JP2012160657A

JP2012160657A - 圧電トランス

Info

Publication number: JP2012160657A
Application number: JP2011020937A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Komachi; 友則小町; Naoya Kusayanagi; 直也草柳
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: JP5692580B2

Abstract

【課題】安定的に高い性能を得ることができる圧電トランスを提供する。
【解決手段】圧電セラミックス１を振動可能に支持する突状の曲面を有する導電性の支持体３を備え、前記圧電セラミックス１は、入力電極１１または出力電極１２に前記曲面を接着することにより支持され、前記支持体３は前記入力電極１１または前記出力電極１２に接続される導体として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電セラミックスに入力電極と出力電極とを形成し、前記入力電極に電圧を与えて前記圧電セラミックスを振動させることで前記出力電極に電圧を発生させる圧電トランスに関する。

圧電セラミックスに入力電極と出力電極とを形成して構成された圧電トランスは、伝達効率が高く、絶縁性も確保しやすいなどの特徴を持っている。そのため、小型電源用トランスとして注目されている。

特開平１０−２４２５４０号公報特開平８−１２５２４７号公報

しかし、圧電トランスはトランス自体が振動するため実装が難しく、実装状態に応じてトランスの性能が大きく変化するという特殊性がある。また、圧電トランスの電極へのハンダ付けに際してハンダの広がり方やハンダの重量にばらつきがあると、これが圧電トランスの振動状態に影響し、共振周波数のシフトやトランスとして動作させた時のインピーダンスの変化などに起因する性能劣化を招くという問題もある。

本発明の目的は、安定的に高い性能を得ることができる圧電トランスを提供することにある。

本発明の圧電トランスは、圧電セラミックスに入力電極と出力電極とを形成し、前記入力電極に電圧を与えて前記圧電セラミックスを振動させることで前記出力電極に電圧を発生させる圧電トランスにおいて、前記圧電セラミックスを振動可能に支持する突状の曲面を有する導電性の支持体を備え、前記圧電セラミックスは、前記入力電極または前記出力電極に前記曲面を接着することにより支持され、前記支持体は前記入力電極または前記出力電極に接続される導体として機能することを特徴とする。
この圧電トランスによれば、圧電セラミックスは、入力電極または出力電極に支持体に形成された突状の曲面を接着することにより支持されるので、安定的に適切な振動状態を得ることができる。

前記支持体は球体であってもよい。

前記支持体の前記曲面と、前記入力電極または前記出力電極とがハンダにより固定されてもよい。

前記支持体が取り付けられる基板を備え、前記基板の表面には前記支持体が固定される電極が形成されていてもよい。

前記基板には、前記表面から裏面にかけて貫通し、前記圧電セラミックスを収容する貫通孔が形成されていてもよい。

前記基板の電極には、前記支持体の固定のために使用する導電材の流れを制限する手段が設けられていてもよい。

前記前記入力電極または前記出力電極には、前記支持体の固定のために使用する導電材の流れを制限する手段が設けられていてもよい。

本発明の圧電トランスによれば、圧電セラミックスは、入力電極または出力電極に支持体に形成された突状の曲面を接着することにより支持されるので、安定的に適切な振動状態を得ることができる。

実施例１の圧電トランスの構成を示す図であり、（ａ）は圧電トランスを示す平面図、図１（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線方向から見た正面図。図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図。圧電セラミックスの幅が狭い場合の構成例を示す図。実施例２の圧電トランスの構成を示す斜視図。実施例３の圧電トランスの構成を示す図であり、（ａ）は圧電トランスを示す平面図、（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線方向から見た正面図実施例３の圧電トランスの構成を示す図であり、（ａ）は圧電セラミックスを示す平面図、（ｂ）は基板を示す平面図。圧電セラミックスにおける他の電極構造を示す図であり、（ａ）はパッドを構成する切り欠きを形成する例を示す図、（ｂ）はソルダーレジストを使用する例等を示す図。

次に、本発明による圧電トランスの実施形態について説明する。

以下、図１〜図３を参照して実施例１の圧電トランスについて説明する。

図１（ａ）は本実施例の圧電トランスを示す平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線方向から見た正面図、図２は図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

図１および図２に示すように、本実施例の圧電トランスは、銀電極により形成された矩形状の入力電極１１，１１および矩形状の出力電極１２，１２が設けられた板状の圧電セラミックス１と、圧電セラミックス１が取り付けられる基板２と、を備える。

図１（ａ）および図２に示すように、入力電極１１，１１は、圧電セラミックス１の両面に互いに対向して形成される。同様に、出力電極１２，１２は、入力電極１１，１１から離れた位置において圧電セラミックス１の両面に互いに対向して形成される。

一方、基板２の表面（図１（ｂ）において上面）には、入力電極１１，１１に接続される電極パッド２１と、出力電極１２，１２に接続される電極パッド２２と、がそれぞれ形成されている。また、基板２には、その表面から裏面にかけて貫通する貫通孔２３が形成されている。

図１および図２に示すように、圧電セラミックス１の入力電極１１，１１および出力電極１２，１２には、それぞれハンダ４を介して球状のメタルボール３が取り付けられている。また、メタルボール３は、ハンダ５を介して基板２の電極パッド２１および電極パッド２２に、それぞれ取り付けられている。図１（ａ）に示すように、メタルボール３は、入力電極１１，１１および出力電極１２，１２の位置で、それぞれ圧電セラミックス１を挟み込むように対向している。

このように、圧電セラミックス１は、４つのメタルボール３を介して基板２に取り付けられ、基板２の貫通孔２３の内部に振動可能な状態で収容される。なお、図２では、出力電極１２の領域を示しているが、メタルボール３による入力電極１１の領域における支持状態も同様とされる。

また、圧電セラミックス１の入力電極１１，１１および出力電極１２，１２は、それぞれメタルボール３を介して基板２の電極パッド２１および電極パッド２２に電気的に接続される。

このように、本実施例の圧電トランスでは、４つのメタルボール３が入力電極１１，１１および出力電極１２，１２からの電気信号の取り出しだけでなく、圧電セラミックス１を支持する支持体として機能する。

また、本実施例の圧電トランスでは、基板と圧電セラミックスとの間の接続にメタルボールを用いることにより、圧電セラミックスの支持状態が適切なものとなり、その振動を良好な状態とすることができる。このため、圧電トランスの性能を向上させることができるとともに、振動に基づく劣化が抑制される。また、メタルボール３の位置は圧電セラミックス１の幅（図１（ｂ）における上下方向の幅）のほぼ中心になっている。

また、メタルボールの使用によりマウンターやリフローなどを用いた実装の自動化が可能となり、コストの低減、ばらつきの軽減、信頼性の向上等を図ることができる。さらに、メタルボールの使用により、接続に必要なハンダの量やハンダの状態を安定的に制御できるため、圧電トランスの性能を安定させることができる。

さらに、本実施例の圧電トランスでは、圧電セラミックスを収容するケース等を用いる必要がないため、実装状態での圧電トランスを小型化でき、占有体積を抑制できる。

なお、メタルボール３を圧電セラミックス１の振動の節となる位置に設置すれば、メタルボール３自体やハンダに機械的なストレスを与えず、振動に悪影響を及ぼさない。
さらにまた、実装上の制約等から、メタルボール３を振動の節からずれた位置に設置することもある。この場合、多少の特性劣化はあるが、実用レベルの特性が得られることがある。

また、メタルボールの代わりに、メタルボールの外周にハンダがコーティングされたメタルコアのハンダボールを用いる場合には、実装工程においてクリームハンダを塗布する必要がなく、工程数の削減化、実装の安定化を図ることができる。

また、メタルボールの代わりに、樹脂コアボールにメタルがコーティングされたボール、あるいは、このボールにハンダがコーティングされたコア入りハンダボールを使用してもよい。さらに、支持体として、突状の曲面を有する球状以外の形状のものを使用してもよい。

上記実施例では、基板２に貫通孔２３を形成して圧電セラミックス１を収容しているが、基板に溝を形成し、この溝に圧電セラミックスを収容してもよい。

さらに、図３に示すように、圧電セラミックス１Ａの幅（図３における上下方向の幅）が狭い場合には、基板２に貫通孔や溝を形成することなく、圧電セラミックス１を振動可能に支持することができる。なお、図３において、図１〜図２に示す要素に対応する要素には、図１〜図２と同一符号を付している。

以下、図４を参照して実施例２の圧電トランスについて説明する。

図４は、本実施例の圧電トランスの構成を示す斜視図である。なお、図４において図１〜図２に示す要素に対応する要素には、図１〜図２と同一符号を付している。

図４に示すように、本実施例の圧電トランスでは、圧電セラミックス１の入力電極１１および出力電極１２が、基板２Ａの表面に対向するような方向に圧電セラミックス１が取り付けられる。

基板２Ａには、電極パッド２４，２５，２６，２７が形成され、電極パッド２４は、メタルボール３，３を介して、図４において下面に形成された入力電極１１とハンダ付けにより接続される。同様に、電極パッド２５は、メタルボール３，３を介して、図４において下面に形成された出力電極１２とハンダ付けにより接続される。

一方、図４において上面に形成された入力電極１１には、ハンダ１１ａによりリード線１１ｂの一端が接続され、リード線１１ｂの他端は基板２Ａの電極パッド２６にハンダ２６ａにより接続される。同様に、図４において上面に形成された出力電極１２には、ハンダ１２ａによりリード線１２ｂの一端が接続され、リード線１２ｂの他端は基板２Ａの電極パッド２７にハンダ２７ａにより接続される。これらのリード線の接続には、ワイヤボンディングによる実装手法を用いることができる。

本実施例では、実施例１に示す場合と比較してリード線による特性の劣化は避けられないが、圧電セラミックス１がメタルボール３を介して支持されるため、比較的安定した振動状態を得ることができる。

なお、メタルボールの数は適宜選択可能であり、入力電極１１および出力電極１２についてそれぞれ１つあるいは３つ以上のメタルボール３を使用してもよい。

支持体として、メタルボール３に代えて、実施例１で示した他のボールや突状の曲面を有する球状以外の形状のものを使用してもよい。また、メタルボール３等の支持体を圧電セラミックス１の振動の節となる位置に設置すれば、支持体自体やハンダに機械的なストレスを与えず、振動に悪影響を及ぼさない。しかし、支持体を振動の節からずれた位置に設置してもよい。

以下、図５〜７を参照して実施例３の圧電トランスについて説明する。

本実施例は、支持体を固定するための導電材の流れを制限する手段を例示するものである。

図５（ａ）は本実施例の圧電トランスを示す平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線方向から見た正面図、図６（ａ）は圧電セラミックスを示す平面図、図６（ｂ）は基板を示す平面図である。図５および図６において、図１〜図２に示す要素に対応する要素には、図１〜図２と同一符号を付している。

図５および図６に示すように、圧電セラミックス１Ｂには銀電極により形成された入力電極１１Ｂおよび出力電極１２Ｂが設けられる。入力電極１１Ｂには、メタルボール３が接続されるパッド１１２を構成する切り欠き１１１が、出力電極１２Ｂには、メタルボール３が接続されるパッド１２２を構成する切り欠き１２１が、それぞれ形成されている。

また、基板２Ｂの表面には、個々のメタルボール３が接続されるパッド２１Ｂ，２１Ｂおよびパッド２２Ｂ，２２Ｂが形成されている。

本実施例では、圧電セラミックス１Ｂに予め形成されたパッド１１２およびパッド１２１により、メタルボール３を正確に振動の節に位置決めすることができるため、ばらつきのない高性能な圧電トランスを得ることができる。また、パッド１１２およびパッド１２１の外側にハンダがフローすることが防止できるため、ハンダが広範囲に広がらず、ハンダによる振動の抑制を制限することができる。また、性能の変動も少なくすることができる。

また、本実施例では、基板２Ｂの表面にパッド２１Ｂ，２１Ｂおよびパッド２２Ｂ，２２Ｂが形成されているため、基板２Ｂに対するメタルボール３の位置決め精度も向上し、したがって、基板２Ｂに対する圧電セラミックス１Ｂの位置関係を正確に制御できる。

ハンダのフローを抑制する手段は、実施例２に示した構成に対しても適用できる。この場合、圧電セラミックスの片面（例えば、図４における下面）のみに支持体が接続されるため、その面の電極のみに切り欠きを形成すればよい。切り欠きは個々のメタルボール３に対してそれぞれパッドが形成されるように形成すればよい。また、この場合にも、個々のメタルボール３に対応するパッドを基板表面に形成することで、基板に対する圧電セラミックスの位置関係を正確に制御できる。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、圧電セラミックスにおける他の電極構造を示す図である。

図７（ａ）に示す例では、圧電セラミックス１Ｃに入力電極１１Ｃおよび出力電極１２Ｃが設けられる。入力電極１１Ｃには、メタルボール３が接続されるパッド１１４を構成する切り欠き１１３が、出力電極１２Ｃには、メタルボール３が接続されるパッド１２４を構成する切り欠き１２３が、それぞれ形成されている。このように、パッドを構成するための切り欠きの形状は適宜選択できる。

図７（ｂ）は、ハンダの広がりを抑える手段として、ソルダーレジストを使用する例等を示している。図７（ｂ）の例では、圧電セラミックス１Ｄに入力電極１１Ｄおよび出力電極１２Ｄが設けられる。入力電極１１Ｄの表面には、メタルボール３が接続されるパッド１１６およびパッド１２６の部分以外の領域を覆うソルダーレジストが設けられ、パッド１１６およびパッド１２６の外側へのハンダのフローが防止される。この場合、ソルダーレジストとしては、圧電セラミックス１Ｄの振動を妨げない材質、厚みのものが用いられる。

ソルダーレジストを使用する代わりに、パッド１１６およびパッド１２６の部分について他の領域よりも電極厚を大きく形成してもよい。例えば、パッド１１６およびパッド１２６の部分のみについて二重に電極印刷を行うことで、段差を設けることができる。この場合、段差よりも外側へのハンダのフローが防止される。

また、本実施例で示した各構成は、接続のための手段として、ハンダ以外の導電性ペースト等の他の導電材を使用する場合についても適用することができる。

以上説明したように、本発明の圧電トランスによれば、圧電セラミックスは、入力電極または出力電極に支持体に形成された突状の曲面を接着することにより支持されるので、安定的に適切な振動状態を得ることができる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、圧電セラミックスに入力電極と出力電極とを形成し、前記入力電極に電圧を与えて前記圧電セラミックスを振動させることで前記出力電極に電圧を発生させる圧電トランスに対し、広く適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ圧電セラミックス
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ基板
３メタルボール（支持体）
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ入力電極
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ出力電極
２３貫通孔
１１１，１２１，１１３，１２３切り欠き（導電材の流れを制限する手段）
１１６，１２６パッド（導電材の流れを制限する手段）

Claims

圧電セラミックスに入力電極と出力電極とを形成し、前記入力電極に電圧を与えて前記圧電セラミックスを振動させることで前記出力電極に電圧を発生させる圧電トランスにおいて、
前記圧電セラミックスを振動可能に支持する突状の曲面を有する導電性の支持体を備え、
前記圧電セラミックスは、前記入力電極または前記出力電極に前記曲面を接着することにより支持され、
前記支持体は前記入力電極または前記出力電極に接続される導体として機能することを特徴とする圧電トランス。
前記支持体は球体であることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
前記支持体の前記曲面と、前記入力電極または前記出力電極とがハンダにより固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電トランス。
前記支持体が取り付けられる基板を備え、前記基板の表面には前記支持体が固定される電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電トランス。
前記基板には、前記表面から裏面にかけて貫通し、前記圧電セラミックスを収容する貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電トランス。
前記基板の電極には、前記支持体の固定のために使用する導電材の流れを制限する手段が設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の圧電トランス。
前記前記入力電極または前記出力電極には、前記支持体の固定のために使用する導電材の流れを制限する手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電トランス。