交流電圧Ｖｉｎ（例えば、５０
〜１７０ＫＨｚの高周波電力）を印加することによりラ
ジアル（広がり）方向の振動を発生させ、このラジアル
方向の振動により入力電極２２（または２３）と出力電
極２４との間に昇圧された高電圧の出力Ｖｏｕｔを取り
出すことができる。なお、発生する出力電圧Ｖｏｕｔは
上記入力電極２２（または２３）と出力電極２４との静
電容量比で決定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した巻
線型トランスにあっては、例えば、５〜１２Ｖの直流電
源から２０００Ｖｒｍｓの高周波で高電圧を得るには、
二次側巻線は線径０．０４φ程度の極細導線を約２００
０ターン程巻回する必要があるため、電流歪みによる電
磁波が発生し易い構造であった。また、このような巻線
方式は構造上、半田個所の断線や絶縁不良による巻線間
の絶縁破壊やリーク、およびこれに伴う巻線の発熱・発
煙・発火等の障害も発生し易く、信頼性や製造行程管理
の面で問題を有していた。

【０００７】一方、上記した単層構造のローゼン型圧電
トランスにあっては、前記巻線型トランスで問題となっ
た電磁波の発生は防止されるが、入力電極２２（または
２３）に印加した高周波電力によるラジアル方向振動の
一部が長手方向振動となって電気変換されるため、その
分トランスの変換効率が悪くなるといった欠点があっ
た。

【０００８】また、通常、圧電トランスにおいては、振
動する圧電磁器２１を支持・固定するための支持機構を
必要とするが、前記ローゼン型圧電トランスの場合、形
成される電極構造上、振動が発生する入力電極２２，２
３の駆動部分と出力電極２４付近の２ケ所に上記支持機
構を必要とし、この支持機構による固定部分が圧電トラ
ンスの駆動側および出力側の機械的振動を阻害し、ひい
ては圧電トランスの効率を低下させる要因となってい
た。

【０００９】また、上述の単層構造に対し、積層構造の
圧電トランスにあっては、図示しないが、各電極（入力
電極および出力電極）が形成された厚さ０．１ｍｍ程度
の圧電磁器シートを複数枚積層・加圧して一体化された
構造であることから、小型でありながら入力電極容量を
大きく取ることができるため、発電時に印加する駆動電
圧は比較的低くて済むが、積層構造のため、各層の圧電
素子の特性のバラツキにより振動にズレを生じるため、
単板構造に比べ発熱が大きく、放熱効果も悪いため、発
電時の発熱と振動により圧電磁器２１が入力電極２２，
２３側と出力電極２４側の境目で破損し易いといった構
造上の欠点が有り、そのため、使用上の用途は発熱の少
ない小出力用に限定されていた。

【００１０】本発明は、上記問題を解消するために成さ
れたものであって、効率が良く、かつ小型で信頼性の高
い圧電トランスを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に記
載の本発明では、圧電磁器板（１）の上下面に、その外
周端縁を囲むように所定幅の導体層を形成して相対向す
る入力電極（２，２）を形成すると共に、前記圧電磁器
板（１）のほぼ中心部分に貫通孔（３）を設け、その内
側面に導体層を形成して出力電極（４）を形成し、か
つ、この圧電磁器板（１）の外周より中心方向に分極
（Ｐ２）を施すと共に、厚み方向に分極（Ｐ１）を施し
て構成した。

【００１２】また、請求項２に記載の本発明では、前記
出力電極（４）は、貫通孔（３）の内側面に形成した導
体層を圧電磁器板（１）の上下面に導出させて形成する
構成とした。

【００１３】また、請求項３に記載の本発明では、前記
入力電極（２，２）と前記圧電磁器板（１）の外周端縁
との間に一定幅の未導体部分（５）が形成されている構
成とした。

【００１４】また、請求項４に記載の本発明では、前記
入力電極（２，２）の一部分が径方向に欠切されて未導
体部分（６）が形成されている構成とした。

【００１５】また、請求項５に記載の本発明では、前記
圧電磁器板（１）は、複数枚の圧電磁器シート材（Ｔ１
…Ｔｎ）を積層・加圧・一体化して形成され、導電ペー
ストにより入力電極（２，２）および出力電極（４）を
形成した後、焼結して形成される構成とした。

【００１６】また、請求項６に記載の本発明では、前記
圧電磁器板（１）は、導電ペーストにより入力電極
（２）および出力電極（４）を形成した複数枚の低温焼
結性の圧電磁器シート材（Ｔ１…Ｔｎ）で形成され、こ
れら圧電磁器シート材（Ｔ１…Ｔｎ）の各導体電極を互
いに重ね合わせるように積層・加圧・一体化した後、焼
結して形成される構成とした。

【００１７】また、請求項７に記載の本発明では、前記
圧電磁器板（１）のノーダル・ポイントに、この圧電磁
器板（１）を支持・固定するための支持機構（７）を設
ける構成とした。

【００１８】さらにまた、請求項８に記載の本発明で
は、前記圧電磁器板（１）の形状を円形状、もしくは角
形状とした。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図８に基づき、本発
明に係る圧電トランスについて説明する。

【００２０】図１は本発明の一実施形態を示す圧電トラ
ンスの概略外観図である。図１において、１は、ＰＺＴ
系のセラミックスを圧電材料として用いた圧電磁器板で
ある。この圧電磁器板１の形状は円板形であって、その
外周端の上下面に所定幅の導体層（図中、点々を付した
部分）が相対向する形で同心円状に形成されて駆動用の
入力電極２，２とされると共に、この圧電磁器板１のほ
ぼ中心部分に丸形の貫通孔３を設け、その内側面に導体
層が形成されて発電用の出力電極４とされ、かつ、この
圧電磁器板１の外周より中心部に向けて分極Ｐ２が施さ
れると共に、板厚方向に分極Ｐ１が施されて圧電トラン
ス１０が構成されている。

【００２１】なお、前記圧電磁器板１の分極処理は、圧
電磁器板１の所定位置に入力電極２，２および出力電極
４の各電極を形成した後、先ず相対向する入力電極２−
２を短絡し、これと円形体中央部の出力電極４の間に、
例えば１Ｋ〜３ＫＶ／ｍｍの直流電圧を印加して径方向
の分極Ｐ２が施され、また、上記入力電極２−２間に前
記同条件で直流電圧を印加して板厚方向の分極Ｐ１が施
されて成されるものである。

【００２２】本発明に係る圧電トランスは、既述した従
来のローゼン型圧電トランスと同様の動作原理によって
駆動されるものである。すなわち、各々の電極間にそれ
ぞれ分極Ｐ１，Ｐ２を施した後、図８に示す圧電トラン
スの駆動回路のように、電磁器板１の厚みと外形によっ
て決まる共振周波数に対し、入力電極２，２と並列また
は直列に共振コイルＬを接続して構成された共振回路に
駆動用トランジスタＱ１を介して、前記入力電極間２−
２に駆動周波数入力による所定の高周波電力を供給する
ことにより、この円形体のラジアル方向（広がり方向）
に前記共振周波数に対応した機械的振動を発生させ、こ
の振動が圧電素子の機械−電気変換作用により、出力電
極４と入力電極２，２の何れか一方の間に電源入力Ｖｉ
ｎと各々の電極の静電容量比（すなわち、電源入力Ｖｉ
ｎの昇圧比）で決定される高電圧の出力電圧Ｖｏｕｔを
発生する。

【００２３】なお、本駆動回路は、冷陰極管ＲＬの高電
圧発生回路例であって、電源入力１０Ｖが圧電トランス
１０により出力２００Ｖの高電圧に昇圧されて、冷陰極
管ＲＬの一方の電極に印加される構成を示している。

【００２４】ところで、発電時（高圧発生時）に発生す
るラジアル方向の機械的振動は、その形状の特質より、
この圧電磁器板１の厚みや外径に応じた共振振動数で外
周端面より中心部に向かって波紋状（同心円状）に広が
って行くため、従来のように振動が長手方向に伝わって
いく平板矩形状の圧電トランスに比べ、振動の伝達効率
は極めて良好であって、最終的にその中心部分（出力電
極４）に全ての応力が集中するため、所望の高電圧を効
率的に得ることができる。また、このように、入力電極
２，２が圧電磁器板１の外周端縁を囲む形で形成された
電極構造であれば、この機械的振動を阻害しないノーダ
ル・ポイントが円形体の中心部および円周上に形成され
るため、例えば、円周上に存在するノーダル・ポイント
部分に図７に示すような支持機構７を設けることにより
支持・固定による圧電磁器板１の振動阻害は発生しなく
なり、効率の向上が望める。

【００２５】図７は、例えばシリコンゴム等の弾性素材
で錐体状に形成した支持部材７を使用した支持機構の一
実施形態である。

【００２６】本実施形体は圧電磁器１の円周上のノーダ
ル・ポイントを圧電磁器板１を挟んで上下両面より前記
支持部材７，７の頂天部を突き合わせる形で数カ所支持
した支持機構であって、円形体の下側に位置する支持部
材７の底部は圧電トランス１０が実装された基板ＰＢに
接着・固定され、もう一方の上側に位置する支持部材７
の底部は、例えば、これを収納するケーシングＣの内面
に固定されている。

【００２７】また、図示していないが、上記以外にノー
ダル・ポイントが存在する圧電磁器板１の中心部分（貫
通孔３の部分）を上記と同形状の支持部材７にて一点支
持する構成としても良い。何れの場合も、支持構造はシ
ンプルである。

【００２８】つぎに、図２〜図６に図１で示した圧電ト
ランス１０の変形例を示す。何れも図１のものと同等の
電気的性能を発揮するものである。

【００２９】図２に示す圧電トランス１０は、貫通孔３
の内側面に形成した導体層をこの貫通孔３の周縁上下面
に導出させて出力電極４としたものであって、この上下
面の導出電極で所望の高電圧を得ることができる。ま
た、係る電極構造とした場合は、貫通孔３が形成されな
くとも出力電極４としての機能は十分果たすことが可能
であって、貫通孔形成のための孔加工が不要である分、
圧電磁器板１の形状や構造は簡素化される。

【００３０】また、図３に示す圧電トランス１０は、相
対向する入力電極２−２間の延面距離を十分に確保する
ため、圧電磁器板１の外周端縁より一定の距離をおいて
導体層を形成し、入力電極２，２と外周端縁との間に環
状の未導体部分５を設けたものである。

【００３１】また、図４に示す圧電トランス１０は、上
述のように入力電極２，２を環状とせず、その導体層の
一部分を径方向に欠切したものであって、本実施形態で
は、切断により形成された未導体部分６に円形体中心部
の導体層が導出されて、その外周端部に出力電極４が形
成されている。

【００３２】また、図６に示す圧電トランス１０は、上
述した実施形態と異なり、前記圧電磁器板１の形状を矩
形状（例えば、正方形）とした実施形態であって、図６
（ａ）は入力電極２，２を矩形環状としたもの、図６
（ｂ）は矩形環状体の一部を欠切した例であり、その電
極構造は何れの場合も既述の円形状のものと同様であ
る。なお、貫通孔３の形状は図６（ａ）に示すように矩
形状としても良いし、今まで通り丸形としても良い。

【００３３】このように、圧電磁器板１の形状を矩形状
とすると材料取りは円形状の場合に比べて効率が良く、
経済的である。

【００３４】以上の実施形態のように、圧電磁器板１の
中心部分に出力電極４を形成すると共に、その外周端面
の上下に入力電極２，２を形成した電極構成とすること
により、入力電極２、２の静電容量を大きくできるた
め、発電の際、電源入力Ｖｉｎをさほど高くしなくとも
効率の良い電力供給が行える。しかも、出力電極４の孔
径を変えることで出力電極４と入力電極２，２との静電
容量比（昇圧比）を簡単に変更できるため、発生させる
出力電圧Ｖｏｕｔに応じてその都度圧電磁器板１の外径
寸法や入力電極２，２の面積を変える必要はない。

【００３５】また、以上説明した圧電トランス１０は単
板の圧電磁器で形成した単層構造であるが、勿論、図５
に示すように複数枚の圧電磁器シート材Ｔ１…Ｔｎを使
用した積層構造としても良い。

【００３６】以下にその実施形態を示せば、まず１つ
は、複数枚の圧電磁器シート材Ｔ１…Ｔｎを厚さ方向に
積層・加圧・一体化して圧電磁器板１を形成すると共
に、導電ペーストを塗布することにより、それぞれ入力
電極２，２および出力電極４を形成し、その後、焼成し
て圧電トランス１０を構成した例である。

【００３７】また、別の実施形態は、前記圧電磁器１と
して導電ペーストにより入力電極２および出力電極４が
形成された複数枚の低温焼結性の圧電磁器シート材Ｔ１
…Ｔｎを用いたものであって、この低温焼結性の圧電磁
器シート材Ｔ１…Ｔｎを各々の導体電極を互いに重ね合
わせるように厚さ方向に積層・加圧・一体化して所定形
状（例えば、円形状）に裁断し、その後、焼成して圧電
トランス１０を構成した例である。このタイプは、内部
電極層を有する電極構造となるが、入力電極構造が環状
であるため、従来の矩形状のローゼン型圧電トランスの
ように振動による破損は生じ難い。

【００３８】また、本実施形態では、圧電磁器素材とし
て低温焼結性の圧電磁器シート材が使用されることによ
り、圧電トランス形成のための焼成処理が比較的低温域
で行えるため、通常の焼成処理に比べ高温によるトラン
スの電気的特性（効率、昇圧比）への悪影響が緩和・防
止できる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１から請求
項６に記載の本発明によれば、圧電磁器板の中心部分に
出力電極を形成すると共に、外周端縁を囲むように入力
電極を形成した構成とすることにより、入力電極の静電
容量を大きく取れるため、発電の際に電源入力を高くし
なくとも効率の良い電力供給が行えるようになる。

【００４０】しかも、圧電磁器板の中心部に出力電極を
形成したので、入力電極に発生した機械的振動が外周端
面より中心部に向かって波紋状に広がり、効率良く出力
電極に伝達されていくため、出力電極には所望の高電圧
出力が高効率で発生できる。また、上記出力電極の孔径
を少し変更することによって昇圧比、すなわち出力電圧
を容易に変更できるため、小型でかつ各用途に対し汎用
性の高い圧電トランスが実現できる。

【００４１】また、特に圧電磁器板を積層構造とする場
合、圧電磁器素材として低温焼結性の圧電磁器シート材
を使用することにより焼成処理が比較的低温域で行える
ため、通常の焼成処理に比べ高温によるトランス効率、
昇圧比等電気的特性への悪影響が緩和・防止でき、高効
率で信頼性の高い圧電トランスが実現できる。

【００４２】また、請求項７に記載の本発明によれば、
発電時に発生する機械的振動を阻害しないノーダル・ポ
イントに支持機構を設けることにより、固定により生ず
る振動阻害は無くなり、効率が向上する。

【００４３】さらにまた、請求項８に記載の本発明によ
れば、前記圧電磁器板の形状を円形状とした場合は、発
電時の機械的振動が同心円状に広がるので振動の伝達は
角形状のものに比べてより効率的となる。

【００４４】また、圧電磁器板を角形状（矩形状）とし
た場合は、材料取りを効率良く行えるので、経済的であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電トランスの概略構成を示す外
観図である。

【図２】同、図１とは別の圧電トランスの概略構成を示
す外観図である。

【図３】同、図２とは別の圧電トランスの概略構成を示
す外観図である。

【図４】同、図３とは別の圧電トランスの概略構成を示
す外観図である。

【図５】同、図４とは別の圧電トランスの概略構成を示
す外観図である

【図６】同、図５とは別の圧電トランスの概略構成を示
す外観図である

【図７】圧電トランスの支持構造を示す図である。

【図８】圧電トランスの駆動回路の一実施形態を示す図
である。

【図９】従来のローゼン型圧電トランスの概略構成を示
す外観図である。

【符号の説明】

１圧電磁器板２入力電極３貫通孔４出力電極５，６未導体部分７支持機構（支持部材）Ｐ１厚み方向の分極Ｐ２径方向の分極Ｔ１…Ｔｎ圧電磁器シート材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電磁器板（１）の上下面に、その外周
端縁を囲むように所定幅の導体層を形成して相対向する
入力電極（２，２）を形成すると共に、前記圧電磁器板
（１）のほぼ中心部分に貫通孔（３）を設け、その内側
面に導体層を形成して出力電極（４）を形成し、かつ、
この圧電磁器板（１）の外周より中心方向に分極（Ｐ
２）を施すと共に、厚み方向に分極（Ｐ１）を施して成
ることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】前記出力電極（４）は、貫通孔（３）の
内側面に形成した導体層を圧電磁器板（１）の上下面に
導出させて形成されていることを特徴とする請求項１に
記載の圧電トランス。
【請求項３】前記入力電極（２，２）と前記圧電磁器
板（１）の外周端縁との間に一定幅の未導体部分（５）
が形成されていることを特徴とする請求項１、または請
求項２に記載の圧電トランス。
【請求項４】前記入力電極（２，２）の一部分が径方
向に欠切されて未導体部分（６）が形成されていること
を特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載
の圧電トランス。
【請求項５】前記圧電磁器板（１）は、複数枚の圧電
磁器シート材（Ｔ１…Ｔｎ）を積層・加圧・一体化して
形成され、導電ペーストにより入力電極（２，２）およ
び出力電極（４）を形成した後、焼結して成ることを特
徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の圧
電トランス。
【請求項６】前記圧電磁器板（１）は、導電ペースト
により入力電極（２）および出力電極（４）を形成した
複数枚の低温焼結性の圧電磁器シート材（Ｔ１…Ｔｎ）
で形成され、これら圧電磁器シート材（Ｔ１…Ｔｎ）の
各導体電極を互いに重ね合わせるように積層・加圧・一
体化した後、焼結して成ることを特徴とする請求項１か
ら請求項４までの何れかに記載の圧電トランス。
【請求項７】前記圧電磁器板（１）のノーダル・ポイ
ントに、この圧電磁器板（１）を支持・固定するための
支持機構（７）を設けたことを特徴とする請求項１から
請求項６までの何れかに記載の圧電トランス。
【請求項８】前記圧電磁器板（１）の形状が円形状、
もしくは角形状を成すことを特徴とする請求項１から請
求項７までの何れかに記載の圧電トランス。