JPH05251781A - 厚み縦振動圧電磁器トランスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高周波帯で動作可能な圧電トランス、特に小
型化、低ノイズ化が実現されると共に、製造が容易で多
入力、多出力の可能なオンボード電源用圧電磁器トラン
スを提供する。 【構成】 誘電率の異なる圧電材料にて低インピーダン
ス部、高インピーダンス部を厚み方向に一体的に形成
し、低インピーダンス部あるいは高インピーダンス部に
切込み溝を設け、複数の出力部あるいは入力部をもつ圧
電磁器トランスとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高周波帯で動作可能な圧
電磁器トランスに関し、特に小型化、低ノイズ化が要求
されるオンボード用圧電磁器トランスの製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子装置の電源回路を小型にする
ために、スイッチング電源には電磁トランスが用いられ
ており、スイッチング電源の小型化にはスイッチング周
波数の高周波化が望ましい。しかしながら、スイッチン
グ周波数を高くすると、電磁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、渦電流損失や導線の表皮
効果による損失が急激に増大し、トランスの効率が非常
に低くなる欠点があった。このため、電磁トランスの実
用的な周波数帯域の上限はせいぜい５００ｋＨｚであっ
た。これに対して、積層型圧電トランスは、共振状態で
使用され、一般の電磁トランスに比べて、（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図れ
る、（２）不燃化が図れる、（３）電磁誘導によるノイ
ズがでないこと、等数多くの長所を有している。

【０００３】図５に従来の代表的な積層型圧電トランス
であるローゼン型圧電トランスの構造を示す。以下、図
面に沿って説明する。高電圧を取り出す場合、表面に電
極が設けられた圧電板において、６１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６３，６４が設けられており、この部分は図
中６６で示すように厚み方向に分極されている。また、
同様に６２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６５が設けられており、発電部分
６２は図中６７で示すように圧電板の長さ方向に分極さ
れている。この圧電トランスの動作は、駆動電極６３，
６４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ｋ₃₁によって縦振動が励振され、トランス全体
が振動する。さらに発電部分６２では、電気機械結合係
数ｋ₃₃によって縦効果縦振動モード（３３モード）によ
り、出力電極６５から高電圧が取り出される。一方、高
電圧を入力し、低電圧を出力させる場合には、縦効果の
高インピーダンス部分６２を入力側とし、横効果の低イ
ンピーダンス部分６１を出力側にすればよい。他のタイ
プの圧電トランスも、いずれもローゼン型と同じ平板の
伸び振動や円板の半径方向拡がり振動を利用したもので
あり、適用周波数は最高２００ｋＨｚ程度までである。

【０００４】それに対して、本発明者らが先に特願平１
−１３９５２５号で開示した圧電磁器トランスは、厚み
方向に分極した圧電磁器板を積み重ねた構造であり、厚
み縦振動の共振周波数で駆動することにより、ＭＨｚ帯
での動作が可能である。

【０００５】

【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、ローゼン型の圧電トランスの適用周波数領域は
２００ｋＨｚ以下の低周波領域においてのみであった。
また、ローゼン型の圧電トランスは縦効果の電気機械結
合係数に比べて著しく小さい横効果振動モードの電気機
械結合係数ｋ₃₁を用いざるを得ないため、帯域幅が小さ
いという欠点があった。さらに、特願平１−１３９５２
５号で開示した圧電磁器トランスでは、単入力、単出力
であるので、限定された箇所でしか用いることができ
ず、多様でかつ広範囲の応用ができなかった。本発明
は、以上の欠点を克服するためになされたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、低誘電率材料
で形成された第１の圧電磁器よりなる高インピーダンス
部と、高誘電率材料で形成された第２の圧電磁器よりな
る低インピーダンス部とが厚み方向に一体的に形成さ
れ、低インピーダンス部および／または高インピーダン
ス部が厚さ方向に形成された切込み溝によって複数部分
に分割された構造を有することを特徴とする厚み縦振動
圧電磁器トランスである。

【０００７】またその製造方法は、第１の圧電磁器材
料、分散媒およびバインダからなる泥漿より第１のグリ
ーンシートを作製する工程と、第２の圧電磁器材料、分
散媒およびバインダからなる泥漿より第２のグリーンシ
ートを作製する工程と、前記第１および第２のグリーン
シートに内部電極を形成する工程と、前記電極印刷の第
１のグリーンシート、電極未印刷の第１のグリーンシー
ト、電極印刷の第２のグリーンシートおよび電極未印刷
の第２のグリーンシートを所定の順序および枚数で積層
して熱圧着する工程と、脱バインダと焼成を行い所定形
状に切断する工程と、低インピーダンス部および／また
は高インピーダンス部に切込み溝を設ける工程と、電極
端子を形成し、該電極端子に電圧を印加し、分極を施す
工程とを備えてなることを特徴とする。

【０００８】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図１
は本発明の圧電磁器トランスの一例の斜視図であり、図
２はその断面結線図である。図１、図２において、本発
明の圧電磁器トランスは、誘電率の大きい圧電磁器層１
５を多数積層した低インピーダンス部１１と、その中間
に絶縁層１６を介し、誘電率の小さい圧電磁器層１４か
らなる高インピーダンス部１２とで構成されている。ま
た、低インピーダンス部１１は、積層方向に垂直に切込
み溝１７が設けられている。外部電極端子は、図２に示
すように、低インピーダンス部１１の内部電極層１３を
外部で交互に接続し、出力端子２１，２２，２３，２
４，２５，２６とし、高インピーダンス部１２の上下に
位置する内部電極層１３から入力端子を取り出し、２
７，２８とする。なお、高インピーダンス部１２の圧電
セラミック層の合計厚さと低インピーダンス部１１の圧
電セラミック層の合計厚さとが同じになるように構成す
る。また、切込み溝１７を設けたことにより、独立した
３個の低インピーダンス部と１個の高インピーダンス部
が１つの積層体として構成されている。

【０００９】高インピーダンス部１２の電極端子２７，
２８間に厚み縦振動の共振周波数と等しい周波数の高電
圧を印加すると、圧電磁器トランスの全体が機械的に共
振し、低インピーダンス部１１では正圧電効果により入
力電圧と同一周波数の電圧を発生し、電極端子２１，２
２，２３，２４，２５，２６に出力する。その際、入力
側と出力側のインピーダンスの違いにより、出力端子２
１，２２間、２３，２４間、２５，２６間の電圧は入力
端子２７，２８間の電圧よりも低くなる。なお、低電圧
を高電圧に変換する場合は、高インピーダンス部に切込
み溝を設け、低インピーダンス部を入力側に、高インピ
ーダンス部を出力側にすることにより低電圧から高電圧
が多出力される。このように低インピーダンス部、高イ
ンピーダンス部において、誘電率の異なる圧電磁器と切
込み溝との組み合わせによって一体型の積層体で多出力
あるいは多入力を有する圧電磁器トランスが実現でき、
電源の小型化およびコストダウンに非常に効果がある。

【００１０】厚み縦振動の共振周波数は、圧電縦効果に
よる共振周波数の低下を無視すれば次式で表される。 ｆ_r＝ｎ・ｖ_t ／２ｔ （ｎ＝１，２，３ ・・・） ここに、 ｆ_r： 厚み縦振動の共振周波数 ｎ ： モード次数 ｖ_t： 厚さ方向の縦波の音速 ｔ ： 厚み ここでｖ_t，ｔが一定となるように圧電磁器トランスを
作製できれば厚み縦振動の共振周波数ｆ_rも一定となる
が、一体焼成時の収縮率のバラツキ等により必ずしも設
計通りの共振周波数とはならない。そこで、焼成後に共
振周波数を調整できる構造が望ましい。上下主面に電極
を設けている圧電トランスでは焼成後に調整する事は容
易ではないが、上下に研磨可能な周波数調整層を配置す
ることにより、焼成後の研磨により所期の共振周波数が
得られ、外部回路の駆動周波数と正確に一致させること
ができる。

【００１１】次に、効率について考える。圧電磁器トラ
ンスの損失は大半が機械的損失であり、その機械的損失
は機械的品質係数Ｑｍが小さいほど大きい。この機械的
品質係数Ｑｍは上下主面の平行度、平面度に大きく依存
する。焼成しただけの圧電トランスの表面は平行度、平
面度とも悪く、その機械的品質係数Ｑｍはせいぜい数１
００である。これに対しては、平行平面研磨を行うこと
により、数μｍ以内の平行度、平面度を得ることが可能
で、１０００以上の機械的品質係数Ｑｍが容易に得られ
る。更に、本発明に基づく圧電トランスでは主面に垂直
な切込み溝を形成しているが、切込み溝の間隔を、利用
する厚み縦振動の共振周波数を避けるような寸法とする
ことにより圧電横効果に基づく幅スプリアス振動を使用
帯域外に追いやることが可能である。

【００１２】このような１個の積層体の中に独立した３
個の低インピーダンス部を有する圧電磁器トランスは、
積層圧電セラミックコンデンサや積層圧電アクチュエー
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）にて作製することが可能である。また、溝を
形成する方法としては、本発明のように焼成された積層
体にダイシングソー，ワイヤーカットなどを用いて溝を
形成することが可能である。このような方法で作製した
圧電磁器トランスでは、１／２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）の厚み縦共振振動を利用するとしても、積層セラ
ミック技術を用いて、２〜１０ＭＨｚ帯の超高周波領域
で動作する圧電磁器トランスを実現できる。

【００１３】図３は図１，図２に示した構造の圧電磁器
トランスの作製方法の説明図である。図１，図２に示し
た圧電磁器トランスは、３個の独立した低インピーダン
ス部を有する四端子型圧電トランスの一体積層型であ
り、各々、２ＭＨｚ帯厚み縦二次モードを用い、低誘電
率圧電材料としてはＰｂＴｉＯ₃ 系圧電材料を用い、高
誘電率材料としてはＰＺＴ系圧電材料を用いている。そ
の製造方法を、図３（ａ）〜（ｃ）に示す。まず低誘電
率材料のグリーンシート（第１の圧電磁器層）である
が、これは、前述のＰｂＴｉＯ₃ 系圧電セラミック粉末
を有機バインダと共に溶媒中に分散し、スラリー状とす
る。これをドクターブレードを用いたキャスティング法
によって、厚さが約７０μｍのグリーンシートを作製す
る。その後、熱プレス機で積層圧着するために必要な形
状、すなわちプレス金型に適合する大きさにパンチング
機により打ち抜き切断する。次いで前述したグリーンシ
ートに内部電極層としてＰｔ、バインダ、有機溶剤から
なるＰｔペーストをスクリーン印刷法により印刷し、内
部電極１３を形成する。次に高誘電率材料のグリーンシ
ート（第２の圧電磁器材料）であるが、これは前述のＰ
ＺＴ系圧電セラミック粉末を用いて、ＰｂＴｉＯ₃系圧
電材料のグリーンシートと同様に製造される。次にこの
グリーンシートにＰｔ、ＰＺＴ系圧電セラミック粉末、
バインダおよび溶剤からなるＰｔペーストをスクリーン
印刷し、内部電極１３を形成する。

【００１４】その後、内部電極１３の印刷されたＰｂＴ
ｉＯ₃系圧電材料のグリーンシート（第１の圧電磁器
層）１４を１枚、ＰｂＴｉＯ₃系圧電材料のグリーンシ
ート１４を１５枚、内部電極１３の印刷されたＰｂＴｉ
Ｏ₃系圧電材料のグリーンシート１４を１枚、ＰＺＴ系
圧電材料のグリーンシート（第２の圧電磁器層）１５を
１枚、内部電極１３の印刷されたＰＺＴ系圧電材料のグ
リーンシート１５を１枚、ＰＺＴ系圧電材料のグリーン
シート１５を１５枚、内部電極１３の印刷されたＰＺＴ
系圧電材料のグリーンシート１５を１枚を順次重ねる
（図３（ａ））。次いでプレス金型に入れ、熱プレス機
にて積層熱圧着し、グリーン積層体とする。このグリー
ン積層体を所定の形状に切断し、５００℃，１０時間空
気中で熱処理して脱バインダを終了する。その後、１２
００℃，２時間焼成し、ダイシングソーにより所定の形
状に切断して図３（ｂ）のような積層体を作製する。

【００１５】その後、低インピーダンス部をダイシング
ソーにより積層方向に垂直に切込み溝を入れ、図３
（ｃ）のような圧電磁器トランス素子を作製する。内部
電極はそれぞれ１端面のみに露出しており、その端面に
図２に示すように外部電極３１〜３７を焼き付けし、電
極端子２１〜２８をそれぞれ接続する。次に、電極端子
２７と２８間に５ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、２１
と２２間、２３と２４間、２５と２６間に７ｋＶ／ｍｍ
の直流電圧を印加し、分極させる。

【００１６】次に、高インピーダンス部１２の電極端子
２７，２８からそれぞれ縦２次モードを励振する高周波
・高電圧信号を入力し、低インピーダンス部１１の電極
端子２１，２２と２３，２４と２５，２６に適当な抵抗
負荷で終端し、出力を取り出す降圧型のトランスとして
評価した。試作した一体型圧電トランスにて、出力部
（低インピーダンス部）１８，１９，２０の共振周波数
は、１．９８〜２．０６ＭＨｚ，機械的品質係数Ｑｍ値
は５００〜８００、最大エネルギー変換効率は９０〜９
２％で、電力容量はそれぞれ５Ｗを実現し、完全に独立
した３つの出力電圧が得られた。なお、図４に圧電磁器
トランス１１の周波数−ゲイン、効率特性の実測値を示
す。試作した圧電トランスは、トランスの降圧機能およ
び高いエネルギー変換効率を実現していることは明らか
である。

【００１７】以上のように、本発明の圧電磁器トランス
はトランスの降圧機能および高いエネルギー変換効率を
有し、電源の小型化およびコストダウンに非常に有利で
あり、多出力を実現していることは明らかである。な
お、入力端子を低インピーダンス部分、出力端子を高イ
ンピーダンス部分から取り出すことにより昇圧用トラン
スとしても用いることが可能であり、この場合、多入力
を実現することは言うまでもない。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構造によ
る圧電磁器トランスは、複数の低インピーダンス部ある
いは高インピーダンス部を一体化することにより電源の
小型化およびコストダウン等を図ることができ、非常に
効果がある。さらに、１ＭＨｚ以上の高周波帯において
広帯域で使用することができ、小型、高効率で、かつ多
入力、多出力化を実現していることは明らかである。従
って、従来の圧電トランスにはない多様な、かつ広範囲
の応用が可能で、工業的価値も多大である。また、誘電
率の異なる材料を用いることで高インピーダンス部と低
インピーダンス部を形成しているので、圧電磁器の厚み
を変えて内部電極を形成した構造のものに比べて製造が
容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の厚み縦振動圧電磁器トランスの一例の
斜視図である。

【図２】本発明の圧電磁器トランスの一例の断面結線図
および平面図である。

【図３】本発明の圧電磁器トランスの一例の製造方法の
説明図である。

【図４】本発明による圧電磁器トランスの一例の周波数
−ゲイン、効率特性図である。

【図５】従来のローゼン型圧電トランスの一例の斜視図
である。

【符号の説明】

１１，１８，１９，２０，６１ 低インピーダンス部 １２，６２ 高インピーダンス部 １３ 内部電極 １４ 第１の圧電磁器層 １５ 第２の圧電磁器層 １６ 絶縁層 １７ 切込み溝 ２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８ 電
極端子 ３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７ 外
部電極 ６３，６４，６５ 電極 ６６，６７ 分極方向

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低誘電率材料で形成された第１の圧電磁
   器よりなる高インピーダンス部と、高誘電率材料で形成
   された第２の圧電磁器よりなる低インピーダンス部とが
   厚み方向に一体的に形成され、低インピーダンス部およ
   び／または高インピーダンス部が厚さ方向に形成された
   切込み溝によって複数部分に分割された構造を有するこ
   とを特徴とする厚み縦振動圧電磁器トランス。
2. 【請求項２】 請求項１に記載した厚み縦振動圧電磁器
   トランスの製造方法であって、第１の圧電磁器材料、分
   散媒およびバインダからなる泥漿より第１のグリーンシ
   ートを作製する工程と、第２の圧電磁器材料、分散媒お
   よびバインダからなる泥漿より第２のグリーンシートを
   作製する工程と、前記第１および第２のグリーンシート
   に内部電極を形成する工程と、前記電極印刷の第１のグ
   リーンシート、電極未印刷の第１のグリーンシート、電
   極印刷の第２のグリーンシートおよび電極未印刷の第２
   のグリーンシートを所定の順序および枚数で積層して熱
   圧着する工程と、脱バインダと焼成を行い所定形状に切
   断する工程と、低インピーダンス部および／または高イ
   ンピーダンス部に切込み溝を設ける工程と、電極端子を
   形成し、該電極端子に電圧を印加し、分極を施す工程と
   を備えてなることを特徴とする厚み縦振動圧電磁器トラ
   ンスの製造方法。