(57)【要約】【課題】  圧電セラミック基板のサイズや形状によって動かすことのできない上記のスプリアスを電気的な方法で移動させて、圧電トランスの動作信頼性を改善する。【解決手段】  主表面が長方形である圧電セラミック板の長さ方向の中央に表裏面で対向する入力電極、長さ方向の両端の端部に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、  中央の入力電極を主駆動電極として、その両側に表裏面で対向する２組の補助電極となる主駆動電極と逆相で駆動される入力電極を具え、補助電極となる入力電極と出力電極間の圧電セラミック板の主表面の少なくとも一方に、出力電極と平行な導体ストリップを具える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面が長方形である圧電セラミック板の長さ方向の中央に表裏面で対向する入力電極、
長さ方向の両端の端部に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
中央の表裏面に主駆動電極として配置される入力電極と、その両側に表裏面で対向する２組の補助駆動電極として主駆動電極と逆相で駆動される入力電極を具え、
入力電極の部分の圧電セラミック板は厚み方向に分極され、その他の部分が長さ方向に分極され、
補助駆動電極となる入力電極と出力電極間の圧電セラミック板の主表面の少なくとも一方に、出力電極と平行な導体ストリップを具えたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
主表面が長方形である圧電セラミック板の長さ方向の中央に表裏面で対向する入力電極、
長さ方向の両端の端部に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、
中央の入力電極を主駆動電極として、その両側に表裏面で対向する２組の補助駆動電極となる入力電極を具えて主駆動電極と補助駆動電極とが逆相で駆動され、
入力電極の部分の圧電セラミック板は厚み方向に分極され、その他の部分が長さ方向に分極され、
補助駆動電極となる入力電極と出力電極間の圧電セラミック板の主表面に、スプリアス成分の電荷をキャンセルする、出力電極と平行な導体ストリップを具えたことを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
導体ストリップが圧電セラミック基板の主表面の両面に形成された請求項１または請求項２記載の圧電トランス。
【請求項４】
３次面広がり振動で動作する請求項１または請求項２記載の圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
圧電トランスを利用したインバータは冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）用の電源として広く利用されている。図５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の片側半分の表裏面に導体膜を形成して入力電極とする。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、パソコンのデイスプレイなどの大型液晶モニタでは４〜16本の長尺ＣＣＦＬ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。一つの圧電トランスで多数のランプを並列点灯することができればコストを大きく低減できる。
【０００３】
ただ、多灯点灯の場合には解決しなければならない問題がいくつかある。第１に、負荷インピーダンスがかなり低くなることがある。管インピーダンス＝200ｋΩのランプ10本を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。それを整合させるために、低出力インピーダンス（または大きな2次側容量）の圧電トランスが必要となる。次に、大電力化の要求により圧電トランスが大型化するため、その基本波共振周波数は20kHz以下と低くなる。低周波駆動はランプの浮遊容量による漏れ電流を制御するには有利だが、ＣＣＦＬランプの発光効率の低下をもたらすため、周波数は50〜60kHzが最適とされる。
【０００４】
これらの問題に対応するために、発明者は図６に示す長さ方向の振動と幅方向の振動を結合させた面広がり振動の３次モードを利用する圧電トランスを提案した（特願２００３−３１０８７０）。すなわち、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11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、入力電極が形成されない発電部の長さをＬ３とする。主駆動電極12、13と補助駆動電極14〜17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る。主駆動電極と補助駆動電極を逆相で駆動するために、図６で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主駆動電極と補助駆動電極の組合せが12・15・17と13・14・16とになるようにしてもよい。
【０００５】
圧電トランスの主入力電極Ｌ１の面積が広がるとき、その両側の部分（Ｌ２とＬ３）の面積が縮み、逆に主入力電極Ｌ１の面積が縮むとき、その両側の部分（Ｌ２とＬ３）の面積が広がるように、面広がり振動の３次モードが発生する。ここで、補助駆動電極を設けることにより２次容量をさらに大きくすることや、入力電極面積が大きくなるために駆動部の結合係数を大きくできるなどの効果が得られる。上記の構造には、２個の出力部があるので、２次容量が大きく低インピーダンス負荷に対応し易いことや、高次モードから大型にしても50〜60kHz程度の周波数が得られるなどの特長があり、多灯点灯の要求を満足し易くなる。
【０００６】
ただし、長さと幅の結合振動の高次モードを利用する場合、動作周波数範囲において微小スプリアスが発生し易い。そのほとんどは厚み方向でのねじれ振動なので素子の厚みの調整によって容易に移動させることができるが、厚みには依存しないスプリアスもある。図７は圧電トランスの入力端のインピーダンスの代表例を示すものである。そこに残っているスプリアスが面内の複合振動なので厚みで調整することができない。また、その周波数は長さと幅に依存するが、その依存度は主振動とほぼ同じであるため、幅または長さを調整しても主振動に対しての相対位置がほとんど変わらない。したがって、寸法の調整によってこのスプリアスを移動させることは非常に困難である。
【０００７】
図７に示したように、このスプリアスはごく僅かだが、圧電トランスの電気特性への影響は非常に大きい。図８は負荷抵抗＝15kΩ、トータル浮遊容量＝20pF、バラストコンデンサ容量＝180pF、出力電力を30Ｗに固定した場合の電力効率、昇圧比および発熱を示したものである。これから分かるように、動作点がスプリアスに当たると、電力変換効率が10％以上急激に悪化し、異常な発熱が起こる。したがって、このスプリアスを解決できない限り、上記の構造の3次面広がり振動を利用した圧電トランスの実用化ができないことになる。
【特許文献１】特開２００３−１７７７３号公報
【特許文献２】特開２００３−２０４０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、圧電セラミック基板のサイズや形状によって動かすことのできない上記のスプリアスを電気的な方法で移動させて、圧電トランスの動作信頼性を改善するものである。また、それによって圧電トランスの設計の自由度を高めるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、発電部に導体ストリップを付加す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、主表面が長方形である圧電セラミック板の長さ方向の中央に表裏面で対向する入力電極、長さ方向の両端の端部に出力電極を具えた圧電トランスにおいて、中央の入力電極を主駆動電極として、その両側に表裏面で対向する２組の補助電極となる主駆動電極と逆相で駆動される入力電極を具え、補助電極となる入力電極と出力電極間の圧電セラミック板の主表面の少なくとも一方に、出力電極と平行な導体ストリップを具えたことに特徴を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、出力部（発電部）の表裏面に導体ストリップを配置することにより、動作周波数帯域内のスプリアスを低周波域に移動させることができ、異常発熱をなくして変換効率を向上させることができる。これによって信頼性を向上させ、設計の自由度を上げることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明による圧電トランスの構成要素を列挙すると以下のようになる。
（１）圧電セラミック基板：長方形で長さと幅の比が約３：１となっている。
（２）主駆動（入力）電極：長さ方向の中央部の約１／３の部分の表裏面に対向する導体膜で形成される。この部分の圧電セラミック基板は厚み方向に分極される。
（３）補助駆動（入力）電極：主駆動電極の両側に配置されてそれぞれ表裏面で対向する導体膜で形成される。この部分の圧電セラミック基板は厚み方向に分極される。この部分は主駆動電極と逆相で駆動される。
（４）出力電極：圧電セラミック基板の長さ方向の端面または端面に接する表面に導体膜で形成される。
（５）導体ストリップ：補助駆動電極と出力電極の間の圧電セラミック基板の表面に出力電極と平行な導体膜で形成される。少なくとも片面に、好ましくは両面に複数本形成される。
【実施例】
【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。上述のように、問題のスプリアスは寸法上の調整では移動させることができないので、本発明では電気的にスプリアスを移動させる方法を採用した。主振動とスプリアス振動の電位分布の違いからその原理を説明する。帯域内にあるスプリアス振動モードは、図２（Ｂ）に示すように、出力側の中心部とその幅方向の両側に逆符号の電位が発生している。本発明では図１に示すように、出力側表裏面に出力側端部電極19、20とほぼ平行となる方向に伸びる導体のストリップライン18を設ける。これによって、出力側の中心部とその幅方向の両側の電位を強制的に同電位とし、＋と−の電荷の一部がキャンセルされる。その結果、電荷発生が抑制され、スプリアスを低周波数側にシフトさせることができる。その場合、図２（A）に示すように、主振動の等電位線がもともと出力側端部とほぼ平行になっているので、導体ストリップを形成しても主振動への影響はほとんどない。その結果、スプリアスだけを低周波側にシフトさせることが可能となる。
【００１３】
導体ストリップはある程度の線幅を持つので、その分実質の圧電素子の出力側有効長が短くなるため、できる限り線幅を狭く設計することが望ましい。今回のサンプルではストリップの本数＝３、ストリップ幅を0.2mmとして、そのピッチが出力側をほぼ等分割するように設計した。また、圧電セラミック基板が薄い場合には片面のみにストリップを設けてもよいが、素子が厚くなった場合には表裏両面に設ける方がより効果的である。
【００１４】
図３は、負荷抵抗15kΩ、トータル浮遊容量＝20pF、バラスとコンデンサ容量＝180pF、出力電力を30Wに固定した場合の電力効率、昇圧比および発熱の測定結果を示したものである。図８に示した導体ストリップのない場合と比較すると、導体ストリップを設けると従来動作帯域内にあったスプリアスが低周波側に約1.8kHzシフトした。この結果、圧電トランスの動作周波数範囲に異常発熱がなく、安定な動作が得られるので、信頼性を大きく向上させることができる。
【００１５】
図４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ＣＣＦＬ10本を並列に接続したものである。点灯時の輝度アンバランスを防ぐためにランプごとに18pFのバラストコンデンサを接続した。圧電インバータの電源電圧を24Vdc、プッシュ−プル駆動、前置チョークコイルを用いた。このとき、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。
【００１６】
発明者は、上記の電気的にスプリアスを移動させる方法を1次面広がり振動モード圧電トランスに初めて適用した。今回の３次面広がり振動の場合は問題となるスプリアスの電位分布が若干違うので、導体ストリップによるスプリアスの移動効果が１次モードの場合よりも大きい。例えば、周波数約52kHzの1次モードの場合、導体ストリップを設けるとスプリアスが約1kHz移動したが、3次モードの場合には1.8kHzにも達していた。
【００１７】
図１に示した２つの出力電極19、20は圧電セラミック基板の両端の表面に形成することもでき、その場合には入力電極、出力電極、導体ストリップを一括してスクリーン印刷で形成できるので工数の低減もできる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明によって、大型液晶モニタ等に適した効率が高く、信頼性の高い高出力のインバータに適した圧電トランスが実現される。
【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】その振動の状態の説明図
【図３】その特性の説明図
【図４】本発明の他の実施例を示す斜視図
【図５】従来の圧電トランスを示す斜視図
【図６】従来の圧電トランスを示す斜視図
【図７】そのインピーダンス特性の説明図
【図８】その特性の説明図
【符号の説明】
【００２０】
11：圧電セラミック基板
12、13：入力電極（主駆動電極）
14〜17：入力電極（補助駆動電極）
18：導体ストリップ
19、20：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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