JPH0974236A

JPH0974236A - 圧電トランス及びそれを用いた電力変換装置

Info

Publication number: JPH0974236A
Application number: JP7183896A
Authority: JP
Inventors: Toru Abe; 徹阿部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-07-06
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 1997-03-18
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: US5751092A; KR970008236A; KR100241210B1; JP3119154B2

Abstract

(57)【要約】【課題】昇圧比、効率が高く、半波長モードで駆動さ
れ全波長モードが生じない構造の圧電トランス素子を安
価に提供する。【解決手段】長板状の圧電体の中央部に入力電極を設
けて厚み方向に分極した駆動部領域と、長手方向の端面
に出力電極を設けて長手方向に駆動部領域をはさんで逆
方向に分極した発電部領域を両端部に配置し、出力電極
と入力電極の間で出力を得る半波長モードで励振される
圧電トランスにおいて、長手方向の全長Ｌ１と駆動部の
長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．３〜０．６であることを
特徴とする圧電トランスである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液晶ディス
プレイのバックライト用インバータやＤＣ−ＤＣコンバ
ータなどの電力変換装置に用いられる圧電トランス及び
それを用いた電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、液晶ディスプレイにあっては液
晶自身が発光しないことから液晶表示体の背面や側面に
冷陰極管等の放電管を配置するバックライト方式が主流
となっている。

【０００３】この放電管を駆動するためには、これ自体
の長さや直径にもよるが数１００ボルト以上の交流高電
圧が要求される。この交流高電圧を発生させる方法とし
て圧電トランスを用いた放電管および作動装置が特開平
５−１１３５７８号公報に示されている。圧電トランス
は巻線型トランスに比較して構造が非常に簡素であるた
め小型・薄型化、低コスト化が可能である。この圧電ト
ランスの原理と特徴は学献社発行の専門誌「エレクトロ
ニク・セラミクス」１９７１年７月号の「圧電トランス
の特性とその応用」等に示されている。

【０００４】圧電トランスの一例として１９５６年に米
国のＣ．Ａ．Ｒｏｓｅｎが発表したローゼン型圧電トラ
ンスを図１４に示す。図１４を参照してこのローゼン型
圧電トランスの構成を説明すると、２は例えばチタン酸
ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）よりなる板状の圧電セラミッ
クス素子であり、このセラミック素子２の図中左半分の
上下面に例えば銀焼付けなどにより設けられた入力電極
４、５の対を形成し、右側端面にも同様な方法で出力電
極６を形成する。そして、セラミック素子２の左半分の
駆動部は厚み方向に、右半分の発電部は長手方向に分極
処理を施す。

【０００５】このように形成された圧電トランスにおい
て、入力電極４、５間に交流電圧源８よりセラミック素
子２の長さ方向の機械的な共振周波数とほぼ同じ周波数
の交流電圧を印加するとこのセラミック素子２は長手方
向に強い機械振動を生じ、これにより右半分の発電部で
は圧電効果により電荷が発生し、出力電極６と入力電極
の一方、例えば入力電極５との間に出力電圧Ｖｏが生ず
る。この振動モードには基本的には図１５に示すよう
に、長手方向に半波長で共振する半波長モード（図中で
はλ／２モード）と、一波長で共振する全波長モード
（図中ではλモード）の２つがある。

【０００６】ＯＡ機器の小型化に伴い、圧電トランスも
小型化、薄型化が進んでいる。圧電トランスの外形寸法
は励振周波数に反比例するため、小型化するためには励
振周波数をできるだけ高くする必要がある。しかし、周
波数が高すぎると例えば液晶表示体のバックライトで
は、放電管や配線などからの浮遊容量を介して機器本体
の金属部に高周波電流が流れてしまい、放電管には十分
な管電流が流れなくなる。このように、高周波高電圧で
駆動される放電管では浮遊容量の影響が大きいため、で
きるだけ励振周波数を低くする必要がある。圧電トラン
ス素子の長さが同じであれば、半波長モードの圧電トラ
ンス素子の共振周波数は全波長モードの半分となる。そ
のため、半波長モードで励振することによって周波数を
低減することが出来る。しかしながら、前述したローゼ
ン型圧電トランスでは、実際には半波長モードでは昇圧
比が低いことから、高い昇圧比が得られる全波長モード
が多用されている。

【０００７】また、前記のローゼン型圧電トランスには
次のような問題点があった。図１４に示すローゼン型の
圧電トランスを使った電力変換回路の例を図１１に、こ
の回路の圧電トランス５０の出力電圧ＶＯと励振電圧Ｖ
３の波形を図１２に示す。インダクタ３０のインダクタ
ンスとＭＯＳＦＥＴ２０の出力静電容量、圧電トランス
５０の入力静電容量による共振により、圧電トランス５
０の励振電圧Ｖ３は図１２のように半波正弦波状となる
ため、ＭＯＳＦＥＴ２１のスイッチング損失が少なくな
る。ここで、励振電圧Ｖ３のフーリエ解析の結果を図１
３に示すが、このように基本波に対して二次高調波が比
較的多く含まれているため、圧電トランス５０は基本波
と二次高調波の２つの周波数成分で励振される。この場
合、励振周波数が圧電トランス５０の半波長モード共振
周波数にほぼ等しければ、励振電圧Ｖ３の二次高調波は
全波長モード共振周波数にほぼ等しくなり、圧電トラン
ス５０には２つの振動モードが混在する。このため圧電
トランス５０の出力電圧ＶＯは図１２のように、２つの
振動モードが合成されて歪み波となる。

【０００８】液晶表示体のバックライトに用いられる冷
陰極管は、日刊工業新聞社発行の専門誌「電子技術」１
９９４年６月号の４９ページに述べられているように歪
みの大きい波形で駆動されると寿命が短くなることが知
られている。そのため上記のように出力電圧が歪み波の
場合には問題があった。また、ローゼン型の圧電トラン
スでは、中央部の振幅が最大となるために、中央部に残
留応力が発生するという問題もあった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】圧電トランス素子を小
型化するには前述したように半波長モードで駆動する必
要がある。しかし、半波長モードの歪み波で駆動した場
合、２次高調波が全波長モードに対応するため、２つの
振動モードが混在して出力が歪む問題があった。全波長
モードが生じない圧電トランスとして、中央駆動型の圧
電トランスが知られている。図１９に中央駆動型の圧電
トランス素子の構造を示す。中央部に厚さ方向に分極さ
れた駆動部を有し、駆動部の両側に長手方向に一方向に
分極された発電部を有する構造である。この構造の圧電
トランス素子は、構造が単純で、出力インピーダンスも
高く、全波長モードが生じないことから歪波が生じにく
いという特徴がある。しかしながら、この構造の圧電ト
ランス素子は効率が低い場合があった。図１９に示す構
造の圧電トランスの中央の入力電極をはさんでそれぞれ
の片側の静電容量をＣ₂とすると、圧電トランスの出力
側からのインピーダンスは１／（２πｆ・（Ｃ₂／
２））となる。このことから、負荷インピーダンスが比
較的高い場合は効率は高いが、負荷インピーダンスが比
較的低い場合には効率が低いということが分かる。

【００１０】さらに、特開平７−７４４０５号公報に
は、半波長モード、全波長モード等のマルチモードで駆
動できる中央駆動型の圧電トランス素子が開示されてい
る。この圧電トランス素子を図２０に示すが、中央部に
厚さ方向に逆方向に分極された二つの駆動部を有し、駆
動部の両側に端部に向かい長手方向に分極された発電部
を両側に有する構造である。この構造の中央駆動型圧電
トランスは昇圧比、適応インピーダンスは高くはない
が、効率が上記の中央駆動型の圧電トランスに比べて高
いという特徴がある。しかしながら、この構造の圧電ト
ランスは駆動部を逆方向に分極するなど構造が複雑で、
コストも高くつき、さらに中央部の駆動部の間の未分極
部が両側の駆動部が逆方向に分極されている関係から、
残留応力が大きくなり破壊しやすいといった問題があっ
た。また、前述したように従来の圧電トランスは２つの
実用的な振動モードを有しているため、半波長モードに
対応した周波数の励振電圧に二次高調波成分が多く含ま
れていた場合、圧電トランス内に半波長と全波長の２つ
の振動モードが混在し、出力電圧も両方の成分を含んだ
歪み波となって負荷を短寿命とする問題点があった。

【００１１】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これらを有効に解決すべく創案されたものである。本発
明の目的は、昇圧比、効率が高く、半波長モードで駆動
され全波長モードが生じない構造の圧電トランス素子を
安価に提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、長板状の圧電体の中央部に入力電極を
設けて厚み方向に分極した駆動部領域と、長手方向の端
面に出力電極を設けて長手方向に駆動部領域をはさんで
逆方向に分極した発電部領域を両端部に配置し、出力電
極と入力電極の間で出力を得る圧電トランスにおいて、
半波長モードで励振されるとともに圧電トランスの全長
Ｌ１と駆動部の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．３〜０．
６であることを特徴とする圧電トランスである。

【００１３】本発明の圧電トランスは、入力電極が半波
長モード時の応力の大きい中央部に全長の０．３〜０．
６の比率の長さで設けられているため、半波長モード時
の昇圧比が従来の圧電トランスの半波長モード時の昇圧
比より大きい。また、発電部の分極方向が駆動部をはさ
んで逆方向に分極されているため、中央から左右対称の
構造となり全波長モードに対しては電荷が相殺して振動
が生じない。このため、半波長モードに対応した周波数
の励振電圧に二次高調波成分が含まれていても圧電トラ
ンスには半波長モードのみの振動が生じ、出力電圧波形
は励振周波数の正弦波となる。また、駆動部をはさんで
それぞれの片側の静電容量をＣ₂とすると、圧電トラン
スの出力側からのインピーダンスは１／（２πｆ・２Ｃ
₂）となる。このことから、接続される負荷インピーダ
ンスが比較的低い場合には効率は高いことが分かる。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（実施例１）以下、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。本発明に係る圧電トランスの実施例の説
明図を図１に示す。従来の圧電トランスと異なっている
点は、入力電極５１、５２を設けた駆動部が圧電体長手
方向の中央に設けられ、出力電極５５、５６が両端面に
設けられている点である。さらに駆動部は厚さ方向に分
極され、発電部は長手方向に駆動部を挟んで逆方向に分
極されている点である。ここで、長手方向の全長をＬ
１、駆動部の長さをＬ２とした時の中央駆動型の圧電ト
ランスの半波長モード時の負荷時昇圧比Ｖｏ／ＶｉのＬ
２／Ｌ１依存性を図２に、効率ηのＬ２／Ｌ１依存性を
図３に示す。この時の負荷条件は負荷抵抗１００ｋΩ、
負荷電流５ｍＡである。図１４に示す従来例の圧電トラ
ンスの半波長モード時の負荷時昇圧比は４．４、効率は
９２．１％であるから、負荷時昇圧比はＬ２／Ｌ１が
０．３以上の領域で従来の圧電トランスを上回ってお
り、効率はＬ２／Ｌ１が０．３〜０．６の領域で従来の
圧電トランスを上回っている。従って、本発明の圧電ト
ランスはＬ２／Ｌ１が０．３〜０．６の領域で効率と昇
圧比が、従来の圧電トランスを上回ることが分かる。さ
らにＬ２／Ｌ１が０．３〜０．４５の範囲では９５％以
上の高効率で出力が得られる。この様な効果は、発電部
が端部から中央部に向かって分極されていても全く同様
である。

【００１５】図４は本発明の圧電トランスの入力電極側
から測定したインピーダンスの周波数特性である。ここ
で、半波長モードに相当する５０ｋＨｚ付近では共振が
生じているが、全波長モードに相当する１００ｋＨｚ付
近では共振が生じない。この理由を以下説明する。本発
明の圧電トランスを幅方向から見た場合、駆動部の中心
に対して左右対称の構造となっている。図１５に示すよ
うに全波長モードでは応力の向きが中心の左側と右側で
正反対であるので、このモードの応力で発生する電荷
は、駆動部内、発電部内でそれぞれ相殺されてしまう。
このように圧電現象の一方を担う電荷が相殺して発生し
ないため、このモードの共振特性は現れず、トランス作
用も生じない。

【００１６】（実施例２）電池などの低電圧入力源から
でも冷陰極管などの放電管６０を点灯できる本発明の圧
電トランスの実施例を次に説明する。本実施例は駆動部
を積層構造とした積層型圧電トランスであり、説明図を
図５に、断面図を図６に示す。この積層型圧電トランス
の駆動部には積層された薄い各層に入力電圧Ｖｉが印加
されるため、単板型に比べ昇圧比がおよそ積層数倍に増
大する。この積層型圧電トランスの作製方法は、ＰＺＴ
系セラミックスのグリーンシートをドクタブレード法に
より作製し、このグリーンシート上の一部にスクリーン
印刷法を用いて内部電極５７、５８を印刷し、このシー
トを積層圧着して焼結する。その後、切断、研磨を行
い、銀焼付けにより入力の外部電極５１、５２と出力電
極５５、５６を設け、内部電極５７を外部電極５１と接
続し、内部電極５８を外部電極５２と接続する。そし
て、駆動部の厚み方向と発電部の長手方向の分極処理を
行い完成する。半波長モード時は圧電体長手方向の中央
が最も振動振幅が小さくなるため、この位置に外部電極
５１、５２を設けることにより、外部電極に接続される
引き出し線の信頼性を向上させることができる。この場
合引出線の取り出しは圧電トランスの側面部から行う。
ここで、駆動部の上端と下端は分極されていないためダ
ミー層となっているが、駆動部の上下面に電極を設けて
それぞれを外部電極５２、５１と接続することにより、
ダミー層を無くすることもできる。

【００１７】（実施例３）本発明の積層型圧電トランス
の別の実施例の説明図を図７に、外部電極５１形成部の
断面図を図８に示す。前述の図５、図６に示した積層型
圧電トランスの駆動部は、内部電極５７と外部電極５
２、または内部電極５８と外部電極５１の接触を防ぐた
め、内部電極５７と内部電極５８を幅方向に少しずらし
ているが、本実施例は特性を向上させるために内部電極
５７、５８をできるだけ大きくし、内部電極５８は外部
電極５１と接触しないように、外部電極５１の近傍を避
けて設けられており、同じように内部電極５７は外部電
極５２の近傍を避けて設けられている。さらに出力電極
５５、５６は、端面から圧電トランスの上面まで延出さ
れている。このように出力電極を延出させた部分にリー
ド線を取り付けることにより、振動が最大となる端面
に、出力電極からのリード線を取り付ける必要がなく、
リード線を付けることによる圧電トランス自体の振動の
抑制及び振動によるリード線取り付け部の断線が起こり
にくいという、効果がある。

【００１８】液晶バックライトでは放電管６０に流れる
電流を制御してディスプレイ面の輝度を調整することが
要求される。圧電トランスの出力制御法として圧電トラ
ンスの周波数特性を利用した方法がある。図１７は冷陰
極管負荷時の圧電トランス出力電流の周波数特性であ
る。このように圧電トランスは共振特性を持つため、共
振周波数ｆｒ近傍の周波数で出力を制御できる。冷陰極
管負荷時では共振周波数ｆｒの左側（低周波側）と右側
（高周波側）では非対称となるが、ここでは傾斜の緩や
かな高周波側を制御に用いた。図９は駆動周波数を可変
して圧電トランスの出力を制御する電力変換装置の実施
例を示す回路図である。出力電流検出部７０により出力
電流ＩＯを検出し、この検出電圧に基づき周波数可変部
８０で駆動周波数を可変し、駆動部１１を介して主スイ
ッチであるＭＯＳＦＥＴ２０を駆動している。図示した
例では、インダクタ３０と並列に圧電トランス５０が設
けられているが、ＭＯＳＦＥＴ２０と並列に圧電トラン
ス５０を設けても同様である。また、主スイッチには図
示したＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ以外にもＮチャンネル
ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等のスイッチデ
バイスを用いても同様である。

【００１９】本実施例の圧電トランス５０の出力電圧Ｖ
Ｏと励振電圧Ｖ３の波形図を図１８に示す。励振電圧Ｖ
３は、図１２と同様の圧電トランス５０の半波長モード
に対応した励振周波数で、二次高調波を多く含んだ歪み
波であるが、出力電圧ＶＯはほとんど歪みのない波形と
なっている。これは前述したように、圧電トランス５０
は全波長モードを生じない構造であるため、励振電圧Ｖ
３に全波長モードに対応した二次高調波が多く含まれて
いても、圧電トランス５０の振動は半波長モードのみと
なり、出力電圧ＶＯは正弦波となる。厳密に言うと、励
振電圧Ｖ３には三次高調波が含まれており、圧電トラン
ス５０も三次高調波に対応した３／２波長モードでのト
ランス作用があるため、出力電圧ＶＯには三次高調波が
含まれている。しかし、励振電圧Ｖ３に含まれている三
次高調波は基本波の１０％程度と小さく、しかも圧電ト
ランス５０の３／２波長モードでのトランス作用は極め
て小さい。従って、出力電圧ＶＯに含まれている三次高
調波成分は僅かであり、実用面での影響はほとんど無
い。

【００２０】（実施例４）図１０は入力電圧Ｖ１が大き
く変動する場合の電力変換装置の実施例を示す回路図で
ある。ここで前段電圧制御部９０はインバータ部への供
給電圧Ｖ２を調整している。前段電圧制御部９０は公知
技術である降圧型、昇圧型、反転型などのチョッパー制
御或いはドロッパー制御を用いて、供給電圧Ｖ２を所定
の電圧に制御する。出力電流制御は図９の実施例と同様
に周波数可変で行っている。

【００２１】前述の出力制御方法は電子機器に直流電圧
を供給するＤＣ−ＤＣコンバータにも適用できる。図１
６は本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの実施例を示す
回路図で、圧電トランスの交流出力を整流ダイオード１
１１、１１２と平滑コンデンサ１２０で直流に変換して
いる。出力電圧検出部７１により直流出力電圧ＶＯＤを
検出し、この検出電圧に基ずき周波数可変部８０で駆動
周波数を可変し、駆動部１１を介して主スイッチである
ＭＯＳＦＥＴ２０を駆動している。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、半波長モードでの昇圧
比と効率が従来の圧電トランスよりも高くなる。また、
全波長モードが生じない構造の圧電トランスであるた
め、半波長モードに対応した周波数の励振電圧に二次高
調波が含まれていても、圧電トランスの出力電圧波形は
励振周波数の正弦波となり、歪みは生じない。圧電トラ
ンスの駆動部を積層とした構造とすれば、携帯型電子機
器で用いられる電池など低入力電圧源でも冷陰極管等の
放電管を高効率で駆動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電トランスの動作原理を示す説
明図である。

【図２】本発明に係る圧電トランスの負荷時昇圧比を示
す特性図である。

【図３】本発明に係る圧電トランスの効率を示す特性図
である。

【図４】本発明に係る圧電トランスの入力側から測定し
たインピーダンスの周波数特性図である。

【図５】本発明に係る圧電トランスの別の実施例を示す
図である。

【図６】本発明に係る圧電トランスの別の実施例の断面
図である。

【図７】本発明に係る圧電トランスのさらに別の実施例
を示す図である。

【図８】本発明に係る圧電トランスのさらに別の実施例
の断面図である。

【図９】本発明に係る駆動周波数を調整して出力制御を
行う電力変換回路の実施例を示す回路図である。

【図１０】本発明に係る入力電圧が大きく変動する場合
の電力変換回路の実施例を示す回路図である。

【図１１】圧電トランスを使った電力変換装置の従来例
を示す回路図である。

【図１２】図１１の回路における圧電トランスの出力電
圧ＶＯと励振電圧Ｖ３を示す波形図である。

【図１３】図１１の回路の励振電圧Ｖ３のフーリエ解析
結果を示す図である。

【図１４】従来の圧電トランスの動作原理を示す説明図
である。

【図１５】圧電トランスの振動モードを示す説明図であ
る。

【図１６】本発明に係る駆動周波数を調整して出力制御
を行う別の電力変換回路の実施例を示す回路図である。

【図１７】冷陰極管負荷時の圧電トランス出力電流の周
波数特性図である。

【図１８】図９の回路における圧電トランスの出力電圧
ＶＯと励振電圧Ｖ３を示す波形図である。

【図１９】従来の圧電トランスの構造を示す説明図であ
る。

【図２０】従来の圧電トランスの構造を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

２セラミック素子、１０駆動・発振部、１１駆動
部、２０、２１ＭＯＳＦＥＴ、３０インダクタ、５
０圧電トランス、５１入力電極、５２入力電極
（共通電極）、５５、出力電極、５６出力電極、５
７、５８内部電極５９絶縁層、６０放電管、６５負荷、７０出力
電流検出部、８０周波数可変発振部、９０前段電圧
制御部、１１０整流ダイオード、１２０平滑コンデ
ンサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長板状の圧電体の中央部に入力電極を設
けて厚み方向に分極した駆動部領域と、長手方向の端面
に出力電極を設けて長手方向に駆動部領域をはさんで逆
方向に分極した発電部領域を両端部に配置し、出力電極
と入力電極の間で出力を得る半波長モードで励振される
圧電トランスにおいて、長手方向の全長Ｌ１と駆動部の
長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．３〜０．６であることを
特徴とする圧電トランス。
【請求項２】前記駆動部が圧電体と入力電極が交互に
積層され、前記入力電極が外部電極と１層おきに接続さ
れたことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】全長Ｌ１と駆動部の長さＬ２の比Ｌ２／
Ｌ１が０．３〜０．４５であることを特徴とする請求項
１又は請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項４】駆動部及び発電部のリード線の接続を前
記圧電トランスの側面部で行うことを特徴とする請求項
１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電トランス。
【請求項５】端面の出力電極を近接する他の面まで延
出させたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいず
れかに記載の圧電トランス。
【請求項６】直流入力電源と、前記直流入力電源と一
端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と
接続されるスイッチ手段と、前記インダクタに並列接続
される請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電ト
ランスと、前記スイッチ手段の駆動・発振手段とを備え
たことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】直流入力電源と、前記直流入力電源と一
端が接続されるインダクタと、前記インダクタの他端と
接続されるスイッチ手段と、前記スイッチ手段に並列接
続される請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電
トランスと、前記スイッチ手段の駆動・発振手段とを備
えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】前記圧電トランスの出力に整流・平滑手
段が接続される請求項６又は請求項７に記載の電力変換
装置。