JP2008198847A - 圧電トランス及び電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を積層構造とすることなく、電圧変換効率の高い圧電トランス及び電源装置を提供する。
【解決手段】２端子型圧電振動子に直列に付加コンデンサを接続し、付加コンデンサの両端から出力を取り出す。さらに付加コンデンサの容量Ｃｐは、共振周波数をｆｒ、負荷抵抗の値をＲＬ（Ω）、としたとき、Ｃｐ＝１／（２πｆｒＲＬ）で与えられる値とする。
【選択図】図１

Description

本発明は小型の電子機器やＯＡ機器に用いられる圧電トランスに関し、特に低い駆動電圧で効率よく動作する圧電トランス及び電源装置に関する。

従来から、所望の直流や交流の電圧を供給するための電源装置に利用できるように、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータに用いられる圧電トランスがあった。

この圧電トランスは圧電振動子の逆圧電効果と圧電効果を利用して出力を得るものである。まず、圧電振動子に交流電圧を印加して機械的に励振し、電気的入力を機械エネルギーに変換する。次に、この機械エネルギーを圧電効果により再び電気エネルギーに変換して出力端子から出力を取り出す。

このようにして、圧電トランスは入力電圧の昇圧や降圧等による電気−機械変換の作用により、所望の電圧を得ることができる電子デバイスである。この圧電トランスは従来の電磁トランスと比較して、巻線が無いことや、電磁ノイズの放射が少ないなどの特徴を有している。

また、圧電トランスは圧電素子を薄く形成することによりトランスの厚みを小さくすることができる。よって液晶表示装置等のバックライト用のインバータに用いることができる。

図７は、圧電トランスとして最も良く知られている従来のローゼン型圧電トランスの構造を示す斜視図である。矩形の圧電セラミック板７０の長軸方向において、約半分の領域の上下面に入力電極７１および共通アース電極７２が対抗して形成され、矢印で示すように厚さ方向に分極している。また、圧電セラミック板７０の入力および共通アース電極と反対方向の端面に出力電極７３が形成され、出力電極側の半分の領域は矢印で示すように長軸方向に分極されている。

図８は横効果対称３端子圧電トランスの構造を示す斜視図である。図８において、矩形の圧電セラミック版７０はほぼ全面にわたって矢印で示した厚さ方向に分極している。前記矩形の圧電セラミック版７０の表面には一方の端部側の半分の領域に電極８１が形成され、他方の端部側の半分の領域には、前記電極８１と微小間隔ｄを隔てて、電極８２が形成されている。また前記矩形の圧電セラミック版７０の裏面には、ほぼ全面にわたって電極８３が形成されている。これらの電極は電極８１が入力電極、電極８２が出力電極、電極８３が共通アース電極である。これらによって対象３端子型圧電トランスが構成されている。

図７に示したローゼン型圧電トランスは、出力側の電極面積が小さく、共通アース電極７２と出力電極７３との距離も長いため、出力側の静電容量が小さい。よって出力インピーダンスが高くなり、高い負荷抵抗のときに効率よく出力電圧を発生することができるため、高圧用の圧電トランスとして用いられる。「効率」とは入力された電力のうち、トランス内部で熱に変換されずに出力された電力の割合である。いわゆる電力変換効率を意味している。

これに対して、図８に示した横効果対称３端子圧電トランスは、文字通り入出力電極が対称的に形成されており、出力側の静電容量が大きい。よって出力インピーダンスが低くなり、低い負荷抵抗に対して効率よく電力を供給することができる。

図７および図８の圧電トランスの電気的な等価回路を図９に示した。図示したようにＲ、Ｌ、Ｃ直列回路の両端にコンデンサＣｄ１とＣｄ２が接続され全体としてπ型に接続された回路で表される。
図９において、コンデンサＣｄ１、Ｃｄ２はそれぞれ入力側の制動容量および出力側の制動容量である。

ここで、「制動」と言う意味は、「圧電振動子の振動を拘束した状態で測定した静電容量」という意味である。つまり、圧電振動子の共振周波数の近くでは、振動のリアクションとしてＬ，Ｃ，Ｒ直列回路が現れるが、共振周波数から離れた周波数では単なるコンデンサになるということである。厳密には「制動」つまり圧電振動子の振動を拘束した状態にしなければならないが、現実には共振周波数から十分離れた周波数で測定した静電容量ＣｆからＬＣＲの直列回路のＣを差し引いた値を制動容量としている。

圧電トランスの効果を最大にするために、下記の式で与えられる負荷抵抗ＲＬを出力側の制動容量Ｃｄ２に並列に接続することが知られている。
ＲＬ＝１／（２πｆｒＣｄ２）・・・（１）

圧電トランスの効率が高くなる負荷抵抗ＲＬの値は、圧電素子寸法と電極寸法により決まる出力側の制動容量Ｃｄ２の値に依存する。したがって、従来は負荷抵抗の値の選択自由度や出力電圧の設定の自由度が少ないという欠点があった。

また、最近の電子機器の電源電圧の低下に伴い、入出力電圧が数ＶのＤＣ−ＤＣコンバータの要求が高くなっている。圧電トランスを用いてこのような用途に適用しようとした場合には以下の２つの方法が考えられる。
（１）等価回路における抵抗を小さくする。
（２）出力側の制動容量を大きくする。

これを実現するために、図７および図８に示した圧電トランスの一層あたりの厚さを薄くして、これを複数枚積層して一体構造としたいわゆる積層型圧電トランスを用いる方法がある。
特開２００１−９４１６６

しかし、積層型圧電トランスは製造プロセスが複雑になり、専用の大掛かりの設備が必要となり、結果として圧電トランスのコストが上昇するという問題がある。

そこで、本発明は、圧電振動子に２端子構造を用いることで圧電振動子の特性を最大限に発揮させる構造を採用した。さらに付加コンデンサをこの２端子型の圧電振動子と直列に接続することで、小さい負荷抵抗ＲＬで圧電トランスの効率が最大となるようにした。これによって低い入力電圧で大きな出力電圧を得られるようにした圧電トランスを提供することができる。

また、上記課題を解決し本発明の目的を達成するために、本発明の圧電トランスは第１、第２の電極を有する２端子型の圧電素子と、第１、第２の端子を有する付加コンデンサを直列に接続し、この付加コンデンサと並列に負荷抵抗を接続する構造としている。つまり負荷抵抗は付加コンデンサの第１、第２の端子と接続される。

また、本発明の圧電トランスは圧電振動子の共振周波数をｆｒ、負荷抵抗の値をＲＬ、としたとき、付加コンデンサの静電容量の値Ｃｐを次式で与えられる値としている。
Ｃｐ＝１／（２πｆｒＲＬ）・・・（２）
さらに、本発明はこのような圧電トランスを有する電源装置を提供する。

本発明は、２端子型の圧電振動子を用いているので第１、第２の電極間に圧電セラミックが完全に収容される構造である。よって電気的なエネルギーの大部分を機械的なエネルギーに変換することができる。また、同様に機械的なエネルギーの大部分を電気的なエネルギーに変換することができる。したがって電気−機械変換効率を従来の横効果対称３端子圧電トランス用振動子（ローゼン型圧電振動子）より大きくすることが可能である。

さらに、２端子型の圧電振動子は電極面積を広くすることができるので、大きな制動容量を形成することができる。これによって共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａの差Δｆ＝ｆａ−ｆｒが広くなる。このため２端子型圧電振動子の特性を電気的な等価回路で表したときの、等価抵抗を小さくすることができ、電力変換効率の高い圧電トランスを得ることができる。

また、本発明によれば、積層構造とすることなく所望の特性が得られやすいので、圧電トランスの製造コストを低減することができる。

以下に図１〜図６を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の圧電トランスの構造を示した斜視図である。本発明の圧電トランスは圧電振動子１０が支持具４０を介して基板３０に取り付けられている。また付加コンデンサ２０も基板３０に取り付けられている。出力を取り出すには圧電振動子１０に入力を印加し付加コンデンサ２０に負荷抵抗ＲＬを接続することによって行う。

基板３０は必ずしも必要なものではなく、圧電振動子１０または付加コンデンサ２０を支持する機能を有してればよい。よって、例えば圧電振動子１０を支持部４０を介して筐体に直接固定する場合には筐体が基板３０と同等の部材となる。また別体の支持具４０を用いずに筐体の一部が支持具４０の機能を有し、圧電振動子１０を筐体に直接取り付ける構造でもよい。

圧電振動子１０は第１の電極１１および第２の電極１２を有しており、矩形の圧電セラミック板７０の対向する二つの面にこれら２つの電極が形成された構造である。この圧電振動子１０は、前処理として、第１の電極１１および第２の電極１２に直流電流が印加され、矩形の圧電セラミック板の厚さ方向に分極処理が施されている。

出力を取り出すにはこの圧電振動子１０に付加コンデンサ２０を直列に接続する。付加コンデンサ２０は第１の端子２１と第２の端子２２を有しており、第１の端子２１は圧電振動子の第１の電極１１と接続している。また第２の端子２２は後述のアース端子３１−ａ、３１−ｂと接続している。

本発明に用いている２端子型の圧電振動子１０は２つの電極を有している。本明細書では説明の便宜上、これらの電極を区別するために第１の電極、第２の電極と称している。
同様にコンデンサは通常２つの端子を有する構造であり、説明の便宜上これらの端子を区別して第１の端子２１、第２の端子２２と称している。

これら第１の電極、第２の電極、第１の端子、第２の端子は上記のように説明の便宜上、本明細書で称している。したがってこれらの電極、端子の接続関係については圧電振動子１０と付加コンデンサ２０が直列に接続されていればよく、圧電振動子１０および付加コンデンサ２０のどちらの端子を第１の電極、第１の端子と称するかは任意でよい。

圧電振動子１０の第１の電極１１、第２の電極１２には長軸方向の中央部の対向する位置に、リード線３４および３５が半田付けされている。リード線３４および３５の他方は、それぞれ、基板３０に形成された端子３６および３７に半田付けされている。

リード線３４、３５が圧電振動子１０の長軸方向の中央部に接続されているのは、この部分が振動の節に当たる部分だからである。つまり、振動の節は理論上変位がゼロであるので、振動を減衰させずにリード線３４、３５を接続することができる。よってリード線３４、３５を接続する位置は振動の節に対応する部分であればよく、必ずしも圧電振動子の長軸方向の中央部である必要はない。

端子３６、３７はプリント配線により、それぞれ入力端子３２、付加コンデンサ２０の第１の端子２１に接続されている。さらに、端子３７は出力端子３３に接続されている。つまり出力端子３３は付加コンデンサ２０の第１の端子２１および圧電振動子１０の第１の電極２１の両方と接続している状態である。付加コンデンサ２０の第２の端子２２は、プリント配線の共通アース配線３８に接続され、共通アース配線３８は、２つのアース端子３１−ａおよび３１−ｂに接続されている。

このように付加コンデンサ２０の第１の端子２１、第２の端子２２にそれぞれ出力端子３３およびアース端子３１−ａが接続されている。これら出力端子３３、アース端子３１−ａ間に負荷抵抗ＲＬ（図１には示されていない）を接続することによって電力を取り出すことができる。

圧電振動子１０は、１／２波長モードで共振する横効果長さ振動子として動作するので、長軸方向の中央部分が共振振動の節の位置になる。したがって、この位置に支持具４０を設け、圧電振動子１０を基板３０上に支持することが好ましい。例えば、圧電振動子１０の共振振動の減衰を少なくするために、長さ方向の中央部分が軟弾性体の支持具４０により支持固定することができる。

しかしながら、支持具４０は圧電振動子の長軸方向の中央部に限定されることはなく、振動の節の位置に支持具を設置することが好ましい。
また、この支持具４０は軟弾性体に限定されるものではなく、圧電振動子を支持する機能を有していればすべて支持具４０に含まれる。したがって、軟弾性体でなくたとえば金属、プラスチックなどの材料で形成された支持具４０でもよい。

さらに、支持具４０が圧電振動子１０を支持する形態は本発明に限定されるものではなく、例えば２本のアーム状の部材で圧電振動子を挟むように支持する形態でもよい。

図２は、本発明の圧電トランスの電気的等価回路である。図２において、Ｌ、Ｃ、Ｒ直列回路と、これに並列に接続されている制動容量Ｃｄからなる部分が２端子型の圧電振動子１０に対応する電気的な等価回路である。これらＬ、Ｃ、Ｒはそれぞれ等価インダクタンス、等価キャパシタンスおよび等価抵抗であり、Ｃｄは制動容量である。本発明の圧電トランスは２端子型の圧電振動子１０を使用しているので、制動容量Ｃｄは１つである。

図２に示されているように、この２端子型の圧電振動子１０に直列に付加コンデンサ２０が接続されている。この付加コンデンサ２０に負荷抵抗ＲＬを接続することによって電力を取り出す。例えば本発明の圧電トランスに冷陰極管を接続して点灯させる場合に冷陰極管が付加抵抗ＲＬとなる。また、詳細は後述するが本発明の圧電トランスに整流回路などの回路を接続する場合には、回路の入力インピーダンスが負荷抵抗ＲＬとなる。

この付加コンデンサ２０の容量は、負荷抵抗をＲＬ、圧電振動子の共振周波数をｆｒとすると１／（２πｆｒＲＬ）で与えられる値のときに効率よく電力を取り出すことができる。

図３、図４、図５は、圧電振動子１０に３通りの容量の付加コンデンサ２０を接続し、負荷抵抗ＲＬの値を変えたときの最大出力電圧、最大出力電力、および効率の測定値である。圧電振動子１０は例として長さ３２ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの矩形の圧電セラミック板１３を用い、その両面に第１の電極１１および第２の電極１２を形成し、厚さ方向に分極させて構成した。またこの圧電振動子１０に静電容量を１０００ｐＦ、５０００ｐＦ、１００００ｐＦの付加コンデンサ２０を接続し、負荷抵抗ＲＬを１０Ω、２０Ω、５０Ω、１００Ω、２００Ω、５００Ω、１０００Ωとした。

それぞれのグラフの中には、比較のために、同じ寸法の圧電セラミックを用いて構成した対称３端子型圧電トランスの測定値も示している。また、いずれの場合も入力電圧は５Ｖ（ｒｍｓ）である。

図３より、本発明の圧電トランスが、１０Ωから１０００Ωの負荷抵抗の範囲で、いずれの付加コンデンサ２０の値に対しても、横効果対称３端子型圧電トランスよりも大きな出力電圧を示していることがわかる。

また、図４より、本発明の圧電トランスの出力電力は、適切な付加コンデンサ２０の値を選定すれば、横効果対称３端子型圧電トランスの２倍以上になることがわかる。

また、図５より、本発明の圧電トランスは、特に、負荷抵抗が２００Ω以下の領域で、横効果対称３端子型圧電トランスと比較して高い効率を示している。また、実験に用いた形状寸法の圧電トランスでは、負荷抵抗の値１００Ω〜２００Ωの範囲で、実用的に許容される効率８０%以上を達成できることがわかる。

図５に示したように付加コンデンサ２０の容量が、１０００ｐＦ、５０００ｐＦ、および１００００ｐＦに対する効率の曲線から、それぞれ、負荷抵抗１５０Ω、３００Ω、１０００Ω付近で効率が最大になっていることがわかる。このことは、圧電振動子１０の共振周波数ｆｒを約１００ｋＨｚとして、それぞれの付加コンデンサ２０に対して（１）から求めた負荷抵抗１５９Ω、３１８Ω、および１５９０Ωと良く一致しており、逆に、付加コンデンサ２０に対して（１）式から求められる負荷抵抗ＲＬを接続すれば、効率良く電力を取り出すことができることを示している。

以上の説明では、２端子型の圧電振動子として、矩形の圧電セラミック板１３の両面に第１の電極１１および第２の電極１２を形成して、厚さ方向に分極させて構成した圧電振動子１０を用いた。しかし、本発明の圧電トランスにおいて、２端子型の圧電振動子１０は必ずしもこれに限定されるものではなく、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの差の周波数△ｆ＝ｆａ−ｆｒが大きく、等価抵抗Ｒが小さい２端子型の圧電振動子１０であれば、どのタイプの圧電振動子を用いても本発明の圧電トランスＡを構成することができる。

また、負荷抵抗ＲＬと付加コンデンサ２０の関係は、できるだけ、上記の（１）式あるいは（２）式の関係を満たすことが望ましいが、必ずしもぴったり一致させる必要は無く、多少効率を犠牲にしても、出力電圧を変化させたい場合には、負荷抵抗の値を変えても良い。

次に、本発明の圧電トランスＡを用いた電源装置を説明する。図６は、本発明の圧電トランスを用いた電源装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）の回路図である。
まず、図６に示す電源装置の構成について説明する。図６において、電源装置は、電圧変換部として、直流電圧入力９１を交流方形波に変換するスイッチング回路９２と、変換された交流方形波を正弦波に整形する整合回路９３と、整形された交流方形波を所望の電圧に変換する圧電トランスＡと、変換された電圧を整流して直流電圧出力９６を出力する整流回路９５とを備えている。

また、電源装置は、制御部として、整流回路９５の出力電圧を検出して基準電圧と比較し出力電圧が一定になるように制御する出力電圧検出回路９７と、出力電圧検出回路９７の出力電圧により、圧電トランスの共振周波数にほぼ等しい周波数の方形波を発振する発振制御回路９８とを備えている。

次に、動作の概略及び各ブロックの作用を説明する。
発振制御回路９８は、圧電トランスＡの共振周波数にほぼ等しい周波数の方形波を発振する。また、発振制御回路９８は、出力電圧検出回路９７の出力電圧により、発振周波数及びデューティを制御する。

スイッチング回路９２は、発振制御回路９８の出力により直流電圧を方形波交流電圧（電流）に変換して、方形波交流電圧を、整合回路９３を介して圧電トランスＡに入力する。

整合回路９３は、圧電トランスＡのインピーダンスと整合をとるための回路で、一般には、入力容量と圧電トランスＡの共振周波数ｆｒで共振するインダクタンス値を有するインダクタが用いられる。この整合回路９３は圧電トランスＡの入力電圧波形を方形波から正弦波に変換する機能がある。

整合回路９３を介して圧電トランスＡに入力された正弦波は、圧電トランスＡにより、昇圧あるいは降圧される。昇圧あるいは降圧された交流出力電圧は、整流回路９５により直流電圧に変換される。

圧電トランスＡは、本実施の形態の圧電トランスＡであり、入力電圧を昇圧あるいは降圧する昇圧・降圧トランス又は入力電圧をそのまま出力電圧とする絶縁トランスとして機能する。

整流回路９５は、圧電トランスＡの正弦波出力電圧を直流電圧に変換する。整流回路９５としては、一般的なダイオードブリッジやＦＥＴ（電界効果トランジスタ）検波器が用いられる。

出力電圧検出回路９７は、整流回路９５の出力電圧を検出して基準電圧と比較し、比較結果を発振制御回路９８に送り、出力電圧が一定になるように制御する。

上述したように、圧電トランスＡを電源回路に用いることにより、入出力インピーダンスを小さくことができ、これにより、低電圧で大きな電力を伝送することが可能となる。このため、小型で高効率かつ電磁ノイズの発生が少ない高性能な電源装置を実現することができる。

本発明の圧電トランスの構造を示す斜視図である。 本発明の圧電トランスの等価回路である。 本発明の圧電トランスの負荷抵抗−出力電圧特性例である。 本発明の圧電トランスの負荷抵抗−出力電力特性例である。 本発明の圧電トランスの負荷抵抗−効率特性例である。 本発明の圧電トランスを用いた電源装置の回路である。 従来のローゼン型圧電トランスの構造例である。 従来の横効果対称３端子型圧電トランスの構造例である。 一般的な圧電トランスの等価回路である。

符号の説明

１０：圧電振動子
１１：第１の電極
１２：第２の電極
１３：圧電セラミック板
２０：付加コンデンサ
２１：第１の端子
２２：第２の端子
３０：基板
３１−ａ：，３１−ｂ：アース端子
３２：入力端子
３３：出力端子
３４，３５：リード線
３６，３７：端子
３８：共通アース配線
７０：矩形の圧電セラミック板
７１：入力電極
７２，８３：共通アース電極
７３，８２：出力電極
Ｌ，Ｃ，Ｒ，Ｃｄ：圧電振動子の等価回路定数
Ｌ，Ｃ，Ｒ，Ｃｄ１，Ｃｄ２：圧電トランスの等価回路定数

Claims (3)

1. 互いに対向して配置された第１の電極と第２の電極を有する圧電振動子と、
   第１の端子と第２の端子を有し、第１の端子が圧電振動子の第１の電極に接続された付加コンデンサと、
   圧電振動子の第２の電極と接続している入力端子と、
   付加コンデンサの第１の端子および圧電振動子の第１の電極と接続している出力端子と、
   付加コンデンサの第２の端子と接続しているアース端子と、
   から構成される圧電トランス。
2. 付加コンデンサの容量は、出力端子とアース端子間に接続される負荷抵抗をＲＬ、圧電振動子の共振周波数をｆｒ、とすると１／（２πｆｒＲＬ）で与えられる値であることを特徴とする圧電トランス。
3. 請求項１または２に記載の圧電トランスを有する電源装置。

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