JPH08162690A

JPH08162690A - 圧電振動子

Info

Publication number: JPH08162690A
Application number: JP6332747A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Iwata; 比呂志岩田; 晃 ▲徳▼島; Akira Tokushima
Original assignee: West Electric Co Ltd
Current assignee: West Electric Co Ltd
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】複合共振モードを応用して、高電圧および大
きい出力電流を共に得る。【構成】圧電セラミックスから成る長さ方向分極部と
厚み方向分極部によって構成し、長さ方向の共振特性と
幅方向の共振特性を略一致させる。さらに、上記構成か
ら成る圧電トランスを、電気的に並列接続して圧電トラ
ンス集合体とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、概して圧電セラミック
スからなる圧電素子ないし電気−機械量変換素子に関
し、より詳しくは冷陰極放電ランプ等の放電ランプの点
灯装置に使用されるトランスとして作用する電気信号を
機械的な変位量に変換でき、また、機械的な変位量を電
気的信号に変換できる圧電トランスに関するのもであ
る。

【０００２】

【従来技術】最近、小型携帯用のパーソナルコンピュー
タ、ワードプロセッサ等、いわゆるラップトップおよび
パームトップタイプの電子機器が急速に普及してきてお
り、一方、これらの電子機器には液晶表示装置が表示部
として使用され、その照明用光源である冷陰極放電ラン
プの駆動に圧電トランスを含む回路が採用されているこ
とは周知である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来から開発
されてきた圧電トランスは、その出力側に高電圧を得る
目的で、駆動する共振モードをシンプルに励振するため
に、長さと幅の比を０．２以下としていた。これは他の
励振モードが結合されると不要共振が生じて電気−機械
量変換効率が著しく低下するのを防ぐためであった。放
電管やストロボ光源等を点灯する場合、高電圧および少
なくとも出力部で１〜１０ｍＡ程度の出力電流が共に必
要である。ところが従来の圧電トランスでは電流値を増
加させると、電圧値が低下して放電管やストロボ光源は
低い輝度でしか発光せず、実用にならなかった。

【０００４】また、従来の圧電トランスでは、出力イン
ピーダンスは高インピーダンスとして用いられており、
後続の実負荷とのマッチング等はまったく検討されてい
なかった。

【０００５】従って、本発明は長さ方向の共振モードと
幅方向の共振モードを略一致させることにより、複合共
振モードを応用して高電圧および大きい出力電流を共に
得ることのできる圧電トランスとすることを課題とす
る。

【０００６】さらに、本発明では放電管やストロボ光源
を効率よく発光させるために、発信部と駆動部と圧電ト
ランスと放電管やストロボ光源等の実負荷との電気的イ
ンピーダンスマッチングを図るべく、圧電セラミックス
から成る圧電振動子の、厚み方向分極部を入力部に用
い、長さ方向分極部を出力部として用いた圧電振動子に
おいて、複数個の長さ方向分極部の出力部を並列接続す
ることによって、入力部の共振特性と、出力部の共振特
性を略一致させる事により、圧電トランスの出力インピ
ーダンスを約１ｋΩ〜１００ｋΩの間で任意に調整可能
にすることを課題とする。

【０００７】また入力部の共振特性と、出力部の共振
特性を略一致させる事により、後続の実負荷へのエネル
ギー伝送効率を高効率にすることのできる圧電トランス
とすることを課題とする。

【０００８】

【発明が解決しようとするための手段および作用】本発
明による圧電トランスは、圧電セラミックスから成る長
さ方向分極部と厚み方向分極部によって構成し、長さ方
向の共振特性と幅方向の共振特性を略一致させたことを
特徴とし、また、厚み方向分極部を入力部に用い、前記
長さ方向分極部を出力部として用い、複数個の長さ方向
分極部の出力部を並列接続することによって、出力イン
ピーダンスを任意の値に調整可能とした。あるいは、厚
み方向分極部を入力部に用い、長さ方向分極部を出力部
として用い、厚み方向分極部の同極が相対向するよう構
成することもできる。さらに、単体の圧電セラミックス
上に複数個の厚み方向分極部と複数個の長さ方向分極部
を１構成単位として組み合わされた複数個の圧電トラン
ス、あるいは、同極が相対向するよう構成された複数個
の圧電トランスから成る圧電トランス集合体とし、高電
圧、大電流の出力を同時に得るようにした。

【０００９】

【実施例】図１に本発明の圧電トランスの一実施例を示
す。本発明の圧電トランス１においては、厚み方向分極
部と長さ方向分極部とから成り、１ａは厚み方向分極部
の上面電極で、１ｂは下面電極である。分極は前記１ａ
と１ｂ間の圧電セラミックスの厚み方向に高電圧を印加
して行われる。１ｃは圧電セラミックスの端面およびそ
の近傍に施された電極である。長さ方向の分極は前記１
ａと１ｂ間を接続してアース側電極として用いて、１ｃ
との間に高電圧を印加して行われる。この圧電トランス
１の動作について説明すると、一対の厚み方向電極部１
ａ〜１ｂ間に駆動部（図示省略）からの駆動電圧が印加
され、出力電極１ｃから取り出される出力によって放電
ランプ等が点灯される。これについては周知であるので
詳しい説明は省略する。本発明の圧電トランス１の長さ
方向の大きさと幅方向の大きさは略２：１となるよう
に、また、長さ方向の大きさと厚みとの大きさは略３
５：１となるように構成されている。あるいは長さ方向
の大きさと幅方向の大きさが略３：１となるように、ま
た、長さ方向の大きさと厚みとの大きさは略２０：１と
なるように構成されている。より詳しく説明すると、長
さ方向の大きさと幅方向の大きさとの比は０．１以上で
０．７以下とし、かつ、長さ方向の大きさと厚みとの
比、いわゆるＬ／Ｔは１以上で１００以下となるよう構
成されている。

【００１０】次に、圧電トランスの共振特性を含めた諸
特性について説明する。図２は図１に示す圧電トランス
１の厚み方向分極部１ａ〜１ｂの共振特性の１例を示し
たものである。図２においてＡ１は１次共振モードの共
振点、Ａ２は２次共振モードの共振点、Ａ５は３次モー
ドの共振点をそれぞれ示す。２次モードの共振点をさら
に詳しく説明すると、Ａ４が２次モードの反共振点で、
共振点Ａ２と反共振点Ａ４の間には、図１に示す圧電ト
ランス１の幅方向振動姿態の１次の共振点Ａ３が副共振
として現れる。これは図１に示す圧電トランス１の幅寸
法を長さ方向の寸法の略半分に相当する長さに構成した
ことにより共振点Ａ２の近傍に副共振点Ａ３として現れ
たものである。

【００１１】さらに、幅寸法を最適な長さに調整すると
副共振点Ａ３は、２次モードの共振点Ａ２に接近して、
次いで一体となり一つの共振系となる。このとき共振特
性のダイナミックレンジは１．５倍〜２倍程度の大きな
共振特性となり、共振点Ａ２も低インピータンスとなる
ので、大電流が入力可能となる。この結果、出力電圧が
１〜１０ｋＶのときにおいても、出力電流は１〜１０ｍ
Ａの電流を出力可能となり、アウトプットパワーのハイ
パワー化が可能である。

【００１２】図３は図１に示す圧電トランス１の長さ方
向分極部１ａあるいは１ｂ〜１ｃの共振特性の１例を
示したものである。図３において、Ｂ１は１次モードの
共振点、Ｂ２は２次モードの共振点で、Ｂ２の共振周波
数のインピーダンスは約３ｋΩを示した。Ｂ３は前述の
厚み方向分極部の共振特性の２次モードの共振点で駆動
したときの同周波数帯のインピーダンスを示した。ドラ
イブ中のアウトプットインピーダンスとしては、約３０
０ｋΩ程度の値となる。Ｂ５は３次モードの共振点、Ｂ
４は幅方向の１次共振点で、共振周波数のインピーダン
スは約２０ｋΩを示した。従来からの圧電トランスは、
主に、テレビ等の陰極線管（ＣＲＴ）のフライバックト
ランスとして開発されており、これらの実負荷の等価抵
抗（インピーダンス）は１０〜７０ＭΩ程度であるた
め、圧電トランスの出力インピーダンスが数百ｋΩ程度
と高かったが、前記実負荷に対して１ケタ〜２ケタ近く
インピーダンスが低く、実用上インピーダンス整合の必
要が生じることがなかったので、まったく検討されてい
なかった。

【００１３】しかし、本発明の圧電トランスでは放電管
やストロボ光源等の多種の実負荷を想定しているので、
負荷に応じて圧電トランスの出力インピーダンスを調整
する必要がある。駆動の対象となる実負荷の入力インピ
ーダンスより圧電トランスの出力インピーダンスが充分
低ければ、負荷に圧電トランス側が引かれて特性が劣化
し、本来の特性が発揮されず、負荷の駆動が不可となる
こと等がないので、応用範囲の広いデバイスとなる。

【００１４】実負荷の入力インピーダンスと圧電トラン
スの出力インピーダンスの整合（インピーダンスマッチ
ング）は、図３に示した共振特性のＢ３の駆動周波数を
圧電トランスの長さ方向の寸法を小さくしていく方向
で、最適な長さに調整してＢ４の共振点（２０ｋΩ）に
近づけていくか、さらに共振点のインピーダンスを低く
したい場合はＢ２の共振点（３ｋΩ）に近づけるよう圧
電トランスの長さ方向の寸法を大きくしていく方向で、
調整することにより可能となった。入力部を同様に調整
してもよい。以上の方法により圧電トランスと実負荷の
インピーダンスマッチングを可能ならしめたので、大電
力の供給が可能となった。また、発熱も小さくなり長寿
命化が促進できて簡単な駆動回路構成でドライブするこ
とが可能となった。

【００１５】図１、図２、図３を用いて圧電トランス１
の長さ方向Ｌと幅方向Ｗと厚み方向Ｔの大きさが、それ
ぞれほぼ１：０．５：０．０３程度の圧電トランスにつ
いて、幅方向の１次共振特性と長さ方向の２次共振特性
を略一致させた複合共振特性による、入−出力インピー
ダンスの調整方法について説明した。同様にして、圧電
トランス１の長さ方向Ｌと幅方向Ｗと厚み方向Ｔの大き
さが、それぞれほぼ１：０．３：０．０３程度の圧電ト
ランスについて、幅方向の１次共振特性と長さ方向の３
次共振特性を略一致させた複合共振特性による、入−出
力インピーダンスの調整方法についても、同様のメカニ
ズムで調整できるので、調整方法についての詳しい説明
は省略する。

【００１６】図４に本発明の他の実施例として、（ａ）
に圧電トランスの長さと幅の比を０．２以下とした長さ
方向が１次の共振特性の振動モードと、入−出力の電極
配置図を示した。前記１次の振動モードでは、中央部に
振動のノード（節）部があり、ノードを境にして振動位
相が１８０度反転している。左側の同相部に入力部とし
て用いる厚み方向分極部を構成して、右側の相反する位
相となる振動部には出力部となる長さ方向分極部を構成
した。

【００１７】（ｂ）に圧電トランスの長さと幅の比をほ
ぼ０．５程度にした長さ方向が２次の共振特性の振動モ
ードと、入−出力の電極配置図を、２例示した。前記２
次の振動モードでは、両端面からほぼ０．２程度内側と
なる位置に振動のノード（節）部があり、ノードを境に
して中央部とその両端部では振動位相が１８０度反転し
ている。１例目（上側）の圧電トランスでは、中央部の
同相部に入力部として用いる厚み方向分極部を構成し
て、その両端部の相反する位相となる振動部には出力部
となる長さ方向分極部を構成した。また長さ方向分極部
は接地側に厚み方向分極部の電極を用いて、出力側に圧
電振動子の端面およびその近傍部に出力電極を構成し
た。前記出力部の電極は厚み方向分極部を中心にして相
対向した位置に構成されている。２例目（下側）の圧電
トランスでは、中央部の同相部に出力部として用いる複
数の長さ方向分極部を構成して、その両端部の相反する
位相となる振動部には入力部となる厚み方向分極部を構
成した。また長さ方向分極部は接地側に厚み方向分極部
の電極を用いて、出力側に圧電振動子の中央部およびそ
の近傍部に複数個の出力電極を構成した。前記入力部の
電極は長さ方向分極部の複数個の出力電極を中心にして
相対向した位置に構成されている。

【００１８】（ｃ）に圧電トランスの長さと幅の比をほ
ぼ０．３程度にした長さ方向が３次の共振特性の振動モ
ードと、入−出力の電極配置図を示した。前記３次の振
動モードでは、両端面からほぼ０．１３程度内側となる
位置と中央部にそれぞれ振動のノード（節）部があり、
ノードを境にしてそれぞれその振動位相が１８０度反転
している。この圧電トランスでは、中央部のノード
（節）部に出力電極を構成し、前記出力電極を中心に同
相部と相反する位相部にそれぞれ長さ方向分極部を構成
して、厚み方向分極部を外側となる前記隣り合う振動部
とは相反する位相位置に構成した。また長さ方向分極部
は接地側に厚み方向分極部の電極を用いて、出力側に圧
電振動子の中央部およびその近傍部に前記の出力電極を
構成している。また入力部の電極は長さ方向分極部の出
力電極を中心にして相対向した位置に構成されている。

【００１９】図４の（ｂ）の上下に示した圧電トランス
は共に複数個の長さ方向分極部の出力部を有している。
出力部の前記圧電振動子の等価回路は一般に、電気腕の
コンデンサと機械腕のコイルとコンデンサと抵抗との並
列回路で示される。この電気腕のコンデンサ容量は約１
０〜３０ＰＦなので、前記複数個の長さ方向分極部の出
力部を並列接続することにより、等価的に出力部の電極
面積を増加させた効果としてはたらき入力部の共振特性
と、出力部の共振特性を略一致させることができた。さ
らに入力部の共振特性と、出力部の共振特性を略一致さ
せた事により、圧電トランスの出力インピーダンスを、
約１ｋΩ〜１００ｋΩという低インピーダンスの圧電ト
ランスを実現することができた。

【００２０】図５には単体の圧電セラミックス上に、複
数個の厚み方向分極部あるいは複数個の長さ方向分極部
を１構成単位として組み合わされた複数個の圧電トラン
ス、あるいは、同極が相対向するよう構成された複数個
の圧電トランスから成る圧電トランス集合体を示した。
複数個の入力部となる厚み方向分極部と、複数個の出力
部となる長さ方向分極部を並列接続することによって、
出力をハイパワー化する構成と方法を得ることができ
た。

【００２１】出力のハイパワー化は、複数個の出力部を
並列接続した圧電トランス集合体の出力部から高電圧と
大電流を同時に得ることで可能となるが、このために
は、圧電トランスに大きな電力を入力する必要がある。
従来の圧電トランスでは、大電流化するための検討はま
ったくされていなかった。

【００２２】本発明では長さ方向に２次の共振モードと
幅方向に１次の共振モードを略一致させて結合すること
により、あるいは長さ方向に３次の共振モードと幅方向
に１次の共振モードを略一致させて結合することによ
り、新しく発生する複合共振モードを応用して、それぞ
れ１構成単位の圧電トランスの中央部に長さ方向に長尺
となるノード部を設けることを可能にした。また各単体
の圧電トランスが各々小電力を伝送する形式であるの
で、従来の圧電トランスでは１２Ｖで数十ないし数百ミ
リアンペアしか入力できなかった入力電流が、本発明の
圧電トランスでは十数アンペアという大電流を入力でき
るようになった。また大電力励振にともなう鳴き現象も
解消し、入力電流と出力電圧が圧電トランスの集合数の
倍率でアップした。

【００２３】

【発明の効果】本発明では、長さ方向の共振モードと幅
方向の共振モードを略一致させ、複合共振モードを応用
して、出力部で１〜１０ｋＶの高電圧および１〜１０ｍ
Ａの大きい出力電流を同時に実現する効果がある。

【００２４】また、従来の圧電トランスでは、その厚み
が２．５ｍｍ以下のものを使用すると構造的に弱く、欠
陥を呼び特性の劣化や大電力駆動に耐えられず、発熱し
て破壊に到る。このため２．５ｍｍ以下の薄物は使用さ
れなかた。しかし、本発明では長さ方向の共振モードと
幅方向の共振モードを略一致させることにより新しく発
生する複合共振モードを応用した。このモードは長さ方
向に２次の振動姿態で、幅方向に１次の振動姿態、ある
いは長さ方向に３次の振動姿態で、幅方向に１次の振動
姿態の複合共振で機械振動を励起するので、従来の圧電
トランスのように厚み方向の分極部と長さ方向の分極部
の境界近傍の応力が最大値を示す位置で破壊するという
従来の圧電トランスが抱えていた致命的な欠点を解消し
た。

【００２５】さらに、上述の複合共振モードでは、圧電
トランスの中央部に長さ方向に長尺となる楕円状のノー
ド部ができるので、応力集中が緩和されて圧電トランス
の厚みが２．５ｍｍ以下となっても、従来の圧電トラン
スのように厚み方向分極部と、長さ方向分極部の境界で
破壊することがなく、かつ、特性の劣化や発熱して破壊
に到るということもない。０．５ｍｍ程度の厚みでも腰
が強く、実負荷の連続駆動が可能である。

【００２６】さらに、入−出力部のいずれか一方の共振
特性を調整することにより約１ｋΩ〜１００ｋΩの間で
任意に圧電トランスの出力インピーダンスを調整可能に
したので実負荷の入力インピーダンスに引かれて圧電ト
ランスの特性が低下することがなく、エネルギー伝達効
率を飛躍的に高めることができ、また、圧電トランスを
厚み方向分極部の同極を対向させて構成し、撓み振動成
分を抑制して大電力化を可能にする効果もある。加え
て、１組の圧電トランスでは不足した強度を増して、不
要振動を抑制した結果、発熱を最小限にすることがで
き、ハイパワーになるにしたがって発生した騒音を解消
できる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電トランスの一実施例を示す斜
視図である。

【図２】圧電トランスの厚み方向分極部の共振特性を示
す図である。

【図３】圧電トランスの長さ方向分極部の共振特性を示
す図である。

【図４】本発明による圧電トランスの他の実施例を示す
斜視図である。

【図５】本発明による圧電トランス集合体の実施例を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１圧電トランス１ａ，１ｂ厚み方向分極部電極１ｃ，長さ方向分極部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミックスから成る圧電振動子が
長さ方向分極部と厚み方向分極部を有しており、長さ方
向の高次共振特性の同相部に前記厚み方向分極部を構成
して、前記厚み方向分極部に対して相反する位相となる
振動部に長さ方向分極部を構成したことを特徴とする圧
電振動子。
【請求項２】長さ方向分極部は接地側に厚み方向分極
部を用いて、出力側に圧電振動子の端面およびその近傍
部を用いたことを特徴とする請求項１記載の圧電振動
子。
【請求項３】長さ方向分極部の出力部は、厚み方向分
極部を中心にして相対向して構成されたことを特徴とす
る請求項１記載の圧電振動子。
【請求項４】圧電セラミックスから成る圧電振動子が
長さ方向分極部と厚み方向分極部を有しており、長さ方
向の高次共振特性の同相部に前記長さ方向分極部を構成
して、前記長さ方向分極部に対して相反する位相となる
振動部に厚み方向振動部を構成したことを特徴とする圧
電振動子。
【請求項５】長さ方向分極部は、接地側に厚み方向分
極部を用いて、出力側に圧電振動子の中央部およびその
近傍部を用いたことを特徴とする請求項４記載の圧電振
動子。
【請求項６】厚み方向分極部は、圧電振動子の中央部
を中心にして相対向するよう構成されたことを特徴とす
る請求項４記載の圧電振動子。
【請求項７】圧電セラミックスから成る圧電振動子が
長さ方向分極部と厚み方向分極部を有しており、長さ方
向の高次共振特性のおのおの同相部と相反する位相位置
に前記長さ方向分極部を構成して、厚み方向分極部を前
記隣り合う振動部とは相反する位相位置に構成されたこ
とを特徴とする圧電振動子。
【請求項８】長さ方向分極部は、接地側に厚み方向分
極部を用いて、出力側に圧電振動子の中央部およびその
近傍部を用いたことを特徴とする請求項７記載の圧電振
動子。
【請求項９】長さ方向分極部の出力部を、振動ノード
（節）部およびその近傍部より構成されたことを特徴と
する請求項７記載の圧電振動子。
【請求項１０】厚み方向分極部は圧電振動子の中央部
を中心にして、相対向するよう構成されたことを特徴と
する請求項７記載の圧電振動子。
【請求項１１】圧電セラミックスから成る圧電振動子
が、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有しており、前
記厚み方向分極部を入力部に用い、前記長さ方向分極部
を出力部として用いるとともに、実負荷の駆動に前記圧
電振動子の幅方向の１次共振特性と長さ方向の３次共振
特性を略一致させた複合共振特性で駆動させることを特
徴とする圧電振動子。
【請求項１２】圧電セラミックスから成る圧電振動子
が、長さ方向分極部と厚み方向分極部を有しており、前
記厚み方向分極部を入力部に用い、前記長さ方向分極部
を出力部として用いた圧電振動子において、前記長さ方
向分極部の複数の出力部を並列接続することにより、入
力部の共振特性と、出力部の共振特性を略一致させたこ
とを特徴とする圧電振動子。
【請求項１３】同極が相対向するよう構成された複数
個の圧電トランスから成ることを特徴とする圧電トラン
ス集合体。
【請求項１４】複数個の厚み方向分極部と、複数個の
長さ方向分極部の出力部を並列接続したことを特徴とす
る圧電トランス集合体。
【請求項１５】厚み方向分極部と、複数個の長さ方向
分極部より構成された１構成単位の集合体より成ること
を特徴とする圧電トランス集合体。
【請求項１６】複数個の厚み方向分極部と、複数個の
長さ方向分極部より構成された１構成単位の集合体より
成ることを特徴とする圧電トランス集合体。【０００１】