(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック矩形板の長さ方向の振動モードを利用した圧電トランスにおいて、前記セラミック矩形板の厚さ方向のほぼ半分の部分には、圧電縦効果を利用して前記セラミック矩形板を前記長さ方向に励振するため、前記長さ方向に直交して前記セラミック矩形板の幅方向の寸法に一致するようにのびた複数の入力部帯状内部電極がセラミック層を介して積層され、該入力部帯状内部電極が前記長さ方向で対向電極になるように複数の入力部外部電極群に接続され、前記セラミック矩形板の厚さ方向の残りの部分には、前記セラミック矩形板から圧電縦効果を利用して電力を取り出すため、前記長さ方向に直交して前記セラミック矩形板の幅方向の寸法に一致するようにのびた複数の出力部帯状内部電極がセラミック層を介して積層され、該出力部帯状内部電極が前記長さ方向で対向電極になるように複数の出力部外部電極群に接続されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
セラミック矩形板の長さ方向の振動モードを利用した圧電トランスにおいて、前記セラミック矩形板の厚さ方向のほぼ半分の部分には、圧電縦効果を利用して前記セラミック矩形板を長さ方向に励振するため、前記長さ方向に直交してのびかつ前記長さ方向に繰り返す入力部交差指電極が複数積層され、該入力部交差指電極は前記セラミック矩形板の側面で第１及び第２の外部電極に接続され、前記セラミック矩形板の厚さ方向の残りの部分には、前記セラミック矩形板から圧電縦効果を利用して電力を取り出すため、前記長さ方向に直交してのびかつ前記長さ方向に繰り返す出力部交差指電極が複数積層され、該出力部交差指電極は前記セラミック矩形板の側面で第３及び第４の外部電極に接続されてい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、圧電性セラミックスを用いた圧電トランスに関し、特に圧電セラミックス矩形板と内部電極を矩形板の厚み方向に積層し、矩形板の長さ方向の共振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】
近年、ノート型パーソナルコンピュータや携帯ビデオカメラの普及に伴い画像表示システムとして液晶ユニットが普及し、液晶バックライトの点灯用にインバータが多用されている。このインバータには高電圧発生用に電磁式トランスが用いられているが、発生電磁ノイズの低減や低消費電力化、高効率化、機器の小型低背化などの要求により、電磁式卜ランスに代わつて圧電トランスの実用化が進みつつある。圧電トランスの電力伝送は双方２向性が有り、高電圧を入力し、降圧して低電圧を得る事も可能であり、圧電トランスを用いたＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣアダプターの研究がなされている。
【０００３】
図７は従来のローゼンタイプλモード圧電トランスに用いられている圧電振動子の構造の概略斜視図である。図７において、圧電セラミックス矩形板３１には、長さ方向のおよそ半分の部分に厚さ方向に対向する電極３２、３３が形成されている。また、圧電セラミックス矩形板３１の電極３２、３３が形成された部分とは反対側の残り半分の部分は長さ方向の端面にに表面電極３４が形成されている。圧電セラミックス矩形板３１は、矢印で示すように、電極３２、３３の部分は矩形板厚さ方向に分極され、端面電極３４の間の部分は、矢印で示すように、圧電セラミックス矩形板の長さ向に分極されている。電極３２、３３間に矩形板の共振周波数近傍の電圧が印加されると、圧電横効果により矩形板は励振され、この時、電極３３と電極３４の間には圧電縦効果により電圧が発生する。ここで、電極３２、３３に印加した入力電圧と電極３４に発生した出力電圧について説明すると、電極３２、３３の対向電極の間隔は電極３３、３４の間隔に比べ十分に小さく、電極３２、３３の面積は電極３４の面積より十分に大きいため、入力側の静電容量は出力側の静電容量に比べ十分大きな値となる。従つて、入力側に低い電圧を印加して振動子を励振した場合、出力側には入力側電極の間隔と出力側電極間の間隔の比に比例し、入出力側のそれぞれの静電容量の比に逆比例した大きな電圧が発生する。圧電トランスの双方向性から電極３４に高電圧を印加して振動子を励振した場合、電極３２、３３では低電圧が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ローゼン型圧電トランスを基本とする矩形板の長さ方向の共振を利用した圧電トランスは各種の構造が提案、実用化されているが、いずれの構造も矩形板の長さ方向を振動のモードに応じて入力部と出力部に分割した構造である。したがって、矩形板に長さ振動を励振する際、矩形板の全長と入力部の長さの比はローゼン型で１／２、１．５波長モードでも２／３となり、実際に振動する長さより励振部の長さが小さくなるので、見かけの電気機械結合係数が小さくなり、励振効率が低下するという問題がある。またローゼン型を基本とする圧電トランスは入力部が圧電横効果を利用しているが、圧電縦効果を利用する事で効率の改善が期待できる。
【０００５】
また、出力部で効率よく機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するためには、負荷抵抗と出力部のインピーダンスマッチングが重要である。液晶バックライトの抵抗は１００ｋΩ程度なので、インピーダンスマッチングを取るための圧電トランスの出力部の制動容量値は数１０ｐＦ程度になり、矩形板の長さ方向両端面に電極を形成する事で構成が可能である。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣアダプターでは負荷抵抗が数１０Ω以下なのでインピーダンスマッチングを取るための圧電トランスの出力部の制動容量値は数１０ｎＦになる。この制動容量を実現するため圧電縦効果を利用した構造が用いられ、そのために出力部を長さ方向に分極する必要が有る。このように大きな制動容量を実現するには、出力部も内部電極の積層構造とする必要が有る。
【０００６】
それ故に本発明の課題は、入力部に圧電縦効果を用いて電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換効率を改善し、また負荷抵抗がＩＫΩ以下のときでも、圧電トランスの出力側の制動容量を容易に変化することが可能で、負荷抵抗とのマッチングが良好な構造の圧電トランスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セラミック矩形板の長さ方向の振動モードを利用した圧電トランスにおいて、前記セラミック矩形板の厚さ方向のほぼ半分の部分には、圧電縦効果を利用して前記セラミック矩形板を前記長さ方向に励振するため、前記長さ方向に直交して前記セラミック矩形板の幅方向の寸法に一致するようにのびた複数の入力部帯状内部電極がセラミック層を介して積層され、該入力部帯状内部電極が前記長さ方向で対向電極になるように複数の入力部外部電極群に接続され、前記セラミック矩形板の厚さ方向の残りの部分には、前記セラミック矩形板から圧電縦効果を利用して電力を取り出すため、前記長さ方向に直交して前記セラミック矩形板の幅方向の寸法に一致するようにのびた複数の出力部帯状内部電極がセラミック層を介して積層され、該出力部帯状内部電極が前記長さ方向で対向電極になるように複数の出力部外部電極群に接続されていることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【０００８】
また、本発明によれば、セラミック矩形板の長さ方向の振動モードを利用した圧電トランスにおいて、前記セラミック矩形板の厚さ方向のほぼ半分の部分には、圧電縦効果を利用して前記セラミック矩形板を長さ方向に励振するため、前記長さ方向に直交してのびかつ前記長さ方向に繰り返す入力部交差指電極が複数積層され、該入力部交差指電極は前記セラミック矩形板の側面で第１及び第２の外部電極に接続され、前記セラミック矩形板の厚さ方向の残りの部分には、前記セラミック矩形板から圧電縦効果を利用して電力を取り出すため、前記長さ方向に直交してのびかつ前記長さ方向に繰り返す出力部交差指電極が複数積層され、該出力部交差指電極は前記セラミック矩形板の側面で第３及び第４の外部電極に接続されていることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図１〜図３は本発明の第１の実施の形態に係る圧電トランスを示す。この圧電トランスは圧電セラミックスよりなるセラミック矩形板１１の長さ方向の振動モードを利用したものである。
【００１１】
セラミック矩形板１１の厚さ方向のほぼ半分の部分、即ち、入力部には、圧電縦効果を利用してセラミック矩形板１１を前記長さ方向に励振するため、前記長さ方向に直交してセラミック矩形板１１の幅方向の寸法に一致するようにのびた複数の入力部帯状内部電極１２がセラミック層を介して積層されている。これらの入力部帯状内部電極１２は前記長さ方向で対向電極になるように複数の入力部外部電極１３群に接続されている。
【００１２】
セラミック矩形板１１の厚さ方向の残りの部分、即ち、出力部には、セラミック矩形板１１から圧電縦効果を利用して電力を取り出すため、前記長さ方向に直交してセラミック矩形板１１の幅方向の寸法に一致するようにのびた複数の出力部帯状内部電極１４がセラミック層を介して積層されている。これらの出力部帯状内部電極１２は前記長さ方向で対向電極になるように複数の出力部外部電極１５群に接続されている。
【００１３】
さらに実施例１をもって説明する。圧電セラミックスとしてはＰｂＴｉＯ3 −ＰｂＺｒＯ3 系材料を用い、長さ２２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの圧電トランスを試作した。入出力部である矩形板の圧電セラック層は厚さそれぞれ０．６ｍｍである。入力部は矩形板の長さ方向に直交し幅方向に貫通する幅０．２ｍｍの帯状内部電極を１ｍｍ間隔で１８本形成した厚み０．１ｍｍのセラミックス層を５層積層し、帯状内部電極が一本ずつ対向電極となるように対向する側面で複数の外部電極に接続した。出力部は長さ方向に直交し幅方向に貫通する幅０．１ｍｍの帯状電極を０．２５ｍｍ間隔で６０本配置したセラミック層を矩形板厚さ方向で０．１ｍｍ間隔で５層積層した。該帯状電極は長さ方向で一本ずつ対向電極となるように一層おきに側面で外部電極に接続した。
【００１４】
分極は温度１５０℃で、入力部印加電圧１ｋＶ−１５分間、出力部印可電圧２００Ｖ−１５分間それぞれ処理した。１波長共振モードを使用し、入力電圧１００Ｖｐｐ、負荷抵抗５０Ωの時の圧電トランス特性を測定した。測定結果を同一寸法の図７に示したローゼン構造からなる比較例と比較して表１に示した。
【００１５】
【表１】
0004156713.tif 000002
【００１６】
図４〜図６は本発明の第２の実施の形態に係る圧電トランスを示す。この圧電トランスも、圧電セラミックスよりなるセラミック矩形板１１の長さ方向の振動モードを利用したものである。
【００１７】
セラミック矩形板２１の厚さ方向のほぼ半分の部分、即ち、入力部には、圧電縦効果を利用してセラミック矩形板２１を長さ方向に励振するため、前記長さ方向に直交してのびかつ前記長さ方向に繰り返す入力部交差指電極２４が複数積層されている。これらの入力部交差指電極２４はセラミック矩形板２１の側面で第１及び第２の外部電極２２に接続されている。
【００１８】
セラミック矩形板２１の厚さ方向の残りの部分、即ち、出力部には、セラミック矩形板２１から圧電縦効果を利用して電力を取り出すため、前記長さ方向に直交してのびかつ前記長さ方向に繰り返す出力部交差指電極２５が複数積層されている。これらの出力部交差指電極２５はセラミック矩形板２１の側面で第３及び第４の外部電２３極に接続されている。
【００１９】
さらに実施例２をもって説明する。圧電セラミックスとしてはＰｂＴｉＯ3 −ＰｂＺｒＯ3 系材料を用い、長さ２２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの圧電トランスを試作した。入出力部である矩形板の圧電セラック層は厚さそれぞれ０．６ｍｍである。入力部は矩形板の長さ方向に直交する長さ４ｍｍ、幅０．２ｍｍの交差指内部電極を１ｍｍ間隔で１８本形成した厚み０．１ｍｍのセラミックス層を５層積層し、交差指電極が露出する二側面でそれぞれの外部電極に接続した。出力部は長さ方向に直交する長さ４ｍｍ、幅０．１ｍｍの交差指内部電極を０．２５ｍｍ間隔で６０本配置したセラミック層を矩形板厚さ方向で０．１ｍｍ間隔で５層積層し、交差指電極が露出する二側面でそれぞれの外部電極に接続した。
【００２０】
分極は温度１５０℃、で入力部印可電圧１ｋＶ一１５分間、出力部印可電庄２００Ｖ−１５分間それぞれ処理した。１波長共振モードを使用し、入力電圧１００Ｖｐｐ、負荷抵抗２００Ωの時の圧電トランス特性を測定した。測定結果を同一寸法の第７図に示したローゼン構造からなる比較例と比較して表１に示した。
【００２１】
表１より分かるように、本発明の圧電トランスは降圧比は１０倍程度であり、入力電圧が１００Ｖの交流から７．５Ｖの交流に降圧するＡＣ−ＡＣコンバータが可能であり、更に、後段に整流回路を付加する事で５〜３Ｖの直流電圧を得るＡＣ−ＤＣコンバータを得る事が可能である。さらにインピーダンスのマッチングが良好のため９８％以上の高効率が達成されている。従来構造ではインピーダンスのマッチングが得られずＤＣＤＣコンバータ用トランスとしての特性は得られないことが明らかである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明における圧電トランスでは、セラミック矩形板に長さ方向の振動を励振するのに、セラミック矩形板に厚さ方向のほぼ半分の入力部に、帯状電極や交差指電極を形成し、圧電縦効果を利用してセラミック矩形板を励振するより、高効率で機械振動を励振する事が可能である。
【００２３】
また、本発明の圧電トランスではセラミック矩形板に厚さ方向のほぼ半分の出力部に圧電縦効果を用い、長さ方向に帯状電極や交差指電極を複数配列し、出力部を長さ方向に分割した構造であるため、インピーダンスマッチングを得るための出力側制動容量の値の調整が可能である。
【００２４】
したがって本発明よれば、１００Ω程度の負荷に対して、１０数倍の降圧比が得られ、効率が９８％以上と優れた構造の圧電トランスを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電トランスの斜視図である。
【図２】図１の圧電トランスの入力部の長さ方向に直交する帯状電極を含む断面図である。
【図３】図１の圧電トランスの出力部の長さ方向に直交する帯状電極を含む断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る圧電トランスの斜視図である。
【図５】図４の圧電トランスの入力部の長さ方向に直交する帯状電極を含む断面図である。
【図６】図４の圧電トランスの出力部の長さ方向に直交する帯状電極を含む断面図である。
【図７】従来の圧電トランスの斜視図である。
【符号の説明】
１１  セラミック矩形板
１２  入力部帯状内部電極
１３  入力部外部電極
１４  出力部帯状内部電極
１５  出力部外部電極
２１  セラミック矩形板
２２  第１及び第２の外部電極
２３  第３及び第４の外部電
２４  入力部交差指電極
２５  出力部交差指電極
【図１】
0004156713.tif 000003
【図２】
0004156713.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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【図７】
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