(57)【要約】【課題】交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子の提供。【解決手段】外形形状が直方体の、１次側領域と２次側領域とが長さ方向に隣接配置された圧電トランス素子１であって、その１次側及び２次側領域は、主面（外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面）に平行に形成された層間電極（１１−１２，３１−３２）と圧電体層とが、前記主面と垂直方向に交互に複数積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該層間電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、輪郭広がり振動モードで駆動する。【選択図】  図１
2004259947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外形形状が直方体である圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子は、
前記外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面と垂直な面により、少なくとも１組以上の隣接配置された１次側領域と２次側領域とに区画された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記主面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記主面と垂直方向に交互に複数積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、輪郭広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする圧電トランス素子。
【請求項２】
外形形状が直方体である圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子は、
前記外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面の中心を通り、該主面と垂直な２つ以上の面により区画されてなる複数の領域内に複数の１次側領域と複数の２次側領域を有すると共に、それら１次側領域及び２次側領域は、前記主面の中心を対称として、対向する２つの領域が同一種の領域となるように隣接配置された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記主面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記主面と垂直方向に交互に複数積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、輪郭広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする圧電トランス素子。
【請求項３】
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記主面の長さ方向と幅方向のうち、該長さ方向に１組隣接配置された構造を有しており、前記主面の長さと幅との比率が、０．５０乃至０．８０の範囲または１．３０乃至１．７５の範囲である
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】
外形形状が略円柱形状の圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子は、
略円柱形状の前記外形形状の底面と垂直な面により、少なくとも１組以上の隣接配置された１次側領域と２次側領域とに区画された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されされると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする圧電トランス素子。
【請求項５】
外形形状が略円柱形状の圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子は、
略円柱形状の前記外形形状の底面の中心を通り、該底面と垂直な２つ以上の面により区画されてなる複数の領域内に複数の１次側領域と複数の２次側領域を有すると共に、それら１次側領域及び２次側領域は、前記底面の中心を対称として、対向する２つの領域が同一種の領域になるように隣接配置された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
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、ＡＣ／ＤＣコンバータの降圧トランス（ダウントランス）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、様々な構造の圧電トランス素子が変圧手段として提案されており、例えば、圧電体層と内部電極とが複数積層された駆動領域（１次側領域）と発電領域（２次側領域）とを有し、その駆動領域と発電領域とが当該圧電体層及び内部電極の積層方向（素子の厚さ方向）に積層された構造の圧電トランス素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、圧電体層と内部電極とが複数積層された駆動領域（１次側領域）と発電領域（２次側領域）とを有し、その駆動領域と発電領域とが素子長手方向に隣接配置された構造の圧電トランス素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２１５０１１号公報（第３図−第４図）
【特許文献２】
特開平１１−４０２６号公報（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例において、特許文献１に係る圧電トランス素子では、１次側領域と２次側領域との境界にも圧電体が使用されている。このため、直流的な絶縁は十分に得られるが、１次側領域と２次側領域とが圧電体層及び内部電極の積層方向に積層された構造であり、その１次側及び２次側領域内の内部電極面が対向することに起因して、当該１次側領域−２次側領域間の静電容量が大きく、インピーダンスが小さくなる。このため、交流的な絶縁を得ることが容易ではない。
【０００６】
また、特許文献２に係る圧電トランス素子では、素子の長さ方向で共振する振動モードであるため、電気結合係数が小さく、変換効率が低い。
【０００７】
そこで本発明は、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子の提供を目的とする。
【０００８】
【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素子は、以下の構成を特徴とする。
【０００９】
即ち、外形形状が直方体である圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子（１〜４，８）は、
前記外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面と垂直な面により、少なくとも１組以上の隣接配置された１次側領域と２次側領域とに区画された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記主面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記主面と垂直方向に交互に複数積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、輪郭広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする。この圧電トランス素子は、後述する実施形態において例示される図１、図２、図７、図８、図１６に相当する。
また、上記の同目的を達成する他の構成の圧電トランス素子は、外形形状が直方体である圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子（３，４，８）は、
前記外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面の中心を通り、該主面と垂直な２つ以上の面により区画されてなる複数の領域内に複数の１次側領域と複数の２次側領域を有すると共に、それら１次側領域及び２次側領域は、前記主面の中心を対称として、対向する２つの領域が同一種の領域となるように隣接配置された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記主面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記主面と垂直方向に交互に複数積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、輪郭広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする。この圧電トランス素子は、後述する実施形態において例示される図７、図８、図１６に相当する。
また、上記の同目的を達成する他の構成の圧電トランス素子は、外形形状が略円柱形状の圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子（５〜７）は、
略円柱形状の前記外形形状の底面と垂直な面により、少なくとも１組以上の隣接配置された１次側領域と２次側領域とに区画された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されされると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする。この圧電トランス素子は、後述する実施形態において例示される図１１、図１２、図１５に相当する。
そして、上記の同目的を達成する他の構成の圧電トランス素子は、外形形状が略円柱形状の圧電トランス素子であって、
前記圧電トランス素子（６）は、
略円柱形状の前記外形形状の底面の中心を通り、該底面と垂直な２つ以上の面により区画されてなる複数の領域内に複数の１次側領域と複数の２次側領域を有すると共に、それら１次側領域及び２次側領域は、前記底面の中心を対称として、対向する２つの領域が同一種の領域になるように隣接配置された構造を有し、
前記１次側領域及び２次側領域は、
前記底面に平行に形成された電極と圧電体層とが、前記底面と垂直方向に交互に積層されると共に、それら複数の圧電体層のうち、該電極を介して接する圧電体層は互いに逆方向に分極された構造を有しており、径方向広がり振動モードで駆動する
ことを特徴とする。この圧電トランス素子は、後述する実施形態において例示される図１２に相当する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電トランス素子を、１次側領域（駆動領域）に印加された入力電圧を２次側領域（発電領域）から出力電圧として取り出すに際して降圧する所謂ダウントランス（降圧トランス）に適用した実施形態として、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る圧電トランス素子１の構造（Ｌ１９．８ｗ１４の場合）を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子１の正面図、同図（ｂ）は当該素子１のＡ−Ａ’断面図である。
【００１２】
はじめに、以下の説明において、「主面」とは、直方体（即ち、平行六面体、長方体）形状の圧電トランス素子１を構成する６つの外形面のうち、最も面積の大きい外形面、即ち、図１（ａ）に示す外形面またはその外形面に対向する外形面を表わし、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ’断面図では、上側及び下側の対向する２辺に相当する外形面である。
【００１３】
また、「端面」とは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す圧電トランス素子１の左側及び右側の対向する２辺に相当する外形面である。
【００１４】
また、「側面」とは、図１（ａ）に示す圧電トランス素子１の主面において、同図上側及び下側の対向する２辺に相当する外形面である。
【００１５】
また、「長さ方向」とは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す全長Ｌの圧電トランス素子１において、同図左右方向を表わす。
【００１６】
また、「幅方向」とは、図１（ａ）に示す全幅Ｗの圧電トランス素子１において、同図上下方向を表わす。
【００１７】
そして、「厚さ方向（高さ方向）」とは、図１（ｂ）に示す厚さ（高さ）Ｈの圧電トランス素子１において、同図上下方向を表わす。
【００１８】
本実施形態において、圧電トランス素子１の主面は、全長Ｌが１９．８  ｍｍ、全幅Ｗが１４  ｍｍなる寸法であり、この場合の寸法を、Ｌ１９．８ｗ１４にて表現する（以下の説明においても同様に表現する）。
【００１９】
圧電トランス素子１は、入力電圧を印加する入力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第１層間電極として層間電極１１，１２が形成された１次側領域と、出力電圧を取り出す出力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第２層間電極として層間電極３１，３２が形成された２次側領域とを有する。
【００２０】
即ち、１次側領域及び２次側領域においては、図１（ｂ）に示すように、外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面と垂直な面により、隣接配置された１組の当該１次側領域と２次側領域とに区画された構造を有し、当該主面に平行に形成された層間電極（１１−１２または３１−３２）と圧電体層とが、当該主面と垂直方向（厚さ方向）に交互に複数積層された構造を有する。
【００２１】
本実施形態では、ダウントランス（降圧トランス）を例に説明しているため、１次側領域内の層間電極１１，１２の積層数は、２次側領域内の層間電極３１，３２の積層数より少ない。換言すれば、１次側領域内の層間電極（１１−１２）の電極間距離は、２次側領域内の層間電極（３１−３２）の電極間距離より大きい。
【００２２】
また、図１（ｂ）において、矢印は分極方向を表わしており（以下、構造を表わす各図において同様である）、１次側の層間電極１１−１２の層間に位置する圧電体、並びに２次側の層間電極３１−３２の層間に位置する圧電体は、それぞれ厚み方向に分極されており、それら複数の圧電体層のうち、ある１つの層間電極を介して接する圧電体層は、互いに逆方向に分極されている。
【００２３】
圧電トランス素子１の１次側及び２次側領域において、圧電体及び層間電極には、一般的な素材を採用することができ、例えば、圧電体には、チタン酸ジルコン酸鉛等の鉛系ペロブスカイト圧電材料を採用することができ、層間電極には、ＡｇやＡｇ／Ｐｄ合金等を採用することができる。
【００２４】
尚、本実施形態に係る圧電トランス素子に採用可能な、層間電極の積層構造及び層間接続構造、並びに入力電極及び出力電極の構造のバリエーションについては、本実施形態の最後に説明する。
【００２５】
また、図２は、第１の実施形態に係る圧電トランス素子２の構造（Ｌ９．８ｗ１４の場合）を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子２の正面図、同図（ｂ）は当該素子１のＢ−Ｂ’断面図であり、上述した圧電トランス素子１とは長さＬと幅Ｗの比が異なるだけであり、素子の構造は同様である。
【００２６】
ここで、図１及び図２に示す圧電トランス素子１，２は、形状寸法がＬ１９．８ｗ１４の場合、並びにＬ９．８ｗ１４の場合を表わしており、本願出願人の実験の結果得られた最適な長さＬと幅Ｗを有するものであるが、係る長さＬと幅Ｗの比に至る前に、説明の都合上から、ここでは、まず、主面が正方形（即ち、長さＬと幅Ｗとが等しい）の場合を想定して説明すると共に、係る主面が正方形の圧電トランス素子において生じる課題の説明、並びにその課題を解決するための手段として、素子の長さと幅の比を適当な値（範囲）の決定に至るまでについて順に説明する。
【００２７】
はじめに、本願出願人は、目的とする交流的な絶縁性及び変換効率の両立可能な圧電トランス素子を実現するための当初の研究及び実験において、主面が正方形である上記構造を有する圧電トランス素子１，２を、電気機械結合係数（ｋ）が大きい輪郭広がり振動モード（好ましくは輪郭広がり振動モードの基本モード）で駆動することを試みたが、主面の形状が正方形の場合には、副共振（スプリアス共振）が起きる場合が生じた。
【００２８】
そこで、本願出願人は、上記構造を有する圧電トランス素子１（Ｌ≧Ｗ），圧電トランス素子２（Ｌ≦Ｗ）において、係る輪郭広がり振動モードによる駆動に際しての副共振の発生を未然に防止すべく、素子の長さと幅の比を適当な値にすることを試みた。
【００２９】
次に、上記試みのための実験結果を参照して、素子の長さと幅の比を適当な値（範囲）の決定に至るまでについて説明する。
【００３０】
図３は、第１の実施形態に係る圧電トランス素子１において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比（変圧比：Ｓｔｅｐ−ｕｐ  Ｒａｔｉｏ）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子１では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は１以下である。
【００３１】
また、図４は、第１の実施形態に係る圧電トランス素子１において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率（％）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示す。
【００３２】
そして、図３及び図４において、特性曲線Ｉ  乃至特性曲線ＶＩと素子の寸法との対応関係は、
・特性曲線Ｉ  ：Ｌ２４．５ｗ１４の場合、
・特性曲線ＩＩ  ：Ｌ２３．８ｗ１４の場合、
・特性曲線ＩＩＩ：Ｌ２２．４ｗ１４の場合、
・特性曲線ＩＶ  ：Ｌ２１ｗ１４の場合、
・特性曲線Ｖ  ：Ｌ１９．８ｗ１４の場合、
・特性曲線ＶＩ  ：Ｌ１８．２ｗ１４の場合、
である。
【００３３】
圧電トランス素子をＡＣ／ＤＣコンバータの変圧手段として採用する場合には、駆動に際しての当該圧電トランス素子の昇圧比を、所定の周波数範囲において制御するのが一般的である。より具体的には、最大昇圧比を示す周波数ｆｍを山形のピークとして含む当該圧電トランス素子の周波数特性曲線において、係る周波数範囲は、最大昇圧比を示す周波数ｆｍと、その最大昇圧比の値が同特性曲線上において略１／３となる高周波側の周波数ｆｈとの間の周波数範囲で駆動するに際して、効率低下の基となるスプリアス振動の発生が抑制されることが必要である。
【００３４】
そこで、この見地を、圧電トランス素子１に関する図３及び図４に示す実験結果に適用して考えると、図３及び図４に示す周波数特性曲線（Ｉ〜ＶＩ）において、周波数特性曲線ＶＩ（Ｌ１８．２ｗ１４（１．３：１）の場合）では、最大昇圧比を示す周波数付近で変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動の発生が確認されており、また、周波数特性曲線Ｉ（Ｌ２４．５ｗ１４（１．７５：１）の場合）では、最大昇圧比の略１／３となる高周波側の周波数付近においてやはり変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動の発生が確認されていることが判る。これに対して、周波数特性曲線Ｖ（Ｌ１９．８ｗ１４（１．４：１）の場合）では、スプリアス振動が発生していないことが判る。
【００３５】
従って、以上の観点より、圧電トランス素子１の長さと幅の比率は、１．３乃至１．７５の範囲とすることで、例えばＡＣ／ＤＣコンバータに好適な圧電トランス素子を実現することができる。
【００３６】
一方、図５は、第１の実施形態に係る圧電トランス素子２において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比（変圧比：Ｓｔｅｐ−ｕｐ  Ｒａｔｉｏ）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子１では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は１以下である。
【００３７】
また、図６は、第１の実施形態に係る圧電トランス素子２において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率（％）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示す。
【００３８】
そして、図５及び図６において、特性曲線Ｉ  乃至特性曲線ＶＩＩＩと素子の寸法との対応関係は、
・特性曲線Ｉ  ：Ｌ１２．２ｗ１４の場合、
・特性曲線ＩＩ  ：Ｌ１１．２ｗ１４の場合、
・特性曲線ＩＩＩ  ：Ｌ１０．５ｗ１４の場合、
・特性曲線ＩＶ  ：Ｌ９．８ｗ１４の場合、
・特性曲線Ｖ  ：Ｌ９．１ｗ１４の場合、
・特性曲線ＶＩ  ：Ｌ８．４ｗ１４の場合、
・特性曲線ＶＩＩ  ：Ｌ７．７ｗ１４の場合、
・特性曲線ＶＩＩＩ：Ｌ７．０ｗ１４の場合、
である。
【００３９】
そして、上記見地を、圧電トランス素子２に関する図５及び図６に示す実験結果に適用して考えると、図５及び図６に示す周波数特性曲線（Ｉ〜ＶＩＩＩ）において、周波数特性曲線ＩＩ（Ｌ１１．２ｗ１４（０．８０：１）の場合）では、最大昇圧比を示す周波数付近で変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動が確認されており、また、周波数特性曲線ＶＩＩＩ（Ｌ７．０ｗ１４（０．５０：１）の場合）では、最大昇圧比の高周波側近傍においてやはり変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動の発生しており、全体的に変換効率が低くなっている。これに対して、周波数特性曲線ＩＶ（Ｌ９．８ｗ１４（０．７：１）の場合）では、スプリアス振動が発生していないことが判る。
【００４０】
従って、以上の観点より、圧電トランス素子２の長さと幅の比率は、０．５０乃至０．８０の範囲とすることで、例えばＡＣ／ＤＣコンバータに好適な圧電トランス素子を実現することができる。
【００４１】
＜層間電極の積層構造及び層間接続構造＞
本実施形態において、圧電トランス素子１，２の１次側及び２次側領域の層間電極１１−１２，３１−３２は、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示す如く厚み方向に積層された積層構造であり、当該１次側領域または２次側領域の内部または外部に形成された層間接続用の導体（不図示）によって、一層おきに接続された層間接続構造を有する。
【００４２】
即ち、圧電トランス素子１，２の２次側領域において、層間電極３１，３２は、当該２次側領域の内部または外部に形成された少なくとも１組の層間接続用の導体（不図示）によって一層おきに接続されることにより、複数の層間電極３１が一方の層間接続用の導体に接続され、複数の層間電極３２が他方の層間接続用の導体に接続された構造を有する。
【００４３】
また、圧電トランス素子１，２の１次側領域において、層間電極１１，１２は、上記２次側領域側の層間電極３１，３２と同様に、少なくとも１組の層間接続用の導体（不図示）によって一層おきに接続された層間接続構造が採用されるが、図１及び図２に示す圧電トランス素子１，２の１次側領域においては、一例として、２つの層間電極１１と、１つの層間電極１２とが形成されている場合を示しており、この場合、２つの層間電極１１が一方の層間接続用の導体に接続され、１つの層間電極１２が他方の層間接続用の導体に接続された構造となる。
【００４４】
＜入力電極及び出力電極の構造＞
本実施形態において、上述した層間接続用の導体が圧電トランス素子１，２の内部に形成された場合には、入力電圧を印加するための入力電極、並びに出力電圧を取り出すための出力電極の少なくとも何れか一方が、係る層間接続用の導体と電気的に接続された状態で当該素子外部に形成される。
【００４５】
また、上記層間接続用の導体が圧電トランス素子１，２の１次側及び２次側領域の少なくとも何れかにおいて素子外部に形成された場合には、その層間接続用の導体自体を、入力電圧を印加するための入力電極、或いは出力電圧を取り出すための出力電極として利用しても良い。
【００４６】
＜層間電極、層間接続用の導体、及び入出力用の外部電極の構造＞
ここで、上述した本実施形態では、素子全体形状の小型化及び変圧効率の向上を図るべく、圧電トランス素子１，２の１次側領域にて複数枚積層された層間電極１１及び２次側領域にて複数枚積層された層間電極３１において、最上位及び最下位のものがそれぞれ上下２つの主面に露出する構造を例に説明したが、本発明に係る圧電トランス素子は係る構造に限られるものではなく、１次側及び２次側領域において、係る最上位及び最下位の層間電極のうち少なくとも何れか１つの層間電極が素子内部に埋設され、主面上には露出しない構造を採用することもできる。
【００４７】
また、上述した本実施形態において、各層の層間電極１１−１２，３１−３２は、圧電トランス素子１，２の端面及び側面から素子内側方向にオフセットした構造を例に説明したが、本発明に係る圧電トランス素子は係る構造に限られるものではなく、１次側領域の層間電極１１−１２と、２次側領域の層間電極３１−３２とが必要とされる交流的な絶縁状態を満足するギャップ長をもって物理的に離間した構造であれば、１次側及び２次側領域の端面及び側面の少なくとも何れか一方に露出した構造を採用することもできる。
【００４８】
以上説明した本実施形態によれば、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子が実現する。
【００４９】
即ち、本実施形態に係る圧電トランス素子１，２では、１次側領域と２次側領域とが素子の長さ方向に隣接する構造なので、１次側領域の層間電極１１，１２と、２次側領域の層間電極３１，３２とが面として対向することは無いので、その１次側領域−２次側領域間の静電容量が小さく（容量結合の状態を小さくすることができ）、インピーダンスが大きくなるので、交流的な絶縁を得ることができ、輪郭広がり振動モードによる駆動により、優れた変換効率を発揮する。
【００５０】
また、圧電トランス素子が変圧手段として採用される各種電子機器（例えば、携帯電話や情報処理装置の表示デバイス駆動用のインバータ回路やＡＣ／ＤＣコンバータ等）において、係る電子機器内部における圧電トランス素子の外形寸法への要求は、一般に、素子の長手方向への長さと比較して、厚さ（即ち、対向する２つの主面の距離）が制約される場合が多い。このような制約に対して、本実施形態に係る圧電トランス素子１，２では、１次側領域の層間電極１１，１２と、２次側領域の層間電極３１，３２とが、上記特許文献１の如く素子の厚さ方向に対向する構造とは異なり、素子長さ（Ｌ）方向において隣接する構造であるため、外形寸法の要求仕様から許容される範囲において、当該両内部電極間の離間距離（ギャップ長）を設計に際して適宜決定する（即ち、要求仕様の範囲で最大限の離間距離を確保する）ことにより、上述した交流的な絶縁特性を、更に確実なものにすることも容易である。
【００５１】
［第２の実施形態］
次に、本発明に係る第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。
【００５２】
本実施形態では、素子の主面形状を正方形としたままで、上記副共振（スプリアス共振）の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することが可能な圧電トランス素子の構造について説明する。
【００５３】
図７は、第２の実施形態に係る圧電トランス素子３の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子３の正面図、同図（ｂ）は当該素子３のＣ−Ｃ’断面図、同図（ｃ）は当該素子３のＤ−Ｄ’断面図である。
【００５４】
同図に示すように、圧電トランス素子３は、外形形状をなす複数の外面のうち、最も面積の大きい外面を主面として、その主面の中心を通り、該主面と垂直な２つ以上の偶数個の面（ここで、「偶数個の面」とは、説明の便宜からのものであり、当該素子内部に実際に存在する訳ではない）により区画されてなる複数の領域内に、複数の１次側領域と複数の２次側領域を有すると共に、それら１次側領域及び２次側領域は、当該主面の中心を対称として、対向する２つの領域が同一種の領域となるように隣接配置された構造を有する。
【００５５】
また、圧電トランス素子３において、個々の１次側領域には、入力電圧を印加する入力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第１層間電極として層間電極１３，１４が形成されており、個々の２次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第２層間電極として層間電極３３，３４が形成されている。
【００５６】
ここで、圧電トランス素子３の層間電極の積層構造及び層間接続構造、並びに入力電極及び出力電極の構造自体は、第１の実施形態と同様な構造を採用することができる。
【００５７】
また、上記構造を有する圧電トランス素子３を、本実施形態においても、輪郭広がり振動モード（好ましくは輪郭広がり振動モードの基本モード）で駆動する。この場合の周波数特性についての実験結果を説明する。
【００５８】
図９は、第２の実施形態に係る圧電トランス素子３における昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比（変圧比：Ｓｔｅｐ−ｕｐ  Ｒａｔｉｏ）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子３では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は１以下である。
【００５９】
また、図１０は、第２の実施形態に係る圧電トランス素子３における変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率（％）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示す。
【００６０】
図９及び図１０に示された周波数特性曲線Ｉから判るように、本実施形態に係る圧電トランス素子３では、主面が正方形であり、１次領域と２次領域を主面方向に点対称に配置したことにより、最大昇圧比を示す周波数から高周波側の広い範囲において、スプリアス振動の発生が抑制されていることが判る。
【００６１】
従って、本実施形態によっても、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子が実現する。
【００６２】
即ち、本実施形態に係る圧電トランス素子３では、個々の１次側領域と２次側領域とが素子の長さ方向及び幅方向に隣接する構造なので、１次側領域の層間電極１３，１４と、２次側領域の層間電極３３，３４とが面として対向することは無いので、その１次側領域−２次側領域間の静電容量が小さく（容量結合の状態を小さくすることができ）、インピーダンスが大きくなるので、交流的な絶縁を得ることができ、輪郭広がり振動モードによる駆動により、優れた変換効率を発揮する。
【００６３】
尚、圧電トランス素子３（図７）では、直方体形状の外形形状において主面の２方向（当該直方体形状における長さ方向及び幅方向）に１次側領域と２次側領域とが１組（２×２）隣接配置された構造を説明した。しかしながら、本発明はこの構造に限られるものではなく、当該２方向のうち少なくとも何れかの方向に、上記１次側領域と２次側領域とが１組以上（例えば４×２）隣接配置された構造において、輪郭広がり振動モードで駆動することによっても実現される。
【００６４】
＜第２の実施形態の変形例＞
次に、上記第２の実施形態の変形例を説明する。
【００６５】
図８は、第２の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子４の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子４の正面図、同図（ｂ）は当該素子４のＥ−Ｅ’断面図、同図（ｃ）は当該素子４のＦ−Ｆ’断面図である。
【００６６】
本変形例においても素子の主面形状は正方形であるが、圧電トランス素子４は、主面上の２つの対角線によって区画された４つの領域において、当該主面から眺めた場合に三角形をなす１次側領域と２次側領域とが、該２つの対角線の交点を対称として、対向する２つの領域が同一種の領域となるように隣接配置された構造を有する。
【００６７】
また、圧電トランス素子４において、個々の１次側領域には、入力電圧を印加する入力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第１層間電極として層間電極（１５−１６または１７−１８）が形成されており、個々の２次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第２層間電極として層間電極（３５−３６または３７−３８）が形成されており、本変形例においても、輪郭広がり振動モードで駆動する。
【００６８】
このような本変形例によっても、素子の主面形状を正方形としたままで、上記副共振（スプリアス共振）の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することができる。
【００６９】
［第３の実施形態］
次に、本発明に係る第３の実施形態を説明する。
【００７０】
図１１は、第３の実施形態に係る圧電トランス素子５の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子５の正面図、同図（ｂ）は当該素子５のＧ−Ｇ’断面図である。
【００７１】
はじめに、以下の説明において、「底面」とは、円柱形状（略円柱形状）の圧電トランス素子５を構成する外形面のうち、図１１（ａ）に示す外形面またはその外形面に対向する外形面を表わし、図１１（ｂ）に示すＧ−Ｇ’断面図では、上側及び下側の対向する２辺に相当する外形面であり、半径Ｒの略真円の場合と楕円の場合を含む。
【００７２】
そして、「厚さ方向（高さ方向）」とは、図１１（ｂ）に示す厚さ（高さ）Ｈの圧電トランス素子５において、同図上下方向を表わす。
【００７３】
圧電トランス素子５は、入力電圧を印加する入力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第１層間電極として層間電極１９，２０が形成された１次側領域と、出力電圧を取り出す出力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第２層間電極として層間電極３９，４０が形成された２次側領域とを有する。
【００７４】
即ち、１次側領域及び２次側領域においては、図１１（ｂ）に示すように、略円柱形状の外形形状の底面と垂直な面により、隣接配置された１組の当該１次側領域と２次側領域とに区画された構造を有し、当該底面に平行に形成された層間電極（１９−２０または３９−４０）と圧電体層とが、当該底面と垂直方向に交互に積層された構造を有する。
【００７５】
本実施形態においても、ダウントランス（降圧トランス）を例に説明しているため、１次側領域内の層間電極１９，２０の積層数は、２次側領域内の層間電極３９，４０の積層数より少ない。換言すれば、１次側領域内の層間電極（１９−２０）の電極間距離は、２次側領域内の層間電極（３９−４０）の電極間距離より大きい。
【００７６】
また、図１１（ｂ）において、各層の圧電体の分極方向は、上述した第１の実施形態等の同様であり、且つ圧電トランス素子５の層間電極の積層構造及び層間接続構造、並びに入力電極及び出力電極の構造自体は、第１の実施形態と同様な構造を採用することができる。
【００７７】
そして、本実施形態では、このような構造を有する圧電トランス素子５を、径方向広がり振動モード（好ましくは径方向広がり振動モードの基本モード）で駆動する。但し、底面を２分割した１組の１次側及び２次側領域を有する圧電トランス素子５は、径方向広がり振動モードで駆動すると、副共振（スプリアス共振）が起きる場合が生じたので、４の倍数にて等分割した場合の一例として、２組の１次側及び２次側領域を有する圧電トランス素子６を併せて説明する。
【００７８】
即ち、図１２は、第３の実施形態に係る圧電トランス素子６の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子６の正面図、同図（ｂ）は当該素子６のＨ−Ｈ’断面図、同図（ｃ）は当該素子６のＩ−Ｉ’断面図である。
【００７９】
同図に示す圧電トランス素子６は、略円柱形状の外形形状の底面の中心Ｐを通り、該底面と垂直な２つ以上の偶数個の面（ここで、「偶数個の面」とは、説明の便宜からのものであり、当該素子内部に実際に存在する訳ではない）により区画されてなる複数の領域内に複数の１次側領域と複数の２次側領域（この場合は２つずつ）を有すると共に、それら１次側領域及び２次側領域は、前記底面の中心Ｐを対称として、対向する２つの領域が同一種の領域になるように隣接配置された構造を有する。
【００８０】
また、圧電トランス素子６において、個々の１次側領域には、入力電圧を印加する入力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第１層間電極として層間電極（２１−２２または２３−２４）が形成されており、個々の２次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第２層間電極として層間電極（４１−４２または４３−４４）が形成されており、径方向広がり振動モード（好ましくは径方向広がり振動モードの基本モード）で駆動する。
【００８１】
図１３は、第３の実施形態に係る圧電トランス素子５，６における昇圧比−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は昇圧比（変圧比：Ｓｔｅｐ−ｕｐ  Ｒａｔｉｏ）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示しており、本実施形態に係る圧電トランス素子５，６では、本発明の好適な適用例である降圧トランスについて説明しているので、同図に示す縦軸において、昇圧比の値は１以下である。
【００８２】
また、図１４は、第３の実施形態に係る圧電トランス素子５，６における変換効率−周波数特性を示す図であり、同図において、縦軸は縦軸は効率（％）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示す。
【００８３】
図１３及び図１４に示されたところの、周波数特性曲線Ｉ（図１１に示す圧電トランス素子５の場合）と、周波数特性曲線ＩＩ（図１２に示す圧電トランス素子６の場合）とから判るように、本実施形態に係る圧電トランス素子５，６の特性を比較すると、周波数特性曲線Ｉでは、最大昇圧比を示す周波数付近で変換効率が極端に減少しており、スプリアス振動が発生しているが、周波数特性曲線ＩＩでは、１次領域と２次領域を、底面の中心Ｐを対称として複数組み配置したことにより、スプリアス振動の発生が抑制されていることが判る。
【００８４】
従って、本実施形態によっても、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた圧電トランス素子が実現する。
【００８５】
即ち、本実施形態に係る圧電トランス素子５，６では、個々の１次側領域と２次側領域とが素子の底面に平行な方向に隣接する構造なので、１次側領域の層間電極（２１−２４）と、２次側領域の層間電極（４１−４４）とが面として対向することは無いので、その１次側領域−２次側領域間の静電容量が小さく（容量結合の状態を小さくすることができ）、インピーダンスが大きくなるので、交流的な絶縁を得ることができ、径方向広がり振動モードによる駆動により、優れた変換効率を発揮する。
【００８６】
＜第３の実施形態の変形例＞
第３の実施形態に係る圧電トランス素子は、図１１及び図１２に示したような、少なくとも１組み以上の１次側領域と２次側領域とが対称に隣接配置されている構造に限られるものではなく、本変形例において説明する構造であっても良い。
【００８７】
即ち、図１５は、第３の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子７の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子７の正面図、同図（ｂ）は当該素子７のＪ−Ｊ’断面図である。
【００８８】
本変形例においても素子の底面形状は、半径Ｒの円形をなすが、圧電トランス素子７では、図１５に示すように、底面の中心Ｐを超えて形成された１次側領域と、三日月型の２次側領域とが隣接配置された構造を有する。
【００８９】
また、圧電トランス素子７において、１次側領域には、入力電圧を印加する入力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、圧電体の層間に複数の第１層間電極として層間電極２５，２６が形成されており、２次側領域には、出力電圧を取り出す出力電極（不図示）に電気的に接続されると共に、該圧電体の層間に複数の第２層間電極として層間電極４５，４６が形成されており、本変形例においても、径方向広がり振動モードで駆動する。
【００９０】
このような本変形例によっても、上記副共振（スプリアス共振）の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することができる。
【００９１】
［第４の実施形態］
次に、上述した第１乃至第３の実施形態に共通の変形例としての第４の実施形態を説明する。
【００９２】
上述した第１乃至第３の実施形態及びその変形例では、主面が四角形である場合（第１及び第２の実施形態）に、その主面に平行に形成された１次側及び２次側領域の層間電極も四角形をなし、一方、底面が円形である場合（第３の実施形態）には、その底面に平行に形成された１次側及び２次側領域の層間電極は、半円を含む扇型形状である構造例を説明した。しかしながら、本発明は係る構造例に限られるものではなく、例えば、本実施形態において説明するような構造を採用することもできる。
【００９３】
即ち、図１６は、第４の実施形態に係る圧電トランス素子８の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子８の正面図、同図（ｂ）は当該素子８のＫ−Ｋ’断面図、同図（ｃ）は当該素子８のＬ−Ｌ’断面図である。
【００９４】
同図に示す圧電トランス素子８は、上述した圧電トランス素子４（図８）における２組の１次及び２次領域の層間電極の形状が、区画された形状と同じではなく、上述した圧電トランス素子６（図１２）における扇形をなす１次及び２次領域の層間電極の形状において形成された構造を有する。
【００９５】
このような構造の圧電トランス素子８によっても、上記副共振（スプリアス共振）の発生を抑制すると共に、良好な変換効率を実現することができる。
【００９６】
尚、上述した各実施形態及びその変形例においては、本発明に係る圧電トランス素子をダウントランス（降圧トランス）に適用した実施形態として説明したが、本発明はこれに限られるものではない。
【００９７】
より具体的に、本発明は、１次側領域（駆動領域）に印加された入力電圧を２次側領域（発電領域）から出力電圧として取り出すに際して昇圧する昇圧トランスに適用することもでき、係る昇圧トランスの場合には、１次側領域の各層間電極の電極間距離を、２次側領域の各層間電極の電極間距離と比較して短くした構造とすれば良い。即ち、昇圧トランスの場合には、上述した各実施形態において降圧トランスとして説明した圧電トランス素子１乃至８において、１次側領域を２次側領域として使用する一方で２次側領域を１次側領域として使用する（即ち、入出力状態を反対にして使用する）ことにより、係る圧電トランス素子１乃至８は、昇圧トランスとして機能する。
【００９８】
また、係る降圧トランスまたは昇圧トランスとしての圧電トランス素子の構造において、出力電圧と入力電圧との比率が１程度であることを要求される降圧回路仕様の場合には、１次側領域の層間電極の積層数と、２次側領域の層間電極の積層数とが同一となる場合も本発明の範囲に含まれる。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、交流的な絶縁性及び変換効率に優れた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の実施形態に係る圧電トランス素子１の構造（Ｌ１９．８ｗ１４の場合）を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子１の正面図、同図（ｂ）は当該素子１のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る圧電トランス素子２の構造（Ｌ９．８ｗ１４の場合）を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子２の正面図、同図（ｂ）は当該素子１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る圧電トランス素子１において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る圧電トランス素子１において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る圧電トランス素子２において、長さと幅の比を変えた場合の昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る圧電トランス素子２において、長さと幅の比を変えた場合の変換効率−周波数特性を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る圧電トランス素子３の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子３の正面図、同図（ｂ）は当該素子３のＣ−Ｃ’断面図、同図（ｃ）は当該素子３のＤ−Ｄ’断面図である。
【図８】第２の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子４の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子４の正面図、同図（ｂ）は当該素子４のＥ−Ｅ’断面図、同図（ｃ）は当該素子４のＦ−Ｆ’断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る圧電トランス素子３における昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図１０】第２の実施形態に係る圧電トランス素子３における変換効率−周波数特性を示す図である。
【図１１】第３の実施形態に係る圧電トランス素子５の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子５の正面図、同図（ｂ）は当該素子５のＧ−Ｇ’断面図である。
【図１２】第３の実施形態に係る圧電トランス素子６の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子６の正面図、同図（ｂ）は当該素子６のＨ−Ｈ’断面図、同図（ｃ）は当該素子６のＩ−Ｉ’断面図である。
【図１３】第３の実施形態に係る圧電トランス素子５，６における昇圧比−周波数特性を示す図である。
【図１４】第３の実施形態に係る圧電トランス素子５，６における変換効率−周波数特性を示す図である。
【図１５】第３の実施形態の変形例に係る圧電トランス素子７の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子７の正面図、同図（ｂ）は当該素子７のＪ−Ｊ’断面図である。
【図１６】第４の実施形態に係る圧電トランス素子８の構造を示す図であり、同図（ａ）は圧電トランス素子８の正面図、同図（ｂ）は当該素子８のＫ−Ｋ’断面図、同図（ｃ）は当該素子８のＬ−Ｌ’断面図である。
【符号の説明】
１〜８：圧電トランス素子，
１１−１２，１３−１４，１５−１６，１７−１８，１９−２０，２１−２２，２３−２４，２５−２６：１次側層間電極，
３１−３２，３３−３４，３５−３６，３７−３８，３９−４０，４１−４２，４３−４４，４５−４６：２次側層間電極，
Ｐ：円柱形状の圧電トランス素子５乃至７の主面の中心点，
Ｑ：圧電トランス素子８の主面の中心点
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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