JP2001148524A

JP2001148524A - 圧電トランス及びそれを用いた電力変換装置

Info

Publication number: JP2001148524A
Application number: JP33102099A
Authority: JP
Inventors: Toru Abe; 徹阿部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2001-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】出力電極の振動変位が小さく、全波長モード
が生じない構造の圧電トランスを提供すること。【解決手段】長板状の圧電体の長手方向縦振動の半波
長モードで励振される圧電トランスであって、圧電体両
端部の上下面に入力電極を設けて圧電体の厚み方向に分
極した駆動部と、圧電体中央部の側面に出力電極を設
け、前記出力電極が圧電体中央部の内部に設けた内部電
極と接続されており、前記両端の駆動部と前記内部電極
の間の領域を圧電体長手方向で相反する方向に分極した
発電部とを有する圧電トランスである。ここで、圧電体
両端部は圧電材と内部電極が交互に積層され、前記内部
電極が前記圧電体両端部の側面あるいは両側面に設けた
入力電極各々と１層おきに接続されていてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液晶ディス
プレイのバックライト用インバータやＤＣ−ＤＣコンバ
ータなどの電力変換装置に用いられる圧電トランス及び
この圧電トランスを用いた電力変換装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、液晶ディスプレイにあっては液
晶自身が発光しないことから液晶表示体の背面や側面に
冷陰極管等の放電管を配置するバックライト方式が主流
となっている。

【０００３】この放電管を駆動するためには、これ自体
の長さや直径にもよるが数１００ボルト以上の交流高電
圧が要求される。この交流高電圧を発生させる方法とし
て圧電トランスを用いたインバータが特開平５−１１４
４９２号公報に示されている。圧電トランスは構造が非
常に簡素であるため小型・薄型化、低コスト化が可能で
ある。この圧電トランスの原理と特徴は学献社発行の専
門誌「エレクトロニク・セラミクス」１９７１年７月号
の「圧電トランスの特性とその応用」に示されている。

【０００４】１９５６年に米国のＣ.Ａ.Ｒｏｓｅｎが発
表したローゼン型圧電トランスを図１１に示す。図１１
を参照してこのローゼン型圧電トランスの原理を説明す
ると、２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）よ
りなる板状の圧電セラミックス素子であり、このセラミ
ック素子の図中左半分の上下面に例えば銀焼付けなどに
より設けられた入力電極４、５の対を形成し、右側端面
にも同様な方法で出力電極６を形成する。そして、セラ
ミック素子２の左半分の駆動部は厚み方向に、右半分の
発電部は長手方向に分極処理を施す。

【０００５】このように形成された圧電トランスにおい
て、入力電極４、５間に交流電圧源８よりセラミック素
子２の長さ方向の共振周波数とほぼ同じ周波数の交流電
圧を印加するとこのセラミック素子２は長手方向に強い
機械振動を生じ、これにより右半分の発電部では圧電効
果により電荷が発生し、出力電極６と入力電極の一方、
例えば入力電極５との間に出力電圧ＶＯが生ずる。この
振動モードには図１２に示すように、長手方向に半波長
で共振する半波長モード（図中ではλ／２モード）と、
一波長で共振する全波長モード（図中ではλモード）の
２つがある。後述するように液晶表示体のバックライト
用インバータではできるだけ周波数を低くする必要があ
り、同じ長さ寸法であれば、半波長モードの圧電トラン
ス素子の共振周波数は全波長モードの半分となるため有
利である。

【０００６】圧電トランスの外形寸法は周波数に反比例
するため、小型にするためには励振周波数をできるだけ
高くする必要がある。しかし、周波数が高すぎると液晶
表示体のバックライトでは放電管や配線などからの浮遊
容量を介して機器本体の金属部に高周波電流が流れてし
まい、放電管には十分な管電流が流れなくなる。このよ
うに、高周波高電圧で駆動される放電管では浮遊容量の
影響が大きいため、できるだけ励振周波数を低くする必
要がある。

【０００７】この圧電トランスを使った電力変換回路の
例を図１３に、この回路の圧電トランス８の出力電圧Ｖ
ｏと励振電圧Ｖ２の波形を図１４に示す。インダクタ３
０のインダクタンスとＭＯＳＦＥＴ２０の出力静電容
量、圧電トランス８の入力静電容量による共振により、
圧電トランス８の励振電圧Ｖ_２は図１４のように半波正
弦波状となるため、ＭＯＳＦＥＴ２０のスイッチング損
失が少なくなる。ここで、励振電圧Ｖ２のフーリエ解析
の結果を図１５に示すが、このように基本波に対して二
次高調波が比較的多く含まれているため、圧電トランス
８は基本波と二次高調波の２つの周波数成分で励振され
る。この場合、励振周波数が圧電トランス８の半波長モ
ード共振周波数にほぼ等しければ、励振電圧Ｖ２の二次
高調波は全波長モード共振周波数にほぼ等しくなり、圧
電トランス８には２つの振動モードが混在する。このた
め圧電トランス８の出力電圧Ｖｏは図１４のように、２
つの振動モードが合成されて歪み波となる。液晶表示体
のバックライトに用いられる冷陰極管は、日刊工業新聞
社発行の専門誌「電子技術」１９９４年６月号の４９ペ
ージに述べられているように歪みの大きい波形で駆動さ
れると寿命が短くなることがある。

【０００８】さらに圧電トランス８の出力電極６は長手
方向振動の変位最大の部位に設けられているため、この
出力電極６に接続されるリード線、端子、半田などは大
振幅振動で機械的な破壊をする危険性が高かった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧電トランスを
素子の小型化のために半波長モードで駆動した場合、出
力電極が長手方向振動の変位最大の部位に設けられてい
るため、この出力電極に接続されるリード線、端子、半
田などは大振幅振動で機械的な破壊をする問題点があっ
た。さらに、従来の圧電トランスは２つの実用的な振動
モードを有しているため、半波長モードに対応した周波
数の励振電圧に二次高調波成分が多く含まれていた場
合、圧電トランス内に半波長と全波長の２つの振動モー
ドが混在し、出力電圧も両方の成分を含んだ歪み波とな
って負荷を短寿命とする問題点があった。

【００１０】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これらを有効に解決すべく創案されたものである。本発
明の目的は、出力電極の振動変位が小さく、全波長モー
ドが生じない構造の圧電トランスを提供することであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、長板状の圧電体の長手方向縦振動の半
波長モードで励振される圧電トランスであって、圧電体
両端部の上下面に入力電極を設けて圧電体の厚み方向に
分極した駆動部と、圧電体中央部の側面に出力電極を設
け、前記出力電極が圧電体中央部の内部に設けた内部電
極と接続されており、前記両端の駆動部と前記内部電極
の間の領域を圧電体長手方向で相反する方向に分極した
発電部とを有する圧電トランスである。

【００１２】また、本発明は、長板状の圧電体の長手方
向縦振動の半波長モードで励振される圧電トランスであ
って、圧電体両端部は圧電材と内部電極が交互に積層さ
れ、前記内部電極が前記圧電体両端部の側面に設けた２
つの入力電極各々と１層おきに接続されて圧電体厚み方
向に分極された駆動部と、圧電体中央部の側面に出力電
極を設け、前記出力電極が圧電体中央部の内部に設けた
内部電極と接続されており、前記両端の駆動部と前記内
部電極の間の領域を圧電体長手方向で相反する方向に分
極した発電部を有する圧電トランスである。

【００１３】また、本発明は、長板状の圧電体の長手方
向縦振動の半波長モードで励振される圧電トランスであ
って、圧電体両端部は圧電材と内部電極が交互に積層さ
れ、前記内部電極が前記圧電体両端部の両側面にそれぞ
れ設けた１つの入力電極各々と１層おきに接続されて圧
電体厚み方向に分極された駆動部と、圧電体中央部の側
面に出力電極を設け、前記出力電極が圧電体中央部の内
部に設けた内部電極と接続されており、前記両端の駆動
部と前記内部電極の間の領域を圧電体長手方向で相反す
る方向に分極した発電部とを有する圧電トランスであ
る。

【００１４】さらに、本発明は、直流入力電源と、前記
直流入力電源と一端が接続されるインダクタと、前記イ
ンダクタの他端と接続されるスイッチ手段と、前記イン
ダクタに並列接続される前記圧電トランスと、前記スイ
ッチ手段の駆動・発振手段とを備えた電力変換装置であ
る。さらに直流入力電源と、前記直流入力電源と一端が
接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と接続
されるスイッチ手段と、前記スイッチ手段に並列接続さ
れる前記圧電トランスと、前記スイッチ手段の駆動・発
振手段とを備えた電力変換装置である。さらに前記スイ
ッチ手段を２つ設け、各スイッチ手段を交互に駆動する
分周回路を含んだ駆動・発振手段とを備えた前記電力変
換装置である。さらに前記圧電トランスの出力に整流・
平滑手段が接続された前記電力変換装置である。

【００１５】本発明の圧電トランスは、出力電極が半波
長モード駆動時の変位最小の中央部に設けられているた
め、この出力電極に接続されるリード線、端子、半田な
どが機械的な破壊をすることが無い。また、左右対称の
構造であるため全波長モードに対しては電荷が相殺して
振動が生じない。このため、半波長モードに対応した周
波数の励振電圧に二次高調波成分が含まれていても圧電
トランスには半波長モードのみの振動が生じ、出力電圧
波形は励振周波数の正弦波となる。さらに入力電極、出
力電極が圧電体側面のみに設けられた構造であると圧電
体厚み方向に入出力の端子、リード線、半田を設ける必
要がないため、トランスの薄型化が図られる。また、全
体を囲うような電極に比べ手間が省けるし圧電体のエッ
ジ隅部で電極材が薄くなったり切断するようなことが避
けられるので好ましい。さらに同一側面に入力電極、出
力電極を共に設けた場合はトランスの幅寸法も小型とな
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。本発明に係る圧電トランスの実
施例を図１に示す。従来の圧電トランスとは大きく異な
り、入力電極５０、５１、５２、５３を設けた２つの駆
動部が長板状圧電体４０の両端部に配置され、内部電極
５９が圧電体中央の素子内部に設けられ、この内部電極
５９と接続された出力電極５８が圧電体中央の側面に配
置されている。両端の駆動部と中央の内部電極の間の領
域は圧電体の長手方向に分極される。この領域は発電部
になり、図上の左側領域と右側領域では分極方向が対向
するようになる。ここで駆動部、発電部の比率は、半波
長モードの応力分布から、両端の駆動部と中央の発電部
が積分応力を均等に分割する状態を理想とすると、全長
を２つ駆動部と発電部で３等分した構造となる。理想は
３等分であるが、負荷のインピーダンスに整合させるな
どの設計要因で発電部の長さを設定する必要もあるた
め、実用上、発電部の長さを全長の１／４〜１／２の範
囲で設定する。

【００１７】図２は本発明の圧電トランスの入力電極側
から測定したインピーダンスの周波数特性である。ここ
で、半波長モードに相当する６０ｋＨｚ付近では共振が
生じているが、全波長モードに相当する１２０ｋＨｚ付
近では共振が生じない。この理由を以下説明する。本発
明の圧電トランスは、発電部の中心に対して左右対称の
構造となっている。図１２に示すように全波長モードで
は応力の向きが中心の左側と右側とで正反対であるの
で、このモードの応力で発生する電荷は、駆動部内、発
電部内でそれぞれ相殺されてしまう。このように圧電現
象の一方を担う電荷が相殺して発生しないため、このモ
ードの共振特性は現れず、トランス作用も生じない。

【００１８】本発明の圧電トランスの第二の実施例を説
明する。本実施例は駆動部を積層構造とした圧電トラン
スであり、図３に示す。この圧電トランスの駆動部には
積層された薄い各層に入力電圧Ｖｉが印加されるため、
単板型に比べ昇圧比がおよそ積層数倍に増大する。この
積層構造の圧電トランスの作製方法は、圧電セラミック
スのグリーンシートをドクターブレード法により作製
し、このグリーンシート上の一部にスクリーン印刷法を
用いて内部電極５４、５５、５６、５７、５９を印刷
し、このシートを積層圧着して焼結する。その後、切
断、研磨を行い、焼付けなどにより入力の外部電極５
０、５１、５２、５３、と出力電極５８を設ける。内部
電極５４は外部電極５０と、内部電極５５は外部電極５
１と、内部電極５６は外部電極５２と、内部電極５７は
外部電極５３と接続する。内部電極５９は出力電極５８
と接続する。そして、駆動部の厚み方向と発電部の長手
方向の分極処理を行い完成する。半波長モード時は圧電
体長手方向の中央が最も振動振幅が小さくなるため、こ
の位置に出力電極５８を設けることにより、外部に接続
されるリード線、端子、半田付けの信頼性が向上され
る。

【００１９】本発明の圧電トランスの第三の実施例を図
４に示す。図３の第二の実施例と比較して、両端の駆動
部の外部電極５０、５１，５２，５３を幅方向の両側面
であって振動変位のより小さい素子中央寄りに設けてい
る。従って、駆動部の外部電極５０、５１，５２，５３
の振動変位が小さくなり、この外部に接続されるリード
線、端子、半田付けの信頼性が向上される。

【００２０】液晶バックライトでは放電管６０に流れる
電流を制御してディスプレイ面の輝度を調整することが
要求される。圧電トランスの出力制御法として圧電トラ
ンスの周波数特性を利用した方法がある。図６は冷陰極
管負荷時の圧電トランス出力電流の周波数特性である。
このように圧電トランスは共振特性を持つため、共振周
波数ｆ_ｒ近傍の周波数で出力を制御できる。冷陰極管負
荷時では共振周波数ｆ _ｒの左側（低周波側）と右側（高
周波側）では非対称となるが、ここでは傾斜の緩やかな
高周波側を制御に用いた。

【００２１】図５は駆動周波数を可変して本発明の圧電
トランスの出力を制御する電力変換装置の一実施例を示
す回路図である。出力電流検出部７０により出力電流Ｉ
_Ｏを検出し、この検出電圧に基づき周波数可変部８０で
駆動周波数を可変し、駆動部１１を介して主スイッチで
あるＭＯＳＦＥＴ２１を駆動している。本実施例の圧電
トランス４１の出力電圧Ｖ_Ｏと励振電圧Ｖ_３の波形図を
図７に示す。励振電圧Ｖ_３は従来例の図１４のＶ_２と同
様の半波長モードに対応した励振周波数で、二次高調波
を多く含んだ歪み波であるが、出力電圧Ｖ_Ｏはほとんど
歪みのない波形となっている。これは前述したように、
圧電トランス４１が全波長モードを生じない構造である
ため、励振電圧Ｖ_３に全波長モードに対応した二次高調
波が多く含まれていても、圧電トランス４１の振動は半
波長モードのみとなり、出力電圧Ｖ_Ｏは正弦波となる。
厳密に言うと、励振電圧Ｖ_３には三次高調波が含まれて
おり、圧電トランス４１も三次高調波に対応した３／２
波長モードでのトランス作用があるため、出力電圧Ｖ_Ｏ
には三次高調波が含まれている。しかし、励振電圧Ｖ３
に含まれている三次高調波は基本波の１０％程度と小さ
く、しかも圧電トランス４１の３／２波長モードでのト
ランス作用は極めて小さい。従って、出力電圧Ｖ_Ｏに含
まれている三次高調波成分は僅かであり、実用面での影
響はほとんど無い。

【００２２】図８は本発明の圧電トランスの出力を制御
する電力変換装置の別の実施例を示す回路図である。前
述の図５と異なる点は圧電トランス４１の駆動部がＭＯ
ＳＦＥＴ２１と並列に接続されていることである。励振
電圧Ｖ_３は直流分を含んだ波形となるが、直流分は振動
にはならないため、圧電トランスの動作は前述の図５と
等価である。

【００２３】図９は本発明の圧電トランスの出力を制御
する電力変換装置の二石式の実施例を示す回路図であ
る。ここではＭＯＳＦＥＴ２１とＭＯＳＦＥＴ２２は交
互に駆動されるため、図１４の半波正弦波状波形Ｖ_２が
合成された擬似正弦波形が励振電圧Ｖ_４となる。励振電
圧Ｖ_４は直流分、二次高調波などの偶数次成分が相殺さ
れて基本波、三次高調波などの奇数次成分が残ったもの
で、そのほとんどが基本波成分であるので擬似正弦波状
となる。前述の図５、図８の一石式の励振電圧Ｖ _３に比
べて基本波成分が２倍となるため、同じ直流入力電圧Ｖ
_１でも２倍の出力電圧Ｖ_Ｏを得ることができる。

【００２４】本発明の電力変換装置は電子機器に直流電
圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータにも適用できる。図
１０は本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施例を示
す回路図で、圧電トランス４１の交流出力を整流ダイオ
ード１１１、１１２と平滑コンデンサ１２０で直流に変
換している。出力電圧検出部７１により直流出力電圧Ｖ
_ＯＤを検出し、この検出電圧に基ずき周波数可変部８０
で駆動周波数を可変し、駆動部１０を介して主スイッチ
であるＭＯＳＦＥＴ２０を駆動している。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、出力電極は半波長モー
ド駆動時の変位最小の中央部に設けられているため、こ
の出力電極に接続されるリード線、端子、半田などが機
械的な破壊をすることが無い。さらに入力外部電極を振
動変位の小さい素子寄りに配置することにより、この出
力電極に接続されるリード線、端子、半田などの機械的
な破壊が無くなる。また、全波長モードが生じない構造
の圧電トランスであるため、半波長モードに対応した周
波数の励振電圧に二次高調波が含まれていても、圧電ト
ランスの出力電圧波形は励振周波数の正弦波となり、歪
みは生じない。また、この圧電トランスを用いた電力変
換装置は小型、薄型化に優れ、信頼性の高いものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電トランスの第一の実施例を示
す図である。

【図２】本発明に係る圧電トランスの入力側から測定し
たインピーダンスの周波数特性図である。

【図３】本発明に係る圧電トランスの第二の実施例を示
す図である。

【図４】本発明に係る圧電トランスの第三の実施例を示
す図である。

【図５】本発明に係る圧電トランスを用いた電力変換装
置の実施例を示す回路図である。

【図６】冷陰極管負荷時の圧電トランス出力電流の周波
数特性図である。

【図７】図５の回路における圧電トランスの出力電圧Ｖ
Ｏと励振電圧Ｖ３を示す波形図である。

【図８】本発明に係る圧電トランスを用いた電力変換装
置の第二の実施例を示す回路図である。

【図９】本発明に係る圧電トランスを用いた電力変換装
置の二石式の実施例を示す回路図である。

【図１０】本発明に係る圧電トランスを用いた電力変換
装置のＤＣ−ＤＣコンバータの実施例を示す回路図であ
る。

【図１１】従来の圧電トランスの動作原理を示す説明図
である。

【図１２】圧電トランスの振動モードを示す説明図であ
る。

【図１３】圧電トランスを使った電力変換装置の従来例
を示す回路図である。

【図１４】図１３の回路における圧電トランスの出力電
圧ＶＯと励振電圧Ｖ₂を示す波形図である。

【図１５】図１３の回路の励振電圧Ｖ２のフーリエ解析
結果を示す図である。

【符号の説明】

１０、１１駆動部、２０、２１、２２ＭＯＳＦＥ
Ｔ、３０インダクタ、４１圧電トランス、５０、５
１、５２、５３入力電極、５４、５５、５６、５７
入力内部電極、５８出力電極、５９出力内部電極、
６０放電管、６５負荷、７０出力電流検出部、７
１出力電圧検出部、８０周波数可変発振部、１１
１、１１２整流ダイオード、１２０平滑コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長板状の圧電体の長手方向縦振動の半波
長モードで励振される圧電トランスであって、圧電体両
端部の上下面に入力電極を設けて圧電体の厚み方向に分
極した駆動部と、圧電体中央部の側面に出力電極を設
け、前記出力電極が圧電体中央部の内部に設けた内部電
極と接続されており、前記両端の駆動部と前記内部電極
の間の領域を圧電体長手方向で相反する方向に分極した
発電部とを有することを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】長板状の圧電体の長手方向縦振動の半波
長モードで励振される圧電トランスであって、圧電体両
端部は圧電材と内部電極が交互に積層され、前記内部電
極が前記圧電体両端部の側面に設けた２つの入力電極各
々と１層おきに接続されて圧電体厚み方向に分極された
駆動部と、圧電体中央部の側面に出力電極を設け、前記
出力電極が圧電体中央部の内部に設けた内部電極と接続
されており、前記両端の駆動部と前記内部電極の間の領
域を圧電体長手方向で相反する方向に分極した発電部と
を有することを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】長板状の圧電体の長手方向縦振動の半波
長モードで励振される圧電トランスであって、圧電体両
端部は圧電材と内部電極が交互に積層され、前記内部電
極が前記圧電体両端部の両側面にそれぞれ設けた１つの
入力電極各々と１層おきに接続されて圧電体厚み方向に
分極された駆動部と、圧電体中央部の側面に出力電極を
設け、前記出力電極が圧電体中央部の内部に設けた内部
電極と接続されており、前記両端の駆動部と前記内部電
極の間の領域を圧電体長手方向で相反する方向に分極し
た発電部とを有することを特徴とする圧電トランス。
【請求項４】直流入力電源と、前記直流入力電源と一
端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と
接続されるスイッチ手段と、前記インダクタに並列接続
される請求項１乃至３に記載の圧電トランスと、前記ス
イッチ手段の駆動・発振手段とを備えた電力変換装置。
【請求項５】直流入力電源と、前記直流入力電源と一
端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と
接続されるスイッチ手段と、前記スイッチ手段に並列接
続される請求項１乃至３に記載の圧電トランスと、前記
スイッチ手段の駆動・発振手段とを備えた電力変換装
置。
【請求項６】前記スイッチ手段を２つ設け、各スイッ
チ手段を交互に駆動する分周回路を含んだ駆動・発振手
段とを備えたことを特徴とする請求項４、５に記載の電
力変換装置。
【請求項７】前記圧電トランスの出力に整流・平滑手
段が接続されたことを特徴とする請求項４乃至６に記載
の電力変換装置。