JP2001502850A - ピエゾセラミック変成器を備えたコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 大電力用品の為のピエゾセラミックコンバータは、ピエゾセラミック変成器及びパルス同期化電子帰還回路から構成される。ピエゾセラミック変成器は、大電力を取り扱う為、厚さ方向に分極され、外形延長形態にて励磁される方形又は円形のピエゾ平板形でなされる。パルス同期化電子帰還回路は、変化する負荷条件下の出力電圧及び電流を安定化するように装着される。周波数プログラミング素子、抵抗器、及び、コンデンサは、ピエゾセラミック変成器の動作周波数を設定する為に、制御回路から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 ピエゾセラミック変成器を備えたコンバータ 技術分野 本発明は、ピエゾセラミック変成器を備えたコンバータに関する。 背景技術 ３ワット程度の小さい出力電力を有する固状ピエゾセラミックコンバータ は、ノートブックコンピューターにＬＣＤ背後照明用電源として開発され用いら れている。 次の参考文献は、該分野の従来技術を理解するのに参考となることができ る。 １．シー・エー・ローズン(C.A.Rosen，“Ceramic transformers and fil ters”，Proc．Electronic Comp．Symp.，1956.) ２．エッチ・ダブリュー・キャッツ(H.W.Katz，“Solidstate magnetic a nd dielectric devices”，New York．John Wiley and Sons．1959.) ３．ダブリュー・ピー・メースン(W.P.Mason，“Physical acoustics”， Vol．1Part A．1964.) ４．アール・ホルランド(R.Holland，“Contour extensional resonantpr operties of rectangular piezoelectric plates”，IEEE Trans.，Sonics and Ultrasonics，SU−15．pp．97-105，April，1968.) ５．エー・エー・イェロピーブ、エー・アイ・プロクリン、ブイ・アイ・ オレコプ等(A.A.Yerofeev，A.I，Proklin，V．I.Orekhov，et al．“Piezoelect riccurrent transformer”,USSR Inventor Certificate No．1254967，publishe d 1986,Bull．No.32(in Russian)) しかし、大電力適用の為のピエゾセラミック変成器(PCT：piezoceramictr ansformer)は、大きな出力電流を伝達することのできるピエゾｔラミック素子の 適切な設計が不足なので、それ程成功的ではない。 本発明は、電気照明用具、医学用具等の応用機構用として数１０ワット迄 の出力電力にて、２２０Ｖ(１１０Ｖ)５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの家庭電気を直接入 力できるピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)を用いるコンバータをなすのである。 電気機械的電気エネルギー変成器としてのピエゾ・エレクトリック変成器 は、バー、平板、ディスク、或いはシリンダ形のピエゾセラミックより作られた 一体の固状構造を有する。ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の特有の特徴は、機 械的内部応力の大きさが最大値(1，2，3)に達する機械的共振近くの、比較的狭 い周波数帯域内で電気エネルギー変換の共振特性である。 従来の電磁気(coiled)変成器での電気エネルギー変換が、入力から出力ま での電磁気カップリングを通じ実現される反面、ピエゾセラミック変成器(ＰＣ Ｔ)においてのエネルギー変換は、電気機械的カップリングを通じて達成される 。低いインピーダンスの電磁気変成器とは異なり、ピエゾセラミック変成器(Ｐ ＣＴ)は、比較的高い出力インピーダンスにより、むしろ電力源である。 ピエゾセラミック変成器は、次の主要長所を有する。 ―高い効率及び低レベルの電磁気干渉 ―平面構造及び高い選択周波数特性 ―大量生産に便利な、単純な一体構造 ―電気エネルギー変換の高い動作周波数 ―無火災危険及び短絡に対する、高い安全性 誘電性(ピエゾ・エレクトリック)素子の大部分において励磁された変形波 形によれば、ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)は、長さ方向−横方向及び曲状に 分類される。殆ど通常のピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)は、幅、長さ、又は周 辺(４、５)に沿って配向された長さ方向振動の励磁される平板及びバー形態であ る。 ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)構造の選択及びその作動周波数は、入力 ／出力電圧、負荷抵抗、負荷電流、出力電圧の安定性及び許容可能の駆動周波数 の如き、入出力パラメータに対する技術的要件によって決定される。 発明の開示 本発明の目的は、１１０／２２０Ｖ ＡＣ、５０／６０Ｈｚの家庭電気と 、４０Ｗまでの大電力とを使用することができるピエゾセラミック変成器を用い る、コンパクトで信頼性があり、且つ、経済的なコンバータをなすことである。 前記目的を達成する為に、本発明は、厚さ方向に分極され、外形延長形態 において励磁される、方形又は円形のピエゾ平板(piezoplate)形にて為されてい る、ピエゾセラミック変成器から構成される、大電力応用機器の為のピエゾセラ ミックコンバータを提供する。ピエゾセラミック変成器の大きさは、方形平板の 辺、或いは、円形板の直径が、１０〜５０ｍｍであり、厚さが１〜６ｍｍである 。パルス同期化電子帰還回路が、変化する多様な負荷条件下で出力電圧及び電流 を安定化する為に装着される。帰還回路は、並列接続された二つのダイオードと 、キャパシタ、及び、これに直列接続された抵抗より構成される。周波数プログ ラミング素子、抵抗器及びキャパシタは、ピエゾセラミック変成器の動作周波数 を設定する為に、制御回路内に組み入れられる。 図面の簡単な説明 前記及び他の目的だけでなく、本発明の長所は、添付の図面を参照し本発 明を施す最適な形態に関する下記の説明によって明らかになるであろう。 図１は、方形ピエゾセラミック変成器平板の所定の実施例らに関する斜視 図。 図２は、方形平板の電極パターン及び分極方向を示す図。 図３は、ピエゾセラミック変成器の共振特性及び出力電圧を示す図。 図４は、方形平板の出力電圧の関数としての出力電流を示す図。 図５は、電界強度の関数としての出力電圧を示す図。 図６は、電界強度の関数としての出力電圧を示す図。 図７は、ピエゾセラミック変成器を有する安定器回路を示す図。 発明を実施する為の最良の形態 本発明の目的は、高い電気機械的カップリング係数及び出力電圧の単一波 長振幅−周波数特性を有する厚さ方向に分極され、外形延長形態にて励磁される 、方形又は円形のピエゾ平板形のピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)と、パルス同 期化正帰還回路とで成される。これは、負荷電流における大きい変化にてさえ、 ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の共振周波数においての、電子変成器の安定し た動作と正帰還電圧の明らかな位相特性を提供する。従って、ピエゾセラミック 変成器(ＰＣＴ)の作動効率及び信頼性が非常に増加する。 提案されたピエゾセラミックコンバータは、ピエゾセラミック変成器(Ｐ ＣＴ)の出力から、正帰還電流によって表れる電圧が加わる駆動回路を含む。ピ エゾ変成器は、入力励磁区画が中央に配置され、出力発電機区画(output genera torsection)が外周近傍のピエゾ平板の残余部に配置されるか、或いは、その逆 に配置される外形延長形態で作動する、厚さ方向に分極された方形又は円形のピ エゾセラミック平板形で為される。内部電極の特有な大きさは、方形のピエゾ平 板の１０〜８０％である。 本発明によるピエゾセラミックコンバータの構造を、図面により詳細に説 明する。図１は、種々のピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の構造の例を示す。図 ２は、ピエゾ平板の電極パターン及び分極方向を示す。図３、４、５及び６は、 ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)及びピエゾセラミック発電機の主要電気パラメ ータに対するダイヤグラムを示す。図７は、ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)を 備えた電子安定器の主要電気回路を示す。前記図において、ＤＩＣは制御ＩＣを 、ＰＣＴはピエゾセラミック変成器を、ＦＥＴはスイッチング電界効果トランジ スタ(ＦＥＴ)を、Ｃ1、Ｄ1、Ｄ2及びＲ１は、各々、帰還回路の為のコンデンサ 、二つのダイオード及び抵抗器を、Ｃ２及びＲ２は、各々、周波数プログラミン グの為のコンデンサ及び抵抗器を示す。 本発明の要旨は、ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)用のピエゾ平板が、方 形又は円形平板の共振周波数により励磁される時、最大であることと知られてい る最も効果的な電気機械的のカップリング係数を予め決める、方形又は円形のも のである。電極の対称的な位相(topology)を有する厚さ方向に分極された、円形 又は方形平板の回路振動は、一般的に、単一波長の振幅特性及び明らかな位相特 性を有する。 ピエゾ平板の厚さは、入力電圧によって、１〜６ｍｍの範囲にて最適化さ れる。方形又は円形のピエゾ平板の大きさ、厳密には、方形の辺、或いは円形平 板の直径は、ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の共振又は作動周波数、入出力イ ンピーダンス及び最適の電流負荷を決定する。方形ピエゾ平板の辺、又は円形の ピエゾ平板の直径は、１０〜５０ｍｍである。 図１は、厚さに沿って分極された方形のピエゾセラミック平板形でなされ ているピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の種々の例を示す。これらは、入力及び 出力区画の電極位相のみ相異となる。丸い電極にてなされている入力励磁区画は 、回路振動の主要形態の弾性応力分布特性と明らかな分布で、より良好な近似に 対応する励磁区画の楕円形の四角位相と比べて、最も簡単である。方形の励磁区 画は、自然的振動の主要形態において、弾性変形の分布を実質的に妨害せぬ、簡 単な位相を有する。入力及び出力区画間に、いずれのカルバニバイパス(galvani cbypass)も要求されなければ、入力及び出力電極は、ピエゾ平板の一面(one fac e)で互いに接続されることができる。 入力及び出力区画の電極間の距離は、１００〜２７０ＶＡＣの入力電圧を 有するライン・パルス・コンバータの装置において、ピエゾセラミック変成器( ＰＣＴ)を使用する為の電気安全性許容規定の要求により選択される。 ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)状の電気回路(図２参照)は、非常に簡単 である。例えば、電極１、２は入力用として作用し、電極３、４は出力用として 作用する。図２は、ピエゾ平板の各区画での分極の方向を示す。ピエゾ平板は、 図２に示すように、厚さ方向に分極される。 ピエゾ変成器は次のように動作する。交流電圧を入力区画の電極に入力す る際、殆どのピエゾセラミックの後方ピエゾ効果(back piezoeffect)は、弾性の 圧縮−拡張波を発生させ、その振幅が共振周波数で、即ち、外部電界の周波数が 自然的な機械的振動の周波数と一致する時、最大値に近付く。方形又は円形の平 板形になされたピエゾセラミック素子に対し、主要形態は、異なる形のピエゾ構 造と比べて、最高の電気機械的カップリング係数と高度の単色性(monochromatic ity)として特徴づけられる外形延長振動(contuor extensionalosillation)を含 む。次に、出力区画の後方ピエゾ効果は、同一なる周波数の電圧を発生させる。 ピエゾ電気変成器は、多少複雑な特性を有することに注目しなければなら ない。ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の最大コンダクタンスの周波数(図３参 照)は、出力電圧が最大である場合の周波数と一致せず、出力電圧の振幅−周波 数特性の直線的な勾配は、より高度の効率性に対する必要に応ずる。 図４は、３２V/mmの入力電界強度と、５０Ｗ〜５０ｋＷ範囲の負荷抵抗を 有し、２６×２６×５ｍｍの寸法を有するピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)に対 する出力電流：出力電圧の実験的特性を示す。図５及び６は、発電機区画に加わ れた多様な電流に対し、ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の共振周波数において 、入力区画の電極に加わった外部電界の強度に対するピエゾセラミック変成器( ＰＣＴ)の出力電圧の従属性を示す。 ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)を備えた自励コンバータの分析は、多様 な要素、即ち、供給電圧、負荷電流、雰囲気温度、空気湿度等の変化に対し、振 動の固定振幅の開始、及び設定条件の決定を含む。 図７は、方形又は円形のピエゾ平板形にてなされたピエゾエレクトリック 変成器を備えたピエゾセラミックコンバータに基づく、発光ランプ用電予安定器 の主要電気システムを示す。図７に示す自励コンバータは、二つのスイッチング ＦＥＴ(FETs)、駆動回路(ＤＩＣ)及び二つのダイオード、コンデンサ、抵抗器及 び負荷からなる正帰還回路を含む。このコンバータは、ピエゾセラミック変成器 (ＰＣＴ)の出力電圧と同期化された制御ＩＣ(DIC)を含み、負荷電流とは独立的 に機械的共振の周波数でピエゾ平板の作動体制を制御できることを可能にする。 コンバータの入力側には、交流線電圧の為、ブリッジ整流器が設けられる。整流 された振動電圧は、フィルタとして用いられる平滑コンデンサＣ３に加わる。抵 抗器Ｒ３、Ｒ５は、過負荷時、電流サージ(current surges)を制限するように働 く。 パルス発性器は、経済的な集積ＭＯＳ回路に基づきなされる。マイクロ回 路作動電圧は、抵抗器Ｒ４によって決まられる。発電機マイクロ回路の周波数プ ログラミング要素Ｒ２、Ｃ２は、ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の周波数の作 動共振域内に発電機動作を供する。ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の発電機区 画よりの出力電圧は負荷(発光ランプ電極)に印加され、二つのダイオード、一つ のコンデンサ、及び、一つの抵抗器とからなる区画を介し、発電機マイクロ回路 の周波数プログラミング入力に印加される。その抵抗が点灯前にＭＷの範囲にて 十分高い時、蛍光ランプの点灯初期に、出力電圧は５００Ｖ以上に高く発生され る。６０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚの作動共振周波数において、これらの条件は、発光 ランプの強制されたイオン化、及び、内部の電流の急な増加に十分である。電流 増加がピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ)の内部抵抗により制限される為、発光ラ ンプの電解電量計体制が安定化される。一方、ピエゾセラミック変成器(ＰＣＴ) の共振周波数が再設定され、出力電圧は、必要な光束を供する所定値まで減少す る。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．厚さ方向に分極され、外形延長形態で励磁される方形又は円形のピエゾ平板 形になされた、ピエゾセラミック変成器と、 負荷状態において出力電圧及び電流を安定化するパルス同期化電子帰還回 路を含むことを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ２．第１項において、 前記ピエゾ平板は、０．３〜３．０ｍｍの小さいギャップにより分離された 、各々出力及び入力電極として、又は、入力及び出力電極としての、内部電極及 び外部電極にてなされたことを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ３．第１項において、 内部電極の面積は、前記ピエゾ平板の上部又は底部表面の１０〜８０％であ ることを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ４．第１項において、 方形のピエゾ平板の大きさは、辺が１０〜５０ｍｍであり、厚さが１〜６ｍ ｍであることを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ５．第１項において、 円形のピエゾ平板の大きさは、直径が１０〜５０ｍｍであり、厚さが１〜６ ｍｍであることを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ６．第１項において、 ギャップを有する電極パターンは、上部及び底部表面において同一であるこ とを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ７．第１項において、 前記内部及び外部電極が、一表面においてギャップ無しに共通に作られてい ることを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ８．第１項において、 前記内部電極は、大きさ、厚さ、及び、形状が、前記ピエゾ変成器の励磁区 画による表面に印加される電極を備えながら、付加的な誘電層によって覆われて いることを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。 ９．第１項において、 帰還回路は、並列接続された二つのダイオードとコンデンサ、及び、それに 直列接続された抵抗器とで成っていることを特徴とするピエゾセラミックコンバ ータ。 １０．第１項において、 制御回路は、周波数プログラミング素子、抵抗器、及び、コンデンサで成っ ていることを特徴とするピエゾセラミックコンバータ。