JP2000252541A

JP2000252541A - 積層圧電トランス

Info

Publication number: JP2000252541A
Application number: JP11052488A
Authority: JP
Inventors: Junichi Watanabe; 渡辺　　純一
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】圧電セラミックスの厚みが２００μｍ以下と
薄く、かつ積層数の多い積層圧電トランスにおいて、焼
結温度が１１００℃前後以下であり、圧電セラミックス
の結晶組織が微細かつ均一で、圧電特性や機械的強度に
優れた積層圧電トランスを提供する。【解決手段】厚さ方向に分極された圧電セラミックス
１とＡｇを主体とする内部電極２とを交互に積層してな
る駆動部と長さ方向に分極された発電部を有する圧電ト
ランスの駆動部一層あたりの圧電セラミックス厚みｔが
２００μｍ以下で、単位面積あたりに形成される内部電
極２の重量で表される面密度ｘが２ｍｇ／ｃｍ^２以上で
あり、かつ前記圧電セラミックスの厚みｔ（μｍ）と内
部電極の面密度ｘ（ｍｇ／ｃｍ^２）との比ｔ／ｘが１２
以上である積層圧電トランス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷陰極管点灯回路
用、小型液晶ディスプレーのバックライト点灯用のイン
バータ回路部品である積層圧電トランスに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、液晶デイスプレイにあっては液
晶自体は発光しないことから液晶表示体の背面や側面に
冷陰極管等の放電管を配置するバックライト方式が主流
となっている。この放電管を駆動するためには、使用す
る放電管の長さや直径にもよるが、通常、数百ボルト以
上の交流の高電圧が要求される。この交流の高電圧を発
生させる方法として圧電トランスを用いたインバータが
特開平５−１１４４９２号公報に開示されている。

【０００３】圧電トランスは、巻線が不要なことから構
造が非常に簡単となり、小型化、薄型化、低コスト化が
可能である。この圧電トランスの構造と特徴は、例えば
学献社発行の専門誌「エレクトロセラミックス」１９７
１年７月号の「圧電トランスの特性とその応用」に示さ
れている。

【０００４】最も一般的な圧電トランスの構成と動作を
図１を用いて以下に説明する。図１に示すものは１９５
６年に米国のＣ．Ａ．Ｒｏｓｅｎが発表したローゼン型
圧電トランスの説明用模式図である。斜線を施した部分
は特に電極部であることを示す。

【０００５】図中の１は例えばＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒ
Ｏ_３（ＰＺＴ）の圧電セラミックスである。この圧電ト
ランスの図中左半分の上下面には例えば銀焼き付けによ
り設けられた一対の入力電圧３、４を形成し、右側端面
にも同様の方法で出力電極５を形成する。そして圧電ト
ランスの左半分の駆動部は厚み方向に、右半分の発電部
は長さ方向にそれぞれ矢印に示すように分極処理を施
す。

【０００６】上述の圧電トランスの入力電極３、４間
に、圧電セラミックス１の長さ方向の共振周波数と略同
じ周波数の交流電圧を印加するとこの圧電セラミックス
１は長さ方向に強い機械振動を生じ、これにより右半分
の発電部では圧電効果により電荷を生じ、出力電極５と
入力電極の一方、例えば入力電極４との間に出力電圧Ｖ
ｏが生じる。

【０００７】上記の構成の圧電トランスで得られる昇圧
比（Ｖｏ／Ｖｉ）（ここでＶｉは、入力電圧）は、
（１）式のように表される。（Ｖｏ／Ｖｉ）＝Ａ・ｋ_３１・ｋ_３３・Ｑ_Ｍ・Ｌ／Ｔ（１）式ここで、ｋ_３１：横効果の電気機械結合係数、ｋ_３３：
縦効果の電気機械結合係数、Ｑ_Ｍ：機械的品質係数、
Ｌ：圧電トランスの長さ、Ｔ：圧電トランスの厚さ、
Ａ：定数である。ｋ_３１、ｋ_３３、Ｑ_Ｍは圧電材料によ
り決定される材料定数であり、Ｌ、Ｔは素子の寸法形状
により決定される。

【０００８】前述のバックライト用に使用される圧電ト
ランスは数１００ボルト以上の高い交流高電圧が要求さ
れるため、高い昇圧比が必要とされる。そのためには、
（１）式からわかるように圧電トランス形状の厚さＴを
薄くするか、長さＬを大きくすることが有効であるが、
実装、素子強度の面から、とりうる値には自ずと限界が
あった。

【０００９】このような問題点を解決する方法として薄
手の圧電セラミックスを積層し、駆動部側を並列接続す
るような積層型の圧電トランスが例えば特開平０７−３
０２９３８号公報に開示されている。このような駆動部
側が積層された積層圧電トランスの説明用模式図を図２
に示す。なお、斜線を施した部分は特に電極部であるこ
とを示す。ここで駆動部は、圧電セラミックス１と内部
電極２が交互に積層され、並列に接続された構造となっ
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述の薄手の圧電セラ
ミックス１と内部電極２とを交互に積層した積層圧電ト
ランスは、一般的には積層セラミックコンデンサと同様
の製造方法により製造される。すなわち、鉛、ジルコニ
ウム、チタンなどの金属酸化物を主成分とする組成物か
らなる仮焼原料粉をシート状に形成し、その表面に内部
電極２となる貴金属ペーストを、例えばスクリーンで印
刷した後、その何枚かを積層、圧着し一体化して、その
後焼結される。

【００１１】このような積層圧電トランスの内部電極２
に使用される貴金属は、圧電セラミックスの焼結温度で
酸化されず、かつ溶解しないことが必要であるとともに
工業的に安価であることが望ましく、積層圧電トランス
においても積層セラミックコンデンサと同様に、Ａｇ・
Ｐｄ合金を内部電極材料として用いるのが一般的であ
る。このＡｇ・Ｐｄ合金はＰｄの融点が１５５４℃と高
いので、Ｐｄの比率が高い程高温での焼結に耐える一
方、Ｐｄは焼結途中で酸化還元により体積変化し易いと
いう性質から、Ｐｄの比率が高すぎると焼結途中でセラ
ミック素子との剥離（デラミネーション）を発生し易い
という不具合があった。一方、Ｐｄの比率を抑えると融
点が下がるので、必然的に圧電セラミックスの焼結温度
も下げなくてはならない。積層セラミックコンデンサで
は、内部電極材料としてもっぱら重量％の比でＡｇ：Ｐ
ｄ＝７０：３０の合金を使用するが、これを積層圧電ト
ランスに用いるには、圧電セラミックスを１１００℃前
後の温度で焼結しなければならない。しかしながら従来
の圧電セラミックスは、その焼結温度が１２５０℃前後
であり、従来１１００℃前後の温度で焼結可能な圧電セ
ラミックスはなかった。

【００１２】また、従来の圧電セラミックスを用い、内
部電極をＡｇ・Ｐｄ合金とした積層体を大気中１１００
℃で焼結したところ、内部電極の焼結促進作用によっ
て、圧電セラミックスだけを焼結する場合よりも１００
℃も低温で焼結可能であり、圧電特性に優れた積層圧電
セラミックス振動子を得たとの報告がある（Jpn.J.App
l.Phys.Vol34(1995)p5270-5272)。しかしながら、得ら
れた積層圧電セラミックス振動子の圧電セラミックス
は、内部電極近傍では結晶が粗大化し、内部電極から離
れた部分では緻密化が不十分で結晶粒径も小さいとうい
う著しく不均一な結晶組織であった。

【００１３】上述の問題点を解決する圧電振動子として
本発明者等は特願平１０−０７３７４４号公報で鉛、ジ
ルコニウム、チタンなどの金属の酸化物を主成分とする
組成物を焼結した圧電セラミックスにＦｅとＡｇを含有
させ、該圧電セラミックスの断面観察像における見かけ
の結晶組織の平均結晶粒径が１μｍ以下で、かつ見かけ
の結晶組織の８０面積％以上が１μｍ以下の結晶粒径の
結晶粒で構成した圧電セラミックスを用いて、焼結温度
が１１００℃前後以下で、圧電特性や機械的強度に優れ
た圧電セラミックスと、これを用いた積層圧電セラミッ
クス振動子を提案している。さらに、圧電セラミックス
中の鉛と内部電極中のＡｇとの反応により、Ａｇが圧電
セラミックス中に拡散して焼結を促進すること、並びに
焼結時の雰囲気を制御することにより、その反応性を制
御できることを開示し、これにより１１００℃以下の低
温で緻密でかつ均一な組織を有する積層圧電振動子が得
られるとしている。

【００１４】上記の発明では焼結時の雰囲気を精密に制
御する必要があるが、工業的に多量に製造する場合にあ
っては、製造ロット間の焼結密度のばらつきを生じ易
く、とりわけ、圧電セラミックスの厚みが２００μｍ以
下と薄く、かつ積層数の多い圧電トランスにおいてはＡ
ｇの拡散が顕著で絶縁抵抗の低下により分極が困難であ
るという問題点があった。バックライト用インバータに
用いられる圧電トランスにおいては、冷陰極管の点灯の
際に高出力電圧が必要であり、そのため、昇圧比を大き
くするために駆動部の積層数は増加し、かつ圧電セラミ
ックスの板厚は薄くなる傾向にある。

【００１５】本発明は上述の問題点を解決するためにな
されたもので、特に圧電セラミックスの厚みが２００μ
ｍ以下と薄く、かつ積層数の多い積層圧電トランスにお
いて、焼結温度が１１００℃前後以下であり、圧電セラ
ミックスの結晶組織が微細かつ均一で、圧電特性や機械
的強度に優れた積層圧電トランスを提供することを目的
とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め鋭意研究の結果、発明者らは著しく構成を改善した積
層圧電トランスに想到したものである。すなわち、本発
明は厚さ方向に分極された圧電セラミックスとＡｇを主
体とする内部電極とを交互に積層してなる駆動部と長さ
方向に分極された発電部を有する圧電トランスであっ
て、前記駆動部の一層当たりの圧電セラミックスの厚み
ｔが２００μｍ以下で、単位面積あたりに形成される内
部電極の重量で表される面密度ｘが２ｍｇ／ｃｍ^２以上
であり、かつ前記圧電セラミックスの厚みｔ（μｍ）と
内部電極の面密度ｘ（ｍｇ／ｃｍ^２）との比ｔ／ｘが１
２以上の積層圧電トランスである。

【００１７】なお、前記内部電極をＡｇとＰｄの合金で
ＡｇとＰｄの配合重量比（Ａｇ：Ｐｄ）が（６０：４
０）〜（８０：２０）とすることが望ましい。また、圧
電セラミックスとしては、鉛、チタン、ジルコニウム、
ストロンチウム、鉄の金属酸化物を主成分とするセラミ
ックスで特に特性の良好な圧電トランスが得られる。さ
らに圧電トランス中の発電部の長さＬは３０ｍｍ以下で
あることが望ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】本願発明者らは、Ａｇ・Ｐｄ合金
の圧電セラミックス焼結促進効果について鋭意研究の結
果、Ａｇ・Ｐｄ合金中の特にＡｇが圧電セラミックスの
焼結促進に寄与すること、内部電極から圧電セラミック
スへのＡｇ拡散の程度はＡｇ・Ｐｄ合金により形成され
た内部電極の面密度ｘ（ｍｇ／ｃｍ^２）並びに圧電セ
ラミックスの板厚ｔ（μｍ）とに相関があり、これらｘ
とｔを最適化することにより、焼結温度が１１００℃前
後以下であり、圧電セラミックスの結晶組織が微細かつ
均一で、圧電特性や機械的強度に優れた積層圧電トラン
スが得られることを見出した。

【００１９】圧電トランス中の圧電セラミックスの焼結
性は、内部電極より拡散してくるＡｇの量に依存する。
それゆえ、緻密でかつ均一な組織を有する圧電セラミッ
クスを得るためには内部電極であるＡｇ・Ｐｄ合金の中
のＡｇの量、内部電極の存在する位置、Ａｇが拡散する
圧電セラミックスの距離等を厳密に規定されなければな
らない。本願発明者等は数々の検討により、とりわけ本
願発明の項目を規定することにより、特性良好な圧電ト
ランスを提供できることを見出したものである。

【００２０】本発明において、内部電極のＡｇの含有量
は、（Ａｇ：Ｐｄ）比で（８０：２０）〜（６０：４
０）とするのが好ましい。（Ａｇ：Ｐｄ）比が（８０：
２０）超であると圧電セラミックス中のＡｇ含有量が多
くなり、絶縁抵抗が著しく低下するので好ましくない。
また（６０：４０）未満では内部電極からのＡｇの拡散
が不充分で緻密な焼結体を得ることができない。また、
発電部の長さＬは３０ｍｍ以下であることが望ましい。
これは、発電部の長さが３０ｍｍを越えると駆動部中の
内部電極からのＡｇの拡散距離が長くなりすぎて、発電
部端部に到達するＡｇ量が不足し、発電部端部の焼結密
度が低下するからである。

【００２１】圧電セラミックスを鉛、チタン、ジルコニ
ウム、ストロンチウム、鉄の金属酸化物を主成分とする
圧電材料で構成することにより、圧電トランス等のハイ
パワー用途に適した素子を提供することが可能となる。
以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

【００２２】

【実施例】（実施例１）初めに試料の作成方法について
説明する。酸化鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、炭
酸ストロンチウムを、圧電セラミックスが（Ｐｂ
_０．９５Ｓｒ_０．０５）（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）
Ｏ_３の組成となるとともに、該Ｐｂ量に対し酸化鉛が
０．０５重量％以上０．３重量％以下で過剰となるよう
に秤量し、湿式ボールミルで混合した後、これを乾燥
し、解砕し、さらに８５０℃で２時間仮焼して仮焼粉を
作成した。この解砕粉とＦｅ_２Ｏ_３を０．７重量％各々
秤量の上ボールミルに投入し、湿式で粉砕した後、この
原料を乾燥して仮焼原料粉を作成した。なお該仮焼原料
粉の粒度は１μｍ以下となるようボールミルでの粉砕時
間により適宜調整している。

【００２３】さらにこの仮焼原料粉にバインダーとして
ＰＶＢを、可塑剤としてＢＰＢＧをそれぞれ４重量％添
加し、エチルアルコールを溶媒として、ボールミルにて
２４時間混練した。混練後脱泡と粘度調整を行い、ドク
ターブレード法により６０〜３５０ミクロンのグリーン
シートを作製した。その後、スクリーン印刷法により
（Ａｇ：Ｐｄ）＝（７０：３０）のペーストを用いてグ
リーンシート上に内部電極を印刷し、積層、圧着し、所
定形状に切断して成形体とした。積層数は焼結後の厚み
が２ｍｍ前後になるようにグリーンシートの厚みにより
積層数を調整して積層した。内部電極の面密度はスクリ
ーンの乳剤厚を調整することにより、印刷される電極厚
みを調整することで所望の面密度を得た。この成形体を
アルミナもしくはマグネシアからなる焼成治具に配列
し、これを脱脂後大気中１１００℃で２時間焼成した。
さらに入出力電極を印刷し焼付して、１４０℃、２ｋＶ
／ｍｍの分極電界を印加し分極処理を施して３０ｍｍ×
６．５ｍｍ×２ｍｍのローゼン型積層圧電トランスとし
た。

【００２４】なお、本発明に係る積層圧電トランスの圧
電セラミックス中のＡｇ含有量は焼結体中のＡｇの含有
量を定量分析して確認することが必要である。本実施例
においては上記定量分析の手法としてＩＣＰ発光分析
（Inductively Coupled PlasmaEmission Spectroscop
y）を採用し、焼結後の発電部の圧電セラミックスを切
り出して分析した。分析箇所は積層圧電トランスの発電
領域の長手方向の中央部および端面の部位である。

【００２５】圧電トランスの効率は以下の条件で測定し
た。負荷抵抗として１００ｋΩの抵抗をトランスの出力
側に接続し、発振器により駆動周波数を調整し、さらに
これをパワーアンプにより電流を増幅して２．５Ｗの電
力を圧電トランスの入力部に供給した。交流電流計によ
り出力電流を測定して、出力電力と入力電力の比を圧電
トランスの効率として評価した。効率としては９０％以
上が望ましく、これを評価の基準値とした。なお、駆動
は１波長モードで行った。

【００２６】またＤＣ１００Ｖで積層型圧電トランスの
入力側絶縁抵抗を測定評価した。なお絶縁抵抗は１００
ＭΩ以上が望ましく、これを評価の基準値とした。

【００２７】圧電トランスの密度はガンマ線密度測定器
で測定を行った。なお、スポット径は２φであり、圧電
トランスの局所的な密度の測定を行った。以上によっ
て得た結果を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１において試料のＮｏ．１〜４は本発明
に係る実施例であり、試料のＮｏ．５〜７は比較例であ
って、実施例と区別するために試料番号に（）を付し
た。以下、実施例と比較例とを対比しながら説明する。
表１中のＮｏ．１から４の試料は圧電セラミックスの板
厚ｔと内部電極の面密度ｘとを本発明に係る範囲で変更
した積層圧電トランスである。いずれの実施例において
もＡｇは発電部端部までほぼ均等に拡散しており、その
結果、焼結密度も駆動部、発電部ともに充分に緻密化し
ている。トランスとしての特性も良好であり、また、Ａ
ｇの拡散量も２００〜３５０ｐｐｍの適正な範囲で拡散
しているため、絶縁抵抗も充分に高い値を示している。

【００３０】一方、比較例として示したＮｏ５では圧電
セラミックスの板厚が３００μｍと厚いため、Ａｇの拡
散が不充分となり、とりわけ発電部端部での密度低下が
著しく、このため、トランスとしての効率が不充分であ
る。また、密度が低いので強度が低く、駆動時に破壊す
る恐れもある。Ｎｏ６は圧電セラミックスｔと内部電極
の面密度ｘの比が高い場合である。圧電セラミックスの
厚みに比して、内部電極量が多いので、Ａｇの拡散量が
５００ｐｐｍを越えている。このため、絶縁抵抗の低下
が著しく、分極ができず、トランスとしての評価は不能
であった。Ｎｏ７は内部電極の面密度ｘが１ｍｇ／ｃｍ
^２と低い場合であるが、Ｎｏ５と同様にＡｇの拡散が不
充分で密度が低く、その結果、トランスとしての充分な
特性が得られない。

【００３１】（実施例２）実施例１と同組成の圧電セラ
ミックスを用いて、１２０μｍのグリーンシートを作製
し、内部電極の面密度が４ｍｇ／ｃｍ^２となるように所
定の電極を印刷し、焼結後の厚みが２ｍｍ前後になるよ
うに積層し、以下、実施例１と同様の方法で圧電トラン
スを作製、評価した。なお、内部電極としてＡｇ／Ｐｄ
比の異なる合金を用いて試料を作製した。評価結果を表
２に示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２中のＮｏ．１〜５の試料は、内部電極
を（Ａｇ：Ｐｄ）を（５０：５０）〜（９０：１０）な
るＡｇ・Ｐｄペーストで形成し、大気中で焼結した積層
圧電トランスである。Ｎｏ２〜Ｎｏ４は本発明の実施例
であり、Ｎｏ１およびＮｏ５は比較例である。いずれ
の実施例においてもＡｇは発電部端部までほぼ均等に拡
散しており、その結果、焼結密度も駆動部、発電部とも
に充分に緻密化し、良好な特性を示している。一方、比
較例である（Ａｇ：Ｐｄ）＝（５０：５０）であるＮ
ｏ．１の試料はＡｇの拡散量が不充分であり、良好な特
性を得ることができない。また（Ａｇ：Ｐｄ）＝（９
０：１０）のＮｏ５の試料では、Ａｇ含有量が７００ｐ
ｐｍを超え絶縁抵抗が著しく劣化し分極が出来なかっ
た。

【００３４】（実施例３）実施例１と同組成の圧電セラ
ミックスを用いて、１２０μｍのグリーンシートを作製
し、内部電極の面密度が４ｍｇ／ｃｍ^２となるように所
定の電極を印刷し、焼結後の厚みが２ｍｍ前後になるよ
うに積層し、以下、実施例１と同様の方法で素子長の異
なる圧電トランスを作製、評価した。素子長は３０〜７
５ｍｍとし、発電部の長さＬは素子長の１／２とした。
評価結果を表３に示す。

【００３５】

【表３】

【００３６】表３中のＮｏ１〜Ｎｏ３は本発明の実施例
であり、Ｎｏ４は比較例である。いずれの実施例におい
てもＡｇは発電部端部までほぼ均等に拡散しており、そ
の結果、焼結密度も駆動部、発電部ともに充分に緻密化
し、良好な特性を示している。一方、比較例であるＮｏ
４では発電部が長いため、その端部までＡｇが充分に拡
散できず、その結果、発電部端部近傍の密度が低下し、
充分な特性を得ることができない。

【００３７】なお、これら実施例においてローゼン型の
積層圧電トランスについて記載したが、本願発明は特に
これに限定されるものではなく、積層技術によってなる
他の積層圧電トランスにおいても本発明の効果が変わら
ないことは言うまでもない。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、焼
結温度が１１００℃前後以下であり、圧電セラミックス
の結晶組織が微細かつ均一で、圧電特性に優れた積層圧
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】ローゼン型圧電トランスの構造を説明するため
の斜視図である。

【図２】積層圧電トランスの構造を説明するための斜視
図である。

【符号の説明】

１圧電セラミックス２内部電極３、４入力電極５出力電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚さ方向に分極された圧電セラミックス
とＡｇを主体とする内部電極とを交互に積層してなる駆
動部と長さ方向に分極された発電部を有する圧電トラン
スであって、前記駆動部の一層あたりの圧電セラミック
スの厚みｔが２００μｍ以下で、単位面積あたりに形成
される内部電極の重量で表される面密度ｘが２ｍｇ／ｃ
ｍ^２以上であり、かつ前記圧電セラミックスの厚みｔ
（μｍ）と内部電極の面密度ｘ（ｍｇ／ｃｍ^２）との比
ｔ／ｘが１２以上であることを特徴とする積層圧電トラ
ンス。
【請求項２】内部電極がＡｇとＰｄの合金であって、
配合重量比（Ａｇ：Ｐｄ）が（６０：４０）〜（８０：
２０）であることを特徴とする請求項１記載の積層圧電
トランス。
【請求項３】圧電セラミックスが鉛、チタン、ジルコ
ニウム、ストロンチウム、鉄の金属酸化物を主成分とす
ること特徴とする請求項１又は２に記載の積層圧電トラ
ンス。
【請求項４】圧電トランス中の発電部の長さＬが３０
ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載の積層圧電トランス。