(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面が長方形の圧電セラミック板、圧電セラミック板の長さ方向の一方の側の表裏面に圧電セラミック板の長さのほぼ半分の長さで形成された入力電極、入力電極が形成された側と反対側の端面に形成された出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
圧電セラミック板の長さよりも幅が大きく、１次面広がり振動モードで動作することを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
主表面が長方形の圧電セラミック板、圧電セラミック板の長さ方向の一方の側の表裏面に圧電セラミック板の長さのほぼ半分の長さで形成された入力電極、入力電極が形成された側と反対側の端面に形成された出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
圧電セラミック板の長さLと幅Wの比（Ｌ／Ｗ）が0.65から0.75の範囲にあり、１次面広がり振動モードで動作することを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
幅方向に伸びる細長い支持片で長さ方向の中央部を支持する請求項1または請求項２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、圧電トランスの構造に係るもので、面広がり振動モードを利用した圧電トランスの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
長手方向の振動モードを利用するいわゆるローゼン型トランスがある。その一つとして、実用新案登録第2604679号にある長さより幅の長い（L/W <1）矩形状トランスの幅振動を用いた圧電トランスが考案されている。共振周波数と昇圧比を独立に設定できることを特徴としているが、幅振動の結合係数は小さく、また長さが短くなるため、大きな昇圧比は期待できない。また、面広がり振動モードは電気機械結合係数が非常に高いため、小型・低背・高昇圧比の圧電トランスが期待されている。その中で、斜対称面広がり振動モードや、本発明者らによるさらに小型化できる１次面広がりモードを利用する正方形に近い圧電トランスも考案されている。１次面広がりモードを利用する圧電トランスは、図３(A)に示したように、長さと幅がほぼ等しい圧電セラミックの薄板31を用い、その半区間の表裏面に駆動用電極（入力電極）32、33を、長さ方向の対向する端面に発電部電極（出力電極）36を形成する。駆動部34の寸法によって決定される共振周波数の高周波電圧で励振すると、駆動部の広がり振動による電気機械変換および発電部（2次側）35の機械電気変換によって、端面の発電部電極36に高電圧が発生する。
【０００３】
１次面広がり振動モードを利用することによって、大きな結合係数や低インピーダンス化が図れるため、高効率、高昇圧比で低背小型の圧電トランスを得ることができるが、次のような問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
１次面広がり振動モードの輪郭変位は図3(B)に示すように、駆動部と発電部で同相の広がり振動を発生するため、ここでは、輪郭振動、対称面広がり振動と呼ぶことにする。この場合、振動の節点(変位0)の位置は素子の中心点にあるため、半田付けや、素子支持に要する場所が足りない。また、素子寸法が正方形に近くなると、入出力側の電極分布および分極方向の非対称性に起因するスプリアスが起こりやすくなる。スプリアスの位置を調整するために、厳しい寸法精度が要求される。また、１次対称面広がり振動モードの電力密度がローゼン型より倍以上であるものの、小型化した場合、実際に取り扱える電力があまり大きくない。
【０００５】
半田付けや素子の支持がし易く、スプリアス影響のない、しかも、小型で大電力を実現できる圧電トランスが望まれており、本発明は上記の課題を改善したトランスを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、正方形近傍での輪郭振動モードを、長さLが幅Wより小さい矩形板とすることにより、点対称の振動変位から、線対称面広がり振動変位とすることによって、上記の課題を解決するものである。
【０００７】
すなわち、主表面が長方形の圧電セラミック板、圧電セラミック板の長さ方向の一方の側の表裏面に圧電セラミック板の長さのほぼ半分の長さで形成された入力電極、入力電極が形成された側と反対側の端面に形成された出力電極を具えた圧電トランスにおいて、圧電セラミック板の長さよりも幅が大きく、１次面広がり振動モードで動作することに特徴を有するものである。
【０００８】
より具体的には、主表面が長方形の圧電セラミック板、圧電セラミック板の長さ方向の一方の側の表裏面に圧電セラミック板の長さのほぼ半分の長さで形成された入力電極、入力電極が形成された側と反対側の端面に形成された出力電極を具えた圧電トランスにおいて、圧電セラミック板の長さLと幅Wの比（Ｌ／Ｗ）が0.65から0.75の範囲にあり、１次面広がり振動モードで動作することに特徴を有するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
対称面広がり振動モードは、長さＬと幅Ｗが等しい、すなわちＬ／Ｗ＝1の正方形で最も生じ易くなり、結合係数が最大となる。発明者らは、正方形近傍のある程度広い寸法範囲において面広がり振動が強く発生し、Ｌ／Ｗを調整することによって１次広がり振動の特性を調整することが可能であることを確認した。一般的に、１次面広がり振動の利用可能な寸法範囲はL/W＝1.05〜0.5である。L/Wが0.5以下になると、１次面広がり振動が弱くなり、その高周波側にある２次面広がり振動（図2参照）がしだいに強くなる。L／W=1.05〜0.5の範囲における、１次面広がり振動の共振周波数Frと寸法との関係を次の近似式で示す：
【式１】
0003848827.tif 000002
【００１０】
図1(B)を図3(B)と比較すると、L／Wが1より小さくなると、短辺（L）の中心部(図1(B)a部)の変位がしだいに小さくなり、L／Wが約0.7の時、a部の変位がゼロとなる。L／Wをさらに小さくすると、a部が逆相で振動する（全体的に膨らむ時、局部が若干縮む）。L/Wが約0.5になると長辺(W)の中心部(図1(B)のb部)にも逆相振動が始まる。したがって、L／W＝0.7の近傍で、a部の変位がほとんどゼロであることを利用すれば、素子の支持範囲を大きく広げることができる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１（Ａ）は本発明による圧電トランスの斜視図を示す。主表面が長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。図１（Ｂ）は輪郭振動を模式的に示した平面図である。
【００１３】
圧電セラミック基板１は、長さ（Ｌ）を14mm、幅（W）を20 mmとし、厚さ（t）0.6mmでQmが約2000の高QmＰＺＴ系圧電性磁器からなる。駆動部４は図１の矢印で示すように厚み方向に分極し、発電部では矢印で示すように長さ方向に分極したものである。
【００１４】
入力電極２、３と出力電極６は、銀ガラス混合ペーストを通常の厚膜スクリーン印刷法によってパターンを形成し、最高温度700℃、10分間、コンベア式電気炉で焼き付けることによって設けた。100℃の絶縁油中で、入出力ともに３ｋ〜４ｋV／mmの電圧を30分間印加して、分極活性化を行った。
【００１５】
結果によると、L／W＝0.7の近傍で、短辺の中央部の変位がほとんどゼロであるため、図1（B）に示すように、素子の入出力部の界面線に沿うＷの約80%の範囲内に素子を支持すれば、発振に対する妨害がほとんどなく、圧電トランスの実装性を大きく向上できる。L／Wが0.75以上になると、支持できる場所が次第に小さくなり、しかも、スプリアスが発生しやすくなる。L／Wが0.65以下になると、主振動の高周波側にある２次面広がりモードが接近してくるため、トランスを動作する直前の周波数掃引を妨害する。従って、適用可能なL／Wの比は0.65〜0.75の範囲となり、L／W比の最適値は約0.7となる。
【００１６】
上記の素子を使用する場合、従来のローゼン型圧電トランスの電力密度は約10 W/cc、斜対称面広がりモードや正方形角板の１次面広がり振動モードの電力密度は約17〜22 W/ccであったのに対して、本発明によれば、約40 W/ccの非常に高い電力密度が得られ、小型で高出力できる圧電トランスが可能となる。また、W方向の寸法が正方形角板より大きいため、出力側容量が大きくなるので、低インピーダンスの整合が可能であることも特徴の一つである。また、大きな出力側容量は負荷の浮遊容量の影響を抑える効果がある。特性の一覧を表１に示す。
【００１７】
【表１】
0003848827.tif 000003
【００１８】
さらに、正方形近傍での面広がりモードの場合、主振動の近傍にスプリアスがあり、それを動作周波数範囲から外すために、厳しい寸法精度が必要である。本発明によれば、図２に示したように、主振動周辺の広い範囲に不要な強い共振およびスプリアスがなくなって信頼性が高まり、厳しい寸法精度が不要である。
【００１９】
その一方で、長手方向の伸び振動を利用する従来のローゼン型圧電トランスの場合、長さ（L）と幅（W）の比の最適範囲は約4.5〜5.6倍。最近は従来例で説明したL／W＜１のローゼン型圧電トランスも提案されているが、長辺方向(図1のW方向)１次伸び振動の周波数は、本例と同じ寸法の場合、図2に示すように約83kHzである。本例の素子でW方向の１次伸び振動を利用する場合、昇圧比が約11倍、11℃発熱時の電力密度が約14 W/ccで、同形状の本発明の面広がり振動モードを利用する場合の25倍、35W/ccという値に比べてはるかに低い。また、１次伸び振動の節点が中心点しか取れないため、従来のローゼン型と同様に素子支持の安定性に問題がある。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の面広がり振動モードより約2倍、従来型のローゼン型より約4倍の電力密度が得られ、小型で高電力の圧電トランスを実現できる。素子の短辺側中心部の変位がほとんどゼロのため、素子の支持範囲を大きく広くすることができ、実装性が非常に優れる。
【００２１】
また、主振動周辺の広い範囲内に不要な振動やスプリアスがないため、不要振動の発振を防止して、圧電トランスの信頼性を高めることがでる。さらに、大きな出力側容量は負荷の浮遊容量の影響を抑える効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す斜視図（Ａ）、平面図（B）
【図２】  本発明による圧電トランスの特性の説明図
【図３】  従来の圧電トランスの斜視図（Ａ）、平面図（B）
【符号の説明】
1：圧電セラミック基板
２、３：入力電極
４：駆動部
５：発電部
６：出力電極
【図１】
0003848827.tif 000004
【図２】
0003848827.tif 000005
【図３】
0003848827.tif 000006