JP3343798B2 - 圧電トランス - Google Patents

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。