JPH08213666A

JPH08213666A - 圧電振動子

Info

Publication number: JPH08213666A
Application number: JP7050282A
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: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-20

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
ンスを複数化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、概して圧電セラミック
スからなる圧電振動子ないし電気−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ものであ
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、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、圧電トラン
スの出力インピーダンスを約３ｋΩ〜３００ｋΩの間で
任意に調整可能にすることを課題とする。

【０００７】かつ、入力インピーダンスおよび出力イン
ピーダンスのマッチングを実現した構成において、この
形状をさらに小形化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、入力部あるいは出
力部のいずれか一方の共振特性を調整して、入力インピ
ーダンスおよび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、複数の長さ方向分
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、複数の長さ方向分極部の分極方向が相反する極性
として構成されたり、電気位相が逆極性となるよう配縮
されたり、または分極方向が同極性として構成されたり
することにより、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矩形平板形状
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２と長さ方向分極部３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厚み方向分極部２が完
成する。１ｃは長さ方向分極部の例えばアース側となる
帯状電極で、１ｄは圧電セラミックスの端面に施された
電極である。分極は前記１ｃと１ｄ間に高電圧を印加し
て行われ長さ方向分極部３が完成する。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
１ａ〜１ｂ間に駆動部（図示省略）からの駆動信号が印
加され、出力電極１ｃと１ｄ間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３５：１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０．２以上で０．６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１０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２（１ａ〜１ｂ間）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、大きくし
ていく方向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
数オーム程度の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、１〜１０ｍＡ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となっ
た。

【００１２】図３は図１に示す圧電トランス１の長さ方
向分極部３（１ｃ〜１ｄ間）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、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位置を示した。ドライブ中
のアウトプットインピーダンスとしては、約３００ｋΩ
程度の値となる。Ｂ５は３次モードの共振点、Ｂ４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〜数ＭΩ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。

【００１５】図４には、複数個の出力部となる長さ方向
分極部３および４が、厚み方向分極部２をはさんで相対
向して構成され、またその分極方向は相反する極性に分
極された矩形平板形状の圧電振動子を示した。圧電トラ
ンスとしては前記厚み方向分極部２と、長さ方向分極部
３を１組とする圧電トランスと、前記厚み方向分極部２
を共用にして、長さ方向分極部４を他の１組とする２組
の圧電トランスとして構成されている。この場合の各々
の１組の圧電トランスの長さと幅の比は約０．４〜０．
５となるが、図４に示した厚み方向分極部が１つで、長
さ方向分極部が２つの矩形平板形状の圧電トランスで
は、長さと幅の比が約０．２〜０．３となる。これは矩
形平板形状の圧電トランスの長手方向に複数個の圧電ト
ランスを構成した効果として現れたもので、このときの
長さと幅の比は約１／４程度の値となるが、本願で説明
する圧電トランスの、長さ方向と幅方向の寸法比は、図
１に示した厚み方向分極部２と、長さ方向分極部３を１
組とする圧電トランスを最小単位としたときの、長さ方
向と幅方向の寸法比を定義したものである。また前記複
数個の長さ方向分極部の出力インピーダンスは、共に３
００ｋΩ程度なのでこの出力を並列接続構成で取り出す
（図示せず）ことにより、１５０ｋΩ程度の低出力イン
ピーダンスを得ることができた。

【００１６】さらに、図５に示した複数個の出力部を有
する矩形平板形状構成の圧電振動子では、一方の出力部
となる長さ方向分極部５は１５ｍｍ程度以下に成形され
て、他方の出力部となる長さ方向分極部６は５ｍｍ前後
の長さに構成されている。前記２つの出力部の電気容量
は長さ方向の寸法を前記５〜１５ｍｍの間で任意の寸法
に選択することにより３ｐＦ〜３０ｐＦ程度の間の電気
容量値を任意に得ることができた。

【００１７】また、前期の複数の長さ方向分極部５およ
び６を並列接続することにより、６ｐＦ〜６０ｐＦの間
で任意の電気容量を得ることができた。このことによ
り、入力部の共振周波数と出力部の共振周波数を、任意
にかつ正確に一致させることが可能となった。以上の方
法により圧電トランスと後続の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、力率の良い電力の供
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。

【００１８】図６に本発明の他の実施例としての、矩形
平板形状の倍電圧出力形の圧電トランスの構成を示し
た。前記圧電トランスのほぼ中央部に帯状の電極１ｃと
厚み方向分極部２′を有しており、前記厚み方向分極部
２′をはさんで、複数の長さ方向分極部３′および４′
が相対向して構成されている。またその分極方向は相反
する方向に分極されている。電気端子７および８は入力
端子であり、前記入力端子８はアース側端子となってい
る。入力信号が入力端子７および８に印加されることに
より、出力端子９および１０間には出力信号が得られ
る。長さ方向分極部３′は、厚み方向分極部２′の上下
面に施された電極の下面電極をアース端子に接続され
て、出力信号は端面電極１ｄから得ることができる。ま
た長さ方向分極部４′では、端面電極１ｄ′がアース側
端子に接続されているので、出力信号を帯状電極１ｃか
ら得ることができる。前記２つの出力端子、１ｃおよび
１ｄから得られる出力信号の電気位相は１８０度反転し
た信号を得ることができるので、同時間帯では前記出力
信号のピークがプラス電圧となり、ボトムがマイナス電
圧となり、交流信号の振幅が２倍となるので、倍電圧の
出力信号を得ることができた。

【００１９】図７には、他の倍電圧出力形の圧電トラン
スの構成を示した。前記圧電トランスの複数個の出力部
となる長さ方向分極部１１および１２が、厚み方向分極
部２をはさんで相対向して構成され、またその分極方向
が同極性として分極された圧電トランスを示した。出力
端子１ｄおよび１ｅから得られる出力信号の電気位相は
１８０度反転した信号を得ることができるので、同時間
帯では前記出力信号のピークがプラス電圧となり、ボト
ムがマイナス電圧となり、交流信号の振幅が２倍となる
ので、倍電圧の出力信号を得ることができた。

【００２０】図８には、円板形状の圧電トランスを示し
た。前記円板形状の圧電トランスの中央部には上面電極
１３ａと下面電極１３ｂ（図示せず）が施されて、厚み
方向分極部１３が構成されている。前記円板形状の圧電
トランスの端面全周には出力電極１４ａが施されてい
て、長さ方向分極部１４は電極１３ａおよび１３ｂをア
ース側の共通電極として、出力側の電極１４ａとの間で
分極されることにより半径方向に、長さ方向分極部１４
が構成される。以上に示した前記円板形状の圧電トラン
スは、図１に示した矩形平板形状の圧電トランスと、ほ
ぼ同等の特性を得ることができた。

【００２１】図９には、円板形状の倍電圧出力形の圧電
トランスを示した。前記円板形状の圧電トランスの中央
部には上面電極１５ａと下面電極１５ｂ（図示せず）が
施されて、厚み方向分極部１５が構成されている。前記
円板形状の圧電トランスの端面には２分割された出力電
極１６ａおよび１７ａが施されていて、長さ方向分極部
１６および１７は電極１５ａおよび１５ｂをアース側の
共通電極として、前記出力側の電極１６ａおよび１７ａ
との間で各々分極されることにより半径方向に、長さ方
向分極部１６および１７が構成される。以上に示した前
記円板形状の圧電トランスは、図７に示した矩形平板形
状の倍電圧出力形の圧電トランスと、ほぼ同等の特性を
得ることができた。

【００２２】出力をハイパワー化するには、圧電トラン
スの出力端子間で高電圧と大電流を同時に得ることによ
り可能であるが、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。

【００２３】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、新しく発生する複合共振モードを応用して、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。従来の圧電トランスでは１２
Ｖで数十ないし巨ミリアンペア程度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数アンペアと
いう大電流を入力できるようになった。この圧電トラン
スを図４や図７に示すように、圧電トランスの２つの出
力部を相対向するように構成して１式の圧電トランスを
構成すると、２つの圧電トランスを駆動したときと同様
の効果が現れるので、発熱が緩和され、構造的にも強く
なるので、大電力励振にともなう鳴き現象が緩和されて
解消し、入力電流と出力電圧が共に２〜３倍にアップし
た。

【００２４】

【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、１〜１０ｋＶの高電圧および１〜１０ｍＡの大き
い出力電流を同時に実現する効果がある。

【００２５】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。

【００２６】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、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。０．３ｍｍ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。

【００２７】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３ｋΩ〜３００ｋΩ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
厚み方向分極部を中央にして出力部を対向させて構成
し、撓み振動成令を抑制して大電力化を可能にする効果
もある。加えて、単出力形式の圧電トランスでは不足し
たパワー密度を緩和させて、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】

【図５】本発明による圧電トランスの出力部が複数個の
実施例を示す斜視図である。

【図６】

【図７】本発明による圧電トランスの倍電圧出力形の実
施例を示す斜視図である。

【図８】

【図９】本発明による円板形圧電トランスの実施例を示
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，１ｄ，１ｄ′，１ｅ長さ方向分極部電極２，２′ 厚み方向分極部３，３′，４，４′，５，６，１１，１２長さ方向分
極部７，８入力端子９，１０出力端子

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
厚み方向分極部と複数の長さ方向分極部を有しており、
前記厚み方向分極部を入力部として用い、前記複数の長
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、前記複数の長さ方向分極部の出力が互いに逆極性と
成るよう構成されたことにより、倍電圧出力を得たこと
を特徴とする圧電振動子。
【請求項２】圧電セラミックスから成る厚み方向分極
部と複数の長さ方向分極部を有する圧電振動子におい
て、前記複数の長さ方向分極部の分極方向が相反する極
性から構成されたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項３】複数の出力部から成る長さ方向分極部の
圧電振動子が、前記長さ方向分極部が相反する極性から
構成されて、この一方を電気位相が逆極性となるように
配線されたことを特徴とする請求項２記載の圧電振動
子。
【請求項４】圧電セラミックスから成る厚み方向分極
部と複数の長さ方向分極部を有する圧電振動子におい
て、前記複数の長さ方向分極部の分極方向が同極性にて
構成されたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項５】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、前記長
さ方向分極部を出力部として用い、前記厚み方向分極部
を入力部として用いた圧電振動子において、前記出力部
となる長さ方向分極部の電気容量が３ないし３０ｐＦの
範囲にあることを特徴とする圧電振動子。
【請求項６】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、前記長
さ方向分極部を出力部として用い、前記厚み方向分極部
を入力部として用いた圧電振動子において、前記出力部
となる長さ方向分極部の全長が５ないし１５ｍｍの範囲
にあることを特徴とする圧電振動子。
【請求項７】圧電セラミックスから成る厚み方向分極
部と複数の長さ方向分極部を有する圧電振動子におい
て、前記複数の長さ方向分極部の電気容量比が２対１な
いし１０対１の範囲から成ることを特徴とする圧電振動
子。
【請求項８】圧電セラミックスから成る厚み方向分極
部と複数の長さ方向分極部を有する圧電振動子におい
て、前記複数の長さ方向分極部の各々の長さ方向寸法比
が３対１ないし１５対１の範囲から成ることを特徴とす
る圧電振動子。
【請求項９】０．３ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みを有する
矩形平板形状の圧電セラミックスから成る厚み方向分極
部と複数の長さ方向分極部を有する圧電振動子におい
て、前記矩形平板形状の圧電セラミックスの長さ方向と
幅方向の寸法比を０．２〜０．３とすることにより、長
さ方向の２次共振周波数と幅方向の１次共振周波数を略
一致させたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項１０】円板形状の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、前記円板形状の圧電セラミックスの中心部に厚
み方向分極部が構成され、前記長さ方向分極部が半径方
向に構成されたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項１１】円板形状の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、前記円板形状の圧電セラミックスの中心部に厚
み方向分極部が構成され、この外周部が２分割された端
面電極を有しており、一方の長さ方向分極部が外周に向
かって半径方向に構成され、他方の長さ方向分極部が円
板の中央部に向かう方向に構成されることにより、前記
複数の長さ方向分極部の出力が互いに逆極性と成るよう
構成されたことにより、倍電圧出力を得たことを特徴と
する圧電振動子。