JPH08125247A - 圧電トランスの実装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ローゼン型圧電トランスの出力電極と外部回
路を接続しているリード線を省略する。 【構成】 ローゼン型圧電トランス素子の入出力電極を
形成し分極を完了したのち、出力側単面電極から最も近
い位置にある振動の節にいたる圧電トランス素子の表面
上に、導電性塗料の印刷または金属薄膜の蒸着によって
接続回路を形成し、この振動の節導電性の部材で固定す
ることによって出力電極と外部回路を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電圧変換に用いられる
圧電トランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧変換に用いられる圧電トランスは、
従来の巻線型の電磁トランスに比べて小型化でき、かつ
より単純な構造であり、近年特に高電圧発生装置として
の用途がさかんに検討されるようになってきた。この圧
電トランスの素子の形状としては円板状など様々の形状
を採用することが可能であるが、最も一般的に検討され
その動作解析も進んでいるのは、長方形板状のいわゆる
ローゼン型の素子である。図８にローゼン型の単層の素
子で一波長モードで振動するものの構成例を示す。素子
１の左半分では両面に入力電極２，３が形成されて面に
垂直に分極され、素子１の右端面には出力電極４が形成
され入力電極の接地側３との間で分極される。図中の素
子１の内部に示した矢印は分極の方向を示している。ま
た単層の同一形状の素子を積み重ねて構成した積層型の
ローゼン型素子も盛んに検討されている。積層型の方が
昇圧比を高くすることができ、駆動回路の構成が簡単に
なるという利点がある。ローゼン型の圧電トランスの中
でも最も一般的に検討の対象となっているのは、一波長
モードで振動する素子である。この場合には素子内部に
は長さ方向に進行する弾性波が定在波として存在し、そ
の振動方向は波の進行方向と同じ向きで縦波であり、こ
の定在波の一波長分の長さが素子の全長に等しくなって
いる。この一波長モードの場合には、素子全長の４分の
１および４分の３の位置が振動の節で不動点となるの
で、この二点で素子を固定しても原理的には素子の振動
に影響を与えない。従って一波長型のローゼン型圧電ト
ランスを固定する方法としては、この二点において素子
を固定することが一般的である。また素子の入出力電極
と外部回路を接続する方法としては、銀ペーストを塗布
し焼き付けることによって電極を形成し、この電極面に
リード線を半田付けする方法が普通である。図８に示し
た単層ローゼン型素子には、リード線２１を三つの電極
に半田付けした様子も合わせて示してある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上に述べたような電極
面にリード線を半田付けする方法の場合、リード線に外
部から力が加わったときに半田付けした部分の周辺で銀
電極がはがれやすい。また出力側のリード線は素子の振
動を阻害しないよう細い導線とする必要があり、しかも
出力電極部分は振動の腹に相当し最も振幅の大きい部分
であるため、リード線が断線し易い。また細いリード線
の半田付けの工程自体が人手を要するものであり、製品
のコストアップの要因となる。このように、圧電トラン
スを回路基板上に実装するためリード線を用いることは
様々な障害が生じる原因となっており、より簡単で信頼
性の高い実装方法が求められていた。本発明は、上記の
事を鑑みて、簡便で、信頼性の高いローゼン型圧電トラ
ンスの実装方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、単層型または
積層型の、半波長振動モード以外の振動モードで駆動さ
れるローゼン型圧電トランスにおいて、入出力電極を形
成し分極工程を完了したのち、振動の腹である出力側端
面電極からこの出力電極に最も近い位置にある振動の節
にいたる圧電体の表面上に、導電性塗料の印刷または金
属薄膜の蒸着により接続回路を形成し、この振動の節を
Ａとし、入力側電極内にある他の振動の節をＢとし、こ
のＡ、Ｂの二カ所において導電性の部材を用いて圧電ト
ランスを固定し、この固定点を通じて外部回路と電気的
に接続することを特徴とする圧電トランスの実装方法で
ある。また本発明は、前記出力電極からその最近傍の振
動の節Ａにかけてその表面に接続回路を形成した圧電ト
ランスをその内部に収納する保護ケースとして、圧電ト
ランスの前記の振動の節Ａ、Ｂに向かい合う位置のケー
ス内面に端子表面が露出している内部端子を３個有し、
かつ前記内部端子とあらかじめ電気的に接続されている
外部端子をケース外面に突出させた保護ケースを用い、
前記内部端子と圧電トランスの振動の節Ａ、Ｂとの間を
導電性の接着剤で固定することを特徴とする圧電トラン
スの実装方法である。

【０００５】

【作用】先に述べたように、ローゼン型の圧電トランス
の振動の節を固定しても素子の振動には影響を与えな
い。半波長振動モード以外の一波長、３／２波長等の振
動モードにおいては、入力電極内部には振動の節（以下
節Ｂと呼ぶ）が存在するので、この節を固定する部材に
導電性の材質を用いることによってリード線を省略する
ことができる。一方、ローゼン型圧電トランスの出力電
極は素子の端面に位置し、常に振動の腹となる。このた
め、回路基板に何らかの手段で固定された導電性の部材
を出力電極に接触させて電気的接続をとるという方法
は、リード線を半田付けするという従来の方法も含め、
力学的に素子の振動を妨げるという結果を招き、応用上
望ましいことではない。以上の考察を踏まえて、発明者
はその構成を図１に示すようなローゼン型圧電トランス
の実装方法を発明した。以下、本発明請求項１について
説明する。本発明請求項１の内容は、ローゼン型圧電ト
ランス素子の入出力電極を形成し分極を完了したのち、
出力側端面電極から最も近い位置にある振動の節（以下
節Ａと呼ぶ）にいたる圧電トランス素子の表面上に、導
電性塗料の印刷または金属薄膜の蒸着によって接続回路
を形成し、この振動の節Ａを導電性の部材で固定するこ
とによって出力電極と外部回路との間の電気的接続を実
現するものである。この実装方法の実施例を、単層で一
波長振動モードのローゼン型素子について図１に示し
た。一波長振動モードの場合には、節Ａ、Ｂ（図１中の
点線、６、７）は素子の全長のそれぞれ１／４、３／４
の位置にある。この実装方法によれば、圧電トランス素
子はその二つの振動の節Ａ、Ｂのみで固定されているの
で、固定によって素子の振動が妨げられることはない。
圧電トランスの動作に伴い、この素子１の表面に形成さ
れた接続回路５の上に電荷が発生する可能性が考えられ
る。しかし、素子の振動に伴い電荷が発生するのは分極
方向に対して横断する面の上についてのみである。この
接続回路は素子の分極後に形成されており、出力部の素
子表面は分極方向に平行であるから、原理上は接続回路
上に電荷は発生しない。ただし、素子内部には応力、変
位についての定在波が存在し、素子の内部で発生する電
気分極の値や電位はその位置によってたがいに異なる。
例えば、出力端電極の電位と節Ａ内部の電位は、その絶
対値と位相が異なると考えられ、素子材質の固有抵抗率
が無限大でない場合には、素子内部から接続回路上に向
けて電荷の移動が起こるものと推定される。素子材質の
固有抵抗率が十分に高ければこの現象の影響は小さい
が、影響を少しでも小さくするため接続回路の面積はな
るべく小さい方がよい。以上、単層型のローゼン型圧電
トランスについて述べたが、積層型のローゼン型圧電ト
ランスについても上に述べたことと同様に出力部の素子
表面に接続回路を形成することによって、出力電極から
のリード線を省略することができる。

【０００６】次に本発明請求項２について説明する。圧
電トランスの材質は主としてＰＺＴ系のセラミックスで
あり、その形状がローゼン型のような薄い矩形板状の場
合には、回路基板上にそのまま実装すると外部からの衝
撃によって破損する恐れがある。したがって、圧電トラ
ンス素子は保護のためのケース中に保持された状態で、
回路基板上に搭載されることが望ましい。この保護ケー
ス中に素子を組み込む場合にも、素子電極と保護ケース
の端子の間の電気的接続をリード線によってではなく、
圧電トランス素子を固定する導電性部材を介して接続す
るほうが、製造工程としては著しく簡単になる。この目
的のためには本発明請求項１で述べた実装方法を適用す
ればよい。図４にこの実装方法を取り入れた構成の樹脂
性の保護ケースの断面図を示した。保護ケース１７の内
部に圧電トランス素子を収納する空洞があり、この空洞
内面にその表面の一部が露出している内部端子１４を３
個備えている。この内部端子は圧電トランスの振動の節
ＡおよびＢに対向する位置にある。図４の場合には、節
Ａの出力電極からの接続回路の終端部および節Ｂの入力
電極は、素子の固定のための導電性接着剤１１によって
内部端子１４に電気的に接続されている。出力部分の接
続回路が形成されていない側の素子面に向かい合う保護
ケース内面には、節Ａに対向する位置に突起１６が設け
てあり、絶縁性の接着剤１２をこの突起と素子の間に注
入し硬化させることによって素子を支持、固定する。こ
れらの保護ケースの内部端子１４および内面の突起１６
に隣接して保護ケース外部に通じる穴１５が開けてあ
り、素子を保護ケース内部に差し込んだのち、ケース外
部から内部端子や内面の突起と素子の電極との間に導電
性接着剤等を注入することを可能としている。また、こ
の保護ケースは回路基板に接続するための外部端子１３
を備え、外部端子と内部端子は保護ケース内部で互いに
接続されている。

【０００７】本発明においては、ローゼン型圧電トラン
スに入出力電極を形成し分極工程を完了したのち、出力
側端面電極から出力電極に最も近い位置にある振動の節
Ａにいたる圧電体の表面上に、導電性塗料の印刷または
金属薄膜の蒸着により接続回路を形成し、この振動の節
Ａと入力電極内にある振動の節Ｂの二カ所において導電
性の部材を用いて圧電トランスを固定することにより、
従来出力電極に接続されていたリード線を省略し、圧電
トランスの固定と外部回路への電気的接続を同時に実現
して回路基板への実装を簡単にし、かつ実装後の信頼性
を高めている。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて述べ
る。

【０００９】実施例１ 図１は本発明請求項１の実施例である。単層、一波長振
動モードのローゼン型素子の分極を完了したのち、出力
側電極から素子全長の１／４の距離にある出力側の振動
の節Ａまで導電性塗料を印刷して硬化させることにより
接続回路５を形成する。ここで用いた導電性塗料はエポ
キシ樹脂中に銀粒子のフィラーを混入したもので、スク
リーン印刷が可能である。本発明請求項１で述べたよう
に、金属薄膜の蒸着（スパッタリング等）によってこの
接続回路を形成してもよい。その場合の金属としては耐
候性のよいＮｉ等が望ましい。図２には図１の素子の回
路基板への実装の一例を示した。回路基板８上の素子の
振動の節Ａ、Ｂに対応する位置に導電性の材質からなる
二個の突起９を設け、この上に振動の節を乗せ、回路基
板８に固定した金属性または樹脂性の抑え板１０で素子
の上から節Ａ、Ｂを抑え固定している。さらに固定を確
実にするため、節Ａ、Ｂにおいて素子と突起および素子
と抑え板の間を、導電性接着剤１１または絶縁性接着剤
１２で接着している。このようにして回路基板上に固定
した圧電トランスについて、入力電極間に正弦波の一定
の電圧を印加したときの出力電圧および出力電流を測定
し、その電力変換効率を算出した。この測定回路を図５
に示した。素子の材質はＰＺＴ系のセラミックスであ
り、その大きさは２８×７．５×１．０ｔ（ｍｍ）、素
子表面に形成した接続回路の幅は０．５ｍｍ、長さは
７．５ｍｍである。負荷抵抗ＲL ＝１８２ｋΩ、入力電
圧ＶIN＝４３Ｖ0Pであった。図６に励振周波数に対する
出力電流と効率の変化を示した。図６に示した比較例
は、実施例と同一の素子に対して、図７と同様に従来の
如く入出力電極にリード線を半田付けして測定したとき
の結果である。明らかに本発明実施例の昇圧比は比較例
のそれを上回っており、効率はほぼ同等となっている。
この理由は、接続回路の形成によって入出力電極間の容
量は増加するが、この増加分は入出力間の寄生容量とみ
なされ、寄生容量の増加につれてローゼン型圧電トラン
スの昇圧比は増大し、効率は逆に低下するためである。
接続回路を形成する前の入出力電極間の容量をＣ0 とす
ると、寄生容量が増加してＣ0 と同程度になるまでの間
は、昇圧比は増加する一方、効率の減少はごくわずかで
ある。この実施例の場合、Ｃ0 ＝６．０ｐＦ、接続回路
の形成による容量の増加分（寄生容量）は４．０ｐＦで
あり、この寄生容量がＣ0 より小さいために効率がほと
んど低下しなかったのである。このように寄生容量があ
る程度以上に増加すると圧電トランスの効率に悪影響を
及ぼすので、接続回路の幅はなるべく狭くするべきであ
り、素子の節Ａを支え出力を取り出す導電性の突起の形
状についても寄生容量を増加させない配慮が必要であ
る。

【００１０】実施例２ 図３は本発明請求項２の実施例で用いる圧電トランスの
保護ケースの一例の外観図である。この保護ケースは、
樹脂製のケース１７の内部に内部端子１４と外部端子１
３を一体化した３個の金属板を埋め込むことによって構
成される。金属板の一方の先端はケース内面に突出し
て、圧電トランスの素子の節Ａ、Ｂに接続される内部端
子１４となる。金属板のもう一方の先端はケース外部に
突出し、回路基板に接続される外部端子１３となる。図
４にはこの保護ケースに素子を組み込んだ状態での断面
図を示した。素子電極面と内部端子１４の電気的接触を
確実にし、かつ素子を一定位置に固定するため、あらか
じめケースに開けてある穴１５を通じてケース外部から
素子と内部端子の間に導電性接着剤１１を注入してい
る。また出力側の接続回路を設けない素子面の節Ａに対
応するケース内面位置には樹脂からなる突起１６を設
け、この突起と素子の間に外部から絶縁性の接着剤１３
を注入することにより素子の固定を確実なものとしてい
る。

【００１１】実施例３ 図５は本発明請求項１の実施例である積層型１波長振動
モードのローゼン型圧電トランスの例である。各層入力
電極の連結電極２２，２３を素子の側面に形成してい
る。

【００１２】

【発明の効果】本発明によれば、出力電極を外部回路に
接続するためのリード線を省略して圧電トランスの実装
工程を簡素化し、さらに製品の信頼性を高めており、そ
の産業上の効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例の単層型一波長振動モー
ドのローゼン型圧電トランス素子の外観斜視図である。

【図２】本発明に係る一実施例の側面図である。

【図３】本発明に係る別の実施例の保護ケースの斜視図
である。

【図４】本発明に係る別の実施例の断面図である。

【図５】本発明に係る実施例の積層型一波長振動モード
のローゼン型圧電トランス素子の外観斜視図である。

【図６】本発明の圧電トランスを評価するための発振回
路の構成図である。

【図７】本発明実施例１と従来例の電気的特性図であ
る。

【図８】従来例の外観斜視図である。

【符号の説明】

１ 圧電トランス素子 ２、３ 入力電極 ４ 出力電極 ５ 接続回路 ６ 振動の節Ａ ７ 振動の節Ｂ ８ 回路基板 ９ 導電性材質による突起 １０ 抑え板 １１ 導電性接着剤 １２ 絶縁性接着剤 １３ 外部端子 １４ 内部端子 １５ 接着剤注入用穴 １６ 保護ケース内面の突起 １７ 保護ケース ２１ リード線 ２２，２３ 入力電極各層間の連絡電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単層型または積層型の、半波長振動モー
   ド以外の振動モードで駆動されるローゼン型圧電トラン
   スにおいて、入出力電極を形成し分極工程を完了したの
   ち、振動の腹である出力側端面電極からこの出力電極に
   最も近い位置にある振動の節にいたる圧電体の表面上
   に、導電性塗料の印刷または金属薄膜の蒸着により接続
   回路を形成し、この振動の節をＡとし、入力側電極内に
   ある他の振動の節をＢとし、このＡ、Ｂの二カ所におい
   て導電性の部材を用いて圧電トランスを固定し、この固
   定点を通じて外部回路と電気的に接続することを特徴と
   する圧電トランスの実装方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記出力電極からそ
   の最近傍の振動の節Ａにかけてその表面に接続回路を形
   成した圧電トランスをその内部に収納する保護ケースと
   して、圧電トランスの前記の振動の節Ａ、Ｂに向かい合
   う位置のケース内面に端子表面が露出している内部端子
   を３個有し、かつ前記内部端子とあらかじめ電気的に接
   続されている外部端子をケース外面に突出させた保護ケ
   ースを用い、前記内部端子と圧電トランスの振動の節
   Ａ、Ｂとの間を導電性の接着剤で固定することを特徴と
   する圧電トランスの実装方法。