JP5614629B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板に圧電トランスを除いた部分の電源回路が形成され、圧電トランスは基板に実装されて電源回路と導通接続されているオンボード型の電源装置に関し、詳しくは、小型化、低背化を可能にし、実装工程を大幅に簡素化でき、更に、高信頼性の確保できる構造の電源装置に関するものである。

従来から、圧電トランスは、伝達効率が高く絶縁性も確保しやすいなどの特徴を持っているため、小型電源用トランスとして注目されている。

図３は、従来の圧電トランスを実装した電源装置の一例を示す構成説明図である。従来の電源装置は、圧電トランス１を筺体状のケース２に収納して成る圧電トランス素子３を、配線パターンが形成されたプリント配線板上に載置して実装される構成により成る。

圧電トランス１は、矩形板の圧電セラミックス等の圧電基板１ａの一方の端面からほぼ矩形板の長さの３分の１の領域の略全面に１次電極（入力電極）１ｂが形成され、他方の端面から矩形板の長さの３分の１の位置の領域に略全面に２次電極（出力電極）１ｃが形成される。基板を挟んで１次電極（入力電極）１ｂおよび２次電極（出力電極）１ｃと対向する対向電極（図示せず）がそれぞれ形成されるものでもよい。

筺体状のケース２は、圧電トランス１より一回り大きく形成される。圧電トランス１は、振動の節が固定されてケース２に収納される。

圧電トランス素子３は、入力電極１ｂとケース２のリード２ａとを電気的に接続するボンディングワイヤ４を備え、出力電極１ｃとケース２のリード２ｂとを電気的に接続するボンディングワイヤ５を備える。

圧電トランス素子３は、プリント配線板上に載置した状態で、圧電トランス素子３の各リード（接続端子）とプリント配線板に配線された接続線とがハンダ付け等により固定及び電気的に接続されて、プリント配線板に実装される。

このように形成された圧電トランスを用いた電源装置は、次のように動作する。
プリント配線板に配線された接続線からケース２の各リード２ａ、２ｂを介して圧電トランス１の入力電極１ｂに電圧が印加される。

入力電極１ｂに電圧が印加されると、圧電トランス１に機械振動が発生する。圧電トランス１の機械振動の圧電効果によって、昇圧された出力電極が発生し、出力電極１ｃに電流が流れる。

出力電極１ｃに電流が流れると、圧電トランス１の出力電極１ｃと接続されているボンディングワイヤ５、リード２ｂを介して、プリント配線板に配線された接続線に電流を出力する。

例えば、従来の圧電トランスを用いた電源装置に関連する先行技術文献として下記の特許文献１がある。

特開２００３−１８８４３４号公報

しかしながら、従来の電源装置では、圧電トランス自体が振動をするので、実装が難しいという問題点があった。また、上述のようなケースを用いずに構成される場合もあるが、固定及び電気的接続が難しいという問題点もあった。

また、圧電トランスをケースを用いて実装する場合、ケースの大きさの分、実装体積が大きくなり、小型・低背性が損なわれてしまうという問題点もあった。

また、ケースを用いる場合も用いない場合も、圧電トランスの電極とケースのリードもしくは外部の電極パッドとの電気的接続は、ワイヤ等で接続される（繋ぐ）こととなるので、ワイヤを接続する工程は自動化、機械化が難しく、手作業で行うことが一般的であり、工数がかかってしまうという問題点もあった。

その上、圧電トランスはトランス自体が振動するために、ワイヤとの接続部が長期間の使用で断線するケースもあり、信頼性上の問題となっていた。

本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、小型化、低背化を可能にし、実装工程を大幅に簡素化でき、更に、高信頼性の確保できる構造のオンボード型の電源装置を実現することにある。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、
基板に圧電トランスを除いた部分の電源回路が形成され、前記圧電トランスは前記基板に実装されて前記電源回路と導通接続されている電源装置において、
前記電源回路は、配線パターンが形成された前記基板であるプリント配線板により形成され、
前記基板には、トランス収容孔が形成され、
前記トランス収容孔内で前記圧電トランスと前記基板とを橋渡す保持部材を備え、
前記圧電トランスは、前記基板の厚さとほぼ同じ厚さの平面状に形成され、
前記圧電トランスは、前記保持部材により保持されて前記トランス収容孔内に、その厚さ方向が前記基板の厚さ方向に揃うように宙吊り配設され、
前記圧電トランスは、前記保持部材を介して前記配線パターンに導通接続されることを特徴とする電源装置。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電源装置において、
前記基板には、前記圧電トランスが形成される領域において、前記圧電トランスと重なって他の部品が実装されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の電源装置において、
前記圧電トランスは、前記電源回路に前記保持部材を介して導通接続されることを特徴
とする。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の電源装置において、
前記保持部材は、
、前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの入力電極の一端と前記基板とを橋渡す第
１のブリッジセラミックス部と、前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの出力電極の
一端と前記基板とを橋渡す第２のブリッジセラミックス部と、を備え、
前記第１のブリッジセラミックス部および前記第２のブリッジセラミックス部は、前記
圧電トランスの振動の節となる部位で前記圧電トランスを保持することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載の電源装置において、
前記圧電トランスがλモードにより振動する圧電トランスであるときは、
前記第１のブリッジセラミックス部および前記第２のブリッジセラミックス部は、
前記圧電トランスの一端から全体の略４分の１の長さだけ離れた位置で前記圧電トランスを保持し、前記圧電トランスの他端から全体の略４分の１の長さだけ離れた位置で前記圧電トランスを保持することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５に記載の電源装置において、
前記保持部材は、
、前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの入力電極の他端と前記基板とを橋渡す第
３のブリッジセラミックス部と、前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの出力電極の
他端と前記基板とを橋渡す第４のブリッジセラミックス部、を備え、
前記第３のブリッジセラミックス部および前記第４のブリッジセラミックス部は、前記
圧電トランスを挟んで前記第１のブリッジセラミックス部および前記第２のブリッジセラ
ミックス部と対向し振動の節となる部位で、前記圧電トランスを保持することを特徴とす
る。

本発明によれば、電源装置は、圧電トランスが、圧電トランスと基板とを橋渡す保持部材に装着されて宙吊り配設されることにより、小型化、低背化を可能にし、実装工程を大幅に簡素化でき、更に、高信頼性の確保できる。
また、本発明の電源装置の構成であれば、製造時に（アルミナ）基板形成の工程で行われる絶縁層の形成が圧電トランス上にも同時に行えるため、絶縁性の確保が容易である。

本発明の電源装置の一実施例を示す構成説明図である。 本発明の圧電トランスの他の実施例を示す構成説明図である。 従来の圧電トランスを実装した電源装置の一例を示す構成説明図である。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明の電源装置の一実施例を示す構成説明図であり、図３と共通する部分は適宜説明を省略する。図１と図３との相違点は、オンボード（基板実装）型である点、圧電トランスが、圧電トランスと基板とを橋渡す保持部材に保持されてトランス収容孔内で宙吊り配設されている点である。

（構成の概要）
図１において、本発明の（オンボード型）電源装置６は、圧電トランス７が、基板２０に形成されるトランス収容孔２０ａ内で、圧電トランス７と基板２０とを橋渡す保持部材８に保持され宙吊り配設されて、基板２０上の電源回路と電気的に接続されて成る。

圧電トランス７は、たとえば図１のように、矩形板の圧電セラミックス等の圧電基板７ａの一方の端面からほぼ矩形板の長さの３分の１の領域の略全面に１次電極（入力電極）７ｂが形成され、他方の端面から矩形板の長さの３分の１の位置の領域に略全面に２次電極（出力電極）７ｃが形成される。また基板を挟んで１次電極（入力電極）７ｂおよび２次電極（出力電極）７ｃと対向する対向電極（図示せず）がそれぞれ形成されるものでもよい。

基板２０は、配線パターンが形成されたプリント配線板（基板セラミクス（アルミナなど））などであって、圧電トランス７を除いた部分の電源回路が形成される。また、基板２０には圧電トランス７よりも大きいトランス収容孔２０ａが形成される。

保持部材８は、圧電トランス７を支持し、圧電トランス７と基板２０とを電気的に接続させる。
具体的には、保持部材８は、一端が基板２０に固定され、トランス収容孔２０ａ内で圧電トランス７の入力電極７ｂの一端と基板２０とを橋渡す第１のブリッジセラミックス部８ａと、一端が基板２０に固定され、トランス収容孔２０ａ内で圧電トランス７の出力電極７ｃの一端と基板２０とを橋渡す第２のブリッジセラミックス部８ｂと、一端が基板２０に固定され、トランス収容孔２０ａ内で圧電トランス７の入力電極７ｂの他端と基板２０とを橋渡す第３のブリッジセラミックス部８ｃと、一端が基板２０に固定され、トランス収容孔２０ａ内で圧電トランス７の出力電極７ｃの他端と基板２０とを橋渡す第４のブリッジセラミックス部８ｄとを備える。

なお、保持部材８は、少なくとも第１のブリッジセラミックス部８ａおよび第２のブリッジセラミックス部８ｂを備えていれば、第３のブリッジセラミックス部８ｃまたは／および第４のブリッジセラミックス部８ｄを備えるものでなくてもよい。

ここで、圧電トランス７は振動モードによって振動をしない節となる点が存在する。
第１のブリッジセラミックス部８ａおよび第２のブリッジセラミックス部８ｂは、圧電トランス７の振動の節となる部位（領域、範囲）で圧電トランス７を保持する。

たとえば、圧電トランス７は、λモードにより振動する圧電トランスであるときは、圧電トランスの一端から全体の略４分の１の長さだけ離れた位置で第１のブリッジセラミックス部８ａに装着され、圧電トランス７の他端から全体の略４分の１の長さだけ離れた位置で第２のブリッジセラミックス部８ｂに装着される。

また、第３のブリッジセラミックス部８ｃおよび第４のブリッジセラミックス部８ｄは、圧電トランス７を挟んで第１のブリッジセラミックス部８ａおよび第２のブリッジセラミックス部８ｂと対向し振動の節となる部位（領域、範囲）で、圧電トランス７を保持する。

このように、圧電トランス７は、保持部材８により保持されてトランス収容孔２０ａ内に宙吊り配設される。
この時、第１のブリッジセラミックス部８ａ、第２のブリッジセラミックス部８ｂ、第３のブリッジセラミックス部８ｃおよび第４のブリッジセラミックス部８ｄは、機械的強度を確保できる条件で、振動を妨げ、効率が低下しないように、できるだけ小さいエリアで圧電セラミックスを支持することが好適である。

ここで、圧電基板は図１（Ｂ）のように、トランス収容孔内２０ａに配置され、焼成されて保持部材８（第１のブリッジセラミックス部８ａ、第２のブリッジセラミックス部８ｂ、第３のブリッジセラミックス部８ｃおよび第４のブリッジセラミックス部８ｄ）を介して基板２０と一体化される。また、本発明の電源装置は、焼成後には基板作製のプロセスで圧電トランス７の入力電極７ｂおよび出力電極７ｃの各電極の配設及び配線を同時に行うことで製造される。
このように、焼成により一体化しておくと、基板２０に配線層を形成する工程で圧電セラミックスにも同時に電極及び外部への配線が可能となる点で有効である。

図１においては、配線層の形成構成で第１のブリッジセラミックス部８ａ（または第３のブリッジセラミックス部８ｃ）に形成された接続線は、入力電極７ｂと基板２０に配線された接続線の接続端と相互に電気的に接続される。

また、第２のブリッジセラミックス部８ｂ（または第４のブリッジセラミックス部８ｄ）に形成された接続線は、出力電極７ｃと基板２０に配線された接続線の接続端と相互に電気的に接続される。

なお、第１のブリッジセラミックス部８ａおよび第２のブリッジセラミックス部８ｂは、材質には特に指定は無く、圧電トランス（圧電セラミックス）側の突起として予め形成しても、基板セラミックス側の突起として形成しても良く、独立したパーツとして形成し、焼成後一体化するものでも良い。

また、４端子の圧電トランスでは、表面の電極と同じく、裏面にも電極が形成される。分極は電極形成後に基板ごと熱を加え、電界を印加して行われる。

（動作説明）
このように形成された圧電トランスを用いた電源装置は、次のように動作する。基板２０の接続端から第１のブリッジセラミックス部８ａ（または第３のブリッジセラミックス部８ｃ）に形成された接続線を介して、圧電トランス７の入力電極７ｂに電圧が印加される。

入力電極７ｂに電圧が印加されると、圧電トランス７に機械振動が発生する。圧電トランス７の機械振動の圧電効果によって、昇圧された出力電圧が発生し、出力電極７ｃに電流が流れる。

出力電極７ｃに電流が流れると、圧電トランス７の出力電極７ｃと接続されている第２のブリッジセラミックス部８ｂ（または第４のブリッジセラミックス部８ｄ）の接続線を介して、基板２０に配線された接続線に電流を出力する。

この結果、本発明の電源装置は、圧電トランスが、圧電トランスと基板とを橋渡す保持部材に保持されてトランス収容孔内で宙吊り配設されることにより、基板内に圧電トランスが埋め込まれることになり、従来よりも実装面積を極端に小さくできる。
また、圧電トランスの上に他の部品を実装することも可能であり、電源モジュール（電源装置）として組む場合、モジュール自体の小型化、低背化に貢献できる。
また、本発明の電源装置は、圧電トランスと外部端子とを電気的に接続するワイヤは無く、手作業の工程を無くすことが可能となる。しかも、ワイヤ切れの心配が無いので、高信頼性が確保でき、絶縁を確保できる実装が可能である。

つまり、本発明の電源装置は、圧電トランスが、基板に形成されるトランス収容孔内で圧電トランスと基板とを橋渡す保持部材に保持されて宙吊り配設されることにより、小型化、低背化を可能にし、実装工程を大幅に簡素化でき、更に、高信頼性の確保できる。

また、本発明の電源装置の構成であれば、製造時に（アルミナ）基板形成の工程で行われる絶縁層の形成が圧電トランス上にも同時に行えるため、絶縁性の確保が容易である。

すなわち、本発明の電源装置は上述のような構成であれば、圧電セラミックスを基板内に埋め込む形で焼成して一体化し、焼成後は基板作製のプロセスで圧電トランスの電極付け及び配線を同時に行うことができ、実装プロセスを大幅に削減できる。

（その他の実施例）
本発明の電源装置は、圧電トランス７の入力電極および出力電極が第１のブリッジセラミックス部８ａおよび第２のブリッジセラミックス部８ｂ（または第３のブリッジセラミックス部８ｃおよび第４のブリッジセラミックス部８ｄ）を介して基板２０に配線された接続線の接続端と接続されるものとして説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、ボンディングワイヤまたはボンディングリードにより接続されるものでもよい。

図２は、本発明の圧電トランスの他の実施例を示す構成図であり、図１と共通する部分は同じ符号として適宜説明を省略する。

図２（Ａ）において、ブリッジセラミックス部が細い等の理由で、第１のブリッジセラミックス部８ａおよび第２のブリッジセラミックス部８ｂ（または第３のブリッジセラミックス部８ｃおよび第４のブリッジセラミックス部８ｄ）を介した配線を行えない場合は、圧電トランス７上の電極と基板２０上の電極パッド９ａ、９ｂを形成し、ボンディングワイヤ１０ａ、１０ｂで接続することもできる。

ワイヤボンディング等の実装の工数を減らすためは、図２（Ｂ）のようにボンディングリード１１ａ、１１ｂをマウンタで置き、リフローなどで他の実装部品と接続するものでもよい。

これらの場合、圧電トランス７上の接続部分は振動モードの節となる位置に配置されるものが好適である。

６ 電源装置
７ 圧電トランス
７ａ 入力電極
７ｂ 出力電極
８ 保持部材
８ａ 第１のブリッジセラミックス部
８ｂ 第２のブリッジセラミックス部
８ｃ 第３のブリッジセラミックス部
８ｄ 第４のブリッジセラミックス部
２０ 基板
２０ａ トランス収容孔

Claims (6)

1. 基板に圧電トランスを除いた部分の電源回路が形成され、前記圧電トランスは前記基板に実装されて前記電源回路と導通接続されている電源装置において、
   前記電源回路は、配線パターンが形成された前記基板であるプリント配線板により形成され、
   前記基板には、トランス収容孔が形成され、
   前記トランス収容孔内で前記圧電トランスと前記基板とを橋渡す保持部材を備え、
   前記圧電トランスは、前記基板の厚さとほぼ同じ厚さの平面状に形成され、
   前記圧電トランスは、前記保持部材により保持されて前記トランス収容孔内に、その厚さ方向が前記基板の厚さ方向に揃うように宙吊り配設され、
   前記圧電トランスは、前記保持部材を介して前記配線パターンに導通接続される
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記基板には、前記圧電トランスが形成される領域において、前記圧電トランスと重なって他の部品が実装される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記圧電トランスは、
   前記トランス収容孔内に配置され、焼成により前記保持部材を介して前記基板と一体化する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記保持部材は、
   前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの入力電極の一端と前記基板とを橋渡す第１のブリッジセラミックス部と、前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの出力電極の一端と前記基板とを橋渡す第２のブリッジセラミックス部と、を備え、
   前記第１のブリッジセラミックス部および前記第２のブリッジセラミックス部は、前記圧電トランスの振動の節となる部位で前記圧電トランスを保持する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記圧電トランスがλモードにより振動する圧電トランスであるときは、
   前記第１のブリッジセラミックス部および前記第２のブリッジセラミックス部は、
   前記圧電トランスの一端から全体の略４分の１の長さだけ離れた位置で前記圧電トランスを保持し、前記圧電トランスの他端から全体の略４分の１の長さだけ離れた位置で前記圧電トランスを保持する
   ことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 前記保持部材は、
   前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの入力電極の他端と前記基板とを橋渡す第３のブリッジセラミックス部と、前記トランス収容孔内で前記圧電トランスの出力電極の他端と前記基板とを橋渡す第４のブリッジセラミックス部、を備え、
   前記第３のブリッジセラミックス部および前記第４のブリッジセラミックス部は、前記圧電トランスを挟んで前記第１のブリッジセラミックス部および前記第２のブリッジセラミックス部と対向し振動の節となる部位で、前記圧電トランスを保持する
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。