JPH118421A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入出力線の断線が起き難く、支持の自由度や
安定度の高い圧電トランスを提供する。 【解決手段】 圧電素子の中心部に節を持つ振動モード
を有するとともに各々が同相で接続される電極が設けら
れた複数の圧電振動子１１ａ、１１ｂを、圧電素子の中
心部に節を持つ振動モードを有するとともに中央部に各
々が同相で接続される中央電極が設けられた結合子１２
によって結合する。この複数の圧電振動子を厚み方向に
分極された横効果圧電振動子によって構成し、結合子を
中央部から振動方向に分極された縦方向圧電振動子によ
って構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子の振動
によってエネルギーを伝達し、所定の比率で電圧を昇圧
または降圧する圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】携帯型コンピュータのような小型軽量化
が要求される携帯機器に内蔵される昇圧／絶縁用トラン
スとして、従来の巻き線トランスに代わり圧電トランス
が用いられるようになった。これについては、例えば特
公平２−３０５９４号公報に記載されたようなものがあ
る。

【０００３】図７は、このようにこれまで用いられてき
た圧電トランスの外観例を示す斜視図である。このよう
に圧電トランスは、一例として長方形の平面部を有する
平板型の圧電材料によって形成された振動子１０１から
なる。

【０００４】この振動子１０１の表裏両方の平面部（図
７では上面および下面）の一部分には、入力電極１０
２、１０２が取り付けられている。この入力電極１０
２、１０２に駆動電圧を与えると、入力電極に挟まれて
いる部分は厚さ方向に分極されているので、圧電横効果
（図中、左傾矢印）により縦振動が励起される。

【０００５】また、振動子１０１の長手方向の端面（図
７では右端面）には出力電極１０３が取り付けられてい
る。上述のように入力電極１０２、１０２に駆動電圧を
与えたとき、出力電極付近は両面方向に分極されている
ので、圧電縦効果（図中、右傾矢印で示す）の電気機械
変換により、出力電極１０３には昇圧された電圧が現れ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図７に示
す構成では、入力電極１０２、１０２および出力電極１
０３は、振動子１０１の振動の節ではなく、振動の腹に
取り付けられている。このため、入力電極１０２、１０
２および出力電極１０３は物理的に大きく振動する。

【０００７】ところで、入力電極１０２、１０２および
出力電極１０３には、電圧を入力あるいは出力するため
のリード線（図示省略）が接続されている。上述のよう
に振動子１０１の振動の腹に取り付けられている入力電
極１０２、１０２および出力電極１０３は大きく振動す
るため、このリード線の接続部には大きな振動応力が発
生する。

【０００８】このため、リード線の接続部に接続不良を
生じたり、断線したりする。特に出力電極１０３は、一
般に振幅の最も大きな部位に形成されるため、接続不良
や断線を生じる可能性は極めて高い。

【０００９】また圧電トランスは、振動の節で支持しな
ければならないが、図７に示すような構成では、支持で
きる部位は１ヶ所しかない。この発明は、このような背
景の下になされたもので、入出力線の断線が起き難く、
支持の自由度や安定度の高い圧電トランスを提供するこ
とを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１に記載の発明にあっては、圧電素子の
中心部に節を持つ振動モードを有する複数の圧電振動子
と、前記複数の圧電振動子の各々に設けられ当該複数の
圧電振動子の各々が同相で接続される第１の電極と、圧
電素子の中心部に節を持つ振動モードを有し前記複数の
圧電振動子同志を結合する１つ以上の結合子と、前記結
合子の各々の中央部に設けられ当該結合子の各々が同相
で接続される第２の電極とを具備することを特徴とす
る。また、請求項２に記載の発明にあっては、請求項１
に記載の圧電トランスでは、前記第１の電極の各々に互
いに同相の駆動信号を供給し、前記第２の電極の各々を
並列に接続して出力信号を取り出すことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明にあっては、請求項１に記
載の圧電トランスでは、前記第２の電極の各々に互いに
同相の駆動信号を供給し、前記第１の電極の各々を並列
に接続して出力信号を取り出すことを特徴とする。ま
た、請求項４に記載の発明にあっては、請求項１ないし
請求項３の何れかに記載の圧電トランスでは、前記複数
の圧電振動子は厚み方向に分極された横効果圧電振動子
であり、前記結合子は中央部から振動方向に分極された
縦方向圧電振動子であることを特徴とする。また、請求
項５に記載の発明にあっては、請求項１ないし請求項４
の何れかに記載の圧電トランスでは、前記圧電振動子は
各々が同一材質の圧電素子によって平板の同一形状およ
び寸法に形成され、前記結合子は各々が同一材質の圧電
素子によって平板の同一形状および同一寸法に形成され
ていることを特徴とする。

【００１１】この発明によれば、圧電素子の中心部に節
を持つ振動モードを有するとともに各々が同相で接続さ
れる第１の電極が設けられた複数の圧電振動子を、圧電
素子の中心部に節を持つ振動モードを有するとともに中
央部に各々が同相で接続される第２の電極が設けられた
結合子によって結合する。このとき、第１の電極の各々
に互いに同相の駆動信号を供給し、第２の電極の各々を
並列に接続して出力信号を取り出すか、第２の電極の各
々に互いに同相の駆動信号を供給し、第１の電極の各々
を並列に接続して出力信号を取り出す。また、複数の圧
電振動子を厚み方向に分極された横効果圧電振動子によ
って構成し、結合子を中央部から振動方向に分極された
縦方向圧電振動子によって構成する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明について説明す
る。図１は、本発明の一実施の形態にかかる圧電トラン
スの構成を示す構成図であり、図１（ａ）は斜視図、図
１（ｂ）は側断面図である。

【００１３】これらの図において、１０は全体が圧電セ
ラミックス等の圧電材料から形成された振動体である。
この振動体１０は、圧電振動子１１ａと圧電振動子１１
ｂ、そして結合子１２とが一体に形成されてなる。

【００１４】上述の圧電振動子１１ａと圧電振動子１１
ｂとは同一寸法の円板形状に形成されている。また、結
合子１２は平板矩形状に形成されており、その幅は円板
形状の圧電振動子１１ａ、１１ｂの直径よりも小さい。
そしてこれら圧電振動子１１ａ、１１ｂの中心と結合子
１２の中心とは、同一線上に配置されている。

【００１５】また、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す
ように、圧電振動子１１ａ、１１ｂにおける分極方向
は、白抜き矢印で示すように圧電振動子１１ａ、１１ｂ
の厚さ方向である。

【００１６】そして、圧電振動子１１ａ、１１ｂに各々
における一方の全面（図１（ａ）、図１（ｂ）では上
面）に電極１３ａ、１３ｂが形成され、他方の全面（図
１（ｂ）の下面）には電極１４ａ、１４ｂが形成されて
いる。

【００１７】一方、結合子１２の中心部には中央電極１
５が形成されている。この中央電極１５と上述の電極１
４ａ、１４ｂとにおいては、図１（ａ）および図１
（ｂ）中に右傾斜線矢印によって示す方向に分極され
る。

【００１８】図１（ｂ）に示す１６ａ、１６ｂは、各々
圧電振動子１１ａ、１１ｂを支持する金属製の支持台で
ある。この支持台１６ａおよび１６ｂは、各々圧電振動
子１１ａ、１１ｂの中心部を支持するとともに、接地さ
れている。

【００１９】１７は信号源である交流電源であり、この
交流電源１７が出力する交流信号は電極１３ａ、１３ｂ
を介して圧電振動子１１ａ、１１ｂに印加される。ま
た、このときに結合子１２で誘起される出力信号が、中
央電極１５からＶoutとして出力される。

【００２０】この場合、電極１３ａに交流信号が供給さ
れる接続点１８ａ、電極１３ｂに交流信号が供給される
接続点１８ｂおよび中央電極１５から出力信号が取り出
される接続点１９は、各々圧電振動子１１ａ、圧電振動
子１１ｂあるいは結合子１２の中心に位置している。ま
た、接続点１８ａと接続点１８ｂとには、互いに同相の
交流信号が供給される。

【００２１】図２は、本実施の形態における振動体１０
の振動の様子を示したモデル図であり、図２（ａ）は結
合子１２が伸びた状態を示し、図２（ｂ）は結合子１２
が縮んだ状態を示している。

【００２２】この図に示すように、圧電振動子１１ａは
その中心部（図中Ａ、Ａ'）が振動の節となっており、圧
電振動子１１ｂもその中心部（図中Ｂ、Ｂ'）が振動の節
となっている。

【００２３】図１に示す構成において、交流電源１７か
ら図２（ａ）、図２（ｂ）に示す振動モードの固有振動
数の交流信号を、電極１３ａおよび電極１３ｂに対して
供給すると、圧電振動子１１ａおよび圧電振動子１１ｂ
は交流信号の瞬時値に対応して伸縮を繰り返す。これら
圧電振動子１１ａ、１１ｂが伸縮振動することにより、
電気機械結合係数ｋに基づいて結合子１２も伸縮を繰り
返す。

【００２４】また、振動子１１ａ、１１ｂが結合子によ
り連結されているため、振動子は円板の中心部から外方
向に均等に伸縮するのではなく、楕円状に伸縮する。こ
の場合に、結合子はほぼ分極方向に伸縮する。しかも、
中央電極と電極１４ａ間、中央電極と電極１４ｂ間の２
つの交流信号を取り出すことができる構成となってい
る。

【００２５】この電気機械結合係数は、電気的な形で結
晶中に蓄積されるエネルギーの機械的総入力に対する比
の平方根、あるいは機械的な形で結晶中に蓄積されるエ
ネルギーの電気的総入力に対する比の平方根と定義され
ているものである。

【００２６】この電気機械結合係数ｋの詳細な説明につ
いては、本実施の形態では省略するが、一般に圧電縦効
果の電気機械結合係数はｋ₃₃、圧電横効果の電気機械結
合係数はｋ₃₁と表される。

【００２７】一例として本実施の形態は圧電縦効果を用
いており、電気機械結合係数ｋ₃₃に基づいて、圧電振動
子１１ａおよび圧電振動子１１ｂの分極方向のインピー
ダンスと結合子１２の分極方向のインピーダンスとの比
が決まる。即ち本実施の形態における中央電極１５に
は、電気機械結合係数ｋ₃₃に基づいた比率で昇圧、ある
いは降圧された交流信号が現れる。

【００２８】このとき、本実施の形態では上述したよう
に圧電振動子１１ａおよび圧電振動子１１ｂに交流信号
を供給する接続点１８ａあるいは接続点１８ｂは、当該
圧電振動子１１ａあるいは圧電振動子１１ｂの中心部に
形成されている。

【００２９】これら圧電振動子１１ａ、１１ｂの中心部
は図２（ａ）、図２（ｂ）にも示したように振動の節と
なっている。即ち、その振幅は極めて小さいため、接続
されたリード線等が接続不良となったり、断線すること
なない。

【００３０】同様に交流信号を取り出す接続点１９につ
いても、振動の節である結合子１２の中央部に形成され
ている。従ってその振幅は小さく、接続されたリード線
等が接続不良となったり、断線することなない。

【００３１】さらに支持台１６ａおよび支持台１６ｂ
も、それぞれ圧電振動子１１ａあるいは圧電振動子１１
ｂの中心部、即ち振動の節を支持する構成となってい
る。本実施の形態のように複数の圧電振動子の中心部か
ら同時に交流信号を供給する構成の場合、支持可能とな
る振動の節が複数存在することになり、この圧電トラン
ス（振動体）を安定且つ容易に支持することが可能とな
る。

【００３２】図３は、本発明の応用例である振動体の構
成を示す構成図であり、図３（ａ）は斜視図、図３
（ｂ）は側断面図である。この例では、互いに材質、形
状、寸法が同一である３つの圧電振動子が、やはり互い
に材質、形状、寸法が同一である２つの結合子によって
一体に形成されている。

【００３３】ここに示す例にあっても、各圧電振動子の
中心部に互いに同相の交流信号を供給し、各結合子の中
央部から出力信号を取り出す。図４は、図３に示す振動
体の振動の様子を示したモデル図であり、図２（ａ）は
各結合子が伸びた状態を示し、図２（ｂ）は各結合子が
縮んだ状態を示している。

【００３４】これら図４（ａ）、図４（ｂ）に示すよう
に、この例にあっても各圧電振動子の中心部が振動の節
（図４（ａ）ではＡ、ＢおよびＣ、図４（ｂ）では
Ａ'、Ｂ'およびＣ'）となっている。

【００３５】そこで、圧電振動子および結合子の何れに
あっても振動の節に相当する中央部に信号を入出力する
リード線等が接続される。これによって、リード線等が
接続不良となったり、断線することはない。

【００３６】またこの例では、この振動体を支持する部
位が、より多く存在する。従って、より安定且つ容易に
支持することが可能となる。さらにこの例では、複数の
結合子に形成された電極の各々から、同時に出力信号を
取り出している。従って、より大きなエネルギー（電
圧、電力）の信号を取り出すことができる。

【００３７】図５は、本発明の他の応用例である振動体
の構成を示す構成図である。図５に示す構成では、１つ
の圧電振動子に対して、これと材質、形状、寸法が同一
である３つの圧電振動子が、等角度間隔で各々結合子を
介して一体に形成されている。これら結合子について
も、互いに材質、形状、寸法は同一である。

【００３８】なお、この例における電極や支持台の位置
あるいは分極方向等は、上述の実施の形態と同様である
ので、図示ならびに詳細な説明は省略する。この例に示
すように、円形の圧電振動子の外周に等角度間隔で圧電
振動子を一体に形成し、各圧電振動子もしくは結合子に
互いに同相の交流信号を供給すると、圧電振動子が良好
なバランスで振動するため、効率よく昇圧あるいは降圧
を行うことができる。

【００３９】図６も本発明の他の応用例である振動体の
構成を示す構成例である。図６に示す振動体は、互いに
材質、形状、寸法が同一である４つの圧電振動体から構
成されている。

【００４０】これら４つの圧電振動子は、互いに隣接す
る圧電振動体同志と結合子を介して一体に形成されてい
る。なお結合子についても、互いに材質、形状、寸法は
同一である。

【００４１】この例においても、電極や支持台の位置あ
るいは分極方向等は、上述の実施の形態と同様であるの
で、図示ならびに詳細な説明は省略する。図５あるいは
図６に示すような構成では、振動の節にリード線等を接
続することができるので接続不良や断線を防止すること
ができるとともに、支持可能である部位が数多く存在す
るため、安定に支持することができ、より効率よく昇圧
あるいは降圧を行うことが可能になる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、圧電素子の中心部に節を持つ振動モードを有すると
ともに各々が同相で接続される第１の電極が設けられた
複数の圧電振動子を、圧電素子の中心部に節を持つ振動
モードを有するとともに中央部に各々が同相で接続され
る第２の電極が設けられた結合子によって結合する。こ
のとき、第１の電極の各々に互いに同相の駆動信号を供
給し、第２の電極の各々を並列に接続して出力信号を取
り出すか、第２の電極の各々に互いに同相の駆動信号を
供給し、第１の電極の各々を並列に接続して出力信号を
取り出す。また、複数の圧電振動子を厚み方向に分極さ
れた横効果圧電振動子によって構成し、結合子を中央部
から振動方向に分極された縦方向圧電振動子によって構
成するので、入出力線の断線が起き難く、支持の自由度
や安定度の高い圧電トランスが実現可能であるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態にかかる圧電トランス
の構成を示す構成図である。

【図２】 本実施の形態における振動体１０の振動の様
子を示したモデル図である。

【図３】 本発明の応用例である振動体の構成を示す構
成図である。

【図４】 図３に示す振動体の振動の様子を示したモデ
ル図である。

【図５】 本発明の他の応用例である振動体の構成を示
す構成図である。

【図６】 本発明の他の応用例である振動体の構成を示
す構成例である。

【図７】 従来から用いられている圧電トランスの外観
例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１ａ、１１ｂ 圧電振動子 １２ 結合子 １３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ 電極（第１の電極） １５ 中央電極（第２の電極）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子の中心部に節を持つ振動モード
   を有する複数の圧電振動子（１１ａ、１１ｂ）と、 前記複数の圧電振動子の各々に設けられ当該複数の圧電
   振動子の各々が同相で接続される第１の電極（１３ａ、
   １３ｂ、１４ａ、１４ｂ）と、 圧電素子の中心部に節を持つ振動モードを有し前記複数
   の圧電振動子同志を結合する１つ以上の結合子（１２）
   と、 前記結合子の各々の中央部に設けられ当該結合子の各々
   が同相で接続される第２の電極（１５）とを具備するこ
   とを特徴とする圧電トランス。
2. 【請求項２】 前記第１の電極の各々に互いに同相の駆
   動信号を供給し、 前記第２の電極の各々を並列に接続して出力信号を取り
   出すことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
3. 【請求項３】 前記第２の電極の各々に互いに同相の駆
   動信号を供給し、 前記第１の電極の各々を並列に接続して出力信号を取り
   出すことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
4. 【請求項４】 前記複数の圧電振動子は厚み方向に分極
   された横効果圧電振動子であり、 前記結合子は中央部から振動方向に分極された縦方向圧
   電振動子であることを特徴とする請求項１ないし請求項
   ３の何れかに記載の圧電トランス。
5. 【請求項５】 前記圧電振動子は各々が同一材質の圧電
   素子によって平板の同一形状および寸法に形成され、 前記結合子は各々が同一材質の圧電素子によって平板の
   同一形状および同一寸法に形成されていることを特徴と
   する請求項１ないし請求項４の何れかに記載の圧電トラ
   ンス。