JP3836628B2 - 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、各種高電圧発生装置に用いられる圧電トランスの駆動方法及び駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に従来の圧電トランスの代表的な構造であるローゼン型圧電トランスの構造を示す。この圧電トランスは電磁トランスに比べて小型化が図れ、不燃性であり、電磁誘導によるノイズを出さないなどの長所を有している。
【０００３】
１で示す部分が圧電トランスの低インピーダンス部であり、昇圧用として用いる場合の入力部となる。低インピーダンス部１は圧電層５の厚み方向に分極６が施されており、厚み方向の主面に電極３Ｕ、３Ｄが配置されている。一方、２で示す部分は高インピーダンス部であり、昇圧用として用いる場合の出力部となる。高インピーダンス部２は圧電層７の長手方向に分極８されており、長手方向の端面に電極４が配置されている。
【０００４】
図６に示すような圧電トランスは、負荷インピーダンスが無限大のときは非常に高い昇圧比を得ることができ、また負荷インピーダンスが小さくなると昇圧比も減少するという特性から、近年、冷陰極管用の電源として用いられている。圧電トランスを用いたインバータでは、効率よく高電圧を発生することができる。
【０００５】
図８は、従来の圧電トランスの自励発振方式駆動回路のブロック図である。同図８において、１４は圧電トランス１０を駆動する交流駆動信号を発生する可変発振回路である。可変発振回路１４の出力は通常はパルス波形であり、波形整形回路１３により高周波成分を取り除かれて正弦波に近い交流信号に変換される。波形整形回路１３の出力は駆動回路１２により圧電トランス１０を駆動するのに十分なレベルに電圧増幅され、圧電トランス１０の１次側電極に入力される。圧電トランス１０の圧電効果により昇圧された出力電圧は２次側電極から取り出される。
【０００６】
２次側電極から出力された高圧電圧は、冷陰極蛍光管８と帰還抵抗２０との直列回路と過電圧保護部２１に印加される。過電圧保護部２１は分圧抵抗１９ａ，１９ｂと、分圧抵抗１９ｂの両端に発生する電圧と設定電圧Ｖref1とを比較し、圧電トランス１０の２次側電極から出力される高圧電圧が設定電圧よりも高くなるのを防ぐように発振制御回路１５に信号を送る比較回路１７からなる。この過電圧保護部２１の比較回路１７は冷陰極蛍光管１８が点灯している時は動作を停止している。
【０００７】
また、冷陰極蛍光管１８と帰還抵抗２０の直列回路に流れる電流によって帰還抵抗２０の両端に発生する電圧が比較回路１６に印加され、比較回路１６では設定電圧Ｖref2と帰還電圧の比較を行い、冷陰極蛍光管１８にほぼ一定の電流が流れるように発振制御回路１５に信号を送る。発振制御回路１５は比較回路１６の出力にあわせた周波数での発振を行うよう可変発振回路１４に出力を印加する。この比較回路１６は冷陰極蛍光管点灯開始前は動作を行わない。
【０００８】
図８に示す圧電トランスの駆動回路の動作について、図７を用いて説明を行う。図７は、図６に示す圧電トランス１０の昇圧比の周波数特性である。冷陰極蛍光管１８の点灯開始時は曲線Ｐ１であり、定常動作時は曲線Ｐ２である。点灯開始時には冷陰極蛍光管１８のインピーダンスが無負荷に近い状態であるため、圧電トランス１０の昇圧比はそれに従って高くなり、定常動作時には冷陰極蛍光管１８のインピーダンスは比較的重い負荷となるため、圧電トランス１０の昇圧比はそれに従って低くなる。
【０００９】
点灯開始時には、圧電トランス１０の駆動周波数はfaであり、それに対応した出力電圧Vaが冷陰極蛍光管１８に印加される。圧電トランス１０の出力電圧が冷陰極蛍光管１８の点灯開始電圧となるまで順次駆動周波数が発振制御回路１５により下げられる。そして、冷陰極蛍光管１８の点灯開始電圧Vb（駆動周波数fb）となると、冷陰極蛍光管１８が点灯し、圧電トランス１０の昇圧比の周波数特性は曲線Ｐ２にうつる。その結果、圧電トランス１０の出力電圧はそれに対応した電圧となり、冷陰極蛍光管１８の設定電流となるよう曲線Ｐ２上で発振制御回路１５により、圧電トランス１０の駆動周波数の制御が行われる。
【００１０】
このようにして、冷陰極蛍光管１８は安定に点灯する。自励発振方式で駆動する場合は、温度によって共振周波数が変化しても、自動的に駆動周波数が共振周波数に追尾する。
【００１１】
このように、圧電インバータを構成することにより、冷陰極蛍光管１８に流れる電流を一定となるように制御することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明した従来の圧電トランスの駆動回路では、圧電トランスの駆動は単一の振動モードで行われている。
【００１３】
しかしながら、冷陰極蛍光管のように起動時と定常動作時でインピーダンスが大きく変化するような負荷の場合（例えば、起動時の無限大から定常動作時の数百ｋΩまで変化する負荷）、圧電トランスの特性もこれに伴い大きく変化する。圧電トランスの昇圧比の周波数特性を示す図７より、冷陰極蛍光管点灯開始時には非常に大きな昇圧比を得ることができ、点灯時には圧電トランスの昇圧比が低下していることが分かる。また、圧電トランスを共振周波数から離れたところで駆動を行った場合、昇圧比の低下や、変換効率の低下が起こる。
【００１４】
圧電トランスの定常動作時には１次側電極から見たインピーダンスが大きくなり、昇圧比が低下する。その結果、圧電トランスの振幅も小さくなるため、信頼性に対しては問題ない。しかしながら、起動時には冷陰極蛍光管に高電圧が必要とされることや、圧電トランスの入力インピーダンスが小さいため、昇圧比が高く、大振幅での動作となる。その結果、非常に大きな歪みで駆動を行うことになるため、信頼性の低下につながる。
【００１５】
このように、圧電トランスの破壊の原因が点灯開始時での大振幅動作によるため、点灯開始時には圧電トランスの破壊を防ぐような制御が必要となるという課題がある。
【００１６】
例えば、圧電トランスをλ／２振動モードで駆動を行った場合の変位分布と応力分布を図４に示す。λ／２振動モードで駆動を行った場合、応力は分極の境界部で最大となる。分極の境界部では厚み方向の分極軸と長手方向の分極軸により、分極による残留応力による歪みから比較的強度が弱いものになっている。そのため、分極軸が不連続となりやすい分極の境界部が応力最大点になることは、圧電トランスにとって好ましくない。
【００１７】
本発明は、従来の圧電トランスの駆動におけるこのような課題を考慮し、軽負荷時の大振幅動作による歪みで圧電トランスの信頼性が低下することを防ぎ、さらに小型で、高効率動作が可能な圧電トランスの駆動方法及び駆動回路を提供することを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の本発明は、圧電効果を利用して、１次側電極から入力された電圧を２次側電極から出力する圧電トランスの駆動方法であって、圧電トランスの負荷に応じて圧電トランスの駆動における振動モードを変化させる圧電トランスの駆動方法である。
【００１９】
請求項２の本発明は、圧電効果を利用して、１次側電極から入力された電圧を２次側電極から出力する圧電トランスの駆動方法であって、圧電トランスの起動時は第１の振動モードにより駆動し、定常動作時には第２の振動モードにより駆動する圧電トランスの駆動方法である。
【００２０】
請求項４の本発明は、第１の振動モードの周波数範囲の交流電圧を発生する第１の可変発振回路と、圧電効果を利用して１次側電極から入力された電圧を２次側電極から出力する圧電トランスの起動時は第１の可変発振回路を動作させて第１の振動モードの周波数範囲内の交流電圧を１次側電極に入力させ、圧電トランスの定常動作時には第１の可変発振回路を動作させない起動制御回路と、第２の振動モードの周波数範囲の交流電圧を発生する第２の可変発振回路と、圧電トランスの起動時は第２の可変発振回路の動作を停止させ、圧電トランスの定常動作時には負荷に供給される電流が一定となるように第２の可変発振回路を動作させて第２の振動モードの周波数範囲内の交流電圧を１次側電極に入力させる周波数制御回路とを備えた圧電トランスの駆動回路である。
【００２１】
以上の構成により、圧電トランスの起動時は分極の境界部に応力の最大点がこない第１の振動モードで駆動を行い、定常動作時は第２の振動モードの周波数範囲で負荷に流れる電流が一定となるように周波数の制御を行う。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明にかかる一実施の形態の圧電トランスの駆動回路を示すブロック図であり、本発明の駆動方法についてもあわせて説明する。
【００２４】
図１において、１１０はローゼン型圧電トランスである。１１３は定常動作時における圧電トランス１１０を駆動する交流駆動信号を発生する第２の可変発振回路である可変発振回路である。可変発振回路１１３の出力は通常はパルス波形であり、駆動回路１１２により高周波成分を取り除かれて正弦波に近い交流信号に変換される。駆動回路１１２の出力は圧電トランス１１０を駆動するのに十分なレベルに電圧増幅され、圧電トランス１１０の１次側電極に入力される。圧電トランス１１０の圧電効果により昇圧された出力電圧は２次側電極から取り出される。圧電トランス１１０の２次側電極には、冷陰極蛍光管１１８と帰還抵抗１１９が直列に接続されている。２次側電極から出力された高圧電圧は冷陰極蛍光管１１８の一方の入力端子に印加され、冷陰極蛍光管１１８が点灯する。
【００２５】
冷陰極蛍光管１１８を流れる電流は帰還抵抗１１９により電圧に変換され、管電流検出回路１１５に入力される。管電流検出回路１１５は入力された交流信号を直流信号に変換し周波数制御回路１１４に入力する。周波数制御回路１１４で、入力された信号は管電流設定電圧（Vref）と比較され、管電流が大きければ、駆動周波数を第２の振動モードの共振周波数から遠ざけ、管電流が小さければ、駆動周波数を第２の振動モードの共振周波数に近づけるよう周波数制御を行う。
【００２６】
これらの管電流検出回路１１５、周波数制御回路１１４、可変発振回路１１３、駆動回路１１２は冷陰極蛍光管１１８の点灯開始時には動作を行わない。
【００２７】
また、１１６は点灯開始時における圧電トランス１１０を駆動する交流駆動信号を発生する第１の可変発振回路である可変発振回路である。起動制御回路１２０は、冷陰極蛍光管１１８の点灯開始時に動作を行い、第１の振動モードにおける共振周波数の近傍で可変発振回路１１６の制御を行う。可変発振回路１１３と可変発振回路１１６では、それぞれ、第２の振動モード、第１の振動モードの周波数範囲でのパルス波形の周波数となる。
【００２８】
本実施の形態のように、圧電トランスの起動時と定常動作時とで振動モードを周波数により変化させることで、信頼性の高い駆動回路を提供できる。さらに、冷陰極蛍光管１１８に流れる電流を一定にする自励方式で駆動を行うことにより、冷陰極蛍光管１１８の負荷が変動したり、温度により圧電トランスの特性が変化しても冷陰極蛍光管１１８を安定に点灯できる。
【００２９】
図２は、図６に示すローゼン型圧電トランスの１次電極側から見た入力インピーダンスの周波数特性を示す図であり、λ／２振動モードとλ振動モードの入力インピーダンスの周波数特性を示している。このように、１つの圧電トランスで周波数によりλ／２振動モードとλ振動モードの両方を励振できる。
【００３０】
この２つの振動モードに対して、昇圧比の変化を、同じ負荷を出力端に接続し測定を行った結果を図３に示す。横軸はそれぞれの振動モードに合った任意の駆動周波数であり、縦軸は同一スケールとする。同じ負荷の場合、λ振動モードはλ／２振動モードよりも高い昇圧比を得ることができる。点灯開始時には冷陰極管に高電圧が必要なため、昇圧比の高いλ振動モードを用い、定常動作時には冷陰極管に必要な電圧が減少するため、λ／２振動モードを用いて冷陰極管の駆動を行っても差し支えない。
【００３１】
さらに、図５に圧電トランスをλ振動モードで駆動を行った場合の変位分布、応力分布を示す。λ／２振動モードを用いた場合、応力の最大点と分極の境界部が一致したが（図４参照）、λ振動モードを用いた場合、応力の最大点は矩形板の長さをＬとした場合、両端面からそれぞれＬ／４の位置になる。そのため、圧電トランスをλ振動モードで駆動を行った方が、信頼性を低下することなく駆動を行うことができる。
【００３２】
なお、上記実施の形態では、圧電トランスを定常動作時の振動モードが２分の１波長振動モードであり、起動時の振動モードが１波長振動モードとしたが、これに限らず、分極の境界部が応力最大点となるのを防ぐように起動時の振動モードを選択すれば、他の振動モードでも同様の効果を得ることができる。例えば、図９に示すように、厚み方向に分極された圧電矩形板３２の中央部の上下面に１次側電極３３Ｕ、３３Ｄが形成された駆動部と、長手方向に分極された圧電矩形板３２の両側端面に２次側電極３４Ｌ、３４Ｒが形成された発電部とを有する中央に電極があるタイプの圧電トランス３１を駆動する場合には、起動時の振動モードを２分の３波長モードとし、定常時の振動モードを２分の１波長モードとすれば分極境界部の応力を小さくすることができる。
【００３３】
また、上記実施の形態では、圧電トランスの起動時と定常動作時とで異なる振動モードを用いたが、これに限らず、圧電トランスの負荷に応じて振動モードを変えても良い。すなわち、大振幅動作となるような負荷の場合に、応力最大点を分極の境界部からずらすような振動モードを用いればよい。
【００３４】
また、上記実施の形態では、圧電トランスにローゼン型を用いたが、これに限らず、他の構造の圧電トランスの場合においても同様の効果が得られる。
【００３５】
また、上記実施の形態では、２次側電極を矩形板の端面に形成する構成の圧電トランスで説明したが、これに限らず、例えば、図１０に示すように、２次側電極２０４Ｌ、２０４Ｒが圧電矩形板の端面付近の上面に形成された構成であっても良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、所望の振動モードにより分極の境界部が応力最大点となるような圧電トランスにおいても、起動時の大振幅動作での応力最大点を分極の境界部からずらすことができ、圧電トランスの信頼性の低下を防ぐことができるという長所を有する。
【００３７】
また、本発明の駆動方法によれば、信頼性が高く、しかも小型の圧電インバータを提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における圧電トランスの駆動回路を示すブロック図である。
【図２】図６に示す圧電トランスのインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図３】２分の１波長振動モードと１波長振動モードの昇圧比を示す図である。
【図４】圧電振動子を２分の１波長モードで駆動を行った場合の変位分布、応力分布を示す図である。
【図５】圧電振動子を１波長モードで駆動を行った場合の変位分布、応力分布を示す図である。
【図６】従来の圧電トランスの構造を示す斜視図である。
【図７】図６に示す圧電トランスの昇圧比の周波数特性を示す図である。
【図８】従来の圧電トランスの駆動回路を示すブロック図である。
【図９】本発明における圧電トランスの別の駆動方法の一例を示す斜視図である。
【図１０】本発明における圧電トランスの別の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 低インピーダンス部
２ 高インピーダンス部
５、７ 圧電層
１０、１１０ 圧電トランス
１２、１１２、１１７ 駆動回路
１４、１１３、１１６ 可変発振回路
１５ 発振制御回路
１８、１１８ 冷陰極蛍光管
２０、１１９ 帰還抵抗
２１ 過電圧保護部
１１１ 電源
１１４ 周波数制御回路
１１５ 管電流検出回路
１２０ 起動制御回路

Claims (7)

1. 圧電効果を利用して、１次側電極から入力された電圧を２次側電極から出力する圧電トランスの駆動方法であって、前記圧電トランスの負荷に応じて圧電トランスの駆動における振動モードを変化させることを特徴とする圧電トランスの駆動方法。
2. 圧電効果を利用して、１次側電極から入力された電圧を２次側電極から出力する圧電トランスの駆動方法であって、前記圧電トランスの起動時は第１の振動モードにより駆動し、定常動作時には第２の振動モードにより駆動することを特徴とする圧電トランスの駆動方法。
3. 前記圧電トランスの負荷が冷陰極管である場合、前記第１の振動モードに高次の振動モードを用い、前記第２の振動モードに基本の振動モードを用いることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランスの駆動方法。
4. 第１の振動モードの周波数範囲の交流電圧を発生する第１の可変発振回路と、圧電効果を利用して１次側電極から入力された電圧を２次側電極から出力する圧電トランスの起動時は前記第１の可変発振回路を動作させて前記第１の振動モードの周波数範囲内の交流電圧を前記１次側電極に入力させ、前記圧電トランスの定常動作時には前記第１の可変発振回路を動作させない起動制御回路と、第２の振動モードの周波数範囲の交流電圧を発生する第２の可変発振回路と、前記圧電トランスの起動時は前記第２の可変発振回路の動作を停止させ、前記圧電トランスの定常動作時には負荷に供給される電流が一定となるように前記第２の可変発振回路を動作させて前記第２の振動モードの周波数範囲内の交流電圧を前記１次側電極に入力させる周波数制御回路とを備えたことを特徴とする圧電トランスの駆動回路。
5. 前記圧電トランスは、圧電矩形板と、その圧電矩形板の長手方向の一方の端面から中央部付近までの上下面に前記１次側電極が設置され、前記圧電矩形板の厚み方向に分極された駆動部と、前記圧電矩形板の長手方向の他方の端面に前記２次側電極が設置され、前記駆動部から前記２次側電極方向あるいは前記２次側電極から前記駆動部方向に分極された発電部とを有するものであって、前記第１の振動モードが前記長手方向の１波長モードであり、前記第２の振動モードが前記長手方向の２分の１波長モードであることを特徴とする請求項４に記載の圧電トランスの駆動回路。
6. 前記圧電トランスは、圧電矩形板と、その圧電矩形板の中央部の上下面に実質上左右対称となるように前記１次側電極が設置され、前記圧電矩形板の厚み方向に分極された駆動部と、前記圧電矩形板の長手方向の両端面に前記２次側電極が設置され、前記駆動部から前記２次側電極方向あるいは前記２次側電極から前記駆動部方向に分極された発電部とを有するものであって、前記第１の振動モードが前記長手方向の２分の３波長モードであり、前記第２の振動モードが前記長手方向の２分の１波長モードであることを特徴とする請求項４に記載の圧電トランスの駆動回路。
7. 前記２次側電極は前記圧電矩形板の端面付近に形成されていることを特徴とする請求項５、または６に記載の圧電トランスの駆動回路。

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