JP2904137B2

JP2904137B2 - 積層型圧電トランス

Info

Publication number: JP2904137B2
Application number: JP20071396A
Authority: JP
Inventors: 千夏雨宮; 隆之猪井
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1996-07-30
Publication date: 1999-06-14
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JPH1051043A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、駆動部が積層構造
の積層型圧電トランスに関し、特に、長さ方向３次モー
ドの機械共振で駆動する積層型圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばテレビジョンの偏向装置や複写機
の帯電装置などのような高電圧を必要とする装置内の電
源回路には、高電圧発生用の変圧素子として、従来、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た構造で、高い変
成比を得るには巻き付ける導線の数を多くする必要があ
る。そのため、小型の電磁トランスを実現するのは非常
に困難であった。

【０００３】これに対し、圧電効果を用いた圧電トラン
スが提案されている（例えば、シー．エー．ローゼン
（Ｃ．Ａ．Ｒｏｓｅｎ），「セラミックトランスフォ
ーマ」（ＣｅｒａｍｉｃＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ），
プロシーディングオブエレクトロニックコンポー
ネントシンポジウム１９５７（Ｐｒｏｃ．ｏｆＥ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔＳｙｍｐｏ
ｓｉｕｍ（１９５７），第２５６〜２１１頁）。図３
に、代表的な圧電トランスであるローゼン型圧電トラン
スの、一例の斜視図を示す。図３を参照して、セラミッ
ク製の長板状圧電板３１０が長さ方向に亘って、駆動部
３１と発電部３２との二つに二等分されている。駆動部
３１は圧電板の厚さ方向に分極しており、上下両面のそ
れぞれには、電極３１１，３１２（隠れて見えない）が
駆動部の全域に拡がって設けられている。発電部３２は
圧電板の長さ方向に分極しており、長さ軸に垂直な端面
に電極３１５が設けられている。

【０００４】この圧電トランスで昇圧を行うには、駆動
部の上下二つの電極３１１，３１２の間すなわち、入力
端子３１７，３１８の間に外部から交流電圧ｅ_inを与え
る。駆動部３１は上記の交流入力電圧ｅ_inに応じて、圧
電横効果により長さ方向に振動する。これにより圧電板
３１０に長さ方向の振動が生じ、発電部３２にはその振
動による圧電縦効果により、駆動部の電極３１１又は３
１２と発電部端面の電極３１５との間（この場合は、電
極３１２と電極３１５との間）つまり、出力端子３１
７，３１９の間に、入力電圧ｅ_inと同じ周波数の昇圧さ
れた電圧ｅ_outが生じる。ここで、上記の交流入力電圧
ｅ_inの周波数を圧電板３１０の長さ方向の機械共振の周
波数と等しくしておけば、非常に高い出力電圧が得られ
る。図３に示すトランスは、上記の共振を１次モードつ
まり、圧電板の長さをＬとし、交流入力電圧ｅ_inの波長
をλとしてＬ＝１・（λ／２）で駆動するトランスであ
る。

【０００５】ところで、図３に示す圧電トランスは上述
のように、１次モードで駆動するものであり、長さ方向
の両端面は機械共振の腹にあたる。そして、その共振の
腹に、発電部の電極３１５が設けられていることにな
る。従って、発電部の端面電極３１５に対する出力端子
３１９との接続点は必然的に、圧電板の長さ方向の機械
共振の腹に位置することになる。その結果、例えばリー
ド線と電極３１５とのはんだ付けのような電極上の接続
構造が圧電板の振動を阻害し、トランス効率の低下を招
いたり或いは、リード線が過大な振動を受けて切断する
など、トランスの性能や接続の信頼性の低下のような障
害が起る。そこで、上記の障害を避けるために、長さ方
向３次モードの機械共振で駆動する圧電トランスが提案
された。

【０００６】図４に、ローゼン型３次モードの圧電トラ
ンスの斜視図を示す。図４を参照して、圧電板４１０が
長さ方向に亘って順に、駆動部４１Ｌ，発電部４２，駆
動部２１Ｒの三つに三等分されている。駆動部４１Ｌ
は、図３に示す１次モードのトランスにおけると同様
に、圧電板の厚さ方向に分極しており、その上下両面に
は電極４１１，４１２（図示せず）が形成されている。
駆動部４１Ｒも同様に厚さ方向に分極しており、上下両
面には電極４１３，４１４（図示せず）を備えている。
一方、発電部４２は、その表面の長さ方向の中央の位置
に幅方向に延びる帯状の電極４１５を備えており、その
中央の電極４１５を挟む左右両側の部分は、長さ方向で
互いに逆向きに分極している。

【０００７】このトランスで昇圧を行うには、二つの駆
動部４１Ｌ，４１Ｒの上面の電極４１１，４１３どうし
を接続して入力端子４１８に接続する。又、下面の電極
４１２，４１４どうしを接続して入・出力端子４１７に
接続する。一方、発電部の帯状電極４１５を出力端子４
１９に接続する。そして、入力端子４１７，４１８の間
に外部から交流電圧ｅ_inを入力して圧電板４１０に長さ
方向の振動を生じさせる。発電部４２には上記の圧電板
の長さ方向の振動に応じて、駆動部の電極４１１，４１
３又は電極４１２，４１４と発電部４２の電極４１５と
の間（この場合は、電極４１５と電極４１２，４１４の
間）すなわち出力端子４１７，４１９の間に昇圧電圧が
生じる。ここで、交流入力電圧ｅ_inの周波数を、上記圧
電板の長さ方向３次モードの機械共振の周波数すなわ
ち、Ｌ＝３・（λ／２）に選ぶ。このようにすると、駆
動部の電極４１１，４１３と入力端子４１８との接続点
および電極４１２，４１４と入・出力端子４１７との接
続点を、各駆動部４１Ｌ，４１Ｒの長さ方向の中心に選
ぶと、それらの接続点をそれぞれ、圧電板の長さ方向３
次モードの共振の節に位置させることができる。又、発
電部中央の帯状電極４１５と出力端子４１９との接続点
も、３次モードの共振の節に位置させることができる。
従って、図３に示した１次モードのトランスにおける、
圧電板端面の電極３１５と出力端子３１９との接続構造
によるトランス効率や接続の信頼性の低下の問題は、改
善される。

【０００８】しかし、この単板構造で３次モード駆動の
トランスにも、昇圧比が比較的小さいという改善すべき
課題が残っている。すなわち、この種の圧電トランスに
おける昇圧比は、積層構造の駆動部４１Ｌ，４１Ｒの上
下の電極間の厚さと発電部４２の長さとで決まり、圧電
磁器層の厚さが薄く発電部の長さが長いほど昇圧比は高
い。ところが、図４に示す圧電トランスは、単板構造で
あることから、その実用的な厚さには自ずと下限があ
り、現状では０．５ｍｍ以下にすることは困難である。
又、圧電板の厚さを薄くしていった場合、圧電トランス
の変換効率が低下するという問題も起る。

【０００９】上記のような単板構造３次モードの圧電ト
ランスにおける問題の解決を目的とした積層構造の圧電
トランスが、特開平６ー２２４４８４号公報に開示され
ている。上記公報記載のトランスの斜視図を、図５に示
す。図５を参照して、圧電体５１０が、長さ方向に亘っ
て順に、駆動部５１Ｌ，発電部５２，駆動部５１Ｒの三
つに区分されている。この図に示す圧電トランスが図４
に示すトランスと異るのは、駆動部５１Ｌ，５１Ｒの構
造である。このトランスでは駆動部５１Ｌ，５１Ｒは、
圧電セラミック層５１１と内部電極５１２とが交互に複
数積層された、積層構造である。各駆動部の上・下両面
には、外部電極５１４，５１５（図示せず）が形成され
ている。上記の内部電極５１２は、圧電体の長さ方向に
垂直な断面を見たとき、奇数番目の内部電極は圧電体５
１０の右側の側面に露出し、偶数番目の内部電極は左側
の側面に露出するというように、二つの櫛の歯を噛み合
せた如く一層置きに互い違いに、圧電体５１０の二つの
側面に露出している。そして、その内部電極の露出部分
を、圧電体の両側面にそれぞれ設けられた接続電極５１
６，５１７（隠れて見えない）が、上・下両表面の電極
５１４，５１５も含めて、接続している。

【００１０】このような構造で、駆動部の上・下の表面
電極５１４，５１５に外部から電圧を加えると、その電
圧は各内部電極５１２に伝達される。その場合、各内部
電極５１２は電位的には、圧電セラミック層５１１を挟
んで対向する電極と等価なるので、各セラミック層５１
１に電界が加わる。圧電セラミック層は例えば数十ミク
ロン程度と非常に薄いので、結局、同じ入力電圧でも、
単板構造の場合に比べて非常に高い電界を各セラミック
層５１１に加え得ることができ、昇圧比を高くできる。
しかも、駆動部５１Ｌ，５１Ｒを積層構造にすること
で、圧電体としての全体の厚さも確保できるので、単板
構造の圧電トランスで単に圧電板の厚さを薄くしたとき
のような、変換効率の低下もない。

【００１１】ここで、図５に示す積層型の圧電トランス
に特徴的なのは、各駆動部において内部電極および表面
電極を一層置きに接続する接続電極５１６，５１７が、
各駆動部５１Ｌ，５１Ｒの側面で、その駆動部の長さ方
向の中央部に形成されていることである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した積層型の圧電
トランスによれば、３次モードで駆動する構造とするこ
とで、１次モード駆動のトランスで生じた、昇圧電圧取
出し用電極（図３における電極３１５）と出力端子との
接続構造による振動の阻害、変換効率の低下を、改善で
きる。又、駆動部を積層構造とすることで、単板構造の
トランスよりも昇圧比、変換効率を高めることができ
る。

【００１３】しかし、この３次モード駆動の積層型圧電
トランスにおいても、未だ、トランスが本来示すべき変
換効率を十分に取り出せないという問題がある。すなわ
ち、このトランスが動作しているとき圧電体５１０は、
図６（ａ）に示す駆動部の平面図および、図６（ｂ）に
示す駆動部の側面図中で破線で示すように、長さ方向に
振動するのみならず、幅方向にも厚さ方向にも変位して
いる。ここで、図５に示すように、内部電極接続用の電
極５１６，５１７を各駆動部の長さ方向の中心に設ける
ということは、圧電体の幅方向の最大変位および厚さ方
向の最大変位の位置に電極を形成していることになる。
その結果、それら接続用電極５１６，５１７が圧電体５
１０の幅方向，厚さ方向の変位を阻害し、トランスの変
換効率が低下してしまうのである。

【００１４】従って、本発明は、駆動部を積層構造にし
た３次モード駆動の圧電トランスにおいて、その変換効
率を従来より更に高めることを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電トラ
ンスは、長板状の圧電体が長さ方向に亘って順に、一方
の端部を含む駆動部と、長さ方向の中央部を含む発電部
と、他方の端部を含む駆動部の三つの領域に区分され、
前記発電部にはその表面の長さ方向の中央を含む部分に
圧電体の幅方向に延びる帯状の電極が設けられており、
前記二つの駆動部はそれぞれ、圧電磁器層とその圧電磁
器層のほぼ全域を覆う電極層とが厚み方向に交互に積層
され積層の最外層は電極層が覆う形態の積層構造で、前
記圧電体の幅方向の軸に垂直な側面又は長さ方向の軸に
垂直な端面に、前記電極層を一層置きに交互に接続する
互いに電気絶縁的な一組の接続用電極が設けられている
構造の積層型圧電トランスにおいて、前記圧電体の側面
の接続用電極を、圧電体の側面の、長さ方向３次モード
の機械共振の節の位置より端面に近い領域のみに、選択
的に設けたことを特徴とする。

【００１６】圧電体をその主面に垂直な方向から見たと
きの四つのコーナは、幅方向，厚さ方向，長さ方向と
も、変位の最大位置ではない。従って、そこに設けられ
た接続用電極は従来に比べ、トランス動作時の振動を阻
害することが少ない。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１８】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
よる積層型圧電トランスの斜視図である。図１と図５と
を参照して、この本実施例によるトランスが従来のトラ
ンスと異るのは、駆動部１１Ｌ，１１Ｒ内の内部電極１
１２を接続するための電極１１６，１１７が、圧電体１
１０を長さ方向に平行な方向から見たとき、長さ方向に
垂直な端面の両脇に設けられている点である。駆動部の
積層構造、発電部の構造および３次モードの駆動方法に
ついては、従来の積層型圧電トランスにおけると同一で
あるので、説明を割愛する。

【００１９】本発明者等は、本実施例の圧電トランス
を、グリーンシート法を用いて作製した。圧電性セラミ
ック層１１１の材料には、ＮＥＰＥＣ８（商品名。
（株）トーキン製）を用いた。内部電極１１２は、焼成
タイプのＡｇ・Ｐｄ合金ペーストを用いたスクリーン印
刷法により、圧電セラミックのグリーンシート上に上記
導電性ペーストのパターンを形成した後、その導電性ペ
ーストのパターン形成済みグリーンシートを複数枚積層
し、焼成することで、圧電セラミック層１１１と共に一
体焼成した。焼成条件は、温度：１１００℃，キープ時
間：２時間である。Ａｇ・Ｐｄ合金ペーストのパターン
は、奇数層目の場合は一方のコーナ部が、偶数層目の場
合はもう一方のコーナ部がというように、一層毎に交互
に、コーナ部にだけはペーストが印刷されないようなパ
ターンである。駆動部１１Ｌ，１１Ｒの積層構造は、セ
ラミック層が５層，内部電極層が４層である。各セラミ
ック層の厚さは２００μｍで、全体の厚さは１ｍｍであ
る。

【００２０】上記の焼成後、長さ４２ｍｍ，幅５ｍｍ，
厚さ１ｍｍの寸法に加工し、焼成タイプのＡｇ・Ｐｄ合
金ペーストを、駆動部１１Ｌ，１１Ｒの上・下両面と、
長さ方向に垂直な二つの端面の両脇と、発電部１２の出
力電極１１８を形成すべき部分とにスクリーン印刷し、
温度：７００℃，キープ時間：１５分の条件で焼成する
ことにより、駆動部１１Ｌ，１１Ｒの上・下の表面電極
１１４，１１５（隠れて見えない），接続用電極１１
７，１１６および出力電極１１８を形成した。

【００２１】次いで、分極治具を用い、温度３００〜３
５０℃の空気中において電界を０．５〜０．７ｋＶ／ｍ
ｍ加えて、電界印加状態で温度を１００℃迄下げた後印
加している電圧を切ることにより、発電部１２を分極し
た。続いて、温度１００〜２００℃のシリコーンオイル
中で電界を２〜３ｋＶ／ｍｍ印加することにより、駆動
部１１Ｌ，１１Ｒを分極した。

【００２２】このようにして得られた本実施例の圧電ト
ランスについて、１００ｋΩの抵抗を負荷として電圧を
印加しトランス特性を評価したところ、従来９３％だっ
た効率が９８％に改善された。又、昇圧比は、従来４４
倍だったものが４８倍に向上した。

【００２３】これは、図２に示す圧電体の平面図および
図６（ｂ）に示す圧電体の側面図中に破線で示すよう
に、主面の四つの角部では、幅方向，厚さ方向，長さ方
向とも変位が最大ではない。そのため、それら各部に接
続用電極を設けてもその接続用電極が何等振動の阻害要
因とはならないことによるものである。

【００２４】（実施例２）圧電体表面の電極形成に、キ
ュアタイプの電極材料を用い、これに合せて分極条件を
変更して、実施例２の圧電トランスを作製した。本実施
例では、圧電体表面の電極材料として、キュアタイプの
Ａｇペーストを実施例１と同様にして所定の位置に印刷
後、温度：２００℃，キープ時間：１５分の条件でキュ
アした。

【００２５】次に、分極治具を用いて、温度１００〜２
００℃のシリコーンオイル中で、電界を１．５〜２．０
ｋＶ／ｍｍ印加し、発電部１２を分極した。

【００２６】続いて、温度１００〜２００℃のシリコー
ンオイル中において、電界を２〜３ｋＶ／ｍｍ印加し
て、駆動部１１Ｌ，１１Ｒを分極した。

【００２７】このようにして得られた本実施例の圧電ト
ランスについて、１００ｋΩの抵抗を負荷として電圧を
印加しトランス特性を評価したところ、従来９３％だっ
た効率が９８％に改善された。又、昇圧比は、従来４４
倍だったものが４８倍に向上した。本実施例は実施例１
に比べ、特性の向上という点ではやや低い結果に留まっ
ているものの、製造のプロセス及び表面電極に用いる材
料の点でコストを低減できるという利点を持っている。
実施例１では製造コストが一個当り８０円であったの
が、本実施例では一個当り６０円であった。

【００２８】尚、これ迄の実施例はいずれも、駆動部の
接続用電極を、圧電体１１０の長さ方向に垂直な端面の
両脇に設けた例を示すものであるが、接続用電極の形成
はこれに限られるものではない。圧電体の長さ方向に平
行な側面の端部に設けても良い。又、各コーナで、主面
に垂直な稜を越えて、圧電体側面から端面に亘るように
形成しても、勿論、良い。

【００２９】尚また、発電部については、単板構造の場
合について説明したが、駆動部と同様の内部電極と圧電
セラミック層とを交互に積層した構造のものも、同様の
プロセスによって製造できることは、勿論である。

【００３０】更に、圧電セラミック層および内部電極の
材料として、ＰＺＴ系の圧電セラミックとＡｇ・Ｐｄ合
金ペーストを用いたが、これに限らず、圧電性を有する
材料およびこれと一体焼成可能な電極材料であれば、他
の組合せでも構わない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、駆動
部を積層構造とした積層型の圧電トランスにおいて、駆
動部内の内部電極どうしを接続すると共に表面電極と接
続するための接続用電極を、圧電トランスの主面に垂直
な方向から見たときの四つのコーナに設けている。

【００３２】これにより本発明によれば、従来の積層型
圧電トランスに比べ変換効率、昇圧比を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１，２による積層型圧電トラン
スの斜視図である。

【図２】図１に示す積層型圧電トランスの、動作中の変
位状態を示す上面図である。

【図３】従来の単板構造１次モード駆動の積層型圧電ト
ランスの斜視図である。

【図４】従来の単板構造３次モード駆動の積層型圧電ト
ランスの斜視図である。

【図５】従来の積層構造３次モード駆動の積層型圧電ト
ランスの斜視図である。

【図６】図５に示す積層型圧電トランスの、動作中の変
位状態を示す上面図および側面図である。

【符号の説明】

１１Ｌ，１１Ｒ駆動部１２発電部１１０圧電体１１１圧電セラミック層１１２内部電極１１４駆動部表面電極１１６，１１７接続用電極１１８発電部表面電極１１９入力端子１２０入・出力端子１２１出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 41/107 H01L 41/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】長板状の圧電体が長さ方向に亘って順
に、一方の端部を含む駆動部と、長さ方向の中央部を含
む発電部と、他方の端部を含む駆動部の三つの領域に区
分され、前記発電部にはその表面の長さ方向の中央を含
む部分に圧電体の幅方向に延びる帯状の電極が設けられ
ており、前記二つの駆動部はそれぞれ、圧電磁器層とそ
の圧電磁器層のほぼ全域を覆う電極層とが厚み方向に交
互に積層され積層の最外層は電極層が覆う形態の積層構
造で、前記圧電体の幅方向の軸に垂直な側面又は長さ方
向の軸に垂直な端面に、前記電極層を一層置きに交互に
接続する互いに電気絶縁的な一組の接続用電極が設けら
れている構造の積層型圧電トランスにおいて、前記圧電体の側面の接続用電極を、圧電体の側面の、長
さ方向３次モードの機械共振の節の位置より端面に近い
領域のみに、選択的に設けたことを特徴とする積層型圧
電トランス。
【請求項２】請求項１記載の積層型圧電トランスにお
いて、前記圧電体の主面に設けられた、二つの駆動部の最外層
の四つの電極層及び発電部の帯状電極のそれぞれに対
し、外部の回路との接続点を、前記圧電体の長さ方向３
次モードの機械共振の節に相当する位置に設けたことを
特徴とする積層型圧電トランス。