JP4023913B2

JP4023913B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4023913B2
Application number: JP17226498A
Authority: JP
Inventors: 弘男今村; 拓実片岡; 章藤井
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2018-06-04
Also published as: JPH11354857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電トランスを用いた電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体の圧電効果を応用した圧電トランスは、巻線式の電磁トランスに比して小型化、高効率化、安全性の向上の点で優れており、巻線式の電磁トランスに代わって高電圧の電源装置に広く用いられている。例えば小型携帯用のパーソナルコンピュータ、テレビ、自動車のメータ等において、液晶ディスプレイの光源として用いられる冷陰極管の駆動用として需要が高い。
【０００３】
図３は、圧電トランスを用いた電源装置の一例を示すもので、圧電トランス８１は矩形の圧電体８２の一方の側の上下面に入力電極８３を形成し、他方の側の端面に出力電極８４を形成してなり、入力電極８３間に正弦波形にて電圧を印加する給電部８５を備えている。この入力電極８３間への電圧印加による圧電体８２の長さ方向縦振動で、出力電極８４に昇圧または降圧した電圧が発生し、上記冷陰極管等の負荷８６に印加される。
【０００４】
ところで冷陰極管として、従来の水銀（Ｈg ）管に代わってキセノン（Ｘe ）管が用いられるようになっているが、Ｘe 管は、同じ波高値の印加電圧であればＨg 管に比して輝度が不足するという問題がある。
【０００５】
この輝度不足に対し、正弦波に代えて矩形波にて電圧印加する電源装置を用いることで、同じ波高値であっても高輝度を得る対策が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｘe 管用の電源装置に圧電トランスを用いると、矩形波をＸe 管に印加することができない。すなわち、圧電トランスは圧電体の機械振動を利用して出力電圧を発生させるので、圧電体の形状で共振周波数が決まってしまい出力電圧波形は図３中に示すように正弦波であり、給電部を矩形波電圧を発生する構成としたとしても、電磁トランスのように矩形波電圧を出力することはできない。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、矩形波等の非正弦周期波の電圧を出力することのできる圧電トランスを用いた電源装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、負荷に対して出力が並列接続された複数の圧電トランスと、各圧電トランスに交流電圧を印加する給電部とを有し、圧電トランスの共振周波数および圧電トランスへの入力電圧の周波数を、負荷へ印加しようとする非正弦周期波のフーリエ展開式の、低次数側の高調波の周波数に順次、設定する。圧電トランスの出力電圧の振幅を、その比が上記高調波の振幅の比となるように設定する。
【０００９】
圧電トランスの出力の周波数は、上記設定とすることにより、非正弦周期波形のフーリエ展開式の低次数側の高調波の周波数となる。また圧電トランスの出力の振幅の比は上記高調波の振幅の比である。したがって複数の圧電トランスからの出力の重ね合わせである負荷への出力の電圧波形は、上記非正弦周期波形のフーリエ展開式の低次数側の複数の高調波を重ね合わせたものとなり、非正弦周期波の近似波形となる。かくして、上記非正弦周期波電圧を負荷に印加することができる。
【００１０】
上記圧電トランスは、請求項２記載の発明のように、方形の圧電体の長さ方向の一方の側の上下面に入力電極を形成し、他方の側の端面に出力電極を形成した一般的な構成とし得る。
【００１１】
圧電体の長さをＬ、厚さをｔ、圧電体中の音速をｖとして、上記共振周波数はｖ／Ｌ、圧電トランスの昇圧比ｒはＬ／ｔで表されるので、負荷へ印加しようとする非正弦周期波に応じて、圧電トランスの共振周波数を圧電体の長さで設定し、かつ圧電トランスの出力電圧を圧電体の厚さおよび給電部の供給電圧により設定し、任意の非正弦周期波電圧を得ることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、上記圧電体の厚さをすべての圧電トランスで等しくする。
【００１３】
すべての圧電トランスの圧電体の厚さを等しくすることで、圧電体の用意が容易になり、また、圧電体の厚さ方向の分極も同じ電圧で行うことができ、製造効率を高めることができる。各圧電トランスの出力電圧の振幅は給電部の供給電圧の振幅により設定することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明では、上記圧電トランスは、圧電体の長さを、その比が１：１／３：・・・：１／（２ｎ−１）（ｎは自然数）となるように設定し、かつ上記給電部を、交流電源と、その出力の周波数を圧電トランスの共振周波数に変換する周波数変換器とで構成するとともに交流電源をすべての圧電トランスに共通の交流電源で構成する。
【００１５】
圧電トランスの共振周波数は圧電体の長さに反比例するから、第１の圧電トランスの共振するときの角速度をωとすると、第２、第３、・・・、第ｎの圧電トランスの角速度は３ω，５ω，・・・，（２ｎ−１）ωとなる。また、すべての圧電トランスに同電圧の電圧印加が行われる。かつ、圧電トランスの昇圧比は圧電体の長さに比例し、すべての圧電トランスで圧電体の厚さを等しくしてあるから、第１、第２、第３、・・・、第ｎの圧電トランスの昇圧比は、比が１：１／３：１／５：・・・：１／（２ｎ−１）となる。したがって負荷への出力電圧の波形は、矩形波のフーリエ展開式の低次数側をとった矩形波の近似波形となる。しかも同じ厚さの圧電体を用いるともに給電部の交流電源が単一であるから構成簡単に矩形波を得ることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明では、上記給電部は、交流電源と、その出力の周波数を圧電トランスの共振周波数に変換する周波数変換器とで構成するとともに交流電源をすべての圧電トランスに共通の交流電源で構成する。かつ圧電トランスの昇圧比を、その比が上記高調波の振幅の比となるように設定する。
【００１７】
給電部の交流電源をすべての圧電トランスに共通に構成することで、構成を簡単にすることができる。各圧電トランスに同電圧の電圧印加が行われるから、圧電トランスの昇圧比を、その比が上記高調波の振幅の比となるように設定することで、圧電トランスの出力電圧の振幅の比が、負荷へ印加しようとする非正弦周期波の高調波の振幅の比となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の電源装置の第１実施形態を示す。電源装置１は、負荷７に非正弦周期波たる矩形波の電圧を印加するようにしたものである。ｎ個の給電部２１，２２，２３，２４および圧電トランス３１，３２，３３，３４を備えている。なお図では、第１、第２、第３の給電部２１，２２，２３および第１、第２、第３の圧電トランス３１，３２，３３と、第ｎの給電部２４および第ｎの圧電トランス３４のみ図示し、第４〜第（ｎ−１）の給電部および第４〜第（ｎ−１）の圧電トランスは省略して描いている。各給電部２１〜２４は正弦波の交流電圧を圧電トランス３１〜３４に供給する交流電源である。
【００１９】
圧電トランス３１〜３４は、一般的なローゼン型の圧電トランスで、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックを長方形に成形した圧電体４１，４２，４３，４４を有し、長さ方向の一方の側（図中、左側半部）の上下面に銀−パラジウム薄膜等で入力電極５１，５２，５３，５４を形成してあり、圧電体４１〜４４の他方の側（図中、右側半部）の端面に銀−パラジウム薄膜等の出力電極６１，６２，６３，６４を形成してある。圧電トランス３１〜３４は、例えば、圧電トランスの一般的な製造法であるシート積層法で製造する。
【００２０】
各圧電体４１〜４４は、入力電極５１〜５４間に分極用電圧を印加することで、左側半部が厚さ方向に分極せしめてある。また各圧電体４１〜４４は、出力電極６１〜６４と入力電極５１〜５４間に分極用電圧を印加することで、右側半部が長さ方向に分極せしめてある。
【００２１】
各圧電トランス３１〜３４の入力電極５１〜５４間には、対応する給電部２１〜２４からそれぞれ交流の電圧を印加するようにしてあり、この供給電圧により、圧電体４１〜４４を長さ方向縦振動二次で圧電振動せしめ、出力電極６１〜６４に、昇圧または降圧した出力電圧が取り出されるようになっている。この出力電圧は圧電体４１〜４４の共振周波数で振動する正弦波交流である。なお、給電部２１〜２４の出力の周波数は、後述するように圧電トランス３１〜３４の共振周波数に設定する。
【００２２】
圧電トランス３１〜３４の共振周波数および出力電圧について説明する。なお共振周波数は、以下、共振するときの角速度（＝２π×共振周波数）にて説明する。共振角速度は、負荷へ印加しようとする矩形波電圧の角速度をωとして、第１の圧電トランス３１をωに設定し、かつ第２、第３、・・・第ｎの圧電トランス３２，３３，３４が３ω，５ω，・・・，（２ｎ−１）ωとなるように設定する。一般的に共振角速度Ωは、圧電体４１〜４４の長さをＬ、圧電体４１〜４４中の音速をｖとして式（１）で表され、式（１）に基づいて設定する。すなわち、音速ｖは、圧電体４１〜４４の材料で決まるので、すべての圧電体４１〜４４で等しく、第１、第２、・・・第ｎの圧電トランス３１〜３４の圧電体４１〜４４の長さＬは、式（１）から、ｖ／ω，ｖ／３ω，・・・，ｖ／（２ｎ−１）ωとする。
Ω＝ｖ／Ｌ……（１）
【００２３】
出力電圧は、その比（第１の圧電トランス３１：第２の圧電トランス３２：・・・：第ｎの圧電トランス３４。以下同じ）が、１：１／３：１／５：・・・：１／（２ｎ−１）となるように設定する。すなわち給電部２１〜２４の供給電圧Ｖinと、給電部２１〜２４と接続された圧電トランス３１〜３４の昇圧比ｒの積（Ｖin×ｒ）を、その比が上記比になるように設定する。昇圧比ｒは、圧電体４１〜４４の厚さをｔとして、式（２）で表される。なお圧電体４１〜４４の長さＬが上記のごとく設定されているので、実質的には、設定の自由度は、給電部２１〜２４の供給電圧Ｖinおよび圧電体４１〜４４の厚さｔである。
ｒ＝Ｌ／ｔ……（２）
【００２４】
すなわち、圧電体４１〜４４の長さＬは、上記設定値より知られるように、その比が、１：３：５：・・・：（２ｎ−１）となるので、例えば、給電部２１〜２４の供給電圧Ｖinを、すべての給電部２１〜２４で等しくし、圧電体４１〜４４の厚さｔを、すべての圧電体４１〜４４で等しくする。これにより、出力電圧の振幅の比が、１：１／３：１／５：・・・：１／（２ｎ−１）となる。
【００２５】
圧電トランスでは入力周波数と出力周波数とが同じであるから、第１の圧電トランス３１の出力電圧をｃｏｓωｔとすると、第２の圧電トランス３２の出力電圧は（１／３）ｃｏｓ３ωｔ、第３の圧電トランス３３の出力電圧は（１／５）ｃｏｓ５ωｔとなり、第ｎの圧電トランス３４の出力電圧は（１／（２ｎ−１））ｃｏｓ（２ｎ−１）ωｔとなる。各圧電トランス３１〜３４からは、図中に示すごとく、振幅および角速度の異なる出力が負荷７に入力する。
【００２６】
負荷７への出力は、すべての圧電トランス３１〜３４の出力を重ね合わせたものであるから、負荷７への出力は、式（３）に比例したものとなる。
Ａ＝（４／π）｛ｃｏｓωｔ＋（１／３）ｃｏｓ３ωｔ＋（１／５）ｃｏｓ５ωｔ＋・・・＋（１／（２ｎ−１））ｃｏｓ（２ｎ−１）ωｔ｝……（３）
【００２７】
さて上記Ａは、角速度ωの矩形波のフーリエ展開式の低次数側のｎ個の高調波の和であり、上記矩形波の近似関数である。しかして負荷７には矩形波で電圧印加がなされることとなり、負荷７に例えば上記Ｘe 管を用いた場合、波高値がさほど高くなくとも好適に高輝度を得ることができる。
【００２８】
なお給電部２１〜２４および圧電トランス３１〜３４の数は、複数であればよいが、多くするに応じて、負荷７に印加される電圧をより正確な矩形波にすることができ、好ましい。例えば、圧電トランスとして、形状（長さ×幅×厚さ）が、１００×５×２ｍｍ、３３×５×２ｍｍ、２０×５×２ｍｍの３つを用意し、、各圧電トランスの入力電極間に１２Ｖの交流電圧を印加した結果、各圧電トランスの出力の周波数および電圧は、３３ｋＨz １００Ｖ，９９ｋＨz ３３Ｖ，１６５ｋＨz ２０Ｖとなり、その重ね合わせ出力すなわち負荷７への印加電圧として、良好な矩形波が得られた。
【００２９】
なお、本実施形態によれば、矩形波だけではなく、他の非正弦波電圧を負荷７に印加することができる。例えば三角波であればフーリエ展開式Ｂは式（４）となるから、圧電体４１〜４４の長さＬを、上記と同様に設定し、圧電トランス３１〜３４の出力電圧の比を、１：１／９：１／２５：・・・：１／（２ｎ−１）²となるように設定する。
Ｂ＝（４／π²）｛ｃｏｓωｔ＋（１／９）ｃｏｓ３ωｔ＋（１／２５）ｃｏｓ５ωｔ＋・・・＋（１／（２ｎ−１）²）ｃｏｓ（２ｎ−１）ωｔ＋・・・｝……（４）
【００３０】
上記のごとく圧電トランス３１〜３４の昇圧比ｒは式（２）で表され、かつ圧電体４１〜４４の長さＬの比は１：１／３：１／５：・・・：１／（２ｎ−１）に設定されているので、（Ｖin×１／ｔ）の比を１：１／３：１／５：・・・：１／（２ｎ−１）に設定すればよい。例えば、すべての圧電トランス３１〜３４で圧電体４１〜４４の厚さｔを同じにし、供給電圧Ｖinを、その比が、１：１／３：１／５：・・・：１／（２ｎ−１）となるように設定する。
【００３１】
また鋸波であればフーリエ展開式Ｃは式（５）となるから、圧電体４１〜４４の長さＬを、ｖ／ω，ｖ／２ω，・・・，ｖ／ｎωとして第１、第２、・・・、第ｎの圧電トランス３１〜３４の共振角速度を、ω，２ω，・・・，ｎωとする。
Ｃ＝（２／πＸ（１−Ｘ／π））｛ｓｉｎＸｓｉｎωｔ＋（１／４）ｓｉｎ２Ｘｓｉｎ２ωｔ＋・・・＋（１／ｎ²）ｓｉｎｎＸｓｉｎｎωｔ＋・・・｝……（５）
【００３２】
そして圧電トランス３１〜３４の出力電圧の振幅を、その比が、ｓｉｎＸ：ｓｉｎ２Ｘ：・・・：ｓｉｎｎＸとなるように設定する。圧電体４１〜４４の長さＬの比は上記のごとく１：１／２：１／３：・・・：１／ｎに設定されているので、（Ｖin×１／ｔ）を、その比が、ｓｉｎＸ：（ｓｉｎ２Ｘ）／２：（ｓｉｎ３Ｘ）／３：・・・：（ｓｉｎｎＸ）／ｎとなるように設定する。例えば、圧電体４１〜４４の厚さｔを同じにして、供給電圧Ｖinを、その比が、上記比となるように設定すればよい。
【００３３】
このように、本実施形態の構成によれば、種々の非正弦周期波電圧を得ることができる。この場合、圧電体４１〜４４の厚さｔを同じにすることで、セラミックシート等の圧電体４１〜４４の材料の仕様を統一でき、しかも圧電体４１〜４４の厚さ方向の分極が入力電極５１〜５４間に同じ電圧を印加して行うことができるので、製造効率を高めることができる。
【００３４】
また負荷７に印加しようとする非正弦周期電圧波形をより正確なものにするには、圧電トランス３１〜３４からの出力が、圧電トランス３１〜３４間で位相差を生じないように、圧電トランス３１〜３４の後段もしくは給電部２１〜２４に、位相補正回路を設けるのがよい。
【００３５】
（第２実施形態）
図２に、本発明の第２実施形態を示す。図２の電源装置１Ａは、図１の構成において、各圧電トランス３１〜３４に給電する給電部２１Ａ，２２Ａ，２３Ａ，２４Ａを、すべての圧電トランス３１〜３４に共通の交流電源２００と、その出力の周波数を圧電トランスの共振周波数に変換する周波数変換器２０１，２０２，２０３，２０４とで構成したもので、すべての圧電トランス３１〜３４に同電圧の電圧印加をするとともに、周波数は各圧電トランス３１〜３４ごとに設定できるようにしたものである。
【００３６】
各圧電トランス３１〜３４は上記のごとく入力周波数と出力周波数とが同じであるから、周波数変換器２０１〜２０４および圧電体４１〜４４の長さＬを、圧電体４１〜４４の共振周波数および圧電トランスへの入力電圧の周波数が、順次、負荷７へ印加しようとする非正弦周期波のフーリエ展開式の、低次数側の高調波の周波数となるように設定する。また、圧電トランス３１〜３４の昇圧比を、その比が、上記高調波の振幅の比となるように設定する。圧電体４１〜４４の長さＬはその共振角速度の設定で決まるので、圧電トランス３１〜３４の昇圧比の比は、圧電体４１〜４４の厚さｔの比で設定する。かかる構成でも、任意の非正弦周期波電圧を負荷７に印加することができる（図中の電圧波形は矩形波である）。
【００３７】
かかる構成では、給電部２１Ａ〜２４Ａが、その交流電源２００を、すべての圧電トランス３１〜３４に共通の交流電源２００としているので、構成を簡単にすることができる。
【００３８】
なお、すべての圧電トランス３１〜３４に同電圧が印加されているので、負荷７に印加しようとする非正弦周期電圧波形が矩形波のときは、圧電体４１〜４４の厚さｔはすべての圧電トランス３１〜３４で同じにする。したがって、矩形波の場合は、給電部は単一の交流電源で、しかも同じ厚さの圧電体とすることができ、構成が簡単になる上、製造効率を高めることが可能になり、安価に製造することができる。
【００３９】
なお、上記各実施形態において、圧電トランスは、別体でもよいし、上記シート積層法を使って積層構造に構成し、モジュール化するのもよい。
【００４０】
また圧電トランスの形状等の構成は、上記各実施形態のものに限定されるものではなく、任意である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電源装置の構成図である。
【図２】本発明の別の電源装置の構成図である。
【図３】従来の電源装置の一例の構成図である。
【符号の説明】
１，１Ａ電源装置
２１，２２，２３，２４，２１Ａ，２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ給電部
２００交流電源
２０１Ａ，２０２Ａ，２０３Ａ，２０４Ａ周波数変換器
３１，３２，３３，３４圧電トランス
４１，４２，４３，４４圧電体
５１，５２，５３，５４入力電極
６１，６２，６３，６４出力電極
７負荷

Claims

負荷に対して出力が並列接続された複数の圧電トランスと、各圧電トランスに交流電圧を印加する給電部とを有し、圧電トランスの共振周波数および圧電トランスへの入力電圧の周波数を、負荷へ印加しようとする非正弦周期波のフーリエ展開式の、低次数側の高調波の周波数に順次、設定し、かつ圧電トランスの出力電圧の振幅を、その比が上記高調波の振幅の比となるように設定したことを特徴とする電源装置。
請求項１記載の電源装置において、上記圧電トランスは、方形の圧電体の長さ方向の一方の側の上下面に入力電極を形成し、他方の側の端面に出力電極を形成した電源装置。
請求項２記載の電源装置において、すべての上記圧電トランスの圧電体の厚さを等しくした電源装置。
請求項３記載の電源装置において、上記圧電トランスは、圧電体の長さを、その比が１：１／３：・・・：１／（２ｎ−１）（ｎは自然数）となるように設定し、かつ上記給電部を、交流電源と、その出力の周波数を圧電トランスの共振周波数に変換する周波数変換器とで構成するとともに交流電源をすべての圧電トランスに共通の交流電源で構成した電源装置。
請求項１または２いずれか記載の電源装置において、上記給電部を、交流電源と、その出力の周波数を圧電トランスの共振周波数に変換する周波数変換器とで構成するとともに交流電源をすべての圧電トランスに共通の交流電源で構成し、かつ各圧電トランスの昇圧比を、その比が上記高調波の振幅の比となるように設定した電源装置。