(57)【要約】 【課題】  素子が駆動する際の応力影響および分極状態の不均一に起因する素子内部での絶縁抵抗、耐電圧、放電などの寿命に関わる信頼性を低下する要因を取り除くことで、高性能な積層型の圧電トランス素子およびそれを用いたインバータを提供する。【解決手段】  圧電セラミック層と、同一層内に一次側内部電極７，８及び二次側内部電極６となる２つのパターンが形成された内部電極層とを交互に積層した積層体の長手方向に平行な対向する両側面に、一次側内部電極７，８を互いに異極となるように取り出し、一次側外部電極２と接続するとともに、二次側内部電極６を互いに同極となるように取り出し、二次側外部電極９と接続してなり、一次側外部電極２から入力された電圧を振動に変換し、二次側外部電極９から電圧として出力する圧電トランス素子であって、二次側内部電極６の形状を凹型に形成する。【選択図】  図１
2006032467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層と、同一層内に一次側及び二次側内部電極となる２つのパターンが形成された内部電極層とを交互に積層した積層体の長手方向に平行な対向する両側面に、前記一次側内部電極を互いに異極となるように取り出し、一次側外部電極と接続するとともに、前記二次側内部電極を互いに同極となるように取り出し、二次側外部電極と接続してなり、前記一次側外部電極から入力された電圧を振動に変換し、前記二次側外部電極から電圧として出力する圧電トランス素子であって、前記二次側内部電極の形状を凹型に形成したことを特徴とする圧電トランス素子。
【請求項２】
前記一次側内部電極の長さが素子全体の長さの１／２よりも長く、かつ前記一次側内部電極における前記二次側内部電極のある側の端部の形状を凸型に形成したことを特徴とする請求項１記載の圧電トランス素子。
【請求項３】
前記一次側内部電極の長さが素子全体の長さの１／２よりも短く、かつ前記一次側内部電極における前記二次側内部電極のある側の端部の形状を凹型に形成したことを特徴とする請求項１記載の圧電トランス素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の圧電トランス素子を用いたことを特徴とする圧電トランス素子を用いたインバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇圧用もしくは降圧用の圧電トランス素子およびそれを用いたインバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電トランスは、励振部（一次側または入力側）に入力電圧を印加することにより機械的振動を発生させ、この振動を利用し発電部（二次側または出力側）において電圧に変換して出力するという構造で、圧電セラミック内部および外部に一次側電極、二次側電極を有している。
【０００３】
現在普及している圧電トランスの大半は、ローゼン型と呼ばれる構造のもので、具体的には、図４（ａ）に示すような構造を有している。このローゼン型の圧電トランスが普及しているのは、特徴として、長さ、幅、厚みの選択範囲が広く、床面積を大きくすれば薄型化を達成でき、携帯テレビやノート型パーソナルコンピュータ等の薄型の携帯機器に適しているためである。
【０００４】
ところで、ローゼン型構造の圧電トランス素子の一次側内部電極パターンについては、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すような、圧電セラミックグリーンシート４に一次側内部電極５を印刷したものがある。従来の圧電トランス素子では、これを用い、積層セラミックコンデンサーに代表されるような複数の内部電極が圧電セラミックを介して積層されており、各内部電極は交互に圧電セラミック積層体の第１の側面とこの第１の側面に対向する第２の側面に取り出され、一次側外部電極と接続して構成するのが一般的である。
【０００５】
また、二次側外部電極は、図４の符号３に示す幅−厚み端部（長さ方向の片側半分における厚さ方向に平行な端面）に設けられるものが多い。しかし、一部には、特許文献１に示すような二次側の幅−厚み端部近傍に複数の内部電極を積層し、その内部電極に通ずる外部電極を側面に形成するものもある。例えば、図５に示すような構造である。図５において、１１は、矩形状の圧電セラミック積層体、１２、１２ａは、一次側（入力用表面）外部電極、１３、１３ａは、二次側（グランド表面）外部電極、１４、１４ａは、二次側（出力用表面）外部電極、１５、１６は、二次側（出力用側面）外部電極である。
【０００６】
後者の構造のメリットとしては、一次側内部電極と二次側内部電極が、内部電極の印刷パターンで同時に印刷でき、各層の一次、二次側内部電極の間隔を一様にできるため、出力特性が安定化できることと、一次側と二次側外部電極の形成が両方を一度に可能であることである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１７７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、一次側内部電極と二次側内部電極の距離が一定に形成されている場合は、使用中において素子が駆動する際に内部電極の端部に大きな応力が作用して、この応力の集中点と、セラミックの部分と内部電極の部分の焼結収縮差による収縮応力が集中する領域と、内部電極のひけなどの空孔が生成しやすい端部とが一致してしまい、素子が割れ易くなってしまうという欠点があった。
【０００９】
また、非分極時には一次側内部電極と二次側内部電極の距離が一定に形成されていても、分極の際には素子が圧電効果で変形するため、一次側内部電極と二次側内部電極の距離が一定にならず、素子内部に分極状態の不均一が発生し、絶縁抵抗、耐電圧、放電などの寿命に関わる信頼性が低下することがあった。
【００１０】
本発明は、上記の点に鑑みて、内部電極の端部での応力の集中による割れが発生せず、かつ、分極状態の不均一に起因する素子内部での絶縁抵抗、耐電圧、放電などの寿命に関わる信頼性が低下しない、高性能な圧電トランス素子およびそれを用いたインバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、圧電セラミック層と、同一層内に一次側及び二次側内部電極となる２つのパターンが形成された内部電極層とを交互に積層した積層体の長手方向に平行な対向する両側面に、前記一次側内部電極を互いに異極となるように取り出し、一次側外部電極と接続するとともに、前記二次側内部電極を互いに同極となるように取り出し、一次側外部電極と接続してなり、前記一次側外部電極から入力された電圧を振動に変換し、前記二次側外部電極から電圧として出力する圧電トランス素子であって、前記二次側内部電極の形状を凹型に形成したことを特徴とする圧電トランス素子である。
【００１２】
また、本発明は、前記一次側内部電極の長さが素子全体の長さの１／２よりも長く、かつ前記一次側内部電極における前記二次側内部電極のある側の端部の形状を凸型に形成したことを特徴とする上記の圧電トランス素子である。
【００１３】
また、本発明は、前記一次側内部電極の長さが素子全体の長さの１／２よりも短く、かつ前記一次側内部電極における前記二次側内部電極のある側の端部の形状を凹型に形成したことを特徴とする上記の圧電トランス素子である。
【００１４】
また、本発明は、上記の圧電トランス素子を用いたことを特徴とする圧電トランス素子を用いたインバータである。
【００１５】
即ち、本発明では、３層以上の圧電セラミック層と、同一層面に第１及び第２の内部電極が構成された２層以上の内部電極層を積層した積層体で、第１の内部電極層は交互にセラミック積層体の１側面に構成された第１の一次側外部電極と１側面に対向する他の側面に構成された第２の一次側外部電極に接続され、一次側内部電極を構成するとともに、第２の内部電極は一次側内部電極とは反対側の幅−厚み部近傍に配置され、積層体の側面に構成された二次側外部電極に同極となるように接続され、二次側内部電極を構成するとともに、一次側外部電極から入力された電圧を振動に変換し二次側外部電極から電圧として出力する圧電トランスにおいて、二次側内部電極の形状を凹型にし、そして一次側内部電極の形状を、一次側内部電極の長さが素子全体の長さの１／２よりも長い場合に凸型、短い場合に凹型とする。また、本発明では、これらの圧電トランス素子を用い、インバータを構成する。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように構成することにより、本発明によれば、内部電極の端部での応力の集中による割れが発生せず、かつ、分極状態の不均一に起因する素子内部での絶縁抵抗、耐電圧、放電などの寿命に関わる信頼性が低下しない、高性能な圧電トランス素子およびそれを用いたインバータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施の形態における圧電トランス素子を示す図であり、図１（ａ）は、圧電トランス素子の外観斜視図、図１（ｂ）は、一次側内部電極が凸型の圧電セラミックグリーンシートの平面図、図１（ｃ）は、一次側内部電極が凹型の圧電セラミックグリーンシートの平面図である。また、図２は、本発明の一実施の形態における圧電トランス素子の二次側内部電極パターンの拡大平面図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の積層型圧電セラミックス素子１は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ2を成分として含む圧電セラミックグリーンシート４にＡｇとＰｄの混合粉末、セルロース、および複数の溶剤などから構成されたペーストを印刷し、圧電体と一次側内部電極７または８および二次側内部電極６とを交互に積層して同時焼成し形成した、３層以上の圧電セラミックス層と２層以上の内部電極層とからなる圧電セラミック積層体の少なくとも２つの側面において、一次側内部電極７，８の端部を対向電極となるように一次側内部電極と一次側外部電極の距離（内部電極非形成部）を形成し、露出している一次側内部電極７，８および二次側内部電極６の端部はＡｇ粉末ペーストなどを焼付けて形成した一次側外部電極２および二次側外部電極９とそれぞれ接続され、構成されている。また、内部電極と外部電極の接続については、一次側内部電極７，８は、異極となるように積層体の長手方向に平行な対向する両側面に交互に取り出され、一次側外部電極２と接続され、二次側内部電極６は、同極となるように取り出され、二次側外部電極９と接続されている。
【００１９】
本発明では、一次側内部電極７，８と二次側内部電極６のそれぞれの形状に工夫をしている。図１（ｂ）に示すように、一次側内部電極７の長さを、素子全体の長さの１／２よりも長く形成した場合、一次側内部電極７の二次側端部の内部電極パターンを凸型としている。また、図１（ｃ）に示すように、一次側内部電極８の長さを、素子全体の長さの１／２よりも短く形成した場合、一次側内部電極８の二次側端部の内部電極パターンを凹型としている。
【００２０】
また、図２に示すように、二次側内部電極６の一次側端部の内部電極パターンを凹型としている。
【００２１】
次に、本発明に係る圧電トランス素子を用いたインバータの構成を図３に示す。図３は、例えば液晶ディスプレイのバックライト用の冷陰極管を点灯するインバータのブロック図である。本発明に係る圧電トランス素子を用いたインバータは、発振回路部２１、駆動回路部２２、制御回路部２３、電流検出部２４及び圧電トランス２５とで構成されている。発振回路部２１から出力される信号により駆動回路部２２を動作させ、圧電トランス２５を駆動し、圧電トランス２５の二次側（出力電極）に生じた昇圧された電圧を冷陰極管２６に印加して冷陰極管２６を点灯させる。さらに、冷陰極管２６を流れる電流を電流検出部２４で検出し、冷陰極管の電流が一定となるように制御回路部２３から発振回路部２１に制御信号をフィードバックするように構成されている。これら各回路部は実装基板に形成されて圧電インバータユニットが構成される。図５に示す圧電トランス２５として、上記実施の形態で説明した圧電トランス素子を用いることができる。本発明に係る圧電トランスを用いることにより、特性が良好で信頼性に優れたインバータを実現することができる。
【実施例１】
【００２２】
以下に、本発明の圧電トランス素子を実施例により詳細に説明する。一般的な製造方法に従い、圧電体１がジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ(Ｚｒ、Ｔｉ)Ｏ２からなり、一次側内部電極７，８、二次側内部電極６がＡｇ、Ｐｄの混合粉末ペースト、一次側外部電極２、二次側外部電極９がＡｇ粉末ペーストからなる、図１に示す構造の２９ｍｍ×６ｍｍ×３ｍｍのサイズの積層型圧電トランス素子を作製した。なお、一次側内部電極、二次側内部電極のパターンにおいては、一次側内部電極７，８、二次側内部電極６のパターンだけでなく、従来の形状（図４の符号５）のパターンも使用して、これらを組み合わせて、７種類の素子を各１０００個作製した。
【００２３】
また、従来例として、上記と同様の寸法、製造方法により、図４に示す構造で、端部のみに二次側内部電極を設けて側面から取り出し外部電極に接続した積層型圧電トランス素子を作製した。
【００２４】
評価は、分極後の素子の動作中の耐久性を加速試験にて行った。一次側への負荷は電圧信号であり印加の結果、素子が振動する時の振動速度を測定し、それを素子の割れ耐久性の加速性の指標とした。なお、振動速度は、素子にとって厳しい条件である２．０ｍ／ｓとした。表１に、その結果を示す。表１中、◎は、全く割れが発生しない場合、○は、ほとんど割れが発生しない良好な場合、△は、○に比べ良好とはいえないが割れの発生率が著しく低い場合を示す。
【００２５】
【表１】
2006032467.tif 000003
【００２６】
表１において、実施条件１は、従来例である。本来ｐｐｍ程度の素子割れではあるが、加速により２．３％の素子割れを起こしている。判定の欄では、従来例ということで記号の記入をしていない。
【００２７】
実施条件２、４、６において、素子の割れ発生率が低くなったことから、図２に示すような二次側内部電極の形状を凹型にした効果は大きいことが判る。これは、一次側内部電極と二次側内部電極の距離が一定に形成されている場合は、使用中において素子が駆動する際に内部電極の端部に大きな応力が作用するのであるが、この応力の集中点と、セラミックの部分と内部電極の部分の焼結収縮差による収縮応力の集中領域および内部電極のひけなどの空孔が生成しやすい内部電極の端部とが一致してしまい、素子が割れ易くなってしまうという欠点が改善されたからである。
【００２８】
その他の実施条件においても、従来例である実施条件１に対して、素子割れの改善がある程度見られた。
【００２９】
実施条件８は、本発明のすべての構成を盛り込んだ場合であるが、本実験においては素子割れは発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態における圧電トランス素子を示す図。図１（ａ）は、圧電トランス素子の外観斜視図。図１（ｂ）は、一次側内部電極が凸型の圧電セラミックグリーンシートの平面図。図１（ｃ）は、一次側内部電極が凹型の圧電セラミックグリーンシートの平面図。
【図２】本発明の一実施の形態における圧電トランス素子の二次側内部電極パターンの拡大平面図。
【図３】本発明の圧電トランス素子を用いたインバータのブロック図である。
【図４】従来のローゼン型の圧電トランス素子を示す図。図４（ａ）は、圧電トランス素子の外観斜視図。図４（ｂ）は、圧電セラミックグリーンシートの平面図。図４（ｃ）は、図４（ｂ）とは一次側内部電極の取り出し位置が異なっている圧電セラミックグリーンシートの平面図。
【図５】従来の他の例のローゼン型の圧電トランス素子を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１    圧電セラミックス素子
２，１２，１２ａ    一次側外部電極
３，９，１３，１３ａ，１４，１４ａ，１５，１６    二次側外部電極
４    圧電セラミックグリーンシート
５，７，８    一次側内部電極
６    二次側内部電極
１１    圧電セラミック積層体
２１    発振回路部
２２    駆動回路部
２３    制御回路部
２４    電流検出部
２５    圧電トランス
２６    冷陰極管
【図１】
2006032467.tif 000004
【図２】
2006032467.tif 000005
【図３】
2006032467.tif 000006
【図４】
2006032467.tif 000007
【図５】
2006032467.tif 000008