JP2002305332A

JP2002305332A - 圧電トランス

Info

Publication number: JP2002305332A
Application number: JP2001106662A
Authority: JP
Inventors: Toshiji Tsujihara; 利治辻原
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】中央駆動型の圧電トランスに対し、高い出力
電力が要求される状況においても、高効率且つ低発熱を
実現できる構成を提供する。【解決手段】圧電体２の長手方向の中央部に形成され
て入力電極３１，３２を有する駆動部３と、この駆動部
３に対して圧電体２の長手方向の両側に形成されて出力
電極４１，４２を有する発電部４，４とを備えた圧電ト
ランス１に対し、圧電体２の長手方向の全長に対する駆
動部３の長さ寸法の比を０．１以上０．３未満の範囲
に、好ましくは０．１３以上０．２７以下の範囲に設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液晶ディス
プレイのバックライト用インバータ等の高電圧発生装置
に用いられる圧電トランスに係る。特に、本発明は、圧
電トランスの高効率化及び低発熱化を図るための対策に
関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレイのバックライト用イン
バータとしては、電磁式トランスよりもエネルギー密度
が高く且つ構造が簡素で小型化が可能な圧電トランスの
利用が進んでいる。この圧電トランスとして、例えば１
９５６年に米国のC.A.Rosenが発表したローゼン型圧電
トランスがある。図１１は、このローゼン型圧電トラン
スの外観を示す斜視図である（本図では電極部分に斜線
を付している）。この圧電トランスは、板状の圧電セラ
ミックス素子（圧電体）ａを備え、図中左半分の上下面
には、入力電極ｂ，ｃが形成されている。一方、セラミ
ック素子ａの図中右側端面に出力電極ｄが形成されてい
る。また、図中に矢印で示すように、セラミック素子ａ
の左半分の駆動部は厚み方向に、右半分の発電部は長手
方向にそれぞれ分極処理が施されている。

【０００３】このような圧電トランスに対し、セラミッ
ク素子ａの長さで決まる固有共振周波数の交流電圧を入
力電極ｂ，ｃ間に印加すると、このセラミック素子ａに
は長手方向に強い機械振動が生じる。これにより発電部
では圧電効果により出力電極に電圧が得られる。また、
この振動モードは、図１２に示すように長手方向に半波
長で共振するλ／２モードと、一波長で共振するλモー
ド等がある。

【０００４】ところで、この種の圧電トランスを液晶デ
ィスプレイのバックライト用インバータに適用した場
合、駆動させる周波数が高いほど、インバータから冷陰
極管などの放電管までの浮遊容量による漏れ電流が増加
するため、インバータの出力電流が全て放電管に流れて
いかず、逆に効率の低下を発生させる場合がある。この
ため、できるだけ駆動周波数を低くする必要がある。圧
電セラミック素子の長さが同じであれば、λ／２モード
の圧電セラミック素子の共振周波数はλモードの約半分
となる。つまり、λ／２モードで駆動させることによっ
て周波数を約半減させることが可能である。しかしなが
ら、上述したローゼン型圧電トランスでは、実際にはλ
／２モードでは応力が１カ所に集中するので発熱や破壊
も中央部に集中し、許容出力電力が比較的小さく、ま
た、昇圧比も低くなる等のことから、高い昇圧比が得ら
れるλモードが多用されているのが実情である。

【０００５】昇圧比を高く維持しながらもλ／２モード
での駆動を可能にする圧電トランスとして、例えば特開
平９−７４２３６号公報に開示されている中央駆動型の
圧電トランスが知られている。図１に中央駆動型の圧電
トランス１を示す。この図１に示すように、一般的な中
央駆動型の圧電トランス１は、圧電セラミック素子２の
長手方向の中央部に形成されて入力電極３１，３２を有
する駆動部３と、この駆動部３に対して圧電セラミック
素子２の長手方向の両側に形成されて出力電極４１，４
２を有する発電部４，４とを備えている。また、駆動部
３は圧電セラミック素子２の厚さ方向に分極され、発電
部４は圧電セラミック素子２の長手方向に分極されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記中
央駆動型の圧電トランスにあっては、十分な効率が得ら
れず、また、発熱量が大きくなる場合があった。特に高
い出力電力（例えば出力電力４Ｗ以上）を要求される用
途に適用される場合に、発熱量が大きくなり（例えばそ
の発熱量が８０deg以上）、また、効率もそれに伴い低
下する。また、発熱により周辺機器への悪影響が懸念さ
れ、更には、インバータ自体の効率低下や（機器の（イ
ンバータ自体の））故障が懸念される。また、近年、環
境保護・良化への取り組みが進むなかで、電子機器の低
消費電力化も進んでいる。液晶バックライト点灯用イン
バータにおいては、高効率の圧電トランスを用いること
により、例えばノート型パーソナルコンピュータのバッ
テリーの低消費電力化につながり、長寿命化に貢献する
ことができる。各種モバイル機器のように、バッテリー
を入力電圧源にしているものにあっては、低消費電力化
（高効率化）を図ることで機器を使用できる時間の延長
が図れ、また、バッテリーの長寿命化につながることに
なる。よって、圧電トランスにおいても高効率化への要
求が高くなりつつある。

【０００７】このため、高い出力電力が要求される状況
であっても、効率が高く且つ発熱量を低く抑えることが
できる圧電トランスの提供がかねてより要求されてい
る。

【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、上記中央駆動型の圧
電トランスに対し、高い出力電力が要求される状況にお
いても、高効率且つ低発熱を実現できる構成を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】−発明の概要− 上記の目的を達成するために、本発明は、中央駆動型の
圧電トランスに対し、圧電体の長手方向の全長と駆動部
の長さとの比を適切に設定することにより、高効率と低
発熱とを実現できる素子を提供可能としたものである。

【００１０】−解決手段−具体的には、圧電体の長手方
向の中央部に形成されて入力電極を有する駆動部と、こ
の駆動部に対して圧電体の長手方向の両側に形成されて
出力電極を有する発電部とを備えた圧電トランスを前提
とする。この圧電トランスに対し、圧電体の長手方向の
全長に対する駆動部の長さ寸法の比を０．１以上０．３
未満の範囲に設定している。また、この比の好ましい範
囲としては、０．１３以上０．２７以下の範囲である。

【００１１】このように圧電体の長手方向の全長に対す
る駆動部の長さ寸法の比を設定したことで、圧電トラン
スの効率の向上及び発熱量の低減を図ることができる。
つまり、高い出力電力を要求される用途に適用される場
合であっても実用性が十分に確保された圧電トランスを
提供できる。以下、詳細に説明する。

【００１２】上記数値範囲の意義として、上記比が０．
１未満である場合またはこの比が０．３以上である場合
には、効率が９５％を下回ってしまう。特に、この比が
０．１未満の場合には、比が小さくなるに従って効率が
急激に低下していくことになる（図２参照）。また、こ
の比を０．１３以上０．２７以下の範囲に設定すれば、
効率を９７％以上の極めて高い値に維持することができ
る。また、上記比が０．１未満の場合またはこの比が
０．３以上である場合には、圧電トランスの発熱量が極
端に大きくなってしまう（図３参照）。また、この比を
０．１３以上０．２７以下の範囲に設定すれば、圧電ト
ランスの上昇温度を２０deg以下に抑えることができ、
実用性の極めて高い圧電トランスが提供できることにな
る。

【００１３】圧電トランスの具体構成として、上記駆動
部は圧電体と内部電極とが交互に積層されて構成されて
おり、各内部電極が１層おきに個別の外部電極にそれぞ
れ接続されている。

【００１４】また、外部電極の圧電体長手方向の寸法
を、内部電極の圧電体長手方向の寸法と同一または内部
電極の圧電体長手方向の寸法よりも短く設定している。
このように外部電極の圧電体長手方向の寸法を設定する
ことで、分極時や駆動時における圧電体の割れの発生を
回避することができ、圧電トランスの長寿命化が図れ
る。

【００１５】また、駆動部の入力電極及び発電部の出力
電極をトランス側面部においてリード手段に接続してい
る。更に、圧電体端面に形成された出力電極が、この圧
電体端面に近接する他の面まで延出されている。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１７】（第１実施形態）先ず、本発明における第
１実施形態について図面を参照して説明する。本形態に
係る圧電トランス１の外観を図１に示す。本図では電極
部分に斜線を付している。この圧電トランス１は、セラ
ッミク材料より成る長板状の圧電体２の長手方向の中央
に設けられた駆動部３と、この駆動部３に対して圧電体
２の長手方向の両側に形成された発電部４，４とを備え
ている。

【００１８】駆動部３は、上下面に入力電極３１，３２
がそれぞれ形成されている。また、この駆動部３は図１
に矢印で示すように圧電体２の厚さ方向に分極されてい
る。一方、発電部４は、圧電体２の両端面に形成された
出力電極４１，４２を備えている。また、この発電部４
は図１に実線の矢印で示すように圧電体２の長手方向に
分極されている。この分極方向は、駆動部３を挟んで互
いに外側を向いた逆方向に限らず、互いに内側を向いた
逆方向や、同一方向（図中に破線で示す矢印参照）であ
ってもよい。上記各電極３１，３２，４１，４２は、銀
または銀とパラジウムにより形成されている。この各電
極３１，３２，４１，４２の材料はこれに限るものでは
ない。

【００１９】本圧電トランス１の特徴は、圧電体２の長
手方向の全長（図１における寸法Ａ）に対する駆動部３
の長さ寸法（図１における寸法Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）が、
０．１以上０．３未満の範囲に設定されていることにあ
る。以下、このように駆動部３の長さ寸法を設定した理
由について説明する。

【００２０】図２は、この種の圧電トランス１における
駆動部３の長さと効率との関係を示すグラフである。本
グラフは、横軸が圧電体２の長手方向の全長に対する駆
動部３の長さの比であり、縦軸が効率である。このとき
の負荷条件は負荷抵抗１００ｋΩ、負荷電流６．５ｍＡ
である。

【００２１】従来の一般的な圧電トランスのλ／２モー
ド時の効率は９２％程度である。これに対し、本形態に
係る圧電トランス１にあっては、上記寸法比（Ｂ／Ａ）
が、０．１以上０．３未満の範囲に設定されていること
により、効率は９５％以上となっている。このように、
本形態における圧電トランス１は、その効率が従来の圧
電トランスを上回っている。さらに、好ましくは、上記
寸法比（Ｂ／Ａ）を０．１３以上０．２７以下の範囲に
設定する。これによれば、９７％以上の高効率で出力を
得ることができる。

【００２２】図３は、この種の圧電トランス１における
駆動部３の長さと発熱量との関係を示すグラフである。
本グラフは、横軸が圧電体２の長手方向の全長に対する
駆動部３の長さの比であり、縦軸が発熱量としての上昇
温度（大気温度との差）である。このときの負荷条件も
負荷抵抗１００ｋΩ、負荷電流６．５ｍＡである。

【００２３】本形態に係る圧電トランス１にあっては、
上記寸法比（Ｂ／Ａ）が、０．１以上０．３未満の範囲
に設定されていることにより、上昇温度は２８deg以下
となっている。さらに、好ましくは、上記寸法比（Ｂ／
Ａ）を０．１３以上０．２７以下の範囲に設定する。こ
れによれば、上昇温度は２０deg以下に抑えることがで
きる。

【００２４】以上のように、圧電体２の長手方向の全長
に対する駆動部３の長さ寸法の比を適切に設定したこと
で、圧電トランス１の効率の向上及び発熱量の低減を図
ることができる。これにより、低消費電力化を図ること
が可能になって、バッテリーを入力電圧源としている機
器に適用した場合のバッテリーの長寿命化を図ることが
できる。また、周辺機器への放熱による悪影響も低減さ
れ、機器の故障要因の削減を図ることもできる。その結
果、比較的高い出力電力を要求される用途に適用される
場合であっても実用性が十分に確保された圧電トランス
１を提供することができる。

【００２５】（第２実施形態）次に、第２実施形態につ
いて図面を参照して説明する。本形態に係る圧電トラン
スは、入力電源として、バッテリ、特にその中でも低電
圧（例えば９Ｖ程度の電圧）の入力電圧源のバッテリー
などからでも冷陰極管などの放電管を点灯できる積層型
のものである。図４は本形態に係る積層型圧電トランス
１の外観図である。図５は図４におけるV-V線に沿った
断面図である。図６は図４におけるVI-VI線に沿った断
面図である。これら各図においても電極部分に斜線を付
している。

【００２６】本積層型圧電トランス１は、駆動部３にお
いて、圧電体２１と内部電極３３とが交互に積層されて
いる。そして、各内部電極３３，３３，…は１層おきに
個別の外部電極３４，３５にそれぞれ接続されている。
具体的には、積層型圧電トランス１の上面から第１層、
第３層、…といった奇数番目の層である内部電極３３，
３３，…（図４では破線で示している）は、図４におけ
る圧電体２１の手前側の側面には臨んでおらず、奥側の
側面にのみ臨んで、この奥側の側面（図６における左側
の側面）に形成された外部電極３４に接続されている。
一方、積層型圧電トランス１の上面から第２層、第４
層、…といった偶数番目の層である内部電極３３，３
３，…（図４では実線で示している）は、図４における
圧電体２１の奥側の側面には臨んでおらず、手前側の側
面（図６における右側の側面）にのみ臨んで、この手前
側の側面に形成された外部電極３５に接続されている。

【００２７】この構成により、第１実施形態の単板型圧
電トランスに比べ昇圧比がおよそ積層数倍に増大するこ
とができるようになっている。また、本形態において
も、圧電体２の長手方向の全長に対する駆動部３の長さ
寸法の比は、第１実施形態のものと同様に設定されてい
る。このため、本形態の積層型圧電トランス１によれ
ば、圧電体２の長手方向の全長に対する駆動部３の長さ
寸法の比を適切に設定したことによる高効率化と低発熱
化とを図りながらも、積層型にしたことによる昇圧比の
向上も図ることができる。

【００２８】また、本形態に係る積層型圧電トランス１
では、外部電極３４，３５の圧電体長手方向の寸法は、
内部電極３３の圧電体長手方向の寸法と同一、または内
部電極３３の圧電体長手方向の寸法よりも短く設定され
ている。これにより、分極時や駆動時における圧電体２
の割れの発生を回避することができ、圧電トランス１の
長寿命化が図れるようになっている。

【００２９】この積層型圧電トランス１の作製方法は、
ＰＺＴ系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３３を印刷し、このシ
ートを積層圧着して、所望の寸法に切断する。その後、
焼成し、一体化した（積層）圧電体２（図４を参照）を
得る。次に、銀焼付け等により外部電極３４，３５と出
力電極４１，４２とを形成し、各内部電極３３，３３，
…と各外部電極３４，３５とを接続する。そして、駆動
部３の厚み方向と発電部４の長手方向の分極処理を行い
完成する。この分極方向も、上記第１実施形態の場合と
同様に、駆動部３を挟んで互いに外側を向いた逆方向
（図４に実線で示す矢印参照）に限らず、互いに内側を
向いた逆方向や、同一方向（図４に破線で示す矢印参
照）であってもよい。

【００３０】尚、本形態に係る積層型圧電トランス１で
は、駆動部３の最上部の層と最下部の層とが分極されて
いないダミー層となっているが、駆動部３の上下面に電
極を設けてそれぞれを外部電極３４，３５と個別に接続
することにより、ダミー層を無くすこともできる（図７
に示す圧電トランス１を参照）。また、各内部電極３
３，３３，…を圧電体２の側面（図６における左右両側
の面）に臨ませ、積層型圧電トランス１の上面から奇数
番目の層である内部電極３３が一方の外部電極３４に、
偶数番目の層である内部電極３３が他方の外部電極３５
にそれぞれ接続するように内部電極３３を部分的に切り
欠くようにしてもよい（図７に示す圧電トランス１を参
照）。

【００３１】次に、この積層型圧電トランス１のパッケ
ージ基板への搭載動作について説明する。ここでは、上
記ダミー層を有しない積層型圧電トランス１を採用した
場合について説明する。また、本圧電トランス１として
は、出力電極４１，４２が圧電体２の端面から上面まで
延出されたものを採用している。図７は積層型圧電トラ
ンス１をパッケージ基板５に搭載する前の斜視図、図８
は積層型圧電トランス１をパッケージ基板５に搭載した
状態を示す平面図、図９は図８におけるIX矢視図、図１
０は図８におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。

【００３２】先ず、パッケージ基板の構成について説明
する。図７に示すように、パッケージ基板５は、複数の
側壁５１，５１，…を具備してなる側面略Ｕ字形状の樹
脂製の絶縁材料からなり、本パッケージ基板５の収容面
の中央部に枕部材５２，５２，…が形成されている。ま
た、パッケージ基板５の長手方向の両端部には、出力電
極用のリード手段としてのリードフレーム６，６が配置
されるとともに、当該パッケージ基板５の短辺方向両端
部分の中央には、入力電極用のリード手段としてのリー
ドフレーム７，７が配置されている。これらリードフレ
ーム６，７は可撓性バネ状の金属板をプレス加工等によ
り折り曲げて形成されている。また、これら側壁５１、
枕部材５２、リードフレーム６，７はモールド樹脂成形
により一体的に形成されている。そして、リードフレー
ム６，７の一部がインナーリードフレームとしてパッケ
ージ基板５の側端面から突出して上部に立ち上がり、パ
ッケージ基板５の上面に露出しており、同リードフレー
ム６，７の一部が外部端子６１，７１としてパッケージ
基板５の底面に露出している。

【００３３】出力電極用のリードフレーム６は、パッケ
ージ基板５の側端面から突出するとともに、パッケージ
側端面に沿って立ち上る第１の弾性腕部と６２と、この
第１の弾性腕部６２に連続して、パッケージ長手方向の
一端側に向かって伸びる第２の弾性腕部６３と、この第
２の弾性腕部６３に連続しパッケージ長手方向の端部に
て短辺方向に延び、パッケージ中央部にて、その先端部
分６４ａが、圧電トランス１の長手方向側端面に接触す
るように、平面略Ｓ字状に折り曲げられるとともに、そ
の折り曲げ部分が曲率を有するように構成されてなる第
３の弾性腕部６４とが形成されてなる。また、上記第３
の弾性腕部６４は、付け根部分から先端部分に向かって
しだいに細くなるように構成されている。なお、上記第
３の弾性腕部６４の平面形状として、平面略Ｓ字状に限
らず、半円型、楕円型、双曲線型、あるいはこれらに近
似する形状であってもよい。

【００３４】前記入力電極用のリードフレーム７は、パ
ッケージ基板５の側端面から外部へ突出するとともに、
パッケージ基板５の側端面に沿って立ち上る第１の弾性
腕部７２と、この第１の弾性腕部７２に連続し、パッケ
ージ基板５の短辺方向に伸び、側面略Ｕ字形状に屈曲さ
れて、その屈曲部分７３ａが、圧電トランス１の短辺方
向両側端面のほぼ中央部分に接触されるように構成され
た第２の弾性腕部７３とが形成されてなる。

【００３５】また、前記各リードフレーム６，７の第１
の弾性腕部６２，７２とパッケージ基板５の側端面が接
触しないように、パッケージ基板５の側端面の一部には
上部に向かうにしたがって第１の弾性腕部６２，７２と
隔離するような面取り部５３が形成されている。

【００３６】そして、以上のように構成されたパッケー
ジ基板５の収容面に前記圧電トランス１を、上記枕部材
５２に搭載し、接合材８（例えば、はんだ、樹脂接着剤
等、好ましくは、弾性質を有する接着剤）を介して機械
的に接合するとともに、圧電トランス１の外部電極３
４，３５に入力電極用リードフレーム７の屈曲部分７３
ａ，７３ａを接触させて電気的に接続し、圧電トランス
１の出力電極４１，４２に出力電極用リードフレーム６
の先端部分６４ａ，６４ａを接触させて電気的に接続し
ている。また、図示していないが、これら電極３４，３
５，４１，４２とリードフレーム６，７の電気的接続を
より強めるために、各接続部分に導電性接合材（はん
だ、導電性樹脂接着剤等）を塗布してもよい。

【００３７】このように、積層型圧電トランス１をパッ
ケージ基板５へ搭載することにより、インバータ基板へ
の搭載が容易になると共に搭載時のハンドリングも容易
になる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、中央駆
動型の圧電トランスに対し、圧電体の長手方向の全長と
駆動部の長さとの比を適切に設定している。これによ
り、構成が比較的簡素で且つ製作コストも低廉な中央駆
動型の圧電トランスの高効率化と低発熱化とを図ること
が可能となり、極めて実用性の高い圧電トランスを提供
することが可能になる。更に、圧電トランスの駆動部を
積層構造にすれば、携帯型電子機器で用いられる入力電
圧源として、特に、低電圧の入力電圧源であるバッテリ
ーなどからでも冷陰極管等の放電管を高効率で駆動させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る圧電トランスを示す斜視図
である。

【図２】駆動部の長さ寸法と効率との関係を示す図であ
る。

【図３】駆動部の長さ寸法と発熱量との関係を示す図で
ある。

【図４】第２実施形態に係る積層型圧電トランスの斜視
図である。

【図５】図４におけるV-V線に沿った断面図である。

【図６】図４におけるVI-VI線に沿った断面図である。

【図７】積層型圧電トランスをパッケージ基板に搭載す
る前の斜視図である。

【図８】積層型圧電トランスをパッケージ基板に搭載し
た状態を示す平面図である。

【図９】図８におけるIX矢視図である。

【図１０】図８におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図であ
る。

【図１１】ローゼン型圧電トランスの外観を示す斜視図
である。

【図１２】圧電トランスの波長モードを説明するための
図である。

【符号の説明】

１圧電トランス２圧電体３駆動部３１，３２入力電極３３内部電極３４，３５外部電極４発電部４１，４２出力電極６，７リードフレーム（リード手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体の長手方向の中央部に形成されて
入力電極を有する駆動部と、この駆動部に対して圧電体
の長手方向の両側に形成されて出力電極を有する発電部
とを備えた圧電トランスにおいて、上記圧電体の長手方向の全長に対する駆動部の長さ寸法
の比が、０．１以上０．３未満の範囲に設定されている
ことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】圧電体の長手方向の中央部に形成されて
入力電極を有する駆動部と、この駆動部に対して圧電体
の長手方向の両側に形成されて出力電極を有する発電部
とを備えた圧電トランスにおいて、上記圧電体の長手方向の全長に対する駆動部の長さ寸法
の比が、０．１３以上０．２７以下の範囲に設定されて
いることを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】請求項１または２記載の圧電トランスに
おいて、駆動部は圧電体と内部電極とが交互に積層されて構成さ
れており、各内部電極は１層おきに個別の外部電極にそ
れぞれ接続されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項４】請求項３記載の圧電トランスにおいて、外部電極の圧電体長手方向の寸法は、内部電極の圧電体
長手方向の寸法と同一または内部電極の圧電体長手方向
の寸法よりも短く設定されていることを特徴とする圧電
トランス。
【請求項５】請求項１〜４のうち何れか一つに記載の
圧電トランスにおいて、駆動部の入力電極及び発電部の出力電極は、トランス側
面部においてリード手段に接続されていることを特徴と
する圧電トランス。
【請求項６】請求項１〜５のうち何れか一つに記載の
圧電トランスにおいて、圧電体端面に形成された出力電極が、この圧電体端面に
近接する他の面まで延出されていることを特徴とする圧
電トランス。