JPH05315668A - 圧電トランスおよび圧電トランスを用いたｄｃ／ａｃ コンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、入力に交流電圧を供給し、その電圧
を昇圧または降圧させる圧電トランスに関し、入出力電
圧比の制御を容易に、且つ特性が良好な状態で行うこと
ができ、スイッチング電源等の電源回路に用いることが
できることを目的とする。 【構成】圧電板７４に電圧を印加し弾性波を発生する入
力電極７１ａ，７１ｂと、圧電板中で共振する弾性波を
検出する出力電極７２ａ，７２ｂを有する圧電トランス
であり、入力電極と出力電極とが波動の周期に合うよう
配置されたストリップ状で、該ストリップ状電極の一部
が分割され、直列または並列に接続されるよう構成す
る。また、圧電板に電圧を印加し弾性波を発生する入力
電極と、圧電板中で共振する弾性波を検出する出力電極
を有する圧電トランスであり、波動の周期に合うよう配
置された電極構造で、入力電極と出力電極とが圧電板の
表裏に分離される構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力に交流電圧を供給
し、その電圧を昇圧または降圧させる圧電トランスに関
する。

【０００２】従来より、交流電流の昇圧降圧は、電磁ト
ランスによりなされている。電磁トランスは一般に入力
捲線と出力捲線を有し、これらは磁気コアにより電磁的
に結合している。かかる構成では、一般にトランスが構
成回路のかなりのスペースを占めることが避けられな
い。

【０００３】一方、情報機器や通信機器をはじめ、ほと
んどの電子機器の電源は、小型・軽量・高効率の特長か
らスイッチング電源が用いられている。スイッチング電
源は直流電源を入力とし、これを半導体の高速スイッチ
ング作用を利用して高周波電力に変換し、制御・整流し
て所定の直流を得るものである。スイッチング電源の小
型化は、高周波化技術を基本として、各種部品のサイズ
の低減が進んできた。

【０００４】図１６はスイッチング電源の最近の小型化
の流れを示す図で、横軸は年代を、左縦軸はスインチン
グ周波数、右縦軸は体積／出力電力をスケールとしてい
る。図中の実線Ａは左縦軸をスケールとするスイッチン
グ周波数の高周波化傾向を示し、破線Ｂは右縦軸をスケ
ールとする単位電力当たりの電源の体積を表している。

【０００５】図中の●は電子交換機用スイッチング電源
における高周波数傾向を、○は電子交換機用スイッチン
グ電源の小体積化傾向を示し、▲黒四角▼は電子計算機
用、□は電子計算機用のスイッチング電源における高周
波数傾向と小体積化傾向を示している。最近は、スイッ
チング周波数の上昇傾向も飽和し体積の小型化にも限界
が感じられる。

【０００６】図１７はスイッチング電源を構成する部品
のスイッチング高周波化による損失増加の様子を示して
おり、横軸は変換周波数、縦軸は電力損失である。図
中、Ａはスイッチング電源全体の損失、Ｂは主スイッチ
である半導体スイッチ（ＦＥＴ）、Ｃは電磁トランス、
Ｄはダイオードの損失を各々示している。

【０００７】ＦＥＴなどの半導体スイッチ損失と電磁ト
ランスの損失の増加が１ＭＨｚを越えると顕著にあらわ
れる。この半導体スイッチの損失を改善する手段として
は、スイッチング回路に電流共振型、電圧共振型などス
イッチ動作の遅れを共振で改善する提案がある。

【０００８】電磁トランスは材料の高周波損失改善が進
められているが、大幅な改善が困難な状況である。この
トランスの特性改善の手段として、圧電トランスが開発
されている。

【０００９】

【従来技術】圧電体結晶あるいはセラミックスをトラン
スとして使うことがＲｏｓｅｎによって提案されている
（Ｃ．Ａ．Ｒｏｓｅｎ，Ｐｒｏｃ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｓｙｍｐ．ｐ．２０５，１９
５７）。この提案では、圧電体基板上に一次側及び二次
側電極が形成され、一次側電極に一次側電圧を印加する
ことで圧電基板に振動を誘起する。このようにして誘起
された振動は二次側電極で電圧に変換される。

【００１０】具体的な構成を図１８（ａ）に示す。この
圧電トランスは、基板厚み方向に作用する分極Ｐｉを有
する第一部分１ａと、基板長手方向に作用する分極Ｐｏ
を有する第二部分１ｂとよりなる誘電体基板１を有して
いる。基板１の第一部分１ａの表裏面に一対の一次側電
極２ａ，２ｂ（図では裏側電極は隠れて見えない）が相
互に対向するように設けられ、一次側電圧Ｖｉが一対の
電極間に印加される。これにより、基板１中には垂直方
向に振動が励起される。

【００１１】基板１の長手方向他端には、二次側電極３
が形成され、圧電体基板の振動を電圧Ｖｏに変換する。
その際、基板１の下面に形成されている電極２ｂが二次
側電極の一つとしても使われ、出力電圧Ｖｏは電極３と
電極２ｂとの間に現れる。また、振動の節４に対応し
て、基板１を機械的に支持する支持機構（図示なし）が
設けられ、これにより基板１は自由に振動することが可
能になる。

【００１２】この圧電トランスの昇圧特性は式 Ｖｏ／Ｖｉ∝ｋ３１・Ｋ３３・Ｑ１・Ｌ２／Ｌ１ であらわされ、ここでＫ３１は横効果についての電気機
械結合係数で、Ｋ３３は縦効果についての電気機械結合
係数である。

【００１３】さらに、Ｌ１は基板１の厚さを、またＬ２
は基板１の第２の部分の長手方向サイズをあらわす。さ
らにＱ１は基板１のＱ値をあらわす。この式より幾何学
的パラメータＬ１，Ｌ２、および物質パラメータＫ３
１，Ｋ３３あるいはＱ１を適当に設定することにより昇
圧比あるいは降圧比を制御できるのが判る。

【００１４】しかし、かかる従来の装置は、一つの基板
１で互いに分極方向が異なった二つの部分１ａ、１ｂを
形成することは困難であり、これを実現するには、基板
１は分極Ｐｉを有する第一の圧電体板と、分極Ｐｏを有
する第二の圧電体板とを接着することで形成される。

【００１５】このような基板１は、一次側電極２ａ、２
ｂに電圧を印加した場合、振動による応力が特に第一と
第二の板接続部分に集中し、このため装置の使用中に板
接続部分が損傷したり破壊したりしてしまう問題点を有
する。

【００１６】また、この従来の装置は電極２ａと電極３
との間の距離が大きいことに対応して内部抵抗が大きい
問題点を有する。このため、この従来の圧電トランスは
パワートランスや大出力電流を要求されるＤＣ−ＤＣコ
ンバータのトランスとしては不適当である。

【００１７】また、東北大学中村教授らによる提案（日
本音響学会講演論文集，平成２年３月，Ｐ６８７、平成
２年９月，Ｐ７６７）がなされている。この構成を図１
８（ｂ）に示す。この圧電トランスはｚ方向に分極Ｐを
有する１４０°回転ＹカットＬｉＮｂＯ_３よりなる圧電
基板５を使用する。

【００１８】基板５の片半分の表裏面に各々、一次側電
極ないし入力側電極６ａ、６ｂが、基板５を挟んで対向
するように形成される（但し下面の電極は図では隠れて
見えない）。更に基板５の他方の片半分には基板５を挟
んで相互に対向するように二次側電極７ａ、７ｂが形成
される（但し下面の電極は図では隠れて見えない）。

【００１９】ここで、電極６ａと電極７ａは基板５の表
面上で長手方向に整列し、電極６ｂと電極７ｂも基板５
の裏面上で同じく長手方向に整列して形成される。動作
時には、入力交流電圧Ｖｉが電極６ａ、６ｂに印加さ
れ、これに応じて縦波が基板５の片半分中に励起され
る。

【００２０】このようにして励起された縦波は横効果に
より基板５中を他方片半分の長手方向に伝播し、基板５
の長手方向サイズにより定まる周波数で共振を生じる。
この装置では、基板５中において分極Ｐの方向は一定で
あるため、Ｒｏｓｅｎのように板接続基板とする必要が
なく、一枚板から切り出した圧電体結晶基板が使用で
き、基板を損傷させたり破壊したりするような応力の局
所集中は生じない。

【００２１】昇圧比Ｖｏ／Ｖｉは次式で与えられる。 Ｖｏ／Ｖｉ∝Ｋｉ・Ｋｏ・Ｑａ・１_０１／１_０２ 但し、Ｋｉ、Ｋｏはそれぞれ入力側電極６ａ、６ｂが設
けられている部分における電気機械結合係数および出力
側電極７ａ、７ｂが設けられている部分における電気機
械結合係数である。またＱａは基板５のＱを、１_０１は
電極６ａと電極６ｂの間の距離を、１_０２は電極７ａと
電極７ｂとの間の距離をあらわす。

【００２２】さらに、厚み縦振動を利用した圧電トラン
スが提案（１９９２年電子情報通信学会春季大会Ａ−３
８１日本電気株式会社の大西修氏ら）されている。その
構成を図１８（ｃ）に示す。この圧電トランスは、積層
型で入力側と出力側の積層構造を変えて容量比を変化さ
せるものである。

【００２３】この圧電トランスは、入力側がその上下面
に入力側電極８ａ、８ｂを備えると共に、比較的厚く厚
さ方向に分極Ｐｉｉを有する１層の圧電セラミックス８
で構成されている。これに対して、出力側は厚さ方向に
分極Ｐｉｉｉを有する薄い多層の圧電セラミックス９
が、各分極方向が各層で順次逆方向になるように、各層
間に出力側電極を挟んで積層されている。

【００２４】入力側の電気端子８ｃ、８ｄに交流電圧を
印加すると電気機械結合係数の大きい圧電縦効果により
機械振動が励振される。印加した交流電圧の周波数が圧
電トランス全体の厚み縦振動の共振周波数近傍の場合で
は、出力層でも比較的大きな機械振動が得られ、出力層
では圧電縦効果により機械振動から交流電圧が出力側の
電気端子９ａ、９ｂに出力される。

【００２５】圧電トランスを電源回路に適用する際、特
に負荷抵抗の小さな場合の電圧比を制御する設計法の確
立や大電力による圧電トランスの破損の検討が重要であ
る。また、従来の圧電トランスでは、大電力時の基板支
持の方法は難しい。音響的に負荷になりにくいスポンジ
上に置くか振動の節の部分を細い線で支持していた。

【００２６】しかし電力増加とともに、支持を強固にす
る必要があり、損失の増加につながっている。これらの
問題点を解決し、実際の使用に耐える圧電トランスを提
供すべく、本願の発明者らはエネルギー閉じ込め型圧電
トランス、その周期電極配置を提案した（特願平０４−
２３９３１号）。

【００２７】エネルギー閉じ込め型の提案により、支持
の問題は解決し、不要なモード変換などに起因する損失
も削減でき、かつ素子の側壁切断部には弾性エネルギー
は存在しないので、側壁部分のクラックの破壊に及ぼす
影響は大幅に改善できる。

【００２８】図４に幅振動モードの場合の厚み方向の電
界を利用した本発明者らの提案による従来のエネルギー
閉じ込め型圧電トランスの構成を示す。これはＬｉＮｂ
Ｏ_３等の圧電材からなる基板１０の表面上の幅方向Ｗの
中央部に電極１１ａ、１１ｂがＬ方向に整列して形成さ
れ、電極１１ａ、１１ｂ間には所定長さのギャップ１２
が形成されている。

【００２９】また基板１０上にはさらに電極１１ａ、１
１ｂに接続された接続パッド１３ａ、１３ｂが形成さ
れ、基板１０の裏面にも表面の電極および接続パッドと
同形状の電極、接続パッドがそれぞれ対向するように形
成されている。

【００３０】このトランスは電極１１ａとその裏面側の
対応電極を入力側（または出力側）、電極１１ｂとその
裏面側の対応電極を出力側（または入力側）とし、その
入力電極に交流電圧を印加することで弾性波を発生さ
せ、その弾性波が基板１０の端面１４ａ、１４ｂで反射
し、特定の周波数で共振することで出力電極に出力され
る。

【００３１】このように、中央付近にのみ電極を形成す
ることで圧電反作用によるエネルギーの閉じ込めを実現
できる。このトランスは横幅Ｌが長くなり、素子面積が
大きくなるのは欠点であるが、これは素子の高周波化で
克服できる。

【００３２】図１９のエネルギー閉じ込め型であって
も、内部抵抗に相当する共振抵抗は数Ω程度である。し
かし、従来の電磁トランスが数十〜数百ｍΩであること
を考えると、利用範囲が大きく限定されてしまう。

【００３３】そこで、圧電トランスの内部損失抵抗の改
善策と大電力の伝送のために、本発明者らは図２０
（ａ）（ｂ）の垂直電界型と面内電界型の幅モードを周
期配列する圧電トランスを提案した。

【００３４】図２０（ａ）のトランスは、ＬｉＮｂＯ_３
等の圧電材からなる基板１５の表面に該圧電トランスを
駆動する周波数での波長ピッチで周期的に配置されたス
トリップ状電極１６と、その裏面側に対向するように形
成されたストリップ状または矩形電極１７とで入力側電
極を構成し、出力側電極も基板表裏面に電極１８、１９
（図２１（ａ）に電極のパターン形状を図示）が弾性波
の進行方向に配置された構成である。

【００３５】図２０（ｂ）のトランスは、同様の圧電材
からなる基板２０の表面のみにすだれ状の入力側電極２
１と出力側電極２２が形成されており、電極２１のスト
リップ状電極２１ａ〜２１ｆは共振周波数の１／２波長
毎に位置し、且つ互いに交差指状に噛み合って構成され
ている。電極２２も同様に交差指状に噛み合った構造に
なっている。

【００３６】尚、図２０（ａ）（ｂ）において、基板１
５、２０の両側（紙面に向かって左右の両側）の端まで
入出力電極パターンが位置している図面となっている
が、実際には該電極パターンの入出力用端子（Ｉｎｐｕ
ｔ、Ｏｕｔｐｕｔ）を形成する部分が該基板１５、２０
の該両側より一体に導出している。

【００３７】図２１（ａ）（ｂ）は図２０の従来トラン
スの基板表裏面に形成された電極パターンの一例につい
て概略形状を示す平面図である。図２１（ａ）は図２０
（ａ）のトランスに対応しており、対向電極１６、１７
はストリップ状電極、対向電極１８、１９は図示の如く
一方がストリップ状電極で他方が矩形電極になってい
る。

【００３８】図２１（ｂ）は図２０（ｂ）のトランスに
対応しており、裏面側には電極が形成されていない。図
２１（ｂ）の場合、入出力電極２１、２２の交差指状の
電極対数は同じであるが、該電極対数を異ならせること
もできる。例えば、出力側電極２２電極対数を入力側電
極２１の電極対数より少なくした場合には昇圧型トラン
スとなり、逆の対数関係にすれば降圧型トランスとな
る。

【００３９】共振抵抗は、対数の増加とともに減少し、
１Ω以下も可能な構造である。ＬｉＮｂＯ_３の場合、幅
すべり振動は、結合係数が大きく、音速もおそく、小型
化の期待できるモードであり、表面でのみ駆動でき、所
謂すだれ状電極（ＩＤＴ：インター・ディジタル・トラ
ンスジューサ）で圧電トランスが構成できる。

【００４０】

【発明が解決しようとする課題】トランスに要求される
機能の一つに、入出力の電圧比の制御のし易さがある。
従来の電磁トランスは入力と出力の捲線数の比で電圧を
コントロールできる。それに対して、従来の圧電トラン
スは、大きな昇圧比の実現を目標としていたこともあっ
て、昇圧，降圧の自由な制御はできなかった。スイッチ
ング電源などの電源回路に用いるためには、昇圧も降圧
も必要で、電圧比を可変できる圧電トランスが望まれて
いる。

【００４１】縦振動の場合には、電極幅を変化すること
によって実現できることを提案し、内部損失を低減する
ために、次に周期電極配置型について提案した。これら
の圧電トランスにおいて、入出力電圧比をどのように制
御するかが、課題であった。

【００４２】一方、従来の圧電トランスは、素子の共振
周波数付近での使用が多かったが、スイッチング電源回
路などに用いられる場合には、駆動源が理想的な電圧源
とみなすことができなかったり、回路全体を共振状態で
使用する場合が多い。そのため、圧電トランスの特性は
単に共振時の特性のみならず、共振付近、とくに共振と
反共振周波数の間の周波数応答にできるだけ不要なスプ
リアスがないことが求められる。従来の基本波共振や２
次高調波共振に比べ、周期電極配置の場合には、板の高
次モード共振が不要なスプリアスとなる場合があり、そ
の対策が必要であった。

【００４３】圧電トランスをスイッチング電源などに用
いるためには、直流を交流へ変換する必要がある。この
やり方として，一般に電流スイッチングが用いられてい
る。最近、共振型回路の提案があり研究が進んでいる
が、圧電トランスに関しての報告はない。圧電トランス
を用いたＤＣ／ＡＣコンバータが求められている。

【００４４】本発明は、以上の如き課題を解決してＤＣ
／ＡＣコンバータに適用できる圧電トランスを実現する
ことを目的とする。

【００４５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の課題を、
圧電板に電圧を印加し弾性波を発生する入力電極と、圧
電板中で共振する弾性波を検出する出力電極を有する圧
電トランスであり、入力電極と出力電極とが波動の周期
に合うよう配置されたストリップ状で、該ストリップ状
電極の一部が分割され直列または並列に接続されたこと
を特徴とする圧電トランス、さらに好ましくは入力、出
力のいずれか一方の電極を中央に配置し、他方の電極を
分割して両端部に対象に配置することを特徴とする圧電
トランスにより達成した。

【００４６】また本発明は前記の課題を、圧電板に電圧
を印加し弾性波を発生する入力電極と、圧電板中で共振
する弾性波を検出する出力電極を有する圧電トランスで
あって、波動の周期に合うよう配置された電極構造で、
入力電極と出力電極とが圧電板の表裏に分離されている
ことを特徴とする圧電トランスにより達成した。

【００４７】更に本発明は前記の課題を、上記圧電トラ
ンスを自励発振素子として使用したＤＣ／ＡＣコンバー
タにより達成した。

【００４８】

【作用】電極が分割され、それが直列または並列に接続
されていることにより、入出力電極の容量比を制御する
ことができ、更に入力、出力のいずれか一方の電極を中
央に配置し、他方の電極を分割して両端部に対象に配置
すると、スプリアス応答が抑圧される。

【００４９】また、入力電極、出力電極とを圧電板の表
裏に配置する構成にすることで、入力電極対数を増倍し
て設計でき圧電トランスとしての内部損失も低減でき
る。さらに入力電極を圧電板表面の全面に設けることで
入力電極は不要な幅振動の高調波を駆動せず、出力電極
も不要のモードには応答しなくなる。

【００５０】

【実施例】（実施例１）まず、電極分割に関する実施例
を説明する。本実施例は前記の課題を、従来例で示した
エネルギー閉じ込め型で周期電極配置構成の圧電トラン
スにおいて、幅振動モードで共振する圧電基板と、該圧
電基板上に形成され、入力側に電界を印加し弾性波を発
生する電極と、出力側で弾性波を受波して正弦波を出力
する電極の組み合わせで入出力電圧比を制御するもので
ある。

【００５１】利用する電界は、基板面に垂直でも、その
面内方向の両方でも良い。本実施例の入出力電極のいず
れかを分割し、例えば中央部を入力電極とし、出力電極
を左右に分割して入力電極の左右に配置する構成とす
る。電極の配置が左右対称であれば偶数次のスプリアス
応答が抑圧され、点対称の配置であれば奇数次のスプリ
アス応答が抑圧される。

【００５２】図１（ａ）は、分割前の圧電トランスであ
って、圧電板７３とすだれ状電極よりなる入力電極７１
ａ，７１ｂと出力電極７２ａ，７２ｂが伝搬路に沿って
左右に配置されている。図１（ｂ）は同様の圧電板７４
と分割されない入力側のすだれ状電極７４ａ，７４ｂと
分割された出力側の電極７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７
ｂとからなる例である。

【００５３】両端部のすだれ状電極７６ａ，７６ｂと７
７ａ，７７ｂは同じ構成とすれば電極７４ａ，７４ｂを
圧電板の中央に配置した場合、不要なスプリアス応答の
一部が抑圧される。

【００５４】また、この出力側電極を直列または並列に
接続することによって入出力の電極の容量比を制御でき
る。

【００５５】図２は分割された電極の接続方法を示すも
のである。図２（ａ）は、分割された両側の出力電極８
１ａ，８１ｂと８３ａ，８３ｂを並列に接続したもので
あり、図２（ｂ）は分割された両側の出力電極８１ａ，
８１ｂと８３ａ，８３ｂを直列に接続したものである。
中央には入力電極８２ａ，８２ｂが配置されている。分
割電極の直列接続部を中央に配置する構成でも良い。

【００５６】図３に示す如く分割されたすだれ状電極８
１ａ，８１ｂと９４ａ，９４ｂとに挟まれた中部はすだ
れ状電極９１ａ，９１ｂと９２ａ，９２ｂが９１ｂと９
２ａとを薄膜電極９３によって直列接続されている。両
端部の電極８１ａ，８１ｂと８３ａ，８３ｂは外部回路
で直列にも並列にも接続することができる。

【００５７】周期的に配列した圧電トランスにおいて、
入出力の電極配置が中央に対して対称であれば、偶数時
の高調波振動は抑圧される。そこで図１（ｂ）の如く、
入力または出力の電極のいずれかを中央に配置し、他方
を中央に対して対称に配置すれば偶数時の高次スプリア
スは抑圧される。

【００５８】入力電極、出力電極のすだれ状電極の配置
が基板の端面に対して対称の配置であれば、共振振動の
分布が中央に対して位相が反対符号となる偶数時共振モ
ード（半波長共振の偶数時モード）はスプリアスとして
は発生、検出されない。

【００５９】また、圧電トランスの共振周波数における
入出力電圧比は、入出力電極の容量比と関係する。分割
して入出力電圧比を制御するために電極を分割して、そ
れを直列または並列に接続する方法は、図２に示す如く
分割された電極８１ａ，８１ｂと８３ａ，８３ｂとを並
列に接続し、入出力電極８２ａ，８２ｂの容量と等しく
なる接続（図１（ａ））や、８１ｂと８３ａを接続し、
８１ａと８３ｂを外部端子とする直列接続がある。後者
の場合、容量比は１／４となる。圧電トランスとしての
共振周波数における出力電圧比は、負荷抵抗が十分に大
きければこの容量比にほぼ反比例することになる。

【００６０】図４は、圧電板としてＬｉＮｂＯ_３のｘ板
を用いて、幅すべり振動の図１（ｂ）実施例に使用する
電極形状を具体的に示す平面図であり、ＬｉＮｂＯ_３の
ｘ板１０２上にストリップ状電極１０１を組合わせた分
割形すだれ状電極１０３ａ，１０３ｂと１０５ａ，１０
５ｂおよび中央のすだれ状電極１０４ａ，１０４ｂとか
らなる幅すべりモード圧電トランスの電極構成としてい
る。電極幅はＴ_１は０．２ｍｍで、ピッチＴ_２は０．４
ｍｍ、交差幅Ｔ_３は８ｍｍで、全体で１９の電極対の構
成としている。

【００６１】中央のすだれ状電極１０４ａ，１０４ｂを
入力電極として、両側のすだれ状電極１０３ａ，１０３
ｂと１０５ａ，１０５ｂを並列接続、または直列接続し
て出力端子として負荷を変えた時の共振時の入力インピ
ーダンスの変化を図５に示す。実線Ａは並列接続した場
合、点線Ｂは直列接続した場合であり、実線Ａは理論的
に予測される４５度の直線（点線Ｃ）に近似している。

【００６２】図６は、分割電極型圧電トランスの並列接
続と直列接続の入出力電圧比と負荷抵抗の関係を示すグ
ラフである。図６において、実線Ａは並列接続した場
合、点線Ｂは直列接続した場合であり、直列接続による
昇圧の効果が確認できる。

【００６３】（実施例２）次に、入力電極、出力電極を
表裏に分離する構成に関する実施例を説明する。

【００６４】図２１（ａ）（ｂ）は、従来の周期電極配
置による圧電トランスであるが、この構成では、入出力
電極を周期配置として全面に配置することはできなかっ
た。

【００６５】本発明者らは入出力電極を圧電板の表裏に
分離して配し、いずれかのすだれ状電極の周期配置を共
振モードの全波数に対応して配置する構成とした。

【００６６】図７は電極を表裏に分離する構成の原理的
な図であり、ＬｉＮｂＯ_３等の圧電材料からなる圧電体
２０１の表面２０２にすだれ状の電極２０４ａ，２０４
ｂを配置し、裏面２０３にすだれ状電極２０５ａ，２０
５ｂを配置するものである。入出力電極を構成するすだ
れ状電極は前記実施例のように分割し、それらの直列接
続、並列接続等の組合わせ接続が適用できる。

【００６７】図８に示す如く、圧電体２１１の表裏面２
１２，２１３に形成するすだれ状電極２１４ａ，２１４
ｂ，２１５ａ，２１５ｂの対数を変化させることによっ
て、入力と出力の容量比を制御でき、トランスとしての
電圧比も制御できる。

【００６８】内部損失を低減するためには、電極対数は
多い方が好ましいので入出力の電極対数を変化させる場
合には、対数の少ない方の電極が配置される面に対数の
多い方の電極の一部も配置する有利な方法である。

【００６９】図８（ｂ）における裏面電極の破線で示し
たすだれ状電極（２１４ａ，２１４ｂ）を実際に形成
し、表面の電極２１４ａ，２１４ｂと並列に接続すれば
より入力側の対数は増加し、内部損失は減少する。

【００７０】幅振動や板波の特徴の一つは、板の表裏に
弾性波の変位が生じることである。幅振動の場合は、表
裏は同じ電位と考えられる。そこで図７に示す如く、入
力電極を表面の全面に配置し、裏面に出力電極を配する
ような構成にすれば、入力電極は不要な幅振動の高調波
を駆動せず、出力電極も不要なモードには応答しないこ
とになる。

【００７１】圧電板の幅共振の場合、周期電極を全面に
配置し、同位相で駆動または検出すると、全電極の効果
を加算した場合、不要のモードには応答しないことにな
る。電極が全面に配置されなくても、配置が基板に対称
ならば偶数時のモードが抑圧されることになる。

【００７２】図９にすだれ状電極が６対の場合をモデル
的に取り上げて説明する。図９（ａ）は電極の構成を示
したが、対向するすだれ状電極２３１ａ，２３１ｂの端
部２３２と２３３が圧電体の端部であることも想定し
て、その端部間で弾性波が共振するものとした。

【００７３】図９（ｂ）は、所定のモード（周波数）の
波動に対するもので周期電極２３１ａ，２３１ｂのスト
リップ状電極には同じ符号の信号が並びかつ２３１ａ，
２３１ｂとでは異なる符号となり、両者間に大きな電圧
が発生する。

【００７４】図９（ｃ）では、駆動および検出したくな
い波動として板の１／２波長共振を取り上げた。所望モ
ードより１２倍も長い基本波の場合では、電極２３１ａ
と２３１ｂとには同じ符号の信号が発生して、両端子間
には電圧は発生しない。

【００７５】図９（ｄ）は、６〜６．５倍の共振周波数
の場合、すなわち所望のモードの次の幅振動の共振モー
ドの場合である。板の両端部での反射の位相が１８０°
変化するので、出力は中央部で左右対称に変化する。

【００７６】そのため、すだれ状電極２３１ａ，２３１
ｂとは中央に対してそれぞれの出力の符号が反転して、
それぞれの電極での加算された出力はゼロとなる。電極
が全面にないとキャンセルはうまくいかない。

【００７７】このように表裏に入出力のすだれ状電極を
分離することにより、弾性波の反射端部間の全面のすだ
れ状電極を入力または出力用として専用できるので、不
要なスプリアスが抑圧される。

【００７８】高い電圧の処理やサージ電圧対策等におい
て、入出力電極間の耐電圧の向上が問題となる場合があ
る。入出力電極が表裏に配置されるので、その間の絶縁
耐力を向上させるため、電極の端部と結晶端部との間に
スペースを設けると良い。また表裏の最も外側の電極を
アースにすることによっても絶縁耐力は向上する。

【００７９】具体的には図１０は、絶縁耐力の向上のた
めの結晶２２１の端部２２３と表裏に形成されたすだれ
状電極２２２ａ，２２２ｂの最も外側の電極部２２２
ｃ，２２２ｄとの間にストリップ幅などを狭くしてスペ
ースを設ける。圧電板２２１の絶縁耐力は、一般に空気
の数十倍以上と考えられ、電極と結晶端部とにスペース
Ｓを設ければ圧電材料の高誘電率と相まって空気中の電
気力線が減少して絶縁耐力は増加する。

【００８０】更に、表裏電極配置により、電極対数は表
面のみ使用時の対数に比べて全体で２倍にでき、入力電
極対数も増倍して設計できるので、圧電トランスとして
の内部損失も低減でき、出力側を短絡させた時の共振抵
抗も低減できる。

【００８１】図１１（ｂ）は、図７の圧電トランスにお
いて、１６対の表裏電極構成とＬｉＮｂＯ_３のＸ板を使
用した幅すべりモードの圧電トランスにおける出力を短
絡した場合の入力インピーダンスの周波数応答特性であ
る。

【００８２】図１１（ａ）は比較のために表面のみに電
極を配した場合で、出力端を短絡した入力インピーダン
ス特性である。図１１（ｂ）は、表裏駆動の場合で、不
要なスプリアスが著しく抑圧されている様子が確認でき
た。

【００８３】図１２は図１１（ｂ）の圧電トランスにお
ける電圧比の負荷抵抗依存性を示す図である。このトラ
ンスは、表裏の周期電極対数が入出力同数の場合であ
り、比較的小さな負荷抵抗でもロスレスの場合に理論的
に予測される電圧比１に近い特性を示している。

【００８４】図１３に、図１１（ｂ）の圧電トランスに
おいて表裏全面に周期電極を配置し、接続により入出力
の対数比を変えた時の電圧比の変化の様子を示してお
り、対数比の１／２乗の特性に近似できる。

【００８５】ＬｉＮｂＯ_３のＸ板を用いた図１１（ｂ）
の幅すべりモードの圧電トランスの場合、電極ギャップ
を２００μｍ（λ／４）にして、板厚を３００μｍにし
て、周期電極数を１９波長分とすると、共振時の入力抵
抗は、数Ω以下である。この時、表裏の電極間の並列容
量は７０ｐＦ程度で５ＭＨｚで６００Ω程度である。

【００８６】（実施例３）次に、内部損失とスプリアス
応答が改善された圧電トランスの駆動に関する実施例を
説明する。本発明者らは、電源回路等のＤＣ／ＡＣコン
バータへの応用法として、自励発振回路へ圧電トランス
の入力端子を挿入し、出力端子から直接ＡＣを取り出す
構成とした。

【００８７】この回路は、圧電トランスの共振子として
の特性と、トランスとしての電圧（インピーダンス）変
換機能を組合わせたものであり、発振回路としては、ハ
ートレー型発振回路が最適である。トランジスタのエミ
ッタとコレクタ間（またはＦＥＴのドレインとソース
間）に圧電トランスの入力側を接続し、ベースとコレク
タ間に、圧電トランスの入力トランスの入力側を接続
し、ベースとコレクタ間にコイルを挿入して、圧電トラ
ンスの誘導性領域で発振させるのに最適である。

【００８８】尚、出力側の負荷によっては、発振条件が
満足されない場合もある。このような場合には、入出力
電極の周期電極対数を変化させることで、発振条件を実
現できる。

【００８９】圧電トランスの高い共振特性が、発振周波
数を安定にする。温度等で圧電トランスの動作特性がシ
フトすると、発振条件もそれに従ってシフトするので、
トランスとしての特性は変化しない。外部から、別の発
振器で圧電トランスを駆動しようとすると、電気的な尖
鋭度の高い共振を示す圧電トランスは、温度等による特
性の周波数シフトが生じる場合があるし、発振器の法の
特性変化も問題になる。しかし、電力の変換を直接自励
発振で行えば、効率の向上だけでなく、安定性も向上す
る。

【００９０】図１４にＭＯＳＦＥＴを用いたハートレー
型発振回路の例を示す。図１４に示すように、ハートレ
ー型の自励発振回路のゲート／ソース間にコイルを挿入
しておき、ドレイン−ソース間に圧電トランスの入力側
を挿入すれば、発振が起こり出力側には高周波の電力が
発生する。出力側の負荷条件によっては、回路のＱが低
くなり過ぎて発振しない場合もある。

【００９１】図１５に発振波形を示す。ＦＥＴのＶ_ＤＳ
は電流スイッチング特性を示し、電流Ｉ_ＤＳはスイッチ
のオフ時に流れる電流共振型特性を示す。トランス出力
は正弦波となり、ＤＣ／ＡＣコンバータとしての電力効
率は６０％程度である。

【００９２】尚、入力側の対数と出力側の対数の比を大
きくすると、入力側から見た負荷抵抗が下がり容易に発
振した。対数比を４対１とした場合、出力側が数Ω〜開
放までの条件で発振した。

【００９３】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、入出力電
圧比の制御をその特性が良好な状態で行うことができ、
スイッチング電源等の電源回路に用いることのできる圧
電トランスを提供することができる。

【００９４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電トランスにおける分割した周期配
列電極構成を示す図である。

【図２】本発明の圧電トランスにおける分割した電極の
接続構成を示す図である。

【図３】本発明の圧電トランスにおける分割した電極の
内部配線による直列接続構成を示す図である。

【図４】本発明に係るＬｉＮｂＯ_３のｘ板幅すべりモー
ドの電極分割型圧電トランスの電極の構成を示す図であ
る。

【図５】本発明に係る分割電極の並列接続と直列接続の
共振時の入力抵抗特性を示す図である。

【図６】本発明に係る分割電極の並列接続と直列接続に
よる入出力電圧比の負荷抵抗依存性を示す図である。

【図７】本発明に係る表裏周期電極配置された圧電トラ
ンスを示す図である。

【図８】本発明に係る表裏周期電極の対数を変化させた
圧電トランスを示す図である。

【図９】本発明に係る電極を全面に配置することによる
不要な応答の抑圧効果を示す図である。

【図１０】本発明に係る結晶端部から電極を離した構成
を示す図である。

【図１１】本発明に係る表裏電極配置の圧電トランスに
おける出力を短絡した場合の入力インピーダンスの周波
数応答特性を示す図である。

【図１２】本発明に係る表裏電極配置で周期電極対数が
入出力同数の場合の電圧比特性を示す図である。

【図１３】本発明に係る表裏電極配置の圧電トランスに
おける入出力電極の対数を変化させた場合の電圧比特性
を示す図である。

【図１４】本発明に係る圧電トランスを用いたハートレ
ー型発振回路を示す図である。

【図１５】図１４の発振回路における発振波形を示す図
である。

【図１６】最近のスイッチング電源の小型化の流れを示
す図である。

【図１７】スイッチング電源の周波数／損失特性を示す
図である。

【図１８】従来の各種圧電トランスを示す図である。

【図１９】従来のエネルギー閉じ込め型圧電トランスを
示す図である。

【図２０】従来の周期電極配置の圧電トランスを示す図
である。

【図２１】図２０の圧電トランスにおける表裏面の電極
構成を示す図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電板に電圧を印加し弾性波を発生する
   入力電極と、圧電板中で共振する弾性波を検出する出力
   電極を有する圧電トランスであり、入力電極と出力電極
   とが波動の周期に合うよう配置されたストリップ状で、
   該ストリップ状電極の一部が分割され直列または並列に
   接続されたことを特徴とする圧電トランス。
2. 【請求項２】 前記入力電極、出力電極のいずれかの電
   極を中央に配置し、他方の電極を分割して、該中央の電
   極の両端部に対象となるように配置したことを特徴とす
   る請求項１記載の圧電トランス。
3. 【請求項３】 圧電板に、電圧を印加し弾性波を発生す
   る入力電極と、圧電板中で共振する弾性波を検出する出
   力電極を有する圧電トランスであって、波動の周期に合
   わせて配置した電極構造をもち、入力電極と出力電極
   を、圧電板の表裏に分離したことを特徴とする圧電トラ
   ンス。
4. 【請求項４】 圧電板の表裏に設けられる前記入力電
   極、出力電極の少なくともいずれか一方の電極が圧電板
   の表面または裏面の全面に形成されていることを特徴と
   する請求項３記載の圧電トランス。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の圧電トランスを、自励発
   振用共振素子として使用したことを特徴とするＤＣ／Ａ
   Ｃコンバータ。
6. 【請求項６】 発振回路として、ハートレー型発振回路
   を用いたことを特徴とする請求項５記載のＤＣ／ＡＣコ
   ンバータ。
7. 【請求項７】 前記圧電トランスの入力電極、出力電極
   の周期電極対数を変化させたことを特徴とする請求項６
   記載のＤＣ／ＡＣコンバータ。