(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長方形板状をなし、その長さ方向両端面に電極が形成されて長さ方向に分極された第一の圧電基板と、この第一圧電基板と平面視同形をなし、両側主面に電極が形成されて厚さ方向に分極された第二の圧電基板とを備えた圧電トランスにおいて、
前記第二圧電基板は、第一圧電基板の上下に各々それら圧電基板と平面視同形の低誘電率基板を介して積層されており、
第一圧電基板及び第二圧電基板の一方を駆動部、他方を発電部とし、低誘電率基板を絶縁層としたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
低誘電率基板の比誘電率が１０以下である請求項１に記載の圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に用いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ、およびノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディスプレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ等に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化に関し、電源回路の小型化は重要な課題の一つであり、電源回路内の高周波による小型化が図られている。
【０００３】
従来のスイッチング電源では、変圧器として電磁誘導を原理とする電磁トランスを用いるが、高周波下での電磁トランスは、ヒステリシス損、渦電流損および表皮効果による損失が増大するという問題があった。
【０００４】
さらに、電磁トランス自身の小型化、薄型化は、巻線の極細線多数巻による銅損、磁器結合の低下および漏れ磁束の増加を招き、いずれも電源回路の効率を大きく下げる原因となっていた。さらにまた、巻線による電磁ノイズの発生などの問題があった。
【０００５】
一方、圧電トランスは圧電効果を原理とし、電磁トランスと比べて、小型化してもエネルギー密度が高く、かつ巻線を用いないため電磁ノイズが少ないなどの長所がある。
【０００６】
図６に、従来のローゼン型圧電トランスを示す。このローゼン型圧電トランスは、長方形板状圧電基板１０１の長手方向のほぼ半分を１次側とし、厚み方向に電極１０２、１０３が形成され、長手方向の残るほぼ半分を２次側とし、端面に電極１０４が形成されて構成されている。１次側は厚み方向に分極され、２次側は長手方向に分極されている。圧電トランスの１次側は圧電基板１０１の制動容量が大きいため低インピーダンスであり、２次側は制動容量が小さいため高インピーダンスである。
【０００７】
そして、２次側の電極１０４と１次側の電極１０２（あるいは１０３）に負荷抵抗を接続し、圧電トランスの１次側の電極１０２、１０３間に、圧電基板１０１の長さで決まる圧電トランスの共振周波数あるいはその近傍の周波数の交流電圧を印加すると、逆圧電効果により長さ方向に強い機械的振動を励起し、これにより電極１０４に圧電効果によって電荷が発生し、２次側の電極１０４と１次側の電極１０２（あるいは１０３）間に電圧が得られる。
【０００８】
このローゼン型圧電トランスは、２次側の制動容量にもよるが、一般に使用される範囲として、負荷抵抗が１０ＫΩ以上の高インピーダンスであれば、昇圧用の圧電トランスとして、一方、負荷が１０ＫΩ未満の低インピーダンスであれば降圧用の圧電トランスとして動作する。
【０００９】
一方、負荷抵抗を１次側の電極対１０２、１０３間に接続し、圧電トランスの２次側の電極１０４を入力とし、電極１０４と電極１０２（あるいは１０３）に共振周波数あるいはその近傍の周波数の交流電圧を印加すると、負荷抵抗が高インピーダンスであれば昇圧用の圧電トランスとして、低インピーダンスであれば降圧用の圧電トランスとして動作する。
【００１０】
しかしながら、上記ローゼン型圧電トランスにおいて、１次側を入力とし、２次側を出力とした場合、２次側の電極１０４の面積が狭いため、電極１０４に表れる電荷量が少なく、高出力電流を得ることは困難であった。
【００１１】
また電極１０４と電極１０２（あるいは１０３）との距離が長いため、圧電トランスの出力側の容量が小さく、出力インピーダンスが高い。そのため、負荷を接続した場合、高出力電力が得られる負荷はおのずと高いものに制限されてしまうという問題があった。即ち、例えば、ノートパソコン等の電子機器に用いられるアダプタ用電源の場合、負荷が低インピーダンスのため、従来のローゼン型圧電トランスでは高出力電力を得ることができず、アダプタ用電源として用いることができないという問題があった。
【００１２】
一方、上記圧電トランスにおいて、２次側を入力とし、１次側を出力とすると、出力側電極面積は広くなるが、電極１０４と電極１０２（あるいは１０３）との距離が長いため、入力インピーダンスが高くなり、圧電トランス入力部での損失が大きく、高出力電力を得ることができない。また、入力インピーダンスを下げるため電極１０４の面積を広げると、圧電トランス自体が大型化してしまい、圧電トランスの持つ小型という利点を損なうという問題があった。
【００１３】
さらに、上記従来のローゼン型圧電トランスでは、電極１０４を持つため、単一の磁器からなる圧電基板１０１を長手方向と厚み方向の異なる２方向に分極する必要があり、そのため、分極方向が異なる界面付近で分極に伴う大きな応力が発生し、使用中に圧電基板１０１が損傷したり破壊するなど信頼性が低いという問題があった。
【００１４】
また、単一の磁器に方向が異なる２種類の分極を施す必要があるため、製造が困難であるという問題があった。さらに、圧電基板１０１の長手方向の分極作業は高電圧を印加する必要があるため、作製時のトランス破壊および作製時における作業の危険性が増大するという問題があった。
【００１５】
そこで、ローゼン型圧電トランスの問題点を解決するために、特開平９−８３０３６号公報には、長さ方向に分極した長方形板状の圧電基板を二次側とし、その上下両主面の中央の対向する位置に幅が同じで長さの短い厚さ方向に分極した圧電基板を接着して一次側とすることにより、昇圧比を高めるようにした圧電トランスが提案されている。又、特開平９−２６０７３９号公報には、厚さ方向に分極した長方形板状の圧電基板を一次側とし、長さ方向に分極した長方形板状の圧電基板を二次側とし、それらを上下に貼り合わせることにより、昇圧比を高めるようにした圧電トランスが提案されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記２つの公報に記載された圧電トランスは、いずれも一次側の電極が二次側の圧電基板の主面に接触して形成されているので、一次側の駆動電圧による影響を受けて二次側の出力電圧が低下するという問題が判明した。更に特開平９−２６０７３９号公報に開示された圧電トランスは、上下非対称であるために、屈曲振動などの不要振動によりスプリアスが発生し、特性を劣化させることも判明した。
【００１７】
それ故、本発明の課題は、不要振動によるスプリアスの影響を受けにくく、上記２つの公報に記載の圧電トランスよりも昇降圧比の高い圧電トランスを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の圧電トランスは、
長方形板状をなし、その長さ方向両端面に電極が形成されて長さ方向に分極された第一の圧電基板と、この第一圧電基板と平面視同形をなし、両側主面に電極が形成されて厚さ方向に分極された第二の圧電基板とを備えた圧電トランスにおいて、
前記第二圧電基板は、第一圧電基板の上下に各々それら圧電基板と平面視同形の低誘電率基板を介して積層されており、
第一圧電基板及び第二圧電基板の一方を駆動部、他方を発電部とし、低誘電率基板を絶縁層としたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の圧電トランスにおいては、第一圧電基板が圧電縦効果を利用して機械的振動を電気的な出力に変換し、第二圧電基板が圧電横効果を利用して電気的な入力を機械的な振動に変換する。そして、第一圧電基板を発電部、第二圧電基板を駆動部とするときは昇圧用トランス、逆の場合は降圧用トランスとして機能する。即ち、前者の場合、第二圧電基板の厚み方向に交流電圧を印加すれば、圧電横効果により長さ方向の振動が励起され、この振動に伴って第一圧電基板の長さ方向端面に圧電縦効果により高い電圧が発生し、昇圧効果を得る。逆に後者の場合、第一圧電基板の長さ方向に交流電圧を印加すれば、圧電縦効果により長さ方向の振動が励起され、この振動に伴って第二圧電基板の厚み方向主面に圧電横効果により低い電圧が発生し、降圧効果を得る。
【００２０】
従って、圧電縦効果を利用する第一圧電基板としては、圧電縦効果の電気機械結合係数ｋ３３の大きな材料からなり、他方、圧電横効果を利用する第二圧電基板としては、圧電横効果の電気機械結合係数ｋ３１の大きな材料からなるのが好ましい。
【００２１】
本発明の圧電トランスでは、第一圧電基板と第二圧電基板とが、それら基板よりも誘電率の高くない低誘電率基板によって分離されているので、いずれを駆動部又は発電部としても発電部の電位分布が駆動部の電位分布の影響を受けにくい。従って、昇圧用として利用するときは高い昇圧比を得ることができ、降圧用として利用するときは高い降圧比を得ることができる。そして、上下対称構造であるから、圧電トランスの機能を発現するために利用する伸縮振動以外の不要な振動が起こりにくく、スプリアスなどの特性劣化要因が少ない。
【００２２】
又、上記のように圧電基板同士が低誘電率基板によって絶縁されていることから、圧電基板材料として駆動部と発電部のそれぞれに適した材料を選択することができ、単結晶材料を用いることもできる。特に駆動部の電位が発電部の電位分布に影響をもたらさないようにするためには、低誘電率基板の比誘電率が１０以下であることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面とともに説明する。図１は実施形態の昇圧用圧電トランスを示す斜視図、図２は同トランスの厚み方向断面結線図である。
【００２４】
圧電トランス１１は、発電部となる長方形板状の１枚の圧電基板１と、駆動部となる長方形板状の同じ厚さの２枚の圧電基板２ａ、２ｂとを備える。圧電基板１は、長さ方向両端面にそれぞれ電極６ａ、６ｂが形成され、図１中に矢印で示すように長さ方向に分極されている。圧電基板２ａ、２ｂは、上下両主面上にそれぞれ電極４ａ、４ｂ及び５ａ、５ｂが形成され、図１中矢印で示すように厚さ方向且つ互いに反対方向に分極されている。
【００２５】
圧電基板１と圧電基板２ａ、２ｂとは、絶縁層となる低誘電率基板３ａ、３ｂを介して密着している。従って、圧電トランス１１は、圧電基板２ａ、低誘電率基板３ａ、圧電基板１、低誘電率基板３ｂ及び圧電基板２ｂが順に積層された構造をなしている。そして、圧電基板２ａの上側に位置する電極４ａと圧電基板２ｂの下側に位置する電極５ｂとは、外部の共通の入力端子７に接続されて入力電極となり、圧電基板２ａの下側に位置する電極４ｂと圧電基板２ｂの上側に位置する電極５ａとは、外部の共通のグランド端子８に接続されてグランド電極となる。また、圧電基板１の一方の端面電極６ａは出力端子９に接続されて出力電極となり、他方の端面電極６ｂはグランド端子１０に接続されてグランド電極となる。
【００２６】
圧電トランス１１は、外部端子７−８間に圧電基板２ａ、２ｂの長さ方向縦振動モードの共振周波数近傍の周波数をもつ交流電圧を印加すれば、圧電効果（圧電横効果）により圧電基板２ａ、２ｂに長さ方向に振動が励起される。圧電基板２ａ、２ｂは、低誘電率基板３ａ、３ｂを介して密着していることから、圧電基板２ａ、２ｂの振動が低誘電率基板３ａ、３ｂを介して圧電基板１に伝わり、圧電基板１を振動させる。その結果、圧電基板１の外部端子９−１０間に圧電逆効果（圧電縦効果）により入力電圧と同じ周波数の高い交流電圧が発生する。
【００２７】
この圧電トランス１１においては、駆動部の内部に位置するグランド電極４ｂ、５ａと発電部となる圧電基板１との間に絶縁層としての低誘電率基板３ａ、３ｂが存在するので、出力電極６ａ、６ｂ間の出力電圧に対するグランド電極４ｂ、５ａの影響が小さい。従って、高い昇圧比を得ることができる。
【００２８】
なお、圧電トランス１１は、結線方法を変えることにより降圧用として利用することもできる。この場合は外部端子９が入力端子、外部端子７が出力端子となる。即ち、圧電基板２ａの上側に位置する電極４ａと圧電基板２ｂの下側に位置する電極５ｂとは、外部の共通の出力端子７に接続されて出力電極となり、また圧電基板１の一方の端面電極６ａは入力端子９に接続されて入力電極となる。グランド電極とグランド端子との接続は昇圧用と同様である。そして、外部端子９−１０間に圧電基板１の長さ方向縦振動モードの共振周波数近傍の周波数をもつ交流電圧を印加すれば、圧電縦効果により圧電基板１に長さ方向に振動が励起される。この振動は圧電基板２ａ、２ｂに伝わり、その結果、外部端子７−８間に圧電横効果により入力電圧と同じ周波数の低い交流電圧が発生する。
【００２９】
昇圧用にしても降圧用にしても、圧電基板２ａ、２ｂは圧電横効果を利用し、圧電基板１は圧電縦効果を利用している。そして、昇圧比（又は降圧比）は駆動側と発電側の電気機械結合係数の積に比例することから、より高い昇圧比（又は降圧比）を得るために、圧電基板２ａ、２ｂとしては圧電横効果の電気機械結合係数ｋ３１の大きい材料を選択し、圧電基板１としては圧電縦効果の電気機械結合係数ｋ３３の大きい材料を選択するのが望ましい。そのような材料の典型例はＰｂ、Ｔｉを主成分とするＰＴ系やＰＺＴ系の圧電セラミックであるが、この実施形態の圧電トランス１１の場合、駆動部と発電部とが絶縁層で分離されているので、各々に最適の圧電特性を示す材料を選択することができ、単結晶をも利用することができる。
【００３０】
各圧電基板は、ＰＴ系やＰＺＴ系の圧電セラミックからなる場合、それぞれ対向する電極４ａ−４ｂ、５ｂ−５ａ、６ａ−６ｂ間に直流の高電圧を印加することにより、容易に分極処理することができる。低誘電率基板としては、アルミナなどの低誘電率のもの、特に比誘電率が１０以下の材料からなるのが好ましい。
【００３１】
すべての電極は、Ａｇ粉末などの導電性材料とガラスからなるペーストをスクリーン印刷し、焼成することにより形成することができる。又、蒸着、スパッタなどの薄膜技術を用いて形成することもできる。
【００３２】
圧電基板及び低誘電率基板は、個別に焼成した後の各基板を互いに接着剤で接合することにより積層してもよいし、グリーンシート（未焼成シート）の段階で積層し、同時焼成することにより接合することもできる。例えば、低誘電率基板の誘電率を重視し、比誘電率１０以下のものを選択したために圧電基板との焼成収縮率が合わない場合は前者の方法で積層する。また製造工程の簡略化を重視し、低誘電率基板の比誘電率を若干犠牲にしても良い場合は、低誘電率基板材料を焼成収縮率に関して圧電基板と近似する組成にし、後者の方法で積層する。
【００３３】
上記昇圧用圧電トランス１１について、圧電基板材料としてＰＺＴ、低誘電率基板材料として比誘電率４のＳｉＯ2 を用い、圧電トランスの寸法を縦２０ｍｍ、横５ｍｍ、３枚の圧電基板の厚みがそれぞれ１ｍｍ、絶縁層の厚みを０．５ｍｍとして昇圧比を解析した。その時、長さ縦振動モードの共振周波数は９２ＫＨｚであった。その結果を図３に共振周波数における電位分布の等高線として示す。比較のために低誘電率基板を備えていない以外は、上記昇圧用圧電トランス１１と同形同質の比較圧電トランスについても同一条件で解析した。その結果を図４に示す。図３と図４とを対比すれば明らかなように、本発明の圧電トランス１１は、発電部の電位が駆動部の電位の影響をあまり受けていない。これに対して、比較圧電トランスは、発電部の上下面の電位が駆動部のグランド電極の電位によって拘束されている。よって、低誘電率基板からなる絶縁層が駆動部と発電部とを有効に分離していると認められる。図５は、ＳｉＯ2 に代えて圧電基板１と同質の未分極の材料（比誘電率：１１５０）を絶縁層とし、上記と同一条件で共振周波数における電位分布を解析して得られた等高線である。図４の場合ほど発電部の上下面の電位は拘束されていないが、図３の場合よりも拘束されていることが明らかである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスは、駆動部と発電部との間に低誘電体材料が絶縁層として介在しているので、駆動部の電位が発電部の電位分布に影響を及ぼすことがない。そのため、高い昇圧（降圧）比を得ることができるし、入出力の周辺回路の自由度を増すことができる。さらに、上下対称構造であるから、スプリアスなどの特性劣化要因も少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の圧電トランスを示す斜視図である。
【図２】上記圧電トランスの断面結線図である。
【図３】上記圧電トランスの電位分布を示す等高線図である。
【図４】比較圧電トランスの電位分布を示す等高線図である。
【図５】圧電基板と同質の材料を絶縁層とした場合の圧電トランスの電位分布を示す等高線図である。
【図６】従来の圧電トランスを示す斜視図である。
【符号の説明】
１１  圧電トランス
１、２ａ、２ｂ、１０１  圧電基板
３ａ、３ｂ  低誘電率基板
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、１０２、１０３、１０４  電極
７、８、９、１０  外部端子
【図１】
0003659309.tif 000002
【図２】
0003659309.tif 000003
【図３】
0003659309.tif 000004
【図４】
0003659309.tif 000005
【図５】
0003659309.tif 000006
【図６】
0003659309.tif 000007