JP3553028B2

JP3553028B2 - 蛍光灯用圧電トランス

Info

Publication number: JP3553028B2
Application number: JP2001135816A
Authority: JP
Inventors: 鍾宣金; 忠植劉
Original assignee: 三星電機株式会社
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2021-05-07
Also published as: US6667566B2; US20010038259A1; CN1173421C; JP2001339107A; CN1325144A; KR20010100598A; KR100349126B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電トランスに関するものとして、殊に圧電体ブロックの各辺中央領域に形成される電極面積を隅部領域に形成される電極面積より小さくなるよう形成して圧電体ブロック中央部位の応力を最小化させて高電力を出力させることにより、一般蛍光灯に適用可能な蛍光灯用圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックは１９４０年代半ばにＢａＴｉＯ_３が初めて開発された後より優れた圧電特性を有するＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＺＴ）が発見されて電子部品の素材として実用化された。このＰＺＴはＰｂＺｒ０_３とＰｂＴｉＯ_３の固溶体としてペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）構造を有して優れた圧電特性を有するが、こうした２成分系組成変化を容易にさせ圧電特性を更に向上させようと３成分系複合ペロブスカイト化合物が現在開発されている。Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ_３−Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、Ｐｂ（ＭＧ、Ｔａ）Ｏ_３−Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｎ、Ｎｂ）Ｏ_３−Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３等が３成分系複合ペロブスカイト化合物として活発に研究されている。こうした圧電物質を用いた電気部品は製造し易さと電気的特性の向上のみならず軽量短小化という長所ゆえ近年、その応用範囲が次第に広まってきた。
【０００３】
こうした圧電物質を応用した例としては図４（ａ）、（ｂ）に示した如き振幅変調用帯域通過フィルターがある。図面において、図４（ａ）は帯域通過フィルターの平面図を示し図４（ｂ）はＡ−Ａ線断面図を示している。図面に示した如く、前記帯域通過フィルターは略六面体から成る圧電体ブロック（３０１）の上面及び下面に電極が形成される構造から成る。上面に形成される電極は各々入力電極（３０３）と出力電極（３０５）を示し、下面に形成された電極（３０７）は共通電極を示す。
【０００４】
前記入力電極（３０３）に共振周波数に相当する交流電圧を印加すると印加された電気的信号は、圧電体ブロック（３０１）の入力側近傍で強い機械的振動に変換され、該機械的振動が出力側に伝えられて共振周波数に比例する電圧が出力電極（３０５）を通じて出力される。
【０００５】
前記圧電材料は１９１０年代末から応用されて開発に取り掛かられたものとして、現在、高電圧発生機器、超音波機器、音響機器、ＡＭラジオ用４５．５ＫＨｚＩＦフィルターとＦＭラジオ用１０．７ＭＨＺフィルター、通信機器、各種センサ等に幅広く応用されている。最近では通信機器用の共振子やフィルター等に応用範囲が拡大されて液晶ディスプレイ用バックライト（ｂａｃｋｌｉｇｈｔ）照明の陰極管インバータ等にも用いられており、一般のインバータに用いられる圧電トランスとしても開発されている。
【０００６】
図５（ａ）、（ｂ）に圧電物質が応用された典型的なトランスの構造を示した。図面に示したトランスは厚み方向と長手方向の振動を表すローゼン型（ＲｏｓｅｎＴｙｐｅ）として、図５（ａ）は斜視図を、図５（ｂ）は断面図を示している。図面に示したように、前記トランスは圧電体ブロック（３０１）の上下面一部に形成された入力電極（３０３ａ、３０３ｂ）領域においては厚み方向に分極され、その反対側の厚み方向面に形成された出力電極（３０５）領域においては長手方向に分極されている。前記構造の圧電トランスを昇圧させる場合は、入力電極（３０３ａ、３０３ｂ）に共振周波数に相当する交流電圧を印加すると印加された電気的信号が圧電体ブロック（３０１）の入力側近傍で厚み方向の強い機械的振動に変換され、該機械的振動が出力側に伝えられて長手方向の振動を起こさせる。該長手方向の機械的振動は出力電極（３０５）を通じて入力電極に印加された電圧と同一周波数である高周波の昇圧された高電圧に出力される。
【０００７】
この際、出力側の高い昇圧は入力電圧周波数と出力側の機械的振動周波数とが同一な場合に最大になり、圧電トランスの昇圧比は負荷インピーダンスにより異なるが出力側に相対的に高い負荷インピーダンスが印加される場合に昇圧比が最大になる。それに対して、出力側に低い負荷インピーダンスが印加される場合には昇圧比が数十倍以下になる。
【０００８】
冷陰極管や蛍光灯の如き圧電トランスがランプ用に応用される場合にはランプの種類により負荷インピーダンスが異なるが圧電トランスを最適条件で作製すれば低い負荷インピーダンスでも高い昇圧比を保てるようになる。更に、点灯前に高い負荷がかかり点灯後に低いインピーダンスになる正常状態でも適当な昇圧比を保つようになり冷陰極管や蛍光ランプの如きランプ用に使用可能になる。
【０００９】
更に、最近では図６（ａ）、（ｂ）に示したような輪郭振動モードを用いた圧電トランスも開発された。図面に示したように、前記輪郭振動モードを用いた圧電トランスは図４（ａ）、（ｂ）に示した帯域通過フィルターの構造と類似し、単に電極形状が異なるだけである。即ち、図４（ａ）、（ｂ）に示した帯域通過フィルターでは入力電極（３０３）の形状が矩形状であるのに比べてトランスではその形状が円形状である。出力電極（３０５）は圧電体ブロック（３０１）上面に前記入力電極（３０３）から一定距離を隔てて形成されており、圧電体ブロック（３０１）下面には共通電極（３０７）が形成されている。前記入力電極（３０３）を通じて電圧が印加されると印加された電気的信号は、圧電物質により入力電極（３０３）の形成された圧電体ブロック（３０１）の中央から周辺側に向かって機械的振動に変換された後、機械的振動に比例する信号が出力電極（３０５）を通じて出力される。こうした圧電トランスはノートパソコンの液晶表示装置用の如き低電力用トランスとして主に用いられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の如く現在の圧電トランスを用いた各種電気素子が生産されているが、高電力用トランスは未だ作製し兼ねる実状である。冷陰極管用に用いられるローゼン型もしくはこれを積層型に応用した圧電トランス（米国特許第６、０３７、７０６号に開示）は構造が複雑で且つ低出力な為蛍光灯用には応用できず、輪郭振動モードの圧電トランスの場合には材質の限界から、これら圧電体を積層した構造が研究されている。「ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｌａｍｐｗｉｔｈＰＦＣｕｓｉｎｇａｐｏｗｅｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ、ＳｕｎｇＪｉｎＣｈｏｉ、ＩＥＥＥ（１９９８、２、１５）、Ｐ１１４１」に開示の輪郭振動モードの円形状電極や矩形状電極の場合は材質問題とは別に低出力が問題であった。更に、電極の構造による問題が発生したが、圧電トランスの場合に一般に電気的信号が機械的振動に変換される際、圧電体の一部領域の応力が最大に起こり素子が破損されたり効率が低下するという問題を抱えていた。
【００１１】
本発明は前記の諸問題を鑑みて案出されたものとして、機械的振動が弱く起こる圧電体ブロックの辺中央部位の電極面積を小さくすることにより応力による熱の発生を極力抑えて圧電体ブロックの破損を防ぐことができる圧電トランスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、本発明による圧電トランスは圧電体ブロック（１０１）上部の応力発生地域の電極面積を減少させることにより応力により発生する熱を最少化する。応力は主に圧電体ブロック（１０１）の辺中央部位に多く発生する為、該部位の電極を最小化することにより高電力用トランスに適用する場合にも応力を最小化できるようになる。その為、電極形状をダイヤモンド形や略十字形に形成することができる。更に、電極形状は限定されず各種形状に形成してもよい。
【００１３】
一般に液晶表示装置のバックライト用圧電トランスはローゼン型圧電トランスとして、こうしたローゼン型圧電トランスは冷陰極管点灯装置に応用されているが高電圧、小電流出力に限られる為一般蛍光灯への適用は不可能であった。通常の蛍光灯は点灯中ランプの等価インピーダンスが数ＫΩ以下で冷陰極管インピーダンス（８０〜１００ＫΩ）よりはずっと低い。
【００１４】
本発明においては一般蛍光灯に適用可能な圧電トランスを提供する。こうした圧電トランスを形成する為、本発明においては電極の構造を従来とは異なって形成した。前記の如く電極の構造を変化させた理由は電気的信号が機械的振動に変換される際、圧電体の特定領域で応力が最大に起こる為である。本発明においては電極構造を変換させることにより応力が最大に起こる領域を変化させて所望の電圧及び電流出力が可能な圧電トランスを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて本発明による圧電トランスを詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は本発明による圧電トランスを示した図面であり、図１（ａ）は圧電トランスの平面図、図１（ｂ）は断面図を示す。図面に示したように、本発明の圧電トランスは略六面体形状に形成された圧電体ブロック（１０１）と、前記圧電体ブロック（１０１）の上面に形成された入力電極（１０３）及び出力電極（１０５）と、前記圧電体ブロック（１０１）の下面に形成された共通電極（１０７）とから成る。前記入力電極（１０３）は略菱形状またはダイヤモンド形状から成っており、前記入力電極（１０３）と出力電極（１０５）は設定距離程離れている。共通電極（１０７）は圧電体ブロック（１０１）下面の少なくとも一部分に分離されないまま一体で形成されている。
【００１６】
前記構造から成る圧電トランスにおいて、前記入力電極（１０３）及び共通電極（１０７）を通じて電気的信号が入力されると該電気的信号は、前記圧電体ブロック（１０１）で輪郭振動モードの機械的振動に変換された後に前記出力電極（１０５）を通じて機械的振動に比例する信号が出力される。
【００１７】
図２（ａ）、（ｂ）の二点鎖線で示したように、電圧の印加による圧電体ブロック（１０１）の振動は圧電体ブロック（１０１）の隅部で最も強く辺中央領域で最も弱くなる。図面において隅部の矢印は前記圧電体ブロック（１０１）が振動する度合いを示す。こうした振動の度合いは言うまでもなく圧電体の材質や印加される電圧の大きさ等により異なることができる。
【００１８】
前記の如く、圧電体ブロック（１０１）の隅部において機械的振動が最も強く辺中央領域（図面においてＰ点）での振動が最も弱い為、電圧の印加による圧電トランス作動の際、圧電体ブロック（１０１）中央に最大応力が作用して圧電体ブロック（１０１）の辺中央領域は次に応力の高い地点になる。こうした応力の発生は、結局、前記辺中央領域に熱を発生させる為に圧電体ブロック（１０１）に深刻な影響を及ぼす。
【００１９】
通常電圧の印加により電気的信号が入力されて機械的振動に変換される場合、振動は主に入力電極と出力電極側で強く発生する。従って、応力の大きい辺中央領域（Ｐ）の電極面積を小さくすれば、振動の度合いが弱くなって応力が小さくなりその結果、熱の発生を減少せしめることができる。この際、入力電極（１０３）と出力電極（１０５）の各辺一辺の長さの比は約１：１．５〜１：３．１４であることが好ましい。
【００２０】
本発明においてはこうした目的の為に、図面に示した如く入力電極（１０３）の形状をダイヤモンド形（菱形）に形成した。従って、入力電極（１０３）と出力電極（１０５）との間の電極が形成されていない領域が六面体圧電体ブロック（１０１）の辺中央領域（Ｐ）近傍に近づくようになり前記領域（Ｐ）では電極面積が減少されるようになる。
【００２１】
前記の如く入力電極（１０３）をダイヤモンド形に形成する場合には径方向の電気機械結合係数（Ｋｐ）が長手方向の結合係数（Ｋ３１）より大きくなる為、エネルギー変換効率が向上されるばかりでなく出力側の静電容量が増加して出力側でのインピーダンスを減少させる作用が働く。従って、出力側への出力電力を上昇させることができる。更に、入力電極（１０３）がダイヤモンド形に形成される場合にも昇圧比が減少できるので、点灯時に低いインピーダンスを有する蛍光灯の点灯にも有用に適用可能である。
【００２２】
前記の如く、本発明による圧電トランスの入力電極（１０３）形状をダイヤモンド形に限定する必要は無い。つまり、本発明では電極形状に拘わらず圧電体ブロック（１０１）の辺中央領域（Ｐ）の電極面積を小さくすればする程応力が小さくなり、その結果、熱の発生による影響が及びにくくなるのである。
【００２３】
図１（ｂ）に示した如く、共通電極（１０７）は圧電体ブロック（１０１）下面の少なくとも一部分に一パターンで形成されて入力電極（１０３）と出力電極（１０５）の外部回路（図示せず）と接続される場合、前記共通電極（１０７）を通じて外部回路から雑音が入力される場合もあった。こうした問題を解決する為に図３（ａ）に示した如く、圧電体ブロック（２０１）下部に形成される共通電極（２０７）をアイソレーション（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）させることができる。こうした共通電極（２０７）のアイソレーションにより外部回路から雑音が入力されるのを防げるようになる。図３（ａ）に示した共通電極（２０７）は圧電体ブロック（２０１）上面に形成される入力電極（２０３）及び出力電極（２０５）とは異なる形状に形成されるが、図３（ｂ）に示した如く入力電極（２０３）及び出力電極（２０５）と同一の形状及び大きさ、即ち対称に形成してもよい。
【００２４】
前記の如く、本発明による圧電トランスにおいては圧電体ブロックの各辺中央領域に形成される電極面積が隅部領域に形成される電極面積より小さくなるよう形成される。従って、電極形状が特定される必要は無く、前記の如く中央領域の電極面積が隅部領域の電極面積より小さくなればよい。その為に、入力電極の形状をダイヤモンド形、菱形や十字形の如き各種形状に形成できるのである。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による圧電体ブロックにおいて応力が最大に発生する部位の電極面積を減少させて応力を最小化することにより高電圧用圧電トランスに適用される場合にも熱の発生による圧電体ブロックの破損や効率低下等を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による蛍光灯用圧電トランスの構造を示した図面である。
【図２】本発明の蛍光灯用圧電トランスに電圧を印加した際に機械的振動が起こる形状を示した図面である。
【図３】本発明の他の実施の形態による蛍光灯用圧電トランスの構造を示した図面である。
【図４】圧電物質を用いた従来の帯域通過フィルターの構造を示した図面である。
【図５】圧電物質を用いた従来のローゼン型圧電トランスの構造を示した図面である。
【図６】圧電物質を用いた従来の輪郭振動モード型圧電トランスの構造を示した図面である。
【符号の説明】
１０１、２０１圧電体ブロック
１０３、２０３入力電極
１０５、２０５出力電極
１０７、２０７共通電極

Claims

相互対向する第１面及び第２面を有し少なくとも前記第１面は四角形の構造とされ、圧電物質から成り輪郭振動モードで電気的信号を機械的振動に変換させる圧電体ブロック（１０１）と、
ダイヤモンド形状とされ、前記ダイヤモンド形状の各隅部が前記圧電体ブロック（１０１）の各辺中央領域を向かうよう前記圧電体ブロック（１０１）の第１面の中央領域に形成されて電気的信号が入力される入力電極（１０３）と、
前記圧電体ブロック（１０１）の第１面の周辺領域に前記入力電極（１０３）とは一定間隙を隔てて前記圧電体ブロック（１０１）部分が露出した電極が形成されていない領域が形成されて前記圧電体により機械的振動に変換された信号を再び電気的信号に変換して出力する出力電極（１０５）と、
前記圧電体ブロック（１０１）の第１面に形成された共通電極（１０７）とから成り、
前記圧電体ブロック（１０１）の最外郭（辺中央領域）から前記電極が形成されていない領域までの距離が前記圧電体ブロック（１０１）の辺中央領域において最小になることを特徴とする圧電トランス。
前記入力電極（１０３）と出力電極（１０５）の一辺の長さの比は約１：１．１５〜１：３．１４であることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
前記共通電極（１０７）は圧電体ブロック（１０１）の第２面の少なくとも一部分に一体で形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
前記共通電極（１０７）は圧電体ブロック（１０１）の第２面に複数のアイソレーションから形成されて外部から雑音が入力されるのを防ぐことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
前記共通電極（１０７）は圧電体ブロック（１０１）の第１面に形成される入力電極（１０３）及び出力電極（１０５）と対向することを特徴とす請求項４に記載の圧電トランス。
相互対向する第１面及び第２面を有し少なくとも前記第１面は四角形の構造とされ、圧電物質から成り輪郭振動モードで電気的信号を機械的振動に変換させる圧電体ブロック（１０１）と、
十字形状とされ、前記十字形状の各凸部が前記圧電体ブロック（１０１）の各辺中央領域を向かうよう前記圧電体ブロック（１０１）の第１面の中央領域に形成され、電気的信号が入力される入力電極（１０３）と、
前記圧電体ブロック（１０１）の第１面の周辺領域に前記入力電極（１０３）とは一定間隙を隔てて前記圧電体ブロック（１０１）部分が露出した電極が形成されていない領域が形成されて前記圧電体により機械的振動に変換された信号を再び電気的信号に変換して出力する出力電極（１０５）と、
前記圧電体ブロック（１０１）の第２面に形成された共通電極（１０７）とから成り、
前記圧電体ブロック（１０１）の最外郭（辺中央領域）から前記オープン領域までの距離が前記圧電体ブロック（１０１）の辺中央領域で最小になることを特徴とする圧電トランス。