(57)【要約】【課題】駆動時の発熱量を増大することなく、良好な昇圧比と効率とを両立することが可能な圧電トランス素子の提供。【解決手段】圧電トランス素子１には、厚み方向に分極された圧電体の層間に複数の層間電極１１，１２が配置された駆動領域が、素子の長手方向中央を超えて形成されると共に、長手方向に分極された圧電体からなる発電領域には、その圧電体に発生した高電圧を集電すべく該圧電体の層間に配置された層間電極１５が、当該発電領域の端面またはその端面近傍に形成されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を印加する入力電極に電気的に接続されると共に、厚み方向に分極された圧電体の層間に複数の層間電極が配置された駆動領域と、高電圧を取り出す出力電極が形成されると共に長手方向に分極された圧電体からなる発電領域とを有する圧電トランス素子であって、
前記駆動領域は、少なくとも前記複数の層間電極が前記圧電トランス素子の長手方向中央を超えて形成され、
前記発電領域には、その圧電体に発生した高電圧を集電すべく該圧電体の層間に配置された層間電極が、その高電圧を取り出すべく前記出力電極に電気的に接続された状態で、前記発電領域の端面に少なくとも一部が露出した状態またはその端面近傍に形成されている
ことを特徴とする圧電トランス素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランス素子に関し、例えば、冷陰極管の点灯駆動用の電源等に用いて好適な圧電トランス素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電体を利用した圧電トランス素子が各種提案されており、実開昭４９−１０９４７２号公報には、入力電圧が印加される駆動領域（入力領域）と、高電圧を発生する発電領域（出力領域）とからなる所謂、単板タイプのローゼン型圧電トランス素子において、発電領域（出力領域）に発生する出力電圧（即ち、昇圧比）を向上すべく、駆動領域の２主面に設けられた入力電極を素子長手方向中央を超えて延設した構造の圧電トランス素子が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、入力電極を素子長手方向中央を超えて延ばすことによって、駆動領域が大きくなるほど効率が低下してしまい、更には、駆動時の素子長手方向への振動速度が大きくなるため、機械的な振動に伴う発熱量が大きくなり、且つ素子全体が強度的に弱くなるという問題が生じる。
【０００４】
一般に、圧電トランス素子では、できるだけ小さな体積（素子容量）で大きな出力電力を得ようする場合、上記従来の技術からも判るように昇圧比を重視すると効率が低下してしまい、一方で、効率を重視すると昇圧比が低下してしまうという相反する問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、駆動時の発熱量を増大することなく、良好な昇圧比と効率とを両立することが可能な圧電トランス素子の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電トランスは、以下の構成を特徴とする。
【０００７】
即ち、入力電圧を印加する入力電極（２，３）に電気的に接続されると共に、厚み方向に分極された圧電体の層間に複数の層間電極が配置された駆動領域と、高電圧を取り出す出力電極（４）が形成されると共に長手方向に分極された圧電体からなる発電領域とを有する圧電トランス素子（１，１Ａ）であって、
前記駆動領域は、少なくとも前記複数の層間電極（１１，１２）が前記圧電トランス素子の長手方向中央を超えて形成され、
前記発電領域には、その圧電体に発生した高電圧を集電すべく該圧電体の層間に配置された層間電極（１５，１６）が、その高電圧を取り出すべく前記出力電極に電気的に接続された状態で、前記発電領域の端面に少なくとも一部が露出した状態またはその端面近傍に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電トランス素子の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態における積層構造の圧電トランス素子の外形形状を例示する斜視図である。また、図２は、図１に例示する圧電トランス素子の上面図（図２（ａ））と、そのＡ−Ａ断面図（図２（ｂ））を示す図である。
【００１０】
図１及び図２において、圧電トランス素子１は、外部から入力電圧が印加される駆動領域（入力領域）と、その入力電圧の印加に応じて出力電圧を発生する発電領域（出力領域）とからなる所謂ローゼン型の圧電トランス素子である。
【００１１】
より具体的に、本実施形態において、圧電トランス素子１の駆動領域は、厚み方向に分極された圧電体の層間に複数の層間電極１１，１２が内包された積層構造を有しており、これらの層間電極は、図１及び図２に示すように、圧電トランス素子１の長手方向中央Ｃ（素子端面からＬ／２）を超えて形成されている。従って、圧電トランス素子１において、駆動領域の容積は、発電領域の容積より大きい。
【００１２】
尚、図１及び図２に示す積層構造の層数は、図面表現の便宜上のものであり、図示された層数に限定されるものではない。
【００１３】
また、層間電極１１と層間電極１２とは、素子内部において、分極方向（即ち、図２（ｂ）の上下方向）に交互に複数配置されており、当該駆動領域の端面側には、入力電圧印加用の凸部がそれぞれ設けられている。そして、素子内部において複数積層された層間電極１２の凸部には、当該駆動領域の端面において入力電極２が電気的に接続され、層間電極１１の凸部には、当該駆動領域の端面において入力電極３が電気的に接続された構造を有する。
【００１４】
一方、圧電トランス素子１の発電領域には、長手方向に分極された圧電体の内部において、その圧電体に発生した高電圧を集電すべく当該圧電体の層間に配置された層間電極１５が形成されており、層間電極１５は、その一辺が、集電した高電圧を取り出すべく当該発電領域の端面に形成された出力電極４に電気的に接続された構造を有する。
【００１５】
ここで、素子長手方向中央を超えた駆動領域を有する圧電トランス素子の構造は、「発明が解決しようとする課題」にて単板タイプの従来技術を例に説明したように、昇圧比Ｒは向上できるものの、素子の効率ηの低下と、駆動時の発熱量の増大という問題がある。そこで、本実施形態では、上述した構造を採用することにより、ローゼン型の圧電トランス素子１において、昇圧比Ｒを向上すべく積層構造を採用すると共に、その駆動領域においては、層間電極１１，１２を素子端面からＬ／２を超えて形成すると共に、発電領域の端面または端面近傍に層間電極１５を設けることによって効率ηの低下を防止し、且つ駆動時の発熱量の増大も防止している。この特徴について、以下の実施例によって説明する。
【００１６】
＜実施例＞
［表１］は、第１の実施形態に係る圧電トランス素子１の実施例と、その比較例としての圧電トランス素子とについて、共振モードをλ（波長）／２共振モードとして駆動した場合の実験結果を示す表であり、素子のサイズは、何れも、長さＬ＝２５．５ｍｍ、幅Ｗ＝８．０ｍｍ、厚さＤ＝２．２ｍｍである。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
この実験では、上記サイズの圧電トランス素子１のバリエーションとして、本実施形態に係る圧電トランス素子１としての５種類の実施例１乃至５、並びに、その比較例１乃至４の４種類の圧電トランス素子について、駆動領域側の層間電極１１，１２の素子中央Ｃからのはみ出し量Ｚ（ｍｍ）、発電領域側の層間電極１５の当該発電領域端面からの長さＭ（ｍｍ）、昇圧比Ｒ、効率η、並びに駆動時の最大振動速度ｖ（ｍ／秒）について測定した。ここで、比較例１乃至４に係る圧電トランス素子は、はみ出し量Ｚの有無、発電領域側の層間電極の有無による４つのバリエーションである。
【００１９】
尚、振動速度ｖは、圧電トランス素子の発電領域側の端面の伸縮速度をレーザドップラー振動速度計にて測定した際の最大値である。
【００２０】
［表１］に示す測定結果を参照すると、比較例１乃至４に係る圧電トランス素子では、効率ηに優れる場合には昇圧比Ｒが良好でなく（比較例１及び２）、反対に、昇圧比Ｒに優れる場合には効率ηが良好でない（比較例３及び４）ことが判る。また、発電領域側の層間電極を有する比較例２以外の比較例では、最大振動速度ｖが総じて大きく、このことは、「発明が解決しようとする課題」でも説明したように、機械的な振動に伴う発熱と、素子全体の強度的な弱さを有することを表わす。
【００２１】
これに対して、実施例１乃至５に係る圧電トランス素子１についての測定結果では、何れの実施例においても、昇圧比Ｒと効率ηとが高い値でバランスした良好な結果（何れの場合も昇圧比Ｒ＞９０倍、且つ効率η＞９０％）であり、係る良好な昇圧比Ｒ及び効率ηであるにも関らず、最大振動速度ｖは、０．５２（ｍ／秒）乃至０．５８（ｍ／秒）と比較例１乃至４と比較して総じて低く抑えられていることが判る。
【００２２】
即ち、本実施形態に係る圧電トランス素子１では、昇圧比Ｒを向上すべく積層構造を採用すると共に、その駆動領域においては、層間電極１１，１２を素子端面からＬ／２を超えて形成すると共に、発電領域の端面に層間電極１５を設けることによって効率ηの低下を防止している。これは、圧電トランス素子１の駆動領域と発電領域とのインピーダンス（或いは、静電容量）の比に起因するものと考えられる。
【００２３】
これにより、所謂ローゼン型の圧電トランスにおいて入力電極（駆動領域）を長手方向に大きくするほど効率ηが低下する一方で、素子駆動時の長手方向への振動速度が大きくなるため、機械的な振動に伴う発熱量が大きくなり、且つ素子全体が強度的に弱くなる、という従来の問題を解決し、昇圧比Ｒを向上すると共に高い効率ηとを両立することができる。
【００２４】
また、圧電トランス素子１では、発電領域の内部に複数の層間電極１５を設けることにより、駆動時の素子長手方向への振動速度ｖを低減することができるので、機械的な振動に伴う発熱量を少なくすることができ、高密度実装に好適であると共に、強度的にも優れる。従って、圧電トランスとしての諸元（定格仕様）において、同出力の従来の圧電トランスと比較して、入力電力を大きく採ることができる。
【００２５】
ここで、本願出願人は、先行する特願平９−１４８２３２号（特開平１０−０８４１４３号公報）において、安全性及び取り扱いの容易さに優れ、且つ、トランスとしての良好な性能を有する圧電トランス素子の提供すべく、出力領域の内部に内部電極（層間電極）を設ける技術を提案している。しかしながら、駆動領域の２主面に設けられた入力電極を素子長手方向中央を超えて延設する、或いは、駆動領域において層間電極を素子長手方向中央を超えて延設すること、上記昇圧比と効率との間の相反する問題については述べられておらず、上述した圧電トランス素子１の如く、駆動領域において層間電極１１，１２を素子長手方向中央を超えて延設すると共に、発電領域の内部に複数の層間電極１５を設けることにより、良好な昇圧比と効率とを両立すると共に、駆動時の素子長手方向への振動速度ｖを低減して、機械的な振動に伴う発熱量を極小化する技術は、本実施形態に特有のものである。
【００２６】
好適な実施形態において、圧電トランス素子１における駆動領域の素子中央Ｃを超えたはみ出し量Ｚは、素子長手方向の全長Ｌの６％以内とすると良く、発電領域側の層間電極１５の当該発電領域端面からの長さＭは、素子長手方向の全長Ｌの６％以内とすると良い。即ち、はみ出し量Ｚ及び及び発電領域側の層間電極１５の当該発電領域端面からの長さＭが共に６％以内の場合には、昇圧比Ｒ＞９０（倍）と、効率η＞９０（％）とを共に満足することができ、更に、最大振動速度ｖが０．５２乃至０．５８（ｍ／秒）に低減するので、機械的振動に伴う発熱量も低減することができる。
【００２７】
また、圧電トランス素子１を駆動する際の共振モードは、好適な実施形態において、λ（波長）モード、或いはλ／２モードである。
【００２８】
尚、本実施形態において、発電領域に設けられた層間電極１５は、圧電トランス素子１に内包されており、何れの層間電極も素子短手方向（側面）には露出していない。
【００２９】
一般に、昇圧手段として圧電トランス素子が搭載される各種の電子機器においては、外形形状をできるだけ小型化すべく、その内部には電子回路が高密度で実装される一方で、圧電トランス素子において高電圧が発生する発電領域側の導体部分と、その周囲に配置される他の部材（他の電子部品、電子機器のケース内側等）とが所定の絶縁距離（縁面距離）を満足することが要求される。このような要求に対して、本実施形態に係る圧電トランス素子１では、上記の如く、高電圧が発生する発電領域側の層間電極１５が素子内部に内包される構造である。
【００３０】
係る内包構造によれば、発電領域側の層間電極が短手方向（側面）に露出している場合と比較して、係る絶縁距離を容易に確保することができ、高密度実装の要求を満足することができる。更に、発生した高電圧が集電される層間電極１５が素子の側面及び／または主面に露出している場合と比較して、周囲のリード線との短絡等の可能性を極小化することができ、安全性にも優れる（ここで、主面とは、図１に示す斜視図において最も大きな面積で示された面と、その面に対向する面を表わし、側面とは、図１に示す斜視図において手前側に示された面と、その面に対向する面を表わす）。
【００３１】
［第２の実施形態］
次に、上述した第１の実施形態に係る圧電トランスを基本とする第２の実施形態を説明する。以下の説明においては、第１の実施形態と同様な構成については重複する説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。
【００３２】
図３は、第２の実施形態における積層構造の圧電トランス素子の上面図（図３（ａ））と、そのＢ−Ｂ断面図（図３（ｂ））を示す図であり、外形形状を示す斜視図は、第１の実施形態における図１と同様である。
【００３３】
本実施形態に係る圧電トランス素子１Ａは、その発電領域の内部において端面近傍に設けられた層間電極１６は、第１の実施形態に係る層間電極１５とは異なり、当該端面に形成された出力電極４には２つの凸部において電気的に接続される形状を有しており、且つ積層された層数も少ない（少なくとも２層）点が異なる。
【００３４】
このような層間電極１６を有する圧電トランス素子１Ａによっても、第１の実施形態と同様に、昇圧比Ｒを向上すると共に高い効率ηとを両立することができ、更には、駆動時の素子長手方向への振動速度ｖを低減することができるので、機械的な振動に伴う発熱量を少なくすることができる。
【００３５】
また、一般に、圧電トランス素子において、圧電体の層間に設けられる層間電極には、パラジウムを含むＡｇ／Ｐｄ等の耐酸化特性を有する高価な金属合金が採用されるが、本実施形態によれば、高電圧を集電すべく発電領域に設けられた層間電極１６に必要な材料を、第１の実施形態に係る層間電極１５と１枚単位で比較しても節約することができるので、コスト軽減を図ることができる。
【００３６】
尚、上述した各実施形態においては、一例として、圧電トランス素子１（１Ａ）の内部に層間電極１１，１２，１５（１６）が内包された構造を説明したが、良好な昇圧比と効率との両立、並びに駆動時の発熱量の低減という観点からは、係る構造に限られるものではなく、層間電極が素子側面に露出した構造や、素子の２主面の少なくとも一方に１枚の層間電極が露出した状態で設けられた構造を採用しても良い。
【００３７】
また、上述した各実施形態において、一例として、圧電トランス素子１（１Ａ）では、その駆動領域において層間電極１１，１２に入力電圧を印加すべく、当該駆動領域の端面に入力電極２，３が設けられた構造を採用したが、良好な昇圧比と効率との両立、並びに駆動時の発熱量の低減という観点からは、係る構造に限られるものではなく、素子内部または外部に設けた層間接続導体を利用して、例えば、素子側面や主面に設けた２つの入力電極と、層間電極１１，１２とを電気的に接続する構造を採用しても良い。
【００３８】
また、上述した各実施形態において、一例として、圧電トランス素子１（１Ａ）では、その発電領域において層間電極１５（１６）に集電された高電圧を取り出すべく、当該発電領域の端面に出力電極４が設けられた構造を採用したが、良好な昇圧比と効率との両立、並びに駆動時の発熱量の低減という観点からは、係る構造に限られるものではなく、素子内部または外部に設けた層間接続導体を利用して、例えば、素子側面や主面に設けた出力電極と、層間電極１５とを電気的に接続する構造を採用しても良く、この場合、層間電極１５は、発電領域の端面に少なくとも一部が露出した状態となる構造や、当該端面近傍に内包された状態となる構造が想定される。
【００３９】
更に、上述した各実施形態では、駆動側領域が積層構造の場合を例に説明したが、係る構造に限られものではなく、所謂単板タイプを採用しても良い。
【００４０】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、駆動時の発熱量を増大することなく、良好な昇圧比と効率とを両立することが可能な圧電トランス素子の提供が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における積層構造の圧電トランス素子の外形形状を例示する斜視図である。
【図２】図１に例示する圧電トランス素子の上面図（図２（ａ））と、そのＡ−Ａ断面図（図２（ｂ））を示す図である。
【図３】第２の実施形態における積層構造の圧電トランス素子の上面図（図３（ａ））と、そのＢ−Ｂ断面図（図３（ｂ））を示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ：圧電トランス素子，
２，３：入力電極，
４：出力電極，
１１，１２：駆動領域側層間電極，
１５，１６：発電領域側層間電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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