JP2000216450A - 圧電トランスの駆動方法及びこの駆動方法を用いた圧電トランス電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の圧電トランスを用いた電力変換装置で
は、共振点又は反共振点に駆動周波数を設定するもので
あるが、電力変換効率を最大とするものではなかった。 【解決手段】 圧電トランスの駆動周波数を圧電トラン
ス３１の共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａの間に、よ
り好ましくは共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａの中間
周波数（ｆｒ+ｆａ）／２に設定することにより、電力
変換装置の電力変換効率を最大とすることができる。こ
の際、駆動周波数制御手段３５において、アドミタンス
｜Ｙ｜の位相φが最小となる最小位相周波数ｆ３に駆動
周波数を追尾させることにより、駆動周波数を共振周波
数ｆｒと反共振周波数ｆａの中間周波数（ｆｒ+ｆａ）
／２に設定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電トランスを用
いた電力変換装置に係わり、特に電力変換効率を高効率
とする圧電トランス駆動方法及びこの駆動方法を用いた
電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電トランスを用いた電力変換装
置としては、例えば特許第２７６７７３０号掲載公報や
特開平９−２３７６８４号公報などに記載されたものが
ある。前記特許第２７６７７３０号掲載公報には、「セ
ラミックトランスを用いた冷陰極管の駆動方式」に関す
る発明が記載されている。この圧電トランス駆動装置
は、点灯の前後において負荷インピーダンスが変動する
冷陰極管に対し、発振周波数を制御してセラミックトラ
ンスの昇圧比を高く設定することにより、冷陰極管の点
灯及び調光を行なうというものである。

【０００３】一方、特開平９−２３７６８４号公報に記
載のものは、基本的に圧電トランスの駆動周波数を圧電
トランスの共振周波数に追従させるものである。点灯の
前後において冷陰極管の負荷インピーダンスの変化に伴
って前記共振周波数が変動するが、圧電トランスの入力
電圧信号と出力電圧信号との位相差を検出し、この位相
差を所定の値（９０°）になるように制御することによ
り、変動後の共振周波数に前記圧電トランスの駆動周波
数を追従させるというものである。また入力電圧の変動
に対しては、冷陰極管電流の変化に応じて駆動周波数を
圧電トランスの共振周波数からずらすことによって、冷
陰極管に印加する電圧を調整して冷陰極管電流を一定に
することにより、冷陰極管の輝度を一定に維持するとい
うものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記特許第２７６７７
３０号掲載公報に記載の発明は、発振周波数を制御する
ことによって冷陰極管の輝度を調整している。この制御
は圧電トランスの電力変換効率を高めることにはならな
い。

【０００５】また特開平９−２３７６８４号公報に記載
された発明は、圧電トランスの駆動周波数を共振周波数
に追従させて圧電トランスの電力効率を高めることを基
本的姿勢とするものであるが、実際には圧電トランスの
電力変換効率を最大とする効率ピーク周波数と前記共振
周波数とは一致しない場合が多い。よって、単に駆動周
波数を共振周波数に追従させるだけでは、必ずしも圧電
トランスの電力変換効率を高めることができないという
問題がある。

【０００６】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、常に電力変換効率を最大とすることが可能
な圧電トランスの駆動方法及びこの駆動方法を用いた圧
電トランス電力変換装置を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電トランス
と、所定の駆動周波数を発生する発振手段と、この駆動
周波数からなる駆動信号を前記圧電トランスに供給する
駆動手段と、負荷に流れる電流を検出する出力電流検出
手段と、前記発振手段と駆動手段との間に設けられ且つ
前記出力電流検出手段の出力に基づいて負荷に供給され
る電力が一定となるように前記駆動信号に所定の制御を
加える電力調整手段と、前記駆動手段から出力された駆
動信号が所定の駆動周波数となるように前記発振手段を
制御する駆動周波数制御手段と、からなる圧電トランス
の駆動方法又は圧電トランス電力変換装置であって、振
動子の等価回路における直列回路の共振周波数と、同じ
く振動子の等価回路における並列回路の共振周波数（反
共振周波数）との間の周波帯域を前記圧電トランスの駆
動周波数としたことを特徴とするものである。

【０００８】上記において、前記圧電トランスの駆動周
波数が、前記共振周波数と反共振周波数の中間周波数に
設定されることが好ましい。

【０００９】本発明では、圧電トランスの電力変換効率
が最大となる駆動周波数として、圧電トランスの共振周
波数又は反共振周波数を追尾させるという従来の認識を
改め、共振周波数と反共振周波数の間の周波数領域、よ
り好ましくは共振周波数と反共振周波数との中心にある
中間周波数に設定することにより、常に圧電トランスの
電力変換効率を最大にできるようにしたものである。

【００１０】より具体的には、前記駆動周波数制御手段
は、駆動周波数が前記アドミタンスの最低位相周波数を
追尾するように制御するものが好ましい。

【００１１】すなわち、電力変換効率を最大とする圧電
トランスの駆動周波数（効率ピーク周波数）は、アドミ
タンスの位相が最小となる周波数（最低位相周波数）と
ほぼ一致することから、駆動周波数が最低位相周波数を
追尾するように設定することにより、常に圧電トランス
の電力変換効率を最大とすることができる。従って、例
えば圧電トランスの駆動中に発熱等により、圧電トラン
スのアドミタンスが変化したときには、共振周波数及び
反共振周波数が変化する場合があるが、この場合にも駆
動周波数が最低位相周波数を追尾するように設定してお
くことにより、常に最大効率で電力変換をすることがで
きる。

【００１２】また、圧電トランスの等価回路を以下の通
り設定し、 入力側となる電気／機械変換部（Ｔ₁）および出力側
となる機械／電気変換部（Ｔ₂）、 前記電気／機械変換部（Ｔ₁）の１次側に並列接続さ
れた第１の制動容量（｜Ｃ_d1｜）および前記機械／電気
変換部（Ｔ₂）の２次側に並列接続された第２の制動容
量（｜Ｃ_d2｜）、 前記１次側の入力部に直列接続された第１の誘電体損
失（δ₁′／ω｜Ｃ_d1｜）および前記第１の制動容量
（｜Ｃ_d1｜）に並列接続された第２の誘電体損失（１／
ω｜Ｃ_d1｜δ₁）と、前記２次側の出力部に直列接続さ
れた第３の誘電体損失（δ₂′／ω｜Ｃ_d2｜）および前
記第２の制動容量（｜Ｃ_d2｜）に並列接続された第４の
誘電体損失（１／ω｜Ｃ_d2｜δ₂）、 前記電気／機械変換部（Ｔ₁）と前記機械／電気変換
部（Ｔ₂）との間で直列に設けられたインダクタ
（ｍ）、キャパシタ（１／ｓ）及び抵抗（ｒｍ′）、前
記等価回路を、発振手段（３２）と、電力調整手段（３
３）と、駆動手段（３４）と、駆動周波数制御手段（３
５）と、出力電流検出手段（３６）とからなる電力変換
装置（３０）に組み入れ、この組み入れた電力変換装置
全体から各要素の回路定数が決められていることが好ま
しい。

【００１３】本発明では、新たな圧電トランスの等価回
路を提案し、この等価回路を基礎として、圧電トランス
を測定して得た回路定数を前記等価回路を構成する各要
素（素子）に割り振ることにより、より実際の圧電トラ
ンスに適合する等価回路を得ることができる。

【００１４】そして、このようにして得た圧電トランス
の等価回路を、この圧電トランスを組み入れた装置（例
えば、電力変換装置）に適用することにより、装置全体
を線形的な回路で構成することができるため、シミュレ
ーション解析等が可能となり、よって装置の設計を容易
に行なえるようなる。

【００１５】すなわち、従来の圧電トランスの等価回路
を基礎とする測定系では、圧電トランスを測定して得た
回路定数を最良な形で従来の等価回路を構成する各要素
に割り振ることができないが、新たな圧電トランスの等
価回路を測定系の基礎に置くことにより、そのような問
題は解消され、より精度の高い圧電トランスの等価回路
を得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。図１は、第１の圧電トランスとその測定
系を示す図、図２ないし図４は図１の測定系における測
定結果を示し、図２はアドミタンス特性の絶対値と位相
の周波数特性図、図３は昇圧比と効率の周波数特性図、
図４は動アドミタンスループを示す図である。

【００１７】図１に示す圧電トランス１は、薄板状の圧
電振動子２からなり、その表面には入力電極３ａ，３ｂ
および圧電振動子２の中央部に図示Ｙ方向に伸びる出力
電極３ｃがそれぞれ印刷されている。なお、圧電振動子
２の裏面には、入力電極３ａ，３ｂと同様の入力電極３
ａ′，３ｂ′が印刷されている。入力電極３ａと３ａ′
に挟まれた左端部２ａおよび入力電極３ｂと３ｂ′に挟
まれた右端部２ｂの誘電分極方向はともに図示Ｚ１方向
である。また、入力電極３ａと出力電極３ｃ間の左胴部
２ｃの誘電分極方向は図示Ｘ１方向であり、入力電極３
ｂ部と出力電極３ｃ間の右胴部２ｄの誘電分極方向は図
示Ｘ２方向である。従って、入力電極３ａと３ａ′に挟
まれた左端部２ａおよび入力電極３ｂと３ｂ′に挟まれ
た左端部２ｂが圧電トランス１の１次側（入力側）に相
当し、出力電極３ｃを挟んで左胴部２ｃと右胴部２ｄが
圧電トランスの２次側（出力側）に相当する。

【００１８】前記入力電極３ａ，３ｂと入力電極３
ａ′，３ｂ′の間には、交流駆動信号源Ｅが接続されて
おり、この交流駆動信号源Ｅから所定の駆動電力が圧電
振動子２に供給される。また前記出力電極３ｃと入力電
極３ａ′，３ｂ′との間には、負荷抵抗Ｒ１が接続され
ている。すなわち、入力電極３ａ′，３ｂ′は共通アー
スに相当する。なお、前記負荷抵抗Ｒ１は、圧電振動子
２の出力インピーダンスとマッチングさせた整合負荷で
ある。

【００１９】前記圧電振動子２は、Ｘ方向に所定の間隔
で３箇所に並設されたシリコンゴムなどからなる支持手
段（図示せず）により、Ｚ１方向およびＺ２方向から弾
性的に支持されている。すなわち、３次ローゼンタイプ
の圧電振動子である。

【００２０】前記交流駆動信号源Ｅより長さ方向で決ま
る固有周波数の電圧を圧電振動子の左端部２ａおよび右
端部２ｂに加えると、電歪効果により、長さ方向への強
い振動が発生する。それによって長さ方向に分極された
左胴部２ｃおよび右胴部２ｄを介し、電歪効果により高
い電圧が電極３ｃに発生する。

【００２１】図２は、図１に示した圧電振動子２の入力
側を、例えばデジタルパワーメーターなどの測定手段を
用いて共振周波数近傍における圧電振動子２のアドミタ
ンス｜Ｙ｜（ｍｓ）（●印）と位相φ（ｄｅｇ．）（△
印）との測定結果であり、同図中符号ｆ１はアドミタン
ス｜Ｙ｜の最大値｜Ｙ｜maxの周波数（以下、アドミタ
ンス最大周波数という）、符号ｆ２はアドミタンス｜Ｙ
｜の最小値｜Ｙ｜minの周波数（以下、アドミタンス最
小周波数という）、および符号ｆ３は位相φの最小値φ
minの周波数（以下、最小位相周波数という）をそれぞ
れ示している。図２に示すように、ｆ１は９４ＫＨｚ、
ｆ２は１００ＫＨｚ、ｆ３は９７ＫＨｚ程度であること
がわかる。

【００２２】次に、図３は圧電トランス（圧電振動子）
１の１次側入力電圧Ｖinに対する２次側出力電圧Ｖout
の比である昇圧比ξ（＝Ｖout／Ｖin）（△印）と、１
次側入力電力Ｐin（＝Ｖin×Ｉin×cosθ：θはＶinと
Ｉinの位相差）に対する２次側入出力電力Ｐout（＝Ｖo
ut²／Ｒ１）の比である効率η（＝Ｐout／Ｐin×１０
０）（●印）を共振周波数近傍で測定し、これをプロッ
トしたものである。図３に示すように、昇圧比ピーク周
波数ｆξは９５ＫＨｚで昇圧比ξが１３、効率ピーク周
波数ｆηは９７ＫＨｚで効率ηが９７％程度であること
がわかる。

【００２３】また、図２および図３を見比べると、効率
ピーク周波数ｆηと昇圧比ピーク周波数ｆξとが一致し
ていないことがわかる。さらに、効率ピーク周波数ｆη
と最小位相周波数ｆ３とはほぼ一致することを確認でき
る。

【００２４】図４は、上記アドミタンスＹ（ｍｓ）の実
数部（コンダクタンスＧ（ｍｓ））と虚数部（サセプタ
ンスＢ（ｍｓ））をそれぞれ横軸及び縦軸としてプロッ
トしたものであり、この座標系では同図に示すような動
アドミタンスループＬ１が形成される。同図において、
符号ｆ１，ｆ２およびｆ３は、それぞれ上述のアドミタ
ンス｜Ｙ｜最大周波数、アドミタンス｜Ｙ｜最小周波
数、およびアドミタンス位相の最小値の周波数の位置を
それぞれ示している。また符号ｆｒは圧電トランスの共
振周波数の位置を、符号ｆａは反共振周波数の位置をそ
れぞれ示している。さらに、符号ｆη及びｆξはそれぞ
れ効率ピーク周波数及び昇圧比ピーク周波数の位置を示
している。また符号Ａ１は零点（Ｇ＝０，Ｂ＝０）とア
ドミタンス最大周波数ｆ１およびアドミタンス最小周波
数ｆ２とを結ぶ直線、符号Ａ２は零点と共振周波数ｆｒ
および反共振周波数ｆａとを結ぶ直線であり、横軸（コ
ンダクタンスＧ）と各直線Ａ１，Ａ２とが作る角が位相
φ（＝ｔａｎ^-1（Ｂ／Ｇ））を示している。そして、動
アドミタンスループＬ１と接線Ａ３とが作る角が位相φ
の最小値φminであり、このときの周波数が最小位相周
波数ｆ３である。

【００２５】図４に示すように、共振周波数ｆｒと昇圧
比ピーク周波数ｆξとがほぼ一致することがわかる。さ
らに効率ピーク周波数ｆηは、共振周波数ｆｒと反共振
周波数ｆａとほぼ中間（ｆｒ+ｆａ）／２に位置し、最
小位相周波数ｆ３とほぼ一致することを確認できる。

【００２６】ここで、共振周波数及び反共振周波数を明
らかにしておく。日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ
−６１００の規定によれば、共振周波数とは、振動子の
等価回路における直列回路の共振周波数（直列共振周波
数）を意味する場合と、振動子の電極間アドミタンス又
はインピーダンスが零位相になる２つの周波数のうち、
低い方の周波数を意味する場合とがあるが、本願にける
共振周波数は前者の意味である。同じく反共振周波数と
は、振動子の等価回路における並列回路の共振周波数
（並列共振周波数）を意味する場合と、振動子の電極間
アドミタンス又はインピーダンスが零位相になる２つの
周波数のうち、高い方の周波数を意味する場合とがある
が、本願にける反共振周波数は前者の意味である。

【００２７】次に、図５ないし図８に示す第２の圧電ト
ランスについて説明する。図５は第２の圧電トランス１
０とその測定系を示す図、図６ないし図８は図５の測定
系における測定結果を示し、図６はアドミタンスの絶対
値と位相の周波数特性図、図７は昇圧比と効率の周波数
特性図、図８は動アドミタンスループを示す図である。

【００２８】図５に示すように、圧電トランス１０を構
成する圧電振動子１２は、中央線を挟んで図示Ｘ１方向
が１次側であり、図示Ｘ２方向が２次側である。１次側
である左端部１２ａの誘電分極方向はＺ１方向であり、
右端部１２ｂの誘電分極方向はＸ２方向である。そし
て、１次側左端部１２ａの両面には、入力電極１３ａお
よび１３ａ′が印刷されている。そして、この入力電極
１３ａと入力電極１３ａ′に交流駆動信号源Ｅが接続さ
れている。また出力電極１３ｃは、２次側右端部１２ｂ
の端面に印刷されており、この出力電極１３ｃと入力電
極１３ａ′との間に整合負荷Ｒ２が接続されている。

【００２９】図５に示される圧電振動子１２は、Ｘ方向
の２箇所に並設された図示しない支持手段によりＺ１お
よびＺ２方向から弾性的に支持されており、いわゆる２
次ローゼン系タイプの圧電振動子である。

【００３０】前記交流駆動信号源Ｅより長さ方向で決ま
る固有周波数の電圧を圧電振動子１２の１次側左端部１
２ａに加えると、電歪効果により、長さ方向への強い振
動が発生する。それによって長さ方向に分極された２次
側の右端部１２ｂを介し、電歪効果により高い電圧が電
極１３ｃに発生する。

【００３１】図６に示すアドミタンスの絶対値と位相の
周波数特性図では、●印がアドミタンス｜Ｙ｜を、△印
が位相φを示している。図６では、アドミタンス最大周
波数ｆ１が６６ＫＨｚ、アドミタンス最小周波数ｆ２が
７０ＫＨｚ程度であり、最小位相周波数ｆ３が６８ＫＨ
ｚ程度であることがわかる。

【００３２】図７に示す昇圧比と効率の周波数特性図で
は、●印が効率ηを、△印が昇圧比ξを示している。図
７を調べると、効率ピーク周波数ｆηが６８．０ＫＨ
ｚ、昇圧ピーク周波数ｆξが６７．８ＫＨｚ程度であ
り、両者はほぼ同じ周波数であることを確認できる。ま
た図６および図７から、効率ピーク周波数ｆηと最小位
相周波数ｆ３とがほぼ同じ周波数であることを確認でき
る。

【００３３】また、図８に示すように第２の圧電トラン
ス１０の動アドミタンスループＬ２は、上記図２に示し
た第１の圧電トランス１の動アドミタンスループＬ１に
比べ小さな動アドミタンスループＬ２となっている。そ
して、図８において高率ピーク周波数ｆηは、共振周波
数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間のほぼ中間（ｆｒ+ｆ
ａ）／２に位置することを確認できる。

【００３４】次に、第３の圧電トランスについて説明す
る。図９は、第３の圧電トランスとその測定系を示す
図、図１０ないし図１２は図９の測定系における測定結
果を示し、図１０はアドミタンスと位相の周波数特性
図、図１１は昇圧比と効率の周波数特性図、図１２は動
アドミタンスループを示す図である。

【００３５】図９に示す第３の圧電トランス２０は、圧
電振動子２２全体が図示Ｚ１方向に誘電分極されてお
り、１次側となるＸ１方向の左端部２２ａの上下両面に
入力電極２３ａ，２３ａ′が、２次側となるＸ２方向の
右端部２２ｂの上下両面に出力電極２３ｂ，２３ｂ′が
それぞ印刷されている。１次側の入力電極２３ａ，２３
ａ′間に交流駆動信号源Ｅが接続され、２次側の出力電
極２３ｂ，２３ｂ′間に整合負荷Ｒ３が接続されてい
る。

【００３６】入力電極２３ａ，２３ａ′間に交流駆動信
号源Ｅから所定の駆動信号が加えられると、圧電振動子
２２全体が一体としてＺ１方向およびＺ２方向に振動す
ることから、板厚方向への圧電振動子２２全体の膨張お
よび収縮が繰り返される。なお、この第３の圧電トラン
スは、右端部（１次側）２２ａと出力電極２３ｂ（２次
側）との誘電分極方向が同じであるため、昇圧比ξはξ
＝１である。

【００３７】図１０に示すアドミタンスと位相の周波数
特性図では、●印が位相φを、△印がアドミタンス｜Ｙ
｜を示しており、最小位相周波数ｆ３が６６．５ＫＨ
ｚ、アドミタンス最大周波数ｆ１が６５ＫＨｚ、アドミ
タンス最小周波数ｆ２が６８ＫＨｚ程度であることがわ
かる。

【００３８】一方、図１１に示す昇圧比と効率の周波数
特性図では、●印が効率ηを、△印が昇圧比ξを示して
おり、効率ピーク周波数ｆηは６６．５ＫＨｚ、昇圧比
ピーク周波数ｆξが６５．５ＫＨｚ程度であることがわ
かる。

【００３９】上記図１０及び図１１から、この第３の圧
電トランスにおいても、効率ピーク周波数ｆηと最小位
相周波数ｆ３とが一致することを確認できる。そして、
図１２に示す動アドミタンスループＬ３では、効率ピー
ク周波数ｆηが、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａと
の間のほぼ中間周波数（ｆｒ+ｆａ）／２に位置するこ
とを確認できる。

【００４０】以上の第１ないし第３圧電トランス１，１
０及び２０に関する測定結果から、圧電振動子の駆動周
波数を共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間の周波
数帯域に設定することにより、より好ましくは圧電振動
子の駆動周波数を共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａと
の間の中間（ｆｒ+ｆａ）／２に設定することにより、
圧電トランスの効率ηをより向上させることができるこ
とがわかる。

【００４１】また、駆動周波数を圧電振動子の共振周波
数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間の中間に設定するに
は、駆動周波数を圧電振動子のアドミタンス｜Ｙ｜の最
小位相周波数ｆφに設定すればよいことがわかる。

【００４２】以下には、上述の測定結果を基とした圧電
トランスを用いた電力変換装置についての説明をする。
図１３は、本発明における圧電トランスを用いた電力変
換装置を示すブロック図である。図１３に示すように、
圧電トランスを用いた電力変換装置３０は、圧電トラン
ス（圧電振動子）３１、発振手段３２、電力調整手段３
３、駆動手段３４、駆動周波数制御手段３５および出力
電流検出手段３６などのブロックから構成されている。

【００４３】圧電トランス３１は、上述の図１又は図５
若しくは図９に示した圧電振動子２又は１２若しくは２
２が用いられている。圧電トランス３１の１次側の入力
端子３１ａは、駆動手段３４の出力部３４ｂと接続され
ている。また駆動手段３４の出力部３４ｃは、駆動周波
数制御手段３５の入力部３５ａに接続されており、その
出力部３５ｂは発振手段３２の制御入力部３２ａに接続
されている。駆動周波数制御手段３５は、駆動手段３４
の出力部３４ｂから出力される駆動信号の駆動周波数を
監視し、駆動周波数が常に最小位相周波数ｆηとなるよ
うに、例えばＰＬＬ回路などから構成されている。した
がって、発振手段３２の駆動周波数は、圧電トランス３
１のアドミタンス最小位相周波数ｆηに設定されてい
る。

【００４４】圧電トランス３１の２次側の出力端子３１
ｂには、負荷Ｒが接続され、またこの負荷Ｒとアース
（０ボルト基準）との間には、電流検出用抵抗ｒ１が接
続されている。前記電流検出用抵抗ｒ１は低抵抗であ
り、圧電トランス３１とグランドＧＮＤ間に流れる電
流、即ち負荷Ｒに流れる出力電流Ｉoutをこの電流検出
用抵抗ｒ１の端子間電圧として出力する。そして、この
電流検出用抵抗ｒ１の出力電圧Ｖｄは、出力電流検出手
段３６に入力される。なお、負荷Ｒに並列にシャント抵
抗を設け、このシャント抵抗の電圧降下を出力電流検出
手段３６に入力するものであってもよい。

【００４５】出力電流検出手段３６では、所定の基準電
圧と前記電流検出用抵抗の出力電圧Ｖｄとの比較を行な
い、例えば基準電圧よりも出力電圧Ｖｄが低い場合に
は、０（ボルト）を出力し、反対に出力電圧Ｖｄの方が
基準電圧よりも高い場合には所定の電圧（例えば＋１０
ボルト）を出力する。そして、このような出力電流検出
手段３６の出力は、電力調整手段３３に入力されてい
る。

【００４６】前記電力調整手段３３は、発振手段３２と
駆動手段３４の間に設けられている。すなわち、発振手
段３２の駆動信号と出力電流検出手段３６の出力とを入
力とし、駆動信号に所定の処理を施して駆動手段３４に
出力するものである。ここで所定の処理とは、例えば出
力電流検出手段３６の出力に応じて前記駆動信号のデュ
ーティ比を変えるＰＷＭ制御などである。

【００４７】以上のような圧電トランスを用いた電力変
換装置３０では、圧電トランス３１の駆動周波数は、常
に最小位相周波数ｆ３を追尾するため、常に高い効率η
で動作させることができる。

【００４８】また、負荷Ｒに変動が生じた場合には、そ
の負荷Ｒに流れる電流ＩOUTを出力電流検出用抵抗ｒ１
によって変換された出力電圧Ｖｄを、出力電流検出手段
３６を介して電力調整手段３３においてＰＷＭ制御し、
駆動信号のデューティ比を変えて圧電トランスの２次側
出力電力を調整することができる。よって、駆動周波数
は最小位相周波数ｆ３に設定された状態に保持されるた
め、圧電トランス３１を高効率状態に維持することがで
きる。

【００４９】以下では、上記圧電トランスの等価回路に
関して説明する。図１４は従来の圧電トランスの設計に
おいて想定されている第１の等価回路を示す並列誘電体
損失モデル、図１５は従来の圧電トランスの設計におい
て想定されている第２の等価回路を示す直列誘電体損失
モデル、図１６は本発明において提案する圧電トランス
の新たな等価回路を示す直並列誘電体損失モデル、図１
７は図１６の等価回路を用いたシミュレーション解析に
よる効率と昇圧比の計算結果、同様に図１８はシミュレ
ーション解析によるアドミタンスループの計算結果を示
している。

【００５０】従来より、圧電振動子の駆動回路を有する
装置、例えば上記のような圧電トランスを用いた電力変
換装置を設計する段階においては、圧電トランス自体を
等価回路として表わし、この等価回路に所定の数値を当
て嵌め、コンピュータのソフトウエアによるシミュレー
ション解析が試みられる。この場合、従来の圧電トラン
スの等価回路としては、例えば図１４に示される並列誘
電体損失モデルや図１５に示される直列誘電体損失モデ
ルなどが使用されている。

【００５１】図１４に示す並列誘電体損失モデルでは、
誘電体損失１／ω｜Ｃ_d1｜ｔａｎδ ₁及び１／ω｜Ｃ_d2
｜ｔａｎδ₂が各々入力側と出力側に並列に挿入されて
いる。一方、図１５に示す直列誘電体損失モデルでは、
誘電体損失δ₁′／ω｜Ｃ_d1｜及びδ₂′／ω｜Ｃ_d2｜が
各々入力側と出力側に直列に挿入されている。

【００５２】上記並列誘電体損失モデル（図１４）や直
列誘電体損失モデル（図１５）で示される等価回路を用
いたシミュレート解析では、圧電トランスの効率ピーク
周波数に関する実測値と一致しない。

【００５３】そこで、本願発明者は、新たな等価回路を
見い出し、その等価回路を用いたシミュレーション解析
を行なったので、その結果を以下に示す。図１６に示す
圧電トランスの等価回路（直並列誘電体損失モデル）
は、回路の入力側（図示左端側）と出力側（右端側）が
それぞれ第１のトランス（入力側の電気／機械変換部）
Ｔ₁および第２のトランス（出力側の機械／電気変換
部）Ｔ₂で結合されている。そして、第１のトランスＴ₁
の１次巻線側に誘電体損失δ₁′／ω｜Ｃ_d1｜が直列に
挿入され、且つ誘電体損失１／ω｜Ｃ_d1｜δ₁が並列に
それぞれ挿入されている。また第２のトランスＴ₂の２
次巻線側に誘電体損失δ₂′／ω｜Ｃ_d2｜が直列に、誘
電体損失１／ω｜Ｃ_d2｜δ₂が並列にそれぞれ挿入され
ている。そして、第１のトランスＴ₁の２次巻線と第２
のトランスＴ₂の１次巻線との間にインダクタｍ，キャ
パシタ１／ｓおよび抵抗ｒｍ′が挿入された回路で構成
されている。

【００５４】図１７に示す効率と昇圧比の計算結果は、
上記図３に示す効率と昇圧比の実測値に対応するもので
あり、同様に図１８に示すアドミタンスループの計算結
果が上記図４に示すアドミタンスループＬ１に対応して
いる。

【００５５】図１７に示すように、このシミュレーショ
ンの計算では、昇圧比ξは１３、昇圧比ピーク周波数f
ξは９５ＫＨz、効率ηは９５％、効率ピーク周波数ｆ
ηが９６ＫＨz程度であることがわかり、これは上記図
３で得られた測定値（ξ＝１３，fξ＝９５ＫＨｚ，η
＝９７％，ｆη＝９７ＫＨｚ）にほぼ一致することがわ
かる。

【００５６】一方、図１８と図４とを見比べると、図１
８に示すアドミタンスループＬsが上記図４に示すアド
ミタンスループＬ１にほぼ一致することを確認できる。
なお、このシミュレーション解析においては、誘電体損
失抵抗を除く等価回路定数を図１に示した圧電振動子２
の測定より得た値を採用している。すなわち、この解析
における圧電振動子の共振周波数ｆｒは昇圧比ピーク周
波数ｆξに一致している。

【００５７】したがって、図１８に示すアドミタンスル
ープＬｓでは、効率ピーク周波数ｆηが、共振周波数ｆ
ｒ（＝昇圧比ピーク周波数ｆξ）と反共振周波数ｆａと
のほぼ中間（ｆｒ+ｆａ）／２に位置し、しかも最低位
相周波数ｆ３に一致することを確認でき、これは上記図
４と同じ結果である。

【００５８】以上の結果から、図１６に示す回路が、よ
り現実に適合した圧電トランスの等価回路であることが
わかる。したがって、例えば電源装置またはインバータ
などの電力変換装置を設計する際、圧電トランスの部分
にこの等価回路を当て嵌めることにより、より実際に合
う設計が可能となり、高効率な電力変換装置とすること
ができる。

【００５９】また、圧電トランスの等価回路の各定数を
測定する場合において、図１６に示す等価回路（直並列
誘電体損失モデル）を基礎に各回路定数を測定すること
により、より現実に適合する圧電トランスの等価回路を
得ることができる。

【００６０】なお、上記実施の形態では、電力変換装置
を説明したが、本発明では図１３に示される負荷Ｒを、
例えば超音波洗浄装置、アクチュエータ、超音波モー
タ、圧電フィルタなどとすれば、これらをより高効率で
駆動することができる。

【００６１】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、共振周波
数と反共振周波数の間に圧電トランスの駆動周波数を設
定することにより、より好ましくは共振周波数と反共振
周波数との中間周波数に設定することにより、圧電トラ
ンスを用いた電力変換装置の電力変換効率を最大とする
ことができる。また、上記新たな圧電トランスの等価回
路を基礎とすることにより、より実際の圧電トランスに
適合する等価回路を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電トランスに使用される第１の圧電振動子と
その測定系を示す図、

【図２】図１に示す圧電トランスのアドミタンスと位相
の周波数特性図、

【図３】図１に示す圧電トランスの昇圧比と効率の周波
数特性図、

【図４】図１に示す圧電トランスの動アドミタンスルー
プを示す図、

【図５】第２の圧電振動子とその測定系を示す図、

【図６】図５に示す圧電トランスのアドミタンスと位相
の周波数特性図、

【図７】図５に示す圧電トランスの昇圧比と効率の周波
数特性図、

【図８】図５に示す圧電トランスの動アドミタンスルー
プを示す図、

【図９】第３の圧電振動子とその測定系を示す図、

【図１０】図９に示す圧電トランスのアドミタンスと位
相の周波数特性図、

【図１１】図９に示す圧電トランスの昇圧比と効率の周
波数特性図、

【図１２】図９に示す圧電トランスの動アドミタンスル
ープを示す図、、

【図１３】本発明における圧電トランスを用いた電力変
換装置を示すブロック図、

【図１４】従来の圧電トランスの第１の等価回路を示す
並列誘電体損失モデル、

【図１５】従来の圧電トランスの第２の等価回路を示す
直列誘電体損失モデル、

【図１６】新たな圧電トランスの等価回路を示す直並列
誘電体損失モデル、

【図１７】シミュレーション解析による効率と昇圧比の
計算結果、

【図１８】シミュレーション解析によるアドミタンスル
ープの計算結果

【符号の説明】

１，１０，２０，３１ 圧電トランス ３０ 圧電トランスを用いた電力変換装置 ３２ 発振手段 ３３ 電力調整手段 ３４ 駆動手段 ３５ 駆動周波数制御手段 ３６ 出力電流検出手段 ｆ１ アドミタンス最大周波数 ｆ２ アドミタンス最小周波数 ｆ３ 最小位相周波数 ｆη 効率ピーク周波数 ｆξ 昇圧比ピーク周波数 ｆａ 反共振周波数 ｆｒ 共振周波数 ｒ１ 電流検出用抵抗 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 負荷 ｜Ｙ｜ アドミタンス Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌｓ アドミタンスループ φ 位相 η 効率 ξ 昇圧比

フロントページの続き (72)発明者 櫻井 勝利 東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプ ス電気株式会社内 (72)発明者 富川 義朗 山形県米沢市林泉寺２丁目２番地３−１号

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電トランスと、所定の駆動周波数を発
   生する発振手段と、この駆動周波数からなる駆動信号を
   前記圧電トランスに供給する駆動手段と、負荷に流れる
   電流を検出する出力電流検出手段と、前記発振手段と駆
   動手段との間に設けられ且つ前記出力電流検出手段の出
   力に基づいて負荷に供給される電力が一定となるように
   前記駆動信号に所定の制御を加える電力調整手段と、前
   記駆動手段から出力された駆動信号が所定の駆動周波数
   となるように前記発振手段を制御する駆動周波数制御手
   段と、からなる圧電トランスの駆動方法であって、 振動子の等価回路における直列回路の共振周波数と、同
   じく振動子の等価回路における並列回路の共振周波数
   （反共振周波数）との間の周波帯域を前記圧電トランス
   の駆動周波数としたことを特徴とする圧電トランスの駆
   動方法。
2. 【請求項２】 前記圧電トランスの駆動周波数が、前記
   共振周波数と反共振周波数の中間周波数である請求項１
   記載の圧電トランスの駆動方法。
3. 【請求項３】 前記駆動周波数制御手段では、駆動周波
   数が前記アドミタンスの最低位相周波数を追尾するよう
   に制御する請求項１又は２記載の圧電トランスの駆動方
   法。
4. 【請求項４】 圧電トランスと、所定の駆動周波数を発
   生する発振手段と、この駆動周波数からなる駆動信号を
   前記圧電トランスに供給する駆動手段と、負荷に流れる
   電流を検出する出力電流検出手段と、前記発振手段と駆
   動手段との間に設けられ且つ前記出力電流検出手段の出
   力に基づいて負荷に供給される電力が一定となるように
   前記駆動信号に所定の制御を加える電力調整手段と、前
   記駆動手段から出力された駆動信号が所定の駆動周波数
   となるように前記発振手段を制御する駆動周波数制御手
   段と、からなる圧電トランスを用いた電力変換装置であ
   って、 振動子の等価回路における直列回路の共振周波数と、同
   じく振動子の等価回路における並列回路の共振周波数
   （反共振周波数）との間の周波帯域を前記圧電トランス
   の駆動周波数としたことを特徴とする圧電トランス電力
   変換装置。
5. 【請求項５】 前記圧電トランスの駆動周波数が、前記
   共振周波数と反共振周波数の中間周波数である請求項４
   記載の圧電トランス電力変換装置。
6. 【請求項６】 前記駆動周波数制御手段では、駆動周波
   数が前記アドミタンスの最低位相周波数を追尾するよう
   に制御する請求項４又は５記載の圧電トランス電力変換
   装置。
7. 【請求項７】 圧電トランスの等価回路を以下の通り設
   定し、 入力側となる電気／機械変換部（Ｔ₁）および出力側
   となる機械／電気変換部（Ｔ₂）、 前記電気／機械変換部（Ｔ₁）の１次側に並列接続さ
   れた第１の制動容量（｜Ｃ_d1｜）および前記機械／電気
   変換部（Ｔ₂）の２次側に並列接続された第２の制動容
   量（｜Ｃ_d2｜）、 前記１次側の入力部に直列接続された第１の誘電体損
   失（δ₁′／ω｜Ｃ_d1｜）および前記第１の制動容量
   （｜Ｃ_d1｜）に並列接続された第２の誘電体損失（１／
   ω｜Ｃ_d1｜δ₁）と、前記２次側の出力部に直列接続さ
   れた第３の誘電体損失（δ₂′／ω｜Ｃ_d2｜）および前
   記第２の制動容量（｜Ｃ_d2｜）に並列接続された第４の
   誘電体損失（１／ω｜Ｃ_d2｜δ₂）、 前記電気／機械変換部（Ｔ₁）と前記機械／電気変換
   部（Ｔ₂）との間で直列に設けられたインダクタ
   （ｍ）、キャパシタ（１／ｓ）及び抵抗（ｒｍ′）、 前記等価回路を、発振手段（３２）と、電力調整手段
   （３３）と、駆動手段（３４）と、駆動周波数制御手段
   （３５）と、出力電流検出手段（３６）とからなる電力
   変換装置（３０）に組み入れ、この組み入れた電力変換
   装置全体から各要素の回路定数が決められている請求項
   ４ないし６のいずれかに記載の圧電トランス電力変換装
   置。