(57)【要約】【課題】  電極形状に起因する問題を少なくするために、電極構造を最適化し、電気的特性を向上させる【解決手段】  主表面が長方形の圧電セラミック板の長さ方向の一端側を駆動部として表裏面に入力電極を、反対側を出力部としての端面に出力電極を具えた圧電トランスで、主入力電極が圧電セラミック板の長さにほぼ半分の長さで形成され、かつ幅方向の中央部が出力電極側に湾曲して突出するように形成される。また、主入力電極と主表面において一定の間隔を置いて対向して、主入力電極と逆相で駆動される補助入力電極が形成される。主駆動電極と補助駆動電極は逆相で驅動される。逆相駆動のためには、分極方向を同じにして逆相となるように電源に接続するか、逆方向に分極して同相で駆動するかのいずれかとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面が長方形の圧電セラミック板の長さ方向の一端側の表裏面に入力電極を、反対側の端面に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
入力電極は圧電セラミック板の長さにほぼ半分の長さで形成され、
かつ幅方向の中央部が出力電極側に湾曲して突出するように形成されたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
主表面が長方形の圧電セラミック板の長さ方向の一端側を駆動部として表裏面に入力電極を、反対側を出力部としての端面に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
駆動部は圧電セラミック板の厚み方向に分極し、出力部は圧電セラミック板の長さ方向に分極され、
入力電極は圧電セラミック板の長さにほぼ半分の長さで形成されて、長さ方向と幅方向の振動が結合された斜対称面広がり振動モードで動作し、
かつ幅方向の中央部が出力電極側に湾曲して突出するように形成されたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
主表面が長方形の圧電セラミック板の長さ方向の一端側の表裏面に入力電極を、反対側の端面に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
主入力電極が圧電セラミック板の長さにほぼ半分の長さで形成され、かつ幅方向の中央部が出力電極側に湾曲して突出するように形成され、
主入力電極と主表面において一定の間隔を置いて対向して、主入力電極と逆相で駆動される補助入力電極が形成されたことを特徴とする圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極蛍光ランプの点灯電源等として使用されるのに適した圧電トランスの構造に係るもので、その特性の改善を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
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が電磁型に比較して大きいこと、不燃性で安全面で優れていること、磁気シールドが不要であることが大きな特長である。圧電トランスを利用したインバータは、液晶表示パネル用冷陰極ランプの電源として広く応用されている。
【０００３】
従来用いられている圧電トランスは、長手方向の振動モードを利用するいわゆるローゼン型が主流となっている。このタイプは、負荷状態での昇圧比が低いこと、共振インピーダンスが大きいので高出力を期待といったできない問題がある。一方、長さ方向と幅方向の振動を結合させる面広がり振動モードを利用できれば、ローゼン型よりも電気機械結合係数や動作Ｑが大きいため、大電力、高効率、高昇圧比の圧電トランスを実現できる。
【０００４】
図５に示すような２次面広がり振動を利用する圧電トランスがすでに実現されている。これは長さＬと幅Ｗとの比が約２倍の圧電セラミック板（１）を用いて、その半分の区間の表裏面に駆動用電極（2、3）を、対向する長さ方向の端面に出力電極（４）が形成された構造で。あるこの矩形版の振動は、図５に示すように、驅動側区間の面積が広がった時に他方の発電部（出力部）の面積が縮み、次に駆動部が縮んだ時に発電部が広がるという交互の広がり振動を起こしている。このような交互の広がり振動を斜対称面広がり振動モードと呼ぶ。
【０００５】
斜対称面広がり振動モードの特長から分かるように、駆動部の中央部と出力部の中央部とに２つの振動節点（変位が０である点）があり、駆動部と出力部の間に振動位相を反転する境界線が存在する。しかし、駆動部と出力部の分極方向や電極構造が異なるので、振動位相の反転境界線は直線ではなく、ある程度曲がっていることがＦＥＭ解析から明らかになった。素子の長さＬに対して幅Ｗが大きくなるほどその曲がる度合いも大きくなる。長手方向の振動モードを利用するローゼン型の場合はＬ／Ｗ比が４倍以上であるのに対して、Ｌ／Ｗの比が約２倍の斜対称モードでは境界線の曲がりが顕著になる。駆動部と出力部の境界が直線である従来の斜対称モード圧電トランスにおいては、駆動部電極の一部が僅かに逆位相範囲にはいり、電力損失や温度上昇の原因となる。
【０００６】
【特許文献１】特許第３３４９０４６号公報
【特許文献２】特許第２８５０２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような電極形状に起因する問題を少なくするために、電極構造を最適化し、電気的的特性を向上させるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、振動位相反転境界に合わせて驅動電極を設けることによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、主表面が長方形の圧電セラミック板の長さ方向の一端側の表裏面に入力電極を、反対側の端面に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、入力電極は圧電セラミック板の長さにほぼ半分の長さで形成され、かつ幅方向の中央部が出力電極側に湾曲して突出するように形成されたことに特徴を有するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、斜対称面広がり振動モードを利用する圧電トランスにおいて、振動位相反転境界の位置に合わせて驅動電極を設けるので、電力効率が向上し、発熱を小さく抑えることができる。また、補助電極を設けることによって出力部の分極が容易となり、出力部の長さを任意に調整することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
主表面が長方形の圧電セラミック板の長さ方向の一端側を駆動部として表裏面に入力電極を、反対側を出力部としての端面に出力電極を具えた圧電トランスで、主入力電極が圧電セラミック板の長さにほぼ半分の長さで形成され、かつ幅方向の中央部が出力電極側に湾曲して突出するように形成される。また、主入力電極と主表面において一定の間隔を置いて対向して、主入力電極と逆相で駆動される補助入力電極が形成される。主驅動電極と補助駆動電極は逆相で駆動される。逆相駆動のためには、分極方向を同じにして逆相となるように電源に接続するか、逆方向に分極して同相で駆動するかのいずれかとする。
【実施例】
【００１１】
前述のように、従来の斜対称面広がり振動モードの圧電トランスの駆動部領域が完全に同位相で振動しているとはいえない。つまり、駆動部が膨らむ時に駆動部の一部が縮んでいる領域に入っている。したがってこの部分の電力が損失となる可能性がある。驅動電極を振動位相反転境界に合わせて設ければ電力効率を最適化することができる。
【００１２】
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の斜視図を示す。圧電セラミック基板11の長さ方向の約半分の表裏面に入力驅動電極12、13を設け、反対側の端面に出力電極14を設ける。圧電セラミック基板11は、入力電極の部分が厚み方向に分極されており、出力側発電部は長さ方向に分極されている。入力驅動電極12、13の導体パターンは振動位相反転境界と一致するように形成される。この場合、すべての駆動部（または出力部）領域は同じ位相で振動するので、電力の無駄を最小限に抑えることができる。実際の振動位相反転境界は有限要素法で求めることができる。素子の幅方向中軸線上の各点付近において、長さ方向の変位が最大となる点をつなげば理論的振動位相反転境界線が得られる。
【００１３】
図２は、本発明による圧電トランスの出力電流を一定にした場合の動作周波数範囲においての諸特性の例を示すものである。驅動電極が振動位相反転境界と合わせて曲線となった場合、圧電トランスの効率と発熱特性が従来の電極構造（直線状境界）に比べて改善されていることを示している。
【００１４】
図３は、補助驅動電極を付けた斜対称面広がり振動モードの圧電トランスの斜視図を示す。主表面が長方形の圧電セラミック基板31の長さ方向のほぼ半区間の表裏面に主驅動電極32、33が形成され、主驅動電極と近接する部分に補助驅動電極36、37が形成され、この補助驅動電極の長さをL2とする。反対側の端面に出力電極34が形成されるが、発電部の長さをL3とする。主驅動電極と補助驅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。主驅動電極と補助驅動電極が互いに逆位相振動の領域にあるので、逆位相で驅動することが必要となる。そのために、図３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、入力電極の接続を電極33、36を同じ側に、電極32、37を他の側に接続するようにしてもよい。補助驅動電極を設けることによって出力部の長さが均一になるので分極が容易にできる。また、結合係数などの調整が必要であれば出力部の長さＬ３を調整することもできる。
【００１５】
補助驅動電極を設けても、振動モードは従来の斜対称モード構造と同様である。すなわち、主驅動電極区間Ｌ１の面積が広がった時、補助驅動電極部Ｌ２と出力部Ｌ３の面積が縮み、次に主驅動電極区間が縮んだ時に他方は広がるという交互的な広がり振動を生じている。
【００１６】
図５に示したような従来の斜対称モードは長さＬと幅Ｗの比は約２倍が最適であるが、補助電極を設けると昇圧比に関わる結合係数や、主振動周辺のスプリアスの状態などが大きく変化するので、最適寸法範囲も変更しなければならない。図４は、Ｌ／Ｗ＝1.5の時の圧電トランスの入力部インピーダンス特性の例である。これから分かるように、主振動は低域側にあるスプリアス（ＳＰ1）と高域側にあるスプリアス（ＳＰ２）に挟まれる。素子の長さＬと幅Ｗの比（Ｌ／Ｗ）が小さくなるとＳＰ１が接近してくるが、Ｌ／Ｗが大きくなるとＳＰ２が接近してくる。実験結果より、圧電トランスの動作可能なＬ／Ｗ比の範囲は1.3〜1.7となる。また、出力部の長さＬ３が短すぎる（あるいは補助電極の長さＬ２が長すぎる）と、出力側の機械電気結合係数が小さくて変換効率が悪くなり、発熱がおおきくなるので、Ｌ３の適当な範囲は0.25〜0.45とされる。
【００１７】
補助驅動電極を有する圧電トランスは従来からある。しかし、それは単純な長手方向の2次縦振動モードであるため、素子の幅が非常に狭く、伸縮境界は直線とみてよい。また、単純な縦振動の場合はスプリアスが少なく、Ｌ／Ｗ＝4.5〜7.0の範囲で任意の寸法が可能だが、長さ方向と幅方向の結合振動を利用した本発明による圧電トランスではスプリアスが数多くあり、実用的な寸法の範囲は非常に狭くなる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明による圧電トランスは、電力効率を向上させて発熱を抑えることができ、液晶表示装置等のインバータに最適である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例を示す斜視図
【図２】その特性の説明図
【図３】本発明の他の実施例を示す斜視図
【図４】そのインピーダンス特性の説明図
【図５】従来の圧電トランスを示す斜視図
【符号の説明】
【００２０】
１、11、31：圧電セラミック基板
２．３、12、13：入力（驅動）電極
32、33：主入力（驅動）電極
36、37：補助入力（驅動）電極
４、14、34：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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