JP3222479B2 - ピエゾ電気変成器回路 - Google Patents

ピエゾ電気変成器回路

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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、ピエゾ変成器用の電力回路に関するもので
あり、特に、マルチセクションピエゾ電気変成器を駆動
するためのパルス位置調整または位相変調を使用する変
成器回路に関するものである。
［従来技術の説明］ 一般に、ピエゾ電気変成器は、テレビジョン、フォト
コピー、LCD背面照明などで使用されている。従来技術
のピエゾ電気変成器は、よく知られているローゼン（Ro
sen）の設計（米国特許第2830274号明細書参照）に基づ
いている。これらの従来技術の高電圧変成器の設計では
ピエゾ電気セラミックプレートから構成され、それぞれ
異なった偏極を有している駆動セクションと被駆動セク
ションとを含んでいる。異なった偏極はこれらの設計に
おいて電圧変換のために設けられる。しかしながらこれ
らの設計には幾つかの欠点がある。まず第１に、ピエゾ
電気変成器の入力、出力インピーダンスは変成器の物理
的形態に依存している。第２に、変成器の電圧利得は入
力、出力インピーダンスに依存する。第３に、変成器の
効率もまた入力、出力インピーダンスに依存する。
上記のような設計の依存性の全ては最良の変成器設計
より劣った性能の変成器をもたらす。例えば、顧客は、
典型的に特定の負荷インピーダンスを有する特定の応用
に対して必要とされる電圧利得を特定する。そのとき変
成器の設計者は要求された電圧利得に対して変成器を設
計しなければならず、それに加えて、適切なインピーダ
ンスを与え、また一方では最大の効率を与えるように変
成器の寸法を設計しなければならない。これらのパラメ
ータの全ては互いに依存性があるから、満足な変成器設
計を得ることはできない可能性がある。特に変成器に対
する最良の効率は一般に狭い負荷インピーダンスの範囲
で生じ、変成器に対する最良の電圧利得はこの狭い範囲
の外側生じる。それ故、調整可能な利得を有するピエゾ
電気変成器を提供することは困難であることは明らかで
ある。
調整可能な利得は通常幾つかの用途で要求される。例
えばラップトップコンピュータ用のLCDの背面照明にお
いて、一定の電池電圧が与えられ（通常３〜５ボル
ト）、駆動変成器は調節可能なスクリーン輝度を与える
ために電圧利得が調整可能でなければならない。
調節可能な電圧利得を与えるために試みられた従来の
方法では、このパラメータを他の設計パラメータから無
関係にすることである。調節可能な利得を与えるために
試みられた２つの従来の方法には、パルス周波数変調お
よびパルス幅変調が含まれる。パルス周波数変調は共振
から外れた周波数で変成器を駆動する関数として調節可
能な利得を与える。共振から外れて変成器が駆動される
と、出力振幅が低下し、したがって電圧利得が低下す
る。共振から外れた状態ではピエゾ電気変成器は共振点
で駆動されていないから変成器を最良の効率よりも低い
領域で変成器を動作させる状態となる欠点がある。さら
にピエゾ電気変成器は高いＱの装置であるから、共振周
波数のピークは非常に狭く、スロープは非常に急峻で、
スロープ上で動作点を制御することを困難にし、或いは
スロープの同じ側それを維持することを困難にする。そ
れ故、利得に悪影響を及ぼす。さらに、変成器の周波数
は動作温度の変化によりドリフトする。
パルス周波数変調における駆動回路は周波数を変化す
るために所望の出力と実際の出力との間のエラー信号を
使用する。要求される周波数における変化は利得対位相
曲線の傾斜に依存している。しかしながら、傾斜は大き
さおよび極性の両者が変化し、フィードバック方式で制
御することが困難である。安定度およびコンバージェン
スは傾斜の極性が拘束される場合にのみ維持されること
ができる。さらに変成器の高いＱの性質および周波数は
温度により変化し、ローディングはそのような駆動回路
の動作をさらに複雑にする。
パルス幅変調は、駆動信号のデューティサイクルの関
数として調節可能な出力電圧を与える。公称50％のデュ
ーティサイクルから駆動信号のデューティサイクルを変
化させるとき、基本周波数の振幅を低下させ、それはそ
の周波数における出力電圧を減少させる。パルス幅変調
は、高調波周波数に電力を与えて効率を低下させ、また
不所望の信号を導入する欠点を有する。
［発明の解決しようとしている課題］ 本発明の目的は、独立して調節可能な電圧利得を与
え、ピエゾ電気変成器の共振周波数において駆動され、
高い効率で動作し、低価格で製造することのできる新し
いピエゾ電気変成器を提供することである。また、高調
波周波数へのエネルギの移動を最小にするために公称50
％のデューティサイクルで駆動されるように構成できる
ことも要望されている。
［課題解決のための手段］ この目的は本発明の変成器回路によって達成される。
本発明は、入力回路と、この入力回路から駆動信号を供
給されるマルチ入力駆動セクションを有するピエゾ電気
変成器とを具備している変成器回路において、入力回路
から供給される駆動信号は、少なくとも第１および第２
の駆動信号を含み、それら第１および第２の駆動信号の
周波数は実質上ピエゾ電気変成器の共振周波数に等し
く、それら第１および第２の駆動信号の間の位相差が調
節可能に構成され、それらの駆動信号間の位相の調節に
よってピエゾ電気変成器の出力信号の大きさの調節が行
われることを特徴とする。
本発明の第２の発明は、入力回路と、この入力回路か
ら駆動信号を供給される入力駆動セクションおよび複数
の出力セクションを有するピエゾ電気変成器と、このピ
エゾ電気変成器の前記出力セクションから出力信号を供
給される出力回路とを具備している変成器回路におい
て、入力回路から供給される駆動信号の周波数は実質上
ピエゾ電気変成器の共振周波数に等しく、実質上50％の
デューティサイクルであり、出力回路はピエゾ電気変成
器の第１の出力セクションから出力される第１の出力信
号に関してピエゾ電気変成器の第２の出力セクションか
ら出力される第２の出力信号に調節可能な位相シフトを
与える位相シフト手段と、第１の出力信号と位相シフト
された第２の出力信号とを加算する合計回路とを具備
し、加算された出力信号が第１の出力信号と位相シフト
された第２の出力信号との間の相対的な位相差の変化に
対して第１と第２の出力信号間の位相差の値のコサイン
関数にしたがって変化する大きさの出力を生成すること
を特徴とする。
本発明は、マルチセクションピエゾ電気変成器に対す
る駆動信号を変調するためにパルス位置変調（PPM）ま
たはその代りに位相変調（PM）を使用する変成器回路で
ある。用語マルチセクションとは変成器の１より多くの
結合された入力または出力セクションがある構造を言う
ものである。本発明の１実施形態において、ピエゾ電気
変成器は、少なくとも１つの被駆動、すなわち出力セク
ションに結合された少なくとも２つの独立しているが干
渉する駆動または入力セクションを有するように構成さ
れている。入力信号の位相関係は出力信号の利得を決定
する。
その代りに、単一の駆動または入力セクションが少な
くとも２つの出力セクションを駆動するために使用され
てもよい。この場合には、出力セクションから生成され
た信号は外部回路中で個々に位相シフトされ、その後例
えば差動増幅器または位相比較器中で電気的に結合また
は加算され、出力信号の位相の相対的な差に対応する調
節可能な利得出力を生成する。この別の実施形態では、
電圧利得はピエゾ電気振動の干渉により固有的に与えら
れる代りに電気的に操作される。この別の形態の利点
は、回路の残りの部分と無関係に変成器の入力セクショ
ンにより自己共振するように設計されることができ、一
方、位相シフタは独立して出力電圧を調整することがで
きる。
［図面の簡単な説明］ 図１は、本発明によるピエゾ電気変成器用の簡単化さ
れた変成器回路の第１の実施形態のブロック図である。
図2Aおよび図2Bは、本発明による図１の回路中で使用
される拡張モードのピエゾ電気変成器の側面図である。
図2Aは、典型的な単一分極ピエゾ電気変成器の側面図
および本発明による偶数高調波動作モードを示すグラフ
である。
図2Bは、典型的な修正されたローゼン型のピエゾ電気
変成器の側面図および本発明による奇数高調波動作モー
ドを示すグラフである。
図３は、本発明による図2Aおよび図2Bのピエゾ電気変
成器駆動入力に対するパルス位置変調波形を示す。
図４は、本発明により位相シフトの範囲にわたる図３
のパルス位置変調波形により駆動されたときの図2Aおよ
び図2Bのピエゾ電気変成器の出力利得を表すグラフであ
る。
図５は、本発明による駆動信号Q1,Q2,Q3,Q4を生成す
る図１の変成器回路の入力回路の詳細な回路図である。
図６は、本発明による図２のピエゾ電気変成器の入力
を駆動するために使用される図５の入力回路の駆動信号
を示す概略図である。
図７は、本発明による図５および６の入力回路の動作
の説明に使用するための波形を示す。
図８は、本発明による図2Aおよび図2Bのピエゾ電気変
成器の入力を駆動するために位相変調された正弦波を使
用する簡単化された変成器回路の第２の実施形態のブロ
ック図である。
図９は、本発明による調節可能な位相関係を有する２
つの加算される出力を供給するピエゾ電気変成器の単一
の入力を駆動する簡単化された変成器回路の第２の実施
形態のブロック図である。
図10は、本発明による図９の変成器回路中で使用され
るピエゾ電気変成器の側面図である。
図11は、本発明による図８のパルス位置変調を使用す
るVin1とVin2の間の位相差に対する出力電圧の理論的お
よび実験データを表すグラフである。
図12は、ピエゾ電気変成器の効率と、発明による図８
のパルス位置変調を使用するVin1とVin2の間の位相差と
の関係を表すグラフである。
図13は、ピエゾ電気変成器の入力インピーダンスと、
本発明による図８のパルス位置変調を使用するVin1とV
in2の間の位相差との関係を表すグラフである。
［好ましい実施形態の詳細な説明］ 本発明の第１の実施形態では変成器回路は少なくとも
２つの駆動信号を生成する。その信号はそれらの間に調
節可能な位相を有し、波形および振幅が実質上同一であ
ることが好ましい。駆動信号はピエゾ電気変成器の少な
くとも２つのそれぞれ独立したマルチ入力駆動セクショ
ンに供給される。各入力駆動セクションに供給される駆
動信号は独立したピエゾ電気振動を発生し、それは他方
の入力セクションにより発生された振動と干渉する。２
つの入力駆動セクションに供給される駆動信号による振
動間の位相差は実質上同位相の状態から実質上逆位相の
状態までの範囲で調節されるから、変成器の入力駆動セ
クションからのピエゾ電気振動は、最大の利得出力を与
える実質上完全な構成的干渉（同相であり出力が加算さ
れる）から最小の利得出力を与える実質上完全な破壊的
干渉（逆相であり出力が減算される）までの範囲にわた
る。この実施形態は、効率的で、実質上一定の共振周波
数で、実質上一定の50％のデューティサイクルでピエゾ
電気変成器を駆動し、しかも広範囲の調節可能な利得出
力を与えるように動作させることができる利点がある。
駆動回路はフィードバックループ中の変成器特性を使用
することによって共振点に維持されるように構成される
こともできる。
パルス位置変調を使用する変成器回路の１実施形態で
は、実質上方形波の駆動信号を出力するスイッチング回
路が設けられる。このようなスイッチング回路を使用す
る利点は、スイッチング回路が高い電力効率を有してい
ることである。位相変調を使用する変成器回路の１実施
形態では、実質上正弦波の駆動信号を出力するために使
用される発振回路を含んでいる。位相変調を使用するこ
とはこれはピエゾ電気変成器が方形波よりも正弦波によ
り駆動される場合のほうが効率よく動作するからであ
る。さらにピエゾ電気変成器の１つの駆動入力セクショ
ンに供給される駆動信号は簡単で効率的回路を使用して
自己発振するように設計されることができ、一方第２の
の駆動入力セクションに供給される駆動信号は別に設け
られた位相シフト回路で位相シフトさせることができ
る。変成器電力コンバータ回路においては、ピエゾ電気
変成器、入力回路および出力回路を含む全ての個々の部
品の効率に対する妥協が存在することを認識する必要が
ある。入力回路および出力回路は典型的にピエゾ電気変
成器よりも効率が低いので、入力回路に対するパルス位
置変調された駆動信号を生成するためにスイッチング回
路を使用することによって全体の電力変換効率をできる
だけ大きくすることが好ましい。しかしながら、駆動信
号として位相変調された正弦波を使用する実施形態は、
最大のピエゾ電気変成器効率を必要とする用途でさらに
有効である。
図１は、本発明によるマルチ入力駆動セクションを有
するピエゾ電気変成器を使用する簡単化された変成器回
路10の第１の実施形態のブロック図である。変成器回路
10は２以上の駆動信号18,20を供給する入力回路14を備
え、それら２つの駆動信号Vin1,18とVin2,20はそれらの
間に調節可能な位相関係を有している。駆動信号18,20
はピエゾ電気変成器12の共振周波数に実質上等しい周波
数を有し、入力駆動セクションに供給される駆動信号1
8,20間の位相関係の調節によってピエゾ電気変成器12の
出力Vout22における電圧利得が調節されることができ
る。
典型的に変成器回路10はまたピエゾ電気変成器12の出
力に予め定められた負荷インピーダンスを与える出力回
路16を含んでいる。使用される用途に合致するように、
幾つかの既知の出力回路の１つが使用される。第１に、
ピエゾ電気変成器12の出力は、特別の介在素子を使用す
ることなく直接AC装置を駆動するために使用されてもよ
い。しかしながら、一般には特定の出力回路16が必要と
される。典型的にはDC出力を得るためにDC整流回路が使
用される。さらに、特定の顧客用の装置に出力を供給す
るためにその顧客の装置の入力インピーダンスをピエゾ
電気変成器の最適動作負荷インピーダンスに整合させる
ためにインピーダンス整合回路が出力回路に含まれるこ
とが必要とされる場合もある。上記の種々の出力回路16
を提供する技術はよく知られているので、ここでは説明
しない。
図2Aおよび図Ｂは図１の変成器回路10で使用される振
動の拡張モードをそれぞれ有するピエゾ電気変成器12の
側面図である。各ピエゾ電気変成器12はその２つの駆動
セクション26を定める２組の対向する駆動電極対24を有
するピエゾ電気プレートを有している。さらにピエゾ電
気プレートは少なくとも１つの実質上電極のないセクシ
ョンを有し、それはピエゾ電気変成器12の出力22,Vout
を規定する少なくとも１つの出力電極28により終端され
ている。駆動セクション26は厚さ拡張モードで駆動さ
れ、一方、電極のない部分は長さ拡張モードで駆動され
る。
図2Aのピエゾ電気変成器は関連するグラフで示される
ように偶数高調波モードで動作される。この形式の変成
器は典型的に単一分極プレート（ニオブ酸リチウムの単
結晶タイプまたは単一分極セラミック等）を有する。図
2Bのピエゾ電気変成器は関連するグラフで示されるよう
に奇数高調波モードで動作する。この形式の変成器は典
型的に反対に分極されたプレートセクション（従来知ら
れている修正されたローゼンタイプのようなもの）を有
する。
偶数高調波モード（１λの多数倍の拡張波長）の動作
に対して、Voutに対する最大出力は同位相である２つの
駆動信号Vin1とVin2が供給されるときに得られる。奇数
高調波モード（λ/2の多数倍の拡張波長）の動作に対し
て、Voutに対する最大出力は同位相の駆動信号Vin1およ
びVin2に対して図2Bに示されるようにVin1およびVin2と
反対の極性で得られる。反対に、Vin1とVin2とが逆位相
である場合には、駆動信号に対する電気接続の極性が反
対にされることによってVoutに対する最大出力が得られ
る。当業者はプレートの極性および方向、Vin1とVin2が
相対的に同位相であるか逆位相であるかを操作し、本発
明の技術的範囲から逸脱することなく図2Aおよび2Bに示
されたもののような電気接続の極性を構成することによ
って、これらの変化を補償することができる。
さらに、入力駆動セクションおよび出力セクションを
有する形式の全ての変成器形式が本発明で利用できるこ
とを認識すべきである。多数の入力および、または出力
を有する種々のピエゾ電気変成器が技術的に知られてい
る。本発明の第１の実施形態は、特定の設計のピエゾ電
気変成器の入力および出力セクションが電気的に独立し
て振動的に干渉する従来技術の設計に対して利用されて
成功を収めた。
図３は、図2Aおよび2Bに示されたピエゾ電気変成器の
各入力駆動セクションを駆動するためのパルス位置変調
されたVin1およびVin2を示している。Vin1およびVin2は
2T0の周期を有し、Vin2とVin1の位相に関して可変位相
シフトを有している。周期2T0はピエゾ電気変成器の共
振周波数の周期にほぼ等しく選択されることが好まし
い。Vin1とVin2のデューティサイクルが約50％に選ばれ
ることはさらに好ましい。
図４は、ゼロからπ（180度）の相対位相の位相シフ
ト範囲にわたって、図３のパルス位置変調された波形V
in1およびVin2により駆動されたとき、図2Aおよび図2B
に示されたピエゾ電気変成器の出力電圧利得（出力電圧
の大きさ）Voutのグラフを示している。Voutは周期2T0
を有するコサイン関数に近似しており、それは駆動信号
の相対位相差Ｔにしたがって変化する。ゼロ（または36
0度の整数倍）の相対位相シフトにおいて、Vin1およびV
in2は同位相でありVoutは最大である。一方、π（180
度）または360度の整数倍＋πの相対位相シフトにおい
てはVin1およびVin2は逆位相であり、Voutは最小であ
る。位相シフトに対する出力電圧Voutは近似的に図示の
ようにコサイン関数にしたがって変化している。
図５は、図１の変成器回路10の入力回路14の好ましい
実施形態の詳細な回路図である。入力回路14は、（図６
に示されているように）ピエゾ電気変成器の駆動入力を
切替えるために１次信号36と位相シフトされた信号38を
出力する。好ましくは、信号36,38はほぼ50％のデュー
ティサイクルの方形波であり、外部位相制御手段からの
制御信号40により決定された相対位相シフトにより位相
をずらされている。入力回路14は鋸歯状波発生器30、１
次信号発生器32、位相シフト発生器34を含み、１次信号
36（Q1およびQ2）および位相シフトされた信号38（Q3お
よびQ4）を生成し、それらはピエゾ電気変成器の入力駆
動セクションに供給される（図６に示されているよう
に）。
鋸歯状波発生器30は自己発振比較器を含み、傾斜信号
RAMPおよび方形波信号Q0を出力する。電圧分割器が比較
器の非反転入力に結合され、比較器の出力から駆動され
る。比較器の出力は直列抵抗Ｒと並列キャパシタＣに結
合されている。信号の周波数は直列抵抗Ｒと並列キャパ
シタＣとのRC時定数により決定される。ＲとＣの値はピ
エゾ電気変成器の共振周波数のほぼ２倍に対応する周波
数を生成するように選択される。ＲとＣの少なくとも一
方は可変であり、公知の技術を使用して外部的に制御さ
れることを認識すべきである。傾斜信号はＲとＣの接続
部で生成される。傾斜信号はまた比較器の反転入力にフ
ィードバックされ、またダイオードを通って比較器の出
力に結合されている。
１次信号発生器32はJKフリップフロップである。フリ
ップフロップのＪおよびＫ端子は高レベルに保持され
る。フリップフロップのクロック入力は鋸歯状波発生器
30の比較器の出力から方形波信号Q0を与えられる。JKフ
リップフロップは１次信号36を出力し、それはピエゾ電
気変成器の共振周波数に対応する方形波信号Q0の1/2の
周波数で約50％のデューティサイクルを有する。
位相シフト発生器34は比較器およびJKフリップフロッ
プを有している。このJKフリップフロップのＪおよびＫ
端子は高レベルに保持される。比較器はその非反転入力
に結合された鋸歯状波発生器30からの傾斜信号と反転入
力に結合された位相制御手段40からの信号とを比較して
比較器からの可変出力信号を生成する。比較器出力はJK
フリップフロップのクロック入力に結合され、このJKフ
リップフロップは方形波信号Q0のほぼ1/2の周波数で約5
0％のデューティサイクルを有する位相シフトされた信
号38を出力する。
図６は、図５の入力回路の１次信号および位相シフト
された信号Q1,Q2,Q3,Q4がどのようにスイッチの駆動に
使用され、駆動信号Vin1,Vin2を生成して図2Aに示した
偶数高調波のピエゾ電気変成器の入力に結合されるかを
示している。Q3,Q4のスイッチが図2Bの奇数高調波のピ
エゾ電気変成器の入力に正確な極性の駆動信号Vin1,V
in2を与えるために交換されなければならないことを認
識すべきである。スイッチはトランジスタスイッチであ
ることが好ましい。多くのスイッチの形態が知られてお
り、それらの任意のものが本発明における使用のために
同様に適用可能である。
図７は、入力回路14および図５および６のピエゾ電気
変成器スイッチの動作を説明するために使用される波形
図を示している。第１および第２の波形は鋸歯状波傾斜
信号波形および鋸歯状波発生器30により出力された比較
器出力Q0を示している。鋸歯状波発生器30の比較器が高
レベル出力（Q0が高レベル）を発生するとき、キャパシ
タＣは抵抗Ｒを通って充電され、増加する傾斜信号電圧
を生成する。傾斜信号電圧が比較器の非反転入力におけ
る電圧分割器によって定められたしきい値と交差する
と、比較器の出力は低レベルになる（Q0が低レベル）。
これによりキャパシタＣはダイオードを通って急速に放
電されサイクルが再開する。ＲとＣとの値はピエゾ電気
変成器の共振周波数の周期の1/2に実質上等しい周期に
なるように予め定められる。
比較器出力Q0は次１次信号発生器32のJKフリップフロ
ップのクロック入力端子に供給される。JKフリップフロ
ップのＪおよびＫ端子は高レベルVDDに維持される。そ
れによりJKフリップフロップのＱ出力はクロック信号Q0
の各前縁において状態を変化する。実効的に、これはピ
エゾ電気変成器の共振周波数に実質上等しいQ0の周波数
の約1/2のほぼ50％のデューティサイクルを有する方形
波信号を生成する。この信号Q1はピエゾ電気変成器に対
する第１の入力42とVDDとの間に結合されたスイッチに
供給される。JKフリップフロップはまた、Q1と反対の極
性である相補的な信号Q2を出力する。この信号Q2は、ピ
エゾ電気変成器に対する第１の入力42と接地点との間に
結合されたスイッチに供給される。Q1が高レベルになる
とき、VDDに接続されている対応するスイッチが閉じ（Q
2が低レベルになるため接地点に接続されたスイッチは
開く）、ピエゾ電気変成器に対する第１の入力42、すな
わちVin1を高レベルに駆動する。この結果生じた信号V
in1はQ1およびピエゾ電気変成器の共振周波数に対応す
る周波数を有する。
鋸歯状波発生器30の比較器からの傾斜信号は位相シフ
ト発生器34の比較器の非反転入力に供給され、比較器の
反転入力に結合された位相制御信号と比較される。比較
器の出力は位相シフト発生器34のJKフリップフロップの
クロック入力端子に結合される。位相シフト発生器34の
JKフリップフロップのＪおよびＫ端子は高レベルに保持
される。JKフリップフロップのＱ出力は比較器出力の各
前縁において状態を変化する。傾斜信号が位相制御信号
のしきい値と交差するとき、比較器出力は高レベルとな
り、Ｑ出力は高レベルとなる。実効的にこれはピエゾ電
気変成器の共振周波数に実質上等しい比較器出力の周波
数の約1/2のほぼ50％のデューティサイクルを有する方
形波信号を生成する。この信号Q3はピエゾ電気変成器に
対する第２の入力44とVDDとの間に結合されたスイッチ
に供給される。JKフリップフロップはまた、Q3と反対の
極性である相補的な信号Q4を出力する。この信号Q4は、
ピエゾ電気変成器に対する第２の入力44と接地点との間
に結合されたスイッチに供給される。Q3が高レベルにな
るとき、VDDに接続されている対応するスイッチが閉じ
（Q4が低レベルになるため接地点に接続されたスイッチ
は開く）、ピエゾ電気変成器に対する第２の入力44、す
なわちVin2を高レベルに駆動する。この結果生じた信号
Vin2はQ3およびピエゾ電気変成器の共振周波数に対応す
る周波数を有する。
信号Q1,Q2,Q3,Q4は全てピエゾ電気変成器の共振周波
数に対応する同じ周波数を有する。しかしながら、信号
Q3,Q4は傾斜信号が位相制御しきい値と交差するまでに
要した時間に等しい時間だけ信号Q1,Q2から位相シフト
されている。位相制御しきい値が増加するとき、傾斜信
号がそれと交差するまでの時間も増加する。これはVin1
とVin2との間の相対位相シフトを対応して増加させる。
図５および６の特定の構成の回路の利点は、位相シフト
された信号38が１次信号36に関して０度と180度の間で
連続的に調節されることができ、スイッチのデューティ
サイクルを変更することなくピエゾ電気変成器出力22の
制御を行うことができることである。
図８は、図２のピエゾ電気変成器の入力を駆動するた
めに位相変調された正弦波波形を使用する簡単化された
変成器回路の第２の実施形態を示している。この実施形
態では入力回路（図１の14で示された回路）発振回路46
と位相シフタ48とにより置換されている。変成器12の第
１の入力42はピエゾ電気変成器12の共振周波数に等しい
周波数の信号を発生する発振回路46により生成された正
弦波50,Vin1によって駆動される。多くの発振回路が技
術的に知られており、それらの任意のものが本発明の実
施のために使用できることを認識すべきである。正弦波
50,Vin1はまた、外部位相制御により制御される可変位
相シフタ48にも供給される。位相シフタ48は第２の正弦
波52,Vin2を出力し、それは位相制御信号に応じて位相
シフトされた位相を有するが、その他はVin1と実質上同
一である。この第２の正弦波52,Vin2はピエゾ電気変成
器の第２の入力44に供給される。位相シフトされた信号
Vin2は発振器信号Vin1に関して０度と180度の間で連続
的に調節されることができ、それは前述のような方法で
ピエゾ電気変成器出力22の制御を行う。
第２の実施形態の変形された実施形態では、変成器12
の第１の入力42はピエゾ電気変成器12の共振周波数で発
振する発振回路46の出力である。コルピッツ回路のよう
な多くの水晶発振器が技術的に知られており、それらも
第１の入力42を生成するために本発明において使用して
成功をおさめることができることを認識すべきである。
自己発振を行う利点は、発振回路46がピエゾ電気変成器
の共振周波数を追跡するために自己同調することであ
る。これは結果的に簡単で廉価な回路構成をもたらす利
点がある。
図９は、本発明による位相変調された電気干渉多重出
力駆動セクションを有するピエゾ電気変成器112を使用
する簡単化された変成器回路110の第３の実施形態を示
している。変成器回路110は、ピエゾ電気変成器112の駆
動セクションに結合され、ピエゾ電気変成器112の共振
周波数である駆動信号118,Vinを出力として供給する駆
動回路114を備えている。ピエゾ電気変成器112は２つの
出力信号Vout1,120とVout2,122を出力回路116に出力す
る。出力回路116はVout1,120とVout2,122との間の相対
位相を調節し、それら２つの出力信号Vout1,Vout2はそ
の後加算される。Vout1,120とVout2,122との間の位相関
係は位相制御信号によって制御され、回路110からの出
力124の電圧利得の調節を行わせる。
出力回路116はピエゾ電気変成器112の出力に対する予
め定められた負荷インピーダンスを与えるように構成さ
れることもできる。さらに、インピーダンス整合回路が
使用されて特定の顧客の用途に対してペゾ電気変成器の
最適動作負荷インピーダンスを整合するために使用され
ることができる。出力回路116は何等整流素子を介在さ
せることなくAC装置を直接駆動するために使用すること
ができる。その代りに、変成器回路110はまたは出力回
路116に結合されてDC出力を与える整流回路を含むこと
もできる。用途に応じてそれに適合するために幾つかの
既知の整流回路の１つが設けられることができる。整流
回路を構成する技術はよく知られており、ここでは説明
しない。
好ましい実施形態では、出力回路116は位相シフタ130
および加算回路132を備えており、それらはピエゾ電気
変成器112の各出力Vout1,120およびVout2,122に結合さ
れて予め定められた負荷インピーダンスを与えている。
位相シフタ130は図８の位相シフタ48と類似した構成で
ある。加算回路132は技術的に良く知られており、例え
ば差動増幅器または位相比較器が含まれる。位相シフタ
130は加算回路132に対してVout1,120と加算される調節
可能な位相シフトされた信号Vout2を与え、位相制御に
応答して調節可能な利得出力124を出力する。
図10は、振動の拡張モードを有し、図９の変成器回路
110で使用されるピエゾ電気変成器112の側面図である。
ピエゾ電気変成器112はその入力駆動セクション128を定
める対向する１組の駆動電極対125を有するピエゾ電気
プレートを有している。さらに、プレートは少なくとも
２つの実質上電極のないセクションを有しており、それ
らは少なくともピエゾ電気変成器112の第１および第２
の出力Vout1,120およびVout2,122を定める第１および第
２の出力電極127,128によって終端されている。入力駆
動セクション126は厚さ方向の拡張モードで駆動され、
一方、電極のない中間に位置するセクションは長さ方向
の拡張モードで駆動される。
第３の実施形態の利点は、駆動回路（入力回路）114
（図９）はピエゾ電気変成器112の共振周波数で入力駆
動セクション126に供給される駆動信号を自己発振によ
り発生する発振器設計にすることができることである。
コルピッツ回路のような多数の水晶発振回路が技術的に
知られており、それらは本発明の入力駆動セクション12
6に供給される駆動信号の自己発振のために使用して成
功する結果が得られることを認識すべきである。自己発
振を行う利点は、駆動回路114がピエゾ電気変成器112の
共振周波数を追跡するために自己同調されることができ
ることである。これは結果的に電気的に独立した入力お
よび出力回路を簡単で廉価な回路構成とする利点があ
る。
図10のピエゾ電気変成器は任意の相対位相関係を有す
るVout1およびVout2を出力させる偶数または奇数高調波
動作を行うことができる。しかしながら、回路の最も簡
単な動作は、実質上同位相または実質上逆位相であるV
out1およびVout2により生じ、最大または最小の出力124
を生成する。いずれの条件に対しても、出力回路116は
実質上同位相から実質上逆位相までの範囲内のするV
out1とVout2との間の相対位相を調節する。当業者はプ
レートの極性および方向を操作し、Vout1とVout2が相対
的に同位相から実質上逆位相であるかを操作し、本発明
の技術的範囲から逸脱することなく電気接続極性の適切
な構成によりこれらの変化に適応することができる。
さらに、複数の出力セクションを有する全ての形式の
変成器は本発明で利用されることができることを認識す
べきである。複数の出力を有する種々のピエゾ電気変成
器が技術的に知られている。本発明のこの第３の実施形
態はこれらの設計を使用して成功し、特定のピエゾ電気
変成器設計の入力または出力セクションは電気的に独立
して振動的に干渉する。
第３の実施形態の変形形態では、出力回路116は、ピ
エゾ電気変成器の複数の出力がそれを通って負荷に接続
されているスイッチング回路を含んでいる。スイッチン
グ信号はスイッチング回路を共振周波数の共振、共振周
波数のサブ高調波または多数倍で駆動し、出力信号間の
相対位相差により負荷の利得を対応して調節する。出力
信号は実質上50％のデューティサイクルに維持されるこ
とが好ましい。
本発明の第４の実施形態では、少なくとも２つの入力
駆動セクションと少なくとも２つの出力セクションがピ
エゾ電気変成器に設けられている。この実施形態は、第
２および第３の実施形態の組合わせを含み、第１の調節
可能な位相関係を有する少なくとも２つの入力Vin1およ
びVin2および第２の調節可能な位相関係を有する少なく
とも２つの出力Vout1およびVout2を含んでいる。第２の
調節可能な位相関係は第１の調節可能な位相関係と独立
して調節可能である。
本発明はまた、例えば図2Aおよび図2Bに示されたもの
のように多数の入力の変成器を駆動するための方法を含
んでいる。この方法は、プレートの共振周波数にほぼ等
しい第１の駆動信号により第１の入力駆動セクションを
駆動し、プレートの共振周波数にほぼ等しいが第１の駆
動信号に関して調節可能な位相関係を有する第２の駆動
信号により第２の入力駆動セクションを駆動するステッ
プを含み、少なくとも１つの出力電極から得られた出力
信号が対応する調節可能な電圧利得を与える。駆動信号
間の位相関係の調節は変成器内において振動の干渉を生
じさせ、駆動信号間の位相差のコサイン関数で表される
電圧利得の調節がピエゾ電気変成器の出力において生成
される。駆動信号は、方形波、正弦波、三角波、鋸歯状
波、および不規則な波形を含む任意の波形であってよ
い。第１および第２の駆動信号は実質上50％のデューテ
ィサイクルを有することが好ましい。さらに、両駆動信
号は最も効率の良い動作のためには実質上同じ波形およ
び同じ振幅でなければならない。
図2Aに例示された変成器の電気接続を使用して、同じ
同位相信号による第１および第２の入力（図示された18
および20）の駆動は、出力電極において最大の電圧利得
を生じる。180度位相の相違する信号による両入力の駆
動は、受信電極において最小の電圧利得を生じる。第１
の駆動セクションを第２の駆動セクションに対してほぼ
90度の位相で駆動すると、出力電極において最大の電圧
利得のほぼ の大きさの電圧利得が生じる。
２つの駆動信号に対して実質上共振周波数に等しい周
波数を使用することにより、最大の効率の周波数でピエ
ゾ電気変成器を常に動作する利点が得られる。同様な同
位相信号により図2Aの駆動セクションを駆動すると期待
される最大の利得および電力転送が得られる。逆位相信
号により駆動セクションを駆動すると、最小の利得およ
び電力転送が得られる。しかしながら、驚くべきこと
は、２つの駆動セクションが逆位相で動作するとき、相
対位相差が最大になるのに対応して変成器の入力インピ
ーダンスが上昇するので無駄な熱として変成器の内部で
消費される電力は非常に少なくなる。
本発明はまた、例えば図10に示されたもののように多
数の出力の変成器を駆動するための方法を含んでいる。
この方法はプレートの共振周波数にほぼ等しい単一の駆
動信号によりピエゾ電気変成器の単一の入力駆動セクシ
ョンを駆動し、ピエゾ電気変成器の第１の出力セクショ
ンからの第１の出力信号に関してその第２の出力セクシ
ョンからの第２の出力信号を位相シフトし、第１および
第２の出力信号を加算して加算した出力信号が第１およ
び第２の出力信号間の相対位相差によって決定される調
節可能な電圧利得を与えるステップを含んでいる。出力
信号間の位相関係の調節は加算ステップにおいて出力信
号間の干渉を生じさせ、加算された出力信号の電圧利得
すなわち出力電圧の大きさが出力信号間の位相差のコサ
イン関数にしたがって変化する。駆動信号は、方形波、
正弦波、三角波、鋸歯状波、および不規則な波形を含む
任意の波形であってよい。駆動信号は入力セクションに
対して実質上50％のデューティサイクルを有することが
好ましい。さらに、最も好ましいことは駆動信号は最も
効率の良い正弦波入力を与えるために入力セクションに
より自己発振することである。
当業者は、図10に例示された変成器に対する電気接続
を使用し、奇数高調波モードで動作する変成器により、
出力信号が変成器のプレートの最初のポール（poling）
に応じて同位相または逆位相にすることができる。いず
れの場合にも180度の逆位相の出力信号の加算された出
力の最小の電圧利得を生じ、同位相の出力信号の加算は
加算された出力の最大の電圧利得を生じる。第２の出力
信号を第１の出力信号に対して約90度位相シフトすると
潜在的な最大の電圧利得のほぼ の加算出力が得られる。
入力セクションの駆動のために実質上共振周波数を使
用すると、最大電力転送が生じる最も効率の良い周波数
においてピエゾ電気変成器を常に動作させる利点が得ら
れる。この第２の方法の利点は、変成器入力が、スイッ
チング入力回路により駆動されるよりも高い効率の自己
発振入力回路により正弦波駆動されることができること
である。これは入力信号周波数の追跡またはフィードバ
ックの必要をなくす。この理由は駆動信号が自動的に変
成器の共振周波数を追跡するからである。さらに、出力
信号は変成器の外側で干渉し、それはさらに変成器内の
内部加熱を減少させる。
［実験例］ 図2A、図2Bおよび図10に示された変成器の構成に加え
て、本発明で利用できる他の可能は変成器の実施例は、
カワイ氏外の米国特許5,365,141号明細書、オオニシ氏
外の米国特許5,440,195号明細書、フクオカ氏外の米国
特許5,463,266号明細書に記載されており、それらの全
ては例えば二重入力ピエゾ電気変成器の実施例を記載し
ている。本発明に対して、ピエゾ電気変成器に使用され
る電極の具体的な構造またはピエゾ電気材料は、少なく
とも２つの独立した干渉入力または出力が使用される限
り、本発明の動作においては重要ではない。
この例に含まれた試験された変成器の設計は、細長い
単一分極のＹカットのニオブ酸リチウムピエゾ電気結晶
プレートを含み、その寸法はほぼ長さ20mm、幅4mm、厚
さ0.4mmであった。このプレートはプレートの長さ方向
の拡張モード振動のほぼ1/2の共振波長の偶数倍を有す
るピエゾ電気振動モードを有している。プレートは図2A
に示されものと同様に、その第１の端部付近に配置さ
れ、第１の駆動セクションを規定している１対の対向し
た第１の駆動電極と、その第２の端部付近に配置され、
第２の駆動セクションを規定している１対の対向した第
２の駆動電極とを備えている。入力電極対は約4mmの幅
と約5mmの長さ（ほぼ1/2波長）を有している。
プレートは中央部分に出力セクションを規定する電極
のない部分を有し、プレートの中央部分の周囲に設けら
れた幅約1mmのバンドで構成された少なくとも１個の出
力電極によって終端されている。プレートは任意の偶数
高調波周波数で動作することが可能であるが、この例で
は590kHzの第４高調波周波数（２波長）で動作されてい
る。振動ノードおよびプレートの取付け支持点はプレー
トのいずれかの端部から1/4波長の位置に配置されてい
る。変成器の特性は、取付け支持点が振動ノードに位置
してプレートのピエゾ電気振動の制動が最小にされると
きに最良になることを認識すべきである。
図11は、図８の回路を使用するピエゾ電気変成器の出
力電圧Vout対Vin1とVin2との間の位相差の関係の理論的
および実験グラフである。破線は、Vin1とVin2との間の
所定の位相差に対して計算されたコサイン出力電圧Vout
を表している。データ点はVin1とVin2との間の所定の位
相差に対する実際の出力電圧Voutを表している。グラフ
から認められるように、実験データは計算された値と良
好に一致している。
図12は、図８の回路を使用するピエゾ電気変成器の効
率対Vin1とVin2との間の位相差の関係のグラフである。
BKグラフは、本発明が有効な位相調節範囲を通して実質
的に効率を維持していることを示している。したがっ
て、効率は図11に示されるような有効な利得調節範囲に
わたって維持されている。
図13は、図８の回路を使用しているピエゾ電気変成器
の入力インピーダンス対Vin1とVin2との間の位相差の関
係のグラフである。このグラフは、利得がピエゾ電気変
成器の２つの入力からのピエゾ電気振動の干渉により利
得が減少するとき、変成器の入力インピーダンスZinが
効果的に増加し、それは変成器内の電流および電力の消
費を減少させる。したがって、変成器内で潜在的に生成
される無駄な熱が最小にされる。
表１は、ピエゾ電気変成器に対する同位相の構成的
（最大利得）駆動状態および逆位相の破壊的（最小利
得）駆動状態に対する電力消費を示している。表１に示
された構成的および破壊的駆動の両方に対して、駆動入
力電圧はピーク間で６ボルトであり、出力回路は13キロ
オームの負荷抵抗であった。Pinは変成器の入力電力で
あり、Poutは変成器により出力される出力電力である。
Voutは変成器により出力される出力電圧である。
表 1:0度と180度の位相シフト間の電圧利得Voutの変化 モード Pin Pout Vout 構成的（同相） 87.6mW 38.8mW 63.5V 破壊的（逆相） 9.0mW 0.4mW 6.6V この表から認められるように、出力電力Poutは２つの
利得端部間で著しく変化する。また、完全な破壊的干渉
においてピエゾ電気変成器内で消費される電力は8.6mW
であり、回路と変成器の設計が最適でなくても、或いは
インピーダンスがこの試験で入力または出力回路に整合
されなくても最小である。
以上、本発明の幾つかの実施形態を参照にして説明し
たが、当業者はこの説明に基づいて本発明の技術的範囲
を逸脱することなく種々の修正、変更、置換、および説
明した実施形態の組合わせを実施することができること
を理解すべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マンチニ、ブライアン・エム アメリカ合衆国、イリノイ州 60188、 キャロル・ストリーム、セネカ・レーン 855 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/08

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入力回路と、この入力回路から駆動信号を
    供給されるマルチ入力駆動セクションを有するピエゾ電
    気変成器とを具備している変成器回路において、 前記入力回路から供給される駆動信号は、少なくとも第
    １および第２の駆動信号を含み、それら第１および第２
    の駆動信号の周波数は実質上ピエゾ電気変成器の共振周
    波数に等しく、それら第１および第２の駆動信号の間の
    位相差が調節可能に構成され、それらの駆動信号間の位
    相の調節によってピエゾ電気変成器の出力信号の大きさ
    の調節が行われることを特徴とする変成器回路。
  2. 【請求項２】駆動信号は実質上50％のデューティサイク
    ルを有している請求項１記載の変成器回路。
  3. 【請求項３】入力回路はピエゾ電気変成器の入力駆動セ
    クションにパルス位置変調された駆動信号を供給するス
    イッチング回路である請求項１記載の変成器回路。
  4. 【請求項４】入力回路は実質上正弦波駆動信号を使用す
    るピエゾ電気変成器の入力駆動セクションにパルス位置
    変調された駆動信号を供給する発振回路である請求項１
    記載の変成器回路。
  5. 【請求項５】入力回路は発振回路を具備し、その発振回
    路はピエゾ電気変成器の第１の入力駆動セクションは実
    質上ピエゾ電気変成器の共振周波数に等しい周波数で発
    振するように構成され、さらに位相制御信号に応答する
    調節可能な位相シフト回路を具備し、この位相シフト回
    路は発振回路からの駆動信号を調節可能に位相シフト
    し、その位相シフトされた駆動信号をピエゾ電気変成器
    の第２の入力駆動セクションに供給する請求項４記載の
    変成器回路。
  6. 【請求項６】ピエゾ電気変成器の出力は駆動信号間の位
    相差の変化に対して駆動信号間の位相差のコサイン関数
    にしたがって変化する大きさを有している請求項１記載
    の変成器回路。
  7. 【請求項７】ピエゾ電気変成器の入力インピーダンスは
    入力回路の駆動信号間の位相差の大きさに対応してイン
    ピーダンス値を有している請求項１記載の変成器回路。
  8. 【請求項８】入力回路は実質上50％のデューティサイク
    ルを有し、それらの間の調節可能な位相関係を有し、ピ
    エゾ電気変成器の共振周波数に実質上等しい周波数を有
    する２以上の実質上正弦波の位相変調された駆動信号を
    出力し、 それら２つの駆動信号がピエゾ電気変成器の入力駆動セ
    クションに供給されてピエゾ電気変成器内で高いに干渉
    する振動を生成し、その干渉によって駆動信号間の位相
    差の値のコサイン関数にしたがって出力をピエゾ電気変
    成器の出力で生成する請求項１記載の変成器回路。
  9. 【請求項９】入力回路と、この入力回路から駆動信号を
    供給される入力駆動セクションおよび複数の出力セクシ
    ョンを有するピエゾ電気変成器と、このピエゾ電気変成
    器の前記出力セクションから出力信号を供給される出力
    回路とを具備している変成器回路において、 前記入力回路から供給される駆動信号の周波数は実質上
    ピエゾ電気変成器の共振周波数に等しく、実質上50％の
    デューティサイクルであり、 前記出力回路はピエゾ電気変成器の第１の出力セクショ
    ンから出力される第１の出力信号に関してピエゾ電気変
    成器の第２の出力セクションから出力される第２の出力
    信号に調節可能な位相シフトを与える位相シフト手段
    と、第１の出力信号と位相シフトされた第２の出力信号
    とを加算する合計回路とを具備し、加算された出力信号
    が第１の出力信号と位相シフトされた第２の出力信号と
    の間の相対適な位相差の変化に対して第１と第２の出力
    信号間の位相差の値のコサイン関数にしたがって変化す
    る大きさの出力を生成することを特徴とする変成器回
    路。
  10. 【請求項１０】入力回路は、ピエゾ電気変成器の入力駆
    動セクションに実質上正弦波波の駆動信号を供給する発
    振回路であり、実質上ピエゾ電気変成器の共振周波数に
    等しい周波数の駆動信号を発生させ、前記出力回路は位
    相制御信号にしたがって駆動信号間の位相差を制御する
    調節可能な位相シフト回路を含み、この位相シフト回路
    は第１の出力信号に関してピエゾ電気変成器の第２の出
    力信号を調節可能に位相シフトする請求項９記載の変成
    器回路。
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