JP2001086758A - 圧電トランスの駆動方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力電圧レベル、負荷、温度等の変化に関わ
りなく最大の変換効率で駆動可能若しくは比較的高い出
力電圧を供給可能な圧電トランスの駆動方法及びその装
置を提供する。 【解決手段】 周波数ｆcの駆動用交流信号Ｖ１を搬送
波として周波数ｆsの変調用交流信号Ｖ３によって駆動
用交流信号の周波数を変調して圧電トランス１０の１次
側に入力し、圧電トランス１０の１次側に入力される交
流信号Ｖ７の電圧における周波数ｆs成分と電流におけ
る周波数ｆs成分の位相差を交流信号Ｖ１６として検出
し、交流信号Ｖ１６と変調用交流信号Ｖ３とを乗算して
得られた交流信号Ｖ１７の直流成分Ｖ２のレベルが常時
ほぼ０になるようにＶＣＯ２１によって周波数ｆcを変
化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流−直流電源、
交流−直流電源、直流−交流電源等の電源装置に使用さ
れる圧電トランスの駆動方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電トランスは、例えばチタン酸バリウ
ムやジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミッ
クス等の圧電材料を使用した変圧素子である。

【０００３】この圧電トランスの基本構造は、上記圧電
材料の薄長板からなる圧電振動体、または圧電材料の薄
長板を積層した構造を有する圧電振動体の厚み方向に入
力電圧を印加して機械的振動を励起させる１次側電極を
付設した駆動部と、この機械的振動を電圧に変換して取
り出す２次側電極を付設した発電部とからなる。

【０００４】上記圧電トランスは、従来の電磁トランス
に比べて小型であるため、高電圧発生素子或いは電源用
変圧素子として、液晶のバックライト電源、空気清浄
器、オゾン発生器やコピー機等に多用されている。

【０００５】図１は圧電トランスの典型である、いわゆ
るローゼン型圧電トランスを示す斜視図である。図１に
おいて、ローゼン型圧電トランス１０は、圧電材料から
なる薄長板状のシートを積層した構造をなす圧電振動体
７と、圧電振動体７の厚み方向に対向して１次側電極８
ａ，８ｂを付設した駆動部１１と、圧電振動体７の一端
面に２次側電極９を付設した発電部１２とから構成され
ている。

【０００６】上記構成により、１次側電極８ａ，８ｂ間
に交流入力電圧Ｖinを印加して機械的振動を駆動部１１
に励起させ、２次側電極９に交流出力電圧Ｖoutが得ら
れる（Ｒoは負荷抵抗）。尚、図中の矢印は分極方向を
示す。

【０００７】上記圧電トランスは、その内部に抵抗成
分、容量成分、誘導成分を含み、等価的に共振回路を構
成する。このため、従来、この等価共振回路における共
振周波数で駆動すれば効率よく電力を取り出すことがで
き、高い出力電圧（電力）を得ることができると考えら
れていた。

【０００８】ところで、前述した圧電トランスの共振周
波数は、入力電圧レベル、負荷、温度等の条件により変
化する。従って、圧電トランスの性能を引き出すために
は、この共振周波数の変化に追従させて駆動周波数を変
化させる必要がある。しかし、一般に、動作中の回路素
子の共振周波数を直接検出することは困難であるため、
例えば特開昭６１−２２０３８６号公報に開示されるよ
うに、入力電圧の位相と入力電流の位相を検出し、これ
らが等しくなるように、又は一定の位相差となるように
駆動周波数を制御することにより、共振周波数の変化に
駆動周波数を追従させていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電ト
ランスでは、入力電圧レベル、負荷、温度等が変化する
と、これに伴って共振周波数における位相差自体も変化
してしまうため、入力電圧と入力電流が一定の位相差と
なるように駆動周波数を制御しても、常に効率よく電力
を取り出すことは困難であるという問題があった。

【００１０】例えば、図２に示すように、入力電圧レベ
ル及び温度を一定値に設定し、負荷抵抗Ｒoとして１０
ｋΩ、５０ｋΩ、１００ｋΩ、５００ｋΩ、１ＭΩをそ
れぞれ用いたときの、入力電圧と入力電流との位相差θ
inの周波数特性はそれぞれ異なる特性となる。これと同
様に、入力電圧レベルや温度等が変化しても上記位相差
θinの周波数特性は変化する。

【００１１】また、本出願人は上記入力電圧と入力電流
の位相差が極大値となる周波数の交流信号によって圧電
トランスを駆動することにより最大効率が得られること
をつきとめた（特願平１１−１１４８３４号）。実際の
測定結果を図３に示す。図３において、横軸は圧電トラ
ンス１０の１次側に入力する交流信号の周波数を表す。
また、縦軸は圧電トランス１０の１次側に入力する交流
信号の電圧と電流の比（入力インピーダンスＺin）、１
次側入力電圧と２次側出力電圧の比（昇圧比ＩＶＲ）、
１次側入力電力と２次側出力電力の比（効率η）、及び
１次側入力電圧と１次側入力電流の位相差（位相差θi
n）を表している。

【００１２】この実測結果が示すように、１次側入力電
圧と電流の位相差θinが極大値を示す周波数で圧電トラ
ンス１０を駆動すると、最大効率が得られる。

【００１３】しかし、前述したように入力電圧レベル、
負荷、温度等が変化すると、これに伴って１次側入力電
圧と入力電流の位相差自体も変化してしまうため、入力
電圧と入力電流の位相差が極大値を維持するように駆動
周波数を制御することが難しかった。

【００１４】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、入力
電圧レベル、負荷、温度等の変化に関わりなく最大の変
換効率で駆動可能若しくは比較的高い出力電圧を供給可
能な圧電トランスの駆動方法及びその装置を提供するこ
とにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、１次側に入力された交流信号の電圧或い
は電流若しくはその両方を変換して２次側から取り出す
圧電トランスの駆動方法において、第１周波数の駆動用
交流信号を搬送波として第２周波数の変調用交流信号に
よって前記駆動用交流信号の周波数を変調し、該変調さ
れた駆動用交流信号を前記圧電トランスの１次側に入力
し、前記圧電トランスの１次側に入力される交流信号の
電圧と電流の位相差を交流信号として検出し、該交流信
号と前記変調用交流信号とを乗算し、該乗算によって得
られた乗算交流信号の直流成分を検出し、該直流成分の
レベルが常時ほぼ０になるように前記第１周波数を変化
する圧電トランスの駆動方法を提案する。

【００１６】該駆動方法の動作原理は以下の通りであ
る。

【００１７】即ち、圧電トランスへの入力電圧と入力電
流の位相差が極大値となる周波数の交流信号によって圧
電トランスを駆動することにより最大効率が得られるの
で、前記駆動用交流信号の周波数（第１周波数）ｆcを
変化量とし、この変化量ｆcに対して、前記圧電トラン
スの１次側に入力される交流信号の電圧と電流の位相差
Ｉ(ｆc)が図４に示すように変動すると考えると、一般
的な極大値検出制御においては、Ｉ(ｆc)を最大値に保
つように、駆動用交流信号の周波数ｆcの値を設定する
ことが必要になる。

【００１８】この場合、次の（１）式乃至（３）式を満
たす周波数ｆcoで前記圧電トランスの１次側に入力され
る交流信号の電圧と電流の位相差Ｉ(ｆco)は極大値をと
る。

【００１９】 ｄＩ(ｆc)／ｄｆc＝０ ｆc＝ｆco …（１） ｄＩ(ｆc)／ｄｆc＞０ ｆc＜ｆco …（２） ｄＩ(ｆc)／ｄｆc＜０ ｆc＞ｆco …（３） ここで、次の（４）式で表されるように、第１周波数ｆ
cの交流信号を搬送波として第２周波数ｆsの交流信号で
変調する。このとき周波数が時間軸上でほぼ正弦波状に
変化するように変調する。

【００２０】 ｆ(ｔ)＝ｆc±Δｆ＝ｆc＋ｆd・cosωt …（４） ここで、ｆcに比べてｆdが微少なとき、ｆc−ｆd＜ｆ
(ｔ)＜ｆc＋ｆdの範囲内で、Ｉ(ｆc)が線形であるとす
ると、Ｉ(ｆc)を次の（５）式及び（６）式で表すこと
ができる。

【００２１】 Ｉ(ｆc)＝ａ・ｆ(ｔ)＋ｂ ｆc≦ｆco …（５） Ｉ(ｆc)＝−ａ・ｆ(ｔ)＋ｂ ｆc≧ｆco …（６） 従って、ｙ(ｔ)＝Ｉ(ｆc)とおくと、ｙ(ｔ)は、次の
（７）式及び（８）式で表される。

【００２２】 ｙ(ｔ)＝ａ・ｆc＋ｂ＋ａ・ｆd・cosωt ｆc≦ｆco …（７） ｙ(ｔ)＝−ａ・ｆc＋ｂ−ａ・ｆd・cosωt ｆc≧ｆco …（８） 次に、上記（７）式及び（８）式で、交流成分のみを考
えると、次の（９）式及び（１０）式で表される。

【００２３】 ｙ_ac(ｔ)＝ａ・ｆd・cosωt ｆc≦ｆco …（９） ｙ_ac(ｔ)＝−ａ・ｆd・cosωt ｆc≧ｆco …（１０） これらの（９）式及び（１０）式を１つにまとめると、
次の（１１）式となる。

【００２４】 ｙ_ac(ｔ)＝ａ・ｆd・cos（ωt−θ） …（１１） ここで、ｆc≦ｆcoのときθ＝０、ｆc≧ｆcoのときθ＝
πである。

【００２５】ｆc≧ｆcoの状態では入力信号に対して、
ｙ_ac(ｔ)が反転することがわかる。この性質を利用し
て、圧電トランスへの入力信号の交流成分ｘ_ac(ｔ)と位
相差Ｉ(ｆco)における交流成分ｙ_ac(ｔ)を乗算すること
によって、極大値を保持する制御が可能となる。即ち、
これらを乗算すると、次の（１２）式で表される。

【００２６】 ｘ_ac(ｔ)・ｙ_ac(ｔ)＝ｆd・cosωt・ａ・ｆd・cos（ωt−θ） ＝ａ・ｆd²[cosθ＋cos（２ωt−θ）]／２ …（１２） この乗算によって得られた乗算交流信号を例えばローパ
スフィルタ等を通過させて直流成分を抽出すると、この
直流成分は上記（１２）式の第１項成分、即ち｛（ａ・
ｆd²cosθ）／２｝のみになる。ここで、定数ａは、Ｉ
(ｆc)が極大値に近づくにつれて０に近づくので、周波
数ｆcに対する第１項成分の変動は、図５のように予想
される。

【００２７】従って、上記第１項成分｛（ａ・ｆd²cos
θ）／２｝が０になるように、駆動用交流信号の周波数
ｆcの値を制御すれば、位相差Ｉ(ｆc)を常に極大値に保
持することができる。

【００２８】また、前述したように圧電トランスの入力
電圧−入力電流位相差が、極大（最小）値を持つことが
測定で得られており、この極大値を取る点において効率
が最大となる。圧電トランスを上記方法によって駆動す
ることにより、常に効率最大点を保持して駆動すること
ができる。

【００２９】また、本発明は、前記圧電トランスの１次
側に入力される交流信号の電圧及び電流のそれぞれに応
じた交流信号を矩形波信号に変換し、これらの位相差成
分を矩形波信号として得た後に正弦波状の交流信号とな
すことにより、位相差を正確に検出できるようにした。

【００３０】さらに、本発明は、前記駆動用交流信号を
前記変調用交流信号によって周波数変調又は周波数偏移
変調することにより容易に実施可能とした。

【００３１】また、本発明は、上記の駆動方法を容易に
実現するための駆動装置として、１次側に入力された交
流信号の電圧或いは電流若しくはその両方を変換して２
次側から取り出す圧電トランスの駆動装置において、制
御信号に基づく第１周波数の駆動用交流信号を発生する
駆動用交流信号発生手段と、第２周波数を有する正弦波
状の変調用交流信号を発生する変調用交流信号発生手段
と、前記駆動用交流信号を搬送波として前記変調用交流
信号によって前記駆動用交流信号を変調し、該変調され
た駆動用交流信号を前記圧電トランスの１次側に入力す
る変調手段と、前記圧電トランスの１次側に入力される
交流信号の電圧と電流の位相差を検出して交流信号とし
て出力する位相差検出手段と、該位相差検出手段によっ
て出力される交流信号と前記変調用交流信号とを乗算し
た交流信号を出力する乗算手段と、該乗算手段から出力
される乗算交流信号の直流成分を検出して直流信号を出
力する直流分検出手段と、該直流分検出手段から出力さ
れる直流信号のレベルが常時ほぼ０になるように前記第
１周波数を変化する前記制御信号を出力する周波数制御
手段とを備えた圧電トランスの駆動装置を構成した。

【００３２】さらに、本発明は、位相差の検出を正確に
行うための構成として、前記位相差検出手段の構成を、
前記圧電トランスの１次側に入力される交流信号の電圧
に応じた交流信号のみを矩形波信号に変換する第１変換
手段と、前記圧電トランスの１次側に入力される交流信
号の電流に応じた交流信号のみを矩形波信号に変換する
第２変換手段と、前記第１変換手段から出力される矩形
波信号と前記第２変換手段から出力される矩形波信号の
位相差成分を矩形波信号として出力する差成分検出手段
と、該差成分検出手段から出力される矩形波信号を正弦
波状の交流信号に変換して出力する第３変換手段とを有
する構成とした。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施形態を説明する。

【００３４】図６は、本発明の第１の実施形態における
圧電トランス駆動装置の構成を示すブロック図である。
図において、２０は圧電トランス駆動装置で、搬送波発
生用の電圧制御発振回路（以下、ＶＣＯと称する）２
１、変調部２２、電圧位相検出部２３、電流位相検出部
２４、位相差検出部２５、アナログ乗算器２６、及び低
域通過型フィルタ（以下、ＬＰＦと称する）２７から構
成されている。この駆動装置２０によって前述した従来
例と同様の圧電トランス１０が駆動され、圧電トランス
１０の２次側に負荷として接続された放電灯３０が点灯
される。

【００３５】ＶＣＯ２１は、周波数ｆcの正弦波交流信
号Ｖ１を出力すると共に、制御信号としてＬＰＦ２７か
ら入力する直流電圧Ｖ２がほぼ０Ｖになるように交流信
号Ｖ１の周波数ｆcを変化する。ここで、ＶＣＯ２１が
出力する交流信号Ｖ１の周波数ｆcは、例えば５５ｋＨ
ｚ〜７５ｋＨｚ程度の周波数帯に設定されている。

【００３６】変調部２２は、正弦波発生器２２１、周波
数変調器（以下、ＦＭ変調器と称する）２２２、コンパ
レータ２２３、駆動回路２２４、正弦化フィルタ２２５
から構成されている。

【００３７】正弦波発生器２２１は、周波数ｆsの正弦
波交流信号Ｖ３を発生する。本実施形態では、周波数ｆ
sを、例えば５００Ｈｚに設定した。

【００３８】ＦＭ変調器２２２は、ＶＣＯ２１から出力
される正弦波交流信号Ｖ１を搬送波として、この搬送波
を正弦波発生器２２１から出力される正弦波交流信号Ｖ
３によって周波数変調し、交流信号Ｖ４として出力す
る。

【００３９】コンパレータ２２３は、ＦＭ変調器２２２
から出力される交流信号Ｖ４を０Ｖをしきい値として２
値化し、矩形波信号Ｖ５として出力する。

【００４０】駆動回路２２４は、スイッチング動作して
矩形波信号Ｖ５を交流信号Ｖ６として出力する回路であ
る。例えば、周知の電力増幅回路や矩形波信号Ｖ５を制
御信号としたインバータ回路（ＤＣ・ＡＣ変換回路）
等、或いはＮｃｈのＦＥＴとＰｃｈのＦＥＴを用いたコ
ンプリメンタリ型のプッシュプル回路又は同種の２つの
ＦＥＴを用いたダブルエンド型のプッシュプル回路等を
用いることができる。

【００４１】正弦化フィルタ２２５は、駆動回路２２４
から出力された交流信号Ｖ６を正弦波状の交流信号Ｖ７
として出力する。この交流信号Ｖ７が圧電トランス１０
の１次側の一方の電極８ａに印加される。

【００４２】例えば、図７に示すように、駆動回路２２
４として、駆動パルス生成回路３１１とコンプリメンタ
リ型のプッシュプル回路３１２（フルブリッジ回路）を
使用し、正弦化フィルタ２２５としてインダクタを使用
しても良い。

【００４３】図７の回路では、コンパレータ２２３の出
力信号（図１０中のＶ５）が駆動回路２２４の駆動パル
ス生成回路３１１に入力される。駆動パルス生成回路３
１１から出力されるパルス信号Ｇate1，Ｇate2は、それ
ぞれコンプリメンタリ型のプッシュプル回路３１２のＰ
チャネルＦＥＴ３１２ａのゲート、ＮチャネルＦＥＴ３
１２ｂのゲートに供給される。プッシュプル回路３１２
の出力信号は、正弦化フィルタ２２５を成すインダクタ
を介して圧電トランス１０の１次側の一端８ａに供給さ
れる。

【００４４】駆動パルス生成回路３１１は、入力された
信号から、図８に示すようなパルスＧate1と、パルスＧ
ate1に似た波形のパルスＧate2とを生成する。この２つ
のパルスはＰチャネルＦＥＴ３１２ａとＮチャネルＦＥ
Ｔ３１２ｂとを交互に切り替えると共に、貫通電流防止
のために、ＰチャネルＦＥＴ３１２ａとＮチャネルＦＥ
Ｔ３１２ｂの双方がオフ状態になる期間（デッドタイム
Ｔｄ）を設けている。

【００４５】また、例えば、図９に示すように、駆動回
路２２４として、駆動パルス生成回路３１３とダブルエ
ンド型のプッシュプル回路３１４（ハーフブリッジ回
路）を使用し、正弦化フィルタ２２５としてインダクタ
を使用しても良い。

【００４６】駆動パルス生成回路３１３は、図１０に示
すように、パルスＧate1'、パルスＧate2'を生成する。
即ち、パルスＧate1'はパルスＧate2'を反転させた波形
に似たパルスであり、パルスＧate1'はチャージポンプ
回路３１５を介して電源側のＮチャネルＦＥＴ３１４ａ
のゲートに供給される。また、パルスＧate2'はグラン
ド側のＮチャネルＦＥＴ３１４ｂのゲートに供給され
る。デッドタイムＴｄを設けるのは、コンプリメンタリ
型プッシュプル回路の場合と同じである。

【００４７】チャージポンプ回路３１５は、駆動パルス
生成回路３１３の出力であるパルスＧate1'のハイレベ
ルと、プッシュプル回路３１４の電源電圧Ｖccとの電圧
が違うので、パルスＧate1'のハイレベルを電源電圧Ｖc
cに近いレベルにレベルシフトするための回路である。
即ち、グランド側のＦＥＴ３１４ｂがオンの場合、電源
側のＦＥＴ３１４ａのソース電圧が低くなるので、ゲー
ト電圧を低くしてオフの状態にする必要がある。また、
グランド側のＦＥＴ３１４ｂがオフの場合、電源側のＦ
ＥＴ３１４ａのソース電圧が高くなるので、ゲート電圧
を電源電圧Ｖcc程度に高くしてオン状態にする必要があ
る。このため、ゲート電圧を好適にする方法として、チ
ャージポンプ回路３１５を用いている。

【００４８】チャージポンプ回路３１５の一例として
は、図１１に示すようにＮＯＴ回路３１５ａ、スイッチ
ング素子３１５ｂ，３１５ｃ、抵抗器３１５ｄ，３１５
ｅ、コンデンサ３１５ｆから構成される回路を挙げるこ
とができる。

【００４９】また、駆動回路２２４として、例えば図１
２に示すように、駆動パルス生成回路３１６と２つのコ
ンプリメンタリ型プッシュプル回路３１７，３１８から
なるフルブリッジ回路３１９を使用し、正弦化フィルタ
２２５としてインダクタを使用しても良い。

【００５０】駆動パルス生成回路３１６は、図１３に示
すように、パルスＧate1、パルスＧate2とパルスＧate
3、パルスＧate4を生成する。パルスＧate1、パルスＧa
te2は、上記図７のパルスと同様である。また、パルス
Ｇate3はパルスＧate1と同じタイミングの信号であり、
パルスＧate4はパルスＧate2と同じタイミングの信号で
ある。

【００５１】これらのパルス信号は、各プッシュプル回
路３１７，３１８のＰチャネルＦＥＴ３１７ａ，３１８
ａとＮチャネルＦＥＴ３１７ｂ，３１８ｂとを交互に切
り替えると共に、貫通電流防止のために、ＰチャネルＦ
ＥＴ３１７ａ，３１８ａとＮチャネルＦＥＴ３１７ｂ，
３１８ｂの双方がオフ状態になる期間（デッドタイム）
を設けている。

【００５２】パルスＧate1，Ｇate2は、一方のコンプリ
メンタリ型プッシュプル回路３１７のＰチャネルＦＥＴ
３１７ａのゲート、ＮチャネルＦＥＴ３１７ｂのゲート
に供給され、パルスＧate3，Ｇate4は、他方のコンプリ
メンタリ型プッシュプル回路３１８のＰチャネルＦＥＴ
３１８ａのゲート、ＮチャネルＦＥＴ３１８ｂのゲート
に供給される。

【００５３】即ち、一方のコンプリメンタリ型プッシュ
プル回路３１７における電源側のＰチャネルＦＥＴ３１
７ａのゲートにパルスＧate1が供給され、グランド側の
ＮチャネルＦＥＴ３１７ｂのゲートにパルスＧate2が供
給される。また、他方のコンプリメンタリ型プッシュプ
ル回路３１８における電源側のＰチャネルＦＥＴ３１８
ａのゲートにパルスＧate3が供給され、グランド側のＮ
チャネルＦＥＴ３１８ｂのゲートにパルスＧate4が供給
される。

【００５４】また、一方のプッシュプル回路３１７の出
力信号は正弦化フィルタ２２５を成すインダクタを介し
て圧電トランス１０の１次側の一端８ａに供給され、他
方のプッシュプル回路３１８の出力信号は圧電トランス
の１次側の他端８ｂに供給される。

【００５５】尚、上記回路では正弦化フィルタ２２５を
インダクタによって構成したが、インダクタに限らずロ
ーパスフィルタ、バンドパスフィルタを使用して正弦化
フィルタ２２５を構成しても良い。

【００５６】電圧位相検出部２３は、低域通過型フィル
タ（ＬＰＦ）２３１とコンパレータ２３２から構成され
ている。ＬＰＦ２３１は圧電トランス１０の１次側電極
８ａに印加される交流信号Ｖ７の電圧における周波数ｆ
sを中心とした所定帯域の周波数を通過可能なフィルタ
で、周波数ｆsの高調波成分を除去できるものである。

【００５７】コンパレータ２３２は、ＬＰＦ２３１から
出力された交流信号Ｖ９を入力し、０Ｖをしきい値とし
て２値化し、矩形波信号Ｖ９として出力する。

【００５８】電流位相検出部２４は、抵抗器２４１、電
圧増幅器２４２、低域通過型フィルタ（ＬＰＦ）２４
３、コンパレータ２４４から構成されている。抵抗器２
４１は、圧電トランス１０の他方の１次側電極８ｂと接
地間に接続され、１次側電極８ａ，８ｂ間に流れる電流
を電圧Ｖ１０に変換して出力する。

【００５９】電圧増幅器２４２の入力端子は圧電トラン
ス１０の他方の１次側電極８ｂに接続され、抵抗器２４
１によって生成された電圧Ｖ１０を入力してこれを増幅
した電圧Ｖ１１を出力する。

【００６０】ＬＰＦ２４３は、電圧増幅器２４２から出
力される電圧Ｖ１１における周波数ｆsを中心とした所
定帯域の周波数を通過可能なフィルタで、周波数ｆsの
高調波成分を除去できるものである。

【００６１】コンパレータ２４４は、ＬＰＦ２４３から
出力された交流信号Ｖ１２を入力し、０Ｖをしきい値と
して２値化し、矩形波信号Ｖ１３として出力する。

【００６２】位相差検出部２５は、位相比較器２５１、
帯域通過型フィルタ（以下、ＢＰＦと称する）２５２、
及び増幅器２５３から構成されている。

【００６３】位相比較２５１は、例えば図１４に示すよ
うな排他的論理和回路４１から構成され、電圧位相検出
部２３から出力される矩形波信号Ｖ９と電流位相検出部
２４から出力される矩形波信号Ｖ１３を入力し、これら
の位相差を表す矩形波信号Ｖ１４を出力する。

【００６４】排他的論理和回路４１は、２入力のＮＡＮ
Ｄ回路４１１ａ，４１１ｂ，４１１ｃとＮＯＴ回路４１
２ａ，４１２ｂから構成されている。ＮＡＮＤ回路４１
１ａの一方の入力端子には矩形波信号Ｖ９がＮＯＴ回路
４１２ａによって反転された状態で入力され、他方の入
力端子には矩形波信号Ｖ１３が入力されている。また、
ＮＡＮＤ回路４１１ｂの一方の入力端子には矩形波信号
Ｖ９が入力され、他方の入力端子には矩形波信号Ｖ１３
がＮＯＴ回路４１２ｂによって反転された状態で入力さ
れている。ＮＡＮＤ回路４１１ｃの入力端子にはＮＡＮ
Ｄ回路４１１ａ，４１１ｂの出力信号が入力され、ＮＡ
ＮＤ回路４１１ｃは矩形波信号Ｖ１４を出力する。

【００６５】また、位相比較器２５１を、例えば図１５
に示すように位相差検出回路４２、チャージポンプ回路
４３、増幅回路４４から構成しても良い。この位相比較
器２５１としては、市販品のＩＣを用いることができ、
例えばモトローラ社のＭＣ４３４４、ＭＣ４０４４等を
使用できる。

【００６６】位相差検出回路４２は、２入力のＮＡＮＤ
回路４２１ａ〜４２１ｆ、４入力のＮＡＮＤ回路４２
２、３入力のＮＡＮＤ回路４２３ａ，４２３ｂから構成
され、矩形波信号Ｖ９と矩形波信号Ｖ１３を入力して、
ＮＡＮＤ回路４１３ａから矩形波信号ＰＵを出力し、Ｎ
ＡＮＤ回路４２３ｂから矩形波信号ＰＤを出力する。

【００６７】チャージポンプ回路４３は、ｎｐｎ型トラ
ンジスタ４３１ａ〜４３１ｅ、ダイオード４３２ａ〜４
３２ｃ、抵抗器４３３ａ〜４３３ｄから構成され、位相
差検出回路４２から入力した矩形波信号ＰＤ，ＰＵに基
づく位相差信号を増幅回路４４に出力する。

【００６８】増幅回路４４は、ダーリントン接続された
２つのｎｐｎ型トランジスタ４４１ａ，４４１ｂ、抵抗
器４４２ａ，４４２ｂ及びコンデンサ４４３から構成さ
れ、チャージポンプ回路４３から入力した矩形波信号を
増幅して矩形波信号Ｖ１４として出力する。

【００６９】尚、上記位相比較器２５１は、アナログ型
の位相比較器であっても良い。また、位相比較器２５１
においては、入力した２つの矩形波信号Ｖ９，Ｖ１３の
立ち上がりエッジの位相差のみを検出しても良いし、立
ち下がりエッジの位相差のみを検出しても良い。

【００７０】ＢＰＦ２５２は、位相比較器２５１から出
力された矩形波信号Ｖ１４を入力し、この信号における
周波数ｆs成分のみを通過させ、正弦波状の交流信号Ｖ
１５として出力する。

【００７１】増幅器２５３は、ＢＰＦ２５２から出力さ
れた交流信号Ｖ１５を増幅して交流信号Ｖ１６として出
力する。

【００７２】アナログ乗算器２６は、増幅器２５３から
出力される交流信号Ｖ１６と正弦波発生器２２１から出
力される交流信号Ｖ３とを入力し、これらの交流信号を
乗算した交流信号Ｖ１７を出力する。アナログ乗算器２
６の一例としては、例えば図１６に示す可変トランスコ
ンダクタンス形掛算器が知られている。図１６におい
て、５１ａ〜５１ｆはｎｐｎ型のトランジスタ、５２ａ
〜５２ｄは抵抗器である。

【００７３】ＬＰＦ２７は、アナログ乗算器２６から出
力される交流信号の直流成分のみを直流電圧Ｖ２として
通過させる。

【００７４】次に、前述の構成よりなる圧電トランス駆
動装置２０の動作を図１７乃至図２１を参照しながら説
明する。

【００７５】ＶＣＯ２１によって圧電トランス１０の駆
動用周波数を有する交流信号Ｖ１が発生される。この周
波数ｆcは、前述したように５５ｋＨｚ〜７５ｋＨｚ程
度の周波数帯に設定され、制御信号Ｖ２によってコント
ロールされている。

【００７６】交流信号Ｖ１はＦＭ変調器２２２において
周波数ｆsの交流信号Ｖ３によって周波数変調され、交
流信号Ｖ４として出力される。交流信号Ｖ４はコンパレ
ータ２２３によって矩形波信号Ｖ５に変化されて駆動回
路２２４に入力される。

【００７７】駆動回路２２４では、矩形波信号Ｖ５の周
期に同期し、且つ圧電トランス１０を駆動する電圧を有
した交流信号或いは交流の矩形波信号Ｖ６が生成され、
この信号Ｖ６は正弦化フィルタ２２５によって正弦波の
交流信号Ｖ７に変換され、圧電トランス１０の１次側電
極８ａに印加される。

【００７８】これにより、圧電トランス１０の２次側電
極９に高電圧が発生して放電灯３０が点灯する。

【００７９】図１８は、圧電トランス１０の１次側に印
加される電圧・電流信号波形Ｖ７，Ｖ１０、ＬＰＦ２３
１，２４３の出力信号波形Ｖ８，Ｖ１２、コンパレータ
２３２，２４４の出力信号波形Ｖ９，Ｖ１３、位相比較
器２５１の出力信号波形Ｖ１４、ＢＰＦ２５２の出力信
号波形Ｖ１５を示している。ここで、信号波形Ｖ８から
Ｖ１４は、説明のため時間軸を拡大して示している。

【００８０】一方、圧電トランス１０の１次側に印加さ
れる電圧の位相及び１次側を流れる電流の位相は、それ
ぞれ電圧位相検出部２３及び電流位相検出部２４によっ
て検出され、位相の状態を表す矩形波信号Ｖ９，Ｖ１３
として出力される。これらの矩形波信号Ｖ９，Ｖ１３は
位相比較器２５１に入力される。

【００８１】位相比較器２５１では、矩形波信号Ｖ９，
Ｖ１３の位相差に相当する部分が検出されて、これが矩
形波信号Ｖ１４として出力される。この矩形波信号Ｖ１
４はＢＰＦ２５２によって正弦波状の交流信号Ｖ１５と
して出力される。この交流信号Ｖ１５が、上記（１１）
式によって表されるｙ_ac(ｔ)＝ａ・ｆd・cos（ωt−
θ）に相当する。この交流信号Ｖ１５は、増幅器２５３
によって増幅されて交流信号Ｖ１６として出力される。

【００８２】交流信号Ｖ１６は、アナログ乗算器２６に
よって、正弦波発生器２２１から出力される交流信号Ｖ
３と乗算され、交流信号Ｖ１７として出力される。ここ
で、交流信号Ｖ３が前述した圧電トランス１０への入力
信号の交流成分ｘ_ac(ｔ)＝ｆd・cosωtに相当する信号
であり、交流信号Ｖ１６が前述した位相差Ｉ(ｆco)にお
ける交流成分ｙ_ac(ｔ)＝ａ・ｆd・cos（ωt−θ）に相
当する信号であり、交流信号Ｖ１７が、上記（１２）式
によって表されるｘ_ac(ｔ)・ｙ_ac(ｔ)＝ａ・ｆd²[cosθ
＋cos（２ωt−θ）]／２に相当する信号である。

【００８３】この交流信号Ｖ１７をＬＰＦ２７に入力す
ると、ＬＰＦ２７から直流成分のみが出力され、出力さ
れる直流電圧Ｖ２が上記（１２）式の第１項成分｛（ａ
・ｆd²cosθ）／２｝に相当する信号となる。

【００８４】ここで、図１９に示すように、位相差Ｉ
(ｆc)が極大値となる周波数ｆcoを境にして、第１領域
と第２領域では検出信号の位相が反転し、図５に示した
ように直流電圧Ｖ２は位相Ｉ(ｆc)が極大値となる周波
数ｆcoにおいて０Ｖになる。ＬＰＦ２７から出力される
直流電圧Ｖ２は、図２０及び図２１に示すように、第１
領域においては正の電圧であり（図２０）、第２領域に
おいては負の電圧となる（図２１）。

【００８５】また、ＶＣＯ２１は、直流電圧Ｖ２が０Ｖ
になるように出力する交流信号Ｖ１の周波数ｆcを制御
しているので、圧電トランス１０の１次側電極には、電
圧と電流の位相差が最大となる周波数ｆcoの交流信号が
常に印加される。従って、入力電圧レベル、負荷、温度
等の変化に関わりなく常に最大の変換効率が得られるよ
うに圧電トランス１０を駆動することができる。

【００８６】次に、本発明の第２の実施形態を説明す
る。

【００８７】図２２は、第２の実施形態の圧電トランス
駆動装置６０を示す構成図である。図において前述した
第１の実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表し
その説明を省略する。また、第１の実施形態と第２の実
施形態との相違点は、第１の実施形態における変調部２
２に変えて変調部６２を設け、アナログ乗算器２６に変
えてスイッチ回路６６を設けることにより、ＦＭ変調に
変えてＦＳＫ変調を用いたことにある。

【００８８】変調部６２は、矩形波発生器６２１、ＦＳ
Ｋ変調器６２２、駆動回路６２３、正弦化フィルタ６２
４から構成されている。

【００８９】矩形波発生器６２１は、周波数ｆsの矩形
波交流信号Ｖ２１を発生する。本実施形態では、周波数
ｆsを、例えば５００Ｈｚに設定した。

【００９０】ＦＳＫ変調器６２２は、ＶＣＯ２１から出
力される正弦波交流信号Ｖ１を搬送波として、この搬送
波を矩形波発生器６２１から出力される矩形波交流信号
Ｖ２１によって周波数偏移変調し、矩形波信号Ｖ２２と
して出力する。

【００９１】駆動回路６２３は、矩形波信号Ｖ２２を増
幅して交流信号Ｖ２３として出力する回路である。例え
ば、周知の電力増幅回路や、矩形波信号Ｖ２２を制御信
号としたインバータ回路（ＤＣ・ＡＣ変換回路）等を用
いることができる。

【００９２】正弦化フィルタ６２４は、駆動回路６２３
から出力された交流信号Ｖ２３を正弦波状の交流信号Ｖ
７として出力する。この交流信号Ｖ７が圧電トランス１
０の１次側の一方の電極８ａに印加される。

【００９３】スイッチ回路６６は、矩形波信号Ｖ２１に
よって切り替え制御され、矩形波信号Ｖ２１がハイレベ
ルのときにのみ入出力端子が導通状態とされて、位相差
検出部２５から出力された交流信号Ｖ１６を信号Ｖ１７
としてＬＰＦ２７に出力する。

【００９４】次に、前述の構成よりなる圧電トランス駆
動装置６０の動作を図２３乃至図２６を参照しながら説
明する。

【００９５】ＶＣＯ２１によって圧電トランス１０の駆
動用周波数を有する交流信号Ｖ１が発生される。この周
波数ｆcは、前述したように５５ｋＨｚ〜７５ｋＨｚ程
度の周波数帯に設定され、制御信号Ｖ２によってコント
ロールされている。

【００９６】交流信号Ｖ１はＦＳＫ変調器６２２におい
て周波数ｆsの矩形波信号Ｖ２１によって周波数偏移変
調され、矩形波信号Ｖ２２として出力される。矩形波信
号Ｖ２２は駆動回路６２３に入力される。

【００９７】駆動回路６２３では、矩形波信号Ｖ２２の
周期に同期し且つ圧電トランス１０を駆動する電圧を有
した交流信号或いは交流の矩形波信号Ｖ２３が生成さ
れ、この信号Ｖ２３は正弦化フィルタ６２４によって正
弦波の交流信号Ｖ７に変換され、圧電トランス１０の１
次側電極８ａに印加される。

【００９８】これにより、圧電トランス１０の２次側電
極９に高電圧が発生して放電灯３０が点灯する。

【００９９】図２４は、圧電トランス１０の１次側に印
加される電圧・電流信号波形Ｖ７，Ｖ１０、ＬＰＦ２３
１，２４３の出力信号波形Ｖ８，Ｖ１２、コンパレータ
２３２，２４４の出力信号波形Ｖ９，Ｖ１３、位相比較
器２５１の出力信号波形Ｖ１４、ＢＰＦ２５２の出力信
号波形Ｖ１５を示している。ここで、信号波形Ｖ８から
Ｖ１４は、説明のため時間軸を拡大して示している。

【０１００】一方、圧電トランス１０の１次側に印加さ
れる電圧の位相及び１次側を流れる電流の位相は、それ
ぞれ電圧位相検出部２３及び電流位相検出部２４によっ
て検出され、位相の状態を表す矩形波信号Ｖ９，Ｖ１３
として出力される。これらの矩形波信号Ｖ９，Ｖ１３は
位相比較器２５１に入力される。

【０１０１】位相比較器２５１では、矩形波信号Ｖ９，
Ｖ１３の位相差に相当する部分が検出されて、これが矩
形波信号Ｖ１４として出力される。この矩形波信号Ｖ１
４はＢＰＦ２５２によって正弦波状の交流信号Ｖ１５と
して出力される。この交流信号Ｖ１５が、上記（１１）
式によって表されるｙ_ac(ｔ)＝ａ・ｆd・cos（ωt−
θ）に相当する。この交流信号Ｖ１５は、増幅器２５３
によって増幅されて交流信号Ｖ１６として出力される。

【０１０２】交流信号Ｖ１６は、矩形波発生器６２１か
ら出力される矩形波信号Ｖ２１によって切り替え制御さ
れるスイッチ回路６６によって、交流信号Ｖ１７として
出力される。ここで、交流信号Ｖ２１が前述した圧電ト
ランス１０への入力信号の交流成分ｘ_ac(ｔ)＝ｆd・cos
ωtに相当する信号であり、交流信号Ｖ１６が前述した
位相差Ｉ(ｆco)における交流成分ｙ_ac(ｔ)＝ａ・ｆd・c
os（ωt−θ）に相当する信号であり、交流信号Ｖ１７
が、上記（１２）式によって表されるｘ_ac(ｔ)・ｙ
_ac(ｔ)＝ａ・ｆd²[cosθ＋cos（２ωt−θ）]／２に相
当する信号である。

【０１０３】この交流信号Ｖ１７をＬＰＦ２７に入力す
ると、ＬＰＦ２７から直流成分のみが出力され、出力さ
れる直流電圧Ｖ２が上記（１２）式の第１項成分｛（ａ
・ｆd²cosθ）／２｝に相当する信号となる。

【０１０４】ここで、図１９に示すように、位相差Ｉ
(ｆc)が極大値となる周波数ｆcoを境にして、第１領域
と第２領域では検出信号の位相が反転し、図５に示した
ように直流電圧Ｖ２は位相Ｉ(ｆc)が極大値となる周波
数ｆcoにおいて０Ｖになる。ＬＰＦ２７から出力される
直流電圧Ｖ２は、図２５及び図２６に示すように、第１
領域においては正の電圧であり（図２５）、第２領域に
おいては負の電圧となる（図２６）。第１領域及び第２
領域の何れか一方を使用するようにしても良い。

【０１０５】また、ＶＣＯ２１は、直流電圧Ｖ２が０Ｖ
になるように出力する交流信号Ｖ１の周波数ｆcを制御
しているので、圧電トランス１０の１次側電極には、電
圧と電流の位相差が最大となる周波数ｆcoの交流信号が
常に印加される。従って、入力電圧レベル、負荷、温度
等の変化に関わりなく常に最大の変換効率が得られるよ
うに圧電トランス１０を駆動することができる。

【０１０６】周波数ｆco以上の範囲のみ、または周波数
ｆco以下の範囲のみを使用しても良い。

【０１０７】尚、ＬＰＦ２７の出力Ｖ２にバイアス電圧
が加えられていても良い。この場合、直流電圧Ｖ２は上
述した０Ｖに対応するバイアス電圧に近づくように、Ｖ
ＣＯ２１の出力の交流信号Ｖ３の周波数はほぼ位相差Ｉ
（ｆc）が極大値となる周波数ｆcoになる。

【０１０８】また、前述した第１及び第２の実施形態
は、本発明の一具体例であり、本発明がこれらのみに限
定されることはない。

【０１０９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１乃
至請求項４記載の圧電トランスの駆動方法によれば、入
力電圧レベル、負荷、温度等の変化に関わりなく常に最
大の変換効率が得られるように圧電トランスを駆動する
ことができる。

【０１１０】また、請求項５乃至請求項８記載の圧電ト
ランスの駆動装置によれば、入力電圧レベル、負荷、温
度等の変化に関わりなく常に最大の変換効率が得られる
ように圧電トランスを駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ローゼン型圧電トランスの一例を示す構成図

【図２】圧電トランスの負荷の違いにおける入力電圧と
入力電流の位相差の周波数特性を示す図

【図３】圧電トランスの入力インピーダンス、昇圧比、
効率、位相差の周波数特性の実測結果を示す図

【図４】本発明の圧電トランス駆動方法の理論を説明す
る図

【図５】本発明の圧電トランス駆動方法の理論を説明す
る図

【図６】本発明の第１の実施形態における圧電トランス
駆動装置の構成を示すブロック図

【図７】本発明の第１の実施形態における駆動回路の構
成を示すブロック図

【図８】本発明の第１の実施形態における駆動回路の動
作を説明するタイミングチャート

【図９】本発明の第１の実施形態における駆動回路の他
の構成例を示すブロック図

【図１０】本発明の第１の実施形態における駆動回路の
他の構成例の動作を説明するタイミングチャート

【図１１】本発明の第１の実施形態におけるチャージポ
ンプ回路の構成例を示すブロック図

【図１２】本発明の第１の実施形態における駆動回路の
他の構成例を示すブロック図

【図１３】本発明の第１の実施形態における駆動回路の
他の構成例の動作を説明するタイミングチャート

【図１４】本発明の第１の実施形態における位相比較器
の一例を示す構成図

【図１５】本発明の第１の実施形態における位相比較器
の他の例を示す構成図

【図１６】本発明の第１の実施形態におけるアナログ乗
算器の一例を示す構成図

【図１７】本発明の第１の実施形態の動作を説明する波
形図

【図１８】本発明の第１の実施形態の動作を説明する波
形図

【図１９】本発明の第１の実施形態の動作を説明する図

【図２０】本発明の第１の実施形態の動作を説明する波
形図

【図２１】本発明の第１の実施形態の動作を説明する波
形図

【図２２】本発明の第２の実施形態における圧電トラン
ス駆動装置の構成を示すブロック図

【図２３】本発明の第２の実施形態の動作を説明する波
形図

【図２４】本発明の第２の実施形態の動作を説明する波
形図

【図２５】本発明の第２の実施形態の動作を説明する波
形図

【図２６】本発明の第２の実施形態の動作を説明する波
形図

【符号の説明】

７…圧電振動体、８ａ，８ｂ…１次側電極、９…２次側
電極、１０…圧電トランス、２０…圧電トランス駆動装
置、２１…ＶＣＯ、２２…変調部、２２１…正弦波発生
器、２２２…周波数変調器（ＦＭ変調器）、２２３…コ
ンパレータ、２２４…駆動回路、２２５…正弦化フィル
タ、２３…電圧位相検出部、２３１…ＬＰＦ、２３２…
コンパレータ、２４…電流位相検出部、２４１…抵抗
器、２４２…電圧増幅器、２４３…ＬＰＦ、２４４…コ
ンパレータ、２５…位相差検出部、２５１…位相比較
器、２５２…ＢＰＦ、２５３…増幅器、２６…アナログ
乗算器、２７…ＬＰＦ、４１…排他的論理和回路、４２
…位相差検出回路、４３…チャージポンプ回路、４４…
増幅回路、６０…圧電トランス駆動装置、６２…変調
部、６２１…矩形波発生器、６２２…周波数偏移変調器
（ＦＳＫ変調器）、６２３…駆動回路、６２４…正弦化
フィルタ、６６…スイッチ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 守 東京都台東区上野６丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内 Ｆターム(参考） 3K072 AA01 BC01 BC07 EB07 GA02 GB12 GB18 GC04 HB03 5H007 AA06 BB03 CA02 CB06 CC32 DA03 DB03 DC02 DC04 DC05 5H730 AA05 AS11 BB24 DD04 DD21 EE48 FD01 FD31

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １次側に入力された交流信号の電圧或い
   は電流若しくはその両方を変換して２次側から取り出す
   圧電トランスの駆動方法において、 第１周波数の駆動用交流信号を搬送波として第２周波数
   の変調用交流信号によって前記駆動用交流信号の周波数
   を変調し、該変調された駆動用交流信号を前記圧電トラ
   ンスの１次側に入力し、 前記圧電トランスの１次側に入力される交流信号の電圧
   と電流の位相差を交流信号として検出し、 該交流信号と前記変調用交流信号とを乗算し、 該乗算によって得られた乗算交流信号の直流成分を検出
   し、 該直流成分のレベルが常時ほぼ０になるように前記第１
   周波数を変化する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１次側に入力される
   交流信号の電圧及び電流のそれぞれに応じた交流信号を
   矩形波信号に変換し、これらの位相差成分を矩形波信号
   として得た後に正弦波状の交流信号となすことを特徴と
   する請求項１記載の圧電トランスの駆動方法。
3. 【請求項３】 前記駆動用交流信号を前記変調用交流信
   号によって周波数変調することを特徴とする請求項１記
   載の圧電トランスの駆動方法。
4. 【請求項４】 前記駆動用交流信号を前記変調用交流信
   号によって周波数偏移変調することを特徴とする請求項
   １記載の圧電トランスの駆動方法。
5. 【請求項５】 １次側に入力された交流信号の電圧或い
   は電流若しくはその両方を変換して２次側から取り出す
   圧電トランスの駆動装置において、 制御信号に基づく第１周波数の駆動用交流信号を発生す
   る駆動用交流信号発生手段と、 第２周波数を有する変調用交流信号を発生する変調用交
   流信号発生手段と、 前記駆動用交流信号を搬送波として前記変調用交流信号
   によって前記駆動用交流信号の周波数を変調し、該変調
   された駆動用交流信号を前記圧電トランスの１次側に入
   力する変調手段と、 前記圧電トランスの１次側に入力される交流信号の電圧
   と電流の位相差を検出して交流信号として出力する位相
   差検出手段と、 該位相差検出手段によって出力される交流信号と前記変
   調用交流信号とを乗算した交流信号を出力する乗算手段
   と、 該乗算手段から出力される乗算交流信号の直流成分を検
   出して直流信号を出力する直流分検出手段と、 該直流分検出手段から出力される直流信号のレベルが常
   時ほぼ０になるように前記第１周波数を変化する前記制
   御信号を出力する周波数制御手段とを備えたことを特徴
   とする圧電トランスの駆動装置。
6. 【請求項６】 前記位相差検出手段は、前記圧電トラン
   スの１次側に入力される交流信号の電圧に応じた交流信
   号のみを矩形波信号に変換する第１変換手段と、 前記圧電トランスの１次側に入力される交流信号の電流
   に応じた交流信号のみを矩形波信号に変換する第２変換
   手段と、 前記第１変換手段から出力される矩形波信号と前記第２
   変換手段から出力される矩形波信号の位相差成分を矩形
   波信号として出力する差成分検出手段と、 該差成分検出手段から出力される矩形波信号を正弦波状
   の交流信号に変換して出力する第３変換手段とを有する
   ことを特徴とする請求項５記載の圧電トランスの駆動装
   置。
7. 【請求項７】 前記変調手段は、前記駆動用交流信号を
   前記変調用交流信号によって周波数変調することを特徴
   とする請求項５記載の圧電トランスの駆動装置。
8. 【請求項８】 前記変調手段は、前記駆動用交流信号を
   前記変調用交流信号によって周波数偏移変調することを
   特徴とする請求項５記載の圧電トランスの駆動装置。