JPH1169826A - 圧電トランスの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電トランスをその共振点で安定して駆動し
て高い出力電圧を供給する圧電トランスの駆動回路を提
供する。 【解決手段】 圧電トランス５が自励発振回路の閉ルー
プに組込まれる。圧電トランス５の出力電圧１６が、こ
れに対し一定の位相差をもった帰還電圧９として、帰還
回路７より同期回路１に帰還される。同期回路１は帰還
電圧９と同期した矩形波１０を生成し、鋸歯状波発生回
路２が矩形波１０と同期した鋸歯状波１１を生成する。
デューティ制御回路３が、鋸歯状波１１と制御回路８か
らの直流制御電圧１２とを比較してデューティ波１３を
生成する。圧電トランス駆動部４が、デューティ波１３
に同期した圧電トランス駆動電圧１５を生成して圧電ト
ランス５を駆動する。圧電トランス５の入力電圧１５と
出力電圧１６間の位相差が、圧電トランス５が共振点で
動作するときの入出力電圧間の所定の位相差に一致する
ように、帰還回路７で生じる位相差が設定されているの
で、圧電トランス５は常に共振点で動作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷陰極管の駆動回
路や空気清浄機、イオン発生器等の高電圧発生回路で用
いられる圧電トランスの駆動回路に関し、特に圧電トラ
ンスを最適昇圧比で制御する為の駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、冷陰極管の駆動回路やイオン発生
器等の高電圧発生回路などには、高電圧発生素子として
圧電トランスが好んで用いられている。圧電トランスの
駆動方式として、例えば、１９９４年１１月７日号の日
経エレクトロニクス（Ｐ１４７〜１５７）にあるよう
な、圧電トランスの周波数特性を利用した周波数制御方
式が知られている。

【０００３】周波数制御方式は、負荷電流をフィードバ
ックして、出力電圧が設定値になるように圧電トランス
の駆動周波数の追尾を行って昇圧比を制御する駆動方式
である。すなわち、図１のブロック図で示すような駆動
回路を用いて、図２で示すように、圧電トランスの周波
数特性を利用して周波数制御を行い、出力電圧を制御す
る。つまり、圧電トランスの共振周波数ｆ0より高い周
波数で発振回路を起動して圧電トランスを駆動し、その
２次電圧を負荷に供給する。負荷側で検出した電圧と基
準電圧との差電圧を積分器に入力する。差電圧がゼロに
なるまで積分器の出力電圧は変化して、Ｖ−Ｆ変換器の
発振周波数を調節する。この結果、圧電トランスは駆動
周波数ｆ1で駆動して設定電圧を出力する。このよう
に、周波数制御方式は、図２に示す周波数特性の傾斜部
分を使って出力電圧制御を行う。

【０００４】別の駆動方法として、特開平８−８８０７
３号公報にあるような自励発振方式も知られている。こ
の方式では、電源電圧を調節したり、圧電トランスの入
力電流を可変抵抗で調整することにより出力電圧を制御
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の周波数制御方式
は、周波数特性の傾斜部分を使って制御しているため、
乱調などによって駆動周波数が周波数特性のピーク（共
振点ｆ0）を飛び越えてしまうと、制御が効かなくなり
駆動周波数が共振点ｆ0より低周波数側へ暴走し、回路
の異常や部品破壊を引き起こしてしまう虞がある。

【０００６】これを避けるため、使用する周波数範囲を
共振点より充分高い領域に限定する必要がある。結果と
して、周波数特性のピークを使うことができず、ずっと
低い昇圧比の領域しか使えないため、圧電トランスから
高電圧や大電力を得ることが難しい。また、共振点から
大きく離れた周波数領域で駆動するため、出力電圧がき
れいな正弦波でなく歪んだ波形となり、ノイズが発生し
たり負荷の冷陰極管にとって好ましくないものとなる。

【０００７】また、自励発振方式の場合は、電源電圧変
動や負荷変動に対する出力の安定化制御は発振状態を不
安定にするため、実現が困難である。

【０００８】従って本発明の目的は、圧電トランスの駆
動回路において、圧電トランスをその周波数特性の共振
点で常に駆動し、それにより高い出力電圧や大電力を安
定的に得ると共に、歪みの少ない正弦波出力を得ること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電ト
ランスが自励発振回路の閉ループの中に入れ込まれる。
この自励発振回路は、圧電トランスの出力電圧に対して
一定の位相差をもった電圧を生成して圧電トランスに入
力する手段を有する。上記手段によって、圧電トランス
の入力電圧と出力電圧間の位相差を圧電トランスが共振
点で動作するときのそれに制御すると共に、自励発振回
路の回路定数を、圧電トランスが共振点で動作するとき
に発振条件が満たされるように設定すれば、圧電トラン
スは共振点つまり出力電圧がピークになる点で安定して
駆動される。

【００１０】本発明では、好ましくは、圧電トランスへ
の入力電圧をデューティ制御して、圧電トランスに加え
る電圧を調整すれば、動作点をピーク電圧に保ったまま
出力電圧を制御することができる。

【００１１】本発明の一つの構成例は、デューティ波形
を作るための基準波形を、出力電圧と同期させて出力電
圧に対し所定の位相差になるように生成し、そのデュー
ティ波形を用いて、デューティ制御された入力電圧を生
成して圧電トランスに印加する。これにより、圧電トラ
ンスの入力電圧は出力電圧と所定の位相差となり、共振
点駆動が行われて、ピーク電圧駆動による出力電圧制御
が可能となる。

【００１２】より具体的な構成例は、圧電トランスの出
力電圧を帰還する帰還回路と、帰還回路によって帰還さ
れた帰還電圧と同期した同期波形を生成する同期回路
と、同期波形に同期したデューティ制御基準波形を生成
する基準波形発生回路と、デューティ制御基準波形と所
定の信号レベルとを比較して、信号レベルに対応したデ
ューティ波形を生成するデューティ制御回路と、デュー
ティ制御回路が生成したデューティ波形に基づいて、圧
電トランスを駆動する駆動電圧を生成する圧電トランス
駆動部とを備える。同期回路の生成する同期波形は例え
ばデューティ５０％±１０％の矩形波であり、基準電圧
発生回路の生成するデューティ制御基準波形は、例えば
矩形波同期波形の立ち上がり点で充電を開始し立ち下が
り点で急速放電する鋸歯状波である。所定の信号レベル
には、上記帰還電圧や出力電圧、出力電流または駆動回
路の電源電圧の何れかを用いることができる。圧電トラ
ンス駆動部は、例えば、デューティ波形のＯＮ期間にイ
ンダクタにエネルギーを蓄え、ＯＦＦ期間の開始ととも
にインダクタに蓄えられたエネルギーを圧電トランスに
放出する、Ｅ級スイッチング回路である。

【００１３】好ましくは、同期回路は、帰還電圧がない
時に固有の周波数で発振する起動波形を生成する起動回
路を備えることができる。この起動回路の生成する起動
波形の発振周波数は、圧電トランスの共振周波数の例え
ば１１０％以上の値である。負荷が正常に復帰した時は
同期回路が作動して同期波形を生成するが、圧電トラン
スの負荷が異常な時は起動回路が作動して起動波形を生
成することにより、安全保護機能を奏することができ
る。あるいは、起動回路が生成する起動波形の発振周波
数を圧電トランスの共振周波数の例えば５０％以下の値
とし、負荷が異常な時は起動回路が作動して起動波形を
生成して駆動回路に過電流を流し、更に、駆動回路の入
力部に過電流保護素子を設けてこれを作動させるように
してもよい。

【００１４】本発明の圧電トランス駆動回路は、好適な
実施形態のようにその全てを専用の個別ハード回路によ
って構成することができるが、必ずしもそうである必要
はなく、その少なくとも一部の機能（例えば、出力電圧
に対する入力電圧の位相差を制御する機能や、デューテ
ィ制御を行う機能など）をコンピュータによりソフト的
に実施することもできる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図３、図４
を参照して詳しく説明する。図３は本発明の駆動回路の
一実施形態の基本的な構成を示すブロック図である。図
４は、図３に示す各ブロックの動作波形である。この実
施形態では、大きく８個のブロックにより自励発振回路
が構成されている。

【００１６】図３に示すように、帰還回路７により、圧
電トランス５の出力電圧１６が、同電圧１６から所定の
位相差をもった正弦波状の帰還電圧９として、同期回路
１へ帰還される。同期回路１は、正弦波状の帰還電圧９
のゼロクロス点に同期したデューティ５０％の同期矩形
波１０を生成し、この同期矩形波１０を次段の鋸歯状波
発生回路２に加える。なお、同期回路１は、電源投入時
の起動回路も兼ねている。

【００１７】鋸歯状波発生回路２は、同期矩形波１０と
同期した鋸歯状波１１を生成する。すなわち、鋸歯状波
発生回路２は、同期矩形波１０の立ち上がり時点１０ａ
で充電を始めて、リニアな上昇波形１１ａを形成し、同
期矩形波１０の立ち下がり時点１０ｂで急速に放電して
急峻な立ち下がり波形１１ｂを形成し、結果として、同
期矩形波１０と同期した鋸歯状波１１を作る。

【００１８】デューティ制御回路３は、鋸歯状波発生回
路２からの鋸歯状波１１と制御回路８からの直流制御電
圧１２とを比較し、デューティ波１３を作る。すなわ
ち、デューティ制御回路３は、鋸歯状波１１の電圧レベ
ルが直流制御電圧１２の電圧レベルより高い期間がＯＮ
期間、低い期間がＯＦＦ期間であるデューティ波１３を
作る。このデューティ波１３は、直流制御電圧１２の電
圧レベルにによってＯＮ期間の開始１３ａが移動してＯ
Ｎ期間の長さが制御されるが、そのオン期間の終了１３
ｂは常に鋸歯状波１１の立ち下がり部１１ｂと時間的に
一致する。

【００１９】デューティ波１３は次段の圧電トランス駆
動部４に印加される。圧電トランス駆動部４は、インダ
クタＬやトランジスタＱなどで構成される。デューティ
波１３のオン期間の間だけトランジスタＱがＯＮ状態に
されて、インダクタＬにリニアに上昇するインダクタ電
流（トランジスタ電流）１４が流れ、その電流エネルギ
ーがインダクタＬに蓄えられる。そして、デューティ波
１３のターンオフ時点１３ｂでトランジスタＱがターン
オフし、インダクタＬの蓄積エネルギーが圧電トランス
５へ放出を開始する。引続くデューティ波１３のＯＦＦ
期間中に、その放出エネルギーは正弦波状電圧を圧電ト
ランス５に印加する。結果として、圧電トランス５に、
デューティ波１３のターンオフ時点１３ｂを立ち上がり
点とした半波正弦波状の圧電トランス駆動電圧１５が供
給される。

【００２０】従って、圧電トランス５の入力電圧１５は
出力電圧１６に同期した波形となる。入力電圧１５と出
力電圧１６間の位相差が、圧電トランス５が共振点で動
作するときの両電圧１５、１６間の所定の位相差に等し
くなるように、帰還回路７で生じる出力電圧１６と帰還
電圧９間の位相差が設定されている。また、この自励発
振回路の各部の回路定数は、圧電トランス５の共振周波
数において発振条件（閉ループの原ゲインが１で、閉ル
ープの位相遷移が３６０度）を満たすように設定されて
いる。結果として、圧電トランス５は安定して共振点で
動作し続ける。

【００２１】制御回路８は、制御目的に応じた形態で制
御された直流制御電圧１２をデューティ制御回路８に与
えることができる。例えば、出力の帰還電圧９を制御回
路８に与えて、出力電圧変動に対応して直流制御電圧１
２のレベルを調節してデューティ比を制御することによ
り、出力電圧の安定化を図ることができる。あるいは、
電源電圧を制御回路８に与えて、電源電圧変動に対応し
て直流制御電圧１２のレベルを調節してデューティ比を
制御することにより、電源電圧変動に対して出力電圧の
安定化を図ることもできる。

【００２２】結局、本実施形態によれば、圧電トランス
５は、その入力電圧１５と出力電圧１６とが常に一定の
位相差を保たれて共振点で動作しながら、電源電圧変動
や負荷変動を補償して安定した出力電圧を負荷６に供給
する。また、圧電トランス５を周波数特性の共振点で安
定動作させつつ、入力電圧のデューティ制御により広範
囲な出力電圧制御を行うこともできる。

【００２３】さらに、負荷開放や負荷短絡故障時には、
帰還電圧９がなくなるため、同期回路１は起動時の発振
周波数で動作する。この時、起動時の発振周波数を共振
周波数の１１０％以上に設定しておけば、圧電トランス
５は共振点から離れた領域で駆動されるため、負荷６へ
は低い出力電圧が供給されて出力側は安全となり、しか
も、圧電トランス駆動部４のインダクタＬが磁気飽和を
起こすこともないので、回路部品を破壊させる虞がなく
なり、負荷正常時には自動復帰が可能となる。

【００２４】また、別法として、起動時の発振周波数を
共振点の５０％以下に設定して負荷開放や負荷短絡時に
は過電流を流すようにすると共に、入力部などに過電流
保護素子を設けてこれを動作させ回路を遮断することに
より、安全を図ってもよい。但し、この場合は、負荷が
正常に戻っても自動復帰することはできない。

【００２５】つぎに、図５を参照して、上述した圧電ト
ランス駆動回路の具体的な回路例を説明する。図６はこ
の回路例における電源電圧変動に対する出力電圧特性を
示す。

【００２６】図５に示す回路例では、制御回路８が帰還
電圧９を検知して直流制御電圧１２のレベルを調節する
ことにより、出力電圧１６の安定化制御を行っているの
で、図６に示すような定電圧特性をもった出力を得るこ
とができる。すなわち、図６に示すように、電源電圧Ｖ
ｃｃが４.５Ｖから７Ｖの間で変動しても、出力電圧は
約１.５ｋＶP-Pで一定に維持することができた。尚、電
源電圧が４.５Ｖ以下の領域では、入力電圧不足の為に
デューティ制御不能となり出力電圧が低下してしまう
が、この領域は実用領域外であるから問題がない。

【００２７】さて、図５において、同期回路１は起動回
路を含み、コンパレータＩＣ１と抵抗Ｒ３〜Ｒ６及びコ
ンデンサＣ４、Ｃ５で構成されており、起動回路はＣ４
とＲ３をもつＣＲ発振回路である。起動時はＣ４とＲ３
の時定数で決まる発振周波数で圧電トランス５に振動を
起こし、その周波数成分のうちの最大の出力電圧（共振
点の出力電圧）が、帰還回路７（コンデンサＣ１１、Ｃ
５及び抵抗Ｒ５）により同期回路１に帰還される。帰還
回路９の回路定数は、帰還電圧９が出力電圧に対して所
定の位相差を持ち、且つ起動回路のコンデンサＣ４の電
圧より高くなるように設定されている。よって、帰還電
圧９が同期回路１に入力された後は、起動回路の電圧
（Ｃ４の電圧）より帰還電圧９の方が優先され、起動回
路は同期回路へと機能を切り替えて動作する。そして、
同期回路１は、帰還電圧９に基づく同期動作を行い同期
矩形波１０を生成する。

【００２８】この同期矩形波１０は、鋸歯状波発生回路
２に送られ、抵抗Ｒ７、コンデンサＣ６を通してトラン
ジスタＱ１をＯＮ／ＯＦＦする。これにより、コンデン
サＣ７の充放電が行われて鋸歯状波１１が作られる。

【００２９】デューティ制御回路３はコンパレータＩＣ
２等で構成され、鋸歯状波１１と制御回路８からの直流
制御電圧１２とをコンパレータＩＣ２で比較してデュー
ティ波１３を生成する。

【００３０】圧電トランス駆動部４は、コンプリメンタ
リ回路から成るトランジスタＱ２、Ｑ３、及びＥ級スイ
ッチング回路から成るインダクタＬ１とトランジスタＱ
４の直列回路とにより構成されている。デューティ波１
３によりトランジスタＱ２、Ｑ３を通してトランジスタ
Ｑ４がスイッチングされると、トランジスタＱ４のＯＮ
期間にインダクタＬ１に蓄えられた電流エネルギーが、
ＯＦＦ期間に圧電トランス５に供給され、圧電トランス
５が駆動される。

【００３１】前述した通り、圧電トランス５の入力、出
力電圧の位相差が所定値に制御され変動しない為、共振
点駆動による安定動作を継続する。また、出力電圧をフ
ィードバックしてデューティを調節しているので、負荷
変動や入力電圧変動があっても出力電圧は安定してい
る。

【００３２】本実施形態によれば、圧電トランスを共振
点で駆動することにより、圧電トランスの昇圧能力を最
大限利用することができるので、圧電トランスを小型化
できたり、出力の整流段数を低くすることができ、小型
化に有利である。

【００３３】また、圧電トランスを共振点で安定して駆
動できることで、従来の周波数制御方式のように、圧電
トランスに衝撃が加わって異常振動を起こした時に、低
周波側へ暴走し無制御状態になる虞がなく、動作状態は
自動的に共振点に復帰するので安定動作の許容条件が広
くなる。

【００３４】さらに、圧電トランスを共振点で駆動する
ことにより、圧電トランスの出力電圧は歪みの少ない正
弦波となるので、ノイズの低減や冷陰極管の点灯寿命向
上等に有利である。

【００３５】また、インダクタに蓄積されるエネルギー
を電源電圧変動に関わらず一定に制御しているので、従
来の周波数制御方式のように電源電圧が高くなったとき
にインダクタが磁気飽和を起こすという問題がなく、従
って、回路設計が容易である。

【００３６】上記内容は本発明の一実施形態に関するも
のであり、本発明が上記内容にのみ限定されるものでは
ないことは勿論である。図３に示した同期回路１、鋸歯
状波発生回路２、デューティ制御回路３、帰還期間回路
７、制御回路８の一部又は全部と実質的に同等の機能
を、コンピュータを用いてソフト的に実現することも可
能であり、そのようにコンピュータを用いて実施された
駆動回路も本発明の範囲に含まれるものである。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば圧電トランスを共振点で
駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の周波数制御方式による圧電トランス駆動
回路のブロック図。

【図２】周波数制御方式における制御原理を示す周波数
特性図。

【図３】本発明の圧電トランス駆動回路の一実施形態の
基本構成を示すブロック図。

【図４】図３のブロック図の各部の動作波形図。

【図５】図３のブロック図の具体的な回路例を示す回路
図。

【図６】図５の回路例における電源電圧変動に対する出
力電圧特性を示す特性図。

【符号の説明】

１ 同期回路 ２ 鋸歯状波発生回路 ３ デューティ制御回路 ４ 圧電トランス駆動部 ５ 圧電トランス ６ 負荷 ７ 帰還回路 ８ 制御回路 ９ 帰還電圧 １０ 同期矩形波 １１ 鋸歯状波 １２ 制御電圧 １３ デューティ波形（トランジスタ駆動波形） １４ インダクタ電流（トランジスタ電流波形） １５ 圧電トランス駆動電圧 Ｆ１ ヒューズ Ｒ１〜Ｒ１６ 抵抗 Ｃ１〜Ｃ１０ コンデンサ Ｑ１〜Ｑ５ トランジスタ Ｌ１ インダクタ Ｄ１、Ｄ２ ダイオード ＺＤ１ ツエナーダイオード ＩＣ１、ＩＣ２ コンパレータ ＩＣ３ オペアンプ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電トランスと、前記圧電トランスの出
   力電圧に対して一定の位相差をもった入力電圧を生成し
   て前記圧電トランスに入力する位相差制御手段とを有す
   る自励発振回路を備えた圧電トランスの駆動回路。
2. 【請求項２】 請求項１記載の駆動回路において、 前記位相差制御手段が、前記圧電トランスの出力電圧に
   対する入力電圧の位相差を、前記圧電トランスが共振点
   で動作するときの前記圧電トランスの入出力電圧間の位
   相差に等しくなるよう制御する圧電トランスの駆動回
   路。
3. 【請求項３】 請求項１乃至２記載の駆動回路におい
   て、 前記自励発振回路が、前記圧電トランスの入力電圧のレ
   ベルをデューティ制御により調節するデューティ制御手
   段を更に有する圧電トランスの駆動回路。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の駆動回路におい
   て、 前記位相差制御手段が、 前記圧電トランスの出力電圧に対して所定の位相差を持
   った帰還電圧を生成する帰還手段と、 前記帰還手段からの帰還電圧と同期した同期波形を生成
   する同期手段と、 前記同期波形に同期したデューティ制御基準波形を生成
   する基準波形発生手段と、 前記デューティ制御基準波形と制御目的に応じた信号レ
   ベルとを比較して、前記信号レベルに対応したデューテ
   ィ波形を生成するデューティ制御手段と、 前記デューティ波形に同期して、デューティ制御された
   前記圧電トランスの入力電圧を生成する圧電トランス駆
   動手段とを含む圧電トランスの駆動回路。
5. 【請求項５】 請求項４記載の駆動回路において、 前記位相制御手段が、前記帰還電圧がない時に、固有の
   周波数で発振する起動波形を生成する起動手段を含む圧
   電トランスの駆動回路。
6. 【請求項６】 請求項４記載の駆動回路において、 前記同期回路が、前記同期波形としてデューティ５０％
   ±１０％の矩形波を生成する圧電トランスの駆動回路。
7. 【請求項７】 請求項４記載の駆動回路において、 前記基準電圧発生回路が、前記デューティ制御基準波形
   として、前記同期波形に同期した鋸歯状波を生成する圧
   電トランスの駆動回路。
8. 【請求項８】 請求項４記載の駆動回路において、 前記制御目的に応じた信号レベルを調節する制御手段を
   更に備えた圧電トランスの駆動回路。
9. 【請求項９】 請求項５記載の駆動回路において、 前記起動回路が生成する起動波形の発振周波数が、前記
   圧電トランスの共振周波数の１１０％以上の値であり、
   前記圧電トランスの負荷が異常な時、前記起動回路が前
   記起動波形を生成し、前記負荷が正常に復帰した時、前
   記同期回路が再び同期波形を生成する圧電トランスの駆
   動回路。
10. 【請求項１０】 請求項５記載の駆動回路において、 前記起動回路が生成する起動波形の発振周波数が、前記
    圧電トランスの共振周波数の５０％以下の値であり、前
    記圧電トランスの負荷が異常な時、前記起動回路が前記
    起動時波形を生成し、 さらに、前記駆動回路に過電流が流れたときに前記駆動
    回路を遮断する過電流保護素子を備えた圧電トランスの
    駆動回路。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の駆動回路において、 前記位相差制御手段が、前記入力電圧を生成する機能の
    少なくとも一部を実行するためのコンピュータを含む圧
    電トランスの駆動回路。