(57)【要約】 【課題】  圧電トランスを用いた圧電インバータを、入力電圧変動が伴う場合でも全入力電圧範囲で高効率を維持できる、ワイド入力電圧範囲対応の圧電インバータを提供する。【解決手段】  プッシュプル回路方式駆動による単板型圧電トランスを駆動する回路であり、入力電圧の変動を検知する検出回路１を有し入力電圧の変動に合わせて圧電トランス４に供給する入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させるよう構成する。【選択図】  図１
2009095133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電トランスを駆動する回路であって、入力電圧の変動を検知する検出回路を有し入力電圧の変動に合わせて圧電トランスに供給する入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させることを特徴とする圧電インバータ。
【請求項２】
前記圧電トランスが単板型であることを特徴とする請求項１載の圧電インバータ。
【請求項３】
前記圧電トランスを駆動する回路がプッシュプル方式であることを特徴とする請求項１、または２のいずれかに記載の圧電インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極管（ＣＣＦＬ）等を駆動させる圧電トランスを用いた圧電インバータに関するもので、特にプッシュプル回路方式駆動による単板型圧電インバータに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電インバータは、その昇圧器に内部電極と圧電体層とが幾層にも積層され、高昇圧比の圧電トランスを有する積層型圧電インバータと、１枚の圧電体と表面の電極板のみで構成される比較的低昇圧比の圧電トランスを有する単板型圧電インバータに大別される。単板型圧電インバータは昇圧比を補うために圧電トランスの前段に巻き線トランスによる補助トランスが使用される。
【０００３】
さらに回路方式として共振を起こすメカニズムの違いにより大きく２つに分けられる。直列に接続されたインダクタと圧電トランスの入力容量成分とで４つのスイッチング素子のうち2つが交互にオン／オフを繰り返することで直列共振を行うフルブリッジ回路方式と、一度インダクタンスにエネルギーをチャージし、そのチャージエネルギーを使って２つのスイッチング素子が交互にオン／オフすることでインダクタと圧電トランスの入力容量によって共振を行うプッシュプル回路方式に分けられる。
【０００４】
一般の圧電インバータは外気温の変化、及び冷陰極管（ＣＣＦＬ）が劣化した場合でも管電流を安定して供給するためにフィードバック回路によって駆動周波数を調整する。ただしバッテリとアダプタを併用するような比較的大きな入力電圧変動が伴う場合は、周波数を変化させるだけで対応すると、周波数の変動幅も大きくせざるを得ず、圧電トランスの最適効率周波数を外れる場合があり、全ての範囲において高効率を維持することは不可能である。そこでフルブリッジ型圧電インバータの場合は共振用スイッチング素子のオン／オフのデューティ比を調整することで共振回路へ供給するエネルギーを抑制し、周波数の変動を抑えている。
【０００５】
一般的にプッシュプル回路方式駆動による積層型圧電インバータの場合は、制御回路から出力される駆動回路への制御信号の周波数を調整するとともに、駆動回路の前段の駆動電圧を検出回路（チョッピング回路）で駆動電圧を検出し、それに対応して入力電圧のオン／オフのデューティ比を調整することにより同様の効果を果たしている。例えば特許文献１〜３には、これらの圧電インバータが記載されている。
【０００６】
図４は、従来のプッシュプル回路方式駆動による積層型圧電インバータを説明するブロック図である。図５は、従来のプッシュプル回路方式駆動による積層型圧電インバータを説明する各部の波形である。
【０００７】
入力電圧Ｖｉｎは、圧電インバータの稼動を開始するスタート信号がオンされると、制御ＩＣ１１（制御回路１２、発振回路１３、保護回路１４、から成る）が動作開始し、発振回路１３に設定された基準周波数が出力され、制御回路１２を通して入力電圧をオン／オフするスイッチング素子Ｑ１へ Ｑ１制御信号ａが出され所定のオン／オフのデューティ比に設定されて、駆動回路（プッシュプル回路）１５ｂの入力電圧となる。
【０００８】
また、制御回路１２は基準周波数に沿うように圧電トランス１６ｂを駆動する駆動回路（プッシュプル回路）１５ｂへの駆動回路制御信号ｂ、ｃを出力し、その駆動回路制御信号ｂ、ｃに対応して駆動回路１５ｂで、圧電トランス１６ｂの駆動に必要な波形の信号が増幅されて圧電トランス１６ｂを駆動する。圧電トランス１６ｂは、駆動されその入力電圧に対して数十倍に増幅し冷陰極管１７を駆動する正弦波を出力する。
【０００９】
さらに、圧電トランス１６ｂの二次電極側に接続されている出力電圧検出回路１８の出力信号と、冷陰極管１７に接続されている負荷電流検出回路１９で負荷電流を電流−電圧変換を行なった出力信号から、保護回路１４で基準周波数との相違を判断して最適効率周波数に沿うように発信回路１３を制御する。
【００１０】
その上、圧電トランス１６ｂの一次電極側正弦波のピークを検出回路（チョッピング回路）２０ｂにより検出して、検出回路出力信号ｅを制御回路１２に入力して、スイッチング素子Ｑ１のタイミングの制御を行い、入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させる。
【００１１】
この方式では、入力電圧の変動に対応して、スイッチング素子Ｑ１のタイミングの制御を行なって、入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させている。この例を、図５の各部の波形で説明する。Ａのように入力電圧Ｖｉｎが変動して小さくなると、検出回路２０ｂの検出回路出力信号ｅが、Ｂのように小さくなり、スイッチング素子Ｑ１へのＱ１制御信号ａが、Ｃのように入力電圧のオンのデューティ比を拡げる。
【００１２】
入力電圧Ｖｉｎが、Ｄのように戻ると、Ｑ１制御信号ａが、Ｅのように入力電圧のオンのデューティ比を戻している。また、入力電圧Ｖｉｎが変動してさらに大きくなると、入力電圧のオンのデューティ比をさらに狭めるのは、もちろんである。
【００１３】
このように、積層型圧電トランスの検出回路（チョッピング回路）２０ｂが、駆動回路出力のオン／オフのデューティ比をＬＣの共振で発生した正弦波をピーク検波し、この電圧を制御することで圧電トランス１６ｂへの駆動エネルギーを一定にして、冷陰極管への変動を抑制している。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１３６７４９号公報
【特許文献２】特開２００３−８８１２９号公報
【特許文献３】特開２００６−２８００９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の技術的課題は、圧電トランスを用いた圧電インバータを、入力電圧変動が伴う場合でも全入力電圧範囲で高効率を維持できる、ワイド入力電圧範囲対応の圧電インバータを提供することにある。
【００１６】
従来のプッシュプル回路方式駆動による単板型圧電インバータでは共振に伴う正弦波の発生が補助トランスの２次側なので、一般にプッシュプル回路方式駆動による積層型圧電インバータ（一般に  約３０Ｖ程度）に対して数倍から十数倍の大きさの正弦波電圧（一般に  約３００Ｖ程度）が圧電トランスに入力されることになってしまう。
【００１７】
この電圧を従来のような回路方式で制御しようとすると、検知の対象となる正弦波の大きさが数百ボルト以上にもなり、基板上の配線幅や他配線との間隔を十分安全な値に保とうとすると基板のパターン設計に大きな制約を受けたり、検出ラインにノイズの影響を受けたりする等で回路構成が難しく、従来の正弦波をピーク検波する方式をプッシュプル回路方式駆動の単板型圧電インバータで実施するのは困難であった。
【００１８】
図６は、従来のプッシュプル回路方式駆動による単板型圧電インバータを説明するブロック図である。図７は、従来のプッシュプル回路方式駆動による単板型圧電インバータを説明する各部の波形である。
【００１９】
入力電圧Ｖｉｎは、圧電インバータの稼動を開始するスタート信号がオンされると、制御ＩＣ１１（制御回路１２、発振回路１３、保護回路１４、から成る）が動作開始し、発振回路１３に設定された基準周波数が出力され、制御回路１２を通して入力電圧をオン／オフするスイッチング素子Ｑ１へＱ１制御信号ａが出され駆動回路１５ａの入力電圧となる。
【００２０】
また、制御回路１２からは基準周波数に沿うように圧電トランス１６ａを駆動する駆動回路（プッシュプル回路＋補助トランス）１５ａへの駆動回路制御信号ｂ、ｃが出されその信号により圧電トランス１６ａの駆動に必要な波形の信号が増幅されて、圧電トランス１６ａを駆動する。圧電トランス１６ａは、駆動され入力電圧に対して数倍に増幅し冷陰極管１７を駆動する正弦波を出力する。
【００２１】
さらに、圧電トランス１６ａの二次電極側に接続されている出力電圧検出回路１８の出力信号と、冷陰極管１７に接続されている負荷電流検出回路１９で負荷電流を電流−電圧変換を行なわれた出力信号から、保護回路１４で基準周波数との相違を判断して最適効率周波数に沿うように発信回路１３を制御する。
【００２２】
図７の各部の波形に示すように、この方式では入力電圧Ｖｉｎの変動があっても、スイッチング素子Ｑ１のタイミングの制御が行われていないため、入力電圧のオン／オフのデューティ比が変化していない。Ａのように入力電圧が変動して小さくなっても、スイッチング素子Ｑ１のＱ１制御信号ａが、Ｂのように入力電圧のオンのデューティ比が変化しないため、Ｃのように圧電トランス駆動波形の振幅が小さくなる。
【００２３】
入力電圧変動が、Ｄのように戻ると、Ｅのように圧電トランス駆動波形の振幅を戻している。入力電圧が変動してさらに大きくなると、圧電トランス駆動波形の振幅がさらに大きくなるのは、もちろんである。
【００２４】
よって、入力電圧の変動に伴い圧電トランス駆動波形の振幅が変動して、圧電トランスの駆動エネルギーが変動することになるため、出力を一定に保つために入力変動に合わせて、駆動周波数を大きく変化させる必要がある。しかしながら、上述のように圧電トランスの駆動電圧は、高圧のため従来の正弦波をピーク検出する方式は採用できない。したがって、全入力電圧範囲で高効率を維持できる、ワイド入力電圧範囲対応の圧電インバータを提供することが出来なかった。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は上述した問題点を解決すべくなされたもので、圧電トランスを用いた圧電インバータに対して圧電トランス及びその駆動方式を問わずに、入力電圧変動が伴う場合でも全入力電圧範囲で高効率を維持できる、ワイド入力電圧範囲対応の圧電インバータを提供する。
【００２６】
即ち、本発明によれば、圧電トランスを駆動する回路であって、入力電圧の変動を検知する検出回路を有し入力電圧の変動に合わせて圧電トランスに供給する入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させることを特徴とする圧電インバータが得られる。
【００２７】
また、本発明によれば、前記圧電トランスが単板型であることを特徴とする圧電インバータが得られる。
【００２８】
また、本発明によれば、前記圧電トランスを駆動する回路がプッシュプル方式であることを特徴とする圧電トランスが単板型である圧電インバータが得られる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、圧電トランスを用いた圧電インバータにおいて、圧電トランスの単板型、積層型の別及び回路方式の別を問わずに、入力電圧変動が伴う場合でも全入力電圧範囲で高効率を維持できる、ワイド入力電圧範囲対応の圧電インバータを提供することが、可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の圧電インバータについて、図１にブロック図を示す。本発明の実施の形態に係る圧電インバータのブロック図を用いて説明する。本発明の圧電インバータは、入力電圧ＶｉｎとGND間にトランジスタ、抵抗、コンデンサ等で構成された検出回路１を配置することで入力電圧変動を検知し、その検出回路出力波形を制御回路２に入力する。
【００３１】
ここで制御回路２は、その検出回路出力波形の大小によってスイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせるデューティ比を変化させることが出来る機能を持った回路である。すなわち入力電圧Ｖｉｎが小さければスイッチング素子Ｑ１のオンのデューティ比を拡げ、逆に大きければオンのデューティ比狭めることにより入力電圧Ｖｉｎが変動しても、圧電トランス４への駆動信号の振幅を一定にして、冷陰極管５への変動を抑制するように構成する。
【００３２】
このようにすることにより、圧電トランス及びその駆動方式を問わずに、入力電圧の変動を抑えることが可能である。特にプッシュプル回路方式駆動の単板型圧電インバータの検出回路の場合のように、高電圧の駆動電圧で圧電トランスを駆動していても、ワイド入力電圧範囲対応が可能となる。従来のプッシュプル駆動方式による積層型圧電インバータの検出回路（チョッピング回路）に準じた動作が可能となり、これに準じた回路で本発明の回路を構成することができる。
【実施例】
【００３３】
次に、具体的な実施例を挙げ、本発明の圧電インバータについて、さらに詳しく説明する。図２は、本発明のプッシュプル回路方式駆動による単板型圧電インバータを説明するブロック図である。図３は、本発明のプッシュプル回路方式駆動による単板型圧電インバータを説明する各部の波形である。
【００３４】
入力電圧Ｖｉｎは、圧電インバータの稼動を開始するスタート信号がオンされると、制御ＩＣ１１（制御回路１２、発振回路１３、保護回路１４、から成る）が動作開始し、発振回路１３に設定された基準周波数が出力され、制御回路１２を通して入力電圧をオン／オフするスイッチング素子Ｑ１へＱ１制御信号ａが出され駆動回路１５ａの入力電圧となる。
【００３５】
また、制御回路１２からは基準周波数に沿うように圧電トランス１６ａを駆動する駆動回路（プッシュプル回路＋補助トランス）１５ａへの駆動回路制御信号ｂ、ｃが出され、その駆動回路制御信号ｂ、ｃにより圧電トランス１６ａの駆動に必要な波形に増幅されて圧電トランス１６ａを駆動する。圧電トランス１６ａは、駆動され入力電圧に対して数倍に増幅し冷陰極管１７を駆動する正弦波を出力する。
【００３６】
さらに、圧電トランス１６ａの二次電極側に接続されている出力電圧検出回路１８の出力信号と、冷陰極管１７に接続されている負荷電流検出回路１９で負荷電流を電流−電圧変換を行なわれた出力信号から、保護回路１４で基準周波数との相違を判断して最適効率周波数に沿うように発信回路１３を制御する。
【００３７】
その上、入力電圧変動を検出回路（チョッピング回路）２０ａにより検出して、検出回路出力信号ｅを制御回路１２に入力して、入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させるスイッチング素子Ｑ１のタイミングの制御を行う。
【００３８】
前記検出回路２０ａは、第一のトランジスタのベースは抵抗を介し、入力電圧に接続されている。また、第一のトランジスタのベースとGND間を抵抗で分圧した部分とスタンバイ入力（一般に３．３Ｖ〜５Ｖ固定）間を抵抗でつないでいる。第二のトランジスタのベースは抵抗を介し、第一のトランジスタのエミッタに接続されている。第二のトランジスタのコレクタは制御回路１２に接続されている。第一のトランジスタのコレクタおよび第二のトランジスタのエミッタはそれぞれ抵抗を介し、スタート信号に接続されている。
【００３９】
図３の各部の波形より、入力電圧の変動に対応して、スイッチング素子Ｑ１のタイミングの制御を行い、入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させる。Ａのように入力電圧が変動して小さくなると、検出回路２０ａの検出回路出力信号ｅが、Ｂのように小さくなり、スイッチング素子Ｑ１のＱ１制御信号ａが、Ｃのように入力電圧のオンのデューティ比を拡げる。
【００４０】
入力電圧変動が、Ｄのように戻ると、Ｑ１制御信号ａが、Ｅのように入力電圧のオンのデューティ比を戻している。また、入力電圧が変動してさらに大きくなると、入力電圧のオンのデューティ比をさらに狭めるのは、もちろんである。
【００４１】
入力電圧の変動に対応して、入力電圧のオン／オフのデューティ比を変化させている。入力電圧が変動して小さくなるとスイッチング素子Ｑ１のタイミングの制御を行なって、入力電圧のオンのデューティ比を拡げている。また、入力電圧が変動して大きくなると、入力電圧のオンのデューティ比を狭めている。
【００４２】
よって、従来実施するのが困難であった駆動回路の前段からの高電圧正弦波のピーク検出を行うことなく、単板型圧電トランスの検出回路（チョッピング回路）２０ａが、入力電圧変動を検出することにより、制御回路１２でスイッチング素子Ｑ１の入力電圧のオン／オフのデューティ比を制御することで圧電トランス１６ａへの駆動信号の振幅を一定にして、冷陰極管１７への変動を抑制することができる。
【００４３】
本発明は、単板型圧電トランスのみならず、積層型圧電トランスにおいても、また、プッシュプル回路方式のみならず、フルブリッジ回路方式等においても、用いることが出来るのは、明白である。
【００４４】
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の圧電インバータを用いることにより、冷陰極管（ＣＣＦＬ）等を駆動させる圧電トランスを用いた圧電インバータを、入力電圧変動が伴う場合でも全入力電圧範囲で高効率を維持し、ワイド入力電圧範囲において効率の減少を抑制する圧電インバータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電インバータのブロック図。
【図２】本発明の実施の形態に係るプッシュプル回路方式駆動の単板型圧電インバータのブロック図。
【図３】本発明の実施の形態に係るプッシュプル回路方式駆動の単板型圧電インバータの各部波形を示す図。
【図４】従来のプッシュプル回路方式駆動の積層型圧電インバータのブロック図。
【図５】従来のプッシュプル回路方式駆動の積層型圧電インバータの各部波形を示す図。
【図６】従来のプッシュプル回路方式駆動の単板型圧電インバータのブロック図。
【図７】従来のプッシュプル回路方式駆動の単板型圧電インバータの各部波形を示す図。
【符号の説明】
【００４７】
１    検出回路
２    制御回路
３    駆動回路
４    圧電トランス
５    冷陰極管
１１    制御ＩＣ
１２    制御回路
１３    発信回路
１４    保護回路
１５ａ    駆動回路（プッシュプル回路＋補助トランス）
１５ｂ    駆動回路（プッシュプル回路）
１６ａ    圧電トランス（単板型）
１６ｂ    圧電トランス（積層型）
１７    冷陰極管（ＣＣＦＬ）
１８    出力電圧検出回路
１９    負荷電流検出回路
２０ａ    検出回路（チョッピング回路）
２０ｂ    検出回路（チョッピング回路）
Ｑ１    スイッチング素子
Ｖｉｎ      入力電圧
ａ    Ｑ１制御信号
ｂ    駆動回路制御信号
ｃ    駆動回路制御信号
ｄ    圧電トランス駆動信号
ｅ    検出回路出力信号
【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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