JPH05251784A

JPH05251784A - 厚み縦振動圧電磁器トランスおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH05251784A
Application number: JP4083180A
Authority: JP
Inventors: Akio Iwamoto; 明夫岩本; Yasuhiro Sasaki; 康弘佐々木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-03-05
Filing date: 1992-03-05
Publication date: 1993-09-28

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、低ノイズ化が要求されるオンボード電源用圧電ト
ランスであって、多出力、多入力を可能とする。【構成】厚み方向に内部電極と圧電磁器層を交互に積
層して高インピーダンス部と低インピーダンス部を一体
に形成する。低インピーダンス部１６に切込み溝１８を
設けて、独立した３つの低インピーダンス部１１，１
２，１３とすることにより、複数の出力部あるいは入力
部を有する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
るオンボード電源用圧電磁器トランスおよびその製造方
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、複数の内部電
極層と圧電磁器層が交互に積層され、内部電極層を介し
て隣接する圧電磁器層が互いに厚み方向逆向きに分極さ
れている積層体であって、薄い前記圧電磁器層を多数枚
積層した低インピーダンス部と厚い前記圧電磁器層を単
層もしくは少数枚積層した高インピーダンス部からなる
厚み縦振動圧電磁器トランスにおいて、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。またその製造方法は、圧電材料、分散媒およびバ
インダからなる泥漿よりグリーンシートを作製する工程
と、該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、外部電極を
形成する工程と、外部電極に電圧を印加し分極を施す工
程と、平行平面研磨して共振周波数を調整する工程とを
備えたことを特徴とする。

【０００７】

【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、内部電極層１４，１５を介し
て厚み方向に逆向きに分極された圧電磁器層１９を多数
積層した低インピーダンス部１６と、その中間に絶縁層
を介して形成された単層の圧電磁器層１０からなる高イ
ンピーダンス部１７で構成されている。また、低インピ
ーダンス部１６は、積層方向に垂直に切込み溝１８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１６の内部電極層１４を外部で交互に
接続して出力端子２１，２２，２５，２６，２７，２８
とし、高インピーダンス部１７の上下に位置する内部電
極層１５から入力端子を取り出し、２３，２４とする。
なお、高インピーダンス部１７の圧電セラミック層の合
計厚さと低インピーダンス部１６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。ここで、低イ
ンピーダンス部の圧電磁器層は隣接する各層の分極方向
が逆になるように配置されている。また、切込み溝１８
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１１，１２，１３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。

【０００８】高インピーダンス部１７の電極端子２３，
２４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１６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
２，２５，２６，２７，２８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、２５，２６間、２７，２８間の電圧は入力
端子２３，２４間の電圧よりも低くなる。さらに、低イ
ンピーダンス部の電極間隔を変えることにより異なった
電圧を自由に出力することができる。なお、低電圧を高
電圧に変換する場合は、端子２１，２２間、２５，２６
間、２７，２８間に低電圧を印加すれば、端子２３，２
４間から高電圧が出力される。このように一体型の積層
体で多出力あるいは多入力を有する圧電トランスが実現
でき、電源の小型化及びコストダウンに非常に効果があ
る。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】このような内部多層電極および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層間隔を２５
μｍ程度まで薄くすることも可能である。従って、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、２〜１
０ＭＨｚ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。

【００１２】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２次モードを用い、圧電材
料としてはＰｂＴｉＯ₃ 系圧電材料を用いている。その
製造方法は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、まず圧
電材料として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。前述したグリーンシート（圧電磁
器層）１０に内部電極層１４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
印刷する（図３（ａ））。その後、熱プレス機にてグ
リーンシートを複数枚積層圧着し、一枚のグリーン積層
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、１２００℃，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。その後、共振周波数調整のために必
要な厚さになるように平行平面研磨を施す。この実施例
では２ＭＨｚで圧電トランスを駆動するため、圧電トラ
ンスの厚さが２．２ｍｍになるように平行平面研磨す
る。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。

【００１３】内部電極はそれぞれ１端面のみに露出して
おり、その端面に外部電極を焼き付けし、図２に示すよ
うに電極端子２１〜２８をそれぞれ接続する。次に、電
極端子２３と２４間、２１と２２間、２７と２８間、２
５と２６間に７ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し分極させ
る。

【００１４】次に、高インピーダンス部１７の電極端子
２３，２４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１６の電気
端子２１，２２と２５，２６と２７，２８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）１１，１２，１３の共振周波数
は１．９８〜２．０６ＭＨｚ，機械的品質係数Ｑｍ値は
８４５〜８７０、最大エネルギー変換効率は９２〜９４
％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。更に、低インピーダンス部の１層の層間隔を変
えることにより、希望の電圧が得られることも確認され
た。

【００１５】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。また、本実施例では
低インピーダンス部を独立した３つの積層体としたが、
高インピーダンス部を独立した３つの積層体として多入
力、多出力を実現することも可能である。

【００１６】

【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。

【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
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】

１０圧電磁器層１１，１２，１３，１６，６１低インピーダンス部１４，１５，内部電極層１７，６２高インピーダンス部１８切込み溝１９圧電磁器層２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８電
極端子６３，６４，６５電極６６，６７分極方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の内部電極層と圧電磁器層が交互に
積層され、内部電極層を介して隣接する圧電磁器層が互
いに厚み方向逆向きに分極されている積層体であって、
薄い前記圧電磁器層を多数枚積層した低インピーダンス
部と厚い前記圧電磁器層を単層もしくは少数枚積層した
高インピーダンス部からなる厚み縦振動圧電磁器トラン
スにおいて、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。
【請求項２】請求項１に記載した圧電磁器トランスの
製造方法であって、圧電材料、分散媒およびバインダか
らなる泥漿よりグリーンシートを作製する工程と、該グ
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、外部電極を形成する
工程と、外部電極に電圧を印加し分極を施す工程と、平
行平面研磨して共振周波数を調整する工程とを備えたこ
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。