(57)【要約】【課題】  高出力化を目的とした圧電トランス（棒状複合圧電トランス）において、３１方向の振動（印加電圧の方向と交差する方向の振動）による振動の伝達ロスおよび電力の変換効率の低下を低減する。【解決手段】  上記課題を解決するための本発明の圧電トランスは、第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスであって、前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上であることを特徴とする。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスであって、前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上であることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスであって、前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満かつｋ３３が５０％以上であることを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上であることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項４】
前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の室温におけるヤング率が１００ＧＰａ以上２００ＧＰａ以下であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項５】
前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子に含まれるＰｂ成分が１０００ｐｐｍ未満である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項６】
前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子は電極と圧電セラミックスから成り、該圧電セラミックスはペロブスカイト型金属酸化物より構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項７】
前記圧電セラミックスはＢａとＴｉを含む請求項６に記載の圧電トランス。
【請求項８】
前記圧電セラミックスはさらにＣａとＺｒを含む請求項７に記載の圧電トランス。
【請求項９】
前記圧電セラミックスは
前記Ｂａおよび前記Ｃａの和に対する前記Ｃａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０であり、
前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対する前記Ｚｒのモル比であるｙが０．０２０≦ｙ≦０．０９５であり、
かつｙ≦ｘ
であることを特徴とする請求項８に記載の圧電トランス。
【請求項１０】
前記圧電セラミックスは
さらにＭｎを含有する圧電材料であって、
前記酸化物１００重量部に対する前記Ｍｎの含有量は、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１１】
前記圧電セラミックスはＮａとＮｂを含む請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１２】
前記第一の圧電素子と前記第二の圧電素子の間に、第三の部材が積層されている請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１３】
前記与圧機構が前記積層体を貫通していることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１４】
前記与圧機構が前記積層体に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１５】
前記圧電素子は偶数枚の板状圧電セラミックスと、複数の電極を積層して成ることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１６】
前記第三の部材は絶縁体であることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の圧電トランス。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の圧電トランスと、該圧電トランスに交番電圧を給電する駆動回路、を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高い電力の変換効率を持つ圧電トランスに関する。また、本発明は前記圧電トランスを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器内で電圧変換を行い、昇圧や降圧をする電子部品として圧電トランスが知られている。高出力化を目的とした圧電トランスの例として、以下のものが知られている。すなわち分極された圧電セラミックスと複数の電極を積層した圧電素子を入／出力部とし、入力部および出力部を積層して金属円柱で挟み込んだ構成の圧電トランス（棒状複合圧電トランス）が提案されている（特許文献１）。入力部に電気エネルギーを交番電圧として与えると、入力部の圧電セラミックスの逆圧電効果によって電気エネルギーが弾性エネルギーに変換される。この弾性エネルギーは金属円柱を介して出力部の圧電セラミックスに伝達される。そして出力部の圧電セラミックスの正圧電効果によって再び電気エネルギーとなり、出力部から取り出される。すなわち入力部に電圧を印加し、機械振動を介して出力部に生じる電圧を取り出す構成となっている。またこのような圧電トランスの構成においては、前述の弾性エネルギーの伝達方向は圧電素子の３３方向に該当する。圧電素子の３３方向とは、互いに交差する空間軸を３つ（例えばｘｙｚ軸）とりそれぞれ１軸、２軸、３軸とした際に、その分極方向を３軸方向とした際に３軸方向の振動モードのことを意味する。
【０００３】
しかしこのような高出力化を目的とした圧電トランス（棒状複合圧電トランス）において、例えば入力部においては弾性エネルギーに寄与する３３方向の振動だけでなく３１方向の振動も発生する。この３１方向の振動により、圧電セラミックスと電極板や金属円柱など周辺部材との界面で発熱し、振動の伝達ロスが生じてしまい電力の変換効率の低下をひきおこす問題があった。また電子機器内の高集積化においては電子部品の小型化が望まれているが、このような圧電トランスの発熱により周辺部品および周辺部材が高温となり悪影響を起こす問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５１−１２３５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するために成されたものであり、高出力化を目的とした圧電トランス（棒状複合圧電トランス）において、圧電セラミックスと電極板や金属円柱など周辺部材との界面における発熱を抑制するものである。そのことで、入力電力に対する出力電力の変換効率が高い圧電トランスを提供する。
【０００６】
また、本発明は前記圧電トランスを用いた電子機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の圧電トランスは、第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスであって、前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上であることを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題を解決するための本発明の圧電トランスは、第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスであって、前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満かつｋ３３が５０％以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る電子機器は、上記の圧電トランスを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高出力時においても高い電力の変換効率を持つ圧電トランスを提供することができる。また、本発明によれば、前記圧電トランスを用いた高い電力の変換効率を持つ電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の圧電トランスの一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の圧電トランスにおける与圧機構の構成の実施の態様を示す模式図である。
【図３】構造体における機械共振における伸縮振動（１、２、３、４次）の変位量分布と応力分布を表す概略図である。
【図４】圧電素子の分極方向と振動方向の関係を示す模式図である。
【図５】本発明の圧電トランスの一実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明の圧電トランスの構成の一実施形態における入出力部と伸縮振動の変位量分布と応力分布の関係を表す概略図である。
【図７】本発明の実施例における出力電力と入力電力に対する出力電力の変換効率との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例におけるｋ３１およびｋ３３と出力電力と入力電力に対する出力電力の変換効率との関係を示す図である。
【図９】本発明の圧電トランス装置の構成の一実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための圧電トランスおよびそれを備えた電子機器の実施形態について説明する。
【００１３】
（圧電トランスの構成）
図１は本発明の圧電トランスの一実施形態を示す概略図である。図１（ａ）に示すように、圧電トランス１０７は、第一の圧電素子である入力用圧電素子１０３と第二の圧電素子である出力用圧電素子１０６を第一の部材１０９および第二の部材１１０で挟み込んだ構成を有する。第一の圧電素子および第二の圧電素子は、分極された圧電セラミックスと複数の電極より構成され、圧電セラミックスと電極は部材と同じ方向に積層し、また圧電セラミックスの分極方向は部材の積層方向と同じとする。前記圧電セラミックスには分極処理用の簡易電極が接着されていても良い。また図１（ｂ）のように、２つの第一の圧電素子１０３および２つの第二の圧電素子１０６を、それぞれ同極同士を向い合せに配備し、第一の部材１０９および第二の部材１１０で挟み込んだ構成を有する。第一の部材１０９および第二の部材１１０の一例として金属円柱が挙げられるが、第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子１０６を挟み込むことができれば材質や形状は特に限定しない。入力部１０１の入力端子１０２に電気エネルギーを交番電圧として与えると、入力用圧電素子１０３の逆圧電効果によって電気エネルギーが弾性エネルギーに変換される。この弾性エネルギーは出力部１０４の出力用圧電素子１０６の正圧電効果によって再び電気エネルギーとなり、出力端子１０５から取り出される。すなわち入力部１０１に電圧を印加し、機械振動を介して出力部１０４に生じる電圧を取り出す構成となっている。
【００１４】
また、本発明に係る圧電素子は電極と圧電セラミックスから構成される。電極と圧電セラミックスは接着されていても良いし、重ね合わせた状態でも良い。
【００１５】
本発明における圧電トランス１０７の形状は、例えば外径Ｒの円柱状でも、外形Ｒの円柱の中心に内径ｒのボルトを通す孔を有する形状でもよい。構造体の両端からナットで締めつけて圧力を加える（与圧）ことで、圧電トランスの引っぱり応力に対する圧電素子の破壊耐性が向上し、入力電力を大きくすることでハイパワーでの使用が可能となる。図２に本発明の圧電トランスにおける与圧機構の構成を示す。図２（ａ）は第一の部材および第二の部材の両端からナットで締め付ける与圧機構の一例であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の断面図を示す。圧電トランス１０７の内部にシャフト１１８を通すために、第一の部材１０９、第一の圧電素子１０３、第二の圧電素子１０６、第二の部材１１０にはシャフト１１８の直径よりも大きな穴を設ける必要がある。
【００１６】
またシャフト１１８と圧電セラミックス１１４と電極１１６を備えた第一の圧電素子１０３および、同様の構造の第二の圧電素子１０６が接触すると、第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子１０６の振動を阻害する要因となる。そのため、シャフト１１８と第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子１０６の間には必ず空間が必要となる。また金属製のシャフト１１８を用いた場合、第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子１０６と接触すると短絡してしまう恐れがある。そしてシャフト１１８には圧電トランスの両端に位置する部分にねじ切り溝を設け、ナットで締めつけることで圧電トランスに圧力を加えることが可能となる。このように与圧手段としては、図２（ｃ）に模式的に示すように圧電トランス１０７の中心に準備した貫通孔を利用してボルトやナットなどで締める与圧機構１１２（斜線部）を設ける方法が好ましい。このとき、素子駆動時に利用する伸縮振動において圧電素子にかかる応力の面内均一性をできるだけ高く保ち、高い出力効率を確保することおよび耐久性向上の観点が重要である。この観点より、締め付けに用いる与圧機構１１２はボルトの頭やナットの断面形状が圧電トランス１０７の断面形状と等しい（図２（ｄ））ことがより好ましい。さらにボルトの頭やナットが与圧機構１１２に埋め込まれている（図２（ｅ））、構造とすることで、圧電トランス１０７が小型化できるためより好ましい。
【００１７】
圧電トランスの駆動には伸縮の共振を利用する。圧電トランスの両端を自由端とした構成における１次から４次の伸縮共振時の変位量および応力分布の模式図を図３に示す。素子の駆動時に利用する伸縮共振時に応力が最大になる位置に入力部および出力部を設置することで、入力電力に対する出力電力の変換効率が高い圧電トランスとすることができる。両端が自由端とした構成を例として述べたが、片側を固定端や両端を固定端となるような構造においても伸縮共振時に応力が最大になる位置に入力部および出力部を設置することで、入力電力に対する出力電力の変換効率が高い圧電トランスとすることができる。
【００１８】
圧電トランスの前記伸縮共振時に応力が最大になる位置の見積りには、例えば、有限要素法算出することができる。有限要素法のパッケージソフトの例としては、“ＡＮＳＹＳ”（ＡＮＳＹＳ  Ｉｎｃ．）がある。
【００１９】
本発明に係る圧電トランスは一例として図２に示すようなものである。すなわち、第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスである。さらには前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上であることを特徴とする。（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上であることで、圧電セラミックスと電極板や金属円柱など周辺部材との界面における摩擦損失が小さくなり発熱を抑制することができる。すなわち振動エネルギーを効率よく変換し入力電力に対する出力電力の変換効率が高い圧電トランスとすることができる。電気機械結合係数ｋとは圧電効果の大きさを表す量の一つであり、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する効率を表す。ｋの値が大きいほどその効果が大きいことを意味し、一般社団法人電子情報技術産業協会（ＪＥＩＴＡ）規格ＥＭ−４５０１Ａにより算出することができる。また、電気機械結合係数ｋ３１とは図４（ａ）に示すように、３軸方向の分極方向に対して１軸方向の振動モードである長辺方向伸び振動の効果を表し、本発明における圧電トランスにおいては、部材の積層方向に対して垂直方向への振動の効果を表す。一方、電気機械結合係数ｋ３３とは図４（ｂ）に示すように、３軸方向の分極方向に対して３軸方向の振動モードである縦振動の効果を表し、本発明における圧電トランスにおいては、部材の積層方向への振動の効果を表す。
【００２０】
また本発明に係る圧電トランスは一例として図２に示すものである。すなわち、第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスである。そして、前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満かつｋ３３が５０％以上であることを特徴とする。電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満であることで、圧電セラミックスと電極板や金属円柱など周辺部材との界面における摩擦損失が小さくなり、発熱を抑制することができる。さらにｋ３３が５０％以上であることで入力部および出力部における駆動時に発生する振動エネルギーを大きくすることができ、出力電力を大きくすることが可能となる。このように電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満かつｋ３３が５０％以上であることで、振動エネルギーを効率よく変換し、高出力かつ入力電力に対する出力電力の変換効率が高い圧電トランスとすることができる。また本発明に係る圧電トランスは一例として図２に示すものである。すなわち、第一の部材、第一の圧電素子、第二の圧電素子および第二の部材が順に積層された積層体と、該積層体の前記第一の部材と前記第二の部材を積層方向に互いに締め付ける与圧機構とを少なくとも有する圧電トランスである。そして、さらには前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上である。さらにはｋ３３／ｋ３１が上述の比をみたし、かつ前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満かつｋ３３が５０％以上であることを特徴とする。つまり（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上であり、前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満かつｋ３３が５０％以上である。そのことで、圧電セラミックスと電極板や金属円柱など周辺部材との界面における摩擦損失が小さくなり発熱を抑制することができる。また入力部および出力部における駆動時に発生する振動エネルギーを大きくすることができる。したがって、出力電力を大きくすることが可能となる。そして振動エネルギーを効率よく変換し、入力電力に対する出力電力の変換効率が高い圧電トランスとすることができる。
【００２１】
このように圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）を考慮した圧電素子を用いた圧電トランスは知られていない。
【００２２】
前記第一の圧電素子および前記第二の圧電素子の電気機械結合係数ｋ３１に対する電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）は２．２以上がより好ましく、さらに好ましくは２．３以上である。
【００２３】
本発明に係る圧電トランスは、第一の圧電素子と第二の圧電素子の間に、第三の部材が積層されていることが好ましい。第一の圧電素子と第二の圧電素子の間に、第三の部材を積層することで、例えば図３（ｂ）の伸縮モード２次を利用することが可能となる。伸縮モード２次では、入力側の圧電素子と出力側の各々の圧電素子を応力が最大となる位置に設置することができるため、電力の変換効率の良い圧電トランスとすることができる。
【００２４】
（与圧機構）
本発明に係る圧電トランスは、与圧機構が積層体を貫通していることが好ましい。図２に示すように与圧機構が積層体を貫通し、構造体の両端から圧力を加える構造とすることができる。そのように構成することで、与圧機構を含め圧電トランスの構成部品が一体の共振体となることから、振動の損失を低減することができるため、電力の変換効率の良い圧電トランスとすることができる。
【００２５】
本発明に係る圧電トランスは、与圧機構が積層体に埋め込まれていることが好ましい。図２（ｃ）に示すように与圧機構が積層体に埋め込まれていることで、素子駆動時に利用する伸縮振動において圧電素子にかかる応力の面内均一性をできるだけ高く保つことができる。その結果耐久性を向上させ、さらに入力電力に対する出力電力の変換効率が高い圧電トランスとすることができるため好ましい。また、与圧機構積層体に埋め込まれていることで圧電トランスを小型化できるため好ましい。
【００２６】
本発明に係る圧電トランスは、前記圧電素子は偶数枚の板状圧電セラミックスと、複数の電極を積層して成ることが好ましい。図１（ａ）は入力部および出力部各々の圧電素子が１枚の圧電セラミックスから成っているのに対して、図１（ｂ）は入力部および出力部各々が２枚の圧電セラミックスから成っている。駆動回路から同じ電圧を給電した時、図１（ａ）では１枚の圧電セラミックスによる振動エネルギーの発生に対して、図１（ｂ）では２枚の圧電セラミックスによる振動エネルギーが発生する。このため、圧電素子を偶数枚の板状圧電セラミックスと複数の電極を積層する構造とすることで、高出力な圧電トランスとすることができる。
【００２７】
本発明に係る圧電トランスは、前記第三の部材が絶縁体であることが好ましい。第三の部材が絶縁体であることで、入力側の回路と出力側の回路がそれぞれ絶縁した構造となる。このような絶縁構造では、入力側の電気が直接流れることを防ぎ、出力側につながれた回路を保護することができる。また予期せぬ出力側からの電気の逆流が入力側に伝わることを防ぐことができる。このため第三の部材が絶縁体であることがより好ましい。
【００２８】
（圧電素子）
本発明に係る圧電素子の室温におけるヤング率は１００ＧＰａ以上２００ＧＰａ以下であることが好ましい。ヤング率と共振周波数には正の相関があるため、ヤング率が大きいと共振周波数は高くなる。一定の共振周波数を持つ素子を作製する場合、ヤング率の大きな圧電素子においては、ヤング率が小さい圧電素子よりも小型化することが可能となる。ヤング率は振動形態の音速と密度の値から算出することができ、密度は例えばアルキメデス法により測定できる。
【００２９】
本発明に係る圧電素子に含まれるＰｂ成分は１０００ｐｐｍ未満であることが好ましい。例えば圧電素子が廃却され酸性雨を浴びたり、過酷な環境に放置されたりした際、圧電素子に含まれる圧電セラミックス中の鉛成分が土壌に溶け出し生態系に害を成す可能性が指摘されている。鉛成分が環境に与える影響を考慮すると、本発明の圧電素子は非鉛型であることが好ましく、圧電素子に含まれる鉛成分が１０００ｐｐｍ未満であると、鉛成分の溶出による影響を低減できるので、非鉛型の圧電素子と言える。鉛の含有量は、例えば蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、ＩＣＰ発光分光分析により定量された圧電セラミックスの総重量に対する鉛の含有量によって評価することができる。
【００３０】
（圧電セラミックス）
本明細書において、「セラミックス」とは、基本成分が金属酸化物であり、熱処理によって焼き固められた結晶粒の凝集体（バルク体とも言う）を表す。焼結後に加工されたものも含まれる。ただし、粉末や粉末を分散させたスラリーは、この用語に含まれない。
【００３１】
本発明に係る圧電セラミックスは、ペロブスカイト型金属酸化物より構成されることが好ましい。ペロブスカイト型金属酸化物は圧電特性が優れているため、高出力な圧電トランスとすることができる。
【００３２】
ペロブスカイト型金属酸化物とは一般的にＡＢＯ３の化学式で表現される。ペロブスカイト型金属酸化物において、元素Ａ、Ｂは各々イオンの形でＡサイト、Ｂサイトと呼ばれる単位格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、Ａ元素は立方体の頂点、Ｂ元素は体心に位置する。Ｏ元素は酸素の陰イオンとして立方体の面心位置を占める。単位格子が、立方晶単位格子の［００１］、［０１１］、または［１１１］方向に歪むことにより、それぞれ、正方晶、斜方晶、菱面体晶のペロブスカイト型構造の結晶格子となる。
【００３３】
本発明においてＡＢＯ３の化学式で表現されるＡサイトを示すＡ（ｍｏｌ）とＢサイトを示すＢ（ｍｏｌ）モルの比（Ａ／Ｂ）はａを用いてあらわす。ａが１以外の値だとしても前記金属酸化物がペロブスカイト構造を主相としていれば、本発明の範囲に含まれる。
【００３４】
また、ＡＢＯ３の化学式においてＢサイトの元素とＯ元素のモル比は１対３であるが、元素量の比が若干、例えば１％以内でずれた場合でも、前記金属酸化物がペロブスカイト構造を主相としていれば、本発明の範囲に含まれる。
【００３５】
前記金属酸化物がペロブスカイト構造であることは、例えば、圧電セラミックスに対するＸ線回折や電子線回折から判断することができる。ペロブスカイト構造が主たる結晶相であれば、圧電セラミックスがその他の結晶相を副次的に含んでいても良い。
【００３６】
本発明に係る圧電セラミックスを構成する化合物種は特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム、チタン酸バリウムカルシウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、鉄酸ビスマスや、これらを主成分とした金属酸化物を用いることが出来る。鉛成分が環境に与える影響を考慮すると、本発明の圧電セラミックスは非鉛型の金属酸化物であることがより望ましい。圧電セラミックスに含まれる鉛成分が１０００ｐｐｍ未満であると、鉛成分の溶出による影響を低減できるので、非鉛型の圧電セラミックスと言える。
【００３７】
（圧電セラミックスの組成）
本発明に係る圧電セラミックスはＢａとＴｉを含むことが好ましい。例えばＢａとＴｉを含むペロブスカイト型金属酸化物の一例としてチタン酸バリウムがある。チタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスは圧電定数ｄの絶対値が大きい。従って、同じ歪量を得るために必要な電圧を小さくすることができるため、電力の変換効率の良い圧電トランスとすることができる。
【００３８】
圧電セラミックスの圧電定数は、当該セラミックスの密度ならびに共振周波数および反共振周波数の測定結果から、一般社団法人電子情報技術産業協会（ＪＥＩＴＡ）規格ＥＭ−４５０１Ａに基づいて、計算により求めることができる。共振周波数および反共振周波数は、例えば、該セラミックスに一対の電極を設けた後に、インピーダンスアナライザを用いて測定できる。
【００３９】
本発明に係る圧電セラミックスはさらにＣａとＺｒを含むことが好ましい。Ｃａを含有することにより、温度下降時の正方晶から斜方晶への相転移温度（以後Ｔｔｏ）や、温度上昇時の斜方晶から正方晶への相転移温度（以後Ｔｏｔ）が低下する。またＺｒを含有することにより、ＴｔｏやＴｏｔの温度が上昇する。さらに正方晶から立方晶への相転移温度であるキュリー温度（以後Ｔｃ）が低下し誘電率が上昇することから圧電定数ｄの絶対値が大きくなる。このように、ＣａとＺｒを含むことにより動作温度範囲における相転移温度の影響を低減させることで圧電特性の温度安定性を向上させ、電力の変換効率の良い圧電トランスとすることができる。
【００４０】
キュリー温度Ｔｃとは、一般的にその温度以上で圧電材料の圧電性が消失する温度であり、本明細書においては、強誘電相（正方晶相）と常誘電相（立方晶相）の相転移温度近傍で誘電率が極大となる温度をＴｃとする。チタン酸バリウムを主成分とする金属酸化物からなる圧電材料のＴｃはだいたい１００℃〜１３０℃くらいである。
【００４１】
本発明に係る圧電セラミックスは、以下の組成比の圧電セラミクスであるとより好ましい。すなわち、ＢａおよびＣａの和に対するＣａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０であり、ＴｉおよびＺｒの和に対するＺｒのモル比であるｙが０．０２０≦ｙ≦０．０９５であり、かつｙ≦ｘである。ｘの値が０．０２以上とすることで、圧電定数の温度依存性が小さくなることから、より好ましい。一方、ｘが０．３０よりも小さいほうが、Ｃａの固溶が促進され、焼成温度を下げることができる。さらにＴｉ、およびＺｒの含有量の和に対するＺｒのモル比であるｙの値が０．０２０≦ｙ≦０．０９５であることがより好ましい。ｙの値を０．０２以上とすることで、動作温度範囲（例えば−３０℃〜６０℃）の圧電定数が大きくなる。一方、ｙを０．０９５以下とすることで、ＴＣが例えば１００℃以上と高くなり、高温下で使用する際の脱分極がより抑制されることから、圧電デバイスの動作保証温度範囲がより広くなるとともに、圧電定数の経時劣化が小さくなる。
【００４２】
このように、０．０２≦ｘ≦０．３０および０．０２０≦ｙ≦０．０９５であり、かつｙ≦ｘとすることで圧電定数の温度依存性が小さく、かつ圧電定数が大きく電力の変換効率の良い圧電トランスとすることができる。
【００４３】
本発明に係る圧電セラミックスはさらにＭｎを含有する圧電材料であって、前記酸化物１００重量部に対する前記Ｍｎの含有量は、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下であることが好ましい。
【００４４】
Ｍｎの含有量が、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下の範囲にあることで、室温におけるＱｍの値を大きくすることができるためより好ましい。一般に、Ｑｍは圧電材料を振動子として評価した際の振動による弾性損失を表す係数であり、Ｑｍの大きさはインピーダンス測定における共振曲線の鋭さとして観察される。つまり、Ｑｍは振動子の共振の鋭さを表す定数である。Ｑｍが高いと振動で失われるエネルギーは少ない。Ｑｍが向上することで、圧電材料を圧電素子として電圧を印加して駆動させた際に損失が少なく、効率の良い圧電素子とすることができる。Ｑｍは一般社団法人電子情報技術産業協会（ＪＥＩＴＡ）規格ＥＭ−４５０１Ａに従って測定可能である。
【００４５】
Ｍｎは２価から４価の間で、価数変動する性質があり、圧電セラミックス中の電荷バランスの欠陥を補償する役割を果たす。Ｍｎの含有量を０．０２重量部以上とすることで、圧電セラミックスの結晶格子中の酸素空孔濃度が増大し、非１８０度ドメインのドメインスイッチングによって結晶粒子間に発生する残留応力が小さくなるため、Ｑｍの値がより増大すると考えられる。一方で、Ｍｎの含有量値を０．４０重量部以下することで、Ｍｎの固溶を促進し、絶縁抵抗をより高くすることができる。絶縁性が向上すると、圧電材料を圧電素子として電圧を印加して駆動させた際の圧電素子の長期信頼性が確保できるため好ましい。
【００４６】
Ｍｎは金属Ｍｎに限らず、Ｍｎ成分として圧電セラミックスに含まれていれば良く、その含有の形態は問わない。例えば、Ｂサイトに固溶していても良いし、粒界に含まれていてもかまわない。または、金属、イオン、酸化物、金属塩、錯体などの形態でＭｎ成分が圧電セラミックスに含まれていても良い。より好ましくは、絶縁性や焼結容易性という観点からＭｎは存在することが好ましい。Ｍｎの価数は一般に４＋、２＋、３＋を取ることができるが、Ｍｎの価数が４＋よりも低い場合、Ｍｎはアクセプタとなる。アクセプタとしてＭｎがペロブスカイト構造結晶中に存在すると、結晶中に酸素空孔が形成される。酸素空孔は欠陥双極子を形成すると、圧電セラミックスのＱｍを向上させることができる。Ｍｎが４＋よりも低い価数で存在するためには、Ａサイトに３価の元素が存在することが好ましい。好ましい３価の元素はＢｉである。他方、Ｍｎの価数は、磁化率の温度依存性の測定によって評価できる。
【００４７】
本発明に係る圧電セラミックスはＮａとＮｂを含むことが好ましい。ＮａとＮｂを含む圧電セラミックスの一例としてニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）とチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）の固溶体（以下「ＮＮ−ＢＴ」という）がある。ＮＮ−ＢＴは、難焼結性や低耐湿性の原因となるカリウムを実質的に含まないため、圧電特性が経時的に変化することがほとんどないという利点がある。また、ＮＮ−ＢＴを圧電トランスに使用した際、圧電トランスの使用温度範囲（例えば０℃から８０℃まで）に結晶構造の相転移を引き起こす点（温度）が存在しないため、使用温度によって性能が著しく変動することがほとんどないという利点もある。
【００４８】
（電子機器）
本発明の圧電トランス装置は、図９（ａ）、（ｂ）に示すように外装部１１３を設けて電子機器に組み込み、入力用駆動回路および出力用回路（外部負荷）と接続して用いることも好ましい。高出力で高い変換効率が可能なため、従来の圧電トランスよりも小型化することにより電子機器の小型化が可能となる。
【００４９】
（実施例）
以下に実施例を挙げて本発明の圧電トランスを具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００５０】
（圧電セラミックス）
圧電セラミックスとして分極された２種類のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、２種類のＮＮ−ＢＴ（ニオブ酸ナトリウムと少量のチタン酸バリウムの固溶体）および１種類のＢＣＴＺ−Ｍｎ（Ｃａ、ＺｒおよびＭｎを添加したチタン酸バリウム）を用意した。２種類のＰＺＴは、ＰＺＴ＿１およびＰＺＴ＿２とした、また２種類のＮＮ−ＢＴはＮＮ−ＢＴ＿１およびＮＮ−ＢＴ＿２とした。そしてアルキメデス法により密度の測定を行った。なお、ＧＤＭＳ（グロー放電質量分析）を用いた半定量分析により２種類のＮＮ−ＢＴおよびＢＣＴＺ−Ｍｎの圧電セラミックスに含まれる不純物元素を測定したところ、圧電セラミックスに含まれるＰｂは５０ｐｐｍ未満であった。
【００５１】
圧電セラミックスの圧電基本特性として、電気機械結合係数ｋ３１、電気機械結合係数ｋ３３、および電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）、周波数定数Ｎ３１およびヤング率Ｙ１１を評価した。圧電基本特性を評価するために圧電セラミックスの表裏両面にＤＣスパッタリング法で厚さ４００ｎｍの金（Ａｕ）電極を形成した。なお、電極と圧電セラミックスの間には、密着層として３０ｎｍ厚のチタン（Ｔｉ）を成膜した。その後一般社団法人電子情報技術産業協会（ＪＥＩＴＡ）規格ＥＭ−４５０１Ａに基づき、長さ０．９ｍｍ×幅０．９ｍｍ×厚さ４．９ｍｍの角柱形状に加工して電気機械結合係数ｋ３３の測定を行った。また同規格に基づき、長さ１０ｍｍ×幅２．５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの矩形板状に加工して電気機械結合係数ｋ３１の測定およびインピーダンスアナライザによる共振周波数の測定を行った。密度の測定結果および共振周波数の測定結果より、周波数定数Ｎ３１およびヤング率Ｙ１１を算出した。これらの圧電セラミックスの圧電基本特性を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2020064977.tif 000003
【００５３】
（圧電トランスの作製）
（構造１）
構造１として、図５（ａ）に示すように、入力部１０１と出力部１０４を積層した圧電トランス１０７とした。入力部１０１は第一の部材１０９、第一の圧電素子（入力用圧電素子）１０３および入力端子１０２からなり、入力端子１０２は第一の圧電素子１０３を構成する電極とつながっている。また出力部１０４は第二の部材１１０、第二の圧電素子（出力用圧電素子）１０６および出力端子１０５からなり、出力端子１０５は第二の圧電素子１０６を構成する電極とつながっている。第一の部材および第二の部材はＳＵＳを用いた。第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子は、分極処理用の簡易電極が接着された２枚の圧電セラミックスと３枚の電極として厚さ０．２ｍｍの銅板（不図示）を積層した構成とした。また入力部と出力部の間の電極は共通とし、銅板を合計５枚使用した。圧電トランス１０７を構成する、第一の部材は直径１３ｍｍ・長さ２９．７ｍｍ、第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子１０６を構成する圧電セラミックスは直径１３ｍｍ・長さ２．５ｍｍ、第二の部材１１０は直径１３ｍｍ・長さ２４．３ｍｍとし、全長６５ｍｍとした。また圧電トランス１０７の構造体に両端から圧力を加える与圧機構を設けるために、圧電トランス１０７を構成する各部品には内径６ｍｍの貫通穴を設けた。そして貫通穴にＳＵＳ製のシャフトを通し、両端部をナットで固定し圧電トランスを１０Ｎ・ｍのトルクで締めつけた。
【００５４】
本構成における１次の伸縮振動時の変位量と入力部１０１と出力部１０４の関係を模式的に図６（ａ）に示す。圧電トランスの両端を自由端とした構成として入力部１０１を構成する第一の圧電素子１０３の中心位置が１次の伸縮振動の変位量の絶対値が０になる、つまり応力が一番大きくなる位置とした。
【００５５】
（構造２）
構造２として、図５（ｂ）に示すように、入力部１０１と第三の部材１１１と出力部１０４を積層した圧電トランス１０７とした。入力部１０１は第一の部材１０９、第一の圧電素子（入力用圧電素子）１０３および入力端子１０２からなり、入力端子１０２は第一の圧電素子１０３を構成する電極とつながっている。第一の部材、第二の部材および第三の部材はＳＵＳを用いた。また出力部１０４は第二の部材１１０、第二の圧電素子（出力用圧電素子）１０６および出力端子１０５からなり、出力端子１０５は第二の圧電素子１０６を構成する電極とつながっている。第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子は、２枚の圧電セラミックスと３枚の電極として厚さ０．２ｍｍの銅板（不図示）を積層した構成とし、銅板を合計６枚使用した。圧電トランス１０７を構成する、第一の部材は直径１５ｍｍ・長さ３．５ｍｍ、第一の圧電素子１０３および第二の圧電素子１０６を構成する圧電セラミックスは直径１５ｍｍ・長さ１．５ｍｍ、第二の部材１１０は直径１５ｍｍ・長さ３．５ｍｍ、第三の部材は直径１５ｍｍ・長さ７ｍｍとし、全長２１ｍｍとした。また圧電トランス１０７の構造体に両端から圧力を加える与圧機構を設けるために、圧電トランス１０７を構成する各部品には内径６ｍｍの貫通穴を設けた。
【００５６】
本構成における２次の伸縮振動時の変位量と入力部１０１と出力部１０４の関係を模式的に図６（ｂ）に示す。圧電トランスの両端を自由端とした構成として入力部１０１を構成する第一の圧電素子１０３の中心位置および出力部１０４を構成する第二の圧電素子１０６の中心位置が２次の伸縮振動の変位量の絶対値が０になる、つまり応力が一番大きくなる位置とした。
【００５７】
表１に示す圧電セラミックスを用いて、表２に示すように実施例１から実施例５および比較例１の圧電トランスを作製した。
【００５８】
【表２】
2020064977.tif 000004
【００５９】
（圧電トランスの特性評価）
圧電トランスの特性評価として、図５に示す入力端子１０２に交流電圧を印加し、出力端子１０５より出力される電力を測定した。入力端子における電圧値と電流値より入力電力を算出し、出力端子における電圧値と出力端子に接続した負荷抵抗（不図示）より出力電力を算出し、入力電力に対する出力電力の割合から圧電トランスの変換効率を算出した。
【００６０】
比較例１および実施例１〜実施例４における圧電トランスの特性評価結果を図７および図８に示す。図７は圧電トランスの各出力電力における入力電力に対する出力電力の変換効率を表している。また図８（ａ）は圧電トランスの出力電力１０Ｗの時の入力電力に対する出力電力の変換効率、図８（ｂ）および図８（ｃ）は圧電トランスの出力電力３０Ｗの時の入力電力に対する出力電力の変換効率を表している。
【００６１】
図７および図８（ａ）の結果で示されるように、圧電セラミックスの電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が１．８の比較例１に対して、実施例１から４の方が以下の点で有利である。すなわち、圧電セラミックスの電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が２．０以上である実施例１から４の方が圧電トランスの入力電力に対する出力電力の変換効率が高い。
【００６２】
実施例１と実施例２から実施例４を比較すると、実施例２から実施例４では圧電セラミックスの電気機械結合係数ｋ３１が３０％未満かつｋ３３が５０％以上を満たしている。そのため、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示されるように、実施例１よりも３０Ｗ以上の高出力電力においても入力電力に対する出力電力の変換効率が高い。
【００６３】
実施例２から実施例４を比較すると、図８（ａ）に示されるように圧電セラミックスの電気機械結合係数ｋ３３の比（ｋ３３／ｋ３１）が大きい順に入力電力に対する出力電力の変換効率が高く、実施例３よりも実施例４が、実施例４よりも実施例２が高い。
【００６４】
また構造２である実施例５の電力変換効率は、出力電力１０Ｗの時８９％、３０Ｗの時８５％、５０Ｗの時８２％であった。実施例２と実施例５を比較すると、実施例５では入力部と出力部の間に第三の部材がある。実施例２では第一の圧電素子（入力用圧電素子）の中心を応力が一番大きくなる位置とした。他方、実施例５では第一の圧電素子（入力用圧電素子）および第二の圧電素子（出力用圧電素子）の各々の中心を応力が一番大きくなる位置としたことで、高い変換効率を示した。
【００６５】
次に実施例５の圧電トランスの構成において、第一の部材および第二の部材であるＳＵＳに図２（ｅ）で示すように凹部を設けナットを埋め込んだ形状の圧電トランスを作製した。また伸縮共振時に応力が最大になる位置に入力部および出力部を設置した。そして実施例１〜５のように圧電トランスの特性を評価したところ、実施例５と同等の入力電力に対する出力電力の変換効率を確認した。与圧機構が第一の部材および第二の部材に埋め込まれている構造とすることで、圧電トランスを小型化することができた。
【００６６】
今回の構造２では、第三の部材としてＳＵＳを用いたが、金属だけでなく絶縁体を用いることも可能である。第三の部材が絶縁体であることで、入力側の回路と出力側の回路がそれぞれ絶縁した構造となる。このような絶縁構造では、入力側の電気が直接流れることを防ぎ、出力側につながれた回路を保護することができる。また予期せぬ出力側からの電気の逆流が入力側に伝わることを防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の圧電トランスを用いることで、圧電セラミックスと電極板や金属円柱など周辺部材との界面における発熱を抑制し、高い電力の変換効率を示すことができる。本発明の圧電トランスは、圧電トランスを用いた電子機器においても利用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０１  入力部
１０２  入力端子
１０３  入力用圧電素子
１０４  出力部
１０５  出力端子
１０６  出力用圧電素子
１０７  圧電トランス
１０９  第一の部材
１１０  第二の部材
１１１  第三の部材
１１２  与圧機構
１１３  外装部
１１４  圧電セラミックス（第一の圧電素子用）
１１５  圧電セラミックス（第二の圧電素子用）
１１６  電極
１１７  ナット
１１８  シャフト
【図１】
2020064977.tif 000005
【図２】
2020064977.tif 000006
【図３】
2020064977.tif 000007
【図４】
2020064977.tif 000008
【図５】
2020064977.tif 000009
【図６】
2020064977.tif 000010
【図７】
2020064977.tif 000011
【図８】
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【図９】
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