JPH10256618A

JPH10256618A - 圧電振動装置

Info

Publication number: JPH10256618A
Application number: JP9055054A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西; Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の圧電トランスは、安定した支持ができ
ず、また振動部分に配線されているために断線のおそれ
があり、また駆動側のインピーダンスが高かった。【解決手段】駆動側の振動子１０と出力側の振動子１
１は共に円形状であり、平面での中心Ｏ１とＯ２を節と
して１次の広がり振動で駆動され、出力側の電極１７か
ら昇圧された電圧が得られる。振動子１０と１１は中心
Ｏ１とＯ２を節とした振動となるため、中心Ｏ１とＯ２
で安定して支持することができ、また前記中心で電極に
配線を接続することにより断線を防止できる。さらに振
動子１０，１１を円形にすると、中心を節とした広がり
振動を励起しやすく、駆動側のインピーダンスを低減で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、昇圧または減圧用
のトランスあるいはＤＣ／ＤＣコンバータ、圧電フィル
ターなどとして使用可能な圧電振動装置に係り、特に支
持および配線が容易であり、また駆動側のインピーダン
スを低下させることも可能な圧電振動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、２個の振動子が結合子を介し
て連結された従来の圧電振動装置を示す斜視図である。
圧電材料で形成された駆動側の振動子１と出力側（発電
側）の振動子２は、圧電セラミックなどにより形成され
ており、その平面形状は矩形状である。駆動側の振動子
１と出力側の振動子２は、結合子３により連結されてい
る。

【０００３】駆動側の振動子１は、矢印で示すように厚
さ方向に分極された横効果インピーダンス振動子であ
り、表裏両面に駆動電極４が設けられ、それぞれの駆動
電極４，４に、駆動電力を与えるための配線５，５が接
続されている。また、出力側（発電側）の振動子２は、
矢印で示すように縦方向の一方向へ平行に分極された縦
効果インピーダンス振動子であり、対向する側端面に出
力側（発電側）の電極６，６が設けられ、それぞれの電
極６，６に、出力側の配線７，７が接続されている。駆
動側の振動子１の電極４，４に所定の共振周波数の駆動
電力が与えられて、振動子１が電気機械結合係数Ｋ31に
より縦方向に励振されると、結合子３により機械的に結
合された出力側の振動子２の縦方向の振動が、電気機械
結合係数Ｋ33によって機械−電気変換され、出力側の電
極６，６から昇圧されて取り出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示す従来の圧
電振動装置では、振動子１と２が、縦方向へ節のない振
動を生じるために、振動子１と２を剛性支持することが
できない。したがって振動子１と２とを弾性支持するこ
とになり支持が不安定である。また、振動子１の電極
４，４と、振動子２の電極６，６は、共に振動歪みが生
じる部分に形成されているため、これらの電極４，６に
接続されている配線５，７に応力が作用し、断線が生じ
やすい欠点がある。さらに、図１０に示す従来の圧電振
動装置での振動子１と振動子２の縦振動は、励振させる
のに比較的大きな励振力が必要になり、駆動側のインピ
ーダンスが比較的高い欠点がある。

【０００５】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、振動子の剛体支持が可能で安定した支持ができ、
また断線しない配線も可能な圧電振動装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００６】また本発明は、駆動側インピーダンスを低
くして、低電力で励振させることが可能な圧電振動装置
を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電トランス
などとして使用可能な圧電振動装置である。その構成
は、圧電効果を発揮する複数の振動子が結合子を介して
連結されている圧電振動装置において、前記複数の振動
子は、中心を節とする広がりモードで振動するものであ
り、前記複数の振動子のいずれかに駆動電極が設けら
れ、他の振動子に出力電極が設けられていることを特徴
とするものである。

【０００８】上記において、駆動側の振動子は、厚さ方
向に分極された横効果インピーダンス振動子であり、出
力側の振動子は、中心から外周面側へ放射状に分極され
た縦効果インピーダンス振動子である。

【０００９】また、出力側の振動子は、中心と外周面に
電極が形成され、外周面の電極がアース電極となること
が可能である。

【００１０】また、振動子は、振動の節となる中心部を
支持することが可能である。

【００１１】さらに、複数の駆動側の振動子が、結合子
を介して１個の出力側の振動子に連結されている構成に
でき、あるいは、複数の出力側の振動子が、結合子を介
して１個の駆動側の振動子に連結されている構成とする
ことも可能である。

【００１２】本発明の圧電振動装置は、結合子を介して
連結された複数の振動子が設けられたものにおいて、各
振動子が、中心を節とするモードで１次の広がり振動を
起こすため、振動子の中心の節を支持することが可能と
なり、安定した支持が可能である。また前記節の部分に
電極を設けて、この節の部分に配線を接続すると、配線
およびその接続部が振動子の歪みによる応力の影響を受
けなくなり、断線などの問題が生じにくくなる。

【００１３】また、電極の配置として、駆動側の振動子
に設けられる電極と、出力側の振動子に設けられる電
極、特に振動子の外周面に形成される電極とを、結合子
に形成された導電体を介して連続して形成することによ
り、電極形成を簡単にでき、電極に接続される配線数を
削減できる。

【００１４】振動子の平面形状は、正方形であってもよ
いが円形とすることが好ましい。振動子の平面形状を円
形にすると、中心を節とした振動を比較的小さい力で発
生させることができるため、駆動側のインピーダンスを
低下させることが可能である。

【００１５】また駆動側の振動子と出力側の振動子を逆
相にて振動させると、結合子に作用する応力が小さくな
って発熱を低減できる。また振動を励起しやすくなって
駆動側のインピーダンスを低減できる。また、駆動側の
振動子と出力側の振動子を同相で駆動すると、結合子の
中心が節となって、この部分を支持することも可能であ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１（Ａ）は、圧電トランスなど
として使用可能な本発明の圧電振動装置の第１の実施の
形態を示す斜視図、図１（Ｂ）は圧電振動装置の支持と
配線構造を示す側面図、図２は前記圧電振動装置の等価
回路図である。図１（Ａ）に示す圧電振動装置では、駆
動側の振動子１０と、出力側（発電側）の振動子１１
が、圧電セラミックにより形成されており、振動子１０
と振動子１１は、同じ厚さで且つ同じ直径（例えば１０
〜２０ｍｍφ）の円板である。振動子１０と振動子１１
は結合子１２により連結されている。振動子１０，１１
および結合子１２は、同じセラミック材料で一体に形成
されていてもよいし、振動子１０と振動子１１とが、こ
れらと別体の軸状の結合子により結合されていてもよ
い。

【００１７】駆動側の振動子１０は、矢印で示すように
厚さ方向に分極されており、図示上面側に駆動電極１３
が形成され、下面側に前記駆動電極１３と共に駆動電極
の一部を構成するアース電極１４が形成されている。交
流駆動電源部１５からの配線１５ａは、振動子１０の平
面の円形状の中心Ｏ１において前記駆動電極１３に接続
されている。また振動子１０は、下面側が支持端子１６
で支持されている。この支持端子１６はアース端子を兼
ねており、この支持端子１６により、振動子１０の円形
状の中心Ｏ１が支持されている。出力側（発電側）の振
動子１１は、円形状の中心Ｏ２から外周面に向けて放射
状に分極されている。

【００１８】振動子１１の円形状の中心Ｏ２には、支持
端子１７が接続されている。この支持端子１７は、出力
電極および出力端子を兼ねており、振動子１１の中心Ｏ
２は、この支持端子１７によって支持されている。振動
子１１の外周面には、前記支持端子１７と共に出力側の
電極を構成するアース電極１８が形成されている。前記
結合子１２の部分には導電体１４ａが形成されている。
この導電体１４ａは、振動子１０のアース電極１４およ
び振動子１１のアース電極１８と一体に成膜されたもの
であり、振動子１０のアース電極１４と、振動子１１の
アース電極１８は、前記導電体１４ａを介して互いに連
結されている。前記各電極１３，１４，１８および導電
体１４ａは、銀膜などの低抵抗金属材料により成膜され
たものである。

【００１９】図２に示す等価回路図において、Ｃｄ１は
駆動側の振動子１０の制動容量、ｍ１，ｓ１，ｒ１は、
振動子１０の等価質量、等価スチフネス、等価共振抵
抗、Ｃｄ２は出力側の振動子１１の制動容量、ｍ２，ｓ
２，ｒ２は、振動子１１の等価質量、等価スチフネス、
等価共振抵抗である。またＳｃは結合子１２が介在する
ことによる結合スチフネスである。Ａ１は駆動側の振動
子１０すなわち横効果低インピーダンス振動子の力係
数、Ａ２は出力側の振動子１１すなわち縦効果インピー
ダンス振動子の力係数である。

【００２０】この圧電振動装置では、交流駆動電源部１
５から所定の周波数の電力が駆動電極１３に与えられる
と、駆動側の振動子１０に電気機械結合係数Ｋ31により
縦振動モードが励起され、この振動が結合子１２から振
動子１１に伝達されて、振動子１０と振動子１１が共振
させられる。このときの駆動周波数としては、振動子１
０と振動子１１が、円形状の中心Ｏ１とＯ２を節とした
１次の広がり共振振動を起こさせるように設定される。
振動子１０と振動子１１は、中心Ｏ１とＯ２を節として
放射方向へ膨張と収縮を繰り返す１次の共振振動を発揮
する。出力側の振動子１１からは電気機械結合係数Ｋ33
によって、出力電極（発電電極）から機械電気変換され
た電圧が取り出される。このとき力係数Ａ１と力係数Ａ
２との比に応じて、出力電極（支持端子）１７とアース
電位との間に、昇圧された電圧が出力される。

【００２１】前記振動子１０と振動子１１は、円形状の
中心Ｏ１，Ｏ２を節とした１次の広がり共振にて振動す
るため、前記中心Ｏ１とＯ２の位置に歪みが生じない。
よって、図１（Ｂ）に示すように振動子１０と振動子１
１の中心Ｏ１とＯ２にて圧電振動装置を支持することが
でき、中心Ｏ１とＯ２を支持する支持体として、支持端
子１６と１７のような剛体のものを使用でき、支持構造
が簡単になるとともに安定した支持が可能である。

【００２２】交流駆動電源１５からの配線１５ａと、出
力配線１７ａは、振動の節となる前記中心Ｏ１とＯ２に
接続されるため、これらの配線１５ａと１７ａ、および
これらの配線１５ａ，１７ａの接続部には振動に起因す
る応力が作用せず、よって断線などの心配がなくなる。
さらに振動子１０と振動子１１は、平面が円板形状であ
るため、中心Ｏ１とＯ２を節とした１次の広がり振動を
比較的小さいパワーで励起させることが可能である。し
たがって、駆動インピーダンスを低下でき、省電力で駆
動可能である。

【００２３】次に、振動子１０，１１の中心Ｏ１とＯ２
を節とした１次の広がり振動のモードとしては、振動子
１０が節を中心として膨張したときに振動子１１が節を
中心として収縮する、互いに逆相で振動する第１のモー
ドと、振動子１０が節を中心として膨張したときに振動
子１１も節を中心として膨張する、互いに同相で振動す
る第２のモードとがある。第１のモード（逆相モード）
と第２のモード（同相モード）とでは、共振周波数が相
違するため、この圧電振動装置では使用周波数の帯域が
広くなり、汎用性に優れたものとなる。

【００２４】第１のモード（逆相モード）では、振動子
１０と振動子１１の広がり振動が可逆的であるため、図
２に示す等価回路での結合スチフネスＳｃはほとんど無
視できる程度に小さくなり、結合子１２に大きな応力が
作用しない。よって圧電振動装置全体の発熱を防止でき
る。またこの可逆的な第１の振動モード（逆相モード）
は励起しやすいため、駆動側のインピーダンスがかなり
低くなる。またスプリアスも生じにくい。

【００２５】これに対し、第２のモード（同相モード）
では、振動子１０と振動子１１とが同じ位相で広がり振
動するため、結合子１２の中心Ｏ３が節となる。よって
第２のモードで駆動する場合には、結合子１２の中心Ｏ
３で圧電振動装置を支持することが可能になり、支持可
能な箇所がＯ１，Ｏ２，Ｏ３の３箇所のいずれかの組合
わせにすることができる。よって支持構造の選択性が広
がり、また３点支持することにより、さらに安定した支
持が可能である。また、図１と図２に示す圧電振動装置
において、支持端子１７に交流駆動電力を与えて振動子
１１を駆動側として使用し、電極１３を出力側電極とし
て使用し、振動子１０を出力側（発電側）として使用す
ることができる。この場合、減圧トランスや広帯域のフ
ィルターとして使用することが可能である。

【００２６】図３（Ａ）（Ｂ）は、図１（Ａ）（Ｂ）に
示した圧電振動装置の変形例である。この圧電振動装置
では、圧電セラミックで形成された同じ半径で同じ厚さ
の円形状の振動子が３個使用され、３個の振動子が結合
子１２，１２で連結されている。図３（Ａ）（Ｂ）で両
側に位置する振動子１０は駆動側であり、図１（Ａ）
（Ｂ）の左側の振動子１０と同じ構造で且つ同じ支持構
造で同じ配線構造である。図３（Ａ）（Ｂ）の中心に位
置している振動子１１は出力側（発電側）であり、図１
（Ａ）（Ｂ）の右側の振動子１１と同じ構造で且つ同じ
支持構造ならびに同じ配線構造である。

【００２７】図３（Ａ）（Ｂ）の左右両側に位置する振
動子１０，１０は厚さ方向に分極されており、中央の振
動子１１は中心Ｏ２から外周面にかけて放射状に分極さ
れている。交流駆動電源部１５から２個の駆動側の振動
子１０，１０の駆動電極１３，１３に所定周波数の駆動
電力が与えられると、横効果低インピーダンス振動子と
して、中心Ｏ１を節とした１次の広がり振動が励起され
る。このとき２個の振動子１０，１０にて励起される振
動が結合子１２，１２を経て中央の振動子１１に機械的
に伝達され、各振動子１０，１０および１１が中心を節
とした１次の広がり共振振動を起こす。

【００２８】図４は、上記圧電振動装置の等価回路を示
しているが、駆動側の２個の振動子１０，１０の振動
が、出力側の振動子１１に伝わるために、駆動側の力係
数Ａ１が２倍になる。よって、出力側の振動子１１の出
力電極（支持端子）１７からは、図１に示すものに比べ
て大きな昇圧電圧を得ることができる。図３（Ａ）
（Ｂ）に示すものでも、各駆動側の振動子１０，１０が
節を中心として膨張したときに、出力側の振動子１１が
節を中心として収縮する可逆的な（逆相）の振動となる
第１のモードと、駆動側１０，１０が節を中心として膨
張したときに、出力側の振動子１１も同時に節を中心と
して膨張する同相の振動となる第２のモードがある。

【００２９】図１（Ａ）（Ｂ）に示したものと同様に、
第１のモードでは、結合子１２に作用する応力が小さ
く、図４に示す等価回路のうちの結合スチフネスＳｃは
無視できる程度に小さくなるため、駆動側のインピーダ
ンスを小さくできる。第２のモード、すなわち駆動側の
振動子１０，１０と出力側の振動子１１が同相で振動す
るモードでは、振動子１０の共振先鋭度をＱ１、振動子
１１の共振先鋭度をＱ２とし、入力電圧をＶ１、出力電
圧をＶ２としたときに、出力電圧Ｖ２を以下の数１で示
した値に設定することが可能である。

【００３０】

【数１】Ｖ２＝（Ｑ１・Ｑ２・Ｖ１・２・Ａ２）／Ａ１

【００３１】すなわち、昇圧率を、図１に示した圧電振
動装置のほぼ２倍に設定することが可能である。また、
図３（Ａ）（Ｂ）に示すものでも、アース電極１４，１
４，１８と導電体１４ａ，１４ａは、一体の導電膜で形
成されているため、電極に接続される配線数を少なくで
きる。また振動の節となる円板の中心Ｏ１，Ｏ２を支持
することが可能になる。

【００３２】図５（Ａ）は、図１（Ａ）に示す圧電振動
装置のさらに他の変形例を示す斜視図、図５（Ｂ）はそ
の側面図、図６は等価回路図である。この圧電振動装置
は、１個の駆動側の振動子１０に対し、２個の出力側
（発電側）の振動子１１，１１が結合子１２，１２を介
して結合されたものである。図５（Ａ）（Ｂ）に示す例
では、図３に示したものと相違する電圧比を得ることが
できる。また、２個の出力側の振動子１１に設けられた
電極１７，１８間の出力電圧Ｖoutを直列に接続するこ
とにより、高い昇圧率を得ることも可能である。

【００３３】図５の場合も、振動子１０と振動子１１の
節を中心とした広がり振動が逆相となる第１のモード
と、同相となる第２のモードがある。第１の逆相モード
にて各振動子１０，１１を共振させると、図６に示す等
価回路での結合スチフネスＳｃを無視できる程度に低減
できる。よって、低電力駆動のフィルタなどとして使用
可能である。

【００３４】図７および図８は本発明のさらに他の実施
の形態を示すものである。図７では、中央に出力側とな
る振動子１１が設けられ、この振動子１１に対して結合
子１２で結合された３個の駆動側の振動子１０が設けら
れている。各振動子１０および１１の分極方向および支
持構造と配線構造は、図１に示したものと同じである。
図７に示すものでは３個の駆動側の振動子１０により、
１個の出力側の振動子１１が機械的に接合されているた
め、昇圧率をさらに高くでき、各振動子が同相で振動す
る第２のモードでは、出力電圧Ｖ２を以下の数２のよう
に昇圧することが可能である。

【００３５】

【数２】Ｖ２＝（Ｑ１・Ｑ２・Ｖ１・３・Ａ２）／Ａ１

【００３６】図８は、１個の駆動側の振動子１０に対し
て３個の出力側の振動子１１が結合子１２を介して放射
状に結合されているものである。この例では、１個の駆
動用の振動子１０に対して３個の出力側の振動子１１が
機械的に結合されているため、図３に示したものと異な
る変圧比の設定が可能である。さらに、図９に示すよう
に、駆動側の振動子１０と出力側（発電側）の振動子１
１を平面が正方形に構成することも可能である。この場
合も、各振動子１０と１１は、中心Ｏ１とＯ２を節とし
た１次の広がり振動で駆動することが可能である。ただ
し、１次の広がり振動を励起しやすくして駆動側のイン
ピーダンスを低下するためには、図１から図８に示した
ように、平面形状が円形の振動子を用いることが好まし
い。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明の圧電振動装置で
は、振動子を１次の広がり振動で駆動することにより、
各振動子を振動の節で安定して支持することができ、ま
た振動の節に配線を接続することにより、配線に作用す
る応力を低減して、配線の断線などを防止できるように
なる。

【００３８】また、振動子の平面形状を円形とすると、
１次の広がり振動を励起しやすくなり、駆動側のインピ
ーダンスを低下できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態の圧電振動
装置を示す斜視図、（Ｂ）はその側面図、

【図２】図１に示す第１の実施の形態の圧電振動装置の
等価回路図、

【図３】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態の圧電振動
装置を示す斜視図、（Ｂ）はその側面図、

【図４】図３に示す第２の実施の形態の圧電振動装置の
等価回路図、

【図５】（Ａ）は本発明の圧電振動装置の変形例を示す
斜視図、（Ｂ）はその側面図、

【図６】図５に示す圧電振動装置の等価回路図、

【図７】他の実施の形態の圧電振動装置を示す平面図、

【図８】他の実施の形態の圧電振動装置を示す平面図、

【図９】他の実施の形態の圧電振動装置を示す平面図、

【図１０】従来の圧電振動装置を示す斜視図、

【符号の説明】

１０駆動側の振動子１１出力側の振動子１２結合子１３駆動電極１４アース電極１５交流駆動電源部１６支持端子１７支持端子１８アース電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電効果を発揮する複数の振動子が結合
子を介して連結されている圧電振動装置において、前記
複数の振動子は、中心を節とする広がりモードで振動す
るものであり、前記複数の振動子のいずれかに駆動電極
が設けられ、他の振動子に出力電極が設けられているこ
とを特徴とする圧電振動装置。
【請求項２】各振動子の平面形状が円形である請求項
１記載の圧電振動装置。
【請求項３】駆動側の振動子は、厚さ方向に分極され
た横効果インピーダンス振動子で、出力側の振動子は、
中心から外周面側へ放射状に分極された縦効果インピー
ダンス振動子である請求項１または２記載の圧電振動装
置。
【請求項４】出力側の振動子は、中心と外周面に電極
が形成され、外周面の電極がアース電極である請求項１
ないし３のいずれかに記載の圧電振動装置。
【請求項５】振動子は、振動の節となる中心部が支持
されている請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電振
動装置。
【請求項６】複数の駆動側の振動子が、結合子を介し
て１個の出力側の振動子に連結されている請求項１ない
し５のいずれかに記載の圧電振動装置。
【請求項７】複数の出力側の振動子が、結合子を介し
て１個の駆動側の振動子に連結されている請求項１ない
し５のいずれかに記載の圧電振動装置。