JPH118420A

JPH118420A - 圧電トランス

Info

Publication number: JPH118420A
Application number: JP9160107A
Authority: JP
Inventors: Yukifumi Katsuno; 超史勝野; Yoshiaki Fuda; 良明布田
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1999-01-12
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JP3401663B2

Abstract

(57)【要約】【課題】内部電極を面電極ではなくて線状電極とし積
層方向は圧電トランス矩形板の厚み方向とすることで、
機械的強度が高く、エネルギー変換効率も良く、更に低
コストな圧電トランスを提供することや、面電極あるい
は線状電極を用いて高い結合係数を見ながらも、不活性
部における強度低下を防止することである。【解決手段】本発明の圧電トランスは、圧電セラミッ
ク矩形板１１の長さ方向の１波長共振モードを利用す
る。矩形板１１の長さ方向に２等分した一方の部分領域
に、長さ方向に直交して複数層の線状内部電極１４、１
６、他方の部分領域に、複数層の線状内部電極１５、１
７をそれぞれ設けている。あるいはまた、長さ方向に直
交した複数層の面内において幅方向に平行に厚み方向に
複数の線状内部電極群であっても良い。これら複数層の
線状内部電極１４、１６または線状内部電極群が、圧電
セラミック矩形板の２つの側面に長さ方向において交互
に露出していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は矩形板の長さ振動を
用いながら、入力側、あるいは出力側、もしくは双方に
ｋ３３モードを利用した圧電トランスに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】携帯テレビやノート型パソコンを始め各
種携帯電子機器の普及にともない、これらの機器に直流
電圧を供給するために商用交流電圧を電源とし直流電圧
を出力するＡＣアダプターが用いられている。一般的な
ＡＣアダプターの回路図を図３にしめす。入力側にまず
電磁ノイズ対策用のコモンモードチョークコイルがあ
り、次に全波整流回路があり、次に直流回路に並列に大
きな瞬時断線対策用の平滑コンデンサーがある。その次
に直流を交流に変換するスイッチＳ１，Ｓ２があり、こ
こで変換された交流電圧が電磁式トランスに入り、所定
の交流電圧に変換される。最後にこの交流電圧を整流
し、所定の直流電圧を出力するのがスイッチング方式の
ＡＣアダプターである。ＡＣアダプターに用いられてい
る電子部品の中で体積が大きくかつ、ＡＣアダプターの
変換効率に影響を及ぼすのが電磁トランスである。最
近、ＡＣアダプターにたいする高効率化、小型低背化、
電磁ノイズの低減や低消費電力かの要求が高まり、電磁
式トランスに変わり、機械振動のエネルギーを変換媒体
とする圧電トランスの検討がなされている。圧電トラン
スの効率は圧電トランス出力インピーダンスと負荷との
インピーダンスマッチングが重要であるが、ＡＣアダプ
ターの出力部に接続される各種携帯電子機器の入力イン
ピーダンスはおよそ数Ωから数十Ω程度である。圧電ト
ランスの出力インピーダンスは各周波数ω（＝２πｆ）
と出力側制動容量Ｃｄ２によって（１）式のように求ま
る。

【０００３】Ｒ＝１／ωＣｄ２（１）ここで一例としてＲ＝１０Ω、ｆ＝１２０ｋＨｚ、のと
きＣｄ２＝１６０ｎＦとなる。

【０００４】実用的な寸法のＡＣアダプター用圧電トラ
ンスにおいてこのような大きな制動容量を確保するため
には対抗内部電極による積層構造が必要となってくる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インピ
ーダンス整合をとるために、出力側に対抗内部電極を採
用するには、内部電極とセラミックスの積層方向が圧電
セラミックス矩形板の長さ方向に一致する（ｋ３３）と
厚み方向に一致する（ｋ３１）方法の２通りが考えられ
る。

【０００６】前者は後者よりもより高い電気機械結合係
数が期待できることから圧電トランスとしてのエネルギ
ー変換効率が高くなる。しかし機械的な強度の面で問題
が残る。

【０００７】すなわち内部電極層である貴金属と圧電セ
ラミックスは化学的に反応せず、機械的に固着している
だけである。長さ方向の共振周波数で駆動された場合、
内部電極とセラミックス境界面から破壊する可能性があ
る。さらに長さ方向への積層は、積層数が多くコスト的
にも問題である。また内部電極が矩形板側面において１
層おきに露出し、外部電極によって接続されている場合
はもう一つ別の強度的問題が生ずる。１層おきに側面に
露出させる場合、側面近傍には図１（Ａ）で不活性部と
表示した部分が分極されない。一方、活性部は分極され
ると長さ方向に伸びるため、不活性部近傍は図１（Ｃ）
で示したように変形し、大きな歪みを生ずることにな
る。これによる残留応力は圧電セラミック材料の場合、
一般的に材料の引っ張り強度に相当するものであること
が知られている。

【０００８】本発明の目的は以下の通りである。

【０００９】内部電極を面電極ではなくて線状電極と
し積層方向は圧電トランス矩形板の厚み方向とすること
で、機械的強度が高く、エネルギー変換効率も良く、更
に低コストな圧電トランスを提供すること。

【００１０】面電極あるいは線状電極を用いて高い結
合係数を得ながらも、不活性部における強度低下を防止
すること。

【００１１】ｋ３３を用いて高い結合係数を得ながら
も、不活性部における強度低下を防止すること。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、圧電セラミック矩形板の長さ方向の１波長共振モ
ードを利用した圧電トランスにおいて、矩形板の長さ方向に２等分したうちの少なくとも一方
の部分に、長さ方向に直交して複数層設けられた内部電
極または、長さ方向に直交した複数層の面内において幅
方向に平行に厚み方向に複数設けられた線状内部電極群
をもち、これら複数層の内部電極及び線状内部電極群
が、矩形板の２つの側面に長さ方向において交互に露出
していることを特徴とする構造の圧電トランス。

【００１３】の圧電トランスにおいて長さ方向に直
交して複数層設けられた内部電極または線状内部電極群
が、矩形板の２つの側面に露出していることを特徴とす
る構造の圧電トランス以上の圧電トランスを検討した。

【００１４】上記問題点を解決するために、圧電セラ
ミック矩形板の長さ方向の１波長共振モードを利用した
圧電トランスにおいて、矩形板の長さ方向に２等分した
うちの少なくとも一方の部分に、長さ方向に直交して複
数層設けられた内部電極群または、長さ方向に直交した
複数層の面内において幅方向に平行に厚み方向に複数設
けられた線状内部電極群をもち、これら複数層の内部電
極及び線状内部電極群が、矩形板の２つの側面に露出
し、更に矩形板側面に設けられた厚さ方向に平行な複数
の線状電極によって接続され、これら線状電極が長さ方
向に１つおきに同極となるよう引き出され、矩形板側
面、上下面、あるいは両端面において接続されているこ
とを特徴とする圧電トランスをも検討した。

【００１５】

【作用】本発明の圧電トランスによって入力側、または
出力側、あるいは双方ともｋ３３を用いたうえで強度の
確保を図れる。また矩形板側面の線状電極を引き出して
側面、上下面、あるいは両端面においてまとめることに
より、振動のノード点（振幅ゼロの部分）においてリー
ド付けが可能となり、信頼性の向上を図ることができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による圧電ト
ランスを実施例において請求項に対応させながら図面を
用いて説明する。

【００１７】

【実施例】

［実施例１］図２に本発明の請求項１に係る圧電トラン
スにおけるその振動子構造の概略斜視図を示す。寸法は
長さ３２ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ６ｍｍである。入力部
である圧電セラミック振動子矩形板１１の約半分の部分
領域には銀−パラジウム合金を用いた線状内部電極を線
幅１００ミクロン、長さ９ｍｍ、ピッチ２ｍｍで８本配
置され、一本置きに交互に側面に露出している。出力部
である矩形板残りの約半分の領域には同じく銀−パラジ
ウム合金を用いた線状内部電極を線幅８０ミクロン、長
さ８ｍｍ、ピッチ５００μｍで３０本配置され、一本置
きに交互に側面露出している。この平面パターンを図１
（Ａ）に示す。図中の矢印は分極方向である。またこの
平面パターンが厚さ方向に１２０μｍ間隔で５０層積層
されている。また入出力部それぞれの側面には複数積層
された線状内部電極と接続するための外部電極が存在す
る。試作した圧電トランスの共振周波数と入出力側の振
動子定数及び出力側の制動容量から計算した最適負荷を
表１に示す。また試作した圧電トランスの１波長共振モ
ードを利用し、矩形板の長さ方向の端面から１／４の位
置を支持して入力７０Ｖrms 、負荷抵抗１０Ω時の圧電
トランス特性を測定した。その結果も表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】［実施例２］図２に本発明の請求項２に係
る圧電トランスにおけるその振動子構造の概略斜視図を
示す。寸法は長さ３２ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ６ｍｍで
ある。入力部である圧電トランス振動子矩形板２１の約
半分の部分領域には銀−パラジウム合金を用いた入力用
線状内部電極２４を線幅１００ミクロン、長さ８ｍｍ、
ピッチ２ｍｍで８本配置され、すべて２つの側面（前後
両側面）に露出している。出力部である矩形板２１の残
りの約半分の領域には同じく銀−パラジウム合金を用い
た線状内部電極２６と２７とを線幅８０ミクロン、長さ
９ｍｍ、ピッチ５００μｍで３０本配置され、一本置き
に交互に側面に露出している。この平面パターンを図２
（Ｂ）に示す。この平面パターンが厚さ方向に１２０μ
ｍ間隔で５０層積層されている。また出力部のそれぞれ
の側面には複数積層された線状内部電極２６および２７
を接続するための外部電極として出力用側面電極２５が
設けられている。一方、入力側には線状内部電極２４を
１本置きに選択した入力用側面電極２２および入力用側
面電極２３を設け、矩形板２１の上面において各電極を
一緒に纏める構造である。試作した圧電トランスの共振
周波数と入出力側の振動子定数及び出力側の制動容量か
ら計算した最適負荷を表１に示す。また試作した圧電ト
ランスの１波長共振モードを利用し、矩形板２１の長さ
方向の端面から１／４の位置を支持して入力７０Ｖrms
、負荷抵抗１０Ω時の圧電トランス特性を測定した。
その結果も表１に示す。

【００２０】これによると実施例２の圧電トランスは、
実施例１の圧電トランスと比較して入力側の容量比が７
から５に改善されていることが示されているが、これは
実施例２の圧電トランスの場合、外部電極近傍の圧電的
に不活性な部分が入力側に存在しないことから振動子特
性が改善されたものと考えられる。

【００２１】また、線状内部電極群を採用した実施例１
の圧電トランスの抗折強度は、面状電極を採用した場合
よりも大きくなり、更に実施例２の圧電トランスの場
合、入力部において分極時あるいは駆動に圧電トランス
の破壊の起点となる不活性部が無くなることから、より
強度が改善されていることがわかる。また今回の実施例
では２つの側面に露出した線状内部電極２４は入力部の
みに配置し、出力部は実施例１（請求項１）と同じ構造
であるが、スクリーン印刷あるいはスパッタリング等の
手法によって出力部にも適用できること、その場合は強
度、振動子特性等においてより改善が可能であることは
言うまでもない。

【００２２】［実施例３］図４の本発明の圧電トランス
の請求項３（実施例３）に係る振動子は、寸法は長さ３
２ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ６ｍｍである。入力部である
矩形板４１の約半分の領域には銀−パラジウム合金を用
いた線状内部電極を線幅１００ミクロン、長さ９ｍｍ、
ピッチ２ｍｍで８本配置され、一本置きに交互に側面に
露出している。出力部である矩形板４１の残りの約半分
の領域には同じく銀−パラジウム合金を用いた線状内部
電極４４を線幅１００ミクロン、長さ８ｍｍ、ピッチ５
００ｍｍで３０本配置され、一本置きに交互に側面に露
出している。この平面パターンを図４（Ｂ）に示す。図
中の矢印は分極方向である。

【００２３】また、この平面パターンが厚さ方向に１２
０μｍ間隔で５０層積層されている。これら線状内部電
極４４は、矩形板４１の側面に設けられた厚さ方向に平
行な複数の線状電極（入力用側面電極）４２、４３によ
って接続され、更に長さ方向に１つおきに同極となるよ
う引き出され、矩形板４１の上面においてまとめられて
いる。試作した圧電トランスの１波長共振モードを利用
し、矩形板４１の長さ方向の端面から１／４の位置を支
持して入力７０Ｖrms 、負荷抵抗１０Ω時の圧電トラン
ス特性を測定した。その結果を表２に示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】入力部の線状内部電極群が矩形板４１の長
さ方向に１層おきに露出している従来の構造に対しても
同様の評価を行った。その結果も表２に示す。これによ
ると本発明での圧電トランスは、入力部の線状内部電極
群が矩形板４１の長さ方向に１層おきに露出している従
来の構造に対して入力側の容量比が７から５に改善され
ていることが示されているが、これは本発明での圧電ト
ランスの場合、外部電極（入力用側面電極４２、４３、
出力用側面電極４５）近傍の圧電的に不活性な部分が入
力側に存在しないことから振動子特性が改善されたもの
と考えられる。

【００２６】また、本発明での圧電トランスの抗折強度
は、入力部において分極時あるいは駆動に圧電トランス
の破壊の起点となる不活性部が無くなることから、線状
内部電極群が交互に露出する従来の構造より改善されて
いることがわかる。実施例３では２つの側面に露出した
線状内部電極４４は入力部のみに配置し、出力部は従来
の構造のままであるが、スクリーン印刷あるいはスパッ
タリング等の手法によって出力部にも適用できること、
その場合は強度、振動子特性等においてより改善が可能
であることは言うまでもない。

【００２７】［実施例４］図１を再度参照して、本発明
の請求項４（実施例４）における振動子構造の概略を述
べる。寸法は長さ３２ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ６ｍｍで
ある。入力部である矩形板の約半分の領域には銀−パラ
ジウム合金を用いた帯状内部電極１４，１６を線幅１０
０ミクロン、長さ９ｍｍ、ピッチ２ｍｍで８本配置さ
れ、一本置きに交互に側面に露出している。出力部であ
る矩形板残りの約半分の領域には同じく銀−パラジウム
合金を用いた帯状内部電極１５，１７を線幅１００ミク
ロン、長さ９ｍｍ、ピッチ５００μｍで３０本配置さ
れ、一本置きに交互に側面に露出している。この平面パ
ターンを図１（Ａ）に示す。図中の矢印は分極方向であ
る。またこの平面パターンが厚さ方向に１２０μｍ間隔
で５０層積層されている。また入出力部それぞれの側面
には複数積層された帯状内部電極１５，１７と接続する
ための外部電極が設けられている。試作した圧電トラン
スの共振周波数と入出力側の振動子定数及び出力側の制
動容量から計算した最適負荷を表３に示す。また試作し
た圧電トランスの１波長共振モードを利用し、矩形板の
長さ方向の端面から１／４の位置を支持して入力１００
Ｖrms 、負荷抵抗３０Ω時の圧電トランス特性を測定し
た。その結果を表３に示す。

【００２８】

【表３】

【００２９】［実施例５］図４を再度参照して、本発明
の請求項５（実施例５）における振動子構造の概略を述
べる。寸法は長さ３２ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ６ｍｍで
ある。入力部である矩形板４１の約半分の領域には銀−
パラジウム合金を用いた帯状内部電極４４を線幅１００
ミクロン、長さ９ｍｍ、ピッチ２ｍｍで８本配置され、
すべて２つの側面に露出している。出力部である矩形板
残りの約半分の領域には同じく銀−パラジウム合金を用
いた帯状内部電極４６，４７を線幅１００ミクロン、長
さ９ｍｍ、ピッチ５００μｍで３０本配置され、一本置
きに交互に側面に露出している。この平面パターンを図
４（Ａ）に示す。図中の矢印は分極方向である。またこ
の平面パターンが厚さ方向に１２０μｍ間隔で５０層積
層されている。

【００３０】また、入力部それぞれの側面には複数積層
された帯状内部電極４６，４７と接続するための外部電
極が設けられているが、入力側は帯状電極を１本置きに
選択して矩形板上面にてまとめる構造としてある。試作
した圧電トランスの共振周波数と入出力側の振動子定数
及び出力側の制動容量から計算した最適負荷も表３に示
す。

【００３１】その上、試作した圧電トランスの１波長共
振モードを利用し、矩形板４１の長さ方向の端面から１
／４の位置を支持して入力１００Ｖrms 、負荷抵抗３０
Ω時の圧電トランス特性を測定した。その結果も表３に
示す。

【００３２】これによると入力側の容量比が７から５に
改善されていることが示されているが、これは本請求項
の構造の場合、外部電極近傍の圧電的に不活性な部分が
入力側に存在しないことから振動子特性が改善されたも
のと考えられる。またこの不活性部分極時、あるいは駆
動に際しても圧電トランスの破壊をもたらすクラックの
起点となる部分であるが、入力部において無くなること
により強度が改善されていることがわかる。今回の実施
例では２つの側面に露出した帯状内部電極は入力部のみ
に配置し、出力部は請求項１と同じ構造であるが、スク
リーン印刷あるいはスパッタリング等の手法によって出
力部にも適用できること、その場合は強度、振動子特性
等においてより改善が可能であることは言うまでもな
い。

【００３３】

【発明の効果】以上、述べたように本発明によれば、線
状内部電極を用いた構造とし積層方向は圧電セラミック
ス矩形板の厚み方向とすることができるため、製造コス
トを低下させることができる。更に圧電トランス的に不
活性な部分を除くことによって機械的強度が大きく信頼
性に優れた構造の圧電トランスを提供することが可能に
なる。

【００３４】また、線状内部電極を用いた構造とし積層
方向は圧電セラミックス矩形板の厚み方向とすることで
機械的強度が高くかつ効率９０％以上の構造の圧電トラ
ンスを提供することが可能になる。また矩形板側面の線
状電極を引き出して側面、上下面、あるいは両端面にお
いてまとめることにより、振動のノード点（振幅ゼロの
部分）においてリード付けが可能となり、信頼性の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は、請求項１（実施例１）の圧電トラン
スの概略斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）の圧電トランスの内
部電極パターンを示す図、（Ｃ）は、（Ａ）の圧電トラ
ンスの分極時の変形概略図である。

【図２】（Ａ）は、請求項２（実施例２）の圧電トラン
スの概略斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）の圧電トランスの内
部電極パターンを示す図である。

【図３】一般的な電磁式ＡＣアダプタの回路ブロック図
である。

【図４】（Ａ）は、請求項３（実施例３）の圧電トラン
スの概略斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）の圧電トランスの内
部電極パターンを示す図である。

【符号の説明】

１１圧電トランス振動子矩形板（圧電セラミック矩
形板）１２入力用側面電極１３出力用側面電極１４，１６入力用線状（帯状）内部電極１５，１７出力用線状（帯状）内部電極２１圧電トランス振動子矩形板２２入力用側面電極２３入力用側面電極２４入力用線状内部電極２５出力用側面電極２６，２７出力用線状内部電極３１電磁ノイズ対策用コモンモードチョークコイル３２全波整流回路３３平滑コイル３４スイッチング回路３５電磁式トランス３６整流回路３７平滑回路４１圧電トランス振動子矩形板４２入力用側面電極４３入力用側面電極４４入力用線状（帯状）内部電極４５出力用側面電極４６，４７出力用線状（帯状）内部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミック矩形板の長さ方向の１波
長共振モードを利用した圧電トランスにおいて、前記圧
電セラミック矩形板は、長さ方向に２等分したうちの少
なくとも一方の部分領域を備え、該一方の部分領域に
は、長さ方向に直交した複数層の面内において幅方向に
平行に厚み方向に複数層の線状内部電極群を設け、これ
ら複数層の線状内部電極群が、前記圧電セラミック矩形
板の両側面に長さ方向において１層おきに交互に露出し
ていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】圧電セラミック矩形板の長さ方向の１波
長共振モードを利用した圧電トランスにおいて、前記圧
電セラミック矩形板の長さ方向に２等分した２つの部分
領域のうち、少なくとも一方の部分領域に、長さ方向に
直交した複数層設けられた内部電極、または、長さ方向
に直交した複数層の面内において幅方向に平行に厚み方
向に複数の線状内部電極群を設け、これら複数層の内部
電極及び線状内部電極群が、前記圧電セラミック矩形板
の２つの側面に露出していることを特徴とする圧電トラ
ンス。
【請求項３】圧電セラミック矩形板の長さ方向の１波
長共振モードを利用した圧電トランスにおいて、前記圧
電セラミック矩形板の長さ方向に２等分したうちの少な
くとも一方の部分領域に、長さ方向に直交した複数層の
設けられた内部電極、または、長さ方向に直交した複数
層の面内において幅方向に平行に厚み方向に複数の線状
内部電極群を設け、これら複数層の内部電極及び線状内
部電極群が、矩形板の２つの側面に露出し、更に、前記
圧電セラミック矩形板の側面に設けられた厚さ方向に平
行な複数の電極によって接続され、これら厚さ方向に平
行な電極が長さ方向に１つおきに同極となるよう引き出
され、前記圧電セラミック矩形板の側面、上下面、ある
いは両端面において接続されていることを特徴とする圧
電トランス。
【請求項４】圧電セラミック矩形板の長さ方向の共振
モードを利用した圧電トランスにおいて、前記圧電セラ
ミック矩形板の長さ方向のほぼ半分の部分領域に、長さ
方向に直交した前記圧電セラミック矩形板の一方の側面
に露出する第一の複数の帯状内部電極と、長さ方向に直
交し前記圧電セラミック矩形板の他方の側面に露出する
第二の複数の帯状内部電極とを備え、前記第一の複数の
帯状電極の間のほぼ中間の位置に前記第二の帯状内部電
極を配置し、これら帯状電極は、前記圧電セラミック矩
形板の両側面でそれぞれ共通の外部電極に接続し、前記
圧電セラミック矩形板の長さ方向の残りのほぼ半分の部
分には、長さ方向に直交し前記圧電セラミック矩形板の
一方の側面に露出する第三の複数の帯状内部電極と、長
さ方向に直交し前記圧電セラミック矩形板の一方の側面
に露出する第四の複数の帯状内部電極とを備え、前記第
三の帯状電極と前記第四の帯状電極とは、厚み方向に複
数配置しこれら帯状電極は、前記圧電セラミック矩形板
の側面でそれぞれ共通の外部電極に接続したことを特徴
とする圧電トランス。
【請求項５】圧電セラミック矩形板の長さ方向の共振
モードを利用した圧電トランスにおいて、前記圧電セラ
ミック矩形板の長さ方向のほぼ半分の部分領域に、長さ
方向に直交し、かつ厚み方向に複数配置され、更に、前
記圧電セラミック矩形板の２つの側面に露出する第一の
複数の帯状内部電極を設け、該第一の複数の帯状内部電
極は、前記圧電セラミック矩形板の側面あるいは上面に
おいて２つの外部電極に接続される一方、前記圧電セラ
ミック矩形板の長さ方向の残りのほぼ半分の部分にも、
長さ方向に直交し、かつ厚み方向に複数配置され、更
に、前記圧電セラミック矩形板の２つの側面に露出する
第二の複数の帯状内部電極を設け、該第二の複数の帯状
内部電極は、前記圧電セラミック矩形板の側面あるいは
上面において２つの外部電極に接続されていることを特
徴とする圧電トランス。