JP2508575C

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Publication number: JP2508575C
Authority: JP
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Publication date: 1997-12-17

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、各種の高電圧発生用電源回路で動作可能な圧電トランス、特に小型
化、高信頼度が要求される小型・薄型でかつ高電圧を発生する圧電トランスに関
する。【０００２】【従来の技術】従来、テレビジョンの偏向装置や複写機の帯電装置など高電圧を必要とする装置内の電源回路では高電圧発生用の変圧素子として巻線型の電磁トランスが用い
られてきた。この電磁トランスは磁性体のコアに導線を巻き付ける構造になって
おり、高い変成比を実現するためには巻き付ける導線の数を多くする必要がある
。そのため、小型・薄型の電磁トランスを実現するのは非常に困難であった。【０００３】これに対し、圧電効果を用いた圧電トランスが提案されている。図７に従来の
代表的な圧電トランスであるローゼン型圧電トランスの構造を示す。以下、図面
に沿って説明する。高電圧を取り出す場合、表面に電極が設けられた圧電板にお
いて、７１で示す部分は圧電トランスの低インピーダンスの駆動部であり、その
上下面に電極７３、７４が設けられており、この部分は図中矢印で示すように厚
み方向に分極されている。また、同様に７２で示す部分は高インピーダンスの発
電部分であり、その端面に電極７５が設けられており、発電部７２は図中矢印で
示すように圧電板の長さ方向に分極されている。この圧電トランスの動作は以下
の通りである。外部端子７６、７７から駆動電極７３、７４に電圧が印加される
と、駆動部７１では分極方向に電界が加わり分極とは垂直方向に変位する圧電効
果（以後、圧電横効果３１モードと略す）で長さ方向の縦振動が励振され、トラ
ンス全体が振動する。さらに発電部７２では、分極方向に機械的歪が生じ分極方
向に電位差が発生する圧電効果（以後、圧電縦効果３３モードと略す）により、
出力電極７５から外部端子７８に入力電圧と同じ周波数の電圧が取り出される。
このとき、駆動周波数を圧電トランスの共振周波数と等しくすれば非常に高い出
力電圧が得られる。尚、高電圧を入力し、低電圧を出力させる場合には、縦効果
の高インピーダンス部分７２を入力側とし、横効果の低インピーダンス部分７１
を出力側にすれば良いことは明かである。【０００４】この圧電トランスは共振状態で使用され、一般の電磁トランスに比べて（１）
巻線構造が不用でエネルギー密度も高いため小型化・薄型化が図れること、（２
）不燃化が図れること、（３）電磁誘導によるノイズがでないこと、等数多くの
長所を有している。【０００５】【発明が解決しようとする課題】従来のローゼン型圧電トランスでは、発電部の電極が振動の腹に位置するため
、外部端子の接続が振動に悪影響を与えたり信頼性が大きく低下する等の短所が
あった。また、圧電トランスのインピーダンスに比べて極端に大きな負荷抵抗の
場合では比較的高い出力電圧が得られるが、負荷抵抗の値がさほど大きくない場
合にはそれほど高い出力電圧が得られないという欠点があった。【０００６】【課題を解決するための手段】本発明は、長板構造の圧電磁器トランスにおいて、それぞれ全体の長さの厚さ
方向に分極された圧電磁器層と内部電極をそれぞれ複数層積層した構造を有する
２つの駆動部を圧電磁器トランスの両端部に配置し、さらに長さ方向の中心を含
む中央部に長さ方向に分極された発電部を配置し、かつ振動の節に当たる部分か
ら電気端子を取り出す構造を特徴とする圧電磁器トランスとその駆動方法である
。【０００７】【作用】以下、図を用いて説明する。本圧電磁器トランスの幅方向に垂直に切断した断
面図を図１（ａ）に示す。また、図１中ａ−ａ‘における長手方向に垂直に切断
した断面図を図１（ｂ）に、ｂ−ｂ’，ｃ−ｃ‘における長手方向に垂直に切断
した断面図を図１（ｃ）に示す。本圧電磁器トランスでは駆動部１１を長さ方向
の両端に配置し、中央部に発電部１２を配置した構造となっている。駆動部では
、厚さ方向に分極した圧電磁器層１１１を、分極方向が互い違いになるように内
部電極１１２を挟みながら配置し、その内部電極は１枚おきに表面の外部電極１
１３、１１４（１１５、１１６）と接続されている。尚、ここでは圧電磁器層１
１１を奇数である５層としたため、図１（ｂ）において外部電極１１３が上と左
、１１４が下と右に配置されているが、圧電磁器層１１１の数が偶数の場合はど
ちらかの外部電極が１つの側面と２つの主面、もう一方の外部電極は残りの１つ
の側面だけに配置される。【０００８】一方、発電部の圧電磁器１２１は長さ方向に分極されており、その両側に比較
的細い内部電極１２２と表面の外部電極１２４が、さらに長手方向の中心には内
部電極１２３と外部電極１２５が配置されている。このとき、内部電極１２３を
挟んで分極方向は逆向きになっている。内部電極１２２と１２３はそれぞれ外部
電極１２４と１２５により接続されている。外部電極１２４は駆動部の外部電極
１１４、１１６と接続され同電位電極として機能し、一方、外部電極１２５から
出力端子が取り出される。【０００９】さて、この圧電磁器トランスの駆動部１１の外部電極１１３−１１４（１１５
−１１６）間に電圧を印加すると、電気機械結合係数ｋ₃₁を介して圧電横効果３
１モードにより長さ方向の縦振動が発生する。その縦振動は出力部１２に伝わり
電気機械結合係数ｋ₃₃を介して圧電縦効果３３モードにより電圧が発生し、外部
電極１２５から取り出される。このとき、印加される電圧の周波数が圧電磁器ト
ランスの長さ縦振動の共振周波数と等しければかなり高い出力電圧が得られる。【００１０】続いて本圧電磁器トランスに有利な外部端子の取り出し方について説明する。
図２に外部端子の接続方法と長さ縦振動３次モードの長さ方向の変位および応力
分布を示す。入力端子２１は駆動部の外部電極１１５、１１３とそれぞれ接続点
２４、２５において接続されている。入出力の共通端子２２は外部電極１１６、
１１４と接続点２６、２７において接続されている。また、出力端子２３は、発
電部の外部電極１２５と接続点２８で接続されている。【００１１】さて、長さ縦振動３次モードは縦振動の３／２波長が圧電磁器トランス全体の
長さに等しい振動モードで、図２の変位分布に示したように３カ所の振動の節Ａ
，Ｂ，Ｃが存在する。このうち、節Ａと節Ｃは両端から１／４波長内側に入った
所で、節Ｂは圧電磁器トランス全体の中心である。ここで節の位置と接続点を比
較した場合、接続点２４と２６を節Ａに、接続点２５と２７を節Ｃに、接続点２
８を節Ｂに配置させることが可能である。このように本発明の構造の圧電磁器トラ
ンスでは、全ての電気端子を振動の節から取り出すことが可能であるため、良好
な振動特性と高い信頼性を実現できる。【００１２】本圧電磁器トランスの共振周波数近傍の集中定数近似等価回路は、他の圧電ト
ランスと同様に図３で示される。図３においてＣｄ₁，Ｃｄ₂はそれぞれ入力側，
出力側の制動容量，Ａ₁，Ａ₂は入出力の力係数，ｍ，ｃ，ｒ_mは長さ縦振動３次
モードに関する等価質量、等価コンプライアンス、等価機械抵抗である。本発明
の圧電磁器トランスの入出力の力係数Ａ₁，Ａ₂は、次式で表される。【００１３】【数１】【００１４】【数２】【００１５】ここに、ｗ：幅、ｔ：全体の厚さ、ｌ₂：出力部の半分の長さ、ε：誘電率、
ｓ：弾性コンプライアンス、ｋ：電気機械結合係数図３の等価回路から明らかな
ように、一般に圧電トランスの出力電圧Ｖ_outは、接続される負荷の抵抗値によ
って変化し、負荷抵抗の値が大きいほどＶ_outの値も大きくなる。ところが、高
電圧かつ高電力の用途では負荷の抵抗値はさほど高くなく、出力電圧Ｖ_outは出
力端解放時よりも数分の１以下とかなり低くなってしまう傾向があった。それに
対し本発明の圧電磁器トランスでは、駆動部をｎ層の圧電磁器層で構成している
ため、式（１）で示される力係数Ａ₁は積層数ｎに比例して大きくなる。そのた
め、積層していない構造の圧電トランスに比べて約ｎ倍の出力電圧を得ることが
でき、比較的低い負荷抵抗に対しても十分高い電圧を供給できる。【００１６】また、本発明の圧電磁器トランスでは、図１に示したように発電部に内部電極
１２２、１２３を配置しているので、外部電極１２４、１２５だけの場合に比べ
て、分極処理の際の発電部１２内の電気力線の歪みが少なくほぼ長さ方向に平行
となる。そのため発電部の圧電磁器の分極は長さ方向に揃い電気機械結合係数ｋ
₃₃を材料の限界近くまで高めることができる。【００１７】【実施例】（実施例１）本発明に基づく圧電磁器トランスの実施例として図１に示した構
成の圧電磁器トランスをグリーンシート法により作製した。圧電磁器の材料には
ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃）系圧電磁器を用いた。また、内部電極は１
１２、１２２、１２３はＰｔペーストを圧電材料のグリーンシート上にスクリー
ン印刷し、圧電材料と共に一体焼成することにより形成した。ここでは圧電磁器
と内部電極の材料としてＰＺＴ系圧電磁器およびＰｔを用いたが、圧電性を有す
る圧電磁器材料およびそれと一体焼成可能である電極材料であれば他の組合せで
も動作することは言うまでもない。駆動部および発電部の電極部とも圧電磁器層
５層、内部電極４層の構造で各圧電磁器層の厚さは０．２ｍｍとし全体の厚さを
１ｍｍとした。焼成後、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍの寸法に切断し、Ａｇペースト
を塗布、焼成することにより外部電極１１３、１１４、１１５、１１６、１２４
、１２５、１２６を形成した。これらの外部電極は、塗布・焼成以外の方法、例
えば蒸着法はスパッタ法を用いてＡｇ以外の導電性材料の薄膜を形成しても一向
に構わない。その後、１００℃の絶縁油中において４ｋＶ／ｍｍの電圧を印加す
る分極処理を施した。さらに、図２で示したように導線をハンダを用いて接続し
た。このとき、駆動部の接続点２４、２５、２６、２７は圧電磁器トランスの両
端から５ｍｍ内側の位置とした。【００１８】この圧電磁器トランスの長さ縦振動３次モードの共振周波数はアドミタンスの
周波数特性から１５３ｋＨｚと測定された。この圧電磁器トランスに高電圧用途
としては比較的低抵抗である２００ｋΩの負荷抵抗を接続したところ、入力電圧１０Ｖに対して６５０Ｖの出力電圧が得られ、このときの出力電力は２．１Ｗで
あった。【００１９】また、この実施例による圧電磁器トランス１００個を連続２０００時間駆動し
たが、外部電極の剥離や特性の異常が認められた試料は１個も無かった。【００２０】尚、この圧電磁器トランスは図４に示す様に４端子の変圧素子として使用する
ことも可能である。すなわち、発電部の外側の外部電極１２４、１２６に接続点
４２、４３を介して出力端子４１を設ければよい。接続点４２、４３が長さ縦振
動３次モードの節ではないが、このような端子構造とすることで入力端子２１、
２２と出力端子２３、４１が直流的には完全に絶縁される。したがって、電源回
路に使用する際に回路設計上の自由度が増す。【００２１】（実施例２）続いて上下の主面に外部電極の存在しない圧電磁器トランスを作
製した。構造を図５に示す。図５（ａ）は幅方向に垂直に切断した断面図、（ｂ
）（ｃ）はそれぞれａ−ａ‘，ｂ−ｂ’で切断した断面図である。この圧電磁器
トランスの駆動部５１は、３層の圧電磁器層５１１と４層の内部電極５１２の上
下に圧電磁器の不活性層５１３が配置されている。内部電極５１２は図５（ｂ）
に示した様に側面に配置された外部電圧５２、５３さらに外部端子５６、５７に
接続されている。この接続点の位置は振動の節に置くのが望ましい。一方発電部
では、図５（ｃ）に示すように内部電極５２３は側面の外部電極５４、５５を介
して出力端子５８に接続される。この場合外部端子の５５は必ずしも必要ではな
い。また、内部電極５２２も同様に側面の外部電極で接続されるが、この外部電
極は駆動部の外部電極５２、５３のいずれかに接続される。この圧電磁器トラン
スの動作原理等は先の実施例と同じである。活性層の割合が減る分扱えるパワー
は減少するが、上下の主面に電極を配置していないので振動の節であれば上下か
ら金属などの導体で挟む様な支持が可能となる。実際に作製した圧電磁器トラン
スに２００ｋΩの負荷抵抗を接続したところ、入力電圧１０Ｖの時に、出力電圧
５１０Ｖすなわち出力電力１．３Ｗが得られた。【００２２】（実施例３）さらに、発電部には内部電極を有しない圧電磁器トランスを作製
した。その幅方向に垂直な断面図を図６に示す。駆動部６１は実施例１と全く同
じ構造であるが、発電部は長さ方向に分極された圧電磁器６２１と外部電極６２
２のみで構成されている。３個の外部端子は外部電極６１３、６１４、６２２に
接続される。尚、外部端子を４端子としたい場合には発電部の比較的外側に外部
電極（図１の１２４に相当）を設ければよい。この実施例では発電部に内部電極
がないため、分極処理の際に外部電極に電圧を印加しても電気力線が長さ方向に
完全には揃わず効率の面でやや不利であるが、圧電磁器トランスの厚さに比べて
発電部の長さが十分長い場合には効率の低下はさほど大きくない。実際に作製し
た圧電磁器トランスに３３０ｋΩの負荷抵抗を接続したところ、入力電圧１０Ｖ
の時に、出力電圧６８０Ｖすなわち出力電力１．４Ｗが得られた。【００２３】【発明の効果】以上詳述した如く、本発明に従った構成の圧電磁器トランスは、高電圧・高電
力・高信頼性の特性を持ち、かつ小型・薄型であるという点で従来の圧電トラン
スにはない長所があり、工業的価値も多大である。
【図面の簡単な説明】【図１】本発明の圧電磁器トランスの断面図である。【図２】本発明の圧電磁器トランスの接続図および変位分布図である。【図３】圧電磁器トランスの集中定数等価回路図である。【図４】４端子構造の圧電トランスの接続図である。【図５】上下面に電極のない実施例の断面図である。【図６】発電部に内部電極のない実施例の断面図である。【図７】従来のローゼン型圧電トランスの斜視図である。【符号の説明】１１、４１、５１、６１、７１駆動部１２、４２、５２、６２、７２発電部１１１、１２１、５１１、５１３、６１１、６２１圧電磁器１１２、１２２、１２３、５１２、５２２、５２３、６１２内部電極１１３、１１４、１１５、１１６、１２４、１２５、１２６、５２、５３、５４，５５、６１３、６１４、６２２，７３、７４，７５、外部電極２１、２２、２３、４１、５６、５７、５８、７６、７７、７８電気端子

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】長板構造の圧電磁器トランスにおいて、厚さ方向に分極された圧電磁器層と内
部電極を交互に複数層積層した駆動部を圧電磁器トランスの両端部に配置し、さ
らに長さ方向の中心を含む中央部に長さ方向に端部から中央部の向きに分極され
た発電部を配置し、かつ振動の節に当たる部分から電気端子を取り出す構造を特
徴とする圧電磁器トランス。【請求項２】請求項１の圧電磁器トランスにおいて、圧電磁器トランスの長さ方向の中心部
に１層あるいは複数の内部電極を配置しその内部電極すべてに出力電気端子を接
続し、また発電部の両端にそれぞれ１層あるいは複数の内部電極を配置してそれ
を駆動部の一方の電極と接続したことを特徴とする圧電磁器トランス。【請求項３】請求項１、２の圧電磁器トランスにおいて、駆動部の外部電極と導線との接続
点を、圧電磁器トランスの両端から長さ縦振動３次モードの波長の４分の１だけ
内側に配置し、その圧電磁器トランスを長さ縦振動３次モードの共振周波数で駆
動することを特徴とする圧電磁器トランスの駆動方法。