JP4141029B2

JP4141029B2 - Piezoelectric transformer

Info

Publication number: JP4141029B2
Application number: JP33657698A
Authority: JP
Inventors: 理伊勢
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: JP2000150982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランスに関し、特に振動子の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ノート型パーソナルコンピュータ、携帯情報端末などの普及に伴い、従来、液晶用バックライト点灯には、電磁トランスを用いて昇圧を行ってきた。しかし、発生電磁ノイズの低減、低消費電力化、高効率化、トランス自体の小型低背化などの要求により、最近では圧電トランスが普及し始めている。
【０００３】
代表的な圧電トランスの形状に、ローゼン型がある。これは、セラミック矩形板の長さ方向の半分を長さ方向に分極し、それを出力側とし、共振時のモードとして定在波の１／２波長がトランスの長さに一致する状態（λ／２モード）または１波長がトランスの長さに一致する場合（λモード）で振動させるものである。
【０００４】
圧電トランスの昇圧比は、ローゼン型の場合、Ｖ₂／Ｖ₁＝（４× Ｑｍ×Ｋ３１×Ｋ３３×Ｌ）／（π²×ｔ）で表される。このように、昇圧比には、電気機械結合係数Ｋが関与するが、構造を変え、縦振動を駆動側に用いれば、値の小さい長さ方向を示すＫ３１に代わり、縦方向を示すＫ３３が主要素になる。従って、昇圧比の向上がはかられ、結果として、駆動電圧の低減にも効果がある。
【０００５】
また、トランスの小型低背化のため、振動子は小さい方が望ましい。しかし、出力側の制動容量Ｃｄ２は、大きい方がトランスとして使用しやすい。圧電トランスの効率は、出力側の負荷ＲＬの値で変化し、インピーダンス整合をとった数１が成立するときに最大となる。
【０００６】
【数１】

【０００７】
しかし、負荷側の配線等による浮遊容量を考慮すると、数１は、数２となり、トランスの特性値から算出されたＲＬ’からずれる。
【０００８】
【数２】

【０００９】
特に、Ｃｄ₂ が小さいトランスでは、負荷側回路の浮遊容量の影響が相対的に大きくなり、算出した負荷ＲＬ’を接続したとき、高い効率が得られない。同じトランスでも、用途、配線などによって、効率が大きく変化することになる。以上より、トランスを使用する上では、浮遊容量の影響が少ないＣｄ₂が大きい構造のものが好ましい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の圧電トランスには、次のような欠点がある。即ち、昇圧比に大きく関わる電気機械結合係数の内、最も昇圧比に有効な方向を利用していないために、材料本来の持つ可能性を十二分に活かしきれなく、昇圧比が小さいことに問題がある。
【００１１】
また、形状として通常矩形板を駆動体とするため、浮遊容量の影響が大きく、効率の点で問題がある。
【００１２】
従って、本発明は、材料特性値の中で最も大きな電気機械結合係数Ｋを有する厚み滑り振動Ｋ１５を利用できるように構造を改造することにより、より大きな昇圧比の向上が計られ、かつ、形状を円板状とし円周部分を出力側とすることにより、高効率な圧電トランスを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、昇圧比に大きく係わる電気機械結合係数に材料特性値の中で最も値の大きい厚み滑り振動のＫ１５を利用することで、高い昇圧比を持つトランス得られる。
【００１４】
また、円板の円周部分を出力側とするため、通常の矩形板を振動体とするトランスに比べ、制動容量Ｃｄ₂が大きく、浮遊容量の影響が小さい、つまり、高効率で使用できるトランスが得られる。
【００１５】
即ち、本発明は、円板形状を有し、同心円状に内側から順番に円周方向に分極処理され厚み滑り振動を行う駆動部と、円板の外周部分を厚み方向に分極された放射状の出力電極部とからなり、駆動側と９０°方向の異なる厚み滑り振動により出力電圧を取り出す圧電トランスである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態による圧電トランスの外観の斜視図である。図２、図３は、本発明の実施の形態による圧電振動体の各部分での分極用電極形状の斜視図である。図４は、本発明の実施の形態による圧電振動体を構成する１単位の斜視図である。図５，図６は各々振動体駆動部及び出力部の振動状態をモデル化した説明図である。
【００１８】
図１において、セラミック円板の中央内側部に駆動部として、円形電極１を形成し、出力部となる円板外側部３には、積層技術により放射状になるように電極を形成し、円板側面部で電気的に接続された出力側電極２を設ける。
【００１９】
この円板は、駆動側を円周方向に分極処理を行う。分極方向を図２に示す。駆動側の分極は、１を形成する前に駆動部分分極用の電極４を作製し分極する。図３に、駆動部分の分極例を示す。図３では、中央部分が空いているが、この部分も分極する。分極後、４を除去し、１を形成する。また、出力側は、分極用電極（５）を形成し、厚み方向に分極、隣接した部分は、逆方向に分極処理し、分極後に、これを除去する。
【００２０】
円板の一部を切り取ったモデルを図４に示す。駆動部分の振動モデルを図５に示す。出力部分の振動モデルを図６に示す。駆動側（図５）を振動させると、極方向と印加電解方向を含む面内で、ずれの振動が生じる。即ち、図の手前の面がたわみ、断面形状は平行四辺形となる。この振動が、出力部が伝播し、出力側（図６）も変形を生じる。出力側（図６）では、厚み方向に分極された状態に変形が生じるため、図の横方向に電界が生じ、図４に示される出力側電極から出力電力として取り出される。
【００２１】
【発明の効果】
以上、説明したごとく、本発明によれば、駆動側、出力側共に、電気機械結合係数の高いＫ１５を持つ厚み滑り振動を用いることで、昇圧比の高い圧電トランスが得られる。また、円板形状の構造より出力側制動容量が大きく、インピーダンス整合のずれがなく、高効率で使用できる圧電トランスが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電トランスの外観の斜視図。
【図２】本発明の実施の形態による圧電振動体の分極方向および出力側の分極用電極形状の斜視図。
【図３】本発明の実施の形態による圧電振動体の駆動部に形成する分極用電極形状の斜視図。
【図４】本発明の実施の形態による圧電振動体を構成する１単位の斜視図。
【図５】本発明の実施の形態による振動体、駆動部の振動状態をモデル化した説明図。
【図６】本発明の実施の形態による振動体、出力部の振動状態をモデル化した説明図。
【符号の説明】
１駆動側電極
２出力側電極
３円板外周部
４駆動部分分極用電極
５出力側分極用電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric transformer, and more particularly to a structure of a vibrator.
[0002]
[Prior art]
With the spread of notebook personal computers, portable information terminals, and the like, conventionally, a backlight for liquid crystal has been boosted using an electromagnetic transformer. However, recently, piezoelectric transformers have begun to spread due to demands such as reduction of generated electromagnetic noise, low power consumption, high efficiency, and miniaturization and low profile of the transformer itself.
[0003]
A typical piezoelectric transformer has a Rosen shape. This is a state in which half of the length of the ceramic rectangular plate is polarized in the length direction, which is the output side, and a half wavelength of the standing wave coincides with the length of the transformer as a mode at resonance (λ / 2 mode) or when one wavelength matches the length of the transformer (λ mode).
[0004]
In the case of the Rosen type, the step-up ratio of the piezoelectric transformer is expressed by V ₂ / V ₁ = (4 × Qm × K31 × K33 × L) / (π ² × t). Thus, although the electromechanical coupling coefficient K is involved in the step-up ratio, if the structure is changed and longitudinal vibration is used on the driving side, K33 indicating the longitudinal direction is substituted for K31 indicating the length direction with a small value. Become the main element. Therefore, the boost ratio can be improved, and as a result, the driving voltage can be reduced.
[0005]
In addition, it is desirable that the vibrator be small in order to reduce the size and height of the transformer. However, a larger output-side braking capacity Cd2 is easier to use as a transformer. The efficiency of the piezoelectric transformer changes depending on the value of the load RL on the output side, and is maximized when Formula 1 is established in which impedance matching is established.
[0006]
[Expression 1]

[0007]
However, considering the stray capacitance due to the load-side wiring or the like, Equation 1 becomes Equation 2, which deviates from RL ′ calculated from the characteristic value of the transformer.
[0008]
[Expression 2]

[0009]
In particular, in a transformer having a small Cd ₂ , the influence of the stray capacitance of the load side circuit becomes relatively large, and high efficiency cannot be obtained when the calculated load RL ′ is connected. Even with the same transformer, the efficiency varies greatly depending on the application and wiring. From the above, when using a transformer, a structure having a large Cd ₂ that is less affected by stray capacitance is preferable.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional piezoelectric transformer described above has the following drawbacks. In other words, among the electromechanical coupling factors that are greatly related to the boost ratio, the most effective direction for the boost ratio is not used, so the full potential of the material cannot be fully utilized, and the boost ratio is small. There's a problem.
[0011]
Moreover, since a normal rectangular plate is used as the driving body, the influence of stray capacitance is large, and there is a problem in terms of efficiency.
[0012]
Therefore, according to the present invention, a larger step-up ratio can be improved by modifying the structure so that the thickness shear vibration K15 having the largest electromechanical coupling coefficient K among the material characteristic values can be used. It is to provide a high-efficiency piezoelectric transformer by forming a disk shape and a circumferential portion on the output side.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a transformer having a high step-up ratio can be obtained by using K15 of the thickness-shear vibration having the largest value among the material characteristic values for the electromechanical coupling coefficient greatly related to the step-up ratio.
[0014]
Further, since the circumferential portion of the disk is on the output side, the transformer has a larger braking capacity Cd _{2 and} less influence of stray capacitance compared to a transformer having a normal rectangular plate as a vibrating body, that is, a transformer that can be used with high efficiency. Is obtained.
[0015]
That is, the present invention has a disk shape, a concentric circularly-polarized drive unit that performs polarization treatment in the circumferential direction in order from the inside, and a thickness-shear vibration, and a radial part in which the outer peripheral part of the disk is polarized in the thickness direction. The piezoelectric transformer is composed of an output electrode portion and extracts an output voltage by a thickness shear vibration that is 90 ° different from the driving side.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a perspective view of the appearance of a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention. 2 and 3 are perspective views of the electrode shape for polarization in each part of the piezoelectric vibrator according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a perspective view of one unit constituting the piezoelectric vibrating body according to the embodiment of the present invention. 5 and 6 are explanatory diagrams modeling the vibration states of the vibrator driving unit and the output unit, respectively.
[0018]
In FIG. 1, a circular electrode 1 is formed as a drive unit at the center inner side of the ceramic disk, and electrodes are formed radially on the disk outer side 3 serving as an output unit by a lamination technique. An output-side electrode 2 that is electrically connected at the side surface is provided.
[0019]
This disk performs polarization processing in the circumferential direction on the drive side. The polarization direction is shown in FIG. For the driving side polarization, the electrode 4 for driving partial polarization is prepared and polarized before 1 is formed. FIG. 3 shows an example of the polarization of the drive part. In FIG. 3, the central part is vacant, but this part is also polarized. After polarization, 4 is removed and 1 is formed. On the output side, a polarization electrode (5) is formed, polarized in the thickness direction, and adjacent portions are polarized in the opposite direction, and removed after polarization.
[0020]
FIG. 4 shows a model in which a part of the disk is cut out. FIG. 5 shows a vibration model of the drive part. A vibration model of the output portion is shown in FIG. When the drive side (FIG. 5) is vibrated, deviation vibration occurs in a plane including the polar direction and the applied electrolysis direction. That is, the front surface of the figure is bent and the cross-sectional shape is a parallelogram. This vibration propagates through the output section, and the output side (FIG. 6) is also deformed. On the output side (FIG. 6), since deformation occurs in the state polarized in the thickness direction, an electric field is generated in the horizontal direction in the figure and is taken out as output power from the output side electrode shown in FIG.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a piezoelectric transformer having a high step-up ratio can be obtained by using thickness-shear vibration having K15 having a high electromechanical coupling coefficient on both the drive side and the output side. Also, the output-side braking capacity is larger than that of the disk-shaped structure, and there can be provided a piezoelectric transformer that can be used with high efficiency without any impedance matching shift.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view of a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a polarization direction and a shape of a polarization electrode on an output side of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a polarization electrode shape formed on a drive unit of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view of one unit constituting the piezoelectric vibrating body according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram modeling a vibration state of a vibrator and a drive unit according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram modeling the vibration state of the vibrating body and the output unit according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Drive side electrode 2 Output side electrode 3 Disc outer peripheral part 4 Drive partial polarization electrode 5 Output side polarization electrode

Claims

It has a disk shape, and consists of a concentric drive unit that is polarized in the circumferential direction in order from the inside and that performs thickness-shear vibration, and a radial output electrode that polarizes the outer periphery of the disk in the thickness direction. A piezoelectric transformer characterized in that an output voltage is taken out by different thickness sliding vibrations in the direction of 90 ° from the driving side.