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JPH08153914A - 圧電磁器トランス - Google Patents

圧電磁器トランス

Info

Publication number
JPH08153914A
JPH08153914A JP6315791A JP31579194A JPH08153914A JP H08153914 A JPH08153914 A JP H08153914A JP 6315791 A JP6315791 A JP 6315791A JP 31579194 A JP31579194 A JP 31579194A JP H08153914 A JPH08153914 A JP H08153914A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric ceramic
layer
transformer
piezoelectric
secondary side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP6315791A
Other languages
English (en)
Inventor
Takao Sugishita
隆雄 杉下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philips Japan Ltd
Original Assignee
Philips Japan Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Japan Ltd filed Critical Philips Japan Ltd
Priority to JP6315791A priority Critical patent/JPH08153914A/ja
Priority to EP95203109A priority patent/EP0714141B1/en
Priority to DE69518896T priority patent/DE69518896T2/de
Publication of JPH08153914A publication Critical patent/JPH08153914A/ja
Priority to US08/926,840 priority patent/US5828160A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/40Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and electrical output, e.g. functioning as transformers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、出力インピーダンスが低
く、且つ実用に供せられる範囲で高周波振動制御でき、
変換効率の高い小型化に適した圧電磁器トランスを提供
することにある。 【構成】 圧電磁器トランス1は、厚み方向9に分極さ
れた薄い圧電磁器層10を積層した1次側6及び7と、
厚み方向9に分極された厚い圧電磁器層11を多数積層
した2次側8とから構成され、前記1次側6及び7は前
記2次側8を挟むように構成されている。電極2、3、
4及び5は全て平面板状の形状をなしていて、各電極間
は圧電磁器層10又は11を挟むように構成されてい
る。前記1次側の圧電磁器層10の長さ方向振動により
前記2次側の圧電磁器層11に昇圧された出力電圧が発
生される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、出力インピーダンスが
低く、実用的な範囲で高周波駆動が可能な圧電磁器トラ
ンスに関するものである。とりわけ、ファクシミリ装
置、オゾン発生器の高圧発生管等に使用される、DC−
DCコンバータ用圧電磁器トランスに係わる。
【0002】
【従来の技術】従来から圧電素子を利用したトランスと
してローゼン型圧電磁器トランスが知られていた。ロー
ゼン型圧電磁器トランスは、長板状の圧電セラミック素
子の一部が厚さ方向に分極され、当該部分を挟むように
一対の電極が形成され、圧電磁器トランスの1次側を構
成している。また当該圧電セラミック素子の他の一部が
長さ方向に分極され、当該部分の端部に他の電極が形成
され、この他の電極と前記一対の電極の一方とで圧電磁
器トランスの2次側を構成している。前記1次側の電極
に、前記圧電セラミック素子の長さ寸法で決まる固有振
動周波数の電圧を加えると、長さ方向の強い機械振動が
電歪効果により発生する。この振動は、再び圧電効果に
より電圧に変換され前記2次側の電極から高電圧を出力
される。このように、入力した電気エネルギーを機械エ
ネルギーに変換し再度電気エネルギーに戻すことで、入
力電圧を数百倍に昇圧させていた。
【0003】また、平板状の圧電磁器層を積層した厚み
振動圧電磁器トランスも特開平4−18776号等によ
り知られていた。この厚み振動圧電磁器トランスは、前
記圧電磁器層の各層の厚さ方向に分極がなされると共
に、これら各層を挟むように電極が形成され、前記各層
の厚さの違いにより圧電磁器トランスの1次側及び2次
側を構成している。この従来例には、厚さ方向の機械振
動を利用するので、出力インピーダンスが低く、高周波
駆動ができるという利点があった。
【0004】しかし、従来のローゼン型タイプにおいて
は、圧電セラミック素子を長さ方向に分極させるには高
電圧が必要であった。また、2次側の電極間の幅が広い
ので、出力インピーダンスが高くなり出力電圧は負荷に
依存し、結果として昇圧比も負荷に依存してしまってい
た。
【0005】また、前記従来の厚み振動圧電磁器トラン
スの場合、1次側に印可する入力電圧の周波数はMHz
単位の高い周波数となる。なぜなら、圧電磁器層の機械
的固有振動周波数は、圧電磁器層の振動方向の寸法で決
まるからである。そのため、圧電磁器層を非常に高い周
波数で振動させなければならず、そのような高い周波数
で容量の大きな圧電磁器トランスを振動させることは現
実的に困難であった。また、MHz帯という高い周波数
で振動させると、誘電損失が増大するので圧電磁器トラ
ンスの変換効率の低下を招いていた。この従来例では、
圧電磁器層の厚さ方向振動の影響により長さ方向振動が
発生する。前記厚さ方向の固有振動周波数がMHz単位
の高い周波数なので、影響を受けた長さ方向振動は長さ
方向固有振動周波数の高次の周波数成分を含み、高次の
スプリアス振動成分が長さ方向に生じてしまい、トラン
スの変換効率が損なわれていた。
【0006】
【発明の目的及び概要】本発明はこのような事情に鑑み
てなされたものであり、本発明の目的は、出力インピー
ダンスが低く、且つ実用に供せられる範囲で高周波駆動
ができ、変換効率の高い小型化に適した圧電磁器トラン
スを提供することにある。
【0007】この目的のため本発明は、複数の内部電極
層と複数の圧電磁器層とが交互に積層された積層体構造
を有し、前記複数の圧電磁器層は積層された厚さ方向に
あらかじめ分極されて、前記積層体構造中に1次側の圧
電磁器層と2次側の圧電磁器層とが構成された圧電磁器
トランスにおいて、前記1次側の圧電磁器層は2つのグ
ループに分かれて前記2次側の圧電磁器層を挟むように
構成され、前記1次側及び2次側の圧電磁器層の材料は
電気機械結合係数k31が少なくとも0.3である材料で
あり、前記1次側又は前記2次側の圧電磁器層の厚さに
直交する方向(長さ方向)の固有振動周波数を前記1次
側の圧電磁器層に印可することにより前記2次側の圧電
磁器層に出力電圧が発生されることを特徴としている。
【0008】さらに本発明は、前記1次側の圧電磁気層
の厚さが前記2次側の圧電磁気層の厚さより薄い場合は
昇圧トランスとして、厚い場合は降圧トランスとして機
能することを特徴とする。
【0009】さらに本発明は、前記1次側と前記2次側
との間にデカップリング層を設けたことを特徴とする。
【0010】本発明によれば、あらかじめ圧電磁器層を
分極させるとき、印可電圧は厚さ方向にかけるので高い
電圧を当該圧電磁器層に印可する必要はない。また、出
力インピーダンスは、圧電磁器層の電極間の距離に比例
するが、本発明によれば、電極間の距離は圧電磁器層の
厚さに対応するので、出力インピーダンスを低くするこ
とができる。出力インピーダンスが低いので、負荷に依
存して昇圧比が変動することもなくなる。また、本発明
によれば圧電磁器トランスは多層構造となっているの
で、出力電流が大きくとれる。本発明の圧電磁器トラン
スを昇圧型にするか降圧型にするかは1次側と2次側と
の圧電磁器層の各厚さの関係で決まる。いずれの型も電
極方向が厚さ方向であるので、出力インピーダンスは低
い。
【0011】さらに、本発明の圧電磁器トランスは、長
さ方向振動による圧電効果の発生を利用している。長さ
方向振動に有利な材料として、電気機械結合係数値k31
は少なくとも0.3は必要である。例えば圧電磁器層の
材料として、PZT、PLZTが使われるのが好まし
い。圧電磁器層の固有振動周波数は、次式で表されるよ
うに、使用される圧電材料及び当該圧電トランスの振動
方向の寸法で決まる。
【数1】 ここでfは固有振動周波数、lは圧電磁器トランスの長
さ、ρは圧電磁器層の材料の密度、sは音速、Eは長さ
方向の機械的コンプライアンス及びn,mは定数を表
す。本発明に係る圧電磁器層の長さ方向の固有振動周波
数は、100kHz前後なので圧電磁器トランスの駆動
に困難性がない、実用に供しうる範囲の駆動周波数が実
現できる。
【0012】また、圧電磁器トランスの2次側の圧電磁
器層を1次側の圧電磁器層で挟むサンドイッチ構造にし
たことにより、圧電磁器トランス全体が片側に反るとい
うこともない。従って、曲げモードの振動によるエネル
ギーの損失がない。
【0013】さらに、比誘電率の低いデカップリング層
を圧電磁器トランスの1次側と2次側との圧電磁器層の
間に設けることにより、当該圧電磁器トランスの1次側
と2次側との境界で干渉が生じないので、圧電磁器トラ
ンスの変換効率の低下が防止できることになる。
【0014】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳
細に説明する。
【0015】
【実施例】図1、図2はそれぞれ本発明に基づく圧電磁
器トランスの第1実施例の断面図及び斜視図を示す。図
1及び図2において、圧電磁器トランス1は、矢印A又
はBで示すように厚さ方向に分極された平面視長方形状
の薄い圧電磁器層10を積層した1次側6及び7と、厚
さ方向に分極された厚い圧電磁器層11を多数積層した
2次側8とを有し、前記1次側6及び7は前記2次側8
を挟むように配置されている。
【0016】電極2、3、4及び5は全て平板状の形状
をなしていて、各電極間には厚さ方向に分極された圧電
磁器層10又は11が挟まれている。分極はあらかじめ
厚さ方向A及びBに強い電界をかけることにより作成
し、圧電磁器層10及び11は分極方向が各層で逆方向
になるように配置されている。このような内部多層電極
を有する圧電磁器トランスは、積層セラミックコンデン
サ等で用いられている既知の積層セラミック技術で製造
することが可能であり、このような方法で製造した圧電
磁器トランスでは、層間隔を10〜25μm程度まで薄
くすることが可能である。圧電磁器層10及び11の材
料は長さ方向振動に対して極めて感度の良い材料が好ま
しい。なぜなら、圧電磁器層の材料の電気機械結合係数
31が0.3を下回る場合は、圧電磁器トランスの変換
効率が著しく落ちるからである。例えば本実施例では、
電気機械結合係数K31が0.35の特性を有するPZT
を使用している。1次側の圧電磁器層10の各層の厚み
は20μm、幅は6mm、長さは12mmであり、全体
としては12枚の層から成り、それぞれ6枚の層から成
る部分6及び7が2次側8の圧電磁器層11を挟む構成
となっている。2次側8の圧電磁器層11の各層の厚み
は80μm、幅は6mm、長さは12mmであり、4枚
の層から成っている。各圧電磁器層10、11の間に
は、電極2、3、4及び5がそれぞれ設けられていて、
当該各圧電磁器層に対し厚さ方向A,Bに電圧を印可す
ることが可能となっている。当該電極の材料には銀パラ
ジウム(AgPd)を使用している。隣り合う電極間で
電圧が発生可能なように、1次側6及び7における各電
極は、一電極おきに接続されて1次側の正の電極端子1
2及び負の電極端子13に接続されている。2次側8に
おいても同様に各電極は一電極おきに接続されて2次側
の正の電極端子14及び負の電極端子15に接続されて
いる。前記1次側の負の電極端子13と前記2次側の負
の電極端子15とは電位的に同電位となるように、互い
に接続されていてもよい。
【0017】1次側8の電極端子間に交流電圧約2Vを
供給する。当該交流電圧の周波数は、圧電磁器層10及
び11の長さ方向の1次の固有振動数に概略等しい12
0kHzである。この結果、1次側6及び7の圧電磁器
層10は電歪効果により長さ方向に固有振動するように
なる。このように、1次側6及び7の圧電磁器層10は
長さ方向に振動するので、これに連動するように2次側
8の圧電磁器層11も長さ方向に固有振動する。当該圧
電磁器層11が長さ方向に固有振動する結果、圧電効果
が生じ2次側の電極4及び5間に電圧が発生する。発生
する電圧は2次側の電極間の厚さに比例し、約8Vの出
力電圧が端子14、15間に得られる。昇圧比は1次側
の電極間の厚さと2次側の電極間の厚さとの比に対応
し、この場合約4倍の昇圧比が得られる。2次側8は、
1次側6及び7に挟まれている構造となっているので、
長さ方向に関しどちらか片側に圧電磁器トランス1自体
が反ることはない。また、2次側8の圧電磁器層11の
厚さは80μmと薄いので、従来のローゼン型の圧電磁
器トランスより充分に低い出力インピーダンスが得られ
る。本実施例においては、負荷が10Ω以上においても
端子14、15間の出力電圧は約8Vである。
【0018】図3は本発明に基づく第2実施例の圧電磁
器トランスの断面図を示す。この実施例によれば、圧電
磁器トランス21の1次側22、23が厚さ方向A,B
に分極された厚い圧電磁器層25を多数積層して構成さ
れ、当該圧電磁器トランス21の2次側24が厚み方向
A,Bに分極された薄い圧電磁器層26を多数積層して
構成されている。この構成によれば、入力電圧に対して
降圧した低い出力電圧が得られる。
【0019】図4は本発明に基づく第3実施例の圧電磁
器トランスの断面図を示す。この実施例によれば、圧電
磁器トランス31の1次側32、33と2次側34との
間にデカップリング層37及び38を設けている。この
デカップリング層37及び38は比誘電率の低い材料、
例えばアルミナ(Al23)が使用されている。前述し
た本発明の第1、第2実施例によると、1次側の圧電磁
器層と2次側の圧電磁器層とが隣接している部分におい
て圧電効果的に干渉しあうことにより効率が低下してし
まう可能性があった。本実施例によれば比誘電率の低い
デカップリング層が1次側の圧電磁器層35と2次側の
圧電磁器層36との間に挿入されているので、圧電磁器
トランスの1次側と2次側とで上記のように干渉するこ
とがなく、変換効率の低下が防止できる。
【0020】以上、説明したように本発明によれば、出
力インピーダンスが低く、且つ実用に供せられる範囲で
高周波駆動ができ、変換効率の高い小型化に適した圧電
磁器トランスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による圧電磁器トランスの第1実施例
の断面図を示した図である。
【図2】 本発明による圧電磁器トランスの第1実施例
の斜視図を示した図である。
【図3】 本発明の第2実施例である降圧型の圧電磁器
トランスの断面図を示した図である。
【図4】 本発明の第3実施例であるデカップリング層
を挿入した圧電磁器トランスの断面図を示した図であ
る。
【符号の説明】
1、21、31:圧電磁器トランス、 2、3、4、
5:電極、 6、7、22、23、32、33:1次
側、 8、24、34:2次側、 10、11、2
5、26、35、36:圧電磁器層、 12、13、1
4、15:電極端子、37、38:デカップリング層
A,B:分極方向

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の内部電極層と複数の圧電磁器層と
    が交互に積層された積層体構造を有し、前記複数の圧電
    磁器層は積層された厚さ方向にあらかじめ分極されて、
    1次側及び2次側を構成する圧電磁器トランスにおい
    て、 前記1次側の圧電磁器層は2つのグループに分かれて前
    記2次側の圧電磁器層を挟むように配置され、前記1次
    側及び前記2次側の圧電磁器層の材料は電気機械結合係
    数k31が少なくとも0.3であり、前記1次側又は前記
    2次側の圧電磁器層の厚さに直交する方向の固有振動周
    波数を前記1次側の圧電磁器層に印可することにより前
    記2次側の圧電磁器層に出力電圧が発生されるようにし
    たことを特徴とする圧電磁器トランス。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の圧電磁器トランスにお
    いて、 前記1次側の圧電磁気層の厚さが前記2次側の圧電磁気
    層の厚さより厚いことを特徴とする圧電磁器トランス。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の圧電磁器トランスにお
    いて、 前記1次側の圧電磁気層の厚さが前記2次側の圧電磁気
    層の厚さより薄いことを特徴とする圧電磁器トランス。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至請求項3の何れか1項に記
    載の圧電磁器トランスにおいて、 前記1次側の圧電磁器層と前記2次側の圧電磁器層との
    境界には前記圧電磁器層の材料より比誘電率の低い材料
    で形成されたデカップリング層が配置されていることを
    特徴とする圧電磁器トランス。
JP6315791A 1994-11-25 1994-11-25 圧電磁器トランス Pending JPH08153914A (ja)

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