(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1部分と第2部分を有する圧電性の本体を備え、第1部分と第2部分の両方は、一方の部分に供給されるAC電圧によって圧電振動を発生して変圧することができると共に変圧された電圧を他方の部分から出力でき、圧電性の本体が環状体によって構成され、圧電性の本体の第１および第２部分が、環状体の周辺方向に実質的に垂直に分極され、圧電変圧器が、厚さ方向の共振周波数で作動されるように構成される圧電変圧器。
【請求項２】
圧電変圧器の第1部分が長手方向に分極されたことを特徴とする請求
項１記載の圧電変圧器。
【請求項３】
圧電性の本体が実質的にコイル状であることを特徴とする請求項１記載の圧電変圧器。
【請求項４】
圧電性の本体が多角形体で形成されることを特徴とする請求項１記載の圧電変圧器。
【請求項５】
圧電性の本体が多角形体で形成され、開口を有することを特徴とする請求項１記載の圧電変圧器。
【請求項６】
圧電性の本体が四角形体によって形成され、円形開口を有することを特徴とする請求項１記載の圧電変圧器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、第1部分と第2部分に分割された圧電体を備え、第1部分と実施例2部分の両方が、一方の部分に供給されるAC電圧によって圧電振動を発生して変圧することができると共に変圧された電圧を他方の部分に出力することができる圧電変圧器に関する。
【０００２】
【背景技術】
このタイプの公知の圧電変圧器は、機械的共振周波数を有する長方形板の形をした圧電体を備える。変圧器は、その共振周波数で作動することが好ましい。
しかしながら、その変圧器は、さらに他の共振周波数が変圧器の作動モードに影響を及ぼすという欠点を有する。
【０００３】
また、米国特許第3,736,446号は、環状変圧器を開示している。圧電材料は変圧器の周辺の一部分に沿って貫通電極によって積層され、その部分は周辺方向の振動を利用するようになっている。変形として、リングがセラミックスの上に塗布される。
この構造は、製造が比較的高価になるという欠点を有する。さらに、周辺に沿う振動タイプであるため、共振周波数が比較的低い。変圧効率は周波数に比例する。従って、環状変圧器による変圧効率は、相対的に低い。
特開平9-321363号公報は、長手方向に貫通開口を備えない円筒形のものを開示している。それは長手モードで働く。結果的に共振周波数は非常に低く、電力密度も小さい。
【０００４】
【発明の簡単な説明】
従って、この発明の目的は、従来公知のものより高い場の強度を与え、不要な共振周波数を伴うことのない圧電変圧器を提供することである。
上記タイプの圧電変圧器は、圧電体が実質的に周辺方向に垂直に分極した実質的に長円又は環状体によって形成されたことを特徴とするこの発明によるものである。
【０００５】
環状の圧電体は、３つの基本的な振動モード、すなわち最も低い周波数を示す周辺振動、必要な寸法を小さくすることにより比較的高い周波数を示す平面および厚さ方向の振動を示す。故に、この発明による環状変圧器は、周辺振動の代わりに厚さ方向振動で作動する時に比較的高い周波数で作動することができる。さらに、その外形は大きい容量を備え、高い作動周波数と共に、出力インピーダンスを減ずることになる。従って、この変圧器は、通常0.1〜5Aの範囲の大きい電流を処理することができる。
【０００６】
変圧器の電力は、機械的振動として伝達される。許容最大伝達電力は、セラミックスの疲労強度に依存する。セラミックスの所定の最大機械的歪みに対して、伝達される電力は、
P＝fres・ε・vol・Keff2
で表される。
ここで、
P＝伝達電力
fres＝共振周波数
vol＝体積
Keff＝存在する振動モードに対応する有効圧電結合係数
ε＝誘電率
【０００７】
２つの環状変圧器が同じセラミックで作られ、同じ体積を有するとき、最大許容歪みおよびε・volは一定である。前述のように、共振周波数は、周辺方向の振動に対するよりも厚み方向の振動に対して高くなり、電力タイプの従来の圧電セラミックスに関する限り、合成した結合係数は、それぞれ0.3〜0.35（K31、周辺方向振動）および0.40〜0.45（KT、厚み方向）である。
【０００８】
結合係数の差が
（0.45/0.35）2＝1.65
という大きい電力密度をもたらす。
そして、共振周波数は、通常、係数10と高くなる。
合計すると、電力密度は、0.65×10＝16.5だけ増大する。
【０００９】
この発明を実施するためのベストモード
図１に示す圧電変圧器は、絶縁板１の両側に環状圧電体を備える。一方の圧電体２は第１部分として働き、他方の圧電体３は第２部分として働く。電極は、第１部分２と第２部分３の両方に設けられ、第１部分と第２部分の両方は、一方の部分から供給されるAC電圧に応じて圧電振動を発生して変圧すると共に変圧した電圧を他方の部分から出力できる。
【００１０】
この発明によれば、各圧電体は実質的に長円又は環状体により形成される。結果として、改良された応力の均一な配分、増大された結合係数が、改良された冷却条件と共に得られる。有効な結合を最大にするために必要な要素は、b/hが0.25より小さいか、又は0.35＜b/h＜0.8又は、特に0.4＜b/h＜0.7であるということである。ここで、bは幅を表し、hは高さを表す。
【００１１】
図２は、変圧器が半波共振器として作動することを示す。
図３は、第１部分および第２部分の両方における電極構造の例を示す。円周電極が第１部分の上側４と下側５に設けられている。第２部分は、内部電極69, 66を有する複層構造として形成されている。これら内部電極69, 66は、交互に一方の出力端子７と他方の出力端子８に接続される。
【００１２】
図４において、一方の第１電極５’は絶縁層１から離され、分極期間における機械的応力を減少させる。絶縁層１と異なり、セラミックスは分極期間に寸法変化を蒙る。
図５は、それぞれ環状体２の内側と外側に設けられた第１電極の異なる配置を示す。第２電極6a, 6bは、図３および図４と同じ位置に配置されている。
図６は、第２電極の異なる配置を示し、そこでは、内部電極が除去され分極応力を減少させている。
図７、図８および図９は、圧電体の他の実施態様を示し、圧電体は例えば切断され、また図８のようにコイル状に巻回されている。
【００１３】
圧電材料はPZTセラミックスであることが好ましい。PZTが好ましい理由は、それが高い誘電率と高い結合係数を示すからである。
【００１４】
変圧器は、例えば、120VACを12VACに変圧するために使用される。圧電変圧器は比較的高いエネルギー密度、つまり500kHzで20W/cm3の場の強度に対応する0.04 W/cm3 kHzまでを与える。従って、この部品は小型化に適する。
他のものは等しいが、後者は比較的小さな部品となり、コストを下げる。作動周波数が増大することにより、結合構造のフィルタ部品（コイルやコンデンサ）が低い値を示し、その結果、物理的なサイズが小さくなり価格が低下するという効果がもたらされる。
【００１５】
第１および第２部分間の絶縁は、もはや変圧器表面に沿った漏洩路には依存せず、絶縁層の破壊電圧に依存する。従って、寸法が小さくなっても、絶縁に対して同じ程度又はさらに高い要求を容易に満たすことができる。
【００１６】
作動周波数は、通常500kHzである。圧電材料には海軍（Navy）型１を用いることができる。外径は10mmで、内径は7mmである。
各部は1.8mmの長さを有し、２つの部分は厚さ0.25mmの円形のアルミニウムディスクによって分離されている。変圧器の全長は3.85mmである。
【００１７】
今まで説明してきたのは、一方の部分が多層部品で他方の部分が体積部品の変圧器のみである。しかし、変圧器が適用される所望電圧比やインピーダンス条件に応じて、両方の部品がいずれも体積部品又は多層部品であることも可能である。
体積部品は価格が低く、第１および第２部分において異なる誘電率を示す材料を用いることにより1：3までの電圧比を得ることができる。
【００１８】
さらに、円筒形の素材片の代わりに、図10に見られるように円形開口を有する三角形又は四角形の素材片を用いることができる。開口を非対象に配置すれば、不要な共振が減衰する。四角形のものは、コストを節約する方法で切り出すことができ、丸い開口をドリル加工することは容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  絶縁板の両側に環状圧電体を有する変圧器を示す。
【図２】  図１の圧電変圧器の断面図であり、その振動を示す。
【図３】  図１の圧電変圧器の断面図であり、その電極形態を示す。
【図４】  図３の断面図に対応する断面図であり、１つの第１電極が絶縁層から離され、分極による機械的応力を減じるようにしている。
【図５】  図３の断面図に対応する断面図であるが、第１電極の異なる配置を示す。
【図６】  図５の断面図に対応する断面図であり、分極応力を減じるために内部電極が除去されている。
【図７】  圧電変圧器の他の実施態様を示し、環状圧電体は溝を有する。
【図８】  圧電変圧器の他の実施態様を示し、環状圧電体はコイル状に巻かれている。
【図９】  圧電変圧器の他の実施態様を示し、環状圧電体は波状に閉じた形を示す。
【図１０】  圧電変圧器の他の実施態様を示し、環状圧電体は第１部分が四角形であり、円形の開口を示す。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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