(57)【要約】【課題】コンバータとしての効率の低下を伴うことが無く、電源の安全規格を満足する圧電トランスを提供する。【解決手段】圧電トランスの入出力間の絶縁層に低キュリー温度の強誘電体もしくは反強誘電体を用いることにより、圧電トランスとして使用される温度範囲では絶縁層が分極処理されることがないため、絶縁層を薄くすることが可能になり、電源の安全規格を満足することが可能で、性能を劣化させることがない上に、小型である。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的入力部と出力部を有し、輪郭拡がり振動を利用した圧電トランスにおいて、入出力部間をキュリー温度が−４０℃以下の強誘電体の絶縁層で形成したことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
電気的入力部と出力部を有する圧電トランスにおいて、入出力部間を反強誘電体の絶縁層で形成したことを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
前記絶縁層としてＰｂｘＺｒＯ３＋ｙ（ｗｔ％）ＭｎＯと表したときに、０．９９≦ｘ≦１．０２、０＜ｙ≦１で指定される範囲の反強誘電体磁器組成物を使用した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】
前記絶縁層としてＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３と表したときに、０．９８≦ｘ≦１．００、０．０５≦ｙ≦０．３で指定される範囲の反強誘電体磁器組成物を使用した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５】
前記絶縁層としてＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３と表したときに、０．９８≦ｘ≦１．００、０．０５≦ｙ≦０．３で指定される範囲の反強誘電体磁器組成物を使用したことを特徴とする請求項２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、圧電トランスに関し、特にＡＣアダプタやＤＣ／ＤＣコンバータ等の降圧トランスとして好適な圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器端末の発展に伴って、電源には小型化が要求されてきている。一般に、電源に使われる電子部品のうち、もっとも体積が大きいとされてきた部品は、変圧を行う電磁トランスである。そのため、電磁トランスより電力密度の大きい圧電トランスは、電源の小型化にとって有利であるため、古くから電磁トランスの代替が検討され、近年ではノートパソコンやＰＤＡなどの液晶モニタのバックライト電源に実用化されている。この電源は、数Ｖの電圧を数百Ｖまで昇圧するいわゆるインバータと呼ばれる電源で、圧電トランスを搭載したインバータは圧電インバータと呼称されている。
【０００３】
一方、一般的な電源であるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータは、電圧を降圧する用途がほとんどで、インバータの場合と同様に小型化のため電磁トランスに替えて、圧電トランスを用いる検討がなされている。
【０００４】
しかし、インバータの場合と比べてアダプタやコンバータの場合は、電源の仕様からインバータで使用する圧電トランスをそのまま適用することはできない。その理由を簡単に説明する。まず、インバータでは接続する機器の入力インピーダンスが大きく１００ｋΩ程度であるが、コンバータでは入力インピーダンスが数１０Ωと小さい値である。圧電トランスの出力の高効率化には、圧電トランスの出力インピーダンスと接続する機器の入力インピーダンスとがマッチングしていることが必要となる。圧電トランスの出力インピーダンスは、以下の式で求められる。
【０００５】
Ｚ＝１／ωＣｄ２
【０００６】
ここで、Ｃｄ２は圧電トランスの出力側の制動容量であり、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）であるから、インバータの場合、例えばｆ＝８０ｋＨｚ、Ｚ＝１００ｋΩでは、Ｃｄ２＝２０ｐＦと求められる。一方、コンバータの場合では、ｆ：１００ｋＨｚ、Ｚ＝５０ΩとするとＣｄ２＝３２ｎＦとなる。コンバータのこの制動容量の値は、インバータに比べ１６００倍大きく、このため、出力側の制動容量を大きくするために、積層セラミックコンデンサのような対向電極を複数積層した構造をとる必要がある。
【０００７】
また、アダプタやコンバータでは、商用電源と電気機器の間で電気絶縁を確保することが安全規格によって定められており、例えばＣＳＡ　Ｃ２２．２Ｎｏ．９５０、ＵＬ１９５０では、ＡＣの実効値３ｋＶにてリーク電流１０ｍＡ未満であることや強化絶縁試験を満たしていなければならない。そのため、圧電トランスに入力部と出力部の間に絶縁層を設けておく必要がある。そのような絶縁層としては、特許文献１にあるように圧電部と同じセラミックスを使用しているのがほとんどである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−１６２５４５号公報
【０００９】
このような、出力インピーダンスを対向電極の積層によって調整することができて、かつ、入力部・出力部の間に絶縁層を設けることができる構造の１つとして、特許文献１に示される正方形板もしくは円板の輪郭拡がり振動を利用した圧電トランスが有望と考えられる。これは、厚さ方向へ内部電極と圧電セラミックス層を交互に積層し、厚み方向に入力部・絶縁層・出力部を有した構成になっており、正方形もしくは円板の圧電セラミックス板の径方向の共振モードを利用した積層型圧電トランスである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電部と同じ圧電セラミックスを絶縁層に用いた場合、前記強化絶縁試験によって印加される電界によって分極されないようにしなければならず、電気絶縁を確保するためには絶縁層の厚さを大きくする必要性があった。そのため、トランス素子全体での電気機械結合係数が低下してしまうこととトランス素子の大きさが大きくなってしまうという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、絶縁層と圧電層を一体で焼結可能で、かつ絶縁層の厚さを薄くすることができ、電気機械結合係数特性を低下させることのない圧電トランスを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電気的入力部と出力部を有し、輪郭拡がり振動を利用した圧電トランスにおいて、入出力部間にキュリー温度が−４０℃以下の強誘電体、または、反強誘電体で絶縁層を形成させたことを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、絶縁層としてＰｂｘＺｒＯ３＋ｙ（ｗｔ％）ＭｎＯと表したときに、０．９９≦ｘ≦１．０２、０＜ｙ≦１で指定される範囲の磁器組成物を使用した前記圧電トランスや、絶縁層としてＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３と表したときに、０．９８≦ｘ≦１．００、０．０５≦ｙ≦０．３で指定される範囲の磁器組成物を使用した前記圧電トランス、絶縁層としてＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３と表したときに、０．９８≦ｘ≦１．００、０．０５≦ｙ≦０．３で指定される範囲の磁器組成物を使用した前記圧電トランスが得られる。
【００１４】
前記課題を解決するために、本発明では、絶縁層に低キュリー温度の強誘電体もしくは反強誘電体を用いることにより、圧電トランスとして使用される温度範囲では絶縁層が分極処理されることがないため、絶縁層を薄くすることが可能になり、電源の安全規格を満足することが可能で、性能を劣化させることなく小型な圧電トランスを提供することが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１６】
図１に、正方形板輪郭拡がり振動圧電トランスの平面図を示す。図２に、輪郭拡がり振動圧電トランスの断面図を示し、図２（ａ）に図１の輪郭拡がり振動圧電トランスのＡ−Ａ’断面図を示し、図２（ｂ）に、図１の輪郭拡がり振動圧電トランスのＢ−Ｂ’断面図を示す。図３に、正方形板輪郭拡がり振動圧電トランスの積層図を示し、図４に、円板輪郭拡がり振動圧電トランスの上面図を示し、図５に、円板輪郭拡がり振動圧電トランスの積層図を示す。
【００１７】
図１、図２において、寸法は一辺２０ｍｍ、厚さ５ｍｍである。正方形板は厚さ方向に３分割され、入力部１５、絶縁層１６、出力部１７から構成されている。入力部の厚さは１．３ｍｍ、出力部は２．２ｍｍ、絶縁層は１．５ｍｍの構造になっている。入力部には入力用電極１８、１９が配置され、それぞれ入力信号印加用の側面外部電極１１、１２と接続している。入力部は一層で厚み方向に分極されている。出力部には同じく出力用内部電極２０、２１が配置され、一枚置きに交互に側面に露出し、出力取り出し用側面外部電極１３、１４と接続している。出力部は厚み方向一層置きに、互いに厚み方向に逆向きに分極されている。出力部は６層の積層構造である。
【００１８】
具体的な製造方法を以下に説明する。
【００１９】
圧電トランスに使用する圧電体としては、Ｐｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系の組成のセラミックスを用いた。その粉末とバインダーとしてポリビニルブチラールを用いてセラミックスグリーンシートを作製し、内部電極として銀／パラジウム系のペーストを印刷した。また、絶縁層も同様にグリーンシートを作製した。所定の形状にシートを打ち抜き、圧電層と内部電極層を積層し、トランスの入出力間には、ＰｂｘＺｒＯ３＋ｙ（ｗｔ％）ＭｎＯ系やＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３系、及び、ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３の材料を用いて絶縁層を積層し、比較例として従来技術である圧電層と同じ材料を絶縁層として積層した。
【００２０】
この積層体を熱プレス機を用いて１５０℃で３０〜６０ＭＰａの圧力を加え熱圧着させ、ダイシングソーを用いて積層体を切断し、４５０℃で脱バインダーの後、１１００℃で焼結した。そのセラミックス焼結体側面の入出力部に銀ペーストを印刷し、５００℃で焼き付け外部電極とした。
【００２１】
しかる後に、１５０℃のシリコーンオイル中で、その入出力部それぞれに、電界強度１．５ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１５分印加して分極処理を施し圧電トランスとした。
【００２２】
前述の圧電トランスの振動子特性の測定と絶縁強化試験の評価を次のように行った。振動子特性としては、共振周波数ｆｒ、入出力側の電気機械結合係数ｋ、機械的品質係数Ｑｍの評価をインピーダンスアナライザ４１９４Ａを用いて行い、Ｑｍが８００以上のものを良品とした。また、絶縁耐圧の試験は、試料をシリコンオイルの中に入れ、ＡＣ電圧を印加しながらピーク電圧が１ｋＶ、２ｋＶ、３ｋＶのときに流れるリーク電流を測定し、規定電圧である実効値３ｋＶにて１分間保持し、電流値が１０ｍＡ以下のものを良品として判定した。
【００２３】
その判定結果を表１、表２、表３に示す。
【００２４】
【表１】
2004134420.tif 000002
【００２５】
【表２】
2004134420.tif 000003
【００２６】
【表３】
2004134420.tif 000004
【００２７】
表１、表２、表３に示すように、絶縁層としてはＰｂｘＺｒＯ３＋ｙ（ｗｔ％）ＭｎＯと表したときに、０．９９≦ｘ≦１．０２、０＜ｙ≦１で指定される範囲の磁器組成物を使用した前記圧電トランスや、絶縁層としてＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３と表したときに、０．９８≦ｘ≦１．００、０．０５≦ｙ≦０．３で指定される範囲の磁器組成物を使用した前記圧電トランス、絶縁層としてＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３＋ｙＰｂ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３と表したときに、０．９８≦ｘ≦１．００、０．０５≦ｙ≦０．３で指定される範囲の磁器組成物以外の組成では、Ｑｍが低かったり、絶縁強化試験でリーク電流が１０ｍＡを超えてしまい試験をクリアできず請求範囲には含まない。
【００２８】
この実施の形態では、反強誘電体を例に説明したが、例えば、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３やＰｂ（ＣＯ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３のようなキュリー温度が−４０℃以下の強誘電体を絶縁層としても、分極時は常誘電体であるので分極の影響が無く、反強誘電体と同様の効果が得られるのは当然である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスにより、絶縁層と圧電層を一体焼結でき、薄形の輪郭拡がり振動モードを用いた、より高性能な圧電トランスを提供することが可能となり、本発明により、コンバータとしての効率の低下を伴うことが無く、電源の安全規格を満足する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】正方形板輪郭拡がり振動圧電トランスの平面図。
【図２】輪郭拡がり振動圧電トランスの断面図。図２（ａ）は、輪郭拡がり振動圧電トランスのＡ−Ａ’断面図。図２（ｂ）は、輪郭拡がり振動圧電トランスのＢ−Ｂ’断面図。
【図３】正方形板輪郭拡がり振動圧電トランスの積層図。
【図４】円板輪郭拡がり振動圧電トランスの平面図。
【図５】円板輪郭拡がり振動圧電トランスの積層図。
【図６】圧電トランス駆動方法の概要図。
【図７】耐圧試験の概要図。
【符号の説明】
１１，１２　　入力信号印加用の側面外部電極
１３，１４　　出力取り出し用側面外部電極
１５　　入力部
１６　　絶縁層
１７　　出力部
１８，１９　　入力用電極
２０，２１　　出力用内部電極
【図１】
2004134420.tif 000005
【図２】
2004134420.tif 000006
【図３】
2004134420.tif 000007
【図４】
2004134420.tif 000008
【図５】
2004134420.tif 000009
【図６】
2004134420.tif 000010
【図７】
2004134420.tif 000011