(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向へ互いに異なる極性の内部電極とセラミック層とを交互に複数積層して成る積層構造型の正方形板状圧電振動子の径方向における共振モードを利用した圧電トランスにおいて、入力部及び出力部の少なくとも一方における前記内部電極の異なる極性のものに対する電極パターンを一方の極性のものでは正方形の形状とし、且つ他方の極性のものでは円板の形状として成り、
前記入力部では、前記電極パターンによる正方形状内部電極の一辺と円板状内部電極の外周局部とが前記正方形板状圧電振動子の一方向で対向する側面に交互に露出して配置され、前記出力部では、前記正方形状内部電極の一辺と前記円板状内部電極の外周局部とが前記正方形板状圧電振動子の前記一方向と別な他方向で対向する側面に一つ置きに交互に露出して配置されて成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、主として入力側，出力側の何れか、又はその双方に径方向における振動（共振モード）を利用した積層構造型の圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ノート型パソコン等の液晶バックライト用電源として圧電トランスの需要が急増している。これは電源として乾電池程度で得られる直流（ＤＣ）電圧から数百Ｖオーダの高電圧までを厚さが数ｍｍ程度に規制された薄型化傾向の設置条件下で得るためには、周知の電磁式インバータでは様々な問題が生じてしまうことによる。尚、超高圧に昇圧が可能なインバータも開発されているが、こうしたインバータは電源として極めて特殊な部類にある。
【０００３】
そこで、圧電トランスを他の一般的な機器の電源に適用することを想定した場合、効率の面で負荷とのインピーダンスマッチングが重要になる。一例として交流（ＡＣ）アダプタの出力部に接続される各種携帯電子機器の場合、入力インピーダンスは約数Ω〜数十Ω程度である。圧電トランスの出力インピーダンスＲは、角周波数ω（＝２πｆ）と出力側制動容量Ｃｄ２とによりＲ＝１／ωＣｄ２なる関係で求まる。例えば出力インピーダンスＲ＝６０Ω，周波数ｆ＝１２０ｋＨｚのとき、出力側制動容量Ｃｄ２＝１６０ｎＦとなる場合が挙げられる。これはインバータ用トランスの出力側制動容量Ｃｄ２が数１０ｐＦであるのに対し、３桁程度も大きな制動容量が必要となることを示している。
【０００４】
圧電セラミックス材料による積層構造の正方形板状圧電振動子の径方向における共振モードを利用した圧電トランスは、上述したような比較的負荷インピーダンスの小さな用途での適用が期待されている。このような積層構造は製造の容易な正方形板状圧電振動子においてその径方向における輪郭振動を利用して昇降圧を行わせるもので、内部電極の形状として円板状のものが最も適している。
【０００５】
図２は、従来の圧電トランスの基本構造を示したもので、同図（ａ）は正方形板状圧電振動子１０の上面方向からの平面図に関するもの，同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ′線方向における側面断面図に関するもの，同図（ｂ）は側面断面方向の応力分布を示した模式図に関するものである。
【０００６】
この圧電トランスは、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、圧電セラミックス材料による正方形板状圧電振動子１０の内部に複数の円板状内部電極２０を正方形面上の外縁から隔てられ、且つ厚さ方向で互いに所定の間隔を保つように配備させた積層構造となっている。
【０００７】
一般に、圧電振動子の性能指標（パラメータ）の一つとして、電極によるコンデンサとしての容量Ｃｄと圧電的な励振力ｃとの間の関係で表わされる容量比ｃ／Ｃｄが挙げられる。この容量比ｃ／Ｃｄは電気エネルギーと機械エネルギーとの変換効率（電気機械結合係数に関係する）をできるだけ小さくすることが望ましい。
【０００８】
上述した圧電トランスの場合、図２（ｃ）に示す側面断面方向の応力分布を参照すれば、応力が中心部において最大になり、外周部において最小（ゼロ）になっており、外周部の特に正方形のコーナー部は振動に寄与する励振力が殆ど得られていない。そこで、外周部までを内部電極に含める構造にすることも考えられるが、こうした構造の場合には励振力ｃが殆ど大きくならず、且つ容量Ｃｄのみが大きくなるため、容量比Ｃｄ／ｃが増大（悪化）してしまう。即ち、上述した圧電トランスでは、容量比Ｃｄ／ｃの増大を防止するため、正方形板状圧電振動子１０の内部に配備する内部電極を上述したような円板状内部電極２０とする電極パターンを採用して不要な容量Ｃｄを削減している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の圧電トランスの場合、積層構造として実際に製造する（仕上げる）工程における大きな問題として、内部電極近傍部と外周部及びコーナー近傍部との焼結における磁器特性が相違してしまうことが挙げられる。これは主として銀パラジウム合金材料から成る内部電極が焼結を促進させる効果を持つためであり、内部電極近傍部ではセラミックス結晶粒が成長して全体的な収縮が進むのに対し、コーナー近傍部では粒成長が不充分で焼結による収縮が進まないまま焼結が終了する。このため、内部電極近傍部とコーナー近傍部とでの寸法形状の相違が生じて振動への悪影響や残留歪の存在等の問題がある。
【００１０】
具体的に言えば、こうした構成の圧電トランスを試作して内部電極近傍部並びにコーナー近傍部における厚み寸法とセラミックスの結晶粒径とを比較するため、正方形板状圧電振動子の焼結前の縦横寸法を１７．６ｍｍ、厚さを６．０ｍｍとして焼結を行ったところ、内部電極近傍部では内部電極中央近傍の全体の厚さが６．０ｍｍ、内部電極近傍の焼結前寸法７．０ｍｍにおける収縮率が１５％、入力部の平均粒径が２．２μｍ、出力部の平均粒径が３．６μｍとなったのに対し、コーナー近傍部ではコーナー周縁近傍の全体の厚さが６．３ｍｍ、コーナー近傍の焼結前寸法７．０ｍｍにおける収縮率が１１％、平均粒径が１．６μｍとなった。これは焼結の結果、正方形板状圧電振動子１０において、図３（ａ）に示されるように外周部の中央で縮んでコーナー近傍部で伸びるという平面変形を起こすと共に、図３（ｂ）に示されるように中央で縮んで外周部で伸びる側面変形（厚さ方向における変形）を起こすような伸縮のパターンを生じることを示している。
【００１１】
又、上述した圧電トランスの場合、正方形板状圧電振動子の円板状内部電極から端子取り出し用のパターンを引き出し形成するときにその端子取り出し部の形状によって電気抵抗が増大し、圧電トランスとしての効率が低下してしまうという問題が挙げられる。従来の積層構造では、正方形板状圧電振動子の側面における幾つかの方向から総計４つの端子取り出し部を引き出し配備しているが、図４（ａ）に示されるような一例では円板状内部電極２０の外周局部から正方形板状圧電振動子１０の各辺のほぼ中央部分に向かって直行して延びるように４つの端子取り出し部２０ａを設けており、図４（ｂ）に示されるような他例では正方形板状圧電振動子１０の各コーナー近傍部における円板状内部電極２０の外周局部から正方形板状圧電振動子１０の各辺の各コーナー近傍部の局所に向かって屈曲して延びるように４つの端子取り出し部２０ｂを設けており、これらの端子取り出し部２０ａ，２０ｂでは形状が異なると共に電気的な抵抗も大きく異なる。
【００１２】
即ち、こうした端子取り出し部の場合、その抵抗値Ｒに対して導電性パターンの厚みをｄ，幅をＷ，長さ寸法をＬとしたときにｄ×Ｗ／Ｌが比例するという関係を考慮すれば、取出しまでの寸法が長くて幅も細い端子取り出し部２０ｂの方が端子取り出し部２０ａよりも抵抗値Ｒが大きくなる。これらの抵抗値Ｒは大電力で実際に駆動したときに大きな損失となって発熱をもたらすため、圧電トランスとしての実用性を著しく低下させてしまう。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、製造の焼結時の伸縮変形を充分に抑制可能で容量比が小さく安定した基本特性を確保でき、内部電極の端子取り出しが簡易な積層構造の圧電振動トランスを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、厚み方向へ互いに異なる極性の内部電極とセラミック層とを交互に複数積層して成る積層構造型の正方形板状圧電振動子の径方向における共振モードを利用した圧電トランスにおいて、入力部及び出力部の少なくとも一方における前記内部電極の異なる極性のものに対する電極パターンを一方の極性のものでは正方形の形状とし、且つ他方の極性のものでは円板の形状として成り、前記入力部では、前記電極パターンによる正方形状内部電極の一辺と円板状内部電極の外周局部とが前記正方形板状圧電振動子の一方向で対向する側面に交互に露出して配置され、前記出力部では、前記正方形状内部電極の一辺と前記円板状内部電極の外周局部とが前記正方形板状圧電振動子の前記一方向と別な他方向で対向する側面に一つ置きに交互に露出して配置されて成ることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の圧電トランスについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
最初に、本発明の圧電トランスに係る基本構成及びその技術的概要を説明する。この圧電トランスは、厚み方向へ互いに異なる極性の内部電極とセラミック層とを交互に複数積層して成る積層構造型の正方形板状圧電振動子の径方向における共振モードを利用したもので、入力部及び出力部の少なくとも一方における内部電極の異なる極性のものに対する電極パターンを一方の極性のものでは正方形の形状とし、且つ他方の極性のものでは円板の形状として成るものである。
【００１８】
このような積層構造の正方形板状圧電振動子を用いた圧電トランスの場合、分極処理を施すと双方の極性に挟まれた円板状領域でのみ行われ、従来の両極性共、同じ形状の電極パターンを揃えて外縁から隔てて内部電極を形成した積層構造の正方形板状圧電振動子を用いた圧電トランスの場合のような不要な容量Ｃｄを持たない上、外周部並びにコーナー近傍部が同極の電極で挟まれることによって従来の積層構造では成し得なかった電極による焼結促進の効果が得られるため、従来よりも高性能な圧電トランスを具現できる。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例に係る圧電トランスの基本構成を示したもので、同図（ａ）は内部電極の積層パターンを示した分解斜視図に関するもの，同図（ｂ）は全体を示した外観斜視図に関するもの，同図（ｃ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ′線方向における側面断面図及びその局部拡大図に関するものである。
【００２０】
図１（ａ）〜（ｃ）を参照すれば、この圧電トランスは、縦横の寸法が一辺１７．６ｍｍ、厚さが６．０ｍｍの積層型正方形板状圧電振動子１から成っている。この正方形板状圧電振動子１は、厚さ方向に２等分されて一方が入力部１２、他方が出力部１３となっており、これらの入力部１２及び出力部１３の境界となる中央部分の領域には厚さ０．３ｍｍのセラミック材料による絶縁層１４が配置されている。
【００２１】
このうち、入力部１２は、正方形板状圧電振動子１内部において電極パターンとして一方の極性とされる正方形板状内部電極２ａによる入力用内部電極１５ａの一辺と電極パターンとして他方の極性とされる円板状内部電極２ｂによる入力用内部電極１５ｂの外周局部とが正方形板状圧電振動子１の一方向で対向する側面に交互に露出して配置され、且つこれらの入力用内部電極１５ａ，１５ｂがそれぞれ厚み方向に分極された２層構造となっており、更に、正方形板状圧電振動子１の一方向で対向する側面に露出された入力用内部電極１５ａ，１５ｂには、それぞれ入力信号を供給するための入力用外部電極１７ａ，１７ｂが接続されるように配設されている。
【００２２】
これに対し、出力部１３は、正方形板状圧電振動子１内部において同様に、電極パターンとして一方の極性とされる正方形板状内部電極２ａによる出力用内部電極１６ａの一辺と電極パターンとして他方の極性とされる円板状内部電極２ｂによる出力用内部電極１６ｂの外周局部とが正方形板状圧電振動子１の一方向とは別の他方向で対向する側面に一層置きに交互に露出して配置され、且つこれらの出力用内部電極１６ａ，１６ｂがそれぞれ厚み方向において一層置きに互いに厚み方向に逆向きに分極された７層構造となっており、更に、正方形板状圧電振動子１の他方向で対向する側面に露出された出力用内部電極１６ａ，１６ｂには、それぞれ出力信号を取り出すための出力用外部電極１８ａ，１８ｂが接続されるように配設されている。
【００２３】
即ち、これらの入力部１２及び出力部１３では、入力用内部電極１５ａ，１５ｂや出力用内部電極１６ａ，１６ｂの局所が正方形板状圧電振動子１の側面に規則的に露出するため、入力用外部電極１７ａ，１７ｂや出力用外部電極１８ａ，１８ｂによる入力用内部電極１５ａ，１５ｂや出力用内部電極１６ａ，１６ｂの端子取り出しが簡易な構造となっている。尚、正方形板状圧電振動子１に対する分極処理は、入力部１２及び出力部１３の双方に関して、何れも１６５℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの電界強度条件下で行った。
【００２４】
このような構成の圧電トランスを試作して内部電極近傍部並びにコーナー近傍部における厚み寸法とセラミックスの結晶粒径とを比較するため、正方形板状圧電振動子１の焼結前の縦横寸法を１７．６ｍｍ、厚さを６．０ｍｍとして焼結を行った結果、内部電極近傍部では内部電極中央近傍の全体の厚さが６．０ｍｍ、内部電極近傍の焼結前寸法７．０ｍｍにおける収縮率が１５％、入力部１２の平均粒径が２．２μｍ、出力部１３の平均粒径が３．６μｍとなったのに対し、コーナー近傍部ではコーナー周縁近傍の全体の厚さが６．１ｍｍ、コーナー近傍の焼結前寸法７．０ｍｍにおける収縮率が１３．５％、平均粒径が２．０μｍとなった。これは焼結の結果、従来の積層構造では内部電極近傍部とコーナー近傍部とでは焼結性の相違により収縮率が４％の差が生じ、磁器特性としてセラミックスの結晶粒径においても大きな違いがあったものが一実施例の圧電トランス（正方形板状圧電振動子１）の場合には収縮率の差が１．５％まで縮まり、結晶粒径も入力側粒径に近いまで成長していること（特に出力部１３は積層数が多いために結晶粒の成長がより顕著になる）を示している。
【００２５】
一方、試作した圧電トランスの振動子定数を従来の積層構造のものと比較して調べたところ、一実施例の圧電トランスの場合には共振周波数が１１０ｋＨｚ，入力部１２の容量Ｃｄが２８ｎＦ，出力部１３の容量Ｃｄが２．６ｎＦ，電気機械結合係数Ｑｍが８００，入力部１２の容量比Ｃｄ／ｃが７．５，出力部１３の容量比Ｃｄ／ｃが４．５であるのに対し、従来の積層構造の場合には共振周波数が１１２ｋＨｚ，入力部１２の容量Ｃｄが２６ｎＦ，出力部１３の容量Ｃｄが２．５ｎＦ，電気機械結合係数Ｑｍが７６０，入力部１２の容量比Ｃｄ／ｃが７．２，出力部１３の容量比Ｃｄ／ｃが４．３であった。
【００２６】
この結果、振動子定数に関しては、一実施例及び従来の積層構造の圧電トランスの双方共、概ね顕著な差が無いものの、一実施例の圧電トランスの場合には電気機械結合係数Ｑｍが幾分増大していることが判る。この電気機械結合係数Ｑｍは、抵抗値Ｒの逆数（損失）に比例するものであるため、端子取り出し部の抵抗分を低下させることが可能となる。従って、一実施例の圧電トランスは、一般的な振動子特性に大きな影響を与えること無しに磁器特性を改善し、従来の積層構造で問題であった製造時の焼結に際しての収縮率の差に起因する内部電極近傍部と外周部及びコーナー近傍部との寸法の差、即ち、伸縮変形を抑制した上で容量比ｃ／Ｃｄの小さい安定した基本特性を確保でき、しかも端子取り出し部の抵抗分を幾分低下し得るものとなる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明の圧電トランスによれば、入力部及び出力部の少なくとも一方における内部電極の異なる極性のものに対する電極パターンを一方の極性では正方形の形状とし、他方の極性では円板の形状として交互に積層して成る積層型の正方形板状圧電振動子を用いた構成としているので、従来の両極性共、同じ形状の電極パターンを揃えて外縁から隔てて内部電極を形成した積層構造の正方形板状圧電振動子を用いた場合のような不要な容量を持たず、しかも外周部及びコーナー近傍部が同極の電極で挟まれることによって従来では成し得なかった電極による焼結促進が計られ、又正方形板状圧電振動子の側面に規則的に露出した内部電極の局所を端子取り出し部として外部電極と接続して取り出しまでの距離を無くして端子取り出し部による抵抗分を低下し得るようになる。結果として、製造の焼結時の伸縮変形を充分に抑制可能で容量比が小さく安定した基本特性を確保でき、外部電極による内部電極の端子取り出しが簡易な従来よりも高性能な積層構造の圧電振動トランスを具現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る圧電トランスの基本構成を示したもので、（ａ）は内部電極の積層パターンを示した分解斜視図に関するもの，（ｂ）は全体を示した外観斜視図に関するもの，（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ′線方向における側面断面図及びその局部拡大図に関するものである。
【図２】従来の圧電トランスの基本構造を示したもので、（ａ）は正方形板状圧電振動子の上面方向からの平面図に関するもの，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′線方向における側面断面図に関するもの，（ｂ）は側面断面方向の応力分布を示した模式図に関するものである。
【図３】図２に示す圧電トランスの製造時の焼結に際して生じる変形状態を示したもので、（ａ）は上面方向の平面変形を示した平面図に関するもの，（ｂ）は厚さ方向の側面変形を示した側面断面図に関するものである。
【図４】図２に示す圧電トランスに備えられる円板状内部電極からの端子取り出しのパターンを説明するために示した平面図であり、（ａ）は一例に関するもの，（ｂ）は他例に関するものである。
【符号の説明】
１，１０  正方形板状圧電振動子
２ａ  正方形板状内部電極
２ｂ，２０  円板状内部電極
１２  入力部
１３  出力部
１４  絶縁層
１５ａ，１５ｂ  入力用内部電極
１６ａ，１６ｂ  出力用内部電極
１７ａ，１７ｂ  入力用外部電極
１８ａ，１８ｂ  出力用外部電極
２０ａ，２０ｂ  端子取り出し部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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