JPH08279632A

JPH08279632A - 圧電トランス

Info

Publication number: JPH08279632A
Application number: JP7116267A
Authority: JP
Inventors: 晃 ▲徳▼島; Akira Tokushima
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】輪郭振動の幅方向振動モードを応用して、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、長さ方向に長尺でその出力
側に高電圧を得る、主に電圧増幅を目的としており、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同時に必要である。
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、電圧値が低下したり、あるいは入力電圧を例えば４
０Ｖ〜７０Ｖ程度の高い電圧を印加していた。このため
電池電圧の１２Ｖでは、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。輝度を上げる
には昇圧・整合用トランスが必要に成るなど、駆動、制
御回路も複雑で高価だった事から、利用範囲の狭いもの
となっていた。

【０００４】また、従来の圧電トランスでは、入力・出
力インピーダンスは共に高インピーダンスとして用いら
れており、前段のアンプなどの駆動、制御装置や、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、本発明はこのような従来の電圧増
幅形の圧電トランスでなく、新しく電流増幅も同時にで
きるという、電流増幅形の圧電トランスを得る目的で成
されたものであり、強性な振動特性となる輪郭振動の幅
方向の振動モードを応用して、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、入力インピーダン
スが２０オーム以下で、出力インピーダンスが１００キ
ロオーム以下の、低入力・低出力インピーダンスの圧電
トランスを得ることを課題とする。

【０００７】またこれらの特性を実現するために、圧電
トランスの入力部となる厚み方向分極の電気容量が５０
０〜１５００ｐＦの範囲内で、かつ出力部となる長さ方
向分極部の電気容量が２０〜４００ｐＦの範囲内から構
成された、圧電トランスを得ることを課題とする。

【０００８】このために、入力部となる厚み方向分極部
の共振周波数と、出力部となる長さ方向分極部の共振周
波数を、略一致させることを課題とする。

【０００９】

【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、厚み方
向の共振特性と長さ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
出力部のいずれかの共振特性を調整して、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対角状に相対向するよ
う構成することもできる。さらに複数の厚み方向分極部
の極性が、互いに逆極性となるように分極することによ
り、２倍電圧出力型の圧電トランスを構成して、複数個
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。

【００１０】

【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、前記圧電トランス１の
長さＬが４０ｍｍ、幅Ｗが１１ｍｍ、厚みＴが１．２ｍ
ｍのときの入力側の厚み方向分極部の共振特性の１例を
図２に示した。図２においてＡ１は幅方向の１次共振モ
ードの共振点で、単峰特性となって表れており、この共
振点の電気的な等価回路は周知のように、電気コンデン
サのカーブに機械共振系が重畳する特性となっているの
で、等価回路の電気腕のコンデンサ容量は５００〜１５
００ｐＦの値を測定した。また共振インピーダンスは２
０オーム以下の値を測定した。

【００１１】また図３には、図１に示した圧電トランス
１の出力側の長さ方向分極部の共振特性の１例を示し
た。図３において、Ｂ１は出力側の長さ方向分極部の共
振点で、単峰特性となって表れており、幅方向の１次モ
ードを励振する厚み方向分極部の電極１ａ、１ｂの対極
を長さ方向分極部として利用したので、この効果として
入力側の厚み方向分極部の共振周波数と、出力側の共振
周波数とが略一致した共振周波数を得ることが可能とな
つた。また共振インピーダンスは１００キロオーム以下
の値を測定した。

【００１２】さらに図１に示した圧電トランス１の出力
電極１ｃを、例えば長さ方向２次モードの、略節部近傍
となる両端から距離で全長に０．２２４をかけた約９ｍ
ｍの位置にて分割することにより、長さ方向分極部の電
気容量を小さい値に選ぶことができる。このことによ
り、入力部の共振周波数をもとの周波数値より高い周波
数にシフトすることができるので、任意に入力側の厚み
方向分極部の共振周波数と、出力側の長さ方向分極部の
共振周波数をシフトさせる事により、両共振周波数を略
一致させることが可能となった。

【００１３】またこのことにより最小インピーダンスと
しては、入力側の厚み方向分極部の共振インピーダンス
は、０．１オーム稈度の値を測定した。また出力側の長
さ方向分極部の出力インピーダンスの最小値としては、
５００オーム程度の値を測定した。

【００１４】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、伝
送効率が飛躍的にアップして、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５に、図１に示した圧電トランス１の信
号線の取りだし方法と、固定方法を共に示した。圧電ト
ランス１の入力側の電極１ａ、１ｂの中央部よりの幅方
向の１次振動モードの振動の節部に、小コイルバネある
いは錫メッキ線などの導線３および４の一端を導電性ペ
ーストや接着剤、あるいはハンダ付けにより前記入力側
電極１ａ、１ｂの表面に固着して、おのおの導線の他の
一方をプリント配線板（図示せず）などに固着すること
により、信号線の取りだしと、圧電トランス１の固定を
兼ね備えた。出力信号は振動変位の大きい位置から導線
５を用いて取り出すことになるので、前記導線５の柔軟
性を保証した取りだし方法の１例として、固着位置の近
傍に湾曲部を設けて導線を撓ませて、前記導線５の先端
をプリント配線板になどに固着すると、支点が見かけ上
２つになるのでバネ定数が変化して、数千時間程度の信
頼性が確認できた。

【００１６】さらに矩形薄板状の圧電トランス１の４角
を、半径あるいは１辺が１〜５ｍｍ程度の寸法で切り落
とすと、共振点近傍の副共振やハイパワー時に生じる変
調や、異音の発生を解消するという効果があった。

【００１７】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
スの出力インピータンスが数百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。

【００１８】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。

【００１９】図４に本発明の他の実施例としての並列駆
動用の圧電トランス集合体２の構成を示した。本実施例
の圧電トランス集合体２は、図１に示した圧電トランス
１を複数個電気的に並列に接続して構成したものであ
る。この圧電トランスは厚み方向分極部２ａ〜２ｂと２
ａ’〜２ｂ’を入力部に用い、隣接する長さ方向分極部
の電極２ｃと２ｃ’を出力部として用いることにより高
電圧を得ている。２組の圧電トランスの間には、分極時
などの破壊を軽減するために、数ミリメートル程度の緩
衝帯を設けている。

【００２０】出力をハイパワー化するには、圧電トラン
スの出力端２ｃあるいは２ｃ’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が、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。

【００２１】本発明では、圧電トランスの幅方向に１次
の共振モードと、この１次モードの励振電極の対極を利
用して、出力側の長さ方向分極部と出力部を構成したの
で、入・出力共振周波数が、略一致した共振周波数とし
て得ることを可能にした。従来の圧電トランスでは１２
Ｖで数十ないし百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百ミリアン
ペアという比較的大きな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に示すように、２組の圧電
トランスを１枚の圧電セラミックス上に組み合わせて１
対の圧電トランスを構成すると、構造的に強くなるの
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。

【００２２】さらに、図４に示す並列駆動用の圧電トラ
ンス２を２対、組み合わせると入力電流と出力電圧は共
に４〜６倍に、さらに、３対組み合わせると、６〜９倍
にアップした。このように図４に示す並列駆動用圧電ト
ランスの組み合わせ数を変化させることにより任意の出
力を得ることが可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明では、圧電トランスのＱ値が高
く、強性な振動特性となる輪郭モードの幅方向振動モー
ドを応用して、入・出力共振周波数を略一致させ、かつ
入・出力インピーダンスをそれぞれ低インピーダンスと
することにより、１〜１０ｋＶの高電圧および１〜１０
ｍＡ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、本発明では矩形薄板状の圧電トラン
スの、長尺方向の中央部で長手方向に入力部と出力部を
２分割したので、破壊の引き金となる厚み方向分極部と
長さ方向分極部の境界部の実寸法が数倍に大きくなった
ので、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、入−出力部の共振特性を調整する
ことにより約５００Ω〜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
の同極を相対向させて構成して、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を構成し
たことにより、１個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の固定方法を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１圧電トランス１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，２ａ’，２ｂ’ 厚み方向分
極部電極１ｃ，２ｃ，２ｃ’ 長さ方向分極部電極２圧電トランス集合体

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トランス
が、厚み方向分極部と長さ方向分極部を有しており、前
記厚み方向分極部の共振周波数と、前記長さ方向分極部
の共振周波数を、略一致させたことを特徴とする圧電ト
ランス。
【請求項２】圧電セラミックスから成る圧電トランス
が、厚み方向分極部と長さ方向分極部を有しており、前
記圧電トランスが幅方向共振特性の１次モードにより駆
動されることを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】圧電セラミックスから成る圧電トランス
が、厚み方向分極部と長さ方向分極部を有しており、前
記厚み方向分極部の入力インピーダンスが２０オーム以
下で、前記長さ方向分極部の出力インピーダンスが、１
００キロオーム以下から構成されたことを特徴とする圧
電トランス。
【請求項４】圧電セラミックスから成る圧電トランス
が、厚み方向分極部と長さ方向分極部を有しており、前
記厚み方向分極部の電気容量が５００〜１５００ｐＦの
範囲内で、前記長さ方向分極部の電気容量が２０〜４０
０ｐＦの範囲内から成ることを特徴とする圧電トラン
ス。
【請求項５】圧電セラミックスから成る圧電トランス
が矩形薄板状から構成されて、前記矩形薄板状の圧電ト
ランスの長さと幅のうちの、いずれか長尺となる寸法を
有する１辺と平行に全面積を中央部付近で略２分割し
て、前記略２分割した面積のうちの一方に厚み方向分極
部を構成して、他の一方に長さ方向分極部を構成したこ
とを特徴とする圧電トランス。
【請求項６】矩形薄板状の圧電トランスの、長さ方向
と幅方向の寸法比を０．１〜０．５の範囲内としたこと
を特徴とする請求項５記載の圧電トランス。
【請求項７】矩形薄板状の圧電トランスの４角が、半
径あるいは１辺が１〜５ｍｍ程度の寸法で切り落とされ
たことを特徴とする請求項５記載の圧電トランス。
【請求項８】圧電セラミックスから成る圧電トランス
が矩形薄板状から構成されて、前記矩形薄板状の圧電ト
ランスの長さと幅のうちの、いずれか長尺となる寸法を
有する１辺と平行に全面積を中央部付近で略２分割し
て、さらに略２分割した面積を直角方向に略２分割し
て、この対角に配置された各略１／４面積部分におのお
の厚み方向分極部を構成して、前記厚み方向分極部の各
々の出力部の端面に出力電極を設ける事により、他の複
数の略１／４面積部に長さ方向分極部を構成したことを
特徴とする圧電トランス。
【請求項９】複数の厚み方向分極部と複数の長さ方向
分極部の各々の間に、数ミリメートル程度の緩衝帯を設
けたことを特徴とする請求項７記載の圧電トランス。
【請求項１０】全面積の略１／４面積部に構成された
複数の厚み方向分極部の極性が、互いに逆極性となるよ
うに分極することにより、一方の出力電極にプラス電圧
が発生して、他方の出力電極にはマイナス電圧が出力さ
れる位相関係を得る、２倍電圧出力型の圧電トランスを
構成したことを特徴とする請求項８記載圧電トランス。
【請求項１１】矩形薄板状から構成された圧電トラン
スが、振動の節部の表面に複数の導線を固着して、前記
おのおのの導線の他の一方をプリント配線板などに固着
することにより、信号線の取りだしと圧電トランスの固
定を兼ね備えたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項１２】導線の固着には導電性ペーストや接着
剤、あるいはハンダ付などを用いたことを特徴とする請
求項１１記載の圧電トランス。
【請求項１３】出力信号取りだし用導線の、電極の固
着位置近傍の導線に湾曲部を設けて撓ませて、前記導線
の他の先端をプリント配線板などに固着したことを特徴
とする請求項１１記載の圧電トランス。
【請求項１４】圧電セラミックスから成る圧電トラン
スが矩形薄板状から構成されて、前記矩形薄板状の圧電
トランスの長さと幅のうちの、いずれか長尺となる寸法
を有する１辺と平行に全面積を中央部付近で略２分割し
て、前記略２分割した面積のうちの一方に厚み方向分極
部を構成して、他の一方の面積の端面に出力電極部を設
ける事により、長さ方向分極部を構成した圧電トランス
において、前記出力電極部を長さ方向２次モードの、略
節部近傍位置で前記出力電極部をおのおの分割すること
により、前記電極の中央部を出力電極として用いたこと
を特徴とする圧電トランス。【０００１】