JP2003174781A

JP2003174781A - 圧電トランス回路

Info

Publication number: JP2003174781A
Application number: JP2001370864A
Authority: JP
Inventors: Katsuhide Akimoto; 克英秋元; Takumi Kataoka; 拓実片岡
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2003-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電トランス回路において、インピーダンス
が変化するメタルハライドランプに対しても効率よく変
圧することができるようにすることである。【解決手段】メタルハライドランプ６に接続される圧
電トランス１を、薄板状の圧電セラミック体２に、これ
を挟んで厚さ方向に対向する１対の入力側電極３１，３
２および１対の出力側電極４１，４２が形成された構成
とし、交流電源５から入力側電極３１，３２間に入力す
る電圧の周波数を、負荷インピーダンスの高い点灯開始
までは低側の第１の周波数として出力インピーダンスを
高くし、負荷インピーダンスの低い点灯開始後は高側の
第２の周波数として出力インピーダンスを低くする。そ
して、第２の周波数は、定常的な電力供給の必要な期間
でもある点灯開始後に縦効果で十分な電力が取り出せる
ように、厚さ方向の弾性波による共振周波数とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電トランス回路に
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電セラミックの圧電効果を応用した圧
電トランスは、従来から高電圧電源に広く用いられてい
る。図５に圧電トランスを有する圧電トランス回路の一
例を示す。圧電トランス９０は一般的なローゼン型のも
ので、細長で平板状の圧電セラミック体９００の一方の
半部には、上下面に入力側の電極９０３，９０４が形成
されて励振部９０１が構成され、他方の半部には、その
端面に出力側の電極９０５が形成されて発電部９０２が
構成されている。圧電セラミック体９００は励振部９０
１で厚さ方向に分極され、発電部９０２では長さ方向に
分極されている（実開平６−５２１６１号公報等）。

【０００３】入力側電極９０３，９０４間に交流電源９
１を接続して交流電圧を印加すると、圧電セラミック体
９００で圧電セラミック体９００の長さ方向に伝播する
弾性波が発生する。ここで、圧電セラミック体９００の
長さおよび入力側電極９０３，９０４間への印加電圧の
周波数を適当に選べば、圧電セラミック体９００が例え
ば１／２波長モードで共振振動し、発電部９０２の出力
側電極９０５に変圧された電圧が発生して負荷９２に出
力される。

【０００４】圧電トランス回路の適用例として、ノート
型パーソナルコンピュータのディスプレイ用の液晶表示
器のバックライトとして用いられる冷陰極管を点灯する
ための変圧回路がある。冷陰極管を点灯状態とするに
は、始めに数百Ｖの高電圧を印加し、冷陰極管で放電を
発生させて点灯を開始する。点灯開始後の定常点灯期間
には印加電圧を点灯開始時よりも下げる。

【０００５】圧電トランスの動作効率は負荷のインピー
ダンスの大きさによって異なる。すなわち、圧電トラン
スの出力インピーダンスと負荷のインピーダンスとが一
致するとき（マッチングインピーダンス）、最も効率よ
く変圧する。例えば、冷陰極管は点灯開始後にはおよそ
１００ｋΩのインピーダンスを示し、定常点灯期間に高
効率で動作させるには、このインピーダンスとマッチン
グするように圧電トランスの圧電セラミック体の形状等
を設計することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、冷陰極管は
点灯前にはインピーダンスが数ＭΩあり、定常点灯時に
インピーダンスマッチングするように設計すると、点灯
開始に必要な十分な出力電圧をとりだすのが困難で、圧
電トランスに負荷がかかる。一方、点灯開始時のインピ
ーダンスに考慮するとすれば、点灯開始後に、効率よく
電気エネルギーを取り出すことができない。

【０００７】特に近年、圧電トランスを、蛍光灯やメタ
ルハライドランプのように点灯開始後にインピーダンス
が数百Ω以下まで低下する負荷に適用することが考えら
れており、かかる、インピーダンスの変化幅が大きい負
荷に対しては、適用がより困難である。このため、放電
に必要な出力電圧を確保し得る範囲内で、インピーダン
スが低下した後の効率を、ある程度犠牲にして折り合い
をつけるしかなかった。

【０００８】特開平９−１６２４５７号公報には、図５
の圧電トランスと同様の構成で冷陰極管の点灯用に適用
した圧電トランス回路において、点灯開始前には、入力
電圧の周波数を、長手方向に進行する弾性波について共
振周波数となるように設定して長手方向の共振振動モー
ドで作動させ、点灯してからは、幅方向に進行する弾性
波について共振周波数となるように設定して幅方向の共
振振動モードで作動させ、負荷のインピーダンスが変化
しても効率よく電気エネルギーを取り出せるようにした
ものがある。

【０００９】図５のような、圧電トランスの圧電セラミ
ック体が長方形のものでは、幅方向の共振振動モードの
共振周波数が長手方向の共振振動モードの共振周波数よ
りも高いものになる。一般的に、圧電トランスにおい
て、入力電圧の角周波数をω、出力側電極間の静電容量
をＣとすると、圧電トランスの出力インピーダンスＺは
Ｚ＝１／（ωＣ）となるから、入力電圧の周波数で出力
インピーダンスＺが変化する。入力電圧の周波数が高く
なると出力インピーダンスが低くなる。すなわち、前記
特開平９−１６２４５７号公報の技術では、圧電トラン
スの出力インピーダンスが冷陰極管のインピーダンス低
下に追随することになる。

【００１０】しかしながら、幅方向の共振振動モードの
ときには、発電部において、弾性波の方向と分極方向と
が直交する横効果で、機械エネルギーが電気エネルギー
に変換されることになる。一般に、横効果は、弾性波の
方向と分極方向とが平行となる縦効果に比して著しく僅
かな出力しか取り出せず、前記特開平９−１６２４５７
号公報の技術を、メタルハライドランプのように、安定
点灯時には冷陰極管の５〜１０倍程度の電力を必要とす
る用途に適用しようとすると、圧電トランスが大型化
し、必ずしも実用的ではない。

【００１１】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
インピーダンス変化の大きい負荷に対してインピーダン
スマッチングをとり、しかも、負荷が低インピーダンス
のときに十分に負荷に電力を出力することのできる圧電
トランス回路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】請求項１記載の発明で
は、薄板状の圧電セラミック体にその厚さ方向に対向す
る入力側の電極が設けられて、入力電極から入力する電
気エネルギーを機械エネルギーに変換する励振部と、薄
板状の圧電セラミック体に出力側の電極が設けられて、
前記機械エネルギーを電気エネルギーに再変換して前記
出力側の電極から出力する発電部とからなる圧電トラン
スを有し、該圧電トランスが交流電源からの入力電圧を
変圧して負荷に出力する圧電トランス回路において、前
記出力側の電極を、前記圧電セラミック体の厚さ方向に
対向する電極により構成し、前記交流電源を、前記入力
電圧の周波数が、圧電トランスが共振振動モードとなる
第１の周波数または第１の周波数よりも高く圧電トラン
スが圧電セラミック体の厚さ方向の共振振動モードとな
る第２の周波数のいずれかに切り換え自在とする。

【００１３】メタルハライドランプ等のように、インピ
ーダンスが低下して定常作動期間に入る負荷の場合で
も、負荷のインピーダンスが低下すると、入力電圧の周
波数を、高い第２の周波数に切り換えることで、圧電ト
ランスの出力インピーダンスが低下し、負荷のインピー
ダンスと圧電トランスの出力インピーダンスとの整合性
の向上を図ることができる。

【００１４】しかも、定常作動期間には、電気エネルギ
ーと機械エネルギーとの間の変換が、励振部、発電部と
もに縦効果によりなされるから、圧電トランスの大型化
を伴うことなく十分な電力の出力が可能となる。

【００１５】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記励振部と発電部とで圧電セラミッ
ク体を共通とするとともに、その平面形状を長方形と
し、前記入力側の電極と出力側の電極とを圧電セラミッ
ク体の長手方向に並設し、前記第１の周波数を、圧電ト
ランスが長手方向の共振振動モードとなる周波数とす
る。

【００１６】第１の周波数は圧電セラミック体の長さに
より規定され、圧電セラミック体の長さは、第２の周波
数を規定する圧電セラミック体の厚さよりも十分に大き
な値をとるから、第１の周波数を低い周波数に設定し、
第２の周波数を高い周波数に設定することが容易であ
り、設計の自由度が広くなる。

【００１７】請求項３記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記励振部と発電部とで圧電セラミッ
ク体を共通とするとともに、その平面形状を円形とし、
前記入力側の電極と出力側の電極とを圧電セラミック体
の径方向に並設し、内周部の電極を、前記圧電セラミッ
ク体と同心の円形の電極とし、外周部の電極を、前記圧
電セラミック体と同心の環状の電極とし、前記第１の周
波数を、圧電セラミック体が径方向の共振振動モードと
なる周波数とする。

【００１８】第１の周波数は圧電セラミック体の直径に
より規定され、圧電セラミック体の直径は、第２の周波
数を規定する圧電セラミック体の厚さよりも十分に大き
な値をとるから、第１の周波数を低い周波数に設定し、
第２の周波数を高い周波数に設定することが容易であ
り、設計の自由度が広くなる。

【００１９】請求項４記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記励振部と発電部とで圧電セラミッ
ク体の平面形状を同一の長方形とするとともに、前記励
振部と発電部とを圧電セラミック体の厚さ方向に積層す
る構造とし、前記第１の周波数を、圧電トランスが圧電
セラミック体の長手方向を梁の長手方向とする屈曲振動
をするときの共振周波数とする。

【００２０】一般に圧電トランスの屈曲振動の共振周波
数は圧電セラミック体の厚さ方向の共振振動モードの場
合よりも低いから、第１の周波数を低い周波数に設定
し、第２の周波数を高い周波数に設定することが容易に
でき、設計の自由度が広くなる。

【００２１】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に本発明の
第１実施形態になる圧電トランス回路の構成を示す。圧
電トランス回路は圧電トランス１を備え、圧電トランス
１を介して、交流電源である駆動回路５からの入力電圧
を変圧して負荷６に出力するようになっている。なお、
以下の説明において、負荷６はメタルハライドランプと
して説明し、適宜、メタルハライドランプ６と記載す
る。

【００２２】圧電トランス１は薄板状で細長の長方形に
成形された圧電セラミック体２を有している。圧電セラ
ミック体２は、例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミックのシ
ートを所定の形状（長方形）に裁断して得られる。圧電
セラミックシートには、厚さが圧電セラミック体２の長
さの１／２０程度のものが用いられる。圧電セラミック
体２の長手方向の一方の半部と他方の半部とには、圧電
セラミック体２の上下面に圧電セラミック体２を挟んで
対向する電極３１，３２、電極４１，４２が形成してあ
る。電極３１〜４２は同じ形状で、圧電セラミック体２
の上面または下面の半分の略全体を覆う矩形である。圧
電セラミック体２の同じ面に形成される電極３１，４１
間、電極３２，４２間には、電極３１，４１間、電極３
２，４２間の絶縁を確保するため、帯状に電極非形成部
が形成してある。

【００２３】圧電セラミック体２は電極３１，３２間お
よび電極４１，４２間がその対向方向すなわち圧電セラ
ミック体２の厚さ方向に分極せしめてある。

【００２４】圧電セラミック体２を挟んで対向する一方
の１対の電極３１，３２は入力側の電極で、駆動回路５
が接続されるようになっており、圧電セラミック体２の
前記一方の半部に、逆圧電効果により、駆動回路５から
入力する電気エネルギーを圧電セラミック体２の機械エ
ネルギーに変換する励振部１１が構成される。他方の１
対の電極４１，４２は出力側の電極で、負荷６が接続さ
れるようになっており、圧電効果により、前記機械エネ
ルギーを再び電気エネルギーに変換する発電部１２が構
成される。

【００２５】なお、圧電トランス１は、圧電トランスの
一般的な製造方法であるグリーンシート法により製造す
ることができる。入力側電極３１，３２、出力側電極４
１，４２はスクリーン印刷等で形成する。圧電セラミッ
ク体２の分極は、スクリーン印刷の済んだものを焼成し
た後に、絶縁油中で入力側電極３１，３２間、出力側電
極４１，４２間に直流高電圧を印加することでなされ
る。

【００２６】前記駆動回路５は、前記入力電圧すなわち
入力側電極３１，３２間に印加する電圧の周波数が切り
換え自在に構成してある。これは電圧制御発振器や分周
回路等により構成し得る。第１の周波数ｆ1 は、前記逆
圧電効果により発生する弾性波の伝播速度ｖを圧電セラ
ミック体２の長さＬ1 で除した値に設定してある。ま
た、第２の周波数ｆ2 は、前記逆圧電効果により発生す
る弾性波の伝播速度ｖを圧電セラミック体２の厚さｔ1
の２倍で除した値に設定してある。

【００２７】さて、第１の周波数ｆ1 のときには、圧電
セラミック体２の長さＬ1 が圧電セラミック体２の長手
方向に進行する弾性波の１波長に相当するので、この弾
性波により１波長モードの共振振動が生じる。一方、第
２の周波数ｆ2 のときには、圧電セラミック体２の厚さ
ｔ1 が圧電セラミック体２の厚さ方向に進行する弾性波
の１／２波長に相当するので、この弾性波により１／２
波長モードの共振振動が生じる。

【００２８】前記のごとく、圧電セラミック体２は薄板
状で、厚さｔ1 が長さＬ1 の１／２０程度しかないの
で、第２の周波数ｆ2 は第１の周波数ｆ1 よりも１０倍
程度高い。

【００２９】ここで、一般的に、圧電トランスの入力電
圧の角周波数をω、圧電トランスの出力側電極間の静電
容量をＣとすると、圧電トランスの出力インピーダンス
Ｚは、Ｚ＝１／（ωＣ）となる。したがって、圧電トラ
ンス１の出力インピーダンスＺは、第２の周波数ｆ2 の
ときの方が第１の周波数ｆ1 のときよりも小さい。

【００３０】したがって、負荷６としてインピーダンス
変化の大きい前記メタルハライドランプを接続した場
合、インピーダンスが大きい点灯前は第１の周波数ｆ1
としておき、インピーダンスが低下する点灯後には第２
の周波数ｆ2 に切り換えることで、メタルハライドラン
プ６のインピーダンスが低下する点灯後に、圧電トラン
ス１の出力インピーダンスも低くすることができる。こ
のように、負荷６のインピーダンスの増減に圧電トラン
ス１の出力インピーダンスを追随せしめることで、圧電
トランス１の出力インピーダンスと負荷６のインピーダ
ンスとの整合性を向上せしめることができる。

【００３１】さらに、圧電トランス１の出力インピーダ
ンスを低側とする第２の周波数ｆ2のとき、共振振動は
圧電セラミック体２の厚さ方向に進行する弾性波による
厚さ方向の共振振動であり、また、発電部１２は厚さ方
向に誘電分極する構成であるから、機械電気係数ｋt に
よる縦効果で、出力側電極４１，４２間に出力電圧が発
生する。また、励振部１１も縦効果の逆圧電効果であ
る。

【００３２】これに対して、前記特開平９−１６２４５
７号公報の技術では、点灯後は幅方向に進行する弾性波
による幅方向の共振振動であり、また、発電部は圧電セ
ラミック体の長手方向に誘電分極する構成であるから、
機械電気係数ｋ31による横効果で、出力側電極間に出力
電圧が発生する。また、励振部も横効果の逆圧電効果で
ある。

【００３３】横効果と縦効果とでは縦効果の方が遙に大
きく、縦効果による本実施形態では、圧電トランス１の
大型化を伴うことなく十分な電力を取り出すことができ
る。したがって、前記メタルハライドランプ６が点灯を
開始し、そのインピーダンス低下に追随して圧電トラン
ス１の出力インピーダンスを低下するようにしても、定
常点灯期に必要な電力を取り出すのに圧電トランスが大
型化することもない。したがって、メタルハライドラン
プのように、インピーダンス低下が大きく、また、必要
電力が大きい負荷に対して好適に適用できる。

【００３４】なお、本実施形態では、第１の周波数ｆ1
のときの圧電セラミック体２の長手方向の共振振動が１
波長モードであり、第２の周波数ｆ2 のときの圧電セラ
ミック体２の厚さ方向の共振振動が１／２波長モードで
あるが、必ずしもこれに限定されるものではない。一般
的に、第１の周波数ｆ1 を規定する圧電セラミック体２
の長さＬ1 は、第２の周波数ｆ2 を規定する圧電セラミ
ック体２の厚さｔ1 の数倍以上あり、これよりも十分に
大きな値をとるから、第１の周波数ｆ1 を低い周波数に
設定し、第２の周波数ｆ2 を高い周波数に設定すること
が容易にできる。したがって、圧電トランス１の形状や
周波数ｆ1 ，ｆ2 等について、設計の自由度が広くな
る。

【００３５】（第２実施形態）図２に本発明の第２実施
形態になる圧電トランス回路の構成を示す。図中、第１
実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を
付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【００３６】圧電トランス１Ａは、圧電セラミック体２
Ａが円形で、その内周部に励振部１１Ａが構成され、外
周部に発電部１２Ａが構成される。励振部１１Ａの入力
側の電極３１Ａ，３２Ａは上下面にそれぞれ形成してあ
る。入力側電極３１Ａと入力側電極３２Ａとは円形の同
じ形状のもので、圧電セラミック体２Ａの同心位置で、
圧電セラミック体２Ａを挟んで対向している。

【００３７】また、発電部１２Ａの出力側の電極４１
Ａ，４２Ａは圧電セラミック体２Ａの上下面のそれぞれ
において、入力側の電極３１Ａ，３２Ａと同心位置でそ
の外周に環状に形成されている。出力側電極４１Ａと出
力側電極４２Ａとは同じ形状で、圧電セラミック体２Ａ
を挟んで対向している。

【００３８】圧電セラミック体２Ａの上面および下面に
おいて、入力側電極３１Ａと出力電極４１Ａ間、入力側
電極３２Ａと出力電極４２Ａ間には入力側電極３１Ａ，
３２Ａと出力側電極４１Ａ，４２Ａとの絶縁を確保する
環状の電極非形成部が形成してある。

【００３９】圧電セラミック体２Ａは、入力側電極３１
Ａ，３２Ａ間および出力側電極４１Ａ，４２Ａ間のそれ
ぞれにおいて、厚さ方向に分極せしめてある。

【００４０】駆動回路５Ａは、第１実施形態と同様に、
前記入力電圧すなわち入力側電極３１Ａ，３２Ａ間に印
加する電圧の周波数が切り換え自在に構成してあり、第
１の周波数ｆ3 は、式（１）に示す周波数に設定してあ
る。ｆ3 ＝（η／πＤ）×（Ｅ／（ρ（１−σ^E））^1/2・・・（１）ここで、ηは基準化周波数、Ｄは直径、ρは比重、σ^E
はポアソン比、Ｅは縦弾性係数である。また、第２の周
波数ｆ4 は、前記弾性波の伝播速度ｖを圧電セラミック
体２Ａの厚さｔ2 の２倍で除した値に設定してある。

【００４１】さて、第１の周波数ｆ3 のときには、入力
側電極３１Ａ，３２Ａへの交流電圧により、圧電セラミ
ック体２Ａに厚さ方向に振動する電場が形成されると、
圧電トランス１Ａは径方向に圧電セラミック体２Ａが伸
縮する。圧電トランス１Ａが径広がりモードで振動する
際は、その共振周波数は前記式（１）で表される周波数
となるから、圧電トランスは径方向に伸縮する。

【００４２】一方、第２の周波数ｆ4 のときには、圧電
セラミック体２Ａの厚さｔ2 が、圧電セラミック体２Ａ
の厚さ向に進行する弾性波の１／２波長に相当するの
で、この弾性波により、厚さ方向の１／２波長モードの
共振振動が生じる。

【００４３】仮に、圧電セラミック体２Ａの厚さｔ2 を
５ｍｍ、直径Ｄを４０ｍｍ、比重ρを７７００ｋｇ／ｍ
³、ポアソン比σ^Eを０．３、縦弾性係数（ヤング率）
Ｅを９×１０¹⁰Ｎ／ｍ²、基準化周波数ηを２．０４８
９とすると、第１の周波数ｆ3 は式（１）より、約７０
ｋＨｚであるのに対して、第２の周波数ｆ4 は３４０ｋ
Ｈｚであり、第２の周波数ｆ4 の方が第１の周波数ｆ3
よりも高い。

【００４４】したがって、第１実施形態と同様に、負荷
６のインピーダンスが変化しても、インピーダンスが高
いときには低側の第１の周波数ｆ3 に切り換え、インピ
ーダンスが低いときには高側の第２の周波数ｆ4 に切り
換えることで、圧電トランス１Ａの出力インピーダンス
と負荷６のインピーダンスとの整合性を向上せしめるこ
とができる。

【００４５】さらに、圧電トランス１Ａの出力インピー
ダンスを低側とする第２の周波数ｆ4 のとき、共振振動
は厚さ方向の共振振動であり、また、発電部１２Ａは厚
さ方向に誘電分極する構成であるから、機械電気係数ｋ
t による縦効果で、出力側電極４１Ａ，４２Ａ間に出力
電圧が発生する。また、励振部１１Ａも縦効果の逆圧電
効果である。

【００４６】したがって、入力電圧の周波数の切り換え
により、負荷６のインピーダンス低下に追随して圧電ト
ランス１Ａの出力インピーダンスを低下するようにして
も、必要な電力を取り出すのに圧電トランス１Ａが大型
化することもない。したがって、メタルハライドランプ
のように、インピーダンス低下が大きく、また、必要電
力が大きい負荷６に対して好適に適用できる。

【００４７】なお、本実施形態では、第１の周波数ｆ3
のときの圧電セラミック体２Ａの径方向の共振振動が基
本径拡がり振動モードであり、第２の周波数ｆ4 のとき
の圧電セラミック体２Ａの厚さ方向の共振振動が１／２
波長モードであるが、必ずしもこれに限定されるもので
はない。一般的に、第１の周波数ｆ3 を規定する圧電セ
ラミック体２Ａの直径Ｌ2 は、第２の周波数ｆ4 を規定
する圧電セラミック体２Ａの厚さの数倍以上あり、これ
よりも十分に大きな値をとるから、第１の周波数ｆ3 を
低い周波数に設定し、第２の周波数ｆ4 を高い周波数に
設定することが容易にできる。したがって、第１実施形
態と同様に設計の自由度が広くなる。

【００４８】（第３実施形態）図３に本発明の第３実施
形態になる圧電トランス回路の構成を示す。図中、第１
実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を
付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【００４９】圧電トランス１Ｂは、薄板状の圧電セラミ
ック体２１Ｂ，２２Ｂと薄膜状の電極７１，７２，７３
とが交互に積層する構造を有している。圧電セラミック
体２１Ｂ，２２Ｂ、電極７１〜７３は平面形状が同一で
細長の長方形のものである。

【００５０】圧電セラミック体２１Ｂ，２２Ｂは電極７
１，７２間、電極７２，７３間が積層方向すなわち圧電
セラミック体２１Ｂの厚さ方向に分極されている。圧電
セラミック体２１Ｂを挟む電極７１，７２は入力側の電
極で、駆動回路５Ｂと接続され、電極７１，７２により
圧電セラミック体２１Ｂを挟んで励振部１１Ｂが構成さ
れる。また、電極７２，７３は出力側の電極で、メタル
ハライドランプ６と接続され、電極７２，７３により圧
電セラミック体２２Ｂを挟んで発電部１２Ｂが構成され
る。このように、圧電トランス１Ｂは励振部１１Ｂと発
電部１２Ｂとが積層してなり、電極７２は入力側の電極
と出力側の電極とに兼用である。

【００５１】入力側電極７１，７２間に電圧を印加する
駆動回路５Ｂは、前記各実施形態と同様に周波数が切り
換え自在に構成してあり、第１の周波数ｆ5 は、次式
（２）で表される周波数に設定してある。式中、λは振
動数係数、ｔ3 は圧電トランス１Ｂの厚さ、Ｅは縦弾性
係数、ρは比重である。なお、圧電トランス１Ｂの前記
屈曲振動は両端を自由端とする振動とみなせるので、振
動数係数λは一次の振動モードで４．７３である。ｆ5 ＝（λ²／２π）×（ｔ3 ／Ｌ3 ²）×（Ｅ／１２ρ）^1/2・・・（２）

【００５２】また、第２の周波数ｆ6 は、前記弾性波の
伝播速度ｖを圧電トランス１Ｂの厚さｔ3 の２倍で除し
た値に設定してある。

【００５３】さて、第１の周波数ｆ５のときには、入力
側電極７１，７２間への交流電圧の印加により、圧電セ
ラミック体２１Ｂの内部において圧電セラミック体２１
Ｂの厚さ方向に振動する電場が形成されると、圧電トラ
ンス１Ｂにおいて次の機械振動が生じる。すなわち、圧
電トランス１Ｂが梁として屈曲振動をする場合、その固
有振動数ｆは式（３）となる。式中、Ｉは梁である圧電
トランス１Ｂの断面二次モーメントであり、Ａは梁であ
る圧電トランス１Ｂの断面積である。圧電トランス１Ｂ
の各パラメータは実質的に圧電セラミック体２Ｂのもの
と等しい。ｆ＝（λ²／２πＬ3 ²）×（ＥＩ／ρＡ）^1/2・・・（３）

【００５４】ここで、圧電セラミック体２Ｂは矩形断面
の梁であり、その幅をａとすれば、Ｉ＝ａ×ｔ3 ³、Ａ
＝ａ×ｔ3 であるから、固有振動数ｆは前記第１の周波
数ｆ5 となる。

【００５５】さて、圧電セラミック体２１Ｂの厚さ方向
に振動する電場が形成されると、横効果により、前記厚
さ方向に対して直交する面方向（圧電セラミック体２１
Ｂ，２２Ｂの上面、下面の方向）に圧電セラミック体２
１Ｂが収縮する。したがって、第１の周波数ｆ5 を前記
式（２）で表される周波数とすることにより、圧電トラ
ンス１Ｂは、図４に示すように、その固有周波数にて上
面側と下面側とに交互に繰り返し撓む。

【００５６】一方、第２の周波数ｆ6 のときには、圧電
トランス１Ｂの厚さｔ3 が圧電トランス１Ｂの厚さ向に
進行する弾性波の１／２波長に相当するので、この弾性
波により厚さ方向に１／２波長モードの共振振動が生じ
る。

【００５７】ここで、一般的に屈曲振動の固有振動周波
数よりも厚さ方向の共振振動の共振周波数の方が周波数
が高い。Ｌ3 ＝４０ｍｍ、ｔ3 ＝５ｍｍとすればｆ5 ＝
１０ｋＨｚである。一方、圧電トランス１Ｂの内部すな
わち圧電セラミック体２１Ｂ，２２Ｂの内部を進行する
弾性波の伝播速度ｖはｖ＝（Ｅ／ρ）^1/2であるから、
ｆ6 ＝３４０ｋＨｚである。

【００５８】したがって、前記第１、第２実施形態と同
様に、メタルハライドランプ６のインピーダンスが高い
点灯前には低側の第１の周波数ｆ5 に切り換え、点灯し
インピーダンスが低くなると高側の第２の周波数ｆ6 に
切り換えることで、圧電トランス１Ｂの出力インピーダ
ンスと負荷６のインピーダンスとの整合性を向上せしめ
ることができる。

【００５９】さらに、圧電トランス１Ｂの出力インピー
ダンスを低側とする第２の周波数ｆ6 のとき、共振振動
は圧電トランス１Ｂの厚さ方向の共振振動であり、ま
た、発電部１２Ｂは厚さ方向に誘電分極する構成である
から、機械電気係数ｋt による縦効果で、出力側電極７
２，７３間に出力電圧が発生する。

【００６０】したがって、負荷６のインピーダンス低下
に追随して圧電トランス１Ｂの出力インピーダンスを低
下するようにしても、必要な電力を取り出すのに圧電ト
ランス１Ｂが大型化することもない。したがって、メタ
ルハライドランプのように、インピーダンス低下が大き
く、また、必要電力が大きい負荷に対して好適に適用で
きる。

【００６１】なお、前記各実施形態は冷陰極管やメタル
ハライドランプの他、インピーダンスが変化する負荷用
に好適に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態になる圧電トランス回路
の構成図である。

【図２】本発明の第２実施形態になる圧電トランス回路
の構成図である。

【図３】本発明の第３実施形態になる圧電トランス回路
の構成図である。

【図４】前記圧電トランス回路を構成する圧電トランス
の振動態様を示す圧電トランスの側面図である。

【図５】従来の圧電トランス回路の代表例の構成図であ
る。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ圧電トランス１１，１１Ａ，１１Ｂ励振部１２，１２Ａ，１２Ｂ発電部２，２Ａ，２１Ｂ，２２Ｂ圧電セラミック体３１，３２，３１Ａ，３２Ａ入力側の電極４１，４２，４１Ａ，４２Ａ出力側の電極５，５Ａ，５Ｂ駆動回路（交流電源）６負荷７１，７２，７３電極

フロントページの続き (72)発明者片岡拓実愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内Ｆターム(参考） 5H007 BB03 CB02 CB04 CC32 DA03 DA04 DB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄板状の圧電セラミック体にその厚さ方
向に対向する入力側の電極が設けられて、入力電極から
入力する電気エネルギーを機械エネルギーに変換する励
振部と、薄板状の圧電セラミック体に出力側の電極が設
けられて、前記機械エネルギーを電気エネルギーに再変
換して前記出力側の電極から出力する発電部とからなる
圧電トランスを有し、該圧電トランスが交流電源からの
入力電圧を変圧して負荷に出力する圧電トランス回路に
おいて、前記出力側の電極を、前記圧電セラミック体の厚さ方向
に対向する電極により構成し、前記交流電源を、前記入力電圧の周波数が、圧電トラン
スが共振振動モードとなる第１の周波数または第１の周
波数よりも高く圧電トランスが圧電セラミック体の厚さ
方向の共振振動モードとなる第２の周波数のいずれかに
切り換え自在としたことを特徴とする圧電トランス回
路。
【請求項２】請求項１記載の圧電トランス回路におい
て、前記励振部と発電部とで圧電セラミック体を共通と
するとともに、その平面形状を長方形とし、前記入力側の電極と出力側の電極とを圧電セラミック体
の長手方向に並設し、前記第１の周波数を、圧電トランスが長手方向の共振振
動モードとなる周波数とした圧電トランス回路。
【請求項３】請求項１記載の圧電トランス回路におい
て、前記励振部と発電部とで圧電セラミック体を共通と
するとともに、その平面形状を円形とし、前記入力側の電極と出力側の電極とを圧電セラミック体
の径方向に並設し、内周部の電極を、前記圧電セラミック体と同心の円形の
電極とし、外周部の電極を、前記圧電セラミック体と同
心の環状の電極とし、前記第１の周波数を、圧電セラミック体が径方向の共振
振動モードとなる周波数とした圧電トランス回路。
【請求項４】請求項１記載の圧電トランス回路におい
て、前記励振部と発電部とで圧電セラミック体の平面形
状を同一の長方形とするとともに、前記励振部と発電部
とを圧電セラミック体の厚さ方向に積層する構造とし、前記第１の周波数を、圧電トランスが圧電セラミック体
の長手方向を梁の長手方向とする屈曲振動をするときの
共振周波数とした圧電トランス回路。