JP2004273709A

JP2004273709A - 圧電トランス

Info

Publication number: JP2004273709A
Application number: JP2003061587A
Authority: JP
Inventors: Kenshin Mori; 建新盛; Katsuyoshi Takano; 勝好高野
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】２次容量を大きくすることによって、低インピーダンス負荷との整合性を改善すると同時に、浮遊容量の影響を抑制する。
【解決手段】円筒形の圧電セラミックに入出力電極を具えた圧電トランスにおいて、両端側の全長の約１／４の表裏面に入力電極を具えるとともにそれらの部分は表裏面方向に分極され、その他の部分は長さ方向に分極されて、中央の外周に出力電極を具え、出力電極の両側が逆相で駆動される
円筒形の圧電体の長さ方向の伸縮だけでなく、直径方向の伸縮の振動モードを利用して大電力の圧電トランスを可能にする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型の圧電トランスの構造に係るもので、両端入力・中央出力の３次元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】特開昭６１−１８９６７８号公報
【特許文献２】特公昭５５−２６６００号公報
【０００３】
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小型化できること、不燃性で安全性に優れていること、磁気シールドが不要であるといった利点がある。図７は従来の圧電トランスの構造を示すもので、矩形の圧電セラミック板を用いてその半区間の表裏面に駆動用電極（入力電極）を、長さ方向の対向する端面に発電用電極（出力電極）を形成したものである。寸法によって決定される共振周波数の高周波電圧で励振すると、駆動部の振動による電気−機械変換および発電部（２次側）の機械−電気変換によって、端面の発電部電極に高電圧が発生する。このタイプは、長さ方向の伸縮振動モードを利用するいわゆるローゼン型が主流となっているが、近年面積広がり振動モードを利用する圧電トランスも実用化されている。
【０００４】
圧電トランスを利用したインバータは冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）の電源として広く利用されている。最近、ランプの内部電極の代わりに、ランプ両端のガラス管外壁に電極を設けてカラス管壁を容量として利用する誘電体バリア放電管蛍光ランプ（ＥＥＦＬ）の開発が進められている。従来のＣＣＦＬは１本に対して高周波点灯インバータが必要であるのに対して、ＥＥＦＬでは個々がバラスト容量を持つことになるのでインバータ１台で多数のＥＥＦＬを点灯することができる。それにより、高輝度が要求される多灯使用のバックライトにおいてコスト低減が可能となり、主として大型液晶テレビ、ＰＣデイスプレイなどのバックライト光源としての利用が検討されている。
【０００５】
ただ、圧電トランスで多数のＥＥＦＬを同時に点灯する場合、以下のような問題に対応しなければならない。
１．ランプのトータルインピーダンスがかなり低くなるため、圧電トランスの整合インピーダンスを下げることが必要となる。例えば、管インピーダンス＝２００ｋΩのランプ１０本を並列に点灯する場合、負荷インピーダンスが２０ｋΩと低くなり、整合インピーダンスが約１００〜３００ｋΩと高い従来の圧電トランスでは対応が難しくなる。出力部容量を大きくすれば整合インピーダンスを下げることができる。また、大型バックライトパネルには浮遊容量が大きく、圧電トランスが発熱し易いことから、大きな出力側容量を持つ圧電トランスが浮遊容量の影響を抑制する上でも有利である。
２．高出力の圧電トランスが要求される。例えば、２０インチ液晶テレビのバックライトを駆動するには４０Ｗ程度が必要である。一般的に、圧電トランスのサイズが大きくなれば取り扱うことのできる電力も上がるが、機械破壊が生じやすくなることからサイズには限界がある。また、ランプの輝度効率を向上させるためにある程度の駆動周波数が必要となるため、サイズが大きすぎるのは望ましくない。このような問題から、１個の圧電トランスで１０本程度のＥＥＦＬを点灯することが難しかった。
【０００６】
長方形の圧電トランスの他に円筒型の圧電トランスもある（前記特許文献１、２など）。図８は、従来の円筒形圧電トランスの斜視図で、円筒の長さの半分の表裏面に入力電極を、反対側の端面に出力電極を設けたものである。矩形の圧電トランスに比較して円筒形圧電トランスは機械強度が高いこと、大面積で大電力がえられること、大きな２次容量を有するなどといった利点を有しており、上記の問題点に対応するために有利である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、円筒形の圧電トランスの電極構造を改良することによって、振動モードおよび電気特性を維持した上でさらに大きな２次容量を得ようとするものである。２次容量を大きくすることによって、低インピーダンス負荷との整合性を改善すると同時に、浮遊容量の影響を抑制するものである。
【０００８】
本発明は、両端入力、中央出力構造を採用することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、円筒形の圧電セラミックに入出力電極を具えた圧電トランスにおいて、両端側の全長の約１／４の表裏面に入力電極を具え、中央の外周に出力電極を具えたことに特徴を有するものである。より具体的には、円筒形の圧電セラミックに入出力電極を具えた圧電トランスにおいて、両端側の全長の約１／４の表裏面に入力電極を具えるとともにそれらの部分は表裏面方向に分極され、その他の部分は長さ方向に分極されて、中央の外周に出力電極を具え、出力電極の両側が逆相で駆動されることに特徴を有するものである。
【０００９】
【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を列挙すると以下のようになる。
（１）円筒型の圧電セラミック：入力側は厚み方向に分極され、出力側は長さ方向に分極される。
（２）入力電極（駆動用電極）：両端側から長さの約１／４の位置まで、円筒の表裏面に形成される。
（３）出力電極（発電用電極）：円筒の長さ方向の中央の位置の表面の周囲に形成される。
入力電極から入力された電圧が、出力電極から昇圧されて出力される。
【００１０】
【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が本発明による圧電トランスの斜視図である。出力電極１５を境にした円筒の圧電セラミック１０の２つの部分の端面側に２つの入力電極が形成される。それぞれの入力電極は表裏面で対向する電極で構成され、表面の電極１１と内側の電極１２によって一方の入力電極が構成され、表面の電極１３と図に現れない内周面の電極とで他方の入力電極か構成される。入力電極が形成される部分は厚み方向に分極される。
【００１１】
出力電極１５を挟んだ両側に位置する圧電体の２つの部分は一方が伸びたときに他方が縮むように逆相で駆動される。その駆動方式には分極方向と入力の接続方法を変える２つの方法がある。いずれにせよ両側を逆相で駆動して、両側の振動によって出力電極に同符号の電荷を発生させるようにする必要があり、図３の例で２つの発電部が同一長さ方向に分極することが必要となる（対向分極すると、符号が逆の電荷が相殺されて出力電圧が常に０となってしまい、圧電トランスの機能を果たさない）。図２はその振動モードを概念的に示したもので、一方が膨らむと同時に他方が縮むので２次伸縮振動であることが分かる。
【００１２】
図８に示す従来の電極構造に比較して、本発明による圧電トランスは４倍の２次容量が得られるので、ＬＣＤパネルの浮遊容量の影響が大きく低減されるとともに、整合インピーダンスが従来の１／４となるために低インピーダンス負荷に対応し易くなる。
【００１３】
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系圧電性磁器を材料として、長さ６８ｍｍ、直径（外径）３０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円筒によって、比較のために図８に示した従来の電極構造の圧電トランスとともに、作製した。分極方法は図１に示したものと同じであり、入力電極の長さは全長の約１／４となっている。図３と図４はそれぞれの圧電トランスの出力端開放、短絡および負荷状態での入力側インピーダンス特性を示す。この結果、両側入力の圧電トランスで従来の圧電トランスと同等のインピーダンス特性が得られることが分かった。片側入力の圧電トランスにおいては、入力側容量Ｃ１＝２８２１０ｐＦ、出力側容量Ｃ２＝５５ｐＦ、整合インピーダンスＲｍ＝５０ｋΩであるのに対して、本発明による圧電トランスではＣ１は変わらないが、Ｃ２が４倍の２２０ｐＦ、Ｒｍが１／４の１２．５ｋΩとなる。これによって、１０ｋΩといった低い負荷にも対応できるとともに、３０〜６０ｐＦ程度の浮遊容量の影響を吸収することも可能となる。
【００１４】
図５と図６は、負荷インピーダンスが２０〜５０ｋΩの範囲において、本発明による圧電トランスと従来の片側入力の圧電トランスの昇圧比−負荷特性を示すものである。片側入力の圧電トランスの昇圧比が負荷の増加に従って僅かに上昇する（図６）のに対して、両側入力の圧電トランスは大きく上昇することが分かった（図５）。昇圧比の負荷インピーダンス依存度は負荷インピーダンスと圧電トランスの出力整合インピーダンスの相対位置によるものである。整合インピーダンスが負荷インピーダンスより低い範囲では昇圧比は負荷に対して大きく上昇するが、逆の場合には上昇が小さくなる。上記の特性の差は圧電トランスの出力側の整合点が異なるからである。一般的に、整合インピーダンスが負荷インピーダンスより低いことが望ましい。
【００１５】
図２に示すように、円筒形圧電トランスは長さ方向の伸縮振動だけでなく、直径方向においても同時に伸縮振動しており、その伸縮振動は円筒の２次面積振動とも言える。そのため、円筒形圧電トランスが単純な長さ振動より大きな結合係数が予想される。有限要素法のエネルギー解析から得られた機械電気結合係数が約５７％と高く、これは長さ振動モード（ｋ_３１）の約２倍、正方形板の面広がりモード（ｋ_ｐ）と同等の結合係数となる。したがって、本発明による円筒形圧電トランスを用いれば大電力圧電トランスが実現される。また、両端入力、中央出力の電極構造の場合、発電部の長さが従来の構造の半分になるので、分極電圧も半分で済み、分極工程が簡単となる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、両端入力、中央出力構造により、２次側容量が４倍となるため、低負荷インピーダンスに対応できるとともに、浮遊容量の影響を低減することができる。また、発電部の長さが半分となり、分極電圧を半減できる。
【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】その振動モードの概念図
【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】図８の従来の圧電トランスのインピーダンス特性の説明図
【図５】本発明による圧電トランスの周波数−負荷特性の説明図
【図６】図８の従来の圧電トランスの周波数−負荷特性の説明図
【図７】従来の圧電トランスの斜視図
【図８】従来の圧電トランスの斜視図
【符号の説明】
１０、７０：圧電セラミック
１１、１２、１３、７１、７２：入力電極
１５、７５出力電極

Claims

円筒形の圧電セラミックに入出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
両端側の全長の約１／４の表裏面に入力電極を具え、
中央の外周に出力電極を具えたことを特徴とする圧電トランス。
円筒形の圧電セラミックに入出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
両端側の全長の約１／４の表裏面に入力電極を具えるとともにそれらの部分は表裏面方向に分極され、
その他の部分は長さ方向に分極されて、中央の外周に出力電極を具えたことを特徴とする圧電トランス。
円筒形の圧電セラミックに入出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
両端側の全長の約１／４の表裏面に入力電極を具えるとともにそれらの部分は表裏面方向に分極され、
その他の部分は長さ方向に分極されて、中央の外周に出力電極を具え、
出力電極の両側が逆相で駆動されることを特徴とする圧電トランス。