JP2003078180A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の表面と裏面にそれぞれ一対の櫛形電極
を取り付け、一方の電極の櫛歯と他方の電極の櫛歯とを
平行状に配置した圧電トランスにおける不要振動（特に
基板の厚み方向の振動）の抑制を図る。 【解決手段】 圧電体基板２０の幅すべり振動の共振周
波数をｆ１、厚みすべり振動の共振周波数をｆ２とする
と、ｆ２／ｆ１＞１の関係、すなわちｆ１＜ｆ２となる
ように、圧電体基板２０の厚さｔや電極２１ａ、２１ｂ
（及び２２ａ、２２ｂ）のピッチを設定する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、圧電トランス、詳しく
は、交流電圧の昇圧や降圧に用いられる圧電トランスに
関する。 【０００２】電気エネルギーを機械振動に変換して昇圧
若しくは降圧し、再び電気エネルギーに変換して取り出
す圧電トランスは、電磁トランスのように電磁ノイズを
発生せず、また、磁性体材料や巻線等の高周波損失の大
きな材料を使用しないため、比較的容易に高周波化が可
能であり、例えば、スイッチング電源の昇圧／降圧デバ
イスとして注目されている。 【０００３】 【従来の技術】圧電トランスの原理は、圧電体基板（以
下、単に「基板」と言う）の表裏に取り付けた一対の入
力電極間に交流電圧を印加してその電極間の基板に機械
的振動を発生させ、この振動を同じく基板の表裏に取り
付けた別の一対の出力電極から取り出すものであるが、
基板の支持が困難で、また、内部抵抗も大きく、大電力
を取り扱えないという欠点を有していた。 【０００４】そこで、本願発明者らは、かかる欠点を克
服した「エネルギー閉じ込め型の圧電トランス」を先に
提案している（特願平４−２３９３１号 平成４年２月
１０日出願）。 【０００５】この先願に係る圧電トランスは、基板の表
面と裏面にそれぞれ一対の櫛形電極を取り付け、一方の
電極の櫛歯と他方の電極の櫛歯とを平行状に配置したも
ので、表面の一対の櫛形電極が入力電極（あるいは出力
電極）、裏面の一対の櫛形電極が出力電極（あるいは入
力電極）として用いられる。入力電極に交流電圧を印加
すると、櫛歯のピッチに応じた周波数の弾性波が基板に
生じ、この弾性波が基板の端面で反射して特定の周波数
で共振する。また、圧電反作用によって、電極交差部の
カットオフ周波数が低下し、エネルギーが閉じ込められ
る。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
先願に係る圧電トランスにあっては、いわゆる圧電反作
用を利用したエネルギーの閉じ込め効果により、基板の
支持が容易で、低損失、かつ大電力の取り扱いが可能に
なるというメリットがあるものの、インハーモニック
オーバートーンのようなスプリアスや伝送損失の抑制、
不要振動（特に基板の厚み方向の振動）の抑制、ウ
エハから素子を切り出す際の切断面の微細な欠け、いわ
ゆるチッピングを少なくするといった点で改善すべき余
地があった。 ［目的］そこで、本発明の目的は不要振動（特に基板の
厚み方向の振動）を抑制することにある。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的達成
のために、圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ一対の櫛
形電極を取り付け、一方の電極の櫛歯と他方の電極の櫛
歯とを平行状に配置した構造を有する圧電トランスにお
いて、圧電体基板の幅方向の振動の共振周波数が、圧電
体基板の厚み方向の振動の共振周波数よりも低いことを
特徴としている。 【０００８】表裏電極を有する圧電トランスの厚み方向
の振動抑制には、圧電体基板の幅方向の振動の共振周波
数が、圧電体基板の厚み方向の振動の共振周波数よりも
低くなる関係に設定すればよい。 【０００９】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１〜図７は圧電トランスの一実施例を示す図で
ある。 【００１０】まず、原理的な構成を説明すると、図１
（ａ）において、１は圧電体基板（以下、単に「基板」
と言う）、２ａ、２ｂは基板１の表面に取り付けられた
一対の電極であり、電極２ａの先端を通る直線と電極２
ｂの先端を通る直線との距離はＬで表されている。電極
２ａ、２ｂに交流電圧を印加すると、一方の電極２ａと
他方の電極２ｂに矢印イ、ロで示す逆向きのすべり振動
（幅すべり振動）が発生し、この振動は、矢印ハの向き
に伝播する。 【００１１】ここで、距離Ｌを大きくすると、図１
（ｂ）に示すように、インハーモニックオーバートーン
のようなスプリアスを多く含むようになり、使い勝手が
悪いものになる。図２及び図３は、距離Ｌをｂ₁とした
場合のスプリアス周波数を示す図である。この例では、
負荷ショート時の共振周波数ｆｒと負荷オープン時の反
共振周波数ｆａとの間に、ｆ₁、ｆ₂及びｆ₃といった３
種類のスプリアスが含まれている。スプリアスの抑制に
は、距離Ｌを小さくするのが効果的である。 【００１２】他方、距離Ｌは振動エネルギーの伝播ロス
にも影響する。すなわち、図４に示すように、距離Ｌを
小さくするほどロスが大きくなる。ロスを増大させずに
充分なスプリアスの抑制効果を得るには、距離Ｌを、基
板１の幅方向の振動の共振波長λの６〜１０倍（６λ〜
１０λ）に設定するのがよい。 【００１３】次に、具体的な構成を説明すると、図５
（ａ）において、１０は基板であり、基板１０の表面
（及び裏面）には、一対の櫛形の電極１１ａ、１１ｂが
取り付けられている。電極１１ａ、１１ｂの櫛歯のピッ
チは圧電トランスの駆動周波数の波長に合わせてあり、
且つ、互いに非接触で距離Ｌだけ平行している。なお、
１２ａは一方の電極１１ａの引出し配線パターン、１２
ｂは他方の電極１１ｂの引出し配線パターン、１３ａ、
１３ｂは端子である。また、櫛歯の矢印は、幅すべり振
動の方向を表している。 【００１４】かかる構造を有する圧電トランスは、図５
（ｂ）にその接続図を示すように、表面側（又は裏面
側）の一対の電極１１ａ、１１ｂに交流電圧源１４を接
続し、裏面側（又は表面側）の一対の電極１１ａ、１１
ｂに負荷１５を接続して用いられる。 【００１５】図６は距離Ｌとスプリアスとの対応関係を
示す図（図２を具体化したもの）であり、この例では、
負荷オープン時の反共振周波数ｆａと負荷ショート時の
共振周波数ｆｒとの間に、４種類のスプリアスａ〜ｄ
（インハーモニックオーバートーン）が認められる。圧
電トランスの動作範囲（共振周波数）は負荷条件によっ
て変動するが、スプリアスを無くすには、少なくとも、
平行距離Ｌが共振波長λの１０倍（１０λ）以下の領域
で使用するのが望ましい。 【００１６】他方、図７は距離Ｌと共振抵抗（すなわち
伝播ロス）との対応関係を示す図（図４を具体化したも
の）であり、この例では、負荷ショート時の特性線ｅ及
び負荷オープン時の特性線ｆの双方共に、距離Ｌが小さ
くなるほどロスが増えている。 【００１７】ロスの許容誤差を考慮すると、少なくと
も、平行距離Ｌが共振波長λの６倍（６λ）以上の領域
で使用するのが望ましい。 【００１８】従って、ロスを増加させることなく、充分
なスプリアス抑制効果を得るには、図６及び図７の記載
から、一対の電極１１ａ、１１ｂの櫛歯の平行距離Ｌ
を、共振波長λの６倍から１０倍（６λ〜１０λ）に設
定すればよいことがわかる。 【００１９】図８〜図１２は本発明に係る圧電トランス
の一実施例を示す図である。図８（ａ）において、２０
は基板である。基板２０の表面と裏面には、それぞれ一
対の電極２１ａ、２１ｂ（裏面側にあっては電極２２
ａ、２２ｂ）が取り付けられており、表裏電極を有する
圧電トランスを構成している。 【００２０】表面側（又は裏面側）の一対の電極２１
ａ、２１ｂに交流電圧を印加すると、一対の電極２１
ａ、２１ｂ間に、図８（ｂ）に示すような幅すべり振動
が発生する。ここで矢印ニは一方の電極２１ａ側の振動
方向、矢印ホは他方の電極２１ｂ側の振動方向である。
すなわち、一対の電極２１ａ、２１ｂ間では振動方向が
逆向きになる。 【００２１】ところで、かかる構造の圧電トランスで
は、基板２０の表と裏で電極が対向しているため、この
対向電極（例えば電極２１ｂと電極２２ｂ）間でも振動
が発生する。この振動は、図８（ｃ）に示すように、基
板２０の厚みｔ方向に逆向きの振動（矢印ヘ、ト参照）
であり、圧電トランスの周波数特性を劣化させる原因と
なるものである。 【００２２】厚み振動（特に厚みすべり振動）は、幅す
べり振動の共振周波数をｆ１、厚みすべり振動の共振周
波数をｆ２とすると、ｆ２／ｆ１＞１の関係、すなわち
ｆ１＜ｆ２となるように、基板２０の厚さｔや電極２１
ａ、２１ｂ（及び２２ａ、２２ｂ）のピッチを設定する
ことにより抑制できる。 【００２３】図９及び図１０は、圧電トランスの具体例
であり、図９はＬｉＮｂＯ₃のＸカット板を基板３０に
用いた例、図１０はＬｉＮｂＯ₃の回転Ｙカット板を基
板４０に用いた例である。図９において、基板３０の表
面と裏面には、それぞれ一対の櫛状電極３１ａ、３１ｂ
（裏面側は電極３２ａの一部のみが見える）が取り付け
られており、また、図１０において、基板４０の表面と
裏面には、それぞれ一対の櫛状電極４１ａ、４１ｂ（裏
面側は電極４２ａの一部のみが見える）が取り付けられ
ている。これらの例も、幅すべり振動の共振周波数ｆ１
と厚みすべり振動の共振周波数ｆ２との関係をｆ２／ｆ
１＞１に設定し、周波数特性の劣化の原因となる厚みす
べり振動を抑制している他、さらに、以下に述べるよう
な種々の構造状の最適化を図っている。 【００２４】ここで、図９及び図１０において、ｋ₂₄、
ｋ₁₅は電気機械結合係数である。Ｘカットの場合はｋ₂₄
が幅すべり振動、ｋ₁₅が厚みすべり振動の各電気機械結
合係数となり、回転Ｙカットの場合はｋ₂₄が厚みすべり
振動、ｋ₁₅が幅すべり振動の各電気機械結合係数とな
る。 【００２５】図１１はＸ軸を中心にＬｉＮｂＯ₃結晶を
回転させた場合の電気機械結合係数ｋ₂₄（Ｘカット板の
場合幅すべり振動の結合係数）とｋ₁₅（Ｘカット板の場
合厚みすべり振動の結合係数）の特性図である。縦軸が
係数の値、横軸が回転角度であり、係数の値が大きいほ
ど振動が励振されやすいことを示している。例えば、Ｘ
カット板の場合に厚みすべり振動を抑えつつ、幅すべり
振動の伝達効率を高めるには、ｋ₂₄＞ｋ₁₅の領域（好ま
しくは１７０°付近の領域）を選べばよい。 【００２６】すなわち、幅すべり振動を効率よく励振さ
せるには、Ｘカット板の場合、元の結晶軸Ｙに対して１
７０°±２０°だけ回転させたＹ’軸を音の伝播方向と
するのがよく、又は、回転Ｙカット板では４０°±５０
°回転Ｙカット板を用い、その音の伝播方向をＸ軸方向
とするのがよい。特に、４０°±１０°の範囲では、図
１１に示すように、厚み振動の電気機械結合係数ｋ₂₄が
小さいから、より効果的である。 【００２７】これらのカット方位の範囲では、幅すべり
振動の波長λと基板の厚さｔ（ｔは厚みすべり振動の１
／２波長に相当）との間で、λ／２ｔ＞１．１の関係が
成立すればよい。さらに、４０°±１０°の回転Ｙカッ
ト板の場合には、λ／２ｔ＞０．９の関係が成立すれば
よい。 【００２８】図１２〜図１７は圧電トランスの他の実施
例を示す図である。図１２において、５０は基板であ
り、基板５０の表面には、入力用又は出力用の一対の電
極５１ａ、５１ｂに加えて、ダミーの電極（個数は一
例）５２ａ、５２ｂが取り付けられている。 【００２９】ここで、ダミー電極５２ａ、５２ｂは、ウ
エハから基板５０を切り出す際のカット線（言い替えれ
ば基板５０の輪郭線）に沿って設けるのがポイントであ
るが、カット線のうち、入力用又は出力用の電極５１
ａ、５１ｂが設けられている部分と、基板５０の短辺側
の両端部分に設ける必要はない。 【００３０】このようなダミー電極５２ａ、５２ｂを設
けたことにより、ウエハから基板５０を切り出す際の切
断面のチッピングを防止できる。すなわち、図１３はダ
ミー電極を設けない場合の基板６０の平面図であるが、
程度の差こそあれ基板６０の無電極部分に微小な欠損６
１（チッピング）の発生が避けられず、図１４に示すよ
うに、チッピングの程度に応じて圧電トランスの性能劣
化を招く。 【００３１】本実施例では、切断面のうち、特に圧電ト
ランスの動作に影響を与える長辺側の全てが入力用又は
出力用の電極５１ａ、５１ｂと、ダミー電極５２ａ、５
２ｂで保護されるので、かかるチッピングの発生を効果
的に防止でき、圧電トランスの性能劣化を回避できる。 【００３２】図１５は具体的な圧電トランスの例であ
り、この例では、基板７０の表面に、櫛形の一対の電極
７１ａ、７１ｂを形成すると共に、この櫛形電極７１
ａ、７１ｂによって保護されない基板７０の長辺側の輪
郭線に沿ってダミー電極７２ａ〜７２ｄを形成してい
る。 【００３３】図１６は基板７０を切り出す前のウエハ７
３の平面図である。破線に沿って切断することにより、
１枚のウエハから多数の基板７０を切り出す。 【００３４】図１７はダミー電極の有無とチッピングサ
イズの関係を示す図であり、ダミー電極を設けないとき
に対してダミー電極を設けたときのチッピングサイズが
大幅に減少している。従って、共振抵抗（ロス）を下げ
ることができ、圧電トランスの性能向上を図ることがで
きる。 【００３５】 【発明の効果】本発明によれば、不要振動（特に基板の
厚み方向の振動）の抑制を図ることができ、実用性に優
れた圧電トランスを提供できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】圧電トランスの一実施例を示す原理構成図であ
る。 【図２】圧電トランスの一実施例を示すスプリアス特性
図である。 【図３】圧電トランスの一実施例を示すスプリアス特性
図である。 【図４】圧電トランスの一実施例を示す平行距離Ｌとロ
スとの対応関係図である。 【図５】圧電トランスの一実施例を示す具体的な構成図
である。 【図６】圧電トランスの一実施例を示すスプリアス特性
図である。 【図７】圧電トランスの一実施例を示す平行距離Ｌとロ
スとの対応関係図である。 【図８】本発明に係る圧電トランスの一実施例を示す原
理構成図である。 【図９】本発明に係る圧電トランスの一実施例を示すＸ
カット板を使用した具体的な構成図である。 【図１０】本発明に係る圧電トランスの一実施例を示す
回転Ｙカット板を使用した具体的な構成図である。 【図１１】本発明に係る圧電トランスの一実施例を示す
電気機械結合係数とカット方向の対応関係図である。 【図１２】圧電トランスの他の実施例を示す原理構成図
である。 【図１３】圧電トランスのチッピング発生状態図であ
る。 【図１４】圧電トランスのチッピングサイズとロスとの
対応関係図である。 【図１５】圧電トランスの他の実施例を示す具体的な構
成図である。 【図１６】ウエハの平面図である。 【図１７】ダミー電極の有無とチッピングサイズとの対
応関係図である。 【符号の説明】 １、１０、２０、３０、４０、５０、７０：圧電体基板 ２ａ、２ｂ、１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２
ａ、２２ｂ、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、４１ａ、４２
ｂ、４２ａ、５１ａ、５１ｂ、７１ａ、７１ｂ：櫛形電
極 Ｌ：平行距離 ５２ａ、５２ｂ：ダミー電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 英訓 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 若月 昇 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】圧電体基板の表面と裏面にそれぞれ一対の
   櫛形電極を取り付け、 一方の電極の櫛歯と他方の電極の櫛歯とを平行状に配置
   した構造を有する圧電トランスにおいて、 圧電体基板の幅方向の振動の共振周波数が、圧電体基板
   の厚み方向の振動の共振周波数よりも低いことを特徴と
   する圧電トランス。