JP3397302B2

JP3397302B2 - 積層型圧電セラミックトランス及びその製造方法

Info

Publication number: JP3397302B2
Application number: JP16254599A
Authority: JP
Inventors: 武志井上; 満山本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2003-04-14
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: JP2000353833A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型圧電セラミ
ックトランスに関し、特に、ＡＣ−ＤＣコンバータの降
圧型で高効率かつ大電力伝送用の圧電セラミックトラン
スに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−７９５３５号公報におい
て、積層型圧電トランスが開示されている。本公報では
圧電横効果を用い、厚み方向に積層された長さ縦振動モ
ードで動作する長方形型積層圧電トランス、及び径広が
り振動モードで動作する円板型積層圧電トランスについ
て記載されている。

【０００３】本公報の圧電トランスの一実施例を図１８
に示す。この圧電トランスでは上主面と下主面近くに入
力部があり、中央部分に出力部がある。全圧電トランス
に占める入力部分の体積は３分の２であり、出力部分の
体積は３分の１にすぎない。従って、出力部分の体積が
入力部分の体積より小さいために、出力側の実効的電気
機械結合係数が小さくなり、同一振動振幅に対する出力
電力が小さくなるといった欠点がある。また、外部電極
１０３Ａ、１０３Ｇ、及び内部電極１０３Ｂ、１０３
Ｃ、１０３Ｄ、１０３Ｅ、１０３Ｆが主面の全面電極と
なり、降圧比（入力電圧に対する出力電圧の比）を自由
にとれない欠点がある。１０１Ａから１０１Ｆは圧電セ
ラミック層である。

【０００４】また、本公報の他の圧電トランスの一実施
例を図１９に示す。この圧電トランスは入力部分の体積
が出力部分の体積と同一であり、これも同様に同一振動
振幅に対する出力電力が小さくなるといった欠点があ
る。また外部電極１０３Ａ、１０３Ｅ、及び内部電極１
０３Ｂ、１０３Ｃ、１０３Ｄが全面電極となっているた
め、降圧比を自由にとれない欠点がある。１０１Ａから
１０１Ｄは圧電セラミック層である。

【０００５】さらに本公報の他の実施例を図２０に示
す。図２０では円板の径広がり振動モードを利用した圧
電トランスが開示されている。図２０において、１０７
Ａは入力部外部電極、１０７Ｂはアース電極、１０７Ｃ
は出力部外部電極を示す。１０５Ａ、１０５Ｂは圧電セ
ラミック層である。この積層型圧電トランスも、やは
り、入力部と出力部の体積がほぼ同等であるため、同一
振動振幅に対する出力電力が小さくなるといった欠点が
ある。また、図１８、図１９、図２０における矢印は分
極方向を示す。

【０００６】これらの積層型圧電トランスは、入出力間
に絶縁部が存在しない三端子構成の圧電トランスであ
り、四端子構造とはなっていない。電極形状はほとんど
全面電極形状であるため分極時において特別な工夫、例
えば、隣接する電極間を電気泳動法などの方法によりガ
ラス等を付着させ絶縁するといった工夫が必要である。
また、雷サージ等外部からの電磁ノイズに対する対策が
全くなされていない欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上、記述した如く、
従来の積層型圧電トランスは、三端子構造であり、内部
電極が主面の全面を覆う構造になっているため設計の自
由度が低く、分極時において特別な工夫を要しており、
低コストで製造することができなかった。また、ＡＣ−
ＤＣコンバータに搭載した場合、雷サージ対策が何らな
されていなかった。さらに、出力部の体積が圧電トラン
ス全体積の２分の１以下と小さいことから、出力部の電
気機械結合係数が小さく、同一振動振幅に対する出力電
力が小さいといった欠点があった。

【０００８】本発明は、前述した事情に鑑みてなされた
もので、圧電横効果で最も電気機械結合係数の大きな輪
郭広がりモードあるいは基本径広がり振動モードで動作
する積層型圧電セラミックトランスを実現することを目
的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、下記（１）〜（１２）に示す積層型圧電セ
ラミックトランス及びその製造方法を提供する。

【００１０】（１）外形形状が正方形状で、入力側内部
電極及び出力側内部電極が主面と平行に形成されている
横効果輪郭広がりモードで動作する積層型圧電セラミッ
クトランスにおいて、出力部の体積を全圧電セラミック
トランスの体積の６０％以上とし、かつ、該入力側、出
力側内部電極の形状を円形とし、かつ、内部電極の面積
を該積層型圧電セラミックトランスの主面の全面積の５
０％以上としたことを特徴とする圧電セラミックトラン
ス。

【００１１】（２）外形形状が円板状であり、入力側内
部電極及び出力側内部電極が主面と平行に形成されてい
る圧電横効果径広がり振動モードで動作する積層型圧電
セラミックトランスにおいて、出力部分の体積を全圧電
セラミックトランスの体積の６０％以上とし、かつ、厚
み方向中心部分が出力部に含まれ、かつ、該内部電極の
形状を円形とし、かつ、該入力側、出力側内部電極の面
積を該積層型圧電セラミックトランスの主面の全面積の
５０％以上としたことを特徴とする圧電セラミックトラ
ンス。

【００１２】（３）入力側内部電極の面積より、出力側
内部電極の面積を同等かそれ以上としたことを特徴とす
る（１）の積層型圧電セラミックトランス。

【００１３】（４）入力側内部電極の面積より、出力側
内部電極の面積を同等かそれ以上としたことを特徴とす
る（２）の積層型圧電セラミックトランス。

【００１４】（５）入力側内部電極をそれぞれ積層型圧
電セラミックトランスの外表面近傍に厚み方向に対称に
配置し、出力側内部電極を厚み方向中央部分に配置し、
入力側内部電極層と出力側内部電極層間に絶縁層を設け
たことを特徴とする（１）の積層型圧電セラミックトラ
ンス。

【００１５】（６）入力側内部電極をそれぞれ積層型圧
電セラミックトランスの外表面近傍に厚み方向に対称に
配置し、出力側内部電極を厚み方向中央部分に配置し、
入力側内部電極層と出力側内部電極層間に絶縁層を設け
たことを特徴とする（２）の積層型圧電セラミックトラ
ンス。

【００１６】（７）積層型圧電セラミックトランスの主
面の一方の面から厚み方向中央部分にかけて入力側電極
を設け、主面の他方の面から厚み方向中央部分にかけて
出力側電極を設け、入力側電極と出力側電極間に絶縁層
を設けたことを特徴とする（１）の積層型圧電トラン
ス。

【００１７】（８）積層型圧電セラミックトランスの主
面の一方の面から厚み方向中央部分にかけて入力側電極
を設け、主面の他方の面から厚み方向中央部分にかけて
出力側電極を設け、入力側電極と出力側電極間に絶縁層
を設けたことを特徴とする（２）の積層型圧電トラン
ス。

【００１８】（９）入力側と出力側の中央部分に遮蔽電
極を設けたことを特徴とする（１）、（３）、（５）又
は（７）の積層型圧電セラミックトランス。

【００１９】（１０）入力側と出力側の中央部分に遮蔽
電極を設けたことを特徴とする（２）、（４）、（６）
又は（８）の積層型圧電セラミックトランス。

【００２０】（１１）内部電極をＡｇ／Ｐｄとしたこと
を特徴とする（１）又は（２）の積層型圧電セラミック
トランス。

【００２１】（１２）（１）又は（２）の積層型圧電セ
ラミックトランスの製造方法であって、ドクターブレー
ド法によって、グリーンシートを作製し、積層、圧着を
行い焼結し、その後、入力端子、出力端子にそれぞれ直
流高電圧を加え分極を行い製造することを特徴とする積
層型圧電トランスの製造方法。

【００２２】本発明の第１の側面に従う積層型圧電トラ
ンスは、主面が正方形状あるいは円板状の圧電セラミッ
クトランスであり、厚み方向に分極された隣接する各圧
電セラミック層は互いに逆向きに分極処理がされてい
る。これらの圧電トランスの共振時の輪郭広がり振動モ
ードあるいは径広がり振動モードの電束密度分布（電荷
分布に相当する）の等高線が共に円形になり、しかも電
束密度のもっとも大きな部分については厚み方向の中央
部分が最大の面積を有し、表面に近くなれば面積は最小
になることを分析し、同一体積の圧電トランスに対し、
出力部について、その内部電極を円形とし、しかも出力
電力に直接係る出力部の実効的電気機械結合係数を最大
とするために圧電トランスの厚み方向の中央部分に設
け、その体積を圧電トランス全体積の６０％以上として
いる。そして、円形電極を分極処理が確実にできる最大
限の面積（直径）とすることにより、高効率で電圧変換
のできる電力密度の大きな圧電トランスを得ることがで
きる。

【００２３】本発明の第２の側面に従う積層型圧電トラ
ンスは、主面の一方に入力部を設け、主面の他方に出力
部を設け、第１の側面に従った積層型圧電トランスの構
造を簡素化した圧電トランスであり、入力部と出力部の
間に当然のことながら絶縁層が挿入される。出力部分の
体積は圧電トランス全体の６０％以上を占めることか
ら、出力部分には電束密度が最大となる厚み方向中部分
が含まれるため、電力密度の大きな圧電トランスを実現
することができる。

【００２４】本発明の第３の側面に従う積層型圧電トラ
ンスは、ＡＣ−ＤＣコンバータ用として使用される場
合、もともとの入力電圧がＡＣ１００ＶないしはＡＣ２
４０Ｖであり、圧電トランスからの出力電圧がブリッジ
整流回路の場合１５Ｖ〜２０Ｖ程度、カレントダブラ整
流回路の場合約５０Ｖ程度必要であり、この場合負荷に
ＤＣ１６Ｖの電圧を圧電トランスの周波数制御を行うこ
とにより達成することができる。従って、圧電トランス
入力部の電極間に加わるＡＣ電圧の方が、出力部のＡＣ
電圧の数倍大きい。このため、圧電トランスの入力部の
電極間隔を圧電トランス出力部の電極間隔より大きくす
る必要がある。従って、圧電トランスの分極を行う場
合、入力部の分極電圧を出力部より相当大きな値とする
必要があり、分極時の放電を避けるため入力部の電極の
面積を出力部の電極面積より同等かあるいはそれより小
さくする必要がある。

【００２５】本発明の第４の側面に従う積層型圧電トラ
ンスは、ＡＣ−ＤＣコンバータとして使用される場合、
入力部と出力部の間の容量が数ｎＦと大きくなるため、
雷サージが起こった場合、バリスタだけでは雷サージに
よる電磁ノイズが入力部から出力部にかけてスルーに伝
達される欠点がある。この対策として、入力部から出力
部に遮蔽電極を設け、この遮蔽電極により電磁ノイズを
アース側に逃がし、入力部から出力部にかけて電磁ノイ
ズがスルーで行かないようにしたことを特徴とするもの
である。

【００２６】本発明の第５の側面に従う積層型圧電トラ
ンスは、圧電トランスの焼結温度が１１００℃以下とな
る、例えば横効果の結合係数が大きいハイパワー特性に
優れたＭｎ、ＳｂをドープしたＰＺＴ系圧電セラミック
材料を用い、内部電極を焼結温度１１００℃以下で使え
るＡｇ／Ｐｄ導電性ペーストをグリーンシートに印刷
し、セラミックキャパシタの製造方法と同様のドクター
ブレード法（テープキャスティング法）により製造し、
低コストで量産可能な製造方法を提供するものである。

【００２７】本発明に基づく正方形板の輪郭広がり振動
及び円板の径広がり基本振動を用いた積層型圧電セラミ
ックトランスでは、出力部の圧電的に活性な部分の体積
を圧電トランスの全体積の６０％以上とし、出力側の実
効的な電気機械結合係数を入力側のそれに対して大きく
することにより、圧電トランスの出力電力を大きくして
いる。

【００２８】また、圧電トランスの電束密度分布から、
出力電極の面積を入力電極の面積と同等かそれ以上に大
きくすることにより、さらに出力側の実効的電気機械結
合係数の値を大きくし、圧電トランスの出力電力を大き
くしている。

【００２９】また、屈曲振動による圧電トランスのスプ
リアス振動を完全に抑圧するため、入力側内部電極をそ
れぞれ積層型圧電トランスの外表面近傍に厚み方向に対
称に配置し、一方、出力側電極を厚み方向の中央部分に
配置している。厚み方向に入力側電極と出力側電極を非
対称に配置した圧電トランスで入力部と出力部の間に一
層だけ絶縁層を設けた圧電トランスでは、屈曲振動によ
る圧電トランスのスプリアス振動を抑圧することはでき
ないが、使用する正方形板の輪郭広がり振動モード及び
円板の径広がり基本振動モードとスプリアス振動となる
屈曲振動モードの共振周波数を圧電トランスの外形形状
を適切な寸法比に実験的に定めることにより互いに離す
ことができる。このような構成にした圧電トランスで
は、使用する振動モードとスプリアスとなる屈曲振動モ
ードの共振周波数を十分離しておけば、圧電トランスの
性能を十分に引き出すことが可能である。

【００３０】本発明に基づく圧電トランスでは、入出力
間の容量が大きく、雷サージ等の電磁雑音が発生したと
き、この雑音が圧電トランスの入力部から出力部に直達
しやすいことが弱点であるが、圧電トランスの入力部と
出力部との間に遮蔽電極を挿入することにより、この問
題を容易に解決することが可能である。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明に従う積層型圧電セラミッ
クトランスのいくつかの具体的な実施例及び各実施例に
関する計算結果及び実験結果を以下に説明する。

【００３２】

【実施例１】本発明に基づく第１の実施例として、図１
に示す構造を有する輪郭広がり振動モードで動作する圧
電トランスについて説明する。図１において、（ａ）は
本発明に基づく圧電トランスの平面図、（ｂ）は中心線
ａ−ａ’で切った断面図、（ｃ）は中心線ｂ−ｂ’で切
った断面図を示す。出力部の内部電極の面積に比べて、
入力部の内部電極の面積は小さく設定されている。この
圧電トランスの外形寸法は縦・横ともに１４ｍｍの正方
形で、厚さは６ｍｍである。圧電材料は、Ｍｎ，Ｓｂを
ドープしたＰＺＴ系圧電セラミックス（ＮＥＰＥＣ−
８、トーキン製）であり、内部電極はＡｂ／Ｐｄを用
い、テープキャスティング法により作製された。焼結温
度は１０７５℃である。

【００３３】図において、１１は入力部内部電極、１２
は出力部内部電極であり、入力部内部電極の直径は１
１．５ｍｍ、出力部内部電極の直径は１２．５ｍｍであ
る。また、入力部内部電極の間隔はＡＣ１００Ｖをブリ
ッジ整流回路で整流された直流電圧をハーフブリッジス
イッチング回路と直列インダクタによる電流共振回路で
ドライブされるため、出力側の内部電極間隔より大きく
設定されている。また分極処理は外部電極１３，１３’
及び１４，１４’に直流電圧を印加して行われた。内部
電極形状を円形にし、かつ、圧電トランスの主面の面積
に対して電極の面積を０．５以上としたのは以下の理由
による。

【００３４】図２に一辺の長さ１４ｍｍ、厚さ６ｍｍの
正方形状圧電振動子１５の側面図を示す。分極は外部電
極１６，１６’に直流電圧を印加して厚み方向に一様に
なされている。正方形板状振動子が輪郭広がり振動モー
ドで振動しているときの電束密度分布を有限要素法（Ｆ
ＥＭ）によって求めた。図２において、矢印は分極方向
を示す。図２の点線ｃ−ｃ’及びｇ−ｇ’は表面電極部
分を示す。またｅ−ｅ’はこの振動子の厚み方向中央部
分を示す。ｄ−ｄ’、ｆ−ｆ’は表面電極から振動子の
厚さの４分の１部分（１．５ｍｍ）を示す。

【００３５】図３は図２に示した点線ｃ−ｃ’及びｇ−
ｇ’表面電極部分の電束密度分布、図４は図２に示した
点線ｄ−ｄ’及びｆ−ｆ’部分の電束密度分布、また図
５は同じく図２に示した点線ｅ−ｅ’部分の電束密度分
布を示す。図３から図５にかけて示した電束密度分布を
見てわかるように、斜線で示した電束密度が最高に高い
部分の面積は厚み方向中央部分にいくに従い大きくな
り、それらの等高線の形が円形であることがわかる。従
って、内部電極の形状を円形とすることにより、もっと
も効果的に圧電トランスの励振、及び発電が可能である
ことがわかる。

【００３６】図６に図２に示した圧電振動子における実
効的電気機械結合係数ｋ_effと電極面積Ｓとの関係を示
す。縦軸は主面全体が電極で覆われたときの実効的電気
機械結合係数ｋ_eff,0で基準化されている。横軸は主面
の面積Ｓ₀で基準化されている。図６から明らかなよう
に、Ｓ／Ｓ₀が０．８から０．９にかけて、ｋ_eff／ｋ_ef
_f,0が最大値を取り、Ｓ／Ｓ₀が０．５の時、ｋ_eff／ｋ
_eff,0が０．９より若干高い値となっており、Ｓ／Ｓ₀が
０．５以下になると急速にｋ_eff／ｋ_eff,0が小さくなる
ことがわかる。

【００３７】なお、図１に示した正方形板状輪郭広がり
モード圧電トランスにおいて、出力側の電気機械結合係
数を大きくし、所定の振動振幅に対し負荷側に最大限の
電力を供給するために、出力部の体積を圧電トランスの
体積の６０％以上としている。このため、入力側の実効
的電気機械結合係数の値は２５％であるのに対し、出力
側の実効的な電気機械結合係数の値は４２％と高くなっ
ている。この圧電セラミックトランスの共振周波数は１
３５ｋＨｚであった。

【００３８】図１に示した圧電トランスのハイパワー特
性を図７に示す。この圧電トランスは整流回路に圧電ト
ランスの出力インピーダンスを高く設定できるカレント
ダブラ方式を想定して設計されたものである。出力電力
３０Ｗで温度上昇３０℃、効率９６％を示している。従
って、電力密度は２５．５Ｗ／ｃｃに達し、この電力密
度の値は電磁型トランスの約５倍に値する驚異的なもの
である。一方、圧電トランスの両主面付近に出力部を設
け、入力部を厚み方向の中央部分に設けた圧電トランス
では、同一外形寸法で、温度上昇３０℃で出力電力は１
８Ｗと低いものであった。また本圧電トランスをカレン
トダブラ整流器に接続し、該圧電トランスをハーフブリ
ッジ駆動回路と該圧電トランスと直列に接続されるイン
ダクタで電流共振駆動を行った結果、出力２０Ｗで９０
％近い高いＡＣ−ＤＣコンバータ効率を得ることができ
た。

【００３９】

【実施例２】しかしながら、図１に示した本発明に基づ
く圧電セラミックトランスは、雷サージなどが発生した
場合、該圧電セラミックトランスの入出力間容量が数ｎ
Ｆと大きいため、バリスタでは十分吸収できない可能性
がある。そこで第２の実施例としては、図１に示した本
発明に基づく圧電セラミックトランスの入力部と出力部
の中間に遮蔽電極を設け、該遮蔽電極からリードを取り
出し、ＡＣ−ＤＣコンバータのアース部分に接続するこ
とにより、雷サージ等の電磁ノイズが発生した場合、電
磁ノイズを完全にアース部分に逃がすことができる。本
第２の実施例の圧電トランスを図８に示す。図８は図１
における一点鎖線ｂ−ｂ’で切った断面図であり、遮蔽
電極１７を入出力間に挿入することにより、１次側（入
力側）で発生した電磁ノイズを２次側（出力側）に通過
させる経路を完全に遮断することができる。本圧電トラ
ンスの性能は、図１に示した圧電トランスの性能と何ら
変わらないことは言うまでもない。

【００４０】

【実施例３】有機バインダとＭｎ、ＳｂをドープしたＰ
ＺＴ系圧電セラミックス（ＮＥＰＥＣ−８、トーキン
製）を混合した泥状の高粘度な液体を造り、ドクターブ
レード法により１００μｍ程度の厚さのグリーンシート
を作成し、必要な部分にはＡｇ／Ｐｄ内部電極ペースト
を印刷した。その後、これらのグリーンシートを積層、
圧着し、１１００℃の温度で電気炉を用いて焼結した。
積層した圧電セラミックトランスの焼結体を図９に示
す。図９において、（ａ）は本実施例に基づく圧電トラ
ンスの平面図、（ｂ）は（ａ）に示した圧電トランスの
平面図における中心線ａ−ａ’での断面図、（ｃ）は
（ａ）に示した圧電トランスの平面図における中心線ｂ
−ｂ’での断面図を示す。

【００４１】図９において、圧電トランスの入力部と出
力部は厚み方向に非対称な構造であり、入力側端子電極
１３，１３’、出力側端子電極１４、１４’を用いて直
流高電圧を加えて分極処理を行い、圧電性を付与する。
図９に示した圧電トランスは、内部電極構成が厚み方向
に対して非対称であるため、使用する輪郭広がり振動の
他に正方形板の屈曲振動モードが励振される。しかしな
がら、この正方形板の屈曲振動モードに基づくスプリア
ス振動は、圧電トランスの外壁寸法比を適切な値に設定
することにより、使用する輪郭広がり振動の共振周波数
より十分遠ざけて、該スプリアス振動の影響を全く無視
できるほど小さくすることができる。また、図９に示し
た厚み方向に非対称構造の内部電極を有する圧電トラン
スは、図１に示した厚み方向に対称な内部電極を有する
圧電トランスに比べて、入力部と出力部との間のキャパ
シタンスの値を小さく実現することができ、外部電磁雑
音の影響を小さくすることができる。

【００４２】一方、該圧電トランスが輪郭広がり振動モ
ードで動作している場合、該圧電トランスの厚み方向中
央部分が最大の電荷蓄積を行うことができるが、圧電ト
ランスの実効的電気機械結合係数を上げるためには、厚
み方向の中央部分に出力側電極を設ける必要がある。本
実施例の圧電トランスの場合、出力部分の体積を該圧電
トランス全体の体積の６０％以上とすることができるの
で、この課題は容易に達成することができる。

【００４３】図９において、一辺の長さ１４ｍｍ、高さ
６ｍｍ、出力部の体積を圧電トランスの体積の７０％と
し、入力部の電極の直径１１．５ｍｍ、出力部分の電極
１２．５ｍｍとして、本実施例に従った圧電トランスを
試作した。その結果、入力部における実効的電気機械結
合係数の値０．２３、出力部における実効的電気機械結
合係数の値０．４４を得た。この圧電トランスの出力電
力に対する効率、温度上昇の関係を図１０に示す。出力
電力３０Ｗにおいて、効率９７％、温度上昇２５℃であ
った。また。温度上昇３０℃における電力密度は２７Ｗ
／ｃｃと電磁型トランスの約５倍の値となる極めて大き
なものであった。なお、本圧電トランスにおいて、スプ
リアスとなる屈曲振動モードは圧電トランスの輪郭広が
り振動モードの共振周波数（１３５ｋＨｚ）から十分離
れた位置にあるので、該スプリアスによる圧電トランス
への悪影響は全くなかった。

【００４４】次に、本圧電トランスの入力側と出力側の
中間に遮蔽電極１７を設けた構造の圧電トランスの断面
図を図９（ｃ）に基づいて、図１１に示す。図１１から
明らかなように、入力側で発生した電磁ノイズを該遮蔽
電極１７により出力側に伝送するのを完全に防止するこ
とができる。

【００４５】

【実施例４】本発明に基づく第４の実施例として、径広
がり振動モードで動作する円板状圧電セラミックトラン
スについて説明する。本発明に基づく圧電トランスの動
作を説明するために、図１２に示すような主面全体に電
極を付けた円板状圧電セラミック振動子について述べ
る。図１２は円板状圧電セラミック振動子の側面図を示
す。図１２において、１８は円板状圧電セラミック振動
子、１９，１９’は外部電極であり、図中の矢印は厚み
方向に一様に分極された分極方向を示す。

【００４６】円板状圧電セラミック振動子を径広がり振
動基本モード（一様に径方向に広がる振動モード）で駆
動したときの電束密度分布を図１３、図１４及び図１５
に示す。図１３は振動子１８の主面ｐ−ｐ’及びｔ−
ｔ’部分の電束密度分布を示す。図１４は振動子１８の
主面ｐ−ｐ’及びｔ−ｔ’と振動子厚み方向の中央部ｒ
−ｒ’の中間部分ｑ−ｑ’及びｓ−ｓ’部における電束
密度分布を示す。図１５はｒ−ｒ’部分の電束密度分布
を示す。図１３、図１４、図１５を比較すると、厚み方
向の中心部分に近づくほど、電束密度が最大となる面積
が大きくなることがわかる。すなわち、ｒ−ｒ’に近い
部分に出力部分の電極面積をできるだけ大きく設け、こ
の部分を出力部とすることにより。電力密度が大きくか
つ電力伝送効率の大きな圧電トランスを実現することが
できるものと考えられる。

【００４７】本発明に基づく、第４の実施例である円板
の径広がり基本モードで動作する圧電トランスを図１６
に示す。図１６（ａ）は円板状圧電トランスの平面図、
図１６（ｂ）は図１６（ａ）における中心線ａ−ａ’で
切った断面図、図１６（ｃ）は図１６（ａ）における中
心線ｂ−ｂ’で切った断面図を示す。図１６において、
１０は本発明に基づく圧電トランス、１１は入力部の内
部電極、１２は出力部における内部電極、１３，１３’
は入力部の外部電極、１４，１４’は出力部の外部電極
であり、内部電極１１、１２は図１に示した輪郭広がり
振動モードで動作する圧電トランスと同様に、厚み方向
に対称に設けられている。この結果、本圧電トランスは
屈曲振動モードによるスプリアス振動を完全に抑圧する
ことができる。

【００４８】図１６に示した円板状圧電トランスは、図
１に示した正方形板状圧電トランスに比べて、加工の工
程が１つ増える（例えば外周研磨など）が、実効的電気
機械結合係数が高いという長所があり、これは電力密度
の高い圧電トランスを実現できることを意味する。ま
た、図１６に示した円板状圧電トランスでは、トランス
の電力密度を大きくするために、出力部の電極面積を入
力部の電極より大きく設定している。入力部の電極面積
は圧電トランス主面の電極面積の５０％以下とすると急
激に入力部の実効的電気機械結合係数の値が小さくなる
ため、５０％以上に設定している。

【００４９】本構造の圧電トランスの一実施例として、
直径が１４ｍｍ、高さ６ｍｍの円板状圧電トランスにつ
いて述べる。入力側内部電極の直径は１１ｍｍ、出力側
内部電極の直径は１２．５ｍｍである。この圧電トラン
スは、入力側外部電極１３，１３’及び出力側外部電極
１４，１４’にそれぞれ直流高電圧を印加して分極され
た。本圧電トランスは出力電力が２０Ｗのときに効率９
８％で、温度上昇３０℃における電力密度は３６Ｗ／ｃ
ｃを示した。

【００５０】

【実施例５】本発明に基づく、他の構成の基本径広がり
振動モードで動作する圧電セラミックトランスの一実施
例を図１７に示す。図１７に示した圧電セラミックトラ
ンスの内部電極構造は図１９に示した圧電セラミックト
ランスと同様、厚み方向に非対称である。このため円板
の屈曲振動モードによるスプリアス振動モードが現れる
が、圧電トランスの寸法比を適切な値にし、用いる径広
がり基本振動モードの共振周波数からスプリアス振動の
共振周波数を全く影響が出ない程度に遠ざける必要があ
る。本実施例では、入力側の実効的結合係数を必要十分
な程度に高めるため、入力側電極の面積を圧電トランス
主面の５０％以上とする必要がある。

【００５１】試作した圧電セラミックトランスの寸法は
直径を１４ｍｍ、入力部の電極の直径は１０．５ｍｍ、
出力部の電極の直径は１２．５ｍｍとした。この圧電ト
ランスは実施例３で述べたドクターブレード法と全く同
じ方法で造られた。本圧電トランスは、入力部の実効的
電気機械結合係数は０．２４、出力部の電気機械結合係
数は出力部の体積が圧電トランスの体積の６５％を占め
ていることもあり、５１％と高い値を示している。本圧
電トランスの性能を測定した結果、出力電力が２０Ｗ時
の効率は９７．５％と高く、温度上昇３０℃における電
力密度は３７Ｗ／ｃｃを示した。

【００５２】しかしながら、本発明に基づく圧電セラミ
ックトランスでは、実施例４及び実施例５に述べた圧電
トランスにおいて、入力と出力間の静電容量の値が数ｎ
Ｆ程度あり、入力側で発生した電磁ノイズの影響を受け
やすいといった弱点がある。この対策として、圧電トラ
ンスの入力部と出力部の中間に図８及び図１１に示した
ような遮蔽電極１７を設けることにより、圧電トランス
の性能を損なわずに容易に解決することができる。

【００５３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
圧電横効果で最も電気機械結合係数の大きな輪郭広がり
モードあるいは基本径広がり振動モードで動作する積層
型圧電セラミックトランスを実現することにより、小型
で大電力の伝送に好適であり、かつ、入力部で発生した
電磁ノイズを出力部に伝達することを避けることができ
る圧電トランスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明に基づく第１の実施例を示
す積層型圧電セラミックトランスの上面図、図１（ｂ）
は（ａ）図ａ−ａ’面の断面図、図１（ｃ）は（ａ）図
ｂ−ｂ’面の断面図である。

【図２】正方形状圧電セラミック振動子の側面図であ
る。

【図３】図２に示した点線ｃ−ｃ’及びｇ−ｇ’表面電
極部分の電束密度分布図である。

【図４】図２に示した点線ｄ−ｄ’及びｆ−ｆ’面部分
の電束密度分布図である。

【図５】図２に示した点線ｅ−ｅ’部分の電束密度分布
図である。

【図６】図２に示した圧電振動子における実効的電気機
械結合係数ｋ_effと電極面積Ｓとの関係を示すグラフで
ある。

【図７】本発明の第１の実施例の積層型圧電セラミック
トランスにおける出力電力に対する効率、温度上昇Δｔ
を示す図である。

【図８】本発明の第２の実施例を示す積層型圧電セラミ
ックトランスの側断面図である。

【図９】図９（ａ）は本発明に基づく第３の実施例を示
す積層型圧電セラミックトランスの上面図、図９（ｂ）
は（ａ）図ａ−ａ’面の断面図、図９（ｃ）は（ａ）図
ｂ−ｂ’面の断面図である。

【図１０】本発明の第３の実施例の積層型圧電セラミッ
クトランスにおける出力電力に対する効率、温度上昇Δ
ｔを示す図である。

【図１１】本発明の第３の実施例の積層型圧電セラミッ
クトランスにおいて、入力側と出力側の中間に遮蔽電極
を設けた構造の圧電トランスの断面図である。

【図１２】円板状圧電セラミック振動子の側面図であ
る。

【図１３】図１２に示した点線ｐ−ｐ’及びｔ−ｔ’表
面電極部分の電束密度分布図である。

【図１４】図１２に示した点線ｑ−ｑ’及びｓ−ｓ’面
部分の電束密度分布図である。

【図１５】図１２に示した点線ｒ−ｒ’部分の電束密度
分布図である。

【図１６】図１６（ａ）は本発明に基づく、第４の実施
例である円板の径広がり基本モードで動作する積層型圧
電セラミックトランスの上面図、図１６（ｂ）は（ａ）
図ａ−ａ’面の断面図、図１６（ｃ）は（ａ）図ｂ−
ｂ’面の断面図である。

【図１７】図１７（ａ）は本発明に基づく、第５の実施
例である円板の径広がり基本モードで動作する積層型圧
電セラミックトランスの他の構成例を示す上面図、図１
７（ｂ）は（ａ）図ａ−ａ’面の断面図、図１７（ｃ）
は（ａ）図ｂ−ｂ’面の断面図である。

【図１８】積層型圧電トランスの従来技術を示す圧電ト
ランスの構成図である。

【図１９】積層型圧電トランスの従来技術を示す圧電ト
ランスの他の構成図である。

【図２０】円板広がり振動モードを利用した積層型圧電
トランスの従来技術を示す圧電トランスの構成図であ
る。

【符号の説明】

１０積層型圧電セラミックトランス１１入力部内部電極１２出力部内部電極１３，１３’ 入力部外部電極端子１４’出力部外部電極端子１５正方形状圧電セラミック振動子１６，１６’ 外部電極端子１７遮蔽電極１８円板状圧電セラミック振動子１９，１９’ 外部電極端子１０１，１０５圧電セラミック板１０３，１０７電極

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/107 H01L 41/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外形形状が正方形状で、入力側内部電極及
び出力側内部電極が主面と平行に形成されている横効果
輪郭広がりモードで動作する積層型圧電セラミックトラ
ンスにおいて、出力部の体積を全圧電セラミックトラン
スの体積の６０％以上とし、かつ、該入力側、出力側内
部電極の形状を円形とし、かつ、内部電極の面積を該積
層型圧電セラミックトランスの主面の全面積の５０％以
上としたことを特徴とする圧電セラミックトランス。
【請求項２】外形形状が円板状であり、入力側内部電
極及び出力側内部電極が主面と平行に形成されている圧
電横効果径広がり振動モードで動作する積層型圧電セラ
ミックトランスにおいて、出力部分の体積を全圧電セラ
ミックトランスの体積の６０％以上とし、かつ、厚み方
向中心部分が出力部に含まれ、かつ、該内部電極の形状
を円形とし、かつ、該入力側、出力側内部電極の面積を
該積層型圧電セラミックトランスの主面の全面積の５０
％以上としたことを特徴とする圧電セラミックトラン
ス。
【請求項３】入力側内部電極の面積より、出力側内部電
極の面積を同等かそれ以上としたことを特徴とする請求
項１に記載の積層型圧電セラミックトランス。
【請求項４】入力側内部電極の面積より、出力側内部電
極の面積を同等かそれ以上としたことを特徴とする請求
項２に記載の積層型圧電セラミックトランス。
【請求項５】入力側内部電極をそれぞれ積層型圧電セラ
ミックトランスの外表面近傍に厚み方向に対称に配置
し、出力側内部電極を厚み方向中央部分に配置し、入力
側内部電極層と出力側内部電極層間に絶縁層を設けたこ
とを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電セラミック
トランス。
【請求項６】入力側内部電極をそれぞれ積層型圧電セラ
ミックトランスの外表面近傍に厚み方向に対称に配置
し、出力側内部電極を厚み方向中央部分に配置し、入力
側内部電極層と出力側内部電極層間に絶縁層を設けたこ
とを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電セラミック
トランス。
【請求項７】積層型圧電セラミックトランスの主面の一
方の面から厚み方向中央部分にかけて入力側電極を設
け、主面の他方の面から厚み方向中央部分にかけて出力
側電極を設け、入力側電極と出力側電極間に絶縁層を設
けたことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電トラ
ンス。
【請求項８】積層型圧電セラミックトランスの主面の一
方の面から厚み方向中央部分にかけて入力側電極を設
け、主面の他方の面から厚み方向中央部分にかけて出力
側電極を設け、入力側電極と出力側電極間に絶縁層を設
けたことを特徴とする請求項２に記載の積層型圧電トラ
ンス。
【請求項９】入力側と出力側の中央部分に遮蔽電極を設
けたことを特徴とする請求項１、３、５又は７に記載の
積層型圧電セラミックトランス。
【請求項１０】入力側と出力側の中央部分に遮蔽電極を
設けたことを特徴とする請求項２、４、６又は８に記載
の積層型圧電セラミックトランス。
【請求項１１】内部電極をＡｇ／Ｐｄとしたことを特徴
とする請求項１又は２に記載の積層型圧電セラミックト
ランス。
【請求項１２】請求項１又は２に記載の積層型圧電セラ
ミックトランスの製造方法であって、ドクターブレード
法によって、グリーンシートを作製し、積層、圧着を行
い焼結し、その後、入力端子、出力端子にそれぞれ直流
高電圧を加え分極を行い製造することを特徴とする積層
型圧電トランスの製造方法。