JP2004253762A - Piezoelectric transformer - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、蛍光灯等に用いられる熱陰極管のインバータ、大画面液晶テレビ、ノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディスプレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ、各種高電圧発生装置、マイナスイオン発生装置、空気清浄機、その他各種電子機器などに用いられるACアダプタやDC−DCコンバータに用いられる圧電トランスに関する。
【0002】
【従来の技術】
上記のようなACアダプタやDC−DCコンバータに用いられる電圧変換用トランスなどには、数kV以上の高電圧を必要とする機器が多くある。現在、一般的には電磁トランスを使用しているが、小型、軽量でソリッドステートなデバイスとして圧電トランスが注目され、一部で具体的に提案されている。
【0003】
圧電トランスとしては、PZT磁器を使用したセラミック圧電トランスが一般的に使用されているが、機械的品質係数Qが3000〜4000と小さいため圧電トランス自体の発熱による特性変化および電力損失が大きく、5W以上の高電力用途では発熱による効率の低下が生じていた。
このため、PZT磁器を使用したセラミック圧電トランスは5W以下の用途にのみ採用されており、5W以上の用途で使用される冷陰極管点灯用インバータや5W以上の蛍光灯等に用いられる熱陰極管のインバータ、各種高圧発生装置、ACアダプタやDC−DCに用いられる電圧変換用トランスには巻き線トランスが採用されていた。
【0004】
また、PZT磁器を使用した単板の圧電トランスでは機械的品質係数Qが小さいため高昇圧比が実現不可能であるため、ドライブ側とピックアップ側の静電容量の差を大きくした積層型圧電トランスにする必要があった。ところが、積層型圧電トランスでは、積層構造のため圧電トランスの厚みが厚くなり低背化が不可能であり、圧電トランスのメリットである小型、軽量、低背化を十分満足出来るものではなかった。しかも、PZT磁器を使用した場合、環境に有害な物質のPbが含まれているため、Pbの管理が必要であった。
【0005】
また、5W以上の巻き線トランスでは、高昇圧比を得るために巻き線比を多く取る必要があり低背化、小型化が困難であり、かつ発熱や磁束漏洩のため効率が75%〜85%と低いという欠点がある。この他にも、出力電圧波形が歪波のため冷陰極管の発光効率を低下させ、冷陰極管寿命を低下させる原因にもなっていた。
【0006】
一方、下記特許文献1および2には、圧電振動板の長辺と短辺が整数倍となるように切り出されたラーメモード振動を利用した圧電トランスとしてニオブ酸リチウム単結晶を使用した圧電トランスが記載されている。また、下記特許文献3および4には、長辺方向に伝搬するλ/2モードやλモードを利用した、ニオブ酸リチウム単結晶を使用した圧電トランスが記載されている。
【0007】
ニオブ酸リチウム単結晶を使用した場合、PZT等のセラミック圧電トランスに比べて機械的品質係数Qが10000以上と大きく、高電力を入力した場合での発熱による特性劣化やQの低下が無く、高昇圧比と高効率を実現可能であると言われているが、Hi Power入力時の圧電トランスとしての効率の記載や圧電トランスの出力側に負荷を接続した場合での効率の測定結果がない。
【0008】
図9(a)に従来の圧電トランスの構成図を示す。図9(a)の圧電トランスにおいて、12は圧電振動板(基板)であり、例えばニオブ酸リチウム単結晶板でZ軸方向に一様に分極処理を行った単結晶から切り出された、例えば140°回転Yカット板である。この回転Y板は、短辺がX軸に平行に、かつ長辺がY軸投影線に平行になるように長方形に切り出されている。また、入力電極と出力電極はそれぞれ一箇所になるように形成されている
【0009】
図9(a)において、13は入力電極であり、圧電振動板12の中央から左側の半分の両面に設けられた、例えばAu/NiCrの2層膜からなる蒸着膜である。14は出力電極であり、圧電振動板12の中央から右側の半分の両面に、同様にAu/NiCrの2層膜からなる蒸着膜で形成されている。図中の矢印Pは分極方向を概念的に示したものである。
【0010】
いま、図示していない交流発振電極から入力電極13、グランド電極15a間に長さ方向の寸法で決まる共振周波数の入力電圧V1を印加すると、圧電材料の電歪効果により長さ方向の機械振動(基本振動)が発生する(圧電逆効果)。次に、この振動による歪みを2次側の圧電材料が電気エネルギーに変換することで(圧電正効果)、圧電トランスの構造に応じて変圧された出力電圧を得る。図2では圧電横効果を介して出力電極14、グランド電極15b間に高電圧V0が発生するので、例えばハイインピーダンスの交流電圧計でそれを測定すれば昇圧比(V0/V1)を求めることができる。
【0011】
この例では、入力部を圧電横効果(すなわち電界の方向と弾性波の伝搬方向とが直交している場合をいう)により駆動し、出力部も横効果を用いて出力を取り出している。
【0012】
このように圧電トランスは、電気→機械→電気とエネルギーを変換するデバイスである。圧電トランスの動作中は、長手方向に図9(b)に示すように印加電圧の周波数に応じた定在波21と、圧電振動によって生じた応力22が生じている。図中、20で示した箇所は変位最小点であり、圧電振動により生じた応力が最も集中する箇所で振動の節と呼ばれている。通常この節を支持することで、高効率、高信頼性を維持出来る。
【0013】
しかしながら、ニオブ酸リチウム単結晶を使用した従来の圧電トランスでは、入力側のインピーダンスが高いため、圧電トランスの前段にチョークコイルや巻き線トランスを置いて一旦昇圧する必要があり、圧電トランスのメリットである小型、軽量、低背化が困難であった。一方、蛍光灯等に用いられる熱陰極管のインバータ、大画面液晶テレビ、ノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディスプレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ、各種高電圧発生装置、マイナスイオン発生装置、空気清浄機、各種電子機器に用いられるACアダプタやDC−DCコンバータに用いられる圧電トランスでは、機器の小型化を進める上で圧電トランスの小型、低背化は必要である。
【0014】
また、仮に前段に巻き線トランスを入れて高電力を入力出来たとしても、機械的振動により発生する応力が振動の節に集中し、振動の節で圧電トランスが割れることがあった。高電力用途でも、圧電トランスを割れにくくするためには、応力が集中する振動の節の厚みを厚くするか、基板の幅を広くして機械的強度を増やす必要がある。
しかし、圧電トランスの厚みを厚くした場合、動作インピーダンスが高くなるため圧電トランスの前段に巻き線トランス等を入れて昇圧する必要があり、小型、低背化が図れない。また、基板の幅を広くするとスプリアス振動が発生し、効率の低下を招く。
【0015】
高電力用途でも高効率で発熱による特性劣化を少なくするためには、機械結合係数kが大きく、かつ機械的品質係数Qが大きい適切な振動モードを選択することが望ましい。ここで、機械結合係数kとは電極間に電圧を印加し圧電体に与えたエネルギーを理想的に機械的エネルギーに変換するときの効率であり、また圧電体に与えた機械的エネルギーを理想的に電気エネルギーに変換するときの効率である。また、機械的品質係数Qが高いと、高電力で使用しても自己発熱による特性劣化や効率の悪化が少なくなる。
【0016】
【特許文献1】特開平8−191161号公報
【特許文献2】特開平7−106660号公報
【特許文献3】特開平2−249574号公報
【特許文献4】特開平4−124886号公報
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高電力用途に用いる冷陰極管点灯用インバータユニットおよび各種高電力用ランプ点灯用のインバータユニットにおいて5W以上の大電力出力でも高効率な圧電トランスを実現し、かつ小型、低背の圧電トランスを提供することを主たる課題とする。
【0018】
また、本発明は、上記特性に基づいて低電圧入力でも大電力を出力可能な様に、機械結合係数kと機械的品質係数Qを向上させ圧電トランスの入力側インピーダンスを低減出来る圧電トランスを提供することを他の課題とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ニオブ酸リチウム単結晶を短冊状に切り出す際の結晶のCUT面および圧電振動の伝搬軸を、圧電振動の振動モードに対して最適に選び、圧電振動板の片面に形成した2箇所以上の入力電極を並列に接続することで圧電振動板の結晶座標系のY軸投影方向にλ/2の定在波が生じる横効果振動モードを強制にして機械結合係数k、および機械的品質係数Qの向上を計り、圧電振動板の中央に取り付けた1箇所以上の出力電極から大電力を出力することで、圧電トランスの整合負荷付近において5W以上で使用した場合でも92%以上と高効率な圧電トランスを提供することができるという新たな知見を得るに至った。
【0020】
すなわち、ニオブ酸リチウム単結晶を使用した圧電トランスの場合、自発分極軸はZ軸と決まっており、かつ結晶の異方性のために結晶のCUT面および短冊状に切り出した場合の結晶のCUT軸によって、圧電振動の特性が変化する。
また、圧電トランスの効率は圧電振動の機械結合係数kと機械的品質係数Qに依存しており、機械結合係数kと機械的品質係数Qが高い程、大電力で使用した場合でも圧電トランスを高効率に出来る。
【0021】
本発明の圧電トランスは、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶板からなる圧電振動板を備え、この圧電振動板は、結晶の座標軸をX軸のまわりに10°〜60°もしくは105°〜170°の範囲内で回転した回転Y板を、長辺もしくは短辺が結晶のX軸に対して−40°〜40°の範囲内に回転させ、かつ短辺が長辺に対して垂直になるように長方形に切り出したものであり、望ましくは結晶のX軸のなす角度ψがψ=0°±10°の範囲内で長方形板に切り出して、さらに結晶のY軸投影線へλ/2の定在波が生じる横効果振動モードを利用することにより、高機械結合係数kおよび高機械的品質係数Qを実現することが可能となり、高電力入力でも高効率で機械的振動に対しても割れにくい圧電トランスを提供することができる。また、短辺をY軸に対して0°±40°以内に回転させ、長方形に切り出したものであってもよい。
【0022】
本発明によれば、ニオブ酸リチウム単結晶板を結晶のX軸を中心にθ=10°〜60°もしくはθ=105°〜170°の範囲内で回転させ圧電トランスの入力インピーダンスを低減出来るCUT面に切り出し、単結晶ウエハーを任意の厚さに加工することで、入力インピーダンスを制御することが可能で、低電圧入力でも高電力を出力することができる。
【0023】
すなわち、本発明の圧電トランスは、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶板からなる圧電振動板を備え、この圧電振動板は、結晶の座標軸をX軸のまわりに回転した回転Y板を、長辺もしくは短辺が結晶のX軸に平行に、かつ短辺もしくは長辺が結晶のY軸投影線に平行になるように長方形に切り出し、Y軸投影方向に伝搬するλ/2モードの横効果振動モードを利用するものである。ここで、「Y軸投影線」とは、結晶の(x、y、z)座標系のy軸から引いた投影線をいう。具体的には、任意の方位に切り出した結晶に対してY軸から引いた線をいう。
【0024】
ここで、上記圧電振動板の厚みは0.2〜3.0mm、好ましくは0.2〜0.6mmである。上記圧電振動板は、X軸のまわりに10°〜60°または105°〜170°、好ましくは125°〜145°回転させた高誘電率のニオブ酸リチウム単結晶板からなるのがよい。
【0025】
上記圧電振動板は片面に入力電極と出力電極とを備え、他面にグランド用電極を備える。
すなわち、上記圧電トランスは、上記圧電振動板の片側主面に形成された2個の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のX軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成されたものであって、上記2個の分割電極のうち第一の分割電極を入力側分割電極とし、第2の分割電極を出力側分割電極とした圧電トランスであって、該他側主面に配置した全ての分割電極は電極の少なくとも一部分が該圧電振動板短辺もしくは長辺の中心線上の位置に形成されている。
【0026】
あるいは、上記圧電振動板は該圧電振動板の片側主面に形成されたグランド電極と、他側主面に形成された3個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のY軸投影方向に配置するとともに、3個の分割電極のうち両側の分割電極を入力側分割電極又は出力側分割電極とし、中央の分割電極を出力側分割電極又は入力側分割電極とした方が良い。これにより入力電極面積と出力電極面積を調整することで昇圧比、入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを任意に調整することが可能となる。
【0027】
また、上記圧電振動板の片側主面に形成された3個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のX軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成された圧電トランスの場合には、上記3個以上の分割電極は、圧電振動板の結晶座標系のX軸方向に対して交互に配置された入力側分割電極と出力側分割電極とからなるか、上記3個以上の分割電極のうち2個以上の分割電極を並列接続して入力側分割電極とするか、上記圧電振動板の3個以上の分割電極のうち1個以上の分割電極を並列接続して出力側分割電極とするのが好ましい。
【0028】
圧電振動板の他側主面に形成された全ての分割電極は電極の少なくとも一部分が該圧電振動板両短辺もしくは長辺の中心を結んだ線上に掛かる様に形成されているのが良い。これにより、圧電振動板のY軸投影方向へλ/2の定在波が生じる横効果振動モードを効率良く取り出せるようになる。
【0029】
上記圧電振動板の片面に備えた2箇所以上の入力電極は、並列接続する方が良い。これにより圧電振動板のY軸投影方向へλ/2の定在波が生じる横効果振動モードの機械結合係数kおよび機械的品質係数Qの向上と、共振インピーダンスの低減を行うことが出来る。これにより低電圧入力でも高電力を出力することができ高効率、高昇圧比、低入力インピーダンスの圧電トランスを実現することが可能となる。
【0030】
本発明の圧電トランスは、機械的品質係数Qが1000以上、好ましくは4000以上で、かつ機械結合係数kが0.2以上、好ましくは0.25以上であるため、単板でも高昇圧比を実現可能で、低背化と高昇圧比を実現することができ、5W以上の高電力入力でも発熱による電力損失が少なく圧電トランスでの効率を92%以上とすることができる。また、本発明の圧電トランスは、入力インピーダンスが300Ω以下であるのが好ましい。
【0031】
【実施例1】
図1(a)に示すように、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をX軸のまわりに128°回転した回転Y板を、長辺方向と結晶のX軸が平行になるように長さ33mm×幅12.2mmの短冊状に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み0.597mmの圧電振動板12を得た。この圧電振動板12の両面に長さ12mm×幅10mmの入力電極13a、13bと出力電極14a、14bとをそれぞれ銀蒸着にて形成し、圧電トランス(実施例1−128Y)を得た。なお、図中の矢印Pは分極方向を概念的に示している。
【0032】
【比較例1】
図9(a)に示すように、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をX軸のまわりに128°回転した回転Y板を、短辺方向と結晶のX軸とが平行になるように長さ33mm×幅12.2mm に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み0.612mmの圧電振動板12を得た。この圧電振動板12の両面に長さ12mm×幅10mm の入力電極13、15aと出力電極14、15bとを銀蒸着にて形成し、圧電トランス(比較例1−128Y)を得た。
【0033】
実施例1−128Yおよび比較例1−128Yの圧電トランスの周波数特性をADVANTEST NETWORK ANALYZERで測定すると、185kHz付近と235kHz付近に非常に鋭い共振があった。
【0034】
実施例1−128Yおよび比較例1−128Yの185kHz付近の共振点は圧電振動板の長辺方向に1波長(λ)の定在波が発生するλモードの圧電振動であり、振動の節は圧電振動板長辺の1/4の所にあった。また、235kHz付近の共振点は圧電振動板の短辺方向に1/2波長(λ/2)の定在波が発生するλ/2モードの圧電振動であり、圧電振動の節は圧電振動板短辺の1/2の所にあった。
なお、圧電トランスを支持する場合、固定方法や固定位置により機械的品質係数Qの値が大きく変わるため、測定の影響が無いようにバネ式プローブを使用して、最も共振が鋭くなる位置で比較検討した。
【0035】
実施例1−128Yおよび比較例1−128Yの圧電振動板の長辺方向に伝搬するλモード振動のLCR等価回路の測定結果を表1に示す。圧電振動子のLCR等価回路は図2のように表され、この等価回路のパラメータより機械的品質係数Qと機械結合係数kが求められる。なお、図2において、R1は直列抵抗を、C1は直列容量を、C2は並列容量を、L1は直列インダクタンスをそれぞれ表している。
【0036】
【表1】
表1より、128回転Y板の基板で長辺方向に伝搬するλモード振動を利用する場合、実施例1−128Yの機械結合係数kは0.26と比較例1−128Yの0.29に比べて悪いが、機械的品質係数Qは実施例1−128Yの18386が比較例1−128Yの12407に比べて良いことがわかる。
【0037】
昇圧比は機械結合係数kと機械的品質係数Qとで決まるため、機械的品質係数Qと機械結合係数kが共に大きい方が望ましいが、128回転Y板の基板で長辺方向に伝搬するλモード振動を利用する場合はk、Q共に最高の値を得ることは出来ない。
【0038】
圧電トランスの効率は機械結合係数kに依存し、高電力での効率は機械的品質係数Qに依存するため、128回転Y板の圧電振動板で長辺方向に伝搬するλモードの振動を利用する場合は、実施例1、比較例1共に大差ないことが分かる。
【0039】
実施例1−128Yおよび比較例1−128Yの短辺方向に伝搬するλ/2モード振動のLCR等価回路の測定結果を表2に示す。
【表2】
表2より、128回転Y板の基板で短辺方向に発生するλ/2モードを圧電トランスに利用する場合、実施例1−128Yの機械結合係数kは0.28と比較例1−128Yの0.16に比べて良く、機械的品質係数Qは実施例1−128Y、比較例1−128Y共大差ないことが分かる。故に、128回転Y板の基板で短辺方向に発生するλ/2モードを圧電トランスに利用する場合は、図1に示すように、結晶のX軸と平行に長辺を切り出すのが望ましいことがわかる。
【0040】
また、短辺方向に伝搬するλ/2モードの振動を利用するため、機械的振動で発生する応力を基板の長辺方向に分散することが可能で、高電力用途でも割れにくいことがわかる。
【0041】
これらの結果から、機械結合係数kおよび機械的品質係数Qが大きい128回転Y板を使用し、図1に示すように結晶のX軸と平行に圧電振動板の長辺を切り出し圧電振動板の短辺方向に伝搬するλ/2モードの振動を利用することで、高電力用途でも圧電トランスの発熱が少なく高効率でかつ高電力を入力しても機械的振動で割れることが少ない圧電トランスを作成することが出来る。
【0042】
【実施例2】
図3(a)に示すように、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をX軸のまわりに128°回転した回転Y板をそれぞれ長辺方向と結晶のX軸が平行になるように長さ33.0mm×幅12.2mmの短冊状に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み0.56mmの圧電振動板12を得た。この圧電振動板12の片面2箇所に長さ12mm×幅10mmの入力電極13a、13b、と片面1箇所に長さ5mm×幅10mmの出力電極14を、圧電振動板の裏面に長さ32mm×幅10mmのグランド共通電極15をそれぞれ銀蒸着にて形成し、圧電トランス(実施例1)を得た。なお、図中の矢印Pは分極方向を概念的に示している。
なお、図3(a)において、16は入力用リード線、17は出力用リード線、18はグランド共通リード線を示している。図3(b)において、20は振動の節、21は圧電振動の変位、22は圧電振動により生じる応力を示している。
【0043】
実施例2の圧電トランスの入力電極13aと入力電極13bを並列接続して合成入力電極とした場合と入力電極13aのみを入力電極とした場合での入力電極とグランド共通電極間の共振周波数fr、反共振周波数fa、共振周波数でのインピーダンスZr、機械的品質係数Qと機械結合係数kをインピーダンスアナライザで測定した結果を表3に示す。
表3の入力電極1端子は、入力電極13aとグランド共通電極15間の周波数特性の測定値であり、表3の入力電極並列接続は、入力電極13aと13bを並列に接続した合成電極とグランド電極15間の周波数特性を測定したものである。
【0044】
なお、測定した共振周波数は圧電振動板のY軸投影方向にλ/2の定在波が生じる横効果振動モードの周波数特性である。
表3より分かるように入力電極を並列接続することで共振点が低周波側にシフトし共振点と反共振点の帯域幅を広げ、共振点のインピーダンスも低下することを確認した。また入力電極を並列接続することで機械結合係数kの向上と機械的品質係数Qの向上が可能であることを確認した。
【表3】
このように3個の分割電極のうち、少なくとも2個の分割電極を並列接続して合成入力電極とし、長方形板の短辺方向に伝搬するλ/2モードの振動を強制に駆動させることで、機械結合係数kおよび機械的品質係数Qの向上と入力インピーダンスの低減が可能であることが分かる。
【0045】
【実施例3】
図3(a)に示すように、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をX軸のまわりに128°回転した回転Y板をそれぞれ長辺方向と結晶のX軸が平行になるように長さ33mm×幅12.2mmの短冊状に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み0.56mmの圧電振動板12を得た。この圧電振動板12の片面2箇所に長さ12mm×幅10mmの入力電極13a、13b、と片面1箇所に長さ2mm×幅10mmの出力電極14を、圧電振動板の裏面に長さ32mm×幅10mmのグランド共通電極15をそれぞれ銀蒸着にて形成し、圧電トランス(実施例3)を得た。なお、図中の矢印Pは分極方向を概念的に示している。
【0046】
図3(a)に示すように、圧電トランスの入力側分割電極13a、13bを入力とし、出力側分割電極14を出力として、この出力分割電極14に5〜200kΩの負荷抵抗をそれぞれ接続した。圧電トランスへの入力電圧は関数発生器を用い振幅10Vの正弦波を入力側分割電極に印加し、入力電圧(V)、入力電流(mA)、入力電力力率を検出し、出力側分割電極からは出力電圧(V)を検出した。上記の測定結果より、入力インピーダンス、昇圧比、効率を求めた。また、比較のため、前述の比較例1−128Yを用いて同様にして試験した。それらの結果を表4に示す。
【表4】
表4より分かる様に、従来の技術である長辺方向に伝搬するλモードを利用した比較例の圧電トランスの場合、その構造のため入力インピーダンスが高く低電圧入力で大電力を出力することが困難であり実用的でない。これに対して、実施例3は5kΩ〜100kΩの負荷において効率91%以上を達成出来、負荷との整合が取れている状態であれば、効率95%を達成出来ることを確認した。
【0047】
このように、圧電振動板の片側主面に形成されたグランド電極と、他側主面に形成された3個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のX軸方向に交互に配置し、3個の分割電極のうち両側の分割電極を並列接続して入力側分割電極とし、中央の分割電極を出力側分割電極とする構造にすれば、圧電振動板のほぼ全面に入力電極を形成することが可能で、入力インピーダンスを低減することが可能となる。
【0048】
特に液晶バックライト用冷陰極管インバータの圧電トランスでは高昇圧比と低電圧入力が必要なため入力側電極面積を広くして出力電極面積を狭くすることで、高昇圧比と低電圧入力が実現出来、整合負荷もハイインピーダンス側にシフトし用途にあった圧電トランスを設計することが出来る。
また、各種照明用の熱陰極管点灯用インバータ等では整合負荷が数十Ωと低インピーダンスであるため、トランスの昇圧比は数倍で良い。このため出力電極を複数個並列に接続するか出力電極面積を広くすれば良い。
また、本発明では圧電振動板の幅方向に伝搬するλ/2モードの振動を利用するため、第一の入力電極および第2の入力電極は圧電振動板長辺の約半分まで形成して電極面積を広げることが出来、入力インピーダンスを低減することが可能である。
さらに、出力側分割電極の面積を変更することで容易に最大効率が得られる整合負荷を調整することが可能となる。
【0049】
【実施例4】
上記実施例3の圧電トランスの入力側分割電極(1次側電極)を入力とし、出力側電極(2次側電極)を出力として、この出力電極に50kΩの負荷を接続した。入力電圧は関数発生器を用い電力増幅器で所定の電圧に増幅した正弦波を入力側分割電極に印加し、入力電圧(V)、入力電流(mA)、入力電力力率を検出して入力電力を求め、出力側分割電極からは出力電圧(V)を検出して出力電力を求めた。
圧電トランスの駆動周波数は圧電トランスの昇圧比が最高となる周波数で測定した。上記の測定結果より、昇圧比、効率を求めた。その結果を表5を得た。
【表5】
表5より分かる様に、入力電力を17.5W入力しても効率の低下が無いことが確認された。また、出力電力を16.9W取り出すための入力電圧も39.5Vrmsと低くすることが可能であり、低電圧入力でも大電力を出力出来ることが分かる。
【0050】
【実施例5】
また、圧電振動板を長方形に切り出す際の結晶のCUT軸と圧電振動の伝搬軸の影響を調査するために、図3(実施例3)と同じ形状の圧電トランスを用いて、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をX軸のまわりに128°回転した回転Y板(0、38、0)からなる圧電トランスを、図4(b)に示すように圧電振動板の長辺と結晶のX軸のなす角度をψとして結晶のZ’軸に対して0〜180°の範囲内で回転させ、λ/2モードの機械結合係数kの影響を調査した。図6に結晶の座標系(x、y’、z’)のz’軸に対して0〜180°回転させたλ/2モードの機械結合係数kの関係を示す。
図6より、ψ=0°の時すなわち結晶のY軸投影方向と圧電振動の伝搬方向が一致するCUT軸を選択すれば、結晶のY軸投影方向に伝搬するλ/2モードを強制に振動させることが可能で機械結合係数kが0.38と最高になり、高昇圧比と変換効率の向上が可能となることが分かる。
【0051】
また、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶のX軸と該圧電振動板の長辺とが平行になるように切り出した図1(実施例2)と同じ形状の圧電トランスを用いて、図4(a)に示すように結晶のX軸のまわりに0° ̄180°の範囲内で回転し、結晶のY軸投影方向に伝搬するλ/2モードの回転Y板の回転角と機械結合係数kの関係を求めたものを図5に示す。
図5より、ニオブ酸リチウム単結晶板を結晶のX軸を中心にθ=10°〜60°もしくはθ=105°〜170°の範囲内で回転させた圧電振動板を用い、ることで機械結合係数kを0.15以上にすることが可能であることが分かる。望ましくはθ=125°〜145°の範囲内で回転させた圧電振動板を用いることで、機械結合係数を最高とすることが可能となり高昇圧比と変換効率の向上が可能となることがわかる。
【0052】
【他の実施例】
図1(a)に示すように結晶のX軸と平行に圧電振動板の長辺を切り出すことで、機械結合係数k、及び機械的品質係数Qの大きな短辺に依存するλ/2モードの波を利用することが出来、高電力用途でも圧電トランスの発熱が少なく高効率でかつ高電力を入力しても機械的振動で割れることが少ない圧電トランスを作成することが出来る。
【0053】
更に、入力電極13a、13bと出力電極114aの面積比を変えることで圧電トランスの昇圧比を簡単に調整することが出来、使用する用途にあった特性の圧電トランスを簡単に作成することが可能となる。
図1の実施例の場合は、裏面にグランド電極15を設けることにより、グランド側のリード線を一箇所とすることが可能となり、リード線での振動の損失が軽減される。
【0054】
また、図7は、圧電振動板12の短辺長さと長辺長さを変化させて圧電振動板12の外形比を変化させた例(すなわち短辺をX軸とした場合)を示している。その他は図3と同様である。この場合でも、上記と同様の電極構造でニオブ酸リチウム単結晶を短冊状に切り出す際に、結晶のCUT面および圧電振動の伝搬軸を圧電振動の振動モードに対して最適に選び、圧電振動の伝搬方向と結晶のY軸投影線を一致させる構造にすれば、同様の効果が得られる。
【0055】
更に、図8に示すように圧電振動板12の片側主面に形成されたグランド電極15と、他側主面に形成された分割電極13a,13b,13cと分割電極14a,14bとを圧電振動板12の長辺方向に交互に配置し、3個の分割電極13a、13b、13cを入力側分割電極又は出力側分割電極とし、他の2個の分割電極14a、14bを出力側分割電極又は入力側分割電極とした多重平面構造とすることで、実施例2と同様に機械結合係数kと機械的品質係数Qの向上および低入力インピーダンスを実現出来、使用する負荷との整合も分割電極の面積を調整することで容易に実現することが可能となる。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、自発分極軸をZ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶の回転Y板を、圧電振動板の長辺もしくは短辺と結晶のX軸が平行になるように長方形に切り出した圧電振動板を使用し、該圧電振動板の片側主面に形成した2箇所以上の分割電極を並列接続して入力電極とし1箇所以上の分割電極を出力電極とすることでY軸投影方向(例えば圧電振動板の短辺方向)に伝搬するλ/2モードの機械結合係数kおよび機械的品質係数Qを向上させ、大画面液晶に使用される冷陰極管点灯用インバータや熱陰極管点灯用インバータ等の5W以上の高電力用途の昇圧用トランスとして使用することが可能であり、高効率な圧電トランスを提供することが出来る。このため消費電力の効率向上とインバータの低背化、小型を実現することが可能である。
また、圧電振動板にニオブ酸リチウム単結晶を利用するため環境に有害な物質が含まれておらず、管理が容易である。
その他にも、圧電トランスは正弦波を出力するためランプの寿命を向上することが可能でありランプ寿命の向上や不要な電磁ノイズの放射が削減できることが期待出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は実施例1にかかる圧電トランスの斜視図、(b)はその横断面図である。
【図2】圧電振動子のLCR等価回路を示す回路図である。
【図3】(a)は実施例1、2にかかる圧電トランスの斜視図、(b)はその横断面図である。
【図4】(a)は圧電振動板を結晶の座標軸X軸を中心に角度θ回転させた斜視図、(b)は圧電振動板を結晶の座標軸Z’軸を中心に角度ψ回転させた斜視図である。
【図5】図6(a)の圧電トランスを結晶の座標軸x軸を中心に回転させた回転角θと機械結合係数kとの関係を示すグラフである。
【図6】図6(b)の圧電トランスを結晶の座標軸z’軸を中心に回転させた回転角ψと機械結合係数kとの関係を示すグラフである。。
【図7】(a)は他の実施例にかかる圧電トランスの斜視図、(b)はその縦断面図である。
【図8】(a)は他の実施例にかかる圧電トランスの斜視図、(b)はその縦断面図である。
【図9】(a)は従来の圧電トランスの斜視図、(b)はその縦断面図である。
【符号の説明】
12:圧電振動板、13、13a、13b、13c:入力電極、14、14a、14b:出力電極、15、15a、15b:グランド電極、16:入力用リード線、17:出力用リード線、18、18a、18b:グランド用リード線、20:圧電振動の節、21:圧電振動の変位曲線、22:圧電振動によりに生じる応力曲線[0001]
[Industrial applications]
The present invention is a hot-cathode tube inverter used for fluorescent lamps and the like, a large-screen liquid crystal television, a notebook computer, a backlight cold-cathode tube inverter for a liquid crystal display used for portable terminals, etc., various high-voltage generators, The present invention relates to a piezoelectric transformer used for an AC adapter and a DC-DC converter used for a negative ion generator, an air purifier, and other various electronic devices.
[0002]
[Prior art]
There are many devices that require a high voltage of several kV or more, such as the voltage conversion transformer used for the AC adapter and the DC-DC converter as described above. At present, electromagnetic transformers are generally used. However, piezoelectric transformers have attracted attention as small, lightweight and solid-state devices, and some of them have been specifically proposed.
[0003]
As the piezoelectric transformer, a ceramic piezoelectric transformer using PZT porcelain is generally used. However, since the mechanical quality factor Q is as small as 3000 to 4000, the characteristic change and power loss due to heat generation of the piezoelectric transformer itself are large, and 5 W In the high-power applications described above, the efficiency has decreased due to heat generation.
For this reason, ceramic piezoelectric transformers using PZT porcelain are used only for applications of 5 W or less, and hot cathode tubes used for cold cathode tube lighting inverters used for applications of 5 W or more and fluorescent lamps of 5 W or more. Inverters, various high voltage generators, AC adapters, and voltage transformers used in DC-DC have employed winding transformers.
[0004]
In addition, a single-plate piezoelectric transformer using a PZT porcelain cannot realize a high step-up ratio due to a small mechanical quality factor Q. Therefore, a laminated piezoelectric transformer having a large difference in capacitance between the drive side and the pickup side. I needed to. However, in the multilayer piezoelectric transformer, the thickness of the piezoelectric transformer is increased due to the multilayer structure, and the height cannot be reduced. Therefore, the advantages of the piezoelectric transformer, such as small size, light weight, and low height, cannot be sufficiently satisfied. In addition, when PZT porcelain is used, Pb, which is a substance harmful to the environment, is contained, so that Pb must be managed.
[0005]
In the case of a winding transformer of 5 W or more, it is necessary to increase the winding ratio in order to obtain a high step-up ratio, it is difficult to reduce the height and size, and the efficiency is 75% to 85% due to heat generation and magnetic flux leakage. %. In addition, since the output voltage waveform is distorted, the luminous efficiency of the cold-cathode tube is reduced, which causes a reduction in the life of the cold-cathode tube.
[0006]
On the other hand, Patent Literatures 1 and 2 below disclose a piezoelectric transformer using a lithium niobate single crystal as a piezoelectric transformer using a Lame mode vibration cut out so that the long side and the short side of the piezoelectric vibrating plate are integral multiples. Has been described. Patent Literatures 3 and 4 below disclose a piezoelectric transformer using a lithium niobate single crystal using a λ / 2 mode or a λ mode that propagates in a long side direction.
[0007]
When a lithium niobate single crystal is used, the mechanical quality factor Q is as large as 10,000 or more as compared with a ceramic piezoelectric transformer such as PZT, and there is no characteristic deterioration or Q reduction due to heat generation when a high power is input. Although it is said that a boost ratio and high efficiency can be realized, there is no description of the efficiency as a piezoelectric transformer at the time of Hi Power input, and there is no measurement result of the efficiency when a load is connected to the output side of the piezoelectric transformer.
[0008]
FIG. 9A shows a configuration diagram of a conventional piezoelectric transformer. In the piezoelectric transformer shown in FIG. 9A,
[0009]
In FIG. 9A,
[0010]
Now, when an input voltage V1 having a resonance frequency determined by the length in the length direction is applied between the
[0011]
In this example, the input unit is driven by the piezoelectric lateral effect (that is, the case where the direction of the electric field is orthogonal to the propagation direction of the elastic wave), and the output unit also extracts the output using the lateral effect.
[0012]
Thus, a piezoelectric transformer is a device that converts electricity → machine → electricity and energy. During the operation of the piezoelectric transformer, a standing
[0013]
However, conventional piezoelectric transformers using lithium niobate single crystal have high impedance on the input side, so it is necessary to place a choke coil or winding transformer before the piezoelectric transformer and boost the voltage once. It was difficult to reduce the size, weight, and height. On the other hand, hot cathode tube inverters used for fluorescent lamps, etc., backlight cold cathode tube inverters for liquid crystal displays used for large-screen liquid crystal televisions, notebook computers, portable terminals, etc., various high voltage generators, negative ions In piezoelectric transformers used in generators, air purifiers, AC adapters used in various electronic devices, and DC-DC converters, it is necessary to reduce the size and height of the piezoelectric transformer in order to reduce the size of the devices.
[0014]
Further, even if a high power could be input by inserting a winding transformer in the preceding stage, the stress generated by mechanical vibration was concentrated at the node of the vibration, and the piezoelectric transformer sometimes cracked at the node of the vibration. Even in high-power applications, in order to make the piezoelectric transformer hard to crack, it is necessary to increase the thickness of the vibration node where the stress is concentrated or to increase the mechanical strength by widening the substrate.
However, when the thickness of the piezoelectric transformer is increased, the operating impedance is increased. Therefore, it is necessary to insert a winding transformer or the like in the previous stage of the piezoelectric transformer to increase the voltage, and it is not possible to reduce the size and height. In addition, when the width of the substrate is increased, spurious vibration occurs, which causes a reduction in efficiency.
[0015]
In order to reduce the characteristic deterioration due to heat generation with high efficiency even in high power applications, it is desirable to select an appropriate vibration mode having a large mechanical coupling coefficient k and a large mechanical quality coefficient Q. Here, the mechanical coupling coefficient k is the efficiency when a voltage is applied between the electrodes to convert the energy given to the piezoelectric body to ideal mechanical energy, and the mechanical energy given to the piezoelectric body is ideally calculated. This is the efficiency when converting to electrical energy. In addition, when the mechanical quality factor Q is high, deterioration in characteristics and deterioration in efficiency due to self-heating are reduced even when used at high power.
[0016]
[Patent Document 1] JP-A-8-191161
[Patent Document 2] JP-A-7-106660
[Patent Document 3] JP-A-2-249574
[Patent Document 4] Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-124886
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention realizes a high-efficiency piezoelectric transformer even at a high power output of 5 W or more in a cold cathode tube lighting inverter unit used for high power applications and various high power lamp lighting inverter units, and has a small size and a low profile. The main task is to provide a piezoelectric transformer.
[0018]
Further, the present invention provides a piezoelectric transformer capable of improving the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality coefficient Q and reducing the input impedance of the piezoelectric transformer so that large power can be output even at a low voltage input based on the above characteristics. Is another task.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, when cutting a lithium niobate single crystal into a strip shape, the crystal CUT plane and the propagation axis of the piezoelectric vibration are set with respect to the vibration mode of the piezoelectric vibration. Transverse effect vibration that produces a standing wave of λ / 2 in the Y-axis projection direction of the crystal coordinate system of the piezoelectric diaphragm by connecting two or more input electrodes formed on one side of the piezoelectric diaphragm in parallel, optimally selected The mode is forced to improve the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality factor Q, and large power is output from one or more output electrodes attached to the center of the piezoelectric vibrating plate, so that the vicinity of the matching load of the piezoelectric transformer In this regard, the present inventors have obtained a new finding that a piezoelectric transformer having a high efficiency of 92% or more can be provided even when used at 5 W or more.
[0020]
That is, in the case of a piezoelectric transformer using a lithium niobate single crystal, the spontaneous polarization axis is determined to be the Z-axis, and the CUT plane of the crystal and the CUT of the crystal cut into strips due to the anisotropy of the crystal. The characteristics of the piezoelectric vibration change depending on the axis.
In addition, the efficiency of the piezoelectric transformer depends on the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality factor Q of the piezoelectric vibration, and the higher the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality factor Q, the more the piezoelectric transformer can be used even when used with large power. High efficiency.
[0021]
The piezoelectric transformer of the present invention includes a piezoelectric vibrating plate made of a lithium niobate single crystal plate having a spontaneous polarization axis as a Z axis, and the piezoelectric vibrating plate has a coordinate axis of the crystal of 10 ° to 60 ° around the X axis or The rotating Y plate rotated within the range of 105 ° to 170 ° is rotated so that the long side or the short side is within a range of −40 ° to 40 ° with respect to the X axis of the crystal, and the short side is relative to the long side. And cut out into a rectangular plate so that the angle の formed by the X axis of the crystal is within the range of ψ = 0 ° ± 10 °, and further to the Y axis projection line of the crystal. By utilizing the transverse effect vibration mode in which a standing wave of λ / 2 is generated, a high mechanical coupling coefficient k and a high mechanical quality coefficient Q can be realized, and mechanical vibration can be performed with high efficiency even at a high power input. It is possible to provide a piezoelectric transformer That. Alternatively, the short side may be rotated within 0 ° ± 40 ° with respect to the Y axis and cut into a rectangle.
[0022]
According to the present invention, a CUT capable of reducing the input impedance of a piezoelectric transformer by rotating a lithium niobate single crystal plate around the X-axis of a crystal in the range of θ = 10 ° to 60 ° or θ = 105 ° to 170 ° By cutting out the surface and processing the single crystal wafer to an arbitrary thickness, the input impedance can be controlled, and high power can be output even with a low voltage input.
[0023]
That is, the piezoelectric transformer of the present invention includes a piezoelectric vibrating plate made of a lithium niobate single crystal plate having a spontaneous polarization axis as the Z axis, and the piezoelectric vibrating plate has a rotation Y obtained by rotating the crystal coordinate axis around the X axis. The plate is cut into a rectangle so that the long side or short side is parallel to the X axis of the crystal and the short side or long side is parallel to the projection line of the Y axis of the crystal, and λ / 2 is propagated in the Y axis projection direction. It utilizes the lateral effect vibration mode of the mode. Here, the “Y-axis projection line” refers to a projection line drawn from the y-axis of the (x, y, z) coordinate system of the crystal. Specifically, it refers to a line drawn from the Y-axis for a crystal cut in an arbitrary direction.
[0024]
Here, the thickness of the piezoelectric vibration plate is 0.2 to 3.0 mm, preferably 0.2 to 0.6 mm. The piezoelectric vibrating plate is preferably made of a high dielectric constant lithium niobate single crystal plate rotated by 10 ° to 60 ° or 105 ° to 170 °, preferably 125 ° to 145 ° around the X axis.
[0025]
The piezoelectric vibrating plate has an input electrode and an output electrode on one surface and a ground electrode on the other surface.
That is, in the piezoelectric transformer, two divided electrodes formed on one main surface of the piezoelectric vibration plate are arranged in the X-axis direction of the crystal coordinate system of the piezoelectric vibration plate, and a ground electrode is formed on the other main surface. A piezoelectric transformer having a first split electrode of the two split electrodes as an input split electrode and a second split electrode as an output split electrode, wherein the other main surface is In all of the divided electrodes, at least a part of the electrodes is formed at a position on the center line of the short side or the long side of the piezoelectric vibrating plate.
[0026]
Alternatively, the piezoelectric vibrating plate is formed by projecting a ground electrode formed on one main surface of the piezoelectric vibrating plate and three or more divided electrodes formed on the other main surface of the piezoelectric vibrating plate in a Y-axis projection of a crystal coordinate system of the piezoelectric vibrating plate. It is better to arrange the electrodes in the direction and to use the split electrodes on both sides of the three split electrodes as input-side split electrodes or output-side split electrodes, and the central split electrode as the output-side split electrode or input-side split electrode. This makes it possible to arbitrarily adjust the boost ratio, the input impedance, and the output impedance by adjusting the input electrode area and the output electrode area.
[0027]
Also, a piezoelectric transformer in which three or more divided electrodes formed on one main surface of the piezoelectric vibrating plate are arranged in the X-axis direction of the crystal coordinate system of the piezoelectric vibrating plate and a ground electrode is formed on the other main surface. In the case of the above, the three or more divided electrodes are composed of input side divided electrodes and output side divided electrodes alternately arranged in the X-axis direction of the crystal coordinate system of the piezoelectric vibrating plate, or Two or more of the divided electrodes are connected in parallel to form an input-side divided electrode, or one or more of three or more divided electrodes of the piezoelectric vibrating plate are connected in parallel to output. It is preferable to use side split electrodes.
[0028]
All the divided electrodes formed on the other main surface of the piezoelectric vibrating plate are preferably formed such that at least a part of the electrode extends on a line connecting the centers of both short sides or long sides of the piezoelectric vibrating plate. As a result, a transverse effect vibration mode in which a standing wave of λ / 2 occurs in the Y-axis projection direction of the piezoelectric diaphragm can be efficiently extracted.
[0029]
It is preferable to connect two or more input electrodes provided on one side of the piezoelectric vibrating plate in parallel. Thereby, it is possible to improve the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality coefficient Q in the transverse effect vibration mode in which a standing wave of λ / 2 is generated in the Y-axis projection direction of the piezoelectric diaphragm, and to reduce the resonance impedance. As a result, high power can be output even with a low voltage input, and a piezoelectric transformer with high efficiency, a high step-up ratio, and low input impedance can be realized.
[0030]
The piezoelectric transformer of the present invention has a mechanical quality factor Q of 1000 or more, preferably 4000 or more, and a mechanical coupling coefficient k of 0.2 or more, preferably 0.25 or more. It is possible to achieve a low profile and a high step-up ratio, and even with a high power input of 5 W or more, power loss due to heat generation is small and the efficiency of the piezoelectric transformer can be 92% or more. Further, the piezoelectric transformer of the present invention preferably has an input impedance of 300Ω or less.
[0031]
Embodiment 1
As shown in FIG. 1A, a rotating Y plate obtained by rotating a lithium niobate single crystal having a spontaneous polarization axis as the Z axis by 128 ° around the X axis becomes parallel to the long side direction and the X axis of the crystal. Thus, a rectangular shape having a length of 33 mm and a width of 12.2 mm was cut out, and both surfaces were mirror-finished by polishing to obtain a
[0032]
[Comparative Example 1]
As shown in FIG. 9 (a), a rotating Y plate obtained by rotating a lithium niobate single crystal having a spontaneous polarization axis as the Z axis by 128 ° around the X axis is set so that the short side direction is parallel to the X axis of the crystal. The piezoelectric vibrating
[0033]
When the frequency characteristics of the piezoelectric transformers of Example 1-128Y and Comparative Example 1-128Y were measured by ADVANTEST NETWORK ANALYZER, very sharp resonance was observed at around 185 kHz and around 235 kHz.
[0034]
The resonance point around 185 kHz of Example 1-128Y and Comparative Example 1-128Y is a λ-mode piezoelectric vibration in which a standing wave of one wavelength (λ) is generated in the long side direction of the piezoelectric vibrating plate. It was at a quarter of the long side of the piezoelectric diaphragm. The resonance point near 235 kHz is a λ / 2 mode piezoelectric vibration in which a standing wave of 波長 wavelength (λ / 2) is generated in the short side direction of the piezoelectric vibration plate. It was at half of the short side.
When supporting a piezoelectric transformer, the value of the mechanical quality factor Q greatly changes depending on the fixing method and the fixing position. Therefore, use a spring-type probe to avoid the influence of the measurement, and compare at the position where the resonance is sharpest. investigated.
[0035]
Table 1 shows the measurement results of LCR equivalent circuits of λ-mode vibration propagating in the long side direction of the piezoelectric vibrating plate of Example 1-128Y and Comparative Example 1-128Y. An LCR equivalent circuit of the piezoelectric vibrator is represented as shown in FIG. 2, and a mechanical quality coefficient Q and a mechanical coupling coefficient k are obtained from the parameters of the equivalent circuit. In FIG. 2, R1 represents a series resistance, C1 represents a series capacitance, C2 represents a parallel capacitance, and L1 represents a series inductance.
[0036]
[Table 1]
From Table 1, when using the λ-mode vibration propagating in the long side direction on the substrate of the 128 rotation Y plate, the mechanical coupling coefficient k of Example 1-128Y is 0.26 and 0.29 of Comparative Example 1-128Y. Although it is worse, the mechanical quality factor Q of 18386 of Example 1-128Y is better than 12407 of Comparative Example 1-128Y.
[0037]
Since the step-up ratio is determined by the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality coefficient Q, it is desirable that both the mechanical quality coefficient Q and the mechanical coupling coefficient k be large. When modal vibration is used, the highest values of k and Q cannot be obtained.
[0038]
Since the efficiency of the piezoelectric transformer depends on the mechanical coupling coefficient k, and the efficiency at high power depends on the mechanical quality factor Q, the λ-mode vibration propagated in the long side direction by the 128-rotation Y-plate piezoelectric diaphragm is used. In this case, it can be seen that there is not much difference between Example 1 and Comparative Example 1.
[0039]
Table 2 shows the measurement results of the LCR equivalent circuits of the λ / 2 mode vibration propagating in the short side direction in Example 1-128Y and Comparative Example 1-128Y.
[Table 2]
From Table 2, when the λ / 2 mode generated in the short side direction on the substrate of the 128 rotation Y plate is used for the piezoelectric transformer, the mechanical coupling coefficient k of Example 1-128Y is 0.28 and that of Comparative Example 1-128Y. This is better than 0.16, and it can be seen that the mechanical quality factor Q is not much different between Example 1-128Y and Comparative Example 1-128Y. Therefore, when using a λ / 2 mode generated in the short side direction on a 128-rotation Y-plate substrate in a piezoelectric transformer, it is desirable to cut out the long side in parallel with the X axis of the crystal as shown in FIG. I understand.
[0040]
Further, since the λ / 2 mode vibration propagating in the short side direction is used, the stress generated by the mechanical vibration can be dispersed in the long side direction of the substrate, and it can be seen that it is hard to crack even in high power applications.
[0041]
From these results, a 128-rotation Y plate having a large mechanical coupling coefficient k and a large mechanical quality factor Q was used, and the long side of the piezoelectric vibration plate was cut out in parallel with the X axis of the crystal as shown in FIG. By using the λ / 2 mode vibration that propagates in the short side direction, a piezoelectric transformer that generates less heat from the piezoelectric transformer even in high power applications and that is less likely to break due to mechanical vibration even when high power is input. Can be created.
[0042]
Embodiment 2
As shown in FIG. 3A, a rotating Y plate obtained by rotating a single crystal of lithium niobate having a spontaneous polarization axis as a Z axis by 128 ° around the X axis becomes parallel to the long side direction and the X axis of the crystal. Thus, a rectangular shape having a length of 33.0 mm and a width of 12.2 mm was cut out, and mirror polishing was performed on both sides to obtain a
In FIG. 3A, 16 is an input lead, 17 is an output lead, and 18 is a common ground lead. In FIG. 3B,
[0043]
The resonance frequency fr between the input electrode and the common ground electrode when the
The input electrode 1 terminal in Table 3 is a measured value of the frequency characteristic between the
[0044]
Note that the measured resonance frequency is a frequency characteristic of a transverse effect vibration mode in which a standing wave of λ / 2 is generated in the Y-axis projection direction of the piezoelectric diaphragm.
As can be seen from Table 3, it was confirmed that by connecting the input electrodes in parallel, the resonance point shifted to the low frequency side, the bandwidth between the resonance point and the anti-resonance point was widened, and the impedance at the resonance point was also reduced. Also, it was confirmed that the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality coefficient Q could be improved by connecting the input electrodes in parallel.
[Table 3]
As described above, by connecting at least two of the three divided electrodes in parallel to form a composite input electrode and forcibly driving the λ / 2 mode vibration propagating in the short side direction of the rectangular plate, It can be seen that the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality coefficient Q can be improved and the input impedance can be reduced.
[0045]
Embodiment 3
As shown in FIG. 3A, a rotating Y plate obtained by rotating a single crystal of lithium niobate having a spontaneous polarization axis as a Z axis by 128 ° around the X axis becomes parallel to the long side direction and the X axis of the crystal. Thus, a rectangular shape having a length of 33 mm × a width of 12.2 mm was cut out, and both surfaces were mirror-finished by polishing to obtain a
[0046]
As shown in FIG. 3 (a), the
[Table 4]
As can be seen from Table 4, in the case of the piezoelectric transformer of the comparative example using the λ mode propagating in the long side direction, which is a conventional technique, the input impedance is high due to its structure, so that large power can be output with low voltage input. Difficult and impractical. On the other hand, in Example 3, it was confirmed that an efficiency of 91% or more could be achieved with a load of 5 kΩ to 100 kΩ, and an efficiency of 95% could be achieved if the load was matched.
[0047]
As described above, the ground electrode formed on one main surface of the piezoelectric vibrating plate and the three or more divided electrodes formed on the other main surface are alternately arranged in the X-axis direction of the crystal coordinate system of the piezoelectric vibrating plate. If the split electrodes on both sides of the three split electrodes are connected in parallel to form an input-side split electrode, and the central split electrode is used as an output-side split electrode, the input electrodes can be formed on almost the entire surface of the piezoelectric vibrating plate. And the input impedance can be reduced.
[0048]
In particular, a high voltage step-up ratio and a low voltage input are necessary for the piezoelectric transformer of a cold cathode tube inverter for liquid crystal backlights, so by increasing the input electrode area and narrowing the output electrode area, a high voltage step-up ratio and a low voltage input are realized. As a result, the matching load is shifted to the high impedance side, and a piezoelectric transformer suitable for the application can be designed.
Further, in a hot-cathode tube lighting inverter or the like for various illuminations, since the matching load has a low impedance of several tens Ω, the step-up ratio of the transformer may be several times. Therefore, a plurality of output electrodes may be connected in parallel or the output electrode area may be increased.
Further, in the present invention, since the λ / 2 mode vibration propagating in the width direction of the piezoelectric vibrating plate is used, the first input electrode and the second input electrode are formed up to about half of the long side of the piezoelectric vibrating plate. The area can be increased, and the input impedance can be reduced.
Further, by changing the area of the output-side split electrode, it is possible to easily adjust the matching load at which the maximum efficiency is obtained.
[0049]
Embodiment 4
The input side split electrode (primary side electrode) of the piezoelectric transformer of the third embodiment was used as an input, the output side electrode (secondary side electrode) was used as an output, and a load of 50 kΩ was connected to this output electrode. As for the input voltage, a sine wave amplified to a predetermined voltage by a power amplifier using a function generator is applied to the input-side split electrode, and the input voltage (V), the input current (mA), and the input power power factor are detected, and the input power is detected. , And the output voltage (V) was detected from the output-side split electrode to determine the output power.
The driving frequency of the piezoelectric transformer was measured at a frequency at which the step-up ratio of the piezoelectric transformer was highest. From the above measurement results, the boost ratio and the efficiency were obtained. The results are shown in Table 5.
[Table 5]
As can be seen from Table 5, it was confirmed that the efficiency did not decrease even when the input power was input at 17.5 W. Also, the input voltage for extracting 16.9 W of output power can be reduced to 39.5 Vrms, and it can be seen that large power can be output even with a low voltage input.
[0050]
Embodiment 5
Further, in order to investigate the influence of the CUT axis of the crystal and the propagation axis of the piezoelectric vibration when the piezoelectric vibrating plate is cut into a rectangle, the spontaneous polarization axis is determined using a piezoelectric transformer having the same shape as that of FIG. 3 (Example 3). As shown in FIG. 4 (b), a piezoelectric transformer composed of a rotating Y plate (0, 38, 0) obtained by rotating a lithium niobate single crystal having a Z axis by 128 ° around the X axis is used. And the angle formed by the X axis of the crystal and ψ was rotated within the range of 0 to 180 ° with respect to the Z ′ axis of the crystal, and the effect of the mechanical coupling coefficient k in the λ / 2 mode was investigated. FIG. 6 shows the relationship of the mechanical coupling coefficient k in the λ / 2 mode rotated by 0 to 180 ° with respect to the z ′ axis of the crystal coordinate system (x, y ′, z ′).
From FIG. 6, when 時 = 0 °, that is, when the CUT axis in which the crystal Y-axis projection direction and the piezoelectric vibration propagation direction are selected is selected, the λ / 2 mode propagating in the crystal Y-axis projection direction is forcibly vibrated. It can be seen that the mechanical coupling coefficient k is 0.38, which is the highest, and that a high step-up ratio and an improvement in conversion efficiency can be achieved.
[0051]
Further, a piezoelectric transformer having the same shape as that of FIG. 1 (Example 2) cut out so that the X-axis of a lithium niobate single crystal having a spontaneous polarization axis as a Z-axis and the long side of the piezoelectric vibrating plate are parallel is used. As shown in FIG. 4 (a), the rotation angle of the λ / 2 mode rotating Y plate that rotates within the range of 0 °  ̄180 ° around the X axis of the crystal and propagates in the Y axis projection direction of the crystal. FIG. 5 shows the relationship between the relationship and the mechanical coupling coefficient k.
As shown in FIG. 5, a mechanical structure is obtained by using a piezoelectric vibrating plate in which a lithium niobate single crystal plate is rotated around the X axis of the crystal in the range of θ = 10 ° to 60 ° or θ = 105 ° to 170 °. It is understood that the coupling coefficient k can be set to 0.15 or more. Desirably, by using a piezoelectric vibrating plate rotated within the range of θ = 125 ° to 145 °, the mechanical coupling coefficient can be maximized, and the high step-up ratio and the conversion efficiency can be improved. .
[0052]
[Other embodiments]
By cutting out the long side of the piezoelectric vibrating plate in parallel with the X axis of the crystal as shown in FIG. 1A, the λ / 2 mode in which the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality coefficient Q depend on the large short side is determined. Waves can be used, and a piezoelectric transformer can be produced which has a small amount of heat generation of the piezoelectric transformer even in a high-power application, is highly efficient, and is less likely to be broken by mechanical vibration even when high power is input.
[0053]
Further, the step-up ratio of the piezoelectric transformer can be easily adjusted by changing the area ratio between the
In the case of the embodiment shown in FIG. 1, the
[0054]
FIG. 7 shows an example in which the outer shape ratio of the piezoelectric vibrating
[0055]
Further, as shown in FIG. 8, the
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, a piezoelectric Y is obtained by cutting a rotating Y plate of lithium niobate single crystal having a spontaneous polarization axis as a Z axis into a rectangle such that the X axis of the crystal is parallel to the long or short side of the piezoelectric vibrating plate. Using a diaphragm, two or more divided electrodes formed on one main surface of one side of the piezoelectric diaphragm are connected in parallel, and an input electrode is used as one input electrode and one or more divided electrodes are used as an output electrode. Inverter for lighting a cold cathode tube or lighting a hot cathode tube used in a large-screen liquid crystal by improving the mechanical coupling coefficient k and the mechanical quality coefficient Q of the λ / 2 mode propagating in the short side direction of the piezoelectric vibrating plate). And the like, and can be used as a step-up transformer for high power applications of 5 W or more, and a highly efficient piezoelectric transformer can be provided. For this reason, it is possible to improve the efficiency of power consumption, to reduce the height of the inverter, and to reduce the size.
Further, since lithium niobate single crystal is used for the piezoelectric vibrating plate, it does not contain substances harmful to the environment, and is easy to manage.
In addition, since the piezoelectric transformer outputs a sine wave, the life of the lamp can be improved, and it is expected that the life of the lamp can be improved and unnecessary electromagnetic noise can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view of a piezoelectric transformer according to a first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view thereof.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an LCR equivalent circuit of the piezoelectric vibrator.
FIG. 3A is a perspective view of a piezoelectric transformer according to Examples 1 and 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view thereof.
4A is a perspective view in which the piezoelectric vibrating plate is rotated by an angle θ about the crystal coordinate axis X axis, and FIG. 4B is a perspective view in which the piezoelectric vibrating plate is rotated by an angle に about the crystal coordinate axis Z ′ axis. It is a perspective view.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between a mechanical coupling coefficient k and a rotation angle θ obtained by rotating the piezoelectric transformer of FIG. 6A around a coordinate axis x of a crystal.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a mechanical coupling coefficient k and a rotation angle た obtained by rotating the piezoelectric transformer of FIG. 6B around a crystal coordinate axis z ′ axis. .
FIG. 7A is a perspective view of a piezoelectric transformer according to another embodiment, and FIG. 7B is a longitudinal sectional view thereof.
FIG. 8A is a perspective view of a piezoelectric transformer according to another embodiment, and FIG. 8B is a longitudinal sectional view thereof.
9A is a perspective view of a conventional piezoelectric transformer, and FIG. 9B is a longitudinal sectional view thereof.
[Explanation of symbols]
12: piezoelectric vibration plate, 13, 13a, 13b, 13c: input electrode, 14, 14a, 14b: output electrode, 15, 15a, 15b: ground electrode, 16: input lead wire, 17: output lead wire, 18 , 18a, 18b: lead wire for ground, 20: node of piezoelectric vibration, 21: displacement curve of piezoelectric vibration, 22: stress curve generated by piezoelectric vibration
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008023517A1 (en) | 2008-05-15 | 2009-12-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Charge carrier generating device for controlling digital and analog elements, has component coupled with another component to cause mechanical deformation of piezoelectric region, so that voltage is tapped between electrical ports |
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CN102130291A (en) * | 2010-12-27 | 2011-07-20 | 广州金升阳科技有限公司 | Piezoelectric ceramic wafer type isolating signal transformer and manufacturing method thereof |
WO2013105507A1 (en) * | 2012-01-13 | 2013-07-18 | パナソニック株式会社 | Actuator and method for driving same |
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