JP2013150422A - 圧電トランス駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全体の回路規模を小型にすることを可能にする。
【解決手段】入力電圧に応じて駆動回路１２から出力される駆動電圧により圧電トランス１４を駆動し、この駆動により流れる電流と駆動電圧との位相差がゼロとなる際の共振周波数で圧電トランス１４を動作させる圧電トランス駆動装置において、圧電トランス１４に流れる電流を検出して電圧に変換する電流検出回路１３と、電流検出回路１３での検出電流が変換された電圧の位相を、所定の位相シフト量だけシフトした電圧を、駆動電圧へ入力する位相シフト回路１７とを備えて構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力電圧を変圧して出力する圧電セラミックス等を用いた圧電トランスの駆動を行う圧電トランス駆動装置であり、レコーダ等の絶縁電源に適用可能な、圧電トランス駆動装置に関する。

従来、圧電トランスには圧電セラミックス等が用いられており、この圧電トランスを駆動する圧電トランス駆動装置としては、例えば特許文献１に記載の圧電トランスコンバータがある。この圧電トランスコンバータは、図３に示す圧電トランス７が共振周波数で動作するように駆動制御するものである。圧電トランス７は、コイル３１、コンデンサ３２、抵抗器３３からなる直列共振回路と、コンデンサ３０と、トランス３４と、二次側のコンデンサ３５とを備えて構成されており、直列共振回路の共振周波数において、電圧ゲインと効率が最大となるようになっている。また、共振周波数においては、圧電トランス７への入力電圧と入力電流の位相差がゼロとなるようになっている。

圧電トランスコンバータでは、圧電トランス７の入力電圧及び入力電流の位相差を検出し、この位相差がゼロになるように駆動回路２の動作周波数を制御することで、圧電トランス７を共振周波数で使用するようになっている。詳細には、電圧検出回路６で駆動回路２からの駆動信号を検出すると共に、電流検出回路５でその駆動信号の電流を検出する。位相検出回路４でその位相差を検出し、この位相差をＶ／Ｆコンバータ３に出力し、Ｖ／Ｆコンバータ３はその位相差に応じた周波数に変化した直流電圧を駆動回路２に入力する。駆動回路２はその直流電圧を交流電圧に変換し、これを駆動信号として圧電トランス７に供給する。この供給される交流電圧の電圧及び電流が電圧検出回路６及び電流検出回路５で検出される。このフィードバック回路において、位相検出回路４で検出される位相差がゼロとなるようにフィードバック動作が行われる。

実開平４−５８０８５号公報

上述の特許文献１に開示された圧電トランスコンバータによれば、圧電トランス７を共振周波数で使用するために、圧電トランス７の入力電圧及び入力電流の位相差がゼロとなるように、Ｖ／Ｆコンバータ３で駆動回路２の動作周波数を制御するようになっている。しかし、Ｖ／Ｆコンバータ３は、ＶＣＯ等の複雑で規模の大きい発振回路を用いて構成されている。このため、圧電トランスコンバータ全体の回路規模が大きくなるという問題があった。

本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、全体の回路規模を小型にすることができる、圧電トランス駆動装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、入力電圧に応じて駆動回路から出力される駆動電圧により圧電トランスを駆動し、この駆動により流れる電流と前記駆動電圧との位相差がゼロとなる際の共振周波数で前記圧電トランスを動作させる圧電トランス駆動装置において、前記圧電トランスに流れる電流を検出して電圧に変換する電流検出回路と、前記電流検出回路での検出電流が変換された電圧の位相を、所定の位相シフト量だけシフトした電圧を、前記駆動電圧へ入力する位相シフト回路と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、電流検出回路で変換された電圧が、位相シフト回路の位相シフト量で位相シフトされて駆動回路に入力される。このフィードバックループの一巡伝達ゲインが１以上となるように位相シフト量を設定することで、駆動回路からの駆動電圧と、この駆動電圧に応じて圧電トランスに流れる電流との位相差がゼロとなるので、圧電トランスが共振周波数で自励発振動作を行う。この構成の圧電トランス駆動装置では、従来のような複雑で規模の大きい発振回路を内蔵するＶ／Ｆコンバータを用いなくても良いので、圧電トランス駆動装置全体の回路規模を小型にすることができる。

本発明において、前記駆動電圧と、前記電流検出回路での検出電流が変換された電圧との位相差を検出し、この位相差に比例し且つ位相差を小さくする方向にレベルシフトする直流電圧を出力する位相検出回路を更に備え、前記位相シフト回路は、前記直流電圧に応じて前記位相シフト量を変化させることを特徴とする。

この構成によれば、圧電トランスの駆動電圧と、圧電トランスに流れる電流との位相差が小さくなる方向に位相シフト量が変化し、この変化する位相シフト量分、圧電トランスを流れる電流がシフトする。この結果、圧電トランスの駆動電圧と電流との位相差が小さくなり、圧電トランスを共振周波数に近い周波数で駆動させることができる。

本発明において、前記位相シフト回路は、前記位相検出回路で検出される位相差がゼロとなるように、前記直流電圧に応じて前記位相シフト量を変化させることを特徴とする。

この構成によれば、最終的に、圧電トランスの駆動電圧と、圧電トランスに流れる電流との位相差がゼロとなるので、圧電トランスを共振周波数で駆動させることができる。

本発明において、前記位相シフト回路は、オン抵抗値が可変可能なトランジスタを用いたハイパスフィルタであって、前記電流検出回路からの電圧で前記オン抵抗値を変化させて、当該ハイパスフィルタのカットオフ周波数を変化させることで、前記位相シフト量を変化させることを特徴とする。

この構成によれば、位相シフト回路を簡易且つ小型なハイパスフィルタで構成することができるので、圧電トランス駆動装置回路の簡易且つ小型化を図ることができる。

本発明によれば、全体の回路規模を小型にすることができる圧電トランス駆動装置を提供することができる。

本実施形態に係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。 本実施形態に係る圧電トランス駆動装置の位相シフト回路の回路構成図である。 従来の圧電トランスコンバータの回路構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための実施の形態（以下、単に本実施形態という）について詳細に説明する。
（実施形態の構成）
図１は、本実施形態に係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。本実施形態に係る圧電トランス駆動装置は、増幅回路１１と、駆動回路１２と、電流検出回路１３と、圧電トランス１４と、整流回路等の負荷回路１５と、位相検出回路１６と、位相シフト回路１７とを備えて構成されており、圧電トランス１４が電圧ゲインと効率が最大となる共振周波数で動作するように駆動制御するものである。

圧電トランス１４は、駆動回路１２から供給される駆動信号としての交流の電圧信号に応じて電流が流れ、この電流で負荷回路１５を動作させる。

電流検出回路１３は、圧電トランス１４に流れる電流を検出して電圧に変換して出力する。

位相検出回路１６は、駆動回路１２からの駆動電圧と、電流検出回路１３からの電圧との位相差を検出し、この位相差に比例し且つ位相差を小さくする方向にレベルシフトする直流電圧を、位相シフト回路１７の制御電圧入力端子Ｖｃへ入力する。なお、その直流電圧を位相差電圧ともいう。

位相シフト回路１７は、制御電圧入力端子Ｖｃの他に、電流検出回路１３からの電圧信号が入力される入力端子Ｖｉｎと、この入力された電圧信号の位相（即ち、電流信号の位相）を後述する位相シフト量だけシフトした電圧信号を出力する出力端子Ｖｏｕｔとを備える。

即ち、位相シフト回路１７は、制御電圧入力端子Ｖｃに入力された位相差電圧に応じて位相シフト量が変化し、この位相シフト量だけ、入力端子Ｖｉｎに入力された電圧信号の位相をシフトして出力端子Ｖｏｕｔから出力する。

この位相シフト回路１７は、図２に示すように、コンデンサＣ１と、抵抗器Ｒ１と、ＭＯＳ(Metal Oxide
Semiconductor)型のトランジスタＭ１とを備えて構成される１次のハイパスフィルタである。即ち、このハイパスフィルタは、コンデンサＣ１と抵抗器Ｒ１とが直列接続され、更に抵抗器Ｒ１にトランジスタＭ１が並列接続されて構成されている。

トランジスタＭ１は線形領域で動作し、ゲート端に制御電圧入力端子Ｖｃが接続されており、その制御電圧入力端子Ｖｃに入力される位相差電圧であるゲート電圧によってオン抵抗値が変化する。この変化に応じてトランジスタＭ１と抵抗器Ｒ１との合成抵抗値Ｒｐが変化するので、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆｃが変化する。

つまり、カットオフ周波数ｆｃは、コンデンサＣ１の容量値Ｃａと、抵抗器Ｒ１及びトランジスタＭ１のオン抵抗値の合成抵抗値Ｒｐとから、ｆｃ＝１／（２π・Ｒｐ・Ｃａ）で表される。従って、トランジスタＭ１のオン抵抗値を変化させると合成抵抗値Ｒｐが変化し、これによりカットオフ周波数ｆｃが変化して位相シフト量が変化するようになっている。

増幅回路１１は、その出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧信号を増幅して駆動回路１２へ出力する。

駆動回路１２は、増幅回路１１で増幅された電圧信号を、圧電トランス１４が共振動作を行うようにするための駆動電圧として圧電トランス１４へ出力する。

このような駆動回路１２、圧電トランス１４、電流検出回路１３、位相検出回路１６、位相シフト回路１７、増幅回路１１から成るフィードバックループ回路においては、電流検出回路１３、増幅回路１１及び駆動回路１２のループで発生する遅延による位相シフト分を位相シフト回路１７でキャンセルし、圧電トランス１４の駆動電圧と、圧電トランス１４に流れる電流との位相差がゼロとなるように制御される。

但し、上記のフィードバックループ回路において、位相検出回路１６が無い回路構成の場合、位相シフト回路１７には、電流検出回路１３の出力電圧をシフトするための所定の位相シフト量が手動設定で与えられ、この設定位相シフト量で位相がシフトされた電流検出回路１３からの電圧信号が増幅回路１１で増幅されて駆動回路１２に入力されるフィードバックループとなる。このフィードバックループの一巡伝達ゲインが１以上になるように、位相シフト回路１７の位相シフト量及び増幅回路１１のゲインを設定することで圧電トランス１４が自励発振動作を行う。
（実施形態の動作）
以下、本実施形態に係る圧電トランス駆動装置の動作について詳細に説明する。

まず、駆動回路１２から圧電トランス１４に駆動電圧が供給されると、圧電トランス１４に駆動電圧に応じた電流が流れる。この電流は、電流検出回路１３で検出され、電圧に変換されて位相シフト回路１７及び位相検出回路１６へ出力される。

位相検出回路１６では、その電流検出回路１３からの電流を変換した電圧と、駆動回路１２からの電圧との位相差が検出されて、位相シフト回路１７の制御電圧入力端子Ｖｃへ入力される。位相シフト回路１７では、制御電圧入力端子Ｖｃに入力された位相差電圧に応じて位相シフト量が変化し、この位相シフト量だけ、入力端子Ｖｉｎに入力された電圧の位相がシフトされて出力端子Ｖｏｕｔから出力される。

この出力電圧は、増幅回路１１で増幅され、駆動回路１２に入力される。駆動回路１２では、その入力電圧が、圧電トランス１４の共振動作のための駆動電圧とされ、圧電トランス１４へ出力される。

このフィードバックループにおいて、最終的に、電流検出回路１３、増幅回路１１及び駆動回路１２のループで発生する遅延による位相シフト分が位相シフト回路１７における位相シフト量でキャンセルされ、圧電トランス１４の駆動電圧と、この駆動電圧により圧電トランス１４に流れる電流との位相差がゼロとなるように制御される。

この制御によって、圧電トランス１４が電圧ゲインと効率が最大となる共振周波数で動作し、この動作により圧電トランス１４に流れる電流により負荷回路１５が駆動される。
（実施形態の効果）
以上説明のように本実施形態に係る圧電トランス駆動装置は、入力電圧に応じて駆動回路１２から出力される駆動電圧により圧電トランス１４を駆動し、この駆動により流れる電流と駆動電圧との位相差がゼロとなる際の共振周波数で圧電トランス１４を動作させる。

本実施形態の特徴は、圧電トランス１４に流れる電流を検出して電圧に変換する電流検出回路１３と、電流検出回路１３での検出電流が変換された電圧の位相を、所定の位相シフト量だけシフトした電圧を、駆動電圧へ入力する位相シフト回路１７とを備えて構成したことにある。

この構成によって、電流検出回路１３で変換された電圧が、位相シフト回路１７の位相シフト量で位相シフトされて駆動回路１２に入力される。このフィードバックループの一巡伝達ゲインが１以上となるように位相シフト量を設定することで、駆動回路１２からの駆動電圧と、この駆動電圧に応じて圧電トランス１４に流れる電流との位相差がゼロとなるので、圧電トランス１４が共振周波数で自励発振動作を行う。この構成の圧電トランス１４駆動装置では、従来のような複雑で規模の大きい発振回路を内蔵するＶ／Ｆコンバータを用いなくても良いので、圧電トランス駆動装置全体の回路規模を小型にすることができる。

また、駆動電圧と、電流検出回路１３での検出電流が変換された電圧との位相差を検出し、この位相差に比例し且つ位相差を小さくする方向にレベルシフトする直流電圧を出力する位相検出回路１６を更に備え、位相シフト回路１７が、直流電圧に応じて位相シフト量を変化させるように構成した。

この構成によって、圧電トランス１４の駆動電圧と、圧電トランス１４に流れる電流との位相差が小さくなる方向に位相シフト量が変化し、この変化する位相シフト量分、圧電トランス１４を流れる電流がシフトする。この結果、圧電トランス１４の駆動電圧と電流との位相差が小さくなり、圧電トランス１４を共振周波数に近い周波数で駆動させることができる。

また、位相シフト回路１７が、位相検出回路１６で検出される位相差がゼロとなるように、直流電圧に応じて位相シフト量を変化させるように構成した。

この構成によって、最終的に、圧電トランス１４の駆動電圧と、圧電トランス１４に流れる電流との位相差がゼロとなるので、圧電トランス１４を共振周波数で駆動させることができる。

また、位相シフト回路１７が、オン抵抗値が可変可能なトランジスタを用いたハイパスフィルタであって、電流検出回路１３からの電圧でオン抵抗値を変化させて、当該ハイパスフィルタのカットオフ周波数を変化させることで、位相シフト量を変化させるように構成した。

これによって、位相シフト回路１７を簡易且つ小型なハイパスフィルタで構成することができるので、圧電トランス駆動装置回路の簡易且つ小型化を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明の技術的範囲予測は上記実施形態に記載の範囲予測には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲予測に含まれ得ることが、特許請求の範囲予測の記載から明らかである。

１１‥増幅回路、１２‥駆動回路、１３‥電流検出回路、１４‥圧電トランス、１５‥負荷回路、１６‥位相検出回路、１７‥位相シフト回路。

Claims (4)

1. 入力電圧に応じて駆動回路から出力される駆動電圧により圧電トランスを駆動し、この駆動により流れる電流と前記駆動電圧との位相差がゼロとなる際の共振周波数で前記圧電トランスを動作させる圧電トランス駆動装置において、
   前記圧電トランスに流れる電流を検出して電圧に変換する電流検出回路と、
   前記電流検出回路での検出電流が変換された電圧の位相を、所定の位相シフト量だけシフトした電圧を、前記駆動電圧へ入力する位相シフト回路と、
   を備えることを特徴とする圧電トランス駆動装置。
2. 前記駆動電圧と、前記電流検出回路での検出電流が変換された電圧との位相差を検出し、この位相差に比例し且つ位相差を小さくする方向にレベルシフトする直流電圧を出力する位相検出回路を更に備え、
   前記位相シフト回路は、前記直流電圧に応じて前記位相シフト量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス駆動装置。
3. 前記位相シフト回路は、前記位相検出回路で検出される位相差がゼロとなるように、前記直流電圧に応じて前記位相シフト量を変化させることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス駆動装置。
4. 前記位相シフト回路は、オン抵抗値が可変可能なトランジスタを用いたハイパスフィルタであって、前記電流検出回路からの電圧で前記オン抵抗値を変化させて、当該ハイパスフィルタのカットオフ周波数を変化させることで、前記位相シフト量を変化させることを特徴とする請求項２又は３記載の圧電トランス駆動装置。

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