JP2004146653A - 圧電トランス - Google Patents

圧電トランス Download PDF

Info

Publication number
JP2004146653A
JP2004146653A JP2002310870A JP2002310870A JP2004146653A JP 2004146653 A JP2004146653 A JP 2004146653A JP 2002310870 A JP2002310870 A JP 2002310870A JP 2002310870 A JP2002310870 A JP 2002310870A JP 2004146653 A JP2004146653 A JP 2004146653A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrodes
input
piezoelectric transformer
electrode
serving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002310870A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenshin Mori
盛 建新
Eiji Sato
佐藤 栄二
Takeshi Kobayashi
小林 武士
Kachiyasu Sato
佐藤 嘉千安
Katsuyoshi Takano
高野 勝好
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toko Inc
Original Assignee
Toko Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toko Inc filed Critical Toko Inc
Priority to JP2002310870A priority Critical patent/JP2004146653A/ja
Publication of JP2004146653A publication Critical patent/JP2004146653A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

【課題】3次面広がり振動モードを利用する中央入力、両端出力型の圧電トランスの結合係数を調整して、圧電トランスの昇圧比を向上させる。
【解決手段】長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、主駆動電極となる中央の入力電極の両側に、補助駆動電極となる2つの入力電極を設け、その圧電セラミック基板は、入力電極の部分は厚み方向に、その出力電極側は長さ方向に分極され、主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる2つの入力電極を逆位相で駆動する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高昇圧比の圧電トランスの構造に係るもので、中央入力、両端出力の3次面広がり振動モードを利用した圧電トランスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2000−22234号公報
【特許文献2】特開2000−150981号公報
【0003】
圧電セラミックの固有共振を利用した機能素子は、損失が少なく、また、電気機械結合係数が大きく、小型化が可能で温度特性や経年変化特性にも優れているという特長を有している。このような機能素子の一つ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を電磁型に比較して大きくでき、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となるといいた特長がある。圧電トランスを利用したインバータは冷陰極ランプ用の電源として広く利用されている。
【0004】
図7は、従来の圧電トランスの構造を示す斜視図で、主表面が方形の圧電セラミック基板71の片側半分の表裏面に導体膜を形成して入力電極72、73とする。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ってその端面に導体膜を形成して出力電極79とする。このような圧電トランスは小型液晶モニタなどの単灯点灯の分野で多く採用されている。液晶テレビ、パソコンのディスプレイなどの大型液晶モニタでは4〜12本の長尺冷陰極ランプが使われるので、それぞれのランプに一つのインバータを配置する点灯方式ではコストが高くなる。その対策として一つの圧電トランスを接続することによって多数のランプを並列点灯させることも可能となる。
【0005】
ただ、多灯点灯の場合には負荷インピーダンスがかなり低くなるために、圧電トランスの出力インピーダンスとの整合が困難となる。例えば、管インピーダンス=200kΩのランプを10本並列に点灯する場合、負荷インピーダンスは20kΩと低くなるので、整合インピーダンスが数百kΩと高い従来のローゼン型などの圧電トランスでは対応できなくなる。一般的に、圧電トランスの整合インピーダンスR=1/(ωC2)で計算される。ここでC2は圧電トランスの2次側容量である。したがって、低い整合インピーダンスを得るには2つの方法がある。一つは周波数を高くする方法である。もっとも、圧電トランスの大型化にともなって周波数は逆に低くなるので、これを解決する方法として高次振動モードを利用することがある。もう一つは2次側容量C2を大きくする方法で、単純に素子の厚みを大きくすることによって実現できるが、厚みが大きくなるとそれにともなって1次側容量も小さくなるので、昇圧比が落ちるだけでなく、電力注入もし難くなる。それに対して、中央入力、両端出力型の圧電トランスを利用すれば、1次側容量が低下することなく2次側容量を倍増させることができる。
【0006】
発明者は、上記の二つの方法を併用して、図8に示す3次面広がり振動モードを利用する圧電トランスを提案した。すなわち、長さが幅の約3倍の長方形の圧電セラミック基板81に、中央部の長さの約1/3の部分の表裏面に入力電極82、83が設けられて駆動部とされ、両側の端面に導体膜が形成されて出力電極89、90が形成されて二つの発電部が構成される。駆動部は厚み方向で分極され、中央の電極と端面の電極との間は長さ方向に分極されている。このような圧電トランスは、中央入力、両端出力の細長いローゼン型の圧電トランスと同じ構造であるが、寸法的には駆動部、発電部とも正方形に近いので、交互的3次面積振動が励振されやすくなる。すなわち、駆動部が面積を縮小する時、発電部が面積を拡大するように(またその逆に)振動する。
【0007】
図9は、長さ60mm、幅22mm、厚み1.5mmとして図8に示した圧電トランスを構成したときの入力側のインピーダンス特性を示す。ここで、比較の便宜のために、1次側の結合係数k1=2次側開放時の反共振点−共振点の周波数の差、2次側の結合係数k2=2次側開放と短絡時の共振点の周波数の差で示される。結果にみると、k2が非常に大きいが、k1が小さいことから、k1/k2の比率に比例する昇圧比は小さく、50kΩ時の最大昇圧比が約9倍しかない。k1/k2の比率を調整すれば昇圧比を向上させることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、3次面広がり振動モードを利用する中央入力、両端出力型の圧電トランスの結合係数を調整して、圧電トランスの昇圧比を向上させるものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、中央の入力電極の両側に補助駆動電極を配置することによって、上記の課題を解決するものである。
【0010】
すなわち、長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、主駆動電極となる中央の入力電力の両側に、補助駆動電極となる2つの入力電極を設け、その圧電セラミック基板は、入力電極の部分は厚み方向に、その出力電極側は長さ方向に分極され、主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる2つの入力電極を逆位相で駆動することに特徴を有するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電トランスの構成要素は次のようになる。
▲1▼圧電セラミック基板
▲2▼主駆動(入力)電極(対)
▲3▼2つの補助駆動(入力)電極(対)
▲4▼2つの出力電極
【0012】
【実施例】
一般的に、入力電極を大きくすれば1次側の結合係数k1が大きくなると同時に出力側の長さが短くなるのでk2が小さくなる。結果としてk1/k2の比率または昇圧比を高くすることができる。これは、長さ振動あるいは面広がり振動の1次モードにおいて効果が確認される。しかし、図8に示す3次面広がり振動の場合、中央の約3分の1の駆動部とその両側の出力部が逆位相で振動するため、入力電極が3分の1よりも長くなると、延長した電極が逆位相振動範囲にはいってしまうので、k1が向上することはなく、逆に小さくなってしまう。逆位相部分にはいった入力電極を逆相で駆動できれば問題を解決できる。
【0013】
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ある。長さと幅の比が約3:1の長方形の圧電セラミック基板11の中央の表裏面に主駆動電極となる入力電極12、13が形成され、この主駆動電極の長さL1は圧電セラミック基板の長さの約1/3とする。主駆動電極12、13に隣接する両側に2対の補助駆動電極14、15と16、17が形成され、この補助駆動電極の長さをL2とする。2つの端面に出力電極19、20が形成されるが、発電部の長さをL3とする。主駆動電極と補助駆動電極の部分が厚み方向に分極され、発電部は長さ方向に分極されている。主駆動電極と補助駆動電極を逆位相で駆動するために、図1に示したように逆方向に分極するか、あるいは分極方向を同じにして入力電極の接続を補助駆動電極12、15、17および13、14、16となるようにしてもよい。
【0014】
図2は、本発明による圧電トランスの輪郭変位のFEM解析結果を示す。主駆動部が面積を拡大するとき、補助駆動部と発電部は面積を縮小するように逆位相で振動し、振動節点(変位=0)が3つあることから、これが3次面積振動モードであることが明らかになった。
【0015】
図3は、入力電極の長さ(L1+2*L2)=0.61Lと一定にして主駆動電極の長さL1だけを変化させたとき、共振−反共振周波数の変化率(fa−fr)/frのFEM解析結果を示すものである。これから、出力側の共振−反共振周波数の変化率(または結合係数k2)が変わらないことに対して、入力側の変化率(または結合係数k1)は、L1≒0.3Lのときに最大値となっている。したがって、L1が1/3L弱のとき、主駆動電極L1と補助駆動電極L2の隣接界面は面積縮小・拡大の逆位相振動の臨界面と一致することが推測される。
【0016】
構造的に図1の圧電トランスと似ている5次面積振動を利用する圧電トランスを発明者は提案した。これはL1=L2=L3、L=5Wの基本寸法で、3つの駆動部と2つの発電部は交互に面広がり振動を発生するのが特長である。それに対して本発明による圧電トランスは3次モードなので、動作周波数が5次モードの3/5倍に低くすることができる。
【0017】
本発明による圧電トランスのサンプルを、Qmが約2000の高QmのPZT系圧電セラミックを材料とし、厚さ1.5mm、長さ60mm、幅22mmの長方形の基板で作製した。図4はその代表的なインピーダンス特性を示す。図8に示した補助駆動部のない場合の特性と比較して、本発明による場合は圧電トランスの1次側結合係数k1が大きくなるとともにk2が小さくなり、k1/k2の比率が大きく昇圧比を高くすることができた。補助駆動電極の長さL2が大きい(あるいは発電部の長さL3が短い)ほど、k1/k2の比率が高くなるが、k2が低下するので電力効率が低下する問題が生じる。したがって、昇圧比と効率を勘案して最適のL2を選択するとよい。
【0018】
上記のサンプルの2次容量C2が約79pF、整合インピーダンスが約22kΩとなり、多灯点灯など低負荷インピーダンスに対応できるようになる。図5は、負荷=50kΩ、出力20Wのときの効率、昇圧比および発熱特性を示す。共振点から反共振点までの動作周波数範囲において、最大昇圧比(共振点)が約25倍、発熱15°C以下の低いレベルに抑えることができた。また、負荷インピーダンスが整合点から倍程度離れても96%以上の高効率が得られた。
【0019】
図6は、本発明による圧電トランスを用いた多灯点灯の構成例である。20インチ液晶テレビに使われる長さ430mm、4mmφの長尺冷陰極ランプ10本を並列に接続した。点灯時の輝度アンバランスを防ぐために、ランプごとに10pFのバラストコンデンサを接続した。図では圧電トランスを1個用いる例を示しているが、実験では十分な電力を供給できるように2つの圧電トランスを並列に接続した。圧電インバータの電源電圧24Vdc、push−pull駆動、前置チョークコイルを使用した。
この結果、10本のランプを同時点灯でき、要求されている約14000cd/mの輝度が得られた。
【0020】
【発明の効果】
本発明によれば、3次面積広がり振動を利用する圧電トランスに補助駆動電極を併用することによって、1次側結合係数と2次側結合係数の比率が向上し、昇圧比を高くできる。2次側容量が大きくなるので、多灯点灯などの低負荷インピーダンスにも対応できる。また、1次側容量が大きくなるので電力を注入し易くなる。
【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】その振動の説明図
【図3】その特性の説明図
【図4】そのインピーダンス特性の説明図
【図5】その出力特性の説明図
【図6】圧電トランスと冷陰極ランプとの接続の説明図
【図7】従来の圧電トランスを示す斜視図
【図8】従来の圧電トランスを示す斜視図
【図9】そのインピーダンス特性の説明図
【符号の説明】
11、71、81:圧電セラミック板
12、13、72、73、82、83:入力電極(主駆動電極)
14、15、16、17:入力電極(補助駆動電極)
19、20、79、89、90:出力電極

Claims (3)

  1. 長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、
    主駆動電極となる中央の入力電極の両側に、補助駆動電極となる2つの入力電極を設け、
    主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる2つの入力電極を逆位相で駆動することを特徴とする圧電トランス。
  2. 長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、
    主駆動電極となる中央の入力電極の両側に、補助駆動電極となる2つの入力電極を設け、
    その圧電セラミック基板は、入力電極の部分は厚み方向に、その出力電極側は長さ方向に分極され、
    主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる2つの入力電極を逆位相で駆動することを特徴とする圧電トランス。
  3. 長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、
    主駆動電極となる中央の入力電力の長さを圧電セラミック板の長さの約3分の1とし、その両側に、補助駆動電極となる2つの入力電極を設け、
    主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる2つの入力電極を逆位相で駆動され、3次面広がり振動で動作することを特徴とする圧電トランス。
JP2002310870A 2002-10-25 2002-10-25 圧電トランス Pending JP2004146653A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002310870A JP2004146653A (ja) 2002-10-25 2002-10-25 圧電トランス

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002310870A JP2004146653A (ja) 2002-10-25 2002-10-25 圧電トランス

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004146653A true JP2004146653A (ja) 2004-05-20

Family

ID=32456259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002310870A Pending JP2004146653A (ja) 2002-10-25 2002-10-25 圧電トランス

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004146653A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101070218B1 (ko) 2003-11-20 2011-10-06 주식회사 삼화양행 주전원-보조 전원 일체형 압전 변압기의 전극 구조체
WO2014077000A1 (ja) * 2012-11-13 2014-05-22 株式会社村田製作所 圧電トランス

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101070218B1 (ko) 2003-11-20 2011-10-06 주식회사 삼화양행 주전원-보조 전원 일체형 압전 변압기의 전극 구조체
WO2014077000A1 (ja) * 2012-11-13 2014-05-22 株式会社村田製作所 圧電トランス
US9847472B2 (en) 2012-11-13 2017-12-19 Murata Manufacturing Co., Ltd. Piezoelectric transformer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH0974236A (ja) 圧電トランス及びそれを用いた電力変換装置
US6278226B1 (en) Piezo ceramic transformer and circuit using the same
JP2004146653A (ja) 圧電トランス
JP3734637B2 (ja) 圧電トランスの駆動装置
US7202592B2 (en) Piezoelectric transformer, power supply circuit and lighting unit using the same
JPH1065231A (ja) 圧電トランス及びこれを用いた電力変換装置
JP2004146660A (ja) 圧電トランスおよびそれを備えるイオン発生器
JPH10241884A (ja) 冷陰極管点灯駆動装置および液晶バックライト用冷陰極管点灯駆動装置
JPH1023753A (ja) 高圧発生回路
JP4278750B2 (ja) 圧電トランス
JPH10174436A (ja) 圧電素子駆動回路
JP2004253762A (ja) 圧電トランス
JPH07221359A (ja) 圧電トランス
JP2004055718A (ja) 圧電トランス
JP2004273709A (ja) 圧電トランス
JP3953661B2 (ja) 圧電トランス
JP2004319865A (ja) 圧電トランス
JPH08213666A (ja) 圧電振動子
JP3239047B2 (ja) 圧電トランスならびにそれを組み込んだインバーターおよび液晶ディスプレー
JP2005217259A (ja) 圧電トランス
JPH10284279A (ja) 冷陰極管点灯装置
JP2004063626A (ja) 圧電トランス
JP2004031383A (ja) 圧電トランス
JP2004128431A (ja) 圧電トランス駆動装置
JP2004289097A (ja) ハイパワー圧電トランス