JPH0567819A

JPH0567819A - 圧電セラミツクトランス

Info

Publication number: JPH0567819A
Application number: JP3229995A
Authority: JP
Inventors: Kaneo Uehara; 兼雄上原; Takeshi Inoue; 武志井上; Akio Iwamoto; 明夫岩本; Osamu Onishi; 大西修; Yasuhiro Sasaki; 康弘佐々木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1993-03-19
Also published as: US5278471A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は高周波帯で動作可能な、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を
目的としたものである。【構成】本発明に基づく圧電トランスは、図１に示す
如く、圧電セラミック円板１０の径方向中心部分におい
て、厚み方向に対向する内部電極１４を有する高インピ
ーダンス部分１２とその外側に電極を有しない絶縁環状
部分１０、更に、その外側に厚み方向に相対向する複数
対の内部電極１３を有する低インピーダンス部１１から
なり、高インピーダンス部分１２の内部電極１４の一端
は低インピーダンス部１１の内部電極１３に接する事が
無く圧電セラミック円板の側端面に露出し外部電極１９
により一層毎に接続され、電気端子１５、１５’が接続
される。また、低インピーダンス部１１の内部電極１３
の一端は圧電セラミック円板の側端面に露出し外部電極
１８を介し側端面上で一層毎に交互に接続され、更に、
電気端子１６、１６’が接続してなることを特徴とする
圧電セラミックトランスである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はオンボード電源用圧電ト
ランスに関する。

【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れている。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。

【０００３】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。

【０００４】図６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。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
ンス部の駆動部分であり、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６２で示す部分は
高インピーダンス部の発電部であり、その端面に電極６
５が設けられており、発電部分６２は圧電板の長さ方向
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、例えば高電圧を取り出そうとする場合、駆
動電圧が印加されると横効果縦振動モード（３１モー
ド）で電気機械結合係数ｋ_{3 1}を介して縦振動が励振さ
れ、さらに発電部分では、電気機械結合係数ｋ_{3 1}を介
して、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
すればよいことは言うまでもない。

【０００５】また、このようなローゼン型圧電トランス
の他にも、図７（ａ）、（ｂ）に示したような円板の径
拡がり振動モードを用いた圧電トランスが知られてい
る。図７に示した圧電トランスの動作原理はローゼンタ
イプのものと全く同じである。図において矢印は分極方
向を示し、７１は低インピーダンス部分、７２は高イン
ピーダンス部分、７３、７４、７５は電極を示す。ま
た、７６、７７は電気端子、７８はアースを示す。この
ような電圧トランスでは、いずれも縦効果の高インピー
ダンス部分は、長さ方向あるいは径方向に分極されてお
り、周知の如く分極処理を行う場合、直流電圧を必要と
する。例えば、ＰＺＴ系圧電磁器の場合、必要な分極電
界の強さは約４ｋＶ／ｍｍに達し、高インピーダンス部
分の電極間の距離が長いほど分極電圧は高くなる。従っ
て、この高い分極電圧の為分極処理時に圧電トランスが
破壊される恐れがあった。

【０００６】さらに、このような従来の圧電トランスの
動作周波数は、長さ縦共振あるいは基本径拡がり共振を
用いているため、せいぜい２００ｋＨｚにとどまってい
た。

【０００７】

【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、従来の圧電トランスの適用周波数はせいぜい２
００ｋＨｚ以下の低周波帯に限られていた。従って、低
周波帯でしか使用できないため、多くの電流を流すこと
が出来ず、電源用トランスとしては不向きであった。ま
た、長さ、もしくは径方向に分極処理を行わねばならな
いため直流高電圧を印加する必要がある。このため分極
時に圧電トランスが破壊する恐れがあった。また、ロー
ゼン型圧電トランスは縦効果の結合係数ｋ_{3 3}に比べて
著しく小さい横効果の結合係数ｋ_{3 1}を用いざるを得な
いため、励振効率が良くないという欠点があった。本発
明は、少なくとも５００ｋＨｚ以上の高周波帯におい
て、低損失で十分な機能を有する小型電源用圧電トラン
スを提供するためになされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は圧電セラミック
円板の径方向中心部において厚み方向に対向する内部電
極を有する高インピーダンス部分と、その外側に電極を
有しない絶縁環状部分と、更に、その外側に厚み方向に
相対向する内部電極を有する低インピーダンス部とから
なる圧電セラミックトランスにおいて、高インピーダン
ス部分の内部電極の一端が低インピーダンス部の内部電
極に接することが無く圧電セラミック円板の側端面に露
出し外部電極を介し一層毎に交互に接続され、かつそれ
ぞれ電気端子に接続され、更に、低インピーダンス部の
内部電極の一端は圧電セラミック円板の側端面に露出し
外部電極を介し側端面上で一層毎に交互に接続され、か
つ、それぞれ電気端子に接続してなることを特徴とする
圧電セラミックトランスであり、また圧電セラミック円
板の側端面に露出した高インピーダンス部分の内部電極
の一端は側端部から圧電セラミック円板の厚み方向の上
下面の径方向中心部にまで形成された外部電極に接続
し、該中心部に電気端子が形成され、更に、圧電セラミ
ック円板の側端面に露出した低インピーダンス部の内部
電極の一端は外部電極を介し圧電セラミック円板の厚み
方向の上下面の該低インピーダンス部内部電極の径方向
の幅の中心部に対応する位置に形成された電気端子に接
続してなることを特徴とする圧電セラミックトランスで
ある。

【０００９】

【作用】本発明に基づく圧電トランスは、径拡がり３次
モードを積極的に利用するため、内部電極は励振効率の
良い適切な位置に配置され、厚み方向に相対向した構造
となっている。また、該内部電極の一端は、圧電セラミ
ック円板の側端面に露出しており一層毎に外部電極材に
よって側端面上で接続されている。即ち、同一面上に高
インピーダンス部及び、低インピーダンス部の内部電極
がある場合、高インピーダンス部の内部電極をセラミッ
ク円板の側端面に露出するため、低インピーダンスの内
部電極に切り込みを入れ、電極の無いセラミック部分に
導電材を配置することにより高インピーダンス部の内部
電極を側端面上に取り出すことを可能にしている。この
場合、内部電極への切り込み部分は電界が不活性層にな
るため切り込み幅は電源効率に影響をもたらすが、本発
明者等による多くの実験結果によれば内部電極の切り込
み幅は、圧電セラミックトランスの径の１０％以内であ
れば電源効率に問題が無い事が明らかとなった。また、
圧電セラミックトランスの側端面は圧電トランスの径拡
がり３次モードの振動変位分布が最大となるため、側端
面からの電気端子の取り出しは出来るだけ小さいポイン
トあるいは、圧電トランスの径拡がり３次モードの振動
変位分布が極小となる位置、即ち、内部電極の径方向中
心部と内部電極の環状幅方向の中心部に電極端子の取り
出し配置が好ましい。このような電気端子の配置によ
り、内部電極からの電気端子取り出しに伴う振動応力分
布を阻害することが無く、振動効率の良い圧電トランス
を実現出来る。

【００１０】本圧電トランスは積層セラミック技術（ド
クターブレード法）で製造することが出来る。この方法
で製造した場合、低インピーダンス部分１１において層
間隔１０μｍ程度まで薄く実現することが可能である。

【００１１】次に本圧電トランスの動作原理について説
明する。図１、図２（ａ）に本発明に基づく圧電トラン
スの平面図、（ｂ）、（ｃ）に断面図を示す。図１にお
いて例えば、降圧を目的とし、電気入力端子を１５、１
５’、出力端子１６、１６’とする。この場合、１２部
分が駆動部、１１部分が発電部となる。電気端子１５、
１５’から交流電圧を印加した場合、本構成の圧電トラ
ンスは３次径拡がり振動が強勢に励振されると同時に、
出力端子１６、１６’から効率良く降圧された交流電圧
を取り出すことができる。一般に、この３次径拡がり振
動の共振周波数は、基本径拡がり振動の共振周波数の約
２．７倍に達する。径拡がり振動に関する圧電セラミッ
ク円板の音速（位相速度）をＶ、共振周波数をｆｒとす
ると中心軸から距離ｒだけ離れた点での変位Ｕ（ｒ）は

【００１２】

【数１】

【００１３】となる。ただしＺ＝２πｆｒ・ｒ／Ｖであ
り、Ｊ１（Ｚ）は第１種１次のベッセル関数である。こ
れより径方向の振動変位分布を知ることができる。

【００１４】また、応力Ｔ（ｒ）分布は大略Ｕ（ｒ）を
ｒで微分した形となり、

【００１５】

【数２】

【００１６】となる。ただしＪ₀（Ｚ）は第１種０次ベ
ッセル関数である。

【００１７】本発明の圧電トランスの場合、効率の良い
駆動、発電を行うため各駆動、発電電極の中央部は振動
応力の大きさ（絶対値）が最大となる部分に一致してい
る。

【００１８】本圧電トランスの変成比は入力及び出力の
静電容量を変えることにより、容易に所望の変成比を実
現できる。具体的には入力、出力側の積層数を変えるこ
とにより所望の変成比を実現することが可能で、入力側
の円形電極の直径あるいは出力側環状電極の幅をかえる
ことで所望の変成比を実現する方法よりはるかに有効で
ある。なぜなら、積層数をｎ倍にすると静電容量はｎ²
倍になり、変成比を容易にしかも大きく変化させること
が出来るからである。なお、本圧電トランスの電極構成
で３次径拡がり振動モードを励振する場合の電気機械変
換効率の目安となる径拡がり振動の電気機械結合係数ｋ
_pは、ＰＺＴ系圧電セラミックスの場合、少なくとも
０．５以上であり、この値は横効果の棒あるいは板の縦
振動の電気機械結合係数ｋ_{3 1}の実に２倍以上である。
従って、ｋ_pは一般に横効果の結合係数であるにも拘ら
ず、横効果の厚み縦振動の結合係数ｋ_tとほぼ同等、も
しくはそれ以上の値となっている。すなわち、ｋ_pを利
用していることで、電極の適正装置を行うことにより、
エネルギー変換効率の極めて高い圧電トランスを実現す
ることが出来る。

【００１９】また、本発明の圧電トランスは、振動によ
って生じる応力の加わる方向が電極面に平行であるた
め、ハイパワー駆動時においても内部電極が剥離する恐
れが殆どないこと、および、電極部分に応力が集中する
ことがないため、ＰＺＴ系圧電セラミックスがもつ機械
的品質係数値（Ｑｍ値）をトランスにした状態でも保持
できるという長所を有する。

【００２０】

【実施例】本発明に基づく圧器トランスの一実施例とし
て図１及び、図２に示した径拡がり３次モードで動作す
る圧電トランスを試作した。

【００２１】次に、実施例に基づいて説明する。まず圧
電材料としてＰＺＴ系圧電セラミック粉末（株式会社
トーキン製、ＮＥＰＥＣ−６１（商品名））を有機バイ
ンダー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。このグ
リーンシートに内部電極層及び、導電材としてＰｔ、バ
インダー、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）、（ｂ）に印刷後
の各種パターンの断面図を示す。（ａ）の内部電極１３
の切り込み幅は０．３ｍｍであり、内部電極１４からの
圧電セラミックの側端面への導電材幅は０．１ｍｍであ
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。その後、所定の組み合
わせに従い積み重ねた後、熱プレス機にて熱圧着し、一
体のグリーン積層体とする。このグリーン積層体を６０
０℃で空気中で熱処理して脱バインダーする。その後、
１２００℃２時間焼成した後、所定寸法に切断し圧電磁
器トランス素子を作製する。次に、図１、図２の
（ｂ）、（ｃ）に積層体の断面を示すように圧電磁器ト
ランスの上下面を平行平面研磨し外部電極１８、１９を
焼き付け電気端子１５、１５’、１６、１６’をそれぞ
れ接続する。電気端子１５と１５’間、１６と１６’間
に４ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し分極させる。試作し
た圧電トランスの外径は９．６ｍｍ、厚さ１．５ｍｍで
ある圧電トランスの低インピーダンス側１１部分は、圧
電セラミック層が４層からなり、内部電極の環状幅は３
ｍｍであり、円板中心部の内部電極の直径は３．５ｍｍ
である。隣接する圧電セラミック層間において前途の如
く分極方向は互いに逆向きになっている。本圧電トラン
スの集中定数近似等価回路は、図４のように表すことが
できる。図４においてＣ_{d 1}、Ｃ_{d 2}はそれぞれ入力
側、出力側の制動容量、Ａ₁、Ａ₂は力係数、ｍ、Ｃ、
Ｒｍはそれぞれ径拡がり３次モードに関する等価質量、
等価コンプライアンス、等価機械抵抗である。本圧電ト
ランスは図４に示した等価回路に基づいて設計された。

【００２２】試作した圧電トランスの共振周波数は６０
２ｋＨｚ、機械的品質係数Ｑ値は８３０、最大エネルギ
ィ変換効率は９７％、また安定供給電力は４．５Ｗであ
った。この圧電トランスの周波数に対する降圧比Ｖｏ／
Ｖｉ（Ｖｉ；入力圧電、Ｖｏ；出力圧電）と効率ζの実
測値を図５に示す。図５より、試作した圧電トランス
は、トランスの降圧機能及び、高いエネルギー変換効率
を実現していることがあきらかである。

【００２３】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。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従った圧
電トランスは５００ｋＨｚ以上の高周波帯で使用するこ
とができ、かつ小型で高効率であるという従来の圧電ト
ランスにはみられない長所があり、工業的価値も多大で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電セラミックトランスの構成例を示
す図である。

【図２】本発明の圧電セラミックトランスの構成例を示
す図である。

【図３】グリーンシートに内部電極を形成した状態を示
す図である。

【図４】圧電トランスの集中定数等価回路図である。

【図５】本発明の圧電トランスの特性図である。

【図６】従来のローゼン型圧電トランスを示す図であ
る。

【図７】圧電磁器円板を利用した従来の圧電トランスを
示す図である。

【符号の説明】

１０圧電磁器１１、６１、７１低インピーダンス部分１２、６２、７２高インピーダンス部分１３、１４内部電極層１５、１５’、１６、１６’、７６、７７電気端子１８、１９外部電極６３、６４、６５、７３、７４、７５電極７８アース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大西修東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者佐々木康弘東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミック円板の径方向中心部にお
いて厚み方向に対向する内部電極を有する高インピーダ
ンス部分と、その外側に電極を有しない絶縁環状部分
と、更に、その外側に厚み方向に相対向する環状の内部
電極を有する低インピーダンス部とを備えた圧電セラミ
ックトランスにおいて、高インピーダンス部分の内部電
極の一端が低インピーダンス部の内部電極に接すること
が無く圧電セラミック円板の側端面に露出し外部電極を
介し一層毎に交互に接続され、かつそれぞれ電気端子に
接続され、更に、低インピーダンス部の内部電極の一端
は圧電セラミック円板の側端面に露出し外部電極を介し
側端面上で一層毎に交互に接続され、かつ、それぞれ電
気端子に接続してなることを特徴とする圧電セラミック
トランス。
【請求項２】請求項（１）の圧電セラミックトランス
において、圧電セラミック円板の側端面に露出した高イ
ンピーダンス部分の内部電極の一端は側端部から圧電セ
ラミック円板の厚み方向の上下面の径方向中心部にまで
形成された外部電極に接続し、該中心部に電気端子が形
成され、更に、圧電セラミック円板の側端面に露出した
低インピーダンス部の内部電極の一端は外部電極を介し
圧電セラミック円板の厚み方向の上下面の該低インピー
ダンス部内部電極の径方向の幅の中心部に対応する位置
に形成された電気端子に接続してなることを特徴とする
圧電セラミックトランス。