JPH11266040A

JPH11266040A - 圧電トランス

Info

Publication number: JPH11266040A
Application number: JP10065835A
Authority: JP
Inventors: Toshiteru Ko; 俊輝胡; Yoshiaki Fuda; 良明布田; Yukifumi Katsuno; 超史勝野
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-03-16
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】振動子の励振効率を向上することと，入力側
のリード線の数を２本に減少することにより，機械振動
Ｑｍの減少を抑え，また，スプリアス振動の励振力の領
域を減少することにより，スプリアス振動による圧電ト
ランスの性能劣化を抑制した圧電トランスを提供するこ
と。【解決手段】圧電トランス１０は，圧電セラミックの
矩形捧１の長さ方向のｎ次の共振モード（ｎ＝１，２，
３，…）を利用し，前記圧電セラミック矩形捧１には，
長さ方向に平行な面内で幅方向に平行に複数設けられた
線状内部電極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ群が
厚さ方向で複数層積層され，側面に露出した線状内部電
極７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂの端部が長さ方
向で一本ずつ対向電極となるように側面の入力端子電極
２，２´対および出力端子電極対３ａ，３ａ´，３ｂ，
３ｂ´に接続され，長さ振動の励振応力（断面の平均
値）と変位の分布がほぼ１／４波長ずれるように，側面
の入力端子電極対２，２´に接続される線状内部電極７
ａ，７ｂの長さを分布させた構造を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，圧電セラミック矩
形棒の長さ振動を利用し，線状内部電極群が入力端子対
および出力端子対に接続されている構造を有する圧電ト
ランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】携帯テレビやノート型パソコンを始め各
種携帯電子機器の普及にともない，これらの機器に直流
電圧を供給するためにＡＣアダプターが用いられてい
る。ＡＣアダプターに用いられている電子部品の中で体
積が大きくかつ，ＡＣアダプターの変換効率に影響を及
ぼすのが電磁トランスである。

【０００３】最近，ＡＣアダプターに対する高効率化，
小型低背化，電磁ノイズの低減や低消費電力化の要求が
高まり，電磁式トランスに変わり，様々な圧電トランス
の検討がなされている。さらに，圧電トランス出力イン
ピーダンスと負荷抵抗をマッチングし，圧電トランスの
高効率を実現するために，出力端の制動容量を大きくす
る必要がある。これらの問題の１つの解決策として，図
５のような圧電縦効果を利用し，線状内部電極群が入力
端子対および出力対に接続されている積層型圧電トラン
スを用いたＡＣアダプターの実用化が検討されている。

【０００４】図５（ａ）は従来の積層型圧電トランスの
構造を示す斜視図であり，及び図５（ｂ）は図５（ａ）
に示す積層型圧電トランスの水平断面図である。図５
（ａ）に示すように，圧電トランス５０は，内部電極と
セラミック板との積層体からなる圧電セラミック矩形棒
（以下，単に矩形棒と呼ぶ）５１と，矩形棒５１の長さ
方向一端側の両側面に，夫々垂直方向に延在し，長さ方
向に間隔を置いて互い違いに形成された第１の外部電極
５２，５２´と，矩形棒５１長さ方向中央部と他端側の
両側面に夫々対向して形成されている第２の外部電極３
ａ，３ａ´と第３の外部電極３ｂ，３ｂ´とを備えてい
る。第１の外部電極５２，５２´には，矩形棒５１で夫
々リード線５３，５３´に接続され，夫々リード線５
３，５３´同士電気接続されている。第２及び第３の外
部電極３ａ，３ａ´，及び３ｂ，３ｂ´には，夫々リー
ド線６ａ，６ａ´，６ｂ，６ｂ´が夫々接続されてい
る。また，リード線６ａとリード線６ｂと，及びリード
線６ａ´とリード線６ｂ´とは，それぞれ，電気接続さ
れている。

【０００５】第１の外部電極５２，５２´は入力側の外
部電極に対応し，第２及び第３の外部電極３ａ，３ａ
´，３ｂ，３ｂ´は，出力側の外部電極に夫々対応して
いる。

【０００６】図５（ｂ）に示すように，矩形棒５１の積
層されたセラミック板１１の間には，長さ方向一端寄り
に，第１の線状内部電極５４ａ，５４ｂが，夫々幅方向
に平行に延在するとともに，長さ方向に間隔を持って形
成され，夫々長さ方向の互い違いに両側面において第１
の線状内部電極５２，５２´に夫々接続されている。ま
た，矩形棒５１の積層されたセラミック板１１の間の長
さ方向中央部，及び長さ方向の他端部には，第２の線状
内部電極８ａ，８ｂ，及び第３の線状内部電極９ａ，９
ｂが夫々形成されている。第２の線状内部電極８ａ，８
ｂは，矩形棒５１の一側及び他側から，夫々の対向側に
向かって，幅方向に互い違いに複数平行に形成されてい
る。一側の第２の線状内部電極８ａ群も他側の第２の線
状内部電極８ｂ群も共に長さがほぼ等しく形成されてい
る。夫々の第２の線状内部電極８ａ端部同士は，矩形棒
５１の一側部で第２の外部電極３ａに接続され，第２の
線状内部電極８ｂの端部同士は，矩形棒５１の他側部で
第２の外部電極３ａ´に接続されている。

【０００７】また，第３の線状内部電極９ａ，９ｂも，
矩形棒５１の長さ方向の他端部の一側及び他側から，夫
々の対向側に向かって，幅方向に互い違いに複数平行に
形成されている。一側の第２の線状内部電極９ａ群も他
側の第２の線状内部電極９ｂ群も共に長さがほぼ等しく
形成されている。夫々の第２の線状内部電極９ａの端部
同士は，矩形棒５１の一側部で第３の外部電極３ｂに接
続され，第３の線状内部電極９ｂの端部同士は，矩形棒
５１の他側部で第３の外部電極３ａ´に接続されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，図５
（ａ）及び（ｂ）に示した積層型の圧電トランス５０の
入力側あるいは出力側では，励振が長さ方向に均一に行
われており，励振効率が一番よいとはいえない。また，
入出力電圧の変成比，負荷抵抗とのマッチングを得るた
めに，入力側の線状内部電極のピッチが大きいので，図
５（ａ）のように一層の内部電極群１ごとに側面外部電
極２を付け，該側面外部電極ごとにリード線３をそれぞ
れ接続するために，リード線の数が多い。以上のことに
より，振動子の機械振動品質係数Ｑｍが減少してしまう
という欠点がある。

【０００９】また，従来の積層型の圧電トランス５０に
おいて，長さ振動の共振周波数の近くに厚みと幅方向の
スプリアス振動が励振されている。ＡＣアダプターの駆
動回路は入力電圧や負荷抵抗の変化に対して周波数制御
を行っているので，これらのスプリアス振動は，圧電ト
ランスの性能を劣化させるという欠点がある。

【００１０】そこで，本発明の技術的課題は，振動子の
励振効率を向上することと，入力側のリード線の数を２
本に減少することにより，機械振動Ｑｍの減少を抑え，
また，スプリアス振動の励振力の領域を減少することに
より，スプリアス振動による圧電トランスの性能劣化を
抑制した圧電トランスを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，圧電セ
ラミック矩形捧の長さ方向のｎ次の共振モード（但し，
ｎは正の整数）を利用し，前記圧電セラミック矩形捧に
は，前記長さ方向に平行な面内で幅方向に平行に複数設
けられた線状内部電極群が厚さ方向で複数層積層され，
側面に露出した線状内部電極の端部が長さ方向で一本ず
つ対向電極となるように側面の入力端子電極対および出
力端子電極対に接続され，長さ振動の励振応力（断面の
平均値）と変位の分布がほぼ１／４波長ずれるように，
側面の入力端子電極対に接続される線状内部電極の長さ
を分布させた構造を備えていることを特徴とする圧電ト
ランスが得られる。

【００１２】また，本発明によれば，前記圧電トランス
において，入力側および出力側で，長さ振動の励振応力
（断面の平均値）と変位の分布がほぼ１／４波長ずれる
ように，側面の入力および出力端子電極対に接続される
線状内部電極の長さを分布させた構造を備えていること
を特徴とする圧電トランスが得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施の形態につい
て，図面を用いて詳しく説明する。

【００１４】図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態に
よる圧電トランスを示す斜視図である。図１（ｂ）は図
１（ａ）の圧電トランスの内部電極パターンを示す断面
図である。図１（ｃ）は（ａ）の圧電トランスの長さ振
動の変位分布と励振応力の分布とを示す図である。

【００１５】図１（ａ）に示すように，圧電トランス１
０は，内部電極とセラミック板との積層体からなる圧電
セラミック矩形棒（以下，単に矩形棒と呼ぶ）１と，矩
形棒１の両側面の一端側，中央部，及び他端側に夫々対
向して形成されている第１の外部電極２，２´と第２の
外部電極３ａ，３ａ´と第３の外部電極３ｂ，３ｂ´と
を備えている。第１乃至第３の外部電極２，２´，３
ａ，３ａ´，３ｂ，３ｂ´には，矩形棒１の振動の節点
４ａ，４ｂ，４ｃで夫々リード線５，５´，６ａ，６ａ
´，６ｂ，６ｂ´が夫々接続されている。また，リード
線６ａとリード線６ｂ及びリード線６ａ´と，リード線
６ｂ´とは，それぞれ電気接続されている。第１の外部
電極２，２´は入力側に対応し，第２及び第３の外部電
極３ａ，３ａ´，３ｂ，３ｂ´は，出力側の外部電極に
夫々対応している。

【００１６】図１（ｂ）に示すように，矩形棒１の積層
されたセラミック板１１の間には，長さ方向一端寄り
に，長さ方向中央部，及び長さ方向の他端部には，第１
の線状内部電極７ａ，７ｂ，第２の線状内部電極８ａ，
８ｂ，及び第３の線状内部電極９ａ，９ｂが夫々形成さ
れている。

【００１７】第１の線状内部電極７ａ，７ｂは，矩形棒
１の一側及び他側から，夫々の対向側に向かって，幅方
向に互い違いに複数平行に形成されている。一側の第１
の線状内部電極７ａ群も他側の線状内部電極８ｂ群も共
に，図１（ｃ）を用いた説明の所で詳しく述べるよう
に，長さ方向の中央部で最も長くなるような長さの分布
を有するように形成されている。夫々の第１の線状内部
電極７ａ端部同士は，矩形棒１の一側部で第１の外部電
極２に接続され，線状内部電極７ｂの端部同士は，矩形
棒１の他側部で第１の外部電極２´に接続されている。

【００１８】また，第２の線状内部電極８ａ，８ｂは，
矩形棒１の一側及び他側から，夫々の対向側に向かっ
て，幅方向に互い違いに複数平行に形成されている。一
側の第２の線状内部電極８ａ群も他側の第２の線状内部
電極８ｂ群も共に長さがほぼ等しく形成されている。夫
々の第２の線状内部電極８ａ端部同士は，矩形棒１の一
側部で第２の外部電極３ａに接続され，第２の線状内部
電極８ｂの端部同士は，矩形棒１の他側部で第１の外部
電極３ａ´に接続されている。

【００１９】また，第３の線状内部電極９ａ，９ｂも，
矩形棒１の長さ方向の他端部の一側及び他側から，夫々
の対向側に向かって，幅方向に互い違いに複数平行に形
成されている。一側の第２の線状内部電極９ａ群も他側
の第２の線状内部電極９ｂ群も共に長さがほぼ等しく形
成されている。夫々の第２の線状内部電極９ａの端部同
士は，矩形棒１の一側部で第３の外部電極３ｂに接続さ
れ，第３の線状内部電極９ｂの端部同士は，矩形棒１の
他側部で第３の外部電極３ａ´に接続されている。

【００２０】図１（ｃ）に示すように，圧電トランス１
０は，励振応力（断面の平均値）が長さ振動の変位分布
に合わせるように，図１（ｂ）に示す入力側の内部電極
７ａ，７ｂの幅方向の長さが設計されている。

【００２１】さらに，図１（ｂ）に示すように，入力側
の電極の長さ方向の積層数を１２層に増加している。

【００２２】一般的に，ある振動モードの励振応力とそ
のモードの変位分布が１／４波長ずれる時に，この振動
は効率よく励振できることが知られている。

【００２３】従って，図１の振動子を用いた圧電トラン
スの性能は，向上することが考えられる。

【００２４】また，図１（ｂ）のように，入力側の内部
電極７ａ，７ｂのピッチが小さくなるので，１本置きに
交互に側面に露出する内部電極のパターンが利用できる
ようになった。これで，図１（ａ）のように１対の外部
電極２，２´で内部電極を接続し，リード線の数を減少
することを実現した。その結果，リード線による振動子
の機械振動Ｑｍの減少を抑制することができる。

【００２５】また，図１（ｂ）のような入力側の内部電
極パターンで，圧電横効果によるスプリアス振動の励振
力が存在する領域は減少し，圧電トランスの性能劣化を
もたらすスプリアス振動を抑えることができる。

【００２６】次に，図１（ｂ）のような内部電極を持つ
積層型圧電トランスの具体例を説明する。トランスの寸
法は長さ２５ｍｍ，幅６ｍｍ，厚み６ｍｍである。長さ
方向の３次共振モードを利用している。矩形捧１の長さ
方向に３等分した内の入力側で本発明の内部電極パター
ンを配置している。入力側で銀−パラジウム合金を用い
た第１の線状内部電極７ａ，７ｂを線幅１００μｍ，ピ
ッチ０．６ｍｍ，図３のような長さで１３本配置し，１
本置きに交互に側面に露出している。出力側で同じく銀
一パラジウム合金を用いた線状内部電極を線幅１００μ
ｍ，ピッチ０．６ｍｍ，長さ５．９ｍｍで１３本配置
し，１本置きに交互に側面に露出している。

【００２７】図２は図１（ｂ）の内部電極パターンを概
略的に示す部分拡大断面図である。図２に示すように，
平面パターンが厚み方向に１００μｍ間隔で６０層積層
されている。入出力側のそれぞれの側面には複数積層さ
れた線状内部電極を接続するために図１（ａ）のような
外部電極が配置されている。分極の方向７を図２の中の
矢印で示す。尚，矩形棒１の振動の節点４ａ，４ａ´，
４ｂ，４ｂ´，４ｃ，４ｃ´リード線を取り出す。

【００２８】図３は本発明の実施の形態による入力側の
内部電極パターンを利用した場合と，図５に示した従来
の内部電極パターンを利用する場合の入力側の容量比γ
_1s／γ_1o一入力側の積層数ｎ₁特性を示す。また，図３
に内部電極パターンの変化による力係数の変化Ａ_1S／Ａ
₁₀一入力側の積層数ｎ₁特性も示す。これにより，図５
の従来構造と比べ，積層数が多い時に，本発明の第１の
実施の形態による入力側の内部電極パターンを利用する
ことより，入力側の容量比が劣化しなく，力係数が増加
することが分る。

【００２９】また，入力側の積層数が１２である場合の
入力側の振動子常数を下記表１に示す。尚，表１におい
て，ｆ_r1は入力側の共振周波数，Ｃ_d1は入力側の制動容
量，Ａ₁は入力側の力係数，γ₁は入力側の容量比，Ｑ
_m1は入力側の機械振動品質係数，Ｒ₁は入力側の等価直
列抵抗，Ｌ₁は入力側の等価直列インダクタンス，Ｃ_a1
は入力側の等価直列容量である。

【００３０】

【表１】

【００３１】上記表１より，本発明の第１の実施の形態
による入力側の内部電極パターンを利用することによ
り，機械振動Ｑｍは増加することが分る。

【００３２】次に，本発明の第２の実施の形態について
説明する。

【００３３】図４（ａ）は本発明の第２の実施の形態に
よる積層型圧電トランスの内部電極パターンを示す図で
ある。図４（ｂ）は図４（ａ）の積層型圧電トランスの
振動パターンを示す図である。

【００３４】図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように，
入力側と出力側とも，第１の実施の形態による第１の線
状内部電極７ａ，７ｂ群のパターンと同様な内部電極パ
ターンを使用している。

【００３５】即ち，第１の線状内部電極１３ａ，１３ｂ
は，矩形棒１の一側及び他側から，夫々の対向側に向か
って，幅方向に互い違いに複数平行に形成されている。
一側の第１の線状内部電極１３ａ群も他側の線状内部電
極１３ｂ群も共に長さ方向の中央部で最も長くなるよう
に，即ち，長さ振動の励振応力（断面の平均値）が長さ
振動の変位分布がほぼ１／４波長ずれるような長さの分
布を有するように形成されている。夫々の第１の線状内
部電極１３ａ端部同士は，矩形棒１の一側部で第１の外
部電極２に接続され，線状内部電極１３ｂの端部同士
は，矩形棒１の他側部で第１の外部電極２´に接続され
ている。

【００３６】また，第２の線状内部電極１４ａ，１４ｂ
は，矩形棒１の一側及び他側から，夫々の対向側に向か
って，幅方向に互い違いに複数平行に形成されている。
一側の第２の線状内部電極１４ａ群も他側の第２の線状
内部電極１４ｂ群も共に長さ方向の中央部で最も長くな
るように，即ち，長さ振動の励振応力（断面の平均値）
と長さ振動の変位分布がほぼ１／４波長ずれるような長
さの分布を有するように形成されている。夫々の第２の
線状内部電極１４ａ端部同士は，矩形棒１の一側部で第
２の外部電極３ａに接続され，第２の線状内部電極１４
ｂの端部同士は，矩形棒１の他側部で第１の外部電極３
ａ´に接続されている。

【００３７】また，第３の線状内部電極１５ａ，１５ｂ
も，矩形棒１の長さ方向の他端部の一側及び他側から，
夫々の対向側に向かって，幅方向に互い違いに複数平行
に形成されている。一側の第２の線状内部電極１５ａ群
も他側の第２の線状内部電極１５ｂ群も共に長さ方向の
中央部で最も長くなるように，即ち，長さ振動の励振応
力（断面の平均値）が長さ振動の変位分布がほぼ１／４
波長ずれるような長さの分布を有するように形成されて
いる。

【００３８】夫々の第２の線状内部電極１５ａの端部同
士は，矩形棒１の一側部で第３の外部電極３ｂに接続さ
れ，第３の線状内部電極１５ｂｂの端部同士は，矩形棒
１の他側部で第３の外部電極３ａ´に接続されている。

【００３９】次に，図４（ａ）のような内部電極を持つ
積層型圧電トランスの具体例について説明する。長さ，
幅，厚みが，２５ｍｍ，６ｍｍ，６ｍｍの圧電トランス
２０を作製した。この圧電トランス２０は，長さ方向の
３次共振モードを利用している。入力側で銀−パラジウ
ム合金を用いた線状内部電極を線幅１００μｍ，ピッチ
１．０ｍｍ，図４（ａ）に示すように，９本配置し，１
本置きに交互に側面に露出させた。出力側で同じく銀−
パラジウム合金を用いた線状内部電極を線幅１００μ
ｍ，ピッチ０．５ｍｍ，１９本配置し，１本置きに交互
に側面に露出させた。図４の平面パターンが厚み方向に
１００μｍ間隔で６０層積層されている。入出力側のそ
れぞれの側面には複数積層された線状内部電極を接続す
るために図４（ａ）のような外部電極が配置されてい
る。分極の方向とリード線の取り出す方法は，第１の実
施の形態と同じであった。

【００４０】この圧電トランス２０を正弦波電圧で駆動
した場合の，最大効率ηmax ，温度上昇ΔＴ，スプリア
ス振動が発生する時の効率ηS と温度上昇ΔＴｓを下記
表２に示す。

【００４１】また，比較するために，同じ寸法の従来の
積層型圧電トランスの性能も，下記表２に示す。尚，表
２中において，ηmax はトランスの最大効率，ηs はス
プリアス振動が発生する時の効率，ΔＴはトランスの温
度上昇，ΔＴs は，スプリアス振動が発生するときの温
度上昇である。

【００４２】

【表２】

【００４３】上記表２より，本発明の第２の実施の形態
による内部電極パターンを利用することにより，効率が
向上され，スプリアス振動による性能の劣化が抑制され
ることが分かる。

【００４４】以上の実施の形態においては，長さ方向の
３次モードを利用する積層型圧電トランスについて述べ
たが，ｎ次モード（但し，ｎは正の整数）においても同
様の効果が期待できる。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明の通り，本発明によれば，入
力側の機械振動Ｑｍと力係数が増加し，スプリアス振動
の影響が減少する。

【００４６】従って，本発明によって，より効率がよ
く，制御が容易で，温度特性がよい圧電トランスを得る
ことが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態による圧電
トランスを示す斜視図である。（ｂ）は（ａ）の圧電ト
ランスの内部電極パターンを示す断面図である。（ｃ）
は（ａ）の圧電トランスの長さ振動の変位分布と励振応
力の分布とを示す図である。

【図２】図１（ｂ）の内部電極パターンを概略的に示す
部分拡大断面図である。

【図３】本発明の実施の形態による内部電極パターンを
利用した場合と，図５に示した従来の内部電極パターン
を利用する場合の入力側の容量比γ_1s／γ_1o一入力側の
積層数ｎ₁特性を夫々示す図である。

【図４】（ａ）は本発明の第２の実施の形態による積層
型圧電トランスの内部電極パターンを示す図である。
（ｂ）は（ａ）の積層型圧電トランスの振動パターンを
示す図である。

【図５】（ａ）は従来の積層型圧電トランスの構造を示
す斜視図である。（ｂ）は（ａ）に示す積層型圧電トラ
ンスの水平断面図である。

【符号の説明】

１，５１矩形棒２，２´ 第１の外部電極３ａ，３ａ´ 第２の外部電極３ｂ，３ｂ´ 第３の外部電極４ａ，４ｂ，４ｃ振動の節点５，５´，６ａ，６ａ´，６ｂ，６ｂ´ リード線７ａ，７ｂ第１の線状内部電極８ａ，８ｂ第２の線状内部電極９ａ，９ｂ第３の線状内部電極１０，２０，５０圧電トランス１１セラミック板１３ａ，１３ｂ第１の線状内部電極１４ａ，１４ｂ第２の線状内部電極１５ａ，１５ｂ第３の線状内部電極５２，５２´ 第１の外部電極５３，５３´ リード線５４ａ，５４ｂ第１の線状内部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミック矩形捧の長さ方向のｎ次
の共振モード（但し，ｎは正の整数）を利用し，前記圧
電セラミック矩形捧には，前記長さ方向に平行な面内で
幅方向に平行に複数設けられた線状内部電極群が厚さ方
向で複数層積層され，側面に露出した線状内部電極の端
部が長さ方向で一本ずつ対向電極となるように側面の入
力端子電極対および出力端子電極対に接続され，長さ振
動の励振応力と変位の分布がほぼ１／４波長ずれるよう
に，側面の入力端子電極対に接続される線状内部電極の
長さを分布させた構造を備えていることを特徴とする圧
電トランス。
【請求項２】請求項１に記載の圧電トランスにおい
て，入力側および出力側で，長さ振動の励振応力と変位
の分布がほぼ１／４波長ずれるように，側面の入力およ
び出力端子電極対に接続される線状内部電極の長さを分
布させた構造を備えていることを特徴とする圧電トラン
ス。