JP2001015292A

JP2001015292A - 放電管点灯駆動装置

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Publication number: JP2001015292A
Application number: JP11217683A
Authority: JP
Inventors: 晃 ▲徳▼島; Akira Tokushima
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-26
Filing date: 1999-06-26
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】パルス幅変調モードで動作するＰＷＭ制御圧
電トランス駆動装置の、電源電圧変化時および輝度調整
時に生じる、波形割れやノイズおよび複数周波数波の発
生に起因する、発熱および損失等のない高効率で大電力
駆動可能な、圧電トランス駆動装置を得る。【解決手段】一対のＮ型及びＰ型のスイッチングトラ
ンジスタを駆動する信号が、一方（Ｎ型）のＯＮ時間に
対して、他方（Ｐ型）のＯＦＦ時間が若干長く、常にオ
ーバーラップするよう構成され、また逆動作時には一方
（Ｐ型）のＯＮ時間に対して、他方（Ｎ型）のＯＦＦ時
間が若干長く、常にオーバーラップするよう構成されて
成るドライブ信号を用いて、高昇圧手段とサイン波変換
を経て圧電トランスを駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷陰極放電管及び
放電ランプ等の点灯駆動装置として用いられる駆動装置
と圧電振動子等の振動体、概して圧電セラミックスから
成る圧電素子ないし電気−機械量変換素子に関し、より
詳しくは冷陰極放電管及び放電ランプ等の点灯駆動装置
に使用される駆動装置及び圧電セラミックスを用いた駆
動装置等のトランスとして作用する電気信号を機械的な
変位量に変換できて、また機械的な変位量を電気的信号
にも逆変換できる電圧昇圧型の圧電トランス駆動装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、小型携帯用のパーソナルコンピュ
ータ、ワードプロセッサ等、いわゆるラップトップタイ
プ及びパームトップタイプの電子機器が急速に普及して
きており、一方、これらの電子機器には液晶表示装置が
表示部として使用され、その照明用光源である冷陰極放
電ランプの駆動に、圧電トランスを含む回路が採用され
るべく検討されていることは周知である。

【０００３】前記圧電トランスは、１次側に発生する機
械的な変位量を、２次側で拡大して出力することによ
り、高電圧の発生を可能ならしめたもので、電気量を機
械量に変換し、さらに電気量に変換することで、高電圧
を得るものであるが、ドライブする負荷が容量性の負荷
となるので、これまで大電力を出力することが難しく、
複数のオートトランス等の中間タップに、プッシュプル
回路のスイッチング素子を接続して、主に昇圧を目的と
して行う昇圧回路が多用されてきた。

【０００４】この場合、出力は片波正弦波出力の、それ
ぞれの足し合わせとなるので、前記それぞれのオートト
ランスの作動時間は、正の１／２時間がＯＮ、負の１／
２時間がＯＦＦ時間となり、利用効率が５０％でコイル
発熱が小さいという利点と、その為に取り扱われる電流
が低電流となる欠点を、共有する回路として機能した。

【０００５】特願平１０−１３７３５７広報では、パル
ス幅変調用コントロール集積回路を用いて、出力部にプ
ッシュプルトランスを利用して、このプッシュプルトラ
ンスの両端に、一般にチョークコイルと呼ばれる共振コ
イルと、共振コンデンサーを結合して構成される共振回
路を使用することにより、容量性負荷となる圧電トラン
スに、大電力の供給を可能ならしめようとする試みがな
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電トランス
に前記大電力の供給を可能ならしめようとする回路で
は、原発振をドライブ周波数の２倍の周波数で発振させ
て、分周することにより得る、交互に位相が１８０度異
なる相反する信号を用いて、プッシュプル動作を行わせ
ている。

【０００７】この動作としては本文説明では、例えば双
方向スイッチングトランジスタ３がＯＮし、前記双方向
スイッチングトランジスタ３のドレインが急速にロウレ
ベルになると、双方向スイッチングトランジスタ４のド
レインに電源電圧の２倍の電圧が発生する。この２倍の
電圧が共振トランス６の巻線のＬ１を通り、共振コンデ
ンサ７を介し、前記共振トランス６のＬ２を通って双方
向スイッチングトランジスタ３のドレインを介してＧＮ
Ｄに流れる。また正反対動作としては、双方向スイッチ
ングトランジスタ４がＯＮし、前記双方向トランジスタ
４のドレインが急速にロウレベルになると、双方向スイ
ッチングトランジスタ３のドレインに電源電圧の２倍の
電圧が発生する。この電圧が共振トランス６の巻線Ｌ２
を通り、共振コンデンサ７を介し、前記共振トランス６
のＬ１を通って双方向スイッチングトランジスタ４のド
レインからＧＮＤに流れる。これらの動作は、ＯＮ時間
とＯＦＦ時間が共に５０％対５０％デューティ時の、基
本動作説明であった。

【０００８】次に電源電圧が８Ｖから１６Ｖ迄変化した
場合、あるいは輝度調整を絞ると、デューティ比はＯＮ
時間幅が最大の５０％前後から１０％程度までの間で小
さくなり、反対にＯＦＦ時間が５０％前後から９０％程
度迄の間で大きくなる。

【０００９】このように、従来例で試みられたデューテ
ィ制御を利用した大電力の供給を可能ならしめる回路で
は、ＰＷＭ制御用ＩＣ１の出力１７、出力１８から供給
されるプッシュプル信号が、例えば出力１７の信号幅が
縮小して、出力１８の信号幅が、前記出力１７の縮小幅
に応じて増大すれば、複数のスイッチングトランジスタ
の出力では、各々スイッチング幅の異なる信号波形を得
ることが可能となるので、波形割れが生じたり、また複
数以上の周波数が発生したり、この為にスイッチングト
ランジスタやコイルが異常に発熱するといったような不
備が発生することもない。

【００１０】しかし電源電圧の変化時、あるいは輝度調
整を実施するには、前記したようにデューティ比のＯＮ
時間を１０％程度まで縮小することにより、機能させな
ければならないので、この場合前記の従来回路では、複
数のスイッチングトランジスタの出力には、それぞれの
ＯＮ時間とＯＦＦ時間の差時間により生じる複数の高周
波波形が発生する。

【００１１】平均的な圧電インバータが用いる、ドライ
ブ周波数８０ＫＨｚの時の１波長は約１２．５μＳで、
例えばこのときのＯＮ時間のデューティを３０％で、Ｏ
ＦＦ時間のデューティが７０％の時には、デューティ比
を変化させるとイレギュラーな波形割れが生じて、前記
１波長の間に順に５３０ＫＨｚ程度の波と、９５ＫＨｚ
程度の波と、５３０ＫＨｚ程度の波の３つの周波数成分
の波のスイッチングが同時に行われる。この為それぞれ
のスイッチングトランジスタと昇圧コイルが、異常に発
熱するという不備が生じていた。

【００１２】本発明はこのような従来例で試みられた、
デューティ制御を利用した大電力の供給を可能ならしめ
る圧電トランスを用いた圧電インバータのもつ前記欠点
を改善して、バースト調光方式等の雑音源となる制御方
式によらない、実用的な信頼性の高い圧電トランス駆動
装置を得るために、新しい構成と特性を有する圧電トラ
ンス駆動装置を提供することを目的としたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によって成る圧電トランスを用いた放電管点
灯駆動装置は、パルス幅変調モードで動作するＰＷＭ制
御ＩＣを用いて、一対のＮ型及びＰ型のスイッチングト
ランジスタを駆動する信号が、一方（Ｎ型）のＯＮ時間
に対して、他方（Ｐ型）のＯＦＦ時間が若干長く、常に
オーバーラップするよう構成され、また逆動作時には一
方（Ｐ型）のＯＮ時間に対して、他方（Ｎ型）のＯＦＦ
時間が若干長く、常にオーバーラップするよう構成され
て、前記Ｎ型とＰ型のスイッチングトランジスタは、決
して同時にＯＮする事が無いように構成されている。

【００１４】換言すれば、Ｎ型スイッチングトランジス
タのＯＮ時間に対して、Ｐ型スイッチングトランジスタ
のＯＦＦ時間が若干長く、常にオーバーラップするよう
に構成されており、逆動作の時は前記Ｐ型のＯＮ時間に
対して、前記Ｎ型のＯＦＦ時間が若干長く、常にオーバ
ーラップするように構成されている。

【００１５】また圧電トランス駆動装置は、パルス幅変
調モードで動作するＰＷＭ制御ＩＣを用いて、一対のＮ
型及びＰ型のスイッチングトランジスタを駆動する信号
が、一方（Ｎ型）のＯＮ時間に対して、他方（Ｐ型）の
ＯＦＦ時間が若干長く、常にオーバーラップするよう構
成され、また逆動作時には一方（Ｐ型）のＯＮ時間に対
して、他方（Ｎ型）のＯＦＦ時間が若干長く、常にオー
バーラップするよう構成された前記信号が、１次巻線と
２次巻線から成るフライバックトランスで昇圧されて、
圧電トランスに印加されることを特徴とする。

【００１６】さらに前記圧電トランス駆動装置は、パル
ス幅変調モードで動作するＰＷＭ制御ＩＣを用いて、一
対のＮ型及びＰ型のスイッチングトランジスタを駆動す
る信号が、一方（Ｎ型）のＯＮ時間に対して、他方（Ｐ
型）のＯＦＦ時間が若干長く、常にオーバーラップする
よう構成され、また逆動作時には一方（Ｐ型）のＯＮ時
間に対して、他方（Ｎ型）のＯＦＦ時間が若干長く、常
にオーバーラップするよう構成された前記信号が、１次
巻線と２次巻線から成るフライバックトランスで昇圧さ
れて、後続の共振トランスと共振コンデンサーから成る
共振回路でサイン波変換されて、圧電トランスに印加さ
れることを特徴とする。

【００１７】前記構成を用いることにより、これまで個
別に行われてきた圧電トランス単体レベルの、例えば積
層化等の昇圧比アップの考案が不要となり、本発明によ
るフライバック方式の昇圧手段を用いて、高効率の圧電
トランス駆動が始めて可能になったものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を、実施例に基
づき図面を参照して説明する。図１に示すように、本発
明によって成る圧電トランス駆動装置の駆動回路は、制
御部が１６ピン構成から成るＰＷＭ制御用ＩＣ１から構
成される、発振器付きのパルス幅変調用コントロール集
積回路を用いている。従来の圧電セラミックスからなる
圧電トランスを、ＰＷＭ（パルス・ウェーブ・モジュレ
ーション）制御すると、特にバースト制御方式等ではパ
ルス幅あるいはスイッチング周波数や波形の立ち上が
り、立ち下がり時のスイッチングノイズ及びバースト幅
等により、可聴音のピィー音、パチパチ音と呼ばれる異
音の発生が伴い、このため前記ＰＷＭ制御を用いた実用
回路でのドライブは不可能とされてきた。

【００１９】本発明では、制御部で得た５Ｖあるいは８
Ｖから１６Ｖ程度の微小信号を、後続の増幅回路（昇圧
回路）で増幅（昇圧）するのに、１次巻線と２次巻線か
ら構成されるフライバックトランス２の、１次巻線の巻
始め端子から電源を供給し、複数のスイッチングトラン
ジスタ３及び４の出力に接続された、前記フライバック
トランス２の１次巻線と磁気結合された２次巻線にスイ
ッチング周波数の電圧が誘導されて、出力電流は共振ト
ランス５を介して圧電トランス７に供給される。共振コ
ンデンサ６は、圧電トランス７の１次側静電容量と並列
に接続されている。

【００２０】前記圧電トランス７と、一般にチョークコ
イルと呼ばれる共振トランス５及び共振コンデンサ６な
どから構成される共振回路が共振すれば、共振コンデン
サ６の両端にはＱ倍の最大電気的共振した正弦波の高電
圧が発生し、圧電セラミックトランス７のそれぞれの電
極に印加される。このため共振周波数近傍の周波数を印
加された圧電トランスは、最大効率で励振されて、出力
部に高電圧を発生して、放電管８に電力を供給する。

【００２１】次に、放電管８の低圧側には、電流検出用
の抵抗９を介してＧＮＤに電流が流れるが、前記抵抗９
の両端には電圧が発生する。この電圧をダイオードを用
いて（図示せず）整流を行い直流に変換している。この
発生した電圧をフィードバック信号としてＰＷＭ制御用
ＩＣ１にフィードバックしている。前記ＩＣ１の５番ピ
ンには設計時に定められた電圧が設定されていて、ＩＣ
１にフィードバックしている前記フィードバックされた
電圧がこの設定値より低ければ、スイッチングトランジ
スタ３及び４のＯＮ時間を長く設定し、出力が増大する
方向に働き、反対に設定値よりフィードバック信号が高
ければ、スイッチングトランジスタ３及び４のＯＮ時間
を短くし、出力が減少する方向に働く（パルス幅変調制
御）、前記の設定値とフィードバック信号の電圧がほぼ
同等になった点で安定する。

【００２２】設定値は可変抵抗（図示せず）等で値が変
えられるようになっており、またオートボリュウム等を
用いてコンピュータからの指令で、放電管の輝度を連続
的に変化させることが可能である。調光時のＰＷＭ制御
用ＩＣ１の制御部の出力は、例えば５０ＫＨｚのドライ
ブでは、１波長が２０μＳで、半波長が１０μＳとな
り、最大輝度時のデューティ比は、ＯＮ時間５０％対Ｏ
ＦＦ時間５０％である。調光時のデューティ比は負荷に
より変化するが、冷陰極放電管等の負荷では、デューテ
ィ比がＯＮ時間１０％対ＯＦＦ時間９０％で、１／１０
程度の調光特性が得られた。

【００２３】またスイッチングの周波数を決定するの
は、ＰＷＭ制御用ＩＣ１の１４番ピンに接続されたタイ
ミングコンデンサ１０と、１５番ピンに接続されたタイ
ミング抵抗１１との比率で原発振の周波数が決定され
る。このスイッチング周波数は、後続の圧電トランス７
をドライブする周波数で発振するように設計されてい
る。

【００２４】フライバックトランス２の１次巻線の巻終
わりと、スイッチングトランジスタ３のソース、及びス
イッチングトランジスタ４のドレインを結合しているリ
セットコンデンサ１２は、比較的大きい容量値（２μ
Ｆ）を用いることにより、前記リセットコンデンサー１
２の両端に定常電圧を許容して、スイッチングトランジ
スタ３のＯＮ直後の、フライバックトランスに発生する
磁化電流と前記トランスのコアフラックス（鉄心磁束）
が、前記リセットコンデンサ１２が許容する直流電圧に
よって、リセット（キックバックキャンセル）される効
果を得るので、波形割れや、インパルス等のスイッチン
グノイズを生じることがない。

【００２５】

【発明の効果】これまで使用されてきた複数のオートト
ランス等の中間タップに、プッシュプル回路のスイッチ
ング素子を接続して得る片波正弦波出力の、それぞれの
足し合わせ方式の出力回路は、変換効率が８０％前後が
限界となっていた。これはトランジスタ等のスイッチン
グ素子のオフ時に、コイルに蓄積されたエネルギーが、
キックバックの形で放出されて作用するためで、前記ト
ランジスタ等のスイッチング素子が停止時に負荷に電力
を供給するという原理のため、大電力あるいは高効率を
得ることは難しかった。本発明による新規な駆動方式と
高昇圧手段を用いることにより、９０％程度の高効率
と、１０Ｗ程度の大電力駆動を実現した。

【００２６】また、前記オートトランスを用いた圧電ト
ランス駆動装置では、その昇圧比が電源電圧の６倍程度
が最大倍率となるので、５Ｖ電源等では、３０Ｖ程度の
電圧しか得ることができず、目標特性を得ることが困難
であったが、本発明による新規な駆動方式と高昇圧手段
を用いることにより、最大で５０倍程度の電圧昇圧が可
能となった。

【００２７】また従来から個別に、圧電トランス単体レ
ベルの昇圧比アップの幾つかの技術と、圧電トランスの
積層化等の考案が行われてきたが、特筆すべき構成は得
られずにあった。

【００２８】本発明による新規な駆動方式と高昇圧手段
を用いることにより、圧電トランスの構成を選ぶことな
く、いずれの圧電トランスでも高効率でかつ大電力駆動
することが可能となったなど、実用レベルにおける多く
の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によって成る放電管の点灯駆動に用いる
圧電トランス駆動装置の回路図である。

【符号の説明】

１ＰＷＭ制御ＩＣ２フライバックトランス３、４スイッチングトランジスタ５共振トランス６共振コンデンサ７圧電トランス８放電管９電流検出抵抗１０タイミングコンデンサ１１タイミング抵抗１２リセットコンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電管の点灯駆動に用いる圧電トランス
駆動装置において、パルス幅変調モードで動作するＰＷ
Ｍ制御ＩＣを用いて、一対のＮ型及びＰ型のスイッチン
グトランジスタを駆動する信号が、一方（Ｎ型）のＯＮ
時間に対して、他方（Ｐ型）のＯＦＦ時間が若干長く、
常にオーバーラップするよう構成され、また逆動作時に
は一方（Ｐ型）のＯＮ時間に対して、他方（Ｎ型）のＯ
ＦＦ時間が若干長く、常にオーバーラップするよう構成
されて成ることを特徴とする圧電トランス駆動装置。
【請求項２】放電管の点灯駆動に用いる圧電トランス
駆動装置において、パルス幅変調モードで動作するＰＷ
Ｍ制御ＩＣを用いて、一対のＮ型及びＰ型のスイッチン
グトランジスタを駆動する信号が、一方（Ｎ型）のＯＮ
時間に対して、他方（Ｐ型）のＯＦＦ時間が若干長く、
常にオーバーラップするよう構成され、また逆動作時に
は一方（Ｐ型）のＯＮ時間に対して、他方（Ｎ型）のＯ
ＦＦ時間が若干長く、常にオーバーラップするよう構成
された前記信号が、１次巻線と２次巻線から成るフライ
バックトランスで昇圧されて、圧電トランスに印加され
ることを特徴とする圧電トランス駆動装置。
【請求項３】放電管の点灯駆動に用いる圧電トランス
駆動装置において、パルス幅変調モードで動作するＰＷ
Ｍ制御ＩＣを用いて、一対のＮ型及びＰ型のスイッチン
グトランジスタを駆動する信号が、一方（Ｎ型）のＯＮ
時間に対して、他方（Ｐ型）のＯＦＦ時間が若干長く、
常にオーバーラップするよう構成され、また逆動作時に
は一方（Ｐ型）のＯＮ時間に対して、他方（Ｎ型）のＯ
ＦＦ時間が若干長く、常にオーバーラップするよう構成
された前記信号が、１次巻線と２次巻線から成るフライ
バックトランスで昇圧されて、後続の共振トランスと共
振コンデンサーから成る共振回路でサイン波変換され
て、圧電トランスに印加されることを特徴とする圧電ト
ランス駆動装置。