JP2000183416A - 圧電セラミックトランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電セラミックトランスの破壊を防止するこ
とである。 【解決手段】 偏平な矩形の圧電セラミック体２の長さ
方向の一方の側の両面に互いに異極の入力電極４を形成
し圧電セラミック体２を厚さ方向に分極してなる励振部
１１と、圧電セラミック体２の他方の側の端面に出力電
極６を形成し圧電セラミック体２を長さ方向に分極して
なる発電部１２とを有する圧電セラミックトランスにお
いて、分極方向と圧電振動による応力方向とが平行で強
度が不足する発電部１２に、上記応力が最大となる圧電
振動の節位置に、圧電セラミック体２の表面に幅方向に
帯状の補助電極５を形成し、補助電極５には圧電セラミ
ック体２焼成時における焼成を促進する銀を含有せしめ
て応力最大位置の強度を高くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電セラミックトラ
ンスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から圧電セラミックの圧電効果を応
用した圧電セラミックトランスは高電圧電源等に用いら
れ、例えば液晶ディスプレイの光源として用いられる冷
陰極管の駆動用として広く適用されている。図５は圧電
セラミックトランスの代表例で、圧電セラミックトラン
ス８は、偏平な矩形の圧電セラミック体８０１の一方の
側の上下面に入力電極８０２を形成し圧電セラミック体
８０１を厚さ方向に分極した励振部８１と、圧電セラミ
ック体８０１の他方の側の端面に出力電極８０３を形成
し圧電セラミック体８０１を長さ方向に分極した発電部
８２とを備えており、入力電極８０２間に交流電圧を印
加して圧電セラミック体８０１を圧電振動させてその機
械エネルギーを電気エネルギーに変換し、出力電極８０
２から変圧された例えば昇圧された電圧をとりだすもの
である。また、より高い昇圧比を得るべく圧電セラミッ
ク体と入力電極とを交互に積層して励振部を積層型にし
たものもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電セラミ
ック体は圧電振動により内部に応力が発生し、この応力
は圧電振動の振動振幅が大きいほど大きい。したがって
高電圧を得るべく振動振幅を大きくすると、上記応力が
大きくなって圧電セラミックトランスは破壊しやすくな
り信頼性が低下する。したがって、圧電セラミック体の
強度により圧電トランスの出力電圧が規定されることに
なり、高電圧出力用とするには圧電セラミックトランス
自体を大型化せざるを得なかった。

【０００４】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
圧電振動に起因する破壊を効果的に防止し、小型でも高
電圧を出力可能な圧電セラミックトランスを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電振動に起
因する圧電セラミックトランスの破壊は、発電部が破壊
位置となる場合が殆どであるという発明者らの知見によ
りなされたもので、請求項１記載の発明では、上記発電
部の圧電振動の節位置には、圧電セラミック体の表面に
幅方向に帯状の補助電極を形成し、補助電極には銀を含
有せしめる。

【０００６】圧電セラミック体は、焼成する際に、補助
電極が含有する銀の焼成促進作用により補助電極形成位
置すなわち発電部の圧電振動の節位置の強度が高められ
る。圧電振動の節位置では圧電振動による応力が最大と
なるから、圧電セラミックトランスの破壊を効果的に防
止することができる。したがって、小型の圧電セラミッ
クトランスでも圧電振動振幅を大きくすることで高電圧
出力が可能となる。

【０００７】請求項２記載の発明では、上記圧電セラミ
ック体を積層し、上記入力電極および補助電極は各圧電
セラミック体の両面に形成する。

【０００８】励振部を積層型に構成して高い昇圧比を得
るとともに、発電部ではその厚さ方向に補助電極が分散
して形成されるので、圧電セラミック体の厚さ方向に均
一に焼成が促進され、さらに圧電振動に対する耐性の向
上を図ることができる。

【０００９】請求項３記載の発明では、上記補助電極の
幅を上記発電部の長さの１０パーセント以上２０パーセ
ント以下とすることで、圧電振動に対する耐性の向上お
よび変換効率に関して優れた特性を得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の説明に先立
ち、発明者らが得た知見について説明する。発明者らは
圧電セラミックトランスの強度について鋭意実験研究を
重ねた結果、次の知見を得た。すなわち、圧電セラミッ
ク体、特に積層型の圧電セラミック体は、励振部と発電
部のいずれにおいても圧電振動により同じ応力が発生す
るにもかかわらず発電部で破壊する場合が殆どであるこ
とがわかった。これは圧電セラッミック体の分極方向と
圧電振動時の応力方向とが、励振部では直交するのに対
して発電部では平行となることや、励振部では入力電極
が銀を含有する場合にその焼成促進作用により強度が高
められることにより、励振部と発電部とで強度がアンバ
ランスになるためと認められる。本発明は、かかる知見
に基づきなされたものである。

【００１１】図１に本発明になる圧電セラミックトラン
スを示す。圧電セラミックトランス１はローゼン型のも
ので、圧電セラミック体２と電極層３とを交互に積層し
た積層体１ａを有し、積層体１ａの図中左側半部により
励振部１１が構成され、図中右側半部により発電部１２
が構成される。図２はこの積層体１ａを分解した状態を
示している。積層体１ａを構成する圧電セラミック体２
は偏平な長方形に成形してあり、電極層３は、圧電セラ
ミック体２の左側半部の略全面をカバーする入力電極４
と、圧電セラミック体２の右側半部に形成された補助電
極５とからなる。

【００１２】各圧電セラミック体２とこれを両側から挟
む互いに異極の入力電極４とで励振部１１の単位体をな
しており、入力電極４間に交流電圧を印加することで圧
電セラミック体２が圧電振動する。

【００１３】入力電極４の左端の角部４１，４２は、一
方の極では手前側が、他方の極では奥側が切り欠いてあ
り、積層体１ａの側面のそれぞれには入力電極４の角部
４１，４２位置に、積層体１ａの厚さ方向に帯状の接続
電極７が形成してある。接続電極７が入力電極４とその
切り欠き非形成の角部４１にて導通し、励振部１１の単
位体が互いに並列接続される。

【００１４】積層体１ａの右側端面の全面には出力電極
６が形成され、圧電セラミック体２の右側半部とともに
発電部１２を構成し、出力電極６から変圧出力が取り出
される。

【００１５】補助電極５は本発明の特徴部分であり、圧
電振動の節位置に圧電セラミック体２の幅方向に一方の
側縁から他方の側縁にかけて帯状に形成する。圧電振動
の節位置は、例えば圧電セラミックトランス１がλモー
ドでの作動用であれば図例のごとく発電部１２の長さ方
向１／２位置である。以下の説明においては圧電セラミ
ックトランス１はλモードでの作動用であり補助電極５
が図例のごとく形成されたものとする。補助電極５は入
力電極３および出力電極４と絶縁された独立の電極であ
り、入力電極４間に交流電圧を印加した時の励振部１１
および発電部１２の圧電作動に実質的に寄与しない。

【００１６】本圧電セラッミックトランス１は上記構造
を有し、圧電セラミックトランスの通常の製作方法によ
り製作することができる。例えば一般的なグリーンシー
ト法を用いることができる。すなわち、まずチタン酸ジ
ルコン鉛系セラミックス（以下ＰＺＴ）等の圧電セラミ
ックス材料よりなるグリーンシートを用意し、これにパ
ラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）等の高融点導電材料と
Ａｇとが混合されたペーストにより上記電極層３のパタ
ーンを印刷する。なお、電極層３パターンは入力電極４
の角部４１，４２の切り欠き形成位置が異なる一方の極
用と他方の極用との２種類用意する。

【００１７】次いで、一方の極用の電極層３パターンが
印刷されたグリーンシートと、他方の極用の電極層３パ
ターンが印刷されたグリーンシートとを、図２のごとく
電極層３パターンがすべての層で同位置となるように交
互に重ね、熱圧着して一体化した後に、所定の圧電セラ
ミックトランスの大きさに切断し、脱脂、焼成する。

【００１８】焼成後、出力電極６および接続電極７を、
積層体の右側端面および側面にＡｇを塗布、焼き付ける
ことにより形成する。なお、最外層の電極層３を焼成後
に形成する場合は、このとき一緒に形成する。この焼成
後に形成する電極層３は圧電セラミック体２の強度向上
に寄与しないので、補助電極５は省略することもでき
る。

【００１９】次いで圧電セラミック体２に分極処理を施
して圧電セラミックトランス１が完成する。分極処理
は、絶縁油中に圧電セラミックトランス１を浸漬し、励
振部１１では入力電極４間に直流高電圧を印加して厚さ
方向に分極し、発電部１２では入力電極４と出力電極６
間に直流高電圧を印加して長さ方向に分極する。

【００２０】本圧電セラミックトランス１では、入力電
極４間に交流電圧を印加しλモードで作動せしめた時、
励振部１１および発電部１２のそれぞれ１／２位置が振
動の節位置となり、ここで最大応力が発生する。発電部
１２の節位置には補助電極５が形成されており、ここは
焼成時に補助電極５が含有するＡｇが、圧電セラミック
体２の焼成を促進する作用をし圧電セラミック体２の強
度向上に寄与する。しかも、補助電極５を、これと圧電
セラミック体２とが交互に重なるようにして積層体１ａ
の厚さ方向に分散せしめたから、圧電セラミック体２の
厚さ方向に均一に焼成が促進され、圧電セラミック体２
の強度をより向上せしめる。このように、圧電振動によ
る応力が最大となる位置の強度を高めることで圧電振動
に対する耐性を高め、圧電振動の振幅を大きくしても圧
電セラミックトランス１の破壊を効果的に防止すること
ができる。しかして、高電圧出力を得ることができる。

【００２１】なお、本実施形態では、各補助電極は１本
の連続したパターンに形成して圧電セラミック体の幅方
向に焼成が均一化するようにしているが、圧電セラミッ
ク体の幅方向に帯状に形成されておればよく、要求され
る圧電振動に対する耐性によっては、例えば飛び石状に
点々と形成するのでもよい。また、補助電極は、要求さ
れる圧電振動に対する耐性によっては入力電極と同じ数
だけ形成しなくともよく、例えば一方の極用の電極層パ
ターンにのみ含めてもよい。

【００２２】また、本発明は励振部を積層型としない圧
電セラミックトランスにも適用することができ、その場
合、補助電極も簡単に単一の圧電セラミック体の両面に
のみ形成してもよい。

【００２３】本圧電セラミックトランス１の実施例につ
いて説明する。上記グリーンシート法により形状が５０
（長さ）×８（幅）×２．５（厚さ）ｍｍ、圧電セラミ
ック体が７層で電極層が８層の積層型圧電セラミックト
ランスを作製した。圧電セラミック体にはＰＺＴを用
い、電極層形成用のペーストにはＰｄとＡｇとを混合し
たもの（質量比Ａｇ：Ｐｄ＝７：３）を用いた。また、
補助電極の幅が２，４，６ｍｍの３種類作製した。ま
た、比較例として補助電極のないものも併せて作製し
た。比較例の仕様は補助電極がない点を除き実施例と同
じである。分極はシリコンオイル中で、発電部の長さ方
向および励振部の厚さ方向に１．５ｋＶ／ｍｍの直流高
電圧を印加することで行った。

【００２４】これらの実施例および比較例について発電
部の強度および変換効率を測定した。強度は圧電トラン
スの発電部の節位置の３×２×２．５ｍｍの試験片を切
り取り３点曲げ試験法により測定した。図３に発電部の
強度の測定結果を示す。図中、横軸は発電部の長さに対
する補助電極の幅の割合（図中、発電部の電極割合）で
ある。電極幅２ｍｍは発電部の長さ２５ｍｍに対して８
パーセントであり、電極幅４ｍｍは発電部の長さ２５ｍ
ｍに対して１６パーセントであり、電極幅６ｍｍは発電
部の長さ２５ｍｍに対して２４パーセントである。０パ
ーセントのデータは補助電極のない比較例のデータであ
る。また、図３には励振部から切り取った上記試験片と
同じ大きさの試験片についての強度測定結果を破線で示
している。

【００２５】図３より知られるように、実施例では補助
電極を形成することにより、発電部の節位置（最大応力
発生位置）において、比較例に対して１０パーセントを
越える強度向上効果が得られた。比較例の強度は励振部
の強度に匹敵するレベルであり、圧電振動に対する耐性
が大幅に改善されることがわかる。また電極割合が高い
ほど強度向上効果は高くなる傾向を示し、電極割合は１
０パーセント以上とするのがよい。なお、励振部の強度
が高いのは、励振部には全面にＡｇを含有する入力電極
が形成されているためと認められる。

【００２６】図４に変換効率の測定結果を示す。図より
知られるように、電極割合が２０パーセントを上回る
と、変換効率はやや低下傾向を示すため、電極割合は２
０パーセント以下にするのがよい。なお上記変換効率の
低下傾向は電極割合が大きすぎると圧電セラミック体の
振動を阻害することによるものと認められる。

【００２７】したがって、電極割合は、発電部の強度、
変換効率ともにきわめて良好な結果を得ることのできる
１０パーセント以上２０パーセント以下とするのがよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電セラミックトランスの斜視図であ
る。

【図２】本発明の圧電セラミックトランスの要部の分解
斜視図である。

【図３】本発明の圧電セラミックトランスの作動を説明
する第１のグラフである。

【図４】本発明の圧電セラミックトランスの作動を説明
する第２のグラフである。

【図５】従来の圧電セラミックトランスの代表例の斜視
図である。

【符号の説明】

１ 圧電セラミックトランス １ａ 積層体 １１ 励振部 １２ 発電部 ２ 圧電セラミック体 ３ 電極層 ４ 入力電極 ５ 補助電極 ６ 出力電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 進藤 仁志 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 安田 悦朗 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 藤井 章 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏平な矩形の圧電セラミック体の長さ方
   向の一方の側の両面に互いに異極の入力電極を形成し圧
   電セラミック体を厚さ方向に分極してなる励振部と、上
   記圧電セラミック体の他方の側の端面に出力電極を形成
   し圧電セラミック体を長さ方向に分極してなる発電部と
   を有する圧電セラミックトランスにおいて、上記発電部
   の圧電振動の節位置には、圧電セラミック体の表面に幅
   方向に帯状の補助電極を形成し、補助電極には銀を含有
   せしめたことを特徴とする圧電セラミックトランス。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電セラミックトランス
   において、上記圧電セラミック体を積層し、上記入力電
   極および補助電極は各圧電セラミック体の両面に形成し
   た圧電セラミックトランス。
3. 【請求項３】 請求項１または２いずれか記載の圧電セ
   ラミックトランスにおいて、上記補助電極の幅を上記発
   電部の長さの１０パーセント以上２０パーセント以下と
   した圧電セラミックトランス。