JP3663524B2 - 圧電トランス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電性セラミックスから成る矩形板（圧電振動子）の長さ方向の共振モードを利用した圧電トランスに関し、特に、その矩形板の構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電気発生器や液晶ディスプレイのバックライトには、大きな電流値は必要としないが、およそ１ｋＶで数ワット程度の高電圧電源装置が用いられている。このような装置に対して、発生電磁ノイズの低減化、低消費電力化、機器の小型低背化等の要求により、圧電トランスの実用化がなされつつある。
【０００３】
図３は、従来の圧電トランスを示す概略的な斜視図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）はそれぞれ、図３における圧電トランスの切断面Ａ′−Ａ′、Ｂ′−Ｂ′、Ｃ′−Ｃ′、およびＤ′−Ｄ′による縦断面図である。図５（ａ）、ならびに（ｂ）はそれぞれ、図３における圧電トランスの切断面Ｅ′−Ｅ′による縦断面図、ならびにこの縦断面図に対応する圧電トランスの矩形板の長さ方向における変位分布（実線）および応力分布（破線）を示す図である。
【０００４】
図３ならびに図４（ａ）〜（ｄ）を参照して、従来の圧電トランス６０は、圧電セラミックスから成る矩形板６１（全長Ｌ＝Ｌ′×４）を有している。尚、図３および図４（ａ）中、矢印は、分極方向を示している。
【０００５】
矩形板６１は、その長さ方向（図３中、左右方向）に、一方および他方の区分に仮想的に区分される。
【０００６】
矩形板６１の一方の区分（図３中、左側）では、そのほぼ全域にわたる面積を持ち、かつ矩形板６１の厚さ方向に所定間隔をおいて交互に対向する積層電極層６２および６３と、矩形板６１の長側面上の図中左端からＬ／４の位置（矩形板６１の共振振動の節上）にて積層電極層６２および６３のそれぞれに接続する節上側面電極層６４および６５とを有している。
【０００７】
矩形板６１の他方の区分（図３中、右側）では、矩形板６１の図３中左端からＬ／２の位置（矩形板６１の共振振動の最大変位点（腹）上）にて、矩形板６１の幅方向に両端部が矩形板６１の長側面にまで達するように延び、かつ矩形板６１の厚さ方向に所定間隔をおいて対向する節外積層電極層６６と、矩形板６１の両長側面上にて、節外積層電極層６６の両端部に接続する節外側面電極層６７ａおよび６７ｂと、矩形板６１の図３中左端からＬ×（３／４）の位置（矩形板６１の共振振動の節上）にて、矩形板６１の幅方向に両端部が矩形板６１の長側面にまで達するように延び、かつ矩形板６１の厚さ方向に所定間隔をおいて対向する節上積層電極層６８と、矩形板６１の両長側面上にて、節上積層電極層６８の両端部に接続する節上側面電極層６９ａおよび６９ｂと、矩形板６１の図３中左端からＬの位置（矩形板６１の共振振動の最大変位点（腹）上）にて、矩形板６１の幅方向に両端部が矩形板６１の長側面にまで達するように延び、かつ矩形板６１の厚さ方向に所定間隔をおいて対向する節外積層電極層７０と、矩形板６１の両長側面上にて、節外積層電極層７０の両端部に接続する節外側面電極層７１ａおよび７１ｂと、矩形板６１の図３中右側の短側面上にて、節外積層電極層７０の側端部ならびに節外側面電極層７１ａおよび７１ｂに接続する節外側面電極層７１ｃとを有している。
【０００８】
さて、圧電トランス６０においては、例えば、節上側面電極層６４および６５を入力用端子として用い、節外側面電極層６７ａおよび節外側面電極層７１ａを接地用端子として用い、節上側面電極層６９ａを出力用端子として用いることがある。
【０００９】
即ち、入力用端子としての節上側面電極層６４と節上側面電極層６５との間に、矩形板６１の長さ方向の寸法に対してその共振時の一波長が等しい周波数の入力信号を入力し、接地用端子としての節外側面電極層６７ａおよび節外側面電極層７１ａを接地した場合には、出力用端子としての節上側面電極層６９ａから高電圧の出力がなされる。より具体的には、圧電トランス６０の昇圧比が前述の用途に好ましく１００以上である場合には、入力電圧が１０Ｖ時の節上側面電極層６９ａからの出力は、１ｋＶ以上になる。図５（ｂ）は、各電極層を上記のごとく各端子として割り当てたときの圧電トランス６０（矩形板６１）の振動形態を示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電トランスを使用する際には、前述のごとく、節上側面電極層や節外側面電極層を各種端子として用い、これら各端子に、コンタクトやリード線等の外部接続手段を取り付ける。
【００１１】
ここで、圧電トランス使用時には、矩形板の共振振動によって、外部接続手段の接続部において、その接続関係が切断したり、接触不良を起こしたりする虞がある。このため、接続部を矩形板の共振振動の節上に位置させ、矩形板の共振振動が接続部に可及的印加しないようにするとが好ましい。
【００１２】
このことを、図３〜図５に示した例に適用するならば、振動の腹に位置する節外側面電極層６７ａおよび節外側面電極層７１ａにはリード線等の外部接続手段を直接は接続せずに、まず、節外側面電極層６７ａおよび節外側面電極層７１ａから振動の節上ヘ可撓性の配線パターンを引き回し、振動の節上に外部接続手段を取り付けることになる。尚、この場合の配線パターンは、節外側面電極層６７ａおよび節外側面電極層７１ａが存在する共振振動の腹から共振振動の節上までの間に、さらに他の共振振動の腹を通らない方が好ましいことはいうまでもない。即ち、この例の場合の共振振動の節は、図５（ｂ）中の（（３／４）×Ｌ）の位置にある節が好ましい。
【００１３】
よって、節外側面電極層６７ａおよび節外側面電極層７１ａから図５（ｂ）中の（（３／４）×Ｌ）の位置にある節上まで、可撓性の配線パターンを引き回し、この節上に外部接続手段を取り付けることなる。ところが、この節上には、出力用端子として用いられ、高電圧の出力をなす節上側面電極層６９ａおよび６９ｂがある。一方、節外側面電極層６７ａおよび節外側面電極層７１ａからの配線パターンは接地用端子に関するものである。配線パターンは、通常、絶縁性のフレキシブルフィルム上に導体パターンを形成して成るＦＰＣを用いるので、一応は絶縁がなされる。しかし、出力用端子と接地用端子という電位差が大きい両端子間にフレキシブルフィルム一枚を介するのみでは、絶縁の確保は十分かつ確実ではない。
【００１４】
本発明の課題は、矩形板の共振振動に十分耐え得る外部接続構造と電位差の大きい端子間の絶縁の確保との両方を実現し得る圧電トランスを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧電性セラミックスからなる矩形板（１１）の長さ方向の共振モードを利用した昇圧型の圧電トランス（１０）において、前記矩形板（１１）の共振振動の節上にて、前記矩形板（１１）の幅方向に延び、かつ該矩形板（１１）の厚さ方向に積層する出力用節上積層電極層（１８）を有し、前記出力用節上積層電極層（１８）は、その一端部が該矩形板（１１）の一方の長側面にまで達している一方、他端部が該矩形板（１１）の他方の長側面よりも所定距離をおいて該矩形板（１１）内にとどまっており、さらに、前記矩形板（１１）の一方の長側面上にて、前記出力用節上積層電極層（１８）の一端部に接続する出力用節上側面電極層（１９）を有し、さらにまた、前記矩形板（１１）の共振振動の節以外上にて、前記矩形板（１１）の幅方向に少なくとも他端部が該矩形板の他方の長側面にまで達するように延び、かつ該矩形板（１１）の厚さ方向に積層する出力用節外積層電極層（１６、２０）と、前記矩形板（１１）の他方の長側面上にて、前記出力用節外積層電極層（１６、２０）の他端部に接続する出力用節外側面電極層（１７ａ、２１ａ）と、前記矩形板（１１）の他方の長側面にて、該矩形板（１１）の共振振動の節上に設けられた出力用節上端子パターン（３２ｃ）と、可撓性を持ち、前記矩形板（１１）の他方の長側面上にて、前記出力用節外側面電極層（１７ａ、２１ａ）と前記出力用節上端子パターン（３２ｃ）との間に延びる配線パターン（３３）とを有し、前記矩形板（１１）は、その長さ方向に沿って配列された入力区分および出力区分に区分され、前記出力用節上積層電極層（１８）、前記出力用節上側面電極層（１９）、前記出力用節外積層電極層（１６、２０）、前記出力用節外側面電極層（１７ａ、２１ａ）、および前記出力用節上端子パターン（３２ｃ）は、前記出力区分に形成されており、前記入力区分は、前記矩形板（１１）の厚さ方向に分極されており、前記出力区分は、前記矩形板（１１）の長さ方向に、かつ、前記出力用節上積層電極層（１８）を挟んで対向する２つの向きに分極されており、前記出力用節上側面電極層（１９）と前記出力用節上端子パターン（３２ｃ）とはそれぞれ、外部接続手段を接続するための端子として用いられることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の一形態による圧電トランスを説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の一形態による圧電トランスを示す概略的な斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）はそれぞれ、図１における圧電トランスの切断面Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、およびＤ−Ｄによる縦断面図である。
【００１９】
図１ならびに図２（ａ）〜（ｄ）を参照して、本実施の形態による圧電トランス１０は、従来例と同様に、圧電セラミックスから成る矩形板１１（全長Ｌ＝Ｌ′×４）を有している。尚、図１および図２（ａ）中、矢印は、分極方向を示している。矩形板１１は、その長さ方向（図１中、左右方向）に、一方および他方の区分に仮想的に区分される。矩形板１１の一方の区分（図１中、左側）では、そのほぼ全域にわたる面積を持ち、かつ矩形板１１の厚さ方向に所定間隔をおいて交互に対向する積層電極層１２および１３と、矩形板１１の長側面上の図中左端からＬ／４の位置（矩形板１１の共振振動の節上）にて積層電極層１２および１３のそれぞれに接続する節上側面電極層１４および１５とを有している。
【００２０】
矩形板１１の他方の区分（図１中、右側）では、矩形板１１の図１中左端からＬ／２の位置（矩形板１１の共振振動の腹上）にて、矩形板１１の幅方向に両端部が矩形板１１の長側面にまで達するように延び、かつ矩形板１１の厚さ方向に所定間隔をおいて対向する節外積層電極層１６と、矩形板１１の両長側面上にて、節外積層電極層１６の両端部に接続する節外側面電極層１７ａおよび１７ｂと、矩形板１１の図１中左端からＬ×（３／４）の位置（矩形板１１の共振振動の節上）にて、矩形板１１の幅方向に、一端部が矩形板１１の一方の長側面（図１中、向こう側）にまで達している一方、他端部が矩形板１１の他方の長側面（図１中、手前側）よりも所定距離をおいて矩形板１１内にとどまるように延び、かつ矩形板１１の厚さ方向に所定間隔をおいて対向する節上積層電極層１８と、矩形板１１の一方の長側面上にて、節上積層電極層１８の一端部に接続する節上側面電極層１９と、矩形板１１の図１中左端からＬの位置（矩形板１１の共振振動の腹上）にて、矩形板１１の幅方向に両端部が矩形板１１の長側面にまで達するように延び、かつ矩形板１１の厚さ方向に所定間隔をおいて対向する節外積層電極層２０と、矩形板１１の両長側面上にて、節外積層電極層２０の両端部に接続する節外側面電極層２１ａおよび２１ｂと、矩形板１１の図１中右側の短側面上にて、節外積層電極層２０の側端部ならびに節外側面電極層２１ａおよび２１ｂに接続する節外側面電極層２１ｃとを有している。
【００２１】
さらに、圧電トランス１０は、配線手段としてのＦＰＣ３０を有している。ＦＰＣ３０は、矩形板１１の他方の長側面上にて、矩形板１１の図１中左端からＬ×（３／４）の位置（矩形板１１の共振振動の節上）に設けられた節上端子パターン３２ｃ（厚さ０．３ｍｍ）と、矩形板１１の他方の長側面上にて、節外側面電極層１７ａおよび２１ａのそれぞれに接続する節外端子パターン３２ａおよび３２ｂ（厚さ０．３ｍｍ）と、矩形板１１の他方の長側面上にて、節外側面電極層１７ａおよび２１ａ（節外端子パターン３２ａおよび３２ｂ）のそれぞれと節上端子パターン３２ｃとの間に延びる可撓性の配線パターン３３（厚さ０．３ｍｍ）と、各端子パターンならびに配線パターン３３を被覆する可撓性を持つ絶縁性のポリイミド膜３１とを有している。ただし、節上端子パターン３２ｃの外側面は、ポリイミド膜３１に被覆されておらず、節外端子パターン３２ａおよび３２ｂの内側面は、節外側面電極層１７ａおよび２１ａに接触するように、ポリイミド膜３１に被覆されていない。
【００２２】
さて、節上側面電極層１４および１５は、入力用端子として用いるために、リード線４０が接続される。また、節外側面電極層１７ａおよび節外側面電極層２１ａに接続する節上端子パターン３２ｃは、接地用端子として用いるために、リード線４０が接続される。さらに、節上側面電極層１９は、出力用端子として用いるために、リード線４０が接続される。
【００２３】
次に、圧電トランス１０の製造方法を説明する。圧電トランス１０は、次のようにして、製造された。まず、高ＱｍのＰＺＴ系圧電セラミックスのスリップを用い、グリーンシートを複数枚製膜する。各グリーンシートに銀−パラジウムから成る電極用ペーストにより各積層電極層を印刷する。複数枚のグリーンシートを積層して圧着した後、幅およそ６ｍｍ×長さおよそ４２ｍｍに切断する。脱バインダ処理を行い、大気中にて１１０℃×２時間で焼結する。この焼結体の長側面および一方の短側面に各側面電極層を焼き付ける。この後、１５０℃のシリコンオイル中にて電界強度１ｋＶ／ｍｍで分極処理を施し、各電極層が形成された矩形板１１を得た。矩形板１１の外形寸法は、幅６ｍｍ×長さ４２ｍｍ×厚さ２ｍｍである。
【００２４】
各電極層が形成された矩形板１１の他方の長側面上にＦＰＣ３０を形成する。ポリイミド膜３１は矩形板１１の他方の長側面上に接着し、節外端子パターン３２ａおよび３２ｂは節外側面電極層１７ａおよび２１ａのそれぞれに対して接合する。さらに、節上側面電極層１４および１５、節上端子パターン３２ｃ、ならびに節上側面電極層１９に、リード線４０を接合する。即ち、リード線４０はいずれも、振動の節上から取り出される。
【００２５】
以上のようにして製造された圧電トランス１０の、出力用端子と接地用端子との間の絶縁特性の試験を行った。尚、圧電トランス１０の比較例として、図３〜図５に示した従来の圧電トランス６０を圧電トランス１０と同様の材質、形状、大きさに製造し、さらにＦＰＣ３０と同じ配線手段を形成したものを用意し、この比較例についても、同じ試験を行った。
【００２６】
この試験は、圧電トランスに実際に負荷（冷陰極管）をつないだ際の出力用端子と接地用端子との間の絶縁耐圧を評価するものである。冷陰極管には、直径２．６ｍｍ×長さ２２０ｍｍのものを用いた。試験方法は、圧電トランスヘ他励正弦波を入力し、その入力電圧を徐々に増加させる。試験結果を下記の表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【発明の効果】
本発明による圧電トランスは、矩形板の共振振動の節上にて、矩形板の幅方向に延び、かつ矩形板の厚さ方向に積層する節上積層電極層を有し、節上積層電極層が、その一端部が矩形板の一方の長側面にまで達している一方、他端部が矩形板の他方の長側面よりも所定距離をおいて矩形板内にとどまっており、さらに、矩形板の一方の長側面上にて、節上積層電極層の一端部に接続する節上側面電極層を有しているため、矩形板の共振振動に十分耐え得る外部接続構造と、電位差の大きい端子間の絶縁の確保との両方を実現し得る。
【００２９】
また、電位差の大きい端子間の絶縁を確保するために配線の引き回し方が規制されることがなく、配線の引き回しの自由度が高いので、製品設計上の自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による圧電トランスを示す概略的な斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、図１における圧電トランスの切断面Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄによる縦断面図である。
【図３】従来例による圧電トランスを示す概略的な斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、図３における圧電トランスの切断面Ａ′−Ａ′、Ｂ′−Ｂ′、Ｃ′−Ｃ′、Ｄ′−Ｄ′による縦断面図である。
【図５】（ａ）ならびに（ｂ）はそれぞれ、図３に示す圧電トランスの切断面Ｅ′−Ｅ′による縦断面図ならびにこの縦断面図に対応する圧電トランスの矩形板の長さ方向における変位分布および応力分布を示す図である。
【符号の説明】
１０ 圧電トランス
１１ 矩形板
１２、１３ 積層電極層
１４、１５、１９ 節上側面電極層
１６、２０ 節外積層電極層
１７ａ、１７ｂ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 節外側面電極層
１８ 節上積層電極層
３０ ＦＰＣ
３１ ポリイミド膜
３２ｃ 節上端子パターン
３２ａ、３２ｂ 節外端子パターン
３３ 配線パターン
４０ リード線

Claims (1)

1. 圧電性セラミックスからなる矩形板の長さ方向の共振モードを利用した昇圧型の圧電トランスにおいて、
   前記矩形板の共振振動の節上にて、前記矩形板の幅方向に延び、かつ該矩形板の厚さ方向に積層する出力用節上積層電極層を有し、
   前記出力用節上積層電極層は、その一端部が該矩形板の一方の長側面にまで達している一方、他端部が該矩形板の他方の長側面よりも所定距離をおいて該矩形板内にとどまっており、
   さらに、前記矩形板の一方の長側面上にて、前記出力用節上積層電極層の一端部に接続する出力用節上側面電極層を有し、
   さらにまた、前記矩形板の共振振動の節以外上にて、前記矩形板の幅方向に少なくとも他端部が該矩形板の他方の長側面にまで達するように延び、かつ該矩形板の厚さ方向に積層する出力用節外積層電極層と、
   前記矩形板の他方の長側面上にて、前記出力用節外積層電極層の他端部に接続する出力用節外側面電極層と、
   前記矩形板の他方の長側面にて、該矩形板の共振振動の節上に設けられた出力用節上端子パターンと、
   可撓性を持ち、前記矩形板の他方の長側面上にて、前記出力用節外側面電極層と前記出力用節上端子パターンとの間に延びる配線パターンとを有し、
   前記矩形板は、その長さ方向に沿って配列された入力区分および出力区分に区分され、
   前記出力用節上積層電極層、前記出力用節上側面電極層、前記出力用節外積層電極層、前記出力用節外側面電極層、および前記出力用節上端子パターンは、前記出力区分に形成されており、
   前記入力区分は、前記矩形板の厚さ方向に分極されており、
   前記出力区分は、前記矩形板の長さ方向に、かつ、前記出力用節上積層電極層を挟んで対向する２つの向きに分極されており、
   前記出力用節上側面電極層と前記出力用節上端子パターンとはそれぞれ、外部接続手段を接続するための端子として用いられることを特徴とする圧電トランス。

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