(57)【要約】【課題】電力効率が向上した電源装置を提供する。【解決手段】電源装置１は、電圧発生回路２０と、圧電トランス３０と、電圧帰還回路４０とを備える。圧電トランスは、電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に変換する。電圧帰還回路４０は、電圧Ｖ２を受けて電圧制御信号ＳＶを出力する。電圧発生回路２０のコイルＬｘとスイッチング素子Ｍ１との接続ノードからは、電圧Ｖ１が出力される。電圧帰還回路４０は、第１帰還部４１と、第２帰還部４２とを含む。第１帰還部４１は、圧電トランス３０の起動時に電圧Ｖ２の変化を電圧制御信号ＳＶに伝達する。第２帰還部４２は、圧電トランス３０の起動後に電圧Ｖ２の変化を電圧制御信号ＳＶに伝達する。第２帰還部４２が出力する電圧振幅は、第１帰還部４１が出力する電圧振幅よりも大きい。【選択図】図１
2018143068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧制御信号に応じて第１電圧を発生する電圧発生回路と、
前記第１電圧を第２電圧に変換する圧電トランスと、
前記第２電圧を受けて前記電圧制御信号を出力する電圧帰還回路とを備え、
前記電圧発生回路は、
電圧源と、
前記電圧源の電圧出力ノードと接地ノードとの間に直列に接続されたコイルおよびスイッチング素子とを含み、前記コイルと前記スイッチング素子との接続ノードからは、前記第１電圧が出力され、
前記電圧帰還回路は、
前記圧電トランスの起動時に前記第２電圧の変化を前記電圧制御信号に伝達する第１帰還部と、
前記圧電トランスの起動後に前記第２電圧の変化を前記電圧制御信号に伝達する第２帰還部とを含み、前記第２帰還部が出力する電圧振幅は、前記第１帰還部が出力する電圧振幅よりも大きい、電源装置。
【請求項２】
前記電圧帰還回路は、
前記圧電トランスの起動時に前記第１帰還部の出力を選択し、前記圧電トランスの起動後に前記第２帰還部の出力を選択する選択部と、
前記選択部によって選択された前記第１帰還部、前記第２帰還部のいずれか一方の出力を受け前記電圧制御信号を出力するフィルタ回路とをさらに含む、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記電圧帰還回路は、
前記第１帰還部および前記第２帰還部の出力を受け前記電圧制御信号を出力するフィルタ回路をさらに含み、
前記フィルタ回路は、
前記第１帰還部と前記スイッチング素子の制御電極との間に接続された第１コンデンサと、
前記第２帰還部と前記制御電極との間に接続された第２コンデンサと、
前記制御電極と接地ノードとの間に接続された抵抗素子とを含み、
前記第２帰還部の出力は、前記圧電トランスの起動時には非活性化され、前記圧電トランスの起動後に活性化される、請求項１に記載の電源装置。
【請求項４】
前記第２帰還部は、
一方端が前記第２電圧に結合される第３コンデンサと、
前記第３コンデンサの他方端の電圧をバイアスするバイアス回路と、
前記第３コンデンサの前記他方端が入力に接続された移相回路と、
前記移相回路の出力を、前記圧電トランスの起動時には遮断し、前記圧電トランスの起動後に前記第２コンデンサに伝達する切り替え回路とを含む、請求項３に記載の電源装置。
【請求項５】
前記第２電圧は、交流電圧であり、
前記第２電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換回路をさらに備え、
前記第２帰還部は、
一方端が前記第２電圧に結合される第３コンデンサと、
前記第３コンデンサの他方端の電圧をバイアスするバイアス回路と、
入力に前記第３コンデンサの前記他方端が接続され出力に前記第２コンデンサが接続された移相回路とを含み、
前記交流−直流変換回路の出力は、前記バイアス回路および前記移相回路に電源電圧として供給される、請求項３に記載の電源装置。
【請求項６】
前記電圧発生回路は、
前記コイルと並列に設けられた並列容量をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に圧電トランスを備える電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平９−６５６４９号公報（特許文献１）には、圧電トランスを用いた電源装置が開示されている。この電源装置は、トランジスタと、スイッチ素子と、帰還回路とを備える。トランジスタは、第１の電極が圧電トランスの入力電極の一方に接続され、第２の電極が接地される。スイッチ素子は、トランジスタの制御電極に動作制御信号を供給する。帰還回路は、圧電トランスの出力電極とトランジスタの制御電極との間にインピ−ダンス回路を介して接続される。帰還回路は、トランジスタの制御電極にオン動作制御信号を一回与えるだけで、トランジスタがターンオン／オフとなる動作を繰返すことによって動作制御信号の変化に追従した周期で発振動作を行なうように構成される。このような構成によって、発振用ＩＣ及び周辺回路が不要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−６５６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ＩｏＴ（Internet  of  Things）技術に伴い、その電源として周りの環境から微小なエネルギーを収穫（ハーベスト）して、電力に変換するエネルギーハーベスティング技術が注目されている。このような用途における昇圧回路は、入力電圧が数１０ｍＶ〜１Ｖと低くても昇圧比や電力効率を向上させることが必要である。圧電トランスも、このような用途の昇圧回路の選択肢の一つである。
【０００５】
しかしながら、上記特開平９−６５６４９号公報に開示された電源装置は、ＯＡ機器で用いられ、入力電圧が１Ｖ〜１００Ｖ程度の高電圧用途である。この電源装置の構成だけでは、入力電圧が低下した場合、電力効率の低下によって所望の電圧（昇圧比）が得られず、最小入力電圧が下げられないといった課題が明らかになった。
【０００６】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電力効率が向上した電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の電源装置は、電圧発生回路と、圧電トランスと、電圧帰還回路とを備える。電圧発生回路は、電圧制御信号に応じて第１電圧を発生する。圧電トランスは、第１電圧を第２電圧に変換する。電圧帰還回路は、第２電圧を受けて電圧制御信号を出力する。電圧発生回路は、電圧源と、コイルと、スイッチング素子とを含む。コイルおよびスイッチング素子は、電圧源の電圧出力ノードと接地ノードとの間に直列に接続される。コイルとスイッチング素子との接続ノードからは、第１電圧が出力される。電圧帰還回路は、第１帰還部と、第２帰還部とを含む。第１帰還部は、圧電トランスの起動時に第２電圧の変化を電圧制御信号に伝達する。第２帰還部は、圧電トランスの起動後に第２電圧の変化を電圧制御信号に伝達する。第２帰還部が出力する電圧振幅は、第１帰還部が出力する電圧振幅よりも大きい。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の電源装置によれば、電力効率が向上し、入力電圧が低下した場合でも所望の電圧が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１の電源装置１の構成を示す回路図である。
【図２】実施の形態２の電源装置１Ａの構成を示す回路図である。
【図３】実施の形態３で用いられる切替信号発生回路の一例を示す図である。
【図４】実施の形態４の電源装置１Ｂの構成を示す回路図である。
【図５】図１または図２の電源装置の起動時から定常時への遷移の様子を示した第１例の波形図である。
【図６】図１または図２の電源装置の起動時から定常時への遷移の様子を示した第２例の波形図である。
【図７】実施の形態４の電源装置の起動時から定常時への制御信号ＳＶの遷移の様子を示した波形図である。
【図８】実施の形態５で用いられる電圧発生回路２０Ｃの構成を示す回路図である。
【図９】実施の形態６に係る電源装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】バイアス電圧供給部７８０の構成の一例を示した回路図である。
【図１１】圧電トランス７３０の主要部の構成を示す模式断面図である。
【図１２】ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０の構成を示す回路図である。
【図１３】変形例であるＡＣ−ＤＣ変換回路７７０Ａの構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下に示す実施の形態は、適宜組み合わせて用いることが可能である。
【００１１】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の電源装置の構成を示す回路図である。図１を参照して、電源装置１は、電圧発生回路２０と、圧電トランス３０と、電圧帰還回路４０と、ＡＣ−ＤＣ変換回路７０と、切替信号入力端子６４と、電圧出力端子７２とを備える。電圧発生回路２０と、圧電トランス３０と、電圧帰還回路４０によって、発振回路が構成される。
【００１２】
電圧発生回路２０は、電圧制御信号ＳＶに応じて第１電圧Ｖ１を発生する。圧電トランス３０は、１次側で電気エネルギーが機械的振動に変換され、２次側でこの機械的振動が電気エネルギーに再変換されるように構成される。この原理によって、圧電トランス３０は、第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２に変換する。電圧帰還回路４０は、第２電圧Ｖ２を受けて電圧制御信号ＳＶを出力する。
【００１３】
電圧発生回路２０は、電圧源Ｇ１と、コイルＬｘと、スイッチング素子Ｍ１とを含む。スイッチング素子Ｍ１としては、例えばＭＯＳトランジスタを使用することができる。コイルＬｘおよびスイッチング素子Ｍ１は、電圧源Ｇ１の電圧出力ノードと接地ノードとの間に直列に接続される。コイルＬｘとスイッチング素子Ｍ１との接続ノードからは、第１電圧Ｖ１が出力される。
【００１４】
実施の形態１の電源装置１は、電圧の帰還経路において、起動時用の経路である第１帰還部４１に加え、定常時用の経路である第２帰還部４２を第１帰還部４１と並列に接続する点が特徴である。
【００１５】
具体的には、電圧帰還回路４０は、第１帰還部４１と、第２帰還部４２とを含む。第１帰還部４１は、圧電トランス３０の起動時に第２電圧Ｖ２の変化をスイッチング素子Ｍ１の制御電極に伝達する。第２帰還部４２は、圧電トランス３０の起動後に第２電圧Ｖ２の変化をスイッチング素子Ｍ１の制御電極に伝達する。
【００１６】
第１帰還部４１は、電圧Ｖ２をそのまま伝達する配線によって構成される。第２帰還部４２は、バイアス回路５０と、移相回路５２とを含む。移相回路５２は、コンデンサ４８を介して、圧電トランス３０の出力を受ける。移相回路５２は、たとえば、直列接続された複数のインバータを含んで構成される。バイアス回路５０は、移相回路５２の動作点電圧を設定するために設けられる。
【００１７】
第２帰還部４２が出力する電圧振幅は、第１帰還部４１が出力する電圧振幅よりも大きい。このため、スイッチング素子Ｍ１の制御電極の電圧変化が急峻となり、起動後の定常状態において第２帰還部４２が使用されることによって、定常状態におけるスイッチング素子Ｍ１における損失が低減される。このために、第１帰還部４１を定常時に使用し続けるよりも、第１帰還部４１で圧電トランス３０を起動しその後第２帰還部４２に帰還経路を切替えるほうが、電源装置１の電力効率が向上する。
【００１８】
電圧帰還回路４０は、圧電トランス３０の起動時に第１帰還部４１の出力を選択し、圧電トランス３０の起動後に第２帰還部４２の出力を選択する選択部４４と、選択部４４によって選択された第１帰還部４１、第２帰還部４２のいずれか一方の出力を受け電圧制御信号ＳＶを出力するフィルタ回路４６とをさらに含む。
【００１９】
選択部４４は、端子６４から入力される切替信号ＳＵに応じて第１帰還部４１と第２帰還部４２の出力の一方を選択し、フィルタ回路４６に伝達する。切替信号ＳＵは、圧電トランス３０の起動時にロー（Ｌ）レベルに設定され、圧電トランス３０の起動後はハイ（Ｈ）レベルに設定される。選択部４４は、信号ＳＵがＬレベルの場合に導通するスイッチ５４と、信号ＳＵがＨレベルの場合に導通するスイッチ５６と、信号ＳＵを反転してスイッチ５４の制御端子に与える反転回路５８とを含む。
【００２０】
フィルタ回路４６は、コンデンサ６０と、抵抗素子６２とを含む。コンデンサ６０は、選択部４４の出力とスイッチング素子Ｍ１の制御電極との間に接続される。抵抗素子６２は、スイッチング素子Ｍ１の制御電極と接地ノードとの間に接続される。
【００２１】
このように構成された電源装置１は、圧電トランス３０の起動時には、配線のみを構成要素とする第１帰還部４１およびフィルタ回路４６経由での帰還経路を選択するが、フィルタ回路４６を経由すると波形がなまるため、スイッチング素子Ｍ１のＯＮ、ＯＦＦ切り替わりのスイッチング特性が悪くなり、電力損失が大きくなる。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、定常時になると電力効率の良い第２帰還部４２で帰還をかけることにより、スイッチング素子Ｍ１での電力損失を抑制する。第２帰還部４２では、移相回路５２に含まれているインバータにより波形の立ち上がり立ち下がりを急峻にすることで制御信号ＳＶの波形を整形し、スイッチング素子Ｍ１のスイッチング特性を改善する。また、移相回路５２の移相シフト量（時間遅延量）は、複数のインバータの直列段数を適切な数に設定することにより、第１帰還部４１を経由した場合と同等となるように調整される。
【００２３】
定常時の電力効率が向上するため、電圧源Ｇ１の電圧が低い場合でも、圧電トランスで安定して昇圧することが可能となり、電源装置１の動作範囲が拡大する。
【００２４】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１の変形例として、選択部４４およびその後段のフィルタ回路４６の構成を変更した例を示す。図２は、実施の形態２の電源装置１Ａの構成を示す回路図である。図２を参照して、電源装置１Ａは、電圧発生回路２０と、圧電トランス３０と、電圧帰還回路４０Ａと、ＡＣ−ＤＣ変換回路７０と、切替信号入力端子６４と、電圧出力端子７２とを備える。
【００２５】
電圧発生回路２０と、圧電トランス３０と、ＡＣ−ＤＣ変換回路７０と、切替信号入力端子６４と、電圧出力端子７２とは、図１で説明した構成と同様であるので、説明は繰り返さない。
【００２６】
電圧帰還回路４０Ａは、第１帰還部４１Ａと、第２帰還部４２Ａと、フィルタ回路４６Ａとを含む。フィルタ回路４６Ａは、第１帰還部４１Ａおよび第２帰還部４２Ａの出力を受け電圧制御信号ＳＶを出力する。
【００２７】
フィルタ回路４６Ａは、第１コンデンサ６０Ａ１と、第２コンデンサ６０Ａ２と、抵抗素子６２Ａとを含む。第１コンデンサ６０Ａ１は、第１帰還部４１Ａとスイッチング素子Ｍ１の制御電極との間に接続される。第２コンデンサ６０Ａ２は、第２帰還部４２Ａとスイッチング素子Ｍ１の制御電極との間に接続される。抵抗素子６２Ａは、スイッチング素子Ｍ１の制御電極と接地ノードとの間に接続される。第２帰還部４２Ａの出力は、圧電トランス３０の起動時には非活性化され、圧電トランス３０の起動後に活性化される。
【００２８】
第２帰還部４２Ａは、一方端が第２電圧Ｖ２に結合される第３コンデンサ４８と、第３コンデンサ４８の他方端の電圧をバイアスするバイアス回路５０と、第３コンデンサ４８の他方端が入力に接続された移相回路５２と、移相回路５２の出力を、圧電トランス３０の起動時には遮断し、圧電トランス３０の起動後に第２コンデンサ６０Ａ２に伝達する選択部４４Ａとを含む。
【００２９】
バイアス回路５０は、インバータ６５と抵抗素子６６とを含む。インバータ６５の入力と出力とが接続され、高抵抗の抵抗素子６６を介して移相回路５２の入力に接続される。
【００３０】
移相回路５２は、直列接続されたインバータ６７，６８を含む。選択部４４Ａは、移相回路５２の出力を受けて反転するインバータ５５と、インバータ５５の出力を受けて反転する３ステートインバータ５７とを含む。切替信号ＳＵは、インバータ６３によって反転されて３ステートインバータ５７の制御入力端子に与えられる。３ステートインバータ５７は、切替信号ＳＵがＬレベルの場合には出力が遮断状態（ＨｉＺ）となり、切替え信号ＳＵがＨレベルの場合には、インバータとして作動する。
【００３１】
なお、移相回路５２と選択部４４Ａの合計のインバータの段数は、圧電トランス３０の共振周波数にあわせて適宜調整しても良い。
【００３２】
以上説明した実施の形態２の電源装置でも、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。
【００３３】
［実施の形態３］
実施の形態１および実施の形態２では、入力端子６４から切替信号ＳＵを入力し、圧電トランス３０の起動時と起動後を識別していた。これは、例えば電源装置に起動信号が与えられた時点を起点として予め定められた時間経過後に切替信号を変化させることが考えられるが、出力電圧Ｖｏが立ち上がったことによって判別しても良い。
【００３４】
図３は、切替信号発生回路の一例を示す図である。図３を参照して切替信号発生回路６４Ａは、出力電圧Ｖｏを正極入力ノードの受け、参照電圧Ｖｒｅｆを負極入力ノードに受け、切替信号ＳＵを出力する比較回路である。このような回路を電源装置の外部または内部に設けることにより、切替信号ＳＵを簡単に発生させることができる。
【００３５】
［実施の形態４］
実施の形態４では、実施の形態２の構成に対して、第２帰還部４２Ａ（定常時の帰還経路）の移相回路５２およびバイアス回路５０の電源電圧として出力電圧Ｖｏを供給する。そして、さらに、定常時と起動時の切替信号ＳＵおよびそれが接続される選択部４４Ａを削除する。
【００３６】
図４は、実施の形態４の電源装置１Ｂの構成を示す回路図である。図４を参照して、電源装置１Ｂは、電圧発生回路２０と、圧電トランス３０と、電圧帰還回路４０Ｂと、ＡＣ−ＤＣ変換回路７０と、電圧出力端子７２とを備える。
【００３７】
電圧発生回路２０と、圧電トランス３０と、ＡＣ−ＤＣ変換回路７０と、電圧出力端子７２とは、図１で説明した構成と同様であるので、説明は繰り返さない。
【００３８】
電圧帰還回路４０Ｂは、コンデンサ４８と、バイアス回路５０Ｂと移相回路５２Ｂと、フィルタ回路４６Ａとを含む。コンデンサ４８の一方端は、第２電圧Ｖ２に結合され、コンデンサ４８の他方端は、移相回路５２Ｂの入力に接続される。また、コンデンサ４８の他方端の電圧は、バイアス回路５０Ｂによってバイアスされる。移相回路５２Ｂの出力は、第２コンデンサ６０Ａ２に接続される。
【００３９】
ＡＣ−ＤＣ変換回路７０の出力する電圧Ｖｏは、バイアス回路５０Ｂおよび移相回路５２Ｂに電源電圧として供給される。バイアス回路５０Ｂは、出力が入力に帰還されたインバータ６５Ｂと高抵抗の抵抗素子６６とを含む。インバータ６５Ｂの電源電圧として出力電圧Ｖｏが供給される。移相回路５２Ｂは直列接続されたインバータ６７Ｂ，６８Ｂを含む。インバータ６７Ｂ，６８Ｂにはともに電圧Ｖｏが電源電圧として供給される。
【００４０】
起動時の経路のフィルタ回路４６Ａのコンデンサ６０Ａ１と、定常時の経路のコンデンサ６０Ａ２が並列してスイッチング素子Ｍ１の制御電極に接続されている。
【００４１】
この構成とすれば、圧電トランス３０が起動し、出力電圧Ｖｏが上昇するとインバータ６５Ｂ，６７Ｂ，６８Ｂが作動開始し、第２帰還部からの信号が有効となる。
【００４２】
図５は、図１または図２の電源装置の起動時から定常時への遷移の様子を示した第１例の波形図である。図６は、図１または図２の電源装置の起動時から定常時への遷移の様子を示した第２例の波形図である。図５では、時刻ｔ１において、圧電トランスが起動開始し、時刻ｔ２において切替信号ＳＵが切替えられ、時刻ｔ３において圧電トランスの発振が安定する。一方、図６では、時刻ｔ１１において、圧電トランスが起動開始し、時刻ｔ１２において切替信号ＳＵが切替えられ、時刻ｔ１３において圧電トランスの発振が安定する。
【００４３】
図１または図２のように、切替信号ＳＵを外部から与える構成では、圧電トランスの起動と切替信号のタイミングがうまく合わなければ、圧電トランスの出力の発振安定までの時間が、ＴＤ１からＴＤ２まで伸びてしまう。
【００４４】
図７は、実施の形態４の電源装置の起動時から定常時への制御信号ＳＶの遷移の様子を示した波形図である。図７では、時刻ｔ２１において、圧電トランスが起動開始し、時刻ｔ２３において圧電トランスの発振が安定する。実施の形態４の電源装置では、切替信号ＳＵを外部から与える必要が無いので、ＡＣ−ＤＣ変換された出力電圧Ｖｏの立ち上がりとともに、この２つの容量比で起動時から定常時への信号ＳＶへの信号成分の割合が連続的に遷移する。したがって、実施の形態４によれば、圧電トランスの出力の発振安定時間が大きく変化することを回避できる。
【００４５】
［実施の形態５］
実施の形態５の電源装置は、実施の形態１〜４の電圧発生回路２０を電圧発生回路２０Ｃに置き換えたものである。図８は、電圧発生回路２０Ｃの構成を示す回路図である。図８を参照して、電圧発生回路２０Ｃは、電圧源Ｇ１と、コイルＬｘと、スイッチング素子Ｍ１と、コンデンサＣ１とを含む。スイッチング素子Ｍ１としては、例えばＭＯＳトランジスタを使用することができる。コイルＬｘおよびスイッチング素子Ｍ１は、電圧源Ｇ１の電圧出力ノードと接地ノードとの間に直列に接続される。そして、コイルＬｘと並列にコンデンサＣ１が接続される。コイルＬｘとスイッチング素子Ｍ１との接続ノードからは、第１電圧Ｖ１が出力される。なお、コンデンサＣ１を設け、さらにスイッチング素子Ｍ１に並列にコンデンサを設けた構成であっても良い。
【００４６】
スイッチング素子Ｍ１に並列に容量を追加することにより、圧電トランス１次側を共振させることが知られている。コイルＬｘに並列容量（Ｃ１）を設けることは、小信号回路ではスイッチング素子Ｍ１に並列な容量と等価である。
【００４７】
圧電トランスの起動時、入力電圧Ｖｉが０Ｖから微小電圧にステップ応答で上昇する際、コイルＬｘと並列にコンデンサＣ１が存在すると高周波側のインピーダンスが小さく短絡とみなすことができ、入力電圧Ｖｉが圧電トランスに伝達されやすくなる。そのため、実施の形態５では、入力電圧Ｖｉが低くても電源装置の圧電トランスが発振しやすくなる。
【００４８】
［実施の形態６］
図９は、実施の形態６に係る電源装置の構成を示すブロック図である。図９を参照して、電源装置７０１は、電圧発生回路７２０と、圧電トランス７３０と、電圧帰還回路７４０と、バイアス電圧供給部７８０と、ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０と、電圧出力端子７９２とを備える。電圧発生回路７２０と、圧電トランス７３０と、電圧帰還回路７４０によって、発振回路が構成される。
【００４９】
電圧発生回路７２０は、図８に示した電圧発生回路２０Ｃと同様な構成である。電圧帰還回路７４０は、図１に示した電圧帰還回路４０、図２に示した電圧帰還回路４０Ａ、図４に示した電圧帰還回路４０Ｂのいずれの構成であっても良い。
【００５０】
バイアス電圧供給部７８０は、スイッチング素子Ｍ１の閾値電圧に応じたバイアス電圧をスイッチング素子Ｍ１の制御電極に供給する。これにより、スイッチング素子Ｍ１の応答が速くなり、電源装置７０１の電力効率が改善される。
【００５１】
図１０は、バイアス電圧供給部７８０の構成の一例を示した回路図である。図８を参照して、バイアス電圧供給部７８０は、端子７８２と、可変抵抗素子７８３，７８４とを含む。可変抵抗素子７８３，７８４は、出力電圧Ｖｏが供給されるノードと接地ノードとの間に直列に接続され、その接続ノードからはバイアス電圧が出力される。端子７８２は、例えば、図１のフィルタ回路４６の抵抗素子６２を介してバイアス電圧をスイッチング素子Ｍ１の制御電極に与えるために設けられる。これにより、電圧制御信号ＳＶの振幅中心はバイアス電圧となる。なお、フィルタ回路４６の抵抗素子６２とは別に、他の抵抗素子を介してバイアス電圧をスイッチング素子Ｍ１の制御電極に与えるようにバイアス電圧供給部７８０を構成しても良い。
【００５２】
なお、端子７８２が設けられている場合には、可変抵抗素子７８３，７８４は、電源装置７０１の外部に配置しても良い。
【００５３】
このように、スイッチング素子Ｍ１の制御電極に外部または内部で発生したバイアス電圧を印加する。帰還部のスイッチング素子Ｍ１（ＭＯＳトランジスタ）のしきい値電圧には、プロセスばらつきがある。しきい値電圧は、ＭＯＳトランジスタのスイッチング特性を決める。電力損失の少ないＺＶＳ（ゼロボルトスイッチング）をさせるためには、しきい値電圧のプロセスばらつきをキャンセルし、ゼロにする必要がある。キャンセルする方法として、ＭＯＳトランジスタ基板電圧もしくはゲート電圧にしきい値電圧分のオフセットを印加する方法が考えられる。前者はトランジスタの基板分離により実現できるがコスト増となる。このため、本実施の形態では、図１、図２、図４では接地されていたフィルタ回路の抵抗の端部にしきい値電圧分のバイアス電圧を印加することによって、プロセスばらつきをキャンセルすることが実現できる。
【００５４】
図１０のようにすれば、圧電トランスから得られるＤＣ出力電圧Ｖｏを使用するので、外部電源電圧が不要である。なお、図１０の端子７８２に直接外部から電圧を与えても良いが、図１０において、出力電圧Ｖｏの代わりに外部から電圧を与えても良い。
【００５５】
これにより、スイッチング素子Ｍ１のしきい値電圧ばらつき制御、電力効率改善、調整ができる。
【００５６】
また、実施の形態６では、圧電トランス７３０が、２つの出力電圧Ｖ２１，Ｖ２２を出力する点が特徴の一つである。図１１は、圧電トランス７３０の主要部の構成を示す模式断面図である。
【００５７】
図１１を参照して、圧電トランス７３０は、基材によって支持された上部層７３１のうち基材に重ならない部分である振動部集合部７３９を含む。振動部集合部７３９は、厚み方向に互いに離隔して厚み方向に順に並ぶように配置された出力電極７３２と、中間電極７３４と、入力電極７３６とを含む。
【００５８】
ｎを２以上の整数としたとき、振動部集合部７３９は、１つの方向に並ぶｎ個の振動部７３９ａ〜７３９ｄを含む。ここでは、説明の便宜のため、ｎ＝４であるものとして以下の説明を続けるが、これはあくまで一例であって、ｎは４以外であってもよい。
【００５９】
上部層７３１は、第１圧電体層７３３と、第２圧電体層７３５とを含む。第１圧電体層７３３は、少なくともｎ個の振動部７３９ａ〜７３９ｄの各々において出力電極７３２および中間電極７３４によって挟み込まれる部分を含むように配置される。第２圧電体層７３５は、第１圧電体層７３３に重なるように配置されつつ少なくともｎ個の振動部７３９ａ〜７３９ｄの各々において中間電極７３４および入力電極７３６によって挟み込まれる部分を含むように配置される。
【００６０】
入力電極７３６は、ｎ個の振動部７３９ａ〜７３９ｄのうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の入力電極片７３６ａ〜７３６ｄを含む。出力電極７３２は、ｎ個の振動部７３９ａ〜７３９ｄのうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の出力電極片７３２ａ〜７３２ｄを含む。
【００６１】
第１圧電体層７３３は、ｎ個の振動部７３９ａ〜７３９ｄにわたって一定の向きに分極されている。
【００６２】
図１１に示すように、第２圧電体層７３５は、ｎ個の振動部７３９ａ〜７３９ｄのうち少なくとも一部に対応するように１個以上ｎ個以下の分極領域を有している。これらの１個以上ｎ個以下の分極領域においては、奇数番目の振動部に対応する分極領域のうち１つ以上が属する集合である第１分極領域群と、偶数番目の振動部に対応する分極領域のうち１つ以上が属する集合である第２分極領域群とで、互いに逆向きとなるようにそれぞれ分極されている。この分極の向きが図１１中に矢印で示されている。
【００６３】
入力電極片７３６ａ〜７３６ｄにおいては、中間電極７３４の電位を基準として同位相の電圧を、それぞれ印加可能なように配線されている。本実施の形態では、図１１に示すように、中間電極７３４を基準電位として、入力電極片７３６ａ〜７３６ｄの全てを交流電源の入力端子としてのパッド電極７４１に接続した。パッド電極７４５は配線によって中間電極７３４に接続されている。
【００６４】
出力電極片７３２ａ〜７３２ｄにおいては、奇数番目の振動部７３９ａ，７３９ｃに対応する出力電極片７３２ａ，７３２ｃのうち１つ以上が属する集合である第１出力電極片群と、偶数番目の振動部７３９ｂ，７３９ｄに対応する出力電極片７３２ｂ，７３２ｄのうち１つ以上が属する集合である第２出力電極片群とで、それぞれ別々の電圧Ｖ２１，Ｖ２２を取り出すことが可能なように配線されている。本実施の形態では、図１１に示すように、中間電極７３４を基準電位として、出力端子７４３において、出力電圧Ｖ２１が取り出され、出力端子７４７において出力電圧Ｖ２２が取り出される。
【００６５】
圧電トランス７３０では、第２圧電体層７３５の１個以上ｎ個以下の分極領域は図１１に単純矢印で示すように隣り合うもの同士が逆向きとなるようにそれぞれ分極されているので、たとえ電界の向きが同じであってもそれぞれ逆向きに変形を引き起こす。こうして、振動部７３９ａ〜７３９ｄは共振振動となる。
【００６６】
この共振振動によって出力側の第１圧電体層７３３で電荷が発生し、発生した電荷が出力電圧Ｖ２１，Ｖ２２として取り出される。
【００６７】
図１２は、ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０の構成を示す回路図である。図１２を参照して、ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０は、コンデンサ７７１と、ダイオード７７２，７７３とを含む。コンデンサ７７１の一方端には、出力電圧Ｖ２１が印加される。ダイオード７７２，７７３は、電圧出力端子７９２と接地ノードとの間に接地ノードから電圧出力端子７９２に向かう向きを順方向として、直列接続される。ダイオード７７２，７７３の接続ノードには、コンデンサ７７１の他方端が接続される。
【００６８】
ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０は、さらに、コンデンサ７７６と、ダイオード７７７，７７８とを含む。コンデンサ７７６の一方端には、出力電圧Ｖ２２が印加される。ダイオード７７７，７７８は、電圧出力端子７９２と接地ノードとの間に接地ノードから電圧出力端子７９２に向かう向きを順方向として、直列接続される。ダイオード７７７，７７８の接続ノードには、コンデンサ７７６の他方端が接続される。
【００６９】
ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０は、さらに、コンデンサ７７６の一方端と接地ノードとの間に直列接続されたコンデンサ７６０および抵抗素子７６２を含む。コンデンサ７６０および抵抗素子７６２は、図９の電圧帰還回路７４０の内部において、電圧Ｖ２１を伝達する経路のフィルタ回路の等価回路であるが、必ずしも設けなくても良い。
【００７０】
このように、ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０は、圧電トランス７３０の複数の出力端子からの電圧Ｖ２１，Ｖ２２を各々が２つのダイオードからなる半波倍電圧整流器で整流し、合流させる構成となっている。
【００７１】
圧電トランス７３０の出力が、例えば２端子の場合は、出力される交流電圧は１８０度位相のずれた逆相である。これに対してＡＣ−ＤＣ変換回路７７０を用いると、２出力の半波倍電圧整流器の出力が合成され、全波整流と同じ頻度での整流化作用が働くため、１端子出力の圧電トランスを使うよりもリップルの低減効果がある。
【００７２】
また、ブリッジダイオードのような全波整流器ではダイオードが直列２段になり、ダイオードでの電圧降下があるため、昇圧比が低下していたが、半波倍電圧整流器ではダイオード１段のため、昇圧比の低下が抑制できる。
【００７３】
図１３は、変形例であるＡＣ−ＤＣ変換回路７７０Ａの構成を示す回路図である。ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０Ａは、圧電トランスの出力端子が複数である点は同様であるが、半波倍電圧整流器を縦続接続する構成である点がＡＣ−ＤＣ変換回路７７０と異なる。すなわち、図１３に示すように、ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０Ａでは、ダイオード７７８Ａのカソードとダイオード７７２Ａのアノードとが接続され、その接続ノードと接地ノードとの間に電圧安定化のためのコンデンサ７７９が接続されている。他の部分については、ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０Ａは、ＡＣ−ＤＣ変換回路７７０と同様な構成を有するので説明は繰り返さない。
【００７４】
このような構成とすれば、図１２に示したＡＣ−ＤＣ変換回路７７０と比較して、例えば２端子の場合は出力電圧が２倍になり、更に昇圧比が上昇する。
【００７５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７６】
１，１Ａ，１Ｂ，７０１  電源装置、６，７３６  入力電極、２０，２０Ｃ，７２０  電圧発生回路、３０，７３０  圧電トランス、４０，４０Ａ，４０Ｂ，７４０  電圧帰還回路、４１，４２，４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ  帰還部、４４，４４Ａ  選択部、４６，４６Ａ  フィルタ回路、４８，６０，６０Ａ１，６０Ａ２，７７１，７７６，７６０，７７９，Ｃ１  コンデンサ、５０，５０Ｂ  バイアス回路、５２，５２Ｂ  移相回路、５４，５６  スイッチ、５５，５８，６３，６５，６５Ｂ，６７，６７Ｂ，６８，６８Ｂ  インバータ、５７  ３ステートインバータ、６２，６２Ａ，６６，７６２，７８１  抵抗素子、６４，７８２  端子、６４Ａ  切替信号発生回路、７０，７７０，７７０Ａ  ＡＣ−ＤＣ変換回路、７２，７９２  電圧出力端子、７３１  上部層、７３２  出力電極、７３２ａ〜７３２ｄ  出力電極片、７３３  第１圧電体層、７３４  中間電極、７３５  第２圧電体層、７３６ａ〜７３６ｄ  入力電極片、７３９  振動部集合部、７３９ａ〜７３９ｄ  振動部、７４１，７４５  パッド電極、７４３，７４７  出力端子、７７２，７７３，７７７，７７８  ダイオード、７８０  バイアス電圧供給部、７８３，７８４  可変抵抗素子、Ｇ１  電圧源、Ｌｘ  コイル、Ｍ１  スイッチング素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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