JP5420425B2 - 圧電トランス - Google Patents

Description

本発明は、圧電体の機械的振動を利用して所望の出力電圧を得る圧電トランスに関するものである。

この種の圧電トランスは、例えば液晶ディスプレイのバックライト用のインバータ等の高圧用電源に使用されている。圧電トランスは、比較的低電圧の入力から高電圧の出力を発生することができる。詳しくは、圧電トランスは、そのケース内に圧電体（圧電振動子）を収容しており、この圧電体が電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有している。すなわち圧電体には一次電極及び二次電極が形成されており、このうち一次電極に入力電圧が印加されると、圧電体が機械的な振動（共振現象）を生じることにより、二次電極から変圧した状態で所望の出力電圧を得ることができる。

従来、圧電トランスを実装部品の形態に加工する場合、圧電体をケース体に収容し、その内部で圧電体を弾性体等で支持することにより、圧電体の機械的振動を吸収する手法が一般的である。例えば、圧電体をケース体に収容した先行技術として、軟弾性体の表面に金属箔（金属膜）を一体に形成し、金属箔により圧電体の電極と端子とを電気的に接続しつつ、軟弾性体により電気的接続を支持する構造が知られている（例えば、日本国特開２００６−４９６７１号公報：特許文献１参照。）。
特開２００６−４９６７１号公報

しかしながら、先行技術のように軟弾性体の表面に形成された極薄の金属箔（金属膜）を導電体として用いる場合、構造的に導電体が脆弱であり、長期間にわたる耐久性の面で不安がある。

また、金属箔と軟弾性体とでは材料の弾性係数（ヤング率）が大きく異なることから、圧電体の振動に対して軟弾性体の方は高い弾性によって充分に追随することができても、表面に一体成形された金属箔の方はほとんど振動に追随できない。この場合、軟弾性体の表面で金属箔が破断したり、剥離したりする可能性があるため、やはり長期間の使用に耐えることが難しいという問題がある。

さらに先行技術は、「軟弾性体」と「金属」という異種材料を一体成形（めっき処理、スパッタリング等）していることから、その成形には複雑な加工技術を必要とする上、その分の加工コストが嵩むという問題もある。

このため圧電トランスの技術分野においては、長期にわたる使用に耐えることができ、かつ、比較的低コストに製造することができることが一つの課題となっている。

本発明の圧電トランスは、外面に電極が形成された圧電体と、圧電体を収容する収容部を有したケース体と、ケース体に設けられ、少なくとも収容部内に一部が露出する端子と、収容部内に圧電体の電極と端子との間にて圧縮された状態で設置される弾性体と、弾性体の少なくとも圧縮方向に対向する２箇所の外面に沿う状態で弾性体とともに収容部内に収容されることにより、電極及び端子にそれぞれ圧着されて電極と端子とを相互に導通させる導電部材とを備える。

本発明によれば、圧電体がケース体（収容部）内で弾性体によって支持されているため、圧電体の機械的な振動を弾性体で吸収することができる。さらに、弾性体は圧電体を支持するだけでなく、その外面に沿って導電部材を案内し、導電部材を圧電体の電極と端子とに圧着させて相互に導通させる機能をも有している。

この場合、導電部材は特に弾性体の表面に一体成形されている必要がないので、単体の部品としてその材料や寸法を適切に選定することにより、導電部材そのものの耐久性を高めることができる。また、導電部材は弾性体の反発力（圧縮に対する反発力）により圧電体の電極と端子の双方に対して強固に圧着されるため、圧電体が振動しても、弾性体と電極又は端子の間から導電部材が脱落することがない。したがって本発明の圧電トランスは、長期間にわたる使用にも充分耐えることができる。

また本発明によれば、弾性体と導電部材という異種の材料（例えば、ゴムと金属）を一体に成型する必要はないので、それぞれの加工に際して特別な作業は不要であり、それだけ圧電トランスの製造コストを低く抑えることができる。

すなわち、導電部材は弾性体とは別体であり、かつ、単体で変形自在であることが好ましい。例えば、導電部材が柔軟性の高い金属ワイヤ、金糸線、金属板等であれば、圧電トランスの組み立て作業時に、導電部材を弾性体の外面に沿って自在に変形させた状態にしておくことができる。そして、ケース体（収容部）に圧電体を収容する際、その電極と端子との間に弾性体を圧入することで、導電部材も一緒にケース体に収容される。このとき、弾性体が電極と端子との間で圧縮されることにより、その反発力で導電部材を電極又は端子に強く圧着させることができる。

このように、本発明の採用する構造によれば、圧電トランスの組み立て作業が容易になることから、圧電トランスの生産に際して自動機械を用いた完全な自動化に適する。したがって本発明は、より大量かつ安価に製品を提供することができるという産業上の利点がある。

また弾性体は、少なくとも２箇所の外面からの導電部材の脱落を防止するべく導電部材を保持する保持部を有することが好ましい。弾性体が保持部を有するものであれば、接着剤等を用いなくても長期にわたり導電部材を保持し続けることができる。したがって、圧電トランスの耐久性や信頼性をより確実なものとすることができる。

本発明の圧電トランスは、簡素な構造であって、その組み立てが容易であり、なおかつ製造コストの低減に大きく寄与することができる。

図１は、一実施形態の圧電トランスを構成要素に分解して示す斜視図、 図２は、圧電トランスを完成状態で示す水平断面図（図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図）、 図３は、弾性体ブロックの設置部位を拡大して示す部分的な断面図、 図４は、第１例の弾性体ブロックを単独で示す平面図、 図５は、第１例の弾性体ブロックを単独で示す正面図、 図６は、第２例の弾性体ブロックの正面図、そして、 図７は、第２例の弾性体ブロックの縦断面図である。

符号の説明

１００ 圧電トランス
１０２ 圧電セラミックス（圧電体）
１０４ 樹脂ケース（ケース）
１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅ，１０４ｆ 凹部
１０５ 収容部
１０６ 一次側電極（電極）
１０８ 二次側電極（電極）
１１０，１１２，１１４ 端子
１１６，１２０ 弾性体ブロック（弾性体）
１１７ 導電線（導電部材）

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、一実施形態の圧電トランス１００を構成要素に分解して示す斜視図である。また、図２は、この圧電トランス１００を完成状態で示す水平断面図（図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図）である。一実施形態の圧電トランス１００は、例えば液晶ディスプレイのバックライト用のインバータ等の高圧用電源に使用されるものであって、比較的低電圧の入力から高電圧の出力を発生させることができる。

〔圧電体〕
図１に示されるように、圧電トランス１００は、主に圧電セラミックス（圧電体）１０２及び樹脂ケース（ケース体）１０４を備えている。圧電セラミックス１０２はケース１０４内に収容されており、ケース１０４には圧電セラミックス１０２のための収容部１０５が形成されている。なお、圧電トランス１００を図示しない回路基板に実装した場合、図１中の上方向は樹脂ケース１０４の底面側に相当する。すなわち圧電トランス１００は、樹脂ケース１０４の底面側を図示しない回路基板の実装面に向き合わせた状態で実装される。

本実施形態の圧電セラミックス１０２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス（ＰＺＴ）等の圧電振動子を分極して得られたものである。この圧電セラミックス１０２の形状については特に限定しないが、ここでは一例として略直方体形状（平板状）を挙げることができる。

〔電極〕
圧電セラミックス１０２の外面のうち、その厚み方向で対になる両面には、それぞれ一次側電極１０６が形成されている。図１には片面のみ示されているが、この反対側の面にも同様の一次側電極１０６が形成されている（図２参照）。また、圧電セラミックス１０２の外面のうち、その長手方向の一端部に二次側電極１０８が形成されている。本実施形態では、圧電セラミックス１０２の厚み方向で対になる一方の面（図１に示された片面）にのみ二次側電極１０８が形成されている。

これら一次側電極１０６及び二次側電極１０８は、圧電セラミックス１０２の外面に例えば金属ペーストを用いたスクリーン印刷によって形成されている。圧電セラミックス１０２の幅方向、つまり、上述した長手方向及び厚み方向にそれぞれ略直交する方向でみると、各電極１０６，１０８の長さは、圧電セラミックス１０２の幅よりも僅かに短い。なお一次側電極１０６は、圧電セラミックス１０２の全長（長手方向）に対して約半分程度の長さを有する。

〔ケース体〕
樹脂ケース１０４は、その底面側が開口されたケース本体１０４ｂを有する。また樹脂ケース１０４は、この底面側から上面側（図１では下方に位置する）に向けて延びた内壁１０４ａを有している。なお樹脂ケース１０４には、内壁１０４ａの内側に収容部１０５が形成されている。

図には示されていないが、樹脂ケース１０４の開口は底面側のみであり、その上面は閉塞されている。また、これら内壁１０４ａは、圧電セラミックス１０２の全長よりも僅かに長い。このためケース本体１０４ｂ内、つまり収容部１０５には、圧電セラミックス１０２を縦置きの姿勢（胴回りの側端面を天地にした状態）で収容することができる。

樹脂ケース１０４には、ケース本体１０４ｂ内の４箇所に凹部１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅ，１０４ｆが設けられている。これら４つの凹部１０４ｃ〜１０４ｆは、いずれも内壁１０４ａから本体１０４ｂの外側に向けて一定の幅でケース本体１０４ｂの樹脂を抉り取る（窪ませる）ようにして形成されている。

凹部１０４ｃ〜１０４ｆうち、２つの凹部１０４ｃ，１０４ｄは一次側電極１０６側に配置されており、これらは本体１０４ｂ内で圧電セラミックス１０２を挟んで対向する位置関係にある。なお凹部１０４ｃ，１０４ｄは、互いに同一（対称）形状である。

また凹部１０４ｃ，１０４ｄは、圧電セラミックス１０２の長手方向に生ずる機械的な振動の節（理論上の振幅が零になる位置）に形成されている。より詳しくは、凹部１０４ｃ，１０４ｄは、圧電セラミックス１０２の全長（λ）に対し、その長手方向の前端部分からλ／４だけ離れた位置に設けられている。

これは、本実施形態の圧電セラミックス１０２がその固有共振周波数（λの波長）の電圧で駆動されているからであり、その際の振動の節は、長手方向の前端部分及び後端部分からそれぞれλ／４だけ離れた位置にある。なお、ここでは一次側電極１０６が形成されている端部を長手方向の「前」とし、二次側電極１０８が形成されている端部を「後」としている。同時に、この長手方向に生ずる機械的な振動よりは小さいものの、上述した幅方向や厚み方向にも機械的な振動が生じている。そして、当該幅方向の振動の節は、その上端部分と下端部分との間の略中央位置にあり、当該厚み方向の振動の節も、その先端部分と末端部分との間の略中央位置にある。

一方、二次側電極１０８に近接して配置された凹部１０４ｅ，１０４ｆもまた、圧電セラミックス１０２を挟んで互いに対向する位置関係にある。このうち図１でみて手前側に位置する凹部１０４ｅは、奥側に位置する凹部１０４ｆに比較して大きな形状である。

〔端子〕
樹脂ケース１０４には、合計３本の端子１１０，１１２，１１４が設置されている。このうち２本の端子１１０，１１２は、樹脂ケース１０４内で一次側電極１０６に対向してそれぞれ配置されている。一方、残りの端子１１４は、樹脂ケース１０４内で二次側電極１０８に対向して配置されている。そして、これら３本の端子１１０，１１２，１１４は、ケース１０４の上面側から底面側に向けてケース本体１０４ｂに挿入されている。このとき、各端子１１０，１１２，１１４の側面が対応する凹部１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅ内で部分的に露出するとともに、それぞれの先端が底面側から突出する。

なお、図２に示されるように、この内壁１０４ａにおいて、圧電セラミックス１０２の長手方向の後端部分からλ／４だけ離れた位置（長手方向に生ずる機械的な振動の節）には、圧電セラミックス１０２を両側から案内する突起状のリブ１０４ｔが形成されている。そして、例えばシリコーン接着剤１２４がリブ１０４ｔを覆い隠すように本体１０４ｂ内に充填されることにより、圧電セラミックス１０２がシリコーン接着剤１２４を介して樹脂ケース１０４に接着される。

〔弾性体〕
このように、ケース本体１０４ｂ内に圧電セラミックス１０２が収容された状態において、互いに対をなす２つの凹部１０４ｃ，１０４ｄには、それぞれ弾性体ブロック１１６が設置されている。また凹部１０４ｅには、別の弾性体ブロック１２０が設置されている。なお、その他の凹部１０４ｆには絶縁ゴム１２２が設置されている。そして圧電セラミックス１０２は、樹脂ケース１０４内にその上面側から浮かせた状態で収容される。このとき圧電セラミックス１０２は、２つの弾性体ブロック１１６の間、そして弾性体ブロック１２０と他の絶縁ゴム１２２との間に挟まれることで保持される。なお弾性体ブロック１１６，１２０もまた、特に導電性を有しない絶縁ゴム材料（例えば、シリコーンゴム）で構成されている。

各弾性体ブロック１１６は、樹脂ケース１０４内にて、圧電セラミックス１０２の一次側電極１０６と端子１１０，１１２との間にそれぞれ配置されている。換言すれば、弾性体ブロック１１６の一方の側端面が一次側電極１０６に接触し、他方の側端面が端子１１０又は端子１１２に接触している。このとき弾性体ブロック１１６は、それぞれ対応する凹部１０４ｃ，１０４ｄ内に嵌め込まれ、一次側電極１０６と端子１１０，１１２との間で圧縮（圧入）された状態にある。

また弾性体ブロック１２０は、樹脂ケース１０４内にて、圧電セラミックス１０２の二次側電極１０８と端子１１４との間に配置されている。ここでも同様に、弾性体ブロック１２０の一方の側端面が二次側電極１０８に接触し、他方の側端面が端子１１４に接触している。このとき弾性体ブロック１２０は、対応する凹部１０４ｅ内に嵌め込まれ、二次側電極１０８と端子１１４との間で圧縮（圧入）された状態にある。

このように、本実施形態では弾性体ブロック１２０が二次側電極１０８と端子１１４との間で圧縮されていることから、樹脂ケース１０４内でのバランスを考慮し、二次側電極１０８と反対側の面にも絶縁ゴム１２２を配置することが好ましい。すなわち、絶縁ゴム１２２は、ケース１０４内で圧電セラミックス１０２を弾性体ブロック１２０との間に挟み込み、その機械的振動を吸収するのに寄与している。このため絶縁ゴム１２２もまた、樹脂ケース１０４内にて、圧電セラミックス１０２の外面と内壁１０４ａ（凹部１０４ｆ）との間で圧縮（圧入）された状態にある。

〔導電部材〕
弾性体ブロック１１６，１２０には、それぞれ外面に沿って導電線１１７が巻かれている。すなわち、これら導電線１１７は各弾性体ブロック１１６，１２０とは別体のものであり、それぞれ単体で柔軟に変形できる素材（例えば、金属ワイヤ、金糸線等）である。なお、本実施形態では図示の例としてワイヤ状のものを例に挙げているが、導電線１１７は板状の導電部材であってもよい。

図３は、弾性体ブロック１１６，１２０の設置部位を拡大して示す部分的な断面図である。以下、図１，図２に図３を追加して、一次側電極１０６や二次側電極１０８と各端子１１０，１１２，１１４との電気的な接続について説明する。

〔一次側電極と端子との接続〕
先ず弾性体ブロック１１６については、一次側電極１０６と端子１１０，１１２にそれぞれ対向する２つの外面と、これら２つ外面の間に位置する下側の外面（つまり下面）に沿うようにしてＵ字形状に導電線１１７が巻かれている。この状態で弾性体ブロック１１６が圧入されると、図２，図３に示されているように、弾性体ブロック１１６の圧縮に対する反発力で導電線１１７が一次側電極１０６と端子１１０，１１２にそれぞれ圧着された状態となる。これにより、樹脂ケース１０４内では、２箇所の一次側電極１０６と各端子１１０，１１２との電気的な接続が実現されている。

〔二次側電極と端子との接続〕
次に弾性体ブロック１２０については、二次側電極１０８と端子１１４にそれぞれ対向する２つの外面と、これら２つ外面の間に位置する下側の外面（下面）に沿うようにしてＵ字形状に導電線１１７が巻かれている。この状態で弾性体ブロック１２０が圧入されると、同じく図２，図３に示されているように、弾性体ブロック１２０の圧縮に対する反発力で導電線１１７が二次側電極１０８と端子１１４にそれぞれ圧着された状態となる。これにより、樹脂ケース１０４内では、二次側電極１０８と端子１１４との電気的な接続が実現されることになる。

なお、図１には導電線１１７が余剰な長さを有する状態で示されているが、樹脂ケース１０４内への圧入後、例えば樹脂ケース１０４からはみ出た余剰部分は切断されることが望ましい。これにより、回路基板への実装時に無関係な箇所との電気的な接続が発生するのを防止することができる。

上記のように本実施形態では、弾性体ブロック１１６，１２０の弾性力（反発力）を用いた圧着により、導電線１１７を用いて一次側電極１０６と端子１１０，１１２、そして二次側電極１０８と端子１１４との電気的な接続を確実に行うことができる。圧電トランス１００の使用時に圧電セラミックス１０２が機械的に振動しても、その強固な圧着によって導電線１１７は保持されるため、長期間にわたり耐久性を発揮することができる。

〔保持部〕
以上に加えて本実施形態では、弾性体ブロック１１６，１２０に関して導電線１１７の脱落を防止し、その保持をより確実にすることができる。以下、いくつか例を挙げて説明する。

〔第１例〕
図４は、第１例の弾性体ブロック１１６，１２０を単独で示す平面図であり、図５は、その正面図である。

図４及び図５に示されているように、弾性体ブロック１１６，１２０には、上記のように導電線１１７が巻かれる外面（両側端面及び下面）に保持溝１１６ａ，１２０ａが形成さている。これら保持溝１１６ａ，１２０ａは、例えば断面半円形状をなし、等幅で一条に形成されている。

保持溝１１６ａ，１２０ａは、その窪み内にて導電線１１７を確実に保持し、弾性体ブロック１１６，１２０の圧入状態において導電線１１７の位置ずれを防止するとともに、その脱落を確実に防止することができる。これにより、圧電トランス１００としての信頼性を高め、長期間にわたる耐久性を向上することができる。

〔第２例〕
次に図６は、第２例の弾性体ブロック１１６，１２０の正面図であり、図７はその縦断面図（図６中のＶII−ＶII断面）に相当する。

図６に示される正面図は、弾性体ブロック１１６，１２０を樹脂ケース１０４内での圧縮方向にみたものである。そして第２例では、弾性体ブロック１１６，１２０の内部を圧縮方向に貫通して保持穴１１６ｂ，１２０ｂが形成されている。さらに弾性体ブロック１１６，１２０には、保持穴１１６ｂ，１２０ｂの全長にわたって、側面から保持穴１１６ｂ，１２０ｂに通じる切り割れ部１１６ｃ，１２０ｃが形成されている。

このため保持穴１１６ｂ，１２０ｂ内には、側面の切り割れ部１１６ｃ，１２０ｃを通じて導電線１１７を容易に挿入することができる。この場合、導電線１１７が柔軟性の高い素材であったとしても、これを容易に保持穴１１６ｂ，１２０ｂに挿通することができるので、それだけ作業性を向上することができる。

なお、図７に示されているように、導電線１１７を保持穴１１６ｂ，１２０ｂに挿通した状態であっても、圧縮方向でみた両側端面に沿う状態で導電線１１７が位置するので、導電線１１７を一次側電極１０６と端子１１０，１１２、又は二次側電極１０８と端子１１４に対して確実に圧着させることができる。

また樹脂ケース１０４内に弾性体ブロック１１６，１２０を圧入する際、予め保持穴１１６ｂ，１２０ｂ内に導電線１１７を挿入しておけば、圧入作業の途中で導電線１１７の位置がずれてしまうことがない。これにより、確実に各導電線１１７を一次側電極１０６と端子１１０，１１２又は二次側電極１０８と端子１１４に圧着させることができる。

以上のように本実施形態では、弾性体ブロック１１６，１２０と導電線１１７とが別体であるため、異なる材料を一体成形するような複雑な加工を必要としない。また、圧電トランス１００の組み立て時は、弾性体ブロック１１６，１２０の外面に導電線１１７を沿わせた状態で樹脂ケース１０４内に圧入するだけでよいので、作業性がよく、自動化への対応が容易である。したがって、材料の加工コストや組み立てコストを低減し、大量かつ安価に圧電トランス製品を市場に供給することができる。

本発明は上述した一実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。例えば、図４及び図５に示される第１例では弾性体ブロック１１６，１２０の両側面に加えて下面にも保持溝１１６ａ，１２０ａが形成されているが、保持溝１１６ａ，１２０ａは両側面だけに形成されていてもよいし、両側面のうち一方だけに形成されていてもよい。また、保持溝１１６ａ，１２０ａの断面形状や幅寸法、長さ等は特に任意であり、使用する導電線１１７等の形状に合わせて適宜に変形してもよい。

また、図６及び図７に示される第２例では弾性体ブロック１１６，１２０の中央に１つだけ保持穴１１６ｂ，１２０ｂが形成されているが、保持穴１１６ｂ，１２０ｂの位置や個数には特に制約がなく、任意の箇所と個数に変更することができる。

一実施形態では、樹脂ケース１０４内に凹部１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅを形成して弾性体ブロック１１６，１２０を配置しているが、特に凹部１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅを設けなくてもよい。

その他、図示とともに示した各部材の形態はいずれも好ましい一例であり、これらを適宜変形可能であることはいうまでもない。

Claims (2)

1. 外面に電極が形成された圧電体と、
   前記圧電体を収容する収容部を有したケース体と、
   前記ケース体に設けられ、少なくとも前記収容部内に一部が露出する端子と、
   前記収容部内に前記圧電体の電極と前記端子との間にて圧縮された状態で設置される弾性体と、
   前記弾性体の少なくとも圧縮方向に対向する２箇所の外面に沿う状態で前記弾性体とともに前記収容部内に収容されることにより、前記電極及び前記端子にそれぞれ圧着されて前記電極と前記端子とを相互に導通させる導電部材と
   を備え、
   前記導電部材は、
   前記弾性体とは別体であり、かつ、単体で変形自在であることを特徴とする圧電トランス。
2. 請求項１に記載の圧電トランスにおいて、
   前記弾性体は、
   少なくとも前記２箇所の外面からの前記導電部材の脱落を防止するべく前記導電部材を保持する保持部を有することを特徴とする圧電トランス。

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