(57)【要約】【課題】３次面広がり振動モードを利用する中央入力、両端出力型の圧電トランスの結合係数を調整して、圧電トランスの昇圧比を向上させる。【解決手段】長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、主駆動電極となる中央の入力電極の両側に、補助駆動電極となる２つの入力電極を設け、その圧電セラミック基板は、入力電極の部分は厚み方向に、その出力電極側は長さ方向に分極され、主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる２つの入力電極を逆位相で駆動する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、
主駆動電極となる中央の入力電極の両側に、補助駆動電極となる２つの入力電極を設け、
主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる２つの入力電極を逆位相で駆動することを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、
主駆動電極となる中央の入力電極の両側に、補助駆動電極となる２つの入力電極を設け、
その圧電セラミック基板は、入力電極の部分は厚み方向に、その出力電極側は長さ方向に分極され、
主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる２つの入力電極を逆位相で駆動することを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、
主駆動電極となる中央の入力電力の長さを圧電セラミック板の長さの約３分の１とし、その両側に、補助駆動電極となる２つの入力電極を設け、
主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる２つの入力電極を逆位相で駆動され、３次面広がり振動で動作することを特徴とする圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高昇圧比の圧電トランスの構造に係るもので、中央入力、両端出力の３次面広がり振動モードを利用した圧電トランスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２０００−２２２３４号公報
【特許文献２】特開２０００−１５０９８１号公報
【０００３】
圧電セラミックの固有共振を利用した機能素子は、損失が少なく、また、電気機械結合係数が大きく、小型化が可能で温度特性や経年変化特性にも優れているという特長を有している。このような機能素子の一つである圧電トランスは、弾性体の振動を利用することから、その蓄積エネルギーを電磁型に比較して大きくでき、小型化できること、不燃性で安全性に優れること、磁気シールドが不要となるといいた特長がある。圧電トランスを利用したインバータは冷陰極ランプ用の電源として広く利用されている。
【０００４】
図７は、従来の圧電トランスの構造を示す斜視図で、主表面が方形の圧電セラミック基板７１の片側半分の表裏面に導体膜を形成して入力電極７２、７３とする。この部分が圧電トランスの駆動部となり、反対側の半分が発電部となってその端面に導体膜を形成して出力電極７９とする。このような圧電トランスは小型液晶モニタなどの単灯点灯の分野で多く採用されている。液晶テレビ、パソコンのディスプレイなどの大型液晶モニタでは４〜１２本の長尺冷陰極ランプが使われるので、それぞれのランプに一つのインバータを配置する点灯方式ではコストが高くなる。その対策として一つの圧電トランスを接続することによって多数のランプを並列点灯させることも可能となる。
【０００５】
ただ、多灯点灯の場合には負荷インピーダンスがかなり低くなるために、圧電トランスの出力インピーダンスとの整合が困難となる。例えば、管インピーダンス＝２００ｋΩのランプを１０本並列に点灯する場合、負荷インピーダンスは２０ｋΩと低くなるので、整合インピーダンスが数百ｋΩと高い従来のローゼン型などの圧電トランスでは対応できなくなる。一般的に、圧電トランスの整合インピーダンスＲｍ＝１／（ωＣ２）で計算される。ここでＣ２は圧電トランスの２次側容量である。したがって、低い整合インピーダンスを得るには２つの方法がある。一つは周波数を高くする方法である。もっとも、圧電トランスの大型化にともなって周波数は逆に低くなるので、これを解決する方法として高次振動モードを利用することがある。もう一つは２次側容量Ｃ２を大きくする方法で、単純に素子の厚みを大きくすることによって実現できるが、厚みが大きくなるとそれにともなって１次側容量も小さくなるので、昇圧比が落ちるだけでなく、電力注入もし難くなる。それに対して、中央入力、両端出力型の圧電トランスを利用すれば、１次側容量が低下することなく２次側容量を倍増させることができる。
【０００６】
発明者は、上記の二つの方法を併用して、図８に示す３次面広がり振動モードを利用する圧電トランスを提案した。すなわち、長さが幅の約３倍の長方形の圧電セラミック基板８１に、中央部の長さの約１／３の部分の表裏面に入力電極８２、８３が設けられて駆動部とされ、両側の端面に導体膜が形成されて出力電極８９、９０が形成されて二つの発電部が構成される。駆動部は厚み方向で分極され、中央の電極と端面の電極との間は長さ方向に分極されている。このような圧電トランスは、中央入力、両端出力の細長いローゼン型の圧電トランスと同じ構造であるが、寸法的には駆動部、発電部とも正方形に近いので、交互的３次面積振動が励振されやすくなる。すなわち、駆動部が面積を縮小する時、発電部が面積を拡大するように（またその逆に）振動する。
【０００７】
図９は、長さ６０ｍｍ、幅２２ｍｍ、厚み１．５ｍｍとして図８に示した圧電トランスを構成したときの入力側のインピーダンス特性を示す。ここで、比較の便宜のために、１次側の結合係数ｋ１＝２次側開放時の反共振点−共振点の周波数の差、２次側の結合係数ｋ２＝２次側開放と短絡時の共振点の周波数の差で示される。結果にみると、ｋ２が非常に大きいが、ｋ１が小さいことから、ｋ１／ｋ２の比率に比例する昇圧比は小さく、５０ｋΩ時の最大昇圧比が約９倍しかない。ｋ１／ｋ２の比率を調整すれば昇圧比を向上させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、３次面広がり振動モードを利用する中央入力、両端出力型の圧電トランスの結合係数を調整して、圧電トランスの昇圧比を向上させるものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、中央の入力電極の両側に補助駆動電極を配置することによって、上記の課題を解決するものである。
【００１０】
すなわち、長方形の圧電セラミック基板の長さ方向の中央の表裏面に入力電極を設け、その両端に出力電極を設けた圧電トランスにおいて、主駆動電極となる中央の入力電力の両側に、補助駆動電極となる２つの入力電極を設け、その圧電セラミック基板は、入力電極の部分は厚み方向に、その出力電極側は長さ方向に分極され、主駆動電極となる中央の入力電極と補助駆動電極となる２つの入力電極を逆位相で駆動することに特徴を有するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電トランスの構成要素は次のようになる。
▲１▼圧電セラミック基板
▲２▼主駆動（入力）電極（対）
▲３▼２つの補助駆動（入力）電極（対）
▲４▼２つの出力電極
【００１２】
【実施例】
一般的に、入力電極を大きくすれば１次側の結合係数ｋ１が大きくなると同時に出力側の長さが短くなるのでｋ２が小さくなる。結果としてｋ１／ｋ２の比率または昇圧比を高くすることができる。これは、長さ振動あるいは面広がり振動の１次モードにおいて効果が確認される。しかし、図８に示す３次面広がり振動の場合、中央の約３分の１の駆動部とその両側の出力部が逆位相で振動するため、入力電極が３分の１よりも長くなると、延長した電極が逆位相振動範囲にはいってしまうので、ｋ１が向上することはなく、逆に小さくなってしまう。逆位相部分にはいった入力電極を逆相で駆動できれば問題を解決できる。
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図１は、本発明による圧電トランスを示す斜視図である。長さと幅の比が約３：１の長方形の圧電セラミック基板１１の中央の表裏面に主駆動電極となる入力電極１２、１３が形成され、この主駆動電極の長さＬ１は圧電セラミック基板の長さの約１／３とする。主駆動電極１２、１３に隣接する両側に２対の補助駆動電極１４、１５と１６、１７が形成され、この補助駆動電極の長さをＬ２とする。２つの端面に出力電極１９、２０が形成されるが、発電部の長さをＬ３とする。主駆動電極と補助駆動電極の部分が厚み方向に分極され、発電部は長さ方向に分極されている。主駆動電極と補助駆動電極を逆位相で駆動するために、図１に示したように逆方向に分極するか、あるいは分極方向を同じにして入力電極の接続を補助駆動電極１２、１５、１７および１３、１４、１６となるようにしてもよい。
【００１４】
図２は、本発明による圧電トランスの輪郭変位のＦＥＭ解析結果を示す。主駆動部が面積を拡大するとき、補助駆動部と発電部は面積を縮小するように逆位相で振動し、振動節点（変位＝０）が３つあることから、これが３次面積振動モードであることが明らかになった。
【００１５】
図３は、入力電極の長さ（Ｌ１＋２＊Ｌ２）＝０．６１Ｌと一定にして主駆動電極の長さＬ１だけを変化させたとき、共振−反共振周波数の変化率（ｆａ−ｆｒ）／ｆｒのＦＥＭ解析結果を示すものである。これから、出力側の共振−反共振周波数の変化率（または結合係数ｋ２）が変わらないことに対して、入力側の変化率（または結合係数ｋ１）は、Ｌ１≒０．３Ｌのときに最大値となっている。したがって、Ｌ１が１／３Ｌ弱のとき、主駆動電極Ｌ１と補助駆動電極Ｌ２の隣接界面は面積縮小・拡大の逆位相振動の臨界面と一致することが推測される。
【００１６】
構造的に図１の圧電トランスと似ている５次面積振動を利用する圧電トランスを発明者は提案した。これはＬ１＝Ｌ２＝Ｌ３、Ｌ＝５Ｗの基本寸法で、３つの駆動部と２つの発電部は交互に面広がり振動を発生するのが特長である。それに対して本発明による圧電トランスは３次モードなので、動作周波数が５次モードの３／５倍に低くすることができる。
【００１７】
本発明による圧電トランスのサンプルを、Ｑｍが約２０００の高ＱｍのＰＺＴ系圧電セラミックを材料とし、厚さ１．５ｍｍ、長さ６０ｍｍ、幅２２ｍｍの長方形の基板で作製した。図４はその代表的なインピーダンス特性を示す。図８に示した補助駆動部のない場合の特性と比較して、本発明による場合は圧電トランスの１次側結合係数ｋ１が大きくなるとともにｋ２が小さくなり、ｋ１／ｋ２の比率が大きく昇圧比を高くすることができた。補助駆動電極の長さＬ２が大きい（あるいは発電部の長さＬ３が短い）ほど、ｋ１／ｋ２の比率が高くなるが、ｋ２が低下するので電力効率が低下する問題が生じる。したがって、昇圧比と効率を勘案して最適のＬ２を選択するとよい。
【００１８】
上記のサンプルの２次容量Ｃ２が約７９ｐＦ、整合インピーダンスが約２２ｋΩとなり、多灯点灯など低負荷インピーダンスに対応できるようになる。図５は、負荷＝５０ｋΩ、出力２０Ｗのときの効率、昇圧比および発熱特性を示す。共振点から反共振点までの動作周波数範囲において、最大昇圧比（共振点）が約２５倍、発熱１５°Ｃ以下の低いレベルに抑えることができた。また、負荷インピーダンスが整合点から倍程度離れても９６％以上の高効率が得られた。
【００１９】
図６は、本発明による圧電トランスを用いた多灯点灯の構成例である。２０インチ液晶テレビに使われる長さ４３０ｍｍ、４ｍｍφの長尺冷陰極ランプ１０本を並列に接続した。点灯時の輝度アンバランスを防ぐために、ランプごとに１０ｐＦのバラストコンデンサを接続した。図では圧電トランスを１個用いる例を示しているが、実験では十分な電力を供給できるように２つの圧電トランスを並列に接続した。圧電インバータの電源電圧２４Ｖｄｃ、ｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ駆動、前置チョークコイルを使用した。
この結果、１０本のランプを同時点灯でき、要求されている約１４０００ｃｄ／ｍ２の輝度が得られた。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、３次面積広がり振動を利用する圧電トランスに補助駆動電極を併用することによって、１次側結合係数と２次側結合係数の比率が向上し、昇圧比を高くできる。２次側容量が大きくなるので、多灯点灯などの低負荷インピーダンスにも対応できる。また、１次側容量が大きくなるので電力を注入し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す斜視図
【図２】その振動の説明図
【図３】その特性の説明図
【図４】そのインピーダンス特性の説明図
【図５】その出力特性の説明図
【図６】圧電トランスと冷陰極ランプとの接続の説明図
【図７】従来の圧電トランスを示す斜視図
【図８】従来の圧電トランスを示す斜視図
【図９】そのインピーダンス特性の説明図
【符号の説明】
１１、７１、８１：圧電セラミック板
１２、１３、７２、７３、８２、８３：入力電極（主駆動電極）
１４、１５、１６、１７：入力電極（補助駆動電極）
１９、２０、７９、８９、９０：出力電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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