JP3580492B2

JP3580492B2 - 積層型圧電トランス及びそれを用いた電力変換装置

Info

Publication number: JP3580492B2
Application number: JP2000240575A
Authority: JP
Inventors: 徹阿部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1995-07-06
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: JP2001094169A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液晶ディスプレイのバックライト用インバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置に用いられる圧電トランス及びそれを用いた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、液晶ディスプレイにあっては液晶自身が発光しないことから液晶表示体の背面や側面に冷陰極管等の放電管を配置するバックライト方式が主流となっている。
【０００３】
この放電管を駆動するためには、これ自体の長さや直径にもよるが数１００ボルト以上の交流高電圧が要求される。この交流高電圧を発生させる方法として圧電トランスを用いた放電管および作動装置が特開平５−１１３５７８号公報に示されている。圧電トランスは巻線型トランスに比較して構造が非常に簡素であるため小型・薄型化、低コスト化が可能である。この圧電トランスの原理と特徴は学献社発行の専門誌「エレクトロニク・セラミクス」１９７１年７月号の「圧電トランスの特性とその応用」等に示されている。
【０００４】
圧電トランスの一例として１９５６年に米国のＣ．Ａ．Ｒｏｓｅｎが発表したローゼン型圧電トランスを図１４に示す。図１４を参照してこのローゼン型圧電トランスの構成を説明すると、２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）よりなる板状の圧電セラミックス素子であり、このセラミック素子２の図中左半分の上下面に例えば銀焼付けなどにより設けられた入力電極４、５の対を形成し、右側端面にも同様な方法で出力電極６を形成する。そして、セラミック素子２の左半分の駆動部は厚み方向に、右半分の発電部は長手方向に分極処理を施す。
【０００５】
このように形成された圧電トランスにおいて、入力電極４、５間に交流電圧源８よりセラミック素子２の長さ方向の機械的な共振周波数とほぼ同じ周波数の交流電圧を印加するとこのセラミック素子２は長手方向に強い機械振動を生じ、これにより右半分の発電部では圧電効果により電荷が発生し、出力電極６と入力電極の一方、例えば入力電極５との間に出力電圧Ｖｏが生ずる。この振動モードには基本的には図１５に示すように、長手方向に半波長で共振する半波長モード（図中ではλ／２モード）と、一波長で共振する全波長モード（図中ではλモード）の２つがある。
【０００６】
ＯＡ機器の小型化に伴い、圧電トランスも小型化、薄型化が進んでいる。圧電トランスの外形寸法は励振周波数に反比例するため、小型化するためには励振周波数をできるだけ高くする必要がある。しかし、周波数が高すぎると例えば液晶表示体のバックライトでは、放電管や配線などからの浮遊容量を介して機器本体の金属部に高周波電流が流れてしまい、放電管には十分な管電流が流れなくなる。このように、高周波高電圧で駆動される放電管では浮遊容量の影響が大きいため、できるだけ励振周波数を低くする必要がある。圧電トランス素子の長さが同じであれば、半波長モードの圧電トランス素子の共振周波数は全波長モードの半分となる。そのため、半波長モードで励振することによって周波数を低減することが出来る。しかしながら、前述したローゼン型圧電トランスでは、実際には半波長モードでは昇圧比が低いことから、高い昇圧比が得られる全波長モードが多用されている。
【０００７】
また、前記のローゼン型圧電トランスには次のような問題点があった。図１４に示すローゼン型の圧電トランスを使った電力変換回路の例を図１１に、この回路の圧電トランス５０の出力電圧Ｖ_０と励振電圧Ｖ_３の波形を図１２に示す。インダクタ３０のインダクタンスとＭＯＳＦＥＴ２０の出力静電容量、圧電トランス５０の入力静電容量による共振により、圧電トランス５０の励振電圧Ｖ_３は図１２のように半波正弦波状となるため、ＭＯＳＦＥＴ２１のスイッチング損失が少なくなる。ここで、励振電圧Ｖ_３のフーリエ解析の結果を図１３に示すが、このように基本波に対して二次高調波が比較的多く含まれているため、圧電トランス５０は基本波と二次高調波の２つの周波数成分で励振される。この場合、励振周波数が圧電トランス５０の半波長モード共振周波数にほぼ等しければ、励振電圧Ｖ_３の二次高調波は全波長モード共振周波数にほぼ等しくなり、圧電トランス５０には２つの振動モードが混在する。このため圧電トランス５０の出力電圧Ｖ_０は図１２のように、２つの振動モードが合成されて歪み波となる。
【０００８】
液晶表示体のバックライトに用いられる冷陰極管は、日刊工業新聞社発行の専門誌「電子技術」１９９４年６月号の４９ページに述べられているように歪みの大きい波形で駆動されると寿命が短くなることが知られている。そのため上記のように出力電圧が歪み波の場合には問題があった。また、ローゼン型の圧電トランスでは、中央部の振幅が最大となるために、中央部に残留応力が発生するという問題もあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
圧電トランス素子を小型化するには前述したように半波長モードで駆動する必要がある。しかし、半波長モードの歪み波で駆動した場合、２次高調波が全波長モードに対応するため、２つの振動モードが混在して出力が歪む問題があった。全波長モードが生じない圧電トランスとして、中央駆動型の圧電トランスが知られている。図１９に中央駆動型の圧電トランス素子の構造を示す。中央部に厚さ方向に分極された駆動部を有し、駆動部の両側に長手方向に一方向に分極された発電部を有する構造である。この構造の圧電トランス素子は、構造が単純で、出力インピーダンスも高く、全波長モードが生じないことから歪波が生じにくいという特徴がある。
しかしながら、この構造の圧電トランス素子は効率が低い場合があった。図１９に示す構造の圧電トランスの中央の入力電極をはさんでそれぞれの片側の静電容量をＣ２とすると、圧電トランスの出力側からのインピーダンスは１／（２πｆ・（Ｃ２／２））となる。このことから、負荷インピーダンスが比較的高い場合は効率は高いが、負荷インピーダンスが比較的低い場合には効率が低いということが分かる。
【００１０】
さらに、特開平７−７４４０５号公報には、半波長モード、全波長モード等のマルチモードで駆動できる中央駆動型の圧電トランス素子が開示されている。この圧電トランス素子を図２０に示すが、中央部に厚さ方向に逆方向に分極された二つの駆動部を有し、駆動部の両側に端部に向かい長手方向に分極された発電部を両側に有する構造である。この構造の中央駆動型圧電トランスは昇圧比、適応インピーダンスは高くはないが、効率が上記の中央駆動型の圧電トランスに比べて高いという特徴がある。しかしながら、この構造の圧電トランスは駆動部を逆方向に分極するなど構造が複雑で、コストも高くつき、さらに中央部の駆動部の間の未分極部が両側の駆動部が逆方向に分極されている関係から、残留応力が大きくなり破壊しやすいといった問題があった。
また、前述したように従来の圧電トランスは２つの実用的な振動モードを有しているため、半波長モードに対応した周波数の励振電圧に二次高調波成分が多く含まれていた場合、圧電トランス内に半波長と全波長の２つの振動モードが混在し、出力電圧も両方の成分を含んだ歪み波となって負荷を短寿命とする問題点があった。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これらを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、昇圧比、効率が高く、半波長モードで駆動され全波長モードが生じない構造の圧電トランス素子を安価に提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、長板状の圧電体シートの中央部に入力電極を設け、圧電体シートと入力電極が交互になるように積層して厚み方向に分極した駆動部と、当該駆動部をはさんで長手方向の両端に互いに逆方向に分極した発電部とを一体燒結で形成し、前記入力電極は長手方向の側面の中央部に設けた一対の外部電極と１層おきに接続し、前記発電部の長手方向の端面に設けた出力電極といずれか一方の外部電極との間で出力を得るようになし、半波長モードで励振されると共に長手方向の全長Ｌ１と前記駆動部の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１を０．３〜０．６としたことを特徴とする積層型圧電トランスである。
【００１３】
本発明の積層型圧電トランスは、入力電極が半波長モード時の応力の大きい中央部に全長の０．３〜０．６の比率の長さで設けられているため、半波長モード時の昇圧比が従来の積層型圧電トランスの半波長モード時の昇圧比より大きい。また、駆動部を全長の０．３〜０．４５の比率の長さで設けると高い昇圧比と共に高い効率も得られる。また、発電部の分極方向が駆動部をはさんで逆方向に分極されているため、中央から左右対称の構造となり全波長モードに対しては電荷が相殺して振動が生じない。このため、半波長モードに対応した周波数の励振電圧に二次高調波成分が含まれていても圧電トランスには半波長モードのみの振動が生じ、出力電圧波形は励振周波数の正弦波となる。
また、駆動部をはさんでそれぞれの片側の静電容量をＣ２とすると、圧電トランスの出力側からのインピーダンスは１／（２πｆ・２Ｃ２）となる。このことから、接続される負荷インピーダンスが比較的低い場合には効率は高いことが分かる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
先ず本発明について単板の圧電トランスを例に説明する。実施例の説明図を図１に示すが、ここで従来の圧電トランスと異なっている点は、入力電極５１、５２を設けた駆動部が圧電体長手方向の中央に設けられ、出力電極５５、５６が両端面に設けられている点である。さらに駆動部は厚さ方向に分極され、発電部は長手方向に駆動部を挟んで逆方向に分極されている点である。
ここで、長手方向の全長をＬ１、駆動部の長さをＬ２とした時の中央駆動型の圧電トランスの半波長モード時の負荷時昇圧比Ｖｏ／ＶｉのＬ２／Ｌ１依存性を図２に、効率ηのＬ２／Ｌ１依存性を図３に示す。この時の負荷条件は負荷抵抗１００ｋΩ、負荷電流５ｍＡである。図１４に示す従来例の圧電トランスの半波長モード時の負荷時昇圧比は４．４、効率は９２．１％であるから、負荷時昇圧比はＬ２／Ｌ１が０．３以上の領域で従来の圧電トランスを上回っており、効率はＬ２／Ｌ１が０．３〜０．６の領域で従来の圧電トランスを上回っている。従って、本発明の圧電トランスはＬ２／Ｌ１が０．３〜０．６の領域で効率と昇圧比が、従来の圧電トランスを上回ることが分かる。さらにＬ２／Ｌ１が０．３〜０．４５の範囲では９５％以上の高効率で出力が得られる。この様な効果は、発電部が端部から中央部に向かって分極されていても全く同様である。
【００１５】
図４は本発明の圧電トランスの入力電極側から測定したインピーダンスの周波数特性である。ここで、半波長モードに相当する５０ｋＨｚ付近では共振が生じているが、全波長モードに相当する１００ｋＨｚ付近では共振が生じない。この理由を以下説明する。
本発明の圧電トランスを幅方向から見た場合、駆動部の中心に対して左右対称の構造となっている。図１５に示すように全波長モードでは応力の向きが中心の左側と右側で正反対であるので、このモードの応力で発生する電荷は、駆動部内、発電部内でそれぞれ相殺されてしまう。このように圧電現象の一方を担う電荷が相殺して発生しないため、このモードの共振特性は現れず、トランス作用も生じない。
【００１６】
（実施例２）
電池などの低電圧入力源からでも冷陰極管などの放電管６０を点灯できる本発明の圧電トランスの実施例を次に説明する。本実施例は駆動部を積層構造とした積層型圧電トランスであり、説明図を図５に、断面図を図６に示す。この積層型圧電トランスの駆動部には積層された薄い各層に入力電圧Ｖｉが印加されるため、単板型に比べ昇圧比がおよそ積層数倍に増大する。この積層型圧電トランスの作製方法は、ＰＺＴ系セラミックスのグリーンシートをドクタブレード法により作製し、このグリーンシートの一面上の中央部にスクリーン印刷法を用いて入力電極となる内部電極５７を印刷し、別のグリーンシートの一面上の中央部に同様に入力電極となる内部電極５８を印刷する。これらの圧電体シートを交互に積層し、圧着して焼結する。その後、切断、研磨を行い、銀焼付けにより入力の外部電極５１、５２と出力電極５５、５６を設ける。このとき図６に示すように内部電極５７を外部電極５１と１層おきに接続し、内部電極５８を外部電極５２と１層おきに接続する。そして、駆動部の厚み方向と発電部の長手方向の分極処理を矢印で示すように行い完成する。尚、積層型圧電トランスの場合は、外部電極５１、５２を介して内部電極５７、５８と出力電極５５、５６との間で出力を得るようにしている。半波長モード時は圧電体長手方向の中央が最も振動振幅が小さくなるため、この位置に外部電極５１、５２を設けることにより、外部電極に接続される引き出し線の信頼性を向上させることができる。この場合引出線の取り出しは圧電トランスの側面部から行う。ここで、駆動部の上端と下端は分極されていないためダミー層となっているが、駆動部の上下面に電極を設けてそれぞれを外部電極５２、５１と接続することにより、ダミー層を無くすることもできる。
【００１７】
（実施例３）
本発明の積層型圧電トランスの別の実施例の説明図を図７に、外部電極５１形成部の断面図を図８に示す。前述の図５、図６に示した積層型圧電トランスの駆動部は、内部電極５７と外部電極５２、または内部電極５８と外部電極５１の接触を防ぐため、内部電極５７と内部電極５８を幅方向に少しずらしているが、本実施例は特性を向上させるために内部電極５７、５８をできるだけ大きくし、内部電極５８は外部電極５１と接触しないように、外部電極５１の近傍を避けて設けられており、同じように内部電極５７は外部電極５２の近傍を避けて設けられている。さらに出力電極５５、５６は、端面から圧電トランスの上面まで延出されている。このように出力電極を延出させた部分にリード線を取り付けることにより、振動が最大となる端面に、出力電極からのリード線を取り付ける必要がなく、リード線を付けることによる圧電トランス自体の振動の抑制及び振動によるリード線取り付け部の断線が起こりにくいという、効果がある。
【００１８】
液晶バックライトでは放電管６０に流れる電流を制御してディスプレイ面の輝度を調整することが要求される。圧電トランスの出力制御法として圧電トランスの周波数特性を利用した方法がある。図１７は冷陰極管負荷時の圧電トランス出力電流の周波数特性である。このように圧電トランスは共振特性を持つため、共振周波数ｆｒ近傍の周波数で出力を制御できる。冷陰極管負荷時では共振周波数ｆｒの左側（低周波側）と右側（高周波側）では非対称となるが、ここでは傾斜の緩やかな高周波側を制御に用いた。図９は駆動周波数を可変して圧電トランスの出力を制御する電力変換装置の実施例を示す回路図である。出力電流検出部７０により出力電流ＩＯを検出し、この検出電圧に基づき周波数可変部８０で駆動周波数を可変し、駆動部１１を介して主スイッチであるＭＯＳＦＥＴ２０を駆動している。図示した例では、インダクタ３０と並列に圧電トランス５０が設けられているが、ＭＯＳＦＥＴ２０と並列に圧電トランス５０を設けても同様である。また、主スイッチには図示したＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ以外にもＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等のスイッチデバイスを用いても同様である。
【００１９】
本実施例の圧電トランス５０の出力電圧ＶＯと励振電圧Ｖ３の波形図を図１８に示す。励振電圧Ｖ３は、図１２と同様の圧電トランス５０の半波長モードに対応した励振周波数で、二次高調波を多く含んだ歪み波であるが、出力電圧ＶＯはほとんど歪みのない波形となっている。これは前述したように、圧電トランス５０は全波長モードを生じない構造であるため、励振電圧Ｖ３に全波長モードに対応した二次高調波が多く含まれていても、圧電トランス５０の振動は半波長モードのみとなり、出力電圧ＶＯは正弦波となる。厳密に言うと、励振電圧Ｖ３には三次高調波が含まれており、圧電トランス５０も三次高調波に対応した３／２波長モードでのトランス作用があるため、出力電圧ＶＯには三次高調波が含まれている。しかし、励振電圧Ｖ３に含まれている三次高調波は基本波の１０％程度と小さく、しかも圧電トランス５０の３／２波長モードでのトランス作用は極めて小さい。従って、出力電圧ＶＯに含まれている三次高調波成分は僅かであり、実用面での影響はほとんど無い。
【００２０】
（実施例４）
図１０は入力電圧Ｖ１が大きく変動する場合の電力変換装置の実施例を示す回路図である。ここで前段電圧制御部９０はインバータ部への供給電圧Ｖ２を調整している。前段電圧制御部９０は公知技術である降圧型、昇圧型、反転型などのチョッパー制御或いはドロッパー制御を用いて、供給電圧Ｖ２を所定の電圧に制御する。出力電流制御は図９の実施例と同様に周波数可変で行っている。
【００２１】
前述の出力制御方法は電子機器に直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータにも適用できる。図１６は本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施例を示す回路図で、圧電トランスの交流出力を整流ダイオード１１１、１１２と平滑コンデンサ１２０で直流に変換している。出力電圧検出部７１により直流出力電圧ＶＯＤを検出し、この検出電圧に基ずき周波数可変部８０で駆動周波数を可変し、駆動部１１を介して主スイッチであるＭＯＳＦＥＴ２０を駆動している。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、半波長モードでの昇圧比と効率が従来の圧電トランスよりも高くなる。また、全波長モードが生じない構造の圧電トランスであるため、半波長モードに対応した周波数の励振電圧に二次高調波が含まれていても、圧電トランスの出力電圧波形は励振周波数の正弦波となり、歪みは生じない。圧電トランスの駆動部を積層とした構造とすれば、携帯型電子機器で用いられる電池など低入力電圧源でも冷陰極管等の放電管を高効率で駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電トランスの動作原理を示す説明図である。
【図２】本発明に係る圧電トランスの負荷時昇圧比を示す特性図である。
【図３】本発明に係る圧電トランスの効率を示す特性図である。
【図４】本発明に係る圧電トランスの入力側から測定したインピーダンスの周波数特性図である。
【図５】本発明に係る圧電トランスの別の実施例を示す図である。
【図６】本発明に係る圧電トランスの別の実施例の断面図である。
【図７】本発明に係る圧電トランスのさらに別の実施例を示す図である。
【図８】本発明に係る圧電トランスのさらに別の実施例の断面図である。
【図９】本発明に係る駆動周波数を調整して出力制御を行う電力変換回路の実施例を示す回路図である。
【図１０】本発明に係る入力電圧が大きく変動する場合の電力変換回路の実施例を示す回路図である。
【図１１】圧電トランスを使った電力変換装置の従来例を示す回路図である。
【図１２】図１１の回路における圧電トランスの出力電圧Ｖ_０と励振電圧Ｖ_３を示す波形図である。
【図１３】図１１の回路の励振電圧Ｖ３のフーリエ解析結果を示す図である。
【図１４】従来の圧電トランスの動作原理を示す説明図である。
【図１５】圧電トランスの振動モードを示す説明図である。
【図１６】本発明に係る駆動周波数を調整して出力制御を行う別の電力変換回路の実施例を示す回路図である。
【図１７】冷陰極管負荷時の圧電トランス出力電流の周波数特性図である。
【図１８】図９の回路における圧電トランスの出力電圧Ｖ_０と励振電圧Ｖ_３を示す波形図である。
【図１９】従来の圧電トランスの構造を示す説明図である。
【図２０】従来の圧電トランスの構造を示す説明図である。
【符号の説明】
２セラミック素子、１０駆動・発振部、１１駆動部、
２０、２１ＭＯＳＦＥＴ、３０インダクタ、５０圧電トランス、
５１入力電極、５２入力電極（共通電極）、５５出力電極、
５６出力電極、５７、５８内部電極、５９絶縁層、６０放電管、
６５負荷、７０出力電流検出部、８０周波数可変発振部、
９０前段電圧制御部、１１０整流ダイオード、１２０平滑コンデンサ。

Claims

長板状の圧電体シートの中央部に入力電極を設け、圧電体シートと入力電極が交互になるように積層して厚み方向に分極した駆動部と、当該駆動部をはさんで長手方向の両端に互いに逆方向に分極した発電部とを一体燒結で形成し、前記入力電極は長手方向の側面の中央部に設けた一対の外部電極と１層おきに接続し、前記発電部の長手方向の端面に設けた出力電極といずれか一方の外部電極との間で出力を得るようになし、半波長モードで励振されると共に長手方向の全長Ｌ１と前記駆動部の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１を０．３〜０．６としたことを特徴とする積層型圧電トランス。
全長Ｌ１と駆動部の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．３〜０．４５であることを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電トランス。
前記一方の入力電極は他方の外部電極と接触しないように幅方向にずらすか、あるいは避けるような形状となしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層型圧電トランス。
前記積層型圧電トランスの上下の圧電体は分極されていないダミー層としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層型圧電トランス。
前記発電部の端面の出力電極を近接する他の面まで延出させたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の積層型圧電トランス。
直流入力電源と、前記直流入力電源と一端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と接続されるスイッチ手段と、前記インダクタに並列接続される請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の積層型圧電トランスと、当該積層型圧電トランスの前記出力電極といずれか一方の外部電極との間に負荷を設け、前記負荷からの流出電流を検出し、この検出結果に基づき駆動周波数を可変する前記スイッチ手段の駆動・発振手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
直流入力電源と、前記直流入力電源と一端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と接続されるスイッチ手段と、前記スイッチ手段に並列接続される請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の積層型圧電トランスと、当該積層型圧電トランスの前記出力電極といずれか一方の外部電極との間に負荷を設け、前記負荷からの流出電流を検出し、この検出結果に基づき駆動周波数を可変する前記スイッチ手段の駆動・発振手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記積層型圧電トランスの出力に整流・平滑手段が接続される請求項６又は請求項７に記載の電力変換装置。