JP2001223407A - 圧電トランスの接続構造、及び圧電トランスの接続方法 - Google Patents

圧電トランスの接続構造、及び圧電トランスの接続方法

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Yoshiaki Fuda
良明 布田
Takashi Kurahashi
孝 倉橋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期使用時の電気的接続の信頼性を確保し、
また圧電トランスの性能低下の生じない、更に低価格な
圧電トランスの接続構造を提供すること。 【解決手段】 圧電トランス１の表面に形成された外部
電極１２，１２′、１３を回路基板５のランド５１に接
続するための圧電トランス１の接続構造において、ワイ
ヤーボンディング法によって外部電極１２，１２′、１
３とランド５１間にそれぞれ複数架設され、外部電極１
２，１２′、１３とランド５１とを電気的に接続する複
数本の線材１６，１６、１７と、複数本の線材１６，１
６′、１７を被覆して絶縁する弾性絶縁樹脂１９とを有
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電トランスの接
続構造、及び圧電トランスの接続方法に関し、更に詳し
くは、圧電トランスの外部電極を回路基板のランドに接
続するための接続構造と接続方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】携帯型テレビやノート型パーソナルコン
ピュータ等の液晶ディスプレイを備えた携帯機器の普及
に伴い、液晶バックライト点灯用のインバータの小型
化、高効率化が急速に進んでいる。従来、液晶バックラ
イト点灯用のインバータには電磁式のトランスが用いら
れていたが、電磁誘導の原理に基づくトランスは小型
化、高効率化に限界が有り、更に、薄型化のため細線を
千ターン以上回巻する必要があり、細線の絶縁被覆が破
壊し、発煙や発火の危険性がある。近年、機械振動を利
用した電圧変換をする圧電トランスが注目され、一部の
インバータに圧電トランスとして実用化が進んでいる。
圧電トランスは小型化、高効率化の他に、発煙発火の危
険性が無く、発生電磁ノイズの低減や機器の小型低背化
等の優れた特徴が有り、今後、これらの機器に広範に普
及するものと考えられる。
【０００３】圧電トランスは最近さまざまな構造の物が
開発発表されている。圧電トランスの原理を図４で説明
する。図４は従来のローゼンタイプλモード圧電トラン
スに用いられている圧電振動子の構造の概略斜視図であ
る。図４において、圧電セラミックス矩形板４１には、
長さ方向のおよそ半分の部分に厚さ方向に対向する入力
用表面電極（入力部外部電極）４２，４２′が形成され
ている。また、圧電セラミックス矩形板４１の電極４
２，４２′が形成された部分とは反対側部分の長さ方向
の端面に出力部表面電極（出力部外部電極）４３が形成
されている。圧電セラミックス矩形板４１は、矢印で示
すように、電極４２，４２′の部分は矩形板厚さ方向に
分極され、電極４３の間の部分は、矢印で示すように、
圧電セラミックス矩形板４１の長さ方向に分極されてい
る。電極４２，４２′に圧電セラミックス矩形板４１の
長さ方向の１波長共振モードの共振周波数にほぼ等しい
周波数の電圧を印加すると、電極４２，４２′と電極４
３の間には圧電縦効果により電圧が発生する。ここで、
電極４２，４２′に印加した入力電圧と電極４３間に発
生した出力電圧の関係について説明すると、電極４２，
４２′の対向電極間隔は電極４２，４２′と電極４３と
の間隔に比べ十分に小さく、電極４２，４２′の面積は
電極４３の面積より十分に大きいため、入力側の静電容
量は出力側の静電容量に比べ十分大きな値となる。従っ
て、入力側に低い電圧を印加して振動子を振動した場
合、出力側に入力側電極間隔と入力側電極と出力側電極
間の間隔の比、及び入力側と出力側の静電容量の比に反
比例した大きな電圧が発生する。また、図５（ａ），
（ｂ）にはローゼンタイプλモード圧電トランスを駆動
した時の定在波振動の変位分布と応力分布を示す。図中
では長さ方向（ｘ軸）の振動の変位と応力の大きさを縦
軸（ｙ軸）に表現した。図５（ａ）から、圧電トランス
４の長さ方向の両端部と中央部は振動変位が最大とな
り、両端部からそれぞれ１／４内側に矢印で示した変位
量が零の振動の節点ができる。
【０００４】圧電トランスのリード線の断線対策として
の電極接続方法に関して、従来提案されている方法は、
特開平８−３２１３９号公報や特開平９−２４６１８号
公報に開示されるものがある。前者はリード線として耐
熱性繊維の撚り線に一本の銅薄板をスパイラル状に巻き
付けた金糸線を用いた構造で、ビニール被覆電線より柔
軟性が有り、圧電トランスの振動がリード線を伝達して
圧電トランスの絶縁ケースに接触しても振動音が発生し
にくいという特徴がある。しかし、電気的接続は金糸線
を圧電トランス表面の電極に半田付けしており、半田と
銅薄板の境界には振動に伴う機械的繰返し応力が加わ
り、長期の使用時には銅薄板が疲労破断し、電気的接続
が得られなくなるという致命的な欠点がある。また、後
者は圧電トランスの表面電極と基板のランド間に導電性
弾性体を用いた構造で、圧電トランスの振動の抑制を少
なくして、リードの断線等の接続不良を解決したもので
ある。しかし、導電性弾性体は一般的には銀の微粉末を
弾性体中に分散し、導電性を得るようにしたもので、リ
ード線に比べ高価でありコスト的に問題がある。また、
導電性自体が銀の微粉末の接触により維持されているの
で、接触抵抗が有り、導電性弾性体としては金属のリー
ド線の１０〜１００倍の体積抵抗値を有する。その結
果、圧電トランスの入力部で百ｍＡ以上の電流が流れる
と、導電性弾性体の抵抗により発熱し、電力損失となり
効率が低下するという問題点がある。著しい場合には、
導電性弾性体が発熱により焼損し、電気的接続が得られ
なくなるという致命的な欠点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】圧電トランスは、圧電
セラミックス矩形板表面に形成した入力部外部電極か
ら、電気的エネルギーを入力し、機械的振動エネルギー
に変換し、更に圧電セラミックス矩形板表面に形成した
出力部外部電極から電気的エネルギーを出力電力として
取り出すため、電力の入力出力用として少なくとも二組
の対向する外部電極を有し、更にその外部電極にリード
端子電極が接続する構造を有する。このリード端子電極
の接続位置は圧電トランスが振動するので、接続の信頼
性の確保のために、振動の節点付近とするのが好まし
い。しかし、図４で示したローゼンタイプλモード圧電
トランスでは入力部外部電極は振動の節点でリード端子
電極と接続することが可能であるが、出力部外部電極は
長さ方向の端面に位置し、振動変位が最大点である。従
来、この様な振動変位の最大点にリード線を半田付けし
た構造では、圧電トランスの長時間の駆動で、リード線
が振動で疲労し、その結果リード線の断線事故が発生す
るという問題点があった。断線したリード線の故障解析
結果、破断は半田のしみ込んだリード線のしみ込み境界
部で発生しており、断線の原因が半田のしみ込みによる
リード線の硬化と単線化による疲労破壊であることが判
明した。
【０００６】かかる問題点は図４に示したローゼンタイ
プλモード圧電トランスに限定せず、リード線を半田付
けする圧電トランスすべての問題であり、半田付けする
位置を長さ方向の主振動に着目して、振動の節点付近を
選択しても、その位置は長さ方向に直交する幅や厚さ方
向の振動では振動変位が最大点であり、長期間の使用に
際しては、やはり半田付けでは電気接続の信頼性確保が
困難であるという問題点がある。
【０００７】そこで、本発明の課題は、長期使用時の電
気的接続の信頼性を確保し、また圧電トランスの性能低
下を発生せず、しかも低価格な圧電トランスの接続構
造、及び圧電トランスの接続方法を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
れば、圧電トランスの表面に形成された外部電極を回路
基板のランドに接続するための圧電トランスの接続構造
において、ワイヤーボンディング法によって前記外部電
極と前記ランド間にそれぞれ複数架設され、該外部電極
と該ランドとを電気的に接続する複数本の線材と、該複
数本の線材を被覆して絶縁する弾性絶縁樹脂とを有する
ことを特徴とする圧電トランスの接続構造が得られる。
【０００９】請求項２記載の発明によれば、前記ワイヤ
ーボンディング法が、超音波ボンディング法によるもの
であることを特徴とする請求項１記載の圧電トランスの
接続構造が得られる。
【００１０】請求項３記載の発明によれば、前記ワイヤ
ーボンディング法が、熱圧着法によるものであることを
特徴とする請求項１記載の圧電トランスの接続構造が得
られる。
【００１１】請求項４記載の発明によれば、前記線材の
線径が、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項
１乃至３の内のいずれか一つの請求項に記載の圧電トラ
ンスの接続構造が得られる。
【００１２】請求項５記載の発明によれば、圧電トラン
スの表面に形成された外部電極を回路基板のランドに接
続するための圧電トランスの接続方法において、ワイヤ
ーボンディング法によって前記外部電極と前記ランド間
にそれぞれ複数本の線材を架設して、該外部電極と該ラ
ンドとを電気的に接続し、その後、前記複数本の線材を
弾性絶縁樹脂で被覆して絶縁することを特徴とする圧電
トランスの接続方法が得られる。
【００１３】請求項６記載の発明によれば、前記ワイヤ
ーボンディング法が、超音波ボンディング法によるもの
であることを特徴とする請求項５記載の圧電トランスの
接続方法が得られる。
【００１４】請求項７記載の発明によれば、前記ワイヤ
ーボンディング法が、熱圧着法によるものであることを
特徴とする請求項５記載の圧電トランスの接続方法が得
られる。
【００１５】請求項８記載の発明によれば、前記線材の
線径が、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項
５乃至７の内のいずれか一つの請求項に記載の圧電トラ
ンスの接続方法が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の実施形
態１を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）
は右側面図である。
【００１７】図１に示すように、チタン酸−ジルコン酸
鉛系圧電セラミックス（ＰＺＴ）矩形板１１を用いて、
表面外部電極１２，１２′、１３を有し、寸法が長さ４
０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのローゼン型圧電ト
ランス１を試作した。先ずこの圧電トランス１は弾性接
着剤１５で底面の二個所の節点近傍を回路基板５に接着
固定した。次にこの圧電トランス１の外部電極１２，１
２′、１３と回路基板５のランド電極５１間に対して、
それぞれ超音波ワイヤーボンディング法により、線径
０．０５ｍｍの金メッキ銅線から成るリード線（線材）
１６，１６′、１７を複数回往復（４往復）配線固着し
た。ローゼン型圧電トランス１の入力部には表裏面に入
力部外部電極１２，１２′があり、表裏面の側面付近の
長さ方向の節点付近でリード線１６，１６′の接続が可
能である。また、ローゼン型圧電トランス１の出力部は
トランスの長さ方向の端面になり、長さ方向の振動変位
が最大となる位置でリード線１７を接続した。接続後に
絶縁のために、往復接続したリード線１６，１６′、１
７とそれぞれの固着点をシリコーン弾性絶縁樹脂１９で
被覆した。
【００１８】しかる後に、この実施形態１に係る圧電ト
ランス１の接続構造及び接続方法の信頼性を評価するた
め、回路基板５を通して、圧電トランス１の共振周波数
８０ｋＨｚ、１００Ｖppの正弦波電圧を入力端子に印加
し、出力には２２０ｋΩの擬似負荷を接続して、長期エ
ージングを実施した。エージングに先立ち、エージング
電圧の３倍の電圧を５分間印加し、スクリーニングを実
施した。比較のため、同じ位置にビニール被覆のφ０．
０４ｍｍ半田メッキ銅線の１１本撚り線を半田付けした
圧電トランスの接続構造も試作し、同時に長期エージン
グを実施し、リード部の断線を調査した。試作数量はそ
れぞれ２００台である。エージング結果を表１に示す。
【００１９】実施形態１と同様の圧電セラミックスを用
いて、図２（ａ）に示したような出力部中央に高圧出力
部を有し、寸法が長さ５０ｍｍ、幅６ｍｍ、厚さ２ｍｍ
の変形ローゼン型圧電トランス２を試作した。図２
（ｂ）には一層の内部電極パターンを示した。長さ方向
の左半分の入力部では、対向電極となるように１０層の
内部電極２０ａが積層されており、これらの内部電極２
０ａを二側面の節点付近で外部電極２２，２２′に接続
してある。長さ方向の残り右半分の出力部では、高圧出
力部が出力部の中央に、グランドが圧電トランスの長さ
方向の中央と端部にそれぞれあり、高圧出力部もグラン
ドもそれぞれ幅方向に貫通する帯状の内部電極２０ｂ、
２０ｃ，２０ｃ′を１０層の積層することにより構成さ
れ、これらの内部電極２０ｂ、２０ｃ，２０ｃ′を二側
面でそれぞれ外部電極２３，２３′、２４，２４′、２
４，２４′に接続してある。この圧電トランス２の外部
電極２３′、２４、２４と回路基板６のランド６１間
に、超音波ワイヤーボンディング法で、それぞれ、線径
０．０４ｍｍの金メッキ銅線から成るリード線（線材）
２７、２８，２８′を複数回往復（５往復）配線固着し
た。変形ローゼン型圧電トランス２の入力部外部電極２
２，２２′は圧電トランス２の二側面にあり、側面の長
さ方向の節点付近でリード線２６，２６′の接続が可能
である。また、同様に変形ローゼン型圧電トランス２の
高圧出力部の出力部外部電極２３′は長さ方向の節点付
近でリード線２７の接続が可能であるが、出力部のグラ
ンドの外部電極２４、２４に対するリード線２８，２
８′の位置は圧電トランス２の長さ方向の振動変位が最
大の位置に当たる。接続後に絶縁のために、往復接続し
たリード線２６，２６′、２７、２８，２８′とそれぞ
れの固着点をシリコーン弾性絶縁樹脂２９で被覆した。
【００２０】しかる後に、実施形態１と同様に、この実
施形態２に係る圧電トランス２の接続構造及び接続方法
の信頼性を評価するため、回路基板６を通して、圧電ト
ランス２の共振周波数６５ｋＨｚ、３０Ｖppの正弦波電
圧を入力端子に印加し、出力には１２０ｋΩの擬似負荷
を接続して、長期エージングを実施した。エージングに
先立ち、エージング電圧の２．５倍の電圧を５分間印加
し、スクリーニングを実施した。比較のため、同じ位置
にビニール被覆のφ０．０４ｍｍ半田メッキ銅線の１１
本撚り線を半田付けした圧電トランスの接続構造も試作
し、同時に長期エージングを実施し、リード部の断線を
調査した。試作数量はそれぞれ２００台である。エージ
ング結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】表１から明らかなように、圧電トランスの
製造歩留まりを示すスクリーニングの不良率は、本発明
の実施形態１，２の方が比較例１，２より小さく、歩留
まり良く圧電トランスにリード線を接続することが可能
であり、また、長期のエージングの結果、比較例１，２
では５０００時間経過後累積で４．５〜５．５％の不良
発生率に対して、本発明の実施形態１，２では０〜０．
５％の不良発生率で、本発明に係る圧電トランスの接続
構造及び接続方法の高信頼性が確認された。
【００２３】尚、実施形態１，２では、ワイヤーボンデ
ィング法として、超音波ボンディング法を用いたが、ワ
イヤーボンディング法としては、超音波ボンディング法
に限らず、熱圧着法によるワイヤーボンディング法を用
いても良い。
【００２４】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、低コストで長期使用時の電気的接続の信頼性を
確保できる圧電トランスの接続構造及び圧電トランスの
接続方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示し、（ａ）は正面図、
（ｂ）は平面図、（ｃ）は右側面図である。
【図２】本発明の実施形態２を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は内部電極パターンを示す概略図である。
【図３】図２に示す実施形態２を示し、（ａ）は平面
図、（ｂ）は図３（ａ）に示すＡ−Ａ′線での断面図で
ある。
【図４】従来技術に係る１波長共振モードのローゼン型
圧電トランスの斜視図である。
【図５】（ａ）は図４に示すローゼン型圧電トランスの
振動の変位分布図、（ｂ）は同応力分布図である。
【符号の説明】
１ ローゼン型圧電トランス １１ 圧電セラミックス矩形板 １２，１２′ 入力部外部電極 １３ 出力部外部電極 １５ 弾性接着剤 １６,１６′ 入力部リード線 １７ 出力部リード線 １９ シリコーン弾性絶縁樹脂 ２ 変形ローゼン型圧電トランス ２１ 圧電セラミックス矩形板 ２２，２２′ 入力部外部電極 ２３，２３′ 出力部高圧出力外部電極 ２４，２４′ 出力部グランド外部電極 ２５ 弾性接着剤 ２６,２６′ 入力部リード線 ２７ 出力部高圧出力リード線 ２８，２８′ 出力部グランドリード線 ２９ シリコーン弾性絶縁樹脂

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電トランスの表面に形成された外部電
    極を回路基板のランドに接続するための圧電トランスの
    接続構造において、ワイヤーボンディング法によって前
    記外部電極と前記ランド間にそれぞれ複数架設され、該
    外部電極と該ランドとを電気的に接続する複数本の線材
    と、該複数本の線材を被覆して絶縁する弾性絶縁樹脂と
    を有することを特徴とする圧電トランスの接続構造。
  2. 【請求項２】 前記ワイヤーボンディング法が、超音波
    ボンディング法によるものであることを特徴とする請求
    項１記載の圧電トランスの接続構造。
  3. 【請求項３】 前記ワイヤーボンディング法が、熱圧着
    法によるものであることを特徴とする請求項１記載の圧
    電トランスの接続構造。
  4. 【請求項４】 前記線材の線径が、０．１ｍｍ以下であ
    ることを特徴とする請求項１乃至３の内のいずれか一つ
    の請求項に記載の圧電トランスの接続構造。
  5. 【請求項５】 圧電トランスの表面に形成された外部電
    極を回路基板のランドに接続するための圧電トランスの
    接続方法において、ワイヤーボンディング法によって前
    記外部電極と前記ランド間にそれぞれ複数本の線材を架
    設して、該外部電極と該ランドとを電気的に接続し、そ
    の後、前記複数本の線材を弾性絶縁樹脂で被覆して絶縁
    することを特徴とする圧電トランスの接続方法。
  6. 【請求項６】 前記ワイヤーボンディング法が、超音波
    ボンディング法によるものであることを特徴とする請求
    項５記載の圧電トランスの接続方法。
  7. 【請求項７】 前記ワイヤーボンディング法が、熱圧着
    法によるものであることを特徴とする請求項５記載の圧
    電トランスの接続方法。
  8. 【請求項８】 前記線材の線径が、０．１ｍｍ以下であ
    ることを特徴とする請求項５乃至７の内のいずれか一つ
    の請求項に記載の圧電トランスの接続方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009231651A (ja) * 2008-03-25 2009-10-08 Nec Tokin Corp 圧電トランス
CN112968123A (zh) * 2021-02-04 2021-06-15 电子科技大学 一种柔性薄膜式压电声发射传感器及其制作方法

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