JPH0354878A

JPH0354878A - 厚み振動圧電磁器トランスの製造方法

Info

Publication number: JPH0354878A
Application number: JP1191708A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Oide; 大出　延男
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-07-24
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1991-03-08
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JP2531270B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高周波帯で動作可能な圧電トランスの製造方
法に関するものである。

（従来の技術）近年、電源小型化のため、スイッチング電源の高周波化
が目ざましく行われている。従来より、このスイッチン
グ電源には、電磁型トランスが用いられており、電源を
小型化するためには、周知の如くスイッチング周波数の
高周′波化を図ることが望ましい。ところが、周波数を
高くするほど、電磁型トランスに用いられている磁性材
料のヒステリシス損失、渦電流損失、表皮効果による損
失が急激に増大する欠点を持つ。このため、電磁型トラ
ンスの実用的な周波数帯域の上限はせいぜい５００ｋＨ
ｚである。

これに対して、圧電トランスは、共振状態で使用され、
一般の電磁型トランスに比べて（１）同一周波数におい
て、エネルギー密度が高いため小型化がはかれること、
（２）不燃化がはかれること、（３）電磁誘導によるノ
イズが出ないことなど数多くの長所を有している。

第５図に従来の代表的な圧電トランスであるローゼンタ
イプ圧電トランスの構造を示す。高電圧を取り出そうと
する場合、第５図について説明する？、表面に電極が設
けられた圧電板において、８１で示す部分は圧電トラン
スの低インピーダンスの駆動部分であり、その上下面に
電極８３．８４が設けられており、この部分は厚み方向
に分極されている（図中の矢印で示す）。また、同様に
８２で示す部分は高インピーダンスの発電部分であり、
その端面に電極８５が設けられており、発電部分８２は
圧電極の長さ方向に分極されている（図中の矢印で示す
）。この圧電トランスの動作は、駆動電極８３，　８４
に電圧が印加されると横効果３１モードで、電気機械結
合係数ｋ３■に依って縦振動が励振され、さらに発電部
分では、電気機械結合係数ｋ３３に依って、縦効果縦振
動モード（３３モード）により、高電圧が取り出される
。一方、高電圧を入力し、低電圧を出力させようとする
場合には、縦効果の高インピーダンス部分を入力側、横
効果の低インピーダンス部分を出力側とすれば良いこと
は言うまでもない。他のタイプの圧電トランスも、いず
れもローゼンタイプと同じ板の伸び振動を利用したもの
や円板の径拡がり振動を利用したものであり、適用周波
数は最高２００ｋＨ耐呈度である。

（発明が解決しようとする課題）以上の従来例で示したように、圧電トランスの適用周波
数領域は、２００ｋＨｚ以下の低周波帯においてのみで
あった。また、ローゼンタイプの圧電トランスは、縦効
果の結合係数に比べて著しく小さい、横効果縦振動モー
ドの結合係数ｋ３１を用いざるを得ないため、小さい帯
域幅しか得られないという欠点があった。

（課題を解決するための手段）本発明は、ＩＭＨｚ以上の高周波帯において低損失で十
分な機能を有する圧電トランスの製造方法を提供するた
めになされたものである。本発明の圧電磁器トランスは
、第１図に示す如く、内部多層電極１３を有する低イン
ピーダンス部分１１と、単層（もしくはせいぜい２，３
層）の内部電極１３を有する高インピーダンス部分１２
から構成され、厚み縦振動モードで動作する。分極方向
（図において矢印で示す）は、すべて厚み方向で、隣接
する各層の分極方向は互いに逆向きである。このような
内部多層電極を有する圧電トランスは、積層セラミック
キャパシタ等で用いられている積層セラミック技術（ド
クターブレード法）で製造することが可能であり、この
ような方法で製造した圧電トランスでは、厚間隔が２５
ｐｍ程度まで薄く実現することが可能である。従って、
２分の１波長モード（両端自由の基本モード）、あるい
は１波長モード（両端自由の２次モード）厚み縦共振を
利用したとしても、積層セラミック技術を用いて、５Ｍ
Ｈｚ〜１０ＭＨｚ帯の超音周波領域で動作する圧電トラ
ンスも実現できる。厚みたて振動で動作する圧電トラン
スの出力Ｐ（ワット）は、簡単なエネルギー的考察によ
り、近似的にＰ　ａｔ　ｆｒ゜ｅ’３３゜■゜ｋ２ｔと
なる。ただし、ｆ，は厚みたて共振周波数、ε’３３は
拘束誘電率、■は圧電トランスの体積、ｋ２，は厚みた
て振動の電気機械結合係数である。従って圧電トランス
は、圧電セラミック材料の電気機械結合係数ｋ，が大き
いほど、共振周波数ｒ１が高いほど、単位体積当たりの
出力が大きくなり、それだけ小型化を図ることができる
。

（実施例）第２図（ａ），　（ｂ）は本発明の圧電トランスの一実
施例の断面図である。第２図に示した四端子型圧電トラ
ンスは２ＭＨｚ帯厚み縦２次モードを用いており、圧電
材料としてはＰｂＴｉ０３系圧電材料を用いている。

本トランスでは端子１８．　１９から高い高周波電圧を
印加し、端子１６．　１７において低い高周波電圧が出
力される構成となっており、その幅は３．５ｍｍ、長さ
４．５ｍｍ、板厚は１．９８ｍｍで、このうち高インピ
ーダンス部分１２の板厚は約半分の１．０８ｍｍである
。また高インピーダンス部１２、低インピーダンス部１
１とも、内部電極と圧電材料が交互に積層された構造と
なっており、隣接層間において分極方向が互いに逆向き
になるように電気端子１６．　１７より直流高電圧を印
加することによって分極処理が施されている。外部電極
１５はこの例では高インピーダンス部１２に接続するも
のと低インピーダンス部１１に接続するものはそれぞれ
異なる面に形成されている。

しかし、外部電極１５が高インピーダンス部に接続する
部分と低インピーダンス部に接続する部分とが分離して
おり、同一面に形成されていてもよい。

本圧電トランスの集中定数近似等価回路は第３図のよう
になる。図において、Ｃｄｌ，　Ｃｄ２はそれぞれ入力
側、出力側の制動容量、Ａ１，Ａ２は力係数、ｍ，Ｃ，
騙は二次モードに関する等価質量、等価コンブライアン
ス、等価機械抵抗である。本圧電トランスは、第３図に
示した等価回路に基づき、バターワース１次のフィルタ
として設計された。第４図に、トランスの入出力側に適
当な抵抗負荷で終端したときの動作減衰量特性の実測値
を示す。中心周波数における減衰量は１ｄＢ以下であり
、３ｄＢ比帯域幅は１５％であった。また、電圧伝送に
関して、人力側に交流５０Ｖを印加したところ、安定に
出力側に５■の電圧を得ることができた。

また、本圧電トランスは、駆動周波数をＩＭＨｚとして
、基本厚み縦振動モードを利用することも勿論可能であ
る。

次に本発明の製造方法について、第２図に示した圧電磁
器トランスを製造する場合について説明する。まず、グ
リーンシートの製造方法を説明する。まず圧電材料とし
てＰｂＴｉ０３系圧電セラミックス粉末、バインダーと
してポリビニルアルコール、可塑剤としてグリセリン、
溶剤として水を秤量し、撹拌器で混合する。それぞれの
量はセラミックスが約８０重量％、バインダー約１０重
量％、溶剤は約１０重量％であるが、泥漿と呼ばれる混
合物の粘度が５，０００センチボアズ程度になるように
溶剤が適宜添加される。次にこの泥漿をスリップキャス
ティング法により、厚さが約１３０ｐｍのグリーンシー
トとする。その後、熱プレス機で積層圧着するために必
要な形状、即ちプレス金型に適合する大きさにパンチン
グ器により打抜き切断する。

前述したグリーンシートに、Ａｇ，　Ｐｄ、バインダー
、有機溶剤からなるＡｇ−Ｐｄペーストをスクリーン印
刷法により印刷する。その後、低インピダンス部１１に
なるべき部分としてはＡｇ−Ｐｄペーストの印刷された
グリーンシート（内部電極付グリーンシート）を１０枚
積層する。また高インピーダンス部１２になるべき部分
としては、グリーンシート２枚、内部電極付グリーンシ
ート１枚、グリーンシート２枚内部電極付グリーンシー
ト１枚、グリーンシート２枚、内部電極付グリーンシー
ト１枚、そして最後にグリーンシート１枚を積層する。

次に、この積層体を５００°Ｃ１０時間、空気中で熱処
理して脱バインダーを終了する、その後１３００’Ｃ２
時間、焼成し、所要寸法に切断する。さらに外部電極１
５を焼付けし、電極端子１６と１７間、１８と１９間に
５００Ｖを印加し分極させる。

本発明の他の製造方法は以下のようになる。まず空孔パ
ターンの作或であるが、これはアクリル系感光性樹脂（
厚さ５０ｐｍ）を用意し、これに第２図に示す電極と相
似形のパターン用マスクを用いて、露光し、現像するこ
とで空孔パターンが得られる。その後、本発明第２項で
の内部電極が作戒されるべき位置に空孔パターンが位置
するようにして、グリーンシートと空孔パターンを積層
し熱圧着する。次に第２項と同様にして焼結体を作威し
必要形状に切断する。その後、さらに真空中で、溶融し
たＣｕ中に、これを浸し、空孔パターンと相似形に形成
された空洞部に金属を注入し、これを引き上げた後、冷
却して第２図に示した圧電磁器トランスが得られる。本
発明の他の製造方法としてはＡｇ−Ｐｄペーストの替り
に、カーボン、バインダーと有機溶剤からなるペースト
をスクリーン印刷し、積層、熱プレス、脱バインダー焼
成を行う。その後焼結体中の空洞部にＣｕを注入し、冷
却した後、所要寸法に切断し、外部電極を形成すること
で同様に圧電磁器トランスが得られる。

これらの方法では焼結体が作威された後、内部電極を形
成するため、酸化され易いＡＩ，　Ｃｕ等の任意の金属
を使用することのできる利点がある。

（発明の効果）以上詳述した如く、本発明の製造方法によれば、ＩＭＨ
ｚ以上の高周波帯に使用することができ、かつ小型で高
効率である圧電トランスを効率的に作製することができ
る。また内部電極としてＣｕやＡ１などを用いることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の厚み振動圧電磁器トランスの斜視図、
第２図（ａ），　（ｂ）は本発明の実施例に基づく圧電
磁器トランスの断面図、第３図は本発明の圧電磁器トラ
ンスの集中定数近似等価回路図、第４図は本発明の一実
施例における圧電磁器トランスの動作減衰量特性図、第
５図は従来のローゼンタイプ圧電磁器トランスの斜視図
を示す。図において、ｌ１は本発明の圧電トランスの低インピー
ダンス部分、１２は高インピーダンス部分、１３は内部
電極、１５は外部電極、１６．　１７，　１８．　１９
は電気端子、８１は従来のローゼンタイプ圧電トランス
の低インピーダンス部分、８２は高インピーダンス部分
、８３，　８４．　８５は電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の電極層と圧電磁器層が交互に積層され、電
極層を介して隣接する圧電磁器層は互いに逆向きに分極
されている積層体であって、電極層は一層おきに所定の
外部電極と接続しており、該外部電極は低インピーダン
ス部を構成する一対と高インピーダンス部を構成する一
対とからなる厚み振動圧電磁器トランスの製造方法であ
って、圧電材料、分散媒、バインダーからなる泥漿より
グリーンシートを作製する工程と、グリーンシートに内
部電極を印刷し積層して熱圧着する工程と、脱バインダ
ーと焼成を行ない、所定形状に切断して外部電極を形成
した後、外部電極に電圧を印加し圧電材料を分極する工
程とを備えたことを特徴とする厚み振動圧電磁器トラン
スの製造方法。
（２）複数の電極層と圧電磁器層が交互に積層され、電
極を介して隣接する圧電磁器層は互いに逆向きに分極さ
れている積層体であって、電極層は一層おきに所定の外
部電極と接続しており、該外部電極は低インピーダンス
部を構成する一対と高インピーダンス部を構成する一対
とからなる厚み振動圧電磁器トランスの製造方法であっ
て、圧電材料、分散媒、バインダーからなる泥漿よりグ
リーンシートを作製する工程と、前記圧電材料が焼結す
る温度までに飛散または消失する材料を所定形状に形成
した空孔パターンとを交互に積層する工程と、脱バイン
ダーと焼成を行ない、所定形状に切断した後、前記空孔
パターンにより形成された空孔部に導体材料を注入する
工程と、外部電極を形成し圧電材料を分極する工程とを
備えたことを特徴とする厚み振動圧電磁器トランスの製
造方法。
（３）複数の電極層と圧電磁器層が交互に積層され、電
極層を介して隣接する圧電磁器層は互いに逆向きに分極
されている積層体であって、電極層は一層おきに所定の
外部電極と接続しており、該外部電極は低インピーダン
ス部を構成する一対と高インピーダンス部を構成する一
対とからなる厚み振動圧電磁器トランスの製造方法であ
って、圧電材料、分散媒、バインダーからなる泥漿より
グリーンシートを作製する工程と、前記圧電材料が焼結
する温度までに飛散または消失する材料を印刷法により
グリーンシート上に形成する空孔パターン形成工程と、
前記空孔パターンが形成されたグリーンシートを積層す
る工程と、脱バインダーと焼成を行ない、前記空孔パタ
ーンにより形成された空孔部に導体材料を注入する工程
と、所定形状に切断し、外部電極を形成した後、外部電
極に電圧を印加し、圧電材料を分極する工程とを備えた
ことを特徴とする厚み振動圧電磁器トランスの製造方法
。