JPH11238922A - 圧電セラミックトランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電セラミックトランスの分極時における割
れを分極作業を煩雑化することなく防止する。 【解決手段】 圧電セラミックトランス１の入力部１１
と出力部１３の境界部１２に、圧電セラミック板３の板
面に、入力電極５１，５１ａ，５２，５２ａと一体の略
帯状の補助電極６１，６１ａ，６２，６２ａを圧電セラ
ミック板の幅方向に形成して、入力電極５１〜５２ａと
出力電極８間に分極用の電圧が印加されても境界部１３
には長さ方向に分極が行われないようにするとともに、
一方の極の補助電極６１，６１ａと他方の極の補助電極
６２，６２ａとを非対向に配置して、入力電極５１〜５
２ａ間に分極用の電圧が印加されても境界部１２には厚
さ方向にも分極が行われないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電セラミックト
ランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電セラミックの圧電効果を応用した圧
電セラミックトランスは、巻線式の電磁トランスに比し
て小型化、高効率化、安全性の向上の点で優れており、
巻線式の電磁トランスに代わって高電圧電源に広く用い
られている。例えば小型携帯用のパーソナルコンピュー
タ、テレビ、自動車のメータ等において、液晶ディスプ
レイの光源として用いられる冷陰極管の駆動用として、
需要が高い。図５は一般的な圧電セラミックトランスを
示すもので、矩形状の圧電セラミック板９０３の左側半
部の上下面に入力電極９０４，９０５を形成して入力部
９０１とし、右側端面に出力電極９０６を形成して出力
部９０２としている。圧電セラミック板９０３は、先ず
出力部９０２が圧電セラミック板３の長さ方向に分極さ
れ、次いで入力部９０１が厚さ方向に分極される。図例
は出力部９０２の分極時のもので、短絡した入力電極９
０４，９０５と出力電極９０６間に分極電圧が印加さ
れ、次いで両入力電極９０４，９０５間に分極電圧が印
加される。

【０００３】また積層型の圧電セラミックトランスは、
図６に示すように同極の入力電極９０７同士を導通接続
するため、圧電セラミック層９０３の積層体の側面９１
１に接続電極９０９が形成されるが、異極の入力電極９
０８と導通しないように、接続電極９０９形成位置で
は、異極の入力電極９０８が非形成の控え部９１０とな
っている。

【０００４】これらの構造のものでは、入力部９０１と
出力部９０２との境界において、圧電セラミック板９０
３が、出力部９０２の分極時に長さ方向の分極から厚さ
方向の分極へと分極方向が大きく変わってしまうため、
上記境界における圧電セラミック板９０３の強度が低下
する。その上、入力部９０１では、その分極時に、圧電
セラミック板９０３が圧電作用により厚さ方向に膨らむ
ので、上記境界に応力が集中する。このため割れが生じ
やすいという問題がある。

【０００５】この問題の対策として、図７に示すよう
に、入力部９０１と出力部９０２との境界部９１２に、
圧電セラミック板９０３の両面に、入力電極９０４から
絶縁した帯状の中間電極９１３を圧電セラミック板９０
３の幅方向に形成し、中間電極９１３と出力電極９０６
間に分極用電圧を印加して出力部９０２の分極を行うよ
うにしたものもある。この構成では、境界部９１２を非
分極領域とすることで、圧電セラミック板９０３の強度
の低下を防止している。しかし、この構成では、出力部
９０２を分極するときだけ中間電極９１３と分極用電源
とをリード線で接続したり、中間電極９１３と入力電極
９０４間を銀ペイント等で短絡する必要があり、分極作
業が煩雑化することは否めない。

【０００６】分極作業が煩雑化しないようにしたものと
しては、特開平８−１５３９１１号公報記載の圧電トラ
ンスがある。これは、図８に示すように、入力電極９１
４の出力部９０２側の端部の形状を非直線状として入力
部９０１と出力部９０２との境界線を蛇行させることに
より、入力部９０１の分極時に上記境界線に沿って圧電
セラミック板９０３の内部に発生する歪が圧電セラミッ
ク板９０３の長さ方向へ分散するようにし、長期駆動に
よる破壊の防止を図っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記特開
平８−１５３９１１号公報記載の圧電トランスでは、依
然として出力部の分極時に入力部と出力部との境界にお
いて圧電セラミックの強度が低下し、入力部の分極時に
上記境界において応力の集中が生じており、分極時にお
ける割れに対しては必ずしも十分な対策とはなっていな
い。また境界線をより蛇行させて歪みをより分散しよう
とすれば、出力部の分極が一様にできず、トランス特性
が悪化する。

【０００８】そこで本発明は、分極作業を繁雑化するこ
となく分極時における圧電セラミック板の割れを防止す
ることができる圧電セラミックトランス、特に積層型の
圧電セラミックトランスを提供することを目的とする。
また本発明は、分極作業を煩雑化することなく分極時に
おける圧電セラミック板の割れを防止することができ、
しかも入力電極の実効面積が大きく十分に入力電力を上
げることのできる圧電セラミックトランス、特に積層型
の圧電セラミックトランスを提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、矩形の圧電セラミック板を積層し各圧電セラミック
板の長さ方向の一方の側の両面に互いに異極の入力電極
を形成してなる入力部と、上記圧電セラミック板の他方
の側に出力電極を形成してなる出力部とを有する構成に
次の構成を付加する。上記入力部と上記出力部との境界
部に、上記圧電セラミック板の板面に、上記入力電極と
一体の略帯状の補助電極を圧電セラミック板の幅方向に
形成する。一方の極の補助電極と他方の極の補助電極と
を、非対向にかつ互いに上記幅方向にずれた位置に配置
する。

【００１０】出力部の分極は、短絡せしめた入力電極
と、出力電極間に分極用の電圧が印加されて行われる。
このとき、入力電極と補助電極とは同電位であるから境
界部では分極は行われない。また入力部の分極は入力電
極間に分極用の電圧が印加されて行われる。このとき、
補助電極が非対向としてあるから境界部では圧電作用は
生じず、分極も圧電セラミック板が膨張することもな
い。かかる境界部が出力部と隣接しているので、割れが
防止される。

【００１１】請求項２記載の発明では、上記一方の極の
補助電極の一端を圧電セラミック板の一方の側縁と一致
せしめ、積層体の一方の側面に、一方の極の補助電極の
上記一端同士を導通接続せしめる帯状の接続電極を圧電
セラミック板の厚さ方向に形成する。上記他方の極の補
助電極の一端を圧電セラミック板の他方の側縁と一致せ
しめ、圧電セラミック板の積層体の他方の側面に、他方
の極の補助電極の上記一端同士を導通接続せしめる帯状
の接続電極を圧電セラミック板の厚さ方向に形成する。

【００１２】かかる構成とすることにより、請求項１記
載の発明の作用とともに、従来のように入力部に控え部
を形成することなく、同極の入力電極同士を導通し、入
力電極の実効面積を最大限にとることができ、入力電力
を上げることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１（Ａ）に本
発明の圧電セラミックトランスを示す。圧電セラミック
トランス１は積層型のもので、圧電セラミック板たる圧
電セラミック層３を積層した積層体２を有している。図
１（Ｂ）は積層体２の一部を分解した状態を示してい
る。積層体２の内層部は、各圧電セラミック層３の左側
半部に両面に互いに異極の入力電極５１，５２が形成し
てある。最上層の圧電セラミック層３の上面に形成され
た入力電極５１ａと最下層の圧電セラミック層３の下面
に形成された入力電極５２ａとは互いに異極であり、こ
の入力電極５１ａ，５２ａには、給電するための図略の
リード線が接続される。これら圧電セラミック層３およ
び入力電極５１，５２，５１ａ，５２ａにより積層型の
入力部１１を構成している。また積層体２の側面２１，
２２には入力電極５１〜５２ａを各極ごとに導通接続す
るための後述する接続電極７１，７２が形成される。

【００１４】積層体２の右側端面には全面に出力電極８
が形成され、出力部１３を構成する。出力電極８には出
力電力を取り出すための図略のリード線が接続される。

【００１５】また入力部１１と出力部１３との境界の境
界部１２には、後述する補助電極６１，６２，６１ａ，
６２ａが形成してある。

【００１６】次に圧電セラミックトランス１の製作工程
とともに本発明の特徴部分である補助電極６１〜６２ａ
および接続電極７１，７２の構成について説明する。積
層体２はシート積層法により製作する。まず入力電極５
１，５２および補助電極６１，６２を構成する電極層４
１，４２をスクーン印刷により形成しておき、所定の大
きさの矩形に切断した圧電セラミック層３となる圧電セ
ラミックのグリーンシート上に、電極層４１，４２をそ
の左端が圧電セラミック層３の左端と一致するように左
側に寄せて重ねる。ここで、電極層４１，４２のスクリ
ーン印刷のパターンは一方の極用と他方の極用とを用意
する。

【００１７】電極層４１，４２のパターンについて説明
する。一方の極の電極層４１および他方の極の電極層４
２は、互いに線対称な形状を有し、いずれの極の電極層
４１，４２も入力電極５１，５２と補助電極６１，６２
とが一体形成されたものである。

【００１８】入力電極５１，５２は形状が両極に共通で
あり、長さが圧電セラミック層３の長さの約１／２で、
幅が圧電セラミック層３の幅と同じ矩形状で、圧電セラ
ミック層３の左側半部の全面を覆う。

【００１９】補助電極６１，６２は、いずれの極用と
も、入力電極５１，５２の右側にこれと近接して圧電セ
ラミック層３の幅方向（以下、単に幅方向）に帯状に形
成され、その一端６１１，６２１側の部分は入力電極５
１，５２側が拡幅して入力電極５１，５２と一体に接続
されている。一方の極の補助電極６１は、一端６１１が
圧電セラミック層３の奥側の側縁３１と一致せしめてあ
り、他方の極の補助電極６２は、一端６２１が圧電セラ
ミック層３の手前側の側縁３２と一致せしめてある。ま
た補助電極６１，６２は、いずれも長さが圧電セラミッ
ク層３の幅の約１／２としてあり、補助電極６１が圧電
セラミック層３の板面の奥側の半部の領域を占め、補助
電極６２が上記板面の手前側の半部の領域を占める。す
なわち補助電極６１，６２は、圧電セラミック層３を挟
んでその厚さ方向に互いに対向する部分がなく、かつ互
いに上記幅方向にずれた位置となる。

【００２０】次いで一方の極の電極層４１が形成された
圧電セラミック層３と他方の極の電極層４２が形成され
た圧電セラミック層３とを、入力電極５１と入力電極５
２とが互いに圧電セラミック層３を挟んで対向するよう
に、交互に重ね、一体焼成する。

【００２１】次いで銀ペースト等の塗布、焼き付けによ
り最上層の圧電セラミック層３の上面に電極層４１と同
じパターンを電極層４１と同じ平面位置に形成して入力
電極５１ａおよび補助電極６１ａとし、最下層の圧電セ
ラミック層３の下面に電極層４２と同じパターンを電極
層４２と同じ平面位置に形成して入力電極５２ａおよび
補助電極６２ａとする。

【００２２】また、上記のごとく補助電極６１，６２の
一端６１１，６２１が圧電セラミック層３の側縁３１，
３２と一致しているので、積層体２は、この状態では積
層体２の奥側の側面２１には一方の極の補助電極６１の
一端６１１が飛び石状に露出し、積層体２の手前側の側
面２２には他方の極の補助電極６２の一端６２１が飛び
石状に露出している。銀ペースト等の塗布、焼き付けに
より積層体２の各側面２１，２２に、それぞれ補助電極
６１，６２の一端６１１，６２１を覆うように、帯状の
接続電極７１，７２を、積層体２の厚さ方向に形成す
る。これにより奥側の側面２１に形成された接続電極７
１が、一方の極の補助電極６１同士を導通接続し、手前
側の側面２２に形成された接続電極７２が、他方の極の
補助電極６２同士を導通接続する。かくして入力部１１
は、各圧電セラミック層３とその両面に形成された入力
電極５１，５２（入力電極５１ａ，５２、入力電極５
１，５２ａ）とからなる単位入力部を並列接続したもの
となる。

【００２３】次いでこの圧電セラミックトランス１に分
極処理を施して圧電セラミックトランス１が完成する。

【００２４】分極処理は、先ず出力部１３の長さ方向の
分極から行う。図２に示すように入力電極５１ａ，５２
ａを短絡した後、絶縁油中に浸漬せしめ、入力電極５１
ａ，５２ａと出力電極８間に直流高電圧を印加する。補
助電極６１〜６２ａと出力電極８間の領域に、印加電圧
に応じた電界強度で分極が行われる。このとき入力電極
５１〜５２ａと補助電極６１〜６２ａとは同電位である
から、境界部１２には分極が行われない。

【００２５】次いで入力部１１の厚さ方向の分極を行
う。入力電極５１ａ，５２ａ間に直流高電圧を印加して
入力電極５１ａ，５２間、入力電極５１，５２間、入力
電極５１，５２ａ間の領域に、印加電圧に応じた電界強
度で分極が行われる。このとき、境界部１２では、圧電
セラミック層３の両面の補助電極６１ａ，６２、補助電
極６１，６２、補助電極６１，６２ａがそれぞれ非対向
のため、分極が行われない。したがって圧電セラミック
層３には、出力部１３の分極および入力部１１の分極の
両方の影響を受けて分極方向が変わる部位は存在せず、
強度は低下しない。このため入力部１１の分極時におけ
る入力部１１の圧電作用により入力部１１と境界部１２
との境界において応力集中が生じても、圧電セラミック
層３は応力集中に耐えることができ、割れの発生率が大
幅に低減する。

【００２６】しかも図７に示した圧電セラミックトラン
スのように、中間電極を分極時のみ入力電極と導通せし
める必要がなく、分極作業の煩わしさが回避できる。

【００２７】また入力部１１に控え部（図６参照）を形
成しなくとも入力電極５１，５１ａ（５２，５２ａ）同
士が導通接続されるから、入力電極５１〜５２ａを圧電
セラミック層３の左側半部と同じ形状として入力電極５
１〜５２ａに実効面積を最大限にとることができ、大き
な電力の入力が可能である。

【００２８】次に補助電極を形成した本発明の実施例
と、補助電極が非形成の比較例との測定結果について説
明する。実施例は、図３に示すように、長さが４８ｍ
ｍ、幅が７．２ｍｍの平面形状のもので、厚さは２．２
ｍｍである。なお圧電セラック層の積層数は９層とし、
各層の厚さは０．２４ｍｍである。入力電極は長さが２
４ｍｍである。補助電極は幅が１ｍｍで、一端部の拡副
部の幅が２ｍｍのものである。なお補助電極の長さは、
図中には記していないが、供試圧電セラミックトランス
の幅の１／２の３．６ｍｍである。また比較例は補助電
極がない点以外は同じ仕様である。

【００２９】実施例および比較例とも上記のシート積層
法により製作した。すなわちＰＺＴ系の圧電セラミック
のグリーンシート上に銀パラジュウムペーストでスクリ
ーン印刷による電極層を形成し、重ねた後、長さ４．８
ｍｍ、幅７．２ｍｍに切断し、１１００°Ｃで２時間焼
成した。その後、最上層および最下層の入力電極、出力
電極、接続電極として銀ペーストを塗布、焼き付けし
た。

【００３０】分極は、１５０°Ｃの絶縁油中で電界強度
１５００Ｖ／ｍｍで行った。先ず、上記のごとく出力部
の長さ方向の分極を行い、その後、入力部の厚さ方向の
分極を行った。そして分極時の割れの発生率と、トラン
ス特性について調べた。

【００３１】表に試験結果を示す。割れの発生率が、比
較例が３３％であるのに対し、実施例では０％であり、
割れの発生率を大幅に向上させることができた。またト
ランス特性については、昇圧比が実施例は５５倍であ
り、比較例の５８倍と実質的に同等であった。また変換
効率は、実施例は８２％であり、比較例の８５％と実質
的に同等であった。

【００３２】

【表】

【００３３】このように本発明の圧電セラミックトラン
スは、従来の圧電セラミックトランスに比して割れが生
じにくく、これにより高い歩留まりを発揮し、コストダ
ウンに寄与するところ大である。

【００３４】また、上記実施例と、上記比較例の入力部
に控え部を設けた図６の構成の比較例とで、入力電力を
測定した。入力電力は、１０Ｖ入力時に、実施例では
５．８Ｗであった。このとき比較例では５．０Ｗであ
り、約２０％もの向上が確認された。このように本発明
の圧電セラミックトランスは、従来の圧電セラミックト
ランスに比して入力電力を大きくすることができる。

【００３５】（第２実施形態）図４に本発明になる圧電
セラミックトランスの別の実施形態を示す。図中、図１
と同じ符号を付した部分は実質的に同じ作動をするの
で、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【００３６】本実施形態では、補助電極の形状が第１実
施形態と異なっている。補助電極６１Ａ，６２Ａは入力
電極５１ａ，５２の右側の端縁に沿って帯状に形成して
ある。補助電極６１Ａ，６２Ａの一端６１１Ａ，６２１
Ａは圧電セラミック層３の側縁３１と一致せしめてあ
る。補助電極６１Ａ，６２Ａの長さは第１実施形態と同
様に圧電セラミック層の幅の１／２であり、一方の極の
補助電極６１Ａと他方の極の補助電極６２Ａとは非対向
に、幅方向にずれて配置され、割れを防止することがで
きる。

【００３７】なお上記各実施形態では、一方の極の補助
電極および他方の極の補助電極の長さを、圧電セラミッ
ク層の幅の１／２としたが、必ずしもこれに限定される
ものではなく、例えば一方の極の補助電極が圧電セラミ
ック層の幅の２／５で、他方の極の補助電極が圧電セラ
ミック層の幅の３／５でもよい。

【００３８】なお入力部に控え部を形成することが許容
されるのであれば、補助電極は、図例のものに限定され
るものではない。例えば、一方の極の補助電極の長さを
圧電セラミック層の幅の１／４にして、これを圧電セラ
ミック層の一方の側縁側と他方の側縁側との両方に配置
し、他方の極の補助電極を圧電セラミック層の幅の１／
２にして、幅方向中央に形成する。補助電極の一端を接
続する本発明の接続電極は、いずれの極の補助電極に対
しても非形成とするか、もしくは一方の極の補助電極に
対してのみ形成する。

【００３９】入力部に控え部を形成することが許容され
る場合には、また要求される分極の一様さによっては、
補助電極を均等に間引いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の圧電セラミックトランスの斜
視図であり、（Ｂ）は該圧電セラミックトランスの積層
体の分解図である。

【図２】本発明の圧電セラミックトランスの分極時にお
ける斜視図である。

【図３】本発明の圧電セラミックトランスの上面図であ
る。

【図４】本発明の別の圧電セラミックトランスの斜視図
である。

【図５】従来の圧電セラミックトランスの第１の例を示
す斜視図である。

【図６】従来の圧電セラミックトランスの第２の例を示
す斜視図である。

【図７】従来の圧電セラミックトランスの第３の例を示
す斜視図である。

【図８】従来の圧電セラミックトランスの第３の例を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１ 圧電セラミックトランス １１ 入力部 １２ 境界部 １３ 出力部 ２ 積層体 ２１，２２ 側面 ３ 圧電セラミック層（圧電セラミック板） ３１，３２ 側縁 ４１，４２ 電極層 ５１，５２，５１ａ，５２ａ 入力電極 ６１，６２，６１ａ，６２ａ，６１Ａ，６２Ａ 補助電
極 ６１１，６２１，６１１Ａ，６２１Ａ 一端 ７１，７２ 接続電極 ８ 出力電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安田 悦朗 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 大下 浩司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 矩形の圧電セラミック板を積層し各圧電
   セラミック板の長さ方向の一方の側の両面に互いに異極
   の入力電極を形成してなる入力部と、上記圧電セラミッ
   ク板の他方の側に出力電極を形成してなる出力部とを有
   する圧電セラミックトランスにおいて、上記入力部と上
   記出力部との境界部に、上記圧電セラミック板の板面
   に、上記入力電極と一体の略帯状の補助電極を圧電セラ
   ミック板の幅方向に形成するとともに、一方の極の補助
   電極と他方の極の補助電極とを、非対向にかつ互いに上
   記幅方向にずれた位置に配置したことを特徴とする圧電
   セラミックトランス。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電セラミックトランス
   において、上記一方の極の補助電極の一端を圧電セラミ
   ック板の一方の側縁と一致せしめ、上記他方の極の補助
   電極の一端を圧電セラミック板の他方の側縁と一致せし
   め、かつ圧電セラミック板が積層された積層体の各側面
   に、同極の補助電極の上記一端同士を導通接続せしめる
   帯状の接続電極を圧電セラミック板の厚さ方向に形成し
   た圧電セラミックトランス。