JP5284695B2 - 圧電トランスおよびこれを備えるストロボ装置 - Google Patents

圧電トランスおよびこれを備えるストロボ装置 Download PDF

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Description

本発明は、長手方向の一方に入力領域、他方に出力領域を有する矩形の圧電トランスおよびこれを備えるストロボ装置に関する。
圧電トランスは、共振振動を利用して昇圧する部品である。例えば、液晶バックライト点灯用インバータでは、入力される12V程度の電圧に対し、数kVの高電圧を発生させバックライト用のCCFLを点灯させる。そして、薄さが要求される液晶バックライト点灯用インバータの昇圧部品に、圧電トランスが用いられている。液晶バックライト点灯用インバータ以外にも圧電トランスの応用分野は多岐に渡る。
特許文献1では、圧電トランスのストロボ機構への応用例が提案されている。特許文献1記載の圧電トランスは、外形形状を構成する複数面のうち、長手方向の1つの面と、短手方向の相対する2つの面とに、2種類の出力電極を備えており、互いに異なる第1および第2共振モードに適宜切り替えて駆動可能である。そして、これを応用したストロボ装置は、圧電トランスを、第1共振モードにて駆動中に出力電極に発生する電圧によって放電コンデンサを充電する一方で、第2共振モードにて駆動中に出力電極に発生する電圧によって放電管のトリガを駆ける。このようにして、スイッチ(スイッチング素子)を用いること無く、一つの圧電トランスでコンデンサへの充電機能と、放電管のトリガ機能とを切り替え可能にしている。
特許第4055943号公報
しかしながら、上記の圧電トランスは、全長を長手方向に4等分した位置に出力電極が設けられているが、高周波数の振動モードは5λ/2であり、効率よく高電圧を得られない。また、出力領域中の各部の分極方向が逆向きであるため、端面電極においても効率よく高電圧を得られない。
また、ストロボ装置では、充電回路の負荷インピーダンスは低く、トリガ回路の負荷インピーダンスは高い。上記の圧電トランスがストロボ装置の充電またはトリガに用いられる際に、それぞれの回路の負荷インピーダンスと整合がとられておらず、必ずしも実用的な構成および駆動方法が採用されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、効率よく高電圧を出力し、共振モードの切り替えにより、各回路とインピーダンス整合可能な圧電トランスおよびこれを備えるストロボ装置を提供することを目的とする。
(1)上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じている。すなわち、本発明の圧電トランスは、長手方向の一方に入力領域、他方に出力領域を有する矩形の圧電トランスであって、圧電材料により形成され、前記出力領域内で長手方向に連続して設けられる第1および第2出力部と、前記各出力部の間に設けられる第1出力電極と、前記出力領域の長手方向端部に設けられる第2出力電極と、を備え、前記入力領域および各出力部は、それぞれ長手方向に全長を3等分した長さを有し、前記各出力部は、長手方向に同じ向きの分極方向を有することを特徴としている。
このように、本発明の圧電トランスは、入力領域および各出力部がそれぞれ長手方向に全長を3等分した長さを有し、第1出力電極は各出力部の間に設けられている。これにより、3λ/2モードで駆動するとき、第1出力電極から効率よく高電圧を得るとともに、圧電トランスの出力インピーダンスを低くすることができる。また、本発明の圧電トランスは、各出力部が長手方向に同じ向きの分極方向を有し、第2出力電極は出力領域の長手方向端部に設けられる。これにより、λ/2モードで駆動するとき、第2出力電極から効率よく高電圧を得るとともに、圧電トランスの出力インピーダンスを高くすることができる。
(2)また、本発明の圧電トランスは、第1共振モードにて駆動されているときには、第1出力電圧を第1出力電極から取り出し可能である一方で、その第1共振モードとは異なる第2共振モードにて駆動されているときには、前記第1出力電圧とは大きさが異なる第2出力電圧を第2出力電極から取り出し可能であることを特徴としている。
これにより、上記の圧電トランスを用いて異なる電圧にて機能させる装置を簡単な構成で動作させることができる。たとえば、ストロボ装置に上記圧電トランスを用いることで、スイッチ(スイッチング素子)を用いること無く、一つの圧電トランスで放電コンデンサへの充電機能と、放電管のトリガ機能とを切り替え可能にすることができる。
(3)また、本発明の圧電トランスは、前記第1共振モードとして3λ/2モードにて駆動されているときには、前記第2出力電圧を取り出す場合と比較して小さい出力インピーダンスで前記第1出力電圧を前記第1出力電極から取り出し可能であることを特徴としている。これにより、上記の圧電トランスを3λ/2モードで駆動し、第1出力電極から効率よく高電圧を得るとともに、負荷インピーダンスが小さい回路に対してインピーダンス整合をとることができる。
(4)また、本発明の圧電トランスは、前記第2共振モードとしてλ/2モードにて駆動されているときには、前記第1出力電圧を取り出す場合と比較して大きい出力インピーダンスで前記第2出力電圧を前記第2出力電極から取り出し可能であることを特徴としている。これにより、上記の圧電トランスをλ/2モードで駆動し、第2出力電極から効率よく高電圧を得るとともに、負荷インピーダンスが大きい回路に対してインピーダンス整合をとることができる。
(5)また、本発明のストロボ装置は、閃光用の放電管と、前記放電管を発光させる電気エネルギーを蓄える放電コンデンサと、前記放電コンデンサに電気エネルギーを充電する充電回路と、前記放電管の放電を促す高電圧信号を発生させるトリガ回路と、前記充電回路および前記トリガ回路で共用される圧電トランスを含む昇圧回路と、を備えるストロボ装置であって、前記圧電トランスとして、請求項2から請求項4記載の圧電トランスを備え、前記昇圧回路において、前記第1または第2共振モードにて前記圧電トランスを駆動すると共に、前記各出力電極からそれぞれ出力電圧を取り出すことにより、前記昇圧回路を、前記充電回路用または前記トリガ回路用に切り替え可能であることを特徴としている。
このように、本発明のストロボ装置は、上記の圧電トランスにより、スイッチを用いることなく共振モードに応じて回路を切り替えて出力し、放電管を閃光させることができる。そして、圧電トランスを充電機能およびトリガ機能のいずれに用いる場合でも、共振モードに適合させて効率よく高電圧を出力することができる。また、出力インピーダンスの大小を各回路の負荷に適合させることでインピーダンス整合をとり、効率的に電気エネルギーを伝送し、効率よく放電管を閃光させることができる。
本発明によれば、効率よく高電圧を出力し、共振モードの切り替えにより、各回路とインピーダンス整合可能な圧電トランスおよびこれを備えるストロボ装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
[第1実施形態]
(圧電トランスの構成)
図1は、圧電トランス100の斜視図である。図1では、便宜上圧電トランス100の内部に設けられた電極も透視可能に表現している。圧電トランス100は、長手方向の一方に入力領域110、他方に出力領域120を有し、板状すなわち矩形状に形成されている。入力領域110は、厚み方向に入力部と入力電極130とが積層した構造を有している。入力部は圧電材料により形成されている。なお、昇圧比を稼ぐためには上記のような積層構造が好ましいが、必須ではない。厚み方向に区分された入力部は、1層毎に逆方向になるように交互の方向に分極されている。入力電極130は、それぞれが交互に接続され、取り出し電極として入力電極131(第1入力電極)、入力電極132(第2入力電極)が形成されている(図4の模式的に表された電極を参照)。なお、図中の入力電極130は、積層された電極の集合を指している。
出力領域120内には、圧電材料により形成される出力部141(第1出力部)および出力部142(第1出力部)が、入力領域110側から出力領域120側端面にわたり長手方向に連続して設けられている。各出力部141、142は長手方向に分極処理されており、出力部142の分極方向は、出力部141の分極方向と同じ向きである。なお、図示された矢印は、分極方向を示しており、いずれの出力部141、142の分極方向も入力領域110から端面の出力電極152(第2出力電極)へ向いている。なお、たとえば、入力部や出力部141、142はPZT等の圧電材料により形成され、入力電極または出力電極はAg−Pd等の金属により形成されている。
図1に示すように、圧電トランス100は、長手方向に3等分に区分された構造を有している。すなわち、入力領域110および各出力部141、142の長手方向の長さは、それぞれ圧電トランス100の長手方向の全長Lを3等分した長さL/3である。出力電極151(第1出力電極)は、出力部141と出力部142との間に設けられている。なお、図1に図示される出力電極151は積層構造に形成されているが、単に圧電トランス100の表面に形成されていてもよい。出力電極152は、出力領域120の長手方向の端部に設けられる。
(駆動方法)
次に、上記のように構成される圧電トランス100の駆動方法を説明する。まず、入力電極131、132間に入力電圧を印加する。入力電圧として3λ/2モード(第1共振モード)の共振周波数の交流電圧を印加すると、圧電トランス100が3λ/2モードで共振振動する。
図2(a)は、3λ/2モードで圧電トランス100を駆動させたときの応力分布を示すグラフ、図2(b)は、そのときの電圧分布を示すグラフである。それぞれ横軸は、長さLの圧電トランス100において、入力側端面をゼロとしたときの長手方向の位置を示している。応力分布と分極方向の関係に応じて各出力部141、142に電界が発生し、発生した電界の長手方向の積分値が出力電圧となる。このとき各位置の電圧は、応力と分極方向の積に比例する値を積算したものとなる。図2(b)に示すように、3λ/2モードで圧電トランス100を駆動するときには、出力電極151の位置で高い電圧を得るとともに、出力電極152の位置では電圧をほぼゼロにすることができる。
なお、図1に示されるように、出力電圧V1(第1出力電圧)についての静電容量は出力電極151と入力領域110の間の容量となる。この構造では、入力領域110と出力電極151との距離を比較的小さくできるため、出力側の静電容量を大きくすることができる。また、λ/2モードやλモードよりも高次の3λ/2モードで動作させるため、共振周波数を高くすることができる。その結果、出力インピーダンスを小さくすることができる。このように、圧電トランス100は、第1共振モードとして3λ/2モードにて駆動されているときには、出力電圧V2(第2出力電圧)を取り出す場合と比較して小さい出力インピーダンスで出力電圧V1を出力電極151から取り出すことができる。
一方、入力電圧としてλ/2モード(第2共振モード)の共振周波数の交流電圧を印加すると、圧電トランス100がλ/2モードで共振振動する。そして、出力電極152から出力電圧V2が得られる。図3(a)は、λ/2モードで圧電トランス100を駆動させたときの応力分布を示すグラフ、図3(b)は、そのときの電圧分布を示すグラフである。それぞれ横軸は、長さLの圧電トランス100において、入力側端面をゼロとしたときの長手方向の位置を示している。図3(b)に示すように、λ/2モードで圧電トランス100を駆動するときには、出力電極152の位置で高い電圧を得るとともに、出力電極151の位置では電圧を低く抑えることができる。
なお、出力電極152についての静電容量は端面の出力電極151と入力領域110の間の容量となる。この構造では、入力領域110と出力電極151との距離を比較的大きくできるため、出力側の静電容量を小さくすることができる。また、3λ/2モードやλモードよりも低次のλ/2モードで動作させるため、共振周波数を低くすることができる。その結果、出力インピーダンスを大きくすることができる。このように、圧電トランス100は、第2共振モードとしてλ/2モードにて駆動されているときには、出力電圧V1を取り出す場合と比較して大きい出力インピーダンスで出力電圧V2を出力電極152から取り出すことができる。
(作製方法)
次に、圧電トランス100の作製方法の一例を説明する。まず、圧電材料を調整し、バインダーを混合して圧電材料シートを用意する。この圧電材料シートの所定の位置に、電極ペーストを印刷し、型抜きをする。この際には、長手方向の1/3の区分に入力電極用の印刷をし、残りの2/3を2等分する位置に出力電極151用に電極ペーストを印刷する。型抜きされた圧電材料シートを所定枚数重ねて圧着し、焼成する。焼成体の入力領域110に設けられた入力電極130は、交互に接続するために、圧電トランス100の側面に接続用の外部電極(図示せず)を設ける。また、出力電極151については側面に外部電極(図示せず)設けてすべてを接続することが好ましい。ただし、出力電極151については、内部電極を設けることが好ましいが、必ずしも内部電極までを設ける必要はない。そして、出力電極152として電極材料を出力側の端面に焼き付ける。
このようにして得られた焼成体に分極処理を行うことで、圧電トランス100が完成する。各出力部141、142に、長手方向出力電極152向きの電圧を印加し、分極処理を行う。これにより、各出力部141、142が長手方向について同じ向きの分極方向を有する圧電トランスが完成する。なお、上記の作製方法例では入力領域110、出力部141、142等の各部を一体で作製しているが、各部を作製(焼成、分極)した後、接着することで圧電トランス100全体を作製してもよい。
[第2実施形態]
(ストロボ装置)
次に、上記の圧電トランス100を応用したストロボ装置について説明する。図4は、ストロボ装置200の回路構成を示すブロック図である。ストロボ装置200は、発振回路210、駆動回路220、圧電トランス100、放電コンデンサ250、および放電管260を備える。
充電回路201とトリガ回路202とは、発振回路210、駆動回路220、並びに圧電トランス100からなる1組の昇圧回路を、共通の昇圧手段として備えている。駆動回路220は、発振回路210より出力される所定周波数の発振信号に応じて、圧電トランス100を駆動する。昇圧回路は、充電回路201およびトリガ回路202で共用される圧電トランス100を含んで構成されている。
発振回路210は、上記の所定周波数として、周波数の異なる少なくとも2種類の発振信号を出力可能である。駆動回路220は、その発振信号と、外部より印加される所定の直流電圧とに基づいて、周波数が異なる少なくとも2種類の駆動信号を、入力電極131、132に供給する。その結果、圧電トランス100は、異なる2種類の共振モードの何れによっても駆動することができる。本実施形態において第1共振モードは、3λ/2モードであり、第2共振モードは、λ/2モードである。
充電回路201は、放電コンデンサ250に整流された電圧(直流電圧)の電気エネルギーを充電する。充電回路201において、2つのダイオード230および240は、一般的な整流回路を構成している。この整流回路は、出力電極151に接続されており、圧電トランス100が第1共振モードにて駆動されているときに、出力電極151から出力される出力電圧V1が整流回路に印加される。放電管260は、閃光用のものであり、例えばキセノン放電管が用いられる。
トリガ回路202は、放電管260の放電を促す高電圧信号を発生させる。トリガ回路202において、放電管260のトリガ端子は、出力電極152に接続されており、圧電トランス100が第2共振モードにて駆動されているときには、出力電極152から出力される出力電圧V2がトリガ端子に印加される。このとき、放電コンデンサ250が所定の充電状態である場合には、その印加電圧をトリガとして、蓄積されていた電気エネルギーが放出され、放電管260が閃光を発する。
(ストロボ装置の動作)
機能に応じて第1または第2共振モードにて圧電トランス100が駆動されることで昇圧回路は、充電回路201用またはトリガ回路202用に切り替わる。そして、各出力電極151、152からそれぞれの大きさの出力電圧V1、V2が取り出される。圧電トランス100が第1共振モードとして3λ/2モードにて駆動されると、出力電極151から出力される出力電圧V1によって放電コンデンサ250が充電される。その後、圧電トランス100が第2共振モードとしてλ/2モードにて駆動されると、出力電極152から出力される出力電圧V2が急激に増加する。そして、放電コンデンサ250が所定の充電状態であり、出力電圧V2が放電管260の所定のトリガ電圧を超えている場合には、放電管260は、放電コンデンサ250に充電されていた電気エネルギーを放出し、放電管260が閃光を発する。
なお、上記のストロボ装置200では、出力電極151が整流回路に接続されており、出力電極152がトリガ端子に接続されているが、出力電極152が整流回路に接続され、出力電極151がトリガ端子に接続されていてもよい。その場合には、出力電圧V2が整流回路に印加され、出力電圧V1がトリガ端子に印加される。
以下に実施例として圧電トランス100を用いた実験結果を説明する。まず、長手方向長さ15mm、幅5、厚さ1.5mmの矩形状の圧電トランス100を準備した。そして、出力電極151には、充電状態を想定して50kΩの抵抗を接続した。また、出力電極152には、トリガを想定して無負荷として、回路を構成した。そして、圧電トランス100を3λ/2モードおよびλ/2モードでそれぞれ駆動させ、出力電圧V1および出力電圧V2を得た。実験結果は以下の表に示す通りである。
Figure 0005284695
上記の実験結果を参照すると、3λ/2モードで駆動した場合には、出力電圧V1は420Vであり、出力電圧V2は8Vであった。また、λ/2モードで駆動した場合には、出力電圧V1は50Vであり、出力電圧V2は2540Vであった。ストロボの閃光に必要な充電電圧は300V以上であり、トリガ電圧は1kV以上である。3λ/2モードで駆動した場合には、出力電極151から420Vを取り出すことができておりストロボの充電用に十分な電圧が得られた。また、圧電トランス100を3λ/2モードで駆動した場合には、出力電極152から2540Vを取り出すことができており、ストロボのトリガ用に十分な電圧が得られた。この実験により、ストロボ装置200が、共振モードに応じて各出力電極151、152から効率よく高電圧を得るとともに、負荷とのインピーダンス整合をとることができることが実証できた。
実施形態1に係る圧電トランスの斜視図である。 (a)3λ/2モードで圧電トランスを駆動させたときの応力分布を示すグラフ、(b)そのときの電圧分布を示すグラフである。 (a)λ/2モードで圧電トランスを駆動させたときの応力分布を示すグラフ、(b)そのときの電圧分布を示すグラフである。 実施形態2に係るストロボ装置の回路構成を示すブロック図である。
符号の説明
100 圧電トランス
110 入力領域
120 出力領域
130 入力電極
131 入力電極(第1入力電極)
132 入力電極(第2入力電極)
141 出力部(第1出力部)
142 出力部(第2出力部)
151 出力電極(第1出力電極)
152 出力電極(第2出力電極)
200 ストロボ装置
201 充電回路
202 トリガ回路
210 発振回路
220 駆動回路
230、240 ダイオード
250 放電コンデンサ
260 放電管
V1 出力電圧(第1出力電圧)
V2 出力電圧(第2出力電圧)

Claims (1)

  1. 閃光用の放電管と、前記放電管を発光させる電気エネルギーを蓄える放電コンデンサと、前記放電コンデンサに電気エネルギーを充電する充電回路と、前記放電管の放電を促す高電圧信号を発生させるトリガ回路と、前記充電回路および前記トリガ回路で共用される圧電トランスを含む昇圧回路と、を備えるストロボ装置であって、
    前記圧電トランスとして、
    長手方向の一方に入力領域、他方に出力領域を有する矩形の圧電トランスであって、
    圧電材料により形成され、前記出力領域内で長手方向に連続して設けられる第1および第2出力部と、
    前記各出力部の間に設けられる第1出力電極と、
    前記出力領域の長手方向端部に設けられる第2出力電極と、を備え、
    前記入力領域および各出力部は、それぞれ長手方向に全長を3等分した長さを有し、
    前記各出力部は、長手方向に同じ向きの分極方向を有することを特徴とする圧電トランスを備え、
    3λ/2モードにて駆動されているときには、前記第2出力電極から電圧を取り出す場合と比較して小さい出力インピーダンスで前記第1出力電極から電圧を取り出すことにより、前記昇圧回路を、前記充電回路用に切り替え可能であり、
    λ/2モードにて駆動されているときには、前記第1出力電極から電圧を取り出す場合と比較して大きい出力インピーダンスで前記第2出力電極から電圧を取り出すことにより、前記昇圧回路を、前記トリガ回路用に切り替え可能であることを特徴とするストロボ装置。
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