JP2007173297A - 圧電トランス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、薄型化、軽量化、大容量出力化可能な圧電トランスを低コストに提供する。
【解決手段】行方向にそれぞれ隣り合う圧電トランス３０、３１において、支持基板１６内に列方向に下部電極が延在して列方向に並ぶ複数の圧電トランス３０、又は、圧電トランス３１を接続する。圧電基体２７は、下部電極又は上部電極配線２０により接続されるとともに、列方向に並ぶ圧電トランス３０、３１を一括して接続している。一方、列方向にそれぞれ隣り合う圧電トランスの圧電基体２７は、右部電極配線２６又は左部電極配線２４により接続されるとともに、行方向に並ぶ圧電トランスを一括して接続している。この構成により、交差する右部電極配線２６又は左部電極配線２４と、これらと交差する上部電極配線２０又は下部電極との間に電圧を印加することにより、任意の圧電トランス３０、３１のセット（組）に対してアクセスすることができる。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、各種電源に用いられる圧電トランスに関するものであり、特に、小型化、薄型化、軽量化された小型電源の大容量出力化に関する。

従来、各種の家電機器、ＡＶ機器等の電子機器に用いられる変圧素子として巻線型の電磁トランスが用いられてきた。この電磁トランスは磁性体のコアに導線を巻き付ける構造になっており、高い変成比を実現するためには巻き付ける導線の数を多くする必要がある上に、絶縁耐圧確保のため、小型、薄型の電磁トランスを実現するのは非常に困難であった。

このような電磁式巻線トランスに対して、圧電トランスが提案された（特許文献１参照）。この圧電トランスは、従来の電磁トランスと全く異なる動作原理を有するものである。図５は、単板タイプの圧電トランス、いわゆるローゼン型圧電トランスの構成を示す斜視図である。以下に、この図を参照しながら、圧電トランスの構成を説明する。

圧電体の上・下面に平面状電極３５を設けた部分が駆動部４で、厚み方向に分極されている。また、圧電体の端部に設けられた端面電極３６と駆動部４で挟まれた部分が発電部８で、長さ方向に分極されている。このような構造の圧電トランスは、長さ方向に対する縦振動の共振時の節点に支持具４０を装着して、トランスの基体（図示せず）に固定する。この状態で、上部平面状電極に接続した外部入力電気端子３７、下部平面状電極に接続した外部共用電気端子３８を介して圧電体の長さ方向に対する縦振動の共振周波数を有する交流電圧を印加すると、外部共用電気端子３８と、端面出力電極３６に接続した外部出力電気端子３９との間に電圧が発生する。しかしながら、図５に示すような単板構造の圧電トランスは出力電流が数ｍＡ程度であった。従って、出力電流が数Ａ程度必要なＡＤアダプタのような電源には不適であった。

圧電トランスを大容量出力化する手段の一つとして、積層構造の圧電トランスが用いられてきた。例えば、積層構造の圧電トランスとしては、特許文献２及び３に記載があり、特許文献２に記載の技術は、駆動部の長さ方向の振動に連動させて、発電部の長さ方向の振動を発生させ、降圧された電圧を発生させるものであって、外部入力電気端子を介して、駆動部に長さ方向に対する一次の共振周波数の交流電圧を印加して、外部出力電気端子を介して、発電部に降圧された電圧を発生する。特許文献３に記載の技術では、三次の共振周波数の交流電圧を印加することを特徴としている。

米国特許第２，８３０，２７４号 特開平８−１５３９１４号公報 特開平５−２３５４３２号公報

しかしながら、上記で説明した技術は下記のような問題点を有している。従来の積層構造の圧電トランスに用いる積層セラミックでは、圧電体と内部電極とを交互に積層した構造を構築しなければならず、製造工程が複雑になるという問題があった。

また、積層セラミックを製造する工程は、圧電体と内部電極とを交互に積層した後、一括焼成するため、耐熱性を向上するための銀（Ａｇ）に対して、高価なパラジウム（Ｐｄ）を添加する等の工夫が必要となり、材料費が高くなるという問題があった。

本発明は、小型化、薄型化、大容量出力化可能な圧電トランスを低コストに提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、支持基板と、該支持基板面に形成される圧電体素子であって、電圧を加えると前記圧電体層の厚み方向に伸縮し、圧縮力を加えると電圧が発生する圧電体層を有する圧電体素子と、を有する圧電トランスにおいて、前記圧電体層前記支持基板面に形成することを特徴とする圧電トランスが提供される。

原理的に小型、薄型が困難な電磁トランスを用いず、小型化、薄型化が好適な圧電トランスを用いる。また、圧電トランスを大容量出力化するためには、トランスの断面積を増加させることが必要であり、本願発明に於いては、圧電トランスを平面上に配列し、これらの圧電トランスを並列に接続する。

前記支持基板において、第１の振動方向を有する第１の圧電体素子と、前記第１の振動方向と交差する第２の振動方向を有する第２の圧電体素子と、が設けられることを特徴とする。また、前記第１の圧電体素子と、前記第２の圧電体素子と、を前記支持基板の面内において互い違いに設けることを特徴とする。これにより、圧電トランスの振動に伴う基板の振動の影響をキャンセルし、デバイスの信頼性の向上、振動ダメージの低減を実現する。これらの圧電トランスは並列接続され、同期回路によりそれぞれの圧電トランスを同期し、所望電圧の大容量電力が出力される。

また、前記圧電体の振動方向がそれと隣り合う圧電体の振動方向と逆向きにであることを特徴とする。前記圧電体素子は、駆動部側圧電体層と該駆動部側圧電体層と前記支持基板の面内方向に接続される発電部側圧電体層と、を有し、前記駆動部側圧電体層に、その厚さ方向に電圧を印加する上部電極及び下部電極が設けられ、前記発電部側圧電体層に対して、その厚さ方向と交差する方向の側面に左部電極と右部電極とが設けられていることが好ましい。これにより、駆動部で発生した歪みを圧電変換し、出力電圧が左部電極と右部電極との間に発生させることができる。

前記右部電極又は前記左部電極のうちの一端は側壁において固定され、他端は側壁において支持されずにフリーになっていることが好ましい。これにより、支持基板等に与える振動の影響を軽減することができる。

本発明の他の観点によれば、２次元平面の行方向と列方向とに多数の圧電素子が整列配置される圧電トランスであって、列方向に延在し、列方向に並ぶ圧電素子の駆動部側圧電体層と第１面で接続する第１の配線と、列方向に延在し、列方向に並ぶ圧電素子の駆動部側圧電体層と前記第１面とは反対側の第２面で接続する第１の配線と、前記駆動部側圧電体層と前記列方向に接続される発電部側圧電体層に対して、その厚さ方向と交差する方向の側面において接続し行方向に延在する第３の配線及び第４の配線と、を有することを特徴とする圧電トランスが提供される。

前記第１の配線及び第２の配線は、前記行方向にそれぞれ隣り合う圧電素子を接続するとともに、列方向に並ぶ圧電素子を一括して接続し、前記第３の配線及び第４の配線は、列方向にそれぞれ隣り合う圧電素子を接続するとともに、行方向に並ぶ圧電素子を一括して接続することが好ましい。

この構成により、電極配線間に電圧を印加することにより、任意の圧電トランスのセット（組）に対してアクセスすることができる。但し、アクセスした場合には、行方向と列方向にそれぞれ隣り合う少なくとも４つの圧電トランスを動作させることになる。

本発明の他の観点によれば、支持基板上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に第１の電極構造を形成する工程と、前記第１の電極構造上に圧電体堆積膜を形成する工程と、前記圧電体堆積膜を島状に加工する工程と、前記島状の圧電体堆積膜に対して、前記第１の電極構造と対向する位置に第２の電極構造を、前記対向方向と交差する対向方向を有する位置に第３及び第４の電極構造を形成する工程とを有することを特徴とする圧電トランスの製造方法が提供される。圧電トランスを平面上に配列するためには、従来技術に見られるようなセラミックを用いることは困難であり、本願発明に於いては、圧電材料を堆積して得られる圧電薄膜を用いる。また、圧電トランスは、スパッタ法、化学気相成長法、ゾルゲル法等の半導体的手法で堆積膜が形成され、フォトリソグラフィー及びエッチング等でパターニングされる。

本発明の並列接続した大容量出力トランスは、従来の電磁コイルを用いたトランスよりも小型、薄型を実現することができる。また、大容量出力を実現可能にする並列接続圧電トランスを提供することができる。

また、従来の圧電トランスの製造方法よりも簡略化可能であり、材料費が低価格に抑制できるため、圧電トランスの低コスト製造方法を提供することができる。

まず、本発明の一実施の形態による圧電トランスについて図面を参照しながら説明を行う。本実施の形態による圧電トランスは、並列接続した大容量出力トランスである。図１は、本実施の形態による圧電体の基本構造を示す図である。図１（ａ）に示すように、駆動部４となる駆動部側圧電体１及び発電部８となる発電部側圧電体５は、圧電材料をスパッタ法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ゾルゲル法、ＡＤ（Ａｅｒｏｓｏｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の半導体的手法を用いて形成され、周知のフォトリソグラフィー及びエッチング技術により所望の形状にパターニングされる。

また、駆動部側圧電体１と、それに厚さ方向と交差する方向に接続して形成されている発電部側圧電体５とは、それぞれ所望の配向方向に配向制御されている。配向を制御する方法としては、例えば、下地の違いによりその上に堆積する圧電材料の配向を異なる方向に制御することができる。圧電トランスは、圧電薄膜（膜厚は２０μｍ程度）を用いている。圧電材料としては、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）との固溶体が良く知られているが、環境問題の観点から、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）等のＰｂを含有しない非Ｐｂ系圧電材料の使用が好ましい。配向を制御する方法としては、例えば、下地の違いによりその上に堆積する圧電材料の配向を異なる方向に制御することができる。

駆動部側圧電体１には、その厚さ方向の上下面にそれぞれ上部電極２と下部電極３とが設けられ、入力電圧がこの上部電極２と下部電極３との間に印加される。さらに、発電部側圧電体５には、厚さ方向と交差する側面に左部電極６と右部電極７とが設けられ、駆動部４で発生した歪みを圧電変換し、出力電圧が左部電極６と右部電極７との間に発生する。電極材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）を用いることができる。これらの電極材料はグラム単価が高いものの、膜厚が数百ｎｍと薄くできるため、低コストに製造することが可能である。例えば、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔの価格は約３０円／ｇ、約７００円／ｇ、約３０００円／ｇ程度であるが、本実施の形態による電極の膜厚は従来の圧電体の数百分の一程度であるため、実質的にはＰｄ、Ｐｔを用いても、Ａｇを用いた従来構造の素子よりも低コストに製造することができる。

一方、図１（ｂ）に示すように、駆動部４及び発電部８からなる圧電体は振動のノード点１０で保持され、振動に伴う変換ロスが抑制される。例えば、図１（ｂ）に示すように機械的振動９をしている場合に、振動に伴う変換ロスが抑制するために、黒丸（●）で示されるような振動のノード点１０（振動のノード点１０は駆動周波数で決定される）に対応した上部電極２上の支点１１、下部電極３上の支点１２、左部電極６上の支点１３及び右部電極７上の支点１４に図示しない支持具を設けている。また、振動の方向を一方向に制御するために、圧電体の一方の端面１５をノード点１０で固定している。但し、トランス動作をしている際の振動が小さい場合（出力容量が小さい場合）、圧電体の一方の端面を固定する必要はなく、固定するかどうかに関しては、当業者のデバイス仕様に基づいて判断されるべきである。

図２は、本実施の形態による圧電トランスの構造例を示す図である。図２（ａ）は、圧電トランスの断面図を（後述する図３ＢのＩＩａ-ＩＩｂ線に沿った断面図）であり、支持基板１６、好ましくは、半導体基板上に、絶縁層１７が堆積され、この絶縁層１７の所望の位置に空隙１８が設けられている。圧電体の圧電基体（駆動部側圧電体１、発電部側圧電体５、左部電極６、及び右部電極７からなる）２７は、図１（ａ）、（ｂ）に示す上部電極２上のノード点１１、下部電極３上のノード点１２、左部電極６上のノード点１３、及び右部電極７上のノード点１４に対して、それぞれビア１９、２１、２３、及び２５を介して、上部電極配線２０、下部電極配線２２、左部電極配線２４、及び右部電極配線２６に電気的に接続されると共に、配線により物理的に保持されている。また、左部電極６の端部は絶縁層１７の側壁において固定され、逆に右部電極７の端部は絶縁層１７の側壁において支持されておらずフリーになっている。図２（ｂ）は、圧電トランスの上面図を示すものであり、駆動部側圧電体１、発電部側圧電体５、左部電極６、及び右部電極７からなる圧電基体２７は空隙１８の上部輪郭（絶縁層１７の上端部の輪郭）２８、底部輪郭（絶縁層１７の下端部の輪郭）２９に対して、図２（ａ）に関する説明の通り図２（ｂ）に示すような位置関係に配設される。

図２（ａ）に示す構造の製造方法としては、下地基板１６上に、下層から上層に向けて犠牲膜を形成し、各層の構造を形成した後、配線工程が終了した後に開口を形成すれば良い。

図３Ａは、並列接続した複数の圧電トランスの斜視図であり、図３Ｂは図３Ａに対して各電極を加えた圧電トランスの斜視図である。図３Ａ、図３Ｂに示すように、図２（ｂ）で説明した圧電トランスは、支持基板１６上の面内に列方向及び行方向に並ぶように複数配設されている。図３Ａから明らかなように、並列接続する圧電トランスでは、絶縁層１７に固定される圧電基体２７の左部電極６の端部の位置が隣接する圧電トランスで互い違いなれるように配置されている。すなわち、ある圧電トランス３０に対して、圧電トランス３０と行方向に隣り合う圧電トランス３１は１８０°回転した構造で配設されている。列方向に関しても同様の関係にある。

図３Ｂに示すように、行方向にそれぞれ隣り合う圧電トランス３０、３１において、支持基板１６内に列方向に下部電極１６が延在して列方向に並ぶ複数の圧電トランス３０、又は、圧電トランス３１を接続する。図２（ａ）、図２（ｂ）も参照しながら説明すると、行方向にそれぞれ隣り合う圧電トランス３０、３１の圧電基体２７は、下部電極１６又は上部電極配線２０により接続されるとともに、列方向に並ぶ圧電トランス３０、３１を一括して接続している。一方、列方向にそれぞれ隣り合う圧電トランスの圧電基体２７は、右部電極配線２６又は左部電極配線２４により接続されるとともに、行方向に並ぶ圧電トランスを一括して接続している。この構成により、交差する右部電極配線２６又は左部電極配線２４と、これらと交差する上部電極配線２０又は下部電極１６との間に電圧を印加することにより、任意の圧電トランス３０、３１のセット（組）に対してアクセスすることができる。但し、アクセスした場合には、行方向と列方向にそれぞれ隣り合う４つの圧電トランスを動作させることになる。もちろん、電極への電圧の印加により、より多くの圧電トランスを動作させることができるが、４つがセットになる。

図４は、並列接続した圧電トランスの振動方向を表す模式図である。図４（ａ）に示すように、圧電基体２７はその端部を絶縁層１７に固定し、逆にもう一方の端部をフリーにしてあるため、圧電基体２７は振動方向３２の方向に振動する。

図４（ｂ）は、本実施の形態による並列接続したそれぞれの圧電トランスの振動方向３２を示す図である。支持基板１６に於いて、図の手前から奥への振動方向３２を有する圧電トランス３３と、これとは１８０°回転した振動方向３２を有する圧電トランス３４とを、それぞれを互い違いに配設することにより、圧電トランスの振動に伴う基板の振動の影響をキャンセルし、デバイスの信頼性の向上、振動ダメージの低減を実現する。これらの圧電トランスは並列接続され、同期回路によりそれぞれの圧電トランスを同期し、所望電圧の大容量電力が出力される。

本実施例１に於いて、シリコン半導体上に堆積された圧電薄膜は所望の形状にパターニングされ、パターニングされた圧電薄膜からなるトランスはそれぞれのトランス振動を打ち消すように互い違いに並列配設されている。圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ｋ_３１＝０．３５、ｋ_３３＝０．６５、Ｑｍ＝約２０００）を用いた。このような圧電トランスを長さ２ｍｍ、幅１ｍｍで設計し、シリコン基板上に１０個×１０個配設し（トータルチップ面積；３０ｍｍ×２０ｍｍ）、それぞれの圧電トランスを並列に接続した。試作結果として、降圧比が０．１、出力電力が５０Ｗの圧電トランスが実現した。

以上のように、本実施の形態による並列接続した大容量出力トランスは、従来の電磁コイルを用いたトランスよりも小型、薄型を実現可能にする圧電トランスを提供することができる。また、大容量出力を実現可能にする並列接続圧電トランスを提供することができる。さらに、従来の圧電トランスの製造方法に対して、製造工程が簡略化可能であり、材料費が低価格に抑制できるため、圧電トランスの低コスト製造方法を提供することができる。

本発明は、圧電トランスとして利用可能である。

本発明の一実施の形態による圧電体の基本構造を示す図である。 本実施の形態による圧電トランスの構造を示す図であり、図２（ａ）は図４ＢのＩＩａ-ＩＩｂ線に沿った断面図であり、図２（ｂ）は上面図である。 本実施の形態による並列接続した圧電トランスの斜視図である。 図３Ａに、電極の平面配置を加えた図である。 本実施の形態による並列接続した圧電トランスの振動方向を表す模式図であり、図４（ａ）は要部の側面図、図４（ｂ）は斜視図である。 ローゼン型圧電トランスの斜視図である。

符号の説明

１…駆動部側圧電体
２…上部電極
３…下部電極
４…駆動部
５…発電部側圧電体
６…左部電極
７…右部電極
８…発電部
９…機械的振動
１０…振動のノード点
１１…上部電極上の支点
１２…下部電極上の支点
１３…左部電極上の支点
１４…右部電極上の支点
１５…端面での支点
１６…支持基板
１７…絶縁層
１８…空隙
１９…上部電極に対するビア
２０…上部電極配線
２１…下部電極に対するビア
２２…下部電極配線
２３…左部電極に対するビア
２４…左部電極配線
２５…右部電極に対するビア
２６…右部電極配線
２７…圧電基体
２８…上部輪郭
２９…底部輪郭
３０…圧電トランス
３１…隣り合う圧電トランス
３２…振動方向
３３…手前から奥方向に振動する圧電トランス
３４…奥方向から手前に振動する圧電トランス
３５…平面状電極
３６…端面電極
３７…外部入力電気端子
３８…外部共用電気端子
３９…外部出力電気端子
４０…支持具

Claims (11)

1. 支持基板と、
   該支持基板面に形成される圧電体素子であって、電圧を加えると前記圧電体層の厚み方向に伸縮し、圧縮力を加えると電圧が発生する圧電体層を有する圧電体素子と、を有する圧電トランスにおいて、
   前記圧電体層前記支持基板面に形成することを特徴とする圧電トランス。
2. 前記支持基板において、第１の振動方向を有する第１の圧電体素子と、前記第１の振動方向と交差する第２の振動方向を有する第２の圧電体素子と、が設けられることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
3. 前記第１の圧電体素子と、前記第２の圧電体素子と、を前記支持基板の面内において互い違いに設けることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
4. 前記圧電体の振動方向がそれと隣り合う圧電体の振動方向と逆向きにであることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電トランス。
5. 前記圧電体素子は、駆動部側圧電体層と該駆動部側圧電体層と前記支持基板の面内方向に接続される発電部側圧電体層と、を有し、
   前記駆動部側圧電体層に、その厚さ方向に電圧を印加する上部電極及び下部電極が設けられ、
   前記発電部側圧電体層に対して、その厚さ方向と交差する方向の側面に左部電極と右部電極とが設けられていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の圧電トランス。
6. 前記右部電極又は前記左部電極のうちの一端は側壁において固定され、他端は側壁において支持されずにフリーになっていることを特徴とする請求項５に記載の圧電トランス。
7. 前記圧電体層が堆積膜であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の圧電トランス。
8. ２次元平面の行方向と列方向とに多数の圧電素子が整列配置される圧電トランスであって、
   列方向に延在し、列方向に並ぶ圧電素子の駆動部側圧電体層と第１面で接続する第１の配線と、
   列方向に延在し、列方向に並ぶ圧電素子の駆動部側圧電体層と前記第１面とは反対側の第２面で接続する第１の配線と、
   前記駆動部側圧電体層と前記列方向に接続される発電部側圧電体層に対して、その厚さ方向と交差する方向の側面において接続し行方向に延在する第３の配線及び第４の配線と、
   を有することを特徴とする圧電トランス。
9. 前記第１の配線及び第２の配線は、前記行方向にそれぞれ隣り合う圧電素子を接続するとともに、列方向に並ぶ圧電素子を一括して接続し、
   前記第３の配線及び第４の配線は、列方向にそれぞれ隣り合う圧電素子を接続するとともに、行方向に並ぶ圧電素子を一括して接続することを特徴とする請求項８に記載の圧電トランス。
10. 支持基板上に犠牲層を形成する工程と、
    前記犠牲層上に第１の電極構造を形成する工程と、
    前記第１の電極構造上に圧電体堆積膜を形成する工程と、
    前記圧電体堆積膜を島状に加工する工程と、
    前記島状の圧電体堆積膜に対して、前記第１の電極構造と対向する位置に第２の電極構造を、前記対向方向と交差する対向方向を有する位置に第３及び第４の電極構造を形成する工程と
    を有することを特徴とする圧電トランスの製造方法。
11. 前記圧電堆積膜を形成する工程は、スパッタ法、化学気相成長法、分子線エピタキシー法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法を用いることを特徴とする請求項１０に記載の圧電トランスの製造方法。

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