JP2003060253A

JP2003060253A - 圧電トランス

Info

Publication number: JP2003060253A
Application number: JP2001249842A
Authority: JP
Inventors: Koji Ando; 浩二安藤; Mikio Takimoto; 幹夫滝本; Hisakazu Fujimoto; 久和藤本
Original assignee: Nikko Co Ltd; Nikko KK
Current assignee: Nikko Co Ltd; Nikko KK
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】低負荷抵抗領域（例えば負荷が１０ｋΩ
以下）における電力変換効率が高く、半波長モードで駆
動され全波長モードが生じない小型の圧電トランスを提
供する。【解決手段】長矩状圧電体基板の一方の長辺に沿って
駆動部（８）を、他方の長辺に沿って出力部（９）を有
し、前記駆動部は内部電極層（１３）と圧電体層（１
４）とが交互に積層された積層構造を有し、内部電極層
を介して隣り合う圧電体層は積層方向に互いに逆向きに
分極され、前記出力部は幅方向に分極され、前記内部電
極層間への電圧印加によって長手方向に対して半波長モ
ードで励振されることを特徴とする圧電トランス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電トランスに関
する。より詳しくは、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ等の
電力変換装置等として有用な低負荷抵抗領域における電
力変換効率に優れた小型圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化に関して、電源
回路の小型化が重要な課題となっており、電源回路内の
高周波化による小型化が図られている。小型電源として
は、電流を高速でスイッチングし出力電圧と電流を制御
するスイッチング電源（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が、電
子機器内のローカル電源として多用されている。

【０００３】従来のスイッチング電源では、変圧器とし
て電磁トランスを用いるが、電磁トランスを高周波で使
用するとヒステリシス損失、渦電流損失などが増大して
電力変換効率が低下するという問題があった。また、電
磁トランスを小型化・薄型化する場合には極細線を用い
た多数巻き構造にするといった手法が用いられている
が、これらは寿命や信頼性の悪化の大きな原因になって
いた。さらに、電磁トランスには、巻線による電磁ノイ
ズの発生や変圧器油を用いることによる問題などがあっ
た。そこで、最近では、電磁トランスに代えて圧電トラ
ンスが注目されており、液晶ディスプレイのバックライ
ト電源などに用いられるようになってきている。

【０００４】図１に代表的な圧電トランスであるローゼ
ン(Rosen)型圧電トランスの構造を示す。図において、
矩形状の基板１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）系の圧電セラミックスである。基板１の長さ方向の
半分を占める駆動部２には上下面に電極４、５が設けら
れ、厚み方向に分極されている。残りの半分を占める出
力部３には、その端面に電極６が設けられており、長さ
方向に分極されている（図中の矢印は駆動部２及び出力
部３における分極方向を示している。）。

【０００５】このように形成された圧電トランスにおい
て、駆動部の電極４、５間に圧電セラミックス板の長さ
方向の機械的共振周波数とほぼ同じ周波数の交流電圧を
印加すると、圧電逆効果によりセラミックス素子には強
い機械的振動が励振され、出力部からは圧電効果により
機械−電気変換がなされ入力周波数と同じ周波数の電圧
が取り出せる。すなわち、駆動部２は入力電圧が印加さ
れるトランスの１次側であり、出力部３はトランスの２
次側である。

【０００６】このようなローゼン型圧電トランスは、小
型化が容易で一般の電磁トランスに比べて不燃性で、エ
ネルギー密度が高く、しかも巻線構造が不要で電磁ノイ
ズが発生しないなどの長所を有する。

【０００７】しかしながら、ローゼン型圧電トランスで
は、出力側の電極が共振時において振動の腹となるため
（図２）、ここにリード線等の外部端子を接続すると振
動を阻害して出力を抵下させたり、また、外部端子と電
極の切断を招くなど、信頼性の点でも問題があった。

【０００８】さらに、ローゼン型圧電トランスでは、出
力部のインピーダンスが高く、負荷抵抗Ｒ_Ｌが大きい場
合（例えば３０〜５００ｋΩ）は高い出力電圧と高い電
力変換効率が得られるが、負荷抵抗Ｒ_Ｌが低い場合（例
えば１０ｋΩ以下）では出力電圧と電力変換効率がとも
に低下してしまうという欠点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の諸問
題を解決するためになされたもので、小型で低負荷領域
での特性が要求される電源回路に適し、かつ外部端子接
合部の信頼性の高い圧電トランスを提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
を解決するべく鋭意検討した結果、長矩状圧電体の長手
方向と並行に駆動部と出力部を配置し、該駆動部は内部
電極層と圧電体層とが交互に積層され内部電極層を挟ん
で隣り合う圧電体層が積層方向に互いに反対向きに分極
された積層構造とし、該出力部は幅方向に分極された構
造とすれば、内部電極層への電圧付与時に長手方向に半
波長の定在波を励振して動作し、小型で低負荷領域で優
れた特性が実現されることを見出した。また、この場
合、振動の節が長さ方向の中央部に位置するため、入力
用電極を長辺の中央部近傍に設けることにより外部端子
接合部の信頼性の高い圧電トランスが得られることを見
出した。

【００１１】すなわち、本発明は以下の圧電トランスを
提供する。 (１) 長矩状圧電体基板の一方の長辺に沿って駆動部
（８）を、他方の長辺に沿って出力部（９）を有し、前
記駆動部は内部電極層（１３）と圧電体層（１４）とが
交互に積層された積層構造を有し、内部電極層を介して
隣り合う圧電体層は積層方向に互いに逆向きに分極さ
れ、前記出力部は幅方向に分極され、前記内部電極層間
への電圧印加によって長手方向に対して半波長モードで
励振されることを特徴とする圧電トランス。

【００１２】(２) 前記駆動部（８）の側面に第１の駆
動用外部入力電極（１０）と第２の駆動用外部入力電極
（１１）、出力部側の側面に出力部用外部電極（１２）
を有し、前記第１の駆動用外部入力電極（１０）は内部
電極層のうち奇数番目の電極層に接続され、前記第２の
駆動用外部入力電極（１１）は偶数番目の電極層に接続
されている前記１に記載の圧電トランス。

【００１３】(３) 前記第１の駆動用外部電極と前記第
２の駆動用外部電極が前記駆動部側面に長手方向の全長
Ｌに対して駆動部両端面からそれぞれＬ／３より内側に
設けられている前記１または２に記載の圧電トランス。

【００１４】

【発明の実施の形態】図３は本発明による圧電トランス
を模式的に表わした斜視図であり、図に示すように基本
的に長矩状の形状を有する。その長辺方向を長手方向、
短辺方向を幅方向とする。

【００１５】上述の通り、従来のローゼン(Rosen)型圧
電トランスが長矩状圧電体の幅方向と並行に駆動部と出
力部とを有するのに対し、本発明の圧電トランス７は圧
電体の長手方向と並行に（すなわち、幅方向に沿って）
形成された駆動部８と出力部９を有する。駆動部８と出
力部９の幅の比率は特に限定されないが、好ましくは
７：３〜３：７程度、より好ましくは１：１前後程度と
する。

【００１６】図４に示すように、駆動部８は内部電極層
１３（１３ａ〜１３ｆ）と圧電体層１４（１４ａ〜１４
ｅ）とが交互に積層された構造を有する。同図４(a)及
び(b)に示すように、内部電極層を挟んで隣り合う内部
電極層は極性が逆になるように外部入力電極１０、１１
と一層毎に交互に接続され（図４(a)の部分拡大図であ
る図４(c)に示す内部電極層１３ａ、１３ｃ及び１３ｅ
は外部電極１１に接続され、内部電極層１３ｂ、１３ｄ
及び１３ｆは外部電極１０に接続されている。）、各圧
電体層は積層方向に互いに反対向きに分極される。駆動
部８の最上面と最下面には未分極の被覆層（ダミー層）
１５を有するが、駆動部の上下表面に電極を設けてそれ
ぞれを外部入力電極１０、１１と接続することによりダ
ミー層を無くすことも可能である。積層数及び各層の厚
み等は、必要とする出力電圧レベル及び圧電材料の強度
等により決定される。

【００１７】出力部９は単層の圧電体でよく、幅方向に
分極される。図３に示すように側面に外部出力電極１２
を設ける。圧電体の寸法は出力電力や周波数域、用途な
どに応じて決定される。

【００１８】本発明の圧電トランスは、上記の構成を採
ることにより長手方向に対して縦振動するものであり、
全波長（λ）モードは発生せず、半波長（λ／２）モー
ドで駆動する。すなわち、駆動部の外部入力電極１０、
１１間に、長矩状圧電体セラミックスに縦振動する半波
長モードの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を印
加すると図５に示したように長手方向に半周期となるよ
うな振動が励振され、この振動が出力部に伝達され外部
出力電極１２と外部入力電極の一方（１０または１１）
との間に入力電圧と同じ周波数の出力電圧が発生する。

【００１９】本発明の圧電トランスにおいては、外部入
力電極１０と１１は駆動部側面の中央近傍に設ける。上
述のような振動が励振される結果、長矩状圧電体の長手
方向の中央部は振動の節となり、この振動の節の付近で
圧電トランスを保持・端子接続すれば、振動を妨げるこ
となく固定することができる上、端子接続部の信頼性も
向上させることができる。具体的には、外部電極１０と
トランス端面との距離Ｌ_１及び外部電極１１と他方の端
面との距離Ｌ_２を、いずれもＬ／３（Ｌは長辺の長さ）
以上Ｌ／２未満とする。通常は、対称的な位置に（すな
わち、Ｌ_１＝Ｌ _２となるように）各電極を設ける。

【００２０】本発明の圧電トランスは、慣用の圧電体材
料（例えばチタン酸ジルコン酸鉛）及び導電層材料を用
いて周知の技術により製造することができる。例えば、
図４に示す圧電トランスを形成するためには、圧電体層
１４上に内部電極層１３をパターン印刷した図６のシー
ト（ａ）上に同図（ｂ）のシートを重ね、これを所定回
数繰り返した後、同図（ｃ）のダミー層を重ね焼成す
る。内部電極のパターンは概ね長辺に沿って延びた矩形
状とするが、側面寄りに延長部１６または１７を設け
る。これにより、積層時には電極層の延長部１６または
１７のみが側面に露出し、各内部電極のそれ以外の部分
と圧電体側面との間には絶縁領域１８または１９が介在
することになる。延長部１６及び１７の露出部分に外部
入力電極１０及び１１を形成することにより、内部電極
層を外部電極１０と１１に交互に接続することが可能と
なる。

【００２１】図６のシート（ａ）及び（ｂ）は、ドクタ
ーブレード法等により作製した圧電セラミックスグリー
ンシートの一部に、ＡｇまたはＡｇ−Ｐｄ等の導電性ペ
ーストを例えばスクリーン印刷法により印刷して得るこ
とができる。

【００２２】なお、より実際的には、図７に示すように
多数個分の圧電体シートに電極を所定の繰返しパターン
で印刷する。図７は図６のシート（ｂ）に対応するパタ
ーンであるが、同様にシート（ａ）に対応する多数個分
の圧電体シートも用意する。これを各個片部分（図中、
破線で示す。）が重なるように積層し、個片分割後、一
体焼成し側面電極の付与等を行なう。これにより構層構
造の圧電トランスを効率的に得ることができる。

【００２３】

【実施例】図３に示した圧電トランスを以下の手順によ
り作製した。圧電体磁器材料としてＰＺＴ系圧電体磁器
材料を用い、焼成後の１層の厚みが１６０μｍとなるよ
うなグリーンシートをドクターブレード法により作製し
た。次いで、前記グリーンシート上にＡｇ−Ｐｄペ−ス
トをスクリーン印刷法により印刷して内部入力電極パタ
ーンを形成した。電極パターンは概ね最終製品の半分の
幅の長方形としたが、個片分割した際に側面の一部に電
極が露出するように部分的に突出延長した部分を設け
た。内部入力電極パターンが印刷されたグリーンシート
を１３枚積層し、その上に内部入力電極パターンが印刷
されていないグリーンシートを積層し、焼成後の外形寸
法が長さ４８ｍｍ、幅６ｍｍとなるように個片分割した
後、一体焼成した。

【００２４】その後、外部入力電極・外部出力電極材と
してＡｇ−Ｐｄペーストを用い、駆動部側は内部入力電
極の露出部に、出力部側は側面全面に塗布して焼き付け
ることにより、外部入力電極１０、１１と外部出力電極
１２をそれぞれ形成した。電極形成後の圧電体を１５０
℃のシリコンオイル中に浸漬し、電極間に１．８ｋＶの
電圧を４０分間印加することにより、積層部では内部電
極層と圧電体層とが交互に積層され内部電極層を挟んで
隣り合う圧電体層が積層方向に互いに反対向きに分極さ
れ、単層部では幅方向に分極された圧電体を得た。

【００２５】図５に示すように、外部入力電極１０、１
１に入力用端子を接続し、外部出力電極１２に出力用端
子を接続し、この出力用端子に１０〜１５０ｋΩの負荷
抵抗Ｒ_Ｌを接続した。入力はファンクションジェネレー
ターを用い、入力電力Ｐ_ｉｎとして１Ｖ_ｒｍｓの交流電
圧（約３０ｋＨｚ（２５〜３５Ｈｚ））を駆動部に印加
し、出力用端子からの出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）を検出し出
力電力（Ｐ_ｏｕｔ）を求め、下記式：

【００２６】

【数１】電力変換効率＝Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ×１００から電力変換効率を算出した。結果を表１及び表２に示
す。

【００２７】比較例として、同様の作製プロセスにて、
長さ４８ｍｍ、幅６ｍｍ、１層の厚みおよび積層枚数を
本発明の圧電トランスと同じにした、図１に示したよう
なローゼン型圧電トランスを作製した。この積層ローゼ
ン型圧電トランスの半波長モードにおける測定結果も表
１及び表２に記載した。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】表１及び２に示す結果から、本発明の圧電
トランスは、１０ｋΩ付近の低負荷時において９９％以
上という高い電力変換効率を示し、出力電圧も従来のロ
ーゼン型圧電トランスに比べて倍以上の高い値を示すこ
とが分かる。よって、本発明の圧電トランスは、低負荷
時に高い出力電力、電力変換効率を得ることができる。
従来のローゼン型圧電トランスでは出力電圧を高めるた
めには積層型として積層数を増すなどトランスの大型化
が必要となるが、本発明では同一寸法の積層型圧電トラ
ンスよりも高い出力電圧が得られるため、機器の小型化
が可能である。

【００３１】また、ローゼン型圧電トランスを半波長モ
ードで駆動するときには、入力波形に２次高調波が重な
る場合には、素子の長手方向の全波長モードが同時に励
振され、出力電圧波形の歪や電力変換効率の性下が起こ
るといった問題があったが、本発明の圧電トランスで
は、全波長モードが生じないためにこれらの問題も解消
できる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の圧電トランスでは、駆動部の入
力外部電極間に長手方向の半波長モードに相当する交流
電圧を印加することにより、出力部から同じ周波数の出
力電圧を取り出すことができ、従来のローゼン型圧電ト
ランスと比較して、低負荷領域での駆動時において高電
力変換効率を得ることができ、また、端子接合部の信頼
性も向上させることができる。従って、本発明の圧電ト
ランスはＤＣ−ＤＣコンバータ等、小型電子機器の内蔵
電源等に用いるトランスとして特に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のローゼン型圧電トランスの構造を説明
した斜視図。

【図２】従来のローゼン型圧電トランスにおける振動
状態を模式的に示した断面図。

【図３】は本発明の圧電トランスの構造を説明した斜
視図。

【図４】 (a)は図３のＡ−Ａ'に沿った断面図、(b)は
Ｂ−Ｂ'に沿った断面図、(c)は(a)の一部を拡大した部
分拡大図。

【図５】本発明圧電トランスにおける振動状態を模式
的に示した断面図。

【図６】本発明の圧電トランスを形成するための個片
シートとその上に形成される電極パターンの一例を示し
た斜視図。

【図７】本発明の圧電トランスを効率的に製造する際
に用いられる多片チップ形成用グリーンシートにおける
電極印刷パターンの一例を示した斜視図。

【図８】本発明の圧電トランスの使用態様を示した回
路図。

【符号の説明】

１圧電体基板２駆動部３出力部４、５電極（入力部）６電極（出力部）７圧電トランス８駆動部９出力部１０、１１外部入力電極１２外部入力電極１３内部電極層１４圧電体層１５ダミー層１６，１７延長部１８、１９絶縁領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤本久和石川県松任市相木町383番地ニッコー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長矩状圧電体基板の一方の長辺に沿って
駆動部（８）を、他方の長辺に沿って出力部（９）を有
し、前記駆動部は内部電極層（１３）と圧電体層（１
４）とが交互に積層された積層構造を有し、内部電極層
を介して隣り合う圧電体層は積層方向に互いに逆向きに
分極され、前記出力部は幅方向に分極され、前記内部電
極層間への電圧印加によって長手方向に対して半波長モ
ードで励振されることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】前記駆動部（８）の側面に第１の駆動用
外部入力電極（１０）と第２の駆動用外部入力電極（１
１）、出力部側の側面に出力部用外部電極（１２）を有
し、前記第１の駆動用外部入力電極（１０）は内部電極
層のうち奇数番目の電極層に接続され、前記第２の駆動
用外部入力電極（１１）は偶数番目の電極層に接続され
ている請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】前記第１の駆動用外部電極と前記第２の
駆動用外部電極が前記駆動部側面に長手方向の全長Ｌに
対して駆動部両端面からそれぞれＬ／３より内側に設け
られている請求項１または２に記載の圧電トランス。