圧電振動装置

【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１１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。

【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Ｏ２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，ｓ２，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１５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１０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Ａ２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１１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２R>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Ｏ３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１４，１４，１８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１１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

【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。

【図２】