JPH0418776A

JPH0418776A - 厚み振動圧電磁器トランス、その駆動方法および製造方法

Info

Publication number: JPH0418776A
Application number: JP2140702A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Inoue; 武志井上; Osamu Onishi; 修大西; Nobuo Oide; 大出　延男; Kaneo Uehara; 上原　兼雄
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1992-01-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高周波帯で動作可能な圧電トランスに関する
ものである。とりわけ、小型化・低ノイズ化が要求され
るオンボード電源用圧電トランスに係わる。

（従来の技術）近年、電源の小型化のため、スイッチング電源の高周波
化が急ピッチで行われている。従来より、このスイッチ
ング電源には、電磁型トランスが用いられており、電源
を小型化するためには、周知の如く、スイッチング周波
数の高周波化を図ることが望ましい。ところが、周波数
を高くするほど、電磁型トランスに用いられている磁性
材料のヒステリシス損失、渦電流損失、表皮効果による
損失が急激に増大する欠点を持つ。このため、電磁型ト
ランスの実用的な周波数帯域の上限はせいぜい５００ｋ
Ｈｚである。

これに対して、圧電ｌ−ランスは、共振状態で使用され
、一般の電磁型トランスに比べて（１）同一周波数にお
いて、エネルギー密度が高いため小型化がはかれること
、（２）不燃化がはかれること、（３）電磁誘導による
ノイズが出ないことなど数多くの長所を有している。

第２７図に従来の代表的な圧電トランスであるローゼン
タイプ圧電トランスの構造を示す。高電圧を取り出そう
とする場合、図について説明すると、表面に電極が設け
られた圧電板において、８１、で示す部分は圧電トラン
スの低インピーダンスの駆動部分であり、その上下面に
電極８３．８４が設けられ−Ｃおり、この部分は厚に方
向に分極されている（図中の矢印で示す）。また、同様
に８２で示す部分は高インピーダンスの発電部分であり
、その端面に電極８５が設けられており、発電部分８２
は圧電板の長さ方向に分極されている（図中の矢印で示
す）。この圧電トランスの動作は、駆動電極８３．８４
に電圧が印加されると横効果３１モードで、電気機械結
合係数に３１に従って縦振動が励振され、さらに発電部
分では、電気機械結合係数に３３に依って、縦効果縦振
動モード（３３モード）により、高電圧が取り出される
。一方、高電圧を人力し、低電圧を出力させようとする
場合には、縦効果の高インピーダンス部分を入力端、横
効果の低インピーダンス部分を出力側とすれば良いこと
は言うまでもない。他のタイプの圧電トランスも、いず
れもローゼンタイプと同じ板の伸び振動を利用したもの
や円板の径広がり振動を利用したものであり、適用周波
数は最高２００ｋＨｚ程度である。

（発明が解決しようとする課題）以上の従来例で示したように、圧電トランスの適用周波
数領域は、２００ｋＩ（ｚ以下の低周波帯においてのみ
であった。また、ローゼンタイプの圧電トランスは、縦
効果の結合係数に比べて著しく小さい横効果縦振動モー
ドの結合係数”３１を用いざるを得ないため、小さい帯
域幅しか得られないという欠点があった。

圧電磁器トランスでは電磁トランスとは異なり、出力電
圧ｌ入力電圧比は鋭い周波数特性を持ち、その値は共振
周波数において最大値をとる。

この共振周波数は圧電磁器、電極相料等の材料定数と厚
さに依存するため、作製時の収縮率によりばらつきが生
じる。そのため共振周波数は外部回路の駆動周波数と必
ずしも一致しない。

また、圧電磁器トランスの機械的品質係数が大きいほど
電力伝送効率を高くとれるが、一体焼成を行なったまま
の状態では平行度や平面度が悪いため、機械的品質係数
が小さく電力伝送効率も低かった。

（課題を解決するための手段）本発明は基本的には電極層と厚み方向に分極された圧電
体層が交互に積層された積層体であって、電極層は一層
おきに所定の端子と接続しており、該端子は低インピー
ダンス部を構成する一対と高インピーダンス部を構成す
る一対の４端子構成、または前記各村の１端子を共通に
した３端子構成となっていることを特徴とする厚み振動
圧電磁器トランスと、低インピーダンス部と高インピー
ダンス部の境界には圧電体より誘電率の低い絶縁層が配
置されていることを特徴とする厚み振動圧電磁器トラン
スである。

またこの圧電磁器トランスの駆動方法として該トランス
の厚みが２分の１波長または１波長となる周波数で駆動
する方法であり、圧電磁器材料のグリーンシートを積層
、焼成する工程を備えた製造方法であり、また２種の圧
電磁器積層体又は焼成体を絶縁層を介１−で接合する工
程を備えた製造方法である。

本発明は、ＩＭＨｚ以上の高周波帯において低損失で十
分な機能を有する圧電トランスを提供するためになされ
たものである。本発明の圧電磁器トランスは、たとえば
第１図に示す如く、低インピーダンス部分１１と、高イ
ンピーダンス部分１２から構成され、厚み縦振動モード
で動作する。１３は電極層、２０は外部表面電極である
。分極方向（図において矢印で示す）は、すべて厚み方
向で、隣接する各層の分極方向は互いに逆向きである。

このような、内部多層電極を有する電圧トランスは、積
層セラミックキャパシタ等で用いるられている積層セラ
ミック技術（グリーンシートに電極を印刷し積層、焼成
する方法）で製造することが可能であり、このような方
法で製造した圧電トランスでは、層間隔を１０〜２５μ
ｍ程度まで薄く実現することが可能である。従って、２
分の］−波長モード（両端自由の基本モード）、あるい
は１波長モード（両端自由の２次モード）厚み縦共振を
利用したとしても、積層セラミック技術を用いて、５Ｍ
Ｈｚ〜１０ＭＨｚ帯の超高周波領域で動作する圧電トラ
ンスも実現できる。厚みたて振動で動作する圧電トラン
スの出力Ｐ（ワット）は、簡単なエネルギー的考察によ
り、近似的に拘束誘電率、■は圧電トランスの体積、ｋ
は厚みたして振動の電気機械結合係数である。従って圧電トランス
は、圧電セラミック材料の電気機械結合係数に、が大き
いほど、共振周波数ルが高いほど、単位体積当たりの出
力が大きくなり、それだけ小型化を図ることができる。

本発明に基づく圧電トランスは、三端子構成あるいは四
端子構成いずれも可能である。三端子構成の一例を示す
圧電トランスの断面図を第２図、四端子構成の一例を示
す圧電トランスの断面図を第３図に示す。第２図、第３
図において、１４は絶縁層、１５は外部リード電極、１
．６．１７．１８．１．９は電気端子、２゜は外部表面
電極である。

尚、第２図、第３図（ａ）に示した電極層１３は、圧電
トランスの側面まで電極が露出Ｉ−た構成であり、外部
絶縁層１４を必要とするが、第３図（ｂ）に示す」二う
に外部絶縁層１４の不用な交差指電極とする構成も可能
であることは言うまでもない。

本発明に基づく圧電磁器トランスの他の構成は、第４図
に例として示す如く、内部多層電極１３とを有する低イ
ンピーダンス圧電磁器部分１１と単層もしくはせいぜい
２，３層の内部電極１３を有する高インピーダンス圧電
磁器部分１２、およびそれら圧電磁器部分１．１．１２
の中間に挿入された絶縁板１４から構成され、圧電磁器
部分１１．１２およびＡｌ２Ｏ３、ガラスなどの低誘電
率の絶縁板１４は互いに強固に一体化されている。また
、圧電磁器部分について、圧電性を付与するため、直流
高電界で分柾処理が行われ、分極方向（図において矢印
で示す）はすべて厚み方向で、隣接する各層の分極方向
は互いに逆向きである。本発明に基づく、多相内部電極
を有する圧電トランスも、積層セラミックキャパシタ等
に用いられている積層セラミック技術（ドクターブレー
ド法）で製造することが可能である。本方法で製造した
場合、低インピーダンス圧電セラミック部分１１におい
て、層間隔１０／ｉｍ程度まで薄く実現することが可能
である。尚、図中２０は必要に応じて設けられた外部電
極である。

本構成の圧電トランスは、２分の１波長共振厚み縦共振
モード、あるいはｌ波長厚み縦振モードのいずれも励振
可能である。

１波長共振を利用した場合、絶縁板１４及び絶縁板１４
と圧電磁器素子１１．．１２との境界部分はほとんど振
動の腹となり、これらの部分における振動応力は小さい
。１波長厚み縦共振モードを効率良く励振するためには
、絶縁板の厚さを、圧電トランスの厚さの２割以下にす
る必要がある。スプリアスのない単峰性の厚み縦共振を
実現する場合、２分の１波長モー　ドより１波長モード
の方が有利である。

本構成の圧電トランスは三端子構成あるいは四端子構成
いずれも可能であるが、絶縁板を圧電セラミック素子の
間に挿入したことにより、入出力端子間の絶縁性が良好
であるため、とくに四端子構成に好都合である。本発明
に基づく四端子構成の圧電トランスの断面図を第５図（
ａ）に示す。第５図（ａ）において、１４は絶縁層、１
５は外部リード電極１６゜１７、１８．１９は電気端子
、２０は外部表面電極である。

尚、第５図（ａ）に示した内部電極１３は、圧電トラン
スの側面まで電極が露出した構成であり、外部絶縁層１
４を必要とするが、第５図（ｂ）に示す外部絶縁層１４
の不用な交差指電極とする構成も勿論可能である。

本発明の圧電磁器トランス他の構成は、第６図に示す如
く圧電磁器６１からなる低インピーダンス部分１１と、
圧電磁器６２からなる高インピーダンス部分１２から構
成され、厚み縦振動モードで動作する。１３は駆動電極
である。分極方向（図において矢印で示す）は、すべて
厚み方向である。このような圧電磁器トランスは誘電率
の異なる圧電磁器材料からなる２種類のグリーンシート
を積層して脱バインダし、焼成する方法で製造すること
ができるため、小さな形状から大きな形状まで比較的容
易に製造できる。また２つの圧電磁器を接合する方法も
可能である。従って、２分の１波長モード（両端自由の
基本モード）、あるいは１波長モード（両端自由の２次
モード）厚み縦共振を利用したとしても、５ＭＨｚ〜１
０ＭＨｚ帯の超音波領域で動作する圧電磁器トランスを
実現できる。

次に第７図に示すように、本発明の圧電磁器トランスの
さらに別の構成は、厚み方向に分極された圧電磁器板を
多数積層した低インピーダンス部１１と、単層もしくは
ぜいぜい２，３層の圧電磁器板からなる高インピーダン
ス部１２および周波数調整用磁器１１．’１２で構成さ
れている。ここで低インピーダンス部１１の圧電磁器板
は隣接する各層の分極方向が逆になるように配置されて
いる。また、各圧電磁器板の間には、電極１３が施され
ており、圧電磁器板に対し厚み方向に電界を印加するこ
とが可能となっている。

圧電磁器トランスは一体焼成時の収縮率のばらつき等に
より必ずしも設計通りの共振周波数とはならない。そ゛
こで焼成後に共振周波数を調整できる構造が望ましい。

上下主面に電極を設けている圧電トランスでは焼成後に
共振周波数を調整することは容易ではないが、本構成の
圧電トランスでは上下に研磨可能な周波数調整層を配置
しているため、焼成後の研磨により所期の共振周波数が
得られ、外部回路の駆動周波数と正確に一致させること
ができる。

次に効率について考える。圧電磁器トランスの損失は大
半が機械的損失であり、その機械的損失は機械的品質係
数Ｑｍが小さいほど太きい。この機械的品質係数Ｑｍは
上下主面の平行度、平面度に大きく依存する。焼成した
だけの圧電磁器トランスの表面は平行度、平面度とも悪
く、その機械的品質係数Ｑｍはせいぜい数１００である
。これに対し、本構成の圧電磁器トランスでは平行平面
研磨を行なうことにより、数μｍ以内の平行度、平面度
を得ることか可能で、１０００以上の機械的品質係数Ｑ
ｍが容易に得られる。

（実施例１）本発明に基づく圧電トランスの一実施例として、第８図
に示した２ＭＨｚ帯厚み縦２次モードを用いた内部電極
を有する四端子型圧電トランスを実施例３で述べる積層
セラミック技術により試作した。

圧電セラミック材料はＰｂＴｉ０ａ系圧電セラミツクス
である。図中、１３は電極層、１４は絶縁層、］５は外
部リード電極である。本圧電トランスは、端子１８゜１
９から高い高周波電圧を印加し、端子１６．１７におい
て低い高周波電圧が出力される構成となっている。圧電
トランスの幅は３．５ｍｍ、長さ４．５ｍｍ、板厚は１
．９８ｍｍで、このうち高インピーダンス部分１２の板
厚は約半分の１．０８ｍｍである。低インピーダンス部
１１は８層の層状構造となっており、隣接層間において
分極方向が互いに逆向きになるように電気端子より直流
高電圧を印加することによって分極処理が施されている
。

本圧電トランスの集中定数近似等価回路は第９図のよう
になる。図において、Ｃｄ１ｌ　Ｃｄ２はそれぞれ入力
側、出力側の制動容量、Ａｌ、Ａ２は力係数、ｍ、Ｃ。

Ｒｍは二次モードに関する等画質量、等価コンプライア
ンス、等価機械抵抗である。本圧電トランスは、第９図
に示した等価回路に基づき、バターラス１次のフィルタ
ーとして設計された（以下の実施例も同様）。第１０図
に、トランスの入出力側に適当な抵抗負荷で終端し、た
ときの動作減衰量特性の実測値を示す。中心周波数にお
ける減衰量は１ｄＢ以下であり、３ｄＢ比帯域幅は１５
％であった。また、電圧伝送に関して、入力側に交流５
０Ｖを印加したところ、安定に出力側に５ｖの電圧を得
ることができた。

また、本圧電トランスは、駆動周波数をＩＭＨｚとして
、基本厚み縦振動モードを利用することも勿論可能であ
る。

尚、本実施例に用いた圧電トランスの材料は、厚みたて
結合係数に、に比べて、スプリアス振動の原因となる横
効果縦振動モードの結合係数に３、が十分小さいＰｂＴ
ｉＯ３系圧電セラミック材料を用いた。しかしながら、
ジルコンチタン系圧電セラミック材料を用いる場合は、
ｋ３、かにθ１／３〜１／２程度と、ＰｂＴ１０ａ系圧
電セラミツク材料と比べてかなり大きいので、この場合
、ｋ３□に起因するスプリアス共振周波数を、使用する
厚みたて共振周波数から十分遠ざけるように幅、長さ、
寸法を定めることにより、良好な厚み縦共振特性を有す
る圧電トランスが実現できることは言うまでもない。

なお、以」二の例では高インピーダンス部分の圧電層を
低インピーダンス部分の圧電層より厚い構成を示したが
、電極層の間隔はすべて同じでも本発明の効果は変わら
ない。

また低インピーダンス部分の端子と高インピーダンス部
の端子とが前述の例のように同一の面に形成される構成
ではなく、それぞれ異なる面に形成される構成でもよい
。

（実施例２）本発明に基づく圧電トランスの次の実施例として第１．
１図に示した２ＭＨｚ帯厚み縦２次モード（１波長モー
ド）を利用した内部電極を有する四端子型圧電トランス
を実施例で詳細に述べる積層セラミック技術により試作
した。圧電セラミック材料はＰｂＴ１０ａ系圧電セラミ
ツクである。１３は電極層、」−５は外部リード電極、
絶縁板１４として、０．２ｍｍ厚のアルミナセラミック
平板を用い、低インピーダンス圧電セラミック素子１１
、高インピーダンス圧電セラミック素子１２とはエポキ
シ系接着剤にて強固に接着されている。本圧電トランス
は、端子１９．１６から、厚み縦２次モードの共振周波
数に一致する高周波高電圧を印加し、端子１７，１．８
において高周波低電圧が出力される構成となっている。

試作した圧電トランスの厚さは２．３ｍｍ、幅は３．６
ｍｍ、長さ５．３ｍｍである。低インピーダンス圧電セ
ラミック部分は８層の層状構造となっており、隣接層間
において分極方向が互いに逆向きになるように電気端子
１７．１８より直流高電圧を印加することにより分極処
理が施されている。

第１２図に、試作した圧電トランスの人力、出力側にそ
れぞれ適当な抵抗負荷で終端したときの動作減衰量特性
の実測値を示す。中心周波数（２ＭＨｚ）における減衰
量は０．６ｄＢ以下であり、３ｄＢ比帯域幅は１５％で
あった。また、電圧伝送に関して、入力側に５０Ｖの正
弦波を印加したところ、安定に出力側に４．８ｖの電圧
を得ることができた。

尚、本実施例に用いた圧電トランスの材料は、厚み縦結
合係数に、に比べて、スプリアス振動の原因となる横効
果縦振動モードの結合係数に３□が十分小さい（約１０
分の１）ＰｂＴ１０３系圧電セラミツク材料を用いた。

しかしながら、ジルコンチタン酸鉛系圧電セラミック材
料を用いる場合は、ｋ２□がｋｔ（７）１／３〜１／２
程度と、ＰｂＴｉＯ３系圧電セラミック材料と比べてか
なり太きい、このため、ｋ３１に起因するスプリアス共
振周波数を実際に利用する厚み縦共振周波数から十分遠
ざけるように幅、長さ、寸法を定めることが必要となる
。

（実施例３）第１３図（ａ）、（ｂ）は本発明の圧電磁器トランスの
一実施例の互いに直交する方向の断面図である。第１３
図（ａ）、　（ｂ）に示した四端子型圧電トランスは２
ＭＨｚ帯厚み縦２次モードを用いており、高インビーダ
ンス部１２を構成する低誘電率圧電材料としてはＰｂＴ
１０ａ系圧電材料を用い、低インピーダンス部１１を構
成する高誘電率圧電材料としてはジルコン・チタン酸鉛
系圧電材料を用いている。１３は電極層である。本トラ
ンスでは端子２４．２５から高電圧の高周波電圧を印加
ｌ−１端子２２．２３において低電圧の高周波電圧が出
力される構成となっており、その幅は４ｍｍ、長さ５ｍ
、ｍ、厚さは２．３ｍｍとなっている。このうち低イン
ピーダンス部１１は１．０ｍｍ、高インピーダンス部１
２は１．３ｍｍ厚さであり、駆動電極１３がそれぞれに
形成されるとともに、鉛系ガラス２１によって接合され
ている。この例では電気端子２２゜２３が低インピーダ
ンス部１１の駆動電極と接続され、電極端子２４．２５
が高インピーダンス部１２接続されており、電気端子２
２．２３．２４．２５はそれぞれ異なる面に形成されて
いる。

第１−４図に、トランスの入出力側に適当な抵抗負荷で
終端したときの動作減衰量特性の実測値を示す。中心周
波数における減衰量は１ｄＢ以下であり、３ｄＢ比帯域
幅は１５％であった。また、電圧伝送に関して、入力端
に交流５０Ｖを印加したところ、安定に出力側に５ｖの
電圧を得ることができた。

また、本圧電トランスは、駆動周波数をＩＭＨｚとして
、基本厚み縦振動モードを利用することも勿論可能であ
る。次に本発明の製造方法について、第１３図に示した
圧電磁器トランスを製造する場合を例に説明する。最初
に圧電磁器を製造し、これらを接合して圧電磁器トラン
スを製造する方法について説明する。まず低誘電率圧電
磁器であるＰｂＴｉ０系圧電磁器６２の製造方法である
が、これは、主成分であるＰｂ　Ｏ、ＴｌＯ２及び微量
の添加物を秤量し、分散媒である水とともにボールミル
ポットに投入し、約４０時間混合する。次にこれを濾過
乾燥し、電気炉にて、９００°０４時間仮焼きし、ライ
カイ器にて２０分間粉砕する。その後、ポリビニルアル
コールの水溶液を微量混合し、プレス機にて成型する。

さらに電気炉にて１３００°Ｃ１２時間焼成して低誘電
率圧電磁器を製造する。この圧電磁器をカッターにより
所要形状に切断、研磨した後、Ａｇ、ガラスフリットか
らなるペーストを端面に塗布し、約７００°Ｃで焼付け
して駆動電極１３を形成する。高誘電率圧電磁器である
ジルコンチタン酸鉛系圧電磁器６１の製造方法であるが
、これは主成分であるＰｂＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２及び
微量の添加物を秤量し、分散媒体である水とともにボー
ルミルボットに投入し約４０時間混合する。その後はＰ
ｂＴｉ０ａ系圧電磁器とほぼ同様な方法で製造される。

次に低誘電率磁器、高誘電率磁器の一端面に、スクリー
ン印刷法により鉛系ガラスとエチルセルロース及び溶剤
からなるガラスペーストを約１５□ｍ厚さに印刷し、貼
合わせて電気炉中で６５０°Ｃ１３０分間熱処理し、低
誘電率磁器、高誘電率磁器を接合する。さらにその後、
この接合体の側面にＡｇ、ガラスフリットからなるＡｇ
ペーストをスクリーン印刷し、約５００°Ｃで焼付け、
電気端子２２．２３．２４．２５を形成する。そして、
これをシリコンオイル中１００°Ｃに保持し７、電気端
子２２と２３間、および２４と２５の間に５ＫＶの直流
電圧を印加し、圧電磁器１４．１５を分極させることで
圧電磁器トランスが得られる。低誘電率圧電磁器と高誘
電率圧電磁器の分極の向きが同一の場合には、第１３図
の電気端子２４と２５の極性が変わるため、電気端子２
３と２４間の絶縁耐圧を高めるため、Ａｌ２Ｏ３等の薄
板を低インピーダンス部分１１と高インピーダンス部分
１２間に設けることが望ましい。

本発明の他の製造方法は以下のようになる。まずグリー
ンシートの製造方法について説明する。

低誘電率圧電材料のグリーンシートであるが、これは前
述のＰｂＴｉ○３系圧電セラミックス仮焼粉末を用いて
作成する。この粉末に、バインダとしてボッビニルアル
コール、可塑剤としてグリセリン、溶剤として水を所要
量秤量し、撹拌器で混合する。

それぞれの量はセラミックス粉末が約８０重量％、バイ
ンダ約１０重力％、溶剤は約１０重量％弱であるが、泥
漿と呼ばれるこれらの混合物の粘度が５，０００センチ
ポアズ程度になるように溶剤が適宜添加される。次にこ
の泥漿をスリップキャスティング法により厚さが約１３
０μｍのグリーンシートにする。その後、熱プレス機で
積層圧着するために必要な形状、即ちプレス金型に適合
する大きさにパンチング機により打抜き切断する。その
後、前述グリ−ンシートに、Ｐｔ、ＰｂＴ１０３系圧電
セラミツクス仮焼粉末、バインダおよび用材からなるＰ
ｔペーストをスクリーン印刷し駆動電極１３を形成する
。次に高誘電率圧電材料のグリーンシートであるが、こ
れは前述のジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックス仮焼
粉末を用いてＰｔＴｉ０系圧電材料のグリーンシートと
同様に製造される。次に前述のグリーンシートにｐｔ、
ジルコンチタン酸鉛系セラミックス仮焼粉末、バインダ
、および溶剤からなるｐｔペーストをスクリーン印刷し
駆動電極１３を形成する。

その後駆動電極１３の印刷されたＰｂＴ１．０３系圧電
材料グリーンシートを１枚、ＰｂＴ１０３系圧電材料グ
リーンシートを１２枚、駆動電極１３の印刷されたＰｂ
ＴｉＯ３系圧電材料のグリーンシートを１−枚、ジルコ
ンチタン酸鉛系圧電材料グリーンシート１枚、駆動電極
１３の印刷されたジルコンチタン酸鉛系圧電材料のグリ
ーンシート１枚、ジルコンチタン酸鉛系圧電材料。

のグリーンシート８枚、駆動電極１３の印刷されたジル
コンチタン酸鉛系圧電材料のグリーンシート１枚を順次
重ねて、プレス金型に入れこれらグリーンシートを熱圧
着する。次にこのグリーン積層体を５００’Ｃ１１０時
間、空気中で熱処理して、脱バインダを修了する。その
後１３００°Ｃ１２時間焼成し、所要寸法に切断する。

さらに、Ａｇガラスフリット、バインダ、溶剤からなる
Ａｇペーストをスクリーン印刷法により、側面に印刷し
、約５００°Ｃで焼付は第１３図の電気端子２２．２３
．２４．２５を形成する。その後、前述した方法により
圧電磁器を分極し、圧電磁器トランスが得られる。この
様にして得られたトランスには低インピーダンス部分１
１と高インピーダンス部分１２との間に、ＰｂＴ１０３
とジルコンチタン酸鉛の固溶体が形成されている。最初
に記述した圧電磁器トランスの製造方法では、先に圧電
磁器を作成し、後から駆動電極１３、電気端子２２．２
３．２４．２５を形成するため、これら電極端子材料と
して安価なＡｇ、　Ｃｕ等の金属が使用できる利点があ
り、後述した製造方法では、製造プロセスが簡単であり
、量産しているという利点がある。これらの製法は他の
構造でも有効である。

（実施例４）圧電磁器トランスでは長さ方向、幅方向の振動は厚み縦
振動に対するスプリアス振動となる。そのため、広帯域
の圧電トランスを実現するには駆動周波数近傍で長さ方
向、幅方向の強い振動が起きないようにする必要がある
。

厚さ方向の音速と幅方向の音速が等しいとすれば、輻／
厚さ比がＷ＜０．８ｔの場合、幅方向１次モードの共振
周波数は厚み縦振動１次モードの共振周波数よりも２５
％以−ト高くなる。尚、圧電磁器の場合、厚さ方向の音
速は幅方向、長さ方向の音速に比べて１０％程度高いが
、それを考慮しても厚み縦振動の共振周波数近傍に幅方
向の振動に起因するスプリアスは現れない。

また、長さ／厚さ比を５．５以」二にとれば、長さ方向
の１次〜５次モードの共振周波数は厚み縦振動１次モー
ドの共振周波数よりも低くなり、厚み縦振動に列するス
プリアス振動となるのは６次以上のモードに限られる。

一般に共振のレスポンスの大きさは高次になるほど小さ
くなるため、６次以」二のモードが厚み縦振動低次モー
ドに与える影響は無視できる。さらに、圧電磁器トラン
スを長くすることにより大出力化が可能になる。

本発明に基づく圧電磁器トランスの実施例として、第１
５図に示したような構成の圧電磁器トランスをグリーン
シート法により作製した。圧電セラミックの材料はジル
コンチタン酸鉛系圧電セラミックである。低インピーダ
ンス部１１の圧電セラミック１層の厚さは０．１ｍｍと
し６枚積層した。高インピーダンス部１２の厚さは０．
４ｍｍとした。Ｐｔペーストをスクリーン印刷し圧電セ
ラミックとともに一体焼結することによりｐｔの内部電
極１３を形成した。その際、焼結時の反りや収縮率の違
いによる寸法のずれに基づく特性の劣化をなくすために
、上下端の圧電セラミックを予め０．０５ｍｍ程度内部
の層より厚く積層し、焼結した後に１３０００の研磨材
を用いて平行平面研磨を行なった。さらにスパッタ法に
より上下面にＡｕ−Ｔｉ電極を形成した。その後直流高
電圧により電極処理を施した。本実施例では、高インピ
ーダンス部１２の電気端子２４．２２から厚み縦１次モ
ードを励振する高周波・高電圧信号を入力し、低インピ
ーダンス部１１の電気端子２３．２２から出力を取り出
す降圧型のトランスとして評価した。

まず、輻ｌ厚さ比が０．６７、長さｌ厚さ比が７．３圧
電磁器トランスを適当な抵抗負荷で終端した場合の動作
減衰特性の測定結果を第１６図に示す。中心周波数での
減衰量は１．２ｄＢで、３ｄＢ比帯域幅は１８％と良好
な特性を示した。また電圧伝送に関して、入力電圧５０
Ｖとしたとき、出力側に８．３■以上の電圧を安定して
得ることができた。

また、第１８図に示したような結線においても３ｄＢ比
帯域幅は１２％で出力電圧９．１■とほぼ同様の結果が
得られた。

それに対し、輻ｌ厚さ比が１．１の場合の動作減衰特性
を第１７図に示す。幅方向の振動の影響を受けて１．８
〜２．０ＭＨｚでの減衰特性が大きく悪化し、その結果
中心周波数での減衰が１．６ｄＢに増加し、３ｄＢ比帯
域幅が１１％に減少した。

逆に幅ｌ厚さ比が０．２より小さい場合だと圧電磁器ト
ランス全体の強度が弱くなり、機械的な破壊が生しやす
くなる。例えば比率０．１５の場合では、１００Ｖ／ｍ
ｍの電界強度で共振させた場合に５分以内に３分の２以
上の割合で破壊が生じた。

長さ／厚さ比に関しては、比率が５．５より小さい場合
には３ｄＢ比帯域幅が最大１０％以上変化したが、長さ
／厚さ比を５．５以上にすると比帯域幅の変化は最大で
も３％以内であった。

（実施例５）本発明に基づく圧電磁器トランスの実施例として、第１
９図に示した構成の圧電磁器トランスをグリーンシート
法により作製した。圧電磁器の材料はジルコンチタン酸
鉛系圧電磁器である。低インピーダンス部１１の圧電磁
器１層の厚さは約０．１４ｍｍとし１０枚積層した。高
インピーダンス部１２の厚さは約１．４ｍｍとした。ま
た周波数調整層７１．７２にも同じ材料を用い、厚さは
約０．１ｍｍとした。なお、この周波数調整層は低イン
ピーダンス部、高インピーダンス部と一体焼成できるも
のであれば他の材料を用いても一向に構わない。ｐｔペ
ーストをスクリーン印刷し圧電磁器とともに一体焼結す
ることによりｐｔの内部電極１３を形成した。焼成した
後に＃３０００の研磨材を用いて上下面に対し平行平面
研磨を行なった。その後直流高電圧により分極処理を施
した。本実施例では、高インピーダンス部］２の電気端
子２４．２２から厚み縦１次モードを励振する高周波・
高電圧信号を入力し、低インピーダンス部１１の電気端
子２３．２２から出力を取り出す降圧型のトランスとし
て評価した。

焼成しただけの圧電磁器トランスの周波数特性を第２０
図に示す。共振周波数は１．９５ＭＨｚで、電力伝送効
率は８３％と低い値であった。それに対し上下面を平行
平面研磨したものは第２１図に示すような周波数特性を
持ち、共振周波数２．ＯＯＭＩ（ｚで電力伝送効率９７
％以上と非常に高い値となった。

また、第２２図に示したような結線においても電力伝送
効率９６％以上とほぼ同様の結果が得られた。

（実施例６）本発明に基づく圧電磁器トランスの実施例として、第２
３図に示した構成の圧電磁器トランスをグリーンシート
法により作製した。圧電磁器の材料・はチタン酸鉛系圧
電磁器である。低インピーダンス部１１の圧電磁器１層
の厚さは０．０９〜０．１０ｍｍとし１０枚積層した。

絶縁層１４も同一材料を用い、厚さを０．３ｍｍとした
。高インピーダンス部１２の厚さは計約１．２ｍｍとし
た。また周波数調整層７１．７２にも同じ材料を用い、
厚さは約０．１ｍｒｎとした。なお、この周波数調整層
は低インピーダンス部、高インピーダンス部と一体焼成
できるものであれば他の材料を用いても一向に構わない
。ｐｔペーストをスクリーン印刷し圧電磁器とともに一
体焼結することによりｐｔの内部電極１３を形成した。

ここでｐｔペーストには、焼結後の電極の剥離強度を増
大させるために、圧電磁器の粉末が適量均一に混合され
た。焼成した後に１３０００の研磨材を用いて上下面に
対し平行平面研磨を行なった。その後直流高電圧により
分極処理を施した。本実施例では、高インピーダンス部
１０の電気端子２０．２４から厚み縦２次モード（１波
長共振モード）を励振する高周波・高電圧信号を人力し
、低インピーダンス部１１の電気端子２２、２３から出
力を取り出す降圧型の四端子トランスとして評価した。

焼成しただけの圧電磁器トランスの周波数特性を第２４
図に示す。共振周波数は１．９５ＭＨｚで電力伝送効率
は８０％と低い値であった。それに対し上下面を平行平
面研磨したものは第２５図に示すような周波数特性を持
ち、共振周波数２．ＯＯＭＩ（ｚで電力伝送効率９４％
以上と非常に高い値となった。

また、本実施例において、］−７２波長共振を用いて圧
電トランスとして動作させた場合、共振周波数ＩＭＨｚ
で電力伝送効率９１％が得られたが、比帯域幅は上記１
波長共振を用いた場合の８０％と若干狭くなった。

（実施例７）本発明に基づく別の実施例として駆動側にチタン酸鉛系
圧電セラミックス、出力側にジルコンチタン酸鉛系圧電
セラミックスを用いた厚み振動モードで動作する圧電ト
ランスについて示す。第２６図（ａ）は平面図、第２６
図（ｂ）は（ａ）の−点鎖線ｆ−ｆ’、（ｃ）は（ａ）
の−点鎖線ｇ−ｇ’における断面図をそれぞれ示す。こ
の実施例の目的は、駆動側を電気機械結合係数に３１が
極めて小さい特長を有するチタン酸鉛系圧電セラミック
スとすることにより、圧電楢効果に基づき長さ方向の寸
法で共振周波数がきまるスプリアス共振を抑圧すること
にあり、圧電トランスの厚み寸法に対する長さ寸法を自
由に設定可能とするところにある。

また、第２の目的は、チタン酸鉛系圧電セラミックスの
誘電率に対して、ジルコンチタン酸鉛系圧電セラミック
スの誘電率が５〜２０倍と大きいことを利用シ、チタン
酸鉛系とジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックスの組み
合わせて用いることにより、ジルコンチタン酸鉛系圧電
セラミックスの内部電極の数を減じても、大きな変成比
（この場合出力電圧／入力電圧）を得ることを可能にす
ることにある。

第３の目的として、駆動部］０と発電部１１の間に絶縁
層１４を挿入することにより、４端子の圧電トランスを
実現し、アース端子が共通である３端子圧電トランスに
比べて、トランスの利用分野を著しく拡大することにあ
る。

第２６図において、１３はｐｔ内部電極、１５は出力外
部電極、１４は絶縁層でアルミナでできている。

本圧電トランスのうち、駆動部及び出力部の圧電セラミ
ック振動子１２．１１はともに積層セラミック技術（ド
クターブレード法）でそれぞれ別個に製造されたもので
ある。圧電セラミック振動子］、２，１１．は、その後
＃３０００砥粒でラップ盤にて平行平面研磨が行われた
。絶縁層を形成するアルミナ板は、あらかじめ平面精度
が１μｍ以下に高精度に加工されており、表面に丈夫な
Ｃｒ／Ｐｂ／Ａｕ蒸着膜（８０００八厚）が形成された
ものである。内部電極を有する圧電振動子１２．１．１
とはハンダ薄膜を用いて誘導加熱により強固に接着され
た。

このようにして、本実施例の圧電トランスが製造された
。ハンダ接着にした理由は、エポキシ樹脂による接着に
比べて機械振動損失を小さくできＱ値（ｑｕａｌｉｔｙ
　ｆａｃｔｏｒ）の高い圧電トランスを実現できるから
である。さらにその後、圧電トランス表面のセラミック
層（周波数調整層）７］、、７２を平行平面研磨するこ
とにより、１波長厚み縦振動モードで動作する共振周波
数２．０ＭＨｚの圧電トランスを得た。本圧電トランス
の外形寸法は、長さ１２ｍｍ、幅９ｍｍ、振動子１０の
厚さ０．９１ｍｍ、絶縁層１４の厚さ０．２ｍｍ振動子
１１の厚さ０．６７ｍｍである。

試作した圧電トランスの機械的Ｑ値（ｑｕａｌｉｔｙｆ
ａｃｔｏｒ）は約１０００で最大効率９５％、２．０Ｍ
Ｈｚでの変成比（出力電圧１入力端子）は０．０７５で
あった。１波長モードを用いた理由は、（１）２分の１
波長モード等他のモードに比べて、適切な負荷を接続す
ることにより帯域幅を大きくとることができること、（
２）絶縁板部分が振動の腹（ｌｏｏｐ）となり、ハンダ
接着部分に振動応力が集中しないことによる。

尚、本実施例では、一体焼成によらないで接着により圧
電トランスを試作したが、この理由は２種の圧電磁器の
焼結前後の収縮率が少し異るからである。異種の材料で
あっても焼結前後の収縮率が同じであれば、一体焼成が
可能であることは言うまでもない。この場合、絶縁層１
４として誘電率の小さなチタン酸鉛系材料が好ましいこ
とは勿論である。

（発明の効果）以上詳述した如く、本発明に従った圧電トランスはＩＭ
Ｈｚ以上の高周波帯で使用することができ、かつ小型で
高効率であるという従来の圧電トランスにはみられない
長所であり、工業的価値も多大である。

【図面の簡単な説明】

第１．４．、６．７図は本発明の厚み振動圧電磁器トラ
ンスの一例を示す斜視図、第２図、第３図（ａ）、　（
ｂ）、第５図（ａ）、　（ｂ）、第８図、第１１図、第
１３図（ａ）、　（ｂ）、第１５゜１８、１．９．２２
．２３．２６図は本発明に基づく厚み振動圧電磁器トラ
ンスの一例を示す断面図、第９図は、本発明の圧電磁器
トランスの集中定数近似等価回路図、第１０．１２．１
４．１６．１７．２０．２１．２４．２５図は本発明の
一実施例における圧電磁器トランスの動作減衰量上特性図、第Ｓ図は従来のローゼンタイプ圧電磁器トラン
スの斜視図を示す。図において、１１・・・本発明の圧電トランスの低イン
ピーダンス部、１２・・・高インピーダンス部、１３・
・・電極層、１４８．・絶縁層、１５・・・外部リード
電極、１６．１７゜１８、１．９．２２．２３．２４．
、２５・・・電気端子、２０・・・外部表面電極、２１
・・・ガラス、６１．６２・・・圧電磁器、７］、、７
２・・・周波数調整層、８１・・・従来のローゼンタイ
プ圧電トランスの低インピーダンス部分、８２・・・高
インピーダンス部分、８３．８４．、８５・・・電極を
示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電極層と厚み方向に分極された圧電体層が交互に
積層された積層体であって、電極層は一層おきに所定の
端子と接続しており、該端子は低インピーダンス部を構
成する一対と高インピーダンス部を構成する一対の４端
子構成、または前記各対の１端子を共通にした３端子構
成となっていることを特徴とする厚み振動圧電磁器トラ
ンス。
（２）低インピーダンス部と高インピーダンス部の境界
には圧電体より誘電率の低い絶縁層が配置されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の厚み振動圧
電磁器トランス。
（３）低インピーダンス部において電極層を介して隣り
あう圧電体層は互いに逆向きに分極されている特許請求
の範囲第１項または第２項記載の厚み振動圧電磁器トラ
ンス。
（４）低インピーダンス部と高インピーダンス部とのそ
れぞれの電極層の数が異なっている特許請求の範囲第１
項、第２項または第３項に記載の厚み振動圧電磁器トラ
ンス。
（５）低インピーダンス部と高インピーダンス部とは互
いに誘電率の異なる圧電体からなる特許請求の範囲第１
項、第２項、第３項または第４項に記載の厚み振動圧電
磁器トランス。
（６）低インピーダンス部と高インピーダンス部の電極
層の数が等しい特許請求の範囲第５項記載の厚み振動圧
電磁器トランス。
（７）電極層と厚み方向に分極された圧電体層が交互に
積層された積層体は幅／厚さ比が０．２以上０．８以下
でかつ長さ／厚さ比が５．５以上である特許請求の範囲
第１項、第２項、第３項、第４項、第５項または第６項
記載の厚み振動圧電磁器トランス。
（８）電極層と厚み方向に分極された圧電体層が交互に
積層された積層体はその厚み方向の両端面に周波数調整
用の磁器層を備えている特許請求の範囲第１項、第２項
、第３項、第４項、第５項または第６項記載の厚み振動
圧電磁器トランス。
（９）圧電体はチタン酸鉛系圧電磁器である特許請求の
範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第７項または第
８項記載の厚み振動圧電磁器トランス。
（１０）圧電体はジルコンチタン酸鉛系圧電磁器である
特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第７
項または第８項記載の厚み振動圧電磁器トランス。
（１１）低インピーダンス部の圧電体はジルコンチタン
酸鉛系圧電磁器であり、高インピーダンス部の圧電体は
チタン酸鉛系圧電磁器である特許請求の範囲第１項、第
２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項または
第８項記載の厚み振動圧電磁器トランス。
（１２）特許請求の範囲第１、２、３、４、５、６、７
、９、１０または１１項記載の厚み振動圧電磁器トラン
スの駆動方法であって、２分の１波長または１波長がこ
の圧電磁器トランスの厚さと等しくなる周波数で駆動す
ることを特徴とする厚み振動圧電磁器トランスの駆動方
法。
（１３）特許請求の範囲第８項記載の厚み振動圧電磁器
トランスの駆動方法であって、この圧電磁器トランスを
平行平面研磨することによって厚み縦振動の２分の１波
長モードあるいは１波長モードの共振周波数が所定の周
波数と一致するように厚みを調整し、その共振周波数で
駆動することを特徴とする厚み振動圧電磁器トランスの
駆動方法。
（１４）圧電磁器材料のグリーンシートを作製する工程
、該グリーンシートに駆動電極を形成する工程、これら
電極付きおよび電極なしのグリーンシートを積層し熱圧
着し焼成する工程、所定形状に切断し電気端子を形成す
る工程、電気端子に電圧を加え圧電体を分極する工程と
を備えたことを特許とする特許請求の範囲第１項記載の
厚み振動圧電磁器トランスの製造方法。
（１５）圧電磁器材料のグリーンシートを作製する工程
、該グリーンシートに駆動電極を形成する工程、これら
電極付きおよび電極なしのグリーンシートを積層、熱圧
着し焼成する工程、所定形状に切断し電気端子を形成す
る工程、これらの工程により作製した低インピーダンス
圧電磁器積層体と高インピーダンス圧電磁器積層体とを
低誘電率絶縁層を介して接合する工程とを備えたことを
特徴とする特許請求の範囲第２項記載の厚み振動圧電磁
器トランスの製造方法。
（１６）第１の圧電磁器と第２の圧電磁器より構成され
る厚み振動圧電磁器トランスの製造方法であって、第１
および第２の圧電磁器材料を成型し、焼成し第１、第２
の圧電磁器を製造する工程とそれぞれの圧電磁器に一対
の駆動用電極を形成する工程と、第１の圧電磁器と第２
の圧電磁器を接合する工程と、電気端子を形成する工程
と、第１、第２の圧電磁器の分極工程とを備えたことを
特徴とする特許請求の範囲第５項又は第６項記載の厚み
振動圧電磁器トランスの製造方法。