JP5284695B2

JP5284695B2 - 圧電トランスおよびこれを備えるストロボ装置

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Publication number: JP5284695B2
Application number: JP2008166743A
Authority: JP
Inventors: 健藤村
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP2010010316A

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_３を３等分した長さＬ_３／３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_３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_３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。

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

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。