JP4199334B2

JP4199334B2 - Piezoelectric transformer device and driving method thereof

Info

Publication number: JP4199334B2
Application number: JP25109098A
Authority: JP
Inventors: 超史勝野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: JP2000082853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランス装置及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯テレビやノート型パソコンを始め各種携帯電子機器の普及に伴い、電磁式トランスに変わり、機械振動のエネルギーを変換媒体とする圧電トランスの検討がなされている。
【０００３】
一般に、負荷抵抗が数１０ｋΩから数１００ｋΩにもなる液晶バックライトインバータ用としては、図６に示すローゼン型圧電トランス素子５０に代表される昇圧タイプが、またＡＣアダプタやＤＣＤＣコンバータといった負荷が数１０Ω程度の電源用には出力部が複数積層された図７に示すような厚み縦効果型圧電トランス素子６０や図８に示すような縦−縦効果型圧電トランス素子７０、図９に示すような横−横効果型圧電トランス素子８０、あるいは図１０に示すような拡がり振動モード等を用いた圧電トランス素子１０が考案されている。
【０００４】
これらの圧電トランス素子は、電磁トランスと比較してエネルギ一密度が高いことから、同出力の電磁トランスと比較して小型化が期待できるものである。この圧電トランス素子の出力電力Ｐ_outは、次の数１式の様に質量ｍ、振動速度Ｖの二乗、電気機械結合係数ｋの二乗、駆動周波数ｆの積に、概略比例することが知られている。
【０００５】
【数１】

【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の圧電トランス素子において、上記数１式によると、トランスを小さくしながら出力電力を維持するため、またトランスを大きくせずに出力電力を増大するためには、ｋ²，Ｖ²，ｆのいずれかを大きくすればよいことになる。ここで、ｋおよびＶは、材質によって概ね決定され、更に最適条件下で最大に設定されて用いられるものであるから、材料特性を現状のままとすれば、ｆを大きく、即ち、高周波化する必要がある。
【０００７】
一方、圧電トランス素子に限らず、圧電振動子の共振周波数は、概ね寸法に反比例するものであり、例えば、矩形板の長さ振動を用いた場合では、断面形状を変えずに長さ寸法を半分にして駆動周波数を２倍にした場合、上記数１式によれば、ｍが半減してもｆが２倍になるから出力電力は維持されるはずである。
【０００８】
しかしながら、実際には、図１１の曲線６１、６２に示される様に、形状によって振動しやすさが異なり、ｋ_effが低下してしまうことから出力電力を維持する事が困難になってくる。
【０００９】
特に、図１０の拡がりモードを用いた圧電トランス素子１０の場合、駆動周波数が直径に反比例することから、同様に２倍の高周波化をはかるために（厚みを変えずに）直径を半分にすると体積が４分の１になってしまう。
【００１０】
また、上記数１式から、厚みを２倍にすれば、単純に体積は満足できるが、実際には、円板状の振動子が急速に円柱状になることから、長さ振動の場合よりもｋ_effが低下しやすくなる。これらのことは、大きさを変化させずに、出力電力を増大する場合も同様である。
【００１１】
このように高周波化によって、圧電トランスの小型化を図る際には、形状の悪化による振動子特性の低下という問題を検討する必要がある。
【００１２】
そこで、複数の圧電トランス素子の入力部に、単一の電源からの入力信号を印加し、それぞれの出力部を単一の負荷に接続するならば、上記数１式において、質量ｍの増大が図れる上に、個々の圧電トランスは良好な形状のままで良いから、振動子特性の低下という問題を避けることが出来る。これによって高周波化に伴う出力電力の維持あるいは現状周波数のままでの出力電力の増大という課題に対し一定の解決策とすることが出来る。
【００１３】
更に、本発明者らは、検証実験として、並列に駆動する場合の個々の圧電トランス素子の共振周波数のばらつきを検討してみた。即ち、図２の回路図において圧電トランス素子を構成するそれぞれの回路素子に対してばらつきを考慮して解析を行った。その結果、圧電トランスの直列共振、即ち、Ｌ、Ｃのばらつきが出力特性に大きく影響することが判明した。
【００１４】
例えば、図２において、Ｌ、Ｃにそれぞれ２％のばらつきを考慮して出力電力、効率を計算した結果を図１２に示す。図１２においてそれぞれの圧電トランス素子の直列共振周波数の近辺に、効率が大きく低下する領域７１が存在し、出力電力が極端に変動している。これは直列共振周波数の僅かなばらつきによって、負荷からみた個々の圧電トランス素子の出力インピーダンスが異なるため、より低い側の出力インピーダンスの影響を受け、出力の極端な変動が生じるものと考えられる。
【００１５】
実際の圧電トランス素子の駆動では、このような効率の低下は極端な温度上昇となることが予想されることから、この領域で駆動することは好ましくない。
【００１６】
一方、出力電力のピークよりも高周波側においては、個々の圧電トランス素子の出力インピーダンスは同様に異なっていると考えられるが、この領域ではインピーダンスが最大になる並列共振の近辺であることから高インピーダンス領域となるために、大きな出力電力の変動がみられなくなるものと考えられる。即ち、並列駆動の場合には、個々の圧電トランス素子の共振周波数のばらつきを避けるため、圧電トランスの出力インピーダンスが高くなる、出力電力最大付近からより高周波領域で駆動する必要がある。
【００１７】
そこで、本発明の技術的課題は、形状の影響を避け、同一の駆動周波数であればより大出力の獲得、高周波化で小型化を図る際には必要な出力電力を維持することが可能な圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明によれば、圧電セラミックスもしくは圧電単結晶を用いた複数の圧電トランス素子を備え、前記複数の圧電トランス素子の夫々は、駆動用の入力信号を同時並列に印加するための入力部と、１つの負荷に並列に接続された出力部とを備え、前記複数の圧電トランス素子個々の共振周波数のずれの影響を避けるため、前記圧電トランス素子の駆動は、出力最大の駆動周波数よりも高周波数側にて行われることを特徴とする圧電トランス装置が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、圧電セラミックスもしくは圧電単結晶を用いた複数の圧電トランス素子を備えた圧電トランス装置の駆動方法であって、前記複数の圧電トランス素子の夫々の入力部に駆動用の入力信号を同時並列に印加し、夫々の出力部に１つの負荷を並列に接続するとともに、前記複数の圧電トランス素子個々の共振周波数のずれの影響を避けるため、前記圧電トランス素子の駆動を出力最大の駆動周波数よりも高周波数側にて行うことを特徴とする圧電トランス装置の駆動方法が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態による圧電トランス装置の結線概略図を、図２は図１の圧電トランス装置の等価回路図を夫々示す。
【００２４】
図１及び図２を参照すると、圧電トランス装置２０は、並列の圧電トランス素子１０，１０´を備えている。圧電トランス素子１０，１０´は、図１０に示されるものと同様の圧電トランス素子である。
【００２５】
一つの圧電トランス素子１０の側面には、１次側端子である入力側端子電極（入力部）１，２、及び２次側端子である出力側端子電極（出力部）３，４が夫々形成されている。また、他の圧電トランス素子１０´の側面にも同様に入力端子電極（入力部）１´，２´及び出力端子電極（出力部）３´，４´が夫々形成されている。即ち、電源５及び負荷８に、圧電トランス素子１０，１０´が並列に接続されている。
【００２６】
具体的には、入力端子電極１，１´はリード線１１を介して夫々電源５の一端６に接続され、入力端子電極２，２´は、リード線１２を介して夫々電源５の他端７及びアース端子に夫々接続されている。
【００２７】
また、出力端子電極３，３´はリード線１３を介して夫々負荷８の一端１７及びアース端子１５´に夫々接続され、出力端子電極４，４´は、リード線１４を介して電源負荷８の他端１６に夫々接続されている。
【００２８】
図２に示すように、圧電トランス素子１０は、等価回路において、入力端子電極１，２間が一次側コイルとなるとともに、これに並列にキャパシタＣｄ１（１．９６ｎ）が挿入され、一次側コイルと入力端子電極１との間に、インダクタンスＬ（８．７７ｍ）、キャパシタンスＣ（０．１４６ｎ）、及び抵抗Ｒ（１３．４）が直列に挿入されており、出力端子電極３、４間が２次側コイルとなるとともに、この２次側コイルにキャパシタＣｄ２（１８．１ｎ）が並列に挿入された構成を示している。
【００２９】
同様に、圧電トランス素子１０は、等価回路において、入力端子電極１´、２´間が一次側コイルとなるとともに、これに並列にキャパシタＣｄ１´（１．９６ｎ）が挿入され、一次側コイルと入力端子電極１´との間にＬ´（８．７７ｍ）、Ｃ´（０．１４６ｎ）、Ｒ´（１３．４）が直列に挿入されており、出力端子電極３´、４´間が２次側コイルとなるとともに、この２次側コイルにキャパシタＣｄ２´（１８．１ｎ）が並列に挿入された構成を示している。
【００３０】
次に、このような構成の本発明の実施の形態による圧電トランス装置の特性を評価した。評価に用いた圧電トランス素子１０，１０´は、図１０に示すような大きさ１３×１３×３ｍｍの正方形板形状のものである。内部は、厚み方向に複数の電極が積層された構造であり、１４０ｋＨｚ近辺でも正方形板の広がり振動モードが励振される。
【００３１】
尚、本発明においては、圧電トランス素子は、図６から図１０のいずれの振動モードの圧電トランスであっても同様の効果が得られる。
【００３２】
１つの電源で２つの圧電トランス素子を駆動するために、入力信号は並列にそれぞれの圧電トランスに印加される。また、負荷としては２個の圧電トランス素子の出力側の制動容量が負荷からみれば並列に接続されることから、最も効率よく出力を伝達するため、下記数２式に合わせた負荷抵抗を接続した。
【００３３】
【数２】

【００３４】
ここで、上記数２式において、ωは角周波数、Ｃ_dは、１個の圧電トランス素子の出力側制動容量である。
【００３５】
ここで、図３に、比較例として、並列に接続された圧電トランス素子の１つ１つの単体での出力特性を示す。また、図４に本発明の並列接続の場合の出力特性を示す。さらに、図５には、並列駆動の場合との比較のため、図１０の圧電トランス素子と同一直径で（即ち、同一の共振周波数）ありながら単体で２倍の出力電力を得ることを目的とし単純に厚さを、図５に示す圧電トランス素子１０の２倍にし、外形形状が１３×１３×６ｍｍである圧電トランス素子の場合の出力特性を示してある。ここで、形状の影響による振動子特性の劣化が無ければ、厚さを２倍にしたことで、この圧電トランスの出力電力は２倍になるはずである。
【００３６】
尚、図３の比較例において、圧電トランス素子１０の特性で、曲線３１は、圧電トランス素子１０についての効率ｃａｌ（理論値）、曲線３２は効率ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線３３は出力電力ｃａｌ（理論値）、曲線３４は、出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線３５は、温度変化ΔＴｍｅａｎｓ（実測値）を夫々示している。
【００３７】
また、図４において、圧電トランス装置２０の特性で、曲線４１は、効率ｃａｌ（理論値）、曲線４２は効率ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線４３は出力電力ｃａｌ（理論値）、曲線４４は出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線４５は、温度変化ΔＴｍｅａｎｓ（実測値）を夫々示している。
【００３８】
さらに、図５の比較例において、圧電トランス素子４０の特性であり、曲線５１は効率ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線５２は出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線５３は、温度変化ΔＴｍｅａｎｓ（実測値）を夫々示している。
【００３９】
図３乃至図５に示すように、温度上昇２５℃での出力電力を定格出力電力と仮定すると、並列に接続した場合、圧電トランス素子単体での定格出力電力は、１２Ｗであるのに対し、並列駆動では、約２倍の出力電力が得られていることが分る。
【００４０】
一方、圧電トランス素子１０について、単純に厚さを２倍にした場合には、定格出力電力は１４Ｗ程度に過ぎず、形状の影響が出力電力の増大に悪影響を与えていることが分る。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、個々の圧電トランス素子は、振動子として振動の容易な形状を維持したまま、総合での出力電力を維持、あるいは増大することが可能となる圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することができる。
【００４２】
また、本発明によれば、個々の圧電トランス素子の共振特性のずれ、ばらつきを考慮し、影響の少ない駆動を行うことが可能な圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することができる。
【００４３】
さらに、本発明によれば、形状の影響を避け、同一の駆動周波数であればより大出力の獲得、高周波化で小型化を図る際には必要な出力電力を維持することが可能な圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電トランス装置の結線概略図である。
【図２】図１の圧電トランス装置の回路図である。
【図３】圧電トランス素子単体での出力特性を示す図である。
【図４】圧電トランス素子を並列に接続した場合の出力特性を示す図である。
【図５】厚みを２倍にした圧電トランス素子単体での出力特性を示す図である。
【図６】従来技術によるインバータ用圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図７】従来技術による厚み縦振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図８】従来技術による横−横振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図９】従来技術による縦一縦振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図１０】従来技術による拡がり振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図１１】周波数と形状の関係（拡がり振動と長さ振動の場合）を示す図である。
【図１２】出力電力、効率に対する共振周波数のばらつきの影響を示す図である。
【符号の説明】
１，１´，２，２´ 入力端子電極
３，３´，４，４´ 出力端子電極
５駆動電源
８負荷
１０圧電トランス素子
１１，１２，１３，１４リード線
３１，４１効率ｃａｌ（理論値）
３２，４２，５１効率ｍｅａｎｓ（実測値）
３３，４３出力電力ｃａｌ（理論値）
３４，４４，５２出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）
３５，４５，５３ ΔＴｍｅａｎｓ
５０インバータ用圧電トランス素子
６０厚み縦振動モード型圧電トランス素子
７０縦振動モード型圧電トランス素子
８０縦一縦振動モード型圧電トランス素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric transformer device and a driving method thereof.
[0002]
[Prior art]
With the widespread use of various portable electronic devices such as portable TVs and laptop computers, piezoelectric transformers that use mechanical vibration energy as a conversion medium have been studied instead of electromagnetic transformers.
[0003]
In general, for a liquid crystal backlight inverter having a load resistance of several tens of kΩ to several hundreds of kΩ, a boost type represented by the Rosen-type piezoelectric transformer element 50 shown in FIG. 6 is used, and a load such as an AC adapter or a DCDC converter is several tens of Ω. For a power supply of the order, a thickness longitudinal effect type piezoelectric transformer element 60 as shown in FIG. 7 in which a plurality of output portions are laminated, a longitudinal-longitudinal effect type piezoelectric transformer element 70 as shown in FIG. 8, and as shown in FIG. A lateral-lateral effect type piezoelectric transformer element 80 or a piezoelectric transformer element 10 using a spreading vibration mode as shown in FIG. 10 has been devised.
[0004]
Since these piezoelectric transformer elements have higher energy density than electromagnetic transformers, they can be expected to be smaller than electromagnetic transformers with the same output. It is known that the output power _Pout of this piezoelectric transformer element is roughly proportional to the product of mass m, vibration velocity V square, electromechanical coupling coefficient k square, and drive frequency f as shown in the following equation (1). ing.
[0005]
[Expression 1]

[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional piezoelectric transformer element described above, according to the above equation 1, in order to maintain the output power while reducing the transformer, and to increase the output power without increasing the transformer, k ² , V ² , Any one of f may be increased. Here, k and V are roughly determined by the material, and are set to the maximum under the optimum conditions. Therefore, if the material properties are kept as they are, f is increased, that is, the frequency is increased. There is a need.
[0007]
On the other hand, the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is not limited to the piezoelectric transformer element, and is generally inversely proportional to the dimension. For example, when the length vibration of the rectangular plate is used, the length dimension is changed without changing the cross-sectional shape. When the drive frequency is doubled by halving, the output power should be maintained because f is doubled even if m is halved according to the above equation (1).
[0008]
However, in practice, as shown by the

curves

61 and 62 in FIG. 11, the ease of vibration varies depending on the shape, and k _eff decreases, making it difficult to maintain the output power.
[0009]
In particular, in the case of the piezoelectric transformer element 10 using the spreading mode in FIG. 10, since the driving frequency is inversely proportional to the diameter, similarly, if the diameter is halved (without changing the thickness) in order to achieve double the frequency. The volume becomes a quarter.
[0010]
In addition, from the above formula 1, if the thickness is doubled, the volume can be simply satisfied, but in reality, the disk-shaped vibrator rapidly becomes a columnar shape, which is more than the case of length vibration. However, k _eff tends to decrease. These are the same when the output power is increased without changing the magnitude.
[0011]
Thus, when miniaturizing the piezoelectric transformer by increasing the frequency, it is necessary to consider the problem of deterioration of the vibrator characteristics due to the deterioration of the shape.
[0012]
Therefore, if an input signal from a single power source is applied to the input parts of a plurality of piezoelectric transformer elements and each output part is connected to a single load, the increase in mass m in the above equation 1 In addition, since each piezoelectric transformer may remain in a good shape, it is possible to avoid the problem of deterioration in vibrator characteristics. As a result, it is possible to provide a fixed solution to the problem of maintaining the output power accompanying the increase in frequency or increasing the output power at the current frequency.
[0013]
Furthermore, the present inventors examined variations in the resonance frequency of individual piezoelectric transformer elements when driven in parallel as a verification experiment. That is, in the circuit diagram of FIG. 2, analysis was performed in consideration of variation for each circuit element constituting the piezoelectric transformer element. As a result, it was found that the series resonance of the piezoelectric transformer, that is, variations in L and C, greatly affect the output characteristics.
[0014]
For example, FIG. 12 shows the result of calculating the output power and efficiency in consideration of 2% variation in L and C in FIG. In FIG. 12, there is a region 71 where the efficiency greatly decreases near the series resonance frequency of each piezoelectric transformer element, and the output power fluctuates extremely. This is thought to be because the output impedance of the individual piezoelectric transformer elements as viewed from the load differs due to slight variations in the series resonance frequency, and therefore, the output is affected by the lower output impedance, resulting in extreme output fluctuations.
[0015]
In actual driving of the piezoelectric transformer element, such a decrease in efficiency is expected to cause an extreme temperature increase, so driving in this region is not preferable.
[0016]
On the other hand, on the high frequency side of the output power peak, the output impedance of each piezoelectric transformer element is considered to be different, but in this region it is near the parallel resonance where the impedance is maximum, so it has a high impedance. Since this is a region, it is considered that large fluctuations in output power are not observed. That is, in the case of parallel driving, in order to avoid variations in the resonance frequency of the individual piezoelectric transformer elements, it is necessary to drive in a higher frequency region from the vicinity of the maximum output power where the output impedance of the piezoelectric transformer increases.
[0017]
Therefore, the technical problem of the present invention is to avoid the influence of the shape, and to obtain a larger output at the same drive frequency, and to maintain the necessary output power when attempting to reduce the size by increasing the frequency. A piezoelectric transformer device and a driving method thereof are provided.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, according to the present invention, a plurality of piezoelectric transformer elements using piezoelectric ceramics or a piezoelectric single crystal are provided, and each of the plurality of piezoelectric transformer elements simultaneously inputs driving signals. In order to avoid the influence of the shift of the resonance frequency of each of the plurality of piezoelectric transformer elements, the driving of the piezoelectric transformer elements is provided with an input section for applying to the output and an output section connected in parallel to one load . A piezoelectric transformer device characterized in that it is performed on the higher frequency side than the maximum output driving frequency can be obtained.
[0020]
In addition, according to the present invention, there is provided a driving method of a piezoelectric transformer device including a plurality of piezoelectric transformer elements using piezoelectric ceramics or a piezoelectric single crystal, wherein each input portion of the plurality of piezoelectric transformer elements is used for driving. Apply input signals simultaneously in parallel, connect one load to each output unit in parallel, and output the drive of the piezoelectric transformer elements to avoid the influence of the resonance frequency shift of each of the plurality of piezoelectric transformer elements A method of driving a piezoelectric transformer device characterized in that the driving is performed on a higher frequency side than the maximum driving frequency can be obtained.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 is a schematic connection diagram of a piezoelectric transformer device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric transformer device of FIG.
[0024]
1 and 2, the piezoelectric transformer device 20 includes piezoelectric transformer elements 10 and 10 'in parallel. The piezoelectric transformer elements 10 and 10 'are the same piezoelectric transformer elements as those shown in FIG.
[0025]
On the side surface of one piezoelectric transformer element 10, input side terminal electrodes (input parts) 1, 2 that are primary side terminals and output side terminal electrodes ( output parts) 3, 4 that are secondary side terminals are formed. Has been. Similarly, input terminal electrodes (input portions) 1 ′ and 2 ′ and output terminal electrodes (output portions) 3 ′ and 4 ′ are formed on the side surfaces of the other piezoelectric transformer elements 10 ′, respectively. That is, the

piezoelectric transformer elements

10 and 10 ′ are connected in parallel to the power supply 5 and the load 8.
[0026]
Specifically, the

input terminal electrodes

1 and 1 ′ are connected to one end 6 of the power source 5 through the lead wire 11, and the

input terminal electrodes

2 and 2 ′ are connected to the other end of the power source 5 through the lead wire 12, respectively. 7 and a ground terminal, respectively.
[0027]
The

output terminal electrodes

3 and 3 ′ are connected to one end 17 of the load 8 and the ground terminal 15 ′ via the lead wire 13, respectively, and the

output terminal electrodes

4 and 4 ′ are connected to the power load 8 via the lead wire 14. Are connected to the other ends 16 respectively.
[0028]
As shown in FIG. 2, in the equivalent circuit, the piezoelectric transformer element 10 has a primary side coil between the

input terminal electrodes

1 and 2, and a capacitor Cd1 (1.96n) inserted in parallel to the primary side coil. And an input terminal electrode 1, an inductance L (8.77m), a capacitance C (0.146n), and a resistor R (13.4) are inserted in series, and between the output terminal electrodes 3 and 4 A configuration is shown in which a secondary coil is provided and a capacitor Cd2 (18.1n) is inserted in parallel to the secondary coil.
[0029]
Similarly, in the equivalent circuit, the piezoelectric transformer element 10 has a primary side coil between the input terminal electrodes 1 ′ and 2 ′, and a capacitor Cd 1 ′ (1.96 n) inserted in parallel to the primary side coil. L ′ (8.77 m), C ′ (0.146 n), and R ′ (13.4) are inserted in series between the input terminal electrode 1 ′ and between the output terminal electrodes 3 ′ and 4 ′. A configuration is shown in which a secondary coil is provided, and a capacitor Cd2 ′ (18.1n) is inserted in parallel to the secondary coil.
[0030]
Next, the characteristics of the piezoelectric transformer device according to the embodiment of the present invention having such a configuration were evaluated. The piezoelectric transformer elements 10 and 10 'used for the evaluation have a square plate shape having a size of 13 × 13 × 3 mm as shown in FIG. The inside has a structure in which a plurality of electrodes are laminated in the thickness direction, and the spreading vibration mode of the square plate is excited even in the vicinity of 140 kHz.
[0031]
In the present invention, the piezoelectric transformer element can obtain the same effect regardless of the vibration mode piezoelectric transformer of any of FIGS.
[0032]
In order to drive two piezoelectric transformer elements with one power source, input signals are applied to each piezoelectric transformer in parallel. In addition, as the load, the braking capacity on the output side of the two piezoelectric transformer elements is connected in parallel when viewed from the load. Therefore, to transmit the output most efficiently, connect the load resistance according to the following equation (2) did.
[0033]
[Expression 2]

[0034]
Here, in Equation (2), ω is an angular frequency, and C _d is an output side braking capacity of one piezoelectric transformer element.
[0035]
Here, in FIG. 3, as a comparative example, showing the output characteristics of a single one of a single piezoelectric transformer element which is connected to the parallel. FIG. 4 shows output characteristics in the case of parallel connection according to the present invention. Further, for the purpose of comparison with the case of parallel drive, FIG. 5 aims to obtain twice the output power of the piezoelectric transformer element of FIG. 10 while having the same diameter (that is, the same resonance frequency). The output characteristics in the case of a piezoelectric transformer element in which the thickness is simply twice that of the piezoelectric transformer element 10 shown in FIG. 5 and the outer shape is 13 × 13 × 6 mm are shown. Here, if there is no deterioration of the vibrator characteristics due to the influence of the shape, the output power of the piezoelectric transformer should be doubled by doubling the thickness.
[0036]
In the comparative example of FIG. 3, the curve 31 indicates the efficiency cal (theoretical value) for the piezoelectric transformer element 10, the curve 32 indicates the efficiency mean (actually measured value), and the curve 33 indicates the output power cal. (Theoretical value), the curve 34 indicates the output voltage means (actually measured value), and the curve 35 indicates the temperature change ΔTmeans (actually measured value).
[0037]
In FIG. 4, the characteristics of the piezoelectric transformer device 20 include a curve 41 for efficiency cal (theoretical value), a curve 42 for efficiency mean (measured value), a curve 43 for output power cal (theoretical value), and a curve 44 for output. The voltage means (actually measured value) and the curve 45 indicate the temperature change ΔTmeans (actually measured value), respectively.
[0038]
Further, in the comparative example of FIG. 5, the characteristics of the piezoelectric transformer element 40 are as follows: curve 51 is efficiency means (actually measured value), curve 52 is output voltage means (actually measured value), and curve 53 is temperature change ΔTmeans (actually measured value). Respectively.
[0039]
As shown in FIGS. 3 to 5, assuming that the output power at a temperature increase of 25 ° C. is the rated output power, the rated output power of the piezoelectric transformer element alone is 12 W when connected in parallel, whereas It can be seen that approximately twice the output power is obtained in parallel drive.
[0040]
On the other hand, when the thickness of the piezoelectric transformer element 10 is simply doubled, the rated output power is only about 14 W, and it can be seen that the influence of the shape has an adverse effect on the increase of the output power.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, each piezoelectric transformer element can maintain or increase the total output power while maintaining an easy-vibration shape as a vibrator. An apparatus and a driving method thereof can be provided.
[0042]
In addition, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric transformer device and a driving method thereof capable of performing driving with less influence in consideration of deviation and variation in resonance characteristics of individual piezoelectric transformer elements.
[0043]
Further, according to the present invention, a piezoelectric transformer capable of avoiding the influence of the shape and maintaining the output power required when acquiring the larger output at the same driving frequency and reducing the size by increasing the frequency. An apparatus and a driving method thereof can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a connection schematic diagram of a piezoelectric transformer device according to an embodiment of the present invention.
2 is a circuit diagram of the piezoelectric transformer device of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing output characteristics of a piezoelectric transformer element alone.
FIG. 4 is a diagram showing output characteristics when piezoelectric transformer elements are connected in parallel.
FIG. 5 is a diagram showing output characteristics of a single piezoelectric transformer element having a doubled thickness.
FIG. 6 is a perspective view showing a piezoelectric transformer element for an inverter according to the prior art.
FIG. 7 is a perspective view showing a thickness longitudinal vibration mode type piezoelectric transformer element according to the prior art.
FIG. 8 is a perspective view showing a transverse-lateral vibration mode type piezoelectric transformer element according to the prior art.
FIG. 9 is a perspective view showing a longitudinal single longitudinal vibration mode type piezoelectric transformer element according to the prior art.
FIG. 10 is a perspective view showing a spread vibration mode type piezoelectric transformer element according to the prior art.
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between frequency and shape (in the case of spread vibration and length vibration).
FIG. 12 is a diagram showing the influence of variations in resonance frequency on output power and efficiency.
[Explanation of symbols]
1, 1 ', 2, 2'

Input terminal electrode

3, 3 ', 4, 4' Output terminal electrode 5 Drive power supply 8 Load 10

Piezoelectric transformer elements

11, 12, 13, 14

Lead wire

31, 41 Efficiency cal (theoretical value) )
32, 42, 51 Efficiency means (actual measurement)
33, 43 Output power cal (theoretical value)
34, 44, 52 Output voltage means (actual value)
35, 45, 53 ΔTmeans
50 Piezoelectric Transformer Element for Inverter 60 Thickness Longitudinal Vibration Mode Type Piezoelectric Transformer Element 70 Longitudinal Vibration Mode Type Piezoelectric Transformer Element 80 One Vertical Longitudinal Vibration Mode Type Piezoelectric Transformer Element

Claims

A plurality of piezoelectric transformer elements using piezoelectric ceramics or a piezoelectric single crystal are provided, and each of the plurality of piezoelectric transformer elements has an input unit for simultaneously applying drive input signals in parallel and one load in parallel. The piezoelectric transformer element is driven on a higher frequency side than the maximum output driving frequency in order to avoid the influence of the shift of the resonance frequency of each of the plurality of piezoelectric transformer elements. A piezoelectric transformer device.

A driving method of a piezoelectric transformer device including a plurality of piezoelectric transformer elements using piezoelectric ceramics or a piezoelectric single crystal, wherein driving input signals are simultaneously applied in parallel to respective input portions of the plurality of piezoelectric transformer elements. In addition to connecting one load in parallel to each output unit and avoiding the influence of the deviation of the resonance frequency of each of the plurality of piezoelectric transformer elements, the piezoelectric transformer elements are driven at a frequency higher than the maximum output driving frequency. A method for driving a piezoelectric transformer device, characterized in that the method is performed on the side.