JP3659309B2

JP3659309B2 - Piezoelectric transformer

Info

Publication number: JP3659309B2
Application number: JP21278899A
Authority: JP
Inventors: 哲夫丹羽; 健一吉村; 道明西村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: JP2001044527A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に用いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ、およびノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディスプレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ等に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化に関し、電源回路の小型化は重要な課題の一つであり、電源回路内の高周波による小型化が図られている。
【０００３】
従来のスイッチング電源では、変圧器として電磁誘導を原理とする電磁トランスを用いるが、高周波下での電磁トランスは、ヒステリシス損、渦電流損および表皮効果による損失が増大するという問題があった。
【０００４】
さらに、電磁トランス自身の小型化、薄型化は、巻線の極細線多数巻による銅損、磁器結合の低下および漏れ磁束の増加を招き、いずれも電源回路の効率を大きく下げる原因となっていた。さらにまた、巻線による電磁ノイズの発生などの問題があった。
【０００５】
一方、圧電トランスは圧電効果を原理とし、電磁トランスと比べて、小型化してもエネルギー密度が高く、かつ巻線を用いないため電磁ノイズが少ないなどの長所がある。
【０００６】
図６に、従来のローゼン型圧電トランスを示す。このローゼン型圧電トランスは、長方形板状圧電基板１０１の長手方向のほぼ半分を１次側とし、厚み方向に電極１０２、１０３が形成され、長手方向の残るほぼ半分を２次側とし、端面に電極１０４が形成されて構成されている。１次側は厚み方向に分極され、２次側は長手方向に分極されている。圧電トランスの１次側は圧電基板１０１の制動容量が大きいため低インピーダンスであり、２次側は制動容量が小さいため高インピーダンスである。
【０００７】
そして、２次側の電極１０４と１次側の電極１０２（あるいは１０３）に負荷抵抗を接続し、圧電トランスの１次側の電極１０２、１０３間に、圧電基板１０１の長さで決まる圧電トランスの共振周波数あるいはその近傍の周波数の交流電圧を印加すると、逆圧電効果により長さ方向に強い機械的振動を励起し、これにより電極１０４に圧電効果によって電荷が発生し、２次側の電極１０４と１次側の電極１０２（あるいは１０３）間に電圧が得られる。
【０００８】
このローゼン型圧電トランスは、２次側の制動容量にもよるが、一般に使用される範囲として、負荷抵抗が１０ＫΩ以上の高インピーダンスであれば、昇圧用の圧電トランスとして、一方、負荷が１０ＫΩ未満の低インピーダンスであれば降圧用の圧電トランスとして動作する。
【０００９】
一方、負荷抵抗を１次側の電極対１０２、１０３間に接続し、圧電トランスの２次側の電極１０４を入力とし、電極１０４と電極１０２（あるいは１０３）に共振周波数あるいはその近傍の周波数の交流電圧を印加すると、負荷抵抗が高インピーダンスであれば昇圧用の圧電トランスとして、低インピーダンスであれば降圧用の圧電トランスとして動作する。
【００１０】
しかしながら、上記ローゼン型圧電トランスにおいて、１次側を入力とし、２次側を出力とした場合、２次側の電極１０４の面積が狭いため、電極１０４に表れる電荷量が少なく、高出力電流を得ることは困難であった。
【００１１】
また電極１０４と電極１０２（あるいは１０３）との距離が長いため、圧電トランスの出力側の容量が小さく、出力インピーダンスが高い。そのため、負荷を接続した場合、高出力電力が得られる負荷はおのずと高いものに制限されてしまうという問題があった。即ち、例えば、ノートパソコン等の電子機器に用いられるアダプタ用電源の場合、負荷が低インピーダンスのため、従来のローゼン型圧電トランスでは高出力電力を得ることができず、アダプタ用電源として用いることができないという問題があった。
【００１２】
一方、上記圧電トランスにおいて、２次側を入力とし、１次側を出力とすると、出力側電極面積は広くなるが、電極１０４と電極１０２（あるいは１０３）との距離が長いため、入力インピーダンスが高くなり、圧電トランス入力部での損失が大きく、高出力電力を得ることができない。また、入力インピーダンスを下げるため電極１０４の面積を広げると、圧電トランス自体が大型化してしまい、圧電トランスの持つ小型という利点を損なうという問題があった。
【００１３】
さらに、上記従来のローゼン型圧電トランスでは、電極１０４を持つため、単一の磁器からなる圧電基板１０１を長手方向と厚み方向の異なる２方向に分極する必要があり、そのため、分極方向が異なる界面付近で分極に伴う大きな応力が発生し、使用中に圧電基板１０１が損傷したり破壊するなど信頼性が低いという問題があった。
【００１４】
また、単一の磁器に方向が異なる２種類の分極を施す必要があるため、製造が困難であるという問題があった。さらに、圧電基板１０１の長手方向の分極作業は高電圧を印加する必要があるため、作製時のトランス破壊および作製時における作業の危険性が増大するという問題があった。
【００１５】
そこで、ローゼン型圧電トランスの問題点を解決するために、特開平９−８３０３６号公報には、長さ方向に分極した長方形板状の圧電基板を二次側とし、その上下両主面の中央の対向する位置に幅が同じで長さの短い厚さ方向に分極した圧電基板を接着して一次側とすることにより、昇圧比を高めるようにした圧電トランスが提案されている。又、特開平９−２６０７３９号公報には、厚さ方向に分極した長方形板状の圧電基板を一次側とし、長さ方向に分極した長方形板状の圧電基板を二次側とし、それらを上下に貼り合わせることにより、昇圧比を高めるようにした圧電トランスが提案されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記２つの公報に記載された圧電トランスは、いずれも一次側の電極が二次側の圧電基板の主面に接触して形成されているので、一次側の駆動電圧による影響を受けて二次側の出力電圧が低下するという問題が判明した。更に特開平９−２６０７３９号公報に開示された圧電トランスは、上下非対称であるために、屈曲振動などの不要振動によりスプリアスが発生し、特性を劣化させることも判明した。
【００１７】
それ故、本発明の課題は、不要振動によるスプリアスの影響を受けにくく、上記２つの公報に記載の圧電トランスよりも昇降圧比の高い圧電トランスを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の圧電トランスは、
長方形板状をなし、その長さ方向両端面に電極が形成されて長さ方向に分極された第一の圧電基板と、この第一圧電基板と平面視同形をなし、両側主面に電極が形成されて厚さ方向に分極された第二の圧電基板とを備えた圧電トランスにおいて、
前記第二圧電基板は、第一圧電基板の上下に各々それら圧電基板と平面視同形の低誘電率基板を介して積層されており、
第一圧電基板及び第二圧電基板の一方を駆動部、他方を発電部とし、低誘電率基板を絶縁層としたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の圧電トランスにおいては、第一圧電基板が圧電縦効果を利用して機械的振動を電気的な出力に変換し、第二圧電基板が圧電横効果を利用して電気的な入力を機械的な振動に変換する。そして、第一圧電基板を発電部、第二圧電基板を駆動部とするときは昇圧用トランス、逆の場合は降圧用トランスとして機能する。即ち、前者の場合、第二圧電基板の厚み方向に交流電圧を印加すれば、圧電横効果により長さ方向の振動が励起され、この振動に伴って第一圧電基板の長さ方向端面に圧電縦効果により高い電圧が発生し、昇圧効果を得る。逆に後者の場合、第一圧電基板の長さ方向に交流電圧を印加すれば、圧電縦効果により長さ方向の振動が励起され、この振動に伴って第二圧電基板の厚み方向主面に圧電横効果により低い電圧が発生し、降圧効果を得る。
【００２０】
従って、圧電縦効果を利用する第一圧電基板としては、圧電縦効果の電気機械結合係数ｋ３３の大きな材料からなり、他方、圧電横効果を利用する第二圧電基板としては、圧電横効果の電気機械結合係数ｋ３１の大きな材料からなるのが好ましい。
【００２１】
本発明の圧電トランスでは、第一圧電基板と第二圧電基板とが、それら基板よりも誘電率の高くない低誘電率基板によって分離されているので、いずれを駆動部又は発電部としても発電部の電位分布が駆動部の電位分布の影響を受けにくい。従って、昇圧用として利用するときは高い昇圧比を得ることができ、降圧用として利用するときは高い降圧比を得ることができる。そして、上下対称構造であるから、圧電トランスの機能を発現するために利用する伸縮振動以外の不要な振動が起こりにくく、スプリアスなどの特性劣化要因が少ない。
【００２２】
又、上記のように圧電基板同士が低誘電率基板によって絶縁されていることから、圧電基板材料として駆動部と発電部のそれぞれに適した材料を選択することができ、単結晶材料を用いることもできる。特に駆動部の電位が発電部の電位分布に影響をもたらさないようにするためには、低誘電率基板の比誘電率が１０以下であることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面とともに説明する。図１は実施形態の昇圧用圧電トランスを示す斜視図、図２は同トランスの厚み方向断面結線図である。
【００２４】
圧電トランス１１は、発電部となる長方形板状の１枚の圧電基板１と、駆動部となる長方形板状の同じ厚さの２枚の圧電基板２ａ、２ｂとを備える。圧電基板１は、長さ方向両端面にそれぞれ電極６ａ、６ｂが形成され、図１中に矢印で示すように長さ方向に分極されている。圧電基板２ａ、２ｂは、上下両主面上にそれぞれ電極４ａ、４ｂ及び５ａ、５ｂが形成され、図１中矢印で示すように厚さ方向且つ互いに反対方向に分極されている。
【００２５】
圧電基板１と圧電基板２ａ、２ｂとは、絶縁層となる低誘電率基板３ａ、３ｂを介して密着している。従って、圧電トランス１１は、圧電基板２ａ、低誘電率基板３ａ、圧電基板１、低誘電率基板３ｂ及び圧電基板２ｂが順に積層された構造をなしている。そして、圧電基板２ａの上側に位置する電極４ａと圧電基板２ｂの下側に位置する電極５ｂとは、外部の共通の入力端子７に接続されて入力電極となり、圧電基板２ａの下側に位置する電極４ｂと圧電基板２ｂの上側に位置する電極５ａとは、外部の共通のグランド端子８に接続されてグランド電極となる。また、圧電基板１の一方の端面電極６ａは出力端子９に接続されて出力電極となり、他方の端面電極６ｂはグランド端子１０に接続されてグランド電極となる。
【００２６】
圧電トランス１１は、外部端子７−８間に圧電基板２ａ、２ｂの長さ方向縦振動モードの共振周波数近傍の周波数をもつ交流電圧を印加すれば、圧電効果（圧電横効果）により圧電基板２ａ、２ｂに長さ方向に振動が励起される。圧電基板２ａ、２ｂは、低誘電率基板３ａ、３ｂを介して密着していることから、圧電基板２ａ、２ｂの振動が低誘電率基板３ａ、３ｂを介して圧電基板１に伝わり、圧電基板１を振動させる。その結果、圧電基板１の外部端子９−１０間に圧電逆効果（圧電縦効果）により入力電圧と同じ周波数の高い交流電圧が発生する。
【００２７】
この圧電トランス１１においては、駆動部の内部に位置するグランド電極４ｂ、５ａと発電部となる圧電基板１との間に絶縁層としての低誘電率基板３ａ、３ｂが存在するので、出力電極６ａ、６ｂ間の出力電圧に対するグランド電極４ｂ、５ａの影響が小さい。従って、高い昇圧比を得ることができる。
【００２８】
なお、圧電トランス１１は、結線方法を変えることにより降圧用として利用することもできる。この場合は外部端子９が入力端子、外部端子７が出力端子となる。即ち、圧電基板２ａの上側に位置する電極４ａと圧電基板２ｂの下側に位置する電極５ｂとは、外部の共通の出力端子７に接続されて出力電極となり、また圧電基板１の一方の端面電極６ａは入力端子９に接続されて入力電極となる。グランド電極とグランド端子との接続は昇圧用と同様である。そして、外部端子９−１０間に圧電基板１の長さ方向縦振動モードの共振周波数近傍の周波数をもつ交流電圧を印加すれば、圧電縦効果により圧電基板１に長さ方向に振動が励起される。この振動は圧電基板２ａ、２ｂに伝わり、その結果、外部端子７−８間に圧電横効果により入力電圧と同じ周波数の低い交流電圧が発生する。
【００２９】
昇圧用にしても降圧用にしても、圧電基板２ａ、２ｂは圧電横効果を利用し、圧電基板１は圧電縦効果を利用している。そして、昇圧比（又は降圧比）は駆動側と発電側の電気機械結合係数の積に比例することから、より高い昇圧比（又は降圧比）を得るために、圧電基板２ａ、２ｂとしては圧電横効果の電気機械結合係数ｋ３１の大きい材料を選択し、圧電基板１としては圧電縦効果の電気機械結合係数ｋ３３の大きい材料を選択するのが望ましい。そのような材料の典型例はＰｂ、Ｔｉを主成分とするＰＴ系やＰＺＴ系の圧電セラミックであるが、この実施形態の圧電トランス１１の場合、駆動部と発電部とが絶縁層で分離されているので、各々に最適の圧電特性を示す材料を選択することができ、単結晶をも利用することができる。
【００３０】
各圧電基板は、ＰＴ系やＰＺＴ系の圧電セラミックからなる場合、それぞれ対向する電極４ａ−４ｂ、５ｂ−５ａ、６ａ−６ｂ間に直流の高電圧を印加することにより、容易に分極処理することができる。低誘電率基板としては、アルミナなどの低誘電率のもの、特に比誘電率が１０以下の材料からなるのが好ましい。
【００３１】
すべての電極は、Ａｇ粉末などの導電性材料とガラスからなるペーストをスクリーン印刷し、焼成することにより形成することができる。又、蒸着、スパッタなどの薄膜技術を用いて形成することもできる。
【００３２】
圧電基板及び低誘電率基板は、個別に焼成した後の各基板を互いに接着剤で接合することにより積層してもよいし、グリーンシート（未焼成シート）の段階で積層し、同時焼成することにより接合することもできる。例えば、低誘電率基板の誘電率を重視し、比誘電率１０以下のものを選択したために圧電基板との焼成収縮率が合わない場合は前者の方法で積層する。また製造工程の簡略化を重視し、低誘電率基板の比誘電率を若干犠牲にしても良い場合は、低誘電率基板材料を焼成収縮率に関して圧電基板と近似する組成にし、後者の方法で積層する。
【００３３】
上記昇圧用圧電トランス１１について、圧電基板材料としてＰＺＴ、低誘電率基板材料として比誘電率４のＳｉＯ₂を用い、圧電トランスの寸法を縦２０ｍｍ、横５ｍｍ、３枚の圧電基板の厚みがそれぞれ１ｍｍ、絶縁層の厚みを０．５ｍｍとして昇圧比を解析した。その時、長さ縦振動モードの共振周波数は９２ＫＨｚであった。その結果を図３に共振周波数における電位分布の等高線として示す。比較のために低誘電率基板を備えていない以外は、上記昇圧用圧電トランス１１と同形同質の比較圧電トランスについても同一条件で解析した。その結果を図４に示す。図３と図４とを対比すれば明らかなように、本発明の圧電トランス１１は、発電部の電位が駆動部の電位の影響をあまり受けていない。これに対して、比較圧電トランスは、発電部の上下面の電位が駆動部のグランド電極の電位によって拘束されている。よって、低誘電率基板からなる絶縁層が駆動部と発電部とを有効に分離していると認められる。図５は、ＳｉＯ₂に代えて圧電基板１と同質の未分極の材料（比誘電率：１１５０）を絶縁層とし、上記と同一条件で共振周波数における電位分布を解析して得られた等高線である。図４の場合ほど発電部の上下面の電位は拘束されていないが、図３の場合よりも拘束されていることが明らかである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスは、駆動部と発電部との間に低誘電体材料が絶縁層として介在しているので、駆動部の電位が発電部の電位分布に影響を及ぼすことがない。そのため、高い昇圧（降圧）比を得ることができるし、入出力の周辺回路の自由度を増すことができる。さらに、上下対称構造であるから、スプリアスなどの特性劣化要因も少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の圧電トランスを示す斜視図である。
【図２】上記圧電トランスの断面結線図である。
【図３】上記圧電トランスの電位分布を示す等高線図である。
【図４】比較圧電トランスの電位分布を示す等高線図である。
【図５】圧電基板と同質の材料を絶縁層とした場合の圧電トランスの電位分布を示す等高線図である。
【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】
１１圧電トランス
１、２ａ、２ｂ、１０１圧電基板
３ａ、３ｂ低誘電率基板
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、１０２、１０３、１０４電極
７、８、９、１０外部端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an AC adapter and a DC-DC converter used in various electronic devices, and a piezoelectric transformer used in an inverter of a backlight cold cathode tube for a liquid crystal display used in a notebook computer, a portable terminal and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, miniaturization of power supply circuits has been one of the important issues regarding miniaturization of electronic devices, and miniaturization by high frequency in the power supply circuits has been attempted.
[0003]
In a conventional switching power supply, an electromagnetic transformer based on the principle of electromagnetic induction is used as a transformer. However, an electromagnetic transformer under a high frequency has a problem that hysteresis loss, eddy current loss, and loss due to skin effect increase.
[0004]
Furthermore, the miniaturization and thinning of the electromagnetic transformer itself caused copper loss due to the large number of windings of the windings, a decrease in porcelain coupling, and an increase in leakage flux, all of which greatly reduced the efficiency of the power supply circuit. . Furthermore, there are problems such as generation of electromagnetic noise due to the winding.
[0005]
On the other hand, the piezoelectric transformer is based on the piezoelectric effect, and has advantages such as high energy density even if it is miniaturized and less electromagnetic noise because it does not use windings.
[0006]
FIG. 6 shows a conventional Rosen-type piezoelectric transformer. This Rosen-type piezoelectric transformer has a rectangular plate-like piezoelectric substrate 101 in which the half of the longitudinal direction is the primary side, the electrodes 102 and 103 are formed in the thickness direction, and the remaining half of the longitudinal direction is the secondary side. An electrode 104 is formed and configured. The primary side is polarized in the thickness direction and the secondary side is polarized in the longitudinal direction. The primary side of the piezoelectric transformer has a low impedance because the braking capacity of the piezoelectric substrate 101 is large, and the secondary side has a high impedance because the braking capacity is small.
[0007]
Then, a load resistance is connected to the secondary electrode 104 and the primary electrode 102 (or 103), and the piezoelectric transformer determined by the length of the piezoelectric substrate 101 between the primary electrodes 102 and 103 of the piezoelectric transformer. When an AC voltage having a frequency close to or near the resonance frequency is applied, a strong mechanical vibration is excited in the longitudinal direction due to the inverse piezoelectric effect, whereby electric charges are generated in the electrode 104 due to the piezoelectric effect, and the secondary electrode 104 And a voltage is obtained between the primary electrode 102 (or 103).
[0008]
This Rosen-type piezoelectric transformer depends on the braking capacity on the secondary side, but as a generally used range, if the load resistance is high impedance of 10 KΩ or more, it is a boosting piezoelectric transformer, while the load is less than 10 KΩ. If the impedance is low, it operates as a step-down piezoelectric transformer.
[0009]
On the other hand, a load resistance is connected between the primary electrode pair 102 and 103, the secondary electrode 104 of the piezoelectric transformer is used as an input, and the electrode 104 and the electrode 102 (or 103) have a resonance frequency or a frequency in the vicinity thereof. When an AC voltage is applied, it operates as a step-up piezoelectric transformer if the load resistance is high impedance, and as a step-down piezoelectric transformer if the load resistance is low.
[0010]
However, in the Rosen-type piezoelectric transformer, when the primary side is input and the secondary side is output, the area of the electrode 104 on the secondary side is small, so that the amount of charge appearing on the electrode 104 is small, and a high output current is obtained. It was difficult to get.
[0011]
Further, since the distance between the electrode 104 and the electrode 102 (or 103) is long, the capacitance on the output side of the piezoelectric transformer is small and the output impedance is high. Therefore, when a load is connected, there is a problem that the load that can obtain high output power is naturally limited to a high load. That is, for example, in the case of an adapter power source used in an electronic device such as a notebook personal computer, the load is low impedance, so a high output power cannot be obtained with a conventional Rosen piezoelectric transformer, and it can be used as an adapter power source. There was a problem that I could not.
[0012]
On the other hand, in the piezoelectric transformer, when the secondary side is input and the primary side is output, the electrode area on the output side becomes large, but the input impedance is large because the distance between the electrode 104 and the electrode 102 (or 103) is long. This increases the loss at the piezoelectric transformer input section, and high output power cannot be obtained. Further, if the area of the electrode 104 is increased in order to reduce the input impedance, the piezoelectric transformer itself is enlarged, and there is a problem that the advantage of the small size of the piezoelectric transformer is impaired.
[0013]
Furthermore, since the conventional Rosen-type piezoelectric transformer has the electrode 104, it is necessary to polarize the piezoelectric substrate 101 made of a single porcelain in two directions different in the longitudinal direction and the thickness direction. There is a problem that reliability is low such that a large stress is generated due to polarization in the vicinity, and the piezoelectric substrate 101 is damaged or broken during use.
[0014]
In addition, since it is necessary to apply two types of polarization in different directions to a single porcelain, there is a problem that it is difficult to manufacture. Further, since the polarization work in the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 101 needs to apply a high voltage, there is a problem that the transformer is destroyed during the production and the danger of the production work is increased.
[0015]
In order to solve the problems of the Rosen piezoelectric transformer, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-83036 discloses a rectangular plate-shaped piezoelectric substrate polarized in the length direction as the secondary side and the center of the upper and lower main surfaces thereof. A piezoelectric transformer has been proposed in which a step-up ratio is increased by adhering a piezoelectric substrate polarized in the thickness direction having the same width and a short length at the opposite position to the primary side. Japanese Patent Laid-Open No. 9-260739 discloses a rectangular plate-shaped piezoelectric substrate polarized in the thickness direction as a primary side, and a rectangular plate-shaped piezoelectric substrate polarized in a length direction as a secondary side, which are arranged in the vertical direction. There has been proposed a piezoelectric transformer in which the step-up ratio is increased by bonding them together.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, the piezoelectric transformers described in the above two publications are both affected by the primary side drive voltage because the primary side electrode is formed in contact with the main surface of the secondary side piezoelectric substrate. A problem has been found that the output voltage on the secondary side decreases. Further, since the piezoelectric transformer disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-260739 is asymmetrical in the vertical direction, it has been found that spurious is generated due to unnecessary vibration such as bending vibration, and the characteristics are deteriorated.
[0017]
Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric transformer which is less susceptible to spurious due to unnecessary vibration and has a higher step-up / step-down ratio than the piezoelectric transformers described in the above two publications.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the piezoelectric transformer of the present invention includes:
The first piezoelectric substrate has a rectangular plate shape and electrodes are formed on both end surfaces in the length direction and polarized in the length direction. The first piezoelectric substrate has the same shape as that of the first piezoelectric substrate in a plan view. In a piezoelectric transformer comprising a second piezoelectric substrate that is formed and polarized in the thickness direction,
The second piezoelectric substrate is laminated on the top and bottom of the first piezoelectric substrate via low-dielectric constant substrates having the same shape as that of the piezoelectric substrate in plan view,
One of the first piezoelectric substrate and the second piezoelectric substrate is a drive unit, the other is a power generation unit, and the low dielectric constant substrate is an insulating layer.
[0019]
In the piezoelectric transformer of the present invention, the first piezoelectric substrate uses the piezoelectric longitudinal effect to convert mechanical vibration into an electrical output, and the second piezoelectric substrate uses the piezoelectric lateral effect to mechanically input the electrical input. To dynamic vibration. When the first piezoelectric substrate is used as a power generation unit and the second piezoelectric substrate is used as a drive unit, it functions as a step-up transformer, and vice versa. That is, in the former case, when an AC voltage is applied in the thickness direction of the second piezoelectric substrate, vibration in the length direction is excited by the piezoelectric lateral effect, and along with this vibration, the piezoelectric material is applied to the end surface in the length direction of the first piezoelectric substrate. A high voltage is generated by the vertical effect, and a boosting effect is obtained. On the other hand, in the latter case, if an AC voltage is applied in the length direction of the first piezoelectric substrate, vibration in the length direction is excited by the piezoelectric longitudinal effect, and accompanying this vibration, the thickness direction main surface of the second piezoelectric substrate is excited. A low voltage is generated by the piezoelectric lateral effect, and a step-down effect is obtained.
[0020]
Accordingly, the first piezoelectric substrate utilizing the piezoelectric longitudinal effect is made of a material having a large electromechanical coupling coefficient k33 of the piezoelectric longitudinal effect, while the second piezoelectric substrate utilizing the piezoelectric lateral effect is an electrical material having a piezoelectric lateral effect. It is preferably made of a material having a large mechanical coupling coefficient k31.
[0021]
In the piezoelectric transformer of the present invention, the first piezoelectric substrate and the second piezoelectric substrate are separated by a low dielectric constant substrate having a higher dielectric constant than those substrates, so that the power generation unit can be used as a drive unit or a power generation unit. Is less affected by the potential distribution of the drive unit. Therefore, a high step-up ratio can be obtained when used for boosting, and a high step-down ratio can be obtained when used for step-down. And since it is a vertically symmetrical structure, unnecessary vibrations other than the stretching vibration used for manifesting the function of the piezoelectric transformer hardly occur, and there are few causes of characteristic deterioration such as spurious.
[0022]
In addition, since the piezoelectric substrates are insulated from each other by the low dielectric constant substrate as described above, a material suitable for each of the drive unit and the power generation unit can be selected as the piezoelectric substrate material, and a single crystal material is used. You can also. In particular, the relative dielectric constant of the low dielectric constant substrate is preferably 10 or less so that the potential of the driving unit does not affect the potential distribution of the power generation unit.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a step-up piezoelectric transformer of the embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional connection diagram in the thickness direction of the transformer.
[0024]
The piezoelectric transformer 11 includes one rectangular plate-shaped piezoelectric substrate 1 serving as a power generation unit, and two piezoelectric plates 2a and 2b having the same thickness and serving as a driving unit. The piezoelectric substrate 1 has electrodes 6a and 6b formed on both end faces in the length direction, and is polarized in the length direction as indicated by arrows in FIG. The piezoelectric substrates 2a and 2b have electrodes 4a, 4b and 5a and 5b formed on the upper and lower main surfaces, respectively, and are polarized in the thickness direction and in opposite directions as indicated by arrows in FIG.
[0025]
The piezoelectric substrate 1 and the piezoelectric substrates 2a and 2b are in close contact with each other through low dielectric constant substrates 3a and 3b serving as insulating layers. Accordingly, the piezoelectric transformer 11 has a structure in which the piezoelectric substrate 2a, the low dielectric constant substrate 3a, the piezoelectric substrate 1, the low dielectric constant substrate 3b, and the piezoelectric substrate 2b are sequentially stacked. The electrode 4a located on the upper side of the piezoelectric substrate 2a and the electrode 5b located on the lower side of the piezoelectric substrate 2b are connected to an external common input terminal 7 to become an input electrode, and are located on the lower side of the piezoelectric substrate 2a. The electrode 4b and the electrode 5a located on the upper side of the piezoelectric substrate 2b are connected to an external common ground terminal 8 to be a ground electrode. One end face electrode 6a of the piezoelectric substrate 1 is connected to the output terminal 9 to be an output electrode, and the other end face electrode 6b is connected to the ground terminal 10 to be a ground electrode.
[0026]
When an AC voltage having a frequency in the vicinity of the resonance frequency of the longitudinal vibration mode of the piezoelectric substrates 2a and 2b is applied between the external terminals 7-8, the piezoelectric transformer 11 has a piezoelectric effect (piezoelectric lateral effect) to generate the piezoelectric substrate 2a. 2b is excited in the longitudinal direction. Since the piezoelectric substrates 2a and 2b are in close contact with each other via the low dielectric constant substrates 3a and 3b, the vibration of the piezoelectric substrates 2a and 2b is transmitted to the piezoelectric substrate 1 via the low dielectric constant substrates 3a and 3b. 1 is vibrated. As a result, an AC voltage having the same frequency as the input voltage is generated between the external terminals 9-10 of the piezoelectric substrate 1 due to the piezoelectric inverse effect (piezoelectric longitudinal effect).
[0027]
In the piezoelectric transformer 11, since the low dielectric constant substrates 3a and 3b as insulating layers exist between the ground electrodes 4b and 5a located inside the driving unit and the piezoelectric substrate 1 serving as the power generation unit, the output electrode 6a , 6b has little influence on the output voltage between the ground electrodes 4b, 5a. Therefore, a high step-up ratio can be obtained.
[0028]
The piezoelectric transformer 11 can also be used for step-down by changing the connection method. In this case, the external terminal 9 is an input terminal and the external terminal 7 is an output terminal. That is, the electrode 4a located on the upper side of the piezoelectric substrate 2a and the electrode 5b located on the lower side of the piezoelectric substrate 2b are connected to an external common output terminal 7 to become an output electrode, and one end face of the piezoelectric substrate 1 The electrode 6a is connected to the input terminal 9 and becomes an input electrode. The connection between the ground electrode and the ground terminal is the same as that for boosting. When an AC voltage having a frequency in the vicinity of the resonance frequency in the longitudinal longitudinal vibration mode of the piezoelectric substrate 1 is applied between the external terminals 9-10, vibration is excited in the piezoelectric substrate 1 in the longitudinal direction by the piezoelectric longitudinal effect. The This vibration is transmitted to the piezoelectric substrates 2a and 2b. As a result, an AC voltage having the same frequency as the input voltage is generated between the external terminals 7-8 due to the piezoelectric lateral effect.
[0029]
The piezoelectric substrates 2a and 2b use the piezoelectric lateral effect, and the piezoelectric substrate 1 uses the piezoelectric longitudinal effect regardless of whether the voltage is increased or decreased. Since the step-up ratio (or step-down ratio) is proportional to the product of the electromechanical coupling coefficient on the drive side and the power generation side, the piezoelectric substrates 2a and 2b are piezoelectric in order to obtain a higher step-up ratio (or step-down ratio). It is desirable to select a material having a large electromechanical coupling coefficient k31 of the lateral effect, and to select a material having a large electromechanical coupling coefficient k33 of the piezoelectric longitudinal effect as the piezoelectric substrate 1. A typical example of such a material is a PT-based or PZT-based piezoelectric ceramic mainly composed of Pb and Ti. However, in the case of the piezoelectric transformer 11 of this embodiment, the drive unit and the power generation unit are separated by an insulating layer. Therefore, it is possible to select a material exhibiting optimum piezoelectric characteristics for each, and it is also possible to use a single crystal.
[0030]
When each piezoelectric substrate is made of a PT-based or PZT-based piezoelectric ceramic, it can be easily polarized by applying a high DC voltage between the opposing electrodes 4a-4b, 5b-5a, 6a-6b. Can do. The low dielectric constant substrate is preferably made of a material having a low dielectric constant such as alumina, particularly a material having a relative dielectric constant of 10 or less.
[0031]
All electrodes can be formed by screen-printing and baking a paste made of a conductive material such as Ag powder and glass. It can also be formed using thin film techniques such as vapor deposition and sputtering.
[0032]
The piezoelectric substrate and the low dielectric constant substrate may be laminated by bonding each substrate after being individually fired with an adhesive, or may be laminated at the stage of a green sheet (unfired sheet) and fired simultaneously. Can also be joined. For example, when the dielectric constant of a low dielectric constant substrate is emphasized and a dielectric constant of 10 or less is selected, lamination is performed by the former method when the firing shrinkage rate with the piezoelectric substrate does not match. If importance is attached to the simplification of the manufacturing process and the relative permittivity of the low dielectric constant substrate may be slightly sacrificed, the low dielectric constant substrate material has a composition approximating that of the piezoelectric substrate with respect to the firing shrinkage rate, and the latter method is used. Laminate.
[0033]
For the above-described boosting piezoelectric transformer 11, PZT is used as the piezoelectric substrate material, SiO ₂ having a relative dielectric constant of 4 is used as the low dielectric constant substrate material, and the dimensions of the piezoelectric transformer are 20 mm in length, 5 mm in width, and the thickness of the three piezoelectric substrates. The step-up ratio was analyzed by setting the thickness of the insulating layer to 1 mm and 0.5 mm. At that time, the resonance frequency of the longitudinal vibration mode was 92 KHz. The result is shown in FIG. 3 as contour lines of the potential distribution at the resonance frequency. For comparison, a comparative piezoelectric transformer having the same shape and the same quality as the step-up piezoelectric transformer 11 was also analyzed under the same conditions except that a low dielectric constant substrate was not provided. The result is shown in FIG. As is clear from the comparison between FIG. 3 and FIG. 4, in the piezoelectric transformer 11 of the present invention, the potential of the power generation unit is not significantly affected by the potential of the drive unit. On the other hand, in the comparative piezoelectric transformer, the electric potential of the upper and lower surfaces of the power generation unit is restricted by the electric potential of the ground electrode of the driving unit. Therefore, it is recognized that the insulating layer made of the low dielectric constant substrate effectively separates the drive unit and the power generation unit. FIG. 5 shows contour lines obtained by analyzing the potential distribution at the resonance frequency under the same conditions as described above using an unpolarized material (relative permittivity: 1150) of the same quality as that of the piezoelectric substrate 1 instead of SiO ₂ as an insulating layer. is there. Although the electric potential of the upper and lower surfaces of the power generation unit is not constrained as in the case of FIG. 4, it is clear that it is more constrained than in the case of FIG. 3.
[0034]
【The invention's effect】
In the piezoelectric transformer of the present invention, since the low dielectric material is interposed as an insulating layer between the drive unit and the power generation unit, the potential of the drive unit does not affect the potential distribution of the power generation unit. Therefore, a high step-up (step-down) ratio can be obtained, and the degree of freedom of input / output peripheral circuits can be increased. Furthermore, since it has a vertically symmetric structure, there are few characteristics deterioration factors such as spurious.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric transformer of an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional connection diagram of the piezoelectric transformer.
FIG. 3 is a contour diagram showing a potential distribution of the piezoelectric transformer.
FIG. 4 is a contour diagram showing a potential distribution of a comparative piezoelectric transformer.
FIG. 5 is a contour diagram showing a potential distribution of a piezoelectric transformer in the case where an insulating layer is made of the same material as the piezoelectric substrate.
FIG. 6 is a perspective view showing a conventional piezoelectric transformer.
[Explanation of symbols]
11 Piezoelectric transformers 1, 2a, 2b, 101 Piezoelectric substrates 3a, 3b Low dielectric constant substrates 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 102, 103, 104 Electrodes 7, 8, 9, 10 External terminals

Claims

長方形板状をなし、その長さ方向両端面に電極が形成されて長さ方向に分極された第一の圧電基板と、この第一圧電基板と平面視同形をなし、両側主面に電極が形成されて厚さ方向に分極された第二の圧電基板とを備えた圧電トランスにおいて、
前記第二圧電基板は、第一圧電基板の上下に各々それら圧電基板と平面視同形の低誘電率基板を介して積層されており、
第一圧電基板及び第二圧電基板の一方を駆動部、他方を発電部とし、低誘電率基板を絶縁層としたことを特徴とする圧電トランス。The first piezoelectric substrate has a rectangular plate shape and electrodes are formed on both end surfaces in the length direction and polarized in the length direction. The first piezoelectric substrate has the same shape as that of the first piezoelectric substrate in a plan view. In a piezoelectric transformer comprising a second piezoelectric substrate that is formed and polarized in the thickness direction,
The second piezoelectric substrate is laminated on the top and bottom of the first piezoelectric substrate via low-dielectric constant substrates having the same shape as that of the piezoelectric substrate in plan view,
One of the first piezoelectric substrate and the second piezoelectric substrate is a drive unit, the other is a power generation unit, and the low dielectric constant substrate is an insulating layer.

低誘電率基板の比誘電率が１０以下である請求項１に記載の圧電トランス。The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the low dielectric constant substrate has a relative dielectric constant of 10 or less.