JP3633919B2 - 圧電トランスの駆動方法及び駆動回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動子の共振現象を利用して交流電圧を変圧する圧電トランスの駆動方法及び駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電トランス（ソリッドフォーマ）は、圧電振動子の共振現象を利用することにより、低電圧を入力し高電圧を出力するようにしたものである（例えば下記特許文献１参照）。圧電トランスの特長は、電磁型に比べて圧電振動子のエネルギ密度が高い点にある。そのため、小型化が可能であるので、冷陰極蛍光管点灯用、液晶バックライト点灯用、小型ＡＣアダプタ用、小型高電圧電源用などに使われている。
【０００３】
図６は圧電トランスを示し、図６［１］は斜視図、図６［２］は側面図、図６［３］は等価回路図である。以下、この図面に基づき説明する。
【０００４】
圧電トランス１０は、圧電振動体１１に一次電極１２，１３と二次電極１４とを設け、一次側を厚さ方向（矢印１５）に分極し、二次側を長さ方向（矢印１６）に分極したものである。一次電極１２，１３は、圧電振動体１１を挟んで対向している。圧電振動体１１は、長さＬ、幅Ｗ、厚さｔの板状（直方体状）である。圧電振動体１１の長さ方向において、一端からＬ／２までの幅方向に一次電極１２，１３が設けられ、他端の厚さ方向に二次電極１４が設けられている。一次側に長さ寸法で決まる固有共振周波数ｆｒの電圧を入力すると、逆圧電効果により強い機械振動を起こし、圧電効果によりその振動に見合った高い電圧Ｖｏが二次側から出力される。
【０００５】
圧電トランス１０の駆動時の変位及び応力の分布は、図６［２］のとおりである。圧電振動体１１を保持する箇所は節部分であり、λモードの場合は両端から長さの１／４の部分である。圧電トランス１０の共振周波数ｆｒ近傍における等価回路は、図６［３］のように書くことができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３２１３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図７は従来の圧電トランスの駆動回路を示し、図７［１］は機能ブロック図、図７［２］は矩形波発振器の出力波形である。以下、図６及び図７に基づき説明する。
【０００８】
駆動回路９０は、矩形波発振器９１及びローパスフィルタ９２から基本的に構成される。ローパスフィルタ９２は、矩形波発振器９１から出力された矩形波電圧に含まれる高調波成分を除去することにより、正弦波に近い波形を圧電トランス１０に印加する。
【０００９】
図７［２］に示す矩形波（又は方形波とも呼ばれる。）のフーリエ級数は、次式(2)で与えられる。
【００１０】
（４Ｖｐ／π）［ｓｉｎθ＋（１／３）ｓｉｎ３θ＋（１／５）ｓｉｎ５θ＋・・・＋｛１／（２ｎ＋１）｝ｓｉｎ（２ｎ＋１）θ＋・・・］ (2)
【００１１】
この式(2)から明かなように、矩形波に含まれる基本波以外の高調波を除去するため、ローパスフィルタ９２のカットオフ周波数は一般に３次高調波に設定されている。このように比較的低いカットオフ周波数にする必要があるので、ローパスフィルタ９２のインダクタンスは大きくしなければならない。しかしながら、大きいインダクタンスのインダクタは、寸法が大きく、重く、かつ高価であるという問題があった。
【００１２】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、ローパスフィルタのインダクタンスを小さくでき、これによりローパスフィルタを省略することもできる、圧電トランスの駆動方法及び駆動回路を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電トランスの駆動方法（請求項１）は、不連続矩形波の電圧に含まれる高調波成分をカットオフ周波数が５次高調波に設定されたローパスフィルタで除去した後に、その不連続矩形波の電圧を圧電トランスの一次電極に印加する、というものである。本発明に係る圧電トランスの駆動回路（請求項４）は、圧電トランスの一次電極に印加するための不連続矩形波の電圧を出力する不連続矩形波発振器と、この不連続矩形波発振器から出力された不連続矩形波の電圧に含まれる高調波成分を除去するとともにカットオフ周波数が５次高調波に設定されたローパスフィルタとを備えた、というものである。ここで用いられる不連続矩形波は、電位０と、電位０よりも一定電圧だけ高い電位＋１と、電位０よりも一定電圧だけ低い電位−１とからなる。
【００１４】
矩形波は、前述の式(2)から明らかなように、基本波の係数を１とすれば、基本波＋（１／３）３次高調波＋（１／５）５次高調波＋・・・によって構成されている。つまり、矩形波では、高調波の中でも３次高調波の占める割合が最も大きい。これに対し、不連続矩形波は、後述するように、矩形波に比べて３次高調波の係数を小さくできる。したがって、３次高調波の係数を小さくできる分、ローパスフィルタのインダクタンスも小さくできる。
【００１５】
不連続矩形波は、一周期をＴとすると、ある時間０から時間（Ｔ／１２＋Δθ）までが電位０、時間（Ｔ／１２＋Δθ）から時間（５Ｔ／１２−Δθ）までが電位＋１、時間（５Ｔ／１２−Δθ）から時間（７Ｔ／１２＋Δθ）までが電位０、時間（７Ｔ／１２＋Δθ）から時間（１１Ｔ／１２−Δθ）までが電位−１、時間（１１Ｔ／１２−Δθ）から時間Ｔまでが電位０、という構成を有し、Δθが−Ｔ／７２≦Δθ≦Ｔ／７２である、としてもよい（請求項２，５）。このとき、Δθが０である、としてもよい（請求項３，６）。
【００１６】
Δθが０であるときの不連続矩形波は、基本波の係数を１とすれば、基本波＋（−１／５）５次高調波＋（１／７）７次高調波＋・・・によって構成される（図７及び図８参照）。したがって、この不連続矩形波では３次高調波が無くなるので、ローパスフィルタのインダクタンスも５次高調波をカットオフ周波数とするもので十分である。また、図８及び図９に示す各式にΔθを代入して計算すれば明らかなように、−Ｔ／７２≦Δθ≦Ｔ／７２であるとき、３次高調波の成分を基本波の約１０％以内に抑えられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電トランスの駆動方法及び駆動回路について、図面を参照しつつ、その実施形態を説明する。ただし、本発明に係る駆動方法は、本発明に係る駆動回路に用いられるものであるので、本発明に係る駆動回路の実施形態を説明する中で同時に説明する。
【００１８】
図１は本発明に係る圧電トランスの駆動回路の一実施形態を示し、図１［１］は機能ブロック図、図１［２］は不連続矩形波発振器の出力波形である。図２は、矩形波（従来技術）及び不連続矩形波（本発明）の高調波成分を示すグラフである。以下、図１及び図２に基づき説明する。
【００１９】
図１［１］に示すように、本実施形態の駆動回路２０は、不連続矩形波発振器２１及びローパスフィルタ２２から構成されている。ローパスフィルタ２２は、不連続矩形波発振器２１から出力された不連続矩形波電圧に含まれる高調波成分を除去することにより、正弦波に近い波形を圧電トランス１０に印加する。なお、不連続矩形波発振器２１は、不連続矩形波生成信号を出力する発振部（図３）と、この不連続矩形波生成信号に基づき不連続矩形波からなる電圧を圧電トランス１０の一次電極に印加する駆動部（図５）とを備えている。
【００２０】
図１［２］に示すように、ここで用いられる不連続矩形波は、電圧Ｖｐ，０，−Ｖｐからなり、一周期をＴとすると、ある時間０から時間Ｔ／１２までが電圧０、時間Ｔ／１２から時間５Ｔ／１２までが電圧Ｖｐ、時間５Ｔ／１２から時間７Ｔ／１２までが電圧０、時間７Ｔ／１２から時間１１Ｔ／１２までが電圧−Ｖｐ、時間１１Ｔ／１２から時間Ｔまでが電圧０、という構成を有する。
【００２１】
図１［２］に示す不連続矩形波のフーリエ級数は、次式(1)で与えられる。
【００２２】
（２√３Ｖｐ／π）［ｃｏｓθ−（１／５）ｃｏｓ５θ＋（１／７）ｃｏｓ７θ＋・・・＋（１／１１）ｃｏｓ１１θ＋・・・］ (1)
【００２３】
この式(1)から明かなように、不連続矩形波に含まれる基本波以外の高調波を除去するため、ローパスフィルタ２２のカットオフ周波数は５次高調波に設定すればよい。このように比較的高いカットオフ周波数に設定できるので、ローパスフィルタ２２のインダクタンスは小さくてよい。そのため、インダクタとして、小さく、軽く、かつ安価なものを使用できる。
【００２４】
なお、図１［２］に示す不連続矩形波の立ち上がり時間及び立ち下り時間のずれであるΔθが−Ｔ／７２≦Δθ≦Ｔ／７２であるとき、３次高調波の成分は基本波の約１０％以内に抑えられる。ただし、｜Δθ｜＞Ｔ／７２であっても、それなりに３次高調波の成分を減らすことができる。
【００２５】
図３は、図１の駆動回路における発振部の一例を示す回路図である。図４は、図３の発振部における各出力信号を示すタイミングチャートである。以下、図３及び図４に基づき説明する。
【００２６】
図３に示すように、発振部３０は、ＪＫ−ＦＦ（フリップフロップ）３１〜３３、ノアゲート３４，３５、アンドゲート３６〜３８、オアゲート３９等からなり、不連続矩形波生成信号を出力する。クロック信号ＣＬＫ、ＪＫ−ＦＦ３１の出力信号Ｑ１、ＪＫ−ＦＦ３２の出力信号Ｑ２、ＪＫ−ＦＦ３３の出力信号Ｑ３、及びアンドゲート３８の出力信号ＱＩＮＶを、それぞれ図４に示す。出力信号Ｑ３及び出力信号ＱＩＮＶが不連続矩形波生成信号となる。本例の発振部３０では、初期値設定を可能とするとともにノイズ耐性を向上させている。なお、発振部３０の機能だけならば、例えば二つのリングカウンタによって簡単に構成することもできるし、アナログ回路によって構成することもできる。
【００２７】
図５は、図１の駆動回路における駆動部の一例を示す回路図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００２８】
本実施形態の駆動部４０は、ＰチャネルパワーＭＯＳのトランジスタ４１，４２及びＮチャネルパワーＭＯＳのトランジスタ４３，４４のいわゆるＨ型ブリッジ回路からなり、不連続矩形波生成信号（出力信号Ｑ３，ＱＩＮＶ）に基づき、不連続矩形波からなる電圧を圧電トランス１０の一次電極１２，１３に印加する。駆動部４０と圧電トランス１０との間には、インダクタ２３からなるローパスフィルタ２２が介挿されている。圧電トランス１０の出力側には負荷５０が接続されている。
【００２９】
トランジスタ４２，４４のゲートには図４に示す出力信号Ｑ３が印加され、トランジスタ４１，４３のゲートには図４に示す出力信号ＱＩＮＶが印加される。そのため、出力信号Ｑ３がハイレベルのときはトランジスタ４２がオフかつトランジスタ４４がオンとなり、逆に出力信号Ｑ３がローレベルのときはトランジスタ４２がオンかつトランジスタ４４がオフとなる。同様に、出力信号ＱＩＮＶがハイレベルのときはトランジスタ４１がオフかつトランジスタ４３がオンとなり、逆に出力信号ＱＩＮＶがローレベルのときはトランジスタ４１がオンかつトランジスタ４３がオフとなる。
【００３０】
そのため、出力信号Ｑ３，ＱＩＮＶがともにローレベルのときは、トランジスタ４３，４４がともにオフとなるので、一次電極１２，１３に印加される電圧は０となる。出力信号Ｑ３がローレベルかつ出力信号ＱＩＮＶがハイレベルのときは、トランジスタ４２，４３がオンかつトランジスタ４１，４４がオフとなるので、一次電極１２，１３に印加される電圧はＶｐとなる。逆に、出力信号Ｑ３がハイレベルかつ出力信号ＱＩＮＶがローレベルのときは、トランジスタ４２，４３がオフかつトランジスタ４１，４４がオンとなるので、一次電極１２，１３に印加される電圧は−Ｖｐとなる。したがって、図４に示す出力信号Ｑ３，ＱＩＮＶに基づき一次電極１２，１３に印加される電圧は、図１［２］に示すような不連続矩形波になる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係る圧電トランスの駆動方法及び駆動回路によれば、電位０と、電位０よりも一定電圧だけ高い電位＋１と、電位０よりも一定電圧だけ低い電位−１とからなる不連続矩形波の電圧を、その不連続矩形波の電圧に含まれる高調波成分をカットオフ周波数が５次高調波に設定されたローパスフィルタで除去した後に、圧電トランスの一次電極に印加することにより、圧電トランスへ出力される３次高調波を低減できるので、ローパスフィルタのインダクタンスを小さくできる。したがって、ローパスフィルタの小型化、軽量化及び低価格化を実現できる。
【００３２】
また、一周期をＴとすると、ある時間０から時間（Ｔ／１２＋Δθ）までが電位０、時間（Ｔ／１２＋Δθ）から時間（５Ｔ／１２−Δθ）までが電位＋１、時間（５Ｔ／１２−Δθ）から時間（７Ｔ／１２＋Δθ）までが電位０、時間（７Ｔ／１２＋Δθ）から時間（１１Ｔ／１２−Δθ）までが電位−１、時間（１１Ｔ／１２−Δθ）から時間Ｔまでが電位０、という構成を有し、Δθが−Ｔ／７２≦Δθ≦Ｔ／７２である不連続矩形波を使用することにより、３次高調波の成分を基本波の約１０％以内に抑えることができる。
【００３３】
更に、Δθを０にすることにより、３次高調波を無くすことができるので、ローパスフィルタの小型化、軽量化及び低価格化を更に促進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電トランスの駆動回路の一実施形態を示し、図１［１］は機能ブロック図、図１［２］は不連続矩形波発振器の出力波形である。
【図２】矩形波（従来技術）及び不連続矩形波（本発明）の高調波成分を示すグラフである。
【図３】図１の駆動回路における発振部の一例を示す回路図である。
【図４】図３の発振部における各出力信号を示すタイミングチャートである。
【図５】図１の駆動回路における駆動部の一例を示す回路図である。
【図６】圧電トランスを示し、図６［１］は斜視図、図６［２］は側面図、図６［３］は等価回路図である。
【図７】従来の圧電トランスの駆動回路を示し、図７［１］は機能ブロック図、図７［２］は矩形波発振器の出力波形である。
【図８】本発明で用いる不連続矩形波のフーリエ級数を説明するための図表（その１）である。
【図９】本発明で用いる不連続矩形波のフーリエ級数を説明するための図表（その２）である。
【符号の説明】
１０ 圧電トランス
１１ 圧電振動体
１２，１３ 一次電極
１４ 二次電極
２０ 駆動回路
２１ 不連続矩形波発振器（発振部及び駆動部）
２２ ローパスフィルタ
２３ インダクタ
３０ 発振部
４０ 駆動部

Claims (6)

1. 電位０と、この電位０よりも一定電圧だけ高い電位＋１と、前記電位０よりも前記一定電圧だけ低い電位−１と、からなる不連続矩形波の電圧を、
   その不連続矩形波の電圧に含まれる高調波成分をカットオフ周波数が５次高調波に設定されたローパスフィルタで除去した後に、
   圧電トランスの一次電極に印加する、圧電トランスの駆動方法。
2. 前記不連続矩形波は、一周期をＴとすると、ある時間０から時間（Ｔ／１２＋Δθ）までが前記電位０、時間（Ｔ／１２＋Δθ）から時間（５Ｔ／１２−Δθ）までが前記電位＋１、時間（５Ｔ／１２−Δθ）から時間（７Ｔ／１２＋Δθ）までが前記電位０、時間（７Ｔ／１２＋Δθ）から時間（１１Ｔ／１２−Δθ）までが前記電位−１、時間（１１Ｔ／１２−Δθ）から時間Ｔまでが前記電位０、という構成を有し、前記Δθが−Ｔ／７２≦Δθ≦Ｔ／７２である、
   請求項１記載の圧電トランスの駆動方法。
3. 前記Δθが０である、請求項２記載の圧電トランスの駆動方法。
4. 圧電トランスの一次電極に印加するための不連続矩形波の電圧を出力する不連続矩形波発振器と、この不連続矩形波発振器から出力された不連続矩形波の電圧に含まれる高調波成分を除去するとともにカットオフ周波数が５次高調波に設定されたローパスフィルタとを備え、
   前記不連続矩形波は、電位０と、この電位０よりも一定電圧だけ高い電位＋１と、前記電位０よりも前記一定電圧だけ低い電位−１とからなる、
   圧電トランスの駆動回路。
5. 前記不連続矩形波は、一周期をＴとすると、ある時間０から時間（Ｔ／１２＋Δθ）までが前記電位０、時間（Ｔ／１２＋Δθ）から時間（５Ｔ／１２−Δθ）までが前記電位＋１、時間（５Ｔ／１２−Δθ）から時間（７Ｔ／１２＋Δθ）までが前記電位０、時間（７Ｔ／１２＋Δθ）から時間（１１Ｔ／１２−Δθ）までが前記電位−１、時間（１１Ｔ／１２−Δθ）から時間Ｔまでが前記電位０、という構成を有し、前記Δθが−Ｔ／７２≦Δθ≦Ｔ／７２である、
   請求項４記載の圧電トランスの駆動回路。
6. 前記Δθが０である、請求項５記載の圧電トランスの駆動回路。

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