JP3266122B2 - 圧電トランス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電トランスに関
し、特に、小型化、軽量化、高信頼性が要求される小型
整流電源に用いられる圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種の電池駆動式電子機器に商用
電源から電源を供給するいわゆるＡＣアダプターの降圧
型トランスには、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、小型で軽量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、電磁トランスとは全く動作原
理が異なる、圧電効果を用いた圧電トランスが提案され
ている（例えば、シー．エー．ローゼン（Ｃ．Ａ．Ｒｏ
ｓｅｎ）、「圧電磁器トランスフォーマ」（Ｃｅｒａｍ
ｉｃ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）、プロシーディング
オブ エレクトロニックコンポーネント シンポジウム
１９５７（Ｐｒｏｃ．oｆ Ｅ１ｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃ
ｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（１９５
７））、第２５６〜２１１頁）。

【０００４】図５に、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一例の斜視図を示す。図５を参照
してその構成を説明すると、長板状圧電セラミック（磁
器）板３１０が長さ方向にわたって、駆動部（低インピ
ーダンス部）３１と発電部（高インピーダンス部）３２
との二つに二等分されている。駆動部３１は圧電セラミ
ック板３１０の厚み方向に分極しており、上下両面の平
面状電極３１１，３１２（３１２は３１１に対向して形
成、図示せず）が駆動部の全域に拡がって設けられてい
る。発電部３２は圧電セラミック板３１０の長さ方向に
分極しており、長さ軸に垂直な端面に端面電極３１５が
設けられている。

【０００５】この構成の圧電トランスは昇圧用のもので
あり、昇圧用としてその動作原理を説明すると、駆動部
３１の上下二つの平面状電極３１１，３１２の間、すな
わち、入力端子３１７，３１８の間に外部から交流電圧
を与える。駆動部３１は上記の交流入力電圧に応じて、
圧電横効果により長さ方向に振動する。これにより圧電
セラミック板３１０に長さ方向の振動が生じ、発電部３
２にはその振動による圧電縦効果により、駆動部の平面
状電極３１１または３１２と発電部の端面電極３１５と
の問（図５の場合は、電極３１２と電極３１５との間）
つまり、出力端子３１８，３１９の間に、入力電圧と同
じ周波数の昇圧された電圧が生じる。

【０００６】ここで、上記の交流入力電圧の周波数を圧
電セラミック板３１０の長さ方向の機械共振の周波数と
等しくしておけば、非常に高い出力電圧が得られる。図
５に示すトランスは、上記の共振を１次モード、つま
り、圧電セラミック板３１０の長さをＬとし、交流入力
電圧の波長をλとしてＬ＝１（λ／２）で駆動するトラ
ンスである。上記したローゼンタイプの構成の圧電トラ
ンスは、昇圧型のものであることから、入出力を逆にす
れば降圧型となるが、これを降圧型として用いた場合に
は、インピーダンスマッチングの問題があり、実用には
供さない。

【０００７】これに対し、降圧型の圧電トランスとし
て、特開平４−２９１７７３号公報で提案されているも
のがある。特開平４−２９１７７３号公報で提案されて
いる降圧型の圧電トランスの構成を図６に示す。図６に
おいて、４１で示す部分が駆動部（高インピーダンス
部）であり、内部電極４０６，４０７（４０７は図示せ
ず）と圧電磁器４０８が積層され、各内部電極は外部電
気端子４０４，４０５（図示せず）を介して電気的に接
続されている。そして、これらの圧電磁器４０８は、厚
み方向に分極されている。また、４２で示す部分が発電
部（低インピーダンス部）であり、内部電極４０１、４
０２と圧電磁器４０３を積層し、各内部電極は外部電気
端子４０９，４１０（図示せず）を介して電気的に接続
されている。そして、これらの圧電磁器４０３も厚み方
向に分極されている。さらに、輪郭上に溝部４１１が形
成されている。

【０００８】この圧電トランスは、駆動部４１の厚さ方
向の縦振動に連動させて、発電部４２の厚さ方向の振動
を発生させ、降圧された電圧を発生させるもので、駆動
部４１の外部電気端子４０４と４０５を介して、駆動部
４１に厚さ方向の１次または２次の共振周波数の交流電
圧を印加して、発電部４２の外部電気端子４０９と４１
０を介して、発電部４２に降圧された電圧を発生するも
のである。また、本従来例の圧電トランスは、駆動時の
応力集中を緩和する目的で輪郭上に溝部４１１を形成し
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電トランスには次のような問題点があった。まず、従
来のローゼン型圧電トランスは、既に述べたように昇圧
型のものであり、入出力を逆にすれば降圧型に原理的に
はなるが、インピーダンスマッチング、変換効率の点で
問題があり、実用には供さない。

【００１０】次に、特開平４−２９１７７３号公報にお
いて提案されている圧電トランスは、厚み縦振動を利用
したもので、駆動周波数が５〜２０ＭＨｚと高すぎるた
め、駆動回路上に困難な点があり、実用化の点で問題が
ある。

【００１１】また、溝部が振動方向に対し垂直な方向に
形成されていることから、剥がれる方向にあり、繰り返
し振動に対して耐久性に問題がある。

【００１２】さらに、降圧用として圧電トランスを用い
た場合、大電流が流れることによる圧電トランスの発熱
ということが大きな問題の一つとなるが、上述した従来
例では何ら考慮されていない。

【００１３】本発明は上記問題点にかんがみてなされた
ものであり、第１に、駆動周波数が低く、駆動回路など
の実用化において問題がない圧電トランスの提供を目的
とする。第２に、発熱に対する有効な対策が施されてい
る圧電トランスの提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の圧電トランスは、複数の内部電極と
圧電磁器層とが交互に積層され、互いに隣接する前記圧
電磁器層が厚み方向に相互に逆向きに分極されている積
層体から構成され、前記積層体の厚み方向に低インピー
ダンス部と高インピーダンス部とが配置されている圧電
トランスにおいて、前記積層体の面方向に直交する側の
側面に面方向に沿って複数の溝部が形成され、かつ、こ
の溝部に、面方向に沿ってフィン部が設けられることに
より、前記積層体の面方向の中心側から端縁側に向かっ
て湾曲するように振動する振動モードを有する構成とし
てある。

【００１５】このような構成の発明によれば、従来の積
層型の圧電トランスと異なり、積層体を例えば平板状の
正方形とすることにより、積層体の面方向の中心側から
端縁側に向かって湾曲するように振動する。かかる振動
モードは、共振周波数が低く、従って、駆動周波数を低
くすることができる。

【００１６】

【００１７】また、かかる溝部が上記振動モードの振動
により、溝部の形成方向と直交する方向に積層体の側面
が振動するため、溝部が空気を扇ぐような状態で振動
し、積層体の側面が冷却される。その結果、空冷効果に
より圧電トランスの発熱を抑制できる。さらに、このよ
うな構成の発明によれば、フィン部の振動により、空冷
効果がより有効になり、圧電トランスの発熱を抑制する
ことができる。

【００１８】

【００１９】請求項２記載の圧電トランスは、請求項１
記載の圧電トランスにおいて、前記フィン部が、幅の１
倍〜１０倍の高さを有する構成としてある。このような
構成の発明によれば、フィン部をこのような薄型構造と
することで、振動により空気を扇ぐ効果が促進され、空
冷効果が促進され、圧電トランスの発熱を抑制すること
ができる。

【００２０】請求項３記載の圧電トランスは、請求項１
または２に記載の圧電トランスにおいて、前記積層体
が、平板状の正方形である構成としてある。このような
構成の発明によれば、積層体の面方向の中心側から端縁
側に向かって湾曲するように振動する振動モードを実現
することができる。

【００２１】請求項４記載の圧電トランスは、請求項１
または２に記載の圧電トランスにおいて、前記積層体
が、円盤形である構成としてある。このような構成の発
明によれば、積層体の面方向の中心側から端縁側に向か
って湾曲するように振動する振動モードを実現すること
ができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電トランスの実
施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本
発明の圧電トランスの一実施形態を示すもので、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は底面図である。

【００２３】この圧電トランス１００は、内部電極１１
１と圧電磁器層１１２を交互に積層した積層体１１３で
構成されている。この積層体１１３は、平板状の正方形
となっている。積層体１１３の厚み方向の図面上半分は
低インピーダンス部（発電部）１２０として、下半分は
高インピーダンス部（駆動部）１３０として構成されて
いる。

【００２４】図１に示した圧電トランス１００の低イン
ピーダンス部１２０の内部電極１１１には、積層体１１
３の表面に形成されている２つの出力電極１２１が接続
されている。また、高インピーダンス部１３０の内部電
極１１１には、積層体１１３の表面に形成されている２
つの入力電極１３１が接続されている。

【００２５】また、圧電トランス１００の面方向と直交
する側の側面には、面方向と平行に複数の溝部１４０
が、積層体１３０の４つの側面全体に形成されている。

【００２６】この溝部１４０の拡大図を図２に示す。内
部電極１１１間の圧電磁器層１１２の側面に例えばワイ
ヤーソーを用いて面方向と平行に数十μｍ程度の間隔を
置いて２本の溝部１４０が例えば５０〜３００μｍ程度
の深さで形成されていると共に、これらの溝部１４０の
間に幅が数十μｍ程度のフィン部１４１が立設されてい
る。フィン部１４１は、幅の１〜１０倍の高さを有する
薄い板状体とすることが好ましい。

【００２７】この圧電トランス１００の断面構造を図３
に示す。低インピーダンス部１２０の内部電極１１１
は、左右の２つの出力電極１２１と一つ置きに接続され
ており、高インピーダンス部１３０の内部電極１１１も
同様に図示しないが一つ置きに入力電極１３１に接続さ
れている。低インピーダンス部１２０の圧電磁器層１１
２の厚みは高インピーダンス部１３０の圧電磁器層１１
２の厚みより薄く、かつ、低インピーダンス部１２０の
積層数は高インピーダンス部１３０の積層数より多くな
っている。また、内部電極１１１を介して隣接する圧電
磁器層１１２は、厚み方向に互いに逆向きに分極されて
いる。

【００２８】この圧電トランス１００は、扁平な四辺形
状であり、厚み方向に高インピーダンス部１３０と低イ
ンピーダンス部１２０が分離配置された構成になってい
る。そのため、入力電極１３１に交流電圧を印加する
と、高インピーダンス部１３０の圧電磁器層１１２が面
方向に収縮、拡張するため、図４に示すように、積層体
１１３の面方向の中心側から端縁側に向かって湾曲する
ように、言い換えれば、四辺形の中心軸から外側に向か
うモードで振動する。これにより、溝部１４０に形成さ
れているフィン部１４１は、撓み振動し、空気を扇ぐよ
うな動作で振動する。

【００２９】すなわち、図２に示す溝部１４０のフィン
部１４１に矢印に示す如くたわみ振動を発生させること
によって、空冷効果により、圧電トランス１００の発熱
を抑制することができ、これによってエネルギー変換効
率を向上させることが可能となる。

【００３０】このような圧電トランス１００によれば、
積層数を任意に変えることにより負荷のインピーダンス
マッチングに合わせて低インピーダンス化しやすく、ま
た、高インピーダンス部と低インピーダンス部を絶縁分
離した構成であることから安全上の問題もない。そし
て、振動モードとしては、面方向の中心側から端縁側に
向かって湾曲するように振動するという従来利用してい
ないモードを使うことにより、実用的な駆動周波数で駆
動できる。

【００３１】また、積層体１１３の側面に形成した溝部
１４０のフィン部１４１をこの振動に連動させてたわみ
振動させることにより、空冷効果を上げ、圧電トランス
１００の発熱を抑制することができる。

【００３２】さらに、溝部１４０の形成方向が振動と同
一方向であることから、振動に伴う引っ張り応力が溝部
１４０に加わらないため、繰り返し振動に対する機械的
な信頼性が向上する。

【００３３】

【実施例】（第１実施例）本発明の圧電トランスの第１
実施例について説明する。本発明の圧電トランスは、圧
電磁器材料としてネベック８（トーキン製）を用い、図
１に示した構成の圧電トランスをグリーンシート積層法
により作製した。また、内部電極は焼成タイプのＡｇ／
Ｐｄぺ一スト（Ａｇ／Ｐｄ比が７０／３０）を用い、圧
電磁器のグリーンシート上に、所定のパターンでスクリ
ーン印刷した後、積層し、圧電磁器とともに温度１２０
０℃、キープ時間２時間の条件で一体焼成することによ
り形成した。

【００３４】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Ａｇ／Ｐｄを用いたが、圧電
性を有する圧電材料およびこれと一体焼成可能な電極材
料であれば他の組み合わせても動作することは言うまで
もない。

【００３５】積層の構成としては、駆動部１３０につい
ては、圧電磁器７層、内部電極層６層で、内部電極１１
１間の厚みは３００μｍであり、発電部１２０について
は、圧電磁器３５層、内部電極層３４層で、内部電極１
１１間の厚みは１００μｍである。

【００３６】次に、焼成後、一辺２４ｍｍの正方形で厚
み６ｍｍの寸法に加工した後、ワイヤーソーを用いて、
側面上に深さ１５０μｍ、幅５０μｍの溝部１４０を形
成するとともに幅３０μｍ、高さ１５０μｍのフィン部
１４１を形成した。そして、焼成タイプのＡｇ／Ｐｄぺ
一ストを入力電極、出力電極となる位置に印刷後、温度
７００℃、キープ時間１５分の条件で焼成することによ
り、入力電極１３１、１３１および出力電極１２１、１
２１を形成した。

【００３７】その次に、分極治具を用いて、温度１００
〜２００℃のシリコーンオイル中において、電界を２〜
３ｋＶ／ｍｍ印加して、駆動部１３０および発電部１２
０をそれぞれ分極した。

【００３８】この結果得られた圧電トランスに１０Ωを
負荷として、駆動周波数７０ｋＨｚで電圧を印加し、径
方向の共振の１次モードで駆動してトランス特性を評価
したところ、出力電力２０Ｗで、エネルギー変換効率９
７％、変成比が０．２５であった。

【００３９】これに対し、溝部を形成しない場合は、出
力電力が２０Ｗで、エネルギー変換効率が９１〜９５％
であった。これは、駆動に伴って溝部１４０のフィン部
１４１にたわみ振動が発生して空冷され、発熱が抑制さ
れたことによるもので、本発明の圧電トランスは、溝部
を形成しないものより変換効率が優れていることがわか
る。

【００４０】（第２実施例）次に、本発明の圧電トラン
スの第２実施例について説明する。第２実施例は溝部１
４０の形状変更に関するものである。第１実施例では、
溝部１４０の形状を深さ１５０μｍ、幅５０μｍで、フ
ィン部１４１の幅を３０μｍ、高さを１５０μｍとした
が、第２実施例では、溝部１４０の深さを１００μｍと
した。

【００４１】このようにして得られた圧電トランスを第
１実施例と同様に分極した後、１０Ωを負荷にして電圧
を印加し、第１実施例と同様にトランス特性を評価した
ところ、出力電力２０Ｗで、エネルギー変換効率９８
％、変成比が０．２５であった。

【００４２】本実施例では、たわみ振動の周波数が、第
１実施例のものに対し１．５倍高くなった結果、冷却効
果がさらにアップした。

【００４３】このように、本発明の圧電トランスは、従
来にない面方向の中心軸から外側に向かうモードで振動
する構成とし、この圧電トランスの側面上にフィンを有
する溝部を形成して、圧電トランスの振動に連動して溝
部のフィンにたわみ振動を発生させ、これにより冷却す
ることにより、エネルギー変換効率を十分高くできる。
また、溝部が振動方向と同一の方向に形成された構成に
することにより、振動に伴う引っ張り応力が溝部に加わ
らないため、繰り返し振動に伴う機械的強度の信頼性が
向上する。

【００４４】上記実施形態、実施例では、積層体の形状
は板状の四辺形となっているが、その他の形状、例えば
円盤状は、振動モードから好ましい形状であり、四辺形
に限定されるものではない。また、本発明の圧電トラン
スは昇圧型とすることも可能であり、降圧型に限定され
るものではない。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電トラ
ンスによれば、複数の内部電極と圧電磁器層とが交互に
積層された積層体を、例えば平板状の四辺形とすること
により、積層体の面方向の中心側から端縁側に向かって
湾曲するように振動する振動モードを有する圧電トラン
スとすることができる。そのため、低インピーダンス化
しやすく、また、実用的な駆動周波数で駆動できる。

【００４６】また、積層体の側面に溝部を設け、その溝
部にフィン部を設けることにより、上記振動モードによ
りフィン部が撓み振動するため、冷却効果に優れ、エネ
ルギー変換効率を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電トランスの一実施形態を示すもの
で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は底面図
である。

【図２】本発明の圧電トランスの溝部を示す断面図であ
る。

【図３】本発明の圧電トランスの一実施形態の断面構造
を示す断面図である。

【図４】本発明の圧電トランスの振動モードの一つを示
す模式図である。

【図５】従来の圧電トランスを示す斜視図である。

【図６】従来の圧電トランスを示す斜視図である。

【符号の説明】

１００ 圧電トランス １１１ 内部電極 １１２ 圧電磁器層 １１３ 積層体 １２０ 低インピーダンス部（発電部） １２１ 出力電極 １３０ 高インピーダンス部（駆動部） １３１ 入力電極 １４０ 溝部 １４１ フィン部

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の内部電極と圧電磁器層とが交互に
   積層され、互いに隣接する前記圧電磁器層が厚み方向に
   相互に逆向きに分極されている積層体から構成され、前
   記積層体の厚み方向に低インピーダンス部と高インピー
   ダンス部とが配置されている圧電トランスにおいて、前記積層体の面方向に直交する側の側面に面方向に沿っ
   て複数の溝部が形成され、かつ、この溝部に、面方向に
   沿ってフィン部が設けられることにより、 前記積層体の面方向の中心側から端縁側に向かって湾曲
   するように振動する振動モードを有することを特徴とす
   る圧電トランス。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電トランスにおいて、 前記フィン部が、幅の１倍〜１０倍の高さを有すること
   を特徴とする圧電トランス。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の圧電トランス
   において、 前記積層体が、平板状の正方形であることを特徴とする
   圧電トランス。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の圧電トランス
   において、 前記積層体が、円盤形であることを特徴とする圧電トラ
   ンス。