(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスもしくは圧電単結晶を用いた複数の圧電トランス素子を備え、前記複数の圧電トランス素子の夫々は、駆動用の入力信号を同時並列に印加するための入力部と、１つの負荷に並列に接続された出力部とを備え、前記複数の圧電トランス素子個々の共振周波数のずれの影響を避けるため、前記圧電トランス素子の駆動は、出力最大の駆動周波数よりも高周波数側にて行われることを特徴とする圧電トランス装置。
【請求項２】
圧電セラミックスもしくは圧電単結晶を用いた複数の圧電トランス素子を備えた圧電トランス装置の駆動方法であって、前記複数の圧電トランス素子の夫々の入力部に駆動用の入力信号を同時並列に印加し、夫々の出力部に１つの負荷を並列に接続するとともに、前記複数の圧電トランス素子個々の共振周波数のずれの影響を避けるため、前記圧電トランス素子の駆動を出力最大の駆動周波数よりも高周波数側にて行うことを特徴とする圧電トランス装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランス装置及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯テレビやノート型パソコンを始め各種携帯電子機器の普及に伴い、電磁式トランスに変わり、機械振動のエネルギーを変換媒体とする圧電トランスの検討がなされている。
【０００３】
一般に、負荷抵抗が数１０ｋΩから数１００ｋΩにもなる液晶バックライトインバータ用としては、図６に示すローゼン型圧電トランス素子５０に代表される昇圧タイプが、またＡＣアダプタやＤＣＤＣコンバータといった負荷が数１０Ω程度の電源用には出力部が複数積層された図７に示すような厚み縦効果型圧電トランス素子６０や図８に示すような縦−縦効果型圧電トランス素子７０、図９に示すような横−横効果型圧電トランス素子８０、あるいは図１０に示すような拡がり振動モード等を用いた圧電トランス素子１０が考案されている。
【０００４】
これらの圧電トランス素子は、電磁トランスと比較してエネルギ一密度が高いことから、同出力の電磁トランスと比較して小型化が期待できるものである。この圧電トランス素子の出力電力Ｐout は、次の数１式の様に質量ｍ、振動速度Ｖの二乗、電気機械結合係数ｋの二乗、駆動周波数ｆの積に、概略比例することが知られている。
【０００５】
【数１】
0004199334.tif 000002
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の圧電トランス素子において、上記数１式によると、トランスを小さくしながら出力電力を維持するため、またトランスを大きくせずに出力電力を増大するためには、ｋ2 ，Ｖ2 ，ｆのいずれかを大きくすればよいことになる。ここで、ｋおよびＶは、材質によって概ね決定され、更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れば、ｆを大きく、即ち、高周波化する必要がある。
【０００７】
一方、圧電トランス素子に限らず、圧電振動子の共振周波数は、概ね寸法に反比例するものであり、例えば、矩形板の長さ振動を用いた場合では、断面形状を変えずに長さ寸法を半分にして駆動周波数を２倍にした場合、上記数１式によれば、ｍが半減してもｆが２倍になるから出力電力は維持されるはずである。
【０００８】
しかしながら、実際には、図１１の曲線６１、６２に示される様に、形状によって振動しやすさが異なり、ｋeff が低下してしまうことから出力電力を維持する事が困難になってくる。
【０００９】
特に、図１０の拡がりモードを用いた圧電トランス素子１０の場合、駆動周波数が直径に反比例することから、同様に２倍の高周波化をはかるために（厚みを変えずに）直径を半分にすると体積が４分の１になってしまう。
【００１０】
また、上記数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、円板状の振動子が急速に円柱状になることから、長さ振動の場合よりもｋeff が低下しやすくなる。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も同様である。
【００１１】
このように高周波化によって、圧電トランスの小型化を図る際には、形状の悪化による振動子特性の低下という問題を検討する必要がある。
【００１２】
そこで、複数の圧電トランス素子の入力部に、単一の電源からの入力信号を印加し、それぞれの出力部を単一の負荷に接続するならば、上記数１式において、質量ｍの増大が図れる上に、個々の圧電トランスは良好な形状のままで良いから、振動子特性の低下という問題を避けることが出来る。これによって高周波化に伴う出力電力の維持あるいは現状周波数のままでの出力電力の増大という課題に対し一定の解決策とすることが出来る。
【００１３】
更に、本発明者らは、検証実験として、並列に駆動する場合の個々の圧電トランス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素子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。その結果、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。
【００１４】
例えば、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１２に示す。図１２においてそれぞれの圧電トランス素子の直列共振周波数の近辺に、効率が大きく低下する領域７１が存在し、出力電力が極端に変動している。これは直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素子の出力インピーダンスが異なるため、より低い側の出力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。
【００１５】
実際の圧電トランス素子の駆動では、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。
【００１６】
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、大きな出力電力の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、圧電トランスの出力インピーダンスが高くなる、出力電力最大付近からより高周波領域で駆動する必要がある。
【００１７】
そこで、本発明の技術的課題は、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な圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明によれば、圧電セラミックスもしくは圧電単結晶を用いた複数の圧電トランス素子を備え、前記複数の圧電トランス素子の夫々は、駆動用の入力信号を同時並列に印加するための入力部と、１つの負荷に並列に接続された出力部とを備え、前記複数の圧電トランス素子個々の共振周波数のずれの影響を避けるため、前記圧電トランス素子の駆動は、出力最大の駆動周波数よりも高周波数側にて行われることを特徴とする圧電トランス装置が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、圧電セラミックスもしくは圧電単結晶を用いた複数の圧電トランス素子を備えた圧電トランス装置の駆動方法であって、前記複数の圧電トランス素子の夫々の入力部に駆動用の入力信号を同時並列に印加し、夫々の出力部に１つの負荷を並列に接続するとともに、前記複数の圧電トランス素子個々の共振周波数のずれの影響を避けるため、前記圧電トランス素子の駆動を出力最大の駆動周波数よりも高周波数側にて行うことを特徴とする圧電トランス装置の駆動方法が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態による圧電トランス装置の結線概略図を、図２は図１の圧電トランス装置の等価回路図を夫々示す。
【００２４】
図１及び図２を参照すると、圧電トランス装置２０は、並列の圧電トランス素子１０，１０´を備えている。圧電トランス素子１０，１０´は、図１０に示されるものと同様の圧電トランス素子である。
【００２５】
一つの圧電トランス素子１０の側面には、１次側端子である入力側端子電極（入力部）１，２、及び２次側端子である出力側端子電極（出力部）３，４が夫々形成されている。また、他の圧電トランス素子１０´の側面にも同様に入力端子電極（入力部）１´，２´及び出力端子電極（出力部）３´，４´が夫々形成されている。即ち、電源５及び負荷８に、圧電トランス素子１０，１０´が並列に接続されている。
【００２６】
具体的には、入力端子電極１，１´はリード線１１を介して夫々電源５の一端６に接続され、入力端子電極２，２´は、リード線１２を介して夫々電源５の他端７及びアース端子に夫々接続されている。
【００２７】
また、出力端子電極３，３´はリード線１３を介して夫々負荷８の一端１７及びアース端子１５´に夫々接続され、出力端子電極４，４´は、リード線１４を介して電源負荷８の他端１６に夫々接続されている。
【００２８】
図２に示すように、圧電トランス素子１０は、等価回路において、入力端子電極１，２間が一次側コイルとなるとともに、これに並列にキャパシタＣｄ１（１．９６ｎ）が挿入され、一次側コイルと入力端子電極１との間に、インダクタンスＬ（８．７７ｍ）、キャパシタンスＣ（０．１４６ｎ）、及び抵抗Ｒ（１３．４）が直列に挿入されており、出力端子電極３、４間が２次側コイルとなるとともに、この２次側コイルにキャパシタＣｄ２（１８．１ｎ）が並列に挿入された構成を示している。
【００２９】
同様に、圧電トランス素子１０は、等価回路において、入力端子電極１´、２´間が一次側コイルとなるとともに、これに並列にキャパシタＣｄ１´（１．９６ｎ）が挿入され、一次側コイルと入力端子電極１´との間にＬ´（８．７７ｍ）、Ｃ´（０．１４６ｎ）、Ｒ´（１３．４）が直列に挿入されており、出力端子電極３´、４´間が２次側コイルとなるとともに、この２次側コイルにキャパシタＣｄ２´（１８．１ｎ）が並列に挿入された構成を示している。
【００３０】
次に、このような構成の本発明の実施の形態による圧電トランス装置の特性を評価した。評価に用いた圧電トランス素子１０，１０´は、図１０に示すような大きさ１３×１３×３ｍｍ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近辺でも正方形板の広がり振動モードが励振される。
【００３１】
尚、本発明においては、圧電トランス素子は、図６から図１０のいずれの振動モードの圧電トランスであっても同様の効果が得られる。
【００３２】
１つの電源で２つの圧電トランス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個の圧電トランス素子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、下記数２式に合わせた負荷抵抗を接続した。
【００３３】
【数２】
0004199334.tif 000003
【００３４】
ここで、上記数２式において、ωは角周波数、Ｃd は、１個の圧電トランス素子の出力側制動容量である。
【００３５】
ここで、図３に、比較例として、並列に接続された圧電トランス素子の１つ１つの単体での出力特性を示す。また、図４に本発明の並列接続の場合の出力特性を示す。さらに、図５には、並列駆動の場合との比較のため、図１０の圧電トランス素子と同一直径で（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５に示す圧電トランス素子１０の２倍にし、外形形状が１３×１３×６ｍｍである圧電トランス素子の場合の出力特性を示してある。ここで、形状の影響による振動子特性の劣化が無ければ、厚さを２倍にしたことで、この圧電トランスの出力電力は２倍になるはずである。
【００３６】
尚、図３の比較例において、圧電トランス素子１０の特性で、曲線３１は、圧電トランス素子１０についての効率ｃａｌ（理論値）、曲線３２は効率ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線３３は出力電力ｃａｌ（理論値）、曲線３４は、出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線３５は、温度変化ΔＴｍｅａｎｓ（実測値）を夫々示している。
【００３７】
また、図４において、圧電トランス装置２０の特性で、曲線４１は、効率ｃａｌ（理論値）、曲線４２は効率ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線４３は出力電力ｃａｌ（理論値）、曲線４４は出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線４５は、温度変化ΔＴｍｅａｎｓ（実測値）を夫々示している。
【００３８】
さらに、図５の比較例において、圧電トランス素子４０の特性であり、曲線５１は効率ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線５２は出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）、曲線５３は、温度変化ΔＴｍｅａｎｓ（実測値）を夫々示している。
【００３９】
図３乃至図５に示すように、温度上昇２５℃での出力電力を定格出力電力と仮定すると、並列に接続した場合、圧電トランス素子単体での定格出力電力は、１２Ｗであるのに対し、並列駆動では、約２倍の出力電力が得られていることが分る。
【００４０】
一方、圧電トランス素子１０について、単純に厚さを２倍にした場合には、定格出力電力は１４Ｗ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る。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、個々の圧電トランス素子は、振動子として振動の容易な形状を維持したまま、総合での出力電力を維持、あるいは増大することが可能となる圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することができる。
【００４２】
また、本発明によれば、個々の圧電トランス素子の共振特性のずれ、ばらつきを考慮し、影響の少ない駆動を行うことが可能な圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することができる。
【００４３】
さらに、本発明によれば、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な圧電トランス装置及びその駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電トランス装置の結線概略図である。
【図２】図１の圧電トランス装置の回路図である。
【図３】圧電トランス素子単体での出力特性を示す図である。
【図４】圧電トランス素子を並列に接続した場合の出力特性を示す図である。
【図５】厚みを２倍にした圧電トランス素子単体での出力特性を示す図である。
【図６】従来技術によるインバータ用圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図７】従来技術による厚み縦振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図８】従来技術による横−横振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図９】従来技術による縦一縦振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図１０】従来技術による拡がり振動モード型圧電トランス素子を示す斜視図である。
【図１１】周波数と形状の関係（拡がり振動と長さ振動の場合）を示す図である。
【図１２】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。
【符号の説明】
１，１´，２，２´    入力端子電極
３，３´，４，４´    出力端子電極
５    駆動電源
８    負荷
１０    圧電トランス素子
１１，１２，１３，１４    リード線
３１，４１    効率ｃａｌ（理論値）
３２，４２，５１    効率ｍｅａｎｓ（実測値）
３３，４３    出力電力ｃａｌ（理論値）
３４，４４，５２      出力電圧ｍｅａｎｓ（実測値）
３５，４５，５３    ΔＴｍｅａｎｓ
５０    インバータ用圧電トランス素子
６０    厚み縦振動モード型圧電トランス素子
７０    縦振動モード型圧電トランス素子
８０    縦一縦振動モード型圧電トランス素子
【図１】
0004199334.tif 000004
【図２】
0004199334.tif 000005
【図３】
0004199334.tif 000006
【図４】
0004199334.tif 000007
【図５】
0004199334.tif 000008
【図６】
0004199334.tif 000009
【図７】
0004199334.tif 000010
【図８】
0004199334.tif 000011
【図９】
0004199334.tif 000012
【図１０】
0004199334.tif 000013
【図１１】
0004199334.tif 000014
【図１２】
0004199334.tif 000015