JP3055490B2

JP3055490B2 - 圧電トランスおよびその駆動方法

Info

Publication number: JP3055490B2
Application number: JP12981297A
Authority: JP
Inventors: 竜夫坂口; 武志井上
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2000-06-26
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JPH1056218A

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は電子装置において交
流電圧を変圧する圧電トランスに関する。

【０００１】

【従来の技術】液晶バックライト光源には冷陰極管が用
いられており、従来は冷陰極管点灯用インバーターの昇
圧用トランスとして電磁トランスが用いられていた。そ
して、近年ノートＰＣの狭額縁化の傾向から、インバー
ターの小型化が要求されている。しかし、電磁トランス
の場合、磁性体のコアに導線を巻き付ける構造になって
いることから小型化にも限界があり、電磁トランスの代
わりに圧電トランスが用いられるようになってきた。

【０００２】米国特許第２，８３０，２７４号に示され
ている従来の圧電トランスその１の斜視図を図９に記
す。図９に示す圧電トランスでは直方体の圧電体１の左
半分の上下面に入力電極１１（上部）及び入力電極１２
（下部）がそれぞれ設けられており、右端面に出力電極
２３が設けられている。そして、入力電極１１、１２か
ら出力電極２３の長手方向に右半分を分極し、入力電極
１２から入力電極１１の厚み方向に左半分を分極する
（図中の矢印参照）。

【０００３】この圧電トランスの入力電極１１、１２と
出力電極２３の電極取り出しは、それぞれの電極上に直
接リード線６が接続され電気的接続が確保されている。

【０００４】入力電極１１と入力電極１２の間に長手方
向の２次モードの縦振動の共振周波数の交流電圧を印加
することにより長手方向に振動し、長手方向端部の出力
電極２３に高電圧が発生する。

【０００５】以上のリード線を含めた圧電トランスを、
従来の圧電トランスその１とする。

【０００６】次に、上記圧電トランスを改善したものと
して、特開平７−３２６８０５号に示されている圧電ト
ランスの斜視図を図１０に記す。図１０に示す圧電トラ
ンスでは、直方体の圧電体１の左半分の上下面に入力電
極１１（上部）及び入力電極１２（下部）がそれぞれ設
けられており、右端面に出力電極２３が設けられてい
る。そして、上面に出力電極２３と電気的に接続された
出力電極２４が設けられている。また、出力電極２４と
圧電体１の間に絶縁膜が設けられた構造もある（図示せ
ず）。そして、入力電極１１、１２から出力電極２３、
２４の長手方向右半分を分極し、入力電極１２から入力
電極１１の厚み方向に左半分を分極する。

【０００７】この圧電トランスの入力電極１１、１２お
よび出力電極２４の電極取り出しは、各電極上の長手方
向の振動の節部にリード線６が接続される。以上のリー
ド線を含めた圧電トランスを、従来の圧電トランスその
２とする。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電トランスそ
の１では、出力電極部分の振動が一番大きいため、出力
電極からの電極取り出しリード線が振動を阻害し、昇圧
比・効率の低下など圧電トランスの特性上問題がある。
また別の問題として、出力電極取り出しリード線の接合
部の振動が大きいため、リード線接合部の信頼性が著し
く低下するという問題がある。

【０００９】従来の圧電トランスその２は、前述の従来
の圧電トランスその１の改善例である。従来の圧電トラ
ンスその２では、理論的には振動しない箇所である振動
の節部に電極を設けて出力電極との電気的接合を確保す
ることにより、振動の節部からの電極取り出しが可能と
なり、前述の従来の圧電トランスその１の問題が解消さ
れる。

【００１０】しかし振動の節部からリード線を取り出す
ための電極を発電部の長手方向に設けているため、分極
方向が長手方向に平行とはならず、分極状態に歪みが生
じる。その結果として、昇圧比・効率の低下が生じる。
また振動レベルが高い場合、圧電体のクラック・割れが
発生する。

【００１１】また、振動の節部からリード線を取り出す
ため、発電部の長手方向に設けられている電極が、電気
的接合振動レベルの高い個所にあるため、長時間振動ま
たは高レベル振動にともなう劣化によりＯＰＥＮ破壊
し、圧電トランスとして動作しなくなる。

【００１２】また、振動の節部からリード線を取り出す
ため、発電部の長手方向に設けられた電極と圧電体の間
の絶縁膜には、圧電トランス動作時に非常に高い電位差
が発生する。そのため、長時間振動または高レベル振動
にともなう非常に高い発生電位差に起因する劣化によ
り、絶縁膜の絶縁抵抗値が劣化し、昇圧比が低下する。

【００１３】さらに従来の圧電トランスその１・その２
の共通の問題点として、昇圧比を高くするために圧電体
の厚みを薄くした場合、端面・側面への出力電極の形成
や端面・側面電極からの電極取り出しが技術的に難しい
ので生産性が低下し、また効率も低下する。

【００１４】本発明の目的は、圧電トランスの特に発電
部における電極の取り出しに関し、トランス駆動時にお
いても、振動を阻害することなく、また、振動にともな
いリード線と電極との接合部の劣化が生じないような電
極構造にすることにより、高いトランス特性と信頼性を
有する圧電トランスを提供することにある。

【００１５】また、同様な電極構成で、駆動部の電極を
積層した構造にすることにより、高い昇圧比を有する圧
電トランスを提供することにある。

【００１６】さらに、同様の電極構成にすることにより
生産性の高い圧電トランスを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電トランス
は、長板状の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層し
てなる圧電トランスにおいて、上記圧電体を長手方向の
縦振動の機械共振の波長λの１／２の距離で二つの領域
に区切り、一方を駆動部、他方を発電部とし、上記駆動
部の電極は、上下面に設けられた電極と前記複数の内部
電極とからなり、上記内部電極のうち、偶数番目の層の
内部電極と奇数番目の層の内部電極を、それぞれ交互に
接続する電極を側面に設け、上記駆動部を厚み方向に分
極し、上記発電部の電極は、上下面のどちらか一方の上
記長手方向の縦振動の節部に設けられた帯状電極からな
り、上記発電部を長手方向に分極したことを特徴とす
る。

【００１８】また、本発明の圧電トランスは、上記発電
部の電極が、上下面の両方の上記長手方向の縦振動の節
部に設けられた帯状電極からなることを特徴とする。ま
た、上記発電部の電極が、さらに上記長手方向の縦振動
の節部に内部帯状電極を設けたことを特徴とする。そし
て、上記発電部の電極が、さらに長手方向の縦振動の節
部に上記上下面に設けられた帯状電極と内部帯状電極を
全層接続する帯状電極を側面に設けたことを特徴とす
る。

【００１９】さらに本発明の圧電トランスは、長手方向
の縦振動の節部において支持されていることを特徴とす
る。

【００２０】また、圧電トランスの駆動方法として、圧
電体の長手方向の縦振動の共振波長λの交流電圧を入力
部に印加して駆動することを特徴とする。

【００２１】本発明によれば、出力電極を帯状電極とし
て、長手方向の縦振動の節部に設けることにより、分極
の方向に従来のようなゆがみを生じることがなく、分極
方向が長手方向と平行になり、昇圧比・効率の向上が図
れる。また、振動の節部に電極を有し、その個所よりリ
ード線を引き出すことができることから、圧電トランス
の振動にともなうリード線と電極の接合部の劣化が著し
く小さくなり、接合部の信頼性が向上する。

【００２２】また、駆動部の電極を積層構造にすること
により、電極間隔を狭くできることから、単板のものに
比べ、昇圧比を向上させることができる。

【００２３】さらに、同様の電極構成にすることにより
電極形成時間が短縮され、生産性を向上させることがで
きる。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に本発明の幾つかの実施の形態
の構造・製造方法・動作について、図面を参照して説明
する。

【００２５】（第１の実施の形態）図１は、本発明の圧
電トランスを示す斜視図である。図１に示す圧電トラン
スでは長板状圧電体１の左半分の上下面に入力電極１１
（上部）と入力電極１２（下部）、そして、右半分の上
下面の長手方向の振動の節部に当たる位置に出力電極２
１が導電材料により設けられている。入力電極１１、１
２から出力電極２１の長手方向に、そして、入力電極１
２から入力電極１１の厚み方向にそれぞれ分極されてい
る。

【００２６】図８は、支持付き圧電トランスを示す斜視
図である。長手方向の振動の節部に、絶縁材料で構成さ
れるリング状の支持部材５が固着されており、各電極に
はそれぞれ支持部材５に局部的に設けられた導通領域６
１を通じて電極取出しリード線６が接続される。図示の
ごとく上下の出力電極２１を側面に設けられた出力電極
２１ｂを介して導通しておけばリード線６は一本で済
む。または発電部側の指示部材のみを導電体で形成すれ
ば側面の出力電極は不要となる。

【００２７】次に第１の実施の形態の圧電トランスの製
造方法を説明する。図１に示す圧電トランスでは、長板
状の圧電体１の左半分の上下面に入力電極１１（上部）
及び入力電極１２（下部）、そして、右半分の上下面の
長手方向の振動の節部に当たる位置に出力電極２１を導
電ペーストの焼き付け処理により形成する。そして、電
極が形成された長板状の圧電体を恒温槽内またはオイル
中にて高温になじませた後、入力電極１１、１２から出
力電極２１の間に電圧を印加し、分極処理を行う。同様
に、入力電極１２から入力電極１１の間の分極処理を行
う。

【００２８】第１の実施の形態の圧電トランスの動作を
説明する。図１に示す圧電トランスの左半分を駆動部１
００、右半分を発電部２００とし、図１に示す圧電トラ
ンスの駆動部である左半分の上下面の入力電極１１（上
部）と入力電極１２（下部）の間に、圧電体の長手方向
の２次モードの共振周波数の交流電圧を印加すると、電
気機械結合係数Ｋ31を介する圧電横効果３１モードによ
り長手方向の縦振動が発生する。その縦振動は発電部に
伝わり、その結果として電気機械結合係数Ｋ33を介する
圧電縦効果３３モードにより、発電部である右半分の上
下面の出力電極２１に高出力電圧が発生する。

【００２９】（第２の実施の形態）図２は本発明の第２
の実施の形態の圧電トランスの構造を示す斜視図であ
る。図２に示す圧電トランスの左半分が駆動部、右半分
が発電部である。駆動部の電極は、図３に示すように駆
動部の上下面に設けられた表面電極と内部電極が、側面
電極によりそれぞれ一層おきに電気的に接続された構造
をもつ。発電部の電極は、図２および図４に示すように
発電部の上下面に設けられた表面電極と内部電極が、長
手方向の縦振動の節部に同幅で帯状に形成されており、
同幅の側面電極により全層電気的に接続された構造をも
つ。各電極は、導電材料により構成される。入力電極１
１ａ、１２ａから出力電極２１ａの長手方向に、そし
て、入力電極１２ａから入力電極１１ａの厚み方向に分
極されている。支持構造に関しては、前記されている第
１の実施の形態の内容と同様に行う。

【００３０】次に第２の実施の形態の圧電トランスの製
造方法を説明する。まず、圧電体のグリーンシートを製
造し、そのグリーンシート上に導電ペーストの印刷によ
り内部電極を形成する。その後、適当な大きさにグリー
ンシートを打ち抜き、圧電体と内部電極が所望の構造に
なるようにグリーンシートを重ね合わせ、プレスを行
い、プレス体（圧電体と内部電極）を一体焼結する。そ
のため、上記内部電極の材料は圧電体と一体焼結可能な
材料を用いる。その後、表面電極を導電ペーストの焼き
付け処理により形成する。なお、出力電極として、図４
の側面の電極２１ｂを設けずに図５のように内部電極２
２が電気的に独立した構成も考えられる。

【００３１】また、グリーンシート法以外の積層方法、
すなわち、両面に電極を有する圧電単板を、接着剤やは
んだ或いは電極材などで貼り合わせて積層する方法を用
いても良い。

【００３２】また、分極処理に関しては、前述した第１
の実施の形態の内容と同様に行う。

【００３３】次に第２の実施の形態の圧電トランスの動
作を図２の斜視図を用いて説明する。図２に示す圧電ト
ランスの駆動部である左半分の上下面の入力電極１１ａ
（上部）と入力電極１２ａ（下部）の間に、圧電体の長
手方向の２次モードの共振周波数の交流電圧を印加する
と、電気機械結合係数Ｋ31を介する圧電横効果３１モー
ドにより長手方向の縦振動が発生する。その縦振動は発
電部に伝わり、その結果として電気機械結合係数Ｋ33を
介する圧電縦効果３３モードにより、発電部である右半
分の上下面の出力電極２１ａに高出力電圧が発生する。

【００３４】

【実施例】

（実施例１）本発明の実施例１の圧電トランスの構造お
よび製造方法を説明する。図１は、本発明の実施例１の
圧電トランスを示す斜視図である。

【００３５】ＰＺＴ（Ｐｂ−ＺｒＯ3 −ＰｂＴｉＯ3 ）
系圧電体ブロックから、最終的な外形寸法が４２ｍｍ×
６．３ｍｍ×１ｍｍの長板状になるように、機械加工
後、表面研磨によって寸法ならびに各面間の平行・直角
度を調整し、圧電体１を作製した。

【００３６】次に、圧電体１の左半分の上下面に２１ｍ
ｍ×６．３ｍｍの大きさの入力電極１１（上部）及び入
力電極１２（下部）を、そして、右半分の上下面の長手
方向の振動の節部に当たる位置を中心に１ｍｍ×６．３
ｍｍの大きさの出力電極２１を、Ｐｔペーストをスクリ
ーン印刷にて印刷し、焼き付け処理を行うことにより形
成した。

【００３７】その次に、温度・３４０℃の恒温槽中にお
いて、入力電極１１、１２と出力電極２１の間に電圧・
２．６ｋＶを印加し、印加を続けたまま除冷して、５０
℃以下になったら電圧の印加を止めることにより、発電
部を分極した。

【００３８】そして、温度・１６０℃の絶縁油中におい
て、約５分予熱した後、電圧・３ｋＶを約２０分間印加
することにより、駆動部を分極した。なお、絶縁油から
取り出した後は、エタノールにて拭き取り洗浄を行なっ
た。

【００３９】以上のように分極処理したあと、各電極に
リード線６のはんだ付けを行い、１００ｋΩ（５Ｗ）の
抵抗を負荷として、入力電極１１と入力電極１２の間に
電圧３０Ｖrms の正弦波を印加したところ、出力電極２
１には３５２Ｖrms の電圧が発生し、負荷には３．５７
ｍＡの電流が流れ、昇圧比１１．８であった。

【００４０】尚、上記出力電極２１を図７に示すように
上下面のどちらか一方にのみ設けた圧電トランスも同等
の特性が得られた。

【００４１】また、生産性向上の点では、電極形成に要
する工程は従来の２／３の時間で行うことができた。

【００４２】（実施例２）本発明の第２の実施の形態の
具体例を図２を参照して説明する。

【００４３】ＰＺＴ（Ｐｂ−ＺｒＯ3 −ＰｂＴｉＯ3 ）
系圧電体粉末をバインダと共に溶媒中に分散して製造し
た泥漿を用いて、支持体となるポリエステルフィルムに
約２０μｍの厚さの均一な圧電体シートをキャスティン
グ法により形成した。その後、圧電体シートを所定の大
きさに打ち抜くことにより圧電体シート片を得た。次
に、圧電体シート片の表面上の所定の位置に、所定のパ
ターンで、厚さが約２〜３μｍになるように、スクリー
ン印刷法にて、Ｐｔペーストを印刷することにより、内
部電極１３、２２を形成した内部電極形成圧電体シート
片を作成した。こうして作成した内部電極形成圧電体シ
ート片を内部電極が印刷された位置にしたがってさらに
打ち抜いた後、内部電極が印刷されていない圧電体シー
ト片も同じ大きさに打ち抜き、プレス用金型に内部電極
が印刷されていない圧電体シート片と内部電極形成圧電
体シート片を交互に、２５枚、１枚、２４枚、１枚、２
５枚と積層し、加熱プレスを行った。こうして得られた
積層圧電プレス体を内部電極パターンにしたがって、切
断することにより圧電トランスの生プレス体を得た。そ
して、この積層圧電生プレス体を温度：約３００℃、時
間：１２時間の条件で脱バインダ処理し、温度：約１２
００℃、時間：８時間の条件で焼成することにより、表
面電極の無い圧電トランスの焼結体を得た。内部電極出
しおよび寸法と平行度の調整のため研磨加工を行い、入
力電極１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、出力電極２１
ａ、２１ｂをＰｔペーストのスクリーン印刷および焼き
付け処理（温度・７５０℃、時間・１０分）により形成
し、積層構造の圧電トランスを得た。

【００４４】実施例１と同様にして、入力電極１１ａと
入力電極１２ａの間に電圧・１０Ｖrms を印加したとこ
ろ、出力電極２１ａには電圧・３２０Ｖrms が発生し、
負荷には３．０２ｍＡの電流が流れ、昇圧比３２であ
り、実施例１のものより約３倍高い昇圧比が得られた。

【００４５】また、出力電極として、図６に示すように
内部電極を設けず出力電極２１ａ、２１ｂのみ設けた圧
電トランス、または図７に示すような出力電極２１ａを
上下面のどちらか一方にしか設けなかった圧電トランス
も同様に評価したところ、ほぼ同等の特性が得られた。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電トラ
ンスは出力側の電極を長手方向の振動の節部に設けるこ
とにより、トランス駆動時においても、振動を阻害する
ことなく、また、振動によるリード線と電極との接合部
の劣化が生じることなく、高いトランス特性と信頼性が
得られる効果がある。

【００４７】また、入出力電極が上下電極のみで構成さ
れているため、量産性に優れた圧電トランスを得られる
という効果がある。

【００４８】さらに、同様な電極構成で、駆動部の電極
を積層した構造にすることにより、高い昇圧比が得られ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による圧電トランス
を示す斜視図。

【図２】本発明の第２の実施の形態による圧電トランス
を示す斜視図。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図。

【図４】図２のＢ−Ｂ断面図その１。

【図５】図２のＢ−Ｂ断面図その２。

【図６】図２のＢ−Ｂ断面図その３。

【図７】図２のＢ−Ｂ断面図その４。

【図８】図１の圧電トランスに支持部材を付加した構成
を示す斜視図。

【図９】従来の圧電トランスその１を示す斜視図。

【図１０】従来の圧電トランスその２を示す斜視図。

【符号の説明】

１圧電体２圧電素子５支持部材６リード線１１、１１ａ、１１ｂ、１２、１２ａ、１２ｂ、１３
入力電極２１、２１ａ、２１ｂ、２２、２３、２４出力電極６１導通領域１００駆動部２００発電部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/107 H01L 41/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】長板状の圧電体と複数の内部電極とを交
互に積層してなる圧電トランスにおいて、前記圧電体を
長手方向の縦振動の機械共振の波長λの１／２の距離で
二つの領域に区切り、一方を駆動部、他方を発電部と
し、前記駆動部の電極は、上下面に設けられた電極と前
記複数の内部電極とからなり、前記複数の内部電極のう
ち、偶数番目の層の内部電極と奇数番目の層の内部電極
を、それぞれ交互に接続する電極を側面に設け、前記駆
動部を厚み方向に分極し、前記発電部の電極は、上下面
のどちらか一方の前記長手方向の縦振動の節部に設けら
れた帯状電極からなり、前記発電部を長手方向に分極し
たことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】前記発電部の電極が、上下面の両方の前
記長手方向の縦振動の節部に設けられた帯状電極からな
ることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】前記発電部の電極が、さらに前記長手方
向の縦振動の節部に内部帯状電極を設けたことを特徴と
する請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項４】前記発電部の電極が、さらに長手方向の
縦振動の節部に前記上下面に設けられた帯状電極と内部
帯状電極を全層接続する帯状電極を側面に設けたことを
特徴とする請求項３に記載の圧電トランス。
【請求項５】前記圧電体はその圧電体の長手方向の縦
振動の節部において支持されていることを特徴とする請
求項１〜４のいずれか１つに記載の圧電トランス。
【請求項６】長板状の圧電体と複数の内部電極とを交
互に積層してなる圧電トランスにおいて、前記圧電体を
長手方向の縦振動の機械共振の波長λの１／２の距離で
二つの領域に区切り、一方を駆動部、他方を発電部と
し、前記駆動部の電極は、上下面に設けられた電極と前
記複数の内部電極とからなり、前記複数の内部電極を一
層置きに上下何れかの電極に接続する電極を側面に設
け、前記駆動部を厚み方向に分極し、前記発電部の電極
は、上下面のどちらか一方の前記長手方向の縦振動の節
部に設けられた帯状電極からなり、前記発電部を長手方
向に分極したことを特徴とする圧電トランス。
【請求項７】前記圧電体の長手方向の縦振動の共振波
長λの交流電圧を入力部に印加して駆動することを特徴
とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の圧電トラン
スの駆動方法。