JP2011078159A - ローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の変動よって全く別な発振モードへ移行することがなく、安定して正常な出力を維持することができるローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路を提供する。
【解決手段】低電力出力の高電圧電源に適用されるローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路１００であって、ローゼン型単層圧電トランス１１０の入力側に流れる駆動電流を検出する駆動電流検出部１２０と、駆動電流の検出信号について、ローゼン型単層圧電トランス１１０のλ／２モードまたはλモードの基本駆動周波数以外の周波数の通過を抑制するバンドパスフィルタ部１３０と、バンドパスフィルタ部１３０を介してフィードバックされた検出信号を増幅して、ローゼン型単層圧電トランス１１０を駆動するアンプ部とを備える。これにより、ローゼン型単層圧電トランス１１０のλ／２モードまたはλモード以外では発振しないようにすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、低電力出力の高電圧電源に適用されるローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路に関する。

従来、圧電トランスによる高電圧を利用し、放電を生じさせるイオナイザやオゾナイザが知られている。イオナイザは、コロナ放電などにより正イオン・負イオンを発生させて物体の表面の静電気を中和するものである。オゾナイザは、無声放電を生じさせ、放電空間に酸素又は空気を通し、エネルギーを与え活性化させると解離または励起された酸素の一部をオゾンに変化させるものである。

一方、ノート型パソコン等のバックライト用冷陰極放電管に用いられる圧電トランスの駆動回路が知られている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１記載の圧電トランス駆動装置は、リンク回路と位相調整部と波形整形部と遅延回路と出力部のＭＯＳ・ＦＥＴとから構成される高周波回路である。そして、圧電トランスの駆動電流を検出して、フィルタを介して駆動回路の入力側へフィードバックさせ発振する。このような構成により、回路損失を少なくし、冷陰極放電管などの実負荷の輝度をリニアに変化、調整することを可能にしている。

特開平８−３３６２８６号公報

上記のようなイオナイザ、オゾナイザや冷陰極放電管の駆動装置には、安定的に放電を発生させることが求められる。しかしながら、実際には自励発振回路で駆動装置を構成した場合、圧電トランスに適した発振モードを選択するのが難しく、負荷の変動によって全く別な発振モードへ移行してしまい、正常な出力を得られなくなる場合が多い。

たとえば、特許文献１記載の圧電トランス駆動装置は、冷陰極放電管への電圧印加のために用いられるものであるが、図６に示すようにバンドパスフィルタの周波数特性が急峻であることから使用されるデバイスの精度ばらつきや温度特性の影響により駆動周波数範囲内で発振に影響を与える。図６は、特許文献１記載の圧電トランス駆動装置の構成においてバンドパスフィルタの周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。この例では、２ｋＨｚ程度の狭い周波数範囲しかバンドパスフィルタを通過しないため、圧電トランスの基本駆動振周波数に合わせ難く正常な駆動は困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、負荷の変動によって全く別な発振モードへ移行することがなく、安定して正常な出力を維持することができるローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係るローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路は、低電力出力の高電圧電源に適用されるローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路であって、ローゼン型単層圧電トランスの入力側に流れる駆動電流を検出する駆動電流検出部と、前記駆動電流の検出信号について、前記ローゼン型単層圧電トランスのλ／２モードまたはλモードの基本駆動周波数以外の周波数の通過を抑制するバンドパスフィルタ部と、前記バンドパスフィルタ部を介してフィードバックされた検出信号を増幅して、前記ローゼン型単層圧電トランスを駆動するアンプ部とを備えることを特徴としている。

これにより、λ／２モードまたはλモード以外ではローゼン型単層圧電トランスを発振させないようにすることができる。その結果、負荷の変動によって全く別な発振モードへ移行することがなく、安定して正常な出力を維持することができる。また、ローゼン型単層圧電トランス入力側の駆動電流を検出するため、出力側高電圧を検出する方法に比べ検出用抵抗器が低耐圧品で済むことから簡単かつ低コストで回路を構成することができる。なお、低電力出力とは具体的には１Ｗ以下を指す。

（２）また、本発明に係るローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路は、前記バンドパスフィルタ部が、コンデンサと抵抗器の直列接続およびコンデンサと抵抗器の並列接続で構成されることを特徴としている。

このようにバンドパスフィルタ部をコンデンサと抵抗器で構成するため、入出力の周波数特性変化を緩やかにすることができる。また、バンドパスフィルタ部の抵抗器が駆動電流の制限抵抗器として働き、２次側出力が短絡または解放された場合でも、ローゼン型単層圧電トランスの折損などのトラブルの発生を防止することができる。

（３）また、本発明に係るローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路は、前記ローゼン型単層圧電トランスのλ／２モードまたはλモードの基本駆動周波数に対して、前記直列接続を構成するコンデンサの容量値Ｃと抵抗器の抵抗値Ｒ、および前記並列接続を構成するコンデンサの容量値Ｃと抵抗器の抵抗値Ｒは、以下の数式を満たすことを特徴としている。

このように、ローゼン型単層圧電トランスが持つλモードまたはλ／２モードの基本駆動周波数に対して、上記の数式で定数構成する。これにより、基本駆動周波数以外では位相関係が０度から外れ、またゲインが低くなる。その結果、回路が自励発振条件を満たさなくなり、基本駆動周波数以外で発振しないようにすることができる。

（４）また、本発明に係るローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路は、前記バンドパスフィルタ部が、ローゼン型単層圧電トランスの１／２λモードまたはλモードの基本駆動共振周波数の±２０ｋＨｚの周波数範囲において、周波数ゲインが−１０ｄＢ以上であり、前記周波数範囲の中心では位相特性が０度である周波数特性を有することを特徴としている。

このようにバンドパスフィルタ部は、入出力の周波数特性変化が緩やかであるため、ローゼン型単層圧電トランスの周波数特性にバンドパスフィルタ部の周波数特性を合わせるのが容易で、正常な駆動を維持することができる。

本発明によれば、負荷の変動によって全く別な発振モードへ移行することがなく、安定して正常な出力を維持することができる。

本発明のローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路の構成を示す回路図である。 ローゼン型単層圧電トランスの２次側のインピーダンス／周波数特性を示すグラフである。 ローゼン型単層圧電トランスの周波数特性を示すグラフである。 ローゼン型単層圧電トランスの周波数特性を示すグラフである。 バンドパスフィルタ部の周波数特性を示すグラフである。 従来装置におけるバンドパスフィルタの周波数特性を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（ローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路の構成）
図１は、ローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路１００の構成を示す回路図である。自励発振回路１００は、低電力で可能な放電を利用したイオナイザおよびオゾナイザ等の装置に、ローゼン型単層圧電トランス用高圧電源として適用される。図１に示すように、自励発振回路１００は、ローゼン型単層圧電トランス１１０、駆動電流検出用抵抗器１２０（駆動電流検出部）、バンドパスフィルタ部１３０およびアンプ部１４０を備えている。

ローゼン型単層圧電トランス１１０は、交流の駆動電圧が印加されることで、たとえば放電針等の負荷に高電圧を出力し、放電によるイオンの発生を可能にする。ローゼン型単層圧電トランス１１０は、出力に放電針等の負荷が接続されており、負荷に対して高電圧を出力することができる。

駆動電流検出用抵抗器１２０（駆動電流検出部）は、ローゼン型単層圧電トランス１１０の一次側入力のＧＮＤ側に設けられており、これによりローゼン型単層圧電トランス１１０の入力側に流れる駆動電流を取り出すことができる。ローゼン型単層圧電トランス１１０の入力側の駆動電流を検出するため、簡単かつ低コストで回路を構成することができる。駆動電流検出用抵抗器１２０で検出された電圧は、バンドパスフィルタ部１３０を通り、アンプ部１４０に帰還する。

バンドパスフィルタ部１３０は、コンデンサＣ１および抵抗器Ｒ１の直列接続、ならびにコンデンサＣ２および抵抗器Ｒ２の並列接続で構成され、駆動電流の検出信号をオペアンプ１４６に正帰還させている。バンドパスフィルタ部１３０は、コンデンサＣ１、Ｃ２および抵抗器Ｒ１、Ｒ２で構成されるため、入出力の周波数特性変化を緩やかにすることができる。また、バンドパスフィルタ部１３０の抵抗器Ｒ１、Ｒ２が駆動電流の制限抵抗器として働き、ローゼン型単層圧電トランス１１０の２次側出力が短絡または開放された場合でも、ローゼン型単層圧電トランス１１０の折損などのトラブルの発生を防止できる。

バンドパスフィルタ部１３０は、駆動電流の検出信号について、ローゼン型単層圧電トランス１１０のλ／２モードまたはλモードの基本駆動周波数以外の周波数の通過を抑制することが好ましい。これにより、ローゼン型単層圧電トランス１１０のλ／２モードまたはλモード以外では発振しないようにすることができる。したがって、ローゼン型単層圧電トランス１１０の発振モードが、負荷の変動によって全く別なモードへ移行せず、安定して正常な出力を維持できる。

また、バンドパスフィルタ部１３０は、回路をコンデンサＣ１、Ｃ２と抵抗器Ｒ１、Ｒ２とで構成しているため、入出力の周波数特性変化が緩やかである。本実施形態ではバンドパスフィルタ部１３０は、７０ｋＨｚにおけるゲインが−９．５ｄＢのピークを持ち、かつ位相特性が０度になり、３５ｋＨｚにおいてはゲインが−１０．６ｄＢ、位相特性が２８度になる。

バンドパスフィルタ部１３０は、ローゼン型単層圧電トランス１１０の１／２λモードまたはλモードの基本駆動共振周波数において、周波数ゲインが最大になり、周波数位相が０度となる。また、バンドパスフィルタ部は、ローゼン型単層圧電トランスの１／２λモードまたはλモードの基本駆動共振周波数の±２０ｋＨｚの周波数範囲において、周波数ゲインが−１０ｄＢ以上であり、上記の周波数範囲の中心では位相特性が０度である。このように、バンドパスフィルタ部１３０は、入出力の周波数特性変化が緩やかであるため、ローゼン型単層圧電トランス１１０の周波数特性にバンドパスフィルタ部１３０の周波数特性を合わせるのが容易で、正常な駆動を維持することができる。このようにλ／２モードまたはλモードの駆動周波数に影響を与えないように周波数特性を緩やかにする一方で、駆動周波数以外のスプリアスなどを除去する程度に通過する周波数を制限している。

アンプ部１４０は、バンドパスフィルタ部１３０を介してフィードバックされたローゼン型単層圧電トランス１１０とＧＮＤとの間に配置された駆動電流検出抵抗器１２０で検出された信号を増幅して、ローゼン型単層圧電トランス１１０を駆動する。アンプ部１４０は、負帰還抵抗器Ｒ３、Ｒ４、オペアンプ１４６、抵抗器Ｒ５および電流増幅回路１４８を備えている。そして、アンプ部１４０は、自励発振するのに十分なパワーとアンプゲインを有している。

負帰還抵抗器Ｒ３、Ｒ４は、自励発振するのに十分なアンプゲインになるよう組み合わされており、アンプ部１４０を構成している。アンプ部１４０は、駆動電流検出用抵抗器１２０で検出された駆動信号を、バンドパスフィルタ部１３０を介して正帰還し、増幅している。電流増幅回路１４８には、たとえばバイポーラまたはＦＥＴトランジスタが用いられる。なお、自励発振回路１００は、軽負荷（１Ｗ以下）駆動を目的としていることから電力効率が問題にならないため、冷陰極管など重負荷を駆動する場合に使用される圧電トランス入力側インピーダンスマッチング用のチョークコイルを使用していない。

ローゼン型単層圧電トランス１１０の１次側入力に発振用の駆動電流検出用抵抗器１２０を介して発振用の帰還信号を得るタイプでは、２次側高電圧出力から帰還信号を得るタイプに比べ低電圧で帰還信号を得られるため、高価な高耐圧抵抗器を使用する必要がなく、また高電圧出力部分から駆動回路を分離して基板レイアウト出来るため、小型低コストで回路を構成できる。

なお、ローゼン型単層圧電トランス１１０とＧＮＤとの間に駆動電流検出用抵抗器１２０が挿入されているが軽負荷（１Ｗ以下）駆動を目的としていることから駆動電流検出用抵抗器１２０による電力効率の問題がない。

以上のように構成された自励発振回路１００では、駆動電流検出用抵抗器１２０とオペアンプ１４６の入力の間にウィーンブリッジ発振回路と同じバンドパスフィルタ回路を挿入したことで、負荷の変動に強い安定した発振を得ることができる。また、駆動電流検出用抵抗器１２０が駆動電流の制限抵抗器として働き、２次側出力が短絡または解放されてもローゼン型単層圧電トランス１１０の折損などのトラブルが生じない。

（インピーダンス／周波数特性）
図２は、ローゼン型単層圧電トランス１１０の２次側のインピーダンス／周波数特性を示すグラフである。図２に示すように、ローゼン型単層圧電トランス１１０は、λとλ／２モードの基本モードの他に幾つかのスプリアス発振モードを持つが、基本モード以外での周波数では２次側出力より電圧を発することはできない。したがって、λモードかλ／２モードのどちらかで安定して発振させる必要がある。

（ローゼン型単層圧電トランスの周波数特性）
図３は、ローゼン型単層圧電トランス１１０の周波数特性を示すグラフである。図３に示すように、ローゼン型単層圧電トランス１１０は、共振周波数Ｆ_０より高い周波数に効率の高い範囲があり昇圧比の周波数特性が減少関数となっていて、ここが基本駆動周波数となる。イオナイザまたはオゾナイザに使用する場合は放電針に適切な電圧が印加されるよう駆動周波数を調整することで出力電圧の調整が行なわれる。図４は、ローゼン型単層圧電トランス１１０の周波数特性の具体例を示すグラフである。図４に示す例では、周波数７０ＫＨｚ近傍の周波数を用いることが好ましいことが分かる。

（バンドパスフィルタ部の周波数特性）
図５は、バンドパスフィルタ部１３０の周波数特性を示すグラフである。ローゼン型単層圧電トランス１１０のλ／２モードまたはλモードの基本駆動周波数ｆに対して、バンドパスフィルタ部１３０は、以下の数式を満たす容量値Ｃを有する２つコンデンサＣ１、Ｃ２および抵抗値Ｒを有する２つの抵抗器Ｒ１、Ｒ２により構成されることが好ましい。バンドパスフィルタ部１３０はウィーンブリッジ発振回路に使用されるバンドパスフィルタと同等であり、図５の周波数特性を有していることが好ましい。

これにより、ローゼン型単層圧電トランス１１０が持つλモードまたはλ／２モードの基本駆動周波数に上記の数式で抵抗値Ｒと容量値Ｃを構成することで、上記の基本駆動周波数以外ではゲインが低くなるのに加え位相関係が０度から外れる。その結果、基本駆動周波数以外では自励発振条件を満たさなくなり、発振しないようにすることができる。

このバンドパスフィルタをローゼン型単層圧電トランス１１０が持つλモードまたはλ／２モードの基本駆動周波数に対して、上記の数式を満たすように定数構成した場合、基本駆動周波数以外では位相関係が０度から外れることとゲインが低くなることの影響により自励発振条件を満たさなくなり、自励発振回路１００は発振しない。このようにして、自励発振回路１００は、負荷の変動によって全く別な発振モードへ移行することがなく、安定して正常な出力を維持することができる。

１００ 自励発振回路
１１０ ローゼン型単層圧電トランス
１２０ 駆動電流検出用抵抗器（駆動電流検出部）
１３０ バンドパスフィルタ部
１４０ アンプ部
１４８ 電流増幅回路
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｆ_０ 共振周波数
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗器

Claims (4)

1. 低電力出力の高電圧電源に適用されるローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路であって、
   ローゼン型単層圧電トランスの入力側に流れる駆動電流を検出する駆動電流検出部と、
   前記駆動電流の検出信号について、前記ローゼン型単層圧電トランスのλ／２モードまたはλモードの基本駆動周波数以外の周波数の通過を抑制するバンドパスフィルタ部と、前記バンドパスフィルタ部を介してフィードバックされた検出信号を増幅して、前記ローゼン型単層圧電トランスを駆動するアンプ部とを備えることを特徴とするローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路。
2. 前記バンドパスフィルタ部は、コンデンサと抵抗器の直列接続およびコンデンサと抵抗器の並列接続で構成されることを特徴とする請求項１記載のローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路。
3. 前記ローゼン型単層圧電トランスのλ／２モードまたはλモードの基本駆動周波数に対して、前記直列接続を構成するコンデンサの容量値Ｃと抵抗器の抵抗値Ｒ、および前記並列接続を構成するコンデンサの容量値Ｃと抵抗器の抵抗値Ｒは、以下の数式を満たすことを特徴とする請求項２記載のローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路。
   

   
4. 前記バンドパスフィルタ部は、ローゼン型単層圧電トランスの１／２λモードまたはλモードの基本駆動共振周波数の±２０ｋＨｚの周波数範囲において、周波数ゲインが−１０ｄＢ以上であり、前記周波数範囲の中心では位相特性が０度である周波数特性を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のローゼン型単層圧電トランス用の自励発振回路。

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