JPH04291773A - 厚み縦振動圧電磁器トランス及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【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、特に小型化、低ノイズ化が要求されるオ
ンボード用圧電トランス及びその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【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、スイッチング電源には電磁トランスが用いられ
ており、スイッチング電源の小型化にはスイッチング周
波数の高周波化が望ましい。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
に低くなる欠点があった。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。

【０００３】これに対して、積層型圧電トランスは、共
振状態で使用され、一般の電磁トランスに比べて、（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
が図れる、（２）不燃化が図れる、（３）電磁誘導によ
るノイズがでないこと、等数多くの長所を有している。

【０００４】図４（ａ）、（ｂ）に従来の代表的な積層
型圧電トランスの断面構造を示す。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、内部電極層１３と圧電磁器層１４が交互に
積層された構造となっており、隣接層間において分極方
向が逆向きになるように電気端子１６、１７、１８、１
９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。内部電極層１３は一層おきに所定の端子と接続
するため、一方の端部はトランスの側端面まで形成しな
い構造になっており、内部電極層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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来例で示した
ように積層形圧電トランスは、一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層の端部周辺では
分極時に分極方向が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が起こり、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がある
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】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。本発明によれば
、複数の内部電極層と圧電磁器層が交互に積層され、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、
該圧電磁器トランスの積層方向と平行な側面上に該内部
電極に沿って所定の間隔で溝が一箇所以上形成されてい
ることを特徴とする厚み振動圧電磁器トランスが得られ
る。また、圧電効果を示す材料からなるグリーンシート
とこれらに内部電極や加熱により消失する材料を印刷し
たグリーンシートを熱圧着、焼成などの工程により前記
厚み振動圧電磁器トランスを製造する方法が得られる。

【０００７】

【作用】本発明は、１ＭＨｚ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。図１は本発明の一実施例を示
す斜視図、図２（ａ）、（ｂ）は断面図、図３（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はグリーンシートの積
層方法を説明するためのものである。図１、図２におい
て、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１
１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が平面上に施し
てあるが、内部電極層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
成しない構造になっており、内部電極層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。この
ため内部電極の端部は１側面方向にのみ施されており、
その端部から外部電極が接続され、圧電磁器層に対し厚
み方向に電界を印加することが可能となっている。また
、内部電極の中間層には内部電極に沿った（周辺部）溝
が形成されている。この様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更に、
溝を形成する方法としては焼成した後ダイヤモンドカッ
ターなどを用いて溝を形成するか、または、空孔形成技
術で作製することが可能である。この様な方法で作製し
た圧電磁器トランスでは層間隔を４０μｍ程度まで薄く
することも可能である。したがって、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、５〜２０ＭＨｚ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
層１３から外部電極１５（ｃ）、（ｄ）を取り出し、低
インピーダンス部１１では圧電磁器層１４をはさむ内部
電極層１３を一層おきに接続した外部電極１５（ａ）、
（ｂ）を取り出す。このように接続した場合、高インピ
ーダンス側の電気端子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
体が機械的に共振し、低インピーダンス部１１では圧電
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、１
７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。

【０００８】また、低インピーダンス部１１と高インピ
ーダンス部１２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。

【０００９】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。 ｆｒ　＝ｎ・Ｖｔ　／２ｔ　　　　（ｎ＝１，２，３・
・・）ここにｆｒ　　　：厚み縦振動の共振周波数ｎ　
　：モード次数 Ｖｔ　：厚さ方向の縦波の音速 ｔ　　：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、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。 ｆｌｎ＝ｎ・Ｖｌ　／２ｌ　　（ｎ＝１，２，３・・・
）ｆｗｎ＝ｎ・Ｖｗ　／２ｗ　　（ｎ＝１，２，３・・
・）ここに、ｆｌｎ：長さ縦振動の共振周波数Ｖｌ　：
長さ方向の縦波の音速 ｌ　　：長さ ｆｗｎ：幅縦振動の共振周波数 Ｖｗ　：幅方向の縦波の音速 ｗ　　：幅 これら長さ方向、幅方向の振動は、厚み縦振動対するス
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、幅方向
の強い振動が起きないようにする必要がある。

【００１０】図４（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。さらに、端部の分極の板厚に対
して垂直な成分（面方向の成分）は、圧電縦効果に基づ
く電気機械エネルギー変換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、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、内部電極層の中間層の周辺部に溝
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、内部電極層
の端部周辺では溝を形成することにより電気的に絶縁さ
れるため、内部電極が重なりあって無い部分での輪郭振
動によるスプリアスを実用上十分に抑圧するとが出来る
。

【００１１】

【実施例】図１、図２（ａ）、（ｂ）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、断面図であ
り図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、グ
リーンシートの積層方法を説明するための図である。図
１、図２に示した四端子型圧電トランスは２ＭＨｚ帯厚
み縦二次モードを用いており、圧電材料としてはＰｂＴ
ｉＯ３　系圧電材料を用いている。本圧電磁器トランス
では、１側面にのみ外部に露出した内部電極層１３と内
部電極の中間層の周辺部に溝を形成した構造であるため
、応力集中が起こらなくなる構造となっている。

【００１２】次に、本発明の製造方法について実施例に
基づいて説明する。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
グリーンシートを作製する。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
する大きさにパンチング機により打ち抜き切断する。次
に、図３（ａ）、（ｃ）〜（ｄ）に示すように，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。また溝を形成するためグリンシート
にグラファイト、バインダー、有機溶剤からなるグラフ
ァイトペーストをスクリーン印刷法により印刷する（図
３（ｂ））。その後、所定の組み合わせに従い重ねた後
、熱プレス機にて積層圧着し、一体のグリーン積層体と
する。このグリーン積層体を６００℃で空気中で熱処理
して脱バインダー及び、空孔形成材を熱分解除去する。 その後、１２００℃２時間焼成した後、ダイシングソー
により所定の形状に切断して圧電磁器トランス素子を作
製する。内部電極はそれぞれ１端面のみに露出しており
、その端面に外部電極１５（ａ）、１５（ｂ）、１５（
ｃ）、１５（ｄ）を焼き付けし電極端子１６、１７、１
８、１９をそれぞれ接続する。電極端子１６と１７間、
１８と１９間に７ＫＶ／ｍｎ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製のため必要な厚さに
なるように平行平面研磨を施す。この実施例では２ＭＨ
ｚ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１．７ＭＨｚ、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。試作した圧電トランスは、トランスの降圧機
能及び高いエネルギー変換効率を実現していることは明
らかである。また従来構造に比べスプリアスの抑制，お
よびクラックの発生や内部電極と圧電磁器層とのはがれ
が大幅に改善された。尚、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あ
ることは言うまでもない。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構造及び
製造方法によると、内部電極の中間層の周辺部に溝を形
成することにより、内部電極の重なりあって無い端部周
辺での輪郭振動によるスプリアスを抑制し、かつ、分極
時での応力集中をなくし、積層体内部のクラック発生及
び内部電極と圧電磁器層とのはがれも全くなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す厚み振動圧電磁器トラ
ンスの斜視図である。

【図２】本発明の一実施例を示す厚み振動圧電磁器トラ
ンスの断面図である。

【図３】本発明の製造方法の説明図である。

【図４】従来例を示す図である。

【符号の説明】

１１　　圧電トランスの低インピーダンス部分１２　　
圧電トランスの高インピーダンス部分１３　　内部電極
層 １４　　圧電磁器層 １５（ａ）、１５（ｂ）、１５（ｃ）、１５（ｄ）、１
５（ｅ）　　外部電極 １６　　、１７、１８、１９、　　電気端子２０　　溝 ３１　　グリンシート ３２　　内部電極材 ３３　　空孔形成材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数の内部電極層と圧電磁器層が交互
   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、該圧電磁器トランスの積層方向と平行な
   側面上に該内部電極に沿って所定の間隔で溝が一箇所以
   上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. 【請求項２】　　請求項（１）の圧電磁器トランスの製
   造方法において、圧電効果を示す材料からなるグリーン
   シートと内部電極を印刷したグリーンシートと圧電効果
   を示す材料が焼成するまでに加熱によって飛散または消
   失する材料を所定形状に印刷したグリーンシートをそれ
   ぞれ所定の順序で重ねた後該シートを熱圧着する工程と
   、脱バインダーと焼成を行い所定形状に切断する工程と
   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。