JPS5852354B2 - 電圧変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電圧変換素子に関し、更に詳細には焦電効果を
利用して低電圧電源から高電圧を得る全固体化した電圧
変換素子に関する。

従来交流電圧の電圧変換方法としては、古くより巻線型
の変成器が知られており、この変成器はトランス又は変
圧器と通称され、特定周波数帯の電圧変換方法としては
高効率であり、広く一般に使用されている。

この変成器は基本的には巻線と軟磁性体により構成され
るが、重量及び体積が共に大きく、したがってその小型
化及び広開波数化に適した材料に関する研究が現在にお
いても続けられている。

一方全固体化した小型の電圧変換素子としては圧電体を
応用した圧電トランスが知られている。

これは強誘電体磁器板又は棒を１次側と２次側で異なぬ
方向に分極処理しておき、圧電体の圧電効果、振動の伝
達及びその異方性を利用した素子であり、大型化及び効
率の点では巻線型の変成器には及ばないが、携帯用など
特殊の用途には徐々に実用化されている。

ところで最近赤外線の検出又は赤外線撮像管用ターゲッ
トなどの電磁波の検出素子として焦電性を有する材料の
開発が行なわれ、本発明者等も強誘電体セラミック及び
高分子物質との複合材料について研究（例えば特開昭５
２−１５５４００号公報参照）を進めて来たが、その過
程で焦電効果を利用することにより電力変換効率の面か
らは前記素子には及ばないとしても小型化が可能であり
、しかも可動部分が無く又機械的振動なども発生しない
新しい電圧変換方法を知得し、本発明を完成するに致っ
たものである。

本発明は前記知得に基いてなされたものでその目的は小
型化が可能であり、かつ全固体化された電圧変換素子を
提供することである。

又本発明の他の目的はＩＣ技術及びＬＳＩ技術との相容
性を有し、かつ数ＫＶにも及ぶ高電圧の発生が可能な電
圧変換素子を提供することである。

本発明について概説すると、本発明の電圧変換素子は抵
抗体と焦電体により構成され、かつ抵抗体と焦電体とが
熱的に結合されることを特徴とするものである。

次に本発明を図面を参照して詳細に説明する。

添付図面は本発明の電圧変換素子の構成の原理図であり
、１は無電体、２は抵抗体、３は端子、４はリード線で
ある。

そして焦電体１は抵抗体２の表面に密着して熱抵抗の少
ない状態で設けられる。

この電圧変換素子では、下記の実施例に示すように焦電
体の表面に設けた電極により焦電体の出力電圧を取出す
。

この素子の動作原理は、抵抗体２の両端の端子３の間に
リード線４で電圧を印加することにより抵抗体２を加熱
し、この熱による焦電体１の昇温（電圧を低下した場合
は降温）により、焦電体１に焦電効果により発生する電
圧値が、抵抗体２の加熱に使用する電圧値とは異なる値
をとることを用いて電圧変換を行なうものである。

この時の電圧変換値及び周波数特性は素子を構成する材
料物性及び形状によって与えられる。

今、焦電体の相対する面の間で発生電圧Ｖを取り出すこ
とを考えれば熱拡散方程式を解くことによって、抵抗体
にＶｏなる電圧値を加えた場合には、発生電圧の絶対値
は次のようにして求めることができる。

単位面積の無電体の温度を変化させるとき発生する電流
は次のとおりである。

抵抗体（ＲΩ）に電圧（Ｖｏ）を周波数ｆ（ω２πｆ）
で断続して入力する場合に発生する電力は近似的には次
のとおりである。

この時、Ｐが全て焦電体を加熱するために使われると仮
定すると、焦電体の熱平衡方程式は但し、Ｈ＝ｃｐρｔ
（焦電体の熱容量）Ｂ：実効熱放散 である。

この常微分方程式を解けば、熱平衡状態での負荷抵抗Ｒ
Ｌを焦電体の両面（焦電体の電極と抵抗体のリード線）
に接続すると、インピーダンス２は次式で示される。

ここでλ ：焦電体の焦電係数 ｔ ：焦電体の厚さ Ｅｒ：焦電体の誘電率 ε０ ：真空の誘電率 Ｂ ：素子全体の熱放散係数 Ｒ：抵抗体の抵抗値 。

、：焦電体の比熱ｐ ：焦電体の密度 ＲＬ：負荷抵抗 である。

上式から明らかなように、この素子は、その出力電圧は
焦電係数、熱容量、熱放散係数、誘電率などの材料定数
と、負荷抵抗ＲＬ 、変調周波数ωなどの関数であるが
、基本的には、入力電圧Ｖ。

の２乗に比例した出力電圧■が得られる非線形電圧変換
素子であり、焦電係数の大きい程、又素子の熱容量及び
熱放散係数の小さい程電圧変換比の大きな素子が得られ
、低周波の交流電圧の場合に電圧変換比を大きくするこ
とができる。

本発明における抵抗体と焦電体との結合状態は、本発明
の作用が抵抗体加熱用に入力した電圧から焦電体による
焦電効果を利用して高電圧を得る点に存するので、熱的
に結合される。

すなわち抵抗体から焦電体・＼の熱の良好な伝達が得ら
れる状態で結合されることが必要である。

このためには添付図面に示すように抵抗体と焦電体とを
直接に積層することができる。

しかしながら両者の間に熱良導性材料の層を設けること
ができる。

この場合、無電体側に電極を形成して入力電圧と出力電
圧とを分離し、出力電圧の安定を図ることができる。

又抵抗体及び焦電体の形状並ひに両者の位置的関係は前
記条件を満たす限り、特に限定されるものでないことは
下記の実施例の記載から明らかであろう。

本発明における抵抗体の材料としては一般の抵抗体に使
用される材料が適宜使用でき、又焦電体材料としては強
誘電体セラミック及びこれと高分子化合物例えばポリフ
ッ化ビニリデンとの複合材料並びにトリグリシジルサル
フエイト等が適宜使用される。

強誘電体セラミックと高分子化合物との複合材料は例え
ばポリフッ化ビニリデンをジメチルホルムアミド、ジメ
チルアセトアミド等の溶媒に溶解した溶液（溶媒１００
ＣＣに対して前記重合体約５〜１０ｇの濃度）にｐｂＴ
ｉ０３粉末を前記重合体：ＰｂＴｉＯ３−１０： ９０
〜３０ニア０（重量）の割合で添加した懸濁物として使
用するか又はポリフッ化ビニリデンとＰｂＴｉＯ３との
コンパウンドとして使用してもよい。

次に本発明を実施例について説明するが本発明はこれら
によりなんら限定されるものではない。

実施例 ｌ ＰｂＴｉＯ３磁器を用い、長さ１ｃＩｒｔ厚さ０．１
ｍｍ巾１はの単位面積の試料の片面に窒化タンタルをス
パッタにより取り付け、１００Ｖで５Ｗの抵抗体（抵抗
値２にΩ）とした。

次に、対向する面にＡｔを蒸着し電極として、２００℃
で５ ＫＶ／ｍの電界を１時間厚さ方向に印加して分極
処理した。

窒化タンタル抵抗体とＡｔ電極間に１００Ｍ！Ｑの負荷
抵抗を接続した後、抵抗体に５■の電圧をＩＨｚの周波
数で断続して入力しながら、負荷抵抗両端の電圧を測定
したところ１２０■の電圧が得られた。

なお、前記式（１）からみて、周波数をｌ０Ｈｚと高く
した場合、高々１２Ｖ程度の出力電圧しか得られないで
あろうし、又負荷抵抗を１０ＭＱと低くした場合も１２
Ｖ程度の出力電圧しか得られないであろうことが類推さ
れる。

このように変調周波数が高い程、又負荷抵抗が小さい程
電圧利得は小さくなる。

実施例 ２ トリグリシジルサルフエイト（ＴＧＳ）結晶を実施例１
と同様の形状に研摩し、表面にカーボンペーストを塗布
し、２Ｗの抵抗体（抵抗値５にΩ）を形成した後、実施
例１と同様の方法により室温で分極処理を施した。

この素子に一２０℃の温度で、５ｖの電圧を入力し、１
５０Ｖの出力電圧を得ることができた。

以上の説明から明らかなように１本発明の電圧変換素子
は全固体化素子で、しかも小型、軽量の電圧増幅素子と
して有用である。

特にＩＨ２程度の低周波で高い増幅率を示すが、１００
Ｈｚ以下の周波数では十分に電圧増幅素子として機能す
る。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明の電圧変換素子の原理図である。 １・・・・・・焦電体、２・・・・・・抵抗体、３・・
・・・・端子、４・・・・・・リード線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 抵抗体と焦電体により構成され、かつ抵抗体と焦電
   体とが熱的に結合されることを特徴とする電圧変換素子
   。