JP2001339107A - 蛍光灯用圧電トランス - Google Patents

蛍光灯用圧電トランス

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JP2001339107A JP2001135816A JP2001135816A JP2001339107A JP 2001339107 A JP2001339107 A JP 2001339107A JP 2001135816 A JP2001135816 A JP 2001135816A JP 2001135816 A JP2001135816 A JP 2001135816A JP 2001339107 A JP2001339107 A JP 2001339107A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的振動が弱く起こる圧電体ブロックの辺
中央部位の電極面積を小さくすることにより応力による
熱の発生を極力抑えて圧電体ブロックの破損を防ぐこと
にある。 【解決手段】 本発明による蛍光灯用圧電トランスは圧
電体ブロックの第1面に配置される電極において圧電体
ブロック(101)の第1面の各辺中央領域に形成される電極
面積が隅部領域に形成される電極面積より小さくなるよ
う形成する。その結果、圧電体ブロック(101)に印加さ
れる応力が最小化されて圧電体ブロック(101)における
熱の発生を防止して圧電体ブロック(101)の破損や効率
低下を防げるようになる。入力電極(103)の形状はダイ
ヤモンド形、菱形や略十字形などの如く様々な形状に形
成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電トランスに関す
るものとして、殊に圧電体ブロックの各辺中央領域に形
成される電極面積を隅部領域に形成される電極面積より
小さくなるよう形成して圧電体ブロック中央部位の応力
を最小化させて高電力を出力させることにより、一般蛍
光灯に適用可能な蛍光灯用圧電トランスに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】圧電セラミックは1940年代半ばにBaTiO
３が初めて開発された後より優れた圧電特性を有するPb
(Zr、Ti)O３(PZT)が発見されて電子部品の素材として実
用化された。このPZTはPbZr0３とPbTiO３の固溶体とし
てペロブスカイト(perovskite)構造を有して優れた圧電
特性を有するが、こうした2成分系組成変化を容易にさ
せ圧電特性を更に向上させようと3成分系複合ペロブス
カイト化合物が現在開発されている。Pb(Mg、Nb)O３-Pb
(Zr、Ti)O３、Pb(MG、Ta)O３-Pb(Zr、Ti)O３、Pb(Mn、N
b)O３-Pb(Zr、Ti)O３等が3成分系複合ペロブスカイト化
合物として活発に研究されている。こうした圧電物質を
用いた電気部品は製造し易さと電気的特性の向上のみな
らず軽量短小化という長所ゆえ近年、その応用範囲が次
第に広まってきた。
【０００３】こうした圧電物質を応用した例としては図
４(a)、(b)に示した如き振幅変調用帯域通過フィルター
がある。図面において、図４(a)は帯域通過フィルター
の平面図を示し図４(b)はA-A線断面図を示している。図
面に示した如く、前記帯域通過フィルターは略六面体か
ら成る圧電体ブロック(301)の上面及び下面に電極が形
成される構造から成る。上面に形成される電極は各々入
力電極(303)と出力電極(305)を示し、下面に形成された
電極(307)は共通電極を示す。
【０００４】前記入力電極(303)に共振周波数に相当す
る交流電圧を印加すると印加された電気的信号は、圧電
体ブロック(301)の入力側近傍で強い機械的振動に変換
され、該機械的振動が出力側に伝えられて共振周波数に
比例する電圧が出力電極(305)を通じて出力される。
【０００５】前記圧電材料は1910年代末から応用されて
開発に取り掛かられたものとして、現在、高電圧発生機
器、超音波機器、音響機器、AMラジオ用45.5KHz IFフィ
ルターとFMラジオ用10.7MHZフィルター、通信機器、各
種センサ等に幅広く応用されている。最近では通信機器
用の共振子やフィルター等に応用範囲が拡大されて液晶
ディスプレイ用バックライト(back light)照明の陰極管
インバータ等にも用いられており、一般のインバータに
用いられる圧電トランスとしても開発されている。
【０００６】図５(a)、(b)に圧電物質が応用された典型
的なトランスの構造を示した。図面に示したトランスは
厚み方向と長手方向の振動を表すローゼン型(Rosen Typ
e)として、図５(a)は斜視図を、図５(b)は断面図を示し
ている。図面に示したように、前記トランスは圧電体ブ
ロック(301)の上下面一部に形成された入力電極(303a、
303b)領域においては厚み方向に分極され、その反対側
の厚み方向面に形成された出力電極(305)領域において
は長手方向に分極されている。前記構造の圧電トランス
を昇圧させる場合は、入力電極(303a、303b)に共振周波
数に相当する交流電圧を印加すると印加された電気的信
号が圧電体ブロック(301)の入力側近傍で厚み方向の強
い機械的振動に変換され、該機械的振動が出力側に伝え
られて長手方向の振動を起こさせる。該長手方向の機械
的振動は出力電極(305)を通じて入力電極に印加された
電圧と同一周波数である高周波の昇圧された高電圧に出
力される。
【０００７】この際、出力側の高い昇圧は入力電圧周波
数と出力側の機械的振動周波数とが同一な場合に最大に
なり、圧電トランスの昇圧比は負荷インピーダンスによ
り異なるが出力側に相対的に高い負荷インピーダンスが
印加される場合に昇圧比が最大になる。それに対して、
出力側に低い負荷インピーダンスが印加される場合には
昇圧比が数十倍以下になる。
【０００８】冷陰極管や蛍光灯の如き圧電トランスがラ
ンプ用に応用される場合にはランプの種類により負荷イ
ンピーダンスが異なるが圧電トランスを最適条件で作製
すれば低い負荷インピーダンスでも高い昇圧比を保てる
ようになる。更に、点灯前に高い負荷がかかり点灯後に
低いインピーダンスになる正常状態でも適当な昇圧比を
保つようになり冷陰極管や蛍光ランプの如きランプ用に
使用可能になる。
【０００９】更に、最近では図６(a)、(b)に示したよう
な輪郭振動モードを用いた圧電トランスも開発された。
図面に示したように、前記輪郭振動モードを用いた圧電
トランスは図４(a)、(b)に示した帯域通過フィルターの
構造と類似し、単に電極形状が異なるだけである。即
ち、図４(a)、(b)に示した帯域通過フィルターでは入力
電極(303)の形状が矩形状であるのに比べてトランスで
はその形状が円形状である。出力電極(305)は圧電体ブ
ロック(301)上面に前記入力電極(303)から一定距離を隔
てて形成されており、圧電体ブロック(301)下面には共
通電極(307)が形成されている。前記入力電極(303)を通
じて電圧が印加されると印加された電気的信号は、圧電
物質により入力電極(303)の形成された圧電体ブロック
(301)の中央から周辺側に向かって機械的振動に変換さ
れた後、機械的振動に比例する信号が出力電極(305)を
通じて出力される。こうした圧電トランスはノートパソ
コンの液晶表示装置用の如き低電力用トランスとして主
に用いられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記の如く
現在の圧電トランスを用いた各種電気素子が生産されて
いるが、高電力用トランスは未だ作製し兼ねる実状であ
る。冷陰極管用に用いられるローゼン型もしくはこれを
積層型に応用した圧電トランス(米国特許第6、037、706
号に開示)は構造が複雑で且つ低出力な為蛍光灯用には
応用できず、輪郭振動モードの圧電トランスの場合には
材質の限界から、これら圧電体を積層した構造が研究さ
れている。「Design of Fluorescent lamp with PFC usi
ng a powerpiezoelectric transformer、Sung Jin Cho
i、IEEE(1998、2、15)、P1141」に開示の輪郭振動モード
の円形状電極や矩形状電極の場合は材質問題とは別に低
出力が問題であった。更に、電極の構造による問題が発
生したが、圧電トランスの場合に一般に電気的信号が機
械的振動に変換される際、圧電体の一部領域の応力が最
大に起こり素子が破損されたり効率が低下するという問
題を抱えていた。
【００１１】本発明は前記の諸問題を鑑みて案出された
ものとして、機械的振動が弱く起こる圧電体ブロックの
辺中央部位の電極面積を小さくすることにより応力によ
る熱の発生を極力抑えて圧電体ブロックの破損を防ぐこ
とができる圧電トランスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為
に、本発明による圧電トランスは圧電体ブロック(101)
上部の応力発生地域の電極大を減少させることにより応
力により発生する熱を最少化する。応力は主に圧電体ブ
ロック(101)の辺中央部位に多く発生する為、該部位の
電極を最小化することにより高電力用トランスに適用す
る場合にも応力を最小化できるようになる。その為、電
極形状をダイヤモンド形や略十字形に形成することがで
きる。更に、電極形状は限定されず各種形状に形成して
もよい。
【００１３】一般に液晶表示装置のバックライト用圧電
トランスはローゼン型圧電トランスとして、こうしたロ
ーゼン型圧電トランスは冷陰極管点灯装置に応用されて
いるが高電圧、小電流出力に限られる為一般蛍光灯への
適用は不可能であった。通常の蛍光灯は点灯中ランプの
等価インピーダンスが数KΩ以下で冷陰極管インピーダ
ンス(80〜100KΩ)よりはずっと低い。
【００１４】本発明においては一般蛍光灯に適用可能な
圧電トランスを提供する。こうした圧電トランスを形成
する為、本発明においては電極の構造を従来とは異なっ
て形成した。前記の如く電極の構造を変化させた理由は
電気的信号が機械的振動に変換される際、圧電体の特定
領域で応力が最大に起こる為である。本発明においては
電極構造を変換させることにより応力が最大に起こる領
域を変化させて所望の電圧及び電流出力が可能な圧電ト
ランスを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づいて本
発明による圧電トランスを詳細に説明する。図１(a)、
(b)は本発明による圧電トランスを示した図面であり、
図１(a)は圧電トランスの平面図、図１(b)は断面図を示
す。図面に示したように、本発明の圧電トランスは略六
面体形状に形成された圧電体ブロック(101)と、前記圧
電体ブロック(101)の上面に形成された入力電極(103)及
び出力電極(105)と、前記圧電体ブロック(101)の下面に
形成された共通電極(107)とから成る。前記入力電極(10
3)は略菱形状またはダイヤモンド形状から成っており、
前記入力電極(103)と出力電極(105)は設定距離程離れて
いる。共通電極(107)は圧電体ブロック(101)下面の少な
くとも一部分に分離されないまま一体で形成されてい
る。
【００１６】前記構造から成る圧電トランスにおいて、
前記入力電極(103)及び共通電極(107)を通じて電気的信
号が入力されると該電気的信号は、前記圧電体ブロック
(101)で輪郭振動モードの機械的振動に変換された後に
前記出力電極(105)を通じて機械的振動に比例する信号
が出力される。
【００１７】図２(a)、(b)の二点鎖線で示したように、
電圧の印加による圧電体ブロック(101)の振動は圧電体
ブロック(101)の隅部で最も強く辺中央領域で最も弱く
なる。図面において隅部の矢印は前記圧電体ブロック(1
01)が振動する度合いを示す。こうした振動の度合いは
言うまでもなく圧電体の材質や印加される電圧の大きさ
等により異なることができる。
【００１８】前記の如く、圧電体ブロック(101)の隅部
において機械的振動が最も強く辺中央領域(図面におい
てP点)での振動が最も弱い為、電圧の印加による圧電ト
ランス作動の際、圧電体ブロック(101)中央に最大応力
が作用して圧電体ブロック(101)の辺中央領域は次に応
力の高い地点になる。こうした応力の発生は、結局、前
記辺中央領域に熱を発生させる為に圧電体ブロック(10
1)に深刻な影響を及ぼす。
【００１９】通常電圧の印加により電気的信号が入力さ
れて機械的振動に変換される場合、振動は主に入力電極
と出力電極側で強く発生する。従って、応力の大きい辺
中央領域(P)の電極大(印加電圧)を小さくすれば、振動
の度合いが弱くなって応力が小さくなりその結果、熱の
発生を減少せしめることができる。この際、入力電極(1
03)と出力電極(105)との面積比は約1:1.5〜1:3.14であ
ることが好ましい。
【００２０】本発明においてはこうした目的の為に、図
面に示した如く入力電極(103)の形状をダイヤモンド形
(菱形)に形成した。従って、入力電極(103)と出力電極
(105)との間の電極が形成されていない領域が六面体圧
電体ブロック(101)の辺中央領域(P)近傍に近づくように
なり前記領域(P)では電極大(印加電圧)が減少されるよ
うになる。
【００２１】前記の如く入力電極(103)をダイヤモンド
形に形成する場合には径方向の電気機械結合係数(Kp)が
長手方向の結合係数(K31)より大きくなる為、エネルギ
ー変換効率が向上されるばかりでなく出力側の静電容量
が増加して出力側でのインピーダンスを減少させる作用
が働く。従って、出力側への出力電力を上昇させること
ができる。更に、入力電極(103)がダイヤモンド形に形
成される場合には相対的に昇圧比が減少され、点灯時に
低いインピーダンスを有する蛍光灯の点灯に有用にな
る。
【００２２】前記の如く、本発明による圧電トランスの
入力電極(103)形状をダイヤモンド形に限定する必要は
無い。つまり、本発明では電極形状に拘わらず圧電体ブ
ロック(101)の辺中央領域(P)の電極大(印加電圧)を小さ
くすればする程応力が小さくなり、その結果、熱の発生
による影響が及びにくくなるのである。
【００２３】図１(b)に示した如く、共通電極(107)は圧
電体ブロック(101)下面の少なくとも一部分に一パター
ンで形成されて入力電極(103)と出力電極(105)の外部回
路(図示せず)と接続される場合、前記共通電極(107)を
通じて外部回路から雑音が入力される場合もあった。こ
うした問題を解決する為に図３(a)に示した如く、圧電
体ブロック(201)下部に形成される共通電極(207)をアイ
ソレーション(isolation)させることができる。こうし
た共通電極(207)のアイソレーションにより外部回路か
ら雑音が入力されるのを防げるようになる。図３(a)に
示した共通電極(207)は圧電体ブロック(201)上面に形成
される入力電極(203)及び出力電極(205)とは異なる形状
に形成されるが、図３(b)に示した如く入力電極(203)及
び出力電極(205)と同一の形状及び大きさ、即ち対称に
形成してもよい。
【００２４】前記の如く、本発明による圧電トランスに
おいては圧電体ブロックの各辺中央領域に形成される電
極面積が隅部領域に形成される電極面積より小さくなる
よう形成される。従って、電極形状が特定される必要は
無く、前記の如く中央領域の電極面積が隅部領域の電極
面積より小さくなればよい。その為に、入力電極の形状
をダイヤモンド形、菱形や十字形の如き各種形状に形成
できるのである。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による圧電
体ブロックにおいて応力が最大に発生する部位の電極大
(印加電圧)を減少させて応力を最小化することにより高
電圧用圧電トランスに適用される場合にも熱の発生によ
る圧電体ブロックの破損や効率低下等を防ぐことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による蛍光灯用圧電トラ
ンスの構造を示した図面である。
【図２】本発明の蛍光灯用圧電トランスに電圧を印加し
た際に機械的振動が起こる形状を示した図面である。
【図３】本発明の他の実施の形態による蛍光灯用圧電ト
ランスの構造を示した図面である。
【図４】圧電物質を用いた従来の帯域通過フィルターの
構造を示した図面である。
【図５】圧電物質を用いた従来のローゼン型圧電トラン
スの構造を示した図面である。
【図６】圧電物質を用いた従来の輪郭振動モード型圧電
トランスの構造を示した図面である。
【符号の説明】
101、201 圧電体ブロック 103、203 入力電極 105、205 出力電極 107、207 共通電極

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電物質から成り輪郭振動モードで電気
    的信号を機械的振動に変換させる圧電体ブロック(101)
    と、 前記圧電体ブロック(101)の第1面の中央領域に形成され
    て電気的信号が入力される入力電極(103)と、 前記圧電体ブロック(101)の第1面の周辺領域に前記入力
    電極(103)とは一定間隙を隔てて形成されて前記圧電体
    により機械的振動に変換された信号を再び電気的信号に
    変換して出力する出力電極(105)と、 前記圧電体ブロック(101)の第2面に形成された共通電極
    (107)とから成り、 前記入力電極(103)及び出力電極(105)は圧電体ブロック
    (101)の第1面の辺中央領域に形成される電極面積が最小
    になる形状に形成されることを特徴とする圧電トラン
    ス。
  2. 【請求項２】 前記入力電極(103)はダイヤモンド形状
    であることを特徴とする請求項1に記載の圧電トラン
    ス。
  3. 【請求項３】 前記入力電極(103)と出力電極(105)との
    面積比は約1:1.5〜1:3.14であることを特徴とする請求
    項2に記載の圧電トランス。
  4. 【請求項４】 前記共通電極(107)は圧電体ブロック(10
    1)の第2面の少なくとも一部分に一体で形成されること
    を特徴とする請求項1に記載の圧電トランス。
  5. 【請求項５】 前記共通電極(107)は圧電体ブロック(10
    1)の第2面に複数のアイソレーションから形成されて外
    部から雑音が入力されるのを防ぐことを特徴とする請求
    項1に記載の圧電トランス。
  6. 【請求項６】 前記共通電極(107)は圧電体ブロック(10
    1)の第1面に形成される入力電極(103)及び出力電極(10
    5)と略対向することを特徴とす請求項5に記載の圧電ト
    ランス。
  7. 【請求項７】 前記入力電極(103)はダイヤモンド形状
    に形成されて圧電体ブロック(101)の第1面の辺中央領域
    の出力電極(105)の面積が隅部領域の出力電極(105)の面
    積より小さいことを特徴とする請求項1に記載の圧電ト
    ランス。
  8. 【請求項８】 前記入力電極(103)は略十字形状に形成
    されることを特徴とする請求項1に記載の圧電トラン
    ス。
  9. 【請求項９】 圧電物質から成り輪郭振動モードで電気
    的信号を機械的振動に変換させる圧電体ブロック(201)
    と、 前記圧電体ブロック(201)の第1面の隅部より各辺中央領
    域に近づいて形成され電気的信号が入力される入力電極
    (203)と、 前記圧電体ブロック(201)の第1面の周辺領域に前記入力
    電極(203)とは一定間隙を隔てて配置されて圧電体ブロ
    ック(201)の各辺中央領域に形成される面積が隅部領域
    に形成される面積より小さくなるよう形成され、前記圧
    電体により機械的振動に変換された信号を再び電気的信
    号に変換して出力する出力電極(205)と、 前記圧電体ブロック(201)の第2面に形成された共通電極
    (207)と、 から成ることを特徴とする圧電トランス。
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