(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形板状の圧電体の長手方向の半分の一方に入力部が形成され、他方に出力部が形成されてなる圧電トランスであって、
前記入力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ１）と、前記入力部に形成された電極を短絡した端子と前記出力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ２）の差（｜ｆ１−ｆ２｜）が、前記共振周波数（ｆ１）または前記共振周波数（ｆ２）のいずれか大きい方の値の２％以下であることを特徴とする圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置のバックライト点灯用高圧電源等に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置のバックライト点灯用電源に用いられるようになってきた圧電トランスは、１９５７年にアメリカ合衆国のＣ．Ｅ．Ｒｏｓｅｎにより発明されたものを基本としており、図１（ａ）に示す圧電トランス３０のような単板型構造のものや、図１（ｂ）に示す圧電トランス４０のような積層型構造のものが知られている。
【０００３】
単板型の圧電トランス３０は、矩形板状の圧電体３１の長手方向半分の一方は、その主面に入力用電極３２ａ・３２ｂが形成された入力部（一次側）３０ａとなっており、長手方向半分の他方は、その端面に出力用電極３２ｃが形成された出力部（二次側）３０ｂとなっている。また、積層型の圧電トランス４０は、厚みの薄い圧電体４１と内部電極４２とが厚み方向に交互に複数段に積層されてなる入力部４０ａと、単一層（バルク）の圧電体４３からなる出力部４０ｂからなる。内部電極４２は一層おきに接続されて一対の入力用電極４４ａ・４４ｂが形成されており、圧電体４３の端面に出力用電極４４ｃが形成されている。
【０００４】
このような圧電トランス３０・４０に用いられる圧電体（圧電材料）としては、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、これに所定の特性を向上させるために、ストロンチウム（Ｓｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）等を、１または複数組み合わせて、一般的に個々の酸化物の形で微量添加した圧電セラミックスが広く用いられている。
【０００５】
ここで、単板型の圧電トランス３０は、圧電体３１に入力用電極３２ａ・３２ｂと出力用電極３２ｃを、銀ペースト等を焼き付けて形成し、最初に入力用電極３２ａ・３２ｂと出力用電極３２ｃとの間で出力部３０ｂの分極を行い、次に、入力用電極３２ａ・３２ｂ間で入力部３０ａの分極処理を行って作製される。
【０００６】
また、積層型の圧電トランス４０は、一般的に、圧電セラミックス粉末をドクターブレード法等のシート成形技術を用いてシート状に成形した後に所定の形状に打ち抜き加工等し、次いで得られたグリーンシートの所定位置に内部電極ペーストをスクリーン印刷等して積層し、こうして得た積層体を圧着して一体化した後に焼成して、次に得られた焼結体を加工した後に形成された内部電極４２を一層おきに接続して入力用電極４４ａ・４４ｂを形成し、また、出力用電極４４ｃを形成して、この入力用電極４４ａ・４４ｂと出力用電極４４ｃとの間で出力部４０ｂの分極を行い、次に、入力用電極４４ａ・４４ｂ間で入力部４０ａの分極処理を行うことで作製される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一定の条件下において上記方法等によって作製された圧電トランス３０・４０であっても、圧電トランスの重要な特性である昇圧比や変換効率等が素子ごとにばらつくことが多かった。この場合には、圧電トランスを搭載した機器の品質にばらつきが生ずるおそれがある。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、素子特性のばらつきを抑えた高性能の圧電トランスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明によれば、矩形板状の圧電体の長手方向の半分の一方に入力部が形成され、他方に出力部が形成されてなる圧電トランスであって、
前記入力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ１）と、前記入力部に形成された電極を短絡した端子と前記出力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ２）の差（｜ｆ１−ｆ２｜）が、前記共振周波数（ｆ１）または前記共振周波数（ｆ２）のいずれか大きい方の値の２％以下であることを特徴とする圧電トランス、が提供される。
【００１０】
このように、入力部の２カ所の電極に信号を入力して測定した長手方向の共振周波数と、一次側の２カ所の電極を短絡した端子と出力部の電極に信号を入力して測定した長手方向の共振周波数との差が小さい場合には、昇圧比や変換効率等の特性の素子ごとのばらつきが小さくなる。そして、このような圧電トランスを搭載した機器は、品質のばらつきが小さくなる。なお、共振周波数の測定には、例えば、インピーダンスゲインフェーズアナライザ等を用いることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電トランスの実施の形態について、先に図１（ｂ）に示した積層型の圧電トランス４０を例として説明する。圧電トランス４０は、短冊状の板状体の長手方向の半分の一方に形成された入力部４０ａと、残る他方に形成された出力部４０ｂからなり、入力部４０ａは厚みの薄い複数の圧電体４１と内部電極４２とが厚み方向に交互に積層された積層構造を有し、内部電極４２は一層おきに接続されて入力用電極４４ａ・４４ｂが形成されている。また、出力部４０ｂは単一層（バルク）の圧電体４３からなる構造を有しており、その端面に出力用電極４４ｃが形成されている。ここで、入力用電極４４ａ・４４ｂの一方は、出力用電極としても用いられる共通電極である。
【００１２】
本発明において、このような構造を有する圧電トランス４０は、図２（ｂ）に示すように、インピーダンスゲインフェーズアナライザ２０を用いて、入力部４０ａに形成された入力用電極４４ａ・４４ｂから所定の信号を入力して測定した圧電トランス４０の長手方向の共振周波数（以下「共振周波数ｆ１」という）と、図２（ａ）に示すように、入力部４０ａに形成された入力用電極４４ａ・４４ｂを短絡した端子と出力部４０ｂに形成された出力用電極４４ｃから所定の信号を入力して測定した圧電トランス４０の長手方向の共振周波数（以下「共振周波数ｆ２」という）の差（以下、「周波数差｜ｆ１−ｆ２｜」という）が、共振周波数ｆ１または共振周波数ｆ２のいずれか大きい方の値の２％以下という特性を有する。なお、周波数差｜ｆ１−ｆ２｜は絶対値で表すものとする。
【００１３】
このような特性を有する圧電トランス４０を製造する方法の一実施形態について以下に説明する。最初に、所定の組成を有する圧電セラミックス粉末、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス粉末を用いてセラミックスグリーンシート（以下「グリーンシート」という）を作製する。このグリーンシートの作製は、公知の方法、例えば、ドクターブレード法や押出成形法、カレンダロール法等を用いることができる。成形するグリーンシートの厚みは、例えば、焼成後に５０μｍ〜２００μｍとなるように調整するが、本実施の形態においては、焼成後に約６０μｍとなるように作製した。
【００１４】
こうして作製したグリーンシートを焼成収縮や加工しろを考慮して打ち抜き加工または切り取り加工等し、作製する圧電トランスの短冊状の形状に適合した所定の形状のシート（以下「印刷用シート」という）を得る。ここで、作製する圧電トランスの表裏主面の面積が小さい場合には、その中に複数個の圧電トランスが含まれるように印刷用シートの大きさを調節することも好ましい。
【００１５】
印刷用シートにおける長手方向半分の領域に、内部電極４２を形成するためのペースト（以下「内部電極ペースト」という）をスクリーン印刷法等を用いて印刷する。ここで、内部電極ペーストの印刷にあたっては、例えば、焼成後に２〜５μｍ程度となるように印刷厚みを調節する。また、形成される内部電極をその後に一層おきに接続することが容易となるように、内部電極ペーストを印刷するパターンを定めることが望ましい。本実施の形態では、内部電極ペーストとして、銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）（質量比：７０／３０）ペーストを用いた。
【００１６】
印刷用シートにおいて内部電極ペーストが印刷されていない他方の半分には、所定の添加元素が微量に含まれたペースト（以下「微量元素ペースト」という）を所定厚みにて印刷する。この添加元素としては、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）が挙げられる。本実施の形態においては、グリーンシートの作製に使用した圧電セラミックス粉末にこれらの添加元素の酸化物が一種類のみ含まれる３種類の微量元素ペーストであって、かつ、各種について微量元素の添加量の異なるものを準備して印刷に供した。なお、このような微量元素ペーストとしては、所定の粘性を有する樹脂にこれらの酸化物を所定量添加して作製された樹脂ペーストを用いることもできる。
【００１７】
内部電極ペーストおよび微量元素ペーストが印刷された印刷用シートを位置合わせして所定枚数、例えば、２１枚積層し、こうして積層された印刷用シートどうしを熱プレス等を用いて熱圧着し、一体化する。ここで、印刷した微量元素ペーストの種類が異なる印刷用シートどうしを積層することは行っていない。次に、こうして得られたプレス体を所定の条件にて焼成し、得られた焼成体の側面や表面に必要に応じて、研削加工や研磨加工を施して形状を整える。
【００１８】
続いて、銀ペースト等を用いて、入力部４０ａの内部電極４２を一層おきに接続して入力用電極４４ａ・４４ｂを形成し、また、出力部４０ｂの端面に出力用電極４４ｃを形成した後、所定の温度で処理して銀ペースト等を焼き付ける。通常、この銀ペースト等の焼き付け処理は焼成温度よりも低い温度で行う。そして、必要に応じて形成された銀電極にリード線を取り付ける。
【００１９】
入力部４０ａに設けられた入力用電極４４ａ・４４ｂと、出力部４０ｂの端面に設けられた出力用電極４４ｃとの間に所定の電圧を印加して出力部４０ｂの分極処理を行い、その後に入力部４０ａの入力用電極４４ａ・４４ｂ間に所定の電圧を印加して入力部４０ａの分極処理を行うことで圧電トランス４０が作製される。なお、分極処理は圧電セラミックスのキュリー点より低い所定の温度において、所定時間行われる。
【００２０】
上述した圧電トランス４０の製造方法に従って作製した試料１〜１１について、共振周波数ｆ１および共振周波数ｆ２を、先に図２に示したように、インピーダンスゲインフェーズアナライザ２０を用いて測定した結果を、表１に示す。ここで、表１に示される添加物濃度は、微量元素ペーストを作製する際の圧電セラミックス粉末に対する添加元素の酸化物の質量％であり、比較のために微量元素ペーストを印刷していない試料（試料１１）を作製して、評価に供している。また、インピーダンスゲインフェーズアナライザ２０による共振周波数ｆ１・ｆ２は、電圧を１Ｖとして周波数を走査することで共振点を探して決定した。
【００２１】
【表１】
0004794742.tif 000002
【００２２】
表１に示した偏差比率は、共振周波数ｆ１・ｆ２の差の絶対値を値の大きい方の共振周波数の値で除した値をパーセンテージで示したものであり、表１に示すように、微量元素ペーストを印刷していない試料１１においては、共振周波数ｆ１に対して共振周波数ｆ２の値が小さく、その偏差比率は４．４６％と大きくなっている。この原因としては、試料１１においては、積層体の焼結時に、内部電極ペーストとして用いた銀／パラジウムペーストから銀が圧電体へ拡散して、入力部４０ａの圧電体４１に銀が含まれることによって圧電体４１の特性が変化したことが考えられる。
【００２３】
試料１〜１０のように、出力部４０ｂに所定の微量元素を添加することによって偏差比率の値は小さくなっており、これは、添加した微量元素によって出力部４０ｂの圧電体４３の特性が変化していることに大きく起因しているものと考えられる。試料１〜１０において効率が９５％以上となっているのは、試料２・３・６・７・１０であり、添加した微量元素の種類によってその添加量は異なっている。このように、共振周波数ｆ１・ｆ２の差を小さくすることによって、効率が９５％以上の圧電トランスを得ることが可能となり、また、素子ごとのばらつきの範囲も狭くなる。さらに、効率が９５％以上の範囲で特性がばらついても、このような圧電トランスを搭載した機器については、良好な品質を得ることが可能となる。
【００２４】
さて、上述した微量元素ペーストを用いて圧電トランス４０を作製する方法は、共振周波数ｆ１・ｆ２を近接させる一つの方法にしか過ぎない。例えば、表１に示した各試料の作製にあたっては、一素子について一種類の添加元素が含まれた微量元素ペーストを使用して作製したが、複数種の添加元素を含んだ微量元素ペーストであっても、その含有量と組成を調整することで、効率９５％以上の圧電トランスを得ることが可能である。また、一種類の添加元素が含まれた微量元素ペーストを印刷した印刷用シートであって、それぞれ異なる添加元素が含まれている印刷シートどうしを積層することも可能である。さらに、添加元素も、表１に示した元素に限定されるものではなく、基本組成に対して圧電特性を変える元素、例えば、圧電セラミックスがチタン酸ジルコン酸鉛系材料であるなら、ストロンチウム（Ｓｒ）、銀（Ａｇ）等を用いることもでき、鉛（Ｐｂ）の量を変化させることによっても、圧電セラミックスの特性を変化させて、共振周波数ｆ１・ｆ２の整合を図ることも可能である。
【００２５】
その他の共振周波数ｆ１・ｆ２の整合方法について、以下に簡単に説明する。第１の方法は、グリーンシートを作製する際に使用する圧電セラミックス粉末に所定量の添加元素を加えておく方法である。この場合、圧電トランス４０の入力部４０ａの圧電特性の変化が、銀／パラジウムペーストを用いることによる銀の圧電体４１への拡散に大きく依存しているならば、この銀による特性変化の方向と逆の方向に特性を変化させる添加元素を用いることが好ましい。
【００２６】
但し、銀による特性変化の方向と同じ方向に特性を変化させる添加元素を用いた場合でも、添加物の効果は添加量が所定範囲にある場合に限られ、ある程度以上の添加物を加えても特性は変化しなくなる場合がある。このように、添加元素の特性への影響が鈍い材料を用いることによっても共振周波数ｆ１・ｆ２の整合は可能である。
【００２７】
第２の方法は、内部電極の形態を制御する方法である。例えば、通常は、結果的に所々に微小な孔部（ボイド）が形成されることはあっても、全面にわたって均一な金属膜を形成するように内部電極ペーストを印刷用シートに印刷するが、例えば、印刷する電極パターンをメッシュ状にして、結果的に内部電極面積を減少させることで静電容量を変化させ、これによって共振周波数ｆ１をシフトさせることも可能である。
【００２８】
第３の方法は、焼成雰囲気や焼成プロファイル（焼成パターン）を制御する方法である。一般的に、圧電トランスを製造する際には、複数の積層体を同時に焼成して焼結体を作製する。このとき、焼成に使用する焼成炉の内部での温度分布や、積層体の配置位置によって焼成むらが発生し、これによって共振周波数ｆ１・ｆ２の差が大きくなる場合が考えられる。このような事態を焼成雰囲気や焼成プロファイルを制御することによって防止することで、共振周波数ｆ１・ｆ２の整合を図ることが可能である。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明は、圧電トランスにおいて、共振周波数ｆ１・ｆ２の値が近接している場合に、効率等において良好な特性が得られ、しかも素子ごとのばらつきが小さいことを見いだしたものである。つまり、このような特性のばらつきが少ない圧電トランスを得る方法は、前記した種々の方法に限定されるものではない。
【００３０】
また、上記実施の形態においては、積層型の圧電トランス４０について説明したが、単板型の圧電トランス３０についても、共振周波数ｆ１・ｆ２を近接させることで、素子の特性を向上させ、素子ごとの特性のばらつきを小さくすることが可能である。例えば、単板型の圧電トランス３０において、共振周波数ｆ１・ｆ２に差が生ずる原因としては、入力用電極３２ａ・３２ｂとして銀電極を形成する際に銀が圧電体３１に拡散することや、入力部３０ａと出力部３０ｂとでは同じ大きさの電界を印加しても、分極状態に差が生じ、これによって入力部３０ａと出力部３０ｂで誘電率に差が生ずること等が考えられる。
【００３１】
このため、例えば、入力用電極３２ａ・３２ｂをメッシュ状に形成して、入力部３０ａの静電容量を変化させることで共振周波数ｆ１をシフトさせる方法を用いることにより、共振周波数ｆ１・ｆ２の整合を図ることができる。
【００３２】
また、矩形板状の圧電セラミックスの製造方法としては、一般的に、下型と上型からなるプレス型を用い、下型にセラミックス粉末を所定量充填して上型をかぶせ、主面方向に一軸的な圧力を印加して所定形状に成型する方法が採られる。この場合において、最初に圧電セラミックス粉末を充填する際に、下型に形成された粉末を充填するための溝部を薄いフィルム等で長手方向に２分割しておき、入力部となる部分と出力部となる部分にそれぞれ添加元素を含む圧電セラミックス粉末と添加元素を含まない圧電セラミックス粉末を所定量投入し、下型に振動を与えて圧電セラミックス粉末の表面をならす。次に、フィルムを抜き取り、さらに下型に振動を与えてフィルムが抜けた隙間を圧電セラミックス粉末の流動により埋めて、その後に上型をかぶせてプレス処理すると、長手方向において組成は異なるが、一体的に成形され、焼成された圧電セラミックスを得ることができる。これによって共振周波数ｆ１・ｆ２の整合を図ることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、圧電トランスの共振周波数ｆ１・ｆ２を所定の条件を満足するように近接させることによって、特性に優れ、しかも特性のばらつきの小さい圧電トランスを得ることが可能となり、圧電トランス自体の信頼性が高められ、さらに圧電トランスを搭載する各種機器の信頼性が高められるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電トランスの構造を示す斜視図。
【図２】積層型の圧電トランスの入力部および出力部の比誘電率の測定方法を示す説明図。
【符号の説明】
２０；インピーダンスゲインフェーズアナライザ（ＩＧＡ）
３０；圧電トランス（単板型）
３０ａ；入力部
３０ｂ；出力部
３１；圧電体
３２ａ・３２ｂ；入力用電極
３２ｃ；出力用電極
４０；圧電トランス（積層型）
４０ａ：入力部（一次側）
４０ｂ；出力部（二次側）
４１；圧電体
４２；内部電極
４３；圧電体
４４ａ・４４ｂ；入力用電極
４４ｃ；出力用電極
【図１】
0004794742.tif 000003
【図２】
0004794742.tif 000004