(57)【要約】 【課題】  小型で、電気機械結合係数ｋや機械的品質係数Ｑｍなどの振動子特性を低下させることがなく、インバータやコンバータとして使用することが可能な、積層型圧電トランスおよびその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】  正方形板の厚み方向に入力部１５と絶縁層１７と出力部１６を有する積層型圧電トランスにおいて、絶縁層１７がＳｉＯ2、Ａl2Ｏ3、ムライト、ステアタイト、コージェライト、ガラスセラミクス、ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の中から選択される少なくとも一つから形成されていることを特徴とする積層型圧電トランスで、入力部１５と出力部１６の少なくとも一方と、絶縁層１７とを、エアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする、積層型圧電トランスの製造方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方形板の厚み方向に入力部と絶縁層と出力部を有する積層型圧電トランスにおいて、前記絶縁層がＳｉＯ2、Ａl2Ｏ3、ムライト、ステアタイト、コージェライト、ガラスセラミクス、ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の中から選択される少なくとも一つの絶縁材料から形成されていることを特徴とする積層型圧電トランス。
【請求項２】
入力部と出力部の少なくとも一方と、絶縁層とを、エアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする、請求項１記載の積層型圧電トランスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正方形板の厚み方向に入力部と絶縁層と出力部を有する積層型圧電トランス及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報端末機器の普及に伴って、電源の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で体積がもっとも大きいのは、電圧の変圧を行う電磁トランスであった。そのため電磁トランスより電力密度が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、電磁トランスから圧電トランスへの代替が検討され、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用電源に圧電トランスが搭載されている。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ある。
【０００３】
一方、より一般的な電源であるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータのコンバータでは、電圧を降圧する用途がほとんどで、コンバータへも圧電トランスの搭載の検討が進んでいる。しかし、電源の仕様からインバータに搭載する圧電トランスをそのままコンバータに適用することはできない。その理由は、圧電トランスを電源に搭載し、電源を効率良く駆動するためには、圧電トランスの出カインピーダンスと、電源に接続しようとする機器の入力インピーダンスをマッチングさせる必要があり、インバータは、接続する機器の入力インピーダンスが１００ｋΩ程度であるが、コンバータでは数１０Ωと小さく、インバータ用の圧電トランスではコンバータ接続機器とのインピーダンスマッチングが得られないからである。
【０００４】
圧電トランスの出カインピーダンスＺは、次式（１）で求められる。
Ｚ＝１／ωＣd2  ・・・・・（１）
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。このため、コンバータとして使用する場合には、圧電トランスの出力側の制動容量をインバータの場合より約１５００倍大きくする必要がある。
【０００５】
圧電トランスの出力側の制動容量を大きくすることで、出カインピーダンスを小さくできるコンバータ用圧電トランスの構造として、正方形板もしくは円板の輪郭拡がり振動を利用した積層型圧電トランスが、既に提案されている。（特許文献１参照）この従来の積層型圧電トランスは、厚さ方向へ円形内部電極と圧電セラミクス層を交互に積層し、厚み方向に入力部・絶縁層・出力部・絶縁層・入力部を有した構成になっている。この従来の積層型圧電トランスの構造を図５に示した。
【０００６】
ところで、コンバータにおいては、安全規格によって商用電源と電気機器の間で電気的絶縁を確保することが定められており、例えばＣＳＡ  Ｃ２２．２Ｎｏ．９５０や、ＵＬ１９５０では、絶縁耐圧試験として、入出力間に交流電圧の実効値３ｋＶを印加して、沿面放電しないことを満足しなければならない。そのため、圧電トランスの入力部と出力部（以下、圧電部と称する）の間に絶縁層を設ける必要があり、そのような絶縁層としては、前述の従来の積層型圧電トランスは、圧電トランスの圧電部と同じ組成の圧電セラミクスを使用するのが一般的である。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３５３８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、絶縁層に圧電トランスの圧電部と同じ材質の圧電セラミクスを用いた場合、絶縁耐圧試験で印加される強電界によって絶縁層が分極され、圧電トランスを駆動した時、入力部と出力部間の電位差で絶縁層が不要振動を発生し、そのため圧電トランスとしての性能が低下するという問題がある。電気的絶縁を確保し、絶縁層が分極されないためには、その厚さを厚くする必要があるが、絶縁層の体積増加は圧電トランス全体での電気機械結合係数ｋの低下になり、電源の効率が悪くなるという問題がある。
【０００９】
また、入力部と出力部の間の絶縁層として、圧電セラミクスに比べて低誘電率で自発分極を有しないガラスなどの絶縁板を、エポキシ系接着剤を用いて接着することも検討されているが、中間に接着層を有する圧電トランスは機械的品質係数Ｑｍが劣化し、実用には適さないという問題がある。
【００１０】
また、電気機械結合係数ｋや機械的品質係数Ｑｍを劣化させない絶縁層の形成方法として、グリーンシート法でガラスセラミクス厚膜を作製し、圧電部とガラスセラミクスの絶縁層を一体焼結する方法が考えられる。しかし、ガラスセラミクスと圧電セラミクスは、焼結過程での収縮挙動が異なり、その結果、圧電部と絶縁層の境界で剥離や反りが発生したり、あるいは、焼結過程で圧電セラミクスと絶縁層のガラスセラミクスが反応し、圧電部の化学組成が変化し、振動子特性が得られなくなる問題があり、圧電部と絶縁層を異材質で構成した積層型圧電トランスの実現は困難であった。
【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、小型で、電気機械結合係数ｋや機械的品質係数Ｑｍなどの振動子特性を低下させることがなく、インバータやコンバータに搭載することが可能な、積層型圧電トランス及びその製造方法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】
【００１２】
本発明によれば、正方形板の厚み方向に入力部と絶縁層と出力部を有する積層型圧電トランスにおいて、絶縁層がＳｉＯ2、Ａl2Ｏ3、ムライト、ステアタイト、コージェライト、ガラスセラミクス、ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の中から選択される少なくとも一つの絶縁材料から形成されていることを特徴とする積層型圧電トランスが得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、入力部と出力部の少なくとも一方と、絶縁層とを、エアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする、積層型圧電トランスの製造方法が得られる。
【００１４】
ここで、エアロゾルデポジション法とは金属やセラミクスの超微粒子をＨｅ、Ｎ2などの搬送ガス中で浮遊させ、ノズルを通して真空チャンバー内に配置された基板上に吹き付けることにより超微粒子に機械的衝撃力を負荷し、室温で緻密な金属やセラミクスの厚膜を形成する技術である（特許文献２参照）。
【００１５】
【特許文献２】特開２００１−３１８０号公報
【００１６】
ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ムライト、ステアタイト、コージェライト、ガラスセラミクス、ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の中から選択される少なくとも一つを絶縁層として用いることにより、コンバータに要求される絶縁耐圧試験を行っても、絶縁層が分極されることはなく、圧電トランスとして駆動しても、絶縁層の不要振動は発生しないので、電気機械結合係数ｋや機械的品質係数Ｑｍなどの振動子特性の低下が生じない。また、入力部と出力部の少なくとも一方と、絶縁層とを、エアロゾルデポジション法で形成することにより、本発明の積層型圧電トランスが容易に製造できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、機械的品質係数Ｑｍなどの振動子特性の低下がなく、インバータとしてもコンバータとしても使用可能な積層圧電トランス及びその製造方法を容易に提供することが可能となる。また、絶縁層を０．５ｍｍ程度と非常に薄くできることから、小型化にも有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を実施するための最良の形態を図面に従って説明する。
【００１９】
図１は、本発明の正方形板の輪郭拡がり振動モードの積層型圧電トランスの平面図で、寸法は一辺２０ｍｍ、厚さ４ｍｍである。図中の１１、１２は入力部の内部電極に接続する外部電極で、１３、１４は出力部の内部電極に接続する外部電極である。
【００２０】
図２は、図１に示した積層型圧電トランスの厚さ方向の断面図である。図２（ａ）は図１のＡ−Ａ、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂのそれぞれ断面図である。図２に示すように、積層型圧電トランスは厚さ方向に３分割され、入力部１５、絶縁層１７、出力部１６から構成されている。入力部には入力用内部電極１８、１９が配置され、図示しないがそれぞれ入力信号印加用の外部電極１１、１２に接続している。入力部は１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、図示しないが出力取り出し用の外部電極１３、１４に接続している。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。出力部の積層数は６層とした。積層構造の概要を図３に示す。入力部の厚さは１．３ｍｍ、出力部は２．２ｍｍ、絶縁層は０．５ｍｍの構造になっている。
【００２１】
次に、具体的な製造方法について説明する。積層型圧電トランスの圧電部としては、Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3系の圧電セラミクスを用い、この圧電セラミクス粉末と、ポリビニルブチラールをバインダー、エチレングリコールモノエチルエーテルを溶剤として混練したセラミックスラリーから、ドクターブレード法を用いて厚さ２００μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００２２】
次に、Ａｇ−Ｐｄ系合金粉末の内部電極ペーストを用い、グリーンシート上に所定の内部電極パターンを印刷し、その後、所定の形状に内部電極印刷グリーンシートと印刷しないグリーンシートを打ち抜き、内部電極印刷グリーンシート７枚数と印刷しないグリーンシート７枚数を交互に金型内に積層し、熱プレス機を用いて温度１１０℃、圧力３０ＭＰａ、１時間の条件で熱圧着し、内部電極と圧電セラミクスの積層体を製造した。
【００２３】
次に、この積層体を、ダイシングソーを用いて一辺２４ｍｍの正方形に切断し、４５０℃で脱バインダーの後、大気中１２００℃で３時間焼結し、積層型圧電トランスの出力部とした。
【００２４】
前記積層型圧電トランスの出力部の２０×２０ｍｍの片面を鏡面研磨し、この鏡面研磨面に、平均粒径０．４μｍのＳｉＯ2粉末を用いて、エアロゾルデポジション法で厚さ０．５ｍｍの絶縁層を形成した。さらにその絶縁層の上に、前記Ａｇ−Ｐｄ系合金粉末と前記圧電セラミクス粉末を用いてエアロゾルデポジション法で厚さ１．３ｍｍの圧電トランスの入力部を形成した。また、絶縁層の材質を、Ａｌ2Ｏ3、ムライト、ステアタイト、コージェライト、ガラスセラミクス、ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の場合についても、上記と全く同様にして製造した。
【００２５】
しかる後に、四側面に露出した内部電極に接続するように、Ａｇペーストを塗布、焼き付けることで、入力用および出力用の外部電極１１、１２、１３、１４を形成した。これらの試料を、シリコンオイル中で１５０℃の温度に保持し、その入力部および出力部のそれぞれに、１．５ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分印加して分極処理を施すことで、本発明の積層型圧電トランスとした。
【００２６】
また、比較例として、従来のグリーンシート積層法で、絶縁層の材質が圧電部と同じＰｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3系圧電セラミクスで、絶縁層の厚さを０．５、１、２、３、４ｍｍの５水準に変化させた積層体を製造し、シリコンオイル中で１５０℃に保持し、その入力部と出力部のそれぞれに、１．５ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分印加して分極処理を施し、比較例の積層型圧電トランスを作製した。
【００２７】
以上の実施の形態および比較例の、積層型圧電トランスの振動子特性の測定と絶縁耐圧試験は次のように行った。振動子特性は、入力・出力側の電気機械結合係数ｋ、機械的品質係数Ｑｍをインピーダンスアナライザにより測定し、測定結果を表１に示した。
【００２８】
絶縁耐圧試験は、試料をシリコンオイルに浸漬し、入出力電極間に交流５０Ｈｚ、３ｋＶの電圧を印加し、流れるリーク電流を測定した。絶縁耐圧試験の概要を図４に、測定結果を表２に示した。また、表２の判定は、電気機械結合係数ｋが５０％以上で、機械的品質係数Ｑｍが８００以上、かつ、リーク電流値が１ｍＡ以下を良品として判定した。
【００２９】
【表１】
2005223256.tif 000003
【００３０】
【表２】
2005223256.tif 000004
【００３１】
表１及び表２から、全ての実施の形態において良好な結果が得られるが、比較例は、電気機械結合係数ｋ、機械的品質係数Ｑｍ、絶縁耐圧試験を全てを満足することができないことが分かる。上記した実施の形態では、出力部をグリーンシート法で形成して焼結した後、絶縁層と入力部をエアロゾルデポジション法で形成したが、入力部をグリーンシート法で形成して焼結した後、絶縁層と出力部をエアロゾルデポジション法で形成することも可能である。
【００３２】
また、本実施の形態では、絶縁層の材質としてＳｉＯ2、Ａｌ２Ｏ3、ムライト、ステアタイト、コージェライト、ガラスセラミクス、ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3の中の１種としたが、エアロゾルデポジション法の成膜性を考慮して何種類かを組み合わせるなどしても、全く同様の効果が得られる。さらに、実施の形態における積層構造として、入力部を１層とし、出力部を６層としたが、積層構造は本実施の形態に限定する必要はなく、接続しようとする機器の入力インピーダンスに積層型圧電トランスの出力インピーダンスをマッチングするように、任意に積層数を変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の正方形板の輪郭拡がり振動モードの積層型圧電トランスの平面図。
【図２】図１に示した積層型圧電トランスの厚さ方向の断面図、図２（ａ）は図１に示した積層型圧電トランスのＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は図１に示した積層型圧電トランスのＢ−Ｂ断面図。
【図３】本発明の積層型圧電トランスの積層構造の概要図。
【図４】絶縁耐圧試験概要を示す図。
【図５】従来構造の積層型圧電トランスを示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１１，１２，１３，１４    外部電極
１５    入力部
１６    出力部
１７    絶縁層
１８，１９    入力用内部電極
２０，２１    出力用内部電極
【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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