JP2005005682A - 圧電トランスとそれを用いた電源回路及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化および大出力化を図ることができるように改良された圧電トランスを提供する。
【解決手段】 圧電トランスは、厚み方向において互いに反対の一方の面と他方の面を有する圧電セラミック円板を備える。駆動部と発電部の一方となる一対の低インピーダンス部が、圧電セラミック円板の中心軸に関して対称に圧電セラミック円板中に配置されると共に、駆動部と発電部の他方となる一対の高インピーダンス部が、一対の低インピーダンス部とは電気的に分離されるように、上記中心軸に関して対称に圧電セラミック円板中に配置される。当該圧電トランスは、圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードにより駆動される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に圧電トランスに関するものであり、より特定的には、小型化および大出力化を図ることができるように改良された圧電トランスに関する。
本発明は、またそのような圧電トランスを備える電源回路に関する。本発明は、さらにそのような圧電トランスを備える照明装置に関する。

圧電トランスは、電磁トランスよりも単位体積当たりの電力密度が大きいので、小型化、薄型化が可能であり、逆圧電効果による機械共振振動を励振して電力変換を行うので、高い変換効率を実現できる。そのため、電子装置の電源回路を小型化するため、近年、スイッチング電源には圧電トランスが用いられている。

図２４は、従来のローゼン型圧電トランスの斜視図である。

圧電トランス１は、圧電材料からなる矩形板２を含む。図中、矩形板２のほぼ左半分に、互いに対向する電極３および電極４が形成され、これらは駆動部側（入力側）の電極を構成している。矩形板２の端面に、発電部側（出力側）の電極５が形成されている。矩形板２の材質がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックである場合には、矩形板２の左半分において、矢印Ａで示すように厚さ方向に分極されている。分極処理は、電極３および電極４を利用して行われる。右半分は、電極３、電極４および電極５を利用して、矢印Ｂで示すように長さ方向に分極されている。

ここで、電極４を共通電極として、電極３と電極４との間に、矩形板２の長さ方向に伸縮する機械的振動を励振する、共振周波数近傍の交流電圧を印加する。これにより、圧電トランス１は、長さ方向に伸縮する機械的振動を励振する。この機械的振動が圧電効果によって発電部側の電極５と４の間に電荷が誘起される。駆動部側の電極である電極３と電極４で求めることができるインピーダンスに対する、発電部側の電極である電極５と電極４で求めることができるインピーダンスの比に応じて、駆動部側の電極３と４に印加した電圧が昇圧された、高電圧が発電部側の電極である電極５と電極４との間で取り出される。

しかし、このような矩形板２の長さ方向に伸縮する機械的振動を用いる圧電トランスは、その構造と振動モードから大電流を流しにくい構成となっていた。これについて説明する。

図２５（Ａ）は、図２４のローゼン型圧電トランスにおけるＸＸＶＡ―ＸＸＶＡ線に沿う断面図である。圧電トランス１を長さ方向に１／２波長の伸縮振動をさせた時、ある時間の長さ方向の変位分布を図２５（Ｂ）に、圧電トランス１を構成する矩形板２の内部応力分布を図２５（Ｃ）に、矩形板２の厚さ方向に垂直な面上に、振動により誘起される電荷分布を図２５（Ｄ）に示す。なお、図２５（Ｂ）において、縦軸は振動変位を表し、図２５（Ａ）における右方向への変位を＋方向、左方向への変位を−方向にそれぞれ示している。

さて、ローゼン型圧電トランスは、長さ方向の伸縮振動によって電荷が誘起され、伸縮振動による歪みの大きさと、発電部側の電極の面積に応じて、これを電流として取り出すものである。しかし、図２４に示す圧電トランス１は、発電部側の電極５の面積が小さいので、大電流を取り出し難い構造となっている。そのため、より多くの電流を取り出すためには、機械的振動の振幅をより大きくし、矩形板２をより大きく歪まさなければならない。

ところが、圧電トランス１を構成する矩形板２の材質が圧電セラミックである場合、分極処理によって発生する残留歪みの影響により、分極方向が不連続になっている部分２ａは、分極方向が連続になっている部分に比べて機械的強度が弱くなっている。そして、ローゼン型圧電トランスでは、図２５（Ａ）と（Ｃ）を参照して、通常の動作時に大きな応力が発生する部分と、分極が不連続な部分２ａとがほぼ一致する。よって、圧電トランス１の扱う電力が大きくなって機械的振動の振幅が増大すると、大きな応力が、分極方向が不連続な部分２ａに発生し、割れが生じやすくなる。そのため、矩形板を用いる圧電トランスは大きな電流を出力する用途には用いることができなかった。

そこで、大電流出力用途に使用するために、円板の径方向拡がり振動モードを用いた圧電トランスが提案されている（例えば特許文献１参照）。

図２６は、大電流出力用途に使用するために従来から提案されている、円板の径方向拡がり振動モードを用いた圧電トランスの概略平面図である。

図２７（Ａ）は、図２６のＸＸＶＩＩＡ−ＸＸＶＩＩＡ線に沿う断面図であり、又、図２７（Ｂ）と図２７（Ｃ）は、夫々、図２６の圧電トランスの応力分布と振動モード（振動変位分布）を示す。

この圧電トランスは、圧電セラミック円板の径方向拡がり３次振動モードを利用したものである。圧電セラミック円板１０の中心部分において、厚み方向に複数の電極１４が積層され、高インピーダンス部１２が形成されている。高インピーダンス部１２の外側に電極を有しない絶縁環状部分１５が形成され、さらにその外側に、厚み方向に複数の電極１３が積層されてなる低インピーダンス部１１が形成されている。

低インピーダンス部１１および高インピーダンス部１２において圧電性を付与するため、分極処理が行われている。厚み方向で隣接する各層の分極方向（図において矢印で示す）は、互いに逆向きである。

例えば降圧を目的とし、ａ，ｂを電気入力端子とし、ｃ，ｄを出力端子とすると、高インピーダンス部１２が駆動部分となり、低インピーダンス部１１が発電部となる。電気入力端子ａ，ｂから交流電圧を印加した場合、圧電トランスは円板の径方向拡がり３次振動が励振されると同時に、出力端子ｃ,ｄから降圧された交流電圧を取り出すことができる。

そして、通常の動作時に大きな応力が発生する部分と、分極が不連続な部分とが一致しないので、圧電トランスの扱う電力が大きくなって機械的振動の振幅が増大しても、割れは生じにくい。これは、円板の径方向拡がり１次振動モードを用いて駆動しても同様である。

特開平４−１６７５０４号公報

しかしながら、このような円板の径方向拡がり振動モードを用いた圧電トランスでは、図２７（Ａ）を参照して、円板の中心部に位置する高インピーダンス部１２を積層構造にすると、電気接続が困難となり、電気接続構造が複雑になるという問題点があった。

本発明は、電気接続が容易で、かつ大出力（大電流）化が可能になるように改良された圧電トランスを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、単位体積当たりの電力と出力電流の増大を実現することができるように改良された圧電トランスを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、高効率であると共に高い電気機械結合係数を有する圧電トランスを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、圧電体層と電極層との積層化によって、低インピーダンス部と高インピーダンス部とのインピーダンス比を大きくすることができる圧電トランスを提供することにある。

本発明の他の目的は、支持・固定あるいは電気接続による振動損失を抑制することができるように改良された圧電トランスを提供することにある。

本発明の他の目的は、そのような圧電トランスを備えた電源回路を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、そのような圧電トランスを備えた照明装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の圧電トランスは、厚み方向において互いに反対の一方の面と他方の面を有する圧電セラミック円板を備える。駆動部と発電部の一方となる一対の低インピーダンス部が、圧電セラミック円板の中心軸に関して対称に圧電セラミック円板中に配置されると共に、駆動部と発電部の他方となる一対の高インピーダンス部が、一対の低インピーダンス部とは電気的に分離されるように、上記中心軸に関して対称に圧電セラミック円板中に配置される。当該圧電トランスは、圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードにより駆動される。

本発明の圧電トランスでは、圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードを用いるので、電気機械結合係数が大きくなり、単位体積当たりの電力と出力電流の増大が図れる。また、駆動部と発電部の一方となる一対の低インピーダンス部が円板の中心軸に関して対称に配置され、かつ、駆動部と発電部の他方となる一対の高インピーダンス部が円板の中心軸に関して対称に配置されているので、駆動部側の電極から見た実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆが大きくなる。

本発明の電源回路によれば、単位当たりの電力と出力電流の増大を実現することができるように改良された圧電トランスを用いるので、長尺化と高輝度化による管の定格電力増大の要望に対応させた電源回路を得ることができる。

本発明の照明装置によれば、単位当たりの電力と出力電流の増大を実現することができるように改良された圧電トランスを用いるので、長尺化と高輝度化による管の定格電力増大の要望に対応させた照明装置を得ることができる。

以下に、本発明の各実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる圧電トランス５０Ａの斜視図であり、図２は、圧電トランス５０Ａの平面図である。図３（Ａ）と図３（Ｂ）は、夫々、図２におけるＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線とＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。

これらの図を参照して、実施の形態１にかかる圧電トランス５０Ａは、厚み方向において互いに反対の一方の面と他方の面を有する圧電セラミック円板２１を備える。圧電セラミック円板２１中に、発電部または駆動部となる一対の低インピーダンス部２２が、圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称に配置されている。更に、圧電セラミック円板２１中に、駆動部または発電部となる一対の高インピーダンス部２３が、一対の低インピーダンス部２２とは電気的に分離されるように、圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称に配置されている。

一対の高インピーダンス部２３は、圧電セラミック円板２１の一方の面上の例えば、駆動部に、圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称に設けられた一対の電極２４を含む。

一対の低インピーダンス部２２は、圧電セラミック円板２１の一方の面上の例えば、発電部に、一対の駆動部側の電極２４とは電気的に分離され、かつ圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称に設けられた一対の電極２５を含む。圧電セラミック円板２１の他方の面上には共通電極２６が設けられている。

一対の駆動部側の電極２４のそれぞれは、圧電セラミック円板２１の一方の面において、その中心軸から周縁に向かって放射状に拡がっている。一対の発電部側の電極２５のそれぞれは、圧電セラミック円板２１の一方の面において、その中心軸から周縁に向かって放射状に拡がっている。共通電極２６は、電極２４及び電極２５と位置的に対応するように、前記圧電セラミック円板２１の他方の面全体に形成されている。

圧電セラミック円板２１の一方の面上において、一対の駆動部側の電極２４の占有面積と一対の発電部側の電極２５の占有面積との比率を調整することにより、駆動部側の高インピーダンス部２３のインピーダンスと発電部側の低インピーダンス部２２のインピーダンスとの比を調節することが可能となる。図２に示すように、一対の発電部側の電極２５の占有面積は、一対の駆動部側の電極２４の占有面積より大きく設定されている。一対の発電部側の電極２５の占有面積を大きくとることにより、出力電流を増加させることができる。

この圧電トランス５０Ａは、円板の径方向拡がり振動モード（例えば１次振動モード）により駆動するように構成されており、図４に示すように、楕円曲線Ｃで示す振動形態と楕円曲線Ｄで示す振動形態とを繰り返すように圧電セラミック円板２１が振動する。この場合、円板の中心部Ｏが振動の節部となる。

円板の径方向拡がり振動の場合において、円板の全面に電極を形成すれば、円板の中心から径方向に均等に拡張する拡張と収縮を繰り返す共振振動（厚さ方向には伸縮しない）なので、電気機械結合係数ｋｐは、ｋｐ＝ｋ３１√｛２／（１−σ_Ｅ）｝で表される。ここで、σ_Ｅはポアソン比、ｋ３１は、矩形板の長さ方向横効果縦振動モードの電気機械結合係数を表す。

一般の弾性体では、ポアソン比は０．３前後であるので、円板の径方向拡がり振動モードの方が、矩形板の長さ方向横効果縦振動モードより、電気機械結合係数は大きくなる。したがって、本実施の形態のように、円板の径方向拡がり振動を用いると、１回の振動で電気エネルギーから機械エネルギーへエネルギー変換される割合が大きくなり、ひいては、電気機械結合係数が大きくなり、単位体積当たりの電力と出力電流の増大が図れる。

ところで、圧電体においては、電極が形成されて電界が印加されている部分にのみ、逆圧電効果により歪みが発生し、電極のない部分には逆圧電効果による歪みは発生しない。

したがって、駆動部の電極面積が主面全体にある場合（駆動部側の電極が主面全体に形成されている場合）から、図１に示すように圧電体の形状を変えないで、駆動部の電極面積を小さくしていくと、電極のある部分からみると、電極のない部分は負荷（振動の阻害要因）になる。また励振させたい振動（円板の径方向拡がり振動）以外の別の振動が励振しやすくなることがあり、この別の振動にエネルギーが消費される。その結果、駆動部の電極面積が主面全体にある場合から、電極面積を小さくしていくと、励振させたい共振振動に対する電気機械結合係数は小さくなる。このときの電気機械結合係数を実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆとして、全面に電極がある場合と区別して考える必要がある。すなわち、圧電材料固有の値である電気機械結合係数ｋｐとは異なり、電極形状など構造の要因が含まれた実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆを考えるのが圧電トランスの評価を考える場合、重要となる。

圧電トランスは交流電力を駆動部側（入力側）の電極に入力して、逆圧電効果によって、圧電トランス全体を共振振動させ、圧電効果によって発電部側（出力側）の電極に発生する電荷を取り出し、駆動部側の電極に対する発電部側の電極のインピーダンス比で、発電部側の電極からの出力電圧を昇圧／降圧させるものである。したがって、圧電振動を効率良く励振させるために、駆動部側の電極をできるだけ大きく構成するべきであるが、一般に圧電トランスとして電極構造を考えるときには、全面ではなく一部に形成させる部分的電極とせざるを得ないことから、電気入力に対する機械振動が大きくなるように、電極面積と配置で、駆動部側の電極から見た実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆを大きくするように構成するのが好ましい。

矩形板の場合と同様に、円板の場合でも、同体積で同じ振動を励振させる場合には、駆動部側の電極面積の小さい方が、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆは小さくなる。一方、円板の径方向拡がり振動として円板の中心から径方向対称的に伸縮させるためには、駆動部側の電極としては、面積が同じでも円板の中心に関して対称になるように配置した方が、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆは大きくなる（ｋｐに近づく）。

本実施の形態によれば、一対の駆動部側の電極２４が、圧電セラミック円板２１の面上であって、この面の中心軸に関して対称となるように設けられているので、比較例として図５に示すような、駆動部側の電極２４が非対称に圧電セラミック円板２１の上に形成されてなる圧電トランスに比べて、駆動部側の電極２４から見た実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆは大きくなる。

実使用時に近い入力電力に対して降圧比が最大（１:２）になる点で、入力電力に対する出力電流を求めた結果を、図６に示す。これらのデータは、図１を参照して、体積１．０６x１０^-6ｍ³の圧電セラミック円板を用い、円板の径方向拡がり１次振動モードで駆動させて得られたものである。一対の駆動部側の電極２４の占有面積と一対の発電部側の電極２５の占有面積との比は、１:２である。３００Ｗ出力時の駆動効率は９１％、電流密度は１．４x１０⁴Ａ／ｍ²であった。なお、ローゼン型圧電トランスの場合、１０Ｗ出力時の電流密度は、４．５x１０³Ａ／ｍ²であった。

矩形板の長さ方向横効果縦振動モードｋ３１の圧電トランスは、構造の工夫により、昇圧比を稼げる（単板で数倍、積層構造では積層次第で３０から６０倍）が、出力電流は小さい（数ｍＡ〜数十ｍＡ）ため、大きな出力電流を要する用途には応用が困難だった。しかし、本実施の形態にかかる圧電トランス５０Ａによれば、出力電流を大きく取れる（数百ｍＡ以上）。したがって、例えば、熱陰極管（普通の蛍光灯）は、１００Ｖ商用電源から数十Ｖに降圧して（１／２〜１／３）、電流は数百ｍＡオーダで使用するものであるので、本実施の形態にかかる圧電トランス５０Ａを降圧型で使用することにより、この用途にも対応させることができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータに使用する場合にも、本実施の形態にかかる圧電トランスは、電流および電圧について対応できる。

さらに、液晶ディスプレイの大画面化、高輝度化に対応して、冷陰極管も長尺化し大電流を要するようになっており、１つの液晶ディスプレイに使われる冷陰極管の数も４０インチクラスで数十本使われている。本実施の形態にかかる圧電トランス５０Ａによれば、出力電流が増大するので、１つの圧電トランス５０Ａで多灯点灯を行うことができる。

なお、本実施の形態では、円板の径方向拡がり１次振動モードで駆動させた場合を例示したが、本発明はこれに限られるものでなく、さらに高次の振動モードで駆動させてもよい。圧電トランス５０Ａについての図３（Ｂ）では、一対の発電部側の電極２５の両方と共通電極２６の間に負荷を設けて、一対の発電部側の電極２５のそれぞれの直下に位置する部分の分極方向を矢印が示すように同一にしている。

図７は、図３（Ｂ）に対応すると共に、圧電トランス５０Ａの第１変形例にかかる圧電トランス５０Ａ’を示す。圧電トランス５０Ａ’についての図７では、矢印で示すように、圧電セラミック円板２１中において、一対の発電部側の電極２５のそれぞれの直下に位置する部分の極性を変え（分極方向を互いに逆方向にする）、一対の発電部側の電極２５間に負荷を設けることにより、取り出される出力電圧を２倍にすることができる。

図８は、圧電トランス５０Ａの第２変形例にかかる圧電トランス５０Ａ”を示す。図９（Ａ）と図９（Ｂ）は、夫々、圧電トランス５０Ａ”の平面図と底面図である。又、図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）は、夫々、図９（Ａ）におけるＸＡ−ＸＡ線とＸＢ−ＸＢ線に沿う断面図である。

圧電トランス５０Ａ”が圧電トランス５０Ａと異なる点は、図９（Ｂ）に示すように、圧電トランス５０Ａにおいて圧電セラミック円板２１の他方の面に設けられていた共通電極２６を分割した点である。これについて以下に説明する。

図８乃至図１０に示すように、一対の低インピーダンス部２２Ａは、圧電セラミック円板２１の一方の面上に、圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称に設けられた一対の第１電極２５ａを含む。一対の第１電極２５ａは、低インピーダンス部２２Ａへの電流の一方の出入口である第１の端子ａに並列に電気的接続される。

また、一対の低インピーダンス部２２Ｂは、圧電セラミック円板２１の他方の面上に、圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称に設けられた一対の第２電極２５ｂを含む。一対の第２電極２５ｂは、この低インピーダンス２２Ｂへの電流の他方の出入口である第２の端子ｂに並列に電気的接続される。

一対の高インピーダンス部２３Ａは、圧電セラミック円板２１の一方の面上に、圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称に設けられた一対の第３電極２４ａを含む。一対の第３電極２４ａは、一対の第１電極２５ａとは電気的に分離されている。一対の第３電極２４ａは、高インピーダンス部２３Ａへの電流の一方の出入口である第３の端子ｃに並列に電気的接続されている。

また、一対の高インピーダンス部２３Ｂは、圧電セラミック円板２１の他方の面上に、圧電セラミック円板２１の中心軸に関して対称となるように設けられた一対の第４電極２４ｂを含む。一対の第４電極２４ｂは、一対の第２電極２５ｂとは電気的に分離されている。一対の第４電極２４ｂは、高インピーダンス部２３Ｂへの電流の他方の出入口である第４の端子ｄに並列に電気的接続されている。

この変形例によれば、圧電セラミック円板２１の他方の面上において、低インピーダンス部２２Ｂの第２電極２５ｂと、高インピーダンス部２３Ｂの第４電極２４ｂとが、電気的に分離されているので、例えば、高インピーダンス部２３Ａの第３電極２４ａと高インピーダンス部２３Ｂの第４電極２４ｂとの間に、ノイズの多い信号が導入されても、そのノイズは、低インピーダンス部２２Ａの第１電極２５ａと低インピーダンス部２２Ｂの第２電極２５ｂの間で取り出されない。

上記一対の第１電極２５ａのそれぞれは、圧電セラミック円板２１の一方の面において、その中心軸から周縁に向かって放射状に拡がっている。一対の第２電極２５ｂのそれぞれは、圧電セラミック円板２１の他方の面において、その中心軸から周縁に向かって放射状に拡がっている。一対の第３電極２４ａのそれぞれは、圧電セラミック円板２１の一方の面において、その中心軸から周縁に向かって放射状に拡がっている。一対の第４電極２４ｂのそれぞれは、圧電セラミック円板２１の他方の面において、その中心軸から周縁に向かって放射状に拡がっている。

本実施の形態では、駆動部側の電極および発電部側の電極を放射状に形成することにより、圧電セラミック円板２１の表面を有効に利用することができ、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆをより大きくすることができる。

（実施の形態２）
図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）は、夫々、本発明の実施の形態２にかかる圧電トランス５０Ｂの平面図と底面図である。又、図１２は、図１１（Ａ）におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。圧電トランス５０Ｂは、以下の点を除いて、図８に示す圧電トランス５０Ａ”と同一であるので、同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を繰り返さない。

図１１と図１２に示すように、圧電セラミック円板２１の一方の面の中心部には、支持部材３５を接触させるための、一対の第１の電極２５ａおよび一対の第３電極２４ａのいずれもが設けられていない円形領域２７ａが形成されている。また、圧電セラミック円板２１の他方の面の中心部には、支持部材３５を接触させるための、一対の第２の電極２５ｂおよび一対の第４電極２４ｂのいずれもが設けられていない円形領域２７ｂが形成されている。

図１３（Ｂ）は、圧電トランス５０Ｂの比較例としての圧電トランスを示す。図１３（Ｂ）に示すように、共通電極２６が、圧電トランス５０Ａと同様に圧電セラミック円板２１の他方の面全体に形成されている場合には、振動変位の節部は図のように点になる。したがって、この場合、振動を阻害することなく、支持部材３５が圧電トランスを支持するためには、支持部材３５は節部に対応する一点で圧電トランスを支持する必要があり、支持部材３５と圧電トランスとの接触面積を少しでも大きくすると振動を阻害する。

一方、圧電トランス５０Ｂについての図１３（Ａ）に示すように、圧電セラミック円板２１の他方の面上に、一対の第２の電極２５ｂおよび一対の第４電極２４ｂのいずれもが設けられない円形領域２７ｂを形成すると、振動変位の節部を図のように平坦にすることができる。なぜなら、圧電体においては、電極が形成されて電界が印加されている部分にのみ、逆圧電効果により歪みが発生し、電極のない部分には逆圧電効果による歪みは発生しないからである。したがって、この振動変位の節部が平坦になった部分に、支持部材３５を接触させることができるようになり、支持部材３５と圧電セラミック円板２１との接触面積を大きく取ることができる。ひいては、振動を阻害することなく、圧電トランスを安定に支持することができる。

また、図１１（Ｂ）に示すように、圧電セラミック円板２１の他方の面上に形成される電極を、駆動部側と発電部側とで区別するように、それぞれの専用の電極２４ｂと電極２５ｂを設け、これらを電気的に分離する。このように構成することにより、例えば、駆動部側の電極２４ａと２４ｂの間にノイズの多い信号が導入されても、そのノイズは、発電部側の電極２５ａと２５ｂの間で取り出されない。

なお、本実施の形態では、圧電セラミック円板２１の他方の面上に形成される電極を、駆動部側と発電部側とで区別し電気的に分離した構成としたが、円形領域２７ｂを除いて全面に形成された共通電極としても、上記したように、振動を阻害することなく、圧電トランスを安定に支持することが可能となる。

（実施の形態３）
図１４は、本発明の実施の形態３にかかる圧電トランス５０Ｃの平面図である。又、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）と図１５（Ｃ）は、夫々、図１４におけるＸＶＡ−ＸＶＡ線、ＸＶＢ−ＸＶＢ線とＸＶＣ−ＸＶＣ線に沿う断面図である。

図１５（Ｂ）に示すように、一対の低インピーダンス部２２のそれぞれは、厚み方向に電極層２９と圧電体層３０とが交互に積層されている。電極層２９は、一つ置きに圧電体層３０の一の側壁面に露出し、圧電体層３０の一の側壁面に形成された側部電極３１ａに接続されている。又、図１５（Ｃ）に示すように、残りの電極層２９は、圧電体層３０の他の側壁面に露出し、圧電体層３０の他の側壁面に形成された側部電極３１ｂに接続されている。

図１４乃至図１５に示すように、一対の高インピーダンス部２３のそれぞれは、低インピーダンス部２２よりも電極層の積層数が少なく、圧電体層３３を挟む電極層３２と共通電極２６によって一組の駆動部側の電極が構成されている。

本実施の形態では、実施の形態１と同様に、一対の駆動部側の電極の占有面積と、一対の発電部側の電極の占有面積との比率を調整し、さらに、上述のように、一組の駆動部側の電極層の積層数と一組の発電部側の電極層の積層数を調節することにより、低インピーダンス部２２と高インピーダンス部２３のインピーダンス比を調節している。

また、図１５（Ａ）乃至図１５（Ｃ）に示すように、積層化しても、駆動部側の電極および発電部側の電極ともに電極層が圧電体層の側壁面と上下面に露出するので、図２７（Ａ）に示す従来技術と異なり、電気接続は困難とならない。

図１６（Ａ）と図１６（Ｂ）は、夫々、圧電トランス５０Ｃの変形例にかかる圧電トランス５０Ｃ’の平面図と底面図である。又、図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）と図１７（Ｃ）は、夫々、図１６（Ａ）のＸＶＩＩＡ−ＸＶＩＩＡ線、ＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢ線とＸＶＩＩＣ−ＸＶＩＩＣ線に沿う断面図である。

圧電トランス５０Ｃ’が圧電トランス５０Ｃと異なる点は、圧電トランス５０Ｃの圧電セラミック円板の他方の面に形成される共通電極２６を低インピーダンス側専用の電極２９'と高インピーダンス側専用の電極３２'とに分け、電極２９’と３２’を電気的に分離した点である。電極２９’と３２’を電気的に分離することにより、例えば、駆動部側の電極３２と３２'の間に、ノイズの多い信号が導入されても、そのノイズは、発電部の電極２９と２９'の間で取り出されない。

なお、圧電トランス５０Ｃ及び５０Ｃ’では、高インピーダンス部２３の電極層３２が単板である場合を例示したが、本発明はこれに限られるものでなく、複数の積層された電極層３２を含む構造にしてもよいことはいうまでもない。

（実施の形態４）
図１８は、本発明の実施の形態４にかかる圧電トランス５０Ｄの斜視図である。圧電トランス５０Ｄは、実施の形態１乃至３の圧電トランス５０Ａ〜５０Ｃのいずれか、例えば、実施の形態１の圧電トランス５０Ａとして働く圧電トランス本体５０’と、圧電トランス本体５０’の下面全体に接合された金属円板５５を備える。

例えば、圧電トランス本体５０’と金属円板５５の厚さを、圧電トランス５０Ｄの最大歪みが金属円板５５の内部で生成されるように設定する。このような設定を行った場合、圧電トランス本体５０’を形成する圧電体よりも大きな歪みに耐えることが可能な金属製の円板５５内で最大歪みが生成されるため、圧電トランス５０Ｄは、圧電体単体で形成された圧電トランス（実施の形態１乃至３の圧電トランス５０Ａ〜５０Ｃのいずれか）よりも大振幅での動作が可能となる。この結果、本実施の形態の圧電トランス５０Ｄは、より大きな電力を扱うことが可能となる。
なお、本実施の形態では、金属円板５５を用いたが、本発明はこれに限られるものでなく、金属以外の材料が圧電トランス本体５０’の圧電体よりも大きな歪みに耐えることができれば、その材料からなる円板で金属円板５５を置換してもよいことはいうまでもない。

（実施の形態５）
図１９は、本発明の実施の形態５にかかる圧電トランスユニット１００の断面図である。

圧電トランスユニット１００は、圧電トランス５０と、圧電トランス５０を支持するための、導電性の弾性体で形成された支持部材４０を備える。圧電トランス５０は、例えば、実施の形態１の圧電トランス５０Ａである。圧電トランス５０と支持部材４０は、ケース３６内に収容されている。支持部材４０は、円板の径方向拡がり振動モードで動作させた際の振動の節部である円板の中心付近で圧電トランス５０と接触することによって圧電トランス５０を支持するとともに、圧電トランス５０との接触点で、圧電トランス５０への電力の入出力を行う。

本実施の形態によれば、導電性の弾性体で形成された支持部材４０を用いて、振動の節部である円板の中心部近傍で圧電トランス５０の支持と電気接続を行うので、支持部材４０による圧電トランス５０の支持と電力入出力に起因する振動損失を同時に抑制することができる。

（実施の形態６）
図２０は、本発明の実施の形態６にかかる電源回路１１０のブロック図である。電源回路１１０では、実施の形態１乃至４の圧電トランス５０Ａ〜５０Ｄのいずれかで形成される圧電トランス５０を昇圧回路として用いている。電源回路１１０は、電源１０１、発振回路１０２、可変発振回路１０３、駆動回路１０４、負荷１０５、検出回路１０６、出力電圧検出回路１０７、第１制御回路１０８と第２制御回路１０９を備える。電源回路１１０において、圧電トランス５０に入力電力を供給する入力回路が部品１０１〜１０４により構成される一方、圧電トランス５０の出力電力を取出す出力回路が部品１０５〜１０９により構成される。

可変発振回路１０３により周波数信号を発生させ、駆動回路１０４により、圧電トランス５０の駆動信号を作る。圧電トランス５０の発電部側電極に接続した負荷１０５に対する電圧変化に応じて、圧電トランス５０を安定して駆動できるように、検出回路１０６によって検出された信号に応じて、第２制御回路１０９により、可変発振回路１０３および駆動回路１０４を介して圧電トランス５０が制御される。出力電圧検出回路１０７は、負荷１０５が管（冷陰極管、熱陰極管）の場合、管が点灯するまでの間動作し、管電流が流れ始めると動作を停止する。第１制御回路１０８は出力電圧が設定値以上に上昇しないように制御するものである。

本発明にかかる圧電トランス５０を昇圧用インバータ回路に用いると、従来の電磁トランスに比べて、圧電方式のトランス５０は駆動効率が高いことから、電磁方式のトランスを用いた昇圧回路に比べて回路効率の高い回路を実現できる。また、本発明にかかる圧電トランス５０は電磁方式のトランスよりも単位体積当たりに扱うことができる電気エネルギーが大きいので体積を小さくすることができ、またその形状から昇圧回路の薄型化もできる。その上、圧電トランス５０では、円板の径方向拡がり振動モードを用いているので、大きな電力を扱うことができる。

図２１は、図２０の電源回路１１０としての冷陰極管照明装置を組み込んだ液晶表示装置１２０を示す。冷陰極管照明装置は、図２０の電源回路１１０から負荷１０５を削除した圧電トランスインバータ回路１１２と、図２０の電源回路１１０の負荷１０５としての冷陰極管１１３とからなる。よって、この冷陰極管照明装置では、圧電トランス５０に入力電力を供給する入力回路が電源回路１１０の部品１０１〜１０４により構成される一方、圧電トランス５０の出力電力を取出す出力回路が冷陰極管１１３と電源回路１１０の部品１０６〜１０９により構成される。液晶表示装置１２０では、液晶パネル１１１が、このように構成された冷陰極管照明装置により、液晶パネル１１１の裏面に設けられた導光板１１４を介して照らされる。

従来の電磁方式のトランスでは、冷陰極管１１３の点灯開始時の高電圧を常に出力しておかなければならない。しかし、液晶表示装置１２０では、本発明にかかる圧電トランス５０を用いることにより、冷陰極管１１３の点灯開始時と点灯時の負荷変動に応じて、圧電トランス５０の出力電圧は変化するため、その負荷変動は、液晶表示装置１２０に存在する別の回路系へ悪影響を及ぼさない。また、圧電トランスインバータ回路１１２内の圧電トランス５０から冷陰極管１１３への出力電圧がほぼ正弦波であるため、冷陰極管１１３の点灯に寄与しない不要な周波数成分も少ない。

（実施の形態７）
図２２は、本発明の実施の形態７にかかる電源回路１３０のブロック図である。電源回路１３０は、実施の形態１乃至４の圧電トランス５０Ａ〜５０Ｄのいずれかで形成される圧電トランス５０を用いると共に、電源１２１、電源電圧制御回路１２２、発振回路１２３、可変発振回路１２４、駆動回路１２５、負荷１２６、検出回路１２７、比較回路１２８と制御回路１２９を備える。発振回路１２３により、基準となる周波数を作成する。比較回路１２８は、検出回路１２７からの出力と設定電圧（Ｖｒｅｆ）を比較して、電源電圧制御回路１２２のための電源電圧あるいは制御回路１２９のための駆動周波数またはその両方の制御を行う。制御回路１２９による駆動周波数の制御と電源電圧制御回路１２２による電源電圧の制御に応じて、駆動回路１２５で圧電トランス５０を駆動するための電力増幅を行う。なお、駆動回路１２５はスイッチング素子とフィルタ回路で構成される。負荷１２６は例えば陰極放電管である。

本発明にかかる圧電トランス５０は電磁方式のトランスよりも単位体積当たりに扱うことができる電気エネルギーが大きいので体積を小さくすることができ、またその形状から昇圧回路の薄型化もできる。その上、圧電トランス５０では、円板の径方向拡がり振動モードを用いているので、大きな電力を扱うことができる。

（実施の形態８）
図２３は、本発明の実施の形態８にかかる電源回路１４０のブロック図である。電源回路１４０は、実施の形態１乃至４の圧電トランス５０Ａ〜５０Ｄのいずれかで形成される圧電トランス５０を用いると共に、電源１３１、発振回路１３２、可変発振回路１３３、駆動回路１３４、負荷１３５、出力電圧検出回路１３６と制御回路１３７を備える。圧電トランス５０が接続される負荷１３５は、整流回路により構成される。本実施の形態によれば、出力電圧（負荷に印加される電圧）を一定に制御することができる。また、圧電トランス５０は電磁方式のトランスよりも単位体積当たりに扱うことができる電気エネルギーが大きいので体積を小さくすることができ、またその形状から薄型化もできる。その上、円板の径方向拡がり振動モードを用いているので、大きな電力を扱うことができる。

なお、上記実施の形態では、高インピーダンス部を駆動部とし、低インピーダンス部を発電部として用いる場合を例示したが、本発明はこれに限られるものでなく、低インピーダンス部を駆動部とし、高インピーダンス部を発電部として用いてもよい。

本発明の圧電トランスは、小型化及び大電力化を実現するから、大低格電力の電源回路、照明装置等に適用できる。

本発明の実施の形態１にかかる圧電トランスの斜視図である。 図１の圧電トランスの平面図である。 （Ａ）と（Ｂ）は、夫々、図２のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線とＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。 図１の圧電トランスの圧電セラミック円板の振動モードを示す図である。 図１の圧電トランスの比較例にかかる圧電トランスの平面図である。 図１の圧電トランスにおける入力電力と出力電流の関係を示すグラフである。 図１の圧電トランスの第１変形例にかかる圧電トランスを示す断面図である。 図１の圧電トランスの第２変形例にかかる圧電トランスを示す斜視図である。 （Ａ）と（Ｂ）は、夫々、図８の圧電トランスの平面図と底面図である。 （Ａ）と（Ｂ）は、夫々、図９（Ａ）のＸＡ−ＸＡ線とＸＢ−ＸＢ線に沿う断面図である。 （Ａ）と（Ｂ）は、夫々、本発明の実施の形態２にかかる圧電トランスの平面図と底面図である。 図１１（Ａ）のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。 （Ａ）と（Ｂ）は、夫々、図１２の圧電トランスの振動変位分布と図１２の圧電トランスの比較例としての圧電トランスの振動変位分布を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる圧電トランスの平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）と（Ｃ）は、夫々、図１４のＸＶＡ−ＸＶＡ線、ＸＶＢ−ＸＶＢ線とＸＶＣ−ＸＶＣ線に沿う断面図である。 （Ａ）と（Ｂ）は、夫々、図１４の圧電トランスの変形例にかかる圧電トランスの平面図と底面図である。 （Ａ）、（Ｂ）と（Ｃ）は、夫々、図１６（Ａ）のＸＶＩＩＡ−ＸＶＩＩＡ線、ＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢ線とＸＶＩＩＣ−ＸＶＩＩＣ線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる圧電トランスの斜視図である。 本発明の実施の形態５にかかる圧電トランスユニットの断面図である。 本発明の実施の形態６にかかる電源回路のブロック図である。 図２０の電源回路としての冷陰極管照明装置を組込んだ液晶表示装置を示す概略正面図である。 本発明の実施の形態７にかかる電源回路のブロック図である。 本発明の実施の形態８にかかる電源回路のブロック図である。 従来のローゼン型圧電トランスの斜視図である。 （Ａ）は、図２４のＸＸＶＡ−ＸＸＶＡ線に沿う断面図であり、又、（Ｂ）、（Ｃ）と（Ｄ）は、夫々、図２４の従来の圧電トランスを１／２波長の伸縮振動させた時の変位分布、内部応力分布と電荷分布を示す図である。 円板の径方向拡がり３次振動モードを用いた別の従来の圧電トランスを示す概略平面図である。 （Ａ）は、図２６のＸＸＶＩＩＡ−ＸＸＶＩＩＡ線に沿う断面図であり、又、（Ｂ）と（Ｃ）は、夫々、図２６の別の従来の圧電トランスの応力分布と振動変位分布を示す図である。

符号の説明

２１ 圧電セラミック円板
２２ 低インピーダンス部
２３ 高インピーダンス部
２４ 駆動部側の電極
２５ 発電部側の電極
２６ 共通電極
５０ 圧電トランス

Claims (14)

1. 厚み方向において互いに反対の一方の面と他方の面を有する圧電セラミック円板と、
   前記圧電セラミック円板の中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板中に配置されると共に、駆動部と発電部の一方となる一対の低インピーダンス部と、
   前記一対の低インピーダンス部とは電気的に分離されるように、前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板中に配置されると共に、前記駆動部と前記発電部の他方となる一対の高インピーダンス部とを備えて、
   前記圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードにより駆動されるように構成された圧電トランス。
2. 前記一対の低インピーダンス部は、前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板の前記一方の面上に設けられた一対の第１電極を含み、
   前記一対の高インピーダンス部は、前記第１電極とは電気的に分離されるように、前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板の前記一方の面上に設けられた一対の第２電極を含み、
   前記圧電セラミック円板の前記他方の面上には、前記第１電極と前記第２電極に対応する位置に共通電極が設けられている請求項１に記載の圧電トランス。
3. 前記第１電極の各々は、前記圧電セラミック円板の一方の面において、前記中心軸から前記圧電セラミック円板の周縁に向かって放射状に拡がっており、
   前記第２電極の各々は、前記圧電セラミック円板の一方の面において、前記中心軸から前記圧電セラミック円板の前記周縁に向かって放射状に拡がっている請求項２に記載の圧電トランス。
4. 前記圧電セラミック円板の前記一方の面の中心部には、第１支持部材を接触させるための、前記第１電極と前記第２電極のいずれもが設けられていない第１領域が形成されており、
   前記圧電セラミック円板の前記他方の面の中心部には、第２支持部材を接触させるための、前記共通電極が設けられていない第２領域が形成されている請求項２又は３に記載の圧電トランス。
5. 前記一対の低インピーダンス部は、
   前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板の前記一方の面上に設けられると共に、該低インピーダンス部への電流の一方の出入口である第１の端子に電気的接続された一対の第１電極と、
   前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板の前記他方の面上に設けられると共に、該低インピーダンス部への電流の他方の出入口である第２の端子に電気的接続された一対の第２電極とを備える一方、
   前記一対の高インピーダンス部は、
   前記第１電極とは電気的に分離されるように、前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板の前記一方の面上に設けられると共に、該高インピーダンス部への電流の一方の出入口である第３の端子に電気的接続された一対の第３電極と、
   前記第２電極とは電気的に分離されるように、前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板の前記他方の面上に設けられると共に、該高インピーダンス部への電流の他方の出入口である第４の端子に電気的接続された一対の第４電極とを備える請求項１に記載の圧電トランス。
6. 前記第１電極の各々は、前記圧電セラミック円板の前記一方の面において、前記中心軸から前記圧電セラミック円板の周縁に向かって放射状に拡がっており、
   前記第２電極の各々は、前記圧電セラミック円板の前記他方の面において、前記中心軸から前記圧電セラミック円板の前記周縁に向かって放射状に拡がっており、
   前記第３電極の各々は、前記圧電セラミック円板の前記一方の面において、前記中心軸から前記圧電セラミック円板の前記周縁に向かって放射状に拡がっており、
   前記第４電極の各々は、前記圧電セラミック円板の前記他方の面において、前記中心軸から前記圧電セラミック円板の前記周縁に向かって放射状に拡がっている請求項５に記載の圧電トランス。
7. 前記圧電セラミック円板の前記一方の面の中心部には、第１支持部材を接触させるための、前記第１電極と前記第３電極のいずれもが設けられていない第１領域が形成されており、
   前記圧電セラミック円板の前記他方の面の中心部には、第２支持部材を接触させるための、前記第２電極と前記第４電極のいずれもが設けられていない第２領域が形成されている請求項５又は６に記載の圧電トランス。
8. 前記低インピーダンス部の各々は、前記厚み方向に交互に積層された第１電極層と第１圧電体層で形成される一方、
   前記高インピーダンス部の各々は、前記厚み方向に交互に積層された第２電極層と第２圧電体層で形成されている請求項１から７のいずれかに記載の圧電トランス。
9. 当該圧電トランスを支持する支持部材をさらに備え、
   前記支持部材は、前記圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードで当該圧電トランスを駆動させた際の振動の節部付近で当該圧電トランスを支持している請求項１から８のいずれかに記載の圧電トランス。
10. 前記低インピーダンス部における電機接続と前記高インピーダンス部における電気接続を、前記圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードで当該圧電トランスを駆動させた際の振動の節部付近で行うように構成された請求項１から９のいずれかに記載の圧電トランス。
11. 当該圧電トランスを支持するための、導電性の弾性体からなる支持部材をさらに備え、前記支持部材は、
    前記圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードで当該圧電トランスを駆動させた際の振動の節部付近で当該圧電トランスと接触し、それによって当該圧電トランスを支持するとともに、
    当該圧電トランスとの接触点で、当該圧電トランスでの電力の入出力を行う請求項１から１０のいずれかに記載の圧電トランス。
12. 前記圧電セラミック円板と略同じ寸法を有すると共に前記圧電セラミック円板の前記一方の面と前記他方の面のいずれかに接合される金属円板を更に備える請求項１に記載の圧電トランス。
13. 厚み方向において互いに反対の一方の面と他方の面を有する圧電セラミック円板と、前記圧電セラミック円板の中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板中に配置されると共に、駆動部と発電部の一方となる一対の低インピーダンス部と、前記一対の低インピーダンス部とは電気的に分離されるように、前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板中に配置されると共に、前記駆動部と前記発電部の他方となる一対の高インピーダンス部とを含んで、前記圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードにより駆動されるように構成された圧電トランスと、
    前記圧電トランスに入力電力を供給する入力回路と、
    前記圧電トランスの出力電力を取り出す出力回路とを備える電源回路。
14. 厚み方向において互いに反対の一方の面と他方の面を有する圧電セラミック円板と、前記圧電セラミック円板の中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板中に配置されると共に、駆動部と発電部の一方となる一対の低インピーダンス部と、前記一対の低インピーダンス部とは電気的に分離されるように、前記中心軸に関して対称に前記圧電セラミック円板中に配置されると共に、前記駆動部と前記発電部の他方となる一対の高インピーダンス部とを含んで、前記圧電セラミック円板の径方向拡がり振動モードにより駆動されるように構成された圧電トランスと、
    前記圧電トランスに入力電力を供給する入力回路と、
    前記圧電トランスの出力電力を取り出す出力回路とを備える照明装置。
    

Images