(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層とを積層したほぼ直方体状の圧電セラミックス積層体と、この内部電極層に電気的に接続すると共にこの圧電セラミックス積層体の表面に設けた複数の外部電極とを備え、前記内部電極層は前記圧電セラミックス積層体の長手方向の中央部から長手方向の一端面付近まで位置する複数の入力側内部電極層と前記圧電セラミックス積層体の長手方向の他端部に位置する複数の出力側内部電極層からなり、前記入力側内部電極層は同一平面上にかつ異なる入力側外部電極と接続するように形成した二つの内部電極層からなる積層型圧電トランス。
【請求項２】
複数の外部電極は入力側内部電極層に接続する入力側外部電極と出力側内部電極層に接続する出力側外部電極とからなり、前記入力側外部電極と前記出力側外部電極とを圧電セラミックス積層体の同一端面上に設けた請求項１に記載の積層型圧電トランス。
【請求項３】
電力供給手段と、この電力供給手段にその入力側を接続したインダクタンス手段と、このインダクタンス手段の出力側にその入力側を接続したスイッチング手段と、このスイッチング手段の出力側にその入力側を接続した請求項１に記載の積層型圧電トランスとを備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えばパーソナルコンピュータ、携帯情報端末、ビデオムービ等液晶画面を有する電子機器で使用される冷陰極管インバータ回路で電圧を昇圧し、冷陰極管を点灯、調光するための積層型圧電トランスとこれを用いた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の積層型圧電トランスは、図１２に示すように直方体状の圧電セラミックス積層体１１１の長手方向の中央部から一端部に位置する複数の入力側内部電極層を交互に相対向する端面に露出するように形成し、圧電セラミックス積層体１１１の長手方向の中央部の両端面に入力側内部電極層と電気的に接続した入力側外部電極１１２と、圧電セラミックス積層体の長手方向の他端部に出力側外部電極を形成したものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この構成によると、振動方向に対して垂直方向に出力側外部電極を設けているため振動を減衰させ、エネルギー変換効率を低下させるという問題点を有していた。
【０００４】
そこで本発明は、高いエネルギー変換効率で電圧を昇圧できる積層型圧電トランスを提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の積層型圧電トランスは、複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層を有するほぼ直方体状の圧電セラミックス積層体と、この内部電極層に電気的に接続すると共にこの圧電セラミックス積層体の表面に設けた複数の外部電極とを備え、前記内部電極層は前記圧電セラミックス積層体の長手方向の中央部から長手方向の一端面付近まで位置する複数の入力側内部電極層と、前記圧電セラミックス積層体の長手方向の他端部に位置する複数の出力側内部電極層からなり、前記入力側内部電極層は同一平面上にかつ異なる入力側外部電極と接続するように形成した二つの内部電極層からなるものであり、出力側の分極体積を大きくすることができるため、高い変換効率で電圧を昇圧することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、複数の圧電セラミックス層と複数の内部電極層を有するほぼ直方体状の圧電セラミックス積層体と、この内部電極層に電気的に接続すると共にこの圧電セラミックス積層体の表面に設けた複数の外部電極とを備え、前記内部電極層は前記圧電セラミックス積層体の長手方向の中央部から長手方向の一端面付近まで位置する複数の入力側内部電極層と前記圧電セラミックス積層体の長手方向の他端部に位置する複数の出力側内部電極層からなり、前記入力側内部電極層は同一平面上にかつ異なる入力側外部電極と接続するように形成した二つの内部電極層からなる積層型圧電トランスであり、これにより、入力側内部電極層の形成面積を大きくすることができ、出力側の分極体積を大きくすることができるため高いエネルギー変換効率で電圧を昇圧することができるものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、複数の外部電極は入力側内部電極層に接続する入力側外部電極と出力側内部電極層に接続する出力側外部電極とからなり、前記入力側外部電極と前記出力側外部電極とを圧電セラミックス積層体の同一端面上に設けた請求項１に記載の積層型圧電トランスであり、振動を阻害しない構造になると共に、外部電極の形成工程を短くできるものである。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、電力供給手段と、この電力供給手段にその入力側を接続したインダクタンス手段と、このインダクタンス手段の出力側にその入力側を接続したスイッチング手段と、このスイッチング手段の出力側にその入力側を接続した請求項１に記載の積層型圧電トランスとを備えた電子機器であり、高いエネルギー変換効率で電圧を昇圧できる積層型圧電トランスを用いることにより、消費電力を小さくすることができる。
【００２５】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における積層型圧電トランスの斜視図、図２は図１のＡ−Ｂ断面図、図３は図１のＣ−Ｄ断面図、図４は図１に示す積層型圧電トランスの外部電極形成前の分解斜視図、図５は図１に示す積層型圧電トランスの製造工程図である。
【００２７】
１は圧電セラミックス積層体、１ａは圧電セラミックス層、２ａは入力側内部電極層、２ｂは入力側内部電極層、２ｃは出力側内部電極層、３ａは入力側外部電極、３ｂは出力側外部電極である。
【００２８】
このような積層型圧電トランスの製造方法を図５に示す製造工程図に従って説明する。
【００２９】
まず、圧電セラミックス層１ａの原料としてＰｂＯ（酸化鉛）、ＺｒＯ２（二酸化ジルコニウム）、ＴｉＯ２（二酸化チタン）を主原料とし、副原料を所定の割合に原料配合し（図５の１００）、この原料をボールミルにて所定時間混合することにより（図５の１０１）、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系圧電材料を得るように調合する。
【００３０】
次いで、この原料粉体を仮焼後（図５の１０２）、有機結合材、可塑剤、有機溶媒を所定量配合し、スラリー混合を行い（図５の１０３）、シート成形用スラリーを得る。
【００３１】
その後、ドクターブレード法によってシート成形を行い（図５の１０４）、圧電セラミックス層１ａとなる所定厚みのセラミックグリーンシートを得る。
【００３２】
次に、このセラミックグリーンシート上に図４に示す形状の入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃとなる例えばＡｇ−Ｐｄを主成分とし、副成分として少なくともセラミックシートの原料粉体を含有した内部電極ペーストを所望の形状に印刷した（図５の１０５）。
【００３３】
次いで、内部電極ペーストを印刷していないセラミックグリーンシートを所望の枚数積層したもの（以下無効層とする）の上に、内部電極ペーストを印刷したセラミックグリーンシートを所望の特性を得るように積層し、再び無効層を形成してほぼ直方体状の圧電セラミックス積層体１を得た（図５の１０６）。
【００３４】
この時、図４に示すように一層の圧電セラミックス層１ａの上において、長手方向のほぼ中央部から一端部側に入力側内部電極層２ａ，２ｂを短手方向で対向するように、かつその一端部が圧電セラミックス積層体１の短手方向の両端面に露出するようにした。しかしながら、ショート不良を防止するために長手方向の端面には入力側内部電極層２ａ，２ｂが露出しないようにした。つまり、長手方向の端面に入力側内部電極層２ａ，２ｂが露出していると、水分などが付着すると入力側内部電極層２ａ間でマイグレーションが発生することにより入力側内部電極層２ａ間がショートするのを防止するためである。
【００３５】
また、出力側内部電極層２ｃは、一層の圧電セラミックス層１ａの上において、長手方向の他端部に形成すると共に、圧電セラミックス積層体１の短手方向の端面にそれぞれ露出するようにした。
【００３６】
次に、この圧電セラミックス積層体１中の有機結合材を除去後、１０００〜１２００℃で１時間焼成し（図５の１０７）、圧電セラミックス積層体１の外表面全体を研磨して端部が曲面状となるように加工すると共に、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃが圧電セラミックス積層体１の短手方向の端面に完全に露出するように加工した（図５の１０８）。
【００３７】
次いで、入力側内部電極層２ａ，２ｂが露出した圧電セラミックス積層体１の短手方向の両端面に入力側外部電極３ａを、出力側内部電極層２ｃの露出した圧電セラミックス積層体１の短手方向の一端面に出力側外部電極３ｂをそれぞれ形成した（図５の１０９）。
【００３８】
次に、入力側外部電極３ａ間に電圧を印加することにより、入力側内部電極層２ａ間の圧電セラミックス層１ａを分極し、その後入力側外部電極３ａをマイナス側、出力側外部電極３ｂをプラス側として電圧を印加して、出力側内部電極層２ｃと入力側内部電極層２ａ，２ｂ間の圧電セラミックス層１ａ全体を分極して（図５の１１０）、積層型圧電トランスを得た。
【００３９】
（実施の形態２）
図６は本実施の形態２における積層型圧電トランスの斜視図である。
【００４０】
実施の形態１では、入力側外部電極３ａ及び出力側外部電極３ｂを積層体の短手方向の端面のみに形成しているが、本実施の形態においては、入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂを圧電セラミックス積層体１の短手方向の端面だけでなく、この端面に隣接する圧電セラミックス積層体１の上、下面にも設けている。
【００４１】
この構成とすることにより、圧電セラミックス積層体１と入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂとの接着強度が向上すると共に、圧電セラミックス積層体１の強度が向上する。
【００４２】
更に、圧電セラミックス積層体１の上、下面の入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂと圧電セラミックス積層体１の上、下面の最外層の圧電セラミックス層１ａも分極されるので、昇圧比が向上する。昇圧比の向上を考慮すると、入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂは、圧電セラミックス積層体１の表面にできるだけ大きく形成することが望ましい。
【００４３】
（実施の形態３）
図１１は本実施の形態３における電子機器の回路図であり、３００は直流入力電源、３０１は直流入力電源３００の出力側に入力側を接続したコイル、３０２はコイル３０１の出力側に入力側を接続した電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴとする）、３０３はＦＥＴ３０２に接続した発振回路、３０４はコイル３０１に接続した本発明の積層型圧電トランス、３０５は積層型圧電トランス３０４の出力側にその入力側を接続した冷陰極管である。
【００４４】
また、積層型圧電トランス３０４とコイル３０１とは並列接続されていると共に、積層型圧電トランス３０４の入力側静電容量とコイル３０１で共振回路を構成している。
【００４５】
この電子機器の動作について説明する。
【００４６】
直流入力電源３００の出力電圧は、発振回路３０３からの信号を受けたＦＥＴ３０２によりＯＮ−ＯＦＦ制御され、共振回路が共振する例えば半波正弦波の駆動電圧となって積層型圧電トランス３０４の入力側に印加される。そして積層型圧電トランス３０４において、この入力電圧を昇圧してその出力電圧が冷陰極管３０５に印加され点灯する。
【００４７】
ここで用いる本発明の積層型圧電トランスは、高いエネルギー変換効率で電圧を昇圧することができるので、消費電力を小さくすることができると共に、電子機器を小型化することができる。
【００４８】
以下、本発明のポイントとなることについて説明する。
【００４９】
（１）圧電セラミックス積層体１の短手方向の長さは、入力側内部電極層２ａ，２ｂ及び出力側内部電極層２ｃを形成した部分すなわち圧電セラミックス層１ａと入力側内部電極層２ａ，２ｂ及び出力側内部電極層２ｃを交互に積層した部分よりも、入力側内部電極層２ａ，２ｂ及び出力側内部電極層２ｃの非形成部分すなわち圧電セラミックス層１ａのみの部分を短くすることにより、出力側の静電容量を小さくすることができ、例えばインバータ回路に組み込んだ時脈流が小さくなり、冷陰極管のちらつきを抑制することができる。
【００５０】
（２）圧電セラミックス積層体１の厚み方向の長さは、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃを形成した部分すなわち圧電セラミックス層１ａと入力側内部電極層２ａ，２ｂ及び出力側内部電極層２ｃを交互に積層した部分よりも、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの非形成部分、すなわち圧電セラミックス層１ａのみを短くすることにより、出力側の静電容量を小さくすることができ、例えばインバータ回路に組み込んだ時脈流が小さくなり、冷陰極管のちらつきを抑制することができる。
【００５１】
（３）入力側内部電極層２ｂを形成しなくても積層型圧電トランスとして機能するのであるが、上記実施の形態においては、入力側内部電極層２ｂを入力側内部電極層２ａと同一平面上にかつ入力側内部電極層２ａと異なる入力側外部電極３ａと接続するように形成することにより、入力側内部電極層２ａ，２ｂの面積を大きくすることができ、出力側の圧電セラミックス層１ａの分極体積を大きくしているのである。
【００５２】
また圧電セラミックス積層体１の形成時に、圧電セラミックス積層体１を上、下面から加圧する場合、入力側内部電極層２ｂを形成したことにより、圧電セラミックス積層体１をより均一に加圧することができる。
【００５３】
（４）上記実施の形態では、同一平面上に二つの入力側内部電極層２ａ，２ｂを形成したが、三つ以上形成しても構わない。
【００５４】
例えば四つ形成する場合、図７に示すように入力側内部電極層２ａ，２ｂを圧電セラミックス積層体１の長手方向で二つに分割して、同一平面上に四つの入力側内部電極層２ａ，２ｂを形成することにより、積層型圧電トランスの駆動時に、最大応力が加わる圧電セラミックス積層体１の長手方向の中央部分の強度を向上させることができる。この入力側内部電極層２ａ，２ｂの分割位置は、振動の節となる部分で行うことが望ましい。
【００５５】
（５）同一面上の入力側内部電極層２ａ，２ｂ間の距離を、圧電セラミックス積層体１の厚み方向の入力側内部電極層２ａ，２ｂ間の一層の圧電セラミックス層１ａの厚みより短くすることにより、入力側内部電極層２ａ，２ｂを大きくすることができ、出力側の分極体積を大きくすることができる。しかしながら、入力側内部電極層２ａ，２ｂ間の距離を短くしすぎると、同一面上の入力側内部電極層２ａ，２ｂ間で絶縁破壊してしまうので、少なくとも圧電セラミックス積層体１の厚み方向の入力側内部電極層２ａ，２ｂ間の一層の圧電セラミックス層１ａの厚みの１／４よりも長くすることが好ましい。
【００５６】
（６）入力側、出力側内部電極層２ａ，２ｃの端部は、図３に示すように圧電セラミックス積層体１の厚み方向において少なくとも一部分が圧電セラミックス層１ａを介して対向していないようにすることにより、入、出力側内部電極層２ａ，２ｃの端部での分極歪みの集中を抑制することができる。また分極歪みの集中は、圧電セラミックス層１ａを介して対向していない部分が多いほど抑制できる。
【００５７】
（７）入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂを、圧電セラミックス積層体１の短手方向の同一端面に設けることにより、振動を阻害しない構造となるのでエネルギー変換効率が向上する。
【００５８】
また、入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂが同時に形成できるので外部電極形成工程を短くできる。
【００５９】
（８）入力側、出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの表面荒さを数μｍとすることより、圧電セラミックス層１ａと入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの接着強度を向上させることができる。
【００６０】
入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの表面荒さを、数μｍとする方法の一つとして、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃを形成する内部電極ペースト中に圧電セラミックス層１ａと同一成分を含有させる方法がある。この場合、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃを介する圧電セラミックス層１ａを連結して、更に圧電セラミックス層１ａと入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの接着強度を向上させることができる。
【００６１】
また上記効果を得るためには、内部電極ペーストにセラミックグリーンシートの原料粉体と同じ原料粉体を、内部電極ペースト中の金属成分１００ｗｔ％に対して、１０〜１００ｗｔ％添加することが望ましい。
【００６２】
（９）入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃ中の金属成分の平均粒径よりも圧電セラミックス層１ａの平均粒径の方を大きくすることにより、圧電セラミックス層１ａと入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの接着強度を向上させることができる。
【００６３】
（１０）圧電セラミックス積層体１の端部表面を曲面状にすることにより、圧電セラミックス積層体１の端部への応力集中を抑制でき、破壊強度、駆動時の破損電力の向上ができるものである。
【００６４】
（１１）入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの外周部を図８に示すように曲線状とすることにより、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの外周部に発生する分極歪みが集中するのを抑制し、駆動時の耐電力を向上させることができる。
【００６５】
（１２）入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃ間の圧電セラミックス層１ａの平均粒径よりも、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの非形成部分の圧電セラミックス層１ａの平均粒径を大きくすることにより、分極歪みを緩和して強度を向上させることができる。
【００６６】
（１３）無効層の厚みは、入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃ間の圧電セラミックス層１ａの厚みと同等以下とすることにより、昇圧比、変換効率を大きく下げることなく、駆動時に振動する圧電セラミックス層１ａを保護することができる。
【００６７】
（１４）圧電セラミックス積層体１の各辺のなす角は非直角とする、つまり図２に示すように短手方向断面がほぼ台形状とすることにより、図９に示すように積層型圧電トランスをケース２００に組み込む際、ケース２００内に積層型圧電トランスを固定し、電気的に接続を取る導電ゴム２０１との接触を確実に行うことができ、振動、衝撃が加わった場合でも接続をはずれにくくすることができる。この場合、ケース２００の底面側に長辺がくるようにする方が好ましい。
【００６８】
（１５）入力側内部電極層２ａは、図１０に示すように中央部分より端部の厚みを薄くすることにより、入力側内部電極層２ａの端部と圧電セラミックス層１ａとの界面の接着強度を向上させることができる。もちろん他の入力側、出力側内部電極層２ｂ，２ｃについても同様のことが言える。
【００６９】
（１６）入力側内部電極層２ａ，２ｂの圧電セラミックス積層体１の長手方向の長さは、圧電セラミックス積層体１の長手方向の長さの１／２より長くしている。これは、圧電セラミックス積層体１の長手方向において、分極境界と最大応力がかかる部分とが重なるのを防止するためである。つまり、入力側内部電極層２ａ，２ｂの端部は振動の節と重ならないようにすることが望ましい。
【００７０】
（１７）入力側及び出力側内部電極層２ａ，２ｂ，２ｃの圧電セラミックス積層体１の短手方向端面に露出する長さは、入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂの幅よりも長い。これは、入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂの方が長くなると、これら入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂ間で分極がかかり、入力側及び出力側外部電極３ａ，３ｂの端部に電界集中が生じて特性が低下するのを防止するためである。
【００７１】
【発明の効果】
以上本発明によると、高いエネルギー変換効率で電圧を昇圧できる積層型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】本発明の実施の形態１における積層型圧電トランスの斜視図
【図２】図１のＡ−Ｂ断面図
【図３】図１のＣ−Ｄ断面図
【図４】図１に示す積層型圧電トランスの外部電極形成前の分解斜視図
【図５】図１に示す積層型圧電トランスの製造工程図
【図６】本発明の実施の形態２における積層型圧電トランスの斜視図
【図７】同電極パターンを示す上面図
【図８】本発明の一実施の形態における積層型圧電トランスの電極パターンの上面図
【図９】本発明の一実施の形態における積層型圧電トランスの断面図
【図１０】本発明の一実施の形態における積層型圧電トランスの要部拡大断面図
【図１１】本発明の一実施の形態における電子機器の回路図
【図１２】従来の積層型圧電トランスの斜視図
【符号の説明】
１  圧電セラミックス積層体
１ａ  圧電セラミックス層
２ａ  入力側内部電極層
２ｂ  入力側内部電極層
２ｃ  出力側内部電極層
３ａ  入力側外部電極
３ｂ  出力側外部電極
２００  ケース
２０１  導電ゴム
３００  直流入力電源
３０１  コイル
３０２  ＦＥＴ
３０３  発振回路
３０４  積層型圧電トランス
３０５  冷陰極管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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