JP3343798B2 - 圧電トランス - Google Patents

圧電トランス

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JP3343798B2
JP3343798B2 JP28059094A JP28059094A JP3343798B2 JP 3343798 B2 JP3343798 B2 JP 3343798B2 JP 28059094 A JP28059094 A JP 28059094A JP 28059094 A JP28059094 A JP 28059094A JP 3343798 B2 JP3343798 B2 JP 3343798B2
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哲男 吉田
克典 熊坂
太志 塩谷
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電性セラミックスを
用いた圧電トランスに関し、特に、圧電セラミックスか
ら成る矩形板の内部と表面に分極用と入出力用の電極を
形成し、矩形板の長さ方向の共振を利用した圧電トラン
スに関する。
【0002】
【従来の技術】静電気発生装置や液晶ディスプレイのバ
ックライト点灯用などでは、大きな電流値は必要としな
いが、1kVで数ワット程度の高電圧電源装置が用いら
れている。現在、これらの高電圧電源装置には電磁式ト
ランスが昇圧用として用いられているが、発生電磁ノイ
ズの低減や低消費電力化、機器の小型低背化などの要求
により、圧電トランスの実用化の検討がなされている。
【0003】図4は、従来の圧電トランスを示す概略的
な斜視図である。図4に示す圧電振動子の一種である圧
電トランス50において、圧電セラミックスから成る矩
形板51には、その長さ方向のおよそ半分の部分に、厚
さ方向に対向する電極52および53が形成されてい
る。また、矩形板51の電極52および53が形成され
た部分とは反対側の端面には、端面電極54が形成され
ている。矩形板51は、その電極52、53の部分は図
中矢印Cで示すように矩形板51の厚さ方向に分極さ
れ、また、端面電極54と電極52、53との間の部分
は図中矢印Dで示すように矩形板の長さ方向に分極され
ている。
【0004】図5(a)、(b)、および(c)は、図
4に示した圧電トランス50の動作原理の説明図であ
り、(a)は矩形板51の長さ方向の断面図、(b)は
矩形板が長さ方向振動の1/2波長共振モードで振動し
ている場合の変位分布であり、(c)はその時の歪分布
を示している。尚、説明の便宜上、各電極は図示せず、
また、切断面には斜線を付していない。図5(b)にお
いて、符号Eは、共振振動の節を示す。
【0005】図4に図5(a)を併せ参照すると、電極
42bをアース端子とし、電極52に矩形板51の長さ
方向の1/2波長共振モードの共振周波数に等しい周波
数の電圧を印加すると、矩形板51は、図5(b)およ
び(c)に示すように振動する。このとき、電極52と
端面電極54との間には、圧電効果により電圧が発生す
る。ここで、電極52に印加した入力電圧端面電極54
に発生した出力電圧について説明すると、電極52と電
極53の対向間隔は電極52と端面電極54との間隔に
比べ十分に小さく、かつ電極52、53の面積は端面電
極54の面積より十分に大きいため、入力側の静電容量
は、出力側の静電容量に比べ十分大きな値となる。した
がって、入力側に低い電圧を印加して振動子を振動した
場合には、出力側には入力側電極間隔と出力側電極間隔
との比に比例した大きな電圧が発生する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】静電気発生装置や液晶
バックライトには、低消費電力化や低電圧駆動化の要求
がなされている。この要求を実現する一つの方法とし
て、高電圧電源装置には、入力側のインピーダンスを小
さくする方法がある。入力側のインピーダンスを小さく
するために、図4に示したものをも含め、従来の圧電ト
ランスでは、通常、圧電セラミック矩形板の厚さを薄く
することで対応している。
【0007】ところが、図4に示した構造では、圧電セ
ラミック矩形板41の板厚を薄くすると、出力側の電極
44の面積が減少して出力側の静電容量が小さくなり、
出力側のインピーダンスが大きくなり、この結果、トラ
ンスとしての昇圧比が小さくなるという問題点がある。
【0008】この問題点の解決方法として、実公昭45
−19884号公報、実公昭47−10553号公報、
および特公昭52−45476号公報等の構造の提案が
ある。実公昭45−19884号公報には、図4に示し
た構造の圧電振動子を複数層一体焼結した構造であっ
て、出力インピーダンスの低下を防止し、かつ材料特性
の異なる圧電セラミックを積層することで周波数特性を
改善した構造が示されている。また、実公昭47−10
553号公報には、出力部の電極面積を大きくして、出
力インピーダンスを小さくし、このときの入力部に表面
電極と圧電セラミック内部に中間電極を設けて入力側の
静電容量の低下を防止した構造が示されている。また、
特公昭52−45476号公報には、図4に示した構造
の圧電振動子を3素子以上の奇数個接着したような構造
で実効的な矩形板の幅寸法を大きくすることでトランス
の昇圧比を大きくし、かつ接着することで機械的強度の
低下を防止したものである。
【0009】ところが、上述の三件の公報はいずれも、
入力側が圧電セラミック矩形板の厚さ方向に分極され、
出力側が圧電セラミック矩形板の端面に形成した電極を
用いて矩形板の長さ方向に分極された構造であり、出力
側の静電容量は実効的な端面の電極面積を大きくする以
上の効果は期待できず、出力インピーダンスをさらに低
下させることはできないという問題点がある。
【0010】また、上述の三件の公報はいずれも、圧電
セラミック矩形板のうち、振動振幅の大きい自由端であ
る端面に形成された端面電極にリード線を接合する等す
ることによって出力電圧を取り出す構造である。このた
め、リード線の質量の付加で振動特性が変化したり、あ
るいは、振動によってリード線が断線する等する虞があ
り、圧電トランスとしての特性の劣化や電極接続の信頼
性に劣るという問題点がある。
【0011】本発明の課題は、容易に負荷抵抗の大きさ
に対応した出力側のインピーダンスの調整が可能である
圧電トランスを提供することである。
【0012】本発明の他の課題は、振動の節への出力用
リード線の取り付けが可能である圧電トランスを提供す
ることである。
【0013】本発明のさらに他の課題は、支持による特
性の劣化と信頼性の低下を来さない圧電トランスを提供
することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電性
セラミックスから成る矩形板の長さ方向の共振モードを
利用した圧電トランスにおいて、前記矩形板は、その長
さ方向に2つに区分され、前記矩形板の一方の区分にて
セラミックス分極用極およびトランス入力用極として該
矩形板の厚さ方向に対面する複数対の対面電極層を該厚
さ方向に投影的に有し、前記複数対の対面電極層の一方
の極および他方の極はそれぞれ、前記矩形板の長側面に
て第1、第2の共通配線層により接続され、前記矩形板
の他方の区分にてセラミックス分極用極およびトランス
出力用極として該矩形板の厚さ方向に直交する同一面上
で対向する複数対の櫛歯部と該複数対の櫛歯部の一方お
よび他方をそれぞれ各一端で接続する幹部とから成る対
の櫛状電極層を該矩形板の厚さ方向に投影的に複数層有
し、複数層の前記対の櫛状電極層の一方の極および他方
の極はそれぞれ、前記矩形板の長側面にて第3、第4の
共通接続層により接続され、前記第1乃至前記第4の共
通接続層はそれぞれ、前記矩形板の前記長側面のうちの
該矩形板の共振振動の節上に形成されると共に、外部へ
配線するための外部電極として用いられることを特徴と
する圧電トランスが得られる。
【0015】本発明によればまた、前記櫛状電極層は、
その前記櫛歯部が前記矩形板の長さ方向に対して直交お
よび平行のうちのいずれか一方に延びるように形成され
た前記圧電トランスが得られる。
【0016】
【作用】一般に、圧電トランスの支持は、電気機械的結
合係数(Q)の低下や共振周波数の変化を生じさせない
ように振動の節で行うのが望ましいが、実際の支持は必
ずしも容易ではない。本発明では、圧電セラミック矩形
板をその長さ方向のn次の共振モードで駆動したとき、
入力側では矩形板の長さ方向のほぼ半分の表面に、厚さ
方向に対向するセラミックス分極用とトランス入力用の
電極上に固定側となる振動の節が存在し、また、出力側
には長さ方向の共通電極や交差指電極が存在し、該共通
電極や交差指電極上に振動の節が存在する。よって、本
発明の圧電トランスでは、振動の節から外部に電極を取
り出すことが可能であり、したがって、圧電トランスの
電気機械的結合係数(Q)の低下や共振周波数の変化を
生じさせないような支持が可能である。
【0017】また、本圧電トランスの出力電圧側の静電
容量は、出力側の電極が交差指を構成しており、図4お
よび図5で説明した圧電トランスに比較して大きくする
ことが可能であり、圧電トランスの昇圧比を大きくで
き、低電圧駆動が可能である。
【0018】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例によ
る圧電トランスを説明する。
【0019】[実施例1]図1は、本発明の実施例1に
よる圧電トランスを示す斜視図である。図1において、
圧電トランス10は、圧電性セラミックスから成る矩形
板11の長さ方向の共振モードを利用する圧電トランス
である。矩形板11は、その長さ方向に(図中左右方向
に)、2つに区分されている。圧電トランス10は、矩
形板11の図中左側の区分にて、対面電極層12a、1
2b、13a、および13bを有している。
【0020】ここで、圧電トランス10における各電極
層を、図1の上方から見下ろす方向に見たときに概念的
に見える形で表した図2(a)および(b)と、図1に
おける切断線A−A´で切断した縦断面図である図3と
を、図1に併せ参照する。対面電極層12a、12b、
13a、および13bは、矩形板11の厚さ方向に投影
的に配されている。このうちの対面電極層12aと対面
電極層13b、対面電極層12bと対面電極層13a
(加えて、対面電極層12bと対面電極層13b)は、
セラミックスを介して対面している。さらに、対面電極
層12aと対面電極層12a、対面電極層13aと対面
電極層13bはそれぞれ、矩形板11の長側面にて共通
配線層16、17により接続されている。このような構
造によって、対面電極層12a、12aがセラミックス
分極用極およびトランス入力用極の一方として、また、
対面電極層13a、13bがセラミックス分極用極およ
びトランス入力用極の他方として用いられる。
【0021】さらに、図1、図2(a)および(b)を
参照すると、矩形板11の右側の区分にて、セラミック
ス分極用極およびトランス出力用極として、矩形板11
の厚さ方向に直交する同一面上で対向する複数対の櫛歯
部142aと152a、ならびに複数対の櫛歯部142
aと152aの一方および他方をそれぞれ各一端で接続
する幹部141a、151aから成る対の櫛状電極層1
4a、15aを有している。同様に、圧電トランス10
は、対の櫛状電極層14bおよび15b、14cおよび
15c、ならびに14dおよび15dを、矩形板11の
厚さ方向にて対の櫛状電極層14aおよび15aに投影
的に複数層有している。さらに、複数層の対の櫛状電極
層の一方の極である14a〜14dは矩形板11の長側
面にて共通接続層18により接続され、複数層の対の櫛
状電極層の他方の極である15a〜15dは矩形板11
の長側面にて共通接続層19により接続されている。
【0022】図4(a)、(b)、および(c)は、圧
電トランス10の動作を説明するための図であり、
(a)は矩形板11の長さ方向の断面図、(b)は矩形
板11が長さ方向振動の1波長共振モードで振動してい
るときの変位分布であり、(c)はその時の歪分布を示
している。尚、説明の便宜上、各電極は図示せず、ま
た、切断面には斜線を付していない。図4(b)を参照
すると、圧電トランス10は、その矩形板11の長さ方
向の両端と中心において振幅が大きい一方、これらの間
の中心である符号Bを付した箇所において振幅がゼロで
あることがわかる。即ち、図4(b)において、符号B
は、共振振動の節を示す。さて、共通接続層16〜19
はそれぞれ、矩形板11の長側面のうちの矩形板11の
共振振動の節B上に形成される。そして、共通接続層1
6〜19は、外部へ配線するための外部電極として用い
られる。また、圧電トランス10を電気回路等に配する
際の支持については、節Bの部分にて支持を行うことが
好ましい。
【0023】次に、本発明の実施例1による圧電トラン
ス10の製造方法を説明する。
【0024】まず、PZT系圧電セラミックスから成る
幅10mm、長さ40mm、厚さ350μmの3枚のグ
リーンシートを用意する。3枚のグリーンシートのうち
の2枚の片面上に、銀−パラジウムから成る電極用ペー
ストにより所定の電極パターンを印刷する。この2枚の
印刷シートの印刷面によりもう1枚のグリーンシートを
挟んで積層熱圧着する。この積層体の上下両表面と側面
に所定の電極パターンを印刷後、大気中で焼結する。
【0025】以上のようにして製造された圧電トランス
10は、幅10mm、長さ40mm、厚さ1mmであっ
た。櫛状電極層14a〜14d、15a〜15dそれぞ
れの各幹部(141a、151a等)の幅は1mmであ
り、各櫛歯部(142a、152a等)の幅は0.5m
m、長さは7mmである。また、入力側電極間距離であ
る対面電極12aと13b、12bと13b、12bと
13aの対面距離は、約330μmである。出力側電極
間距離である、例えば、櫛歯部142aと152a等の
間隔距離は約6mmである。尚、矩形板11の圧電セラ
ミックスの分極は、温度150℃、電界強度1.2kV
/mmで実施した。
【0026】[実施例2]図5は、本発明の実施例2に
よる圧電トランスを示す斜視図である。図5において、
圧電トランス30は、実施例1による圧電トランス10
と同様の製造方法(矩形板31の圧電セラミックの分極
は、温度150℃、電界強度1.2kV/mmで実施)
により、同じ外形寸法(幅10mm、長さ40mm、厚
さ1mm)に製造されている。詳しくは、圧電性セラミ
ックスから成る矩形板31の長さ方向の1波長共振モー
ドを利用した圧電トランスである。矩形板31は、その
長さ方向に2つに区分され、矩形板31の図中左側の区
分にてセラミックス分極用極およびトランス入力用極と
して矩形板31の厚さ方向に対面する複数対をなす対面
電極層32a、32b、33a、および33bを投影的
に有している。これら対面電極層は、矩形板31の長側
面にて共通配線層36、37により接続されている。
【0027】また、矩形板31の図中右側の区分にてセ
ラミックス分極用極およびトランス出力用極として矩形
板31の厚さ方向に直交する同一面上で対向する対をな
す櫛状電極層34a、34b、34c、および34d
と、35a、35b、35c、および35dを矩形板3
1の厚さ方向に投影的に有している。これら櫛状電極層
はそれぞれ、例えば、2本の櫛歯部342aとこれに対
をなす2本の櫛歯部352aと、これらの各一端で接続
する幹部341aと351aとから成っているように、
櫛歯分と幹部とから成っている。これら対の櫛状電極層
は、矩形板31の長側面にて共通接続層38、39によ
り接続されている。
【0028】共通接続層36〜39はそれぞれ、矩形板
31の長側面のうちの矩形板31の1波長共振振動(実
施例1の図4(b)と同じ波形である)の節上に形成さ
れている。共通接続層36〜39は外部へ配線するため
の外部電極として用いられ、また、この節上の部分は、
圧電トランス30の支持箇所でもある。
【0029】さて、実施例2による圧電トランス30の
櫛状電極層34a〜34d、35a〜35dは、その櫛
歯部(例えば、櫛歯部342a、352a)が矩形板3
1の長さ方向に対して平行方向に長さ16.5mmだけ
延びるようにかつそれぞれの間隔距離を約2.5mmで
形成され(実施例1では、直交方向に形成され、長さ7
mm)ている。このように、櫛状電極層の櫛歯部を矩形
板の長さ方向に対して平行にした場合には、矩形板の長
さ方向に対して直交にするものに比べて、2次側電極対
としての対向長さ(対向面積)を、さらに大きく確保で
きることがある。
【0030】次に、実施例1および2による圧電トラン
ス10および30と、比較例として、図6に示した従来
例による圧電トランス50(幅10mm、長さ40m
m、厚さ1mm)それぞれの入力電圧と出力電圧との比
である昇圧比を出力負荷抵抗毎に測定した。尚、実施例
1および2による圧電トランス10および30共に、そ
の共振振動の節にて支持した。測定結果を表1に示す。
【0031】
【表1】 表1を参照すると、本発明による圧電トランスは、少な
くとも10KΩ〜10MΩの負荷抵抗範囲において、従
来構造の圧電トランスよりも大きな昇圧比が得られるこ
とがわかる。
【0032】
【発明の効果】本発明による圧電トランスは、矩形板が
その長さ方向に2つに区分され、矩形板の一方の区分に
てセラミックス分極用極およびトランス入力用極として
該矩形板の厚さ方向に対面する複数対の対面電極層を該
厚さ方向に投影的に有し、複数対の対面電極層の一方の
極および他方の極がそれぞれ矩形板の長側面にて第1、
第2の共通配線層により接続され、矩形板の他方の区分
にてセラミックス分極用極およびトランス出力用極とし
て矩形板の厚さ方向に直交する同一面上で対向する複数
対の櫛歯部と該複数対の櫛歯部の一方および他方をそれ
ぞれ各一端で接続する幹部とから成る対の櫛状電極層を
矩形板の厚さ方向に投影的に複数層有し、複数層の対の
櫛状電極層の一方の極および他方の極がそれぞれ矩形板
の長側面にて第3、第4の共通接続層により接続され、
第1乃至前記第4の共通接続層がそれぞれ矩形板の長側
面のうちの矩形板の共振振動の節上に形成されると共
に、外部へ配線するための外部電極として用いられるた
め、櫛状電極層の櫛歯部の電極ピッチを変えることによ
り、容易に負荷抵抗の大きさに対応した出力側のインピ
ーダンスの調整が可能である。また、振動の節への出力
用リード線の取り付けが可能である。さらに、支持によ
る特性の劣化と信頼性の低下を来さない。また、負荷抵
抗が小さくても比較的大きな出力電圧が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1による圧電トランスを示す斜
視図である。
【図2】(a)および(b)共に、図1に示す圧電トラ
ンスの電極層を示す図である。
【図3】図1に示す圧電トランスの縦断面図である。
【図4】図1に示す圧電トランスの動作を説明するため
の図であり、(a)は矩形板の断面図、(b)は矩形板
が長さ方向1波長共振モードで振動している場合の変位
分布、(c)はそのときの歪分布を示す。
【図5】本発明の実施例2による圧電トランスを示す斜
視図である。
【図6】従来例による圧電トランスを示す斜視図であ
る。
【図7】図6に示す従来の圧電トランスの動作を説明す
るための図であり、(a)は矩形板の断面図、(b)は
矩形板が長さ方向1/2波長共振モードで振動している
場合の変位分布、(c)はそのときの歪分布を示す。
【符号の説明】
10 圧電トランス 11 矩形板 12a、12b、13a、13b 対面電極層 14a、14b、14c、14d 櫛状電極層 15a、15b、15c、15d 櫛状電極層 16〜19 共通接続層 141a 幹部 142a 櫛歯部 151a 幹部 152a 櫛歯部 B 共振振動の節
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩谷 太志 宮城県仙台市太白区郡山六丁目7番1号 株式会社トーキン内 (56)参考文献 特開 平6−204582(JP,A) 特開 平6−338643(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 41/107

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電性セラミックスから成る矩形板の長
    さ方向の共振モードを利用した圧電トランスにおいて、
    前記矩形板は、その長さ方向に2つに区分され、前記矩
    形板の一方の区分にてセラミックス分極用極およびトラ
    ンス入力用極として該矩形板の厚さ方向に対面する複数
    対の対面電極層を該厚さ方向に投影的に有し、前記複数
    対の対面電極層の一方の極および他方の極はそれぞれ、
    前記矩形板の長側面にて第1、第2の共通配線層により
    接続され、前記矩形板の他方の区分にてセラミックス分
    極用極およびトランス出力用極として該矩形板の厚さ方
    向に直交する同一面上で対向する複数対の櫛歯部と該複
    数対の櫛歯部の一方および他方をそれぞれ各一端で接続
    する幹部とから成る対の櫛状電極層を該矩形板の厚さ方
    向に投影的に複数層有し、複数層の前記対の櫛状電極層
    の一方の極および他方の極はそれぞれ、前記矩形板の長
    側面にて第3、第4の共通接続層により接続され、前記
    第1乃至前記第4の共通接続層はそれぞれ、前記矩形板
    の前記長側面のうちの該矩形板の共振振動の節上に形成
    されると共に、外部へ配線するための外部電極として用
    いられることを特徴とする圧電トランス。
  2. 【請求項2】 前記櫛状電極層は、その前記櫛歯部が前
    記矩形板の長さ方向に対して直交および平行のうちのい
    ずれか一方に延びるように形成された請求項1記載の圧
    電トランス。
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KR100661342B1 (ko) * 2005-08-04 2006-12-27 전자부품연구원 압전소자

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