(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックス板の中心領域に位置し前記圧電セラミックス板の厚み方向に互いに対向して圧電セラミック層と電極とが交互に積層された入力部と、該入力部の径方向外側に位置する絶縁環状領域と、該絶縁環状領域の径方向外側に位置し前記厚み方向に互いに対向して圧電セラミックス層と電極が交互に積層された出力部とを有し、前記入力部及び前記出力部において前記各電極間が前記厚み方向に分極されている圧電トランスにおいて、前記入力部用の２つの端子は前記厚み方向からみて同一の位置に配置された一対の線状電極によって前記圧電セラミックス板の外周面近辺に引きだされ、該外周面近傍において前記線状電極は互いに離れる方向に２方向に分かれて前記圧電セラミックス板の外周面に達していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
圧電セラミックス板の中心領域に位置し前記圧電セラミックス板の厚み方向に互いに対向して圧電セラミック層と電極とが交互に積層された出力部と、該出力部の径方向外側に位置する絶縁環状領域と、該絶縁環状領域の径方向外側に位置し前記厚み方向に互いに対向して圧電セラミックス層と電極が交互に積層された入力部とを有し、前記入力部及び前記出力部において前記各電極間が前記厚み方向に分極されている圧電トランスにおいて、前記出力部用の２つの端子は前記厚み方向からみて同一の位置に配置された一対の線状電極によって前記圧電セラミックス板の外周面近辺に引きだされ、該外周面近傍において前記線状電極は互いに離れる方向に２方向に分かれて前記圧電セラミックス板の外周面に達していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された圧電トランスにおいて、前記圧電セラミックス板は円板状又は正方形状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、圧電セラミックス円板及び正方形板において入出力に径方向振動を利用した圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、携帯テレビ及びノート型パソコンを始めとする各種携帯電子機器の普及に伴って、これらの機器に直流電圧を供給するため、商用交流電圧を電源として直流電圧を出力するＡＣアダプターが用いられている。ＡＣアダプターに用いられている電子部品の中で体積が大きく、かつＡＣアダプターの変換効率に影響を及ぼすのがトランスである。
【０００３】
近年、ＡＣアダプターに対する高効率化、小型低背化、電磁ノイズの低減、及び低消費電力化の要求が高まり、電磁式トランスに変わって、機械振動のエネルギーを変換媒体とする圧電トランスの検討が行われている。圧電トランスの効率は、圧電トランス出力インピーダンスと負荷とのインピーダンスマッチングが重要であるが、ＡＣアダプターの出力部に接続される各種携帯電子機器の入力インピーダンスはおよそ数Ωから数十Ω程度である。
【０００４】
圧電トランスの出力インピーダンス（Ｒ）は周波数ω（＝２πｆ）と出力側制動容量Ｃd2とによって、数１で表される。
【０００５】
【数１】
0004312853.tif 000002
一例としてＲ＝６０Ω、ｆ＝１２０ＫＨｚの際、Ｃd2＝２２ｎＦとなる。
【０００６】
実用的な寸法のＡＣアダプター用圧電トランスにおいて、このような大きな制動容量を確保するためには、制動容量を対抗内部電極による積層構造とする必要がある。
【０００７】
このような積層構造の一例として、圧電セラミックス円板又は正方形板の径広がり振動を用いて、内部電極とセラミックスとの積層方向を厚み方向とする構造が知られている。径広がり振動を用いた場合には、各種振動モードの中で最も電気機械結合係数が高くなり、さらに最も周波数定数が高くなる。つまり、圧電トランスの出力電力Ｐｏｕｔは、数２で表される。
【０００８】
【数２】
0004312853.tif 000003
ここでｋeff は実効的電気機械結合係数、ｖは振動速度、ｆは駆動周波数、ｍはトランスの質量である。
【０００９】
上式から明らかなように、圧電セラミックス円板又は正方形板を用いた場合には、ｋeff 及びｆが大きくなり、この結果、径広がり振動の場合には、他の振動モードと比較して、同一出力電力をより小さな体積で実現することができる。加えて、円板状又は正方形状の圧電セラミックスを用いているから、トランスの背（高さ）を低くでき、しかも、損失分による発熱をより効率よく放熱することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の圧電トランスの場合、例えば、圧電セラミックス円板を厚み方向に分割して、入出力部を形成する際、入出力間の距離が極めて接近している関係上、入出力間の結合容量が大きくなって、伝導ノイズに対する耐性が小さくなってしまう。さらに、入出力間の絶縁距離が極めて小さくなってしまう。従って、単純に厚み方向に入力部と出力部とを重ねて形成することが難しく、そのため、圧電セラミックス円板（又は正方形板）において、例えば、その中心領域を入力部として、入力部（中心領域）の外側に出力部を形成すれば、上述の不具合を防止することができる。なお、入出力部の位置は反対でもよい。つまり、中心領域を出力部として、出力部の外側に入力部を形成するようにしてもよい。
【００１１】
ここで、図６ａに示すように、圧電セラミックス円板１１の中央領域に入力部１２を形成し、その外側に出力部１３を形成したとすると、入力部１２から２つ端子１２ａを取り出す際には、例えば、異なる極性の入力端子１２ａを互いに反対側に取り出すようにしている。つまり、入力端子１２ａが１８０度の角度をもって引き出される。このような入力端子１２ａの配置では、振動に寄与しない端子電極間において、不要な分極領域がないという利点があるが、外側に位置する出力部１３が出力部１３ａ及び１３ｂに２分割されてしまい、この結果、各出力部１３ａ及び１３ｂでそれぞれ２つの出力端子が必要となり、合計で４つの出力端子が必要となる。
【００１２】
一方、図６ｂに示すように２つ入力端子１２ａを１８０度以内の角度で配置すると、出力部１３が２分割されることはなくなるものの、出力部１３の面積が入力端子１２ａによって削減されてしまい、出力側各種特性が悪化する恐れがある。
【００１３】
本発明の目的は端子数を削減してしかも出力側各種特性が悪化することのない圧電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、圧電セラミックス板の中心領域に位置し前記圧電セラミックス板の厚み方向に互いに対向して圧電セラミック層と電極とが交互に積層された入力部と、該入力部の径方向外側に位置する絶縁環状領域と、該絶縁環状領域の径方向外側に位置し前記厚み方向に互いに対向して圧電セラミックス層と電極が交互に積層された出力部とを有し、前記入力部及び前記出力部において前記各電極間が前記厚み方向に分極されている圧電トランスにおいて、前記入力部用の２つの端子は前記厚み方向からみて同一の位置に配置された一対の線状電極によって前記圧電セラミックス板の外周面近辺に引きだされ、該外周面近傍において前記線状電極は互いに離れる方向に２方向に分かれて前記圧電セラミックス板の外周面に達していることを特徴とする圧電トランスが得られる。
さらに、圧電セラミックス板の中心領域に位置し前記圧電セラミックス板の厚み方向に互いに対向して圧電セラミック層と電極とが交互に積層された出力部と、該出力部の径方向外側に位置する絶縁環状領域と、該絶縁環状領域の径方向外側に位置し前記厚み方向に互いに対向して圧電セラミックス層と電極が交互に積層された入力部とを有し、前記入力部及び前記出力部において前記各電極間が前記厚み方向に分極されている圧電トランスにおいて、前記出力部用の２つの端子は前記厚み方向からみて同一の位置に配置された一対の線状電極によって前記圧電セラミックス板の外周面近辺に引きだされ、該外周面近傍において前記線状電極は互いに離れる方向に２方向に分かれて前記圧電セラミックス板の外周面に達していることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１５】
さらに、圧電セラミックス板の中心領域に位置し前記圧電セラミックス板の厚み方向に互いに対向して圧電セラミック層と電極とが交互に積層された入力部と、該入力部の径方向外側に位置する絶縁環状領域と、該絶縁環状領域の径方向外側に位置し前記厚み方向に互いに対向して圧電セラミックス層と電極が交互に積層された出力部とを有し、前記入力部及び前記出力部において前記各電極間が前記厚み方向に分極されている圧電トランスにおいて、前記入力部用の２つの端子は前記厚み方向からみて同一の位置に配置された一対の線状電極によって前記圧電セラミックス板の外周面近辺に引きだされ、該外周面近傍において前記線状電極は互いに離れる方向に２方向に分かれて前記圧電セラミックス板の外周面に達してい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】
以下本発明について図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１を参照して本発明による圧電トランスの第１の例について説明する。
【００１８】
図示の圧電トランスは直径が２０ｍｍの円板形であり、その厚さは２．３ｍｍである。図示の圧電トランスでは圧電セラミックス円板２１が用いられており、圧電セラミックス円板２１の中心領域では、その厚み方向に互いに対向するようにして圧電セラミック層２２ａと電極２２ｂが交互に積層されて、複数の電極を有する入力部２２が形成されている。中心領域の外側には絶縁環状領域２３が形成されており、さらに、絶縁環状領域２３の外側には、厚み方向に互いに対向するようにして圧電セラミックス層２４ａと電極２４ｂとが交互に積層されて、複数の環状電極を有する出力部２４が形成されている。これによって、入力部２２及び出力部２４においては、各電極間は円板の厚み方向に分極されている。
【００１９】
図１ａに示すように、圧電セラミックス円板の中心領域には、厚み方向に延びる一対のスルーホール２５が形成されており、図示の例では、これらスルーホール２５は、１８０度の角度をおいて形成されている。そして、これらスルーホール２５を用いて２つの入力端子が円板表面に引き出される。
【００２０】
図１ａには破線で内部電極パターンが示されており、前述のように、絶縁環状領域２３によって、圧電セラミックス円板２１は入力部２２と出力部２４とに２分割されている。つまり、入出力部の境界領域には円環状のセラミックス絶縁領域２３が配置されている。図１ｂに示すように，入力部２２には入力用電極２２ｂが配置されており、これら電極２２ｂは厚み方向に分極されている。なお、図示の例では、入力部２２は３層である。
【００２１】
同様にして、出力部２４には出力用内部電極２４ｂが配置され、厚み方向に一層置きに互いに厚み方向に逆向きに分極されている。なお、図示の例では、出力部は６層の積層構造である。分極は入出力部双方ともに、１５０℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で行った。入力部２２の入力端子の取り出しに当たっては、図１ｂにおいて、厚み方向に形成されたスルーホール（スルーホール電極）２５を用いて内部電極２２ｂを厚み方向に一層置きに接続した後、圧電セラミックス円板の表面上に形成された表面電極と接続される。
【００２２】
上述のようにして、試作した圧電トランス（例１）の出力側に負荷抵抗６０Ωを接続して、振動子定数とパワー特性とを測定した結果を図２に示す。図２において、上段側に微少振動時の振動子定数、下段側に負荷を接続した状態における振動子定数とパワー特性とが表示されている。なお、図２において、ｆｒ（ＫＨｚ）は共振周波数、Ｃd2（ｎＦ）は出力側制動容量、Ｑｍ2 は出力側機械的品質係数（損失係数の逆数）、１／ωＣd2（Ω）は負荷マッチング状態におけるインピーダンス、γ１，γ２はそれぞれ入力、出力側容量比、Ｐｏｕｔは出力電力を示す。
【００２３】
なお、上述の例では、圧電セラミックス円板の中心領域に入力部を形成し、入力部の外側に出力部を形成する例について説明したが、圧電セラミックス円板の中心領域に出力部を形成し、出力部の外側に入力部を形成するようにしてもよい。この場合、出力部から前述のようにスルーホールを用いて出力端子が引き出されることになる。
【００２４】
次に図３を参照して、本発明による圧電トランスの第２の例について説明する。
【００２５】
図示の圧電トランスは、図１に示す圧電トランスと同一の外形寸法を有しており、入力部は図１に示す圧電トランスと同様の構造を有している（図１に示す圧電トランスと同一の構成要素については同一の参照番号を付す）。図３ａには破線で内部電極パターンが示されており、入力用電極２２ｂは厚さ方向に同一の位置に配置された一対の線状電極２６によって圧電セラミックス円板２１の外周面近辺まで引き出されている。そして、一対の線状電極２６は外周面近傍において２方向に分かれ外周面に達している（図３ｂ及びｃ参照）。
【００２６】
図示の圧電トランスにおいて、出力電極パターンは、入力用引き出し電極を通すために一部が切り欠かれている。分極は入出力双方ともに、１５０℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で行った。
【００２７】
上述のようにして試作された圧電トランス（例２）の出力側に負荷抵抗６０Ωを接続して、例１と同様にして振動子定数とパワー特性を測定した。その結果を図２に示す。
【００２８】
なお、上述の例では、圧電セラミックス円板の中心領域に入力部を形成し、入力部の外側に出力部を形成する例について説明したが、圧電セラミックス円板の中心領域に出力部を形成し、出力部の外側に入力部を形成するようにしてもよい。この場合、出力部から前述のように線状電極を用いて出力端子が引き出されることになる。
【００２９】
さらに、図４を参照して、本発明による圧電トランスの第３の例について説明する。
【００３０】
図示の圧電トランスは、圧電セラミックス正方形板３１を有しており、圧電セラミックス正方形板３１は、例えば、一辺が２０ｍｍの正方形であり、その厚さは２．３ｍｍである。図４ａには破線で内部電極パターンが示されており、圧電セラミック正方形板３１は、径方向外側に向かって二つの領域に２分割されており、一方の領域には入力部３２が形成され、他方の領域には出力部３３が形成される（図示の例では、中心領域が入力部３２とされ、入力部３２の外側に出力部３３が形成されている）。そして、図１に関連して説明したように、入出力部の境界領域には縁状のセラミックスの絶縁領域３４が配置されている。
【００３１】
図４ｂに示すように、入力部３２には厚み方向に互いに対向するようにして圧電セラミック層３２ａと電極３２ｂが交互に積層されており、入力用電極３２ｂは厚み方向に分極されている。なお、入力部は３層である。同様に、出力部３３には、厚み方向に互いに対向するようにして圧電セラミックス層３３ａと電極３３ｂとが交互に積層されて、出力用内部電極３３ｂは厚み方向一層おきに互いに逆向きに分極されている。なお、図示の例では、出力部は６層の積層構造である。
【００３２】
入力部３２から入力端子を取り出すに当たっては、図４ｂにおいて厚み方向にスルーホール３５を形成して、スルーホール（スルーホール電極）３５を用いて内部電極３２ｂを厚み方向に一層置きに接続した後、圧電セラミックス正方形板３１の表面上に形成された表面電極と接続される。
【００３３】
図４ｃには、応力変位分布が示されており、実線は応力を示し、破線が変位を示している。
【００３４】
上述のようにして、試作した圧電トランス（例３）の出力側に負荷抵抗６０Ωを接続して、振動子定数とパワー特性を測定した結果を図２に示す。
【００３５】
なお、上述の例では、圧電セラミックス正方形板の中心領域に入力部を形成し、入力部の外側に出力部を形成する例について説明したが、圧電セラミックス正方形板の中心領域に出力部を形成し、出力部の外側に入力部を形成するようにしてもよい。この場合、出力部から前述のようにスルーホールを用いて出力端子が引き出されることになる。
【００３６】
図５を参照して、本発明による圧電トランスの第４の例について説明する。
【００３７】
図示の圧電トランスは図４に示す圧電トランスと同一の外形寸法を有している（図４に示す圧電トランスと同一の構成要素については同一の参照番号を付す）。図５ａには破線で内部電極パターンが示されており、図５ａにおいて、入力用電極３２ｂは厚さ方向において同一の位置に配置された一対の線状電極３６によって圧電セラミックス正方形板３１の外周面近辺まで引き出されており、線状電極３６は外周面近傍で２方向に分かれ外周面に達している（図５ｂ及びｃ参照）。出力電極パターンは入力用引き出し電極（線状電極）３６を通すため、その一部が切り欠かれている。なお、分極は入出力部双方ともに、１５０℃のシリコンオイル中で１ｋＶ／ｍｍの電界強度で行った。
【００３８】
上述のようにして試作された圧電トランス（例４）の出力側に負荷抵抗６０Ωを接続して、振動子定数とパワー特性を測定した結果、図２に示す結果が得られた。
【００３９】
なお、上述の例では、圧電セラミックス正方形板の中心領域に入力部を形成し、入力部の外側に出力部を形成する例について説明したが、圧電セラミックス正方形板の中心領域に出力部を形成し、出力部の外側に入力部を形成するようにしてもよい。この場合、出力部から前述のように線状電極を用いて出力端子が引き出されることになる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スルーホール又は平面的に重なって配置された線状電極を用いて圧電セラミック板の中心領域に形成された入力部又は出力部が端子を引き出すようにしたから、端子数が削減できるばかりでなく出力側各種特性を良好に保つことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電トランスの第１の例を示す図であり、（ａ）は上方からみた図、（ｂ）は断面構造を示す図（Ａ−Ａ´線断面図）、（ｃ）は応力変位分布を示す図である。
【図２】本発明による圧電トランスの振動子特性及びパワー特性を示す図である。
【図３】本発明による圧電トランスの第２の例を示す図であり、（ａ）は上方からみた図、（ｂ）及び（ｃ）は内部電極パターンを示す図である。
【図４】本発明による圧電トランスの第３の例を示す図であり、（ａ）は上方からみた図、（ｂ）は断面構造を示す図（Ｂ−Ｂ´線断面図）、（ｃ）は応力変位分布を示す図である。
【図５】本発明による圧電トランスの第４の例を示す図であり、（ａ）は上方からみた図、（ｂ）及び（ｃ）は内部電極パターンを示す図である。
【図６】従来の圧電トランスを示す図であり、（ａ）は端子引き出しの一例を示す図、（ｂ）は端子引き出しの他の例を示す図である。
【符号の説明】
２１  圧電セラミックス円板
２２，３２  入力部
２３，３４  絶縁環状領域
２４，３３  出力部
２５，３５  スルーホール
２６，３６  線状電極
３１  圧電セラミックス正方形板
【図１】
0004312853.tif 000004
【図２】
0004312853.tif 000005
【図３】
0004312853.tif 000006
【図４】
0004312853.tif 000007
【図５】
0004312853.tif 000008
【図６】
0004312853.tif 000009