JP2007220947A - 圧電トランス及びインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで圧電トランスの出力電圧が検出でる圧電トランス及び過電圧保護機能を有する実装面積が小さいインバータ装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 圧電トランス素子２１を保持する保持具２２に導体配線２３を設け、浮遊容量を介して前記導体配線２３に流れる電流を検出することにより、圧電トランス５０の出力電圧を検出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧電トランス及び圧電トランスを利用するインバータ回路に関し、特に放電管を点灯するのに好適な圧電トランス及びインバータ回路に関するものである。

液晶パネルを使用する液晶表示装置には、バックライトとして冷陰極管と呼ばれる放電管が用いられている。この冷陰極管を点灯させる為には、インバータ装置と呼ばれる高電圧を発生する電源装置が用いられている。インバータ装置には、昇圧トランスとして電磁トランスの他に圧電トランスが使用されている。

圧電トランスは、圧電セラミックスの持つ圧電現象と逆圧電現象を利用し、設定された昇圧比で電磁トランスと同様に電圧を昇圧し高電圧を発生するデバイスである。圧電トランスは、電磁トランスに比べ効率が良いので小型化・低背化が可能である。そのため、ノート型パソコンや薄型テレビ等の液晶表示装置には圧電トランスを用いたインバータ装置が数多く使用されている。

図１は、従来の圧電トランスを用いたインバータ装置の説明図である。図１（ａ）はブロック図であり、図１（ｂ）は回路図である。従来の圧電トランスを用いたインバータ装置の回路構成は図１（ａ）のブロック図で示すように、冷陰極管や放電管などからなる負荷回路４と、負荷回路４に高電圧を出力する圧電トランス３と、圧電トランス３を駆動する駆動回路２と、駆動回路２の前段にあって負荷回路４への出力を制御する出力制御回路１とで構成される。

さらに、従来の圧電トランスを用いたインバータ装置は、圧電トランス３が出力する出力電圧を検出する出力電圧検出手段７と、出力電圧検出手段７が出力する出力電圧検出信号を監視して異常の際に異常信号を出力する過電圧保護機能を有する保護回路６と、負荷回路４に流れる電流を検出する電流検出回路８と、保護回路６と電流検出回路８とから出力される信号によりインバータ装置の動作や駆動周波数を制御する発振周波数制御回路５とを備えている。

出力制御回路１は発振周波数制御回路５が出力する信号を基に出力を制御している。出力電圧検出手段７は、図１（ｂ）に示すように、抵抗素子１０と複数の抵抗素子９との間のＢ点で圧電トランス３の出力電圧を検出している。このような過電圧保護機能を具備する圧電トランスを用いたインバータ装置は、特許文献１に開示されている。

また、従来の圧電トランスを用いたインバータ装置において、導体配線をプリント基板上に設けて、電磁結合を利用して圧電トランスの出力電圧を検出する提案もなされている。図２は従来の圧電トランスを用いたインバータ装置の説明図である。図２（ａ）は圧電トランスの幅方向断面図であり、図２（ｂ）は圧電トランスの長手向の部分断面図であり、図２（ｃ）は等価回路図である。

従来の圧電トランスを用いたインバータ装置では、図２（ａ）に示すように圧電トランス３がプリント基板１３上に実装されている。圧電トランス３は矩形板状の圧電トランス素子１１が保持具１２に収納保持されている。圧電トランス３が実装されているプリント基板１３の面と反対の面には導体配線１４が設けられている。

図２（ｂ）に示すように、圧電トランス素子１１の出力電極１５がプリント基板１３の表面に設けられた配線部１６にリード線１９で接続されている。また、プリント基板１３を挟んで配線部１６と対向する位置に導体配線１４が設けられている。この導体配線１４と配線部１６とが向かい合った部分ではプリント基板１３の浮遊容量を介して電磁的に結合する電磁結合部１７が形成されている。

図２（ｃ）は、電磁結合部１７を等価回路で表した回路図である。電磁結合部１７には、浮遊容量１８が存在し、この浮遊容量１８を介して配線部１６から導体配線１４に流れる電流を検出することで、圧電トランス素子１１が出力する電圧を検出することができる。このように、圧電トランス素子１１の出力電極１５が接続される配線部１６と、その近傍のプリント基板１３上に設けられた導体配線１４との間で形成される電磁結合部１７を設けて、圧電トランス素子１１が出力する電圧を電磁結合により検出する手段を有するインバータ装置は特許文献２に開示されている。

特開２０００−７８７４１号公報 特開２００４−１６４８８９号公報

従来の圧電トランスを用いたインバータ装置は、圧電トランスの出力電圧を分圧して検出する場合、分圧するための抵抗素子が必要となる。また、圧電トランスが出力する電圧は数ｋＶと高いため使用する抵抗素子は高耐圧のものが必要となる。

しかしながら、高耐圧の抵抗素子は形状が大きくなり多数配置すると大きな実装面積が必要となるのでインバータ装置の小型化に限界を生じるという問題点がある。

また、電磁結合を利用して圧電トランスが出力する電圧を検出する場合には、両面プリント基板や多層基板を使用して圧電トランスを実装する基板の両面や内層に配線パターンを設ける必要がある。そのため、安価な片面プリント基板が使用できずコスト高になるという問題点がある。

従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、低コストで圧電トランスの出力電圧が検出できる圧電トランス及び過電圧保護機能を具備する実装面積が小さいインバータ装置を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、圧電トランスを保持する保持具に導体配線を設け、前記圧電トランスの出力部と前期導体配線の間に存在する浮遊容量を介して前記導体配線に流れる電流を検出することにより、前記圧電トランスの出力電圧を検出することをその要旨とする。

本発明によれば、入力電極と出力電極とを有する圧電トランス素子が保持具に収納保持されてなる圧電トランスであって、前記保持具は、少なくとも一部に導体配線を具備する絶縁体からなる筐体を成し、前記圧電トランス素子は、前記保持具の内壁との間に空隙が生じるように配置されてなることを特徴とする圧電トランスが得られる。

本発明による圧電トランスは、入力電極と出力電極とを有する圧電トランス素子を保持具に収納保持してなる。前記保持具は絶縁物質で形成する。また、前記保持具の形態は底部を有する枠体或いはその一部分で筐体を構成する。圧電トランス素子を前記保持具に収納する際には、圧電トランス素子の振動を阻害しないようにノード点を固定し、保持具の内壁に接触しないように空隙を設けて収納する。さらに、前記保持具には導体配線を設ける。この導体配線と圧電トランスの出力電極との間に設けた前記空隙には浮遊容量が存在するので、圧電トランスの出力に応じた電流がこの浮遊容量を介して導体配線に流れる。

前記導体配線は、前記出力電極との距離が最短となる位置を中心に２０ｍｍ×２０ｍｍ以内の領域を含み配置され、且つ、前記保持具の外壁、もしくは壁内部に配置されてなることを特徴圧電トランスが得られる。

本発明によれば、前記導体配線を圧電トランス素子の出力電極の近傍に配置することで、圧電トランスの出力に応じて前記浮遊容量を介して流れる電流を効率よく流すことができる。前記導体配線は、前記出力電極との距離が最短となる位置を中心に２０ｍｍ×２０ｍｍ以内の領域を含み配置されるとよい。前記保持具の外壁或いは壁の内部に前記導体配線を設けることで、設定された距離を確保することができ、導体配線と出力電極との絶縁を保ちながら、且つ、導体配線と出力電極との間の浮遊容量を安定させることができる。

前記導体配線は、圧電トランス素子の前記出力電極と直接接続せずに圧電トランス素子の前記出力電極近傍に介在する僅かな浮遊容量を介して接続される。圧電トランス素子の出力電極には数ＫＶという高電圧が発生するので、この僅かな浮遊容量を介して前記導体配線に電流が流れる。この電流を検出することで圧電トランスの発生する出力電圧が検出できる。

従って、従来の圧電トランスでは、圧電トランス素子の出力電極に多数の高耐圧の抵抗素子を接続して圧電トランスの出力電圧を分圧して検出しているが、本発明による圧電トランスでは、この抵抗素子が不要となる。

本発明によれば、前記導体配線は、少なくとも一部に拡幅部を有することを特徴とする圧電トランスが得られる。前記浮遊容量は、前記導体配線の面積によって変化する。従って、前記浮遊容量を介して導体配線に圧電トランスの出力に応じて流れる電流を前記導体配線に拡幅部を設けることで制御する。また、拡幅部ではなく狭幅部を設けて制御してもよいが、拡幅部を設けたほうが検出できる電流はより安定する。

また、本発明によれば、前記の圧電トランスと、該圧電トランスを駆動する駆動回路と、該駆動回路を制御する制御回路とを有するインバータ装置であって、前記導体配線に流れる電流を検出する検出回路を設けて動作制御を行うことを特徴とするインバータ装置が得られる。

本発明によるインバータ装置は、前記圧電トランスと、前記圧電トランスを励振させるための駆動回路と、前記駆動回路の動作を最適に制御する制御回路とで構成する。また、圧電トランスの出力電圧を制御するために、圧電トランスの出力電圧を検出して前記制御回路にフィードバックする検出回路を設ける。この検出回路は、前記圧電トランスの保持具に設けた前記導体配線に流れる電流を検出する回路である。動作制御には、前記検出回路が検出した電流を検出信号として監視し、異常を検知した際に異常信号を出力する過電圧保護機能を有する保護回路を設けて制御する。

従来の圧電トランスを用いたインバータ装置は、圧電トランスの出力電圧を分圧して検出するために多数の高耐圧の抵抗部品を使用している。これに対して、本発明による圧電トランスを用いるインバータ装置は抵抗部品が不要となり、抵抗部品を実装するスペースも不要となる。

前記の如く、本発明によれば、低コストで圧電トランスの出力電圧が検出できる圧電トランス及び過電圧保護機能を有する実装面積が小さいインバータ装置の提供が可能となる。

本発明による圧電トランスは、圧電トランス素子を保持具に収納保持してなる。前記保持具は樹脂や非金属等の絶縁物で形成する。前記保持具は、圧電トランス素子の外形より大きい枠体に底部を設けた有底枠体とし、圧電トランス素子の振動を阻害しない様にノード点を支持する支持部を設ける。さらに、保持具には圧電トランス素子の出力電極近傍に位置する前記底部或いは枠体の表面若しくは内部に導体配線を設ける。尚、保持具は一体でなくとも、前記有底枠体の一部分を複数組み合わせた構造としても良い。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。

（実施例１）
図３は本実施例による圧電トランスを示す図である。図３（ａ）は上面斜視図、図３（ｂ）は底面斜視図、図３（ｃ）は上面図、図３（ｄ）は断面図である。

本実施例による圧電トランス５０は、圧電トランス素子２１と保持具２２で構成した。圧電トランス素子２１は、長さ４０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ２ｍｍの矩形の圧電セラミックス板を使用し、長手方向中心から一端までが入力部で他端の端面が出力部であるローゼン型と呼ばれる圧電トランス素子を用いた。圧電セラミックス板にはジルコン酸チタン酸鉛系のハード材に属する材料を使用した。前記入力部には厚みを成す２面に入力電極を設け前記出力部には出力電極１５を設けた。

圧電トランス素子２１を図３（ａ）に示すように保持具２２に収納して圧電トランス５０とした。図３（ｂ）に示すように、保持具２２の底部２４の表面に導体配線２３を設けた。導体配線２３は、圧電トランス素子２１の出力部近傍と対向する位置に拡幅部があり、長手方向に対して平行に底部２４の幅方向中央部を通り、長手方向中央部で側面に向かって延在する配線とした。保持具２２は液晶ポリマー樹脂を射出成形して有底枠体を構成したもので、前記射出成形時に導体配線２３と端子１０１を同時成形したものである。

圧電トランス素子２１と導体配線２３との間の空間５１には、僅かな浮遊容量が存在する。そのため、圧電トランス素子２１の出力電極１５近傍と導体配線２３とはこの浮遊容量を介して電気的に接続される。従って、圧電トランス素子２１の出力電極１５に高電圧が生じると、前記浮遊容量を介して導体配線２３に電流が流れる。この電流は、圧電トランス素子２１の出力電極１５に生じる電圧に比例するので、この電流を検出することにより、圧電トランスの出力或いはインバータ装置の動作を制御することができる。

（実施例２）
図４は、本実施例による圧電トランスを用いたインバータ装置の説明図である。図４（ａ）はブロック図であり、図４（ｂ）は等価回路図である。図４（ａ）には、実施例１で製作した圧電トランスを使用した本実施例によるインバータ装置のブロック図を示している。

本実施例によるインバータ装置は、放電管からなる負荷回路３４と、負荷回路３４に高電圧を発生して出力する実施例１による圧電トランス３３と、圧電トランス３３を駆動する駆動回路３２と、駆動回路３２の前段にあって負荷回路３４への出力を制御する出力制御回路３１で構成した。

さらに、本実施例によるインバータ装置は、圧電トランス３３が出力する出力電圧を検出する出力電圧検出手段３７と、出力電圧検出手段３７が出力する出力電圧検出信号を監視し過電圧保護機能を有する保護回路３６と、負荷回路３４に流れる電流を検出する電流検出回路３８と、保護回路３６と電流検出回路３８とから出力される信号によりインバータ装置の駆動周波数を制御する発振周波数制御回路３５を備えた。出力制御回路３１は、発振周波数制御回路３５が出力する信号を基に出力を制御する。

図４（ｂ）は、実施例１による圧電トランス３３と出力電圧検出手段３７を等価回路で示している。圧電トランス素子２１の出力電極１５と、実施例１による圧電トランス３３に設けた導体配線２３とは、その近傍に存在する浮遊容量３９を介して電気的に接続されている。また、導体配線２３を抵抗４０でアースに接続して出力電圧検出手段３７とした。

出力電圧検出手段３７は、導体配線２３と抵抗４０の間のＣ点で電圧を検出して保護回路３６に出力する。このＣ点の電圧は、圧電トランス素子２１の出力電極１５に生じる電圧によって浮遊容量３９を介して導体配線２３に流れる電流に比例する。従って、圧電トランス３３の出力電圧が検出でき保護回路３６で監視することができる。

保護回路３６は、圧電トランス３３の出力電圧をＣ点の電圧で監視し、異常を検出した場合に異常信号を発振周波数制御回路３５に出力する構成とした。一方、電流検出回路３８は負荷回路３４に流れる電流を検出し、発振周波数制御回路３５に出力する。発振周波数制御回路３５では、保護回路３６からの異常信号の有無と電流検出回路３８からの電流値から、最適な動作状態を維持するための制御信号を出力制御回路に出力する。

本実施例では、実施例１による圧電トランスを使用することで、圧電トランスの出力電圧を分圧せずに検出ができるので、過電圧保護機能を有する実装面積が小さい低コストのインバータ装置となった。

（実施例３）
図５は、本実施例による圧電トランスの断面図である。本実施例では、実施例１と同様に圧電トランス５２を圧電トランス素子４１と保持具４２とで構成した。圧電トランス素子４１は、長さ４０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ２ｍｍの矩形の圧電セラミックス板を使用し、長手方向中心から一端までが入力部で他端の端面が出力部であるローゼン型と呼ばれる圧電トランス素子を用いた。圧電セラミックス板にはジルコン酸チタン酸鉛系のハード材に属する材料を使用した。前記入力部には厚みを成す２面に入力電極を設け前記出力部には出力電極を設けた。

圧電トランス素子４１を保持具４２に収納して圧電トランス５２とした。保持具４２の底部４４の内部に導体配線４３を設けた。導体配線４３は、圧電トランス素子４１の出力部近傍と対向する位置に拡幅部があり、長手方向に対して平行に底部４４の幅方向中央部を通り、長手方向中央部で側面に向かって延在する配線とした。保持具４２は液晶ポリマー樹脂を射出成形して有底枠体を構成したもので、前記射出成形時に導体配線４３が底部４４の内部に埋まるように同時成形したものである。

圧電トランス素子４１は保持具４２の内面と一定の距離を確保して固定した。圧電トランス素子４１と導体配線４３は底部４４により絶縁された上で一定の距離を隔して近接させた。圧電トランス素子４１と導体配線４３との間の空間５１には僅かな浮遊容量が存在する。そのため、圧電トランス素子４１の出力電極近傍と導体配線４３とは、この浮遊容量を介して電気的に接続される。従って、圧電トランス素子４１の出力電極に高電圧が生じると、前記浮遊容量を介して導体配線４３に電流が流れる。この電流は、圧電トランス素子４１の出力電極に生じる電圧に比例するので、この電流を検出することにより、圧電トランスの出力或いはインバータ装置の動作を制御することができる。

上記の実施例１及び実施例３による圧電トランスでは、保持具に設けた導体配線の圧電トランス素子の出力部近傍と対向する位置に拡幅部を設けたが、この拡幅部の形状や面積等により、圧電トランス素子の出力電極と導体配線との間に介在する浮遊容量の値が変化する。従って、導体配線の拡幅部の形状や面積等は、使用する圧電トランス素子の仕様やインバータ装置の仕様等に合わせて最適に設定することが可能である。

（実施例４）
図６は、本実施例による導体配線の形状を示す図である。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、いずれもパターン図である。本実施例では、実施例３による圧電トランスにおいて、保持具の底部４４に設けた導体配線４３の拡幅部の形状を図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示す形状とした。即ち、図６（ａ）に示す導体配線４６は拡幅部が無い形状であり、図６（ｂ）に示す導体配線４７は拡幅部が四角形であり、図６（ｃ）に示す導体配線４８は拡幅部が楕円形である。

このように、本実施例では、導体配線の拡幅部の面積や形状を変えても、圧電トランス素子の出力電極に電圧が生じると、前記浮遊容量を介して導体配線に電流が流れることが確認できた。

本実施例では、導体配線は金属板を成形したものを使用し、保持具を成形する際に導体配線も同時に一体成形したが、導体配線は成形した保持具の表面に金属薄膜をめっき処理やエッチングで後から形成しても良い。

上記の如く、本発明によれば、圧電トランスを保持する保持具に導体配線を設け、浮遊容量を介して前記導体配線に流れる電流を検出することにより、圧電トランスの出力電圧の検出が可能となり、圧電トランスの出力電圧の分圧に使用する多数の高耐圧の抵抗素子が不要となるので、低コストで圧電トランスの出力電圧が検出できる圧電トランス及び過電圧保護機能を有する実装面積が小さいインバータ装置の提供が可能となる。

本発明による圧電トランス及びインバータ装置は、液晶表示装置のバックライトや冷陰極管等の放電管を点灯させる装置として利用できるほか、その他高電圧を必要とする装置や機器等に利用できる。

従来の圧電トランスを用いたインバータ装置の説明図、図１（ａ）はブロック、図１（ｂ）は回路図。 従来の圧電トランスを用いたインバータ装置の説明図、図２（ａ）は圧電トランスの幅方向断面図、図２（ｂ）は圧電トランスの長手向の部分断面図、図２（ｃ）は等価回路図。 実施例による圧電トランスを示す図、図３（ａ）は上面斜視図、図３（ｂ）は底面斜視図、図３（ｃ）は上面図、図３（ｄ）は断面図。 実施例による圧電トランスを用いたインバータ装置の説明図、図４（ａ）はブロック図、図４（ｂ）は等価回路図。 実施例による圧電トランスの断面図。 実施例による導体配線の形状を示す図、図６（ａ）はパターン図、図６（ｂ）はパターン図、図６（ｃ）はパターン図。

符号の説明

１、３１ 出力制御回路
２、３２ 駆動回路
３、２０、３３、５０、５２ 圧電トランス
４、３４ 負荷回路
５、３５ 発振周波数制御回路
６、３６ 保護回路
７、３７ 出力電圧検出手段
８、３８ 電流検出回路
９、１０ 抵抗素子
１１、２１、４１ 圧電トランス素子
１２、２２、４２ 保持具
１３、２５、４５ プリント基板
１４、２３、４３、４６、４７、４８ 導体配線
１５ 出力電極
１６ 配線部
１７ 電磁結合部
１８、３９ 浮遊容量
１９ リード線
２４、４４ 底部
４０ 抵抗
５１ 空間
１０１ 端子

Claims (4)

1. 入力電極と出力電極とを有する圧電トランス素子が保持具に収納保持されてなる圧電トランスであって、前記保持具は、少なくとも一部に導体配線を具備する絶縁体からなる筐体を成し、前記圧電トランス素子は、前記保持具の内壁との間に空隙が生じるように配置されてなることを特徴とする圧電トランス。
2. 前記導体配線は、前記出力電極との距離が最短となる位置を中心にして２０ｍｍ×２０ｍｍ以内の領域を含み配置され、且つ、前記保持具の外壁、もしくは壁内部に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
3. 前記導体配線は、少なくとも一部に拡幅部を有することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の圧電トランス。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧電トランスと、該圧電トランスを駆動する駆動回路と、該駆動回路を制御する制御回路とを有するインバータ装置であって、前記導体配線に流れる電流を検出する検出回路を設けて動作制御を行うことを特徴とするインバータ装置。

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