JPS588148B2 - 電圧変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電圧変換素子に関し、更に詳細には焦電効果を
利用して低電圧電源から高電圧を得る全固体化した電圧
変換素子に関する。

従来交流電圧の電圧変換方法としては、古くより巻線型
の変成器が知られており、この変成器はトランス又は変
圧器と通称され、特定周波数帯の電圧変換方法としては
高効率であり、広く一般に使用されている。

この変成器は基本的には巻線と軟磁性体により構成され
、電気エネルギを磁気エネルギに変換し、再び電気エネ
ルギに戻すことにより昇圧、降圧が可能であり高効率で
変換が行なわれる反面、重量及び体積が共に大きく、し
たがってその小型化及び広周波数化に適した材料に関す
る研究が現在においても続けられている。

一方全固体化した小型の電圧変換素子としては圧電体を
応用した圧電トランスが知られている。

これは強誘電体磁器板又は棒を１次側と２次側で異なる
方向に分極処理しておき、圧電体の圧電効果、振動の伝
達及びその異方性を利用した素子であり、大型化及び効
率の点では巻線型の変成器には及ばないが、携帯用など
特殊の用途には徐々に実用化されている。

ところで最近赤外線の検出又は赤外線撮像管用ターゲッ
トなどの電磁板の検出素子として焦電性を有する材料の
開発が行なわれ、本発明者等も強誘電体セラミック及び
高分子物質との複合材料について研究（例えば特開昭５
２−１５５４００号公報参照）を進めて来たが、その過
程で焦電効果を利用することにより電力変換効率の面か
らは前記素子には及ばないとしても小型化が可能であり
、しかも可動部分が無く又機械的振動なども発生しない
新しい電圧変換方法を知得し本発明を完成するに致った
ものである。

本発明は前記知得に基いてなされたものでその目的は小
型化が可能であり、かつ全固体化された電圧変換素子を
提供することである。

又本発明の他の目的はＩＣ技術及びＬＳＩ技術との相容
性を有し、かつ数ＫＶにも及ぶ高電圧の発生が可能な電
圧変換素子を提供することである。

本発明について概説すると、本発明の電圧変換素子は焦
電体と熱電能素子により構成され、かつ焦電体と熱電能
素子とが熱的に結合されることを特徴とするものである
。

本発明の電圧交換素子は熱電効果により電流を一旦熱に
変換し、次に焦電効果により再び電圧に変換するもので
あって、熱電効果としてはペルテイエ効果及びトムソン
効果が挙げられ、特にペルテイエ効果素子は変換効率及
び周波数応答性の面から優れている。

次に本発明を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は熱電能素子としてペルテイエ効果素子を使用し
た本発明の電圧変換素子の構成の原理図である。

この電圧変換素子は２種類の異種金属２及び３の接合に
より構成されるペルテイエ効果素子の接合部上に焦電体
１を積層して構成される。

この素子の金属部に電流を通ずると接合部でペルティエ
効果により発熱又は吸熱現象が生ずる。

この現象は、電流の方向を逆にすることにより発熱部は
吸熱に、吸熱部は発熱に変化し、これにより接合部に積
層された焦電体も加熱又は冷却され、この加熱、冷却に
より焦電体より電圧が発生する。

本発明の電圧変換素子は、上記素子において金属部に電
流を通ずるに必要な電圧値と焦電体より発生する電圧値
が異なることを利用して電圧変換を行なうものであり、
素子構成によって異なるが数１０ｍＶの電圧を数１００
Ｖの電圧に増幅することも可能である。

更に前記したペルテイエ効果素子を利用する場合には、
加熱のみでなく、電流の方向を変えることにより冷却も
可能なため、自然放冷による冷却を待つのではなく、強
制冷却をするため加熱・冷却のサイクルを速くすること
ができる、すなわち、周波数応答性の良い素子を構成す
ることができる特徴がある。

熱電能素子と焦電体とは、前記の説明から明らかなよう
に熱的に結合される、すなわち両者間における熱伝導が
良好であるように接続されていることが変換効力を高め
る上で必要である。

しかしながら必ずしも直接接続されていることを要せず
、例えば熱良導体であるＢｅＯなどの絶縁物を介して接
続することにより安定な電圧を得る構成をとることがで
きる。

本発明における熱電能素子はペルテイエ効果を利用する
上で２種類の異種の金属の接合のみならず、ＣｕＯ，Ｚ
ｎＯなどの酸化物系半導体、ＦｅＳ，ＭｏＳなどの硫化
物系半導体を始めとしてＧｅ，ＳｉＩｎ，Ａｓなどの元
素を含む通常の半導体の接合によるペルテイエ効果素子
を使用することができる。

又焦電体としては強誘電体セラミック、これと高分子化
合物例えばポリフツ化ビニリデンとの複合材料、例えば
ポリフツ化ビニリデンのような高分子物質誘電体及びト
リグリシジルサルフエイト等が使用される。

次に本発明を実施例について説明するが本発明はこれに
よりなんら限定されるものではない。

実施例 １ 第１図に示した本発明の電圧増幅素子において、ペルテ
イエ効果素子として、厚さ０．０５ｍｍ巾１ｃｍの銅と
コンスタンタンを接合し素子化したものを用い、焦電体
としてＰｂＴｉＯ３微粒子をポリフッ化ビニリデン樹脂
に分散混合し、調製した高分子複合焦電材料を用いた。

前記ペルテイエ効果素子の接合部分に、高分子複合焦電
材料を溶媒に溶解しＰｂＴｉＯ３微粒子が懸濁した塗料
状として塗布乾燥して電圧増幅素子を作製した。

次にその焦電複合体表面にアルミニウム（Ａｌ）を蒸着
して電極を形成し、ペルティエ効果素子と表面Ａｌ蒸着
電極との間に、焦電複合体に２０ＫＶ／ｍｍの電界が印
加されるように直流電圧を１６０℃１時間印加し、分極
処理を施した。

この素子に１００ｍｍＶ，１０Ｈｚの交流電圧を印加し
、５０Ｖの出力電圧を得ることができた。

なお出力電圧は振動容量型の表面電位計で測定した。

実施例 ２ Ｓｒ（Ｂａ・Ｎｂ）Ｏ３セラミックを厚さ１００μ程度
に研摩し、薄片とし、片面に金属蒸着電極を形成し、他
面にアルメル・クロメル熱電対を第２図に示すように接
着した後、表面金属蒸着電極と熱電対との間にセラミッ
クに５ＫＶ／ｍｍの電圧が印加されるように５０℃、１
時間分極処理を施し素子化した。

この素子の熱電対側に１０Ｈｚ １００ｍＶの電圧値を
入力することによりＳｒ（Ｂａ・Ｎｂ） Ｏ３側出力端
に約５Ｖの電圧値を得ることができた。

本素子は電圧増幅率については、実施例１の素子に比較
して低くなる傾向にあるが、セラミックの焦電係数が大
きいことにより電力変換効率を実施例１より大きくする
ことが可能である。

実施例３ トリグリシジルサルフエイト（ＴＧＳ）を実施例２と同
様に研摩し、電極付けをした後、他面にアンチモン・ビ
スマスよりなる巾２ｍｍ厚さ０．０５ｍｍのペルテイエ
効果素子を接着し分極処理を施して素子化した。

本素子に入力電圧１００ｍＶを加えることにより１３０
Ｖの大きな電圧値を得ることができた。

実施例 ４ 銅・コンスタンタンよりなる線状のペルテイエ効果素子
に実施例１で用いた高分子複合焦電材料を該素子の接合
部に第３図に示すように被覆して線状圧電増幅素子を形
成した。

電極付け及び分極処理は実施例１と同様な方法で行なっ
た。

１００ｍＶの交流電圧を入力し、３Ｖの電圧値を得るこ
とができた。

以上の説明から明らかなように、本発明の電圧変換素子
は全固体化素子で、しかも小型、軽量の電圧増幅器であ
るのでＩＣ技術との相容性が高く、又ＩＣ技術に適用し
た場合通常のＩＣ技術又はＬＳＩ技術で用いられている
数Ｖ程度の電圧域を１００Ｖ以上の電圧域に迄高くする
ことができる。

又一面電力消費量の小さな部分で、かつ高電圧の必要な
部分での使用には高い信頼性のある電力増幅器として適
用でき、その応用分野も混成集積回路素子を始め広い利
用範囲に亘るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図は本発明による電圧変換素子
の原理図である。 １・・・・・・焦電体、２，３・・・・・・異種の金属
又は半導体材料より構成され、接続部を有する熱電能素
子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 焦電体と熱電能素子により構成され、かつ焦電体と
   熱電能素子とが熱的に結合されることを特徴とする電圧
   変換素子。