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発明の名称 コンバータ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−162689
公開日 平成8年(1996)6月21日
出願番号 特願平6−298715
出願日 平成6年(1994)12月1日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 美次郎
発明者 ラトール アメール / 森 輝夫
要約 目的
数ボルト以下のバッテリから数百ボルト以上の高い電圧を作り出すことのできる小型、かつ、薄型で、構成の簡単な新規なコンバータを提供する。

構成
コイル1と、磁歪素子2と、圧電素子3とを含む。コイル1は磁歪素子2の周りに巻回されている。磁歪素子2及び圧電素子3は、コイル1の巻き軸方向でみたそれぞれの一端が互いに突き合わされ、かつ、それぞれの他端が拘束されている。
特許請求の範囲
【請求項1】 コイルと、磁歪素子と、圧電素子とを含むコンバータであって、前記コイルは、前記磁歪素子の周りに巻回されており、前記磁歪素子及び前記圧電素子は、前記コイルの巻き軸方向でみたそれぞれの一端が互いに突き合わされ、かつ、それぞれの他端が拘束されているコンバータ。
【請求項2】 請求項1に記載のコンバータであって、前記コイルは、交流電力が供給され、それによって交番磁界を発生し、前記磁歪素子は、前記コイルに発生した前記交番磁界が印加され、それによって伸縮し、前記圧電素子は、前記磁歪素子の伸縮を受けて電圧を発生するコンバータ。
【請求項3】 請求項1に記載のコンバータであって、前記圧電素子は、外部から交流電力が供給され、それによって伸縮し、前記磁歪素子は、前記圧電素子の伸縮を受けて伸縮し、前記コイルは、前記磁歪素子の伸縮に応じた電圧を発生するコンバータ。
【請求項4】 請求項1乃至請求項3に記載のコンバータであって、磁気バイアス手段を含み、前記磁気バイアス手段が前記磁歪素子に対して磁気バイアスを印加するコンバータ。
【請求項5】 請求項1乃至請求項3に記載のコンバータであって、加圧調整手段を含み、前記加圧調整手段が前記磁歪素子を伸縮方向から加圧するコンバータ。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、コンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、液晶ディスプレイの普及にみられる如く、数ボルトの携帯用バッテリから、数百ボルトの電圧を発生するコンバータが必要とされてきた。液晶ディスプレイ用照明電源を得る場合、従来は、巻線型トランスを含むDCーDCコンバータを用い、バッテリから供給される数ボルトの電圧を数百ボルトまで昇圧していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】液晶ディスプレイは、例えば、ノートブックパソコン、ラップトップパソコン等の携帯性の要求される高密度実装機器に用いられるものであるから、それに用いられる電源装置は、小型、かつ、薄型でなければならない。ところが、従来の液晶ディスプレイ用照明電源を構成する巻線型トランスは、要求される高い出力電圧を発生させるのに、数百ターンの巻数が必要とされるため、小型、かつ、薄型の要求に応えることが困難であった。巻線型トランスに代わって、最近、圧電トランスを用いた液晶ディスプレイ用照明電源が提案されている。圧電トランスの先行技術文献としては、特開昭56ー101790号公報がある。しかし、圧電トランスは、共振周波数域で使われるため、周囲温度などで共振点がずれないようにコントロールする回数が必要とされる。このため、従来は、小型、かつ、薄型で、構成の簡単な液晶ディスプレイ用照明電源を得ることができなかった。
【0004】本発明の課題は、新規なコンバータを提供することである。
【0005】本発明のもう一つの課題は、数ボルト以下のバッテリから数百ボルト以上の高い電圧を作り出すことのできるコンバータを提供することである。
【0006】本発明の更にもう一つの課題は、小型、かつ、薄型のコンバータを提供することである。
【0007】本発明の更にもう一つの課題は、構成の簡単なコンバータを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上述した課題解決のため、本発明に係るコンバータは、コイルと、磁歪素子と、圧電素子とを含む。前記コイルは、前記磁歪素子の周りに巻回されている。前記磁歪素子及び前記圧電素子は、前記コイルの巻き軸方向でみたそれぞれの一端が互いに突き合わされ、かつ、それぞれの他端が拘束されている。
【0009】本発明に係るコンバータは、前記コイルは、交流電力が供給され、それによって交番磁界を発生する。前記磁歪素子は、前記コイルに発生した前記交番磁界が印加され、それによって伸縮する。前記圧電素子は、前記磁歪素子の伸縮を受けて電圧を発生する。
【0010】別の用途では、前記圧電素子は、外部から交流電力が供給され、それによって伸縮する。前記磁歪素子は、前記圧電素子の伸縮を受けて伸縮する。前記コイルは、前記磁歪素子の伸縮に応じた電圧を発生する。
【0011】好ましくは、磁気バイアス手段を含み、前記磁気バイアス手段が前記磁歪素子に対して磁気バイアスを印加する。。
【0012】別の好ましい例では、加圧調整手段を含み、前記加圧調整手段が前記磁歪素子を伸縮方向から加圧する。
【0013】
【作用】コイルは、磁歪素子の周りに巻回されており、磁歪素子及び圧電素子は、コイルの巻き軸方向でみたそれぞれの一端が互いに突き合わされ、かつ、それぞれの他端が拘束されている。この構造により、コイルに入力された交流電力を圧電素子から取り出し、または、圧電素子に入力された交流電力をコイルから取り出す新規なコンバータを実現することができる。
【0014】コイルに入力された交流電力を圧電素子から取り出す場合、コイルを励磁して、交番磁界を発生させ、この交番磁界を磁歪素子に印加し、交番磁界の変化に応じて磁歪素子を伸縮させる。コイルがサイン波電流で励磁される一般的場合、交番磁界もサイン波となるので、磁歪素子の寸法はサイン波的に伸縮する。
【0015】圧電素子は、磁歪素子の伸縮を受けて電圧を発生するように、磁歪素子と結合され、電圧を出力電圧として出力する。これにより、コイルに供給された入力電力が、圧電素子の出力電圧に変換されて取り出される。本発明では、交番磁界に対する磁歪素子の発生磁歪を圧電素子への応力としているため、圧電素子の出力電圧は、一般にはサイン波となる。これにより、交流電源Eから供給される1.5V程度の入力電圧を数百ボルトの電圧に変換して、圧電素子3から出力することができる。
【0016】機械/電気エネルギー変換器としての圧電素子はバイアス電源を一切必要とせず、取り扱いも容易である。このため、回路構成が簡単で、取り扱いの容易なコンバータを実現できる。
【0017】また、従来の巻線型トランスは、1.5V程度の交流電源を用いて、数百ボルト以上の高い出力電圧を発生させるために、数百ターンの巻数が必要とされていた。また、最近開発された圧電トランスは共振周波数域で使われるため、周囲温度などで共振点がずれないようにコントロール回路が必要とされていた。これに対して、本発明に係るコンバータは、従来のような巻数が必要でないことは勿論のこと、コントロール回路等も不要である。このため、小型、かつ、薄型で、構造のシンプルなコンバータを実現できる。
【0018】次に、圧電素子に入力された交流電力をコイルから取り出す場合、圧電素子に、外部から交流電力が供給される。それによって圧電素子が伸縮する。前記磁歪素子は、前記圧電素子の伸縮を受けて伸縮し、磁歪素子の伸縮に応じてコイルに電圧が発生する。このようなコンバータの用途は例えばセンサである。
【0019】磁歪素子は、外部磁界と磁歪の関係が非線形であり、かつ、ヒステリシス特性を有する。しかし、ある限られた磁界範囲での変位は比較的リニアな変化を示す。磁歪素子のこの特性を利用するため、本発明の好ましい例では、磁歪素子に直流バイアス磁場をかける。これにより、磁歪素子が比較的リニアな特性領域で動作するようになる。直流バイアス磁場をかける方法としては、マグネットによる方法、コイルによる直流重畳方法があるが、後者の方法は定常的な通電により発熱を伴う。これに対して、マグネットによる直流バイアス方法は発熱の問題を生じない。従って、マグネットによる直流バイアス方法を用いることが望ましい。
【0020】磁歪素子は、プレストレスを加えることにより大きな伸びが得られ、それによって圧電素子の応力が増大し、高い出力電圧が得られる。従って、本発明の更に好ましい例では、加圧調整手段を含み、加圧調整手段により、磁歪素子を伸縮方向から加圧する。プレストレスの好ましい値は40kgf/cm2前後である。
【0021】
【実施例】図1は本発明に係るコンバータの構成を示す図である。本発明に係るコンバータは、コイル1と、磁歪素子2と、圧電素子3とを含む。コイル1は、コイル端末101、102を接続した交流電源Eから入力電力が供給され、それによって交番磁界を発生する。磁歪素子2はコイル1に発生した交番磁界が印加され、それによって伸縮する。
【0022】磁歪とは、磁歪素子2が外部から磁界を受けた時、図2に示すように、その寸法Lが寸法(L±△L)に変化する現象である。このような磁歪現象の原理はよく知られている。即ち、外部磁界がない場合、磁歪素子2は内部の電磁気的な平衡下における磁気モーメントにより、特定方向に歪んでいる。この平衡状態にある磁歪素子2に外部磁界が加わると、新たな電磁気的平衡点に移動する。その際、磁気モーメントの方向も変わるために、ある方向では伸び、ある方向では縮む磁歪現象を生じる。
【0023】圧電素子3は磁歪素子2の伸縮を受けて電圧を発生するように、磁歪素子2と結合され、発生した電圧を出力電圧V0として出力する。圧電素子3は矢印P0の方向(または逆方向)に分極されており、圧電素体30の分極方向P0の両端に電極31、32が焼き付けられている。圧電素子3の電極31、32には電極プレート51、52が接続されており、電極プレート51、52にはリード線61、62が接続されている。磁歪素子2及び圧電素子3は、それぞれの一端が互いに突き合わされ、かつ、他端が、固定手段41、42によって押さえられている。コイル1は、磁歪素子2の周りに巻回されている。交流電源Eとしては、数百Hz〜数千Hz、または、それ以上の周波数の交流を発生する発振器が利用できる。
【0024】上記の構成において、コイル1が交流電源Eから供給される入力電力によって励磁され、交番磁界を発生させる。この交番磁界は磁歪素子2に印加され、交番磁界の変化に応じて、磁歪素子2が伸縮する。コイル1がサイン波電流で励磁される一般的場合は、交番磁界もサイン波となるので、磁歪素子2の寸法はサイン波的に伸縮する。
【0025】圧電素子3は、磁歪素子2の伸縮を受けて電圧を発生するように、磁歪素子2と結合され、それによって出力電圧V0を出力する。これにより、コイル1に供給された入力電力が、圧電素子3の出力電圧V0に変換されて取り出される。一般的な使用態様では、交番磁界によって発生する磁歪素子2の磁歪を圧電素子3への応力とすることになるため、圧電素子3の出力電圧V0は、サイン波となる。これにより、交流電源Eから供給される1.5V程度の入力電圧を数百ボルトのサイン波状電圧に変換して、圧電素子3から出力することができる。
【0026】機械/電気エネルギー変換器としての圧電素子3はバイアス電源を一切必要とせず、取り扱いも容易である。このため、回路構成が簡単で、取り扱いの容易なコンバータを実現できる。
【0027】また、従来のコンバータは、1.5V程度の交流電源Eを用いて、数百ボルト以上の高い出力電圧を発生させるために数百ターンの巻数が必要とされていた。また、最近開発された圧電トランスは共振周波数域で使われるため、周囲温度などで共振点がずれないようにコントロール回路が必要とされていた。これに対して、本発明に係るコンバータは、従来の巻線型トランスほどの巻数が必要でないことは勿論のこと、コントロール回路等も不要である。このため、小型、かつ、薄型で、構造のシンプルなコンバータを実現できる。因に、厚さが3mmと非常に薄いコンバータを得ることができた。
【0028】本発明に係るコンバータは、好ましくは、磁気バイアス手段7を含む。磁気バイアス手段7は磁歪素子2に対して磁気バイアスを印加する。 図示の磁気バイアス手段7は、ヨーク71〜74と、マグネット75、76とを含む。マグネット75、76は、少なくとも2つ備えられており、それぞれが磁歪素子2に対して同一方向の磁気バイアスを印加するように方向付けられて、ヨーク71〜74と結合されている。磁歪素子2及び圧電素子3はヨーク74を間に挟んで連結されている。ヨーク72、73の各他端間と、ヨーク74の両端の間に、微小な間隔があるので、磁歪素子2に発生した磁歪がヨーク74を介して圧電素子3に確実に伝達される。
【0029】ヨーク71〜74は、磁気回路抵抗が小さく、かつ、磁歪素子2に対して均質な磁界を印加し得る配置にすることが望ましい。そのような具体的手段として、ヨーク71をU状にして磁歪素子2の端部を受けると共に、U状ヨーク71の両端にマグネット75、76の各一端を密着させ、マグネット75、76の各他端にヨーク72、73の各一端を密着させ、更に、ヨーク72、73の各他端間に、微小な間隔を隔てて、ヨーク74を配置した構造となっている。ヨーク72、73の各他端間と、ヨーク74の両端の間には、間隔が発生するが、この間隔を小さくすることにより、磁気抵抗を小さくし、磁気効率を向上させることができる。
【0030】磁歪素子2は、図3に示すように、外部磁界と磁歪による伸び率との関係が非線形であり、かつ、ヒステリシス的な特性を有するが、ある限られた磁界範囲では、比較的リニアな磁歪特性を示す。そこで、図4に示すように、磁歪素子2に直流バイアス磁場△Hbをかけ、磁歪素子2がリニアな磁歪特性領域で動作するように設定する。直流バイアス磁場をかける方法としては、マグネットによる方法、コイルによる直流重畳方法があるが、後者の方法は定常的な通電により発熱を伴う。実施例では、このような発熱動作を回避して、直流バイアス磁場△Hbをかけるため、マグネット75、76を用いている。
【0031】磁歪素子2は、プレストレス(prestress)を加えることにより大きな伸びが得られ、それによって圧電素子3の応力が増大し、高い出力電圧V0が得られる。プレストレスの好ましい値は40kgf/cm2前後である。プレストレスは、図1の固定手段41または42により、磁歪素子2及び圧電素子3の組立体に矢印F1で示す方向の力を加えることによって得ることができる。
【0032】磁歪素子2の構成材料としては、超磁歪材料が適している。この超磁歪材料の応答速度は106secと高速であり、固有抵抗は104Ωcm と金属としては高く、1mm角の形状では、100kHzまで低損失で使用できる。磁歪素子2を構成する磁歪材料は例えば米国特許第4,308,474号明細書に開示されている。
【0033】図5はコンバータの斜視図、図6は図5のA6ーA6線上における断面図である。コイル1は、磁歪素子2の周りに巻回されている。これにより、磁歪素子2の長さ方向に磁界が印加される。具体的な例では、コイル1は224ターンで、厚さは3mmと薄くできる。磁歪素子2はTbーDyーFe合金で構成される。
【0034】圧電素子3はBaTiO3を主成分とする圧電材料で構成されている。圧電素子3は、高電圧を発生させるために、g定数とd定数は高いものが適している。実施例において、圧電素子3の圧電素体30は図において縦方向P0に分極(図6参照)されており、分極方向P0の両端に電極31、32が焼き付けられている。圧電素子3の電極31、32には、外部に電力を取り出すリード線61、62を接続した電極プレート51、52が密着されている。
【0035】磁気バイアス手段7は、ヨーク71〜74と、マグネット75、76とを含む。マグネット75、76は、少なくとも2つ備えられており、それぞれが磁歪素子2に対して同一方向の磁気バイアスを印加するように方向付けられて、ヨーク71〜74と結合されている。ヨーク71〜74は、磁気回路抵抗が小さく、かつ、磁歪素子2に対して均質な磁界を印加し得る配置にすることが望ましい。そのような具体的手段として、ヨーク71をU状にして磁歪素子2の端部を受けると共に、U状ヨーク71の両端にマグネット75、76の各一端を密着させ、マグネット75、76の各他端にヨーク72、73の各一端を密着させ、更に、ヨーク72、73の各他端間に、微小な間隔g1、g2を隔てて、ヨーク74を配置した構造となっている。
【0036】圧電素子3の両面には、電気絶縁プラスチック等でなるスペーサ81、82が配置されている。
【0037】コイル1、磁歪素子2、圧電素子3、電極プレート51、52、ヨーク71〜74及びマグネット75、76の組立体は、固定手段となるハウジング41の内部に配置され、もう一つの固定手段である蓋42によって押さえられている。ハウジング41及び蓋42は金属材料によって構成できる。蓋42はねじ等の結合具43によってハウジング41に取り付けられている。電極プレート51とヨーク74との間、及び、電極プレート52と蓋42との間には、テフロン等の電気絶縁シート53、54が挟み込まれている。
【0038】蓋42をハウジング41に固定する結合具43の締め付け力により、磁歪素子2は、圧電素子3とともに、40kgf/cm2で直接的に圧縮されている。 磁歪素子2は、図7に示すように、20〜60kgf/cm2のプレストレスを加えることにより大きな伸びが得られる。そこで、この実施例では、好ましいプレストレス値として、40kgf/cm2を選択した。
【0039】次に、プレストレスを40kgf/cm2に設定した場合について、圧電素子3から100Vp−pの出力電圧V0を得るのに必要な磁歪素子2の変位を求める。
【0040】圧電素子3に応力Tを加える(又ははずす)場合の発生電圧Vを考えると次式のようになる。
【0041】V=Lp・g33・T/Apここでg33は出力電圧係数で、この電圧は圧電素子3の内部抵抗及び出力端子の絶縁抵抗により自己放電し自然に消滅する。Lpは圧電素子3の長さ、Apは電極31、32の断面積である。Vの目標値は100Vppとした。そのため応力Tは0.35Nにしなければならない。圧電素子3のヤング率をYpとすると、圧電素子3のスティフィネスKpは次式で表される。
【0042】Kp=Yp・Ap/Lp (1)
また、磁歪素子2のスティフネスKmは、その長さをLm、断面積をAm、ヤング率をYmとして、次式で表される。
【0043】Km=Ym・Am/Lm (2)
圧電素子3と磁歪素子2とをハウジング41及び蓋42で固定する場合、バネ定数の増加の影響をうけるものと考えられる。そのため固定後の磁歪素子2の変位Xは次式のようになる。
【0044】
X=△Lm/(Lm+Kp/km) (3)
ここで、△Lmは40kgf/cm2における磁歪素子2の変位を示す。(1)、(2)、(3)式より、変位Xは0.45μmとなる。磁歪素子2の発生力Fは次式で表される。
【0045】
F=Ym・Am・△Lm/Lm (4)
このとき、発生力Fは0.9Nとなる。圧電素子3の発生電圧に必要な力Tは0.35Nであるので、100Vpp以上の電圧が期待できる。
【0046】図8はプレストレスー出力電圧特性を示している。図示するように、20〜60kgf/cm2のプレストレスを加えることにより大きな出力電圧が得られる。特に、40kgf/cm2前後のプレストレスを加える時、出力電圧が最大となる。
【0047】図9は、コンバータの周波数ー出力電圧特性を示す。磁歪素子2への印加磁界は一定とし、プレストレスは40kgf/cm2の条件で測定した。周波数が高くなると圧電素子3のインピーダンスが下がるので出力電圧は増加する。測定値は100Vpp以上であった。
【0048】圧電素子3に入力された交流電力をコイル1から取り出す場合は、圧電素子3に、外部から交流電力が供給される。それによって圧電素子3が伸縮する。磁歪素子2は、圧電素子3の伸縮を受けて伸縮し、磁歪素子2の伸縮に応じてコイル1に電圧が発生する。
【0049】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
(a)新規なコンバータを提供することができる。
(b)数ボルト以下のバッテリから数百ボルト以上の高い電圧を作り出し得るコンバータを提供することができる。
(c)小型、かつ、薄型のコンバータを提供することができる。
(d)構成の簡単なコンバータを提供することができる。




 

 


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