(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック正方形板の径方向の共振モードを利用した圧電トランスにおいて、中心部に厚さ方向に対向する複数の電極が設けられ、前記対向する電極間は互いに厚さ方向逆向きに分極されて入力用電極となり、前記入力用電極と積層された正方形板の側面に設けられた出力用電極との間が分極されて成ることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
圧電セラミック正方形板の径方向の共振モードを利用した圧電トランスにおいて、中心部に厚さ方向に対向する複数の円状面電極が設けられ、その外側には円環状電極が厚さ方向に複数設けられることによって構成される擬似的な円筒電極が設けられ、前記対向する円状面電極は互いに厚さ方向逆向きに分極された入力用電極となり、円状面電極とその外側の円筒電極との間が径方向に分極されることで出力用電極となることを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
圧電セラミック板の径方向の共振モードを利用した圧電トランスにおいて、中心部に厚さ方向に対向する複数の円状面電極あるいは正多角形状面電極が設けられ、その外側に環状電極が厚さ方向に複数設けられることによって構成される擬似的な筒電極が設けられ、前記対向する円状面電極あるいは正多角形状面電極は互いに厚さ方向逆向きに分極された入力用電極となり、円状面電極あるいは正多角形状面電極とその外側の筒電極との間が径方向に分極されることで出力用電極となることを特徴とする圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として、圧電振動子を用いて電圧変換などを行う圧電トランスに係り、特に、入力側あるいは出力側もしくは双方に径方向振動を利用した圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ノートＰＣの液晶バックライト用電源として、圧電トランスの需要が急増している。乾電池程度のＤＣ電圧から数１００Ｖの高電圧化を数ｍｍ程度の薄型化と同時に達成するためには、従来の電磁式インバータではいろいろな問題が生じてくるためである。
【０００３】
ただし超高圧に昇圧するインバータは電源としては、むしろ特殊であり、圧電トランスを他の一般的な電源に適用することを考えたとき、効率の面で負荷とのインピーダンスマッチングが重要になってくる。
【０００４】
一例として、ＡＣアダプタの出力部に接続される各種の携帯電子機器の入力インピーダンスは、およそ数Ωから数十Ω程度である。圧電トランスの出力インピーダンスは角周波数ω（=２πf）と出力側制動容量Ｃｄ２によって（１）式のように求まるから、
Ｒ＝１/ωＣｄ２  ・・・・・・・（１）
例として、Ｒ＝６０Ω、ｆ＝１２０ｋＨｚ のとき、Ｃｄ２  ＝２２ｎＦとなる。インバータ用トランスの出力側制動容量Ｃｄ２が数１０ｐＦであったのに対し、３桁大きな制動容量が必要となる。
【０００５】
従来例として図４に示すような圧電セラミック正方形板の径方向共振モードを利用した積層圧電トランスは、面状電極を有する圧電セラミック正方形板を積層したもので、上記のような数Ωから数十Ω程度の比較的インピーダンスの小さな用途に応用が期待されている構造の一つである。この構造は、製造の容易な正方形板状の圧電振動子において、その径方向の輪郭振動を利用して昇降圧を行わせるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、最近、圧電トランスのアプリケーションとして照明用インバータが検討されている。商用電源を整流平滑した１００Ｖ以上の電圧から数１００Ｖの点灯電圧を作るために昇圧比としては比較的小さい反面、伝達電力は数１０Ｗ以上が必要となる。
【０００７】
この用途に上記拡がり振動トランスを適用することを考えると、以下の様な問題点が考えられる。即ち、点灯管であるから点灯時の負荷としては数ｋΩ以上となるが、厚さ方向に電極を積層して構成する出力部の場合、出力インピーダンスは（１）式から数１０Ωであり、負荷とのミスマッチングによって伝達効率が著しく低下してしまうことである。
【０００８】
言い換えると、本発明は、インピーダンスが数ｋΩ以上である負荷に効率よく対応できる正方形板状の拡がり振動モードを用いた圧電トランスを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、図１のように、正方形の中心部に面電極を設けて入力部とする一方、その外側に出力電極を設けて入出力間を分極することで、数ｋΩのインピーダンスの負荷とマッチングさせられる高い出力インピーダンスを実現している。
【００１０】
即ち、本発明による圧電セラミック正方形板の径方向の共振モードを利用した圧電トランスにおいては、中心部に厚さ方向に対向する複数の電極が設けられ、前記対向する電極間は互いに厚さ方向逆向きに分極されて入力用電極となり、前記入力用電極と積層された正方形板の側面に設けられた出力用電極との間が分極されている。
【００１１】
また、本発明の圧電セラミック正方形板の径方向の共振モードを利用した圧電トランスにおいては、中心部に厚さ方向に対向する複数の円状面電極あるいは正多角形状面電極が設けられ、その外側には環状電極が厚さ方向に複数設けられることによって構成される擬似的な筒電極が設けられ、前記対向する円状面電極あるいは正多角形状面電極は互いに厚さ方向逆向きに分極されて入力用電極となり、円状面電極あるいは正多角形状面電極とその外側の筒電極との間が径方向に分極されることで出力用電極となっている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（実施の形態１）図１（ａ）は本発明の請求項１に係る第１の実施の形態を示す圧電トランス斜視図である。寸法は一辺１７.６ｍｍ、厚さ６.０ｍｍである。図１（ｂ）は入力部用の電極パターンである。正方形の中央部の一辺８ｍｍの正方形状面電極１１によって図１（ｃ）の積層パターン図に示すような３層構造の入力部が構成される。図１（ａ）および図１（ｄ）の矢印は分極方向であり、入力部は厚さ方向に互いに逆向きに分極され、正方形状面電極である入力電極１１と側面に設けられた出力電極１２の間が外周方向に分極されていることが示されている。
【００１４】
（実施の形態２）図２（ａ）は本発明の請求項１に係る第２の実施の形態を示す圧電トランス斜視図である。寸法は一辺１７.６ｍｍ、厚さ６.０ｍｍで、図１の場合と同一である。図２（ｂ）は入力部用の電極パターンである。正方形の中央部の直径８ｍｍの円板状面電極２１によって図２（ｃ）の積層パターン図に示すような３層構造の入力部が構成される。図２（ａ）および図２（ｄ）の矢印は分極方向であり、入力部は厚さ方向に互いに逆向きに分極され、円板状面電極である入力電極２１と側面に設けられた出力電極２２の間が外周方向に分極されていることが示されている。
【００１５】
この圧電トランスの振動子特性を表１に示す。
【００１６】
【表１】
0004472104.tif 000002
【００１７】
（実施の形態３）図３（ａ）は本発明の請求項２に係る第３の実施の形態を示す圧電トランス斜視図である。寸法は一辺１７.６ｍｍ、厚さ６.０ｍｍで、図１の場合と同一である。図３（ｂ）は入力部用の電極パターンである。正方形の中央部の直径８ｍｍの円板状面電極３１によって図３ｃの積層パターン図に示すような３層構造の入力部が構成される。一方、その外側の出力用電極３２は厚さ方向に複数積層されることで、図３（ｃ）に示される擬似的な円筒電極３２′を構成する。図３（ａ）および図３（ｄ）の矢印は分極方向であり、入力部は厚さ方向に互いに逆向きに分極され、円板状面電極である入力電極３１と出力用疑似円筒電極３２′の間が外周方向に分極されていることが示されている。
【００１８】
この圧電トランスの振動子特性を表１に示す。
【００１９】
表１からいずれの圧電トランスの出力側制動容量も０.２ｎＦ程度になっており、その結果、マッチングインピーダンスは２０ｋΩ程度になっており、この値は負荷である蛍光管のインピーダンス、数１０ｋΩに近づいている。
【００２０】
ここで容量比を見てみると、最も良いのが疑似円筒形電極を配置した図３の構造のものである。この例は正方形板形状の圧電トランスではあるが、励振力が円板状に分布することから、これに沿った電極形状としたことで不要な制動容量を除くことが可能となったためと考えられる。
【００２１】
実施の形態３においては、出力用電極３２の外部はトランスとしては特に寄与しないので、図３の出力用電極３２の外側を適当に切り落とした形状、例えば円板、５角形板、６角形板、あるいは８角形板状なども良い。但し、振動自体には影響するので、共振や反射等による悪影響の小さな形状となるような設計が必要である。また、入力用の円板状面電極３１は、正多角形状面電極に換えても良い。また、出力用の円筒電極３２は、多角形状等の環状の電極からなる疑似筒形電極に換えても良い。
【００２２】
次に、これら３つの圧電トランスに他励で正弦波入力を印加した際の出力電力の周波数特性を評価した。評価系を図５に示す。発振器とアンプから圧電トランスへ入力信号を印加し、圧電トランス出力側は負荷抵抗として２０ｋΩが接続されている。
【００２３】
圧電トランスの中央部は振動の節となる位置であり、非接触の赤外線温度計によって温度上昇量をモニタしている。図中、ＩＴ２−０２は、そのセンサ部であり、ＩＴ２−５０は表示部である。また入出力双方において、電圧、電流をモニタすることで、入出力の電力と効率を評価する。図中、中央部に圧電トランスが示され、左下の部分に正弦波の入力電源が示され、右上の部分に負荷抵抗が示されている。図６にＡＣ１００Ｖ入力での出力電力、温度上昇△Ｔ、及び効率の周波数特性を示す。図６（ａ）は、図１に構成を示した実施の形態１の特性図であり、図６（ｂ）は、図２に構成を示した実施の形態２の特性図であり、図６（ｃ）は、図３に構成を示した実施の形態３の特性図である。
【００２４】
得られた最大出力電力としては、いずれの圧電トランスも３３Ｗ前後の値であるが、表１において出力側容量比が一番小さかった図３の圧電トランスが温度上昇３０℃未満で３７Ｗ程度と最もよい結果が得られている。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスにより、正方形板の拡がり振動モードを用いた、昇圧用の数ｋΩ〜数１０ｋΩの負荷に適した圧電トランスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の圧電トランスを示す図。図１（ａ）は全体を示す模式的な斜視図であって、図１（ｂ）は電極パターンを示す図、図１（ｃ）は厚さ方向の電極積層パターンを示す図、図１（ｄ）は側面から見た断面図。
【図２】本発明の実施の形態２の圧電トランスを示す図。図２（ａ）は全体を示す模式的な斜視図であって、図２（ｂ）は電極パターンを示す図、図２（ｃ）は厚さ方向の電極積層パターンを示す図、図２（ｄ）は側面から見た断面図。
【図３】本発明の実施の形態３の圧電トランスを示す図。図３（ａ）は全体を示す模式的な斜視図であって、図３（ｂ）は電極パターンを示す図、図３（ｃ）は厚さ方向の電極積層パターンを示す図、図３（ｄ）は側面から見た断面図。
【図４】従来の正方形板形状の拡がり振動圧電トランスの積層構造図及び斜視図。
【図５】出力特性評価系を示す模式図。
【図６】実施の形態１〜実施の形態３で示した３仕様の圧電トランスにおける出力電力、温度上昇△Ｔ、及び効率の周波数特性を示す図。図６（ａ）は、図１に構成を示した実施の形態１の特性図、図６（ｂ）は、図２に構成を示した実施の形態２の特性図、図６（ｃ）は、図３に構成を示した実施の形態３の特性図。
【符号の説明】
１１    入力用電極
１１′  積層された入力用電極
１２    出力用電極
２１    入力用電極
２１′  積層された入力用電極
２２    出力用電極
３１    入力用電極
３２    出力用電極
３２′  積層された出力用電極
【図１】
0004472104.tif 000003
【図２】
0004472104.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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