JPH1154812A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小形の圧電トランスを構成するために、圧電
体の発熱や破壊を生じる振動限界速度の大きな圧電体を
用いて、圧電体の表面の応力がほとんど無い振動モード
を利用した圧電トランスを提供することである。 【解決手段】 本発明の圧電トランスは、圧電セラミッ
ク矩形板１１の中央に厚さ方向に対向する複数層の電極
１２、１３、１４が配置されている。これら複数層の対
向する電極の一部を厚さ振動モードのエネルギー閉じ込
め振動モードの励振に使用し他方をこのエネルギー閉じ
込め振動にともなう出力電圧の取出しに使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、小形の携帯電子機
器やＯＡ機器等に用いられるＤＣ／ＤＣコンバータやＤ
Ｃ／ＡＣインバータに用いられる圧電トランスに関し、
特に小形で信頼性の高い圧電トランスを提供するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】圧電トランスは圧電振動素子の逆圧電効
果と圧電効果を利用し、電気的入力を先ず機械エネルギ
ーに変換して圧電振動子を機械的に励振し、次にこの機
械振動を再び電気出力に変換することにより、電圧の昇
圧や降圧等の作用を得る電子デバイスであり、従来の電
磁トランスと比較して、巻線が無いと言う特徴を有して
いる。

【０００３】図６は、圧電トランスの原理を説明するた
めの構造概略図である。圧電セラミック矩形板４１の長
さ方向の約半分の領域の上下面に対向する電極４２，４
２′が形成されており、この領域は厚さ方向に分極処理
が施されている。また、圧電セラミック矩形板４１の残
りの半分の領域の長さ方向の端面には電極４３が形成さ
れ、この領域は長さ方向に分極されている。図６に示し
た従来の圧電トランスの電気等価回路は図７のように表
される。図７の回路はさらに図８のように書き換えるこ
とが出来る。図７において、入力端子−′はそれぞ
れ電極４２，４２′に接続され、出力端子−′はそ
れぞれ４３，４２′に接続されている。図６〜図８にお
いて、入力端子−′に前記圧電セラミック矩形板の
共振モードの共振周波数にほぼ等しい周波数の交流電圧
を印加すると、前記圧電セラミック矩形板は対応する振
動モードで共振する。共振モードとしては、一般に１次
（半波長）あるいは２次（１波長）モードが利用され
る。このとき等価回路では、直列インダクタンスＬと直
列容量Ｃと２次側の制動容量Ｃｄ２による容量Ｃｄ
２‘’との合成の容量Ｃ′が共振し、回路に流れる電流
が最大となる。このとき合成容量Ｃ′の端子電圧は入力
電圧ＶｏのＱｍ倍となる。ここでＱｍは図８に示す等価
回路における共振の先鋭度を表す品質係数で、（１）式
で与えられる。

【０００４】 Ｑｍ＝ωｒＬ／Ｒ，ωｒ＝２πｆｒ（ｆｒは共振周波数） …（１） 従って、出力電圧は、この合成容量の端子電圧に発生し
た電圧をＣｄ２‘’により分圧したものとなる。実際の
圧電トランスでは、負荷抵抗により、実行的なＱｍが変
化する。また、電力の効率を良くするために、入力側の
制動容量Ｃｄ１や出力側の制動容量Ｃｄ２と直列あるい
は並列に、共振周波数で共振するようなインダクタを接
続する。また出力側ではインダクタを接続する代わりに
制動容量Ｃｄ２に対して、（２）式で与えられる負荷抵
抗ＲＬを接続する場合もある。

【０００５】 ＲＬ＝１／（ωｒＣｄ２） …（２） 小形の圧電トランスを構成しようとした場合、圧電材料
をどれだけ大きな振幅で励振できるかどうかが一つの基
準になる。一般に圧電材料に限らず、弾性体を大振幅で
励振した場合、内部損失の増加により発熱を生じたり、
破壊したり、これが実用状の限界となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この振幅限界
は材料により大きく異なり、通常の圧電セラミックが振
動速度の値で表して、０．３ｍ／ｓ程度であるのに対し
て、ＬｉＮｂＯ₃ 等の圧電単結晶では１桁程度大きい。
機械振動子のエネルギーは振動速度の２乗と体積に比例
するため、これらの圧電単結晶を用いて圧電トランスを
形成すると寸法は格段に小さくなることが期待される。
しかし、圧電単結晶を用いて図６に示した従来の圧電ト
ランスを形成した場合、原理的には体積を数１０分の１
とすることが可能となるが、実際には、振動速度の上昇
と比例して圧電素子に加わる応力も増加するため、機械
加工時に生じた微小クラック等により期待する振動速度
よりも小さい振動速度で素子が割れてしまうと言う欠点
があった。

【０００７】本発明の技術的課題（目的）は、小形の圧
電トランスを構成するために、圧電体の発熱や破壊を生
じる振動限界速度の大きな圧電体を用いて、圧電体の表
面の応力がほとんど無い振動モードを利用した圧電トラ
ンスを提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電セ
ラミック矩形板と、該圧電セラミック矩形板の略中央に
厚さ方向に対向するように配置された複数層の電極とを
備え、前記複数層の対向する電極の一部を厚さ振動モー
ドのエネルギー閉じ込め振動モ−ドの励振に使用し、他
方をこのエネルギー閉じ込め振動にともなう出力電圧の
取出しに使用することを特徴とする圧電トランスが得ら
れる。

【０００９】また、この厚み縦振動エネルギー閉じこめ
型圧電トランスにおいて、複数層の電極を厚み振動の振
動の節面（応力最大、変位ゼロの面）を避けて配置した
ことを特徴とする圧電トランスが得られる。

【００１０】さらに、これら圧電トランスのいずれかに
おいて、複数層の電極を外部に取り出すための引き出し
電極が互いに上下方向において電位の異なる他の引き出
し電極と重なることがないよう、ずらして配置されてい
ることを特徴とする厚み縦振動エネルギー閉じこめ型圧
電トランスが得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１および図２を参照して、本発
明の第１の実施の形態による圧電トランスの構成を説明
する。図２のII−II線断面図において、厚さ方向に対向
する電極層１２，１３，１４の間はそれぞれ図中矢印の
方向に分極されており、圧電セラミック矩形板１１は、
厚み縦振動モードのエネルギー閉じ込め振動の共振周波
数にほぼ等しい交流電圧が印加される電極層１２，１３
を備える。これら対向する電極層１２，１３，１４の要
部としての略四方形状部は、圧電セラミック矩形板１１
の中央にそれぞれ対向するように配置されれているが、
円形状のものであっても良い。

【００１２】電極層１２，１３間に交流電圧を印加する
と、これら対向電極１２，１３の近傍に厚み縦振動モー
ドのエネルギー閉じ込め振動が励振される。このとき、
対向電極１３に対向する別（他方）の対向電極１４間に
は圧電効果により出力電圧が発生する。図１に示した圧
電トランスの等価回路は図７および図８に示した等価回
路と全く同じに表すことができる。

【００１３】図３の本発明の第２の実施の形態による圧
電トランスは、厚み方向の１波長共振で駆動する場合、
厚み方向の応力分布は断面図中の曲線で示した様になり
厚みをｔとすれば表面からｔ／４の位置に応力最大の面
が現れる。積層された内部電極２３，２４は引っ張りに
弱いことからこの応力最大の面を避けることで強度的に
優れた圧電トランスを得ることができる。図２に示した
圧電トランスの等価回路も同様に図７および図８に示し
た等価回路と全く同じに表すことができる。

【００１４】図４および図５を参照して、本発明の第３
の実施例による圧電トランスは、引き出し電極３２，３
３，３４はいずれの間においても上下方向で互いに重な
ることがないように配置されている。

【００１５】圧電トランスにおいては入力、出力、及び
グラウンドの最低３つの異なる電位を持った電極が必要
となる。これらを互いに重ねるように配置した場合、分
極時に引き出し電極間が分極されることから、弾性波の
閉じ込めを行う際に好ましくない伝搬、反射等を生ずる
可能性がある。

【００１６】実施の形態に示した厚さモードのエネルギ
ー閉じ込め振動モードを利用した圧電トランスにおいて
は、圧電板の上下面は振動振幅が最大で応力はゼロとな
る。さらに、エネルギー閉じ込め振動モードの振動は、
圧電板の中央部に形成された対向する入力用及出力用電
極部だけで生ずるため、振動子を最大振動振幅限界以内
で励振した場合、もし圧電板の表面や端面に機械加工に
よる微小クラックが生じていても、振動板が割れること
は無い。

【００１７】

【発明の効果】以上に示したように、本発明よれば、圧
電体表面の振動応力がほとんどゼロとなる厚さモードの
エネルギー閉じ込め振動モードを利用しているため、圧
電体の持っている最大振動速度限界に近い振動振幅で励
振しても、表面の微小クラックによる振動子の破壊の心
配が無く、小形で、効率の良い圧電トランスを得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による圧電トランス
の斜視図である。

【図２】図１のII−II線に沿って切断した断面図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施の形態による圧電トランス
の断面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態による圧電トランス
の要部の斜視図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態による圧電トランス
の斜視図である。

【図６】圧電トランスの原理を説明するための構造概略
図である。

【図７】圧電トランスの機械振動系を含めた等価回路で
ある。

【図８】圧電トランスの入力側から見た電気的等価回路
である。

【符号の説明】

１１ 圧電セラミック矩形板 １２，１３，１４ 電極層（対向電極） ２１ 圧電セラミック矩形板 ２３，２４ 内部電極 ３１ 圧電セラミック矩形板 ３２，３３，３４ 引き出し電極 ３５，３６ 外部電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミック矩形板と、該圧電セラミ
   ック矩形板の略中央に厚さ方向に対向するように配置さ
   れた複数層の電極とを備え、前記複数層の対向する電極
   の一部を厚さ振動モードのエネルギー閉じ込め振動モ−
   ドの励振に使用し、他方をこのエネルギー閉じ込め振動
   にともなう出力電圧の取出しに使用することを特徴とす
   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、複数層の電極を厚み振動の振動の節面（応力最大、
   変位ゼロの面）を避けて配置したことを特徴とする圧電
   トランス。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の圧電トランス
   において、複数層の電極を外部に取り出すための引き出
   し電極が互いに上下方向において電位の異なる他の引き
   出し電極と重なることがないよう、ずらして配置されて
   いることを特徴とする圧電トランス。