JP2004031382A - Piezo-electric transformer - Google Patents

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ceramic plate
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盛 建新
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To save cost of inverter and improve characteristic thereof by simultaneously lighting many cold cathode lamps with only one piezoelectric transformer without use of a ballast capacitor. <P>SOLUTION: The piezoelectric transformer is provided with input electrodes formed on the front and rear surfaces of a piezoelectric ceramic plate, and output electrodes formed at the end surface not in contact with the input electrodes. In this piezoelectric transformer, the piezoelectric ceramic plate is formed in the shape of cross, the input and output electrodes are formed on the front and rear surfaces of the crossing portion, and the output electrodes are formed at the respective front ends of four projected portions. Independent outputs can be obtained from the four output ends, and the four cold cathode lamps can be lighted with respective outputs. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランスの構造に係るもので、特に、輪郭振動(面広がり振動)モードを利用した多出力圧電トランスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
圧電セラミックの固有共振を利用した機能素子は、損失が少ない、小型化が可能で、電気機械結合係数が大きく、温度特性や経年変化特性にも優れているという特長がある。このような機能素子の一種である圧電トランスは、弾性体の振動を利用することから、その蓄積エネルギーが電磁型に比較して大きいので小型化できること、不燃性で安全性に優れること、磁気シールドが不要であることなどの利点があり、圧電トランスを用いたインバータは冷陰極ランプの電源として広く利用されている。
【0003】
図5は、従来の圧電トランスの例を示す斜視図である。主表面が方形の圧電セラミック板51の片側半分の表裏面に導体膜を形成して、入力電極52、53を形成する。この部分が圧電トランスの駆動部となり、反対側の半分が発電部となり、発電部の端面に導体膜を形成して出力電極54とするものである。
【0004】
このような圧電トランスは小型液晶モニターなどの単灯電灯の分野で多く採用されてきた。液晶テレビやパソコンのディスプレイ等の大型液晶モニターの場合、多数の冷陰極ランプを使用するため、一つのランプに一つのインバータを配置する従来の点灯方式はコスト的な面から望ましくない。
【0005】
それに対して、一つの圧電トランスに多数のランプを並列に接続する場合、その中の1本のランプが先に点灯すると管のインピーダンスが大きく低下する。すると圧電トランスの出力電圧が大きく下がるために、他のランプを点灯できなくなってしまう。この問題の解決策としては、図6に示すようにそれぞれのランプ66に直列にバラストコンデンサ67を接続している。これによって1本のランプが先に点灯しても、圧電トランスの出力部に高い出力電圧を確保することができ、一つのインバータで多数のランプを同時に点灯することができる。
【0006】
しかし、そのような点灯方式には次のような問題が生じる。
▲1▼常時点灯の高電圧が必要なため、安全上好ましくない。
▲2▼より高昇圧比の圧電トランスが必要となる。
▲3▼高圧バラストコンデンサが高価でコストの問題が生じる。
▲4▼管電流の安定性が悪く、バラツキも大きい。
▲5▼バラストコンデンサが電力損失の要因となる。
したがって、圧電トランスに多数の独立した出力端があれば、バラストコンデンサなしに一つの圧電トランスで多数のランプを同時に点灯することが可能となり、コスト削減や特性向上などの面で有利となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、バラストコンデンサを用いずに、一つの圧電トランスで多数の冷陰極ランプを同時に点灯することを可能にするもので、それによって圧電トランスを用いたインバータのコストを削減するとともに、その特性を向上させるものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電セラミック板を一つの入力電極と複数の出力電極を形成できる形状とすることによって、上記の課題を解決するものである。
【0009】
すなわち、圧電セラミック板の表裏面に入力電極を、入力電極に接しない端面に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、圧電セラミック板は十字形で、交差部分の表裏面に入出力電極を具え、4つの突出部分のそれぞれの先端に出力電極を具えたことに特徴を有するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電トランスは、圧電セラミック板の形状を十字形とし、中央部に入力電極を形成する。十字の4つの突出部の先端にそれぞれ出力電極を形成し、これらの4つの出力電極から個別に出力を得て、その出力によって複数の冷陰極ランプを点灯する。昇圧比を大きくするために入力電極の部分を積層構造とすることもできる。
【0011】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図1は、本発明による圧電トランスを示す斜視図で、圧電セラミック板として十字形の圧電セラミック板11を用いたものである。圧電セラミック板11の中央の交差部の表裏面に導体膜を形成して入力電極12、13とし、この部分が圧電トランスの駆動部となる。
【0012】
駆動部から外側に伸びる4つのアーム部分が発電部となり、それぞれの先端に導体膜を形成して出力電極14とする。駆動部は厚み方向に分極し、発電部は入力電極から出力電極に向って長さ方向に分極した。
【0013】
図2(A)、(B)は、それぞれ本発明による圧電トランスの1次と2次のモードの面広がり振動(輪郭振動)の変位図を示す。1次振動モードは円盤のラジアル振動と同様に振動節点(変位=0)は中心にあり、主表面はすべての範囲に同時に縮み、または膨らむように振動する。2次振動モードの場合、出力部の端部と素子の内側が逆相に振動するため、振動節点は素子の中心の他に出力部に4つの振動節点がある(図2(B)のN点)。これは、正方形板の2次広がり振動モードと相似する。したがって、2次モードは1次モードと比較して支持し易いことがメリットとなる。
【0014】
本発明による圧電トランスのサンプルは、Qmが約2000の高QmのPZT系圧電セラミックを材料とし、図1のような形状でプレス成形して得た。厚さは1.5mm、対向する2つの出力電極の間隔を45mmとし、駆動部の幅を20mmとした。ここで、電気機械結合係数を調整するため、またスプリアスを動作帯域から移動させるために、出力部に向って10°の傾斜角をとった。
【0015】
図3、図4は、それぞれ1次と2次のモードで動作する場合の特性を示すもので、出力端開放、出力端短絡および1出力あたり130kΩ負荷時の入力部のインピーダンス特性を示す。2つのモードとも大きな結合係数が得られるため、どの振動モードを使っても圧電トランスとして利用することができる。このサンプルの入力容量C1=3500pF、1出力端当たりの出力容量C2=20pFとなり、1次モードの動作周波数は約50kHz、1出力当たりの整合インピーダンスが約160kΩとなり、2次モードの場合は動作周波数は約110kHz、1出力当たりの整合インピーダンスは約70kΩとなる。冷陰極ランプの配置や浮遊容量等の状況により、2つの動作周波数を選択して駆動することが可能である。
【0016】
本発明による圧電トランスを用いた点灯試験は、φ=2.6mmで長さ320mmの長尺冷陰極ランプを用い、4本のランプをそれぞれ4つの出力電極にバラストコンデンサなしに接続した。2次モードを利用する場合、150Vp−p以上の入力電圧を固定して、周波数を135kHzから110kHzへ掃引することにより、4本のランプを同時に点灯させることができた。
【0017】
上記の同時点灯とはいえ、実際には管インピーダンスのばらつきがあるため、各ランプの点灯時の始動電圧または周波数に僅かながら差がある。上記の例で20msの掃引速度においては1〜2msの時間差が予想される。いったん1本のランプが先に点灯すると、負荷により圧電トランスへのダンピングが生じるため、まだ点灯していないランプに接続している出力部の開放電圧が低くなる。したがって、各出力部の開放電圧が点灯の順番に次第に低くなり、最後に点灯するランプが点灯するとき、それに接続された出力部の開放電圧が最も低い。それにもかかわらず、本発明による圧電トランスは、全てのランプを点灯させる開放電圧が確保できた。上記のサンプルが常時点灯の場合、1出力当たり3.5W程度の場合、素子の発熱は約10°Cと低い値となっている。
【0018】
本発明による圧電トランスは単板だけでなく、積層型にも適用できる。入力部を積層構造とすることにより、昇圧比を高くできるだけでなく、発生し易いねじれ振動を完全に抑圧することができる。
【0019】
【発明の効果】
本発明によれば、4つの出力端を持つ圧電トランスによってバラストコンデンサなしに4つの冷陰極ランプを点灯することができ、次のような効果が得られる。
▲1▼高価なバラストコンデンサが不要で、コスト削減が可能である。
▲2▼常時点灯時の高電圧維持が不要となり、安全性が向上し、トランスの昇圧比の要求が軽減される。
▲3▼バラストコンデンサによる電力損失がなくなり、電力効率が向上する。
▲4▼管電流のばらつきが低減される。
▲5▼冷陰極ランプの配置や浮遊容量等の状況に応じて動作周波数を選択することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す斜視図
【図2】変位状態の説明図
【図3】本発明による圧電トランスのインピーダンス特性の説明図
【図4】本発明による圧電トランスのインピーダンス特性の説明図
【図5】従来の圧電トランスの斜視図
【図6】従来の点灯方法を示す説明図
【符号の説明】
11、51:圧電セラミック板
12、13、52、53:入力電極
14、54:出力電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a piezoelectric transformer, and more particularly to a multi-output piezoelectric transformer using a contour vibration (plane spreading vibration) mode.
[0002]
[Prior art]
The functional element utilizing the natural resonance of the piezoelectric ceramic has features that it has a small loss, can be miniaturized, has a large electromechanical coupling coefficient, and has excellent temperature characteristics and aging characteristics. Piezoelectric transformers, which are a type of such functional elements, utilize the vibration of elastic bodies, so their stored energy is large compared to electromagnetic types, so they can be miniaturized; they are nonflammable and excellent in safety; The inverter using a piezoelectric transformer is widely used as a power source for a cold cathode lamp.
[0003]
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a conventional piezoelectric transformer. Input electrodes 52 and 53 are formed by forming conductor films on the front and back surfaces of one side half of a piezoelectric ceramic plate 51 having a square main surface. This portion serves as a driving portion of the piezoelectric transformer, and the opposite half serves as a power generation portion. A conductor film is formed on an end face of the power generation portion to serve as an output electrode 54.
[0004]
Such a piezoelectric transformer has been widely used in the field of a single lamp such as a small liquid crystal monitor. In the case of a large-sized liquid crystal monitor such as a liquid crystal television or a personal computer display, a large number of cold cathode lamps are used, so that a conventional lighting method in which one inverter is arranged for one lamp is not desirable in terms of cost.
[0005]
On the other hand, when a large number of lamps are connected in parallel to one piezoelectric transformer, if one of the lamps is turned on first, the impedance of the tube is greatly reduced. Then, since the output voltage of the piezoelectric transformer is greatly reduced, other lamps cannot be turned on. As a solution to this problem, a ballast capacitor 67 is connected in series with each lamp 66 as shown in FIG. As a result, even if one lamp is turned on first, a high output voltage can be secured at the output section of the piezoelectric transformer, and a large number of lamps can be turned on simultaneously by one inverter.
[0006]
However, such a lighting method has the following problems.
{Circle around (1)} Since a high voltage that is constantly lit is required, it is not preferable for safety.
(2) A piezoelectric transformer having a higher step-up ratio is required.
{Circle around (3)} The high voltage ballast capacitor is expensive and causes a problem of cost.
(4) The stability of the tube current is poor, and the variation is large.
(5) Ballast capacitors cause power loss.
Therefore, if the piezoelectric transformer has a large number of independent output terminals, a large number of lamps can be simultaneously turned on with a single piezoelectric transformer without a ballast capacitor, which is advantageous in terms of cost reduction and improved characteristics.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention makes it possible to simultaneously turn on a large number of cold cathode lamps with one piezoelectric transformer without using a ballast capacitor, thereby reducing the cost of an inverter using a piezoelectric transformer and its characteristics. Is to improve.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above-mentioned problem by forming a piezoelectric ceramic plate into a shape capable of forming one input electrode and a plurality of output electrodes.
[0009]
That is, in a piezoelectric transformer having an input electrode on the front and back surfaces of a piezoelectric ceramic plate and an output electrode on an end surface not in contact with the input electrode, the piezoelectric ceramic plate has a cross shape and input and output electrodes on the front and back surfaces of the intersection. The present invention is characterized in that an output electrode is provided at each tip of the two projecting portions.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the piezoelectric transformer according to the present invention, the piezoelectric ceramic plate has a cross shape, and an input electrode is formed at the center. Output electrodes are formed at the tips of the four protrusions of the cross, and outputs are individually obtained from these four output electrodes, and the outputs turn on a plurality of cold cathode lamps. In order to increase the step-up ratio, the input electrode portion may have a laminated structure.
[0011]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a piezoelectric transformer according to the present invention, in which a cross-shaped piezoelectric ceramic plate 11 is used as a piezoelectric ceramic plate. Conductive films are formed on the front and back surfaces of the center crossing portion of the piezoelectric ceramic plate 11 to form input electrodes 12 and 13, and this portion serves as a driving unit of the piezoelectric transformer.
[0012]
The four arm portions extending outward from the driving portion serve as the power generation portion, and a conductor film is formed on each of the ends to form the output electrode 14. The drive unit was polarized in the thickness direction, and the power generation unit was polarized in the length direction from the input electrode to the output electrode.
[0013]
2 (A) and 2 (B) show displacement diagrams of the primary and secondary modes of surface spreading vibration (contour vibration) of the piezoelectric transformer according to the present invention, respectively. In the primary vibration mode, the vibration node (displacement = 0) is at the center similarly to the radial vibration of the disk, and the main surface vibrates so as to shrink or expand simultaneously in all ranges. In the case of the secondary vibration mode, since the end of the output section and the inside of the element vibrate in opposite phases, there are four vibration nodes at the output section in addition to the center of the element (N in FIG. 2B). point). This is similar to the second-order spread vibration mode of a square plate. Therefore, there is an advantage that the secondary mode is easier to support than the primary mode.
[0014]
The sample of the piezoelectric transformer according to the present invention was obtained by press-molding a PZT-based piezoelectric ceramic having a high Qm of about 2,000 and having a shape as shown in FIG. The thickness was 1.5 mm, the interval between the two opposing output electrodes was 45 mm, and the width of the driving section was 20 mm. Here, in order to adjust the electromechanical coupling coefficient and move the spurious out of the operating band, an inclination angle of 10 ° was taken toward the output section.
[0015]
FIGS. 3 and 4 show the characteristics when operating in the primary and secondary modes, respectively, and show the impedance characteristics of the input section when the output terminal is open, the output terminal is short-circuited, and the load is 130 kΩ per output. Since a large coupling coefficient can be obtained in both modes, any mode can be used as a piezoelectric transformer. The input capacitance C1 of this sample = 3500 pF, the output capacitance per output terminal C2 = 20 pF, the operating frequency in the primary mode is about 50 kHz, the matching impedance per output is about 160 kΩ, and the operating frequency in the secondary mode Is about 110 kHz, and the matching impedance per output is about 70 kΩ. It is possible to select and drive two operating frequencies depending on the arrangement of the cold cathode lamps, the stray capacitance, and the like.
[0016]
In the lighting test using the piezoelectric transformer according to the present invention, a long cold cathode lamp having a length of φ = 2.6 mm and a length of 320 mm was used, and each of the four lamps was connected to four output electrodes without a ballast capacitor. In the case of using the secondary mode, four lamps could be simultaneously turned on by fixing the input voltage of 150 Vp-p or more and sweeping the frequency from 135 kHz to 110 kHz.
[0017]
In spite of the simultaneous lighting described above, there is a slight difference in the starting voltage or frequency at the time of lighting of each lamp due to the variation in tube impedance actually. In the above example, a time difference of 1-2 ms is expected at a sweep speed of 20 ms. Once one lamp is turned on first, the load causes damping to the piezoelectric transformer, so that the open-circuit voltage of the output unit connected to the lamp that has not been turned on becomes low. Therefore, the open-circuit voltage of each output unit gradually decreases in the order of lighting, and when the lamp that is lit last turns on, the open-circuit voltage of the output unit connected to it is the lowest. Nevertheless, in the piezoelectric transformer according to the present invention, an open circuit voltage for lighting all the lamps was secured. When the above sample is constantly lit, when the output is about 3.5 W per output, the heat generation of the element is as low as about 10 ° C.
[0018]
The piezoelectric transformer according to the present invention can be applied not only to a single plate but also to a laminated type. When the input portion has a laminated structure, not only the boost ratio can be increased, but also the torsional vibration that easily occurs can be completely suppressed.
[0019]
【The invention's effect】
According to the present invention, four cold cathode lamps can be turned on without a ballast capacitor by a piezoelectric transformer having four output terminals, and the following effects can be obtained.
{Circle around (1)} An expensive ballast capacitor is not required, and cost can be reduced.
{Circle around (2)} It is not necessary to maintain a high voltage at the time of constant lighting, safety is improved, and the demand for the boost ratio of the transformer is reduced.
(3) The power loss due to the ballast capacitor is eliminated, and the power efficiency is improved.
(4) Variation in tube current is reduced.
(5) The operating frequency can be selected according to the arrangement of the cold cathode lamp, the stray capacitance, and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory view of a displacement state. FIG. 3 is an explanatory view of impedance characteristics of a piezoelectric transformer according to the present invention. FIG. FIG. 5 is a perspective view of a conventional piezoelectric transformer. FIG. 6 is an explanatory view showing a conventional lighting method.
11, 51: piezoelectric ceramic plates 12, 13, 52, 53: input electrode 14, 54: output electrode

Claims (3)

圧電セラミック板の表裏面に入力電極を、入力電極に接しない端面に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
圧電セラミック板は十字形で、交差部分の表裏面に入出力電極を具え、
4つの突出部分のそれぞれの先端に出力電極を具えた
ことを特徴とする圧電トランス。
In a piezoelectric transformer having an input electrode on the front and back surfaces of a piezoelectric ceramic plate and an output electrode on an end surface not in contact with the input electrode,
The piezoelectric ceramic plate is cross-shaped, with input and output electrodes on the front and back of the intersection,
A piezoelectric transformer comprising an output electrode at each tip of each of the four projecting portions.
広がり振動モードで動作する請求項1記載の圧電トランス。2. The piezoelectric transformer according to claim 1, which operates in a spreading vibration mode. 入力電極部が積層構造である請求項1記載の圧電トランス。2. The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the input electrode portion has a laminated structure.
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