JP4794742B2

JP4794742B2 - Piezoelectric transformer

Info

Publication number: JP4794742B2
Application number: JP2001069707A
Authority: JP
Inventors: 孝宏山川; 一将阿隅; 雅幸渡邉; 了一福永; 順子関
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP2002270916A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置のバックライト点灯用高圧電源等に用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置のバックライト点灯用電源に用いられるようになってきた圧電トランスは、１９５７年にアメリカ合衆国のＣ．Ｅ．Ｒｏｓｅｎにより発明されたものを基本としており、図１（ａ）に示す圧電トランス３０のような単板型構造のものや、図１（ｂ）に示す圧電トランス４０のような積層型構造のものが知られている。
【０００３】
単板型の圧電トランス３０は、矩形板状の圧電体３１の長手方向半分の一方は、その主面に入力用電極３２ａ・３２ｂが形成された入力部（一次側）３０ａとなっており、長手方向半分の他方は、その端面に出力用電極３２ｃが形成された出力部（二次側）３０ｂとなっている。また、積層型の圧電トランス４０は、厚みの薄い圧電体４１と内部電極４２とが厚み方向に交互に複数段に積層されてなる入力部４０ａと、単一層（バルク）の圧電体４３からなる出力部４０ｂからなる。内部電極４２は一層おきに接続されて一対の入力用電極４４ａ・４４ｂが形成されており、圧電体４３の端面に出力用電極４４ｃが形成されている。
【０００４】
このような圧電トランス３０・４０に用いられる圧電体（圧電材料）としては、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、これに所定の特性を向上させるために、ストロンチウム（Ｓｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）等を、１または複数組み合わせて、一般的に個々の酸化物の形で微量添加した圧電セラミックスが広く用いられている。
【０００５】
ここで、単板型の圧電トランス３０は、圧電体３１に入力用電極３２ａ・３２ｂと出力用電極３２ｃを、銀ペースト等を焼き付けて形成し、最初に入力用電極３２ａ・３２ｂと出力用電極３２ｃとの間で出力部３０ｂの分極を行い、次に、入力用電極３２ａ・３２ｂ間で入力部３０ａの分極処理を行って作製される。
【０００６】
また、積層型の圧電トランス４０は、一般的に、圧電セラミックス粉末をドクターブレード法等のシート成形技術を用いてシート状に成形した後に所定の形状に打ち抜き加工等し、次いで得られたグリーンシートの所定位置に内部電極ペーストをスクリーン印刷等して積層し、こうして得た積層体を圧着して一体化した後に焼成して、次に得られた焼結体を加工した後に形成された内部電極４２を一層おきに接続して入力用電極４４ａ・４４ｂを形成し、また、出力用電極４４ｃを形成して、この入力用電極４４ａ・４４ｂと出力用電極４４ｃとの間で出力部４０ｂの分極を行い、次に、入力用電極４４ａ・４４ｂ間で入力部４０ａの分極処理を行うことで作製される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一定の条件下において上記方法等によって作製された圧電トランス３０・４０であっても、圧電トランスの重要な特性である昇圧比や変換効率等が素子ごとにばらつくことが多かった。この場合には、圧電トランスを搭載した機器の品質にばらつきが生ずるおそれがある。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、素子特性のばらつきを抑えた高性能の圧電トランスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明によれば、矩形板状の圧電体の長手方向の半分の一方に入力部が形成され、他方に出力部が形成されてなる圧電トランスであって、
前記入力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ_１）と、前記入力部に形成された電極を短絡した端子と前記出力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ_２）の差（｜ｆ_１−ｆ_２｜）が、前記共振周波数（ｆ_１）または前記共振周波数（ｆ_２）のいずれか大きい方の値の２％以下であることを特徴とする圧電トランス、が提供される。
【００１０】
このように、入力部の２カ所の電極に信号を入力して測定した長手方向の共振周波数と、一次側の２カ所の電極を短絡した端子と出力部の電極に信号を入力して測定した長手方向の共振周波数との差が小さい場合には、昇圧比や変換効率等の特性の素子ごとのばらつきが小さくなる。そして、このような圧電トランスを搭載した機器は、品質のばらつきが小さくなる。なお、共振周波数の測定には、例えば、インピーダンスゲインフェーズアナライザ等を用いることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電トランスの実施の形態について、先に図１（ｂ）に示した積層型の圧電トランス４０を例として説明する。圧電トランス４０は、短冊状の板状体の長手方向の半分の一方に形成された入力部４０ａと、残る他方に形成された出力部４０ｂからなり、入力部４０ａは厚みの薄い複数の圧電体４１と内部電極４２とが厚み方向に交互に積層された積層構造を有し、内部電極４２は一層おきに接続されて入力用電極４４ａ・４４ｂが形成されている。また、出力部４０ｂは単一層（バルク）の圧電体４３からなる構造を有しており、その端面に出力用電極４４ｃが形成されている。ここで、入力用電極４４ａ・４４ｂの一方は、出力用電極としても用いられる共通電極である。
【００１２】
本発明において、このような構造を有する圧電トランス４０は、図２（ｂ）に示すように、インピーダンスゲインフェーズアナライザ２０を用いて、入力部４０ａに形成された入力用電極４４ａ・４４ｂから所定の信号を入力して測定した圧電トランス４０の長手方向の共振周波数（以下「共振周波数ｆ_１」という）と、図２（ａ）に示すように、入力部４０ａに形成された入力用電極４４ａ・４４ｂを短絡した端子と出力部４０ｂに形成された出力用電極４４ｃから所定の信号を入力して測定した圧電トランス４０の長手方向の共振周波数（以下「共振周波数ｆ_２」という）の差（以下、「周波数差｜ｆ_１−ｆ_２｜」という）が、共振周波数ｆ_１または共振周波数ｆ_２のいずれか大きい方の値の２％以下という特性を有する。なお、周波数差｜ｆ_１−ｆ_２｜は絶対値で表すものとする。
【００１３】
このような特性を有する圧電トランス４０を製造する方法の一実施形態について以下に説明する。最初に、所定の組成を有する圧電セラミックス粉末、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス粉末を用いてセラミックスグリーンシート（以下「グリーンシート」という）を作製する。このグリーンシートの作製は、公知の方法、例えば、ドクターブレード法や押出成形法、カレンダロール法等を用いることができる。成形するグリーンシートの厚みは、例えば、焼成後に５０μｍ〜２００μｍとなるように調整するが、本実施の形態においては、焼成後に約６０μｍとなるように作製した。
【００１４】
こうして作製したグリーンシートを焼成収縮や加工しろを考慮して打ち抜き加工または切り取り加工等し、作製する圧電トランスの短冊状の形状に適合した所定の形状のシート（以下「印刷用シート」という）を得る。ここで、作製する圧電トランスの表裏主面の面積が小さい場合には、その中に複数個の圧電トランスが含まれるように印刷用シートの大きさを調節することも好ましい。
【００１５】
印刷用シートにおける長手方向半分の領域に、内部電極４２を形成するためのペースト（以下「内部電極ペースト」という）をスクリーン印刷法等を用いて印刷する。ここで、内部電極ペーストの印刷にあたっては、例えば、焼成後に２〜５μｍ程度となるように印刷厚みを調節する。また、形成される内部電極をその後に一層おきに接続することが容易となるように、内部電極ペーストを印刷するパターンを定めることが望ましい。本実施の形態では、内部電極ペーストとして、銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）（質量比：７０／３０）ペーストを用いた。
【００１６】
印刷用シートにおいて内部電極ペーストが印刷されていない他方の半分には、所定の添加元素が微量に含まれたペースト（以下「微量元素ペースト」という）を所定厚みにて印刷する。この添加元素としては、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）が挙げられる。本実施の形態においては、グリーンシートの作製に使用した圧電セラミックス粉末にこれらの添加元素の酸化物が一種類のみ含まれる３種類の微量元素ペーストであって、かつ、各種について微量元素の添加量の異なるものを準備して印刷に供した。なお、このような微量元素ペーストとしては、所定の粘性を有する樹脂にこれらの酸化物を所定量添加して作製された樹脂ペーストを用いることもできる。
【００１７】
内部電極ペーストおよび微量元素ペーストが印刷された印刷用シートを位置合わせして所定枚数、例えば、２１枚積層し、こうして積層された印刷用シートどうしを熱プレス等を用いて熱圧着し、一体化する。ここで、印刷した微量元素ペーストの種類が異なる印刷用シートどうしを積層することは行っていない。次に、こうして得られたプレス体を所定の条件にて焼成し、得られた焼成体の側面や表面に必要に応じて、研削加工や研磨加工を施して形状を整える。
【００１８】
続いて、銀ペースト等を用いて、入力部４０ａの内部電極４２を一層おきに接続して入力用電極４４ａ・４４ｂを形成し、また、出力部４０ｂの端面に出力用電極４４ｃを形成した後、所定の温度で処理して銀ペースト等を焼き付ける。通常、この銀ペースト等の焼き付け処理は焼成温度よりも低い温度で行う。そして、必要に応じて形成された銀電極にリード線を取り付ける。
【００１９】
入力部４０ａに設けられた入力用電極４４ａ・４４ｂと、出力部４０ｂの端面に設けられた出力用電極４４ｃとの間に所定の電圧を印加して出力部４０ｂの分極処理を行い、その後に入力部４０ａの入力用電極４４ａ・４４ｂ間に所定の電圧を印加して入力部４０ａの分極処理を行うことで圧電トランス４０が作製される。なお、分極処理は圧電セラミックスのキュリー点より低い所定の温度において、所定時間行われる。
【００２０】
上述した圧電トランス４０の製造方法に従って作製した試料１〜１１について、共振周波数ｆ_１および共振周波数ｆ_２を、先に図２に示したように、インピーダンスゲインフェーズアナライザ２０を用いて測定した結果を、表１に示す。ここで、表１に示される添加物濃度は、微量元素ペーストを作製する際の圧電セラミックス粉末に対する添加元素の酸化物の質量％であり、比較のために微量元素ペーストを印刷していない試料（試料１１）を作製して、評価に供している。また、インピーダンスゲインフェーズアナライザ２０による共振周波数ｆ_１・ｆ_２は、電圧を１Ｖとして周波数を走査することで共振点を探して決定した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
表１に示した偏差比率は、共振周波数ｆ_１・ｆ_２の差の絶対値を値の大きい方の共振周波数の値で除した値をパーセンテージで示したものであり、表１に示すように、微量元素ペーストを印刷していない試料１１においては、共振周波数ｆ_１に対して共振周波数ｆ_２の値が小さく、その偏差比率は４．４６％と大きくなっている。この原因としては、試料１１においては、積層体の焼結時に、内部電極ペーストとして用いた銀／パラジウムペーストから銀が圧電体へ拡散して、入力部４０ａの圧電体４１に銀が含まれることによって圧電体４１の特性が変化したことが考えられる。
【００２３】
試料１〜１０のように、出力部４０ｂに所定の微量元素を添加することによって偏差比率の値は小さくなっており、これは、添加した微量元素によって出力部４０ｂの圧電体４３の特性が変化していることに大きく起因しているものと考えられる。試料１〜１０において効率が９５％以上となっているのは、試料２・３・６・７・１０であり、添加した微量元素の種類によってその添加量は異なっている。このように、共振周波数ｆ_１・ｆ_２の差を小さくすることによって、効率が９５％以上の圧電トランスを得ることが可能となり、また、素子ごとのばらつきの範囲も狭くなる。さらに、効率が９５％以上の範囲で特性がばらついても、このような圧電トランスを搭載した機器については、良好な品質を得ることが可能となる。
【００２４】
さて、上述した微量元素ペーストを用いて圧電トランス４０を作製する方法は、共振周波数ｆ_１・ｆ_２を近接させる一つの方法にしか過ぎない。例えば、表１に示した各試料の作製にあたっては、一素子について一種類の添加元素が含まれた微量元素ペーストを使用して作製したが、複数種の添加元素を含んだ微量元素ペーストであっても、その含有量と組成を調整することで、効率９５％以上の圧電トランスを得ることが可能である。また、一種類の添加元素が含まれた微量元素ペーストを印刷した印刷用シートであって、それぞれ異なる添加元素が含まれている印刷シートどうしを積層することも可能である。さらに、添加元素も、表１に示した元素に限定されるものではなく、基本組成に対して圧電特性を変える元素、例えば、圧電セラミックスがチタン酸ジルコン酸鉛系材料であるなら、ストロンチウム（Ｓｒ）、銀（Ａｇ）等を用いることもでき、鉛（Ｐｂ）の量を変化させることによっても、圧電セラミックスの特性を変化させて、共振周波数ｆ_１・ｆ_２の整合を図ることも可能である。
【００２５】
その他の共振周波数ｆ_１・ｆ_２の整合方法について、以下に簡単に説明する。第１の方法は、グリーンシートを作製する際に使用する圧電セラミックス粉末に所定量の添加元素を加えておく方法である。この場合、圧電トランス４０の入力部４０ａの圧電特性の変化が、銀／パラジウムペーストを用いることによる銀の圧電体４１への拡散に大きく依存しているならば、この銀による特性変化の方向と逆の方向に特性を変化させる添加元素を用いることが好ましい。
【００２６】
但し、銀による特性変化の方向と同じ方向に特性を変化させる添加元素を用いた場合でも、添加物の効果は添加量が所定範囲にある場合に限られ、ある程度以上の添加物を加えても特性は変化しなくなる場合がある。このように、添加元素の特性への影響が鈍い材料を用いることによっても共振周波数ｆ_１・ｆ_２の整合は可能である。
【００２７】
第２の方法は、内部電極の形態を制御する方法である。例えば、通常は、結果的に所々に微小な孔部（ボイド）が形成されることはあっても、全面にわたって均一な金属膜を形成するように内部電極ペーストを印刷用シートに印刷するが、例えば、印刷する電極パターンをメッシュ状にして、結果的に内部電極面積を減少させることで静電容量を変化させ、これによって共振周波数ｆ_１をシフトさせることも可能である。
【００２８】
第３の方法は、焼成雰囲気や焼成プロファイル（焼成パターン）を制御する方法である。一般的に、圧電トランスを製造する際には、複数の積層体を同時に焼成して焼結体を作製する。このとき、焼成に使用する焼成炉の内部での温度分布や、積層体の配置位置によって焼成むらが発生し、これによって共振周波数ｆ_１・ｆ_２の差が大きくなる場合が考えられる。このような事態を焼成雰囲気や焼成プロファイルを制御することによって防止することで、共振周波数ｆ_１・ｆ_２の整合を図ることが可能である。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明は、圧電トランスにおいて、共振周波数ｆ_１・ｆ_２の値が近接している場合に、効率等において良好な特性が得られ、しかも素子ごとのばらつきが小さいことを見いだしたものである。つまり、このような特性のばらつきが少ない圧電トランスを得る方法は、前記した種々の方法に限定されるものではない。
【００３０】
また、上記実施の形態においては、積層型の圧電トランス４０について説明したが、単板型の圧電トランス３０についても、共振周波数ｆ_１・ｆ_２を近接させることで、素子の特性を向上させ、素子ごとの特性のばらつきを小さくすることが可能である。例えば、単板型の圧電トランス３０において、共振周波数ｆ_１・ｆ_２に差が生ずる原因としては、入力用電極３２ａ・３２ｂとして銀電極を形成する際に銀が圧電体３１に拡散することや、入力部３０ａと出力部３０ｂとでは同じ大きさの電界を印加しても、分極状態に差が生じ、これによって入力部３０ａと出力部３０ｂで誘電率に差が生ずること等が考えられる。
【００３１】
このため、例えば、入力用電極３２ａ・３２ｂをメッシュ状に形成して、入力部３０ａの静電容量を変化させることで共振周波数ｆ_１をシフトさせる方法を用いることにより、共振周波数ｆ_１・ｆ_２の整合を図ることができる。
【００３２】
また、矩形板状の圧電セラミックスの製造方法としては、一般的に、下型と上型からなるプレス型を用い、下型にセラミックス粉末を所定量充填して上型をかぶせ、主面方向に一軸的な圧力を印加して所定形状に成型する方法が採られる。この場合において、最初に圧電セラミックス粉末を充填する際に、下型に形成された粉末を充填するための溝部を薄いフィルム等で長手方向に２分割しておき、入力部となる部分と出力部となる部分にそれぞれ添加元素を含む圧電セラミックス粉末と添加元素を含まない圧電セラミックス粉末を所定量投入し、下型に振動を与えて圧電セラミックス粉末の表面をならす。次に、フィルムを抜き取り、さらに下型に振動を与えてフィルムが抜けた隙間を圧電セラミックス粉末の流動により埋めて、その後に上型をかぶせてプレス処理すると、長手方向において組成は異なるが、一体的に成形され、焼成された圧電セラミックスを得ることができる。これによって共振周波数ｆ_１・ｆ_２の整合を図ることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、圧電トランスの共振周波数ｆ_１・ｆ_２を所定の条件を満足するように近接させることによって、特性に優れ、しかも特性のばらつきの小さい圧電トランスを得ることが可能となり、圧電トランス自体の信頼性が高められ、さらに圧電トランスを搭載する各種機器の信頼性が高められるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電トランスの構造を示す斜視図。
【図２】積層型の圧電トランスの入力部および出力部の比誘電率の測定方法を示す説明図。
【符号の説明】
２０；インピーダンスゲインフェーズアナライザ（ＩＧＡ）
３０；圧電トランス（単板型）
３０ａ；入力部
３０ｂ；出力部
３１；圧電体
３２ａ・３２ｂ；入力用電極
３２ｃ；出力用電極
４０；圧電トランス（積層型）
４０ａ：入力部（一次側）
４０ｂ；出力部（二次側）
４１；圧電体
４２；内部電極
４３；圧電体
４４ａ・４４ｂ；入力用電極
４４ｃ；出力用電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric transformer used for a high voltage power source for lighting a backlight of a liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a piezoelectric transformer that has been used for a backlight lighting power source of a liquid crystal display device was developed in 1957 by C.I. E. It is based on the one invented by Rosen and has a single plate type structure such as the piezoelectric transformer 30 shown in FIG. 1A or a laminated type structure such as the piezoelectric transformer 40 shown in FIG. It has been known.
[0003]
The single plate type piezoelectric transformer 30 has an input portion (primary side) 30a in which

input electrodes

32a and 32b are formed on the main surface of one half in the longitudinal direction of the rectangular plate-shaped piezoelectric body 31, The other half in the longitudinal direction is an output portion (secondary side) 30b having an output electrode 32c formed on its end face. The laminated piezoelectric transformer 40 includes an input unit 40a in which thin piezoelectric bodies 41 and internal electrodes 42 are alternately stacked in a plurality of stages in the thickness direction, and a single layer (bulk) piezoelectric body 43. It comprises an output unit 40b. The internal electrodes 42 are connected every other layer to form a pair of

input electrodes

44 a and 44 b, and an output electrode 44 c is formed on the end face of the piezoelectric body 43.
[0004]
As a piezoelectric body (piezoelectric material) used for such

piezoelectric transformers

30 and 40, lead zirconate titanate is a main component, and in order to improve the predetermined characteristics, strontium (Sr), niobium (Nb) In general, piezoelectric ceramics in which a small amount of antimony (Sb), iron (Fe), manganese (Mn), or the like is added in combination in the form of individual oxides are widely used.
[0005]
Here, in the single-plate type piezoelectric transformer 30, the

input electrodes

32a and 32b and the output electrode 32c are formed on the piezoelectric body 31 by baking silver paste or the like, and the

input electrodes

32a and 32b and the output electrode are first formed. The output part 30b is polarized with the input part 32c, and then the input part 30a is polarized between the

input electrodes

32a and 32b.
[0006]
The laminated piezoelectric transformer 40 is generally obtained by forming a piezoelectric ceramic powder into a sheet shape using a sheet forming technique such as a doctor blade method, and then punching it into a predetermined shape, and then obtaining the obtained green sheet. The internal electrode paste was formed by screen printing and laminating the internal electrode paste at a predetermined position, and the laminated body thus obtained was pressed and integrated and then fired and then the sintered body thus obtained was processed. 42 are connected every other layer to form the

input electrodes

44a and 44b, and the output electrode 44c is formed, and the polarization of the output portion 40b is formed between the

input electrodes

44a and 44b and the output electrode 44c. Next, the input portion 40a is polarized between the

input electrodes

44a and 44b.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, even with the

piezoelectric transformers

30 and 40 manufactured by the above method under certain conditions, the step-up ratio and conversion efficiency, which are important characteristics of the piezoelectric transformer, often vary from element to element. In this case, there is a possibility that the quality of the device on which the piezoelectric transformer is mounted varies.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object thereof is to provide a high-performance piezoelectric transformer in which variations in element characteristics are suppressed.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the present invention, there is provided a piezoelectric transformer in which an input portion is formed on one half of a longitudinal direction of a rectangular plate-shaped piezoelectric body and an output portion is formed on the other,
The resonance frequency (f ₁ ) in the longitudinal direction of the piezoelectric transformer measured through the electrode formed in the input unit, the terminal formed by short-circuiting the electrode formed in the input unit, and the electrode formed in the output unit The difference (| f ₁ −f ₂ |) of the resonance frequency (f ₂ ) in the longitudinal direction of the piezoelectric transformer measured in this way is the larger of the resonance frequency (f ₁ ) and the resonance frequency (f ₂ ). The piezoelectric transformer is characterized by being 2% or less.
[0010]
As described above, the resonance frequency in the longitudinal direction measured by inputting signals to the two electrodes of the input unit, and the signal input to the terminals of the two terminals on the primary side and the electrodes of the output unit were measured. When the difference from the resonance frequency in the longitudinal direction is small, variations in characteristics such as step-up ratio and conversion efficiency from element to element become small. And a device with such a piezoelectric transformer has less variation in quality. For example, an impedance gain phase analyzer can be used to measure the resonance frequency.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the piezoelectric transformer of the present invention will be described by taking the laminated piezoelectric transformer 40 shown in FIG. 1B as an example. The piezoelectric transformer 40 includes an input portion 40a formed on one half of the longitudinal direction of a strip-shaped plate and an output portion 40b formed on the other half, and the input portion 40a includes a plurality of thin piezoelectric members. 41 and internal electrodes 42 are stacked alternately in the thickness direction, and the internal electrodes 42 are connected every other layer to form

input electrodes

44a and 44b. The output portion 40b has a structure composed of a single layer (bulk) piezoelectric body 43, and an output electrode 44c is formed on the end face thereof. Here, one of the

input electrodes

44a and 44b is a common electrode that is also used as an output electrode.
[0012]
In the present invention, as shown in FIG. 2B, the piezoelectric transformer 40 having such a structure is obtained from the

input electrodes

44a and 44b formed in the input section 40a by using the impedance gain phase analyzer 20, and a predetermined amount is used. A resonance frequency in the longitudinal direction of the piezoelectric transformer 40 measured by inputting a signal (hereinafter referred to as “resonance frequency f ₁ ”), and as shown in FIG. 2A, an input electrode 44 a. A difference (hereinafter referred to as “resonance frequency f ₂ ”) in the longitudinal direction of the piezoelectric transformer 40 measured by inputting a predetermined signal from a terminal short-circuited by 44 b and an output electrode 44 c formed on the output portion 40 b. , “Frequency difference | f ₁ −f ₂ |”) is 2% or less of the larger value of the resonance frequency f ₁ or the resonance frequency f ₂ . The frequency difference | f ₁ −f ₂ | is expressed as an absolute value.
[0013]
An embodiment of a method for manufacturing the piezoelectric transformer 40 having such characteristics will be described below. First, a ceramic green sheet (hereinafter referred to as “green sheet”) is prepared using a piezoelectric ceramic powder having a predetermined composition, for example, a lead zirconate titanate piezoelectric ceramic powder. The green sheet can be produced by a known method such as a doctor blade method, an extrusion molding method, a calendar roll method, or the like. The thickness of the green sheet to be molded is adjusted to be, for example, 50 μm to 200 μm after firing, but in the present embodiment, the green sheet was prepared to be about 60 μm after firing.
[0014]
The green sheet thus produced is punched or cut in consideration of firing shrinkage and processing margin, and a sheet having a predetermined shape (hereinafter referred to as “printing sheet”) suitable for the rectangular shape of the piezoelectric transformer to be produced. obtain. Here, when the area of the front and back main surfaces of the piezoelectric transformer to be manufactured is small, it is also preferable to adjust the size of the printing sheet so that a plurality of piezoelectric transformers are included therein.
[0015]
A paste for forming the internal electrode 42 (hereinafter referred to as “internal electrode paste”) is printed on a half region in the longitudinal direction of the printing sheet using a screen printing method or the like. Here, when printing the internal electrode paste, for example, the printing thickness is adjusted to be about 2 to 5 μm after firing. Further, it is desirable to determine a pattern for printing the internal electrode paste so that the internal electrodes to be formed can be easily connected every other layer thereafter. In this embodiment, a silver (Ag) / palladium (Pd) (mass ratio: 70/30) paste was used as the internal electrode paste.
[0016]
On the other half of the printing sheet on which the internal electrode paste is not printed, a paste containing a small amount of a predetermined additive element (hereinafter referred to as “trace element paste”) is printed with a predetermined thickness. Examples of the additive element include iron oxide (Fe ₂ O ₃ ), manganese oxide (MnO), and niobium oxide (Nb ₂ O ₅ ). In the present embodiment, the piezoelectric ceramic powder used for the production of the green sheet is three kinds of trace element pastes containing only one kind of oxide of these additive elements, and the addition amount of trace elements for each type Were prepared for printing. As such a trace element paste, a resin paste prepared by adding a predetermined amount of these oxides to a resin having a predetermined viscosity can be used.
[0017]
The printing sheets on which the internal electrode paste and the trace element paste are printed are aligned and laminated, for example, 21 sheets, and the laminated printing sheets are thermocompression-bonded using a hot press or the like to be integrated. To do. Here, the printing sheets having different kinds of printed trace element pastes are not stacked. Next, the press body thus obtained is fired under predetermined conditions, and the side and surface of the obtained fired body are subjected to grinding and polishing as necessary to adjust the shape.
[0018]
Subsequently, the internal electrodes 42 of the input part 40a are connected every other layer using silver paste or the like to form the

input electrodes

44a and 44b, and the output electrode 44c is formed on the end face of the output part 40b Then, a silver paste or the like is baked by processing at a predetermined temperature. Usually, the baking treatment of the silver paste or the like is performed at a temperature lower than the firing temperature. And a lead wire is attached to the silver electrode formed as needed.
[0019]
A predetermined voltage is applied between the

input electrodes

44a and 44b provided in the input unit 40a and the output electrode 44c provided on the end face of the output unit 40b to perform polarization processing of the output unit 40b. The piezoelectric transformer 40 is manufactured by applying a predetermined voltage between the

input electrodes

44a and 44b of the input unit 40a to perform polarization processing of the input unit 40a. The polarization treatment is performed for a predetermined time at a predetermined temperature lower than the Curie point of the piezoelectric ceramic.
[0020]
For the samples 1 to 11 manufactured according to the method for manufacturing the piezoelectric transformer 40 described above, the resonance frequency f ₁ and the resonance frequency f ₂ were measured using the impedance gain phase analyzer 20 as shown in FIG. Table 1 shows. Here, the additive concentration shown in Table 1 is the mass% of the oxide of the additive element with respect to the piezoelectric ceramic powder when producing the trace element paste, and a sample (for which the trace element paste is not printed for comparison) Sample 11) was prepared for evaluation. Further, the resonance frequencies f ₁ and f ₂ by the impedance gain phase analyzer 20 were determined by searching for the resonance point by scanning the frequency with a voltage of 1V.
[0021]
[Table 1]

[0022]
The deviation ratio shown in Table 1 is a percentage obtained by dividing the absolute value of the difference between the resonance frequencies f ₁ and f ₂ by the value of the resonance frequency having the larger value. in sample 11 not printed with the trace elements paste, the value of the resonance frequency f ₂ with respect to the resonance frequency f ₁ is small, the deviation ratio is as large as 4.46%. This is because, in the sample 11, when the laminate is sintered, silver diffuses from the silver / palladium paste used as the internal electrode paste to the piezoelectric body, and the piezoelectric body 41 of the input unit 40a contains silver. It is conceivable that the characteristics of the piezoelectric body 41 have changed.
[0023]
Like the samples 1 to 10, the value of the deviation ratio is reduced by adding a predetermined trace element to the output part 40b. This is because the characteristic of the piezoelectric body 43 of the output part 40b is changed by the added trace element. It is thought that this is largely attributable to what is being done. Samples 1 to 10 have efficiencies of 95% or more in Samples 2, 3, 6, 7, and 10. The amount of addition differs depending on the type of added trace element. Thus, by reducing the difference between the resonance frequencies f ₁ and f ₂ , a piezoelectric transformer having an efficiency of 95% or more can be obtained, and the range of variation for each element is also narrowed. Furthermore, even if the efficiency varies within a range of 95% or more, it is possible to obtain good quality for a device equipped with such a piezoelectric transformer.
[0024]
The method of manufacturing the piezoelectric transformer 40 using the trace element paste described above is only one method for bringing the resonance frequencies f ₁ and f ₂ close to each other. For example, each sample shown in Table 1 was prepared using a trace element paste containing one kind of additive element per element, but the trace element paste containing multiple kinds of additive elements was used. However, a piezoelectric transformer having an efficiency of 95% or more can be obtained by adjusting the content and composition. It is also possible to laminate printing sheets that are printed with trace element paste containing one kind of additive element, each containing different additive elements. Further, the additive element is not limited to the elements shown in Table 1, and an element that changes the piezoelectric characteristics with respect to the basic composition, for example, strontium (Sr) if the piezoelectric ceramic is a lead zirconate titanate-based material. ), Silver (Ag), or the like can be used, and by changing the amount of lead (Pb), the characteristics of the piezoelectric ceramics can be changed to match the resonance frequencies f ₁ and f _2. is there.
[0025]
Other methods for matching the resonance frequencies f ₁ and f ₂ will be briefly described below. The first method is a method in which a predetermined amount of an additive element is added to the piezoelectric ceramic powder used for producing the green sheet. In this case, if the change in the piezoelectric characteristics of the input section 40a of the piezoelectric transformer 40 is largely dependent on the diffusion of silver into the piezoelectric body 41 by using the silver / palladium paste, It is preferable to use an additive element whose characteristics are changed in the opposite direction.
[0026]
However, even when an additive element that changes the properties in the same direction as the property change due to silver is used, the effect of the additive is limited only when the addition amount is within a predetermined range, and even if an additive of a certain amount or more is added. Characteristics may not change. As described above, the resonance frequencies f ₁ and f ₂ can be matched by using a material that does not affect the characteristics of the additive element.
[0027]
The second method is a method for controlling the form of the internal electrode. For example, usually, even though minute holes (voids) are formed in some places as a result, the internal electrode paste is printed on the printing sheet so as to form a uniform metal film over the entire surface. for example, an electrode pattern to be printed in the mesh shape, resulting in changing the capacitance by reducing the internal electrode area, thereby it is possible to shift the resonance frequency f _1.
[0028]
The third method is a method for controlling the firing atmosphere and the firing profile (firing pattern). Generally, when manufacturing a piezoelectric transformer, a plurality of laminated bodies are fired simultaneously to produce a sintered body. At this time, firing unevenness may occur depending on the temperature distribution inside the firing furnace used for firing and the arrangement position of the laminated body, which may cause a difference in resonance frequencies f ₁ and f ₂ to increase. By preventing such a situation by controlling the firing atmosphere and the firing profile, it is possible to match the resonance frequencies f ₁ and f ₂ .
[0029]
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention has been found that, in the piezoelectric transformer, when the values of the resonance frequencies f ₁ and f ₂ are close to each other, good characteristics can be obtained in efficiency and the variation between elements is small. That is, the method for obtaining such a piezoelectric transformer with little variation in characteristics is not limited to the various methods described above.
[0030]
In the above embodiment, the multilayer piezoelectric transformer 40 has been described. However, the single-plate piezoelectric transformer 30 also improves the element characteristics by bringing the resonance frequencies f ₁ and f ₂ close to each other. It is possible to reduce variation in characteristics from element to element. For example, in the single-plate type piezoelectric transformer 30, the cause of the difference in the resonance frequencies f ₁ and f ₂ is that silver diffuses into the piezoelectric body 31 when silver electrodes are formed as the

input electrodes

32 a and 32 b. Even if an electric field of the same magnitude is applied to the input unit 30a and the output unit 30b, a difference in polarization state occurs, which may cause a difference in dielectric constant between the input unit 30a and the output unit 30b.
[0031]
Therefore, for example, by using a method of shifting the resonance frequency f ₁ by changing the capacitance of the input unit 30 a by forming the

input electrodes

32 a and 32 b in a mesh shape, the resonance frequency f ₁ · f ₂ matching can be achieved.
[0032]
In addition, as a method for manufacturing a rectangular plate-shaped piezoelectric ceramic, generally, a press die composed of a lower die and an upper die is used, a predetermined amount of ceramic powder is filled in the lower die, and the upper die is placed over the main die. A method of applying a uniaxial pressure to form a predetermined shape is employed. In this case, when filling the piezoelectric ceramic powder for the first time, the groove portion for filling the powder formed in the lower mold is divided into two in the longitudinal direction by a thin film or the like, and the input portion and the output portion A predetermined amount of a piezoelectric ceramic powder containing an additive element and a piezoelectric ceramic powder not containing an additive element are added to each portion, and the surface of the piezoelectric ceramic powder is smoothed by applying vibration to the lower mold. Next, when the film is pulled out and the lower mold is vibrated to fill the gap where the film is removed by the flow of the piezoelectric ceramic powder and then covered with the upper mold, the composition is different in the longitudinal direction. Piezoelectric ceramics that have been molded and fired can be obtained. Accordingly, the resonance frequencies f ₁ and f ₂ can be matched.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a piezoelectric transformer having excellent characteristics and small variations in characteristics by bringing the resonance frequencies f ₁ and f ₂ of the piezoelectric transformer close to each other so as to satisfy a predetermined condition. This makes it possible to improve the reliability of the piezoelectric transformer itself and to improve the reliability of various devices equipped with the piezoelectric transformer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a piezoelectric transformer.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a method for measuring a relative dielectric constant of an input part and an output part of a laminated piezoelectric transformer.
[Explanation of symbols]
20: Impedance gain phase analyzer (IGA)
30: Piezoelectric transformer (single plate type)
30a; input unit 30b; output unit 31;

piezoelectric bodies

32a and 32b; input electrode 32c; output electrode 40; piezoelectric transformer (stacked type)
40a: input unit (primary side)
40b; output section (secondary side)
41; piezoelectric body 42; internal electrode 43;

piezoelectric bodies

44a and 44b; input electrode 44c; output electrode

Claims

矩形板状の圧電体の長手方向の半分の一方に入力部が形成され、他方に出力部が形成されてなる圧電トランスであって、
前記入力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ_１）と、前記入力部に形成された電極を短絡した端子と前記出力部に形成された電極を介して測定した圧電トランスの長手方向の共振周波数（ｆ_２）の差（｜ｆ_１−ｆ_２｜）が、前記共振周波数（ｆ_１）または前記共振周波数（ｆ_２）のいずれか大きい方の値の２％以下であることを特徴とする圧電トランス。A piezoelectric transformer in which an input part is formed on one half of the longitudinal direction of a rectangular plate-shaped piezoelectric body and an output part is formed on the other,
The resonance frequency (f ₁ ) in the longitudinal direction of the piezoelectric transformer measured through the electrode formed in the input unit, the terminal formed by short-circuiting the electrode formed in the input unit, and the electrode formed in the output unit The difference (| f ₁ −f ₂ |) of the resonance frequency (f ₂ ) in the longitudinal direction of the piezoelectric transformer measured in this way is the larger of the resonance frequency (f ₁ ) and the resonance frequency (f ₂ ). 2% or less of the piezoelectric transformer.