(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発分極方向を座標系のＺ軸と平行にした場合において、前記座標系のＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を更にそのＺ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成る圧電振動子矩形板を有し、該圧電振動子矩形板は、正方形板を１単位として少なくとも１単位の前記正方形板から構成されると共に前記正方形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を行うものであり、前記圧電振動子矩形板の長手方向の一端面からおよそ前記圧電振動子矩形板の長さの２分の１の領域に、前記圧電振動子矩形板の厚さ方向で相対向する第１側の対向電極を形成し、少なくとも前記圧電振動子矩形板の前記長手方向の他端面、或いは前記圧電振動子矩形板の上下面の内の少なくとも一方の面の前記他端面近傍に第２側の電極を形成し、前記第１側の対向電極を１次側電極、前記第２側の電極を２次側電極としたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
前記上下面内の少なくとも一方の面の前記他端面近傍に形成された第２側の電極１４は、前記他端面から前記圧電振動子矩形板の長さの４分の１以内の領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】
自発分極方向を座標系のＺ軸と平行にした場合において、前記座標系のＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を更にそのＺ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成る圧電振動子矩形板を有し、該圧電振動子矩形板は、正方形板を３枚長さ方向に連ねた長方形板を１単位として少なくとも１単位の前記長方形板から構成されると共に前記長方形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を行うものであり、前記長方形板を構成する前記正方形板のそれぞれに電気的に独立した前記圧電振動子矩形板の厚さ方向で相対向する対向電極を形成し、該対向電極の内、前記長方形板の両側の対向電極を１次側電極とし、前記長方形板の中央の対向電極を２次側電極としたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項４】
自発分極方向を座標系のＺ軸と平行にした場合において、前記座標系のＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を更にそのＺ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成る圧電振動子矩形板を有し、
該圧電振動子矩形板は、正方形板を３枚長さ方向に連ねた長方形板を１単位として少なくとも１単位の前記長方形板から構成されると共に前記長方形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を行うものであり、
前記長方形板を構成する前記正方形板のそれぞれに電気的に独立した前記圧電振動子矩形板の厚さ方向で相対向する対向電極を形成し、
該対向電極の内、前記圧電振動子矩形板の一方の板面上に形成された前記長さ方向両側の対向電極から成る一方の組と、前記圧電振動子矩形板の他方の板面上に形成された前記長さ方向両側の対向電極から成る他方の組とを１次側電極とし、
残りの中央の対向電極の少なくとも１つと、前記長さ方向両側の対向電極の内の前記一方の組とを２次側電極としたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項５】
前記１次側電極、前記２次側電極以外に帰還用の電極が前記圧電振動子矩形板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の圧電トランスにおいて、前記圧電振動子矩形板の厚さと前記２次側電極の寸法の内、少なくとも一方を変化させることにより前記圧電振動子矩形板の１次側及び２次側の制動容量値を調整することを特徴とする圧電トランスの制動容量値の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子式複写機や静電式空気清浄器等に用いられる直流高電圧電源や、液晶ディスプレー用バックライト点灯用のインバータ電源に用いられる圧電トランスに関し、特に負荷インピーダンスの異なる用途にも容易に適用可能な圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の圧電トランスの構造の概略を示す斜視図である。図６において、圧電振動子矩形板１には長さ方向のおよそ半分の部分に厚さ方向で相対向する電極２及び電極３が形成され、電極２及び電極３が形成された部分から遠い方の圧電振動子矩形板の端面に電極４が形成されている。尚、図中白抜き矢印は分極方向を示す。
【０００３】
図７は従来の圧電トランスの動作原理の説明図であり、図７（ａ）は圧電振動子矩形板の断面図、図７（ｂ）は圧電振動子矩形板が長さ方向振動の１波長共振モードで振動している場合の変位分布であり、図７（ｃ）はその時の歪分布を示している。図７（ａ）において、電極３をアース端子とし、電極２に圧電振動子矩形板の長さ方向振動の１波長共振モードの共振周波数に等しい周波数の電圧を印加すると圧電振動子矩形板１は、図７（ｂ），（ｃ）に示すように振動する。この時、電極３と端面電極４との間には圧電効果により電圧を発生する。
【０００４】
圧電トランスの電気的な等価回路は図８のように表わされる。図８（ａ）は、それぞれの変成比φ１及びφ２の１次側及び２次側の電気−機械変換の変成器を含む場合であり、ｍ，ｓ，ｒは、それぞれ、機械振動系の等価質量、等価スティフネス及び等価抵抗である。また、Ｃｄ１  及びＣｄ２  は、それぞれ、１次側及び２次側の制動容量である。更に、ＲＬ  は負荷抵抗である。図８（ｂ）は図８（ａ）の回路を１次側から見た場合の等価回路である。図８（ｂ）において、等価回路の各定数は次式で与えられる。
【０００５】
Ｌ＝ｍ／φ１  ２  ，  Ｃ＝φ１  ２  ／ｓ，  Ｒ＝ｒ／φ１  ２  
Ｃｄ２  ′＝Ａ１  ２  ／Ａ２  ２  ・Ｃｄ２  ，  ＲＬ  ′＝Ａ２  ２  ／Ａ１  ２  ・ＲＬ
図８の（ｂ）の等価回路における等価直列インダクタンスＬ、等価直列キャパシタンスＣ、２次側の制動容量Ｃｄ２  ′の直列回路の共振周波数で励振すると、等価直列インダクタンスＬの端子電圧と等価直列キャパシタンスＣと２次側の制動容量Ｃｄ２  ′の直列接続した合計のキャパシタンスの端子には、（１）式で与えられる振幅の極性の逆の出力電圧が発生する。
【０００６】
ＶＬ  ＝−Ｖｃ  ＝Ｑｍ  ・Ｖ１      …（１）
ここで、Ｑｍ  は直列共振回路のＱであり、Ｖ１  は入力電圧である。
【０００７】
したがって、圧電トランスの出力電圧は（１）式で表わされる入力電圧のＱｍ  倍の電圧が、等価直列キャパシタンスＣと２次側の制動容量Ｃｄ２  ′とで分圧された電圧となる。したがって、高い出力電圧を得るためには、（２）式で表される２次側の容量比γ２  の値が小さいことが要求される。
【０００８】
γ２  ＝Ｃｄ２  ′／Ｃ    …（２）
一方、圧電トランスに負荷抵抗ＲＬ  を接続した場合、負荷抵抗ＲＬ  により、実効的な入力電圧Ｑｍ  の値が低下し、負荷抵抗ＲＬ  が小さくなると出力電圧が急激に低下する。更に、圧電トランスの効率は、負荷抵抗ＲＬ  の値が２次側の制動容量Ｃｄ２  の共振周波数でのインピーダンス１／（ωｒ  ・Ｃｄ２  ）に等しい時に最大になることが知られている。
【０００９】
したがって、圧電トランスが使用される負荷抵抗の条件により、必要な出力電圧と効率の両方を満足させる条件を求める必要がある。
【００１０】
しかし、図６及び図７に示した従来の圧電トランスにおいて、結合振動の無い長さ振動モードで励振しようとした場合、幅と長さの比を４倍以上にする必要があり、２次側の電極間距離が大きくなり、制動容量Ｃｄ２  の値が小さくなる。したがって、図６のタイプの圧電トランスでは、負荷抵抗ＲＬ  が大きい時に、出力電圧が大きくなり、効率も高くなる。一方、この圧電トランスの負荷抵抗ＲＬ  が小さいときは、出力電圧と効率が大幅に低下する。
【００１１】
図６に示した従来の圧電トランスの構造において、２次側の制動容量Ｃｄ２  の値を大きくしようとすると、２次側の電極間距離を短くするか、圧電振動子矩形板の厚さを厚くする必要がある。しかし、圧電振動子矩形板の厚さを厚くすることは、１次側の制動容量Ｃｄ１  の値が小さくなり、出力電圧の低下を招くことになり、２次側の電極間距離を短くすることは、圧電振動子矩形板の幅を小さくしないと結合振動を生じさせることになり、幅を小さくするとまた２次側の制動容量Ｃｄ２  が小さくなり、設計の自由度は極めて狭いものであった。
【００１２】
また、圧電トランスの実用化を考えた場合は、振動子をパッケージ等に支持して使うのが一般的だが、図６及び図７に示した従来の圧電トランスでは、支持により特性が大幅に低下し、仮に支持を行ったとしても振動子の振動により特性が劣化してしまい信頼性が悪いという欠点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は以上に示した従来の圧電トランスの欠点を除去し、しかも、ニオブ酸リチウム単結晶圧電振動子矩形板の寸法、電極寸法を変化させることにより、広い範囲の負荷抵抗の変化に容易に対応可能にすること、更に支持による特性の劣化の低減し、信頼性にも優れた圧電トランスを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明によれば、自発分極方向を座標系のＺ軸と平行にした場合において、前記座標系のＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を更にそのＺ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成る圧電振動子矩形板を有し、該圧電振動子矩形板は、正方形板を１単位として少なくとも１単位の前記正方形板から構成されると共に前記正方形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を行うものであり、前記圧電振動子矩形板の長手方向の一端面からおよそ前記圧電振動子矩形板の長さの２分の１の領域に、前記圧電振動子矩形板の厚さ方向で相対向する第１側の対向電極を形成し、少なくとも前記圧電振動子矩形板の前記長手方向の他端面、或いは前記圧電振動子矩形板の上下面の内の少なくとも一方の面の前記他端面近傍に第２側の電極を形成し、前記第１側の対向電極を１次側電極、前記第２側の電極を２次側電極としたことを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、前記上下面内の少なくとも一方の面の前記他端面近傍に形成された第２側の電極１４は、前記他端面から前記圧電振動子矩形板の長さの４分の１以内の領域に形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電トランスが得られる。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、自発分極方向を座標系のＺ軸と平行にした場合において、前記座標系のＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を更にそのＺ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成る圧電振動子矩形板を有し、該圧電振動子矩形板は、正方形板を３枚長さ方向に連ねた長方形板を１単位として少なくとも１単位の前記長方形板から構成されると共に前記長方形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を行うものであり、前記長方形板を構成する前記正方形板のそれぞれに電気的に独立した前記圧電振動子矩形板の厚さ方向で相対向する対向電極を形成し、該対向電極の内、前記長方形板の両側の対向電極を１次側電極とし、前記長方形板の中央の対向電極を２次側電極としたことを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、自発分極方向を座標系のＺ軸と平行にした場合において、前記座標系のＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を更にそのＺ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切り出されたニオブ酸リチウム圧電単結晶から成る圧電振動子矩形板を有し、該圧電振動子矩形板は、正方形板を３枚長さ方向に連ねた長方形板を１単位として少なくとも１単位の前記長方形板から構成されると共に前記長方形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を行うものであり、前記長方形板を構成する前記正方形板のそれぞれに電気的に独立した前記圧電振動子矩形板の厚さ方向で相対向する対向電極を形成し、該対向電極の内、前記長方形板の両側の対向電極を１次側電極とし、残りの中央の対向電極の少なくとも１つと前記両側の対向電極の内の一方の対向電極とを２次側電極としたことを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１８】
請求項５記載の発明によれば、前記１次側電極、前記２次側電極以外に帰還用の電極が前記圧電振動子矩形板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の圧電トランスが得られる。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５記載の圧電トランスにおいて、前記圧電振動子矩形板の厚さと前記２次側電極の寸法の内、少なくとも一方を変化させることにより前記圧電振動子矩形板の１次側及び２次側の制動容量値を調整することを特徴とする圧電トランスの制動容量値の調整方法が得られる。
【００２０】
【実施例】
図１は請求項１記載の発明の圧電トランスの一実施例の構造の概略を示す斜視図であり、ニオブ酸リチウム単結晶から成る圧電振動子矩形板１１の長手方向の一端面からおよそ圧電振動子矩形板１１の長さの２分の１の領域のほぼ全面に、圧電振動子矩形板１１の厚さ方向で相対向する第１側の対向電極１２及び対向電極１３を形成し、また、圧電振動子矩形板１１の長手方向の他端面に第２側の電極１４が形成されている。この圧電振動子矩形板１１を構成するニオブ酸リチウム圧電単結晶は、自発分極方向を座標系のＺ軸と平行にした場合において、この座標系のＸ軸のまわりに１２０〜１７０°回転した座標系（Ｘ，Ｙ′，Ｚ′）を更にそのＺ′軸のまわりに−２０〜２０°回転した座標系（Ｘ′，Ｙ″，Ｚ′）のＸ′軸及びＺ′軸に対して、側面が平行になるように切り出されたものである。また、この圧電振動子矩形板１１は、上述のニオブ酸リチウム圧電単結晶の正方形板を１単位として少なくとも１単位（本実施例の場合１単位）を有しており、上述の正方形板の四隅が振動の節となるラーメモードを行うものである。図１で白抜き矢印はニオブ酸リチウム圧電単結晶の自発分極Ｚ軸である。また図１において、第１側の対向電極１２，１３を１次側電極として、圧電振動子矩形板１１の四隅が振動しないがラーメモードの共振周波数にほぼ等しい周波数の電圧を印加すると、逆圧電横効果により圧電振動子矩形板１１は四隅を振動の節としたラーメモードで共振する。このとき第２側の電極１４を２次側電極とすると、圧電縦効果により、電極１３−電極１４間に出力電圧を発生する。このようにして圧電トランスを構成することができる。
【００２１】
また、図１に示した圧電トランスでは、四隅が振動しないラーメモード振動のため、支持が容易であり、更に支持による特性の劣化がほとんどない。四隅が振動しないラーメモードの振動モードを図２に示す。図２（ａ）は、図１に示した圧電トランスの圧電振動子矩形板１１を構成する１単位の正方形板のラーメモードの振動モードを示し、図２（ｂ）は、図１に示した圧電トランスの圧電振動子矩形板１１（２単位）のラーメモードの振動モードを示す。
【００２２】
次に図１に示した圧電トランスの制動容量値の調整方法について説明する。
【００２３】
図１に示した圧電トランスでは、例えば
１）圧電振動子矩形板の厚さを薄く変化させると、１次側の制動容量Ｃｄ１  の値が大きくなり、同時に２次側の制動容量Ｃｄ２  の値が小さくなる。
【００２４】
逆に厚さを厚くした場合は、１次側の制動容量Ｃｄ１  の値が小さくなり、同時に２次側の制動容量Ｃｄ２  の値が大きくなる。
【００２５】
２）圧電振動子矩形板の寸法を変化させず、１次側の制動容量Ｃｄ１  を固定した場合でも、図２に示すように２次側電極１４の面積を変化させることにより制動容量Ｃｄ２  の値を調整することが可能である。２次側電極１４を端面のみに形成すれば、２次側の制動容量Ｃｄ２  は小さくなり、逆に２次側電極１４を端面だけではなく圧電振動子矩形板１１の表面まで形成すれば、２次側の制動容量Ｃｄ２  の値は大きくなる。
【００２６】
尚、図２に示した圧電トランスでは、第２側の電極１４が圧電振動子矩形板１１の長手方向他端面から上面に掛けて形成されているが、この上面に延在する第２側の電極１４は、圧電振動子矩形板１１の長手方向他端面から圧電振動子矩形板１１の長さの４分の１以内の領域に形成されている。また、図２に示した圧電トランスでは、第２側の電極１４が圧電振動子矩形板１１の長手方向他端面から上面に掛けて形成されているが、これに限らず、第２側の電極１４は、圧電振動子矩形板１１の長手方向他端面から下面に掛けて、若しくは長手方向他端面から上下面に掛けて、又は圧電振動子矩形板１１の上下面の少なくとも一方の面の長手方向他端面近傍に形成しても良い。
【００２７】
このように、用途に合わせて、最適の設計が可能となる。
【００２８】
表１に長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、高さ０．５ｍｍ、の圧電振動子矩形板を用いて場合の図１に示した本発明の圧電トランスと図６に示した従来の構成の圧電トランスの支持前後の特性の変化を表１に示す。
【００２９】
【表１】
0003616930.tif 000002
【００３０】
表１から明らかなように本発明に係る図１に示した圧電トランスにおいては、支持前後で特性はほとんど変化していないが、図６に示した従来の圧電トランスにおいては、支持前後で特性がかなり低下していることがわかる。
【００３１】
尚、このリード取付部は振動の節となるのが好ましいので、圧電振動子矩形板１１の長さ方向において、第２の電極１４が設けられている方の端面から、矩形板１１の四隅あるいは長さの１／２の距離の側面、更に長さの１／４，３／４で幅の１／２の距離の点にすると良い。また、１次側電極と２次側電極以外に、帰還用の電極を圧電振動子矩形板１１の形成しても良い。
【００３２】
図４は請求項３記載の発明の圧電トランスの一実施例の構造の概略を示す斜視図であり、圧電振動子矩形板３１は、ニオブ酸リチウム圧電単結晶から成り、このニオブ酸リチウム圧電単結晶は、図１に示した圧電振動子矩形板１１を構成するニオブ酸リチウム圧電単結晶と同じものである。また、圧電振動子矩形板３１は、上述のニオブ酸リチウム圧電単結晶の正方形板を３枚長さ方向に連ねた長方形板を１単位として少なくとも１単位の長方形板（本実施例の場合、１単位）から成るように形成されると共にこの長方形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を行うように成っている。図５に圧電振動子矩形板３１のラーメモードの振動の振動モードを示す。このように３枚の正方形板を連ねた長方形板から成る圧電振動子矩形板３１のそれぞれの正方形板の領域に電気的に独立した厚さ方向で相対向する対向電極を形成し、この長方形板を構成する各正方形板上にそれぞれ形成した電極の内、長方形板の両側の対向電極１２（ａ），１２（ｂ）及び１３（ａ），１３（ｂ）を１次側電極とし、、残りの中央の対向電極１４（ａ），１４（ｂ）を２次側電極とした。また、圧電振動子矩形板３１には、１次側電極と２次側電極以外に帰還用電極１５が形成されている。
【００３３】
以上説明した図１、図３及び図４に示した圧電トランスの昇圧比と負荷抵抗の特性例を表２に示す。
【００３４】
【表２】
0003616930.tif 000003
【００３５】
表２から明らかなように図１及び図４に示した圧電トランスは冷陰極管点灯用インバータ等の低インピーダンスに適し、図３に示した圧電トランスは普通紙コピートナー帯電等の高圧電源等の用途に適している。
【００３６】
尚、図４に示した圧電トランスは、図１及び図３に示した圧電トランスと同様に、圧電振動子矩形板の厚さと、２次側電極の寸法の内、少なくとも一方を変化させることにより、圧電振動子矩形板の１次側及び２次側の制動容量値を調整することができる。また、図４に示した圧電トランスの場合、上述のように長方形板の両側の対向電極１２（ａ），１２（ｂ）及び１３（ａ），１３（ｂ）を１次側電極とし、残りの中央の対向電極１４（ａ）を２次側としたが、長方形板の両側の対向電極１２（ａ），１２（ｂ）及び１３（ａ），１３（ｂ）を１次側電極とし、残りの中央の対向電極１４（ａ）或いは対向電極１４（ｂ）の少なくとも１つと対向電極１２（ａ），１２（ｂ）或いは１３（ａ），１３（ｂ）とを２次側電極とした構成としても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上示したように、本発明の圧電トランスの場合、ニオブ酸リチウム単結晶圧電振動子矩形板の厚さ、或いは電極の寸法を変化させることにより、１次側及び２次側の制動容量の値を幅広く変化させることが可能であり、広い負荷抵抗範囲の用途に対して、所望の出力電圧を効率良く発生させることが可能な圧電トランスを得ることが可能となり、実用的な効果は非常に大きい。
【００３８】
更に、圧電振動子矩形板の四隅が振動の節となるラーメモード振動を用いる事により、支持が容易で、かつ支持による特性の劣化がほとんど無い特性に優れた圧電トランスを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の圧電トランスの一実施例の構造概略図である。
【図２】図１に示した圧電トランスの振動モードを説明する説明図である。
【図３】請求項１記載の発明の圧電トランスの他の実施例の構造概略図である。
【図４】請求項３記載の発明の圧電トランスの一実施例の構造概略図である。
【図５】図４に示した圧電トランスの振動モードを説明する説明図である。
【図６】従来の圧電トランスの一例の構造概略図である。
【図７】図６に示した圧電トランスの動作説明図である。
【図８】圧電トランスの一般的な電気的等価回路図である。
【符号の説明】
１１        圧電振動子矩形板
１２        第１側の対向電極
１２（ａ）  第１側の対向電極
１２（ｂ）  第１側の対向電極
１３        第１側の対向電極
１３（ａ）  第１側の対向電極
１３（ｂ）  第１側の対向電極
１４        第２側の電極
１４（ａ）  第２側の対向電極
１４（ｂ）  第２側の対向電極
１５        帰還用電極
３１        圧電振動子矩形板
【図１】
0003616930.tif 000004
【図２】
0003616930.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003616930.tif 000010
【図８】
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