JPH04338685A

JPH04338685A - 圧電セラミックトランス及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04338685A
Application number: JP3111318A
Authority: JP
Inventors: Kaneo Uehara; 上原　兼雄; Takeshi Inoue; 武志井上; Osamu Onishi; 修大西; Akio Iwamoto; 岩本　明夫
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-05-16
Filing date: 1991-05-16
Publication date: 1992-11-25
Anticipated expiration: 2013-12-02
Also published as: JP2830503B2

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
ボード電源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れている。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
イズができないこと等数多くの長所を有している。

【０００４】図７に従来の代表的な積層型圧電トランス
であるローゼン型圧電トランスの構造を示す。以下、図
面に沿って説明する。表面に電極が設けられた圧電板に
おいて、７１で示す部分は圧電トランスの低インピーダ
ンス部の駆動部分であり、その上下面に電極７３、７４
が設けられており、この部分は厚み方向に分極されてい
る（図中の矢印で示す）また、同様に７２で示す部分は
高インピーダンス部の発電部であり、その端面に電極７
５が設けられており、発電部分７２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、例えば高電圧を取り出そうとする場合、駆
動電圧が印可されると横効果縦振動モード（３１モード
）で電気機械結合係数ｋ３１を介し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Ｋ３１を介し
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、高電圧を入力し、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
を入力側、横効果の低インピーダンス部分を出力側とす
ればよいことは言うまでもない。

【０００５】また、このようなローゼン型圧電トランス
の他にも、図８（ａ）、（ｂ）に示したような円板の径
拡がり振動モードを用いた圧電トランスが知られている
。図８に示した圧電トランスの動作原理はローゼンタイ
プのものと全く同じである。図において矢印は分極方向
を示し、８１は低インピーダンス部分、８２は高インピ
ーダンス部分、８３、８４、８５は電極を示す。また、
８６、８７は電気端子、８８はアースを示す。このよう
な圧電トランスでは、いずれも縦効果の高インピーダン
ス部分は、長さ方向あるいは径方法に分極されており、
周知の如く分極処理を行う場合、直流高電圧を必要とす
る。例えば、ＰＺＴ系圧電磁器の場合必要な分極電解の
強さは約４ｋＶ／ｍｍに達し、高インピーダンス部分の
電極間の距離が長いほど分極電圧は高くなる。従って、
この高い分極電圧の為分極処理時に圧電トランスが破壊
される恐れがあった。

【０００６】さらに、このような従来の圧電トランスの
動作周波数は、長さ縦共振あるいは基本径拡がり共振を
用いているため、せいぜい２００ｋＨｚにとどまってい
た。

【０００７】

【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、従来の圧電トランスの適用周波数はせいぜい２
００ｋＨｚ以下の低周波帯に限られていた。従って、低
周波帯でしか使用できないため、多くの電流を流すこと
が出来ず、電源用トランスとしては不向きであった。ま
た、長さ、もしくは径方向に分極処理を行わねばならな
いなため直流高電圧を印加する必要がある。このため分
極時に圧電トランスが破壊する恐れがあった。また、ロ
ーゼン型圧電トランスは縦効果の結合係数Ｋ３３に比べ
て著しく小さい横効果の結合係数ｋ３１を用いざるを得
ないため、励振効果率が良くないという欠点があった。本発明は、少なくとも５００ｋＨｚ以上の高周波帯にお
いて、低損失で十分な機能を有する小型電源用圧電トラ
ンスを提供するためになされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく圧電トラ
ンスは、圧電セラッミク円板の径拡がり３次モードを利
用したものである。図１の例に示す如く、圧電セラミッ
ク円板１０の径方向中心部分において、厚み方向に対向
する一対もしくは二対程度の内部電極１４を有する高イ
ンピーダンス部分１２とその外側に電極を有しない絶縁
環状部分１０、更に、その外側に厚み方向に相対向する
複数対の内部電極１３を有する低インピーダンス部１１
からなる圧電セラミックトランスにおいて、厚み方向の
上面から、該内部電極一層毎に交互に導電材１５が埋め
込まれ、その導電材１５の一方は厚み方向の上下面に露
出おり、かつ、導電材１５は内部電極１４の径方向中心
部に配置されてなる高インピーダンス部１２と、該内部
電極１３の環状幅方向の中心部に配置されている低イン
ピーダンス部１１からなる径拡がり３次モードで動作す
るこことを特徴とする圧電セラミックトランスと、スル
ーホールを形成したセラミックグリーンシートなどを積
層、圧着、焼成して作製する該トランスの製造方法であ
る。

【０００９】

【作用】本発明に基づく圧電トランスは、径拡がり３次
モードを積極的に利用するため、内部電極は励振効果の
良い適切な位置に配置され、厚み方向に相対向した構造
となっている。また、該内部電極は、導電材によって内
部で接続されている。この導電材の配置は径拡がり３次
モードの振動変位分布が極小となる位置、即ち、内部電
極の径方向中心部と内部電極の環状幅方向の中心部にあ
る。このため、内部電極からの電気端子取り出しにおけ
る振動応力分布を阻害することが無く振動効率の良い構
造である。本圧電トランスは積層セラミック技術（ドク
ターブレード法）で製造することが出来る。この方法で
製造した場合、低インピーダンス部分１１において層間
隔１０μｍ程度まで薄く実現することが可能である。

【００１０】次に本圧電トランスの動作原理について説
明する。図１（ａ）に本発明に基づく圧電トランスの平
面図、（ｂ）に断面図を示す。図１において例えば、降
圧を目的とし、電気入力端子を１７、１７’、出力端子
１６、１６’とする。この場合、１２部分が駆動部、１
１部分が発電部となる。電気端子１７、１７’から交流
電圧を印加した場合、本構成の圧電トランスは３次径拡
がり振動が強勢に励振されると同時に、出力端子１６、
１６’から効率よく降圧された交流電圧を取り出すこと
ができる。一般に、この３次径拡がり振動の共振周波数
は、基本径拡がり振動の共振周波数の約２．７倍に達す
る。

【００１１】径拡がり振動に関する圧電セラミック円板
の音速（位相速度）をＶ、共振周波数をｆｒ　とすると
中心軸から距離ｒだけ離れた点での変位Ｕ（ｒ）は次式
のようになる。

【００１２】

【数１】

【００１３】これにより径方向の振動変位分布を知るこ
とができる。

【００１４】また、応力Ｔ（ｒ）分布は大略Ｕ（ｒ）を
ｒで微分した形（次式）となる。

【００１５】

【数２】

【００１６】本発明の圧電トランスの場合、効率の良い
駆動、発電を行うため各駆動、発電電極の中央部は振動
応力の大きさ（絶対値）が最大となる部分に一致してい
る。本圧電トランスの変成比は入力及び出力の静電容量
を変えることにより、容易に所望の変成比を実現できる
。具体的には入力、出力の積層数を変えることにより所
望の変成比を実現することが可能で、入力側の円形電極
の直径あるいは出力側環状電極の幅をかえることで所望
の変成比を実現する方法よりはるかに有効である。なぜ
なら、積層数をｎ倍にすると静電容量はｎ２　倍になり
、変成比を容易にしかも大きく変化させることが出来る
からである。なお、本圧電トランスの電極構成で３次径
拡がり振動モードを励振する場合の電気機械変換効率の
目安となる径拡がり振動の電気機械結合係数ｋｐ　は、
ＰＺＴ系圧電セラミックスの場合、少なくとも０．５以
上であり、この値は横効果の棒あるいは板の縦振動の電
気機械結合係数ｋ３１の実に２倍以上である。従って、
ｋｐ　は、一般に横効果の結合係数であるにも拘らず、
横効果の厚み縦振動の結合係数ｋｔ　とほぼ同等、もし
くはそれ以上の値となっている。すなわち、ｋｐ　を利
用していることで、電極の適正配置を行うことにより、
エネルギー変換効率の極めて高い圧電トランスを実現す
ることが出来る。

【００１７】また、本発明の圧電トランスは、振動によ
って生じる応力の加わる方向が電極面に平行であるため
、ハイパワー駆動時においても内部電極が剥離する恐れ
が殆どないこと、および、電極部分に応力が集中するこ
とがないため、ＰＺＴ系圧電セラミックスがもつ機械的
品質係数値（Ｑｍ値）をトランスにした状態でも保持で
きるという長所を有する。

【００１８】

【実施例】本発明に基づく圧電トランスの一実施例とし
て図１（ａ）、（ｂ）に示した径拡がり３次モードで動
作する圧電トランスを試作した。

【００１９】次に、実施例に基づいて説明する。まず圧
電材料としてＰＺＴ系圧電セラミック粉末（株式会社　
　トーキン製、ＮＥＰＥＣ−６１（商品名））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）、（ｂ）に示すよ
うに、前述したグリーンシートに穴明け機により直径０
．３ｍｍのスルホール３０を形成しそのグリーンシート
１０に内部電極層１３、１４及び、導電材１５としてＰ
ｔ　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。（図２（ａ）〜（ｆ）
に印刷後の各種パターンの断面図を示す）その後、所定
の組み合わせに従い積み重ねた後、熱プレス機にて熱圧
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する。その後、１２００℃２時間焼成した後、所定寸法に切断
し圧電磁気トランス素子を作製する。次に、図４に積層
体の断面を示すように圧電磁気トランスの上下面を平行
平面研磨し外部電極１８を焼き付け電極端子１６、１６
’、１７、１７’、をそれぞれ接続する。電極端子１６
と１６’間、１７と１７’間に４ｋＶ／ｍｍの直流電圧
を印加し分極させる。試作した圧電トランスの外径は９
．６ｍｍ、厚さ１．５ｍｍである圧電トランスの低イン
ピーダンス側１１部分は、圧電セラミック層が４層から
なり、内部電極の環状幅は３ｍｍであり、円板中心部の
内部電極の直径は３．５ｍｍである。隣接する圧電セラ
ミック層間において前途の如く分極方向は互いに逆向き
になっている。

【００２０】本圧電トランスの集中定数近似等価回路は
、図５のように表すことができる。図５においてＣｄ１
、Ｃｄ２はそれぞれ入力側、出力側の制動容量、Ａ１　
、Ａ２　、は力係数、ｍ、Ｃ、Ｒｍはそれぞれ径拡がり
３次モードに関する等価質量、等価コンプライアンス、
等価機械抵抗である。本圧電トランスは図５に示した等
価回路に基ずいて設計された。

【００２１】試作した圧電トランスの共振周波数は６０
２ｋＨｚ、機械的品質係数Ｑ値は８３０、最大エネルギ
ー変換効率は９７％、また安定供給電力は４．５Ｗであ
った。この圧電トランスの周波数に対する降圧比Ｖｏ／
Ｖｉ（Ｖｉ；入力電圧、Ｖｏ；出力電圧）と効率の実測
値を図６に示す。図６より、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
現していることがあきらかである。

【００２２】なお、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。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従った圧
電トランスは５００ＫＨｚ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があり、工業的価値も多大で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電セラミックトランスの実施例を示
す図である。

【図２】本発明の圧電セラミックトランスの積層構造を
示す図である。

【図３】グリーンシートの形状を示す図である。

【図４】本発明の圧電セラミックトランスの断面図であ
る。

【図５】圧電トランスの集中定数等価回路図である。

【図６】本発明の圧電セラミックトランスの特性図であ
る。

【図７】従来のローゼン型圧電トランスを示す図である
。

【図８】従来の円板型圧電トランスを示す図である。

【符号の説明】

１０　　グリーンシート１１、７１、８１　　圧電トランスの低インピーダンス
部分１２、７２、８２　　圧電トランスの高インピーダンス
部分１３、１４　　内部電極層１５　　導電材１６、１６’、１７、１７’、８６、８７　　電気端子
１８　　外部電極３０　　スルホール７３、７４、７５、８３、８４、８５　　電極８８　　
アース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　圧電セラミック円板の径方向中心部に
おいて厚み方向に所定の間隔で配置された複数の内部電
極からなる高インピーダンス部分と、その外周部に電極
が形成されまい絶縁環状部分と、さらにその外周部に厚
み方向に所定の間隔で配置された複数の内部電極からな
る低インピーダンス部を備えた圧電セラミックトランス
であって、前期圧電セラミック円板の厚み方向に内部電
極層と一層毎に接続する導電材が形成され、該導電材の
一方は前期円板の上下面に露出しており、該導電材は高
インピーダンス部では内部電極の径方向中心部に配置さ
れ、低インピーダンス部では導電材は該内部電極の環状
幅方向の中心部に配置されていることを特徴とする圧電
セラミックトランス。
【請求項２】　　請求項１の圧電セラミックトランスに
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を作製し、グリー
ンシートにスルホールを形成した後、内部電極を印刷し
たグリンシートをそれぞれ所定の順序で重ね、これらシ
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圧電
セラミックトランスの製造方法。