JP2008181966A - 圧電トランス及び圧電トランスを用いた電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の圧電トランスの特性を揃えた状態で、複数の圧電トランスを並列接続すること。
【解決手段】圧電トランス１０は、所定の分極軸方向に分極され、複数の幅広面を有する平板状の圧電セラミック矩形板１と、圧電セラミック矩形板１の一方の幅広面上に隔間して形成された第１の入力電極２ａ及び第１の出力電極４ａと、圧電セラミック矩形板１の他方の幅広面上であって、第１の入力電極２ａ及び第１の出力電極４ａのそれぞれに対向して形成されたアース電極としての第１の入力電極２及び第１の出力電極４ｂと、を有する電極群を備える。そして、圧電トランス１０に形成された電極群は、複数形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、小形の電子機器やＯＡ（Office Automation）機器等に用いられる圧電トランスに関し、特に小形で信頼性の高い圧電トランス及び圧電トランスを用いた電源回路に関する。

従来から、直流や交流の所望の電圧を供給するための電圧源として利用するため、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータに用いられる圧電トランスがある。圧電トランスは、圧電振動子の逆圧電効果と圧電効果を利用するものである。

圧電トランスの動作としては、まず、入力端子から供給される入力電圧の電気的エネルギーによって、圧電振動子を機械的に励振する。励振によって、入力された電気的エネルギーを機械エネルギーに変換する。次に、この機械エネルギーを再び電気的エネルギーに変換して、出力端子から出力電圧を取り出している。

このように、圧電トランスは、電圧の昇圧や降圧等の作用により、所望の電圧を得ることができる電子デバイスである。そして、圧電トランスは、従来の電磁トランスと比較して、巻線が無いことや、電磁ノイズの放射が少ないといった特徴がある。また、圧電トランスの採用により、薄型のトランスを実現できることから、液晶バックライト用のインバータとして広く用いられている。

ここで、（１）式に示すように、圧電トランスの出力電力：Ｐは、等価質量：ｍ、振動速度：ｖの２乗、電気機械結合係数：ｋ_ｅの２乗、および駆動周波数：ｆ_ｒとの積にほぼ比例することが知られている。

しかし、ハイパワー用に開発された圧電材料では、振動速度の限界と、電気機械結合係数の値に大きな差が生じない。このため、出力電力：Ｐを大きくするには、質量：ｍと、共振周波数：ｆｒとの積を大きくするしかない。しかし、振動モードにも依るが、一般に、共振周波数：ｆｒは、圧電振動子の寸法によって決まる値である。このため、共振周波数：ｆｒを高くすると質量：ｍが小さくなってしまう。

質量：ｍが小さくなることを回避するために、圧電振動子の質量を変えることなく、高次振動モードを利用することが考えられる。しかし、高次振動モードを利用する場合、実効的な電気−機械間の変換効率が低下したり、支持固定の影響が大きくなったりする。このため、複数の圧電トランスの入出力端子を、それぞれ並列に接続していた。この結果、一つの駆動回路であっても、並列接続した圧電トランスの数にほぼ比例するだけ、出力電力：Ｐを増加させることができる。

特許文献１には、正方形板の面拡がり振動モードを利用した圧電トランスを、２個の入力端子と出力端子のそれぞれに並列接続した圧電トランスについて開示されている。従来、複数の圧電トランスを並列接続する場合、複数の圧電トランス間で、共振周波数を同じ周波数に合わせていた。
特開２０００−２２８５４６号公報

ところで、特許文献１では、トランスの等価回路１００について、図７のように開示されている。そして、圧電トランスの等価回路定数であるＬ，Ｃを変えることで、共振周波数の変化に対する２つの圧電トランス１０１ａ，１０１ｂの特性バラつきを検討している。そして、検討の結果、共振周波数よりも高い周波数で圧電トランス１０１ａ，１０１ｂを駆動すると、特性のバラつきの影響が低減されるとしている。

また、特許文献１では、並列接続する圧電トランス１０１ａ，１０１ｂの組み合わせ例について、図８のように開示されている。
図８（ａ）は、絶縁材からなる取り付け用ホルダ１０２に圧電トランス１０１ａ，１０１ｂを嵌め込み、隣り合わせて接続する例である。
図８（ｂ）は、絶縁材からなる取り付け用ホルダ１０２に圧電トランス１０１ａ，１０１ｂを嵌め込み、積層して接続する例である。
図８（ｃ）は、圧電トランス１０１ａ,１０１ｂの間に弾性シート１０３を挟み込み、絶縁材からなる取り付け用ホルダ１０４に圧電トランス１０１ａ，１０１ｂを嵌め込み、積層して接続する例である。

ところで、複数の圧電トランスを組み合わせる場合、個々の圧電トランスにおける特性（主に共振周波数）のバラつきは、小さく抑える必要がある。仮に、圧電トランスの特性がバラついても、特性が比較的合っているものを選別して、組み合わせることで、必要な特性が得られる。このため、圧電トランスの特性を事前に選別することが必要であった。

また、複数の圧電トランスを並列接続する場合、圧電効果によって生じる圧電振動が外部要因によって影響されないようにする必要がある。そして、外部からの振動や衝撃に耐えられるように、複数の圧電トランスを一体に支持する必要がある。特に、圧電トランスのように圧電振動子を用いる構成の場合、共振振動する節の位置を軟弾性部材で支持しなければ、圧電振動に影響を及ぼしてしまう。そして、複数の圧電トランスを支持するためには、多くの支持部材が必要であり、部品点数が多くなってしまう。また、支持部材を取り付けるための工数も必要となり、製造コストが増える要因となってしまう。

また、複数の圧電トランスに形成された入力端子と出力端子を並列接続するには、圧電トランスの入出力端子数のおよそ半分の数に相当するリード線が必要である。このため、構成部材の点数が増えるとともに、端子を接続する工数も増えてしまう。

本発明は、複数の圧電トランスの特性を揃えた状態で、複数の圧電トランスを並列接続することを目的とする。

本発明の圧電トランスは、所定の分極軸方向に分極され、複数の幅広面を有する平板状の圧電体基板と、圧電体基板の一方の幅広面上に隔間して形成された入力電極及び出力電極と、圧電体基板の他方の幅広面上であって、入力電極及び出力電極のそれぞれに対向して形成されたアース電極と、を有する電極群を備える。そして、電極群は、複数形成されるものである。

本発明によれば、並列接続された複数の圧電トランスは、同一の圧電体基板上に形成される。このため、圧電トランスの共振周波数を決定する圧電体基板の厚さのバラつきがほとんど無くなる。また、複数の圧電トランスは、同一の圧電体基板上に形成されることから、材料特性のバラつきも極めて小さくなる。このため、複数の圧電トランスの共振周波数やその他の特性が揃っており、特性の選別が不要になるという効果がある。

以下、本発明の第１の実施の形態に係る圧電トランスの例について、図１〜図５を参照して説明する。本実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータに用いられる圧電トランス１０に適用した例として説明する。圧電トランス１０は、圧電効果と逆圧電効果を利用して、入力された電圧を変換し、出力する機能を有している。

まず、圧電トランス１０の外部構成例について、図１の斜視図を参照して説明する。圧電トランス１０には、並列接続された状態で２つのトランス機能を有する圧電トランス１０ａ，１０ｂが形成される。圧電セラミック矩形板１は、所定の分極軸方向（矢印Ａ方向）に分極され、複数の幅広面を有する平板状の圧電体基板である。なお、以下の説明では、圧電セラミック矩形板上に対向して形成された電極を「電極対」とも称する。

圧電セラミック矩形板１のうち、長さ方向の一方の端部から約１／４の箇所には、厚さ方向に対向する第１の入力電極対２ａ，２ｂが幅方向に形成される。そして、第１の入力電極対２ａ，２ｂと所定の間隔を隔てて、厚さ方向に対向する第１の出力電極対４ａ，４ｂが幅方向に形成される。これら第１の入力電極対２ａ，２ｂと第１の出力電極対４ａ，４ｂによって、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動を利用した第１の圧電トランス１０ａが形成される。

また、圧電セラミック矩形板１のうち、長さ方向の他方の端部から約１／４の箇所には、厚さ方向に対向する第２の入力電極対６ａ，６ｂが幅方向に形成される。そして、第２の入力電極対６ａ，６ｂと所定の間隔を隔てて、厚さ方向に対向する第２の出力電極対５ａ，５ｂが幅方向に形成される。これら第２の入力電極対６ａ，６ｂと第２の出力電極対５ａ，５ｂによって、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動を利用した第２の圧電トランス１０ｂが形成される。

そして、第１の入力電極対２ａ，２ｂと第１の出力電極対４ａ，４ｂ、第２の入力電極対６ａ，６ｂと第２の出力電極対５ａ，５ｂは、圧電セラミック矩形板１の一方の幅広面の一辺に沿うように矩形状で形成される部材である。

上述したように、圧電セラミック矩形板１は矢印Ａ方向に分極処理が施されている。このとき、上述した第１の入力電極２ａと第１の出力電極４ａのそれぞれの中心点（第１の入力電極中心点１１ａと第１の出力電極中心点１２ａ）とを結んだ線分方向と、第２の入力電極６ａと第２の出力電極５ａのそれぞれの中心点（第２の入力電極中心点１１ｂと第２の出力電極中心点１２ｂ）とを結んだ線分方向とが、それぞれ上述の分極軸方向（矢印Ａ方向）に略平行に配置するように電極形成されている。つまり、圧電セラミック矩形板１の分極軸方向に対する第１の入力電極対２ａ，２ｂと第１の出力電極対４ａ，４ｂ、第２の入力電極対６ａ，６ｂと第２の出力電極対５ａ，５ｂの配置関係を、上述のように定義することによって、電気−機械変換効率の良い圧電トランスの設計条件を得ることが可能となる。

そして、第１の出力電極４ａと、第２の出力電極５ａは、配線電極３ｂ，３ｃにより接続される。さらに、圧電セラミック矩形板１の長さ方向のほぼ中央付近には、配線電極３ｂ，３ｃに接続された外部接続用出力電極９が形成される。

また、第１の入力電極２ｂ、第１の出力電極４ｂ、第２の入力電極６ｂ及び第２の出力電極５ｂは、配線電極３ｅ〜３ｇにより接続される。さらに、これらの電極は、配線電極３ｈによって、共通アース電極８に接続されて接地される。

また、第１の入力電極２ａと、外部接続用端子７ａは、配線電極３ａにより接続される。同様に、第２の入力電極６ａと、外部接続用端子７ｂは、配線電極３ｄによって接続される。外部接続用端子７ａ，７ｂは、外部で電気的に接続することによって、共通入力端子としている。この結果、第１の圧電トランス１０ａと、第２の圧電トランス１０ｂは、入出力端子が並列接続された、３端子型圧電トランスとなる。

本実施の形態において、外部から電圧が供給される第１の入力電極２ａは、第１の入力電極として機能する。同様に、外部から電圧が供給される第２の入力電極６ａは、第２の入力電極として機能する。一方、変換した電圧を出力する第１の出力電極４ａは、第１の出力電極として機能する。同様に、変換した電圧を出力する第２の出力電極５ａは、第２の出力電極として機能する。そして、第１の入力電極と、第１の出力電極と、第１のアース電極（第１の入力電極２ｂ，第１の出力電極４ｂ）とを第１の電極群と称する。同様に、第２の入力電極と、第２の出力電極と、第２のアース電極（第２の入力電極６ｂ，第２の出力電極５ｂ）とを第２の電極群と称する。このように、圧電トランス１０は、１枚の圧電セラミック矩形板１上に、第１と第２の電極群を配置した構成としている。そして、第１及び第２のアース電極を配線電極３ｅ〜３ｈで纏めることによって、共通アース電極８のみを形成すればよい構成としている。

図１に示すように、第１の圧電トランス１０ａと第２の圧電トランス１０ｂは、同一の圧電セラミック矩形板１上に構成されている。このため、第１の圧電トランス１０ａと第２の圧電トランス１０ｂの厚さのバラつきと、材料定数のバラつきは極めて小さくなる。この結果、圧電トランスを選別する際に重視される特性である共振周波数のバラつきは、ほぼ無視できるレベルになる。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る圧電トランス１０の動作原理を説明するため、エネルギー閉じ込め厚み滑り振動モードを利用した圧電振動子２０と、圧電トランス３０の基本的な構造と動作の例について、図２〜図４を参照して説明する。

一般的に、圧電体板などを用いて、素子寸法と分極方向、それに電極形状と電極寸法を適切に選ぶと、振動エネルギーが電極の形成された領域の近傍に集中する。このとき、電極が形成された領域から適当な距離だけ離れた部分を支持固定しても、圧電体板の振動にほとんど影響を与えないような振動モードを、「エネルギー閉じ込め厚み滑り振動モード」と称する。

次に、圧電振動子２０の構成例について、図２の斜視図を参照して説明する。

図２において、矢印Ｂは、圧電体基板である圧電セラミック矩形板２１の分極の方向を示す。圧電セラミック矩形板２１は、長さ方向に分極されている平板状の部材である。圧電セラミック矩形板２１の長さ方向のほぼ中央の箇所には、厚さ方向に対向する電極対２２ａ，２２ｂが形成される。そして、電極２２ａと、外部接続用電極２４ａは、配線電極２３ａにより接続される。同様に、電極２２ｂと、外部接続用電極２４ｂは、配線電極２３ｂにより接続される。

そして、外部接続用電極２４ａ，２４ｂに交流電圧を印加することによって、圧電振動子２０が振動する。印加する交流電圧の周波数は、圧電セラミック矩形板２１の厚さと材料定数によって定まる厚みすべり振動の共振周波数にほぼ等しい。この結果、対向する電極２２ａ，２２ｂに挟まれる領域のみに振動エネルギーが集中する「エネルギー閉じ込め厚み滑り振動」が励振される。

ここで、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動を、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）によって解析した結果の例について、図３を参照して説明する。図３は、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動をしている圧電セラミック矩形板２１を長さ方向の側面部から見た図である。図３では、振動変位を誇張して示しているが、圧電セラミック矩形板２１の上側半分２１ａのうち、ほぼ中央部だけが、＋Ｘ方向に△Ｘだけ変位していることが分かる。一方、圧電セラミック矩形板２１の下側半分２１ｂのうち、ほぼ中央部だけが、−Ｘ方向に△Ｘ′だけ変位していることが分かる。このように、圧電セラミック矩形板２１の上側半分２１ａと、下側半分２１ｂの領域が、長さ方向の面に平行、かつ、互いに逆向きに、いわゆるすべり振動をしていることが示される。

図３より、エネルギー閉じ込め厚み滑り振動モードを利用すると、振動エネルギーが圧電セラミック矩形板２１の中央部に設けた、対向する駆動電極対（電極２２ａ，２２ｂ）の近傍に集中していることが分かる。このため、圧電セラミック矩形板２１（図２参照）の長さ方向の両端部を支持し、固定しても圧電振動子２０自身の振動特性にほとんど影響を及ぼすことがない。

次に、圧電トランス１０の基本的な構造となる圧電トランス３０の構成例について、図４の斜視図を参照して説明する。図４において、矢印Ｃは、圧電体基板である圧電セラミック矩形板３１の分極の方向を示す。圧電セラミック矩形板３１は、長さ方向に分極されている平板状の部材である。そして、圧電トランス３０は、入力電極対と出力電極対を有する２端子対のエネルギー閉じ込め厚みすべり振動子を構成要素としている。

圧電セラミック矩形板３１の長さ方向のほぼ中央付近には、厚さ方向に対向する入力電極対３２ａ，３２ｂが幅方向に形成される。そして、入力電極対３２ａ，３２ｂと所定の間隔を隔てて、厚さ方向に対向する出力電極対３３ａ，３３ｂが幅方向に形成される。これら入力電極対３２ａ，３２ｂと出力電極対３３ａ，３３ｂによって、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動を利用した圧電トランス３０が形成される。

そして、入力電極３２ａと、外部接続用端子３４ａは、配線電極３５ａにより接続される。同様に、入力電極３２ｂと、外部接続用端子３４ｃは、配線電極３５ｃによって接続される。一方、出力電極３３ａと、外部接続用端子３４ｂは、配線電極３５ｂにより接続される。同様に、出力電極３３ｂと、外部接続用端子３４ｄは、配線電極３５ｄによって接続される。

そして、外部接続用端子３４ａ，３４ｃを介して、入力電極対３２ａ，３２ｂに交流電圧を印加することによって、圧電トランス３０が駆動する。この交流電圧の周波数は、圧電セラミック矩形板３１の厚さと材料定数によって定まる厚みすべり振動の共振周波数にほぼ等しい。このとき、入力電極対３２ａ，３２ｂと、出力電極対３３ａ，３３ｂに挟まれる領域に、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動（図３参照）が励振される。この結果、出力電極対３３ａ，３３ｂ間には、圧電効果による電圧が発生する。変換された電圧は、外部接続用端子３４ｂ，３４ｄで取り出される。

なお、圧電トランス３０は、入力電極対３２ａ，３２ｂと、出力電極対３３ａ，３３ｂのうち、同一面にあるいずれか一方の電極を接続して共通アースとして構成される場合がある。このように構成されると、入力端子から見た特性と、出力端子から見た特性が全く同じとなるため、いわゆる対称３端子型の圧電トランスと見なされる。

ここで、上述した圧電トランス３０を用いて出力電圧：Ｐを大きくしようとすれば、特許文献１に記載された圧電トランスと同様、圧電トランス３０を複数個用いる必要が生じる。この際には、圧電体基板の厚みや材料特性のバラつきに起因する共振周波数のバラつきを考慮しなくてはならない。ところで、本発明に係る圧電トランス１０は、１つの圧電セラミック矩形板１上に、入出力電極対から構成される電極群を複数配置した点において、上述した圧電トランス３０の構成と相違している。このため、圧電トランスの共振周波数を決定する圧電体基板の厚さのバラつきがほとんど無くなる。また、複数の圧電トランスは、同一の圧電体基板上に形成されることから、材料特性のバラつきも極めて小さくなる。このため、複数の圧電トランスの共振周波数やその他の特性が揃っており、特性の選別が不要になるという効果がある。

次に、第１の実施の形態に係る圧電トランス１０を、電圧の昇降等を行う電源回路に用いる場合の具体的な構成例について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、電圧を変化させるために圧電トランス１０を備えたＤＣ−ＤＣコンバータ４０のブロック図である。図５（ｂ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０において、整合回路４３と整流回路４５とが接続された圧電トランス１０を拡大視した例を示す図である。

まず、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の構成例について説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、電圧変換部として、直流電圧入力４１を交流方形波に変換するスイッチング回路４２と、変換された交流方形波を正弦波に整形する整合回路４３と、整形された交流方形波を所望の電圧に変換する圧電トランス１０と、変換された電圧を整流して直流電圧出力４６を出力する整流回路４５とを備えている。このとき、整合回路４３は必ずしも必須の構成ではなく、必要に応じて採用すればよい。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、制御部として、整流回路４５の出力電圧を検出して基準電圧と比較し、出力電圧が一定になるように制御する出力電圧検出回路４７と、出力電圧検出回路４７の出力電圧により、圧電トランスの共振周波数にほぼ等しい周波数の方形波を発振する発振制御回路４８とを備えている。

次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の動作及び各ブロックの作用について説明する。
発振制御回路４８は、圧電トランス１０の共振周波数にほぼ等しい周波数の方形波を発振する。また、発振制御回路４８は、出力電圧検出回路４７の出力電圧により、発振周波数とデューティを制御する。

スイッチング回路４２は、発振制御回路４８の出力により、直流電圧を方形波交流電圧に変換する。そして、方形波交流電圧を、整合回路４３を介して圧電トランス１０に入力する。整合回路４３は、圧電トランス１０のインピーダンスと整合をとるための回路である。一般には、入力容量と、圧電トランス１０の共振周波数で共振するインダクタンス値を有するインダクタが用いられる。この整合回路４３は圧電トランス１０の入力電圧波形を方形波から正弦波に変換する機能がある。

整合回路４３を介して圧電トランスに入力された正弦波は、圧電トランス１０により、昇圧あるいは降圧される。昇圧あるいは降圧された交流出力電圧は、整流回路４５により直流電圧に変換される。そして、圧電トランス１０は、入力電圧を昇圧あるいは降圧する昇圧・降圧トランス又は入力電圧をそのまま出力電圧とする絶縁トランスとして機能する。

整流回路４５は、圧電トランス１０の正弦波出力電圧を直流電圧に変換する。整流回路２３ｂとしては、一般的なダイオードブリッジやＦＥＴ（電界効果トランジスタ）検波器が用いられる。そして、出力電圧検出回路４７は、整流回路４５の出力電圧を検出して基準電圧と比較し、比較結果を発振制御回路４８に送り、出力電圧が一定になるように制御する。

以上説明した第１の実施の形態に係る圧電トランス１０は、１枚の圧電セラミック矩形板１に、２つの圧電トランス（第１の圧電トランス１０ａ，第２の圧電トランス１０ｂ）を一体形成している。そして、２つの圧電トランスは、並列接続可能に形成される。また、２つの圧電トランスは同一の圧電セラミック矩形板１上に形成されるので、圧電トランスの共振周波数を決める厚さのバラつきがほとんど無くなる。また、同一基板であることから、材料特性のバラつきも極めて小さくなる。このため、複数の圧電トランスの共振周波数やその他の特性が揃うこととなり、個々の圧電トランスの特性を選別する工程が不要になるという効果がある。

また、第１の圧電トランス１０ａと、第２の圧電トランス１０ｂは、分極軸方向に配置される。このため、実装形態に応じて圧電トランス１０を配置することが可能である。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る圧電トランス５０の構成例について、図６を参照して説明する。なお、圧電トランス５０もＤＣ−ＤＣコンバータに実装可能であるが、動作原理と、電源回路としてＤＣ−ＤＣコンバータに実装した状態の構成例は、既に説明した第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

まず、圧電トランス５０の外部構成例について、図６の斜視図を参照して説明する。圧電トランス５０には、並列接続された状態で２つのトランス機能を有する圧電トランス５０ａ，５０ｂが形成される。圧電セラミック矩形板５１は、所定の分極軸方向（矢印Ｄ方向）に分極され、複数の幅広面を有する平板状の圧電体基板である。

幅広面に平行に分極された圧電セラミック矩形板５１のほぼ中央付近には、厚さ方向に対向する第１の入力電極対５２ａ，５２ｂが形成される。そして、第１の入力電極対５２ａ，５２ｂと所定の間隔を隔てて、厚さ方向に対向する第１の出力電極対５４ａ，５４ｂが幅方向に形成される。これら第１の入力電極対５２ａ，５２ｂと、第１の出力電極対５４ａ，５４ｂによって、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動を利用した第１の圧電トランス５０ａが形成される。

また、第１の圧電トランス５０ａと所定の間隔を隔てて、圧電セラミック矩形板５１のほぼ中央付近には、厚さ方向に対向する第２の入力電極対５５ａ，５５ｂが形成される。そして、第２の入力電極対５５ａ，５５ｂと所定の間隔を隔てて、厚さ方向に対向する第２の出力電極対５６ａ，５６ｂが幅方向に形成される。これら第２の入力電極対５５ａ，５５ｂと、第２の出力電極対５６ａ，５６ｂによって、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動を利用した第２の圧電トランス５０ｂが形成される。

そして、第１の入力電極対５２ａ，５２ｂと第１の出力電極対５４ａ，５４ｂ、第２の入力電極対５５ａ，５５ｂと第２の出力電極対５６ａ，５６ｂは、圧電セラミック矩形板５１の一方の幅広面の一辺に沿うように矩形状で形成される部材である。

ここで、圧電セラミック矩形板５１は、矢印Ｄ方向に分極処理が施されている。このとき、上述した第１の入力電極５２ａと第１の出力電極５４ａのそれぞれの中心点（第１の入力電極中心点６１ａと第１の出力電極中心点６２ａ）とを結んだ線分方向と、第２の入力電極５５ａと第２の出力電極５６ａのそれぞれの中心点（第２の入力電極中心点６１ｂと第２の出力電極中心点６２ｂ）とを結んだ線分方向とが、それぞれ上述の分極軸方向（矢印Ｄ方向）に略平行に配置するように電極形成されている。つまり、圧電セラミック矩形板５１の分極軸方向に対する第１の入力電極対５２ａ，５２ｂと第１の出力電極対５４ａ，５４ｂ、第２の入力電極対５５ａ，５５ｂと第２の出力電極対５６ａ，５６ｂの配置関係を上述のように定義することによって、電気−機械変換効率の良い圧電トランスの設計条件を得ることが可能となる。

そして、第１の出力電極５４ａは、配線電極５３ｅにより、外部接続用出力電極５９に接続される。同様に、第２の出力電極５６ａは、配線電極５３ｄにより、外部接続用出力電極５９に接続される。

一方、第１の入力電極５２ａは、配線電極５３ｂにより、共通入力電極５７に接続される。同様に、第２の入力電極５５ａは、配線電極５３ｃにより、共通入力電極５７に接続される。

また、第１の入力電極５２ｂと、第１の出力電極対５４ｂは、配線電極５３ａ，５３ｇにより、共通アース電極５８に接続される。同様に、第２の入力電極５５ｂと、第２の出力電極５６ｂは、配線電極５３ｆ，５３ｈにより、共通アース電極５８に接続される。

このように接続されることで、第１の圧電トランス５０ａと、第２の圧電トランス５０ｂは、入出力電極が並列接続された、３端子型圧電トランスとなる。

また、第１の圧電トランス５０ａと、第２の圧電トランス５０ｂとの間には、入出力電極が形成されている領域の寸法以上の溝６２が形成される。溝６２によって、第１の圧電トランス５０ａと、第２の圧電トランス５０ｂとが、機械的に分離される。そして、第１の圧電トランス５０ａと、第２の圧電トランス５０ｂとが駆動した場合においても、互いの圧電振動に影響を及ぼすことを防いでいる。

本実施の形態において、外部から電圧が供給される第１の入力電極５２ａは、第１の入力電極として機能する。同様に、外部から電圧が供給される第２の入力電極５５ａは、第２の入力電極として機能する。一方、変換した電圧を出力する第１の出力電極５４ａは、第１の出力電極として機能する。同様に、変換した電圧を出力する第２の出力電極５６ａは、第２の出力電極として機能する。そして、第１の入力電極と、第１の出力電極と、第１のアース電極（第１の入力電極５２ｂ，第１の出力電極５４ｂ）とを第１の電極群と称する。同様に、第２の入力電極と、第２の出力電極と、第２のアース電極（第２の入力電極５５ｂ，第２の出力電極５６ｂ）とを第２の電極群と称する。このように、圧電トランス５０は、１枚の圧電セラミック矩形板５１上に、第１と第２の電極群を配置した構成としている。そして、第１及び第２のアース電極を配線電極５３ｅ〜５３ｈで纏めることによって、共通アース電極５８のみを形成すればよい構成としている。

以上説明した第２の実施の形態に係る圧電トランス５０は、第１の圧電トランス５０ａと、第２の圧電トランス５０ｂを、同一の圧電セラミック矩形板５１に構成している。このため、圧電セラミック矩形板５１の厚さのバラつきと、材料定数のバラつきの度合いは極めて小さくなる。この結果、圧電トランスの特性として重要な共振周波数のバラつきは実質的にほぼ無視できるレベルになるという効果がある。

また、第１の圧電トランス５０ａと、第２の圧電トランス５０ｂは、分極軸方向に対してほぼ垂直方向に配置している。このため、実装形態に応じて圧電トランス５０を配置することが可能である。

なお、第２の実施の形態に係る圧電トランス５０では、厚み寸法を変えるために、溝６２を形成したが、代わりに細長い貫通孔を空けてもよい。この貫通孔は、複数の電極群の間に、電極群の形成領域よりも大きな寸法で空けられる。この貫通孔によって、第１の圧電トランスと第２の圧電トランスを機械的に分離することができる。あるいは、接着剤等を付着させて厚み寸法を変えてもよい。このようにすることで、第１の圧電トランス５０ａと、第２の圧電トランス５０ｂとの中間部における振動励起の共振周波数が局部的に異なることから、上述した溝や貫通孔を設けた構造と同等の作用を得ることができる結果、圧電振動に影響を及ぼすことを防いでいる。

以上説明した第１及び第２の実施の形態に係る圧電トランスは、基本的に３端子型圧電トランスを並列接続することが可能な構造としている。このため、入力端子と出力端子を逆にしても全く同じ特性を示す。そして、複数の圧電トランスは、同一の圧電セラミック基板上に形成されるので、圧電トランスの共振周波数を決める厚さのバラつきがほとんど無くなる。また、同一基板であることから、材料特性のバラつきも極めて小さくなる。このため、複数の圧電トランスの共振周波数やその他の特性が揃っており、特性の選別が不要になる。

また、上述した第１及び第２の実施の形態に係る圧電トランスは、複数の圧電トランスを同一の圧電基板上に形成している。このため、複数の圧電トランスの組み立てに用いられる支持部材（例えば、従来の取り付け用ホルダ）を、必要としない。このため、組み立て工程が削減されるとともに、部品点数も削減されるという効果がある。

また、上述した第１及び第２の実施の形態に係る圧電トランスは、エネルギー閉じ込め厚みすべり振動モードを利用している。そして、圧電セラミック矩形板上の入出力電極対は、真空蒸着などの薄膜プロセスにより形成する。このため、複数の圧電トランスを同一圧電基板に形成することができる。同時に、これら複数の圧電トランスを並列接続するための接続電極や、外部との電気的な接続を行うための外部接続端子を形成できる。換言すれば、一方および他方の幅広面に形成する電極を、それぞれ一括的な電極形成工程によって得ることが可能である。このため、従来のような接続のためのリード線が必要なく、リード線を接続する工程が大幅に削減されるという効果がある。

また、上述した第１及び第２の実施の形態に係る圧電トランスを電源回路（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ）に用いることにより、入出力インピーダンスを小さくすることができる。このため、低電圧で大きな電力を伝送することが可能となる。また、圧電トランスを小型化することによって、小型で高効率かつ電磁ノイズの発生が少ない高性能な電源回路を実現できる。

なお、上述した第１及び第２の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り、適宜、構成を変更しうることは言うまでもない。また、本発明の圧電トランスを、電源回路としてのＤＣ−ＤＣコンバータのみならず、様々な回路に採用してもよい。

また、分極軸の方向と、電極の入力電極中心点と出力電極中心点とを結んだ線分の方向が厳密な平行状態でなくても、圧電トランスとしての機能、効果を得ることができる。

また、本発明の圧電トランスに採用した電極形状は矩形状のみならず、圧電セラミックス矩形板の寸法条件や材料特性等に合わせて適宜電極形状や面積を変更することも可能である。このため、電極は、例えば正方形状等の形状を有していてもよい。

また、本発明の圧電トランスに採用した共通アース電極は１ヶ所に限定されるものではなく、電極群の個数に合わせて個々に接続を行い、回路基板上で接続される構成としてもよい。

また、上述した外部接続用端子，配線電極，入出力電極，共通アース電極の配置関係は実装する回路基板の構成等に合わせて適宜変更が可能である。このとき、入出力電極を除く他の端子／電極は、圧電セラミック矩形板の一方および他方の幅広面で対向させないように配置することが望ましい。このように構成することによって、不要な容量成分の発生を抑制することができ、電気−機械変換効率に優れた圧電トランスを得ることが可能である。

また、上述した第１及び第２の実施の形態に係る圧電トランスを任意に組み合わせることで、より多様な形状とすることも可能である。また、１つの圧電セラミック矩形板上に形成する圧電トランス（電極群）は２組に限定されることなく、３組以上としてもよい。

本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態における圧電トランスを説明するための圧電振動子の例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態における圧電トランスを説明するために、圧電振動子のエネルギー閉じ込め厚みすべり振動を有限要素法（ＦＥＭ）によって解析した結果の例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態における圧電トランスを説明するための圧電トランスの例を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態における圧電トランスを備えたＤＣ−ＤＣコンバータの内部構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態における圧電トランスの例を示す構成図である。 従来の圧電トランスを並列接続した等価回路の例を示す構成図である。 従来の圧電トランスを並列接続した例を示す構成図である。

符号の説明

１…圧電セラミック矩形板、２ａ，２ｂ…第１の入力電極、３ａ〜３ｈ…配線電極、４ａ，４ｂ…第１の出力電極、５ａ，５ｂ…第２の出力電極、６ａ，６ｂ…第２の入力電極、７ａ，７ｂ…外部接続用端子、８…共通アース電極、９…外部接続用出力電極、１０…圧電トランス、１１ａ…第１の入力電極中心点、１１ｂ…第２の入力電極中心点、１２ａ…第１の出力電極中心点、１２ｂ…第２の出力電極中心点、２０…圧電振動子、２１…圧電セラミック矩形板、２２ａ，２２ｂ…電極、２３ａ，２３ｂ…配線電極、２４ａ，２４ｂ…外部接続用電極、３０…圧電トランス、３１…圧電セラミック矩形板、３２ａ，３２ｂ…入力電極、３３ａ，３３ｂ…出力電極、３４ａ〜３４ｄ…外部接続用端子、３５ａ〜３５ｄ…配線電極、４０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、４１…直流電圧入力、４２…スイッチング回路、４３…整合回路、４５…整流回路、４６…直流電圧出力、４７…出力電圧検出回路、４８…発振制御回路、５０…圧電トランス、５１…圧電セラミック矩形板、５２ａ，５２ｂ…第１の入力電極、５３ａ〜５３ｈ…配線電極、５４ａ，５４ｂ…第１の出力電極、５５ａ，５５ｂ…第２の入力電極、５６ａ，５６ｂ…第２の出力電極、５７…共通入力電極、５８…共通アース電極、５９…外部接続用出力電極、６１ａ…第１の入力電極中心点、６１ｂ…第２の入力電極中心点、６２ａ…第１の出力電極中心点、６２ｂ…第２の出力電極中心点

Claims (3)

1. 所定の分極軸方向に分極され、複数の幅広面を有する平板状の圧電体基板と、
   前記圧電体基板の一方の幅広面上に隔間して形成された入力電極及び出力電極と、前記圧電体基板の他方の幅広面上であって、前記入力電極及び前記出力電極のそれぞれに対向して形成されたアース電極と、を有する電極群を備える圧電トランスであって、
   前記電極群は、複数形成されていることを特徴とする
   圧電トランス。
2. 前記圧電体基板の分極軸方向は、前記入力電極の中心点と、前記出力電極の中心点を結ぶ方向にほぼ平行であり、
   前記複数の電極群は、前記分極軸方向、又は、前記分極軸方向に対してほぼ垂直方向に配置されることを特徴とする
   請求項１に記載の圧電トランス。
3. 請求項１又は２に記載の圧電トランスを用いて構成されていることを特徴とする
   電源回路。