JPH11261125A

JPH11261125A - 積層型圧電トランス

Info

Publication number: JPH11261125A
Application number: JP10057982A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Kikuchi; 広実菊池; Junichi Watanabe; 渡辺　　純一
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】分極時における機械的応力を低減し長期間の
駆動を可能とする積層型圧電トランスを提供する。【解決手段】矩形状の積層型圧電トランスの発電部と
駆動部の間に、圧電セラミックスが分極されていない緩
衝部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷陰極管点灯回路
用、小型液晶ディスプレーのバックライト点灯用のイン
バータ回路部品に用いられるＤＣ／ＡＣインバータや複
写機のトナー帯電用ＤＣ−ＤＣコンバータなどに用いら
れる積層型圧電トランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、液晶ディスプレーのバックライ
トや静電気発生装置には、およそ数百Ｖから１ｋＶで数
ワット程度の高電圧電源装置が用いられている。従来こ
れらの電源には電磁式トランスが昇圧用に用いられてき
たが、発生電磁ノイズの低減や低消費電力化、機器の小
型化、低背化の要求によって、近年圧電トランスを用い
た電源が実用化されてきている。この圧電トランスは、
巻線が不要なことから構造が非常に簡単となり、小型
化、薄型化、低コスト化が可能である。この圧電トラン
スの構造と特徴は、例えば学献社発行の専門誌「エレク
トロセラミックス」１９７１年７月号の「圧電トランス
の特性とその応用」に示されている。

【０００３】最も一般的な圧電トランスの構成と動作を
図４を用いて以下に説明する。なお以下のすべての図に
おいて同一機能の部分には同一符号を付けるものとす
る。第１の従来例として図４に示すものは１９５６年に
米国のＣ．Ａ．Ｒｏｓｅｎが発表したローゼン型圧電ト
ランスの説明用模式図である。斜線を施した部分は特に
電極部であることを示す。

【０００４】図中の１は例えばＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒ
Ｏ₃（ＰＺＴ）の圧電セラミックスである。この圧電ト
ランスの図中左半分の上下面には例えば銀焼き付けによ
り設けられた一対の入力電極４、５を形成し、右側端面
にも同様の方法で出力電極６を形成する。そして圧電ト
ランスの左半分の駆動部は厚み方向に、右半分の発電部
は長さ方向にそれぞれ矢印に示すように異なる方向に分
極処理される。

【０００５】この圧電トランスは１／２波長の整数倍で
共振し、前記圧電トランスの入力電極４、５間に、圧電
セラミックス１の長さ方向の共振周波数と略同じ周波数
の交流電圧を印加すると、この圧電トランスは長さ方向
に強い機械振動を生じる。これにより右半分の発電部で
は圧電効果により電荷を生じ、出力電極６と入力電極の
一方、例えば入力電極４との間に出力電圧Ｖｏが生じ
る。

【０００６】前述のバックライト用に使用される圧電ト
ランスは数１００ボルト以上の高い交流高電圧が要求さ
れるため高い昇圧比が必要とされるが、そのためには、
圧電トランス形状の厚さを薄くするか、長さを大きくせ
ざるを得ず、実装、素子強度の面から、とりうる値には
自ずと限界があった。

【０００７】このような問題点を解決する方法として薄
手の圧電セラミックス１を積層し、駆動部側を並列接続
するような積層型の圧電トランスが例えば特開平０７−
３０２９３８号公報に開示されている。このような駆動
部側が積層された積層型圧電トランスの説明用模式図を
図５に示す。なお、斜線を施した部分は特に電極部であ
ることを示す。ここで駆動部は、圧電セラミックス１と
内部電極２が交互に積層され、並列に接続された構造と
なっている。そして圧電トランスの駆動部は厚み方向
に、発電部は長さ方向にそれぞれ矢印に示すように異な
る方向に分極処理されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように圧電トラ
ンスの駆動部、発電部は異なる方向に分極処理される。
このため、従来の圧電トランスは発電部と駆動部の境界
に、機械的な歪みが生じ割れやひびなどが生じたり、機
械的破壊を生じないまでも機械的歪みが残留し機械的強
度が劣化するという問題があった。さらに圧電トランス
の入力電極４、５間に交流電圧を印加すると、圧電トラ
ンスには図７（ａ）、（ｂ）に示す変位や応力が生じる
ため、圧電トランスの長期駆動において前記境界で機械
的破壊を発生するという問題もあった。

【０００９】本発明は上述の問題点を解決するためにな
されたもので、容易に分極時における機械的応力を低減
し長期間の駆動を可能とする積層型圧電トランスを提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め鋭意研究の結果、発明者らは著しく構成を改善した積
層型圧電トランスに想到したものである。本発明の積層
型圧電トランスは、厚み方向に分極された圧電セラミッ
クスと内部電極とが交互に積層した駆動部と、圧電セラ
ミックスが長さ方向に分極された発電部とを有するに矩
形状の積層型圧電トランスにおいて、駆動部と発電部に
挟まれた領域に、未分極の圧電セラミックスと前記内部
電極とを一層おきに積層した緩衝部を有する。

【００１１】また、前記駆動部を長さ方向の両端側に配
置し、長さ方向の中心を含む中央部に発電部を有する対
称型の積層型圧電トランスや、前記発電部を長さ方向の
両端側に配置し、長さ方向の中心を含む中央部に前記駆
動部を有する中央駆動型の積層型圧電トランスにおいて
前記緩衝部を有するものである。そして、前記緩衝部
を、長さ方向に３０〜１０００μｍの幅で形成してい
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る圧電トランスの概要
を図１を用いて説明する。図１は本発明の一実施例に係
る積層型圧電トランスの斜視図である。なお図１は本発
明の特徴を明確にするように模式的に図示しているため
積層数や縮尺等は実際とは一致しない。この積層型圧電
トランスは、圧電セラミックスを矢印に示すように長さ
方向に分極した発電部と厚さ方向に分極した駆動部を有
するとともに、駆動部および発電部間に内部電極２、３
が互いに厚さ方向に重複しない領域（緩衝部）を形成し
ている。具体的には前記内部電極２は内部電極３よりも
長く形成され、前記内部電極２は外部電極５と、前記内
部電極３は外部電極４と電気的に接続している。このよ
うな構成とすることで入力電極４、５間に分極電界を印
加し厚み方向に分極処理しても前記緩衝部の圧電セラミ
ックスは分極されず、また入力電極５と出力電極６間に
分極電界を印加し長さ方向に分極処理することで前記緩
衝部は圧電セラミックスが厚さ方向にも長さ方向にも分
極されない領域となる。このように駆動部、発電部間に
圧電セラミックスが分極されない領域（緩衝部）を形成
することで、分極による機械的歪みが軽減され分極時や
実際の駆動時における機械的破壊を防ぐことができる。
また未分極領域は内部電極を有する構成であるので該領
域の機械的強度は発電部よりも向上し、大振幅で駆動し
たときの機械的疲労による破壊に対して強靭な積層型圧
電トランスを得る。

【００１３】未分極領域は積層型圧電トランスの長さ方
向に３０μｍから１０００μｍの幅で形成するのが好ま
しい。３０μｍ未満では本発明の分極時の機械的歪みの
減少効果が薄く、１０００μｍ超では積層型圧電トラン
スとしての特性が劣化し、特に昇圧比が著しく減少する
ので好ましくない。かかる知見をもとに発明の実施を行
った。

【００１４】

【実施例】（実施例１）初めに試料の作成方法について
説明する。まず各出発原料の粉末である酸化鉛、酸化チ
タン、酸化ジルコニウム、炭酸ストロンチウムを所定量
秤量し、湿式ボールミルで混合した後、これを乾燥し、
解砕し、さらに８５０℃で２時間仮焼して仮焼粉を作成
した。

【００１５】さらにこの仮焼粉にバインダーとしてＰＶ
Ｂを、可塑剤としてＢＰＢＧをそれぞれ４重量％添加
し、エチルアルコールを溶媒として、ボールミルにて２
４時間混練した。混練後脱泡と粘度調整を行い、ドクタ
ーブレード法により８０μｍのグリーンシートを作製し
た。その後、スクリーン印刷法によりＡｇ・Ｐｄペース
トを用いてグリーンシート上に内部電極を印刷した。こ
の内部電極の形成には寸法の異なる２種類のスクリーン
を使用し形成した。

【００１６】さらに内部電極を形成したグリーンシート
を２５層積層、圧着し、所定形状に切断して成形体と
し、この成形体をアルミナもしくはマグネシアからなる
焼成治具に配列し、これを脱脂後大気中１１００℃で２
時間焼成した。さらに入力電極４、５と出力電極６を印
刷し焼付して、まず入力電極４、５間に１４０℃、２ｋ
Ｖ／ｍｍの分極電界を印加し厚み方向の分極処理を施し
駆動部とした。さらに入力電極５と出力電極６間に１４
０℃、２ｋＶ／ｍｍの分極電界を印加し長さ方向の分極
処理を施し発電部とした。このように分極することで駆
動部と発電部の間に分極電界が印加されない領域、すな
わち緩衝部を４０μｍから９００μｍとした幅５ｍｍ、
厚さ２ｍｍ、長さ２５ｍｍの積層型圧電トランスをそれ
ぞれ１０個作製した。

【００１７】（比較例１）実施例１と同様にして作製し
たグリーンシートにスクリーン印刷法によりＡｇ・Ｐｄ
ペーストを用いてグリーンシート上に内部電極を印刷し
た。この内部電極形成時にスクリーンを適宜選択するこ
とで緩衝部を０μｍ、２０μｍ、１１００μｍとなるよ
うに形成している。以降は実施例１と同様なのでその説
明を省く。

【００１８】このようにして作製した試料について、冷
陰極管を接続して６ｍＡの出力電流を得る条件でｏｎ−
ｏｆｆ点灯試験を５０回繰り返し、試験中に破壊した素
子数により分極時の機械的破壊の発生率を評価した。さ
らに前記測定において機械的破壊を生じていない試料に
ついて、温度６０℃、相対湿度９０％の恒温槽中にて積
層型圧電トランスをλモードとし定格２．５Ｗで５００
時間連続稼働する駆動試験を実施後、駆動試験中に破壊
した素子数により駆動時の機械的破壊の発生率を評価し
た。また前記駆動試験で破壊しなかった試料に正弦波交
流電圧を入力し、１００ｋΩの抵抗負荷を接続し昇圧比
を評価した。以上によって得た結果を表１に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１において、試料のＮｏ．３〜５は本発
明に係る積層型圧電セラミック振動子すなわち実施例で
ある。試料のＮｏ．１、２および６は、本発明の範囲外
すなわち比較例であり、実施例と区別するために試料番
号に（）を付した。以下、この実施例と比較例とを対比
しながら説明する。

【００２１】表１中のＮｏ．１〜６の試料は、緩衝部を
０μｍ〜１１００μｍとしたローゼン型の積層型圧電ト
ランスである。緩衝部が４０μｍ〜９００μｍであるＮ
ｏ．３から５の試料では、分極後および駆動試験後にお
いて機械的破壊の発生は無く、昇圧比も７３〜７６と良
好な特性を示した。一方緩衝部が０μｍ、２０μｍのＮ
ｏ．１、２の試料では分極後の機械的破壊発生率が５０
％と３０％であって、さらに駆動試験後にも機械的破壊
が発生した。また緩衝部が１１００μｍのＮｏ．６の試
料では昇圧比が５８と著しく低下した。

【００２２】（実施例２）実施例１と同様にして作成し
たグリーンシートにスクリーン印刷法によりＡｇ・Ｐｄ
ペーストを用いてグリーンシート上に内部電極を印刷し
た。この内部電極は積層型圧電トランスとしたとき両端
面側となる位置に形成している。またこの内部電極の形
成には寸法の異なる２種類のスクリーンを使用し形成し
ている。

【００２３】さらに内部電極を形成したグリーンシート
を２５層積層、圧着し、所定形状に切断して成形体と
し、この成形体をアルミナもしくはマグネシアからなる
焼成治具に配列し、これを脱脂後大気中１１００℃で２
時間焼成した。さらに入力電極４、５と出力電極６を印
刷し焼付して、まず入力電極４、５間に１４０℃、２ｋ
Ｖ／ｍｍの分極電界を印加し厚み方向の分極処理を施し
駆動部とした。さらに入力電極５と出力電極６間に１４
０℃、２ｋＶ／ｍｍの分極電界を印加し長さ方向の分極
処理を施し発電部とした。このように分極することで駆
動部と発電部の間に分極電界が印加されない領域、すな
わち未分極領域を７０μｍとした幅５ｍｍ、厚さ２ｍ
ｍ、長さ３７．５ｍｍの積層型圧電トランスを１０個作
製した。

【００２４】（比較例２）実施例２と同様にして作成し
たグリーンシートにスクリーン印刷法によりＡｇ・Ｐｄ
ペーストを用いてグリーンシート上に内部電極を印刷し
た。この内部電極形成時に１種類のスクリーンを使用し
未分極領域を、０μｍとなるように形成している。以降
は実施例２と同様なのでその説明を省く。このようにし
て作製した試料について、実施例１、比較例１と同様の
測定を行い、分極時の機械的破壊の発生率を評価した。
さらに前記測定において機械的破壊を生じていない試料
について、温度６０℃、相対湿度９０％の恒温槽中にて
積層型圧電トランスを３／２波長モードとし定格２．５
Ｗで５００時間連続稼働する駆動試験を実施後、駆動試
験中に破壊した素子数により駆動時の機械的破壊の発生
率を評価した。また前記駆動試験で破壊しなかった試料
に正弦波交流電圧を入力し、１００ｋΩの抵抗負荷を接
続し昇圧比を評価した。以上によって得た結果を表２に
示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２において、Ｎｏ．７、８の試料は、緩
衝部を０μｍ、７０μｍとした対称型の積層型圧電トラ
ンスである。緩衝部が７０μｍであるＮｏ．８の試料で
は、分極後および駆動試験後において機械的破壊の発生
は無く、昇圧比も７５と良好な特性を示した。一方緩衝
部が０μｍのＮｏ．７の試料では分極後の機械的破壊発
生率が５０％であって、さらに駆動試験後にも４０％の
試料で機械的破壊が発生した。

【００２７】（実施例３）実施例１と同様にして作成し
たグリーンシートにスクリーン印刷法によりＡｇ・Ｐｄ
ペーストを用いてグリーンシート上に内部電極を印刷し
た。この内部電極は積層型圧電トランスとしたとき中央
部となる位置に形成している。またこの内部電極の形成
には寸法の異なる２種類のスクリーンを使用し形成して
いる。

【００２８】さらに内部電極を形成したグリーンシート
を２５層積層、圧着し、所定形状に切断して成形体と
し、この成形体をアルミナもしくはマグネシアからなる
焼成治具に配列し、これを脱脂後大気中１１００℃で２
時間焼成した。さらに入力電極４、５と出力電極６、７
を印刷し焼付して、まず入力電極４、５間に１４０℃、
２ｋＶ／ｍｍの分極電界を印加し厚み方向の分極処理を
施し駆動部とした。さらに入力電極５と出力電極６、７
間に１４０℃、２ｋＶ／ｍｍの分極電界を印加し長さ方
向の分極処理を施し発電部とした。このように分極する
ことで駆動部と発電部の間に分極電界が印加されない領
域、すなわち未分極領域を７０μｍとした幅５ｍｍ×厚
さ２ｍｍ×長さ３０ｍｍの積層型圧電トランスを作製し
た。

【００２９】（比較例３）実施例２と同様にして作成し
たグリーンシートにスクリーン印刷法によりＡｇ・Ｐｄ
ペーストを用いてグリーンシート上に内部電極を印刷し
た。この内部電極形成時に１種類のスクリーンを使用し
未分極領域を、０μｍとなるように形成している。以降
は実施例２と同様なのでその説明を省く。このようにし
て作製した試料について、実施例１、比較例１と同様の
測定を行い、分極時の機械的破壊の発生率を評価した。
さらに前記測定において機械的破壊を生じていない試料
について、温度６０℃、相対湿度９０％の恒温槽中にて
積層型圧電トランスを１／２波長モードとし定格２．５
Ｗで５００時間連続稼働する駆動試験を実施後、駆動試
験中に破壊した素子数により駆動時の機械的破壊の発生
率を評価した。また前記駆動試験で破壊しなかった試料
に正弦波交流電圧を入力し、１００ｋΩの抵抗負荷を接
続し昇圧比を評価した。以上によって得た結果を表３に
示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】表３において、Ｎｏ．９、１０の試料は、
緩衝部を０μｍ、７０μｍとした中央駆動型の積層型圧
電トランスである。緩衝部が７０μｍであるＮｏ．１０
の試料では、分極後および駆動試験後において機械的破
壊の発生は無く、昇圧比も８２と良好な特性を示した。
一方緩衝部が０μｍのＮｏ．９の試料では分極後の機械
的破壊発生率が４０％であって、さらに駆動試験後にも
５０％の試料で機械的破壊が発生した。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、容
易に分極時における機械的破壊を低減し長期間の駆動を
可能とする積層型圧電トランスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る積層型圧電トランスの
斜視図である。

【図２】本発明の一実施例に係る第２の積層型圧電トラ
ンスの斜視図である。

【図３】本発明の一実施例に係る第３の積層型圧電トラ
ンスの斜視図である。

【図４】ローゼン型圧電トランスの構造を説明するため
の斜視図である。

【図５】積層型圧電トランスの構造を説明するための斜
視図である。

【図６】圧電トランスの変位、応力分布図である。

【符号の説明】

１圧電セラミックス２、３内部電極４、５入力電極６、７出力電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形状の積層型圧電トランスであって、
厚み方向に分極された圧電セラミックスと内部電極とが
交互に積層した駆動部と、圧電セラミックスが長さ方向
に分極された発電部とを有し、発電部と駆動部とに挟ま
れた領域に、前記内部電極を一層おきに未分極の圧電セ
ラミックスと積層した緩衝部を有することを特徴とする
積層型圧電トランス。
【請求項２】前記駆動部を長さ方向の両端側に配置
し、長さ方向の中心を含む中央部に発電部を有すること
を特徴とする請求項１に記載の積層型圧電トランス。
【請求項３】前記発電部を長さ方向の両端側に配置
し、長さ方向の中心を含む中央部に前記駆動部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電トラン
ス。
【請求項４】前記緩衝部を、長さ方向に３０〜１００
０μｍの幅で形成したことを特徴とする請求項１ないし
請求項３のいずれかに記載の積層型圧電トランス。