(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性セラミックからなる圧電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，前記圧電矩形板の長さ方向のほぼ半分の部分に設けられ，厚さ方向に対向する一対の表面電極と，前記圧電矩形板の長さ方向の残り半分の部分のほぼ中央部の前記圧電矩形板の長さ方向の四分の一の位置に設けられ，前記圧電矩形板の長さ方向と交叉する方向に形成された複数の帯状内部電極と，前記圧電矩形板の側面に設けられ，前記帯状内部電極に接続した帯状の外部電極とを備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
請求項１記載の圧電トランスにおいて，前記表面電極はその長さ方向のほぼ中間の位置で前記圧電矩形板の側面に設けられた帯状の側面電極にそれぞれ接続し，前記外部電極は，更に，前記圧電矩形板の表面に，前記内部電極に対向して延在していることを特徴とする圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，圧電性セラミックスを用いた圧電トランスに関し，特に圧電性セラミックスからなる圧電矩形板の内部と表面に分極用と入出力用の電極を形成し，矩形板の長さ方向の共振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】
従来，静電気発生装置や液晶ディスプレイのバックライト点灯用などでは，大きな電流値は必要としないが，１ｋＶ−数ワット程度の高電圧電源が用いられている。現在，これらの電源には電磁式トランスが昇圧用として用いられているが，発生電磁ノイズの低減や低消費電力化，機器の小型低背化などの要求により，圧電トランスの実用化の検討がなされている。
【０００３】
図３は従来のλモードの圧電振動子を用いた圧電トランス３０の構造の概略斜視図である。図３において，圧電性セラミックスからなる矩形板（以下，圧電矩形板と呼ぶ）３１の表面には，長さ方向のおよそ半分の部分に厚さ方向に互いに対向する電極３２および３３が夫々形成されている。また，圧電矩形板３１一対の表面電極３２および３３が形成された部分とは反対側の長さ方向のほぼ半分の位置に長さ方向に直交する方向に延在する帯状表面電極３４および３５が形成されている。圧電矩形板３１は，矢印３６で示すように，表面電極３２，３３の部分は厚さ方向に分極され，帯状表面電極３４および３５の間の部分は，矢印３７で示すように，圧電矩形板３１の長さ方向に分極されている。
【０００４】
また，圧電トランス３０としては，セラミック矩形板の振動に影響の少ない振動の節点で支持し，かつ節点で入出力電極を取り出す必要が有り，４１，４１´はλモード振動の節点を夫々示す。
【０００５】
図４は図３の圧電振動子を用いたλモード共振駆動の圧電トランスの動作原理の説明図であり，図４（ａ）は圧電矩形板の断面図，図４（ｂ）は圧電矩形板が長さ方向振動の１波長共振モードで振動している場合の変位分布であり，図４（ｃ）はその時の歪分布を示している。図４（ａ）において，表面電極３３をアース端子とし，表面電極３２に圧電矩形板３１の長さ方向の１波長共振モードの共振周波数に等しい周波数の電圧を印加すると，圧電矩形板は，図４（ｂ）および（ｃ）に示すように振動する。この時，表面電極３３と帯状表面電極３４，３５の間には圧電効果により電圧が発生する。ここで，表面電極３２に印加した入力電圧と帯状表面電極３４，３５間に発生した出力電圧について説明すると，表面電極３２と表面電極３３の対向電極間隔は，帯状表面電極３４，３５との間隔に比べ十分に小さく，表面電極３２，３３の面積は，帯状表面電極３４および３５間の面積より十分に大きいため，入力側の静電容量は出力側の静電容量に比べ十分大きな値となる。従って，入力側に低い電圧を印加して振動子を振動した場合，出力側に入力側電極間隔と入力側電極と出力側電極間の間隔の比，および入出力側の静電容量の比に比例した大きな電圧が発生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３で説明した圧電トランスで，入力側の表面電極３２と３３の間の矩形板厚み方向分極は均一に分極が可能である。また，出力側の分極は表面電極の無いセラミック部ではほぼ長さ方向に均一な分極が可能である。しかし，表面電極３２，３３の圧電矩形板３１中央部端部と帯状表面電極３４，３５の近傍では，電極直下が等電位で電界方向が電極面と直交するので，分極方向も電極面に対して直交する事になり，その結果，表面電極３２，３３の矩形板中央部端部と帯状表面電極３４，３５の近傍では，分極による歪みが集中する事になる。圧電矩形板３１の中で，この分極による歪みの集中箇所は，マイクロクラック等の欠陥が発生し易くなる。
【０００７】
さらに，図４（ｃ）で説明したように，帯状表面電極３４，３５は振動の節点４１，４１に相当し，振動した時の歪みが最大となる部位に当たり，分極により発生したマイクロクラックが圧電トランス駆動時の振動の歪みの集中によりクラックに成長し，長時間使用しているとクラックがさらに成長して，圧電矩形板３１が破壊に至るという欠点がある。
【０００８】
そこで，本発明の技術的課題は，分極時にマイクロクラックの欠陥が発生せずに，長時間使用しても破壊せず，高信頼性が得られる構造を備えた圧電トランスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述したように，圧電トランスの出力電極部における分極の集中は，分極時に出力側圧電セラミックの長さ方向の電気力線が，表面電極間距離の最短箇所で電極に直交して分布する事に起因している。さらに，分極の歪みの集中部位と圧電トランス駆動時の振動の歪みの最大部位とが一致していることが，圧電トランスを長時間駆動したときに破壊に至るという信頼性の低下の原因である。そこで，本発明者らは，圧電トランス駆動時の振動の歪みの最大部位において，分極時の歪みの集中を分散することにより，マイクロクラックの発生を防止することが，圧電トランスの駆動時の破壊防止には有効であることを見出だし，本発明をなすに至ったものである。
【００１０】
本発明によれば，圧電性セラミックからなる圧電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，前記圧電矩形板の長さ方向のほぼ半分の部分に設けられ，厚さ方向に対向する一対の表面電極と，前記圧電矩形板の長さ方向の残り半分の部分のほぼ中央部の前記圧電矩形板の長さ方向の四分の一の位置に設けられ，前記圧電矩形板の長さ方向と交叉する方向に形成された複数の帯状内部電極と，前記圧電矩形板の側面に設けられ，前記帯状内部電極に接続した帯状の外部電極とを備えていることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１１】
また，本発明によれば，前記圧電トランスにおいて，前記表面電極はその長さ方向のほぼ中間の位置で前記圧電矩形板の側面に設けられた帯状の側面電極にそれぞれ接続し，前記外部電極は，更に，前記圧電矩形板の表面に，前記内部電極に対向して延在していることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
まず，本発明の第１の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る圧電トランスを斜視図である。図１（ａ）に示すように，λモードの圧電振動子を用いた圧電トランス１０は，圧電性セラミックからなる矩形板（以下，圧電矩形板と呼ぶ）１１の表裏面の長さ方向の約半分に互いに対向する表面電極１２，１３の層が形成されている。また，矩形板１１の長さ方向の残りの半分の長さ方向中央部，即ち，圧電矩形板１１の長さ方向の１／４の位置で，圧電矩形板に内部に，圧電矩形板１１の幅方向に長い帯状内部電極１４が複数（図では４列），圧電矩形板１１の厚さ方向に対向して，互いに平行に形成されている。複数列の帯状内部電極１４は，圧電矩形板１１の両側まで延在しこれらの両端は圧電矩形板１１の側面に，厚さ方向に長く形成された外部電極１５及び１６にそれぞれ接続している。
【００１５】
ここで，表面電極１２，１３を一端とし，帯状内部電極１４を他端すなわち，一対の外部電極１５，１６を他端として，一端と他端間に，一端を正極として高直流電圧を印加すると，図１（ｂ）の破線１７に示すように，電気力線を形成して分極される。分極された状態で，表面電極１２，１３間に，一方の表面電極１３をアースとして１次側の交流電圧Ｖ１を印加して，圧電矩形板１１を共振させると，表面電極１３と外部電極１５，１６との間に２次側の高交流電圧Ｖ２が発生する。尚，符号４１，４１´は，λモードの振動の接点を示し，圧電矩形板１１の両端からλ／４の位置にある。
【００１６】
図１（ａ）及び（ｂ）に示された圧電トランス１０は次のように製造されている。まず，ＰＺＴ系圧電セラミックスの厚み２３０μｍのグリーンシート上に銀−パラジウム電極ペーストで出力部帯状電極パターンを印刷し，該印刷シートを５層積層し，その上に電極パターンのないセラミックグリーンシートを１層積層し，該積層体を熱圧着し，大気中１１５０℃で焼結した。次に，銀ペーストをもちいて，内部帯状電極を含まない矩形板の長さ方向のほぼ半分の部分に，厚さ方向に対向する表面電極を形成し，更に矩形板側面部に帯状内部電極と接続する帯状外部電極を形成し，長さ４０ｍｍ，幅１０ｍｍ，厚さ１ｍｍの長さ方向１波長共振モードの圧電トランスを試作した。１波長共振モードの節の部分が圧電セラミック矩形板の長さ方向の端面からそれぞれ１０ｍｍの位置にあるので，その近傍の外部電極と表面電極部を支持し，かつ該電極をリード線の接続取り出し部とした。圧電セラミックの分極は，温度１５０℃，電界強度１．２ｋＶ／ｍｍで実施した。第１の実施の形態の圧電トランスのセラミックス結晶粒径，機械的，電気的性能を従来構造と比較して下記表１に示した。
【００１７】
次に，本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００１８】
図２は本発明の第２の実施の形態に係るλモード圧電振動子を用いた圧電トランスを示す斜視図である。図２（ａ）に示すように，圧電トランス２０は圧電セラミックからなる矩形板２１に表面電極２２，２３の層，及び帯状内部電極２６が形成されている点で，第１の実施の形態による圧電トランス１０と同様な構造を有する。しかし，第２の実施の形態による圧電トランス２０は，表面電極２２，２３の層の一部分が夫々圧電矩形板２１の側面まで延在して側面電極２４，２５が互いに対向するように形成されている点，および，帯状内部電極２６に接触する外部電極２７が，表裏面に夫々帯状内部電極２６に対向するように延在してリング状に形成されている点で異なっている。
【００１９】
ここで，表面電極１２，１３に接続された一対の側面電極２４，２５を一端とし，帯状内部電極２６に接続された外部電極２７を他端とし，一端を正極として，一端と他端との間に直流高電圧を印加すると，図２（ｂ）の破線２８で示すように電気力線を形成して分極される。
【００２０】
分極された状態で，側面電極２４，２５間に，一方の側面電極２４をアースとして１次側の交流電圧Ｖ１を印加して，圧電矩形板２１を共振させると，側面電極２４と外部電極２７との間に２次側の高交流電圧Ｖ２が発生する。尚，符号４１，４１´はλモードの振動の節を示し，両端からλ／４の位置にある。
【００２１】
図２（ａ）及び（ｂ）に示された圧電トランス２０は，次のように製造されている。まず，ＰＺＴ系圧電セラミックスの厚み１１５μｍのグリーンシート上に銀−パラジウム電極ペーストで出力部帯状電極パターンを印刷し，該印刷シートを１０層積層し，その上に電極パターンのないセラミックグリーンシートを１層積層し，該積層体を熱圧着し，大気中１１５０℃で焼結した。次に，銀ペーストを用いて，内部帯状電極２６を含まない矩形板の長さ方向のほぼ半分の部分に，厚さ方向に対向する表面電極２２，２３を形成し，これらの表面電極２２，２３のその長さ方向のほぼ中央の位置で，矩形板の側面部の側面電極２４，２５にそれぞれ接続し，更に矩形板側面部に帯状内部電極２６と接続する帯状外部電極２７を形成し，長さ４０ｍｍ，幅１０ｍｍ，厚さ１ｍｍの長さ方向１波長共振モードの圧電トランスを試作した。
【００２２】
本発明の第２の実施の形態に係る圧電トランスは，１波長共振モードの節の部分が圧電セラミック矩形板の長さ方向の端面からそれぞれ１０ｍｍの位置にあるので，その近傍の外部電極２７と表面電極２２，２３とを支持し，かつ夫々の電極をリード線の接続取り出し部とした。圧電セラミックの分極は，温度１５０℃，電界強度１．２ｋＶ／ｍｍで実施した。第２の実施の形態による圧電トランスのセラミックス結晶粒径，機械的，電気的性能を従来構造を有する圧電トランスと比較して下記表１に示した。
【００２３】
【表１】
0003577615.tif 000002
【００２４】
上記表１より明らかに，本発明の第１及び第２の実施の形態による圧電トランスでは，出力部に部電極を形成することにより，出力部の節点における分極時の歪みの集中を分散し，マイクロクラックの発生を防止し，従来構造の圧電トランスに比較し，３点曲げ強度が３倍以上，初期故障率が１０分の１以下，千時間駆動後の故障率が７分の１以下の高信頼性の圧電トランスが得られた。
【００２５】
【発明の効果】
以上，詳細に説明したように，本発明によれば，分極の歪みの集中部位と圧電トランス駆動時の振動の歪みの最大部位である圧電トランス出力部であるセラミック矩形板の長さ方向の四分の一の位置に，矩形板の長さ方向と直交方向に複数の帯状内部電極を有し，該帯状内部電極は矩形板の側面で帯状の外部電極に接続した構造とする事で，分極時の歪みの集中が避けられ，機械的特性に優れた，高信頼性の圧電トランスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は，本発明の第１の実施の形態に係る圧電トランスの斜視図である。
（ｂ）は，（ａ）の長さ方向の断面図である。
【図２】（ａ）は，本発明の第２の実施の形態に係る圧電トランスの斜視図である。
（ｂ）は，（ａ）の長さ方向の断面図である。
【図３】従来の１波長共振モードの圧電振動子を用いた圧電トランスの概略斜視図である。
【図４】（ａ）は，図３に示した圧電セラミック矩形板の断面図である。
（ｂ）は，（ａ）の圧電セラミック矩形板が長さ方向１波長共振モードで振動している場合の変位分布を示す図である。
（ｃ）は，（ｂ）の振動時の歪分布をそれぞれ示す図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０    圧電トランス
１１，２１，３１    圧電矩形板
１２，１３，２２，２３，３２，３３  表面電極
１５，１６，２７    外部電極
１４，２６    帯状内部電極
１７，２８    電気力線の分布を示す破線
２４，２５    側面電極
３４，３５    帯状表面電極
４１，４１´    振動の節
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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