JPH05251785A - 厚み振動圧電磁器トランスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 厚み振動圧電磁器トランスの圧電磁器層の高
インピーダンス部と低インピーダンス部で同時に所望の
分極を行うことにより、トランスに発生する応力を抑制
し、内部電極と圧電磁器層との剥離を防止する。 【構成】 厚み振動圧電磁器トランスは、層数が多く、
かつ隣接する圧電磁器層１４が互いに逆向きに分極され
た低インピーダンス部１１と、圧電磁器層１４の層数の
少ない高インピーダンス部１２から構成される積層体で
ある。低インピーダンス部１１、高インピーダンス部１
２のそれぞれの外部電極に、キュリー点以上の温度中に
て同時に直流電圧を印加し、そのまま降温することによ
り分極処理を施す。

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
るオンボード用圧電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。この積
層型圧電トランスは以下に説明する分極工程によって製
造されている。図６（ａ）に示すように、圧電磁器層１
４が５層からなる低インピーダンス部１１と１層からな
る高インピーダンス部１２による積層体の上下面に設け
られた外部電極１５（ｅ），１５（ｆ）間に５ｋＶ／ｍ
ｍの高い直流電圧を印加し、積層体の各層の分極方向を
厚さ方向の一方向にする。次に、図６（ｂ）に示すよう
に、低インピーダンス部１１に内部電極層を一層おきに
接続した外部電極１５（ａ），１５（ｂ）間に５ｋＶ／
ｍｍの高い直流電圧を印加し、分極方向を１層おきに逆
方向にする。

【０００３】

【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、積層型圧電磁器トランスは、低インピーダンス
部を一層おきに分極方向を逆向きにするため、２回の分
極作業を行っている。この時、２回目の分極時に分極方
向が１回目の分極方向と逆になる層では、一度一方向に
揃えられた分極方向が反転されるため、反転時に内部応
力が発生し、クラックや圧電磁器層と内部電極層とのハ
ガレなどが生じる欠点がある。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。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の内部電
極層と圧電磁器層を交互に積層する工程と、前記圧電磁
器層の低インピーダンス部と高インピーダンス部のそれ
ぞれに内部電極層を一層おきに接続した外部電極を設け
る工程と、内部電極層を介して隣接する圧電磁器層を互
いに逆向きに分極する工程とを備えた厚み振動圧電磁器
トランスの製造方法であって、低インピーダンス部と高
インピーダンス部の外部電極に、キュリー点以上の温度
にて同時に直流電圧を印加し、徐々に降温することによ
り分極することを特徴とする厚み振動圧電磁器トランス
の製造方法である。

【０００５】

【作用】本発明によれば、１ＭＨｚ以上の高周波におい
て低損失で十分な機能を有する圧電トランスが提供され
る。図１に示すように、低インピーダンス部および高イ
ンピーダンス部を、電界強度を同じくして、同時に直流
電圧を印加する分極工程を有するのが本発明の特徴であ
り、低インピーダンス部および高インピーダンス部に同
時に直流電圧を印加するとき、恒温槽中において圧電セ
ラミック材料のキュリー点以上の温度にて直流電圧を印
加し徐々に降温することで分極を施す。

【０００６】図１，図２に示すように、本発明の圧電磁
器トランスは、厚み方向に分極された圧電磁器層１４を
多数積層した低インピーダンス部１１と、単層もしくは
せいぜい２，３層の圧電磁器層１４からなる高インピー
ダンス部１２とで構成されている。ここで低インピーダ
ンス部１１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、内部電極層１３
は圧電トランスの側端面に露出されており、所定の外部
電極１５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に接続され、
圧電磁器層に対し厚み方向に電界を印加することが可能
となっている。

【０００７】このような内部電極を有する圧電磁器トラ
ンスは、積層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）で作製することが可能であり、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２０μ
ｍ程度まで薄くすることも可能である。したがって、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）の厚み縦共振振動
を利用するとしても、セラミック技術を用いて、５〜２
０ＭＨｚ帯の超高周波領域で動作する圧電磁器トランス
も実現できる。

【０００８】高インピーダンス部１２では上下面に位置
する内部電極層１３から外部電極１５（ｃ），（ｄ）を
取り出し、低インピーダンス部１１では圧電磁器層１４
を挟む内部電極層１３を一層おきに接続した外部電極１
５（ａ），（ｂ）を取り出す。このように接続した場
合、高インピーダンス１２側の電極端子１８，１９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、高インピーダンス部１２の圧電逆効果により圧
電磁器トランス全体が機械的に共振し、低インピーダン
ス部１１では圧電正効果により入力電圧と同一周波数の
電圧を発生し、電気端子１６，１７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１６，１７間の電圧は入力端子１８，１９間の電
圧よりも低くなる。逆に低電圧を高電圧に変換する場合
は、電気端子１６，１７間に低電圧を印加すれば電気端
子１８，１９間から高電圧が出力される。本発明に基づ
く圧電トランスは、図３に示すように四端子構成だけで
なく三端子構成でも可能である。

【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

【００１０】さらに、直方体の振動子においてはｋ₃₁を
介して長さ方向、幅方向の振動も発生し、その共振周波
数はそれぞれ以下のように表される。 ｆ_ln ＝ｎ・Ｖ_l／２１ （ｎ＝１，２，３・・・） ｆ_wn ＝ｎ・Ｖ_w／２ｗ （ｎ＝１，２，３・・・） ここに、ｆ_1n： 長さ縦振動の共振周波数 Ｖ_l： 長さ方向の縦波の音速 ｌ ： 長さ ｆ_wn： 幅縦振動の共振周波数 Ｖ_w： 幅方向の縦波の音速 Ｗ ： 幅 これら長さ方向、幅方向の振動は、厚み縦振動に対する
スプリアス振動となる。そのため、広帯域の圧電トラン
スを実現するためには駆動周波数近傍で長さ方向、幅方
向の強い振動が起きないようにする必要がある。

【００１１】本発明のように厚み縦振動を利用する圧電
デバイスにおいては、圧電縦効果である厚み縦振動を励
振する電気機械結合係数ｋｔのみが大きい材料が望まし
く、ｋ₃₁等の圧電横効果の電気機械結合係数が大きい材
料では長さや幅方向の振動あるいは輪郭振動によるスプ
リアスが問題となる。そのためｋｔ／ｋ₃₁が小さいＰＺ
Ｔ系圧電材料よりもｋｔ／ｋ₃₁が大きいＰｂＴｉＯ₃系
材料の方が有利である。しかしながら、ＰｂＴｉＯ₃系
の材料は結晶格子異方性ｃ／ａが大きく、同一デバイス
の中で分極の向きが異なる領域が存在するとそこに応力
歪が生じ、機械的に弱くなる。また作製の途中で分極の
向きを反転させる工程や圧電トランスの一部分だけを分
極する工程が存在すると、分極の向きが変化する際に生
ずる歪で電極の剥離等により分極時に破壊あるいは機械
的品質係数Ｑｍが低下する恐れがある。それに対し本発
明の圧電磁器トランスによれば、低インピーダンス部お
よび高インピーダンス部を同時に分極することにより圧
電磁器トランスに生じる応力歪が低下し、さらに電界冷
却法により電界強度が一桁以上低くなるためほとんど応
力歪がなくなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。本
実施例では図１および図２に示した構成の圧電磁器トラ
ンスをグリーンシート法にて作製した。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、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。次に、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する。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、一体のグリーン
積層体とする。このグリーン積層体を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℃で２時間焼成し、外部電極１５（ａ），
１５（ｂ），１５（ｃ），１５（ｄ）を焼き付けし、電
極端子１６，１７，１８，１９をそれぞれ接続する。

【００１３】次に、セラミック材料のキュリー点以上の
温度である恒温槽中において、電極端子１６と１７間、
１８と１９間に電界強度を同じにした直流電圧（２００
〜５００Ｖ／ｍｍ）を印加し、そのまま降温させ分極処
理を施す。そして最後に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した。

【００１４】図４、図５は各々従来法および本発明の製
造方法により得られた圧電磁器トランスのアドミタンス
特性である。図４、図５を比較すると、本発明の製造方
法により得られた圧電磁器トランス（図５）ではスプリ
アスが極めて小さくなり、圧電磁器層内でのクラックが
ほとんどないことが分かる。試作した圧電トランスの共
振周波数は２ＭＨｚ、機械的品質係数Ｑｍ値は８５０，
最大エネルギー変換効率は９７％であった。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。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ることは言うまでもない。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
によると、圧電磁器トランスに発生する応力が大幅に抑
制されるので、積層体内部のクラック発生および内部電
極と圧電磁器層とのはがれが防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法による厚み振動圧電磁器トラ
ンスの分極工程を説明するためのトランスの断面図であ
る。

【図２】本発明の製造方法で得られる圧電磁器トランス
の一例の斜視図である。

【図３】本発明の製造方法で得られる圧電磁器トランス
積層体の一例の断面図である。

【図４】従来の製造方法により得られた圧電磁器トラン
ス素子のアドミタンス特性を示す図である。

【図５】本発明の製造方法により得られた圧電磁器トラ
ンス素子のアドミタンス特性を示す図である。

【図６】従来の製造方法における分極工程を説明するた
めの圧電磁器トランス素子の断面図である。

【符号の説明】

１１ 低インピーダンス部 １２ 高インピーダンス部 １３ 内部電極層 １４ 圧電磁器層 １５（ａ），１５（ｂ），１５（ｃ），１５（ｄ） 外
部電極 １６，１７，１８，１９ 電極端子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の内部電極層と圧電磁器層を交互に
   積層する工程と、前記圧電磁器層の低インピーダンス部
   と高インピーダンス部のそれぞれに内部電極層を一層お
   きに接続した外部電極を設ける工程と、内部電極層を介
   して隣接する圧電磁器層を互いに逆向きに分極する工程
   とを備えた厚み振動圧電磁器トランスの製造方法であっ
   て、低インピーダンス部と高インピーダンス部の外部電
   極に、キュリー点以上の温度にて同時に直流電圧を印加
   し、徐々に降温することにより分極することを特徴とす
   る厚み振動圧電磁器トランスの製造方法。