(57)【要約】【課題】  異なる周波数の入力信号を一つの圧電トランスで昇圧する。【解決手段】  上記課題を解決するため第一の出力端子および該第一の出力端子と接続した圧電素子Ａと、  第二の出力端子および該第二の出力端子と接続した圧電素子Ｂと、  入力端子および該入力端子と接続した圧電素子Ｘ、を備え、  前記第一の出力端子および前記第二の出力端子はそれぞれ独立に外部負荷と接続可能に構成されていることを特徴とする圧電トランスを提供する。【選択図】  図４
2020021868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の出力端子および該第一の出力端子と接続した圧電素子Ａと、
第二の出力端子および該第二の出力端子と接続した圧電素子Ｂと、
入力端子および該入力端子と接続した圧電素子Ｘ、を備え、
前記第一の出力端子および前記第二の出力端子はそれぞれ独立に外部負荷と接続可能に構成されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
前記圧電素子Ａ、前記圧電素子Ｂ、および前記圧電素子Ｘは積層されており、
前記圧電素子Ａと前記圧電素子Ｂの間に部材が設けられている請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】
前記圧電素子Ａと前記圧電素子Ｂの少なくとも一方が、前記部材と隣接している請求項１または２に記載の圧電トランス。
【請求項４】
前記圧電トランスが、更に与圧機構を有し、
該与圧機構は、前記圧電素子Ａ、前記圧電素子Ｂ、および、前記圧電素子Ｘを互いに締め付ける機構を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項５】
前記圧電素子Ｘは、前記圧電素子Ａおよび前記圧電素子Ｂと電気的に絶縁している請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項６】
前記圧電素子Ａ、前記圧電素子Ｂ、および前記圧電素子Ｘは、不等間隔に設けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項７】
前記与圧機構が前記圧電トランスを貫通していることを特徴とする、請求項３に記載の圧電トランス。
【請求項８】
前記与圧機構が前記圧電トランスに埋め込まれていることを特徴とする、請求項６に記載の圧電トランス。
【請求項９】
前記圧電素子は圧電セラミックスと、電極を互いに積層して成ることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電トランスと、交番電圧を給電する駆動回路、を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は素子の支持位置を制御することで振動の損失を低減した圧電素子に関する。また、本発明は前記圧電素子を用いた圧電トランス、圧電トランス装置、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器内で電圧変換を行い、昇圧や降圧をする電子部品として圧電トランスが知られている。圧電トランスの例として、同極同士を向い合せに配備した二組の圧電セラミックスを金属円柱で挟み込んだ構成の圧電トランス（棒状複合圧電トランス）が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
この棒状複合圧電トランスにおける二組の圧電セラミックスは、それぞれ入力部、出力部として用いられる。入力部に相当する圧電セラミックスに電気エネルギーを交番電圧として与えると、入力部の圧電セラミックスの逆圧電効果によって振動が励起し、電気エネルギーが弾性エネルギーに変換される。この振動によって生じる圧電セラミックスの弾性変形によって、出力部の圧電セラミックスの正圧電効果によって起電力を生じる。すなわち弾性エネルギーが再び電気エネルギーとなり、出力部から出力される。すなわち入力部に電圧を印加し、機械振動を介して出力部に生じる電圧を取り出す構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５１−１２３５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に従来の棒状複合圧電トランスは、特定の共振周波数に合わせて設計されるため、駆動周波数及は実質的に一つの値を用いる構成となっていた。そのため、いくつかの異なる交番電圧の周波数の入力信号を変圧したい場合、所望の周波数の数だけ圧電トランスが必要となり、装置が大型化してしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため第一の出力端子および該第一の出力端子と接続した圧電素子Ａと、
第二の出力端子および該第二の出力端子と接続した圧電素子Ｂと、
入力端子および該入力端子と接続した圧電素子Ｘ、を備え、
前記第一の出力端子および前記第二の出力端子はそれぞれ独立に外部負荷と接続可能に構成されていることを特徴とする圧電トランスを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
異なる駆動周波数に対応する出力部を複数設けて、電力を別々に出力できる圧電トランスを提供することで、装置の小型化や高集積化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の圧電トランスの一実施形態を示す概略図である。
【図２】構造体における機械共振における伸縮振動（１、２、３、４次）の変位量分布と応力分布を表す概略図である。
【図３】本発明の圧電トランスの構成の実施の態様を示す模式図である。
【図４】本発明の圧電トランスの構成の一実施形態を示す側面概略図である。
【図５】本発明の圧電トランスの構成の一実施形態における入出力部と伸縮振動の変位量の関係を表す概略図である。
【図６】本発明の実施形態における駆動周波数と昇圧比との関係を示す図である。
【図７】本発明の圧電トランスの構成の実施の態様を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１０】
（本発明の概要）
本発明に係る第一の形態の圧電トランスは、第一の出力端子および該第一の出力端子と接続した圧電素子Ａ、第二の出力端子および該第二の出力端子と接続した圧電素子Ｂ、および、入力端子および該入力端子と接続した圧電素子Ｘ、を備えている。そして、前記第一の出力端子および前記第二の出力端子はそれぞれ独立に外部負荷と接続可能に構成されていることを特徴とする。さらには、前記圧電素子Ａと前記圧電素子Ｂの少なくとも一方が、前記部材と隣接しているように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
またさらに、前記圧電素子Ａと前記圧電素子Ｂおよび前記圧電素子Ｘが積層されており、前記圧電素子Ａと前記圧電素子Ｂの間に部材が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る第二の形態の圧電トランスは、前記第一の形態の圧電トランスが、更に与圧機構を有し、該与圧機構は、前記圧電素子Ａ、前記圧電素子Ｂ、および、前記圧電素子Ｘを互いに締め付ける機構を有することを特徴とする。
【００１３】
またさらに、本発明に係る圧電トランス装置は、前記圧電素子あるいは前記圧電トランスと、前記圧電素子の一次領域の電極に交番電圧を給電する駆動回路を備えることを特徴とする圧電トランス装置である。
【００１４】
またさらに、本発明に係る電子機器は、電子部品と、前記の圧電トランス装置を有することを特徴とする電子機器である。
【００１５】
図１にて模式的に示す従来の圧電トランスは、同極同士を向い合せに配備した二組の圧電セラミックスを金属円柱で挟み込んだ構成を有する。すなわち入力部に電圧を印加し、機械振動を介して出力部に生じる電圧を取り出す構成となっており、特定の共振周波数に対応するように構成されており複数の異なる駆動周波数の入力には対応していなかった。
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明を実施するための圧電トランスおよびそれを備えた電子機器の実施の形態について説明する。
【００１７】
（圧電素子および圧電トランスの構成）
図３に本発明における圧電トランスの構成を模式的に示す。本発明の圧電トランスは例えば円柱状の形状を採用することができ、たとえば外径Ｒの円柱状や、外形Ｒの円柱の中心に内径ｒのボルトを通す孔を有する形状などが採用できる。構造体の両端からナットで締めつけることで、圧電トランスの引っぱり応力に対する破壊耐性が向上し、よりハイパワーでの使用が可能となる。与圧手段としては、図３に模式的に示すように圧電トランスの中心に準備した貫通孔を利用してボルトやナットなどで締める方法も好ましい。このとき、素子駆動時に利用する伸縮振動において圧電素子にかかる応力の面内均一性をできるだけ高く保ち、高い出力効率を確保することおよび耐久性向上の観点より、以下の構成をとると良い。すなわち締め付けに用いる与圧機構はボルトの頭やナットが与圧機構に埋め込まれている構成である。あるいはボルトの頭やナットの断面形状が圧電トランスの断面形状と等しいことも好ましい。
【００１８】
圧電トランスの駆動には伸縮の共振を利用する。１次から４次の伸縮共振時の変位量および応力分布の模式図を図２に示す。入力部および出力部を素子の駆動時に利用する伸縮共振時に応力が最大になる位置に設置することで、高い出力効率を得ることができる。
【００１９】
圧電トランスの出力電圧の見積りには、有限要素法パッケージソフト“ＡＮＳＹＳ”（ＡＮＳＹＳ  Ｉｎｃ．）を使用した。シミュレーションに用いる材料特性は、圧電セラミックス部は市販されているチタン酸ジルコン酸鉛系材料、金属部分は市販されているＳＵＳの物性値を用いた。長さＬ、外形Ｒ、内径ｒ（点線で表示）の圧電トランスの実施の形態を図４（ａ）、（ｂ）に示す。表裏に電極膜（不図示）を形成し、分極された２枚の圧電セラミックスの同極同士が向かい合わせに配備された、円柱状の入力部（圧電素子Ｘ）、出力部１（圧電素子Ａ）、出力部２（圧電素子Ｂ）が、網掛け表示された４つの金属円柱で挟まれている。
【００２０】
（実施の形態１）
実施の形態１として、部材、入力部（圧電素子Ｘ）、部材、出力部１（圧電素子Ａ）、出力部２（圧電素子Ｂ）、部材の順に積層された圧電トランスについて記述する。図４（ａ）に示す圧電トランスは、長さＬが３６０ｍｍ、外形Ｒが４０ｍｍ、内径ｒが１６ｍｍ、構造体の端から入力部（圧電素子Ｘ）の中心までの長さｌｉｎが６３ｍｍ、構造体の端から出力部１（圧電素子Ａ）の中心までの長さｌｏｕｔ１が１８３ｍｍである。さらに、構造体の端から出力部２（圧電素子Ｂ）の中心までの長さｌｏｕｔ２が２２８．２ｍｍの圧電トランスである。入力部を構成する二枚の圧電セラミックスの厚さが共に３ｍｍ、出力部１（圧電素子Ａ）を構成する二枚の圧電セラミックスの厚さが共に１２ｍｍ、出力部２（圧電素子Ｂ）を構成する二枚の圧電セラミックスの厚さが共に１２ｍｍとなっている。
【００２１】
本構成における２次および３次の伸縮振動時の変位量と入力部（圧電素子Ｘ）、出力部１（圧電素子Ａ）、出力部２（圧電素子Ｂ）との関係を模式的に図５に示す。入出力部の中心位置と２次および３次の伸縮振動の変位量の関係を図５（ａ）および（ｂ）に示している。入出力部の中心位置に着目し、簡単のために出力部および入力部（圧電素子Ｘ）の圧電体の厚みは同じ幅で表している。２次の伸縮振動時には出力部１（圧電素子Ａ）にかかる応力が小さくなるため、出力部１（圧電素子Ａ）はオフとなり、出力部２（圧電素子Ｂ）から出力が得られることになる。
【００２２】
このときの入力部（圧電素子Ｘ）に電圧Ｖｉｎの交流電圧を印加し、出力部１（圧電素子Ａ）および出力部２（圧電素子Ｂ）よりそれぞれ出力される電圧Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２を見積もった。
【００２３】
さらにその比率（変圧比）Ｖｏｕｔ１／ＶｉｎおよびＶｏｕｔ２／Ｖｉｎを見積もった。
【００２４】
結果を図６（ａ）に示す。入力電圧の周波数を横軸、出力の変圧比を縦軸に示している。１２ｋＨｚから１４ｋＨｚの間において、出力部２（図中の出力２）からは大きな出力が得られる一方で、出力部１（図中の出力１）からはほとんど出力が出ていない。他方、１８ｋＨｚから２０ｋＨｚの間において出力１からは大きな出力が得られているが、一方で出力２からはほとんど出力が得られていない。つまりこのことからわかるように本実施例の圧電トランスは駆動周波数を変えることで異なる二つの出力端子からそれぞれ変圧された出力を得ることができる。
【００２５】
その理由は、２次の伸縮振動時においては、出力部１（圧電素子Ａ）は共振の腹部に位置し応力が小さくなるため出力部１（圧電素子Ａ）からはほとんど出力が得られないからである。また３次の伸縮振動時においては出力部１（圧電素子Ａ）が最大応力部となり出力部２（圧電素子Ｂ）では応力が小さくなるため、出力部１（圧電素子Ａ）から出力が得られて出力部２（圧電素子Ｂ）からは殆ど出力が得られないためである。
【００２６】
本実施の形態１では、異なる二つの周波数の入力信号を印加することで、出力部１（圧電素子Ａ）および出力部２（圧電素子Ｂ）からそれぞれ出力を得ることが可能となる。
【００２７】
（実施の形態２）
実施の形態２として、部材、入力部（圧電素子Ｘ）、部材、出力部１（圧電素子Ａ）、出力部２（圧電素子Ｂ）、部材の順に積層された圧電トランスについて記述する。図４（ｂ）に示す圧電トランスは、長さＬが３６０ｍｍ、外形Ｒが４０ｍｍ、内径ｒが１６ｍｍ、構造体の端から入力部（圧電素子Ｘ）の中心までの長さｌｉｎが６３ｍｍとした。さらに、構造体の端から出力部１（圧電素子Ａ）の中心までの長さｌｏｕｔ１が１８９．５ｍｍ、構造体の端から出力部２（圧電素子Ｂ）の中心までの長さｌｏｕｔ２が２３８．２ｍｍの圧電トランスである。入力部（圧電素子Ｘ）を構成する二枚の圧電セラミックスの厚さが共に２ｍｍ、出力部１（圧電素子Ａ）を構成する二枚の圧電セラミックスの厚さが共に５ｍｍ、出力部２（圧電素子Ｂ）を構成する二枚の圧電セラミックスの厚さが共に１５ｍｍとなっている。
【００２８】
本構成における２次および３次の伸縮振動時の変位量と入力部（圧電素子Ｘ）、出力部１（圧電素子Ａ）、出力部２（圧電素子Ｂ）との関係を模式的に図５に示す。入出力部の中心位置と２次および３次の伸縮振動の変位量の関係を図５（ａ）および（ｂ）に示している。入出力部の中心位置に着目し、簡単のために出力部および入力部（圧電素子Ｘ）の圧電体の厚みは同じ幅で表している。２次の伸縮振動時には出力部１（圧電素子Ａ）にかかる応力が小さくなるため、出力部１（圧電素子Ａ）はオフとなり、出力部２（圧電素子Ｂ）から出力が得られることになる。加えて本実施の形態では出力部１（圧電素子Ａ）と出力部２（圧電素子Ｂ）で圧電体の厚みが大きく異なるため、大きく異なる変圧比での出力が得られることになる。
【００２９】
このときの入力部（圧電素子Ｘ）に電圧Ｖｉｎの交流電圧を印加し、出力部１（圧電素子Ａ）および出力部２（圧電素子Ｂ）より出力される電圧Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２との比率（変圧比）Ｖｏｕｔ１／ＶｉｎおよびＶｏｕｔ２／Ｖｉｎを見積もった。結果を図６（ｂ）に示す。入力電圧の周波数を横軸、出力の変圧比を縦軸に示している。二次の伸縮振動時には、出力部１（圧電素子Ａ）は共振の腹部に位置し、応力が小さくなるため出力部１（圧電素子Ａ）からはほとんど出力が得られない。３次の伸縮振動時には出力部１（圧電素子Ａ）が最大応力部となり出力部２（圧電素子Ｂ）では応力が小さくなるため、出力部１（圧電素子Ａ）から出力が得られて出力部２（圧電素子Ｂ）からは殆ど出力が得られない。出力部１（圧電素子Ａ）と出力部２（圧電素子Ｂ）に異なる厚みの圧電セラミックスを用いることで、異なる二つの周波数において、出力部１（圧電素子Ａ）および出力部２から異なる変圧比で出力を得ることが可能となる。
【００３０】
本実施の形態では、圧電材料としてチタン酸ジルコン酸鉛系材料、金属円柱材料としてＳＵＳを想定したが、異なる圧電材料および金属材料を用いた場合でも、本発明の要件を満たす構成であれば本発明の効果が得られる。複数の異なる駆動周波数での使用において、出力端子ごとに出力のオンとオフの比を大きく得る観点から、オフにしたい出力部はその振動モードにおいて応力が最小となる場所に設置されていることが好ましい。出力効率向上の観点からは、使用する出力部がその振動モードにおいて応力が最大となる位置に配置されることが好ましい。
【００３１】
入力部が２か所以上あっても、本発明の要件を満たす構成であれば本発明の効果が得られる。
【００３２】
出力部が３か所以上あっても、本発明の要件を満たす構成であれば本発明の効果が得られる。前記圧電素子Ａ、前記圧電素子Ｂ、および前記圧電素子Ｘは、不等間隔に設けられているよう構成してもよい。
【００３３】
入力部および出力部は圧電セラミックスと電極を互いに積層した形状であっても、本発明の要件を満たす構成であれば本発明の効果が得られる。
【００３４】
第一の出力端子と接続した圧電素子をＡ、第二の出力端子および該第二の出力端子と接続した圧電素子をＢ、入力端子および該入力端子と接続した圧電素子Ｘ、それぞれの部材を挟んで配置する部材を白抜きの四辺形で表す。そのとき、図７に示すように、これらの積層順序は実施の形態に示した順序に限定する必要はなく、さらに圧電トランスの両端が圧電体となっていてもよい。例えば与圧機構や入力部もしくは出力部の長さなどの条件で、本発明の要件を満たす構成となっていれば本発明の効果が得られるからである。また白抜きの四辺形で表した部材は金属だけでなく絶縁体を用いて圧電素子Ａと圧電素子Ｂが電気的に絶縁されるように構成することも可能である。
【００３５】
（電子機器）
本発明の圧電トランス装置は、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように外装部を設けて電子機器に組み込み、入力用駆動回路および出力用回路（外部負荷）と接続して用いることも好ましい。異なる駆動周波数に対応する出力部が複数設けられており、電力を別々に出力することが可能なため、電子機器の小型化が可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  圧電素子Ｘ
１０２  圧電素子Ａ
１０３  圧電素子Ｂ
１０４  部材
１０５  圧電トランス
１０６  与圧機構
１１１  外装部
【図１】
2020021868.tif 000003
【図２】
2020021868.tif 000004
【図３】
2020021868.tif 000005
【図４】
2020021868.tif 000006
【図５】
2020021868.tif 000007
【図６】
2020021868.tif 000008
【図７】
2020021868.tif 000009