JP2013009484A

JP2013009484A - 圧電トランス駆動装置

Info

Publication number: JP2013009484A
Application number: JP2011139379A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Kuwabara; 啓輔桑原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-01-10

Abstract

【課題】１次側に印加される電圧と電流の位相差が０になるように制御されるので、必ずしも最大効率点で動作させることができず、かつスプリアスへの収束を回避することが難しかった。本発明はこれらの課題を解決することを目的にする。
【解決手段】圧電トランスの１次側に印加される電圧と電流の位相差を小さくする制御信号を発生する位相差検出部の出力と位相オフセット発生部の出力を加算部で加算し、この加算部の出力を電圧制御発振器に入力するようにした。また、加算部の出力が設定範囲から外れると、電圧制御発振器の入力信号を強制的に固定するようにした。最大効率点で動作させることができ、かつスプリアスへの収束を回避できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、最大効率点で動作させることができ、かつスプリアスへの収束を回避することができる圧電トランスの駆動装置に関するものである。

圧電トランスは圧電セラミックを用いたトランスであり、１次側に交流を印加して圧電セラミックを振動させてこの振動を２次側に伝搬させ、２次側でこの振動を電気エネルギーに変換して取り出すものである。このような圧電トランスは、直流的に絶縁された電源を作成する用途に用いられ、レコーダ等の絶縁電源に用いられる。

特許文献１には、常時共振周波数の近辺で動作させることができる圧電トランスコンバータの発明が記載されている。以下、図２に基づいてこの発明の概要を説明する。

図２において、１０は圧電トランスであり、等価インダクタンス１１、等価コンデンサ１２、１５、１６、等価抵抗１３、等価トランス１４で構成される。

駆動回路２１は、直流入力電源２０が出力する直流電圧を交流電圧に変換して、圧電トランス１０の１次側に供給する。Ｖ／Ｆコンバータ２５は、駆動回路２１に発振信号を供給する。圧電トランス１０の２次側に発生した交流電圧は整流平滑回路２６で整流、平滑されて直流に変換され、負荷２７に供給される。

圧電トランス１０の１次側に流れる電流は電流検出回路２３で検出され、その電圧は電圧検出回路２２で検出される。位相検出回路２４は、電流検出回路２３で検出された電流と電圧検出回路２２で検出された電圧の位相差が０になるように、Ｖ／Ｆコンバータ２５を制御する。

このようにすることにより、圧電トランス１０をその共振周波数近辺で駆動することができるので、力率１００％の状態で動作させることができる。

実開平４−５８０８５号公報

しかしながら、このような圧電トランスコンバータには、次のような課題があった。
図３に、圧電トランスのより詳細な等価回路を示す。なお、図２と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図３において、１７、１７ａ、１７ｂは直列共振部である。直列共振部１７は等価インダクタンス１１、等価コンデンサ１２、等価抵抗１３の直列回路で構成され、直列共振部１７ａ、１７ｂも同様に等価インダクタンス、等価コンデンサ、等価抵抗の直列回路で構成される。直列共振部１７、１７ａ、１７ｂは異なった共振点を有している。

このように、圧電トランス１０は複数の共振点を有しており、これらの共振点は振動モードが異なっている。圧電トランスコンバータを安定に動作させるためには最適な共振点で動作させなければならないが、共振点が複数あるので、最適な共振点以外の共振点（スプリアス）に収束してしまい、安定に動作させることが困難であるという課題があった。

また、等価コンデンサ１５の影響によって電圧と電流の位相がずれるので、圧電トランス１０が最大効率で動作する点は、圧電トランス１０の１次側の電圧と電流の位相差が０になる点であるとは限らない。このため、図２の構成では最大効率点で動作させることができないという課題もあった。

本発明の目的は、圧電トランスに入力する電圧と電流の位相差を任意に設定できるようにし、かつ圧電トランスの駆動周波数を限定することにより、圧電トランスを最大効率で動作させながらスプリアスへの収束を回避することができる圧電トランス駆動装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
圧電トランスを駆動する圧電トランス駆動装置において、
入力された発振信号に基づいて前記圧電トランスの１次側を駆動する駆動信号を生成する駆動部と、
前記圧電トランスの１次側に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記圧電トランスの１次側に印加される電圧、および前記電流検出部の出力信号が入力され、これらの信号から前記圧電トランスの１次側の電圧と電流の位相差が小さくなるような制御信号を出力する位相差検出部と、
位相オフセット信号を出力する位相オフセット発生部と、
前記位相オフセット信号と前記位相差検出部の出力信号を加算する加算部と、
前記加算部の出力信号が入力され、この入力された信号に応じた周波数の発振信号を、前記駆動部に出力する電圧制御発振器と、
を備えたものである。圧電トランスの１次側に印加される電圧と電流の位相差を設定できるので、圧電トランスを最大効率で駆動できる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
第１および第２の基準電圧を出力する基準電圧源と、
前記第２の基準電圧を前記電圧制御発振器に入力し、また切り離すスイッチと、
前記加算部の出力信号、および前記第１、第２の基準電圧が入力され、これらの信号を比較して前記スイッチを制御する比較部と、
を備えたものである。スプリアスへの収束を回避できる。

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１の発明によれば、圧電トランスの１次側に印加する電圧と電流の位相差が小さくなるような制御信号を出力する位相差検出部と位相オフセット発生部の出力を加算部で加算し、この加算値を電圧制御発振器に入力して、この電圧制御発振器の出力に基づいて圧電トランスの１次側を駆動するようにした。

位相オフセット発生部の出力信号を可変することにより、圧電トランスの１次側に印加される電圧と電流の位相差を任意に設定することができる。このため、位相差が０のときが最大効率点にならないような圧電トランスであっても、最大効率で動作させることができるという効果がある。

また、請求項２の発明によれば、加算部の出力と第１、第２の基準電圧の比較結果によって、第２の基準電圧を電圧制御発振器に入力するようにした。請求項１の効果に加えて、最適な共振点から外れると強制的に電圧制御発振器の入力信号を固定して最適な共振点に戻すので、スプリアスへの収束を回避することができるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。従来の圧電トランスコンバータの構成図である。圧電トランスの等価回路である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る圧電トランス駆動装置の一実施例を示した構成図である。

図１において、３０は圧電トランス駆動装置、４０は圧電トランス駆動装置３０によって駆動される圧電トランス、４１は圧電トランス４０の２次側に接続された負荷である。

圧電トランス駆動装置３０は、圧電トランス４０を駆動する駆動信号をその１次側に出力する駆動部３１、圧電トランス４０の１次側に流れる電流を検出する電流検出部３２、電流検出部３２の出力信号および圧電トランス４０の１次側に印加される電圧信号が入力され、これらの信号の位相差を検出して制御信号を出力する位相差検出部３３、位相オフセット信号を出力する位相オフセット発生部３４、位相差検出部３３と位相オフセット発生部３４の出力信号を加算する加算部３５、加算部３５の出力信号によって制御され、駆動部３１に発振信号を出力する電圧制御発振器（ＶＣＯ）３６、ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２の２つの基準電圧を発生する基準電圧源３７、加算部３５の出力信号と基準電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２を比較する比較部３８、および比較部３８の出力信号でそのオンオフが制御され、基準電圧ＶＲＥＦ２を電圧制御発振器３６に入力し、また切り離すスイッチ３９で構成される。なお、電圧制御発振器３６の発振周波数範囲に、圧電トランス４０の動作させたい共振周波数が含まれるようにする。

次に、この実施例の動作を説明する。駆動部３１は電圧制御発振器３６の出力信号の周波数を有し、圧電トランス４０を駆動する駆動信号を生成して、圧電トランス４０の１次側に供給する。圧電トランス４０はこの駆動信号によって振動を発生し、この振動を伝搬させて２次側に電力を発生する。この電力は負荷４１に供給される。

最初に電圧と電流の位相差を設定する構成の動作について説明する。なお、スイッチ３９はオフであるとする。電流検出部３２は、圧電トランス４０の１次側に流れる電流を検出し、この電流値に比例する電流信号を生成して、位相差検出部３３に出力する。位相差検出部３３は、この電流信号と圧電トランス４０の１次側に印加される電圧信号の位相差を検出し、この位相差が小さくなる（０になる）ような制御信号を出力する。

加算部３５は、位相差検出部３３の出力信号と位相オフセット発生部３４の出力信号を加算し、この加算信号を電圧制御発振器３６に出力する。電圧制御発振器３６は、入力された加算信号によって決まる周波数の発振信号を生成し、駆動部３１に出力する。

位相差検出部３３は、圧電トランス４０の１次側に印加される電圧と電流の位相差を小さくする制御信号を出力する。この制御信号と位相オフセット発生部３４の出力信号は加算部３５で加算されて電圧制御発振器３６に印加されるので、圧電トランス４０の１次側に印加される駆動信号の電圧と電流の位相差は、位相オフセット発生部３４の出力信号で決まる一定値になる。

例えば、位相オフセット発生部３４が位相検出部３３の出力を完全に打ち消す極性および大きさの出力信号を発生すると、加算部３５の出力信号は０になり、オフセット設定が０でかつ電圧と電流の位相差が０になった場合と同じ出力が電圧制御発振器３６に与えられる。このため、位相差がある状態でロックされる。

このように、この圧電トランス駆動装置３０は、位相オフセット発生部３４の出力信号を可変することにより、圧電トランス４０の１次側に供給する電圧と電流の位相差を変化させることができる。このため、圧電トランス４０の等価コンデンサの影響によって電圧と電流の位相がずれ、それらの位相差が０でない点が最大効率で動作する点である場合でも、位相オフセット発生部３４の出力信号を調整して電圧と電流の位相差を最大効率点の位相差にすることにより、圧電トランス４０を最大効率で動作させることができる。

次に、スプリアスへの収束を回避する構成の動作を説明する。圧電トランス４０を安定に動作させるためには、複数ある共振点のうち最適な共振点で動作させなければならないが、最適でない共振点（スプリアス）への収束を回避することが難しいという課題があった。本実施例では、加算部３５の出力が所定の範囲を越えると、電圧制御発振器３６の入力信号の大きさを固定することにより、スプリアスへの収束を回避するようにする。

比較部３８には加算部３５の出力信号、および基準電圧源３７が生成する基準電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２が入力される。比較部３８はこれらの入力信号を比較して、スイッチ３９のオンオフを制御する。スイッチ３９の一端には基準電圧ＶＲＥＦ２が入力され、他端は電圧制御発振器３６の入力端子に接続される。なお、ＶＲＥＦ１＞ＶＲＥＦ２とする。また、ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２はそれぞれ第１、第２の基準電圧に相当する。

比較部３８は、加算部３５の出力信号ＶＣが下記（１）式を満たすときは、スイッチ３９をオフにする。基準電圧ＶＲＥＦ２は電圧制御発振器３６とは切り離されるので、電圧制御発振器３６は加算部３５の出力信号で制御される。
ＶＲＥＦ２≦ＶＣ≦ＶＲＥＦ１・・・・・・（１）

加算部３５の出力信号ＶＣが下記（２）式を満たすと、比較部３８はスイッチ３９をオンにする。基準電圧ＶＲＥＦ２が電圧制御発振器３６に入力されるので、加算部３５の出力値に拘わらず、電圧制御発振器３６の入力信号は基準電圧ＶＲＥＦ２に固定される。
ＶＲＥＦ２＞ＶＣまたはＶＣ＞ＶＲＥＦ１・・・・・・（２）

圧電トランス４０を駆動させたい周波数における電圧制御発振器３６の入力信号の値をＶＣｏ、スプリアス周波数における電圧制御発振器３６の入力信号の値をＶＣｓとすると、基準電圧ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２は、下記（３）、（４）式の両方を満足するように設定する。
ＶＲＥＦ２≦ＶＣｏ≦ＶＲＥＦ１・・・・・・・・・・・（３）
ＶＣｓ＞ＶＲＥＦ１またはＶＣｓ＜ＶＲＥＦ２・・・（４）

初期状態、あるいは外乱などによって駆動させたい周波数から外れ、加算部３５の出力値が前記（２）式を満たすと、スイッチ３９がオンになって電圧制御発振器３６に入力される信号の大きさはＶＲＥＦ２に固定される。このため、前記（１）式が成立してスイッチ３９がオフになり、電圧制御発振器３６は加算部３５の出力信号で制御される。このように、所望の発振周波数から外れて前記（２）式を満たすようになっても、すぐに元に戻すことができるので、スプリアスへの収束を回避することができる。

なお、この実施例ではスイッチ３９を介して基準電圧ＶＲＥＦ２を電圧制御発振器３６に入力するようにしたが、基準電圧ＶＲＥＦ１を入力するようにしてもよい。

また、スイッチ３９は半導体スイッチ、トランジスタ、メカニカルスイッチ等を使用することができる。要は、基準電圧を電圧制御発振器３６に入力し、また切り離すことができるものであればよい。

３０圧電トランス駆動装置
３１駆動部
３２電流検出部
３３位相差検出部
３４位相オフセット発生部
３５加算部
３６電圧制御発振器
３７基準電圧源
３８比較部
３９スイッチ
４０圧電トランス
４１負荷
ＶＲＥＦ１、ＶＲＥＦ２基準電圧

Claims

圧電トランスを駆動する圧電トランス駆動装置において、
入力された発振信号に基づいて前記圧電トランスの１次側を駆動する駆動信号を生成する駆動部と、
前記圧電トランスの１次側に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記圧電トランスの１次側に印加される電圧、および前記電流検出部の出力信号が入力され、これらの信号から前記圧電トランスの１次側の電圧と電流の位相差が小さくなるような制御信号を出力する位相差検出部と、
位相オフセット信号を出力する位相オフセット発生部と、
前記位相オフセット信号と前記位相差検出部の出力信号を加算する加算部と、
前記加算部の出力信号が入力され、この入力された信号に応じた周波数の発振信号を、前記駆動部に出力する電圧制御発振器と、
を備えたことを特徴とする圧電トランス駆動装置。
第１および第２の基準電圧を出力する基準電圧源と、
前記第２の基準電圧を前記電圧制御発振器に入力し、また切り離すスイッチと、
前記加算部の出力信号、および前記第１、第２の基準電圧が入力され、これらの信号を比較して前記スイッチを制御する比較部と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の圧電トランス駆動装置。