(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両主面が長さＬ、幅Ｗの長方形である圧電基板の長さ方向に、第１電圧入力部、電圧出力部、第２電圧入力部が順次形成され、前記第１電圧入力部及び前記第２電圧入力部にそれぞれ入力側電極、前記電圧出力部に出力側電極を設けてなる圧電トランスにおいて、
前記圧電基板の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１〜１．４であり、
前記圧電基板がその厚さ方向に分極されており、
前記圧電基板がＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3型複合酸化物からなり、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ及
びＣａから選ばれる少なくとも一種を含有し、ＢサイトにＮｂ、Ｙｂ、Ｃｏ及びＭｎを含有し、
前記圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が６０ｐｐｍ／℃以下であり、
前記圧電基板の長さ方向の振動及び幅方向の振動からなる複合モードの振動を利用する、圧電トランス。
【請求項２】
圧電基板が、モル比による組成式を、Ｐｂ1-xＡx［（ＮｂeＹｂfＣｏgＭｎh）a（ＴｉbＺｒ1-b）1-a］Ｏ3と表したとき、
前記ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘが、
０．０５≦ａ≦０．２０
０．５≦ｂ≦０．６
０．６０≦ｅ≦０．６５
０．１０≦ｆ≦０．１５
０．０６≦ｇ≦０．１０
０．１３≦ｈ≦０．２０
０．０２≦ｘ≦０．１０
Ａは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を満足する、請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】
圧電基板が、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3型複合酸化物からなるペロブスカイト型酸化物粒子
を主結晶粒子とし、該主結晶粒子の粒界にＺｒＯ2粒子が存在する、請求項１又は２に記
載の圧電トランス。
【請求項４】
圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４９９５．２〜５３３６．１ｋＨｚ・ｍｍである、請求項１乃至３のうちいずれか一項に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、各種電子機器に用いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ、及びノートパソコンや携帯端末等に用いられる液晶ディスプレイのバックライト冷陰極管用インバータなどに用いられる圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換することのできる圧電材料はアクチュエータやトランスなどへの応用がなされている。特に、圧電トランスは、従来から用いられている電磁トランスと比較した場合、次のような特徴があり、近年における電源の小型化や集積化において注目され、一部商品化されている。圧電トランスは、（１）巻線を一切用いないので発煙や発火の可能性が少ない。（２）発生する磁界の受渡しにより電力の伝達を行う電磁トランスに対し、機械振動を媒介として正逆の圧電効果により電力の伝達を行うため電磁ノイズの発生がない。（３）弾性的損失が少ない材料を選定することで変換効率の向上が可能である。（４）エネルギー密度の点で弾性エネルギーは磁気エネルギーに比べ１桁以上高い。このような特徴を活かして、液晶ディスプレイのバックライト用のインバータ回路には欠かせない電子部品として普及しつつある。
【０００３】
図１０に圧電トランスの出力電力−駆動周波数依存性を示す。圧電トランスは共振駆動であるため、圧電基板の形状及び弾性定数に起因した振動点付近にて電力の発生が高いといった周波数依存性を有する。
【０００４】
この出力電力の制御には、外部抵抗によって制御する方法と駆動周波数によって制御する方法がある。図１１は外部抵抗を変化させた場合の出力電力特性を示すもので、この図１１から理解されるように、外部抵抗による出力制御は、出力電力の周波数依存性曲線が大きく変動して制御し難いため、駆動周波数により出力電力を制御する方法が一般的である。例えば、外部抵抗ＲＬを５００Ωに固定し、駆動周波数を変化させて、出力電力を制御していた。
【０００５】
図６にＤＣ−ＤＣコンバータのブロック図を示す。圧電トランスを用いたコンバータでは、ある周波数範囲の駆動周波数を持った入力電圧を圧電トランスに印加し、整流回路でＤＣに変換された電圧、電流を検出し、所望の電力が得られる駆動周波数を検知し、帰還回路にて駆動周波数を決定するということを随時行うことで安定した電力供給を行うものである。この帰還回路では、例えば、駆動周波数１２０ｋＨｚで出力２０Ｗ、１２１ｋＨｚで２３Ｗ、１２２ｋＨｚで２０Ｗの場合、２３Ｗの出力を得たい際は１２１ｋＨｚの駆動周波数を選択するが、２０Ｗの出力を得たい場合１２０ｋＨｚと１２２ｋＨｚのどちらを選択して良いか判断できず無限ループに陥ってしまう。
【０００６】
従って、駆動周波数を検出するための周波数範囲内に、同じ出力電力値を示す周波数が複数点あってはならず、使用可能な周波数範囲は、出力電力が最大値を示す周波数から低周波側若しくは高周波側のいずれかの周波数範囲ということになる。
【０００７】
圧電トランス用の材料としては、高い振動速度下や大振幅下においても駆動可能な点から、第２８３６５７２号特許公報に開示されたＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3−Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3系材料や特開平１１−３１０４５７号公報に開示されたＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3−Ｐｂ（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3系材料や、特開２０００−２９４８４９号公報に開示されたＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3にＦｅとＡｇを含有した組成等が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
圧電トランスの外周温度は、圧電トランスの自己発熱や周辺機器の発熱により刻々と変化していく。当初、出力電力が最大値を示す周波数から低周波側若しくは高周波側のいずれかの周波数範囲を駆動周波数としていたが、出力電力の周波数依存性曲線が外周温度の変化によりドリフトすることにより、駆動周波数の範囲内に出力電力の最大値が存在するようになり、同じ出力電力値を示す駆動周波数が複数点存在するようになり、帰還回路を用いた出力電力制御を行うことが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は、温度変化が生じても高い電力を安定して出力でき、磁器強度の高い圧電トランスを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電トランスは、両主面が長さＬ、幅Ｗの長方形である圧電基板の長さ方向に、第１電圧入力部、電圧出力部、第２電圧入力部が順次形成され、前記第１電圧入力部及び前記第２電圧入力部にそれぞれ入力側電極、前記電圧出力部に出力側電極を設けてなる圧電トランスにおいて、前記圧電基板の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１〜１．４であり、前記圧電基板がその厚さ方向に分極されており、前記圧電基板がＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3型複合酸化物からなり、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を含有し、ＢサイトにＮｂ、Ｙｂ、Ｃｏ及びＭｎを含有し、前記圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が６０ｐｐｍ／℃以下であり、前記圧電基板の長さ方向の振動及び幅方向の振動からなる複合モードの振動を利用する。
【００１１】
また、圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４９９５．２〜５３３６．１ｋＨｚ・ｍｍを満足するように、駆動周波数Ｆを変化させることにより、圧電トランスの電圧出力部からの出力電力を変化させることが可能となる。
【００１２】
また、圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍを満足するように、駆動周波数Ｆを変化させることにより、圧電トランスの電圧出力部からの出力電力を変化させることが可能となる。
【００１３】
さらに、圧電基板がＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3型複合酸化物からなり、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を含有し、ＢサイトにＮｂ、Ｙｂ及びＭｎを含有するとともに、前記圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が６０ｐｐｍ／℃以下であるため、圧電トランスの外周温度が変化しても、最大出力電力を得る駆動周波数の変化が小さく、帰還回路を用いた出力電力制御を容易に行うことができる。
【００１４】
従って、本発明の圧電トランスでは、電圧出力部に最も大きな振動を生じさせる振動モードを励起させることができ、高出力電力を発生させ、高効率を得ることができるとともに、圧電トランスの外周温度が変化しても、高い出力電力を得る駆動周波数のドリフト量が小さく、帰還回路を用いた出力電力制御を容易に行うことができる。
【００１５】
また、本発明では、圧電基板が、モル比による組成式を、Ｐｂ1-xＡx［（ＮｂeＹｂfＣｏgＭｎh）a（ＴｉbＺｒ1-b）1-a］Ｏ3と表したとき、
前記ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘが、
０．０５≦ａ≦０．２０
０．５≦ｂ≦０．６
０．６０≦ｅ≦０．６５
０．１０≦ｆ≦０．１５
０．０６≦ｇ≦０．１０
０．１３≦ｈ≦０．２０
０．０２≦ｘ≦０．１０
Ａは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を満足することが望ましい。
【００１６】
このような組成を有することにより、より高い出力電力が得られるとともに、圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値をさらに小さくでき、圧電トランスの外周温度上昇による高い出力電力を得る駆動周波数の変化をさらに小さくすることができる。
【００１７】
また、本発明では、圧電基板が、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3型複合酸化物からなるペロブスカイト型酸化物粒子を主結晶粒子とし、該主結晶粒子の粒界にＺｒＯ2粒子が存在することが望ましい。これにより、工程を複雑化させずに圧電基板の強度を向上することができるとともに、幅方向の弾性定数の変動をさらに小さくできる。
【００１８】
また、本発明は、特に、圧電基板の長さ方向に、第１電圧入力部、電圧出力部、第２電圧入力部を順次形成してなることが望ましい。さらに、本発明の圧電トランスは、第１電圧入力部、第２電圧入力部への入力電圧を、同振幅かつ同位相の交流信号で励振することで、大電力かつ高効率を得ることができる。
【００１９】
さらに、本発明は、電圧入力部および電圧出力部における圧電基板の内部に、厚み方向に所定間隔をおいて入力側電極、出力側電極がそれぞれ複数形成されており、該入力側電極、出力側電極がそれぞれ交互に電気的に接続されていることが望ましい。このように、電圧入力部及び電圧出力部における圧電基板の内部に内部電極を形成することにより、静電容量を任意に変更することができ、昇降圧比を制御することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の単板型圧電トランスは、図１に示すように、厚さ方向に分極され、主面が長さＬ、幅Ｗである長方形状の圧電基板１１の長さ方向に、第１電圧入力部Ａ１、電圧出力部Ｂ１、第２電圧入力部Ｃ１が順次形成されている。
【００２１】
これらの第１電圧入力部Ａ１、電圧出力部Ｂ１、第２電圧入力部Ｃ１における圧電基板１１の上側の主面には、入力側電極１２、出力側電極１４、入力側電極１３がそれぞれ形成されており、これらの電極１２、１３、１４は、圧電基板１１の長さ方向に所定間隔を置いて形成されている。また、圧電基板１１の下側の主面には、入力側電極１５、出力側電極１７、入力側電極１６が、圧電基板１１の長さ方向に所定間隔を置いてそれぞれ形成されている。
【００２２】
即ち、第１電圧入力部Ａ１における圧電基板１１の両主面には、入力側電極１２、１５が形成され、電圧出力部Ｂ１における圧電基板１１の両主面には、出力側電極１４、１７が形成され、第２電圧入力部Ｃ１における圧電基板１１の両主面には、入力側電極１３、１６が形成され、電極１２〜１７は、一辺が圧電基板１１の主面の幅Ｗと同一長さとされ、他辺は主面の長さ方向にそれぞれ任意の長さ、例えばＬ１、Ｌ２、Ｌ３とされている。
【００２３】
また、入力側電極１２と入力側電極１５が同一寸法とされ、出力側電極１４と出力側電極１７が同一寸法とされ、入力側電極１３と入力側電極１６が同一寸法とされている。
【００２４】
そして、本発明の圧電トランスでは、圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１〜１．４であることが重要である。圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）を１．１〜１．４とすることにより、高いエネルギー変換効率を有することができる。一方、圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１よりも小さい場合もしくは１．４よりも大きい場合には、出力電力が低下したり、効率が低下する。
【００２５】
また、本発明の圧電トランスでは、圧電基板１１の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍとされている。
【００２６】
本発明では、圧電基板１１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）を１．１〜１．４とし、所定の駆動周波数を選択することにより、圧電基板１１の長さ方向に振動する基本波が主体となるが、幅方向振動も加わった複合モードの振動が圧電基板１１に発生し、中央部に形成された電圧出力部においてもっとも大きな振動を生じさせることができ、例えば、幅方向に最も励振する振動を用いた場合よりも、電圧出力部に誘発される電荷量が多くなり、高出力電力を得ることができる。
【００２７】
圧電基板１１の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）は、高出力電力が得られるという点から４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍであることが必要である。従って、高出力電力かつ高効率を得るためには、Ｌ／Ｗを１．１〜１．４とし、Ｆ×Ｌを４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍとすることが必要である。
【００２８】
本発明では、上記した構造で、駆動周波数Ｆと主面の長さＬとの積（Ｆ×Ｌ）を所定範囲に設定することにより、高いエネルギー変換効率を有し、かつ高入力電圧において用いることができる、高出力電力かつ高効率の圧電トランスを実現できる。
【００２９】
本発明の圧電トランスは、例えば、セラミックスからなる圧電基板１１に、電極１２〜１７を形成した後、２００℃のシリコーンオイル中にて、圧電基板１１の上面の３電極１２、１３、１４と、圧電基板１１の下面の３電極１５、１６、１７の間に直流電圧を印加して、約３０分間分極処理することにより得られる。
【００３０】
圧電基板１１は、圧電基板がＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3型複合酸化物からなり、ＡサイトにＢａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を含有し、ＢサイトにＮｂ、Ｙｂ及びＭｎを含有するとともに、圧電基板の幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が６０ｐｐｍ／℃以下であることが重要である。
【００３１】
弾性定数の温度係数の絶対値を６０ｐｐｍ／℃以下としたのは、６０ｐｐｍ／℃よりも大きくなると、外周温度の変化によって、高い電力を出力させる駆動周波数が大きく変化するからである。特に、高い電力を出力させるという点から、０〜３０ｐｐｍ／℃であることが望ましい。
【００３２】
圧電基板は、具体的には、モル比による組成式を、Ｐｂ1-xＡx［（ＮｂeＹｂfＣｏgＭｎh）a（ＴｉbＺｒ1-b）1-a］Ｏ3と表したとき、ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘが、０．０５≦ａ≦０．２０、０．５≦ｂ≦０．６、０．６０≦ｅ≦０．６５、０．１０≦ｆ≦０．１５、０．０６≦ｇ≦０．１０、０．１３≦ｈ≦０．２０、０．０２≦ｘ≦０．１０、Ａは、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａから選ばれる少なくとも一種を満足することが望ましい。
【００３３】
ここで、ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘを上記の範囲に限定した理由について説明する。まず、Ｔｉ、Ｚｒのサイトを置換する（ＮｂeＹｂfＣｏgＭｎh）は、出力電力の向上に効果がある。特に、Ｍｎの含有は圧電基板の弾性損失を低減するため出力電力を大きくできる。第三成分量ａが０．０５未満であると出力電力向上効果が小さくなる傾向があり、０．２０より大きい場合には焼結性が不足し弾性損失が増加するため、出力電力は低下する傾向にある。
【００３４】
Ｎｂ、Ｙｂ、Ｃｏ、Ｍｎのそれぞれの原子比は、（ＮｂeＹｂfＣｏgＭｎh）と表した時、高出力電力、高効率という点から、０．６０≦ｅ≦０．６５、０．１０≦ｆ≦０．１５、０．０６≦ｇ≦０．１０、０．１３≦ｈ≦０．２０を満足することが望ましい。
【００３５】
次に、Ｔｉ比ｂは弾性定数の温度係数の絶対値を小さくする効果がある。比率ｂが上記範囲外であると−２０℃〜８０℃における弾性定数の温度係数の絶対値が大きくなり易く、出力電力の変動が大きくなる傾向にある。
【００３６】
また、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒのいずれか一種によるＰｂの置換は、弾性定数の温度係数の絶対値を小さくする効果があるが、ｘが０．１０よりも多い置換は圧電性を劣化させる傾向があり、また、０．０２未満の置換はその効果が小さい。
【００３７】
圧電基板は、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3型複合酸化物からなるペロブスカイト型酸化物粒子を主結晶粒子とし、該主結晶粒子の粒界にＺｒＯ2粒子が存在することが望ましい。これにより、工程を複雑化させずに圧電基板の強度を向上することができるとともに、幅方向の弾性定数の変動をさらに小さくできる。
【００３８】
本発明者は、本発明の圧電トランスの振動解析を、有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションにて行なった。解析条件としては、上記した圧電材料を用い、図１の圧電トランス形状において、圧電基板１１の長さＬ＝３２．８０ｍｍ、幅Ｗ＝２５．５ｍｍ、厚みｔ＝３．０ｍｍとした。電圧入力部と電圧出力部の間隔は１．２ｍｍとした。第１及び第２電圧入力部に同振幅、同位相の電圧を与え、圧電基板の変位量の分布を求めた。
【００３９】
図２は、駆動周波数Ｆとして６９ｋＨｚ（Ｆ×Ｌ＝２２６３．２ｋＨｚ・ｍｍ）の幅方向に最も励振する振動を用いた場合であり、図３に駆動周波数Ｆを１５９ｋＨｚ（Ｆ×Ｌ＝５２１５．２ｋＨｚ・ｍｍ）とした場合の圧電トランスの変位分布を示した。
【００４０】
駆動周波数Ｆとして６９ｋＨｚを用いた場合の圧電トランスでは、図２から理解されるように幅方向の振動が生じており、電圧出力部が形成される圧電基板の中央部では殆ど変位が生じていないことが判る。一方、駆動周波数Ｆとして１５９ｋＨｚを用いた場合の圧電トランスでは、変位分布を示す図３からわかるように、電圧出力部に大きな変位が得られ、高い出力電力と高い効率が得られることが判る。
【００４１】
即ち、圧電トランスのエネルギー伝達は、圧電基板１１の振動によって行なわれるものであるから、同形状の圧電基板１１では、同振幅の入力電圧にて変位量が大きいものほど、電圧出力部Ｂ１に誘発される電荷量が多くなるため、図２よりも圧電基板１１の中央部の変位量が大きい図３の場合には、大出力電力が得られ、高い効率が得られることが判る。これにより、Ｌ／Ｗを１．１〜１．４とし、駆動周波数を制御することにより、図３に示す振動を生じさせることができることが判る。
【００４２】
また、本発明の圧電トランスは、分極方向が単一方向であるため、ローゼン型圧電トランスと比較して、基板の長さ方向について分極処理の必要がないため、製造工程を簡略化でき、厚さ方向に分極するため分極電圧を低くすることが可能であり、製造工程における安全性を向上できる。
【００４３】
図４は、本発明の積層型圧電トランスを示すもので、この積層型圧電トランスは、主面が長さＬ、幅Ｗの長方形状の圧電基板２１に、その長さ方向に、第１電圧入力部Ａ２、電圧出力部Ｂ２、第２電圧入力部Ｃ２が順次形成されている。
【００４４】
これらの第１電圧入力部Ａ２、電圧出力部Ｂ２、第２電圧入力部Ｃ２における圧電基板２１の上側の主面には、入力側電極２２ａ、出力側電極２４ａ、入力側電極２３ａがそれぞれ形成されており、これらの電極２２ａ、２３ａ、２４ａは、圧電基板２１の長さ方向に所定間隔を置いて形成されている。また、圧電基板２１の下側の主面には、入力側電極２２ｄ、出力側電極２４ｊ、入力側電極２３ｄが、圧電基板２１の長さ方向に所定間隔を置いてそれぞれ形成されている。
【００４５】
第１電圧入力部Ａ２における圧電基板２１の内部には、入力側電極２２ｂ、２２ｃが形成され、電圧出力部Ｂ２における圧電基板２１の内部には、出力側電極２４ｂ〜２４ｉが形成され、第２電圧入力部Ｃ２における圧電基板２１の内部には、入力側電極２３ｂ、２３ｃが形成されている。
【００４６】
入力側電極２２ａ〜２２ｄは同一寸法とされ、出力側電極２４ａ〜２４ｊは同一寸法とされ、入力側電極２３ａ〜２３ｄは同一寸法とされている。入力側電極２２ａ、２３ａ、出力側電極２４ａが圧電基板２１の上側の主面において同一平面上に設けられ、入力側電極２２ｂ、２３ｂ、出力側電極２４ｄが圧電基板２１の内部において同一平面上に設けられ、入力側電極２２ｃ、２３ｃ、出力側電極２４ｇが圧電基板２１の内部において同一平面上に設けられ、さらに、入力側電極２２ｄ、２３ｄ、出力側電極２４ｊが圧電基板２１の下側の主面において同一平面上に設けられている。尚、図４の出力側電極については一部のみ符号を付した。
【００４７】
入力側電極２２ａ〜２２ｄは、圧電基板２１の両側面に形成された一対の外部電極２５ａ１、２５ａ２により交互に接続され、出力側電極２４ａ〜２４ｊは一対の外部電極２５ｂ１、２５ｂ２により交互に接続され、入力側電極２３ａ〜２３ｄは一対の外部電極２５ｃ１、２５ｃ２により交互に接続されている。
【００４８】
そして、この圧電トランスにおいても、図１に示す圧電トランスと同様に、圧電基板２１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が１．１〜１．４であり、かつ圧電基板２１の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）が４７００〜６０００ｋＨｚ・ｍｍであることが重要である。圧電基板２１の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）、圧電基板の主面の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）を所定範囲に設定した理由、特に望ましい範囲は、上記と同様である。圧電基板２１材料についても上記と同様である。
【００４９】
このような積層型圧電トランスでは、図１に示す圧電トランスと同様の効果を得ることができるが、図４に示す積層型圧電トランスでは、さらに出力側電極の面積を増加できるため、同じ長さと幅を持つ単板型圧電トランスに比べて出力電流を大きく取ることができる。
【００５０】
また、圧電トランスにおける電圧の昇降圧比（＝Ｖ２／Ｖ１）は、入力側静電容量をＣｄ１、出力側静電容量をＣｄ２とすると、Ｖ２／Ｖ１∝（Ｃｄ１／Ｃｄ２）1/2となることから、圧電トランスを積層化することでＣｄ１、Ｃｄ２を制御し、昇降圧比を任意に設定することができる。即ち、本発明の圧電トランスは、昇降圧比を任意に決定することで、昇降圧コンバータもしくは昇降圧インバータに好適に用いることができる。尚、図９に示すように、電圧入力部に内部電極を形成しないものであっても良い。
【００５１】
このような圧電トランスの製造方法について説明する。本発明の圧電基板は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｏ3Ｏ4、Ｙｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2さらに、ＢａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＣａＣＯ3の各粉末を所定の割合で湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Ａｌ2Ｏ3製坩堝等に投入し、８５０〜１０５０℃の温度で３〜５時間仮焼し、仮焼粉を得る。
【００５２】
この粉末に有機バインダーを混合し、金型プレス、静水圧プレス等により所望の形状に成形した後、大気中などの酸素含有雰囲気において、１０５０〜１３５０℃で２〜５時間焼成することによって磁器を得ることができる。得られた磁器の両主面に第一電圧入力部、第二電圧入力部、電圧出力部を焼き付けや蒸着等の手法により電極を形成し単板を得る。
【００５３】
また、電圧入力部及び電圧出力部を内部電極に設けた積層体とする場合は、まず、得られた仮焼粉を用いて、ドクターブレード法やカレンダリング法等により所望の厚みを有したセラミックグリーンシートを作製する。
【００５４】
次いで、このセラミックグリーンシートの片面に、例えばＡｇ−Ｐｄペーストのような高耐熱性の導電ペーストをスクリーン印刷する。この場合に、図５に示すように、入力側電極となるパターン３６と出力側電極となるパターン３７が形成されたグリーンシート３１と、出力側電極となるパターン３７のみが形成されたグリーンシート３２を作製し、これらを図５に示すように積層し、これを熱間プレスにより圧着し、一体化させ、４００〜５００℃で加熱して脱脂を行った後、１１００〜１３００℃の温度で２〜４時間焼成することによって積層体磁器を得ることができる。尚、図５には、一部のグリーンシートのみ記載した。
【００５５】
次に焼結体の両側面に外部電極として導電ペーストを塗布する。入力側電極２２ａ〜２２ｄは、一対の外部電極２５ａ１、２５ａ２により一層毎に交互に接続されている。出力側電極２４ａ〜２４ｊは一対の外部電極２５ｂ１、２５ｂ２により一層毎に交互に接続されている。さらに、入力側電極２３ａ〜２３ｄは一対の外部電極２５ｃ１、２５ｃ２により交互に接続されている。即ち、入力側電極、出力側電極は、積層型コンデンサや積層型圧電アクチュエータのような構造であり、内部電極が外部電極により一層おきに接続されている。
【００５６】
次に、得られた単板及び積層体の両主面に形成された入力側電極２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄ及び出力側電極２４ａ〜２４ｊに、それぞれ８０〜２００℃の絶縁性オイル中で１．０〜５．０ｋＶ／ｍｍの直流電界を１０〜６０分印加し分極処理を行い、圧電トランスを得る。
【００５７】
また、粒界部にＺｒＯ2を主成分とした粒子が析出した圧電基板は、出発原料中のＺｒＯ2の一部をＹ2Ｏ3，Ｎｄ2Ｏ3等希土類金属やＭｇＯやＣａＯで安定化もしくは部分安定化されたＺｒＯ2で置換したり、Ｐｂ量を微量減少させた組成としたり、仮焼粉末に上記安定化もしくは部分安定化ＺｒＯ2をすることにより作製できる。
【００５８】
なお、使用する原料粉末としては炭酸塩や酸化物だけでなく、酢酸塩または有機金属などの化合物のいずれであっても、焼成などの熱処理プロセスによって酸化物になるものであれば差し支えない。
【００５９】
また、本発明の圧電磁器においては、原料粉末などに微少量含まれるＲｂやＨｆ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｆｅ、積層体の内部電極から磁器内部に拡散するＡｇなどの不可避不純物が混入する場合があるが、特性に影響のない範囲であれば何ら差し支えない。
【００６０】
また、積層型圧電トランスの上下面を、外部との絶縁を取るために、同一組成からなる圧電セラミックスで覆ってもよい。また、圧電基板２１の主面に入力側電極、出力側電極を形成せず、内部のみ形成しても良い。
【００６１】
【実施例】
実施例１
出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｏ3Ｏ4、Ｙｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2の各粉末を用い、秤量混合し、この混合粉末を５ｍｍφのＺｒＯ2ボールを用いて２０時間湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Ａｌ2Ｏ3製坩堝に投入し、９５０℃の温度で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕した。
【００６２】
その後、この粉砕物に、有機バインダーを混合し、造粒した。得られた粉末を１５０ＭＰａの圧力で長さ３７ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ４ｍｍの寸法からなる角板にプレス成形した。さらに、これらの成形体をＭｇＯ等からなる容器内に密閉し、大気中で１２００℃の温度で２時間焼成し、Ｐｂ0.96Ｓｒ0.04［（Ｎｂ0.625Ｙｂ0.125Ｃｏ0.083Ｍｎ0.167）0.1（Ｔｉ0.506Ｚｒ0.494）0.9］Ｏ3からなる焼結体を得た。
【００６３】
得られた焼結体を研磨して圧電基板を作製し、銀とガラスを主成分とする電極ペーストを圧電基板の両表面に塗布し、焼き付け、さらに、２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を１０分間印加して分極処理を行い、図１に示す入力側電極及び出力側電極を有する単板型圧電トランスを作製した。
【００６４】
圧電トランス形状は、長さＬ２５．４７ｍｍ、幅Ｗ１９．８ｍｍ、厚み３．３ｍｍとし、振動モードと、出力電力、出力電圧、効率の関係について調査した。測定回路は、図７に示すように、圧電トランスの入力側電極（１次側電極）を入力とし、出力側電極（２次側電極）を出力として、この出力側電極に負荷抵抗ＲＬを接続した。ここではＲＬ＝５００Ωとした。入力電圧は１４１Ｖｐｐの正弦波とし、▲１▼幅方向に最も励振する振動の周波数８４ｋＨｚ〜９４ｋＨｚのうち８８．２ｋＨｚ、▲２▼本発明における圧電トランスの周波数１９８ｋＨｚ〜２１０ｋＨｚのうち２０３．５ｋＨｚを入力電源から入力側電極に印加し、入力電流（Ａｐｐ）、電圧と電流の位相差を測定することで電力を求めた。出力側電極からの出力電圧（Ｖｐｐ）、出力電流（Ａｐｐ）及び位相差を測定することで出力電力（Ｗ）を求めた。効率（％）は最大出力電力及び最大入力電力より求めた。結果を表１に記載した。
【００６５】
また、圧電基板における幅方向の弾性定数の温度係数δｓ11Eを、日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ−６１００に準じて求めた弾性定数を基に、
δｓ11E＝［ｓ11E(temp.)―ｓ11E(+25℃)］÷ｓ11E(+25℃)／（ｔｅｍｐ．−２５）×１０6    ［単位：ｐｐｍ／℃］
の式から算出したところ、圧電基板における幅方向の弾性定数の温度係数δｓ11Eは、５０ｐｐｍ／℃であった。
【００６６】
【表１】
0004968985.tif 000002
【００６７】
この表１から、２０３．５ｋＨｚの駆動周波数を用いた圧電トランスでは、８８．２ｋＨｚの駆動周波数を用いた圧電トランスと比較して高い出力電力と高い効率が得られることが判る。図８は、２０３．５ｋＨｚの駆動周波数を用いた圧電トランスの出力電力及び効率の周波数特性を示す図である。図８から、この圧電トランスでは、周波数の変動に対して効率が９６％程度とほぼ一定であるため、出力電力の制御を周波数で容易に行なえることが判る。
【００６８】
実施例２
本発明者は、圧電トランスの形状と駆動周波数の関係について調査した。実施例１と同一材料、製法を用い、幅Ｗが１９．８ｍｍ、厚みはすべて３．３ｍｍとし、長さＬを２０．７９〜２８．７１ｍｍまで変更した圧電トランスを用意した。次に、圧電トランスを２００℃のシリコーンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、１０分間分極を行い、圧電基板の厚み方向に分極した。
【００６９】
測定回路は、図７に示すように、圧電トランスの入力側電極（１次側電極）を入力とし、出力側電極（２次側電極）を出力として、この出力側電極に負荷抵抗ＲＬを接続した。ここではＲＬ＝５００Ωとした。入力電圧として１４１Ｖｐｐ、表２に示す周波数の正弦波を入力電源から入力側電極に印加し、入力電流（Ａｐｐ）及び位相を測定することで電力を求めた。
【００７０】
一方、出力側電極からの出力電圧（Ｖｐｐ）、出力電流（Ａｐｐ）及び位相を測定することで出力電力（Ｗ）を求めた。効率（％）は最大出力電力及び最大入力電力より求め、結果を表２に記載した。
【００７１】
【表２】
0004968985.tif 000003
【００７２】
この表２から、本発明の圧電トランスでは、本発明の圧電トランスでは、長さＬと幅Ｗの関係が、１．１≦Ｌ／Ｗ≦１．４であり、かつ長さＬと圧電トランスの駆動周波数Ｆが４７００ｋＨｚ・ｍｍ≦Ｆ×Ｌ≦６０００ｋＨｚ・ｍｍである場合に、出力電力１６Ｗ以上かつ効率９２．６％以上となり、高い出力電力と高い効率が得られることが判る。
【００７３】
実施例３
出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｏ3Ｏ4、Ｙｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2の各粉末を用い、Ｐｂ1-xＡx［（ＮｂeＹｂfＣｏgＭｎh）a（ＴｉbＺｒ1-b）1-a］Ｏ3と表したとき、ａ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｘが表３に示す値となるように秤量し、この混合粉末を５ｍｍφのＺｒＯ2ボールを用いて２０時間湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Ａｌ2Ｏ3製坩堝に投入し、９５０℃の温度で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕した。
【００７４】
その後、この粉砕物に、有機バインダーを混合し、造粒した。得られた粉末を１５０ＭＰａの圧力で角板にプレス成形した。さらに、これらの成形体をＭｇＯ等からなる容器内に密閉し、大気中で１２００℃の温度で２時間焼成した。
【００７５】
得られた焼結体を研磨して圧電基板を作製し、銀とガラスを主成分とする電極ペーストを圧電基板の両表面に塗布し、焼き付け、さらに、２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を１０分間印加して分極処理を行い、図１に示す入力側電極及び出力側電極を有する単板型圧電トランスを作製した。
【００７６】
圧電トランス形状は、長さＬ２５．４７ｍｍ、幅Ｗ１９．８ｍｍ、厚み３．３ｍｍとし、測定回路は、図７に示すように、圧電トランスの入力側電極（１次側電極）を入力とし、出力側電極（２次側電極）を出力として、この出力側電極に負荷抵抗ＲＬを接続した。ここではＲＬ＝５００Ωとした。
【００７７】
出力電力の温度特性は、駆動周波数を固定し、−２０℃と＋２５℃、＋８０℃における出力電力を評価し、出力電力の変動率δＰoutを、
δＰout＝［Ｐout(max.)―Ｐout(min.)］÷Ｐout(+25℃)×１００［単位：％］
の式により算出した。
【００７８】
ここで、Ｐout(max.)は３点の測定温度での最大出力電力を、Ｐout(min.)は最小出力電力を、Ｐout(+25℃)は２５℃における出力電力を表す。
【００７９】
また、圧電基板における幅方向の弾性定数の温度係数δｓ11Eを上記と同様にして求めた。結果を表３に示す。
【００８０】
【表３】
0004968985.tif 000004
【００８１】
本発明の試料では、出力電力Ｐ．outが２０Ｗ以上、出力電力の変動率が１５％以下であり、高い出力電力を有し、かつ出力電力特性の温度に対する変動が小さいことが判る。
【００８２】
また、幅方向における弾性定数の温度係数が４８ｐｐｍ／℃である試料Ｎｏ．４では駆動周波数２７０ｋＨｚにおける出力電力が２６Ｗ、出力電力の変動率が１３．３％であり、幅方向における弾性定数の温度係数が２３ｐｐｍ／℃である試料Ｎｏ．１５では駆動周波数２７２ｋＨｚにおける出力電力が２３．８Ｗ、出力電力の変動率が７．９％であった。
【００８３】
一方、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｍｎを含まない本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１では、幅方向における弾性定数の温度係数が１０ｐｐｍ／℃で、駆動周波数２６５ｋＨｚにおける出力電力が１０Ｗ、出力電力の変動率が３．０％であり、出力電力が低かった。また、温度係数が７０ｐｐｍ／℃の試料Ｎｏ．２では、駆動周波数２７８ｋＨｚにおける出力電力が２０Ｗ、出力電力の変動率が３０．０％であり、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａを含まない試料Ｎｏ．１６では温度係数が８０ｐｐｍ／℃で、駆動周波数２８２ｋＨｚにおける出力電力が１８．８Ｗ、出力電力の変動率が５０．０％であった。なお、表３中の本発明の試料における効率は、９０％以上であった。
【００８４】
実施例４
出発原料として、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｃｏ3Ｏ4、Ｙｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2の各粉末を用い、組成がＰｂ0.96Ｓｒ0.04［（Ｎｂ0.625Ｙｂ0.125Ｃｏ0.083Ｍｎ0.167）0.1（Ｔｉ0.506Ｚｒ0.494）0.9］Ｏ3で表される原料粉末を秤量後、５ｍｍφのＺｒＯ2ボールを用いて２０時間湿式混合し、排出、乾燥後整粒を行い、Ａｌ2Ｏ3製坩堝に投入し、９５０℃の温度で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで粉砕する。
【００８５】
得られた粉砕物にバインダー、可塑剤を添加し、有機溶剤中に分散させスラリーを作製する。得られたスラリーを用いてドクターブレード法により厚み１８０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。このグリーンシートの片面に、Ａｇ−Ｐｄペーストを図５に示す形状となるようスクリーン印刷する。印刷されたグリーンシートを積層し、これを熱間プレスにより圧着し一体化させ、４００〜５００℃で加熱により脱脂を行った後、１１２０℃の温度で３時間焼成することによって積層体磁器を得た。
【００８６】
得られた積層体磁器の両主面に銀とガラスを主成分とする電極ペーストを塗布し、第一電圧入力部、電圧出力部、第二電圧入力部を形成し、電極を焼き付けた後、積層部分の側面に導電性ペーストにより磁器内部の電極との接続を行い外部電極を形成した。
【００８７】
次に、積層体の両主面に形成された電圧入力電極及び電圧出力電極に、それぞれ２００℃のシリコンオイル中で１．１ｋＶ／ｍｍの直流電界を３０分印加し分極処理を行い、積層型圧電トランスを得た。
【００８８】
磁器の評価については実施例１に準じて行った。その結果、駆動周波数２７２ｋＨｚにおける出力電力が２８．４Ｗ、出力電力の変動率が１１．３％の特性が得られた。積層体としても、その有効性が確認された。
【００８９】
実施例５
以下に示す組成になるよう原料を秤量した。
Ｐｂ0.96Ｓｒ0.04［（Ｎｂ0.625Ｙｂ0.125Ｃｏ0.083Ｍｎ0.167）0.1（Ｔｉ0.507Ｚｒ0.493）0.9］Ｏ3
この際、Ｚｒ比０．４９３のうち、通常のＺｒＯ2を０．４２０ｍｏｌ％、Ｙ2Ｏ3で安定化されたＺｒＯ2を０．０７３ｍｏｌ％の比率で秤量した。この後、上記と同様にして、単板型圧電トランスを作製した。
【００９０】
この圧電トランスの駆動周波数２７５ｋＨｚにおける出力電力が２０．３Ｗ、出力電力の変動率が５．４％の特性が得られた。圧電基板の弾性定数の温度係数は、１８ｐｐｍ／℃であった。磁器内部を鏡面研磨し、ＳＥＭにて磁器を観察した結果、磁器粒界部分に１〜２μｍのＺｒＯ2を主成分とする粒子の析出が確認された。また、ＪＩＳＲ１６０１に従って抗折強度を評価した。その結果、１４０ＭＰａの抗折強度が得られた。
【００９１】
同様に表３における試料Ｎｏ．４の抗折強度を評価したところ、１２０ＭＰａであったことから、磁器粒界部分に適量のＺｒＯ2を析出させることにより、磁器の抗折強度を向上できることが判る。
【００９２】
【発明の効果】
本発明の圧電トランスでは、幅方向における弾性定数の温度係数の絶対値が０〜６０ｐｐｍ／℃であり、共振駆動により電力を出力する圧電トランスの出力電力−周波数特性曲線の変動を抑制することにより、出力電力の変動を小さくすることができる。同時に、圧電基板中にＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｍｎと、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種を含有することで圧電基板の弾性損失を低下させ、出力電力を大きくすることができる。また、圧電基板を所定の組成とすることで、出力電力１６Ｗ以上、出力電力の変動率１５％以下の優れた圧電トランスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単板型圧電トランスを示す斜視図である。
【図２】圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）を２２６３．２ｋＨｚ・ｍｍとした場合の圧電トランスの変位分布を示す図である。
【図３】圧電基板の主面の長さＬと駆動周波数Ｆとの積（Ｆ×Ｌ）を５２１５．２ｋＨｚ・ｍｍとした場合の圧電トランスの変位分布を示す図である。
【図４】本発明の積層型圧電トランスを示す斜視図である。
【図５】図４の積層型圧電トランスの製造方法を説明するための説明図である。
【図６】本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを示す説明図である。
【図７】本発明の圧電トランスの測定回路を示す斜視図である。
【図８】実施例１の圧電トランスの出力電力と効率の周波数特性を示す図である。
【図９】本発明の積層型圧電トランスを示す斜視図である。
【図１０】駆動周波数と出力電力の関係を示した図である。
【図１１】単板タイプの圧電トランスで、負荷抵抗を変化させた場合の駆動周波数と出力電力の関係を示した図である。
【符号の説明】
１１、２１・・・圧電基板
１２、１３、１５、１６、２２ａ〜ｄ、２３ａ〜ｄ・・・入力側電極
１４、１７、２４ａ〜ｊ・・・出力側電極
Ｌ・・・主面の長さ
Ｗ・・・主面の幅
Ｆ・・・圧電トランスの駆動周波数
Ａ１、Ａ２・・・第１電圧入力部
Ｂ１、Ｂ２・・・電圧出力部
Ｃ１、Ｃ２・・・第２電圧入力部
【図１】
0004968985.tif 000005
【図２】
0004968985.tif 000006
【図３】
0004968985.tif 000007
【図４】
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【図５】
0004968985.tif 000009
【図６】
0004968985.tif 000010
【図７】
0004968985.tif 000011
【図８】
0004968985.tif 000012
【図９】
0004968985.tif 000013
【図１０】
0004968985.tif 000014
【図１１】
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