JP4747540B2

JP4747540B2 - 圧電トランス

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Publication number: JP4747540B2
Application number: JP2004267983A
Authority: JP
Inventors: 篤越智; 武志井上; 満山本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: JP2006093169A

Description

本発明は、圧電トランスに関し、更に詳しくは、ＡＣ−ＤＣコンバータ等の電力伝送に利用可能な高出力電力の圧電トランスに関する。

巻き線が不要な変圧器である圧電トランスは、構造が簡単で薄型化及び軽量化を図り易いといった特徴や、電磁ノイズが発生しないといった特徴を有しているため、実用化に向けての研究開発が種々の用途について進められており、カラー液晶表示装置のバックライト用インバータでは昇圧トランスとして既に実用化されている。

バックライト用インバータに使用される上記の圧電トランスはローゼン型のものであり、一般的なローゼン型圧電トランスの出力電力は５Ｗ程度である。このような低出力電力の圧電トランスとは別に、ＡＣ−ＤＣコンバータ等の電力伝送に利用可能な高出力電力、例えば出力電力数十Ｗ以上の圧電トランスの開発も進められている。

例えば特許文献１には、円形板状又は正方形板状を呈し、発電部、未分極の絶縁層、及び駆動部がこの順番で厚さ方向に積層された構造を有する圧電トランス（圧電磁器トランス）が記載されている。図３（ａ）は、特許文献１に記載されている正方形板状の圧電トランスを概略的に示すに平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したIII−III線断面の概略図である。

これらの図に示す圧電トランス７０は、発電部５０、未分極の絶縁層５５、及び駆動部６０がこの順番で厚さ方向に積層された構造を有している。発電部５０には、その側面から底面に達する１対の外部電極６５ａ、６５ｂが互いに対向した状態で設けられており、駆動部６０には、その側面から上面に達する１対の外部電極６７ａ、６７ｂが互いに対向した状態で設けられている。

発電部５０は、厚さ方向に分極した圧電セラミックス層を介して積層された内部電極５１を複数有しており、内部電極５１を介して隣り合う圧電セラミックス層は互いに逆向きに分極されている。同様に、駆動部６０は、厚さ方向に分極した圧電セラミックス層を介して積層された内部電極６１を複数有しており、内部電極６１を介して隣り合う圧電セラミックス層は互いに逆向きに分極されている。発電部５０は低インピーダンス特性を有しており、駆動部６０は高インピーダンス特性を有している。未分極の絶縁層５５は、具体的には未分極の圧電セラミックスからなる。なお、図３（ｂ）においては、便宜上、個々の内部電極５１、６１を１本の実施線で示しており、発電部５０における圧電セラミックス層全体を参照符号５３で、また、駆動部６０における圧電セラミックス層全体を参照符号６３で示している。

外部電極６５ａは、発電部５０における１つおきの内部電極５１と接続されており、外部電極６５ｂは、発電部５０における残りの内部電極５１と接続されている。また、外部電極６７ａは、駆動部６０における１つおきの内部電極６１と接続されており、外部電極６７ｂは、駆動部６０における残りの内部電極６１と接続されている。外部電極６５ａ、６５ｂは、図示を省略した１組の電極端子に接続されており、外部電極６７ａ、６７ｂは、図示を省略した他の１組の電極端子に接続されている。

上述した構造を有する圧電トランス７０は、輪郭広がり基本振動モードで動作し、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスを用いたときの電気機械結合係数が容易に５０％を超える。このため、圧電トランス７０によれば、エネルギー変換効率が高く、かつ、電磁トランスに比べてハイパワーのものを得ることができる。なお、特許文献１に記載されている円形板状の圧電トランスも上記の圧電トランス７０と同様の構造を有している。この圧電トランスは、径広がり基本振動モードで動作し、その電気機械結合係数は圧電トランス７０の電気機械結合係数よりも若干大きい。したがって、特許文献に１に記載されている円形板状の圧電トランスによっても、エネルギー変換効率が高く、かつ、電磁トランスに比べてハイパワーのものを得ることができる。

また、特許文献２には、あらかじめ分極処理した２枚の板状圧電体と、これら２枚の板状圧電体の間に配置された未分極の絶縁層とを備え、広がり振動モードで動作する圧電トランスが記載されている。図４は、特許文献２に記載さている圧電トランスを概略的に示す正面図である。同図に示す圧電トランス９０は、上述のように、２枚の板状圧電体８０、８２と、これら２枚の板状圧電体８０、８２の間に配置された未分極の絶縁層８４とを備えており、板状圧電体（圧電体駆動部）８０の上下面には入力電極８６ａ、８６ｂが、また、板状圧電体（圧電体発電部）８２の上下面には出力電極８８ａ、８８ｂがそれぞれ設けられている。絶縁層８４の材料としては、接着材、セラミックス、又は板状圧電体と同じ材質で未分極のものが用いられる。この圧電トランス９０は、特許文献２の記載によれば、大電力用に適したものである。なお、図４中の白抜きの矢印は、各板状圧電体８０、８２での分極方向を示している。

特許文献３には、圧電縦効果を利用した長方形板状の駆動部と、圧電横効果を利用した長方形板状の２枚の発電部とを備え、駆動部の上面及び下面それぞれに低誘電率基板を介して発電部が１つずつ配置された構造を有する圧電トランスが記載されている。上記の駆動部は長さ方向に分極されており、上記の各発電部は厚さ方向に分極されている。また、駆動部と発電部とは、相互に入れ替えてもよい旨、記載されている。低誘電率基板としてはアルミナ等が用いられ、特に比誘電率が１０以下のものが用いられる。これらの圧電トランスは、特許文献３の記載によれば、高い昇圧比、又は高い降圧比が得られるものである。
特開平１０−２１５０１１号公報（特許請求の範囲、発明の実施の形態の欄、発明の効果の欄、及び図１〜図６参照）特開平１１−３３０５８０号公報（請求項３、請求項４、第００４３〜００４９段、及び図５参照）特開２００１−４４５２７号公報（特許請求の範囲、第００２３〜００３０段、発明の効果の欄、及び図１参照）

ＡＣ−ＤＣコンバータ等の電力伝送に利用可能な高出力電力の圧電トランス、例えば出力電力５０Ｗ以上の圧電トランスを得るためには、当該圧電トランスを大型化して電力容量を高めることが必要となる。ただし、圧電トランスの発電部及び駆動部は、それぞれ、内部電極形成用の組成物が片面に塗布されたグリーンシートを必要枚数積層してから焼結し、その後に分極処理を施すことによって形成されるため、圧電トランスが大型化するとグリーンシート積層体を十分に焼結させることが困難になり、所望の特性を有する圧電トランスを高い信頼性の下に製造し難くなる。

したがって、圧電トランスの大型化はできるだけ抑制することが望まれる。このことは、既存の電磁トランスに対して競争力の高い圧電トランスを得るという観点からも望まれることであり、結果として、圧電トランスでの電力密度を３０Ｗ／ｃｍ^３程度以上という高い値にすることが必要となる。電磁トランスの電力密度が８Ｗ／ｃｍ^３程度であることを考慮すると、３０Ｗ／ｃｍ^３という電力密度は極めて高い。

圧電トランスの駆動周波数を高くすることができれば、その電力密度を比較的容易に高くすることができるが、例えばＡＣ−ＤＣコンバータに利用される圧電トランスでは１５０ｋＨｚ以上に電磁ノイズ規制があることから、その駆動周波数は１５０ｋＨｚ未満に抑えられる。ＡＣ−ＤＣコンバータに利用される圧電トランスは、通常、その基本共振周波数よりも２〜５％高い周波数で駆動されるので、このような用途の圧電トランスの電力密度を高めるためには、その基本共振周波数を高めることが望まれる。

しかしながら、圧電トランスの基本共振周波数は、当該圧電トランスを大型化するほど低下する。特に、特許文献１に記載されている圧電トランス（圧電磁器トランス）や、特許文献２に記載されている圧電トランスのように、発電部と駆動部との間に介在する絶縁層を未分極の圧電セラミックス、接着材、又はセラミックスで形成した圧電トランスでは、大型化に伴う基本共振周波数の低下が比較的大きい。

また、圧電トランスの基本共振周波数が仮に高くても、その放熱性が低いと駆動に伴う昇温が大きくなって、高電力容量化及び高電力密度化を図り難くなる。特に、発電部と駆動部との間に介在する絶縁層を未分極の圧電セラミックスで形成した圧電トランスでは、駆動に伴う昇温が比較的大きいので、高電力容量化及び高電力密度化を図り難い。

さらに、特許文献３に記載されている圧電トランスでは、その構造上、発電部のインピーダンスが駆動部のインピーダンスに比べて極めて大きくなる（例えば１００倍以上大きくなる）ので、高電力容量化を図ろうとすると低誘電率基板からなる絶縁層の絶縁性が不十分となる。このため、特許文献３に記載されている圧電トランスでは、高電力容量化及び高電力密度化を図り難い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来と同一の形状及び大きさであっても駆動周波数を高めることができるために高電力密度化を図り易く、かつ、高電力容量化を図り易い圧電トランスを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の圧電トランスは、輪郭広がり基本振動モードで動作する正方形板状の圧電トランス、又は径広がり基本振動モードで動作する円板状の圧電トランスであって、主面と平行に配された内部電極を有する駆動部と、主面と平行に配された内部電極を有する発電部と、前記駆動部と前記発電部との間に配された絶縁部とを備え、前記絶縁部がサファイアからなることを特徴とする（以下、この圧電トランスを「圧電トランスＩ」ということがある）。

この圧電トランスＩは、サファイア（酸化アルミニウム単結晶）からなる上記の絶縁部を有しており、サファイアでの音速（音速度）は、圧電トランスに使用されるチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス（以下、「ＰＺＴ系圧電セラミックス」と略記する。）等の圧電セラミックスでの音速（音速度）よりも速い。ある物質層の共振周波数は、当該物質層での音速に比例するので、大きな音速を有するサファイアによって絶縁部が形成された圧電トランスＩでは、基本共振周波数を容易に高くすることができ、結果として、形状及び大きさが同一の従来の圧電トランスと比べて高い電力密度を得易くなる。

特に、サファイアからなる絶縁部は、圧電トランスでの厚さ方向の中央部に位置し、この部分は圧電トランスの中でも振動応力が最も大きい部分であるため、音速が速いというサファイアの特性を効果的に生かし易い。サファイアの機械的強度はＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスに比べて高く、サファイアからなる絶縁部の機械的強度は、同じ厚さであれば、圧電セラミックスからなる絶縁部の機械的強度よりも１桁高くなる。このため、圧電トランスＩを大振幅で振動させたときでも、絶縁部からの破壊を抑止し易い。ここで、本明細書でいう「機械的強度」とは、機械的強度の中でも最も強度をだし難い引っ張り強度を意味する。

また、サファイアの熱伝導率はＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスの熱導電率よりも高いので、サファイアによって圧電トランスの絶縁部を形成することにより、この圧電トランス全体としての放熱性を高めることができる。その結果として、駆動に伴う昇温が抑えられるので、高電力容量化を図り易くなる。

さらに、サファイアの誘電率はＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスの誘電率に比べて極めて小さく、しかも、サファイアの体積抵抗率は１×１０^１４Ω・ｃｍ以上と高いので、絶縁特性が高い絶縁部を容易に形成することができる。この点からも、圧電トランスＩでは高電力容量化を図り易い。

これらの理由から、本発明の圧電トランスＩによれば、従来と同一の形状及び大きさであっても駆動周波数を高めることができるために高電力密度化を図り易く、かつ、高電力容量化を図り易いものを得易くなる。

本発明の圧電トランスＩにおいては、前記絶縁部での音速が８０００ｍ／ｓ以上、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、該絶縁部の機械的強度が、前記発電部又は前記駆動部を構成している圧電セラミックスの機械的強度よりも高いことが好ましい。なお、上記の音速は、２７℃、３０〜１５０ｋＨｚ域での縦波の音速を意味し、上記の熱伝導率は８０℃下での熱伝導率を意味する。

前述した目的を達成する本発明の他の圧電トランスは、輪郭広がり基本振動モードで動作する正方形板状の圧電トランス、又は径広がり基本振動モードで動作する円板状の圧電トランスであって、主面と平行に配された内部電極を有する駆動部と、主面と平行に配された内部電極を有する発電部と、前記駆動部と前記発電部との間に配された絶縁部とを備え、前記絶縁部が窒化アルミニウムからなることを特徴とする（以下、この圧電トランスを「圧電トランスＡ」ということがある）。

この圧電トランスＡは、窒化アルミニウムからなる上記の絶縁部を有しており、窒化アルミニウムでの音速（音速度）は、圧電トランスに使用されＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスでの音速（音速度）よりも速い。また、圧電トランスに使用されＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスに比べて、窒化アルミニウムの熱伝導率は数十倍、機械的強度は数倍から１桁、体積抵抗率は１桁以上、それぞれ高い。そして、窒化アルミニウムの誘電率は、圧電トランスに使用されＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスの誘電率に比べて極めて小さい。

したがって、圧電トランスＡによれば、上述した本発明の圧電トランスＩと同様の理由から、従来と同一の形状及び大きさであっても駆動周波数を高めることができるために高電力密度化を図り易く、かつ、高電力容量化を図り易いものを得易くなる。

本発明の圧電トランスＡにおいては、前記絶縁部での音速が８０００ｍ／ｓ以上、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、該絶縁部の機械的強度が、前記発電部又は前記駆動部を構成している圧電セラミックスの機械的強度よりも高いことが好ましい。なお、上記の音速は、２７℃、３０〜１５０ｋＨｚ域での縦波の音速を意味し、上記の熱伝導率は８０℃下での熱伝導率を意味する。

以上説明したように、本発明によれば、従来と同一の形状及び大きさであっても駆動周波数を高めることができるために高電力密度化を図り易く、かつ、高電力容量化を図り易い圧電トランスを得易くなるので、ＡＣ−ＤＣコンバータ等の電力伝送に利用可能な高出力電力の圧電トランスであって小型のものを提供し易くなる。

本発明の圧電トランスは、上述したように、輪郭広がり基本振動モードで動作する正方形板状の圧電トランス、又は径広がり基本振動モードで動作する円板状の圧電トランスであり、駆動部と発電部との間にサファイア又は窒化アルミニウムからなる絶縁部が設けられているものである。以下、本発明の圧電トランスの形態について、図面を適宜参照して詳述する。

＜第１形態＞
図１（ａ）は、本発明の圧電トランスのうちの正方形板状の圧電トランスの一例を概略的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線断面の概略図である。これらの図に示す圧電トランス３０は、発電部（２次側）１０、絶縁部１５、及び駆動部（１次側）２０がこの順番で厚さ方向に積層された構造を有している。発電部１０において互いに対向する１組の側面の一方には外部電極２５ａが設けられ、他方の側面には外部電極２５ｂが設けられている。また、駆動部２０において互いに対向する１組の側面の一方には外部電極２７ａが設けられ、他方の側面には外部電極２７ｂが設けられている。

発電部１０は、厚さ方向に分極した圧電セラミックス層（以下、「圧電活性層」という。）を介して隣り合う内部電極１１を複数（図示の例では９層）有している。各内部電極１１は、例えば銀（Ａｇ）−パラジウム（Ｐｄ）合金等の無機導電性材料からなり、これらの内部電極１１は発電部１０の主面と平行に、ひいては圧電トランス３０の主面と平行に配されている。また、圧電活性層は、例えばＰＺＴ系圧電セラミックス等の無機圧電材料からなり、内部電極１１を介して隣り合う圧電活性層は互いに逆向きに分極されている。最も下層の内部電極１１の下には、未分極の圧電セラミックスからなる下部外装層が設けられており、最も上層の内部電極１１の上には、未分極の圧電セラミックスからなる上部外装層が設けられている。

駆動部２０は、上述した発電部１０と同様の構造を有している。図示の例では、駆動部２０における内部電極２１の数が発電部１０での内部電極１１の数よりも少ない３層となっている。ただし、発電部１０での内分電極１１の数、及び隣り合う内部電極１１同士の間隔（圧電活性層の厚さ）、並びに、駆動部２０での内分電極２１の数、及び隣り合う内部電極２１同士の間隔（圧電活性層の厚さ）は、圧電トランス３０の用途や、圧電トランス３０に求められるインピーダンス特性に応じて、適宜選定可能である。

発電部１０における１つおきの内部電極１１は外部電極２５ａに接続されており、残りの内部電極１１は外部電極２５ｂに接続されている。また、駆動部２０における１つおきの内部電極２１は外部電極２７ａに接続されており、残りの内部電極２１は外部電極２７ｂに接続されている。各外部電極２５ａ、２５ｂ、２７ａ、２７ｂは、例えば銀（Ａｇ）等の導電性材料によって形成される。

なお、図１（ｂ）においては、便宜上、個々の内部電極１１、２１を１本の実施線で示しており、発電部１０における圧電セラミックス層全体を参照符号１３で、また、駆動部２０における圧電セラミックス層全体を参照符号２３で示している。

発電部１０と駆動部２０との間に設けられている絶縁部１５は、本発明の圧電トランスにおける特徴的な構成部材であり、この絶縁部１５はサファイア（酸化アルミニウム単結晶）又は窒化アルミニウムからなる。発電部１０及び駆動部２０は、蝋付け等の方法により、接合材（図示せず。）を介して絶縁部１５に強固に接合されている。

絶縁部１５をサファイアによって形成した場合、通常、その音速は８０００ｍ／ｓ以上となり、その熱伝導率は３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる。圧電トランス３０の電力密度及び電力容量を共に高くするという観点から、この絶縁部１５の厚さは１〜２ｍｍ程度の範囲内とすることが好ましい。この厚さが１ｍｍ未満では駆動周波数の向上が小さく、また、圧電トランス３０での発電部１０と駆動部２０との絶縁性を保持し難くなり、２ｍｍを超えると、圧電トランス３０の実効的な電気機械結合係数が低下する。

一方、絶縁部１５を窒化アルミニウム（焼結体）によって形成する場合、その音速は８０００ｍ／ｓ以上であることが好ましく、その熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。また、圧電トランス３０の電力密度及び電力容量を共に高くするという観点から、その厚さは１〜３ｍｍ程度の範囲内とすることが好ましい。この厚さが１ｍｍ未満では駆動周波数の向上が小さく、また、圧電トランス３０での発電部１０と駆動部２０との絶縁性を保持し難くなり、３ｍｍを超えると圧電トランス３０の実効的な電気機械結合係数が低下する。

上述した構造を有する圧電トランス３０を使用するにあたっては、輪郭広がり基本振動モード（１次の輪郭広がり振動モード）を利用する。駆動部２０内の各圧電活性層を輪郭広がり基本振動モードで振動させることができる周波数の交流を外部電極２７ａ、２７ｂに印加して、上記各圧電活性層を輪郭広がり基本振動モードの下に強勢に励振すると、輪郭広がり基本振動モードの電気機械結合係数ｋ_ｐ’に依存する圧電逆効果により、発電部１０内の各圧電活性層が輪郭広がり基本振動モードの下に強勢に励振される。

電気機械結合係数ｋ_ｐ’の値は、圧電横効果による長さ方向縦振動モードでの電気機械結合係数ｋ_３１の約２倍大きいので、圧電トランス３０のエネルギー変換効率は高い。その結果として、圧電トランス３０による電力伝送効率も高くなる。圧電トランス３０の電力伝送効率が高ければ、この圧電トランス３０の更なる小型化が可能となる。

また、絶縁部１５の材料であるサファイア又は窒化アルミニウムでの音速は８０００／ｓ以上と速く、この値はＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスでの音速の２．５倍以上であるので、絶縁部の材料として未分極の圧電セラミックスを用いた場合に比べて、圧電トランス３０の基本共振周波数は高くなる。そのため、絶縁部の材料として未分極の圧電セラミックスを用いた圧電トランスの電力密度よりも、絶縁部１５の材料としてサファイア又は窒化アルミニウムを用いた圧電トランス３０の電力密度の方が大幅に高くなる。

例えば、圧電セラミックスとしてＰＺＴ系圧電セラミックスを用い、絶縁部１５を厚さ１．５ｍｍのサファイアで形成した場合、圧電トランス３０の大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍ×７ｍｍであれば、その基本共振周波数は１２０ｋＨｚとなり、３０Ｗ／ｃｍ^３以上の電力密度を容易に得ることができる。これに対し、サファイアに代えて未分極のＰＺＴ系圧電セラミックスを用いて絶縁部を形成した場合、圧電トランスの基本共振周波数は９６ｋＨｚと大幅に低くなり、電力密度も１８Ｗ／ｃｍ^３程度となる。

絶縁部１５は圧電トランス３０での厚さ方向の中央部に位置し、この部分は圧電トランス３０の中でも振動応力が最も大きい部分であるため、音速が速いというサファイア又は窒化アルミニウムの特性を効果的に生かし易い。また、サファイア及び窒化アルミニウムそれぞれの機械的強度はＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスに比べて高く、同じ厚さであれば、サファイア又は窒化アルミニウムからなる絶縁部１５の機械的強度は、圧電セラミックスからなる絶縁部の機械的強度よりも数倍から１桁高くなる。このため、圧電トランス３０を大振幅で振動させたときでも、絶縁部１５からの破壊を抑止し易い。

さらに、サファイア及び窒化アルミニウムの熱伝導率は、ＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスの熱導電率よりもはるかに（数十倍）高いので、サファイア又は窒化アルミニウムによって絶縁部１５が形成された圧電トランス３０全体の放熱性は、未分極の圧電セラミックスで絶縁部が形成された圧電トランスの放熱性よりも大幅に高くなる。その結果として、圧電トランス３０では駆動に伴う昇温が抑えられるので、高電力容量化を図り易い。

例えば、圧電セラミックスとしてチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスを用い、絶縁部１５を厚さ１．５ｍｍのサファイアで形成した場合、圧電トランス３０の大きさが２０ｍｍ×２０ｍｍ×７ｍｍであれば、５０Ｗ出力時での温度上昇は僅か１５℃程度以下となる。

サファイア及び窒化アルミニウムの誘電率は、ＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスの誘電率に比べて極めて小さく、しかも、サファイア及び窒化アルミニウムの体積抵抗率はそれぞれ１×１０^１４Ω・ｃｍ以上と高いので、圧電トランス３０では絶縁部１５の絶縁特性を容易に高くすることができる。この点からも、圧電トランス３０では高電力容量化を図り易い。

例えば、サファイア又は窒化アルミニウムからなる絶縁部１５の厚さが１．０ｍｍであれば、５０Ｈｚ、５ｋＶの交流電圧、及び１０ｋＶの直流電圧にも十分耐えられるようになる。また、絶縁部をＰＺＴ系圧電セラミックス等の圧電セラミックスで形成した場合に比べて、駆動部２０から発電部１０に流出する漏れ電流を１／１００程度に減少させることができるので、伝導ノイズを２桁小さくすることが可能である。

＜第２形態＞
図２（ａ）は、本発明の圧電トランスのうちの円板状の圧電トランスの一例を概略的に示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したII−II線断面の概略図である。これらの図に示す圧電トランス４０は、外形形状が円板状であるという点を除き、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した圧電トランス３０と同じ構造を有している。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した各構成部材については、図１（ａ）又は図１（ｂ）に示した構成部材と機能上共通するものに図１（ａ）又は図１（ｂ）で用いた参照符号と同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

この圧電トランス４０を使用するにあたっては、径広がり基本振動モード（１次の径広がり振動モード）を利用する。駆動部２０内の各圧電活性層を径広がり基本振動モードで振動させることができる周波数の交流を外部電極２７ａ、２７ｂに印加して、上記各圧電活性層を径広がり基本振動モードの下に強勢に励振すると、径広がり基本振動モードの電気機械結合係数ｋ_ｐに依存する圧電逆効果により、発電部１０内の各圧電活性層が径広がり基本振動モードの下に強勢に励振される。

圧電トランス４０は、サファイア又は窒化アルミニウムからなる絶縁部１５を有しているので、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した圧電トランス３０と同様の理由から、従来と同一の形状及び大きさであっても駆動周波数を高めることができるために高電力密度化を図り易く、かつ、高電力容量化を図り易いものである。また、径広がり基本振動モードの電気機械結合係数ｋ_ｐは、一般に、輪郭広がり基本振動モードでの電気機械結合係数ｋ_ｐ’よりも僅かに大きな値となる。このため、圧電トランス４０の電力密度は、駆動周波数が同じであれば、上述した圧電トランス３０の電力密度よりも５〜１０％程度高くなる。

＜実施例＞
圧電セラミックスとしてＰＺＴ系圧電セラミックスを用い、絶縁部として厚さ１．５ｍｍの平板状を呈する人工合成サファイアを用いて、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した圧電トランス３０と同様の構造を有する２０ｍｍ×２０ｍｍ×７．０ｍｍの正方形板状の圧電トランスを作製した。この圧電トランスにおける発電部の厚さは３．０ｍｍ、駆動部の厚さは２．５ｍｍである。

発電部は、銀（Ａｇ）−パラジウム（Ｐｄ）合金からなる内部電極を９層有しており、したがって、圧電活性層を８層有している。個々の圧電活性層の厚さは０．３５ｍｍである。一方、駆動部は、銀（Ａｇ）−パラジウム（Ｐｄ）合金からなる内部電極を３層有しており、したがって、圧電活性層を２層有している。個々の圧電活性層の厚さは１．２ｍｍである。発電部での内部電極の層数と駆動部での内部電極の層数との相違は、圧電トランスをＡＣ−ＤＣコンバータの昇圧トランスとして用いるときに、このＡＣ−ＤＣコンバータに接続される外部負荷とのインピーダンスマッチングをとるためである。

これら発電部及び駆動部は、平行平面研磨（ラッピング）されており、絶縁部（人工合成サファイア）に６５０℃で蝋付けされている。発電部及び駆動部それぞれに設けられている外部電極は、いずれも、銀（Ａｇ）−パラジウム（Ｐｄ）合金からなる。

上述した構造を有する圧電トランスは、次のようにして作製した。まず、内部電極形成用の組成物が片面に塗布されたグリーンシートを必要枚数積層し、所定の大きさに打ち抜いた後に焼結して、発電部用の圧電セラミックス積層体を作製した。同様にして、駆動部用の圧電セラミックス積層体を作製した。次いで、各圧電セラミックス積層体に平行平面研磨を施してから絶縁部に蝋付けした。この後、発電部となる圧電セラミックス積層体の各内部電極、及び駆動部となる圧電セラミックス積層体の各内部電極に直流高電圧を印加することによって分極処理を施して、圧電トランスを得た。

この圧電トランスに２０Ωの外部負荷を接続し、この状態で輪郭広がり基本振動モードの下に当該圧電トランスを動作させて、ハイパワーテストを行った。このときの圧電トランスの基本共振周波数は１２３ｋＨｚ、駆動周波数は１２８ｋＨｚである。圧電トランスが３０℃昇温した時点でパワー限界に達したものと定義したところ、最大出力電力は９５Ｗ、最大電力密度は３３．９Ｗ／ｃｍ^３であった。これらの値は、従来の圧電トランスと比べて相当に高く、一般の電磁型トランスと比べても相当に高い。

また、上記の圧電トランスの発電部及び駆動部に周波数６０Ｈｚ、実効電圧５０００Ｖの交流を印加したところ、５分経過後においても殆んど電流は流れなかった。さらに、伝導ノイズを測定したところ、後述する比較例の圧電トランスでの伝導ノイズの１／１００以下であった。伝導ノイズが小さい本実施例の圧電トランスをＡＣ−ＤＣコンバータに用いると、従来の圧電トランスを搭載したＡＣ−ＤＣコンバータと比べてノイズフィルタの体積を１／１０以下に抑えることが可能となるので、ＡＣ−ＤＣコンバータを一層小型化することができる。

＜実施例２＞
外形形状が直径２．２６ｍｍ、厚さ７ｍｍの円板状であること以外は実施例１の圧電トランスと同じ構造を有する圧電トランスを作製した。そして、この圧電トランスに２０Ωの外部負荷を接続し、この状態で径広がり基本振動モードの下に当該圧電トランスを動作させて、ハイパワーテストを行った。

このときの圧電トランスの基本共振周波数は１３６ｋＨｚであり、圧電トランスが３０℃昇温した時点でパワー限界に達したものと定義したところ、最大出力電力は１１６Ｗ、最大電力密度は４１．６Ｗ／ｃｍ^３であった。

＜比較例＞
絶縁部を未分極のＰＺＴ系圧電セラミックスで形成した以外は実施例１と同じ条件の下に圧電トランスを作製し、この圧電トランスに２０Ωの外部負荷を接続した状態でその基本共振周波数を測定したところ、１００ｋＨｚに満たなかった。また、最大出力電力は３３Ｗであった。

図１（ａ）は、本発明の圧電トランスのうちの正方形板状の圧電トランスの一例を概略的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線断面の概略図である。図２（ａ）は、本発明の圧電トランスのうちの円板状の圧電トランスの一例を概略的に示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したII−II線断面の概略図である。図３（ａ）は、従来の正方形板状の圧電トランスの一例を概略的に示すに平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したIII−III線断面の概略図である。従来の圧電トランスの他の例を概略的に示す正面図である。

符号の説明

１０発電部
１１内部電極
１５サファイア又は窒化アルミニウムからなる絶縁部
２０駆動部
２１内部電極
２５ａ、２５ｂ、２７ａ、２７ｂ外部電極
３０正方形状の圧電トランス
４０円板状の圧電トランス

Claims

輪郭広がり基本振動モードで動作する正方形板状の圧電トランス、又は径広がり基本振動モードで動作する円板状の圧電トランスであって、
主面と平行に配された内部電極を有する駆動部と、主面と平行に配された内部電極を有する発電部と、前記駆動部と前記発電部との間に配された絶縁部とを備え、前記絶縁部がサファイアからなることを特徴とする圧電トランス。
前記絶縁部での音速が８０００ｍ／ｓ以上、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、該絶縁部の機械的強度が、前記発電部又は前記駆動部を構成している圧電セラミックスの機械的強度よりも高いことを特徴する請求項１に記載の圧電トランス。
輪郭広がり基本振動モードで動作する正方形板状の圧電トランス、又は径広がり基本振動モードで動作する円板状の圧電トランスであって、
主面と平行に配された内部電極を有する駆動部と、主面と平行に配された内部電極を有する発電部と、前記駆動部と前記発電部との間に配された絶縁部とを備え、前記絶縁部が窒化アルミニウムからなることを特徴とする圧電トランス。
前記絶縁部での音速が８０００ｍ／ｓ以上、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、かつ、該絶縁部の機械的強度が、前記発電部又は前記駆動部を構成している圧電セラミックスの機械的強度よりも高いことを特徴する請求項３に記載の圧電トランス。