JP3141744B2 - 圧電トランス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、積層タイプの圧
電トランスに関するもので、特に、複数の圧電セラミッ
ク材料層からなる積層体の内部に位置される駆動電極の
パターンに向けられる改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電トランスは、最も基本的には、長手
の板状の圧電体を備え、その圧電体の長手方向の一方側
に、厚み方向に対向する１対の電極すなわち第１および
第２の電極を形成し、長手方向の他方側の端面に、もう
１つの電極すなわち第３の電極を形成するとともに、圧
電体の前記一方側を厚み方向に分極し、前記他方側を長
手方向に分極することによって構成される。ここで、第
１および第２の電極は、駆動部ないしは入力部側とな
り、第３の電極は、発電部ないしは出力部側となる。

【０００３】上述の第１および第２の電極間に、圧電体
の長手方向寸法で決まる固有共振周波数の入力電圧を印
加すると、圧電体は、電歪効果により長手方向に強い機
械的振動を起こし、これにより、圧電体の前記他方側で
は、圧電効果により電荷が発生し、これを第３の電極と
第１または第２の電極との間で交番高電圧として取り出
すことができる。このように、圧電トランスは、電気エ
ネルギから機械エネルギへの変換、さらに機械エネルギ
から電気エネルギへの変換を通して昇圧作用を行なう。

【０００４】このような圧電トランスにおいて、圧電体
としては、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系のような圧
電セラミック材料が通常用いられている。しかしなが
ら、圧電トランスは、一般に昇圧比が小さいため、実用
化が困難であるという問題を有している。昇圧比を決め
るファクタとしては、圧電体の長手方向寸法や厚み方向
寸法すなわち第１の電極と第２の電極との距離等があ
り、長手方向寸法が大きいほど、あるいは厚み方向寸法
すなわち第１の電極と第２の電極との距離が小さいほ
ど、より大きな昇圧比を得ることができるが、長手方向
寸法を大きくすると、圧電トランスの寸法の増大を招
き、また分極が困難になるなどの問題に遭遇し、他方、
厚み方向寸法を小さくすると、圧電体の機械的強度が低
下するなどの問題に遭遇することになり、いずれにして
も、昇圧比を大きくするための手段として単純には採用
することができない。

【０００５】このような問題を解決して、比較的大きな
昇圧比を得ることができる圧電トランスとして、積層タ
イプの圧電トランスが提案されている。積層タイプの圧
電トランスにおいては、圧電体が複数の圧電セラミック
材料層からなる積層体によって与えられ、駆動側すなわ
ち入力側の電極となる複数の駆動電極の各々が隣り合う
駆動電極に対して圧電セラミック材料層を介して対向す
るように形成される。積層体の外表面上には、第１、第
２および第３の端子電極が形成され、複数の駆動電極
は、交互に第１または第２の端子電極に電気的に接続さ
れる。第３の端子電極は、発電側すなわち出力側の電極
とされる。

【０００６】上述のように、圧電トランスを積層タイプ
とすることにより、圧電体の機械的強度の低下を招くこ
となく、駆動電極間の距離を小さくすることができると
ともに、電歪効果により生じる機械エネルギをより大き
くすることができるので、実用可能な昇圧比をより容易
に得ることができるようになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような積層タイプの圧電トランスでは、駆動中にもた
らされる機械的振動により、あるいは外部から何らかの
衝撃を受けたとき、積層体内部の駆動電極の存在のた
め、圧電セラミック材料層間で剥離が生じることがあ
る。このような剥離は、圧電トランスの特性劣化を招い
たり、また、高温多湿条件下では、水が小さな剥離領域
でさえ入り込み、駆動電極のマイグレーションを引き起
こしたりすることがわかっている。

【０００８】そこで、この発明の目的は、上述したよう
な圧電セラミック材料層間の剥離の問題をできるだけ生
じないようにすることができる、積層タイプの圧電トラ
ンスを提供しようとすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、複数の圧電
セラミック材料層からなる積層体と、この積層体の外表
面上の互いに異なる位置にそれぞれ形成される、第１、
第２および第３の端子電極と、第１の端子電極に電気的
に接続される複数の第１の駆動電極と、第２の外部電極
に電気的に接続されかつ第１の駆動電極の各々に対して
少なくとも１つの圧電セラミック材料層を介して対向す
る少なくとも１つの第２の駆動電極とを備える、積層タ
イプの圧電トランスに向けられるものであって、上述し
た技術的課題を解決するため、第１および第２の駆動電
極のうち、積層体の内部に位置されるものの少なくとも
１つが、当該駆動電極を挟んで位置する２つの圧電セラ
ミック材料層を複数箇所において互いに接合させるよう
に、複数の貫通部分を有していることを特徴とするもの
である。

【００１０】上述したような貫通部分を有する駆動電極
は、メッシュ状に形成されたり、あるいはストライプ状
に形成されたりすることができる。

【００１１】

【発明の効果】この発明によれば、上述したように、積
層体の内部に位置する駆動電極が複数の貫通部分を有
し、これら貫通部分を介して、当該駆動電極の両側の圧
電セラミック材料層が複数箇所において互いに接合され
ているので、圧電セラミック材料層間の剥離が生じにく
くなり、その結果、耐湿性に優れ、かつ特性劣化が少な
く、しかも機械的強度が向上された、積層タイプの圧電
トランスを得ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の一実施形態に
よる圧電トランス１の外観を概略的に示す斜視図であ
る。図１を参照して、圧電トランス１は、複数の圧電セ
ラミック材料層２ａ，２ｂ，２ｃ，…，２ｎからなる積
層体３を備える。積層体３の外表面上の互いに異なる位
置には、第１、第２および第３の端子電極４、５および
６がそれぞれ形成される。この実施形態では、積層体３
は、長手の形状を有していて、第１および第２の端子電
極４および５は、積層体３の長手方向における一方側に
それぞれ位置され、第３の端子電極６は、積層体３の長
手方向における他方側の端面上に位置される。

【００１３】図２は、図１に示した圧電トランス１の平
面図であり、圧電セラミック材料層２ａ，…，２ｎの各
々の上面および圧電セラミック材料層２ｎの下面の態様
を示している。圧電セラミック材料層２ａ，…，２ｎの
各々の上面の長手方向の一方側には、駆動電極７ａ，
…，７ｎが形成される。また、最も下の圧電セラミック
材料層２ｎの下面の長手方向の一方側には、図２の最下
部において圧電セラミック材料層２ｎを透視して示すよ
うに、駆動電極８が形成される。

【００１４】これら駆動電極７ａ，…，７ｎおよび８の
うち、奇数番目に位置する駆動電極すなわち第１の駆動
電極７ａ，７ｃ，…，７ｎは、それぞれ、第１の端子電
極４に電気的に接続されている。他方、偶数番目に位置
する駆動電極すなわち第２の駆動電極７ｂ，…，８は、
それぞれ、第２の端子電極５に電気的に接続されてい
る。

【００１５】また、第１の駆動電極７ａ，…，７ｎと第
２の駆動電極７ｂ，…，８とは、それぞれ、圧電セラミ
ック材料層２ａ，…，２ｎの各々を介して対向する状態
とされている。なお、図２において、圧電セラミック材
料層７ｃと圧電セラミック材料層７ｎとの間に積層され
ることのある適当数の圧電セラミック材料層の図示が省
略されている。積層体３を構成する圧電セラミック材料
層の積層数を増やし、駆動電極の数を増やそうとする場
合には、圧電セラミック材料層７ｃと圧電セラミック材
料層７ｎとの間で、圧電セラミック材料層７ｂと圧電セ
ラミック材料層７ｃとの積層が繰り返される。

【００１６】図１において、矢印で分極方向が示されて
いる。積層体３の長手方向の一方側すなわち駆動電極７
ａ，…，８が対向する部分では、圧電セラミック材料層
２ａ，…，２ｎの厚み方向であって、互いに隣り合うも
のが逆向きになるように、分極されている。積層体３の
長手方向の他方側では、積層体３の長手方向に分極され
ている。

【００１７】このような圧電トランス１において、入力
電圧を第１および第２の端子電極４および５の間に印加
すると、電歪効果により積層体３の長手方向に強い機械
的振動を起こし、これにより積層体３の第３の端子電極
６が位置する側で圧電効果に基づき電荷が発生し、これ
を第３の端子電極６と第１または第２の端子電極４また
は５との間で交番高電圧として取り出すことができる。

【００１８】以上説明した構成は、従来の積層タイプの
圧電トランスと同様である。以下に、この実施形態にお
ける特徴的構成について説明する。図２によく示されて
いるように、積層体３の内部に位置される端子電極７
ｂ，７ｃ，…，７ｎは、メッシュ状に形成される。これ
によって、端子電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎには、複数の
貫通部分９が与えられる。このような貫通部分９は、圧
電セラミック材料層２ａ，…，２ｎのうち、端子電極７
ｂ，…，７ｎの各々を挟んで位置する２つのものを複数
箇所において互いに接合することを可能にする。したが
って、積層体３を得るため、積層された圧電セラミック
材料層２ａ，…，２ｎを焼成したとき、隣り合う圧電セ
ラミック材料層相互は、貫通部分９を通しても焼結さ
れ、強固な接合状態を得ることができる。

【００１９】図３、図４および図５には、それぞれ、こ
の発明の他の実施形態が示されている。図３、図４およ
び図５は、それぞれ、前述した図２に相当の図であっ
て、同じ方法で描かれている。なお、図３、図４および
図５において、図２に示した要素に相当の要素には同様
の参照符号を付し、重複する説明を省略する。以下、図
３、図４および図５をそれぞれ参照して、各実施形態の
特徴的構成について説明する。

【００２０】図３を参照して、積層体３の内部に位置さ
れる駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎは、積層体３の幅方
向に延びるストライプ状に形成される。これによって、
駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎは、各ストライプ間にお
いて貫通部分９を形成している。図４を参照して、積層
体３の内部に位置される駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎ
は、積層体３の長手方向に延びるストライプ状に形成さ
れる。これによって、駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎ
は、各ストライプ間において貫通部分９を形成してい
る。

【００２１】なお、図３に示すように、駆動電極７ｂ，
７ｃ，…，７ｎの各ストライプ部分が積層体３の幅方向
に延びる場合には、各ストライプ部分が端子電極４また
は５によって互いに接続されるため、各ストライプ部分
をすべて駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎとして有効に作
用させることができるが、図４に示すように、駆動電極
７ｂ，７ｃ，…，７ｎの各ストライプ部分が積層体３の
長手方向に延びる場合には、各ストライプ部分が端子電
極４または５によって互いに接続されないため、そのま
までは各ストライプ部分のすべてを駆動電極７ｂ，７
ｃ，…，７ｎとして有効に作用させることができない。
そのため、図４に示した駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎ
の各々には、各ストライプ部分を互いに電気的に接続す
る接続ライン１０が形成されている。

【００２２】図５を参照して、積層体３の内部に位置さ
れる駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎは、ストライプ状に
形成されるが、積層体３の幅方向に延びるストライプ状
とされた駆動電極７ｂ，…と積層体３の長手方向に延び
るストライプ状とされた駆動電極７ｃ，…とが交互に配
置される。なお、図３ないし図５に示したようなストラ
イプ状の駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎを形成すると
き、ストライプの延びる方向は、積層体３の幅方向また
は長手方向に限らず、たとえば対角線方向ないしは斜め
方向であってもよい。また、貫通部分９を与えるため、
駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎをメッシュ状にしたり、
ストライプ状にしたりする以外に、たとえば円形の小さ
な穴を駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎの各々の複数箇所
に分布させてもよい。

【００２３】また、上述した各実施形態のように、積層
体３の内部に位置する駆動電極７ｂ，７ｃ，…，７ｎの
すべてに貫通部分９を設けることが好ましいが、単に１
つの駆動電極にのみ貫通部分を設けるだけであっても、
この発明の効果を期待できる。また、上述した各実施形
態では、第１の端子電極４に接続される第１の駆動電極
７ａ，７ｃ，…，７ｎと第２の端子電極５に接続される
第２の駆動電極７ｂ，…，８とが１つずつ交互に配置さ
れていたが、たとえば、前者と後者とが２つずつ交互に
配置されても、前者が１つと後者が２つと言うように交
互に配置されていてもよい。

【００２４】

【実施例】この発明の効果を確認するため、前述した図
２ないし図５にそれぞれ示した実施形態に従い、以下の
ような試料を作製した。まず、Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ₃
系のＰＺＴセラミックのためのセラミックスラリーを用
意し、このセラミックスラリーにドクターブレード法を
適用して、圧電セラミック材料層２ａ，…，２ｎとなる
べきセラミックグリーンシートを成形した。これらグリ
ーンシート上に、Ａｇ／Ｐｄ（７／３重量比）を含むペ
ーストを印刷し、積層体３の内部に位置する駆動電極７
ｂ，…，７ｎとなるべきペースト膜を形成した。次い
で、これらグリーンシートを積層し、プレスした後、焼
成し、９層の圧電セラミック材料層２ａ，…，２ｎから
なる積層体３を得た。

【００２５】この積層体３の内部には、８つの駆動電極
７ｂ，…，７ｎが形成されていて、これら駆動電極７
ｂ，…，７ｎは、実施例１では図２に示すようにメッシ
ュ状とされ、実施例２では図３に示すように幅方向のス
トライプ状とされ、実施例３では図４に示すように長手
方向のストライプ状とされ、実施例４では図５に示すよ
うに幅方向のストライプ状のものと長手方向のストライ
プ状のものとが交互に位置するようにされた。また、比
較例として、積層体３の内部に位置される駆動電極７
ｂ，…，７ｎが何らの貫通部分をも有しない試料も作製
した。

【００２６】次いで、各積層体３の外表面上に、駆動電
極７ａおよび８、ならびに第１、第２および第３の端子
電極４、５および６を、Ａｇの蒸着により形成した。な
お、各実施例および比較例で得られた積層体３は、すべ
て、長手方向寸法を４０mm、幅方向寸法を１０mm、厚み
方向寸法を２mmとした。また、駆動電極７ａ，…，７ｎ
および８は、すべて、長手方向寸法を２０mm、幅方向寸
法を９mmとした。

【００２７】このようにして得られた実施例１〜４なら
びに比較例に係る圧電トランスの昇圧比が図６に示され
ている。これらの昇圧比は、出力端での負荷抵抗を１Ｍ
Ωとしながら、入力電圧を変化させて測定したものであ
る。図６に示すように、実施例１〜４間においては、昇
圧比にほとんど差が見られない。他方、比較例は、比較
的低い入力電圧の領域にあっては、実施例１〜４の昇圧
比とほとんど差がないが、入力電圧が１０Ｖを超えたと
きには、破壊されるに至った。

【００２８】また、実施例１〜４ならびに比較例に係る
圧電トランスにおける駆動電極７ａ，…，７ｎおよび８
が形成された部分の機械的強度を測定した。すなわち、
当該駆動電極形成部分から幅２mm、長さ２０mm、厚み２
mmの角棒を切り出し、駆動電極面に垂直な方向から力を
加える３点曲げ試験で抗折強度を測定した。その結果
を、以下の表１に示す。表１における括弧内の数値は、
ワイブル係数ｍを示し、この数値が大きいほど、ばらつ
きが小さいことを表している。

【００２９】

【表１】 表１から、実施例１〜４によれば、比較例に比べて、機
械的強度が向上され、また、そのばらつきも小さくなる
ことがわかる。また、実施例１、２、３、４の順で、よ
り高い機械的強度が得られている。

【００３０】また、実施例１〜４ならびに比較例に係る
圧電トランスの高温高湿下での特性劣化を評価した。す
なわち、１００℃および９０％Ｒ．Ｈ．の条件を、所定
の時間、各試料に付与したときの昇圧比を測定した。そ
の結果を、以下の表２に示す。

【００３１】

【表２】 表２からわかるように、実施例１〜４によれば、比較例
に比べて、耐湿性が向上される。

【００３２】このように、実施例１〜４と比較例との比
較から、実施例１〜４によれば、昇圧特性を比較例に比
べて低下させることなく、むしろ改善しながら、機械的
強度および耐湿性を向上させ得ることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態による圧電トランス
１の外観を概略的に示す斜視図である。

【図２】図１に示した圧電トランス１の平面図であり、
圧電セラミック材料層２ａ，…，２ｎの各上面および圧
電セラミック材料層２ｎの下面の態様を示している。

【図３】この発明の第２の実施形態を示す、図２に相当
の図である。

【図４】この発明の第３の実施形態を示す、図２に相当
の図である。

【図５】この発明の第４の実施形態を示す、図２に相当
の図である。

【図６】この発明の実施形態に従って作製された実施例
１〜４ならびに従来の実施形態に従って作製された比較
例のそれぞれの昇圧比の入力電圧による変化を比較して
示す図である。

【符号の説明】

１ 圧電トランス ２ａ，…，２ｎ 圧電セラミック材料層 ３ 積層体 ４ 第１の端子電極 ５ 第２の端子電極 ６ 第３の端子電極 ７ａ，…，７ｎ，８ 駆動電極 ９ 貫通部分

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の圧電セラミック材料層からなる積
   層体と、前記積層体の外表面上の互いに異なる位置にそ
   れぞれ形成される、第１、第２および第３の端子電極
   と、前記第１の端子電極に電気的に接続される複数の第
   １の駆動電極と、前記第２の外部電極に電気的に接続さ
   れかつ前記第１の駆動電極の各々に対して少なくとも１
   つの前記圧電セラミック材料層を介して対向する少なく
   とも１つの第２の駆動電極とを備える、圧電トランスに
   おいて、 前記第１および第２の駆動電極のうち、前記積層体の内
   部に位置されるものの少なくとも１つが、当該駆動電極
   を挟んで位置する２つの前記圧電セラミック材料層を複
   数箇所において互いに接合させるように、複数の貫通部
   分を有していることを特徴とする、圧電トランス。
2. 【請求項２】 前記貫通部分を有する前記駆動電極は、
   メッシュ状に形成される、請求項１に記載の圧電トラン
   ス。
3. 【請求項３】 前記貫通部分を有する前記駆動電極は、
   ストライプ状に形成される、請求項１に記載の圧電トラ
   ンス。