JP5090909B2 - 圧電トランス - Google Patents

Description

圧電トランスは高い電圧を低い電圧に変換することに又はその逆に変換することに適している。

圧電トランスは例えば刊行物ＵＳ２８３０２７４から公知である。

解決すべき課題は、一方で良好な電気的特性及び他方で高い絶縁破壊強さ（Durchschlagfestigkeit）を有する圧電トランスを提示することである。

圧電トランスは入力部及び出力部を有するボディを含む。これらの入力部及び出力部の少なくとも１つの中には内部電極の少なくとも３つのグループが含まれており、それぞれグループの内部電極は互いに導電的に接続されており、別のグループの内部電極から電気的に絶縁されている。

圧電トランスは有利には少なくとも２つの機械的に互いに結合された部分、入力部（１次側）及び出力部（２次側）を含む。各部分は圧電セラミックスの層を有し、２つの互いに重なり合う層の間に内部電極が設けられている。同一の極性の内部電極はボディの表面上に配置された外部電極（集電極）によって互いに導電的に接続されている。

トランスの入力部と出力部との間には絶縁層が設けられている。

入力部及び出力部の層の中の圧電セラミックスはこのボディ部分の外部乃至は内部電極への電圧の印加によって分極される。

入力部乃至は出力部は少なくとも２つの区間を含み、これらの少なくとも２つの区間は電気的に互いに絶縁された外部電極を圧電トランスのボディの側面上に有する。これらの区間のセラミックス層は互いに正反対に方向付けられた分極を内部電極に関して有し、これらの内部電極は共通の外部電極に接続されている。

同一部分（入力部又は出力部）の隣接した区間は互いに導電的に接続された外部電極を有し、これらの外部電極はボディの表面上に配置されている。ボディ部分の異なる区間に割り当てられそれぞれ集電バーの部分を形成する互いに接続される外部電極はボディの正反対の側面上にあり、この集電バーにはこれらの区間の第１の内部電極が接続されている。隣接する区間の第１の内部電極は１つの共通の外部電極又はボディの同一側面上に配置された複数の外部電極に接続されてもよい。

変形実施形態においては、ボディの正反対の側面上に配置された、同一ボディ部分（入力部又は出力部）の隣接する区間の２つの外部電極が少なくとも１つの内部電極によって互いに電気的に接続される。更に別の変形実施形態では、同一ボディ部分の異なる区間の外部電極間の電気接続が導電性ワイヤによって又はボディ表面に延在する導体路によって作られる。

ここで提示される圧電トランスによって得られる利点は２つある。第１に、絶縁領域の幅に対するセラミックス層の厚さの適応によってセラミックス材料の比較的良好な分極が達成されうる。第２に、トランスの全幅に対するアクティブ層の幅が大きく選択されうる。両方のファクタは圧電トランスの比較的良好なパフォーマンスをもたらす。

次に圧電トランス及び圧電トランスを有する装置を概略的なかつ縮尺に忠実ではない図面に基づいて説明する。

図面は概略的に、
図１は例示的な圧電トランスを示し、
図２は圧電トランスの２つの区間に分割された入力部を部分的に示し、ここで入力部の電気的な端子はボディの同一側面に配置されており、
図３は圧電トランスの２つの区間に分割された入力部を部分的に示し、ここでボディの異なる側面上に配置され、異なる区間に割り当てられた２つの外部電極が内部電極を介して導電的に接続されている。

図１は多層圧電トランスの例を示す。このトランスは入力部1及び出力部２を有する。これらの部分は機械的に互いに結合されている。

入力部１は圧電セラミックスを含んでいる複数の層１１を有する。それぞれ２つの圧電層の間には内部電極１２、１３、１２’、１３’が設けられている。この入力部の中に配置された異なる極性の内部電極は１２及び１３で示され、出力部の中に配置された異なる極性の内部電極は２２及び２３で示されている。第１の内部電極１２はトランスの表面上に配置された外部電極１４によって互いに導電的に接続されている。第２の内部電極１３は外部電極１５によって互いに接続されている。第１及び第２の内部電極は交互に配置されている。

トランスの出力部２も類似のやり方で構成されている。２つの圧電層２１の間には第１の内部電極２２及び第２の内部電極２３が配置されている。同一の極性の内部電極２２又は２３はトランスの表面上に配置された外部電極２４乃至は２５によって互いに導電的に接続されている。外部電極１４、１５及び２４、２５は接続ワイヤ１６、１７及び２６、２７によって外部電気回路に接続可能である。

入力部１及び出力部２の圧電層はそれぞれ内部電極１２、１３、２２及び２３に対して垂直方向に分極される。入力部１及び出力部２の中のセラミックス層１１、２１の厚さの間の比率がこのトランスの電圧及び電流変換比率を決定する。

図１に示されたトランスでは入力部１も出力部２も多層構造を有するが、これはどうしても必要というわけではない。本発明はただ１つの部分、すなわち入力部か又は出力部かのいずれかだけが多層構造を有する圧電トランスにも適用可能である。

図１に示されたような多層圧電トランスは有利な変形実施形態ではトランスの横方向の広がり（図１ではこれはボディの全幅Ｗである）に関して及び内部電極の間の間隔Ｔin乃至はＴoutに関して次に説明される制限を有する。Ｔinは入力部の中の連続する内部電極の間の間隔に関し、Ｔoutは出力部の中の連続する内部電極の間の間隔に関する。

トランスの入力部及び出力部の中の圧電層１１及び２１を分極させるためには、異なる極性の内部電極すなわち入力部の１２と１３との間に乃至は出力部の２２と２３との間に電圧が印加されなければならない。

セラミックスの特性及びトランスの電気的パフォーマンスは、電圧を印加した際に各セラミックス層内部で分極の間に発生される電界の強度に強く依存する。このような特性はセラミックスの電気機械結合係数である。この係数が大きければ大きいほど、トランスのパフォーマンスは良くなる。結合係数の高い値は典型的には電界によるセラミックスの分極によって数ｋＶ／ｍｍのオーダにおいて得られる。

分極の間に印加される電圧の大きさは内部電極の縁部とトランスの表面上に配置されこの縁部の方に向いた、しかしこの内部電極から電気的には絶縁された外部電極との間の絶縁領域の幅Ｗiso,in、Ｗiso,outによって大きく制限される。入力部ではこれは第１の内部電極１２と第２の外部電極１５との間の間隔Ｗiso,in乃至は第２の内部電極１３と第１の外部電極１４との間の間隔Ｗiso,inである。出力部ではこれは第１の内部電極２２と第２の外部電極２５との間の間隔Ｗiso,out乃至は第２の内部電極２３と第１の外部電極２４との間の間隔Ｗiso,outである。

トランスの入力又は出力部における分極の間に電圧が印加される。この場合外部電極と内部電極の縁部との間に生じる電界は、相反する極性の互いに向かいあった２つの内部電極１２、１３乃至は２２、２３の間の電界よりも強い。なぜなら、導通する面とこれに対して横切る方向に設けられた面の鋭い縁部との間の電界は、実質的に互いにパラレルに置かれた２つの面の間の電界よりも大きいからである。この結果、絶縁領域を貫く電気的な絶縁破壊が生じうる。

圧電セラミックスの良好な特性を保証し電気的な絶縁破壊を回避するのに十分な強さの電界を発生することができるためには、絶縁領域の幅Ｗiso,inが内部電極１２と１３との間の間隔Ｔinより大きい乃至は幅Ｗiso,outが内部電極２２と２３との間の間隔Ｔoutより大きい必要がある。すなわち、Ｗiso,in≧Ｔin及び／又はＷiso,out≧Ｔoutである。有利な変形実施形態では次のことが成り立つ：トランスの入力部１に対してはＷiso,in≧ｎ×Ｔin及びトランスの出力部２に対してはＷiso,out≧ｎ×Ｔout、ただしここでファクタｎは典型的には２に等しいか又は２より大きい。すなわち、１／ｎ（＝Ｔin／Ｗiso,in及び／又はＴout／Ｗiso,out）は最大０．５である。

異なる極性の内部電極がオーバーラップしているボディ領域はアクティブ領域と呼ばれる。１つの極性の内部電極だけが設けられているボディ領域は絶縁領域と呼ばれる。

ボディの入力部の幅Ｗinは次のように絶縁領域の幅Ｗiso,in及びアクティブ領域の幅Ｗact,inに依存する、すなわち、
Ｗin＝Ｗact,in＋２×Ｗiso,in
である。ボディの出力部の幅Ｗoutは次のように絶縁領域の幅Ｗiso,out及びアクティブ領域の幅Ｗact,outに依存する、すなわち、
Ｗout＝Ｗact,out＋２×Ｗiso,out
である。有利にはＷin＝Ｗout＝Ｗであり、つまりボディの幅は一定である。

従って、絶縁破壊を回避するための絶縁領域の幅の拡大は、ボディの全幅Ｗが一定である場合にはトランスの全幅に対するアクティブ領域の縮小をもたらす。

この場合不利なことは、アクティブ領域の縮小が大抵の場合トランスの電気的特性を、とりわけその効率を低下させることである。

絶縁領域の幅の拡大にもとづく圧電トランスの全幅に対するアクティブ領域の縮小は次に説明される実施例において回避されうる。

解決のアイデアは、トランスの入力部１又は出力部２を複数の区間に分割し、各区間に印加される電圧が入力部に印加される全電圧に対して実質的に区間の個数と等しいファクタだけ低減されるようにこれらの区間を電気的に互いに結合することである。

各区間の絶縁領域における電界強度はこの区間に印加される電圧に比例する。ボディ部分の各区間に印加される電圧の低減は絶縁領域を貫く電気的絶縁破壊の確率を低減させる。というのも、この場合絶縁領域における電界強度が低減されるからである。

各区間に印加される電圧の低減はセラミックス層１１乃至は２１における電界強度の低減をもたらす。この電界を変わらないようにたもつためには、変形実施形態において区間の個数に比例してこれらの層の厚さが低減される。この場合、絶縁領域を貫く電気的な絶縁破壊なしでセラミックスの所定の分極が実現されうる。

トランスの入力部１及び／又は出力部２の中の区間の個数は、この場合トランスの全幅に対するトランスの入力部１の絶縁領域の幅Ｗiso,in乃至は出力部２のＷiso,outの低減が絶縁領域を貫く電気的絶縁破壊の危険を高めることなしに可能であるように選択される。この場合、トランスの全幅に対するアクティブ領域の幅は比較的大きくなる。このことはトランスの良好な性能のために有利である。

入力部１及び／又は出力部２を複数の区間に分割した後でこの入力部１及び／又は出力部２の中のセラミックス層の厚さの変化にもかかわらず、トランスの電圧変換は有利な変形実施形態では保たれる。セラミックス層の厚さの変化が補償されるようにこれらの区間が互いに接続される場合にそうなる。セラミックス層の厚さは例えば区間の個数に反比例して低減される。例えばこの厚さは直列に電気的に互いに接続された２つの区間のおいては実質的に半分にされる。

図２は多層圧電トランスのボディ部分、ここでは入力部１を示す。図２及び３における入力部の記述は一般性の制限なしにトランスの出力部へも適用可能である。

圧電トランスのボディの表面上には共通外部電極１１５が設けられている。入力部１は２つの区間１０１及び１０２に分割されている。これらの区間はセラミックス層１１１を含み、これらのセラミックス層１１１の間には内部電極１１２、１１３、１１２’、１１３’が設けられている。区間１０１及び１０２の第１の内部電極１１２、１１２’は外部電極１１５によって電気的に接続され、外部電極１１５は両方の区間１０１及び１０２に共通している。第２の内部電極１１３は第１の外部電極１１４によって互いに接続されている。第３の内部電極１１３’は第２の外部電極１１４’によって互いに接続されている。圧電セラミックス層は各区間の中で内部電極１１２、１１３、１１２’及び１１３’に対して垂直方向に分極される。内部電極１１２、１１２’に関して区間１０２の中のセラミックス層における電気分極は区間１０１の中のセラミックス層における電気分極とは正反対に方向付けられている。端子ワイヤ１６及び１７は外部電気回路への圧電トランスの入力部１の電気的結合の目的のために外部電極１１４及び１１４’に接続されている。

図３は部分的に多層圧電トランスの一部分、ここでは入力部１を示す。入力部１は２つの区間１０１及び１０２に分割されている。図２のトランスとは異なり、両方の区間１０１及び１０２の第１の内部電極が接続されている集電極は３つの部分を有する。すなわち、向かい合っている２つの異なるトランスの側面に設けられている第３の外部電極１１５及び第４の外部電極１１５’、そしてこれらの外部電極１１５及び１１５’を導電的に接続する内部電極１１６である。この内部電極１１６は図３では圧電トランスのボディの中に組み込まれた内部電極として示されている。代替的な解決策として、電極１１５と１１５’との間の接続がボディの外側に延在するワイヤによって又は少なくとも部分的にボディの表面に沿って延在する接続によって行われてもよい。

例示的な圧電トランスを示す。 圧電トランスの２つの区間に分割された入力部を部分的に示し、ここで入力部の電気的な端子はボディの同一側面に配置されている。 圧電トランスの２つの区間に分割された入力部を部分的に示し、ここでボディの異なる側面上に配置され、異なる区間に割り当てられた２つの外部電極が内部電極を介して導電的に接続されている。

符号の説明

Ｉ ボディ
１ 入力部
２ 出力部
１２、１３ 入力部の内部電極
２２、２３ 出力部の内部電極
１４、１５ 入力部の外部電極
２４、２５ 出力部の外部電極
１６、１７、２６、２７ 端子ワイヤ
１０１ 入力部１の第１の区間
１０２ 入力部１の第２の区間
１１、１１１、２１ 圧電層
１１２、１１２’ 第１の内部電極
１１３ 第２の内部電極
１１３’ 第３の内部電極
１１４ 入力部１の第１の外部電極
１１４ 入力部１の第２の外部電極
１１５ 第３の外部電極
１１５’ 第４の外部電極
１１６ 第３の及び第４の外部電極１１５、１１５’を接続する内部電極
ｐ 分極のベクトル
Ｔin 入力部の中の圧電層１１１の厚さ
Ｔout 出力部の中の圧電層１１１の厚さ
Ｗiso,in 入力部の中の縁部領域の広がり
Ｗact,in 入力部の中のアクティブ領域の広がり
Ｗiso,out 出力部の中の縁部領域の広がり
Ｗact,out 出力部の中のアクティブ領域の広がり

Claims (10)

1. 圧電トランスであって、
   １つのボディを有し、
   入力部分（１）及び出力部分（２）を有し、
   該入力部分（１）及び出力部分（２）はそれぞれ前記ボディのつながった部分を形成する、圧電トランスにおいて、
   前記入力部分及び出力部分（１、２）のうちの少なくとも１つの中には内部電極（１１２、１１３、１１２’、１１３’）の少なくとも３つのグループが含まれており、
   それぞれグループの内部電極（１１２、１１２’）は互いに導電的に接続されており、別のグループの内部電極（１１３、１１３’）から電気的に絶縁されており、
   前記ボディの２つの部分（１、２）のうちの少なくとも１つは、少なくとも２つの区間（１０１、１０２）に分割されており、
   第１の区間（１０１）及び当該第１の区間（１０１）に隣接する第２の区間（１０２）の中に配置された第１の内部電極（１１２、１１２’）は、互いに導電的に接続されておりかつ第１のグループを形成し、
   前記第１の区間（１０１）の中に配置された第１の内部電極（１１２）は、第３の外部電極（１１５）に接続され、前記第２の区間（１０２）の中に配置された第１の内部電極（１１２’）は第４の外部電極（１１５’）に接続されており、
   前記第３の及び第４の外部電極（１１５、１１５’）は、前記ボディの異なる側面に配置されていることを特徴とする圧電トランス。
2. 第２の内部電極（１１３）の第２のグループが設けられており、該第２のグループは前記第１の区間（１０１）に限定されており、
   さらに第３の内部電極（１１３’）の第３のグループが設けられており、該第３のグループは前記第２の区間（１０２）に限定されている、
   請求項１記載の圧電トランス。
3. 前記第１の区間（１０１）の中に配置された第１の内部電極（１１２）及び第２の内部電極（１１３）は、第１のキャパシタを形成するために互いに交互に配置されており、
   前記第２の区間（１０２）の中に配置された第１の内部電極（１１２’）及び第３の内部電極（１１３’）は、第２のキャパシタを形成するために互いに交互に配置されており、
   前記第１の及び第２のキャパシタは直列に接続されている、
   請求項２記載の圧電トランス。
4. 前記第２の内部電極（１１３）は、ボディ部分の第１の外部電極（１１４）に接続されており、
   前記第３の内部電極（１１３’）は、当該ボディ部分の第２の外部電極（１１４’）に接続されている、
   請求項２又は３記載の圧電トランス。
5. 前記第１の外部電極（１１４）及び第２の外部電極（１１４’）に、外部電気回路との電気接続を行うための接続ワイヤ（１６，１７）が配置されている、
   請求項４記載の圧電トランス。
6. 前記第３の外部電極（１１５）及び第４の外部電極（１１５’）は、内部電極（１１６）によって互いに導電的に接続されている、
   請求項１〜５のうちの１項記載の圧電トランス。
7. 前記第３の外部電極（１１５）及び第４の外部電極（１１５’）を接続する前記内部電極（１１６）は、末端にある第２の内部電極（１１３）と、末端にある第３の内部電極（１１３’）との間に配置されている、
   請求項６記載の圧電トランス。
8. 前記ボディは圧電層（１１１）を有し、当該圧電層（１１１）の間には前記内部電極（１１２、１１３、１１２’、１１３’）が配置されており、
   前記隣接する区間の中では前記圧電層（１１１）の分極が、前記第１の内部電極（１１２、１１２’）に関して正反対に方向付けられている、
   請求項１〜７のうちの１項記載の圧電トランス。
9. 前記ボディは圧電層（１１１）を有し、当該圧電層の間には前記内部電極（１１２、１１３、１１２’、１１３’）が配置されており、
   前記ボディ部分の少なくとも１つに対して、次のことが当てはまる、すなわち、
   前記圧電層（１１１）の厚さ（Ｔin，Ｔout）は、グループの内部電極（１１２、１１３）の縁部と、ボディ表面に配置されかつ当該内部電極の方を向いているが当該内部電極から電気的に絶縁された外部電極（１１４、１１５）との間の間隔（Ｗiso,in、Ｗiso,out）よりも小さい、
   請求項１〜８のうちの１項記載の圧電トランス。
10. 前記間隔（Ｗiso,in、Ｗiso,out）に対する前記厚さ（Ｔin，Ｔout）の比は、最大０．５である、
    請求項９記載の圧電トランス。

Images