JPH04206580A - 厚み振動圧電磁器トランスおよびその製造方法 - Google Patents

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磁器トランス、特に
小型化、低ノイズ化が要求されるオンボード用圧電磁器
トランスおよびその製造方法に関するものでおる。

［従来の技術］ 近年、電子装置の電源回路を小型にするために、スイッ
チング電源のスイッチング周波数の高周波化が図られて
いる。従来より、このスイッチング電源には電磁トラン
スが用いられており、スイツチングミ源の小型化には周
知のごとく、スイッチング周波数の高周波化か望ましい
。しかしながら、スイッチング周波数を高くすると、電
磁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。

渦電流損失や導線の表皮効果による損失が急激に増大し
、トランスの効率が非常に低くなる欠点かおった。この
ため、電磁トランスの実用的な周波数帯域の上限はせい
ぜい５００ｋＨｚであった。

これに対して、積層型圧電磁器トランスは、共振状態で
使用され、一般の電磁トランスに比べて、 ■同一周波数においてエネルギー密度が高いため小型化
が図れること、 ■不燃化か図れること、 ■電磁誘導によるノイズかでないこと、等数多くの長所
を有している。

第７図（ａ＞　、　（ｂ）は従来の代表的な積層型圧電
トランスの断面構造を示したものである。以下、図面に
沿って説明する。低インピーダンス部１１゜高インピー
ダンス部１２とも、内部電極１３と圧電磁器層１４が交
亙に積層された構造となってあり、隣接層間において分
極方向か逆向きになるように電気端子１６．’１７．１
８．１９より直流電圧を印加することにより分極処理が
施されている。内部電極１３は一層おきに所定の端子と
接続するため、一方の端部は圧電トランスの側端面まで
形成しないＷ４ａになっており、内部電極１３の面積は
圧電トランスの上面の面積よりも小さくなっている。

［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、積層型圧電磁器トランス
は、−層おきに分極方向を逆向きにするため、内部電極
層の一端が圧電トランスの側端面まで形成されていない
。このため、圧電トランスの側端面まで露出されていな
い内部電極の端部周辺では分極時に分極方向か所定の方
向に定まらず、電界強度は弱くなる。よって、圧電トラ
ンスの厚さ方向だけでなく幅方向などの分極方向のもの
ができてしまい、内部電極層の端部を中心とした応力集
中か起こり、クラック、内部電極層と圧電磁器層とのは
がれ等が生じる欠点かおる。

本発明は、以上の欠点を克服するためになされたもので
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、複数の内部電極層と圧電磁器層か交亙に積層
され、内部電極層を介して隣接する圧電磁器層は互いに
逆向きに分極されている積層体であって、外部電極は低
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
を構成する一対とからなる厚み振動圧電磁器トランスに
おいて、圧電磁器トランスの側端面に内部電極層の端面
が露出しており、この側端面上の露出部とその近傍の圧
電磁器層のみに絶縁体が形成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、その製造方法は、圧電材料、分散媒、バインダー
からなる泥漿よりグリーンシートを作製する工程と、該
グリーンシートに内部電極を印刷し積層して熱圧着する
工程と、脱バインダーと焼成を行う工程と、電気泳動法
により積層体側端面の内部電極露出部とその近傍に絶縁
体を形成し、圧電磁器トランスに焼き付ける工程と、外
部電極を形成する工程と、外部電極に電圧を印加した後
、該圧電磁器を平行平面研磨して、共振周波数を調整す
る工程とを備えたことを特徴とする。

［作用］ 本発明は、１ＭＨ２以上の高周波において低損失で十分
な機能を有する圧電磁器トランスを提供するためになさ
れたものである。第１図および第２図は本発明による厚
み振動圧電磁器トランスの実施例を兼ねた基本的構成を
示す斜視図および断面図である。同図に示すように、本
発明の圧電磁器トランスは、厚み方向に分極された圧電
磁器層１４を多数積層した低インピーダンス部１１と、
単層もしくはせいぜい２．３層の圧電磁器層１４からな
る高インピーダンス部１２て構成されている。ここで低
インピーダンス部１１の圧電磁器層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、各圧電磁器層の層間には、内部電極１３が面方向
に全面に施されてあり、内部電極１３の一方の端部を絶
縁体２０でコートし、他方の端部を外部電極１５ａ　、
　１５ｂに接続され、圧電磁器層１４に対し厚み方向に
電界を印加することか可能となっている。

このような内部電極を有する圧電磁器トランスは、積層
セラミックコンデンサや積層圧電アクチュエータ等で用
いられている積層セラミック技術（ドクターブレード法
）で作製することが可能であり、このような方法で作製
した圧電磁器トランスでは、層間隔を２５μｍ程度まで
薄くすることも可能である。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）の厚み縦共振振動を利用するとし
ても、セラミック技術を用いて、５〜２０ＭＨ２帯の超
高周波領域で動作する圧電磁器トランスも実現できる。

高インピーダンス部１２では上下面に位置する内部電極
１３から外部電極１５ｃ　、　１５ｄを取り出し、低イ
ンピーダンス部１１では圧電磁器層１４を挟む内部電極
１３を一層おきに接続した外部電極１５ａ　、　１５ｂ
を取り出す。このように接続した場合、高インピーダン
ス１２側の電気端子１８．１９間に厚み縦振動の共振周
波数と等しい周波数の高電圧を印加すると、高インピー
ダンス部１２の圧電逆効果により圧電磁器トランス全体
か機械的に共振し、低インピーダンス部１１ては圧電圧
効果により入力電圧と同一周波数の電圧を発生し、電気
端子１６．１７に出力する。

その際、入力側と出力側のインピーダンスの違いにより
、出力端子１６．１７間の電圧は入力端子１８゜１９間
の電圧よりも低くなる。逆に低電圧を高電圧に変換する
場合は、電気端子１６．１７間に低電圧を印加すれば電
気端子１８．１９間から高電圧が出力される。

また、低インピーダンス部１１と高インピーダンス部１
２の間に絶縁板を配置するか、あるいは低インピーダン
ス部の下端からは出力端子を取り出さない構造にすれば
入力端子１８．１９と出力端子１６゜１７を電気的に分
離できるため、周辺回路の自由度を増すことができる。

厚み縦振動の共振周波数は圧電縦効果による共振周波数
の低下を無視すれば次式で表される。

ｆ　　＝ｎ−Ｖｔ、／２ｔ （ｎ＝１．２．３・　・　・） ここに、ｆ、：厚み縦振動の共振周波数ｎ：モート次数 Ｖｌ　：厚さ方向の縦波の音速 ↑：厚み さらに、直方体の振動子においては、ｋ３１を介して長
さ方向２幅方向の振動も発生し、その共振周波数はそれ
ぞれ以下のように表される。

ｆ　ｌｎ＝ｎ−Ｖｌ　／２１ （ｎ＝１．２．３・・・） ｆ　　＝ｎ−ＶＷ／２Ｗ ｎ （ｎ＝１．２．３・・・） ここに、ｆＩｎ’長さ縦振動の共振周波数Ｖ１　：長ざ
方向の縦波の音速 １：長さ ｆｗｎ’幅縦振動の共振周波数 ■、二輻幅方向縦波の音速 Ｗ：幅 これら長さ方向２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
スを実現するためには駆動周波数近傍で長さ方向１幅方
向の強い撮動が起きないようにする必要がある。

第７図（ａ）　、　（ｂ）に示したような従来の積層型
圧電トランスは、厚み縦振動に関して電気的に活性な内
部電極層が圧電トランスの側端面まで形成されていない
ため、圧電トランスの端部周辺は分極時に分極方向がさ
まざまな方向になり、内部電極層の端部を中心とした応
力集中が起こる。ざらに、端部の分極の板厚に対して垂
直な成分（面方向の成分）は、結合係数ｋｔを介して輪
郭振動によるスプリアスの大きな原因となる。特に、内
部電極層間の薄い低インピーダンス部側では、長さ方向
２幅方向の静的応力が分極時に発生し、より内部電極層
の端部周辺に応力集中を起こさせる原因となる。

これに対し、本発明の圧電磁器トランスでは、全面に内
部電極層を形成しているので、圧電トランス内の分極時
における応力集中をなくす構造となっている。また、分
極方向が厚さ方向に正または負の向きに揃っているため
、例えば結合係数比ｋ　　／ｋ　　の値の大きなＰｂＴ
ｉＯ３系圧電セラｔ　　　　３１ ミンクを使用することにより、輪郭振動によるスプリア
スを実用上十分に抑圧することかできる。

［実施例］ 次に本発明の実施例について説明する。

第１図および第２図は、それぞれ本発明の圧電磁器トラ
ンスの一実施例の斜視図および断面図である。第１図、
第２図に示した四端子型圧電トランスは１ＭＨ２帯厚み
縦二次モードを用いており、圧電材料としてはＰｂＴ　
ｉ　０３系圧電材料を用いている。本トランスでは、外
部に露出した内部電極１３の圧電トランス側面における
露出部および圧電磁器層１４の内部電極１３に近い部分
のみを絶縁体２０でコートした構造である。内部電極１
３は圧電トランスの全面に形成されているので、圧電磁
器層１４内の電界強度が一様になり、応力集中も起こら
なくなる構造となっている。

次に、この圧電磁器トランスの製造方法について説明す
る。

まず圧電材料としてＰｂＴｉＯ３系圧電セラミック粉末
を有機バインダーと共に溶媒中に分散し、スラリー状と
する。これをドクターブレードを用いたキャスティング
法によって、厚さが約７０μｍのグリーンシートとする
。その後、熱プレス機で積層圧着するために必要な形状
、すなわちプレス金型に適合する大きざにパンチング機
により打ち抜き切断する。次に、前述したグリーンシー
トに内部電極層としてＰｔ、バインダー、有機溶剤から
なるＰｔペーストをスクリーン印刷法により印刷する。

その後、熱プレス機にてグリーンシートを複数枚積層圧
着し、一体のグリーン積層体とする。このグリーン積層
体を、５００℃、　１０時間。

空気中で熱処理して脱バインダーを終了する。その後、
１２００℃で２時間焼成した後、外部電極１５ｅ　、　
１５ｆを焼き付けし、第３図のような積層体を作製する
。内部電極１３は端面に露出しており、−層あきに２組
にまとめられて、それぞれ両端の２つの外部電極１５ｅ
　、　１５ｆに接続されている。

内部電極１３の露出部とその周辺に絶縁体を付着させる
には、まず裏側を粘着テープ等で保護してから積層体を
帯電したカラス粉末を含む懸濁液中にひだす。対向電極
板を表側の面の前に置き、対向電極板と外部電極１５ｒ
との間に直流電流を印加する。プラスに帯電したガラス
粉末は対向電極板から内部電極露出部に向かって発生し
た電界によって力を受けて懸濁液中を移動し、外部型［
ｊ１５ｆと接続している内部電極露出部の上とその周辺
にのみ付着する。その様子を第４図に示す。次に、裏側
の面にも同様に、絶縁パターンを形成する。

この時接続する外部電極は１５ｅである。その後、焼成
固着し、帯状のガラス被膜絶縁体２０を形成する。

次に、第５図に示す破線部を切断し、圧電トランスの最
終寸法形状とする（第６図）。次に、第２図に示すよう
に、外部電極１５ａ　、　１５ｂ　、　１５ｃ　。

１５ｄを焼き付けし、電極端子１６．１７．１９．１８
をそれぞれ接続する。電極端子１６と１７間、１８と１
９間に７　ｋＶ／ｍ−の直流電圧を印加し分極させる。

そして最後に共振周波数調整のために必要な厚さになる
ように平行平面研磨を施す。この実施例では２ＭＨ７で
圧電トランスを駆動するため、圧電トランスの厚さが２
．８ｍｍになるように平行平面研磨する。

試作した圧電トランスの共振周波数は１．７ＭＨ２，機
械的品質係数Ｑｍ値は８５０、最大エネルギー変換効率
は９７％であった。試作した圧電磁器トランスは、トラ
ンスの降圧機能および高いエネルギー変換効率を実現し
ている。

なあ、入力端子を低インピーダンス部分、出力端子を高
インピーダンス部分から取り出すことにより昇圧用トラ
ンスとしても用いることが可能でおることは言うまでも
ない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の厚み振動圧電磁器トラン
スは、全面に内部電極を形成して積層したことにより、
内部電極の端部周辺での輪郭振動によるスプリアスが抑
制され、分極方向が一様になり応力集中がなく、積層体
内部のクラック発生および内部電極と圧電磁器層とのは
がれもないものである。また本発明の製造方法によると
、積層体の側面に露出した内部電極の端面を電気泳動法
によって、内部電極上およびその近傍のみに絶縁体を形
成し、焼き付けた構成を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の厚み振動圧電磁器トランスの一例の斜
視図、第２図はその断面図、第３図〜第６図は本発明に
よる製造方法の一例の説明図、第７図（ａ）　、　（ｂ
）は従来の積層型圧電磁器トランスの断面図である。 １１・・・低インピーダンス部分 １２・・・高インピーダンス部分 １３・・・内部電極 １４・・・圧電磁器層 １５ａ　、　１５ｂ　、　１５ｃ　、　１５ｄ　、　１
５ｅ　、　１５ｆ・・・外部電極 １６、１７．１８．１９・・・電気端子２０・・・絶縁
体 ７１１１１図 第２図 第３！！Ｉ １４ＷＪ １フｅ １１５図 ｌｌ６Ｗ！Ｊ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の内部電極層と圧電磁器層が交亙に積層され
   、内部電極層を介して隣接する圧電磁器層は互いに逆向
   きに分極されている積層体であつて、外部電極は低イン
   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
   成する一対とからなる厚み振動圧電磁器トランスにおい
   て、圧電磁器トランスの側端面に内部電極層の端面が露
   出しており、この側端面上の露出部とその近傍の圧電磁
   器層のみに絶縁体が形成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。
2. （２）請求項（１）記載の厚み振動圧電磁器トランスの
   製造方法であつて、圧電材料、分散媒、バインダーから
   なる泥漿よりグリーンシートを作製する工程と、該グリ
   ーンシートに内部電極を印刷し積層して熱圧着する工程
   と、脱バインダーと焼成を行う工程と、電気泳動法によ
   り積層体側端面の内部電極露出部とその近傍に絶縁体を
   形成し、圧電磁器トランスに焼き付ける工程と、外部電
   極を形成する工程と、外部電極に電圧を印加した後、該
   圧電磁器を平行平面研磨して、共振周波数を調整する工
   程とを備えたことを特徴とする厚み振動圧電磁器トラン
   スの製造方法。