JPH0845681A

JPH0845681A - 放電管の駆動装置

Info

Publication number: JPH0845681A
Application number: JP17653894A
Authority: JP
Inventors: Toru Abe; 徹阿部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高昇圧比と高効率を同時に実現する圧電トラ
ンスを用いた放電管の駆動装置を提供する。【構成】直流入力電源と、前記直流入力電源に一端を
接続し他端にはスイッチ手段を接続する一次巻線と前記
スイッチ手段に一端を接続し他端には圧電トランス５０
を接続する二次巻線を巻回した電磁トランス３０を備
え、前記スイッチ手段を前記圧電トランス５０の出力か
ら帰還することにより自励発振させる駆動・発振手段と
を備え、前記圧電トランス５０の出力を放電管６０に供
給する放電管の駆動装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば液晶ディスプレ
イに用いられる冷陰極管の如き放電管の駆動装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、液晶ディスプレイにあっては液
晶自身が発光しないことから液晶表示体の背面や側面に
冷陰極管等の放電管を配置するバックライト方式が主流
となっている。

【０００３】この放電管を駆動するためには、これ自体
の長さや直径にもよるが数１００ボルト以上の交流高電
圧が必要とされる。この交流高電圧を発生させる放電管
の駆動装置には図８に示すような電磁トランスを用いた
高周波インバータが一般的に使用されている。図８に示
す放電管駆動装置では、電磁トランス７０の二次巻線７
５に発生した高圧の出力電圧Ｖ₄は、管電流Ｉｏを制限
するバラストコンデンサ８１を介して冷陰極管等の放電
管６０に印加され、放電管６０を発光させる。

【０００４】また、別の方法として圧電トランスを用い
た放電管の駆動装置が特公昭５５−２６６００号公報、
特開昭５２−１１３５７８号公報、特開平５−１１４４
９２号公報に示されている。圧電トランスは図８の電磁
トランスを用いたものに比べて構造が非常に簡素なため
小型・薄型化、低コスト化が可能である。この圧電トラ
ンスの原理と特徴については学献社発行の専門誌「エレ
クトロニク・セラミクス」１９７１年７月号の「圧電ト
ランスの特性とその応用」に示されている。

【０００５】図５に示したローゼン型圧電トランスを参
照して、ローゼン型圧電トランスの原理を説明する。チ
タン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）よりなる板状の圧電セ
ラミックス素子２の図中左半分の上下面に銀焼付けなど
により設けられた入力電極４、５の対を形成し、右側端
面にも同様な方法で出力電極６を形成する。セラミック
素子２の左半分は厚み方向（この図では下向き）に、右
半分は長手方向（この図では左向き）に予め分極処理を
行っておく。

【０００６】このように形成された圧電トランスにおい
て、入力電極４、５間に交流電圧源８よりセラミック素
子２の長さ方向の固有共振周波数とほぼ同じ周波数の交
流電圧を印加するとこのセラミック素子２には長手方向
に強い機械振動を生じ、これにより右半分の発電部では
圧電効果により電荷が発生し、出力電極６と入力電極の
一方、例えば入力電極５との間に出力電圧Ｖｏが生ず
る。

【０００７】図６にローゼン型圧電トランスの出力電圧
の負荷抵抗特性を、図７には効率の負荷抵抗特性を示
す。ここで、交流入力電圧Ｖｉは１０〈Ｖ〉、励振モー
ドは全波長モード、圧電材はＨＣＥＰＣ−２８（日立金
属製）であり、セラミック素子の寸法は長さ２８〈ｍ
ｍ〉、幅７．５〈ｍｍ〉、厚さ１．０〈ｍｍ〉である。
この様にローゼン型圧電トランスは比較的高負荷抵抗の
領域、例えば３〈ＭΩ〉では出力電圧７００〈Ｖ〉、昇
圧比７０倍を得ることができるが、効率は５０％以下と
低い。また、負荷抵抗１００〈ｋΩ〉付近の領域では９
０％以上の高効率が得られるが、出力電圧は８５〈Ｖ〉
で，昇圧比は８．５倍である。

【０００８】前者の比較的高抵抗負荷の領域を使ったも
のとして１９７０年代に盛んに研究されたテレビ受信機
の高電圧電源用の圧電トランスがある。しかしながら、
効率の悪い領域で使っているため、素子の発熱などの問
題から、電磁トランスを凌駕できず、現在でも実用には
到っていない。これに対し、後者の比較的低抵抗で高効
率の得られる領域を使った圧電トランスの使用例を図９
に示す。図９は前述のローゼン型圧電トランスを使った
放電管の駆動装置の回路構成図で、管径３．０〈ｍ
ｍ〉、管長８８〈ｍｍ〉の冷陰極管を駆動している。発
光時の管電圧Ｖｏは２６０〈Ｖ〉で管電流Ｉｏを２〈ｍ
Ａ〉として流した時のインバータ効率は７５．０％と高
い。これは、発光時の放電管６０の動作抵抗が１３０
〈ｋΩ〉（＝２６０〈Ｖ〉÷２〈ｍＡ〉）であり、前述
の比較的低抵抗領域に該当し圧電トランスが高効率で動
作しているからであるが、圧電トランスの昇圧比は低下
している領域であるため、直流入力電圧Ｖ₂は２５
〈Ｖ〉と高い。この様な入力電圧では、電池駆動の携帯
型の情報端末やパーソナルコンピュータでは電池部が大
型化するため使用できなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】液晶ディスプレイが用
いられる携帯型の情報端末機器やパーソナルコンピュー
タでは電源電池部の小型化や長時間使用に対応するため
に低電圧動作、高効率が要求されており、このような機
器の放電管の駆動装置は低い入力電圧で高い出力電圧を
発生する高昇圧比と高効率が要求されるが、従来のロー
ゼン型圧電トランスを使った放電管の駆動装置ではこの
２点を両立させることができなかった。

【００１０】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、高昇圧比と高効率を同時に実現する圧電トラ
ンスを用いた放電管の駆動装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、直流入力電源と、前記直流入力電源と
一次巻線が接続される電磁トランスと、前記一次巻線の
他端と接続されるスイッチ手段と、前記電磁トランスの
二次巻線と接続される圧電トランスと、前記スイッチ手
段を前記圧電トランスからの帰還信号により自励発振さ
せる駆動・発振手段とを備え、前記圧電トランスの出力
を放電管に供給するように構成したものである。

【００１２】

【作用】本発明は以上のように構成したので、電磁トラ
ンスの一次巻線と二次巻線の巻数比で昇圧された電圧が
圧電トランスの入力側に印加されるため、圧電トランス
の出力からは比較的低い負荷抵抗でも高い交流電圧が得
られ、冷陰極管等の放電管を高効率で駆動させることが
できる。

【００１３】特に、電磁トランスの一次巻線または二次
巻線のインダクタンスと、スイッチ手段の寄生容量を含
む並列静電容量または圧電トランスの入力静電容量を含
む並列静電容量との共振周波数を圧電トランス自身の固
有共振周波数と略一致させた場合は更に高い効率と昇圧
比を得ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明に係る放電管の駆動装置の回
路構成図である。直流電圧Ｖ₂が加わると抵抗Ｒ１を介
して起動電流が流れ、トランジスタ２２とＭＯＳ型電界
効果トランジスタ（以下ＭＯＳＦＥＴと記す）２１がオ
ンとなる。この時、インダクタ素子３０の各巻線には・
印側を正極とする電圧が発生し、圧電トランス５０の入
力電極５１側を負極とする電圧が加わる。すると、出力
電極５５の電圧は反転し、正極となり帰還抵抗Ｒ２を介
してトランジスタ２４をオンとする。トランジスタ２４
オンでは、トランジスタ２２オフ、トランジスタ２３オ
ンとなるためＭＯＳＦＥＴ２１は瞬時にオフとなり、圧
電トランスの入力電極５１には正極の電圧が加わる。す
ると、出力電圧は反転し、負極となり帰還抵抗Ｒ２を介
してトランジスタ２４をオフとし、トランジスタ２２オ
ン、トランジスタ２３オフとなるためＭＯＳＦＥＴ２１
は瞬時にオンとなる。以後、同じ動作が繰り返され、圧
電トランスの出力電極５５と共通電極５２との間には昇
圧された高周波電圧が発生して電極６１、６２に供給さ
れ、放電管６０を発光させる。

【００１５】このＭＯＳＦＥＴ２１をオン、オフさせる
反転動作は、圧電トランスの出力に発生する電圧により
行う自励発振動作である。従って、この発振周波数は圧
電トランス５０の固有共振周波数となり、ローゼン型で
は圧電トランスの長手方向の寸法で共振周波数が決ま
る。実施例で用いた圧電トランスのセラミック素子は、
ＰＣ−２８材（日立金属製）、外形寸法は長さ２８〈ｍ
ｍ〉、幅７．５〈ｍｍ〉、厚さ１．０〈ｍｍ〉であり、
共振周波数は全波長モードの約１１８〈ｋＨｚ〉であ
る。ローゼン型圧電トランスを自励発振させた場合、帰
還信号の検出部が機械的変位最大となる。また、最大出
力を得るためには、出力電極のある右側端面の機械的変
位が最大となる必要がある。従って、帰還信号は図１の
ように圧電トランスの出力から直接得る方法と、後述す
る実施例のように出力電極近傍に電極またはアンテナを
設けて検出する方法がある。

【００１６】この直流電圧Ｖ₂は電磁トランス３０の一
次巻線３１（巻数はｎ₁）と二次巻線３２（巻数はｎ₂）
の巻数比（ｎ₁＋ｎ₂）／ｎ₁倍に昇圧されて圧電トラン
スに印加するため、携帯型情報端末機器で用いられる３
〈Ｖ〉入力でも、冷陰極管を駆動することができる。本
実施例の電磁トランス３０の外形寸法は直径８〈ｍ
ｍ〉、高さ３〈ｍｍ〉で、図５のインダクタ３５と同じ
大きさである。一次巻線巻数ｎ₁は１５ターン、二次巻
線巻数ｎ₂は１３５ターンであり、この電磁トランス３
０のインダクタンスＬ₁₂（一次巻線３１と二次巻線３２
を直列接続したインダクタンス）とＭＯＳＦＥＴ２１の
出力静電容量Ｃ_OS、圧電トランスの入力静電容量Ｃ₀₁に
よる共振周波数を圧電トランス固有共振周波数ｆ_Oと略
一致させた場合、特に良好な効率と昇圧比が得られる。

【００１７】

【式１】

【００１８】この時、圧電トランス５０への入力電圧Ｖ
₃は、半波正弦波状の電圧となるため有害な高調波成分
は小さく、基本波成分が大きい。従って、高調波を多く
含んだ電圧波形を印加した場合に比べ、良好な効率と昇
圧比が得られる。また、ＭＯＳＦＥＴ２１の出力静電容
量Ｃ_OS、圧電トランス５０の入力静電容量Ｃ₀₁では共振
周波数を略一致させることができない場合は、各々の素
子と並列にキャパシタＣ₁、Ｃ₂を接続する方法がある。
また、電磁トランス３０の巻線と並列にキャパシタ素子
を接続しても等価である。

【００１９】

【式２】

【００２０】本実施例では入力電圧Ｖ₂＝３．０
〈Ｖ〉，管電圧Ｖ_O＝２６０〈Ｖ〉，管電流Ｉ_O＝２．０
５〈ｍＡ〉の入出力条件で、キャパシタＣ₁が０．０３
２７〈μＦ〉（Ｃ₂はオープン）のときインバータ効率
７５．１％、キャパシタＣ₂が２２３〈ｐＦ〉（Ｃ₁はオ
ープン）のときインバータ効率７５．６％が得られた。
電磁トランス３０は、図９のインダクタ３５と同じ形状
であるため、本実施例は従来例と同じ大きさとすること
ができる。しかも、高いインバータ効率を得られ、入力
電圧を約１／８に低減することができる。

【００２１】本実施例の圧電トランスの分極方向は図中
の→印で示した方向で、全波長モードで励振されてい
る。この条件で最大出力が得られる時の圧電トランスの
入出力電圧の位相は出力が約９０°進んでいる。従っ
て、本実施例では帰還抵抗Ｒ₂、起動抵抗Ｒ₁の抵抗値を
調整して前述の入出力位相を得ている。圧電トランス５
０の出力には高調波高電圧が発生しているため、この近
傍に配置した部品、配線に誘導電圧が生じて、前述の入
出力位相から外れた発振動作を行い効率、昇圧比が悪く
なる場合がある。本実施例の電圧波形を図１０に示す
が、この様に圧電トランスの入力電圧Ｖ₃に対し出力電
圧Ｖ_Oは約９０度進んでおり、前述したように良好な効
率、昇圧比が得られた。図１１は帰還抵抗Ｒ₂からトラ
ンジスタ２４のベースへの配線が圧電トランス５０の出
力部に接近している例の電圧波形であり、圧電トランス
の入力電圧Ｖ₃に出力電圧Ｖ_Oは約４５度進んでいる。こ
の時の特性は入力電圧Ｖ₂＝３．０〈Ｖ〉，管電圧Ｖ_O＝
２６０〈Ｖ〉入出力条件で、管電流Ｉ_O＝０．９２〈ｍ
Ａ〉しか得られず（昇圧比の低下による）、インバータ
効率も５９．２％と低い。

【００２２】前述の例では圧電トランスの入力電圧Ｖ₃
に対し出力電圧Ｖ_Oの位相が約９０度進んでいる場合に
良好な効率、昇圧比が得られたが、圧電トランスの分極
方向を反対にした時や、振動モードを半波長モードに変
更した時には圧電トランスの入力電圧Ｖ₃に対し出力電
圧Ｖ_Oの位相が約９０度遅れている場合に良好な効率、
昇圧比が得られた。

【００２３】本発明の別の実施例の回路構成図を図１２
に示す。前述の実施例と異なっている点は電磁トランス
３０の二次巻線３２の・印側を圧電トランスの共通電極
５２側に接続したことである。このため、前述の実施例
の電磁トランス３０が一次巻線３１を共通巻線とした単
巻トランス（一般にオートトランスと云う）であるのに
対し、この実施例の電磁トランス３０は一次巻線３１と
二次巻線３２が絶縁されたトランスであり、巻数比はｎ
₂／ｎ₁となる。この実施例で良好な効率と昇圧比の得ら
れる条件は次式のようになる。

【００２４】

【式３】

【００２５】この様に電磁トランス３０は種々の形態で
実施可能である。また、・印で示す各巻線の極性も、圧
電トランスの分極方向や振動モード、スイッチ手段や駆
動・発振手段の構成により、ここで図示した以外の場合
でも実施可能であることは明白である。

【００２６】図２は、自励発振用の帰還信号を出力電極
近傍に設けた帰還電極５３で検出した本発明に係る放電
管の駆動装置の回路構成図である。図１の例と同様に出
力電極から最大出力を得ることができる。

【００２７】図３は、自励発振用の帰還信号を出力電極
近傍に配置したアンテナ５４で検出した本発明に係る放
電管の駆動装置の回路構成図である。これも図１の例と
同様に出力電極から最大出力を得ることができる。

【００２８】図４は、放電管の発光量を調整する調光機
能を持った本発明の実施例である。構成は図１の実施例
に管電流検出部２００と前段電圧制御部１００を加えた
ものである。放電管６０を流れる電流を検出するために
管電流検出部２００が設けられており、可変抵抗Ｒ５に
より管電流を検出し、抵抗値を可変することにより検出
信号２１０のレベルを変えることができる。この検出信
号に基ずいて前段電圧制御部はインバータ部への供給電
圧Ｖ₂を制御する。具体的には、可変抵抗Ｒ５の抵抗値
を小さくした場合、検出信号を一定とするため管電流を
増加させるように前段電圧制御部は動作し、供給電圧Ｖ
₂を増大させる。前段電圧制御部は公知技術である降圧
型、昇圧型、反転型などのチョッパー制御或いはドロッ
パー制御を用いて、供給電圧Ｖ₂を制御する。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、電磁トランスの一次巻
線と二次巻線の巻数比で昇圧された電圧が圧電トランス
の入力側に印加されるため、携帯型の電子機器で用いら
れる低入力電圧でも冷陰極管等の放電管を高効率で駆動
させることができる。特に、電磁トランスの一次巻線ま
たは二次巻線のインダクタンスと、スイッチ手段の寄生
容量を含む並列静電容量または圧電トランスの入力静電
容量を含む並列静電容量との共振周波数を圧電トランス
自身の固有共振周波数と略一致させた場合は更に高い効
率と昇圧比を得ることができる。また、圧電トランスは
出力インピーダンスが大きいため、電磁トランス方式で
使れていた管電流制限用のバラストコンデンサが不要と
なる。さらに、圧電トランスは従来の電磁トランスに比
べ構造が極めて簡素であるため、小型・薄型され、低コ
ストとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る放電管の駆動装置の回路図であ
る。

【図２】自励発振用の帰還信号を出力電極近傍に設けた
帰還電極で検出した本発明に係る放電管の駆動装置の回
路図である。

【図３】自励発振用の帰還信号を出力電極近傍に配置し
たアンテナで検出した本発明に係る放電管の駆動装置の
回路図である。

【図４】放電管の発光量を調整する調光機能を持った本
発明の実施例の回路構成を示す図である。

【図５】ローゼン型圧電トランスの動作原理を示す説明
図である。

【図６】ローゼン型圧電トランスの出力電圧の負荷抵抗
特性を示す特性図である。

【図７】ローゼン型圧電トランスの効率の負荷抵抗特性
を示す特性図である。

【図８】従来の電磁トランスを使った放電管の駆動装置
の回路図である。

【図９】従来の圧電トランスを使った放電管の駆動装置
の回路図である。

【図１０】本発明に係る放電管の駆動装置における圧電
トランスの入力電圧と出力電圧の波形を示す図である。

【図１１】放電管の駆動装置における望ましくない場合
の圧電トランスの入力電圧と出力電圧の波形を示す図で
ある。

【図１２】本発明に係る放電管の駆動装置の別の実施例
の回路図である。

【符号の説明】

２１ＭＯＳ型電界効果トランジスタ、２２トランジ
スタ、２３トランジスタ、２４トランジスタ、３０
電磁トランス、３１一次巻線、３２二次巻線、５０
圧電トランス、５１入力電極、５２共通電極、５
３帰還電極、５４アンテナ、５５出力電極、６０
放電管、Ｃ₁、キャパシタ、Ｃ₂ キャパシタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流入力電源と、前記直流入力電源に一
端を接続し他端にはスイッチ手段を接続する一次巻線と
前記スイッチ手段に一端を接続し他端には圧電トランス
を接続する二次巻線を巻回した電磁トランスを備え、前
記スイッチ手段を前記圧電トランスの出力から帰還する
ことにより自励発振させる駆動・発振手段とを備え、前
記圧電トランスの出力を放電管に供給することを特徴と
する放電管の駆動装置。
【請求項２】請求項１において、駆動・発振手段を圧
電トランスの出力電電極近傍に設けた電極から帰還する
ことにより自励発振させる放電管の駆動装置。
【請求項３】請求項１において、駆動・発振手段を圧
電トランスの出力電電極近傍に配置したアンテナから帰
還することにより自励発振させる放電管の駆動装置。
【請求項４】請求項１において、スイッチ手段と並列
にキャパシタを接続した放電管の駆動装置。
【請求項５】請求項１において、圧電トランスの入力
と並列にキャパシタを接続した放電管の駆動装置。
【請求項６】請求項１において、電磁トランスの巻線
と並列にキャパシタを接続した放電管の駆動装置。
【請求項７】請求項１において、放電管の管電流を検
出する管電流検出部と、この検出部の検出結果に基づい
て直流入力電源の電圧を昇圧或いは降圧して調整する前
段電圧制御部を備えた放電管の駆動装置。