JPH11154767A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の圧電トランスでは、矩形板の主面のほ
ぼ半分に相対して１次側電極を、また端部に２次側電極
を形成して構成しているので、λ／２モードと共にλモ
ードも強勢に励振してしまい、トランスの歪みおよび応
力が重畳され、特性劣化や破壊などの信頼性低下をもた
らす。 【解決手段】 一主面の中心線４を覆うように１次側電
極２a,bが形成され、端部に２次側電極３が形成される
ことにより、基本の振動モードであるλ／２振動モード
は強勢励振できるが、λ振動モードはわずかにしか励振
できない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電セラミック等の
圧電体の圧電効果により交流電圧の振幅値を変換する圧
電トランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】１９５０年代末に開発された圧電トラン
スは、高圧電源用の昇圧トランスとして着目されて開発
が進められたが、圧電セラミック材料の破壊強度などの
材料的制約があったため大きな製品化が行われないまま
開発が中断されていた。しかし、最近、高強度圧電セラ
ミックの開発が進むとともに、ノートパソコン、電子手
帳、ゲーム機等の携帯用情報機器の小型化・薄型化の要
求が強くなるにつれ、これらの機器に搭載される液晶バ
ックライトのインバータ電源用昇圧トランス等として再
び大きく注目されている。

【０００３】例えば、液晶バックライト用インバータ
は、バックライト光源として使用される冷陰極蛍光灯の
点灯電源に使用されるものであり、電池などによる３
Ｖ、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖなどの直流低電圧から、点灯時
１０００Ｖrms程度、定常時５００Ｖrms程度の高周波高
電圧への変換を必要とする。現在、バックライト用イン
バータに使用されている電磁式巻線トランスは、特殊コ
アによる横型構造のトランスを用いることにより薄型化
に対応してきているが、絶縁耐圧の確保のため小型・薄
型化には限度があり、またコアロスや細い銅線を使用す
ることによる巻線ロスが大きく、そのため効率が低いと
いう欠点がある。

【０００４】これに対し、圧電トランスはチタン酸ジル
コン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック材料またはニ
オブ酸リチウムなどの圧電結晶材料に１次側（入力側）
および２次側（出力側）の電極を付け、１次側電極に圧
電トランスの共振周波数近傍の交流電圧を印加して圧電
トランスを機械的に振動させ、この機械的振動を圧電効
果により変換して２次側電極から高圧電力として取り出
すものである。そして、電磁トランスよりも小型化、特
に薄型化を実現でき、また高い変換効率を達成すること
ができるという特徴を持つ。

【０００５】以下に、図面を参照しながら従来の圧電ト
ランスについて説明する。

【０００６】図１０は従来のローゼン型圧電トランス１
０１の概観図であり、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
などの圧電セラミック材料から成る矩形板１０５に、主
面のほぼ半分に相対して１次側（入力側）電極１０２、
および端面に２次側（出力側）電極１０３を付けて構成
している。同図中に矢印とＰで示すように、矩形板１０
５は１次側電極１０２を利用して予め厚み方向に分極さ
れており、２次側電極１０３を利用して予め長手方向に
分極されている。１次側電極１０２に圧電トランス１０
１の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、圧電トラ
ンス１０１は長手方向に伸縮する機械的振動を起こし、
この機械的振動は圧電効果により高圧電圧に変換されて
２次側電極１０２から出力される。

【０００７】図１１は図１０に示した圧電トランス１０
１を横から見た側面図および変位分布と電荷分布を示す
図である。同図において、１次側電極１０２ｂを共通電
極として１次側電極１０２ａと２次側電極１０３にそれ
ぞれ高電圧を印加することにより、それぞれ同図中に矢
印で示すように、１次側電極対１０２ａ、１０２ｂは矩
形板１０５を厚み方向に分極し、２次側電極対１０３、
１０２ｂは矩形板１０５を長手方向に分極する。分極
後、電極１０２ｂを共通電極として電極１０２ａに矩形
板１０５の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、矩
形板１０５は同図中で示す変位分布を持つ長手方向の伸
縮振動を起こし、この機械的振動を圧電効果により高圧
電圧に変換して、２次側電極対１０３、１０２ｂより取
り出すことができる。この圧電トランスはローゼンによ
り発明されたものであるので、ローゼン型圧電トランス
と呼ばれる。また、この型の圧電トランスのうち、図１
１中に示した長手方向の変位分布のように、２分の１波
長の伸縮振動を励振しているものを、λ／２（１波長を
λで表わす）モードのローゼン型圧電トランスと呼ぶこ
ともある。λ／２モードのローゼン型圧電トランスは、
必要とされる高圧交流電圧の駆動周波数が決まると、そ
の周波数を共振周波数に持つ一番小さな圧電トランスで
あるので、一般的によく使用される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上に説明した従来の
圧電トランスでは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）な
どの圧電セラミック材料から成る矩形板１０５の主面の
ほぼ半分に相対して１次側（入力側）電極１０２ａ、１
０２ｂおよび端面に２次側（出力側）電極１０３を付け
て構成している。図１２は図１０に示した圧電トランス
の１次側から見た入力アドミッタンスの周波数特性であ
る。同図からわかるように、従来のλ／２モードのロー
ゼン型圧電トランスでは、基本の振動モードであるλ／
２（１／２波長）振動モードとともにλ（１波長）振動
モードも強勢に励振することができる。

【０００９】従って、矩形波などの多くの周波数成分を
含んだ交流電圧で駆動すると、基本の振動モードである
λ／２（１／２波長）振動モードと共にλ（１波長）振
動モードも強勢に励振してしまう。これによりλ／２振
動モードとともにλ振動モードの振動による歪みおよび
応力が重畳され、圧電トランスの歪みおよび応力が大き
くなり特性劣化や破壊などの信頼性低下をもたらすとい
う課題がある。

【００１０】また、特開平９ー１８１３７１号公報に
は、１次側電極を長さ方向の一方端部から中央部を越え
て形成し、２次側電極を他方の端部に形成する圧電トラ
ンス素子が開示されている。この圧電トランス素子を図
１３に示す。図１４は図１３に示した圧電トランスの１
次側から見た入力アドミッタンスの周波数特性である。
このように、１次側電極を中央部を越えて形成すること
により、λ振動モードの誘起電荷が一部キャンセルされ
る。しかしながら、この構造ではλ振動モードの抑制効
果が小さいため、実際には、λ（１波長）振動モードの
振動も励振してしまう。そのため、基本の振動モードで
あるλ／２（１／２波長）振動モードだけを強勢に励振
することができない。

【００１１】その結果、従来のローゼン型圧電トランス
と同様に、出力交流電圧波形が正弦波でなくなり高周波
を含んだ交流電圧となる。負荷によっては正弦波駆動が
必要な場合があり、高周波成分は負荷の信頼性低下や回
路効率の低下をもたらし、外部に対して不要電磁波を放
射するという課題も有する。

【００１２】さらに、特開平９ー７４２３６号公報に
は、λ／２モードの圧電トランスとして、中央駆動型の
圧電トランス素子が開示されている。この圧電トランス
素子を図１５に示すが、中央部に厚さ方向に分極された
駆動部を有し、駆動部の両側に端部に向かい長手方向に
分極された発電部を両側に有する構造である。図１６は
図１５に示した圧電トランスの１次側から見た入力アド
ミッタンスの周波数特性である。同図からわかるよう
に、このタイプのλ／２モードのローゼン型圧電トラン
スでは、基本の振動モードであるλ／２（１／２波長）
振動モードだけを強勢に励振することができるという点
で優れている。

【００１３】しかしながら、この構造の圧電トランスで
は、２次側出力端が素子の両端に配置される。そのた
め、両方の端子結線したとき、高電圧の配線を回路上に
形成しなければならず、不要電磁波を放射するという課
題があった。また、配線により、浮遊容量による特性の
変動が起こる。さらに、２箇所の振動の腹の部分から電
気接続を取らなければならず、振動の阻害による効率の
低下といった問題も有する。

【００１４】そのため、これを回避するために、一方の
出力端のみを用いる場合、他方の２次側端子には、素子
の信頼性、安全性のためにも負荷を接続するか、グラン
ドに接続する必要があった。このとき、負荷接続による
回路効率の低下、さらに、両端での出力電圧が異なるこ
とで、圧電トランス素子の信頼性の低下といった問題が
あった。

【００１５】本発明は、このような従来の圧電トランス
の有する上記課題を考慮して、λ振動モードの振動を抑
制し、λ／２振動モードのみを励振することによって、
振動中の歪みおよび応力を低減し、信頼性の高い圧電ト
ランスを提供することを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明は、長手方向もしくは横手方向を主方向
とし、圧電材料から成る矩形板と、前記矩形板の厚み方
向に相対する面にそれぞれ形成され、その少なくとも一
方が前記矩形板の前記主方向の中央部を覆い、かつその
前記主方向に垂直な端部が前記矩形板の前記主方向に垂
直な端部と重ならないように配置された、一組の１次側
電極と、前記矩形板に形成された一組の２次側電極とを
備え、前記１次側電極に印加された交流電圧によって、
前記矩形板が前記主方向に伸縮する２分の１波長の機械
的振動を起こし、それによって前記２次側電極から電圧
を出力することを特徴とする圧電トランスである。

【００１７】さらに、本発明の圧電トランスにおいて、
１次側電極の中心部からの範囲を矩形板の主方向の長さ
の４分の１以下の範囲に設定することにより。高い効率
で冷陰極管の点灯が行える。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。

【００１９】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態におけるλ／２モードの圧電トランスの概
観図であり、図２は図１に示した圧電トランス１を横か
ら見た側面図および圧電トランス動作時の変位分布と電
荷分布を示す図である。図１、２において、圧電トラン
ス１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セ
ラミック材料またはニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶
材料から成る矩形板５と、その一主面の中心線４とそれ
自身の中心線が実質的に一致するように１次側（入力
側）電極として形成された電極２ａと、前記一主面の反
対面に電極２ａに対応して共通電極として形成された電
極２ｂと、長手方向と垂直な端面、すなわち前記主面の
一方の短辺側の面に２次側（出力側）電極として形成さ
れた電極３とで構成されている。なお、電極２ａ、２ｂ
の長さは矩形板５の長さより短くなっており、その端部
は前記主面の短辺と重ならないようになっている。電極
２ａ、２ｂ、３は銀、ニッケル、金等の金属から成り、
蒸着、スパッタ、印刷、メッキ等の工法で形成されてい
る。

【００２０】矩形板５の材料が圧電セラミックの場合に
は、電極２ｂを共通電極として電極２ａと電極３にそれ
ぞれ適切な直流高電圧を印加することにより、図１、２
中に矢印で示すように、１次側電極対２ａ、２ｂを用い
て矩形板５を厚み方向に、２次側電極対３、２ｂを用い
て矩形板５を長手方向にそれぞれ分極しておいてやる必
要がある。矩形板５の材料が圧電単結晶材料の場合は分
極しておく必要はない。

【００２１】次に、このような本実施の形態の動作を説
明する。電極２ｂを共通電極として電極２ａに矩形板５
の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、矩形板５は
長手方向に伸縮する機械的共振振動を起こし、この機械
的振動を圧電効果により高圧電圧に変換して、２次側電
極対３、２ｂより取り出すことができる。

【００２２】図２は、図１に示したλ／２振動モードの
圧電トランス１の動作時（振動励振時）の長手方向に伸
縮する機械的振動の変位分布と振動により誘起される電
荷分布を示す図である。これに対し、図３は、図１に示
したλ／２振動モードの圧電トランス１と同様の配置の
λ振動モードの圧電トランスの動作時の長手方向に伸縮
する機械的振動の変位分布と振動により誘起される電荷
分布を示す図である。図２および図３においては、変位
分布および電荷分布は共に、横軸の方向は圧電トランス
１の長手方向と一致させ、原点は矩形板５の中心と一致
させて表示している。図２の圧電トランスと図３の圧電
トランスは同じ構造のものであり、振動モードの違いを
表している。なお、図３中の符番は図２との比較を考慮
して図２のものと同じとしてある。図２と図３からわか
るように、λ／２モードの誘起電荷は図２に示すように
全域で同一符号となり、λモードの誘起電荷は図３に示
すように中央部で符号が変化する。従って、１次側電極
を従来の圧電トランスのように主面の片側のほぼ半分に
形成した場合には、λ／２モードおよびλモードの両方
の振動を同様に励振することができるため、矩形波など
の多くの周波数成分を含んだ交流電圧で駆動すると、基
本の振動モードであるλ／２振動モードと共にλ（１波
長）振動モードも強勢に励振してしまう。そこで、本実
施の形態では、図１に示したように圧電トランス１の主
面のほぼ中央部に１次側電極２を形成している。そこ
で、λ／２モードの振動による１次側電極の誘起電荷量
は大きくなるが、λモードの電荷は電極部内である圧電
トランス５の中央線８で符号が変化するためにほぼ打ち
消し合って誘起電荷量は小さくなり、その結果、基本の
振動モードであるλ／２振動モードは強勢励振できる
が、λ振動モードはわずかにしか励振できないようにな
る。

【００２３】図４は図１に示した圧電トランス１の１次
側から見た入力アドミッタンスの周波数特性である。従
来のλ／２モードのローゼン型圧電トランスでは基本の
振動モードであるλ／２モードとともにλモードもとも
に強勢に励振しているが、図４からわかるように、本実
施の形態におけるλ／２モードの圧電トランス１では、
基本の振動モードであるλ／２モードのみを強勢に励振
している。従って、矩形波などの多くの周波数成分を含
んだ交流電圧で駆動しても、基本の振動モードであるλ
／２振動モードのみを強勢に励振することができる。こ
れにより、圧電トランスの歪みおよび応力が多振動モー
ドの同時励振により重畳されて大きくなることを防止す
ることができるため、特性劣化や破壊などの信頼性低下
をもたらすという課題を克服して信頼性の高い圧電トラ
ンスを実現できる。また、出力交流電圧波形が正弦波と
なり負荷の信頼性低下や回路効率の低下を防止でき、外
部に対して不要電磁波を放射するという課題を克服する
ことができる。その結果、効率と信頼性が高く、不要電
磁波の放射の少ない、しかも負荷に損傷を与えない駆動
ができる圧電トランスを実現できる。

【００２４】さらに、本発明では、圧電セラミックスの
場合、一方の端部にのみ２次側電極を形成し、この電極
を用いて分極を行っている。他の一方では振動により電
圧を発生することがない、そのために、他の一方の端部
で高電圧が発生しない。その結果、負荷接続による効率
の低下や、２次側両端を接続することによる不要電磁波
の放射および、特性のアンバランスによる素子の信頼性
低下の問題、振動の阻害による回路効率の低下といった
課題を克服することもできる。

【００２５】なお、本発明の一組の２次側電極は、上述
した本実施の形態においては、一方の電極を１次側電極
の一方と共通電極とし、他の一方の電極が矩形板の長手
方向と垂直な端面に形成されているとして説明したが、
これに限らず、共通電極化しなくてもよく、あるいは共
通電極はそのままとして前記他の一方の電極を矩形板の
主面上で前記長手方向と垂直な端面近傍に形成されてい
るとしてもよい。これらの場合、圧電トランスとして
は、若干の昇圧比の変化はあるが、同様の効果が得られ
る。

【００２６】また、本発明の一組の１次側電極は、上述
した本実施の形態においては、矩形板の主面の長手方向
の中央部に実質的に配置されているとして説明したが、
中央部から多少ずれていても同様の効果が得られる。

【００２７】なお、矩形板の全長に対して１次側電極の
割合を大きくしていくと、同じ負荷を用いた場合におい
ても、効率が変化が生じる。冷陰極管を効率よく点灯す
るためには、１次側電極の中央部を超えた範囲は全長の
４分の１以下に設定することが望ましい。

【００２８】さらに、１次側電極が左右端部からの後退
する範囲は、大きくても、全長の４分の１とすることに
より、従来の圧電トランスよりも高効率で出力を得るこ
とが出来る。

【００２９】なお、１次側電極の上の電極を中心部に対
し非対称に形成することにより、他の振動モードについ
ても抑制を行えるという効果も得られる。

【００３０】また、１次側電極の上の電極は、上述した
左右両端部からは離されているが、残る前後の両端部に
は接続されていることが望ましい。

【００３１】また、矩形板の構造は積層体で作ることも
出来るが、非積層体で一体構造とすることが望ましい。

【００３２】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態を図面を参照して説明する。図５は本発明
の第２の実施の形態におけるλ／２モードの圧電トラン
スの概観図である。同図において、圧電トランス２０
は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミ
ック材料またはニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶材料
から成る矩形板９と、その主面に相対して１次側（入力
側）電極として形成された電極６ａおよび電極６ｂ（反
対面の電極６ｂは、ここでは図示されていないが反対面
に形成されている）と、電極６ａが形成されている面上
で長手方向と垂直な端面、すなわち前記主面の一方の短
辺側の面の近傍に２次側（出力側）電極として形成され
た電極７とで構成されている。なお、電極６ａまたは６
ｂの少なくとも１つは、１端を矩形板の端面から後退さ
せるとともに、他端を矩形板の中心線８を越えて形成さ
れている。そして、これらの電極６ａ、６ｂ、７は銀、
ニッケル、金等の金属から成り、蒸着、スパッタ、印
刷、メッキ等の工法で形成されている。

【００３３】矩形板９の材料が圧電セラミックの場合に
は、電極６ｂを共通電極として電極６ａと電極７にそれ
ぞれ適切な直流高電圧を印加することにより、図５に矢
印と記号Ｐで示すように、１次側電極対６ａ、６ｂは矩
形板９を厚み方向に、２次側電極対７、６ｂは矩形板９
を長手方向にそれぞれ分極しておいてやる必要がある。
矩形板９の材料が圧電単結晶材料の場合は分極しておく
必要はない。

【００３４】次に、このような本実施の形態の動作を説
明する。電極６ｂを共通電極として電極６ａに矩形板９
の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、矩形板９は
長手方向に伸縮する機械的共振振動を起こし、この機械
的振動を圧電効果により高圧電圧に変換して、２次側電
極対７、６ｂより取り出すことができる。

【００３５】λ／２モードの圧電トランス２０の動作時
（振動励振時）の長手方向に伸縮する機械的振動の変位
分布と振動により誘起される電荷分布との関係は図２と
同様であり、λ／２振動モードの圧電トランス２０と同
様の配置のλ振動モードの圧電トランスの動作時の長手
方向に伸縮する機械的振動の変位分布と振動により誘起
される電荷分布との関係は図３と同様である。従って、
第１の実施の形態の場合と同様に、１次側電極を従来の
圧電トランスのように主面の片側のほぼ半分に形成した
場合には、λ／２モードおよびλモードの両方の振動を
同様に励振することができるため、矩形波などの多くの
周波数成分を含んだ交流電圧で駆動すると、基本の振動
モードであるλ／２振動モードと共にλ（１波長）振動
モードも強勢に励振してしまう。本実施の形態では、１
次側電極６ａまたは６ｂの少なくとも１つが、１端を矩
形板の端面から後退させるとともに、他端を矩形板の中
心線８を越えさせるように形成されている。そこで、λ
／２モードの振動による１次側電極の誘起電荷量は全電
極領域で重畳されて大きくなるが、λモードの電荷は電
極部内である圧電トランス２０の中央線８で符号が変化
するために一部打ち消し合って誘起電荷量は小さくな
り、その結果、基本の振動モードであるλ／２振動モー
ドは強勢励振できるが、λ振動モードはわずかにしか励
振できないようになる。

【００３６】図６は図５に示した圧電トランス２０の１
次側から見た入力アドミッタンスの周波数特性である。
従来のλ／２のローゼン型圧電トランスでは基本の振動
モードであるλ／２モードとともにλモードもともに強
勢に励振しているが、図６からわかるように、本実施の
形態におけるλ／２モードの圧電トランス２０では、基
本の振動モードであるλ／２モードのみを強勢に励振し
ており、λモードはわずかにしか励振できない。従っ
て、矩形波などの多くの周波数成分を含んだ交流電圧で
駆動しても、基本の振動モードであるλ／２振動モード
のみを強勢に励振することができる。これにより、圧電
トランスに多振動モードを同時に励振することによる歪
みおよび応力が重畳により大きくなることを防止するこ
とができるため、特性劣化や破壊などの信頼性低下をも
たらすという課題を克服して信頼性の高い圧電トランス
を実現できる。また、出力交流電圧波形が正弦波となり
負荷の信頼性低下や回路効率の低下を防止でき、外部に
対して不要電磁波を放射するという課題を克服すること
ができる。その結果、効率と信頼性が高く、不要電磁波
の放射の少ない、しかも圧電トランスの負荷に損傷を与
えない駆動ができる圧電トランスを実現できる。

【００３７】さらに、本発明では、圧電セラミックスの
場合、一方の端部にのみ２次側電極を形成し、分極を行
っているため、他の一方、つまり電極を後退させた部分
では振動により電圧を発生することがない。そのため、
他の一方の端部で高電圧が発生しない。その結果、負荷
接続による効率の低下や、２次側両端を接続することに
よる不要電磁波の放射および、特性のアンバランスによ
る素子の信頼性低下の問題、振動の阻害による回路効率
の低下といった課題を克服することもできる。

【００３８】なお、本発明の一組の２次側電極は、上述
した本実施の形態においては、一方の電極を１次側電極
の一方と共通電極とし、他の一方の電極が矩形板の主面
上で前記長手方向と垂直な端面近傍に形成されていると
して説明したが、これに限らず、共通電極化しないでも
よく、あるいは共通電極はそのままとして前記他の一方
の電極を矩形板の長手方向と垂直な端面に形成されてい
るとしてもよい。これらの場合、圧電トランスとして
は、若干の昇圧比の変化はあるが、同様の効果が得られ
る。

【００３９】なお、１次側電極の全長に対する割合を大
きくしていくと、同じ負荷を用いた場合においても、効
率が変化が生じる。冷陰極管を効率よく点灯するために
は、１次側電極の中央部を超えた範囲は全長の４分の１
以下に設定することが望ましい。

【００４０】さらに、端部からの後退する範囲は、大き
くても、全長の４分の１とすることにより、従来の圧電
トランスよりも高効率で出力を得ることが出来る。な
お、１次側電極を中心部に対し非対称に形成することに
より、他の振動モードについても抑制を行えるという効
果も得られる。

【００４１】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態を図面を参照して説明する。図７は本発明
の第３の実施の形態におけるλ／２モードの圧電トラン
スの支持構造を示す断面図および圧電トランス動作時の
変位分布を示す図である。同図において、圧電トランス
３０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セ
ラミック材料またはニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶
材料から成る矩形板１５と、その一主面の中心線とそれ
自身の中心線が実質的に一致するように１次側（入力
側）電極として形成された電極１０ａと、前記一主面の
反対面に電極１０ａに対応して共通電極として形成され
た電極１０ｂと、長手方向と垂直な端面、すなわち前記
主面の一方の短辺側の面に２次側（出力側）電極として
形成された電極１１とで構成されている。すなわち、本
実施の形態における圧電トランス３０と、上述した第１
の実施の形態における圧電トランス１との構成上の違い
は、本実施の形態における圧電トランス３０が支持体１
２、１３によってケース１４に収められている点であ
る。したがって、第１の実施の形態と同様の事項につい
ては、説明を省略する。また、特に説明のないものにつ
いては、第１の実施の形態と同じとする。

【００４２】図７中にλ／２モードの圧電トランス３０
の動作時（振動励振時）の長手方向に伸縮する機械的振
動の変位分布を示す。これに対し、図８は、図７に示し
たλ／２振動モードの圧電トランス３０と同様の配置の
λ振動モードの圧電トランスの動作時の長手方向に伸縮
する機械的振動の変位分布を示す図である。図７に示す
ようにλ／２モードの振動変位は圧電トランス３０の中
央で０になるので、中央部で支持すれば振動阻害を極力
抑えた支持構造を実現することができる。ここでは、圧
電トランス３０をケース１４に納め支持体１２で両側か
ら挟み込むことにより支持している。また、一点支持で
は圧電トランス３０の姿勢が不安定になるので、圧電ト
ランス３０の長手方向に垂直な各端面から圧電トランス
３０の長さの１／４の距離のところ以外を支持体１３で
上下両側から挟み込むことにより支持している。ここで
は、圧電トランス３０の両側を支持しているが片側だけ
でもよい。また、ここでは振動阻害を小さくするために
支持体１３は支持体１２よりも弾性が大きい（柔らか
い）ものを使用している。また、振動阻害を小さくする
ために支持体１３の支持幅を大きくして、支持体１２の
支持幅を小さくしてもよい。

【００４３】図８に示すように圧電トランス３０をλ振
動モードで駆動した時の変位分布は、圧電トランス３０
の長手方向に垂直な各端面から圧電トランス３０の長さ
の１／４の距離のところで０になる。従って、λモード
の振動変位の大きい中央部で圧電トランス３０を支持す
ればλモードの振動を極力抑えた支持構造を実現するこ
とができる。また、圧電トランス３０の長手方向に垂直
な各端面から圧電トランス３０の長さの１／４の距離の
ところ以外を支持体１３で上下両側から挟み込むことに
より、λ／２モードの振動とλモードの振動への支持の
影響を同程度にすることができる。つまり、図７に示す
ように圧電トランス３０の中央部と長手方向に垂直な各
端面から圧電トランス３０の長さの１／４の距離のとこ
ろ以外を支持することにより、λ／２モードのみの振動
阻害を抑え、λモードの振動を抑制した支持構造を実現
することができる。

【００４４】なお、λ／２モードの振動への支持の影響
を極力抑えるためには、長手方向のλ／２モードの振動
の節、λモードの振動の腹の近く、つまり、中心部から
長さの１／４の距離の範囲内で支持を行うことが望まし
い。

【００４５】図９は図７に示した圧電トランス３０の１
次側から見た入力アドミッタンスの周波数特性である。
従来のλ／２のローゼン型圧電トランスでは基本の振動
モードであるλ／２モードとともにλモードもともに強
勢に励振しているが、図９からわかるように、本発明で
は基本の振動モードであるλ／２モードのみを強勢に励
振しており、λモードはわずかにしか励振できない。従
って、矩形波などの多くの周波数成分を含んだ交流電圧
で駆動しても、基本の振動モードであるλ／２振動モー
ドのみを強勢に励振することができる。これにより、圧
電トランスの歪みおよび応力が大きくなることを防止す
ることができるため、特性劣化や破壊などの信頼性低下
をもたらすという課題を克服して信頼性の高い圧電トラ
ンスを実現できる。また、出力交流電圧波形が正弦波と
なり負荷の信頼性低下や回路効率の低下を防止でき、外
部に対して不要電磁波を放射するという課題を克服する
ことができる。その結果、効率と信頼性が高く、不要電
磁波の放射の少ない、しかも圧電トランスの負荷に損傷
を与えない駆動ができる圧電トランスを実現できる。

【００４６】なお、本発明の一組の２次側電極は、上述
した本実施の形態においては、一方の電極を１次側電極
の一方と共通電極とし、他の一方の電極が矩形板の長手
方向と垂直な端面に形成されているとして説明したが、
これに限らず、共通電極化してなくてもよく、あるいは
共通電極はそのままとして前記他の一方の電極を矩形
板の主面上で前記長手方向と垂直な端面近傍に形成され
ているとしてもよい。これらの場合、圧電トランスとし
ては、若干の昇圧比の変化はあるが、同様の効果が得ら
れる。

【００４７】また、本発明の一組の１次側電極は、上述
した本実施の形態においては、矩形板の主面の長手方向
の中央部に実質的に配置されているとして説明したが、
第２の実施の形態における圧電トランス２０のように、
１次側電極を矩形板の中央部からずらして形成しても、
上述した支持構造により同様の効果が得られる。

【００４８】なお、本発明の矩形板の主方向は、上述し
た第１〜第３の実施の形態においては、前記矩形板の主
面の短辺に垂直な方向、すなわち、前記矩形板の長手方
向として説明したが、これに限らず、前記矩形板の主面
の長辺に垂直な方向、すなわち、前記矩形板の横手方向
であるとしてもよい。

【００４９】また、本発明の１次側電極の下部の電極２
ｂを、図１７に示すように、主方向を基準とする両端部
の内、分極の無い方の端部に達していてもかまわない。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したところからあきらかなよう
に、本発明は、λ振動モードの振動を抑制し、λ／２振
動モードのみを励振することによって、振動中の歪みお
よび応力を低減し、信頼性の高い圧電トランスを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスの概観図。

【図２】本発明の第１の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスの側面図および変位分布と電荷分布を
示す図。

【図３】本発明の第１の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスと同様の配置のλ振動モードの圧電ト
ランスの側面図および変位分布と電荷分布を示す図。

【図４】本発明の第１の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスのアドミッタンスの周波数特性図。

【図５】本発明の第２の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスの概観図。

【図６】本発明の第２の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスのアドミッタンスの周波数特性図。

【図７】本発明の第３の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスの断面図および変位分布を示す図。

【図８】本発明の第３の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスと同様の配置のλ振動モードの圧電ト
ランスの側面図および変位分布を示す図。

【図９】本発明の第３の実施の形態におけるλ／２モー
ドの圧電トランスのアドミッタンスの周波数特性図。

【図１０】従来のλ／２モードのローゼン型圧電トラン
スの概観図。

【図１１】従来の圧電トランスの側面図および変位分布
と電荷分布を示す図。

【図１２】従来のローゼン型圧電トランスのアドミッタ
ンスの周波数特性図。

【図１３】従来の圧電トランスの構造を示す説明図。

【図１４】従来の圧電トランスのアドミッタンスの周波
数特性図。

【図１５】従来の圧電トランスの構造を示す説明図。

【図１６】従来の圧電トランスのアドミッタンスの周波
数特性図。

【図１７】本発明の別の実施の形態における圧電トラン
スの概観図。

【符号の説明】

１、２０、３０ 圧電トランス ２ａ、２ｂ、６ａ、６ｂ、１０ａ、１０ｂ 電極 ３、７、１１ 電極 ４、８ 中心線 ５、９、１５ 矩形板 １２ 支持体 １３ 支持体 １４ ケース

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長手方向もしくは横手方向を主方向と
   し、圧電材料で構成される矩形板と、前記矩形板の厚み
   方向に相対する面にそれぞれ形成された一組の１次電極
   と、前記矩形板に形成された一組の２次電極とを備え、
   前記１次電極の少なくとも一方の電極は前記矩形板の前
   記主方向を基準としての中央部を覆い、かつ前記矩形板
   の前記主方向を基準としての左右両端部と重ならないよ
   うに配置され、また、前記２次側電極のそれぞれの電極
   は一個の電極部材で形成されており、前記１次側電極に
   印加された交流電圧によって、前記矩形板が前記主方向
   に伸縮する２分の１波長の機械的振動を起こし、それに
   よって前記２次側電極から電圧を出力することを特徴と
   する圧電トランス。
2. 【請求項２】 長手方向もしくは横手方向を主方向と
   し、圧電材料で構成される矩形板と、前記矩形板の厚み
   方向に相対する面にそれぞれ形成された一組の１次電極
   と、前記矩形板に形成された一組の２次電極とを備え、
   前記１次電極の少なくとも一方の電極は前記矩形板の前
   記主方向を基準としての中央部を覆い、かつ前記矩形板
   の前記主方向を基準としての左右両端部と重ならないよ
   うに配置され、また、前記中央部を覆う電極によって覆
   われていない、前記矩形板の左右２つのエリアのうち一
   方のみしか主方向への分極が存在せず、前記２次電極の
   一方の電極はその分極のある側の矩形板に配置され、前
   記１次側電極に印加された交流電圧によって、前記矩形
   板が前記主方向に伸縮する２分の１波長の機械的振動を
   起こし、それによって前記２次側電極から電圧を出力す
   ることを特徴とする圧電トランス。
3. 【請求項３】 前記圧電材料は、圧電セラミックであ
   り、前記矩形板は、前記１次側電極を利用して前もって
   前記厚み方向に、また前記２次側電極を利用して前もっ
   て前記主方向にそれぞれ分極されていることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の圧電トランス。
4. 【請求項４】 前記主方向は前記長手方向であることを
   特徴とする請求項１、２または３に記載の圧電トラン
   ス。
5. 【請求項５】 前記一組の１次側電極のうちの一方は、
   前記一組の２次側電極のうちの一方を兼ねることを特徴
   とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電トランス。
6. 【請求項６】 前記一組の２次側電極のうちの他の一方
   は、前記矩形板の前記主方向を基準としての左右両端部
   の側面に形成されていることを特徴とする請求項５に記
   載の圧電トランス。
7. 【請求項７】 前記一組の２次側電極のうちの他の一方
   は、前記矩形板の前記１次電極の一方が形成された面上
   で、且つ前記矩形板の前記主方向を基準としての端部近
   傍に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の
   圧電トランス。
8. 【請求項８】 前記一組の１次側電極は、いずれの電極
   も前記矩形板の前記主方向を基準としての中央部に配置
   されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに
   記載の圧電トランス。
9. 【請求項９】 前記一組の１次側電極の一方の電極が前
   記中央部を、対応する前記２次電極の一方の電極側へ
   超えた範囲は、大きくても、前記矩形板の主方向の長さ
   の４分の１であることを特徴とする請求項１〜８のいず
   れかに記載の圧電トランス。
10. 【請求項１０】 前記中央部を覆っている前記１次側電
    極の一方の電極が、前記矩形板の前記左右両端部からそ
    れぞれ後退している各範囲は、大きくても、前記矩形板
    の主方向の長さの４分の１であることを特徴とする請求
    項１〜９に記載の圧電トランス。
11. 【請求項１１】 前記中央部を覆っている前記１次側電
    極の一方の電極は、前記中央部を基準として前記主方向
    に左右対称では無いことを特徴とする請求項１〜１０に
    記載の圧電トランス。
12. 【請求項１２】 前記中央部を覆っている前記１次側電
    極の一方の電極は、前記主方向に直角方向を基準として
    の、前記矩形板の両側端部にそれぞれ到達下状態で配置
    されていることを特徴とする請求項１〜１１に記載の圧
    電トランス。
13. 【請求項１３】 前記矩形板は、実質的に前記主方向の
    中央部にて支持されていることを特徴とする請求項１〜
    １２のいずれかに記載の圧電トランス。
14. 【請求項１４】 前記矩形板は、前記矩形板の前記主方
    向に垂直な各端部から前記矩形板の長さの実質的に４分
    の１の距離の位置以外の位置においても支持されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の圧電トランス。
15. 【請求項１５】 前記矩形板は、積層されて作られたも
    のではなく、一体型板であることを特徴とする請求項１
    〜１４記載の圧電トランス。