(57)【要約】【課題】従来の圧電インバータは、３Ｗ程度の電力応用品が多く、５Ｗを越える応用では、高い発熱を伴い熱暴走してついには破壊するという、出力ワット数の限界を超えられないという問題を有していた。【解決手段】圧電トランスの中央部に剛体部を構成する事により、ハイパワードライブ時に発生する捩れ方向の振動モードや、蛇行方向の振動モードの発生を皆無とすることで、高効率で温度上昇が低温度で飽和するハイパワー圧電トランスを得た。【選択図】  図１
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【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において、前記圧電トランスの長手方向に２次モード（λ波長）で共振する圧電トランスが、第１の領域及び第５の領域となる出力部と、第２の領域及び第４の領域となる入力部と、第３の領域となる剛体部の、前記の５領域から構成されて成り、各領域は長手方向に、ほぼ２：２：１：２：２の割合で分割されて構成された事を特徴とするハイパワー圧電トランス。
【請求項２】
圧電セラミックスから成る圧電トランスにおいて、前記圧電トランスの中央部に剛体部を構成することにより、ハイパワードライブ時に誘発される捩り方向振動モードを抑制して、ロス系を小さくすることにより、高効率圧電トランス構成としたことを特徴とするハイパワー圧電トランス。
【請求項３】
圧電セラミックスから成る圧電トランスにおいて、前記圧電トランスの中央部に剛体部を構成することにより、ハイパワードライブ時に誘発される蛇行方向振動モードを抑制して、ロス系を小さくすることにより、高効率圧電トランス構成としたことを特徴とするハイパワー圧電トランス。
【請求項４】
圧電セラミックスから成る圧電トランスにおいて、前記圧電トランスの厚み方向分極時のＡ面電極は最も高電圧で、その裏面のＢ面電極にかかる電圧はＡ面電極より数ＫＶ低い高電圧で、また前記Ｂ面電極とＣ面電極は同電圧である。次にＣ面電極の裏面のＤ面電極にかかる電圧は、前記Ｃ面電極より数ＫＶ低い高電圧で、また前記のＤ面電極とＥ面電極は同電圧である。またＦ面電極にかかる電圧は０Ｖでアースに接続される。前記構成により分極されて成る事を特徴とするハイパワー圧電トランス。
【請求項５】
フラットパネルディスプレイ等に用いられる大型冷陰極放電灯の両端に、圧電トランスのＧ面電極及び前記Ｇ面電極と１８０度位相の異なるＨ面電極がそれぞれ高圧線等を介して接続された事を特徴とするハイパワー圧電トランス。
【請求項６】
フラットパネルディスプレイ等に用いられる複数の直列接続された大型冷陰極放電灯の入力部及び出力部に圧電トランスのＧ面電極及び前記Ｇ極面と１８０度位相の異なるＨ面電極がそれぞれ高圧線等を介して接続された事を特徴とするハイパワー圧電トランス。
【請求項７】
圧電セラミックスから成る圧電トランスが、圧電トランスの表面に上表面と下裏面で異なる寸法比から成る電極を付与されて構成された事を特徴とするハイパワー圧電トランス
【請求項８】
圧電トランスの上表面は、長さ方向にほぼ２：２．５：１：１．５：２に分割されて、順に出力部と次に入力部ついで剛体部及び入力部と続いて出力部の順に構成され、また下裏面は長さ方向にほぼ２：１．５：１：２．５：２に分割されて、順に出力部と次に入力部ついで剛体部及び入力部と続いて出力部の順に構成されたことを特徴とする請求項７記載のハイパワー圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶バックライト等に用いられる、圧電トランスを昇圧手段とした圧電インバータの主に大型冷陰極放電管をドライブする点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧電インバータにおいては、出力が３Ｗ程度の、液晶のバックライトサイズでは１５インチないし１７インチ程度を最大とするワット数の、圧電インバータが開発されて実用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧電インバータにあっては、直径が２ｍｍ前後で長さが２５０ｍｍ程度の冷陰極放電管を、３Ｗ程度の出力仕様で、主に１５インチから１７インチ程度のノートパソコン向けに開発されて実用されてきたが、これに加えて最近テレビ市場などの大型ディスプレイ市場が前年度比で２倍以上に伸びて、３０型及び４０型の大型液晶テレビの市場が飛躍的に拡大してきている。
【０００４】
このため圧電インバータの出力アップが要求されているが、高電圧出力あるいは大電流出力の、これまでの４〜５倍の１２Ｗから１５Ｗ程度以上となる出力アップが要求されている。しかし現状の圧電インバータは大電力化と共に高い発熱を発生して、出力低下や効率低下などが伴い、３Ｗないし５Ｗを越えると、圧電トランスが熱暴走してついには破壊するという、出力ワット数の限界を越えられないという問題を有していた。
【０００５】
本発明は、圧電トランスの２次モード（λモード）に着目して、これまでの５倍以上の高電力を発生できて、かつドライブ周波数をこれ迄の８０ＫＨｚから１２０ＫＨｚと比較的高いドライブ周波数の半値となる５０ＫＨｚ前後の低いドライブ周波数を実現することで、リーク電流を押さえ、かつ出力ワット数を５倍以上となる１５Ｗ以上の高ワット数を出力する事ができる効率の良い、これまでの圧電インバータ性能の限界を超える、新規な圧電インバータを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決する為の手段】
上記の目的を達成する為に、本発明の圧電トランスを用いた圧電インバータは、特開２０００−３３２３１５公報の１次モード（１／２波長）を用いた小型で高出力かつ低ドライブ周波数の圧電トランスに着目したものである。
【０００７】
前記の圧電トランスは、圧電トランスの領域を、第１の領域となる出力部と、第２の領域となる入力部と、第３の領域となる剛体部の３つの領域から圧電トランスを構成することにより、パワーアップのウィークポイントとなる、長さ方向の分極部と、厚み方向分極部の分極時の応力最大点と、ドライブ次に発生する応力最大点を、従来のセラミックストランスのように重なる事なく、別位置に構成する発明により、パワーが伴う出力が不可能であった１次モード（１／２波長）駆動で、数ワット程度の実用的なパワーアップに成功したものである。
【０００８】
前記の特開２０００−３３２３１５公報の、１次モード（１／２波長）を用いた圧電トランスと、前記圧電トランスの出力部の分極方向を１８０°変化させて分極した圧電トランスを完成させて一組として用いた圧電トランスの複数の出力部には、１８０°位相の異なる高電圧が発生する。
【０００９】
４０インチ程度の大型ディスプレイに使用される冷陰極放電管は、例えば直径３ｍｍで、長さが５８０ｍｍ程度のもので、安定放電電圧が３５００Ｖｐ−ｐで管電流は１７ｍＡｐ−ｐの出力仕様で、実用電力は７から８Ｗとなる。この放電管の両端に前記の一組の圧電トランスの出力部を接続してドライブすると、正の高電圧と負の高電圧が前記の長管の放電管の両端に印加される事になるので、従来の１／２値程度の高電圧で目的とする２８０００ｃｄ／ｍ２を出力することができた。
【００１０】
しかし複数の圧電トランスを用いると、微妙に共振周波数及び共振インビーダンスが異なる為、差分の周波数に起因する側帯波が発生してビートとなり電気ノイズが発生して発振するので、ドライブが不安定となった。
【００１１】
前記した理由から、複数枚の１次モード（１／２波長）を用いた圧電トランス構成では、多数の圧電トランスの中から同特性の圧電トランスを選んで組み合わせる必要があるので、実用上の問題が大きいという欠点が生じた。従って、一枚の圧電トランス構成で高電圧出力と大電流出力及び大電力駆動を実現する必要がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を、実施例に基づき図面を参照して説明する。これ迄の圧電インバータに用いられてきた圧電トランスは、３Ｗないし５Ｗ程度までの電力で前記の圧電トランスをドライブしてきた。それ以上の電力でドライブすると、厚み方向分極と長さ方向分極の境界部、あるいは振動振幅の最小部で、その応力が最大となる節部、もしくは振動速度が最大となる出力電極部近傍で、前記電力の増加と共に、これ迄の２倍近い１０Ｗ程度の電力では、急激な発熱を伴い破壊に至った。この破壊の原因は、前記の大電力の印加と共に生じる高い発熱により、圧電トランスが軟化する事でλモードの撓み振動に、圧電トランスの特性には寄与しない捩れ方向の振動モードや、蛇行方向の振動モードが重畳して発生することが原因であることが、レーザードップラー等の最新の高周波振動測定器等の解析で明かとなった。
【００１３】
圧電トランスに用いる焼成直後の圧電セラミックスの自発分極の向きは、アトランダムな配列を成しているので等方性体と考えてよく、分極のため直流電界を印加すると、電界をかけた方向にわずかではあるが伸び、分極とは直角の方向には縮むのでほぼ正方晶系となり、分極処理後の磁器に共振周波数の近傍の交流電界を印加すると、元の寸法と残留歪みが付加された大きさの間の寸法を行き来することで、圧電セラミックス磁器に機械的共振が起こり、圧電トランスとして応用することができる。
【００１４】
図１に示すように、長さ６０ｍｍ幅１２ｍｍ厚さ１．５ｍｍ程度の圧電セラミックスの両端面に、Ｅ出力電極１及びＧ出力電極２を付与して、前記の圧電トランスを長さ方向に２：２：１：２：２の割合となるように圧電トランスの領域が分割される。第１の領域と第５の領域は出力部である。第２の領域と第４の領域は入力部で、矢印で示すように分極の向きが１８０度異なる位相関係に分極してある。第３の領域は剛体部で、第２の領域より低い高電圧で、かつ第４の領域よりは高い高電圧によって分極処理されている。前記圧電トランスをドライブするには、入力端子３及び４を接続してひとまとめとし、また他の入力端子５及び６を接続して別のひとまとめとして、前記の両入力端子にドライブ信号を印加すると、Ｅ出力電極１及びＧ出力電極２には１８０度位相の異なる、高電圧の信号が同時出力される。
【００１５】
図２を用いて前記の圧電トランスの分極方法について説明する。従来の圧電トランスは、プラス極とマイナス極との２極により分極を行ってきたが、本発明ではＨＩＧＨ（ＨＫＶ）の電界と、ＭＩＤＤＬＥ（ＭＫＶ）の電界と、ＬＯＷ（ＬＫＶ）と、ＧＬＡＮＤ（ＧＶ）の電界の各電位を用いる事で、６端子で３極となる分極を実施することを初めて可能ならしめ、前記圧電トランスの中央部に剛体部を初めて形成する事を可能とした。
【００１６】
さらに詳しく説明すると、前記の圧電セラミックスから成る圧電トランスにおいて、前記圧電トランスの厚み方向分極時のＡ面電極９は最も高電圧で、その裏面のＢ面電極１０にかかる電圧はＡ面電極９より数ＫＶ低い高電圧で、また前記Ｂ面電極１０とＣ面電極１１は同電圧である。次にＣ面電極１１の裏面のＤ面電極１２にかかる電圧は、前記Ｃ面電極１１より数ＫＶ低い高電圧で、また前記のＤ面電極１２とＥ面電極１３は同電圧である。またＦ面電極１４にかかる電圧は０Ｖでアースに接続される。前記構成により分極されて成る事を特徴とするハイパワー圧電トランスを初めて得ることができた。またＥ出力電極１及びＧ出力電極２の分極は、前記の厚み方向分極が終了した後に、すべての入力電極部と剛体電極部をアースに接続して行われている。
【００１７】
次に図３に示すように、長さ６０ｍｍ幅１２ｍｍ厚さ１．５ｍｍ程度の圧電セラミックスの表面に、表面と裏面で異なる寸法から成る電極を付与したハイパワー圧電トランスを示した。前記の圧電トランスの上表面１５は、長さ方向にほぼ２：２．５：１：１．５：２に分割されていて、順に出力部１６と、次に入力部１７、ついで剛体部１８、及び入力部１９と、出力部２０、の順に構成されている。また下裏面２１に付与された電極は、長さ方向に２：１．５：１：２．５：２に分割されていて、順に出力部１６と、次に入力部１７、ついで剛体部１８、及び入力部１９と、次に出力部２０、の順に分割されていて、上表面の電極と、下裏面の電極はその寸法比が長さ方向に正反対の寸法比となるように構成されている。
【００１８】
また図３に示すハイパワー圧電トランスでも、同様に長さ方向の中央部を剛体部として用いているが、中央部では上表面のプラス極の電極と、裏面に付与されたプラス極の電極が圧電トランスの中央部で互いにぐいちに重なる事で、まわり込み分極の構成を形成しており、分極時に複雑な方向の分域を構成することにより、実駆動したハイパワードライブ時に強固な剛体部として機能することで、ハイパワードライブ時に発生する捩り方向振動モードや、蛇行方向振動モードを共に抑制する効果を発して、前記構成がロス系を小さくする方向に働き、この振動モードに起因する効果で圧電インバータ効率が１５Ｗ程度のドライブ時に９０％ないし９５％という高効率を初めて実現した。また圧電トランスの温度上昇も、室温プラス１０度程度の温度で飽和した。
【００１９】
以上のように構成された、高効率構成のハイパワー圧電トランスによる圧電インバータを、液晶テレビのフラットパネルディスプレイ等に用いられる大型冷陰極放電灯の両端が、前記圧電トランスの出力のＧ面電極及び前記Ｇ面電極と１８０度出力位相の異なるＨ面電極の出力部にそれぞれ高圧線等を介して接続される事により、前記フラットパネルディスプレイ部の発熱が低温度で飽和するという効果を発して、ディスプレイ部の発熱による映像への影響が皆無になるという効果を奏した。
【００２０】
また同様に、フラットパネルディスプレイ等に用いられる複数個の直列接続された大型冷陰極放電灯の入力部及び出力部に前記圧電トランスの出力のＧ面電極及び前記Ｇ極面と１８０度出力位相の異なるＨ面電極の出力部がそれぞれ高圧線等を介して接続された事により、前記フラットパネルディスプレイ部の発熱が低温度で飽和するという効果を発して、ディスプレイ部の発熱による映像への影響が皆無になるという効果を奏した。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。従来の圧電インバータは電磁波を発生せず、小型・軽量である特徴を有したため、小型・携帯機器やイオナイザー等の健康機器、あるいは１５インチないし１７インチ程度を最大とする、パーソナルコンピュータ向けのインバータとして多用されてきたが、主に３Ｗないし大きくても５Ｗ迄の出力用インバータとして用いられてきた。現状の圧電インバータは、１０Ｗ程度の電力では、高い発熱を発生して、出力低下や効率低下などをともない、また電力増加と共に熱暴走しはじめて、ついには破壊するという、出力ワット数の限界を超えられないという問題を有していた。
【００２２】
本発明では、この原因が大電力駆動時に生じる高い発熱により、圧電トランスが軟化することでλモードの撓み振動に、圧電トランスの特性には寄与しない、捩れ方向の振動モードや、蛇行方向の振動モードが、重畳して発生することなどの原因によっていることが、レーザードップラーなどを用いた振動解析で明らかにできた。
【００２３】
λモードで駆動される圧電トランスの中央部に剛体部を設けると、捩れ方向の振動モードの発生や、蛇行方向の振動モードの発生が皆無となった。また１５Ｗの電力駆動時の温度上昇も、室温プラス１０度程度の温度で飽和した。さらにこの圧電トランスを用いた圧電インバータ効率は、９０％ないし９５％という高効率を初めて実現した。また前記圧電トランスは高効率で温度上昇が低いので、液晶ディスプレイ部の発熱による映像への影響が皆無になるという効果を奏した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって成る圧電セラミックストランスの斜視図である。
【図２】本発明によって成る圧電セラミックストランスの分極時の実態配線図である。
【図３】本発明によって成る別の実施例の圧電セラミックストランスの側面図である。
【符号の説明】
１  Ｅ出力電極
２  Ｇ出力電極
３、４、５、６  入力端子
７、８  出力端子
９  Ａ面電極
１０  Ｂ面電極
１１  Ｃ面電極
１２  Ｄ面電極
１３  Ｅ面電極
１４  Ｆ面電極
１５  上表面
１６、２０  出力部
１７、１９  入力部
２１  下裏面
【図１】
2004289097.tif 000003
【図２】
2004289097.tif 000004
【図３】
2004289097.tif 000005