(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長方形の圧電セラミック板に、前記圧電セラミック板の長さ方向の一方側の表裏面に前記圧電セラミック板の半分の長さで形成された入力電極と、他方側の端面に形成された出力電極からなる圧電トランスにおいて、
前記圧電セラミック板は、前記入力電極間の駆動部が厚み方向に分極されるとともに、前記駆動部の反対側の発電部が長さ方向に分極され、
長さＬと幅Ｗの比が、０．７５≦Ｌ／Ｗ≦０．９５であり、
不要なスプリアス振動により生じた正負電荷の一部をキャンセルさせて、前記スプリアス振動の周波数を移動させるように、前記発電部の表裏面の少なくとも一方に、前記圧電セラミック板の幅方向の端面から中央部に伸びる前記出力電極に平行な複数の導体ストリップラインを具えたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
長方形の圧電セラミック板に、前記圧電セラミック板の長さ方向の一方側の表裏面に前記圧電セラミック板の半分の長さで形成された入力電極と、他方側の端面に形成された出力電極からなる圧電トランスにおいて、
前記圧電セラミック板は、前記入力電極間の駆動部が厚み方向に分極されるとともに、前記駆動部の反対側の発電部が長さ方向に分極され、
長さＬと幅Ｗの比が、０．７５≦Ｌ／Ｗ≦０．９５であり、
前記発電部の表裏面の少なくとも一方に、前記発電部を長さ方向に等しく分割するように形成された前記出力電極に平行な複数の導体ストリップラインを具えたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
前記駆動部の角が切除された請求項１または請求項２に記載の圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型の圧電トランスの構造に係るもので、特に、輪郭振動（対称面広がり振動）モードを利用した圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられている圧電トランスは長手方向の振動モードを利用するいわゆるローゼン型が主流となっている。このタイプは、負荷状態の昇圧比が４〜７倍と低いこと、最適な長さと幅の比が4.5〜5.6となるために、低背、小型化が難しいこと、共振インピーダンスが大きいので高出力を期待できない、といった問題がある。
【０００３】
一方、面広がり振動モードを利用できれば、ローゼン型よりも電気機械結合係数や動作Ｑが大きいため、低損失、高昇圧比が可能となり、低背かつ小型の圧電トランスとして有望である。円盤のラジアル振動が結合係数の最も高い面広がり振動であるが、圧電トランスとしては電極設計やスプリアスなどの問題で、実用化は難しい。正方形の広がり振動を利用する方が、円盤に比べて圧電素子の加工が容易で、出力側の電極形成が容易であるといったメリットがある。
【０００４】
図７は正方形あるいはその近傍の圧電セラミック基板を用いた圧電トランスの斜視図を示す。主表面が正方形の圧電セラミック基板１の長さ方向の片側半分の表裏面に導体膜を形成して入力電極２、３を形成する。この部分が圧電トランスの駆動部４となる。反対側の半分が発電部５となり、その端面に導体膜を形成して出力電極６とする。
【０００５】
図７に、ＦＥＭ解析によるこの圧電トランスの1次広がり振動の変位状態を示す。これから分かるように、すべての面積範囲内において素子が同時に膨らみあるいは縮むことや、振動節点（振動変位＝０）がほぼ中心にあることが特徴である。素子の全体を見ると、入出力側の電極配置や分極方向の非対称性のために、両側の輪郭変位の対称性が若干くずれている。
【０００６】
図８は、図６に示した素子においてL=Ｗ＝10mm、厚さｔ＝0.6mmの素子形状として、出力端を開放または短絡したときの入力インピーダンス特性を示す。図中、周波数200kHz近傍での広がり振動の基本モード（または1次輪郭振動）は本発明で利用しようとするものであるが、この正方形の圧電セラミック板の1次振動は、入力インピーダンス特性利用帯域内にスプリアスが存在し、圧電トランスとして適正な動作が得られない。
【０００７】
一方、正方形の圧電セラミック板を用い、長さ方向と幅方向の結合振動を用いた圧電トランスが開示されている（特許第3025651号）。このＦＥＭ解析の結果によると、この振動モードが長さ方向（図７のＬ方向）の１波長振動と幅（W）方向での複雑な振動との結合振動であり、これは図８に示す1次輪郭振動の2次モードに相当するものと考えられる。
【０００８】
前記のように、1次振動はスプリアスが存在するために利用できないが、2倍の周波数の周波数の振動モードはスプリアス帯域外になること、4つの振動節点を支持することで１波長モードは利用可能である。しかし、10×10mm程度に小型化した場合、図９に示すように、2次モードの周波数は390kHzに達するため、通常の浮遊容量のある蛍光管などの駆動周波数上限の200kHz以下にならず、小型化ができない。
【０００９】
より低い周波数範囲に使用するためには、上記特許公報に記載されているように大きなサイズ（実施例では30×30mmの正方形板で、周波数は約128kHz）の圧電セラミック板を使用しなければならない。したがって、小型の圧電トランスを得るためには、1次輪郭振動を利用することが必要となる。表１に、1次輪郭振動と2次モードを利用する場合の相違点を示す。
【００１０】
【表１】
0003953755.tif 000002
【００１１】
上記の1次輪郭振動モードを利用する場合の問題点として、1次輪郭振動の共振周波数の近傍にスプリアス振動が発生することがあり、これが主振動を利用する上での障害となっている（図９参照）。これが主要な原因で、1次輪郭振動モードを利用する圧電トランスはこれまで実用化されていない。
【００１２】
発明者らの研究によると、スプリアス振動を主振動から分離させる方法はいくつかある。
▲１▼正方形の近傍で、素子の長さ（L）と幅（W）の比を変えることによってスプリアスを移動させることができる。長さLが幅Wより大きいとき、出力側の結合係数が非常に小さいため、L／Ｗ＜１の場合だけ有効である。例えば、10×10mmの正方形の場合、スプリアス―開放時の主振動の距離2.5kHzに対して、L／Ｗ＝10/11の場合は3.4kHzと大きくなる。さらにL／Ｗが小さくなるとスプリアスが主振動の左側へシフトするが、主振動の帯域から完全にずらすためには、正方形から大分ずれた長方形の圧電セラミック板形状としなければならず、高結合、高昇圧比という特性を犠牲にしなけらばならない。
▲２▼正方形板の一部を切除した六角形または台形圧電セラミック板によって、正方形板の1次輪郭振動の高結合、高昇圧比の特性を維持しながら、スプリアスを帯域から離すこともできる。しかし、切除という工数を必要とするので、コストの面からは切除の工程を不要とすることが望ましい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、正方形の近傍において１次輪郭振動で安定した動作の得られる圧電トランスを提供するものである。かつ、工数、コストを増加させることのない圧電トランスを得るものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電セラミック板の出力側の表面に導体ストリップラインを付加することによって、上記の課題を解決するものである。
【００１５】
すなわち、長方形の圧電セラミック板に圧電セラミック板の長さ方向の一方側の表裏面に圧電セラミック板の半分の長さで形成された入力電極と他方側の端面に形成された出力電極からなる圧電トランスにおいて、圧電セラミック板は、入力電極間の駆動部が厚み方向に分極されるとともに、駆動部の反対側の発電部が長さ方向に分極され、長さＬと幅Ｗの比が、０．７５≦Ｌ／Ｗ≦０．９５であり、不要なスプリアス振動により生じた正負電荷の一部をキャンセルさせて、スプリアス振動の周波数を移動させるように、発電部の表裏面の少なくとも一方に、圧電セラミック板の幅方向の端面から中央部に伸びる出力電極に平行な複数の導体ストリップラインを具えたことに特徴を有するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電トランスの構成要素は次の通りである。
▲１▼ほぼ正方形の圧電セラミック板
▲２▼厚み方向に分極された長さ方向のほぼ半分（駆動部）の表裏面に形成された入力電極
▲３▼長さ方向に分極された長さ方向の入力電極側の反対側のほぼ半分（発電部）の端面に形成された出力電極
▲４▼発電部の圧電セラミック板の少なくとも片面に形成されて、幅方向の端部と中央部を接続する１つまたは複数の出力電極に対して並行に形成される導体ストリップライン
更に、入力側の圧電セラミック板の角を切除してもよい。
【００１７】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。本実施例による圧電トランスは、Ｑmが約2000の高QmのＰＺＴ系圧電性磁器を材料とし、長さＬを10mm、幅Ｗを10〜14mm、厚みｔを0.6mmとした基板で、駆動部は厚み方向に分極し、発電部は長さ方向に分極したもので、図７に示した圧電トランスと基本的に同じ構造である。
【００１８】
図９に示したように、Ｌ＝Ｗの正方形の場合、スプリアスが大きく、かつ主振動のすぐ近傍にあるために、圧電トランスとしての動作に障害が生じる。長さを幅よりも短くなるようにＬ／Ｗ比を変えることにより、スプリアスを主振動から若干離すことができる。図２はＬ＝10mm、W＝11mmの場合のインピーダンス特性を示す。この状態でも、スプリアスがまだ出力短絡インピーダンス特性の利用帯域内にあるため、圧電トランスとしての動作上問題が残る。したがって、安定な動作を得るためには、スプリアスを更に低周波側に移動させる必要がある。しかし、これ以上長さを短くすることは、帯域幅が狭まり、昇圧比も低下するので望ましくない。
【００１９】
圧電セラミック板の形状を変えることによってスプリアスを移動させることに対して、電気的にスプリアスを移動させることができれば、上記の特性の劣化の問題もなく、また、製造工数も少なくできる。ここで本発明の電気的にスプリアスを移動させる方法について、振動モードと電位分布からその原理を説明する。帯域内に発生するスプリアス振動モードは、図３のような変形を伴い、出力側（発電側）の中心部とその幅方向の両側逆符号の電位が発生している。
【００２０】
本発明による圧電トランスにおいては、図１に示したように出力側（発電側）表裏面に少なくとも端面の出力電極とほぼ平行な方向に伸びる導体ストリップライン８を設ける。これらの導体ストリップライン８によって出力側の中心部と幅方向の端部側との電位を強制的に等電位（同電位）として、＋と−の電荷の一部がキャンセルされる。その結果として、電荷発生が抑制され、スプリアスを低周波側に移動させることができる。一方、主振動の等電位線は本来出力側端面とほぼ平行であるため、導体ストリップライン８の形成によってもほとんど影響を受けず、スプリアスを主振動に影響しない範囲に移動させることができる。
【００２１】
導体ストリップラインはある程度の線幅を持つために、その分、圧電素子の出力側の実質の有効長が短くなるので、できる限り線幅を狭くすることが望ましい。この例ではサンプルの導体ストリップラインの線幅は0.1mmとし、そのピッチは出力側をほぼ等しく分割するようにした。図１において、LとL’に分けた導体ストリップラインを1本のストリップラインとしても同様な効果が得られる。圧電セラミック板が薄い場合には片面のみに導体ストリップラインを設けるだけでもよいが、厚くなった場合には両面に形成した方がよい。
【００２２】
表２に、Ｌ＝10mm、Ｗ＝11mm、t=0.6mmの素子において、導体ストリップラインの本数とスプリアスの移動の状況を示す。
【００２３】
【表２】
0003953755.tif 000003
【００２４】
導体ストリップラインを付加すると、主振動の周波数は動かず、スプリアス振動の周波数のみ低周波側へ移動する。導体ストリップラインを
5本としたとき、スプリアスの移動量が約4kHz、スプリアスと主振動との差が約7.4kHzとなり、100kΩ以上の負荷状態において影響を及ぼさない周波数差となるので安定した動作が得られる。更に導体ストリップラインを増やしても、スプリアスの移動量は飽和してしまうようである。最適な本数は、動作状態、素子のサイズによるが、この例では3本程度が適当である。
【００２５】
素子のサイズによっては導体ストリップラインによるスプリアスの移動には限界があり、Ｌ＝Ｗの正方形の場合、スプリアスレベルが大きくかつ主振動の間近にあるため、多数の導体ストリップラインを形成してもスプリアスを動作範囲外にシフトさせることは難しい。一般的に言って、Ｌ／Ｗ＝0.95以下ならスプリアスが主振動から若干離れているので、導体ストリップラインを用いればスプリアスを動作範囲外に移動させることが可能である。ただし、L／W＝0.75以下となると、広がり振動モードの高結合係数、高昇圧比などの優れた特性が失われてしまう。すなわち、導体ストリップラインはL／Wが0.75から0.95の範囲で併用するのが望ましい。
【００２６】
図４は、導体ストリップライン3列を配置した小型の圧電トランス素子において、前置昇圧コイルＰ−P駆動、負荷インピーダンス100ｋΩ、出力1.5W時の実装特性を示す。電源電圧変動時、周波数の自動調整により昇圧比を可変し、出力電力を一定に保つものである。この結果から、広い周波数範囲で動作可能で、最高87％の総合効率が得られた。このように、小型で、高昇圧比、高電力密度圧電トランスが実現した。
【００２７】
低インピーダンス負荷の場合（例えば数十ｋΩ）、負荷時の共振点が低周波方向にシフトするため、スプリアスと開放時の共振点との差を更に大きくとる必要がある。この場合は他の方法を併用すると効果的である。図５に示すように、入力側の圧電セラミック板の角部を切除すると、スプリアスは動かず、主振動を高周波方向に移動させることができる。導体ストリップラインの効果（主振動が動かず、スプリアス周波数を低域側に移動させる）と併せて主振動とスプリアスを離す効果を上げることができる。
【００２８】
表３に、３本の導体ストリップラインを用いて角を切除した量と主振動のシフト量の関係を示す。
【００２９】
【表３】
0003953755.tif 000004
【００３０】
切除量の増加に伴って共振周波数が次第に高くなり、昇圧比も小さくなるため、切除量を極力小さくすることが望ましい。導体ストリップラインを付加することによって切除量を抑えることができる。
【００３１】
図６は、入力側を1.2mm切除し、導体ストリップラインを併用した圧電トランスのインピーダンス特性を示す。スプリアスが主振動がオープン状態の共振点から11kHzほど離れているので、負荷が56ｋΩの場合においても正常な動作が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、電気的にスプリアスを移動させることによって、圧電トランスの特性を安定させ、向上させることができる。更に、切除と併用することによって、移動させる振動モードを選択でき、かつ加工量を最小限に抑えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す斜視図
【図２】  本発明に使用する導体ストリップライン形成前の）圧電トランスのインピーダンス特性図
【図３】  本発明に使用する圧電トランスの変位と電位分布の説明図
【図４】  本発明による圧電トランスの出力特性の説明図
【図５】  本発明の他の実施例を示す斜視図
【図６】  図５の例の圧電トランスのインピーダンス特性の説明図
【図７】  従来の圧電トランスを示す斜視図
【図８】  その振動変位の説明図
【図９】  そのインピーダンス特性の説明図
【符号の説明】
２，３：入力電極
６：出力電極
８：導体ストリップライン
【図１】
0003953755.tif 000005
【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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