JP2004335939A

JP2004335939A - ローゼン型圧電トランス

Info

Publication number: JP2004335939A
Application number: JP2003133081A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Adachi; 祐介足立; Hiroshi Fukushima; 寛福島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】より高い変換効率を実現し、発熱を抑え同一形状でもより大きな電力が出力できる圧電トランスを提供することを目的とする。
【解決手段】圧電セラミックと複数の内部電極とからなる圧電セラミック素子と、前記内部電極に電気的に接続するとともに前記圧電セラミック素子の表面に設けた複数の外部電極とを備え、前記内部電極は、前記圧電セラミック素子の長手方向のほぼ中央部から長手方向の一端部に位置する複数の一次内部電極１１および１２と、前記圧電セラミック素子の長手方向の他端部に位置する二次内部電極１３からなり、前記二次内部電極１３の少なくとも一層は、その一次内部電極側の端から圧電セラミック素子の二次内部電極側の端面までの距離を、圧電セラミック素子の全長の５％以上２０％以下とした構成を備えることにより、強度が高く、さらに二次側の圧電効果が効率よく行われるので効率が高く発熱の少ない圧電トランスとなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液晶ディスプレイのバックライト用インバータ等の電圧変換装置に用いられるローゼン型圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ノート型パーソナルコンピュータや携帯端末等の携帯用情報機器の小型化、薄型化の需要の高まりにより、圧電トランスは、これらの機器に搭載されている液晶バックライトのインバータ電源用昇圧トランスとして注目されている。
【０００３】
圧電トランスは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミック材料に、一次（入力側）、及び二次（出力側）の電極を形成したものである。この一次電極に、周波数が圧電トランスの共振周波数近傍の交流電圧を印加して、逆圧電効果により、圧電トランスを機械的に振動させると、この機械的振動が圧電効果によって電圧に変換されて、一次に対する二次の容量比に応じて、二次電極から高電圧として取り出すことができる。
【０００４】
次に、従来のローゼン型圧電トランスの構造について以下に説明する。圧電トランスは、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電性セラミックの内部に、一次電極および二次電極を形成し、セラミックを特定の方向に分極処理したものである。
【０００５】
一次電極が、長手方向のほぼ中央部から長手方向の一端部側に形成されている。一次電極がある部分を圧電トランスの一次部と呼び、圧電トランスの一次部の圧電セラミックは、厚み方向に分極されている。
【０００６】
また、一次電極とは逆側の長手方向の端面付近には、二次電極が形成されている。一次電極と二次電極に挟まれた圧電セラミックを圧電トランスの二次部と呼び、二次部の圧電セラミックは、長手方向に分極されている。
【０００７】
ローゼン型圧電トランスに関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００８】
特許文献１では、二次電極が素子端面および端面に隣接する主面または側面に延長された延長電極を有しており、延長電極の長さは前記圧電トランス全長の２０％以下になっている。前記のような構成にすることで、延長電極にリード線の接続が容易で、高い効率が実現できるとしている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−２７５２３０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成では、二次電極がコ字型のため、二次部の長さが、素子表面と内部では異なるので、駆動時に圧電トランスの二次部に均一に電荷が発生せずに、延長電極を形成した表面に多く電荷が集中するので、十分な効率が実現できないという課題があった。
【００１１】
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、より高い変換効率を実現し発熱を抑え、同一形状でより大きな電力が出力できる圧電トランスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項１に記載の発明は、圧電セラミックと複数の内部電極とからなる圧電セラミック素子と、前記内部電極に電気的に接続するとともに前記圧電セラミック素子の表面に設けた複数の外部電極とを備え、前記内部電極は、前記圧電セラミック素子の長手方向のほぼ中央部から長手方向の一端部に位置する複数の一次内部電極と、前記圧電セラミック素子の長手方向の他端部に位置する二次内部電極からなり、前記二次内部電極の少なくとも一層は、その一次内部電極側の端から圧電セラミック素子の二次内部電極側の端面までの距離を、圧電セラミック素子の全長の５％以上２０％以下としたローゼン型圧電トランスであり、これにより、セラミック素子の強度が高く、さらに二次側の圧電効果が効率よく行われるようになるので、高い効率が得られるという作用効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、二次内部電極の少なくとも一層は、その一次内部電極側の端から圧電セラミック素子の二次内部電極側の端面までの距離を、圧電セラミック素子の全長の５％以上１０％以下とした請求項１に記載のローゼン型圧電トランスであり、これにより、より高い効率が得られるとともに昇圧比の減少を抑えることができる。
【００１５】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、内部電極は、圧電セラミック素子の長手方向の端面に露出させていない請求項１に記載のローゼン型圧電トランスであり、これにより、端面での内部電極の露出がないので、耐候的および機械的な信頼性を高めることができる。また、内部電極の量が少なくできるので低コストで生産できる。
【００１６】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、二次内部電極の圧電セラミック素子の長手方向と同方向の長さを、０．３ｍｍ以上とした請求項１に記載のローゼン型圧電トランスであり、これにより、導通抵抗が小さくできるので高い効率が実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜４に記載の発明について説明する。
【００１８】
本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態１における圧電トランスの分解斜視図であり、図２は本実施の形態１における圧電トランスの外観斜視図である。
【００１９】
図１および図２において、１０は圧電セラミック素子、１１，１２は一次内部電極、１１ｂ，１２ｂはダミー内部電極、１３は二次内部電極、１４，１７は一次外部電極、１５は二次外部電極、１６は圧電セラミック層、１８は素子の一次側端面、１９は素子の二次側端面、２１は一次部、２２は二次部である。
【００２０】
本実施の形態１における圧電トランスの構成について、その製造方法とともに図１および図２を用いて以下に説明する。
【００２１】
まず、原料として電気機械結合係数ｋ３３＝７１％のチタン酸ジルコン酸鉛系圧電材料を用いた。この圧電材料を仮焼後、有機結合材、可塑剤、有機溶媒を所定量配合し、スラリー混合を行い、シート成形用スラリーを得た。
【００２２】
その後、ドクターブレード法によってシート成形を行い、圧電セラミック層１６となる所定厚みのセラミックグリーンシートを得た。
【００２３】
次に、このセラミックグリーンシート上にＡｇを主成分とした内部電極ペーストを印刷し、一次内部電極１２、ダミー内部電極１２ｂおよび二次内部電極１３となる図１の内部電極パターンを形成した。次いで、この上にセラミックグリーンシートを積層し、このセラミックグリーンシート上に、後に個片に切断したときに個片の側面に一次内部電極１１と一次内部電極１２とが一層毎に交互に露出するように、Ａｇを主成分とした内部電極ペーストを印刷し、一次内部電極１１、ダミー内部電極１１ｂおよび二次内部電極１３となる図１の内部電極パターンを形成した。このように、セラミックグリーンシートの積層、内部電極ペーストの印刷を繰り返し、複数層積層し、所望の外形寸法に切断し、個片の積層体とし、５００℃で５時間大気中で加熱して脱バインダーを行い、その後、１２００℃で１時間で焼成して圧電セラミック素子１０を得た。
【００２４】
上記において、圧電セラミック素子１０の外形寸法、圧電セラミック層１６の厚みおよび積層数を固定し、また、一次内部電極１１，１２およびダミー内部電極１１ｂ，１２ｂの配置および寸法も固定して、二次内部電極１３の配置のみを変えて、二次内部電極１３の配置の異なる６種類の圧電セラミック素子１０を作製した。
【００２５】
具体的には、圧電セラミック素子１０の外形寸法は、図２に示す圧電セラミック素子１０の長手方向の長さＬを３０ｍｍ、圧電セラミックの積層方向である厚みｔを２．４ｍｍ、長手方向と積層方向に垂直な方向の幅ｗを７．１ｍｍとして固定し、図１の圧電セラミック層１６の厚みを０．２ｍｍ、圧電セラミック層１６の積層数を１２層、内部電極の積層数を１１層として固定した。また、一次内部電極１１，１２およびダミー内部電極１１ｂ，１２ｂの配置および寸法は、図２に示すＬ０を０．５ｍｍ、Ｌ１を１７．５ｍｍとして固定した。
【００２６】
そして、二次内部電極１３の寸法は、素子の両側面に露出するように長さを７．１ｍｍ、幅すなわち素子１０の長手方向と同方向の長さを０．７ｍｍとして固定し、二次内部電極１３の配置のみを次のように変えて、二次内部電極１３の配置の異なる６種類の圧電セラミック素子１０を作製した。二次内部電極１３の配置は、二次内部電極１３の一次内部電極側の端から素子の二次側端面１９までの距離すなわち図２のＬ２を１ｍｍから６ｍｍまで１ｍｍ刻みで変え、Ｌ２が増えた分Ｌ１２を減らし、Ｌ１２寸法を１１ｍｍから６ｍｍまで１ｍｍ刻みで変えた６種類の圧電セラミック素子１０を作製した。
【００２７】
なお、上記したように、素子の一次側端面１８には一次内部電極１１，１２およびダミー内部電極１１ｂ，１２ｂが露出しないように、一次内部電極の一次側端面１８側の端から素子の一次側端面１８までの距離Ｌ０を０．５ｍｍとした。これは、素子の一次側端面１８に一次内部電極が露出していると、水分などの付着により圧電セラミック層１６を挟んで対向する一次内部電極１１，１２間でマイグレーションが発生しショートするので、これを防止するためである。
【００２８】
また、二次内部電極１３も素子の二次側端面１９に露出しないように幅を０．７ｍｍとした。これは、圧電セラミック素子１０の機械的強度等の信頼性を確保するためである。さらに、二次内部電極１３の面積を小さくすることで電極材料の使用量を少なくし安価な製品を提供するためである。ただし、あまり面積を小さくすると、二次内部電極１３の導通抵抗が上がってしまい効率が落ちてしまうので、二次内部電極１３の素子の長手方向と同方向の長さを０．３ｍｍ以上にするのが望ましい。
【００２９】
次いで、上記で作製した二次内部電極１３の配置の異なる５種類の圧電セラミック素子について、圧電セラミック素子１０両側面に一次内部電極１１および１２に接続する一次外部電極１４および１７を、圧電セラミック素子１０の他端部の両側面に二次内部電極１３に接続する二次外部電極１５をそれぞれ形成した。このときに、二次外部電極１５は二次部２２にかからないように形成した。
【００３０】
次に、一次外部電極１４と一次外部電極１７との間に電圧を印加することにより、一次内部電極１１，１２間の一次部２１を分極し、その後一次外部電極１４および１７をマイナス側、二次外部電極１５をプラス側として電圧を印加して、二次内部電極１３と一次内部電極１１および１２に挟まれた二次部２２を分極して、二次内部電極１３の配置の異なる６種類のローゼンλ／２モードの圧電トランスを得た。
【００３１】
また比較のために、従来の技術に記載した二次内部電極１３を形成しないものも作製した。二次電極を二次側端面に形成した試料と、二次側端面および端面に隣接する主面にセラミック素子長さの１０％延長された延長電極を形成した試料を作製した。本発明と同様に分極を施し、比較例として２種類のローゼンλ／２モードの圧電トランスを得た。
【００３２】
次に、上記で得られた８種類の圧電トランスの電気エネルギーと機械エネルギーとの変換割合を示す実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆについて、一次の実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ１、および二次の実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ２を測定した。その結果を図３に示す。
【００３３】
図３に示すように、比較例の圧電トランス、本実施の形態１の圧電トランスともに、Ｌ２の寸法を変えても一次の実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ１はほとんど変化しないが、二次の実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ２は、Ｌ２の寸法により変化し、Ｌ２が３ｍｍすなわち圧電セラミック素子１０の全長の１０％で最大値を示す。なお、Ｌ２の寸法が同じ３ｍｍであっても、比較例と本実施の形態１とでは、二次の実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ２に違いがあり、比較例の圧電トランスでは４２．７％であるのに対して、本実施の形態１の圧電トランスでは４３．５％と比較例に比べ大きくできた。これは、比較例に比べ本実施の形態１の圧電トランスは、二次部に電荷が均一に発生するので高い二次側の電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ２が得られたものと思われる。
【００３４】
また、上記の８種類の圧電トランスについて、昇圧比および効率を評価した。評価は、圧電トランスをノートパソコン用バックライトパネルに接続して行った。このバックライトパネルの等価回路を図４に示す。回路定数としては、冷陰極管の等価回路として抵抗Ｒは１００ｋΩ、冷陰極管付近の浮遊容量Ｃは２０ｐＦのバックライトパネルであり、圧電トランスの出力が最大になるように周波数を５５ｋＨｚ近傍で調整し、冷陰極管に入力される圧電トランスの出力が４Ｗになるように入力電圧を調整し、昇圧比、効率を測定した。昇圧比、効率の評価結果を図５に示す。
【００３５】
図５に示すように、比較例の圧電トランス、本実施の形態１の圧電トランスともに、Ｌ２の寸法が増えるに従って、昇圧比は単調に減少し、効率はＬ２が３ｍｍでピークを迎えるまで上昇しその後減少している。なお、Ｌ２の寸法が同じ３ｍｍであっても、比較例と本実施の形態１とでは、効率に違いがあり、比較例の圧電トランスでは９０％であるのに対して、本実施の形態１の圧電トランスでは９３％と比較例に比べ大きくできた。これは、比較例に比べ本実施の形態１の圧電トランスは、高い二次側の電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ２が得られたためである。
【００３６】
図５に示したように、本実施の形態１の圧電トランスは、二次内部電極１３の一次内部電極側の端から圧電セラミック素子１０の二次側端面１９までの距離Ｌ２を、圧電セラミック素子１０の全長の５％以上２０％以下としたことにより、高い効率が得られた。
【００３７】
なお、Ｌ２の寸法増加による昇圧比の減少については、以下のような理由が考えられる。Ｌ２が増加するとＬ１２が減少するので、圧電トランスの二次部で形成される二次容量Ｃ２が増加する。そして、昇圧比は一次容量Ｃ１と二次容量Ｃ２の容量比の平方根に比例し、√（Ｃ１／Ｃ２）で表せる。したがって、Ｌ２の増加により、一次容量Ｃ１は変わらずに二次容量Ｃ２が増え、昇圧比が減少する。昇圧比の減少を抑えたい場合は、Ｌ２の寸法は圧電セラミック素子１０の全長Ｌに対して、１０％以下にすることが望ましい。
【００３８】
また、Ｌ２の寸法の変更による効率の変化については、以下のような理由が考えられる。一般に、圧電トランスは、一次部２１に入力した電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、更に、その機械エネルギーを二次側から電気エネルギーとして取り出すものである。一次内部電極１１，１２がある部分を圧電トランスの一次部２１と呼ぶが、一次部２１における圧電セラミック層の実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ１が大きければ、電気エネルギーを高い割合で機械エネルギーに変換することができる。そして、一次内部電極１１，１２と二次内部電極１３とに挟まれた圧電セラミック層を二次部２２と呼ぶが、二次部２２における実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ２が大きければ、機械エネルギーを高い割合で電気エネルギーに変換することができる。したがって、実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ１およびｋ_ｅｆｆ２が大きくなれば、圧電トランスの効率を上げることができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態１では、ローゼンλ／２モードで説明したが、ローゼンλモード、ローゼン２λ／３モードでも同様の傾向があり、Ｌ２の寸法を素子の全長の５％以上２０％以下とすることにより、二次側の実効的な電気機械結合係数ｋ_ｅｆｆ２を大きくできるので、高い効率の圧電トランスが実現できる。
【００４０】
なお、上記のように、Ｌ２の寸法を変更することで、圧電トランスの二次容量Ｃ２が変更できる。圧電トランスの出力インピーダンスは、１／（２πｆＣ２）で表され二次容量Ｃ２に反比例するので、Ｌ２を変更することにより、外形寸法や材料の比誘電率を変えることなく圧電トランスの出力インピーダンスを変更することができる。
【００４１】
負荷に電力を効率よく伝えるためには、出力インピーダンスと負荷インピーダンスを合わせるインピーダンスマッチングが重要である。図６の等価回路で表されるバックライトパネルの負荷インピーダンスはユーザーの仕様によってまちまちであり、高い効率を実現するためには、その負荷のインピーダンスに合わせた出力インピーダンスの圧電トランスが必要になる。したがって、Ｌ２の寸法を調整することで、インピーダンスマッチングを合わせられるので、セラミック素子外形寸法や圧電セラミックの誘電率を変更することなく、高い効率の圧電トランスが実現できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、圧電セラミックと複数の内部電極とからなる圧電セラミック素子と、前記内部電極に電気的に接続するとともに前記圧電セラミック素子の表面に設けた複数の外部電極とを備え、前記内部電極は、前記圧電セラミック素子の長手方向のほぼ中央部から長手方向の一端部に位置する複数の一次内部電極と、前記圧電セラミック素子の長手方向の他端部に位置する二次内部電極からなり、前記二次内部電極の少なくとも一層は、その一次内部電極側の端から圧電セラミック素子の二次内部電極側の端面までの距離を、圧電セラミック素子の全長の５％以上２０％以下とした構成を備えることにより、強度が高く、さらに二次側の圧電効果が効率よく行われるので効率が高く発熱の少ない圧電トランスとなるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における圧電トランスの分解斜視図
【図２】同圧電トランスの外観斜視図
【図３】同圧電トランスの電気機械結合係数の測定結果を示す図
【図４】昇圧比および効率の評価に用いたバックライトパネルの等価回路図
【図５】本発明の実施の形態１における圧電トランスの昇圧比および効率の評価結果を示す図
【符号の説明】
１０圧電セラミック素子
１１，１２一次内部電極
１１ｂ，１２ｂダミー内部電極
１３二次内部電極
１４，１７一次外部電極
１５二次外部電極
１６圧電セラミック層
１８素子の一次側端面
１９素子の二次側端面
２１一次部
２２二次部

Claims

圧電セラミックと複数の内部電極とからなる圧電セラミック素子と、前記内部電極に電気的に接続するとともに前記圧電セラミック素子の表面に設けた複数の外部電極とを備え、前記内部電極は、前記圧電セラミック素子の長手方向のほぼ中央部から長手方向の一端部に位置する複数の一次内部電極と、前記圧電セラミック素子の長手方向の他端部に位置する二次内部電極からなり、前記二次内部電極の少なくとも一層は、その一次内部電極側の端から圧電セラミック素子の二次内部電極側の端面までの距離を、圧電セラミック素子の全長の５％以上２０％以下としたローゼン型圧電トランス。
二次内部電極の少なくとも一層は、その一次内部電極側の端から圧電セラミック素子の二次内部電極側の端面までの距離を、圧電セラミック素子の全長の５％以上１０％以下とした請求項１に記載のローゼン型圧電トランス。
内部電極は、圧電セラミック素子の長手方向の端面に露出させていない請求項１に記載のローゼン型圧電トランス。
二次内部電極の圧電セラミック素子の長手方向と同方向の長さを、０．３ｍｍ以上とした請求項１に記載のローゼン型圧電トランス。