(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の圧電振動体に、円板形の実効振動領域を持つように電極を板面に形成すると共に、端子としての対の入力部および対の出力部を側面に形成して構成され、径拡がり１次振動モード特性を有する圧電トランス用素子を複数有し、複数の前記圧電トランス用素子の各入力部同士および各出力部同士は、それぞれ並列接続されており、
前記複数の圧電トランス用素子は、絶縁材からなるホルダを介して厚さ方向に積層されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
前記複数の圧電トランス用素子は、前記実効振動領域の直径の１／２の直径の弾性材を介して積層されている請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】
最大出力が得られる駆動周波数以上の駆動周波数で駆動される請求項１または２に記載の圧電トランス。
【請求項４】
板状の圧電振動体に、円板形の実効振動領域を持つように電極を板面に形成すると共に、端子としての対の入力部および対の出力部を側面に形成して構成され、径拡がり１次振動モード特性を有する圧電トランス用素子を複数用意し、複数の前記圧電トランス用素子の各入力部同士および各出力部同士を、それぞれ並列接続し、
前記複数の圧電トランス用素子を、絶縁材からなるホルダを介して厚さ方向に積層することを特徴とする圧電トランスの使用方法。
【請求項５】
前記複数の圧電トランス用素子を、前記実効振動領域の直径の１／２の直径の弾性材を介して積層する請求項４に記載の圧電トランスの使用方法。
【請求項６】
最大出力が得られる駆動周波数以上の駆動周波数で駆動する請求項４または５に記載の圧電トランスの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランスおよびその使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電トランスは、機械振動のエネルギを変換媒体とするものであり、従来の電磁式トランスよりもエネルギ密度が高いので、同じ出力の電磁式トランスよりも小型化が期待でき、また、低背化しても電磁式トランスのように効率低下することなく高効率である。
【０００３】
このため、圧電トランスは、ノート型パーソナルコンピュータなどの携帯型情報処理装置、携帯型テレビ、あるいは車載型テレビ等、液晶ディスプレイを有し、小型であることが特徴の１つである電子機器の普及に伴い、液晶ディスプレイ用バックライトのインバータ回路等に電磁式トランスに代わって用いられつつある。さらに、圧電トランスは、やはり小型化が要望されているＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源回路にも、電磁式トランスに代わって用いられつつある。
【０００４】
液晶ディスプレイ用バックライトのインバータ回路用トランスとしては、一般に、負荷抵抗が高く（数１０ｋΩから数１００ｋΩ程度）、比較的小さい電流しか流れないため、図１２（ａ）に示すローゼン型の圧電トランス３１０に代表される昇圧タイプの圧電トランスが用いられることが多い。
【０００５】
一方、ＡＣアダプタやＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源回路用トランスとしては、一般に、負荷抵抗が低く（数１０Ω程度）、比較的大きい電流が流れるため、出力部が複数積層された図１２（ｂ）に示す縦効果型の圧電トランス４１０、図１２（ｃ）に示す縦−縦効果型の圧電トランス５１０、または図１２（ｄ）に示す横−横効果型の圧電トランス６１０、あるいは図１２（ｅ）に示す径拡がり１次振動モードの圧電トランス用素子１１を含む圧電トランス７１０が提案もしくは使用されている。
【０００６】
尚、圧電トランス用素子１１は、中心点からほぼ放射状に拡がる板面形（例えば、真円形または多角形）を持つ板状を呈する圧電セラミックスまたは圧電単結晶から成る圧電振動体に所定の電極を形成して構成されており、径拡がり１次振動モードで振動する素子の一例である。そして、本従来例では、圧電トランス用素子１１単体で、圧電トランス７１０が構成されている。１次振動モードで振動する圧電トランス用素子の板面形状は、最も好ましくは真円形であるが、本例では圧電振動体が正方形、電極板が真円形である。尚、圧電振動体の板面が真円形以外の場合でも、振動に関する実効領域は、真円形である。
【０００７】
一般に、圧電トランスの出力電力Ｐoutは、以下の数１式（（１）式）のよう に、質量ｍ、振動速度ｖの二乗、電気機械結合係数ｋの二乗、および駆動周波数ｆの積にほぼ比例することが知られている。
【０００８】
【数１】
0004102504.tif 000002
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
（１）式によると、圧電トランスの小型化と高出力化とを両立するためには、ｋeff2、ｖ2、および駆動周波数ｆのいずれかを大きくすればよいことになる。 ただし、電気機械結合係数ｋeffおよび振動速度ｖは、材質によって概ね決定さ れ、さらに最適条件下で最大に設定されて用いられるものであるから、材料特性を現状のままとするならば、圧電トランスの小型化と高出力化とを両立するためには、駆動周波数ｆを大きくすること、即ち高周波化が必要である。
【００１０】
一方、圧電トランスに限らず、圧電振動体の共振周波数は、寸法に概ね反比例するものである。例えば、矩形板の長さ振動を用いた圧電振動体では、断面形状を変えずに長さ寸法を半分にすることによって駆動周波数ｆを２倍にした場合は、（１）式によれば質量ｍが半減しても駆動周波数ｆが２倍になるから出力電力は維持されるはずである。ところが、実際には、図１３に示すように、形状によって振動し易さが異なり、ｋeffが低下してしまうことから、高い出力電力Ｐoutを維持することが困難である。
【００１１】
特に、図１２（ｅ）の径拡がり１次振動モードを用いた圧電トランス７１０の場合には、駆動周波数ｆが、円板形実効領域の直径に反比例することから、同様に２倍の高周波化を図るために直径を半分にする（ただし、厚みは変えず）と、体積が４分の１になってしまう。（１）式から、厚みを２倍にすれば単純に体積は満足できるが、実際には、圧電振動体の高さ寸法が大きく増加することから、長さ振動の場合よりもｋeffが低下しやすい。これらのことは、大きさを変化さ せずに出力電力を増大する場合でも、同様である。
【００１２】
このように、径拡がり１次振動モードを用いた圧電トランスにおいて、同一の出力を維持しつつ、かつ高周波化によって小型化を図る場合には、形状の悪化による振動体特性の低下という問題を生ずる。
【００１３】
本発明の課題は、出力電力が高く、小型でスペース効率が良い径拡がり１次振動モードの圧電トランスを提供することである。
【００１４】
本発明の他の課題は、出力電力を高め、スペース効率良く径拡がり１次振動モードの圧電トランスを使用する方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、板状の圧電振動体に、円板形の実効振動領域を持つように電極を板面に形成すると共に、端子としての対の入力部および対の出力部を側面に形成して構成され、径拡がり１次振動モード特性を有する圧電トランス用素子を複数有し、複数の前記圧電トランス用素子の各入力部同士および各出力部同士は、それぞれ並列接続されており、前記複数の圧電トランス用素子は、絶縁材からなるホルダを介して厚さ方向に積層されていることを特徴とする圧電トランスが得られる。
【００１６】
本発明において、前記複数の圧電トランス用素子は、前記実効振動領域の直径の１／２の直径の弾性材を介して積層されてもよい。また、本発明の圧電トランスは、最大出力が得られる駆動周波数以上の駆動周波数で駆動されてもよい。
【００１７】
本発明によればまた、板状の圧電振動体に、円板形の実効振動領域を持つように電極を板面に形成すると共に、端子としての対の入力部および対の出力部を側面に形成して構成され、径拡がり１次振動モード特性を有する圧電トランス用素子を複数用意し、複数の前記圧電トランス用素子の各入力部同士および各出力部同士を、それぞれ並列接続し、前記複数の圧電トランス用素子を、絶縁材からなるホルダを介して厚さ方向に積層することを特徴とする圧電トランスの使用方法が得られる。
【００１８】
本発明において、前記複数の圧電トランス用素子は、前記実効振動領域の直径の１／２の直径の弾性材を介して積層してもよい。また、本発明の圧電トランスの使用方法は、最大出力が得られる駆動周波数以上の駆動周波数で駆動してもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による圧電トランスおよびその使用方法を説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
図１を参照して、本発明の実施の形態１による圧電トランス１１０では、それぞれ径拡がり１次振動モードを用いた２つの圧電トランス用素子１１の各入力部に単一の電源からの入力信号を印加すると共に、それぞれの出力部を単一の負荷に接続している。これにより、前述の（１）式における質量ｍの増大に加え、個々の圧電トランス用素子自体は前述のごとく良好な形状であるから、振動体特性の低下という問題を避けることができる。
【００２１】
さらに、並列に駆動する場合の個々の圧電トランス用素子の共振周波数のばらつきを検討してみた。即ち、図２の回路図において圧電トランスを構成するそれぞれの回路素子に対してばらつきを考慮して解析を行ったものである。この結果、圧電トランスの直列共振即ち、Ｌ、Ｃのばらつきが出力特性に大きく影響することが判明した。
【００２２】
図２においてＬ、Ｃにそれぞれ２％のばらつきを考慮して出力電力、効率を計算した結果を図６に示す。図６において、それぞれの圧電トランスの直列共振周波数近辺に、効率が大きく低下する領域が存在し、出力電力が極端に変動している。これは底列共振周波数の僅かなばらつきによって、負荷からみた個々の圧電トランス用素子の出カインピーダンスが異なるため、より低い側の出カインピーダンスの影響を受け、出力の極端な変動が生じるものと考えられる。
【００２３】
実際の圧電トランスの駆動では、このような効率の低下は極端な温度上昇となることが予想されることから、この領域で駆動することは好ましくない。
【００２４】
一方、出力電力のピークよりも高周波側においては、個々の圧電トランス用素子の出力インピーダンスは同様に異なっていると考えられるが、この領域ではインピーダンスが最大になる並列共振の近辺であることから高インピーダンス領域となるために、出力電力の大きな変動がみられなくなるものと考えられる。即ち、並列駆動の場合には、個々の圧電トランス用素子の共振周波数のばらつきを避けるため、圧電トランスの出カインピーダンスが高い領域、即ち、出力電力最大付近およびこれよりも高周波領域で駆動することが好ましい。
【００２５】
圧電トランス１１０では、２つの圧電トランス用素子１１が横に並べて配置されている。圧電トランス用素子１１は、図１２（ｅ）に示した大きさ１３．０×１３．０×４．５ｍｍの正方形板形状のものである。内部は厚み方向に複数の電極が積層された構造であり、１４０ＫＨｚ近辺で正方形板の径拡がり１次振動モードが励振される。
【００２６】
１つの電源で２つの圧電トランス用素子を駆動するために入力信号は並列にそれぞれの圧電トランスに印加される。また負荷としては２個の圧電トランスの出力側の制動容量が負荷からみれば並列に接続されることから、最も効率よく出力を伝達するために、以下の数２式（（２）式）に合わせた負荷抵抗を接続した。
【００２７】
【数２】
0004102504.tif 000003
【００２８】
尚、（２）式中、ωは角周波数、Ｃd2は１個の圧電トランスの出力側制動容量である。図３に、圧電トランス用素子１１単体での出力特性を示す。温度上昇約２５℃での出力電力は２０Ｗである。また、図４に圧電トランス１１０の出力特性を示す。出力４０Ｗでの温度上昇量は約２８℃であった。並列に接続した場合、約２倍の出力電力が得られていることが示されている。
【００２９】
比較例として、図５には、図１２（ｅ）の圧電トランスと同一直径で（即ち同一の共振周波数）ありながら単体で２倍の出力電力を得ることを目的とし、単純に厚さを図１２（ｅ）の圧電トランスの２倍、外形形状が１３．０×１３．０×９．０ｍｍである圧電トランスの出力特性を示す。形状の影響による振動体特性の劣化が無ければ、厚さを２倍にしたことで出力電力は２倍になるはずであるが、定格出力電力は２８Ｗ程度に過ぎず、形状の影響が出力電力の増大に悪影響を与えていることが分かる。
【００３０】
圧電トランス１１０は、具体的には、図７（ａ）に示すように、ＡＣアダプタの回路基板等（図示せず）の上に、圧電トランス１１０ａとして実装される。圧電トランス１１０ａは、樹脂等の絶縁材からなる取付用ホルダ１２にそれぞれ嵌めこまれた２つの圧電トランス用素子１１を有し、回路基板等の上に並列に実装される。また、図示はしないが、２つの圧電トランス用素子１１の各入力部同士および各出力部同士は、それぞれ並列接続されている。
【００３１】
［実施の形態２］
図７（ｂ）を参照して、本発明の実施の形態２による圧電トランス１１０ｂは、ＡＣアダプタの回路基板等（図示せず）の上に実装される。圧電トランス１１０ｂは、樹脂等の絶縁材からなる取付用ホルダ１２にそれぞれ嵌めこまれた２つの圧電トランス用素子１１を有し、回路基板等の上に積層して実装される。また、図示はしないが、２つの圧電トランス用素子１１の各入力部同士および各出力部同士は、それぞれ並列接続されている。即ち、電気回路的には、実施の形態１（図２）と同じである。
【００３２】
尚、取付用ホルダ１２と圧電トランス用素子１１の接触面は大きすぎると振動を阻害し、Ｑｍの低下を引き起こし、最終的に効率の低下をもたらすことから、可及的小さくしている。
【００３３】
このように構成することで、圧電トランス１１０ｂは、実施の形態１による圧電トランス１１０ａと同等の特性でありながら、圧電トランス１１０ａよりも小さい占有面積である。
【００３４】
尚、圧電トランス用素子１１は比較的薄型（例えば、取付用ホルダ１２を除いた厚さは、４．５ｍｍ）であるため、圧電トランス用素子１１が積層された圧電トランス１１０ｂも、実際上、薄型であるといえる。
【００３５】
圧電トランス１１０ｂの出力特性を図９に示す。図９において、４０Ｗ出力時の温度上昇量は約４０℃と大きいが、これは、下側のトランスの温度上昇分が上側のトランスの温度上昇量に重畳しているためであると考えられる。
【００３６】
［実施の形態３］
図７（ｃ）を参照して、本発明の実施の形態３による圧電トランス１１０ｃは、ＡＣアダプタの回路基板等（図示せず）の上に実装される。圧電トランス１１０ｃは、２つの圧電トランス用素子１１を図示しない弾性材としてのシリコンゴムシート（あるいは弾性を持つ両面テープ等であってもよい）を介して積層し、さらに当該積層体を取付ホルダ１３内に収容して実装される。また、図示はしないが、２つの圧電トランス用素子１１の各入力部同士および各出力部同士は、それぞれ並列接続されている。即ち、電気回路的には、実施の形態１（図２）と同じである。
【００３７】
このように構成することで、圧電トランス１１０ｃは、実施の形態１による圧電トランス１１０ａと同等の特性でありながら、圧電トランス１１０ａよりも小さい占有面積である。
【００３８】
弾性材について、効率および温度上昇量と実装上の安定度の兼ね合いから、シリコンゴムの接着半径は、板面が正方形の圧電トランス用素子１１の内接円（実効振動領域）半径の１／２以内の全域とすることが好ましい。それよりも小さい面積では、効率は同等以上でも実装上の安定度がやや劣る。一方、内接円半径の中心から１／２を超えて大面積であると、効率は大きく低下する。
【００３９】
［実施の形態４］
図１０を参照して、本発明の実施の形態４による圧電トランス１１０ｄは、ＡＣアダプタの回路基板等（図示せず）の上に実装される。圧電トランス１１０ｄは、２つの圧電トランス用素子１１を各板面を実装面（回路基板等の板面）に対して直立姿勢で実装される。２つの圧電トランス用素子１１の各入力部同士および各出力部同士は、それぞれ並列接続されている。即ち、電気回路的には、実施の形態１（図２）と同じである。
【００４０】
このように構成することで、圧電トランス１１０ｄは、実施の形態１による圧電トランス１１０ａと同等の特性でありながら、圧電トランス１１０ｄよりも小さい占有面積である。
【００４１】
図１１に圧電トランス１１０ｄの出力特性を示す。出力４０Ｗでの温度上昇量をみると、約２０℃以下となっており、本発明の実施の形態１〜４中で最も温度上昇量が低くい。これは、正方形拡がり振動トランスにおいて最も専有面積の大きな対の板面が両面とも露出する（単純に横置きだけでは１面のみ）ことによって放熱が促進されたものと考えられる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明による圧電トランスは、円板形の実効振動領域を持つ板状の圧電振動体に所定の電極を形成して構成され径拡がり１次振動モード特性を有する圧電トランス用素子を複数有し、複数の圧電トランス用素子の各入力部同士および各出力部同士は、それぞれ並列接続されているため、出力電力が高く、小型でスペース効率が良い。
【００４３】
本発明による圧電トランスの使用方法によれば、圧電振動体の形状の影響を避け、同一の駆動周波数であればより大出力の獲得、高周波化で小型化を図る際には必要な出力電力を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による圧電トランスを概念的に示す図である。
【図２】図１に示す圧電トランスの等価電気回路図である。
【図３】圧電トランス用素子単体での出力特性を示す図である。
【図４】図１に示す圧電トランスの出力特性を示す図である。
【図５】比較例として厚みを２倍にした圧電トランスの出力特性を示す図である。
【図６】出力電力、効率に対する共振周波数のばらつきの影響を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）はそれぞれ、本発明の実施の形態１、２、および３による圧電トランスの要部を示す斜視図である。
【図８】図７（ｃ）に示す圧電トランスにて使用するシリコンゴムのサイズと効率との関係を示す図である。
【図９】図７（ｂ）に示す圧電トランスの出力特性を示す図である
【図１０】本発明の実施の形態４による圧電トランスを概念的に示す図である。
【図１１】図１０に示す圧電トランスの出力特性を示す図である
【図１２】（ａ）〜（ｅ）は、従来の各種圧電トランスを示す斜視図である。
【図１３】周波数と圧電振動体の形状との関係（拡がり振動、長さ振動の各場合）を示す図である。
【図１】
0004102504.tif 000004
【図２】
0004102504.tif 000005
【図３】
0004102504.tif 000006
【図４】
0004102504.tif 000007
【図５】
0004102504.tif 000008
【図６】
0004102504.tif 000009
【図７】
0004102504.tif 000010
【図８】
0004102504.tif 000011
【図９】
0004102504.tif 000012
【図１０】
0004102504.tif 000013
【図１１】
0004102504.tif 000014
【図１２】
0004102504.tif 000015
【図１３】
0004102504.tif 000016