(57)【要約】【課題】高機械結合係数ｋと高機械的品質係数Ｑを持ち、かつ低電圧入力でも大電力を出力することが可能な圧電トランスであり、高電力用途でも自己発熱が少なく高効率で、高電力用途でも機械的振動で割れにくい圧電トランスを提供することである。【解決手段】自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶板からなる圧電振動板１２を備え、この圧電振動板１２は、結晶の座標軸をＸ軸のまわりに回転した回転Ｙ板を、長辺もしくは短辺が結晶のＸ軸に平行に、かつ短辺もしくは長辺が結晶のＹ軸投影線に平行になるように長方形に切り出したものであり、２箇所以上の分割電極を並列接続して入力電極とし１箇所以上の分割電極を出力電極とすることで結晶のＹ軸投影方向（例えば圧電振動板の短辺方向）に伝搬するλ／２モードの横効果振動モードを利用する圧電トランスである。【選択図】図１
2004253762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶板からなる圧電振動板を備え、この圧電振動板は、結晶の座標軸をＸ軸のまわりに回転した回転Ｙ板からなり、上記圧電振動板を長方形板に切り出す際の長辺もしくは短辺と結晶のＸ軸のなす角度ψがψ＝０±４０°の範囲内であり、この範囲内で長方形板に切り出して該長方形板のＹ軸投影方向にλ／２の定在波が生じる横効果振動モードを利用することを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
上記圧電振動板の片面に入力電極と出力電極とを備え、他面にグランド用電極を備えた請求項１記載の圧電トランス。
【請求項３】
上記圧電振動板の厚みが０．２〜３．０ｍｍである請求項１または２記載の圧電トランス。
【請求項４】
上記圧電振動板は、Ｘ軸のまわりに１０°〜６０°または１０５°〜１７０°回転させた高誘電率のニオブ酸リチウム単結晶板からなる請求項１または２に記載の圧電トランス。
【請求項５】
上記圧電振動板の入力電極側の機械的品質係数Ｑが１０００以上で、かつ機械結合係数ｋが０．２以上である請求項１〜３のいずれかに記載の圧電トランス。
【請求項６】
上記圧電振動板の片側主面に形成された２個の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成された圧電トランスであって、上記２個の分割電極のうち第一の分割電極を入力側分割電極とし、第２の分割電極を出力側分割電極とした圧電トランスであって、該他側主面に配置した全ての分割電極は電極の少なくとも一部分が該圧電振動板短辺もしくは長辺の中心線上の位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項７】
上記圧電振動板の片側主面に形成された３個の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成された圧電トランスであって、上記３個の分割電極のうち両側の分割電極を入力側分割電極又は出力側分割電極とし、中央の分割電極を出力側分割電極又は入力側分割電極とし、片側主面に配置した全ての分割電極は電極の少なくとも一部分が該圧電振動板の短辺または長辺の中心線上の位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項８】
上記圧電振動板の片側主面に形成された３個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成された圧電トランスであって、上記３個以上の分割電極は、圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に対して交互に配置された入力側分割電極と出力側分割電極とからなることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項９】
上記圧電振動板の片側主面に形成された３個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成された圧電トランスであって、上記３個以上の分割電極のうち２個以上の分割電極を並列接続して入力側分割電極とすることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項１０】
上記圧電振動板の片側主面に形成された３個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成された圧電トランスであって、上記圧電振動板の３個以上の分割電極のうち２個以上の分割電極を並列接続して出力側分割電極とすることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項１１】
入力インピーダンスが３００Ω以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、蛍光灯等に用いられる熱陰極管のインバータ、大画面液晶テレビ、ノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディスプレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ、各種高電圧発生装置、マイナスイオン発生装置、空気清浄機、その他各種電子機器などに用いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータに用いられる圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のようなＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータに用いられる電圧変換用トランスなどには、数ｋＶ以上の高電圧を必要とする機器が多くある。現在、一般的には電磁トランスを使用しているが、小型、軽量でソリッドステートなデバイスとして圧電トランスが注目され、一部で具体的に提案されている。
【０００３】
圧電トランスとしては、ＰＺＴ磁器を使用したセラミック圧電トランスが一般的に使用されているが、機械的品質係数Ｑが３０００〜４０００と小さいため圧電トランス自体の発熱による特性変化および電力損失が大きく、５Ｗ以上の高電力用途では発熱による効率の低下が生じていた。
このため、ＰＺＴ磁器を使用したセラミック圧電トランスは５Ｗ以下の用途にのみ採用されており、５Ｗ以上の用途で使用される冷陰極管点灯用インバータや５Ｗ以上の蛍光灯等に用いられる熱陰極管のインバータ、各種高圧発生装置、ＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣに用いられる電圧変換用トランスには巻き線トランスが採用されていた。
【０００４】
また、ＰＺＴ磁器を使用した単板の圧電トランスでは機械的品質係数Ｑが小さいため高昇圧比が実現不可能であるため、ドライブ側とピックアップ側の静電容量の差を大きくした積層型圧電トランスにする必要があった。ところが、積層型圧電トランスでは、積層構造のため圧電トランスの厚みが厚くなり低背化が不可能であり、圧電トランスのメリットである小型、軽量、低背化を十分満足出来るものではなかった。しかも、ＰＺＴ磁器を使用した場合、環境に有害な物質のＰｂが含まれているため、Ｐｂの管理が必要であった。
【０００５】
また、５Ｗ以上の巻き線トランスでは、高昇圧比を得るために巻き線比を多く取る必要があり低背化、小型化が困難であり、かつ発熱や磁束漏洩のため効率が７５％〜８５％と低いという欠点がある。この他にも、出力電圧波形が歪波のため冷陰極管の発光効率を低下させ、冷陰極管寿命を低下させる原因にもなっていた。
【０００６】
一方、下記特許文献１および２には、圧電振動板の長辺と短辺が整数倍となるように切り出されたラーメモード振動を利用した圧電トランスとしてニオブ酸リチウム単結晶を使用した圧電トランスが記載されている。また、下記特許文献３および４には、長辺方向に伝搬するλ／２モードやλモードを利用した、ニオブ酸リチウム単結晶を使用した圧電トランスが記載されている。
【０００７】
ニオブ酸リチウム単結晶を使用した場合、ＰＺＴ等のセラミック圧電トランスに比べて機械的品質係数Ｑが１００００以上と大きく、高電力を入力した場合での発熱による特性劣化やＱの低下が無く、高昇圧比と高効率を実現可能であると言われているが、Ｈｉ  Ｐｏｗｅｒ入力時の圧電トランスとしての効率の記載や圧電トランスの出力側に負荷を接続した場合での効率の測定結果がない。
【０００８】
図９（ａ）に従来の圧電トランスの構成図を示す。図９（ａ）の圧電トランスにおいて、１２は圧電振動板（基板）であり、例えばニオブ酸リチウム単結晶板でＺ軸方向に一様に分極処理を行った単結晶から切り出された、例えば１４０°回転Ｙカット板である。この回転Ｙ板は、短辺がＸ軸に平行に、かつ長辺がＹ軸投影線に平行になるように長方形に切り出されている。また、入力電極と出力電極はそれぞれ一箇所になるように形成されている
【０００９】
図９（ａ）において、１３は入力電極であり、圧電振動板１２の中央から左側の半分の両面に設けられた、例えばＡｕ／ＮｉＣｒの２層膜からなる蒸着膜である。１４は出力電極であり、圧電振動板１２の中央から右側の半分の両面に、同様にＡｕ／ＮｉＣｒの２層膜からなる蒸着膜で形成されている。図中の矢印Ｐは分極方向を概念的に示したものである。
【００１０】
いま、図示していない交流発振電極から入力電極１３、グランド電極１５ａ間に長さ方向の寸法で決まる共振周波数の入力電圧Ｖ１を印加すると、圧電材料の電歪効果により長さ方向の機械振動（基本振動）が発生する（圧電逆効果）。次に、この振動による歪みを２次側の圧電材料が電気エネルギーに変換することで（圧電正効果）、圧電トランスの構造に応じて変圧された出力電圧を得る。図２では圧電横効果を介して出力電極１４、グランド電極１５ｂ間に高電圧Ｖ０が発生するので、例えばハイインピーダンスの交流電圧計でそれを測定すれば昇圧比（Ｖ０／Ｖ１）を求めることができる。
【００１１】
この例では、入力部を圧電横効果（すなわち電界の方向と弾性波の伝搬方向とが直交している場合をいう）により駆動し、出力部も横効果を用いて出力を取り出している。
【００１２】
このように圧電トランスは、電気→機械→電気とエネルギーを変換するデバイスである。圧電トランスの動作中は、長手方向に図９（ｂ）に示すように印加電圧の周波数に応じた定在波２１と、圧電振動によって生じた応力２２が生じている。図中、２０で示した箇所は変位最小点であり、圧電振動により生じた応力が最も集中する箇所で振動の節と呼ばれている。通常この節を支持することで、高効率、高信頼性を維持出来る。
【００１３】
しかしながら、ニオブ酸リチウム単結晶を使用した従来の圧電トランスでは、入力側のインピーダンスが高いため、圧電トランスの前段にチョークコイルや巻き線トランスを置いて一旦昇圧する必要があり、圧電トランスのメリットである小型、軽量、低背化が困難であった。一方、蛍光灯等に用いられる熱陰極管のインバータ、大画面液晶テレビ、ノートパソコン、携帯用端末等に使用される液晶ディスプレイ用のバックライト冷陰極管のインバータ、各種高電圧発生装置、マイナスイオン発生装置、空気清浄機、各種電子機器に用いられるＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータに用いられる圧電トランスでは、機器の小型化を進める上で圧電トランスの小型、低背化は必要である。
【００１４】
また、仮に前段に巻き線トランスを入れて高電力を入力出来たとしても、機械的振動により発生する応力が振動の節に集中し、振動の節で圧電トランスが割れることがあった。高電力用途でも、圧電トランスを割れにくくするためには、応力が集中する振動の節の厚みを厚くするか、基板の幅を広くして機械的強度を増やす必要がある。
しかし、圧電トランスの厚みを厚くした場合、動作インピーダンスが高くなるため圧電トランスの前段に巻き線トランス等を入れて昇圧する必要があり、小型、低背化が図れない。また、基板の幅を広くするとスプリアス振動が発生し、効率の低下を招く。
【００１５】
高電力用途でも高効率で発熱による特性劣化を少なくするためには、機械結合係数ｋが大きく、かつ機械的品質係数Ｑが大きい適切な振動モードを選択することが望ましい。ここで、機械結合係数ｋとは電極間に電圧を印加し圧電体に与えたエネルギーを理想的に機械的エネルギーに変換するときの効率であり、また圧電体に与えた機械的エネルギーを理想的に電気エネルギーに変換するときの効率である。また、機械的品質係数Ｑが高いと、高電力で使用しても自己発熱による特性劣化や効率の悪化が少なくなる。
【００１６】
【特許文献１】特開平８−１９１１６１号公報
【特許文献２】特開平７−１０６６６０号公報
【特許文献３】特開平２−２４９５７４号公報
【特許文献４】特開平４−１２４８８６号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高電力用途に用いる冷陰極管点灯用インバータユニットおよび各種高電力用ランプ点灯用のインバータユニットにおいて５Ｗ以上の大電力出力でも高効率な圧電トランスを実現し、かつ小型、低背の圧電トランスを提供することを主たる課題とする。
【００１８】
また、本発明は、上記特性に基づいて低電圧入力でも大電力を出力可能な様に、機械結合係数ｋと機械的品質係数Ｑを向上させ圧電トランスの入力側インピーダンスを低減出来る圧電トランスを提供することを他の課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ニオブ酸リチウム単結晶を短冊状に切り出す際の結晶のＣＵＴ面および圧電振動の伝搬軸を、圧電振動の振動モードに対して最適に選び、圧電振動板の片面に形成した２箇所以上の入力電極を並列に接続することで圧電振動板の結晶座標系のＹ軸投影方向にλ／２の定在波が生じる横効果振動モードを強制にして機械結合係数ｋ、および機械的品質係数Ｑの向上を計り、圧電振動板の中央に取り付けた１箇所以上の出力電極から大電力を出力することで、圧電トランスの整合負荷付近において５Ｗ以上で使用した場合でも９２％以上と高効率な圧電トランスを提供することができるという新たな知見を得るに至った。
【００２０】
すなわち、ニオブ酸リチウム単結晶を使用した圧電トランスの場合、自発分極軸はＺ軸と決まっており、かつ結晶の異方性のために結晶のＣＵＴ面および短冊状に切り出した場合の結晶のＣＵＴ軸によって、圧電振動の特性が変化する。
また、圧電トランスの効率は圧電振動の機械結合係数ｋと機械的品質係数Ｑに依存しており、機械結合係数ｋと機械的品質係数Ｑが高い程、大電力で使用した場合でも圧電トランスを高効率に出来る。
【００２１】
本発明の圧電トランスは、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶板からなる圧電振動板を備え、この圧電振動板は、結晶の座標軸をＸ軸のまわりに１０°〜６０°もしくは１０５°〜１７０°の範囲内で回転した回転Ｙ板を、長辺もしくは短辺が結晶のＸ軸に対して−４０°〜４０°の範囲内に回転させ、かつ短辺が長辺に対して垂直になるように長方形に切り出したものであり、望ましくは結晶のＸ軸のなす角度ψがψ＝０°±１０°の範囲内で長方形板に切り出して、さらに結晶のＹ軸投影線へλ／２の定在波が生じる横効果振動モードを利用することにより、高機械結合係数ｋおよび高機械的品質係数Ｑを実現することが可能となり、高電力入力でも高効率で機械的振動に対しても割れにくい圧電トランスを提供することができる。また、短辺をＹ軸に対して０°±４０°以内に回転させ、長方形に切り出したものであってもよい。
【００２２】
本発明によれば、ニオブ酸リチウム単結晶板を結晶のＸ軸を中心にθ＝１０°〜６０°もしくはθ＝１０５°〜１７０°の範囲内で回転させ圧電トランスの入力インピーダンスを低減出来るＣＵＴ面に切り出し、単結晶ウエハーを任意の厚さに加工することで、入力インピーダンスを制御することが可能で、低電圧入力でも高電力を出力することができる。
【００２３】
すなわち、本発明の圧電トランスは、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶板からなる圧電振動板を備え、この圧電振動板は、結晶の座標軸をＸ軸のまわりに回転した回転Ｙ板を、長辺もしくは短辺が結晶のＸ軸に平行に、かつ短辺もしくは長辺が結晶のＹ軸投影線に平行になるように長方形に切り出し、Ｙ軸投影方向に伝搬するλ／２モードの横効果振動モードを利用するものである。ここで、「Ｙ軸投影線」とは、結晶の（ｘ、ｙ、ｚ）座標系のｙ軸から引いた投影線をいう。具体的には、任意の方位に切り出した結晶に対してＹ軸から引いた線をいう。
【００２４】
ここで、上記圧電振動板の厚みは０．２〜３．０ｍｍ、好ましくは０．２〜０．６ｍｍである。上記圧電振動板は、Ｘ軸のまわりに１０°〜６０°または１０５°〜１７０°、好ましくは１２５°〜１４５°回転させた高誘電率のニオブ酸リチウム単結晶板からなるのがよい。
【００２５】
上記圧電振動板は片面に入力電極と出力電極とを備え、他面にグランド用電極を備える。
すなわち、上記圧電トランスは、上記圧電振動板の片側主面に形成された２個の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成されたものであって、上記２個の分割電極のうち第一の分割電極を入力側分割電極とし、第２の分割電極を出力側分割電極とした圧電トランスであって、該他側主面に配置した全ての分割電極は電極の少なくとも一部分が該圧電振動板短辺もしくは長辺の中心線上の位置に形成されている。
【００２６】
あるいは、上記圧電振動板は該圧電振動板の片側主面に形成されたグランド電極と、他側主面に形成された３個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＹ軸投影方向に配置するとともに、３個の分割電極のうち両側の分割電極を入力側分割電極又は出力側分割電極とし、中央の分割電極を出力側分割電極又は入力側分割電極とした方が良い。これにより入力電極面積と出力電極面積を調整することで昇圧比、入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを任意に調整することが可能となる。
【００２７】
また、上記圧電振動板の片側主面に形成された３個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に配置し、他側主面にグランド電極が形成された圧電トランスの場合には、上記３個以上の分割電極は、圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に対して交互に配置された入力側分割電極と出力側分割電極とからなるか、上記３個以上の分割電極のうち２個以上の分割電極を並列接続して入力側分割電極とするか、上記圧電振動板の３個以上の分割電極のうち１個以上の分割電極を並列接続して出力側分割電極とするのが好ましい。
【００２８】
圧電振動板の他側主面に形成された全ての分割電極は電極の少なくとも一部分が該圧電振動板両短辺もしくは長辺の中心を結んだ線上に掛かる様に形成されているのが良い。これにより、圧電振動板のＹ軸投影方向へλ／２の定在波が生じる横効果振動モードを効率良く取り出せるようになる。
【００２９】
上記圧電振動板の片面に備えた２箇所以上の入力電極は、並列接続する方が良い。これにより圧電振動板のＹ軸投影方向へλ／２の定在波が生じる横効果振動モードの機械結合係数ｋおよび機械的品質係数Ｑの向上と、共振インピーダンスの低減を行うことが出来る。これにより低電圧入力でも高電力を出力することができ高効率、高昇圧比、低入力インピーダンスの圧電トランスを実現することが可能となる。
【００３０】
本発明の圧電トランスは、機械的品質係数Ｑが１０００以上、好ましくは４０００以上で、かつ機械結合係数ｋが０．２以上、好ましくは０．２５以上であるため、単板でも高昇圧比を実現可能で、低背化と高昇圧比を実現することができ、５Ｗ以上の高電力入力でも発熱による電力損失が少なく圧電トランスでの効率を９２％以上とすることができる。また、本発明の圧電トランスは、入力インピーダンスが３００Ω以下であるのが好ましい。
【００３１】
【実施例１】
図１（ａ）に示すように、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をＸ軸のまわりに１２８°回転した回転Ｙ板を、長辺方向と結晶のＸ軸が平行になるように長さ３３ｍｍ×幅１２．２ｍｍの短冊状に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み０．５９７ｍｍの圧電振動板１２を得た。この圧電振動板１２の両面に長さ１２ｍｍ×幅１０ｍｍの入力電極１３ａ、１３ｂと出力電極１４ａ、１４ｂとをそれぞれ銀蒸着にて形成し、圧電トランス（実施例１−１２８Ｙ）を得た。なお、図中の矢印Ｐは分極方向を概念的に示している。
【００３２】
【比較例１】
図９（ａ）に示すように、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をＸ軸のまわりに１２８°回転した回転Ｙ板を、短辺方向と結晶のＸ軸とが平行になるように長さ３３ｍｍ×幅１２．２ｍｍ  に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み０．６１２ｍｍの圧電振動板１２を得た。この圧電振動板１２の両面に長さ１２ｍｍ×幅１０ｍｍ  の入力電極１３、１５ａと出力電極１４、１５ｂとを銀蒸着にて形成し、圧電トランス（比較例１−１２８Ｙ）を得た。
【００３３】
実施例１−１２８Ｙおよび比較例１−１２８Ｙの圧電トランスの周波数特性をＡＤＶＡＮＴＥＳＴ  ＮＥＴＷＯＲＫ  ＡＮＡＬＹＺＥＲで測定すると、１８５ｋＨｚ付近と２３５ｋＨｚ付近に非常に鋭い共振があった。
【００３４】
実施例１−１２８Ｙおよび比較例１−１２８Ｙの１８５ｋＨｚ付近の共振点は圧電振動板の長辺方向に１波長（λ）の定在波が発生するλモードの圧電振動であり、振動の節は圧電振動板長辺の１／４の所にあった。また、２３５ｋＨｚ付近の共振点は圧電振動板の短辺方向に１／２波長（λ／２）の定在波が発生するλ／２モードの圧電振動であり、圧電振動の節は圧電振動板短辺の１／２の所にあった。
なお、圧電トランスを支持する場合、固定方法や固定位置により機械的品質係数Ｑの値が大きく変わるため、測定の影響が無いようにバネ式プローブを使用して、最も共振が鋭くなる位置で比較検討した。
【００３５】
実施例１−１２８Ｙおよび比較例１−１２８Ｙの圧電振動板の長辺方向に伝搬するλモード振動のＬＣＲ等価回路の測定結果を表１に示す。圧電振動子のＬＣＲ等価回路は図２のように表され、この等価回路のパラメータより機械的品質係数Ｑと機械結合係数ｋが求められる。なお、図２において、Ｒ１は直列抵抗を、Ｃ１は直列容量を、Ｃ２は並列容量を、Ｌ１は直列インダクタンスをそれぞれ表している。
【００３６】
【表１】
2004253762.tif 000003
表１より、１２８回転Ｙ板の基板で長辺方向に伝搬するλモード振動を利用する場合、実施例１−１２８Ｙの機械結合係数ｋは０．２６と比較例１−１２８Ｙの０．２９に比べて悪いが、機械的品質係数Ｑは実施例１−１２８Ｙの１８３８６が比較例１−１２８Ｙの１２４０７に比べて良いことがわかる。
【００３７】
昇圧比は機械結合係数ｋと機械的品質係数Ｑとで決まるため、機械的品質係数Ｑと機械結合係数ｋが共に大きい方が望ましいが、１２８回転Ｙ板の基板で長辺方向に伝搬するλモード振動を利用する場合はｋ、Ｑ共に最高の値を得ることは出来ない。
【００３８】
圧電トランスの効率は機械結合係数ｋに依存し、高電力での効率は機械的品質係数Ｑに依存するため、１２８回転Ｙ板の圧電振動板で長辺方向に伝搬するλモードの振動を利用する場合は、実施例１、比較例１共に大差ないことが分かる。
【００３９】
実施例１−１２８Ｙおよび比較例１−１２８Ｙの短辺方向に伝搬するλ／２モード振動のＬＣＲ等価回路の測定結果を表２に示す。
【表２】
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表２より、１２８回転Ｙ板の基板で短辺方向に発生するλ／２モードを圧電トランスに利用する場合、実施例１−１２８Ｙの機械結合係数ｋは０．２８と比較例１−１２８Ｙの０．１６に比べて良く、機械的品質係数Ｑは実施例１−１２８Ｙ、比較例１−１２８Ｙ共大差ないことが分かる。故に、１２８回転Ｙ板の基板で短辺方向に発生するλ／２モードを圧電トランスに利用する場合は、図１に示すように、結晶のＸ軸と平行に長辺を切り出すのが望ましいことがわかる。
【００４０】
また、短辺方向に伝搬するλ／２モードの振動を利用するため、機械的振動で発生する応力を基板の長辺方向に分散することが可能で、高電力用途でも割れにくいことがわかる。
【００４１】
これらの結果から、機械結合係数ｋおよび機械的品質係数Ｑが大きい１２８回転Ｙ板を使用し、図１に示すように結晶のＸ軸と平行に圧電振動板の長辺を切り出し圧電振動板の短辺方向に伝搬するλ／２モードの振動を利用することで、高電力用途でも圧電トランスの発熱が少なく高効率でかつ高電力を入力しても機械的振動で割れることが少ない圧電トランスを作成することが出来る。
【００４２】
【実施例２】
図３（ａ）に示すように、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をＸ軸のまわりに１２８°回転した回転Ｙ板をそれぞれ長辺方向と結晶のＸ軸が平行になるように長さ３３．０ｍｍ×幅１２．２ｍｍの短冊状に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み０．５６ｍｍの圧電振動板１２を得た。この圧電振動板１２の片面２箇所に長さ１２ｍｍ×幅１０ｍｍの入力電極１３ａ、１３ｂ、と片面１箇所に長さ５ｍｍ×幅１０ｍｍの出力電極１４を、圧電振動板の裏面に長さ３２ｍｍ×幅１０ｍｍのグランド共通電極１５をそれぞれ銀蒸着にて形成し、圧電トランス（実施例１）を得た。なお、図中の矢印Ｐは分極方向を概念的に示している。
なお、図３（ａ）において、１６は入力用リード線、１７は出力用リード線、１８はグランド共通リード線を示している。図３（ｂ）において、２０は振動の節、２１は圧電振動の変位、２２は圧電振動により生じる応力を示している。
【００４３】
実施例２の圧電トランスの入力電極１３ａと入力電極１３ｂを並列接続して合成入力電極とした場合と入力電極１３ａのみを入力電極とした場合での入力電極とグランド共通電極間の共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａ、共振周波数でのインピーダンスＺｒ、機械的品質係数Ｑと機械結合係数ｋをインピーダンスアナライザで測定した結果を表３に示す。
表３の入力電極１端子は、入力電極１３ａとグランド共通電極１５間の周波数特性の測定値であり、表３の入力電極並列接続は、入力電極１３ａと１３ｂを並列に接続した合成電極とグランド電極１５間の周波数特性を測定したものである。
【００４４】
なお、測定した共振周波数は圧電振動板のＹ軸投影方向にλ／２の定在波が生じる横効果振動モードの周波数特性である。
表３より分かるように入力電極を並列接続することで共振点が低周波側にシフトし共振点と反共振点の帯域幅を広げ、共振点のインピーダンスも低下することを確認した。また入力電極を並列接続することで機械結合係数ｋの向上と機械的品質係数Ｑの向上が可能であることを確認した。
【表３】
2004253762.tif 000005
このように３個の分割電極のうち、少なくとも２個の分割電極を並列接続して合成入力電極とし、長方形板の短辺方向に伝搬するλ／２モードの振動を強制に駆動させることで、機械結合係数ｋおよび機械的品質係数Ｑの向上と入力インピーダンスの低減が可能であることが分かる。
【００４５】
【実施例３】
図３（ａ）に示すように、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をＸ軸のまわりに１２８°回転した回転Ｙ板をそれぞれ長辺方向と結晶のＸ軸が平行になるように長さ３３ｍｍ×幅１２．２ｍｍの短冊状に切り出し、両面に研磨加工による鏡面仕上げを行い、厚み０．５６ｍｍの圧電振動板１２を得た。この圧電振動板１２の片面２箇所に長さ１２ｍｍ×幅１０ｍｍの入力電極１３ａ、１３ｂ、と片面１箇所に長さ２ｍｍ×幅１０ｍｍの出力電極１４を、圧電振動板の裏面に長さ３２ｍｍ×幅１０ｍｍのグランド共通電極１５をそれぞれ銀蒸着にて形成し、圧電トランス（実施例３）を得た。なお、図中の矢印Ｐは分極方向を概念的に示している。
【００４６】
図３（ａ）に示すように、圧電トランスの入力側分割電極１３ａ、１３ｂを入力とし、出力側分割電極１４を出力として、この出力分割電極１４に５〜２００ｋΩの負荷抵抗をそれぞれ接続した。圧電トランスへの入力電圧は関数発生器を用い振幅１０Ｖの正弦波を入力側分割電極に印加し、入力電圧（Ｖ）、入力電流（ｍＡ）、入力電力力率を検出し、出力側分割電極からは出力電圧（Ｖ）を検出した。上記の測定結果より、入力インピーダンス、昇圧比、効率を求めた。また、比較のため、前述の比較例１−１２８Ｙを用いて同様にして試験した。それらの結果を表４に示す。
【表４】
2004253762.tif 000006
表４より分かる様に、従来の技術である長辺方向に伝搬するλモードを利用した比較例の圧電トランスの場合、その構造のため入力インピーダンスが高く低電圧入力で大電力を出力することが困難であり実用的でない。これに対して、実施例３は５ｋΩ〜１００ｋΩの負荷において効率９１％以上を達成出来、負荷との整合が取れている状態であれば、効率９５％を達成出来ることを確認した。
【００４７】
このように、圧電振動板の片側主面に形成されたグランド電極と、他側主面に形成された３個以上の分割電極を該圧電振動板の結晶座標系のＸ軸方向に交互に配置し、３個の分割電極のうち両側の分割電極を並列接続して入力側分割電極とし、中央の分割電極を出力側分割電極とする構造にすれば、圧電振動板のほぼ全面に入力電極を形成することが可能で、入力インピーダンスを低減することが可能となる。
【００４８】
特に液晶バックライト用冷陰極管インバータの圧電トランスでは高昇圧比と低電圧入力が必要なため入力側電極面積を広くして出力電極面積を狭くすることで、高昇圧比と低電圧入力が実現出来、整合負荷もハイインピーダンス側にシフトし用途にあった圧電トランスを設計することが出来る。
また、各種照明用の熱陰極管点灯用インバータ等では整合負荷が数十Ωと低インピーダンスであるため、トランスの昇圧比は数倍で良い。このため出力電極を複数個並列に接続するか出力電極面積を広くすれば良い。
また、本発明では圧電振動板の幅方向に伝搬するλ／２モードの振動を利用するため、第一の入力電極および第２の入力電極は圧電振動板長辺の約半分まで形成して電極面積を広げることが出来、入力インピーダンスを低減することが可能である。
さらに、出力側分割電極の面積を変更することで容易に最大効率が得られる整合負荷を調整することが可能となる。
【００４９】
【実施例４】
上記実施例３の圧電トランスの入力側分割電極（１次側電極）を入力とし、出力側電極（２次側電極）を出力として、この出力電極に５０ｋΩの負荷を接続した。入力電圧は関数発生器を用い電力増幅器で所定の電圧に増幅した正弦波を入力側分割電極に印加し、入力電圧（Ｖ）、入力電流（ｍＡ）、入力電力力率を検出して入力電力を求め、出力側分割電極からは出力電圧（Ｖ）を検出して出力電力を求めた。
圧電トランスの駆動周波数は圧電トランスの昇圧比が最高となる周波数で測定した。上記の測定結果より、昇圧比、効率を求めた。その結果を表５を得た。
【表５】
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表５より分かる様に、入力電力を１７．５Ｗ入力しても効率の低下が無いことが確認された。また、出力電力を１６．９Ｗ取り出すための入力電圧も３９．５Ｖｒｍｓと低くすることが可能であり、低電圧入力でも大電力を出力出来ることが分かる。
【００５０】
【実施例５】
また、圧電振動板を長方形に切り出す際の結晶のＣＵＴ軸と圧電振動の伝搬軸の影響を調査するために、図３（実施例３）と同じ形状の圧電トランスを用いて、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶をＸ軸のまわりに１２８°回転した回転Ｙ板（０、３８、０）からなる圧電トランスを、図４（ｂ）に示すように圧電振動板の長辺と結晶のＸ軸のなす角度をψとして結晶のＺ’軸に対して０〜１８０°の範囲内で回転させ、λ／２モードの機械結合係数ｋの影響を調査した。図６に結晶の座標系（ｘ、ｙ’、ｚ’）のｚ’軸に対して０〜１８０°回転させたλ／２モードの機械結合係数ｋの関係を示す。
図６より、ψ＝０°の時すなわち結晶のＹ軸投影方向と圧電振動の伝搬方向が一致するＣＵＴ軸を選択すれば、結晶のＹ軸投影方向に伝搬するλ／２モードを強制に振動させることが可能で機械結合係数ｋが０．３８と最高になり、高昇圧比と変換効率の向上が可能となることが分かる。
【００５１】
また、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶のＸ軸と該圧電振動板の長辺とが平行になるように切り出した図１（実施例２）と同じ形状の圧電トランスを用いて、図４（ａ）に示すように結晶のＸ軸のまわりに０°￣１８０°の範囲内で回転し、結晶のＹ軸投影方向に伝搬するλ／２モードの回転Ｙ板の回転角と機械結合係数ｋの関係を求めたものを図５に示す。
図５より、ニオブ酸リチウム単結晶板を結晶のＸ軸を中心にθ＝１０°〜６０°もしくはθ＝１０５°〜１７０°の範囲内で回転させた圧電振動板を用い、ることで機械結合係数ｋを０．１５以上にすることが可能であることが分かる。望ましくはθ＝１２５°〜１４５°の範囲内で回転させた圧電振動板を用いることで、機械結合係数を最高とすることが可能となり高昇圧比と変換効率の向上が可能となることがわかる。
【００５２】
【他の実施例】
図１（ａ）に示すように結晶のＸ軸と平行に圧電振動板の長辺を切り出すことで、機械結合係数ｋ、及び機械的品質係数Ｑの大きな短辺に依存するλ／２モードの波を利用することが出来、高電力用途でも圧電トランスの発熱が少なく高効率でかつ高電力を入力しても機械的振動で割れることが少ない圧電トランスを作成することが出来る。
【００５３】
更に、入力電極１３ａ、１３ｂと出力電極１１４ａの面積比を変えることで圧電トランスの昇圧比を簡単に調整することが出来、使用する用途にあった特性の圧電トランスを簡単に作成することが可能となる。
図１の実施例の場合は、裏面にグランド電極１５を設けることにより、グランド側のリード線を一箇所とすることが可能となり、リード線での振動の損失が軽減される。
【００５４】
また、図７は、圧電振動板１２の短辺長さと長辺長さを変化させて圧電振動板１２の外形比を変化させた例（すなわち短辺をＸ軸とした場合）を示している。その他は図３と同様である。この場合でも、上記と同様の電極構造でニオブ酸リチウム単結晶を短冊状に切り出す際に、結晶のＣＵＴ面および圧電振動の伝搬軸を圧電振動の振動モードに対して最適に選び、圧電振動の伝搬方向と結晶のＹ軸投影線を一致させる構造にすれば、同様の効果が得られる。
【００５５】
更に、図８に示すように圧電振動板１２の片側主面に形成されたグランド電極１５と、他側主面に形成された分割電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃと分割電極１４ａ，１４ｂとを圧電振動板１２の長辺方向に交互に配置し、３個の分割電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃを入力側分割電極又は出力側分割電極とし、他の２個の分割電極１４ａ、１４ｂを出力側分割電極又は入力側分割電極とした多重平面構造とすることで、実施例２と同様に機械結合係数ｋと機械的品質係数Ｑの向上および低入力インピーダンスを実現出来、使用する負荷との整合も分割電極の面積を調整することで容易に実現することが可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、自発分極軸をＺ軸として有するニオブ酸リチウム単結晶の回転Ｙ板を、圧電振動板の長辺もしくは短辺と結晶のＸ軸が平行になるように長方形に切り出した圧電振動板を使用し、該圧電振動板の片側主面に形成した２箇所以上の分割電極を並列接続して入力電極とし１箇所以上の分割電極を出力電極とすることでＹ軸投影方向（例えば圧電振動板の短辺方向）に伝搬するλ／２モードの機械結合係数ｋおよび機械的品質係数Ｑを向上させ、大画面液晶に使用される冷陰極管点灯用インバータや熱陰極管点灯用インバータ等の５Ｗ以上の高電力用途の昇圧用トランスとして使用することが可能であり、高効率な圧電トランスを提供することが出来る。このため消費電力の効率向上とインバータの低背化、小型を実現することが可能である。
また、圧電振動板にニオブ酸リチウム単結晶を利用するため環境に有害な物質が含まれておらず、管理が容易である。
その他にも、圧電トランスは正弦波を出力するためランプの寿命を向上することが可能でありランプ寿命の向上や不要な電磁ノイズの放射が削減できることが期待出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は実施例１にかかる圧電トランスの斜視図、（ｂ）はその横断面図である。
【図２】圧電振動子のＬＣＲ等価回路を示す回路図である。
【図３】（ａ）は実施例１、２にかかる圧電トランスの斜視図、（ｂ）はその横断面図である。
【図４】（ａ）は圧電振動板を結晶の座標軸Ｘ軸を中心に角度θ回転させた斜視図、（ｂ）は圧電振動板を結晶の座標軸Ｚ’軸を中心に角度ψ回転させた斜視図である。
【図５】図６（ａ）の圧電トランスを結晶の座標軸ｘ軸を中心に回転させた回転角θと機械結合係数ｋとの関係を示すグラフである。
【図６】図６（ｂ）の圧電トランスを結晶の座標軸ｚ’軸を中心に回転させた回転角ψと機械結合係数ｋとの関係を示すグラフである。。
【図７】（ａ）は他の実施例にかかる圧電トランスの斜視図、（ｂ）はその縦断面図である。
【図８】（ａ）は他の実施例にかかる圧電トランスの斜視図、（ｂ）はその縦断面図である。
【図９】（ａ）は従来の圧電トランスの斜視図、（ｂ）はその縦断面図である。
【符号の説明】
１２：圧電振動板、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ：入力電極、１４、１４ａ、１４ｂ：出力電極、１５、１５ａ、１５ｂ：グランド電極、１６：入力用リード線、１７：出力用リード線、１８、１８ａ、１８ｂ：グランド用リード線、２０：圧電振動の節、２１：圧電振動の変位曲線、２２：圧電振動によりに生じる応力曲線
【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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