JP2009231651A - 圧電トランス - Google Patents

Abstract

【課題】 １次側領域と２次側領域の間において十分な耐電圧を有し、それにより汎用の用途に用いることのできる圧電トランスを提供する。
【解決手段】 圧電トランスの１次側領域１２と２次側領域１３のそれぞれの端子が互いに絶縁された構成とするとともに、圧電トランスの表面の入力電極１４ａ，１４ｂとグランド電極１６ａの間に絶縁部１７を設け、両電極の間の直線距離が５ｍｍ以上となるように構成する。これにより、圧電トランスの入力側と出力側の間の耐電圧が１０ｋＶ以上となり、圧電トランスを汎用の用途に用いるために十分な耐電圧を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電セラミックからなる矩形板を用いた圧電トランスに関し、とくに汎用的な用途を有する圧電トランスに関する。

圧電セラミックの応用デバイスとして圧電トランスが知られている。図５はローゼン型と称される一般的な圧電トランスの構成の例を示す斜視図である。図５において、圧電セラミックからなる矩形板５１は、入力側である１次側領域５２および出力側である２次側領域５３の２つの領域からなり、このうち１次側領域５２には入力電極５４ａ，５４ｂが、２次側領域５３には出力電極５５がそれぞれ設けられている。ここで入力電極５４ａ，５４ｂは、矩形板５１の１次側領域５２において、その上面および下面のそれぞれ全面に設けられて入力電極対を形成している。また出力電極５５は矩形板５１の２次側領域５３のうち、その端部領域に矩形板５１の幅方向に沿って延びた帯状の電極として設けられている。ここで出力側の電極は出力電極５５の１箇所のみであるが、入力電極５４ａ，５４ｂのいずれか一方をグランドに接続することにより、出力電極５５からのグランドに対する出力信号の強度をこの圧電トランスの出力として取り出すことができる。

ここで入力電極５４ａ，５４ｂに入力される信号によって、矩形板５１の１次側領域５２に励起される入力側の分極の向き５８は図５の上下方向（縦方向）である。この分極によって矩形板５１の１次側領域５２が縦方向に振動（縦モード振動）することにより、２次側領域５３にも振動が励起される。この励起された振動の向きは図５の左右方向（横方向）であり、この横方向の振動（横モード振動）によって、矩形板５１の２次側領域５３には分極が形成される。この出力側の分極の向き５９は図５に示すように、入力電極５４ａ，５４ｂに対して出力電極５５が対向する向きであり、この分極によってグランドと出力電極５５との間には入力信号と同じ周波数の出力信号が励起される。この出力信号の信号強度がこのローゼン型の圧電トランスにおける出力強度である。

なおこのようなローゼン型圧電トランスでの横モード振動は、図５に振動モード６０として点線にて示す通りである。即ち、１次側領域５２および２次側領域５３のそれぞれ中央部が振動における節（不動点）となり、各領域の端部、および１次側領域５２と２次側領域５３の中間点がそれぞれ腹（可動点）となる。従って図５に示した一般的な圧電トランスでは、矩形板の全長が内部に生じる横モード振動の１波長分に相当する。このような振動を２次振動モードと称する。ローゼン型の圧電トランスでは、電気−電気変換のためにこの２次振動モードを利用することが一般的である。

この図５に示される一般的な圧電トランスは、２箇所の入力電極からなる入力電極対と１箇所の出力電極から構成される３端子構造である。この場合は入力側と出力側のグランドを共用する構成であるため、圧電トランスの入力側と出力側の間を互いに絶縁することは構成上不可能である。従来の圧電トランスの主な用途は冷陰極管の点灯のための昇圧トランスであり、また冷陰極管はパソコン用液晶画面のバックライトが主要な用途である。一般にこのような用途では圧電トランスが設置される機器の内部に電源装置より供給される直流電流が存在し、圧電トランスの入力電極にはこの直流電流から生成される交流の駆動電流が供給される。この直流電流はノイズ成分が十分に小さいものであるため、従来は圧電トランスに内部の絶縁性を求められることがなかった。

しかしながら、圧電トランスを冷陰極管点灯用の昇圧トランス以外の用途、例えば商用交流電流を直流に変換するＡＣアダプタの構成素子などに適用する場合には、圧電トランス内部での１次側と２次側の絶縁性が要求される場合がある。ＡＣアダプタでは入力された交流電流を直流電流に変換する作業が行われるが、その内部に設置されるトランスは電圧の変換だけではなく、入力側と出力側の間を絶縁する作用も行っている。従って、圧電トランスの用途を拡大してこのようなトランスの用途に用いるためには、巻線を用いた一般的なトランスの場合と同じように、入力側と出力側とを絶縁する機能を圧電トランスにも具備させる必要がある。

特許文献１にはローゼン型の圧電トランスの改良例が記載されている。ここで開示された圧電トランスでは、１次側と２次側とがグランドを共有することなく、両者は互いに分離されて４端子型の構成となっている。この改良された圧電トランスの構成の例を図６に示す。ここで図６（ａ）は特許文献１に記載の圧電トランスの例の斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）における円形領域Ａの部分の拡大図である。図６において、圧電セラミックからなる矩形板６１は、入力側である１次側領域６２と出力側である２次側領域６３の２つの領域からなる。このうち１次側領域６２の構成は図５に示した一般的な圧電トランスの例の場合と同様であり、１次側領域６２には入力電極６４ａ，６４ｂが設けられ、両者は入力電極対を形成している。一方、２次側領域には１箇所の出力電極６５と２箇所のグランド電極６６ａ，６６ｂがそれぞれ設けられている。ここで１次側領域６２の入力電極６４ａ，６４ｂと２次側領域６３のグランド電極６６ａとの間は、絶縁体である矩形板６１によって互いに絶縁されている。

このうち出力電極６５は、矩形板６１において、２次側領域６３の長さ方向での中央部に矩形板６１の幅方向に沿って延びた帯状の電極として設けられている。またグランド電極６６ａ，６６ｂは、２次側領域６３の長さ方向の両端部に、出力電極６５と平行な帯状の電極としてそれぞれ設けられている。この２箇所のグランド電極６６ａ，６６ｂからの出力は互いに電気的に接続されており、２次側領域６３からの出力は、出力電極６５からの出力とグランド電極６６ａ，６６ｂからの出力の２本である。以上の構成により、特許文献１に記載の圧電トランスでは入力側、出力側がそれぞれ共に２端子ずつであり、巻線を用いた一般的なトランスの場合と同様に、入力側と出力側とがそれぞれ絶縁された構成を実現することができる。

なおこの圧電トランスでは、入力側の分極の向き６８は図６の上下方向（縦方向）である。また出力側である２次側領域６３における２箇所の領域でのそれぞれの出力側の分極の向き６９ａ，６９ｂは矩形板６１の長さ方向であって、しかも互いに逆向きであり、いずれも図６の左右方向（横方向）である。しかし特許文献１に記載の圧電トランスの場合は、図６に振動モード７０として点線にて示す通り、１次側領域６２と２次側領域６３におけるそれぞれの中央部が振動における腹（可動点）となり、各領域の端部、および１次側領域６２と２次側領域６３との中間部がそれぞれ節（不動点）となっている。つまり図５に示した一般的な圧電トランスの場合とは、その腹と節の位置が逆転している。なおこの圧電トランスにおいて、その駆動のために利用している長さ方向振動モードは図５の場合と同じく２次振動モードであり、その全長が内部に生じる横モード振動の１波長分に相当することは、一般的な圧電トランスの場合と同じである。

特開平１−１６００６７号公報

特許文献１に記載の４端子型の圧電トランスでは、入力側と出力側のそれぞれの端子が互いに絶縁された構成となっている。しかしこのような構成の圧電トランスにおける、１次側領域と２次側領域の間の耐電圧の値は必ずしも高いものではなかった。圧電トランスを冷陰極管の点灯のための昇圧トランスなど、従来の用途以外の汎用の用途に用いる場合には、この１次側領域と２次側領域の間での耐電圧の大きさが問題となる場合がある。例えば圧電トランスを前記のＡＣアダプタなどに用いる場合には、入力側の電流に数百〜数千Ｖ程度のパルス状のノイズが含まれている場合がある。もしそのようなノイズが圧電トランスに入力すると、入力側と出力側の間の絶縁が一時的に破られることとなり、その間は入力側に加えられている電流が出力側にそのまま流れ、結果として出力側に接続された機器にダメージを与えてしまうなどの可能性がある。しかし従来の圧電トランスでは入力側と出力側の間の絶縁についてはとくに考慮されておらず、耐電圧の大きさの向上のために何らかの対策が講じられた例はなかった。

即ち、本発明の課題は、圧電トランスにおける１次側と２次側の間の耐電圧の大きさを一定値以上に保つことができるようにして、それにより様々な用途に使用可能な圧電トランスを提供することである。

圧電トランスを構成する矩形板には圧電セラミックが用いられるが、一般に圧電セラミックは絶縁性が非常に大きな材料であり、従って矩形板の内部での１次側領域と２次側領域の絶縁における耐電圧は相当に大きい。従って圧電トランスにおける入力側と出力側の間の絶縁性は、本来はかなり大きくなるはずである。発明者らは圧電トランスの耐電圧が小さくなる原因について鋭意研究した結果、その原因が、特許文献１に記載の構成の圧電トランスにおいて、矩形板の１次側領域と２次側領域の表面にそれぞれ形成された、入力電極とグランド電極の間の距離が接近しているためであることを見出した。

矩形板の表面での入力側と出力側の各電極の間の絶縁は、その周囲の空気によって保たれている。しかし空気における単位長さ当たりの耐電圧の値は、一般に圧電セラミックにおける単位長さ当たりの耐電圧の値よりもずっと小さい。そのため入力側と出力側の両電極を隔てる矩形板の表面付近での空気の厚さ、即ち入力側と出力側の両電極間の、矩形板の表面における直線距離が、圧電トランスの耐電圧を決定する主要な要素となるのである。本発明は、圧電トランスにおける矩形板の表面における、両電極間のこの直線距離を一定値以上に保つことのできる、圧電トランスの電極構造を具体的に提示する。その電極構造によって、入力側と出力側の電極間の耐電圧を、圧電トランスを実際に使用する際に必要とされる値よりも大きく保つことが可能となる。

なお入力側と出力側の両電極が矩形板の異なる面上に存在する場合には、前記の直線距離の代わりに、矩形板の表面の空気中での両電極間の道のりの最短距離が、圧電トランスの耐電圧を決定する主要な要素となる。以下では、両電極が矩形板の異なる面上にある場合の、この道のりの最短距離も含めて直線距離と称する。矩形板の各表面が平坦な場合には、この道のりの最短距離は両電極間の沿面距離に等しい。

即ち、本発明は、圧電セラミックからなる矩形板を有し、前記矩形板の長さ方向に互いに分割された第１の領域および第２の領域に対し、前記第１の領域において、前記矩形板には厚さ方向に互いに対向する１対以上の入力電極対が形成され、前記第２の領域において、前記矩形板の幅方向に沿って延びる１以上の出力電極、および前記矩形板の幅方向に沿って延びる２以上のグランド電極が形成され、前記２以上のグランド電極が、前記１以上の出力電極を間に挟む位置にそれぞれ設けられてなる圧電トランスであって、前記第１の領域における１対以上の前記入力電極対のうち、少なくとも前記矩形板の厚み方向の表面に形成された入力電極対における、前記第２の領域に最も接近した部位と、前記第２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域により接近した位置に形成されたグランド電極の、前記第１の領域に最も接近した部位との間の相互の距離が、５ｍｍ以上であることを特徴とする圧電トランスである。

また、本発明は、１対以上の前記入力電極対が、前記矩形板の厚み方向の表面および内部の両方に形成されており、前記入力電極対のうち、前記矩形板の厚み方向の表面に形成された入力電極対の、前記第２の領域に最も接近した部位に比較して、前記矩形板の内部に形成された入力電極対の、前記第２の領域に最も接近した部位の方が、前記第２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域により接近した位置に形成されたグランド電極の、前記第１の領域に最も接近した部位に対してより接近していることを特徴とする圧電トランスである。

さらに、本発明は、前記第２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域に最も接近した位置に形成されたグランド電極が、前記矩形板の内部のみに形成され、前記矩形板の厚み方向の表面には形成されていないことを特徴とする圧電トランスである。

さらに、本発明は、前記第２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域に最も接近した位置に形成されたグランド電極が、前記矩形板の少なくとも一方の側面に露出しており、前記第１の領域における１対以上の前記入力電極対のうち、少なくとも前記矩形板の厚み方向の表面に形成された入力電極対における、前記グランド電極の前記矩形板の側面の露出面に接近した領域が、略三角形状に除去された形状をなしていることを特徴とする圧電トランスである。

さらに、本発明は、前記第２の領域の２箇所に前記グランド電極が形成されており、前記第２の領域の１箇所に前記出力電極が形成されていることを特徴とする圧電トランスである。

さらに、本発明は、圧電セラミックからなる前記矩形板がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなることを特徴とする圧電トランスである。

さらに、本発明は、前記矩形板が、面上に電極が形成された複数の圧電セラミックシートを互いに積層することにより形成されており、前記矩形板に形成された入力電極対、出力電極およびグランド電極が、前記圧電セラミックシートの面上に形成された複数の電極により形成されてなる特徴とする圧電トランスである。

さらに、本発明は、１次側と２次側とを絶縁するための電気素子として用いられることを特徴とする圧電トランスである。

本発明によれば、入力側と出力側のそれぞれの端子が互いに絶縁された構成であり、しかも入力側と出力側の端子間での耐電圧が、汎用の用途に用いる場合であっても十分に高い値の圧電トランスを得ることができる。大きな耐電圧が得られることにより、圧電トランスを例えばＡＣアダプタに内蔵される電圧変換用トランスなど、従来の主な用途である冷陰極管の点灯のための昇圧トランス以外の様々な用途に用いることが可能となり、圧電トランスの適用範囲を大きく広げることが可能となる。

以下に本発明の圧電トランスの実施の形態について、図１〜図４をもとに説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの構成の例を斜視図として示したものである。図１において、矩形板１１は１次側領域１２および２次側領域１３の２つの領域からなり、両者の間には絶縁部１７が設けられている。矩形板１１の１次側領域１２の上面および下面には入力電極１４ａ，１４ｂが設けられており、入力信号によってこの領域には入力側の分極の向き１８として示した図の上下方向の分極が生じる。一方、２次側領域１３には１箇所の出力電極１５および２箇所のグランド電極１６ａ，１６ｂが形成されているので、１次側領域１２の分極によって、２次側領域１３には矩形板１１の長さ方向の２次振動モードの振動が生じ、各電極の間に出力側の分極の向き１９ａ，１９ｂとして示した図の左右方向の分極が生じる。この分極によって生じる出力信号を取り出すことにより、１次側に印加する入力信号と２次側から取り出される出力信号とが電気的に絶縁された圧電トランスを構成することができる。

以上の圧電トランスの主な構成は、図６に示した特許文献１に記載の従来の圧電トランスの場合と同じである。図１に示した本発明の圧電トランスと従来の圧電トランスとの違いは、本発明の場合は１次側領域と２次側領域との間に５ｍｍ以上の距離を持つ絶縁部を設けていることである。一般に圧電セラミックの耐電圧は十分に大きいことから、この絶縁部は１次側領域や２次側領域を構成する圧電セラミックと同じ材質により構成しても構わない。この絶縁部に相当する領域は、その距離の大きさをとくに規定していないものの、従来の圧電トランスにも存在していたものである。本発明ではこの絶縁部の距離を、矩形板の長さ方向に５ｍｍ以上とするよう規定したことが特徴である。

圧電トランスの用途の拡大において、その１次側と２次側との絶縁に対して要求される耐電圧は１０ｋＶとされる。これは以下の理由による。事務機器を含む一般的な情報機器に適用される世界的な規格として、米国の製品安全規格であるＵＬ６０９５０（ＩＥＣ６０９５０と同一）が定められており、圧電トランスを含む電子部品をこの種の機器に用いるためには、前記の規格を満足することが必要である。情報機器は一般にＡＣ１００Ｖ〜ＡＣ２４０にて使用することが想定されており、このような機器において突発的なノイズなどに対して必要とされる耐電圧は３ｋＶ程度とされる。ここで通常の信号に対するノイズの重畳分が存在することや、安全係数としてさらに３倍の耐電圧が必要であることがさらに勘案される。前記規格によれば、結果として情報機器に用いられる電子部品には１０ｋＶ以上の耐電圧を有していることが求められる。このことから、圧電トランスの応用範囲を拡大して情報機器などに使用可能とするためには、１次側と２次側の各領域の間に１０ｋＶ以上の耐電圧を確保することが必要である。

圧電トランスにおける入力側と出力側の絶縁における耐電圧の大きさは、２つの領域の各電極を隔てる矩形板の表面付近での空気の厚さ、即ち入力側と出力側の両電極間の直線距離によって決定される。図２は圧電トランスの１次側領域と２次側領域の電極間に設けた絶縁部の距離と、そのときの耐電圧との関係を示すグラフである。ここで用いた圧電トランスは図１に示した形状であって、その寸法は長さ５３ｍｍ×幅６ｍｍ×厚さ３ｍｍである。矩形板を構成する圧電セラミックの材質はＭｎ（マンガン）およびＳｂ（アンチモン）を添加したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であって、ハード材ＰＺＴと称されるものである。この圧電セラミックは機械的品質係数Ｑｍが比較的高いという特徴を有する。

この矩形板を長さ方向に２分割し、このうち半分の２次側の領域には矩形板の両面にそれぞれ１箇所の出力電極、および２箇所のグランド電極を設けた。各電極の矩形板の長さ方向の幅はそれぞれ２ｍｍであり、各電極の両面は矩形板の側面にて互いに接続されている。次いでもう半分の１次側の領域のうち、矩形板の中央部のグランド電極に接した領域に絶縁部を設け、絶縁部以外の領域には両面に入力電極を形成した。このようにして形成した絶縁部は、矩形板の中で単に表面に電極が設けられていない領域であって、圧電セラミックの材質が他の領域と異なるものではない。以上の構成により、矩形板の長さ方向の絶縁部の距離のみを変えた圧電トランスを順次作製して、それぞれの入力側と出力側の耐電圧の大きさを測定した。作製した圧電トランスは、絶縁部の距離がそれぞれ１ｍｍ，２ｍｍ，・・・，８ｍｍと互いに異なる合計８個である。この絶縁部の両側はそれぞれ１次側領域の入力電極、２次側領域のグランド電極であるので、両電極の間を隔てる空気の厚さである直線距離は、この絶縁部の距離に等しい。

図２のグラフによれば、この圧電トランスにおける直線距離とその耐電圧とは比例関係にあることが分かる。ここで圧電トランスの１次側と２次側との間の耐電圧は、前記の通り１０ｋＶ以上が要求されることから、グラフより、圧電トランスの絶縁を確保するために必要な直線距離は５ｍｍ以上であることが分かる。本発明では圧電トランスにおける絶縁部の距離（直線距離）を５ｍｍ以上に規定することによって、この１０ｋＶ以上の耐電圧を確保することを可能としている。

図３は、本発明の第２の実施の形態における圧電トランスの構成の例を示したもので、面上に電極が形成された複数の圧電セラミックシートを互いに積層することにより形成していることが特徴である。ここで図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）の円形領域Ａの部分の拡大図である。図３において、矩形板３１およびその１次側領域３２および２次側領域３３の構成や、２次側領域３３における１箇所の出力電極３５および２箇所のグランド電極３６ａ，３６ｂの配置については図１に示す本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの構成の場合と同じである。一方、１次側領域３２に設けられる入力電極は、矩形板３１の上面および下面に設けた入力電極３４ａ，３４ｂの他に、その内部にも内部入力電極３４ｃを設け、各層は互いに積層されている。ここで入力側の分極の向き３８は図の上下方向であり、積層される圧電セラミックシートごとに互いに逆向きである。出力側の分極の向き３９ａ，３９ｂは図の左右方向である。

この圧電セラミックシートの層の間に設けられた内部入力電極３４ｃは矩形板３１の内部に隠れていて、矩形板３１の側面には一部の領域を除き露出していない。このため図３では内部入力電極３４ｃを点線にて示している。なお矩形板３１の側面の一部には内部入力電極３４ｃの露出領域があり、そこには側面電極３４ｄが設けられている。側面電極３４ｄは、入力電極３４ａ，３４ｂと内部入力電極３４ｃとの間の電気的な接続を行うためのもので、この側面電極３４ｄによって入力電極３４ａ，３４ｂおよび内部入力電極３４ｃは互いに１層おきに接続されている。図３（ａ）に記載の例では、矩形板３１の左側端面近くの側面にこの露出領域が設けられている。この例では、入力電極３４ｂと内部入力電極３４ｃとを接続する側面電極は、図で矩形板３１の裏側の反対面に設けられているため、図示されていない。また２次側領域３３の３箇所の各電極においても、矩形板３１の内部に電極が設けられていることは同じである。出力電極３５とグランド電極３６ａ，３６ｂには、矩形板３１の表面だけではなく、その内部にも互いに平行な複数の電極が形成されており、各電極は矩形板３１の側面で互いに接続されている。

ここで入力電極３４ａ，３４ｂと矩形板３１の表面のグランド電極３６ａとの間には、直線距離を５ｍｍ以上確保しなければならないので、両者の間には５ｍｍ以上の絶縁領域が設けられている。ただし矩形板３１の内部に形成された内部入力電極３４ｃは、グランド電極３６ａに近い領域では矩形板３１の表面に露出していないので、その端部は入力電極３４ａ，３４ｂよりも、グランド電極３６ａに近い部分にまで延在させることが可能である。図３に示した本発明の第２の実施の形態では、このように矩形板３１の表面の入力電極３４ａ，３４ｂには距離が５ｍｍ以上の絶縁領域を設けるとともに、内部に形成した内部入力電極３４ｃをこの絶縁領域よりもグランド電極３６ａに近い部分にまで設けることとする。これにより、１次側領域３２の絶縁領域も１次側の分極に関与するように構成することができ、圧電トランスにおける電力変換の効率をより向上させることが可能である。

図４は、本発明の第３の実施の形態における圧電トランスの構成の例を示したもので、複数の圧電セラミックシートを互いに積層した構成とするとともに、矩形板の表面においてグランド電極の一部を省略したことが特徴である。ここで図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）の円形領域Ａの部分の拡大図である。図４において、入力電極４４ａ，４４ｂおよびグランド電極４６ａ以外の、矩形板４１、１次側領域４２および２次側領域４３の構成、矩形板４１の内部に設けられた内部入力電極４４ｃ、側面電極４４ｄ、出力電極４５およびグランド電極４６ｂ、入力側の分極の向き４８および出力側の分極の向き４９ａ，４９ｂの各々の形状や配置などは、いずれも図３に示す本発明の第２の実施の形態における圧電トランスの構成の場合と同じである。ここで入力電極４４ａ，４４ｂに近い位置に設けられたグランド電極４６ａは矩形板４１の内部のみに配置し、矩形板４１の上面および下面には電極構造を設けないこととする。

矩形板４１の表面では、入力電極４４ａ，４４ｂの近傍には出力側の電極が存在しない。このため入力電極４４ａ，４４ｂは、矩形板４１の１次側領域４２の両表面のほぼ全域に形成することができる。ただし２次側領域４３のグランド電極４６ａでは、矩形板４１の側面にてその内部の電極どうしを互いに接続する必要があるため、矩形板４１の側面にグランド電極４６ａの露出領域を設けている。従って、入力電極４４ａ，４４ｂのうち、この露出領域に近い領域では、グランド電極４６ａとの５ｍｍ以上の直線距離を確保するために、その一部を切除するなどの対処が必要である。図４の例では、入力電極４４ａ，４４ｂのうち、グランド電極４６ａが露出した側面領域に近い部分を三角形状に除去した形状とすることで、矩形板４１の側面のグランド電極４６ａとの直線距離を確保している。なお矩形板４１の内部に設けられた内部入力電極４４ｃについては、矩形板４１から露出していないためにその一部を切除するなどの対処は必要ない。このような形状とすることにより、本発明の第２の実施の形態の場合と同様に、この場合も圧電トランスにおける電力変換の効率をより向上させることが可能である。

（実施例１〜４、比較例１〜４）
長さ５３ｍｍ×幅６ｍｍ×厚さ３ｍｍの圧電セラミックによる矩形板を用意し、その表面に入力電極、出力電極およびグランド電極を形成した。この電極は銀ペーストを矩形板の表面に印刷し、その後、焼成により焼き付けを行う方法にて形成している。圧電セラミックの材質はＭｎおよびＳｂを添加したハード材ＰＺＴである。まず矩形板を長さ方向に２等分し、その片方の領域を２次側領域として、その両端部および中央部の３箇所に、矩形板の長さ方向の幅が各２ｍｍの帯状の電極を形成した。３本の電極間の長さは各１０．２５ｍｍであり、各電極は矩形板の上面と下面、および一方の側面に設けられ、上面と下面の各電極は矩形板の側面にて互いに接続している。この３本の電極のうち、中央の１本が出力電極、両側の２本がグランド電極である。

一方、２等分された領域のもう一方を１次側領域として、矩形板の上面と下面にそれぞれ同様の方法にて電極を形成して入力電極とした。この電極は１次側領域の矩形板の両面にそれぞれ設けたが、矩形板の中央のグランド電極の端から５ｍｍまでの領域は絶縁部として除外し、それ以外の領域の全域に設けている。矩形板の両面の入力電極には２本の入力端子をそれぞれ１本ずつ接続した。また２本のグランド電極は相互に電気的に接続して、出力電極とこのグランド電極からの合計２本の出力を出力端子とした。以上の方法により圧電トランスを計１台作製し、実施例１とした。この圧電トランスの形状は、図１に記載の本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの構成の例と同一である。

実施例１の圧電トランスと全く同様の方法にて７種類、各１台ずつの圧電トランスを作製し、それぞれ実施例２〜４、比較例１〜４とした。実施例１と実施例２〜４、比較例１〜４の相違は、矩形板中央部のグランド電極と１次側領域の両面の入力電極との間に設けられた絶縁部の距離である。両電極間の絶縁部の距離は、実施例２の場合が６ｍｍ、実施例３が７ｍｍ、実施例４が８ｍｍであり、また比較例１が１ｍｍ、比較例２が２ｍｍ、比較例３が３ｍｍ、比較例４が４ｍｍである。これら実施例１〜４、比較例１〜４の各々の圧電トランスに関して電力変換の効率を測定したところ、いずれも良好な特性を得た。一方、グランド電極と入力電極との間の絶縁部の距離を両電極間の直線距離として、各々の圧電トランスの１次側と２次側との絶縁に関する耐電圧を測定したところ、図２のグラフの結果となった。ここで、横軸の直線距離が１〜４ｍｍのときの測定値がそれぞれ比較例１〜４に、５〜８ｍｍのときの測定値がそれぞれ実施例１〜４に対応している。このように、汎用的な用途に使用可能な圧電トランスが備えるべき１０ｋＶ以上の耐電圧を確保するには、両電極間の絶縁部の距離である直線距離が、５ｍｍ以上必要となる。

（実施例５）
圧電セラミックシートに電極を印刷し、各シートを積層して焼成することにより、実施例１と同じ、長さ５３ｍｍ×幅６ｍｍ×厚さ３ｍｍの形状の圧電トランスを作製した。使用した圧電セラミックシートは５枚であり、各圧電セラミックシートの片面（１枚のみは両面）にそれぞれ銀ペーストにて電極を形成している。各々の圧電セラミックシートに形成した入力電極のうち、矩形板の両表面の電極に相当する２箇所の電極のみ、グランド電極から５ｍｍの絶縁部を設けて形成している。矩形板の内部の入力電極では絶縁部の距離は１ｍｍである。この矩形板の内部の入力電極は、グランド電極に近い領域では矩形板の側面から露出していない。各々の圧電セラミックシートを積層して焼成した後に、銀ペーストにてその側面に必要な電極を形成して焼き付けを行った。作製した圧電トランスは１台であり、これを実施例５とした。

以上の方法により作製された圧電トランスの形状は、図３に記載の本発明の第２の実施の形態における圧電トランスの構成の例と同一である。この圧電トランスに関して電力変換の効率を測定したところ、実施例１〜４の場合と同様に良好な特性を得た。一方、グランド電極と入力電極との間の絶縁部の距離を両電極間の直線距離として、その１次側と２次側との絶縁に関する耐電圧を測定したところ、１０ｋＶの耐電圧を得た。このことから実施例５の圧電トランスでは耐電圧においても良好な結果が得られ、この圧電トランスは実施例１〜４の場合と同様、汎用的な用途にも十分に使用可能であることが分かる。

（実施例６）
圧電セラミックシートに電極を印刷し、各シートを積層して焼成することにより、実施例１と同じ、長さ５３ｍｍ×幅６ｍｍ×厚さ３ｍｍの形状の圧電トランスを作製した。使用した圧電セラミックシートは５枚であり、各圧電セラミックシートの片面（１枚のみは両面）にそれぞれ銀ペーストにて電極を形成している。各々の圧電セラミックシートに形成した入力電極のうち、矩形板の両表面の電極に相当する２箇所の電極では、グランド電極に近い部分を三角形状に除去した形状として、このグランド電極が露出した側面領域からの直線距離を５ｍｍとしている。矩形板の内部の入力電極では絶縁部の距離は１ｍｍである。この矩形板の内部の入力電極は、グランド電極に近い領域では矩形板の側面から露出しておらず、矩形板の両表面の電極のような三角形状の絶縁領域も設けられていない。

一方、この側面に電極を露出させたグランド電極では、矩形板の両表面には電極を設けず、矩形板の内部および１箇所の側面のみに電極を設けている。これら各々の圧電セラミックシートを積層して焼成した後に、銀ペーストにてその側面に必要な電極を形成して焼き付けを行った。作製した圧電トランスは１台であり、これを実施例６とした。

以上の方法により作製された圧電トランスの形状は、図４に記載の本発明の第３の実施の形態における圧電トランスの構成の例と同一である。この圧電トランスに関して電力変換の効率を測定したところ、実施例１〜５の場合と同様に良好な特性を得た。一方、グランド電極と入力電極との間の絶縁部の距離を両電極間の直線距離として、その１次側と２次側との絶縁に関する耐電圧を測定したところ、１０ｋＶの耐電圧を得た。このことから実施例６の圧電トランスでは耐電圧においても良好な結果が得られ、この圧電トランスは実施例１〜５の場合と同様、汎用的な用途にも十分に使用可能であることが分かる。

以上示したように、本発明の実施の形態に基づき、圧電トランスを構成する矩形板の１次側領域の表面に形成した入力電極と２次側領域のグランド電極との間に絶縁部を設け、この絶縁部によって両電極の間に形成される直線距離が５ｍｍ以上となるように、これらの電極を配置することとする。これにより、圧電トランスにおける１次側と２次側との絶縁における耐電圧を１０ｋＶ以上とすることができ、圧電トランスを汎用的な用途に使用することが可能となる。ここで、上記説明は、本発明の実施の形態に係る場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの構成の例の斜視図。 圧電トランスの電極間の直線距離と耐電圧との関係を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態における圧電トランスの構成の例を示す図。図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）における円形領域Ａの部分の拡大図。 本発明の第３の実施の形態における圧電トランスの構成の例を示す図。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）における円形領域Ａの部分の拡大図。 一般的な圧電トランスの構成の例を示す斜視図。 従来の圧電トランスの構成の例を示す図。図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）における円形領域Ａの部分の拡大図。

符号の説明

１１，３１，４１，５１，６１ 矩形板
１２，３２，４２，５２，６２ １次側領域
１３，３３，４３，５３，６３ ２次側領域
１４ａ，１４ｂ，３４ａ，３４ｂ，４４ａ，４４ｂ，５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂ 入力電極
３４ｃ，４４ｃ 内部入力電極
３４ｄ，４４ｄ 側面電極
１５，３５，４５，５５，６５ 出力電極
１６ａ，１６ｂ，３６ａ，３６ｂ，４６ａ，４６ｂ，６６ａ，６６ｂ グランド電極
１７ 絶縁部
１８，３８，４８，５８，６８ 入力側の分極の向き
１９ａ，１９ｂ，３９ａ，３９ｂ，４９，５９，６９ａ，６９ｂ 出力側の分極の向き
６０，７０ 振動モード

Claims (8)

1. 圧電セラミックからなる矩形板を有し、
   前記矩形板の長さ方向に互いに分割された第１の領域および第２の領域に対し、
   前記第１の領域において、前記矩形板には厚さ方向に互いに対向する１対以上の入力電極対が形成され、
   前記第２の領域において、前記矩形板の幅方向に沿って延びる１以上の出力電極、および前記矩形板の幅方向に沿って延びる２以上のグランド電極が形成され、
   前記２以上のグランド電極が、前記１以上の出力電極を間に挟む位置にそれぞれ設けられてなる圧電トランスであって、
   前記第１の領域における１対以上の前記入力電極対のうち、少なくとも前記矩形板の厚み方向の表面に形成された入力電極対における、前記第２の領域に最も接近した部位と、
   前記第２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域により接近した位置に形成されたグランド電極の、前記第１の領域に最も接近した部位との間の相互の距離が、５ｍｍ以上であることを特徴とする圧電トランス。
2. １対以上の前記入力電極対が、前記矩形板の厚み方向の表面および内部の両方に形成されており、
   前記入力電極対のうち、前記矩形板の厚み方向の表面に形成された入力電極対の、前記第２の領域に最も接近した部位に比較して、
   前記矩形板の内部に形成された入力電極対の、前記第２の領域に最も接近した部位の方が、前記第２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域により接近した位置に形成されたグランド電極の、前記第１の領域に最も接近した部位に対してより接近してい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２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域に最も接近した位置に形成されたグランド電極が、前記矩形板の内部のみに形成され、前記矩形板の厚み方向の表面には形成されていないことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
4. 前記第２の領域に形成された２以上のグランド電極のうち、前記第１の領域に最も接近した位置に形成されたグランド電極が、前記矩形板の少なくとも一方の側面に露出しており、
   前記第１の領域における１対以上の前記入力電極対のうち、少なくとも前記矩形板の厚み方向の表面に形成された入力電極対における、前記グランド電極の前記矩形板の側面の露出面に接近した領域が、略三角形状に除去された形状をなしていることを特徴とする請求項３に記載の圧電トランス。
5. 前記第２の領域の２箇所に前記グランド電極が形成されており、前記第２の領域の１箇所に前記出力電極が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電トランス。
6. 圧電セラミックからなる前記矩形板がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電トランス。
7. 前記矩形板が、面上に電極が形成された複数の圧電セラミックシートを互いに積層することにより形成されており、
   前記矩形板に形成された入力電極対、出力電極およびグランド電極が、前記圧電セラミックシートの面上に形成された複数の電極により形成されてなる特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電トランス。
8. １次側と２次側とを絶縁するための電気素子として用いられることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧電トランス。

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