JPH11298056A - 圧電トランスとその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １つの圧電トランスで、複数個の出力端子を
取り出すことを目的とする。 【解決手段】 本圧電トランスは、複数の圧電層からな
り、厚み方向に分極された低インピーダンス層１１２と
単層あるいは複数の圧電層からなり、同じく厚み方向に
分極されてなる高インピーダンス層１１１を長手方向に
沿って一体的に連結したものとする。さらに、低インピ
ーダンス層の内部電極の少なくとも１つから外部出力端
子１１を取り出す。また、外部接続用端子は圧電トラン
スの全長をＬとした場合に、その両端から、Ｌ／４の位
置に配置される。以上の構造の圧電トランスを１波長が
圧電トランスの全長Ｌと等しくなる長手方向縦振動２次
モードの共振周波数で駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の高電圧発生
用電源回路で用いられる圧電トランスとその駆動方法に
関し、特に小型で高昇圧比が求められる電源回路用の圧
電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５に従来の圧電トランスの１つであ
るローゼン型圧電トランスの構造を示す。この圧電トラ
ンスは、電磁トランスに比べて小型化が図れ、不燃性で
あり、電磁誘導によるノイズを出さないなどの長所を有
している。２１１で示す部分が圧電トランスの低インピ
ーダンス部であり、昇圧用として用いる場合の入力部と
なる。低インピーダンス部２１１は厚み方向に分極が施
されており、厚み方向の主面に電極１１３Ｕ、１１３Ｄ
が配置されている。一方、２１２で示す部分は高インピ
ーダンス部であり、昇圧用として用いる場合の出力部と
なる。高インピーダンス部２１２は長手方向に分極され
ており、長手方向の端面に電極１１４が配置されてい
る。この圧電トランスの動作は、入力部の電極１１３
Ｕ、１１３Ｄに電圧が印加されると、（逆）圧電効果に
より、電気エネルギーが機械エネルギー変換され、長手
方向の縦振動が励振される。このときのエネルギー比が
電気機械結合係数k３１である。駆動周波数が長さ縦振
動の１次モードや２次モードの共振周波数の近傍の時
は、出力部２１２にも大きな機械振動が発生する。出力
部２１２では圧電効果により、機械エネルギーが電気エ
ネルギーに変換され、電圧が発生する。このときのエネ
ルギー比が電気機械結合係数k３３である。このとき出
力部２１２では分極方向が長さ方向であり、その長さは
厚みに比べて大きいので電極１１４からは高電圧を容易
に得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のローゼン型圧電
トランスでは、 入力端子、出力端子はそれぞれ１組ず
つである。そのため、複数個の出力端子が必要な場合、
所望の出力端子の数だけ圧電トランスが必要である。ま
た、従来のローゼン型圧電トランスでは、長手方向の端
面に電極があり、電極の位置が、長さ縦振動において振
動の腹となる。そのため、端面に導線を接続すると振動
を阻害し、結果として高出力を高効率で伝達することが
できない。さらには、大振幅時に接続するリード線が切
れるといった欠点があり、信頼性の点で問題があった。

【０００４】従って、本発明の目的は、複数個の出力端
子を有する圧電トランスを実現すると共に、さらには、
信頼性の高い圧電トランスを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、各層が厚み方向に分極した複数層からなる
圧電層と、前記複数層からなる圧電層間に介在した内部
電極とからなる低インピーダンス部と、前記低インピー
ダンス部と同厚で、厚み方向に分極した単層の圧電層か
らなる高インピーダンス部とを長手方向に沿って一体的
に構成し、前記低インピーダンス部の両面と前記高イン
ピーダンス部の両面に外部電極を設けた圧電トランスに
おいて、前記外部電極と前記低インピーダンス部の内部
電極の少なくとも一つを外部接続端子に接続したことを
特徴とする。

【０００６】また、各層が厚み方向に分極した複数層か
らなる圧電層と、前記複数層からなる圧電層間に介在し
た内部電極とからなる低インピーダンス部と、前記低イ
ンピーダンス部と同厚で、各層が厚み方向に分極した複
数層の圧電層と、前記複数層からなる圧電層間に介在し
た内部電極とからなる高インピーダンス部とを長手方向
に沿って一体的に構成し、前記低インピーダンス部の両
面と前記高インピーダンス部の両面に外部電極を設けた
圧電トランスにおいて、前記外部電極と前記低インピー
ダンス部もしくは前記高インピーダンス部の内部電極の
少なくとも一つを外部接続端子に接続したことを特徴と
する。

【０００７】また、圧電トランスの長手方向の長さをＬ
とした場合、低インピーダンス部もしくは高インピーダ
ンス部の外部接続用端子が、その一側端または他側端か
らＬ／４の位置に配置されていることを特徴とする。

【０００８】さらに、上記圧電トランスを駆動する方法
であって、１波長が圧電トランスの全長Ｌと等しくなる
長手方向縦振動２次モードの共振周波数で前記圧電トラ
ンスを駆動することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１０】（実施の形態１）本発明に基づく圧電トラ
ンスの第１の実施の形態について、図１は圧電トランス
の構造を示す図である。１１２は低インピーダンス部で
あり、１５は低インピーダンス部の圧電層であり、１６
は内部電極である。

【００１１】図１に示すように、低インピーダンス部は
圧電層を２層と内部電極を１層交互に積層し、構成され
ている。

【００１２】１１１は高インピーダンス部であり、１４
は高インピーダンス部の圧電層を示す。圧電層は低イン
ピーダンス部と同厚の圧電層１層で、構成されている。

【００１３】この圧電トランスは図１に示す様に、低イ
ンピーダンス部の上下主面に設けた外部電極１２Ｕ、１
２Ｄ、内部電極１６、さらに、高インピーダンス部の上
下主面に設けた外部電極１３Ｕ、１３Ｄから電気接続を
とる。高インピーダンス部の上下主面に設けた外部電極
は圧電トランスの全長Ｌとすると、端面から最大でＬ／
２以下の部分とする。また、低インピーダンス部の上下
主面と内部電極についても、端面から最大でＬ／２以下
の部分に電極を構成する。

【００１４】以上のように構成された圧電トランスにつ
いて、以下その動作を説明する。本圧電トランスの共振
周波数近傍の集中定数近似等価回路は図２のようにな
る。

【００１５】図２において、Cd１、Cd２ー１、Cd２ー２
はそれぞれ入力側、出力側の束縛容量、Ａ１（入力
側）、Ａ２１、Ａ２２（出力側）は力係数、mは等価質
量、Cは等価コンプライアンス、Rmは等価機械抵抗であ
る。本実施の形態の圧電トランスでは出力部のそれぞれ
の層のほうが入力部の厚さより薄いため力係数Ａ１はＡ
２１、Ａ２２よりも大きくなり、図２中の２つの等価理
想変成器で昇圧される。さらに圧電トランスでは等価質
量と等価コンプライアンスからなる直列共振回路を含む
ため、特に負荷抵抗の値が大きい場合に出力電圧は変成
器の変成比以上に大きな値となる。

【００１６】また、本実施の形態では、低インピーダン
ス部の圧電層１５の厚みをそれぞれ等しくすることによ
り、Ａ２１、Ａ２２を同じ値にすることができる。

【００１７】本圧電トランスを接着積層により、圧電材
料にはPZT(PbZrO3 - PbTiO3)系圧電材料で作ることがで
きる。まず、圧電層の厚さの板を焼結し、所望の位置に
外部電極及び内部電極をAuを圧電焼結体表面に蒸着する
ことにより、形成する。

【００１８】電極構成後、分極を行う。その後、接着に
より積層を行う。接着後端面を研磨して、内部電極を端
面に露出させ、導電性樹脂により内部電極と接続を行
う。なお、ここでは接着により積層を行ったが、圧電性
を有する圧電材料およびそれと一体焼成可能である電極
材料を用いて、圧電体を焼結する前に圧電材料と電極材
料を積層し、同時に焼成して図１に示すトランス構造を
形成することも出来る。

【００１９】各圧電層の厚さを０.５mmとし、全体の厚
さを１.０mmとした。また、全体の長さを４０mm、幅７m
mの寸法とした。

【００２０】この圧電トランスの長さ縦振動２次モード
の共振周波数は、アドミタンスの周波数特性から８６kH
zと測定された。この圧電トランスに１００kΩの負荷抵
抗をそれぞれの出力部に接続を行ったところ、入力電圧
１０Vに対して３５０Vの出力が得られ、このときの出力
電力はそれぞれ１.３Wであり、複数個の出力の取り出し
が行えた。

【００２１】また、本発明では、電気接続を圧電トラン
スの長手方向の長さをＬとした時、低インピーダンス部
または高インピーダンス部の外部接続用端子を圧電トラ
ンスの長手方向の一端面または他端面からL／４の位置
に配置する。図３に棒状振動子３１の変位と応力の分布
を示す。図３は、長さ縦振動２次モードの分布を示し、
１波長が振動子３１の長さと等しい振動モードである。
この場合、図３からも明らかなように振動子３１の両端
から４分の１だけ内側に振動の節が存在している。その
ため、圧電トランスの長手方向の両端からＬ／４の位置
に端子を接続し、長さ縦振動２次モードの共振周波数で
駆動すれば、外部接続用端子で振動に悪影響を与えるこ
とがない。また、大振幅時にリード線が切れるという問
題にも対処できる。

【００２２】さらに、本構成の圧電トランスでは、１出
力のみでよい場合には一方の出力に制御用の負荷を接続
することにより、出力を制御し、圧電トランスを駆動す
ることが出来ることは言うまでもない。

【００２３】尚、図４には、入力部を積層構造とした時
の図を示す。その入力部の断面構造図を図５に示す。こ
の様に、圧電トランスを奇数層の圧電活性層と、内部電
極と上下主面に設けた外部電極３３Ｕ、３３Ｄ、３３Ｕ
ａ、３３Ｄａとで構成すれば、入力部の１層当たりの層
厚が、出力部のそれぞれの層厚よりも薄くなり、Ａ１を
Ａ２１、Ａ２２よりも小さくすることができる。

【００２４】（実施の形態２）本発明に基づく圧電トラ
ンスの第２の実施の形態について、図６は圧電トランス
の構造を示す図である。１１２は低インピーダンス部で
あり、１５は低インピーダンス部の圧電層であり、１６
は内部電極である。１１１は高インピーダンス部であ
り、１４は高インピーダンス部の圧電層である。以上は
図１の構成と同様なものである。図１の構成と異なるの
は、低インピーダンス部の外部電極２２Ｕ，２２Ｄの上
下主面でのサイズを変えた点である。

【００２５】上記のように構成された圧電トランスにつ
いて、以下その動作を説明する。出力部の上下主面の電
極サイズを変えることにより、図２の集中定数近似等価
回路において、Ａ２１、Ａ２２の値、出力容量Cd２ー
１、Cd２ー２を上下の各層で変えることができる。以上
のように、低インピーダンス部での外部電極を上下主面
で異なる負荷に対しても負荷に合わせた圧電トランスを
得ることができる。

【００２６】本実施の形態の圧電トランスでは実施の形
態１と同じく、出力部のそれぞれの層のほうが入力部の
厚さより薄いため力係数Ａ１はＡ２１、Ａ２２よりも大
きくなり、図２中の２つの等価理想変成器で昇圧され
る。

【００２７】実施の形態２に示すような、２つの出力の
インピーダンス比を変えた圧電トランスを接着により積
層し、作成した。接着により積層する方法、分極する方
法は実施の形態１と同じである。ここでは、全体の寸法
を４０mm、幅７mm、厚さ１.２mmとした。

【００２８】この圧電トランスの長さ縦振動２次モード
の共振周波数は、アドミッタンスの周波数特性から８３
kHzと測定された。この圧電トランスに高電圧用途とし
ては比較的低抵抗である１００kΩの負荷抵抗を接続し
たところ、入力電圧１０Vにたいして、１００V、５０V
の出力電圧が得られ、このときの出力電力は１.３W、
０.９Wであった。

【００２９】さらに、本構成の圧電トランスでも、１出
力のみでよい場合には一方の出力に制御用の負荷を接続
することにより、出力を制御し、圧電トランスを駆動す
ることが出来ることは言うまでもない。

【００３０】尚、実施の形態１と同様、圧電トランスの
長さをＬとした場合、端面からＬ／４の位置に端子を接
続し、長さ縦振動２次モードの共振周波数で駆動すれ
ば、端子で振動に悪影響を与えることがなく、大振幅時
にリード線が切れるという問題にも対処できる。

【００３１】尚、入力部の構成を第５図と同様にし、図
７に示すように本圧電トランスも入力部を積層構造とす
ることにより、１層当たりの層厚を、出力部のそれぞれ
の層厚よりも薄くすることができ、Ａ１をＡ２１、Ａ２
２よりも小さくすることができる。

【００３２】（実施の形態３）本発明に基づく圧電トラ
ンスの第３の実施の形態として、図８に圧電トランスの
構造例の斜視図を示す。１１２は低インピーダンス部で
あり、１５は低インピーダンス部の圧電層であり、１６
は内部電極である。１１１は高インピーダンス部であ
り、１４は高インピーダンス部の圧電層である。低イン
ピーダンス部は圧電層が８層、内部電極が７層交互に積
層した構造である。高インピーダンス部は低インピーダ
ンス部と同厚で、圧電層は１層とした構造である。ま
た、第３の実施の形態での低インピーダンス部（図８の
Ａ−Ａ‘）での断面図を図９に示す。図１の構成と異な
るのは、低インピーダンス部を積層構造とした点であ
る。

【００３３】上記のように構成された圧電トランスにつ
いて、以下その動作を説明する。出力部の積層数を増加
させることにより、出力インピーダンスを下げることが
できる。さらに、図２の集中定数近似等価回路におい
て、Ａ２１、Ａ２２の値、出力容量Cd２ー１、Cd２ー２
の値をそれぞれ変えることができる。これにより、異な
る負荷に対しても、負荷に合わせた圧電トランスを得る
ことができる。

【００３４】実施の形態３に示すような、２つの出力の
インピーダンス比を変えた圧電トランスを接着積層によ
り作成した。接着積層および分極の方法は実施の形態１
と同じである。ここでは、全体の寸法を４０mm、幅７m
m、厚さ１.８mmとした。

【００３５】この圧電トランスの長さ縦振動２次モード
の共振周波数は、アドミッタンスの周波数特性から８３
kHzと測定された。この圧電トランスに高電圧用途とし
ては比較的低抵抗である１０kΩの負荷抵抗を接続した
ところ、入力電圧１０Vにたいして、１２０V、６０Vの
出力電圧が得られ、このときの出力電力は１.０W、０.
５Wであった。

【００３６】さらに、本構成の圧電トランスでも、１出
力のみでよい場合には一方の出力に制御用の負荷を接続
することにより、出力を制御し、圧電トランスを駆動す
ることが出来ることは言うまでもない。

【００３７】（実施の形態４）本発明に基づく圧電トラ
ンスの第４の実施の形態として、図１０に圧電トランス
の構造例の斜視図を示す。１１２は低インピーダンス部
であり、１５は低インピーダンス部の圧電層であり、１
６は内部電極である。また、１１１は高インピーダンス
部であり、１４は高インピーダンス部の圧電層である。
低インピーダンス部は圧電層が４層、内部電極が３層交
互に積層し、構成される。高インピーダンス部は低イン
ピーダンス部と同厚の圧電層、１層で構成されている。
また、第４の実施の形態での低インピーダンス部の断面
図を図１１に示す。

【００３８】この圧電トランスは図１１に示す様に、低
インピーダンス部の上下主面に設けた外部電極１２Ｕ、
１２Ｄ、内部電極１６、さらに、高インピーダンス部の
上下主面に設けた外部電極１３Ｕ、１３Ｄから電気接続
をとる。高インピーダンス部の上下主面に設けた外部電
極は圧電トランスの全長Ｌとすると、端面から最大でＬ
／２以下の部分とする。また、低インピーダンス部の上
下主面と内部電極についても、端面から最大でＬ／２以
下の部分に電極を構成する。図１の構成と異なるのは、
出力端子を３個取り出した点である。

【００３９】以上のように構成された圧電トランスにつ
いて、以下その動作を説明する。本圧電トランスの共振
周波数近傍の集中定数近似等価回路は図１２のようにな
る。

【００４０】図１２において、Cd１ａ、Cd２ー１ａ 、C
d２ー２ａ 、Cd２ー３ａはそれぞれ入力側、出力側の束
縛容量、Ａ１ａ（入力側）、Ａ２１ａ 、Ａ２２ａ 、Ａ
２３ａ（出力側）は力係数、mａは等価質量、Cａは等価
コンプライアンス、Rmａは等価機械抵抗である。本実施
の形態の圧電トランスでは出力部のそれぞれの層のほう
が入力部の厚さより薄いため力係数Ａ１ａはＡ２１ａ
、Ａ２２ａ 、Ａ２３ａよりも大きくなり、図１２中の
３つの等価理想変成器で昇圧される。さらに圧電トラン
スでは等価質量と等価コンプライアンスからなる直列共
振回路を含むため、特に負荷抵抗の値が大きい場合に出
力電圧は変成器の変成比以上に大きな値となる。

【００４１】この様に、内部電極から電気接続を必要な
数だけとることにより、複数個の出力端子を有すること
が可能であることは言うまでもない。

【００４２】尚、本実施の形態の圧電トランスにおい
て、出力部の積層数を変えることにより、Ａ２１ａ 、
Ａ２２ａ 、Ａ２３ａの値、出力容量Cd２ー１ａ 、Cd２
ー２ａ、Cd２ー３ａを変えることができる。これによ
り、異なる負荷に対しても負荷に合わせた圧電トランス
を得ることができる。

【００４３】（実施の形態５）本発明に基づく圧電トラ
ンスの第５の実施の形態として、図１３は圧電トランス
の構造を示す図である。１１２は低インピーダンス部で
あり、４５は低インピーダンス部の圧電層であり、１６
は内部電極である。１１１は高インピーダンス部であ
り、１４は高インピーダンス部の圧電層である。以上は
図１の構成と同様なものである。図１の構成と異なるの
は、低インピーダンス部の圧電層の厚みをそれぞれ変え
た点である。

【００４４】上記のように構成された圧電トランスにつ
いて、以下その動作を説明する。本圧電トランスの共振
周波数近傍の集中定数近似等価回路は図２のようにな
る。

【００４５】出力部の圧電層の厚さをそれぞれ変えるこ
とにより、Ａ２１、Ａ２２の値、出力容量Cd２ー１、Cd
２ー２を変えることができる。以上のように、低インピ
ーダンス部での外部電極を上下主面で異なる負荷に対し
ても負荷に合わせた圧電トランスを得ることができる。

【００４６】本実施の形態の圧電トランスでは実施の形
態１と同じく、出力部のそれぞれの層のほうが入力部の
厚さより薄いため力係数Ａ１はＡ２１、Ａ２２よりも大
きくなり、図２中の２つの等価理想変成器で昇圧され
る。

【００４７】さらに、本構成の圧電トランスでも、１出
力のみでよい場合には一方の出力に制御用の負荷を接続
することにより、出力を制御し、圧電トランスを駆動す
ることが出来ることは言うまでもない。

【００４８】尚、入力部の構成を図５と同様にし、図１
４に示すように本圧電トランスも実施の形態１と同様、
入力部を積層構造とすることにより、１層当たりの層厚
を、出力部のそれぞれの層厚よりも薄くすることがで
き、Ａ１をＡ２１、Ａ２２よりも小さくすることができ
る。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明の圧電トラン
スは、小型で高電圧を発生することが可能であり、複数
の出力電圧にも１つの圧電トランスで得ることが可能で
ある。

【００５０】しかも、外部接続用端子の取り出し部の信
頼性も高いという利点も有する。

【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
の構造を示す斜視図

【図２】本発明の圧電トランスの集中定数等価回路図

【図３】長さ縦振動２次モードにおける棒状振動子の変
位分布、応力分布図

【図４】本発明の第１の実施の形態による圧電トランス
の他の構造を示す斜視図

【図５】同圧電トランスの高インピーダンス部の断面構
造図

【図６】本発明の第２の実施の形態による圧電トランス
の構造を示す斜視図

【図７】本発明の第２の実施の形態による圧電トランス
の他の構造を示す斜視図

【図８】本発明の第３の実施の形態による圧電トランス
の構造を示す斜視図

【図９】同圧電トランスの低インピーダンス部の断面構
造図

【図１０】本発明の第４の実施の形態による圧電トラン
スの構造を示す斜視図

【図１１】同圧電トランスの低インピーダンス部の断面
構造図

【図１２】同圧電トランスの集中定数等価回路図

【図１３】本発明の第５の実施の形態による圧電トラン
スの構造を示す斜視図

【図１４】本発明の第５の実施の形態による圧電トラン
スの他の構造を示す斜視図

【図１５】従来の圧電トランスの一例としてのローゼン
型圧電トランスの構造を示す斜視図

【符号の説明】 １１１ 高インピーダンス部 １１２ 低インピーダンス部 １１ 外部端子 １２U，１２D，１３U，１３D 外部電極 １４，１５ 圧電層 １６ 内部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朝日 俊行 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 奥山 浩二郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 川▲さき▼ 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各層が厚み方向に分極した複数層からな
   る圧電層と、前記複数層からなる圧電層間に介在した内
   部電極とからなる低インピーダンス部と、前記低インピ
   ーダンス部と同厚で、厚み方向に分極した単層の圧電層
   からなる高インピーダンス部とを長手方向に沿って一体
   的に構成し、前記低インピーダンス部の両面と前記高イ
   ンピーダンス部の両面に外部電極を設けた圧電トランス
   において、前記外部電極と前記低インピーダンス部の内
   部電極の少なくとも一つを外部接続端子に接続したこと
   を特徴とする圧電トランス。
2. 【請求項２】 各層が厚み方向に分極した複数層からな
   る圧電層と、前記複数層からなる圧電層間に介在した内
   部電極とからなる低インピーダンス部と、前記低インピ
   ーダンス部と同厚で、各層が厚み方向に分極した複数層
   の圧電層と、前記複数層からなる圧電層間に介在した内
   部電極とからなる高インピーダンス部とを長手方向に沿
   って一体的に構成し、前記低インピーダンス部の両面と
   前記高インピーダンス部の両面に外部電極を設けた圧電
   トランスにおいて、前記外部電極と前記低インピーダン
   ス部もしくは前記高インピーダンス部の内部電極の少な
   くとも一つを外部接続端子に接続したことを特徴とする
   圧電トランス。
3. 【請求項３】 低インピーダンス部の両面に設けた外部
   電極の大きさが異なることを特徴とする請求項１乃至２
   記載の圧電トランス。
4. 【請求項４】 低インピーダンス部の各層の圧電層の厚
   みが異なることを特徴とする請求項１乃至２記載の圧電
   トランス。
5. 【請求項５】 圧電トランスの長手方向の長さをＬとし
   た場合、低インピーダンス部もしくは高インピーダンス
   部の外部接続用端子が、その一側端または他側端からＬ
   ／４の位置に配置されていることを特徴とする請求項１
   乃至２記載の圧電トランス。
6. 【請求項６】 請求項１乃至２記載の圧電トランスを駆
   動する方法であって、１波長が圧電トランスの全長Ｌと
   等しくなる長手方向縦振動２次モードの共振周波数で前
   記圧電トランスを駆動することを特徴とする圧電トラン
   スの駆動方法。