(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスよりなる矩形板の長さ方向に分極がなされ、駆動用と出力用の電極として前記矩形板の長さ方向に対向して設けられた複数の内部電極を用い、前記矩形板の長さ方向のｎ次（ｎは３以上の自然数を示す）共振モードを利用した圧電トランスであって、前記矩形板の長さ方向にｎ等分した部分のうちの少なくとも２箇所の部分の駆動用あるいは出力取り出し用の外部電極を、後付け電極によって電気的に接続して１つにまとめたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
圧電セラミックスよりなる矩形板の長さ方向に分極がなされ、駆動用と出力用の電極として前記矩形板の長さ方向に対向して設けられた複数の内部電極を用い、前記矩形板の長さ方向のｎ次（ｎは３以上の自然数を示す）共振モードを利用した圧電トランスであって、前記矩形板の長さ方向にｎ等分した部分のうちのｍ箇所（ｍは２以上で、ｎより小さい自然数）の駆動用、あるいは出力取り出し用の外部電極を、後付け電極によって電気的に接続しｍ個未満の箇所にまとめたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
前記後付け電極は、導電銀よりなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電トランス。
【請求項４】
前記後付け電極は、スパッタによる導体膜よりなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電トランス。
【請求項５】
前記後付け電極は、めっきによる導体膜よりなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスよりなる矩形板の高次モードの長さ振動を用いた圧電トランスに関し、特に、前記圧電トランスの入力部、あるいは出力部を外部に電気的に接続する電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電トランスの出力電力ＰOUTは、（１）式で与えられる。
【０００３】
ＰOUT＝αｋeff2Ｖ2ｍf・・・・・・（１）
【０００４】
ここで、ｋeffは出力部の実効的な電気機械結合係数、Ｖは振動速度（温度上昇によって定まる実用上の限界速度）、ｍは圧電トランスの質量、ｆは駆動周波数、αは形状、振動モード等で決まる定数である。
【０００５】
（１）式より、大きな出力電力ＰOUTを得るための圧電材料に求められる条件は、より高い結合係数keffと、より高い限界振動速度Ｖであり、構造上に求められる条件は、より大きなαが得られる構造（設計）と、高い駆動周波数である。
【０００６】
一方、長さ方向の振動は、駆動周波数ｆと、圧電トランスの長さ寸法ｌとの間に、振動の次数をｎとして、
ｌ＝（定数×ｎ）/ｆ・・・・・・（２）
の関係がある。
【０００７】
（１）式より、大きな出力電力ＰOUTを得るために駆動周波数ｆを増大させようとすれば、（２）式より、長さ寸法ｌを減少させねばならず、そのために質量ｍが小さくなり、出力電力ＰOUTが減少する。
【０００８】
質量ｍの減少を補うため、圧電トランスの幅ｗ、及び厚み寸法ｔを増大して質量ｍを維持しようとしても、図５に示すように、形状の影響、即ち、波長λとトランス幅寸法ｗの関係によって（λ／ｗが３.５以下では細長い形状ほどｋeffは大きくなる）、実効的な結合係数ｋeffが減少し、出力電力を増やすことはできない。このことは、厚み寸法ｔについても同様である。
【０００９】
このとき、高い結合係数ｋeffと、大きな質量ｍを維持し、更に、高い駆動周波数にして、出力電力を増大する方法として、（２）式における高次の振動（次数ｎ）を用いることが考えられる。
【００１０】
高次の振動を用いること、すなわち、振動の次数ｎを大きくすることで、駆動周波数ｆの増大に関わらず、圧電トランスの長さ寸法ｌのｎ倍を圧電トランスの長さにする事が出来るから、質量ｍの減少を招くことはなく、結果として出力電力ＰOUTを増大することができる。
【００１１】
図２は、高次の振動を示す説明図で、図２（ａ）は、ｎが２のときの振動子を示し、図２（ｂ）はｎが３のときの振動子を示し、図２（ｃ）はｎが６のときの振動子を示す説明図である。
【００１２】
図２中、１０は圧電トランスの出力部、２０は圧電トランスの入力部、１１は出力部の露出した内部電極、１２は出力部の外部電極、２１は入力部の露出した内部電極、２２は入力部の外部電極を示す。
【００１３】
図２（ａ）に示すｎが２のときの振動子は、従来の圧電トランスと同じであり、図２（ｂ）に示すｎが３のときは、圧電トランスとして、結合係数ｋeffを下げることなく体積を増やして、出力電力ＰOUTを大きくすることができ、さらに、図２（ｃ）に示すｎが６のときは、圧電トランスの出力対大きさの比率を、格段に改善（従来比）できる。
【００１４】
高次の振動を用いる圧電トランスは、図３に示すように、基本モードの長さ振動の圧電トランスを長さ方向に機械的に従属接続したものである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、長さ振動の高次モードを用いた場合、図３に示すように、隣り合う１／２波長部分同士は、応力の位相が反転することになる。図３中、４０は応力分布を示し、矢印３０は、圧電トランスの端部と応力分布の対応関係を示す。
【００１６】
図４は、高次モード（ｎ＝６）の圧電トランスにおける分極、及び出力の極性を説明する図で、図４（ａ）は分極時に印加する電圧の極性を示し、図４（ｂ）は、出力電圧の極性を示す図である。
【００１７】
圧電トランスを単一の入力電力で駆動するため、あるいは、出力側における同位相の出力電力を取り出すためには、図４に示すように、隣り合う１／２波長部分同士（図中１３と１４）の極性を逆に分極しておくか、あるいは同極で分極（図示せず）した後に、端子の接続を逆にする必要がある。そして、隣り合う１／２波長部分同士（図中１３と１４）の極性を逆に分極しておけば、隣り合う外部電極（図中１５と１６）の出力の極性は同じになる。
【００１８】
高次モード（ｎ次）を利用する圧電トランスの場合、長さ方向にｎ箇所の１／２波長部分が、存在するため、接続用端子の数の増加は避けられず、振動のノード点（図３における応力最大の部分）に端子を接続した場合でも、有限寸法の端子により、Ｑｍが低下がしやすいという問題があった。
【００１９】
特に、高出力及び高出力密度をねらう圧電トランスの場合は、僅かなＱｍの低下であっても、全体でのロスとしては大きくなるため、体積が小さく、従って熱容量も、放熱面積（表面積）も小さい圧電トランスでは、ロスを熱として散逸させることは難しく、わずかなロスが大きな温度上昇を引き起こすことがあった。
【００２０】
また、端子の数が多いことは、部品点数、製作工数の増大を招き、原価低減の支障ともなっている。このような理由から、圧電トランスの端子の数は、可能な限り少ないことが望ましい。
【００２１】
そこで、本発明の課題は、高次の振動モードを用いる圧電トランスであって端子数を少くした、温度上昇が少なく、ロスが少なく、原価低減可能な圧電トランスを提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電セラミックスよりなる矩形板の長さ方向に分極がなされ、駆動用と出力用の電極として前記矩形板の長さ方向に対向して設けられた複数の内部電極を用い、前記矩形板の長さ方向のｎ次（ｎは３以上の自然数を示す）共振モードを利用した圧電トランスであって、前記矩形板の長さ方向にｎ等分した部分のうちの少なくとも２箇所の部分の駆動用あるいは出力取り出し用の外部電極を、後付け電極によって電気的に接続して１つにまとめた圧電トランスである。
【００２３】
また、本発明は、圧電セラミックスよりなる矩形板の長さ方向に分極がなされ、駆動用と出力用の電極として前記矩形板の長さ方向に対向して設けられた複数の内部電極を用い、前記矩形板の長さ方向のｎ次（ｎは３以上の自然数を示す）共振モードを利用した圧電トランスであって、前記矩形板の長さ方向にｎ等分した部分のうちのｍ箇所（ｍは２以上で、ｎより小さい自然数）の駆動用、あるいは出力取り出し用の外部電極を、後付け電極によって電気的に接続し、ｍ個未満の箇所にまとめた圧電トランスである。
【００２４】
また、本発明は、前記後付け電極が、導電銀よりなる上記の圧電トランスである。
【００２５】
また、本発明は、前記後付け電極が、スパッタによる導体膜よりなる上記の圧電トランスである。
【００２６】
また、本発明は、前記後付け電極は、めっきによる導体膜よりなる上記の圧電トランスである。
【００２７】
すなわち、本発明は、上記の課題を解決するため、圧電セラミックス矩形板の長さ方向のｎ次（ｎは３以上の自然数）共振モードを利用した圧電トランスであって、矩形板の長さ方向にｎ等分した部分のうちの少なくとも２箇所の部分の駆動用信号入力用、あるいは出力信号取り出し用の外部電極を分極処理後、導電銀、スパッタ電極あるいはめっき電極等の後付け電極によって１つにまとめたことを特徴とする圧電トランスである。
【００２８】
また、本発明は、矩形板の長さ方向にｎ等分した部分のうちのｍ箇所（ｍ＜ｎ）の駆動用、あるいは出力信号取り出し用の外部電極を分極処理後、導電銀、スパッタ電極あるいはめっき電極等の後付け電極によってｍ箇所未満にまとめたことを特徴とする圧電トランスである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、ｎ＝６次の高次モードの圧電トランスの出力部を例にして、図を用いて説明する。
【００３０】
ｎ＝６次の高次モードの圧電トランスの出力部の外部電極は、両端から２つの１／２波長分の、計４箇所にある。
【００３１】
図１に、本発明の圧電トランスを説明する図を示す。図１（ａ）は、圧電トランスの分極の説明図、図１（ｂ）は従来の圧電トランス（比較例）の説明図、図１（ｃ）は本発明の後付け電極を有する圧電トランスの説明図である。
【００３２】
図１（ａ）に示すように、圧電トランスの隣り合う１／２波長分同士１３，１４を逆極性で分極し、次いで、図１（ｃ）に示すように、隣り合う二つ出力側の電極を後付け電極であるめっきによる導体膜１で一つにまとめた。このようにして、出力部の電極を８箇所から４箇所にした本発明の圧電トランスを得て、特性の評価を行った。
【００３３】
また、比較のために、図１（ｂ）に示すように、分極後に単にリード線を付け替えて出力の位相をそろえた比較例の圧電トランスも同時に特性の評価をした。
【００３４】
特性の評価としては、２種類の圧電トランスに、交流電圧ＡＣ１００Ｖｒｍｓを印加したときの、出力特性（Ｑｍ、温度上昇ΔＴ、変換効率）を測定した。測定結果を表１に示す。表中で、Ｑｍは出力側のＱｍであり、これは微少振動レベルで測定した値である。
【００３５】
（表１）
0004297388.tif 000002
【００３６】
表１に示すように、リード線の数が少ない本発明の圧電トランスの方がＱｍが大きく、その為に、数１０ｗの出力電力を出していても、温度上昇は少なく、変換効率も、より大きくなった。
【００３７】
本実施の形態において、後付け電極として、めっきによる導体膜を用いたが、導電銀であっても、スパッタによる導体膜であっても、その効果に変わりはない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によれば、高次の振動モードを用いる圧電トランスにおいて端子数を減少させることが可能となり、Ｑｍの低下による効率の低下防止、温度上昇の防止、更に端子数の減少により部品点数及び工数の削減が可能となる。すなわち、本発明によれば、高次の振動モードを用いる圧電トランスであって端子数を少くした、温度上昇が少なく、ロスが少なく、原価低減可能な圧電トランスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電トランスを説明する図で、図１（ａ）は、圧電トランスの分極を説明する図、図１（ｂ）は従来の圧電トランス（比較例）の説明図、図１（ｃ）は本発明の後付け電極を有する圧電トランスの説明図。
【図２】高次の振動を示す説明図、図２（ａ）は、ｎが２のときの圧電トランスを示す説明図、図２（ｂ）はｎが３のときの圧電トランスを示す説明図、図２（ｃ）はｎが６のときの圧電トランスを示す説明図。
【図３】高次モード（ｎ＝６）における応力分布を示す説明図。
【図４】高次モード（ｎ＝６）の圧電トランスにおける分極及び、出力の極性を説明する図で、図４（ａ）は分極時に印加する電圧の極性を示し、図４（ｂ）は、出力電圧の極性を示す図。
【図５】波長λとトランス幅ｗの関係（ｋeffに対する形状効果）を示す図。
【符号の説明】
１    （後付け電極である）導体膜
１０    （圧電トランスの）出力部
１１    （出力部の露出した）内部電極
１２    （出力部の）外部電極
１３，１４    隣り合う１／２波長部分同士
１５，１６    隣り合う外部電極
２０    （圧電トランスの）入力部
２１    （入力部の露出した）内部電極
２２    （入力部の）外部電極
３０    （圧電トランスの端部と応力分布の対応関係を示す）矢印
４０    （応力分布を示す）曲線
【図１】
0004297388.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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