JP2000261060A - Piezoelectric transformer - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric transformer, from which large electric power can be extracted and in which the input and output are insulated electrically from each other. SOLUTION: In a piezoelectric transformer, at least two from among piezoelectric substrates 1-3, whose electrodes are formed out of flat plates composed of piezoelectric material, are joined to one another with at least one disk-shaped connector 4, 5 composed of an insulator in between, a first piezoelectric substrate is provided with an input part, and a second piezoelectric substrate is provided iwht an output part. At least two piezoelectric substrates have first and second principal surfaces, and the principal surfaces are provided with respective electrode layers 6, 7, 8, and it is desirable that the electrodes be polarized in a direction vertical to the first principal surface.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えばDC−DCコンバー
タなどの電力変換装置に用いられる圧電トランスに関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric transformer used for a power converter such as a DC-DC converter.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、圧電トランスは電磁トランスに比
較して、高効率、小型、不燃性、低ノイズといった利点
を生かして、その応用が期待されてきている。圧電トラ
ンスの実施例とその動作原理を、特開平１０−７９５３
５の例で図3を参照しながら説明する。図3は圧電トラン
スの斜視図であり、円板の圧電セラミックス板３１、３
２が積層され、その上半分の領域の上下面に１対の入力
電極３３、３４が設けられ、入力電極間が上下面に垂直
な方向に分極されている。出力電極３５は下半分の領域
に設けられ、出力電極間の領域の分極方向は上面に垂直
な方向に分極されている。入力電極は電源に接続され、
出力電極は負荷に接続されている。電源から電圧が印加
されると入力部では厚み方向に電界が加わり、分極方向
とは垂直方向に変位する圧電横効果で径広がり振動が励
振されて、圧電トランス全体が振動する。さらに共通電
極を介して下半分の出力部では径方向に機械的歪みが生
じ分極方向に電位差が発生する圧電横効果により出力電
極３５から入力電極間に印加された電圧と同じ周波数の
電圧が取り出せる。圧電トランスの共振周波数近傍の周
波数の駆動電圧を印加すると大きな電力が取り出せる。2. Description of the Related Art In recent years, piezoelectric transformers have been expected to be applied to the advantages of advantages such as high efficiency, small size, nonflammability and low noise as compared with electromagnetic transformers. An embodiment of a piezoelectric transformer and its operating principle are described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-7953.
This will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a perspective view of the piezoelectric transformer.
2 are stacked, and a pair of input electrodes 33 and 34 are provided on the upper and lower surfaces of an upper half region thereof, and the input electrodes are polarized in a direction perpendicular to the upper and lower surfaces. The output electrode 35 is provided in the lower half region, and the polarization direction of the region between the output electrodes is perpendicular to the upper surface. The input electrode is connected to the power supply,
The output electrode is connected to a load. When a voltage is applied from a power supply, an electric field is applied in the thickness direction at the input portion, and radial expansion vibration is excited by a piezoelectric transverse effect displaced in a direction perpendicular to the polarization direction, so that the entire piezoelectric transformer vibrates. Further, a voltage having the same frequency as the voltage applied between the input electrode and the output electrode can be obtained from the output electrode 35 by a piezoelectric transverse effect in which mechanical distortion occurs in the radial direction and a potential difference occurs in the polarization direction in the lower half output portion via the common electrode. . When a drive voltage having a frequency near the resonance frequency of the piezoelectric transformer is applied, a large amount of power can be obtained.

【０００３】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示したトランス構造では入力電極及び出力電極のグラン
ドが共通であり、入出力間の電気的な絶縁が難しい。However, in the transformer structure shown in FIG. 3, the ground of the input electrode and the output electrode is common, and it is difficult to electrically insulate the input and output.

【０００４】本発明は、大きな電力が取り出せかつ入出
力間の電気的絶縁を可能にする圧電トランス提供する事
を目的とする。An object of the present invention is to provide a piezoelectric transformer capable of extracting a large amount of electric power and enabling electrical insulation between input and output.

【０００５】[0005]

【問題点を解決するための手段】本発明は、圧電材料か
らなる平板で、電極が形成されている少なくとも2つの
圧電基板が少なくとも1つの円板状の絶縁体からなる結
合子を介して接合されており、前記圧電基板のうち一方
の圧電基板に入力部が設けられており、他方の圧電基板
に出力部が設けてある圧電トランスである。本発明によ
れば、大電力が投入できかつ入力と出力とを絶縁できる
圧電トランスが得られる。[Means for Solving the Problems] The present invention relates to a flat plate made of a piezoelectric material, wherein at least two piezoelectric substrates on which electrodes are formed are joined via a connector made of at least one disk-shaped insulator. The piezoelectric transformer has an input unit provided on one of the piezoelectric substrates and an output unit provided on the other piezoelectric substrate. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric transformer which can input a large electric power and can insulate an input and an output is obtained.

【０００６】本発明は少なくとも２つの圧電基板が第１
の主面と第２の主面を有しており、それぞれの主面に電
極層が設けられており、前記電極間が第１の主面に垂直
方向に分極されていることが好ましい。According to the present invention, at least two piezoelectric substrates have a first structure.
And a second main surface, an electrode layer is provided on each of the main surfaces, and the space between the electrodes is preferably polarized in a direction perpendicular to the first main surface.

【０００７】また前記圧電基板の少なくとも１つの圧電
基板が、複数の電極層と圧電材料からなる複数の圧電層
とが交互に厚み方向に積層した構造からなっており、前
記電極層は一つおきに電気的に接続された２つの電極群
にまとめられていることが好ましい。このようにするこ
とでインピーダンスを小さくできるので、昇圧比または
降圧比を大きく取ることができる。[0007] At least one of the piezoelectric substrates has a structure in which a plurality of electrode layers and a plurality of piezoelectric layers made of a piezoelectric material are alternately stacked in a thickness direction. It is preferable that the two groups of electrodes are electrically connected to each other. By doing so, the impedance can be reduced, so that the step-up ratio or the step-down ratio can be increased.

【０００８】そして圧電基板に設けられた電極層の形状
が円形であることが好ましい。電極が円形である事で、
径方向の径広がり振動が容易に得られる。It is preferable that the shape of the electrode layer provided on the piezoelectric substrate is circular. Because the electrode is circular,
Radial spreading vibration can be easily obtained in the radial direction.

【０００９】また前記圧電基板の主面が正方形であり、
前記正方形に内接する円の中心と結合子の中心が一致す
るように配置されていることが好ましい。そして前記圧
電基板の主面に対向する前記結合子の主面の大きさが、
前記圧電基板の主面の外周に内接する円と同等或いは小
さいことが好ましい。このような構造にすることで、放
熱のための表面積が大きくなるので、発熱を抑制できて
大電力を出力できる。The main surface of the piezoelectric substrate is square,
It is preferable that the center of the circle inscribed in the square is aligned with the center of the connector. And the size of the main surface of the connector facing the main surface of the piezoelectric substrate,
Preferably, the circle is equal to or smaller than a circle inscribed on the outer periphery of the main surface of the piezoelectric substrate. With such a structure, the surface area for heat dissipation is increased, so that heat generation can be suppressed and large power can be output.

【００１０】また圧電基板のうち、第一の圧電基板を入
力部とし、第二の圧電基板を出力部とし、第三の圧電基
板を入力部或いは出力部のいずれか一方とし、入力部と
出力部の配置が圧電基板の主面に平行な面に対して鏡面
対称に配置してあるが好ましい。このような対称構造で
あれば、圧電基板にスプリアス振動が生じにくく、中央
にある圧電基板とその両側にある圧電基板の間で振動を
効率よく伝達できる。[0010] Of the piezoelectric substrates, a first piezoelectric substrate serves as an input portion, a second piezoelectric substrate serves as an output portion, and a third piezoelectric substrate serves as one of an input portion and an output portion. It is preferable that the parts are arranged in mirror symmetry with respect to a plane parallel to the main surface of the piezoelectric substrate. With such a symmetric structure, spurious vibration hardly occurs in the piezoelectric substrate, and vibration can be efficiently transmitted between the central piezoelectric substrate and the piezoelectric substrates on both sides thereof.

【００１１】[0011]

【発明の実施の形態】本発明の構造と動作原理について
実施の形態を用いて説明する。図１は本発明の圧電トラ
ンスの構造の１例を示すものである。圧電セラミックス
からできている平板状の圧電基板１、２、３のそれぞれ
の表裏の主面には円形の電極層６，７，８（裏面の電極
は図示せず）が形成されている。圧電基板１、２、３
は、間に結合子４、５を挟んで積み重ねられている。３
つの圧電基板と２つの結合子は、互いの接触面には接着
層が形成されていて、全体が一体となっている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure and operation principle of the present invention will be described with reference to embodiments. FIG. 1 shows an example of the structure of the piezoelectric transformer of the present invention. Circular electrode layers 6, 7, 8 (backside electrodes are not shown) are formed on the front and back main surfaces of each of the flat piezoelectric substrates 1, 2, and 3 made of piezoelectric ceramics. Piezoelectric substrates 1, 2, 3
Are stacked with connectors 4, 5 interposed therebetween. 3
The two piezoelectric substrates and the two connectors have an adhesive layer formed on their contact surfaces, and are integrated as a whole.

【００１２】次に動作原理について以下に示す。中央に
ある圧電基板２を入力部、外側にある圧電基板１、３を
出力部として説明する。圧電基板２の表裏の主面に設け
た円形の電極層に、圧電基板が１次の径広がり振動をす
るような周波数の交流電圧波形を印加する。圧電横効果
により平板の中心が振動の節となるような圧電共振振動
が生じる。円形の結合子を介して出力部の圧電基板も同
様に平板の中心が振動の節となるような圧電共振振動が
生じる。この機械的振動エネルギーを圧電横効果により
電気的振動エネルギーに変換して出力する。Next, the principle of operation will be described below. The center piezoelectric substrate 2 will be described as an input unit, and the outer piezoelectric substrates 1 and 3 will be described as output units. An AC voltage waveform is applied to the circular electrode layers provided on the front and back main surfaces of the piezoelectric substrate 2 at a frequency such that the piezoelectric substrate performs primary radial spread vibration. Due to the piezoelectric transverse effect, a piezoelectric resonance vibration occurs such that the center of the flat plate becomes a node of the vibration. Similarly, the piezoelectric substrate of the output section also generates a piezoelectric resonance vibration via the circular connector such that the center of the flat plate becomes a node of the vibration. This mechanical vibration energy is converted into electric vibration energy by the piezoelectric lateral effect and output.

【００１３】変圧比は入力インピーダンスと出力インピ
ーダンスの比の平方根に比例する。本例では入力インピ
ーダンスが出力インピーダンスより大きいので、降圧ト
ランスとしての動作が可能となる。The transformation ratio is proportional to the square root of the ratio between the input impedance and the output impedance. In this example, since the input impedance is larger than the output impedance, operation as a step-down transformer is possible.

【００１４】このような本発明により、入出力間の電気
的絶縁が可能となる。すなわち、本構造を用いることで
入出力間に絶縁体からなる結合子を介することで入出力
間の電気的絶縁が可能となる。また表面積が大きくなる
ので、大きな電力を出力できる。According to the present invention, electrical insulation between input and output can be achieved. That is, by using this structure, electrical insulation between the input and the output can be achieved by interposing a connector formed of an insulator between the input and the output. Further, since the surface area is increased, a large electric power can be output.

【００１５】[0015]

【実施例１】図１に本実施例の電圧変換器の斜視図を示
す。本圧電トランスは、入力部は圧電トランスの材料と
して一般的なPZT系の圧電材料からなる１枚の正方平板
からなり、その上面及び下面には正方平板の周囲に内接
するような円形の電極が、Pd-Ag系の導電ペーストを用
いスクリーン印刷により形成されている。出力部は入力
部と同じ圧電材料からなり、電極も入力部と同様に形成
されている。各平板の分極は平板に垂直な方向に分極軸
が向くように分極処理されている。2枚の出力部の間に
入力部を配置し、各平板の間にPZT系セラミックスから
なる円板状の結合子を介して、それぞれの接触面を熱硬
化型エポキシ接着剤で貼りあわせた構造からなる。この
ような絶縁物を介在させることで、入出力間の電気的絶
縁が可能となる。圧電トランスの大きさは24mm×24ｍｍ
×4ｍｍである。昇圧比は入力インピーダンスと出力イ
ンピーダンスの比の平方根に比例する。図１に示した本
実施例では、圧電基板２の表裏電極層に入力電圧を印加
し、出力側は外側の圧電基板１の表側の電極層６と圧電
基板の表側の電極８とを電気接続し、それぞれぞれの裏
面電極層（図示せず）どうしを電気接続して、負荷２１
に接続することで、降圧動作が可能となる。入力と出力
の接続を逆にすれば昇圧動作が可能となる。この電極層
間の結線は、圧電基板の分極の極性が同じ電極層どうし
を電気接続すればよい。Embodiment 1 FIG. 1 is a perspective view of a voltage converter according to the present embodiment. In this piezoelectric transformer, the input section is made of a single square plate made of a general PZT-based piezoelectric material as a material of the piezoelectric transformer, and circular electrodes inscribed around the square plate are formed on the upper and lower surfaces thereof. , And are formed by screen printing using a Pd-Ag-based conductive paste. The output section is made of the same piezoelectric material as the input section, and the electrodes are formed similarly to the input section. The polarization of each plate is polarized so that the polarization axis is oriented in a direction perpendicular to the plate. A structure in which an input section is placed between two output sections, and each contact surface is bonded with a thermosetting epoxy adhesive through a disc-shaped connector made of PZT ceramic between each flat plate Consists of By interposing such an insulator, electrical insulation between input and output can be achieved. The size of the piezoelectric transformer is 24mm x 24mm
× 4 mm. The boost ratio is proportional to the square root of the ratio between the input impedance and the output impedance. In this embodiment shown in FIG. 1, an input voltage is applied to the front and back electrode layers of the piezoelectric substrate 2, and the output side electrically connects the front electrode layer 6 of the outer piezoelectric substrate 1 and the front electrode 8 of the piezoelectric substrate. Then, the respective back electrode layers (not shown) are electrically connected to each other, and a load 21 is formed.
, A step-down operation is possible. If the connection between the input and the output is reversed, a boosting operation becomes possible. The connection between the electrode layers may be made by electrically connecting the electrode layers having the same polarization polarity of the piezoelectric substrate.

【００１６】[0016]

【実施例２】 図２に本実施例である圧電トランスの出
力部を積層した構造の斜視図を示す。出力部の構成以外
は実施例１と同様である。本実施例の圧電トランスの出
力部は積層した圧電基板１１、１３からなり、それぞれ
の圧電基板は、圧電トランスの材料として一般的なPZT
系の圧電材料からなる正方形の圧電板１１ａ，１１ｂ，
１３ａ，１３ｂからなり、その表裏面及び圧電板間には
圧電板の主面に内接するような円形の電極層１６、１
７、１８（裏面の電極層および内部電極は図示せず）が
形成されている。これらの電極層はPd-Ag系の導電ペー
ストを用いスクリーン印刷により形成されている。圧電
基板１１と１３の端面には内部電極の接続端子１９、２
０がそれぞれ設けられている。出力部の圧電板の分極方
向は、圧電板の主面に垂直で、隣り合う圧電板の分極方
向は互いに反平行になるように分極されている。Second Embodiment FIG. 2 is a perspective view of a structure in which output portions of a piezoelectric transformer according to a second embodiment are stacked. The configuration is the same as that of the first embodiment except for the configuration of the output unit. The output part of the piezoelectric transformer of this embodiment is composed of laminated piezoelectric substrates 11 and 13, and each piezoelectric substrate is made of a general PZT as a material of the piezoelectric transformer.
Piezoelectric plates 11a, 11b,
13a and 13b, between the front and back surfaces and the piezoelectric plate, between the circular electrode layers 16 and 1 in contact with the main surface of the piezoelectric plate.
7, 18 (the back electrode layer and the internal electrode are not shown). These electrode layers are formed by screen printing using a Pd-Ag-based conductive paste. Connection terminals 19, 2 for internal electrodes are provided on the end faces of the piezoelectric substrates 11 and 13.
0 is provided respectively. The polarization direction of the piezoelectric plate of the output unit is perpendicular to the main surface of the piezoelectric plate, and the polarization directions of adjacent piezoelectric plates are polarized so as to be antiparallel to each other.

【００１７】本実施例の圧電トランスは、圧電基板１１
に設けられた電極のうち、１つおきの電極層であり圧電
基板の１１の表裏の主面に形成された２つの電極層を第
１の電極群とし、この場合は１つの電極層であるが圧電
板１１ａと１１ｂの間に設けた内部電極を第２の電極群
とし、第１電極群と第２電極群のそれぞれを出力電極と
している。下方の圧電基板１３についても同様で、上下
の圧電基板１１と１３のそれぞれの第１の電極群どうし
を電気接続して出力電極の一方とし、また第２の電極群
どうしを電気接続し出力電極の他方として、負荷２１に
接続している。The piezoelectric transformer according to the present embodiment includes a piezoelectric substrate 11
Of the electrodes provided on the piezoelectric substrate 11, two electrode layers formed on the front and back main surfaces of the piezoelectric substrate 11 are defined as a first electrode group, in this case, one electrode layer. Uses the internal electrodes provided between the piezoelectric plates 11a and 11b as a second electrode group, and each of the first electrode group and the second electrode group as output electrodes. The same applies to the lower piezoelectric substrate 13. The first electrode groups of the upper and lower piezoelectric substrates 11 and 13 are electrically connected to each other as one of the output electrodes, and the second electrode groups are electrically connected to each other to form the output electrode. The other is connected to the load 21.

【００１８】本実施例では、圧電基板１１と１３を積層
構造にしているので、そのインピーダンスが小さくなる
ので、昇圧比または降圧比を大きくできる。上記の２つ
の実施例では圧電基板と結合子の接合は接着剤を用いて
行うことで説明したが、圧電基板と接合子の材料をセラ
ミックス材料にし、圧電基板を焼結するときにで結合子
および電極を一体焼結して得る事もできる。その場合結
合子は、圧電基板の主面に垂直方向に分極されているこ
とが好ましい。また結合子自体を剛性の高い接着剤で形
成してもよい。In this embodiment, since the piezoelectric substrates 11 and 13 have a laminated structure, the impedance thereof is reduced, so that the step-up ratio or the step-down ratio can be increased. In the above two embodiments, the bonding between the piezoelectric substrate and the connector has been described by using an adhesive, but the material of the piezoelectric substrate and the connector is made of a ceramic material. Also, the electrode can be obtained by sintering integrally. In that case, the connector is preferably polarized in a direction perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate. Further, the connector itself may be formed of a highly rigid adhesive.

【００１９】[0019]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、大電力を
出力できかつ入出力間の電気的絶縁が可能となる。As described above, according to the present invention, high power can be output and electrical insulation between input and output can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】実施例１の圧電トランスを示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric transformer according to a first embodiment.

【図２】実施例２の圧電トランスを示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric transformer according to a second embodiment.

【図３】従来技術の圧電トランスを示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a conventional piezoelectric transformer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１、２、３、１１、１３ ・・圧電基板 ４、５、１４、１５ ・・結合子 ６、７、８、１６、１７、１８ ・・電極層 1, 2, 3, 11, 13 ··· Piezoelectric substrate 4, 5, 14, 15 · · Connector 6, 7, 8, 16, 17, 18 ··· Electrode layer

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】圧電材料からなる平板で、電極が形成され
ている少なくとも2つの圧電基板が少なくとも1つの円板
状の絶縁体からなる結合子を介して接合されており、前
記圧電基板のうち一方の圧電基板に入力部が設けられて
おり、他方の圧電基板に出力部が設けてあることを特徴
とする圧電トランス。1. A flat plate made of a piezoelectric material, wherein at least two piezoelectric substrates on which electrodes are formed are joined via at least one connector made of a disc-shaped insulator, and A piezoelectric transformer, wherein an input section is provided on one piezoelectric substrate and an output section is provided on the other piezoelectric substrate. 【請求項２】前記少なくとも２つの圧電基板が第１の主
面と第２の主面を有しており、それぞれの主面に電極層
が設けられており、前記電極間が第１の主面に垂直方向
に分極されていることを特徴とする請求項１記載の圧電
トランス。2. The at least two piezoelectric substrates have a first main surface and a second main surface, an electrode layer is provided on each of the main surfaces, and a first main surface is provided between the electrodes. 2. The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the piezoelectric transformer is polarized in a direction perpendicular to the plane. 【請求項３】前記圧電基板の少なくとも１つの圧電基板
が、複数の電極層と圧電材料からなる複数の圧電層とが
交互に厚み方向に積層した構造からなっており、前記電
極層は一つおきに電気的に接続された２つの電極群にま
とめられていることを特徴とする請求項１記載の圧電ト
ランス。3. The piezoelectric substrate according to claim 1, wherein at least one of the piezoelectric substrates has a structure in which a plurality of electrode layers and a plurality of piezoelectric layers made of a piezoelectric material are alternately stacked in a thickness direction. 2. The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the piezoelectric transformer is grouped into two electrode groups electrically connected every other time. 【請求項４】前記圧電基板に設けられた電極層の形状が
円形であることを特徴とする請求項１から請求項３のい
ずれかに記載の圧電トランス。4. The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the shape of the electrode layer provided on the piezoelectric substrate is circular. 【請求項５】前記圧電基板の主面が正方形であり、前記
正方形に内接する円の中心と結合子の中心が一致するよ
うに配置されていることを特徴する請求項１から請求項
４のいずれかに記載の圧電トランス。5. The piezoelectric substrate according to claim 1, wherein a main surface of said piezoelectric substrate is square, and said piezoelectric substrate is arranged such that a center of a circle inscribed in said square coincides with a center of a connector. The piezoelectric transformer according to any one of the above. 【請求項６】前記圧電基板の主面に対向する前記結合子
の主面の大きさが、前記圧電基板の主面の外周に内接す
る円と同等或いは小さいことを特徴とする請求項１から
請求項３のいずれかに記載の圧電トランス。6. The method according to claim 1, wherein the size of the main surface of the connector facing the main surface of the piezoelectric substrate is equal to or smaller than a circle inscribed in the outer periphery of the main surface of the piezoelectric substrate. The piezoelectric transformer according to claim 3. 【請求項７】前記圧電基板のうち、第一の圧電基板を入
力部とし、第二の圧電基板を出力部とし、第三の圧電基
板を入力部或いは出力部のいずれか一方とし、入力部と
出力部の配置が圧電基板の主面に平行な面に対して鏡面
対称に配置してあることを特徴とする請求項１から請求
項６のいずれかに記載の圧電トランス。7. The piezoelectric substrate, wherein a first piezoelectric substrate is used as an input unit, a second piezoelectric substrate is used as an output unit, and a third piezoelectric substrate is used as one of an input unit and an output unit. The piezoelectric transformer according to any one of claims 1 to 6, wherein the arrangement of the output unit and the output unit are arranged in mirror symmetry with respect to a plane parallel to the main surface of the piezoelectric substrate.