(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電効果により、１次端子から入力された電圧を２次端子から出力し、前記２次端子からの出力電圧より低い電圧を検出するためのセンサ電極を備えた圧電トランスと、
前記圧電トランスの駆動を行う駆動回路と、
前記圧電トランスに前記駆動回路から所望の周波数電圧を与えるための可変発振回路と、
前記圧電トランスの出力電圧が一方の入力端に印加され、他方の出力端が帰還抵抗に接続されてなる放電管と、
前記センサ電極からの出力電圧を検出し、第１基準電圧と比較し、その比較結果を出力する過電圧保護回路と、
前記放電管に流れる電流が一定となるように前記帰還抵抗の電圧値と第２基準電圧とを比較し、その比較結果を出力する比較手段と、
前記放電管の点灯開始直前は、前記過電圧保護回路からの比較結果に基づいて、前記圧電トランスの駆動周波数を制御し、又、前記放電管の点灯中は、前記比較手段からの比較結果に基づいて、前記圧電トランスの駆動周波数を制御する周波数制御回路とを備え、
前記センサ電極に接続される負荷は、前記圧電トランスの出力容量と前記２次側電極に接続された負荷の関係と、互いに対向した前記センサ電極の対間の容量と前記センサ電極に接続される負荷の関係とが等しくなるように構成されたことを特徴とする圧電トランスの駆動回路。
【請求項２】
圧電効果により、１次側電極から入力された電圧を昇圧して２次側電極から出力すると共に、センサ電極から出力電圧に比例した検出電圧を出力する圧電トランスと、
周波数が可変である交流電圧を生成し、前記交流電圧を所定レベルに増幅して、前記圧電トランスに供給する圧電トランス駆動部と、
前記圧電トランスの前記２次側電極からの出力電圧により駆動される冷陰極管と、
前記冷陰極管に流れる電流を電圧として検出する抵抗器と、
前記抵抗器により検出された電圧に基づき、前記冷陰極管に流れる電流が所定値になるように、前記圧電トランス駆動部から出力される前記交流電圧の周波数を制御する発振制御回路と、
前記冷陰極管の点灯開始前において、前記センサ電極からの検出電圧に基づき、前記発振制御回路を介して、前記圧電トランス駆動部から出力される前記交流電圧の周波数を制御させると共に、前記センサ電極からの検出電圧が所定値を超えた場合、前記圧電トランス駆動部から出力される前記交流電圧の周波数制御を停止させる過電圧保護回路とを備え、
前記センサ電極に続される負荷は、前記圧電トランスの出力容量と前記２次側電極に接続された負荷の関係と、互いに対向した前記センサ電極の対間の容量と前記センサ電極に接続される負荷の関係とが等しくなるように構成されたことを特徴とする、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項３】
前記圧電トランスは、圧電体の厚み方向に分極構造を形成するように、互いに対向して配設された前記１次側電極および前記センサ電極、および前記圧電体の長手方向に分極構造を形成するように配設された前記２次側電極を有し、前記１次側電極に印加された入力電圧を昇圧して前記２次側電極から出力電圧を得ると共に、前記センサ電極から出力電圧に比例した検出電圧を得ることを特徴とする、請求項２記載の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項４】
前記圧電トランスは、圧電体の長手方向における第１の部分領域において、厚み方向の一方の表面に第１の電極が、前記厚み方向に前記第１の電極から順に前記圧電体内部に第２の電極、第３の電極が、また前記圧電体の前記一方の表面と対向する他方の表面に第４の電極が、それぞれ対向し所定の間隔をあけて、且つ前記圧電体の長手方向の一方の端面に近接して配設され、前記圧電体に厚み方向の分極構造を形成すると共に、前記一方の端面に対向する他方の端面に第５の電極が配設され、前記圧電体の長手方向における第２の部分領域において、前記圧電体に長手方向の分極構造を形成し、前記第１および第２の電極を前記１次側電極、前記第３および第４の電極を前記センサ電極、また前記第５の電極を前記２次側電極として、前記１次側電極に印加された入力電圧を昇圧して前記２次側電極から出力電圧を得ると共に、前記センサ電極から出力電圧に比例した検出電圧を得ることを特徴とする、請求項３記載の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項５】
前記圧電トランス駆動部は、
前記直流電源が供給される１次巻線と、前記圧電トランスの１次側電極に接続された２次巻線とを有し、前記交流電圧を昇圧して前記圧電トランスに供給する電磁トランスと、
前記電磁トランスの１次巻線に供給される前記直流電源をスイッチングして、前記圧電トランスに供給する前記交流電圧の周波数を制御するスイッチング回路と、を備えた請求項２から４のいずれか一項記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項６】
前記電磁トランスは、第１および第２の電磁トランスにより構成され、前記スイッチング回路は、前記第１および第２の電磁トランスのそれぞれの１次巻線に接続された第１および第２のスイッチングトランジスタを備え、前記第１および第２の電磁トランスにより前記圧電トランスを直列又は並列駆動する請求項５記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項７】
前記第１および第２の電磁トランスの一方から前記圧電トランスに供給される交流電圧を基準電圧とし、前記センサ電極からの検出電圧と前記基準電圧との差分値に基づいて、前記圧電トランスを駆動する請求項６記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項８】
前記圧電トランスは、半波長が前記圧電トランスの前記長手方向の長さに等しい交流電圧により長手方向縦振動１次モードで駆動される請求項３から７のいずれか一項に記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項９】
前記圧電トランスは、１波長が前記圧電トランスの前記長手方向の長さに等しい交流電圧により長手方向縦振動２次モードで駆動されることを特徴とする請求項３から５の何れか一項に記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項１０】
前記発振制御回路は、前記冷陰極管の点灯開始前は前記センサ電極からの検出電圧に基づいて、前記冷陰極管の点灯開始後は前記抵抗器による検出電圧に基づいて、前記可変発振回路から出力される前記交流電圧の周波数を制御するように切替えるスイッチング素子を備えた請求項２から４のいずれか一項記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項１１】
前記圧電トランスの前記センサ電極には、抵抗器からなる分圧回路が接続され、前記分圧回路の出力電圧を前記センサ電極からの検出電圧として用いる請求項２から６、および８から１０のいずれか一項記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【請求項１２】
前記センサ電極に接続される前記負荷は、前記センサ電極対間の容量をＣｓ、前記圧電トランスの共振周波数をｆｄとすると、１／（２×π×ｆｄ×Ｃｓ）で計算されるインピーダンスの少なくとも２倍の抵抗値を有するように構成される請求項２から１１のいずれか一項記載の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種高電圧発生装置に用いられる、圧電トランスの駆動回路、及び圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３６に、従来の圧電トランスの代表的な構造であるローゼン型圧電トランスの構造を示す。この圧電トランスは、電磁トランスに比べて小型化が図れ、不燃性であり、電磁誘導によるノイズを出さないなどの長所を有している。
【０００３】
１００１で示す部分が圧電トランスの低インピーダンス部であり、昇圧用として用いる場合の入力部となる。低インピーダンス部１００１は、厚み方向Ａに分極が施されており、厚み方向の主面に１次側電極１００３Ｕ、１００３Ｄが配置されている。一方、１００２で示す部分は高インピーダンス部であり、昇圧用として用いる場合の出力部となる。高インピーダンス部１００２は長手方向Ｂに分極されており、長手方向の端面に２次側電極１００４が配置されている。
【０００４】
図３７に、後ほど詳細に説明するが、上記圧電トランスの特性図を示す。圧電トランスは、負荷が無限大（図３７に曲線Ｐ１で示す）のときは、駆動周波数が圧電トランスの共振周波数に等しい場合に非常に高い昇圧比を得ることができ、また負荷が小さくなると（図３７に曲線Ｐ２で示す）昇圧比も減少するという特性から、近年、冷陰極管用の電源として用いられている。圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置では、効率よく高電圧を発生することができるが、簡単に高電圧を発生することができるがために、その制御を誤ると圧電トランスから過電圧が発生したり、圧電トランスの破壊などの現象を生ずることがある。このような破壊などの現象を防ぐため、冷陰極管駆動装置に過電圧保護回路を設けることが提案されている。
【０００５】
図３８は、従来の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置の構成を示すブロック図である。図３８において、１１９３は、圧電トランス１２００を駆動する交流駆動信号を発生する可変発振回路である。可変発振回路１１９３の出力は通常はパルス波形であり、波形整形回路１１９１により高周波成分を取り除かれて正弦波に近い交流信号に変換される。波形整形回路１１９１の出力は、駆動回路１１９２により、圧電トランス１２００を駆動するのに十分なレベルに電圧増幅され、圧電トランス１２００の１次側電極（図３６に１００３Ｕで示す）に入力される。圧電トランス１２００の圧電効果により昇圧された出力電圧は２次側電極（図３６に１００４で示す）から取り出される。
【０００６】
２次側電極から出力された高電圧は、冷陰極管１１９７と帰還抵抗１１９８からなる直列回路と、過電圧保護回路部１１９０とに印加される。過電圧保護部１１９０では、分圧抵抗１１９９ａと１１９９ｂからなる分圧回路が、圧電トランス１２００の２次側電極から出力された高電圧を分圧し、比較回路１１９５が、分圧回路で分圧した電圧と設定値Ｖｒｅｆ１とを比較し誤差電圧を出力する。比較回路１１９５からの誤差電圧は発振制御回路１１９４に印加され、発振制御回路１１９４は、圧電トランス１２００の２次側電極から出力される高電圧がＶｒｅｆ１×（分圧抵抗１１９９ａの抵抗値＋分圧抵抗１１９９ｂの抵抗値）／分圧抵抗１１９９ａの抵抗値に等しくなるように可変発振回路１１９３を制御する。なお、発振制御回路１１９４は、冷陰極蛍光管１１９７が点灯している時は、過電圧保護回路１１９０からの出力を受け付けない。
【０００７】
また、冷陰極管１１９７と帰還抵抗１１９８とからなる直列回路に流れる電流によって帰還抵抗１１９８の両端に発生する電圧（電流検出値）が比較回路１１９６に印加され、比較回路１１９６により、電流検出値と設定値Ｖｒｅｆ２とが比較されて誤差電圧が出力される。比較回路１１９６からの誤差電圧は発振制御回路１１９４に印加され、冷陰極管１１９７にほぼ一定の電流が流れるように、発振制御回路１１９４を介して可変発振回路１１９３が制御される。
【０００８】
このように、発振制御回路１１９４は、冷陰極管１１９７の点灯開始前は、比較回路１１９５からの出力に基づいて動作し、点灯中は、比較回路１１９６からの出力に基づいて動作する。
【０００９】
このようにして、冷陰極管１１９７は安定に点灯する。かかる駆動装置で駆動することで、圧電トランスの負荷変動や、周囲温度などによって共振周波数が変化しても、自動的に駆動周波数を共振周波数に追従させることができる。
【００１０】
次に、この駆動装置の動作について図３７を用いて説明する。図３７は圧電トランスの動作特性を示したものである。図３７から明らかなように、圧電トランスの動作特性としては共振周波数で昇圧比が最大となる。通常は、圧電トランスの共振周波数よりも高い周波数を使用して駆動制御を行う。
【００１１】
圧電トランスを駆動する場合、起動時には、その駆動周波数を共振周波数よりも高い周波数（ｆａ）に設定しておき、分圧抵抗１１９９aと１１９９ｂにより分圧された電圧が設定電圧Ｖｒｅｆ１よりも小さいときは、発振制御回路１１９４、可変発振回路１１９３により駆動周波数を下げ、共振周波数に近づける。駆動周波数が共振周波数に近づけば、圧電トランスの昇圧比が増大し、その出力電圧が大きくなる。出力電圧が冷陰極管１１９７の点灯開始電圧（Ｖｂ）に達すると、冷陰極管１１９７が点灯し、これにより無限大であった圧電トランスの負荷が、数百ｋΩ程度の負荷となる。そのため、圧電トランスの動作特性は曲線Ｐ１からＰ２に移る。
【００１２】
ここで、発振制御回路１１９４の動作は、比較回路１１９５から比較回路１１９６の出力に応じた動作となる。また、同じ周波数ｆｂで、圧電トランスの出力はＶｂからＶａに変化する。このとき、帰還抵抗１１９８による電流検出値が設定値Ｖｒｅｆ２よりも小さければ、その設定値になるまで駆動周波数を下げ、圧電トランスの昇圧比を上げて、冷陰極管１１９７に流れる電流を増大させる。一方、帰還抵抗１１９８による電流検出値が設定値Ｖｒｅｆ２よりも大きければ、駆動周波数を上げて圧電トランスの昇圧比を下げ、冷陰極管１１９７に流れる電流を減少させて、帰還抵抗１１９８による電流検出値が設定値Ｖｒｅｆ２に等しくなるよう圧電トランスの制御を行う。
【００１３】
また、冷陰極管１１９７が点灯開始電圧（Ｖｂ）に達しても点灯を行わない場合、すなわち、圧電トランス１２００からの出力電圧を分圧抵抗１１９９ａ、１１９９ｂにより分圧した電圧値が設定値Ｖｒｅｆ１に達しても、帰還抵抗１１９８による電流検出値がゼロのままである場合、過電圧保護回路１１９０により、発振制御回路１１９４を介して可変発振回路１１９３における周波数の挿引を停止する。このようにすることで、圧電トランス１２００の破壊を防ぐと共に、圧電トランス１２００から過電圧が発生するのを防いでいる。
【００１４】
従来は、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置を上記のように構成することで、冷陰極管に流れる電流の制御と圧電トランスの過電圧保護を行っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の圧電トランスでは、冷陰極管１１９７の起動（非点灯）時と定常動作（点灯）時では昇圧比が大きく変化する。冷陰極管１１９７の起動時には、昇圧比が定常動作時に比べて非常に大きいため、高電圧を容易に出力することができる。その高電圧を用いるべく、冷陰極管１１９７と帰還抵抗１１９８とからなる直列回路と並列に過電圧保護回路１１９０を構成し、圧電トランス１２００の２次側電極に接続した分圧抵抗１１９９ａ、１１９９ｂから、出力電圧に比例した電圧をフィードバックすることにより過電圧保護を行うという構成をとっていた。
【００１６】
しかしながら、このような従来の過電圧保護回路では、高電圧を分圧し、その分圧した電圧をフィードバックするため、分圧回路を構成する分圧抵抗１１９９ａ、１１９９ｂの抵抗値を小さくすると、圧電トランス１２００の負荷が小さくなり、冷陰極管１１９７の点灯に必要な昇圧比を得ることができなくなる、また、分圧抵抗１１９９ａ、１１９９ｂにより不要な電流を消費してしまう等の問題から、分圧抵抗１１９９ａ、１１９９ｂの抵抗値を十分大きな値にする必要があった。その結果、抵抗値のバラツキ、基板との寄生容量等に起因して、分圧抵抗により正確な検出電圧を得ることができなくなり、過電圧保護回路が誤動作する恐れがあった。
【００１７】
また、冷陰極管１１９７の点灯に必要な電圧が高くなると、フィードバック用の分圧抵抗１１９９ａ、１１９９ｂにかかる電圧も非常に大きくなる。そのため、安全規格上、回路基板において十分な沿面距離を取らざるをえなくなり、それにより回路が大型化してしまうなどの問題点があった。
【００１８】
また、特開平９−９６４０号公報には、図３５に示すように、負荷ＲＬに流れる電流ＩＬを電流検出手段１６８により検出し、この検出結果を輝度設定電圧Ｖ１と比較し、比較結果である誤差電圧を積分器１１６２によりフィルタリングすると共に位相補償を行い、Ｖ−Ｆコンバータ１１６３により電圧／周波数変換を行い、駆動手段１１６７により圧電トランス１１６１を駆動して、負荷ＲＬの電流制御を行う駆動装置が開示されている。この駆動装置において、過電圧保護回路の誤動作を防ぐため、圧電トランス１１６１の出力に、負荷ＲＬと並列にサージクランパ１１６９を接続するという構成をとっている。しかしながら、この場合においても、２次側の高電圧部からの出力をフィードバックするため、回路基板上で高圧ラインを引き回す必要がでてくる。その結果、浮遊容量による誤動作の可能性や沿面距離を十分に取れない等の問題点もでてくる。
【００１９】
さらに、特開平１１−６８１８５号公報では、圧電トランスの１次側積層部の一部を帰還電極として用いることが提案されている。しかしながら、この帰還電極は駆動回路の簡略化のために使用されるため、圧電トランスの過電圧保護に関する問題の対策には不十分であった。
【００２０】
本発明の目的は、上記従来の圧電トランスのこのような課題を考慮して、従来に比べて低い電圧で過電圧保護を行うことが出来る、圧電トランスの駆動回路、及び、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、圧電効果により、１次端子から入力された電圧を２次端子から出力し、前記２次端子からの出力電圧より低い電圧を検出するためのセンサ電極を備えた圧電トランスと、
前記圧電トランスの駆動を行う駆動回路と，
前記圧電トランスに前記駆動回路から所望の周波数電圧を与えるための可変発振回路と、
前記圧電トランスの出力電圧が一方の入力端に印加され、他方の出力端が帰還抵抗に接続されてなる放電管と、
前記センサ電極からの出力電圧を検出し、第１基準電圧と比較し、その比較結果を出力する過電圧保護回路と、
前記放電管に流れる電流が一定となるように前記帰還抵抗の電圧値と第２基準電圧とを比較し、その比較結果を出力する比較手段と、
前記放電管の点灯開始直前は、前記過電圧保護回路からの比較結果に基づいて、前記圧電トランスの駆動周波数を制御し、又、前記放電管の点灯中は、前記比較手段からの比較結果に基づいて、前記圧電トランスの駆動周波数を制御する周波数制御回路とを備え、
前記センサ電極に接続される負荷は、前記圧電トランスの出力容量と前記２次側電極に接続された負荷の関係と、互いに対向した前記センサ電極の対間の容量と前記センサ電極に接続される負荷の関係とが等しくなるように構成されたことを特徴とする圧電トランスの駆動回路である。
第２の本発明は、圧電効果により、１次側電極から入力された電圧を昇圧して２次側電極から出力すると共に、センサ電極から出力電圧に比例した検出電圧を出力する圧電トランスと、
周波数が可変である交流電圧を生成し、前記交流電圧を所定レベルに増幅して、前記圧電トランスに供給する圧電トランス駆動部と、
前記圧電トランスの前記２次側電極からの出力電圧により駆動される冷陰極管と、
前記冷陰極管に流れる電流を電圧として検出する抵抗器と、
前記抵抗器により検出された電圧に基づき、前記冷陰極管に流れる電流が所定値になるように、前記圧電トランス駆動部から出力される前記交流電圧の周波数を制御する発振制御回路と、
前記冷陰極管の点灯開始前において、前記センサ電極からの検出電圧に基づき、前記発振制御回路を介して、前記圧電トランス駆動部から出力される前記交流電圧の周波数を制御させると共に、前記センサ電極からの検出電圧が所定値を超えた場合、前記圧電トランス駆動部から出力される前記交流電圧の周波数制御を停止させる過電圧保護回路とを備え、
前記センサ電極に続される負荷は、前記圧電トランスの出力容量と前記２次側電極に接続された負荷の関係と、互いに対向した前記センサ電極の対間の容量と前記センサ電極に接続される負荷の関係とが等しくなるように構成された上記第１の本発明の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第３の本発明は、前記圧電トランスは、圧電体の厚み方向に分極構造を形成するように、互いに対向して配設された前記１次側電極および前記センサ電極、および前記圧電体の長手方向に分極構造を形成するように配設された前記２次側電極を有し、前記１次側電極に印加された入力電圧を昇圧して前記２次側電極から出力電圧を得ると共に、前記センサ電極から出力電圧に比例した検出電圧を得ることを特徴とする、上記第２の本発明の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第４の本発明は、前記圧電トランスは、圧電体の長手方向における第１の部分領域において、厚み方向の一方の表面に第１の電極が、前記厚み方向に前記第１の電極から順に前記圧電体内部に第２の電極、第３の電極が、また前記圧電体の前記一方の表面と対向する他方の表面に第４の電極が、それぞれ対向し所定の間隔をあけて、且つ前記圧電体の長手方向の一方の端面に近接して配設され、前記圧電体に厚み方向の分極構造を形成すると共に、前記一方の端面に対向する他方の端面に第５の電極が配設され、前記圧電体の長手方向における第２の部分領域において、前記圧電体に長手方向の分極構造を形成し、前記第１および第２の電極を前記１次側電極、前記第３および第４の電極を前記センサ電極、また前記第５の電極を前記２次側電極として、前記１次側電極に印加された入力電圧を昇圧して前記２次側電極から出力電圧を得ると共に、前記センサ電極から出力電圧に比例した検出電圧を得ることを特徴とする、上記第３の本発明の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第５の本発明は、前記圧電トランス駆動部は、
前記直流電源が供給される１次巻線と、前記圧電トランスの１次側電極に接続された２次巻線とを有し、前記交流電圧を昇圧して前記圧電トランスに供給する電磁トランスと、
前記電磁トランスの１次巻線に供給される前記直流電源をスイツチングして、前記圧電トランスに供給する前記交流電圧の周波数を制御するスイッチング回路と、を備えた上記第２〜４の何れか一の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第６の本発明は、前記電磁トランスは、第１および第２の電磁トランスにより構成され、前記スイッチング回路は、前記第１および第２の電磁トランスのそれぞれの１次巻線に接続された第１および第２のスイッチングトランジスタを備え、前記第１および第２の電磁トランスにより前記圧電トランスを直列又は並列駆動する上記第５の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第７の本発明は、前記第１および第２の電磁トランスの一方から前記圧電トランスに供給される交流電圧を基準電圧とし、前記センサ電極からの検出電圧と前記基準電圧との差分値に基づいて、前記圧電トランスを駆動する上記第６の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第８の本発明は、前記圧電トランスは、半波長が前記圧電トランスの前記長手方向の長さに等しい交流電圧により長手方向縦振動１次モードで駆動される上記第３〜７の何れか一の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第９の本発明は、前記圧電トランスは、１波長が前記圧電トランスの前記長手方向の長さに等しい交流電圧により長手方向縦振動２次モードで駆動されることを特徴とする上記第３〜５の何れか一の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第１０の本発明は、前記発振制御回路は、前記冷陰極管の点灯開始前は前記センサ電極からの検出電圧に基づいて、前記冷陰極管の点灯開始後は前記抵抗器による検出電圧に基づいて、前記可変発振回路から出力される前記交流電圧の周波数を制御するように切替えるスイッチング素子を備えた上記第２〜４の何れか一の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第１１の本発明は、前記圧電トランスの前記センサ電極には、抵抗器からなる分圧回路が接続され、前記分圧回路の出力電圧を前記センサ電極からの検出電圧として用いる上記第２〜６、および上記第８〜１０の何れか一の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
第１２の本発明は、前記センサ電極に接続される前記負荷は、前記センサ電極対間の容量をＣｓ、前記圧電トランスの共振周波数をｆｄとすると、１／（２×π×ｆｄ×Ｃｓ）で計算されるインピーダンスの少なくとも２倍の抵抗値を有するように構成される上記第２〜１１の何れか一の本発明の、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置である。
尚、上記の本発明に関連する発明である圧電トランスの駆動方法の発明は、圧電効果により、１次端子から入力された電圧を２次端子から出力する圧電トランスの駆動方法であって、
前記２次端子の出力電圧よりも低い電圧を出力する、前記圧電トランスに設けられた第３の電極からの前記電圧を検出し、
前記検出した結果を、前記圧電トランスの前記２次端子の出力電圧に対する過電圧保護に利用する圧電トランスの駆動方法である。
この様に、例えば、開放保護を比較的低い出力電圧で行う、圧電トランスの一部に、第３の電極の一例としてセンサ電極を設けた圧電トランスであり、そのセンサ電極からの出力によりフィードバックを行うものである。
【００３７】
上記構成によれば、冷陰極管駆動装置に用いる圧電トランスを過電圧保護する際に、高圧ラインの保護回路への引き回しを無くすと共に、圧電トランスの不要振動による誤動作を防止することができ、小型、高効率、高信頼性の駆動装置を実現することが可能になる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る圧電トランスの第１の実施の形態の構造を示す斜視図である。
【００４０】
本実施の形態に用いる圧電トランスはＰＺＴ等の圧電性を示す圧電材料からなり、１次電極に印加された電圧は昇圧比倍され２次側電極から取り出される。１は低インピーダンス部であり、１０１Ｕ、１０１Ｄは１次側電極である。２は高インピーダンス部であり、２次側電極１０２の一方は、高インピーダンス部の端面に設けられ、他方は、１次側電極１０１Ｄを共用する構成である。２次側電極１０２と、他方の２次側電極（１次側電極１０１Ｄ）との間にセンサ電極１０３が形成されている。この圧電トランスは図１に示す様に、低インピーダンス部の上下主面に設けた１次側電極１０１Ｕ、１０１Ｄ、さらに、圧電トランスの端面に設けた電極１０２、センサ電極１０３から電気接続をとる。
【００４１】
なお、高インピーダンス部に形成されたセンサ電極１０３は圧電トランスの周りに帯状に形成されているが、厚み方向に相対する主面（１次側電極１０１Ｕ、１０１Ｄが形成されている面と同じ面）あるいは幅方向に相対する主面にのみ形成しても同様の効果を得ることが出来る。又、図１では、２次側電極の他方は、１次側電極１０１Ｄと共用する構成となっているが、これに限らず、例えば、厚み方向に相対する主面の何れか一方の面上であって、且つ、１次側電極とセンサ電極１０３の間の位置に独立して形成しても良い。
【００４２】
尚、本発明の第３の電極は、センサ電極に対応する。
以上のように構成された圧電トランスについて、以下その動作を説明する。
【００４３】
本圧電トランスの共振周波数近傍の集中定数近似等価回路は図２のようになる。図２において、Cd１、Cd２はそれぞれ入力側、出力側の束縛容量Ｃｄ３はセンサ部の束縛容量、Ａ１（入力側）、Ａ２（出力側）は力係数、Ａ３はセンサ部の力係数、mは等価質量、Cは等価コンプライアンス、Rmは等価機械抵抗である。本実施例の圧電トランスでは、力係数Ａ１はＡ２（Ａ３）よりも大きく、図２中の２つの等価理想変成器で昇圧される。さらに圧電トランスでは等価質量と等価コンプライアンスからなる直列共振回路を含むため、特に負荷抵抗の値が大きい場合に出力電圧は変成器の変成比以上に大きな値となる。また、センサ電極からの出力は、等価回路においてＡ２の力係数で表される理想変成器の中間タップからの出力で表される。
【００４４】
次に、図１に示す圧電トランスを用いた駆動回路を図３を用いて説明する。図３は本発明による圧電インバータの基本構成を示すブロック図である。同図において、４３は圧電トランス４０を駆動する交流駆動信号を発生する可変発振回路である。可変発振回路４３の出力は通常はパルス波形であり、波形整形回路４１により高周波成分を取り除かれて正弦波に近い交流信号に変換される。波形整形回路４１の出力はドライブ回路４２により圧電トランス４０を駆動するのに十分なレベルに電圧増幅され、圧電トランス４０の１次側電極１０１Ｕに入力される。圧電トランス４０の圧電効果により昇圧された出力電圧は２次側電極１０２から取り出される。
【００４５】
２次側電極１０２から出力された高圧電圧は冷陰極蛍光管４７と帰還抵抗４８との直列回路に印加される。また、センサ電極１０３からの出力は、過電圧保護回路部５０に印加される。過電圧保護回路部５０は分圧抵抗４９aの両端に発生する電圧と第１基準電圧Ｖｒｅｆ１（設定電圧）とを比較するための比較回路４５を有している。即ち、過電圧保護回路部５０は、冷陰極蛍光管４７の点灯開始前において、圧電トランスの２次側電極から出力される高圧電圧が設定電圧よりも高くなるのを防ぐために、その比較結果を発振制御回路４４に出力する構成である。発振制御回路４４は冷陰極管点灯開始前は、比較回路４５からの出力に基づいて、過電流保護の動作を行う。
【００４６】
また、冷陰極蛍光管４７の点灯中は、冷陰極管４７と帰還抵抗４８の直列回路に流れる電流によって帰還抵抗４８の両端に発生する電圧が比較回路４６に印加され、比較回路４６の出力は発振制御回路４４に印加され、冷陰極蛍光管４７にほぼ一定の電流が流れるように発振制御回路４４、可変発振回路４３を制御する。
【００４７】
即ち、発振制御回路４４は冷陰極管点灯開始前は、比較回路４５からの出力に基づいて動作し、点灯中は、比較回路４６からの出力に基づいて動作する。
【００４８】
以上のように構成された圧電インバータについて、その動作を図４をもちいて説明を行う。図４（ａ）、（ｂ）は圧電トランスの動作特性を示しており、横軸は周波数、縦軸は昇圧比を示している。図４(a)は本実施例の圧電トランスの冷陰極管点灯状態での動作特性を表す。また、図４(b)は本実施例の圧電トランスの冷陰極管点灯前での動作特性を示す。Ｔ１は圧電トランスの出力特性、Ｓ１はセンサ電極の出力特性を表す。センサ電極の出力は２次側出力のおよそ０.６倍程度であり、共振周波数、曲線の傾き等は圧電トランスの出力特性とほぼ一致している。
【００４９】
図３に示された駆動ブロックにおいて、点灯開始前の初期状態では冷陰極管に印加される電圧は、図４(b)の曲線Ｔ１の電圧に対応した高い電圧である。さらに、順次駆動周波数を下げて出力電圧を増大させていき、冷陰極管の点灯電圧で冷陰極管が点灯する。このとき、センサ電極からの出力はＳ１の曲線での電圧に対応した電圧となる。冷陰極管が点灯すると、圧電トランスの動作特性曲線は図４(a)の曲線に移り、所定の管電流となるように制御が行われる。
【００５０】
このとき、冷陰極管が点灯開始電圧になっても点灯を行わなかった場合、圧電トランスの負荷は見かけ上無限大となり、駆動周波数が下がることで、図４(b)の曲線Ｔ１の周波数に対応した電圧が出力となって現れてくる。そこで、点灯開始時は曲線Ｓ１に対応したセンサ電極からの出力電圧を検出し、設定電圧とを比較回路４５で比較を行う。センサ電極からの出力電圧が設定値になるまでは駆動周波数下げ、出力電圧を増大させる。しかし、出力電圧が設定値になると電圧比較回路４５の出力により、周波数制御回路４４で周波数の挿引をやめ、駆動周波数をその電圧値でのものに固定する。
【００５１】
また、過電圧保護回路部５０は冷陰極管点灯時には停止し、管電流制御回路により動作が行われる。尚、管電流制御回路は、図３中の、比較回路４６及び帰還抵抗４８に対応する。
【００５２】
なお、本実施の形態では、２次側電極は矩型板の端面に形成されているが、端面近傍に形成してもよい。
【００５３】
また、本実施の形態では、圧電トランスはＰＺＴなどの圧電セラミックを用いて形成したが、圧電性を示す材料であれば、LiNbO3などのような単結晶材料を用いても同様の特性を得ることができる。
【００５４】
また、センサ電極についても、圧電トランスの中央部付近に形成したが、λ/2振動モード（矩形板の長手方向縦振動１次モードとも呼ぶ）を用いる場合、圧電トランスの長さをＬとしたとき、圧電トランスの中心部からＬ/8以内の範囲に形成することで（図１７参照）、電極取り出しの際、圧電トランスの振動を阻害せず、かつセンサ電極の出力電圧値を小さくできるという効果も得られる。さらに、λ振動モード（矩形板の長手方向縦振２次モードとも呼ぶ）を用いる場合には、圧電トランスの長さをＬとしたとき、発電部の中心からＬ/8以内の範囲に形成することで（図１８参照）、電極取り出しの際、圧電トランスの振動を阻害しない。また、駆動部と発電部の境界と発電部の中心との間にセンサ電極を形成することでセンサ電極の出力電圧値を小さくできる。
【００５５】
また、本発明では他の圧電トランスの構造においても２次電極の間にセンサ電極を形成することにより、センサ出力を得ることもできる。この場合も同様の効果を得ることができる。
【００５６】
また、実施例の圧電トランスの場合、センサ出力を必要としないときは、センサ電極からの出力を圧電トランスの出力電圧制御にもちいたり、電圧の異なった出力を必要な場合の出力として取り出すこともできる。
【００５７】
本実施の形態によれば、従来に比べて低い電圧で過電圧保護を行うことが出来る。
【００５８】
（実施の形態２）
図５は、本発明に係る圧電トランスの第２の実施の形態の構造を示す斜視図である。
【００５９】
本実施の形態に用いる圧電トランスはＰＺＴ等の圧電性を示す圧電材料からなり、１次電極に印加された電圧は昇圧比倍され２次側電極から取り出される。１は低インピーダンス部であり、１０１Ｕ、１０１Ｄは１次側電極である。２は高インピーダンス部であり、１０２は２次側電極である。また、３はセンサ部であり、５０３Ｕ、５０３Ｄはセンサ電極である。この圧電トランスは図５に示す様に、低インピーダンス部の上下主面に設けた１次側電極１０１Ｕ、１０１Ｄ、さらに、圧電トランスの端面に設けた電極１０２、センサ電極５０３Ｕ、５０３Ｄから電気接続をとる。
【００６０】
本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、センサ電極を圧電トランスの駆動部を長手方向の端面から後退させた領域に形成し、振動エネルギーの取り出しをk31の振動を用いて行う点である。このようにk31の振動を用いることで、振動エネルギーを機械エネルギーに変換する割合を小さくし、センサ電極からの出力による圧電トランスの効率の低下を防ぐことができる。また、低インピーダンス部と分極方向が同じか、または逆向きであるので、分極が容易に行えるという利点もある。
【００６１】
本圧電トランスの共振周波数近傍の集中定数近似等価回路は図６のようになる。図６において、Cd１、Cd２はそれぞれ入力側、出力側の束縛容量、Cd３はセンサ部の束縛容量であり、Ａ１（入力側）、Ａ２（出力側）、Ａ３（センサ部）は力係数、mは等価質量、Cは等価コンプライアンス、Rmは等価機械抵抗である。本実施例の圧電トランスでは力係数Ａ１はＡ２、Ａ３よりも大きく、図６中の３つの等価理想変成器で昇圧される。さらに圧電トランスでは等価質量と等価コンプライアンスからなる直列共振回路を含むため、特に負荷抵抗の値が大きい場合に出力電圧、センサ電圧は変成器の変成比以上に大きな値となる（以下の実施の形態も同様である）。
【００６２】
ここで、実施の形態１の等価回路と異なる点はセンサ部の出力が単独の理想変成器で表されている点である。その結果、出力との相関が小さく、任意の出力が得やすい。
【００６３】
また、センサ電極は圧電トランスの長手方向の主面の端面付近に形成したが、λ振動モードを用いる場合、センサ電極を１次電極と２次電極の間に形成する方が望ましい。この場合、λ振動モードの励振が端面付近に形成するよりも行いやすいという効果も得られる。
【００６４】
なお、本実施の形態では圧電トランスの材料としてＰＺＴなどの圧電セラミックを使用したが、圧電性を示す材料であれば、LiNbO3などのような単結晶でも同様の効果を得ることができる。
【００６５】
さらに、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、λ振動モードを用いる場合には、圧電トランスの駆動部の中心付近の領域に形成する。このようにセンサ電極を形成することにより、図８に示すように、振動の節から電極取り出しを行えるため、電極取り出しの際、圧電トランスの振動を阻害しない。さらに、図９に示すように、λ/2振動モードを用いる場合、圧電トランスの長手方向の中心の付近の領域に形成する。このようにセンサ電極を形成することにより、図１０に示すように、振動の節から電極取り出しを行えるため、電極取り出しの際、圧電トランスの振動を阻害しない。
【００６６】
さらに、センサ部を積層構造としても同様の効果を得ることができる。また、センサ電極のどちらか一方の電極を１次側電極の一方と共通とすることもできる。
【００６７】
また、本発明では他の圧電トランスの構造においてもk31の振動によりセンサ出力が得られるようにセンサ部を形成することもできる。この場合も同様の効果を得ることができる。
【００６８】
また、実施例の圧電トランスの場合、センサ出力を必要としないときは、センサ電極からの出力を圧電トランスの出力電圧制御にもちいたり、電圧の異なった出力を必要な場合の出力として取り出すこともできる。
【００６９】
（実施の形態３）
図１１（ａ）は、本発明に係る圧電トランスの第３の実施の形態の構造を示す斜視図であり、図１１(b)は同圧電トランスを上面側から見た平面図である。
【００７０】
本実施の形態に用いる圧電トランスはＰＺＴ等の圧電性を示す圧電材料からなり、１次電極に印加された電圧は昇圧比倍され２次側電極から取り出される。低インピーダンス部は、１０１Ｕ、１０１Ｄは１次側電極で構成されている。また、高インピーダンス部は、２次側電極１０２と一方の１次側電極で構成され、２次側電極１０２は高インピーダンス部の端面に設けられている。また、１１３Ｕ、１１３Ｄはセンサ電極である。この圧電トランスは図１１に示す様に、低インピーダンス部の上下主面に設けた１次側電極１０１Ｕ、１０１Ｄ、さらに、圧電トランスの端面に設けた電極１０２、センサ電極１０３Ｕ、１０３Ｄから電気接続をとる。
【００７１】
本実施の形態において、実施の形態２と異なる点は、センサ電極を圧電トランスの幅方向の主面に形成し、振動の取り出しをk31''の振動を用いて行う点である。本実施の形態のように駆動部の振動とセンサ部での振動、さらに発電部の振動をそれぞれ変えてやることにより、入力に対するセンサ部での昇圧比、出力部での昇圧比をそれぞれ任意に変えてやることができるなどの利点を有する。
【００７２】
なお、本実施の形態では圧電トランスの材料としてＰＺＴなどの圧電セラミックを使用したが、圧電性を示す材料であれば、LiNbO3などのような単結晶でも同様の効果を得ることができる。
【００７３】
また、センサ電極は幅方向の主面にのみ形成したが、図１２に示すように、厚み方向の一方の主面に、センサ電極１１４Ｕをくし状に形成し、電極１０１Ｕと電極を共通にすることでも同様の効果を得ることが出来る。また、上記構成では、センサ電極の一方を一次電極１０１Ｕと共通の構成としたが、これに限らず例えば、図１３に示す様に、別のくし状の電極１１４Ｄを形成することでも同様の効果を得られる。
【００７４】
また、センサ電極は圧電トランスの長手方向の端面付近に形成したが、λ振動モードを用いる場合、センサ電極を１次電極と２次電極の間に形成する方が望ましい。この場合、端面付近にセンサ電極を形成したときよりもλ振動モードの励振がされやすいという効果も得られる。
【００７５】
また、本発明では他の圧電トランスの構造においてもk31''の振動によりセンサ出力が得られるようにセンサ部を形成することもできる。この場合も同様の効果を得ることができる。
【００７６】
また、実施例の圧電トランスの場合、センサ出力を必要としないときは、センサ電極からの出力を圧電トランスの出力電圧制御にもちいたり、電圧の異なった出力を必要な場合の出力として取り出すこともできる。
【００７７】
（実施の形態４）
図１４（ａ）は、本発明に係る圧電トランスの第４の実施の形態の構成を示す斜視図であり、図１４(b)は同圧電トランスの厚み方向の断面図である。
【００７８】
本実施の形態に用いる圧電トランスはＰＺＴ等の圧電性を示す圧電材料からなり、１次電極に印加された電圧は昇圧比倍され２次側電極から取り出される。低インピーダンス部は、１次側電極１２１Ｕ、１２１Ｄで構成され、圧電体と内部電極を交互に積層されている。また、高インピーダンス部は、２次側電極１２２と一方の１次側電極１２１Ｄで構成され、２次側電極１２２は高インピーダンス部の端面に設けられている。また、低インピーダンス部の厚み方向の一部に設けた１２３Ｄはセンサ電極の内の一方の電極である。尚、センサ電極の他方の電極は、１次側電極１２１Ｕと共用している。
この圧電トランスは、低インピーダンス部の積層された１次側電極１２１Ｕ、１２１Ｄ、さらに、圧電トランスの端面に設けた２次電極１２２、センサ電極１２３Ｄから電気接続をとる。
【００７９】
本実施の形態において、実施の形態２と異なる点は、１次電極が積層されていること、センサ電極が、圧電体１０９の厚み方向に垂直な主面の一部に、１次電極と平行に形成されており、長手方向の振動に対して、振動に影響を与えない様に形成されている点である。
【００８０】
１次電極からの電気エネルギーが機械振動に変換されて振動を行うが、センサ電極を形成した部分は圧電性を示すが、１次電極から見ると等価回路で示されるように負荷となる。そのため、圧電トランスの駆動部をできるだけ大きくする方が、効率の低下を防ぐことができる。その結果、出力電圧の過電圧保護だけでなく、変換効率をセンサ電極により低下することを防ぐことができる。
【００８１】
なお、本実施の形態では圧電トランスの材料としてＰＺＴなどの圧電セラミックを使用したが、圧電性を示す材料であれば、LiNbO3などのような単結晶でも同様の特性を得ることができる。
【００８２】
また、図１４では、センサ電極１２３Ｄを長手方向の主面に１次電極と同じサイズで形成を行ったが、図１５に示すように厚み方向の主面の一部にセンサ電極２２１Ｕを形成し、他の部分を１次電極２３１Ｕとして用いても同様の効果を得ることが出来る。この構成において、低インピーダンス部は、一次側電極２３１Ｕと２３２Ｄで構成され、圧電体と内部電極が交互に積層されている。この場合、さらに１次電極での希望モードの励振に対して振動を阻害しにくい等の利点もあり、効果は大きい。
【００８３】
また、本実施例では積層された低インピーダンス部の１層の厚みとセンサ電極部の１層の厚みを同じにしたが、低インピーダンス部の圧電層１層の厚みとセンサ部の圧電層１層の厚みをかえてもよい。さらに、センサ部を積層とすることもできる。
【００８４】
なお、本実施の形態ではセンサ電極の一方の電極を１次電極と共通にしたが、図１６に示すように絶縁層を介して、センサ部を構成し、独立にセンサ電極を形成しても同様の効果を得ることができる。
【００８５】
また、実施例の圧電トランスの場合、センサ出力を必要としないときは、センサ電極からの出力を圧電トランスの出力電圧制御にもちいたり、電圧の異なった出力を必要な場合の出力として取り出すこともできる。
【００８６】
また、本発明では他の圧電トランスの構造においても積層された１次電極の厚み方向の一部にセンサ部を形成することもできる。この場合も同様の効果を得ることができる。
【００８７】
以上詳述した如く、本発明の圧電トランスでは、センサ電極を設けたことで出力端開放時における過電圧保護を比較的低い電圧で行うことが可能となる。さらに、本発明の駆動方法によれば、信頼性が高く、しかも小型の圧電インバータとなり、実用的上その効果は非常に大きい。
【００８８】
以上述べたところから明らかなように本発明は、従来に比べて低い電圧で過電圧保護を行うことが出来るという長所を有する。
【００８９】
上記実施の形態では、圧電トランスの１次および２次側電極とは別個に設けたセンサ電極を用いて、圧電トランスの過電圧制御を行うことで、低電圧で圧電トランスの出力電圧を制御する場合について説明した。しかし、このように、センサ電極を用いた場合、圧電トランスの振動をセンサ電極により検出し過電圧制御を行うため、不要振動をできるだけ励振しないで駆動を行う必要があり、誤った駆動を行うと誤動作の原因となる恐れがある。
【００９０】
したがって、本発明の目的は、圧電トランスを過電圧保護する際に、高圧ラインの保護回路への引き回しを無くすと共に、圧電トランスの不要振動による誤動作を防止し、小型で、効率が高く、信頼性の高い、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置を提供することにある。
【００９１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００９２】
（第Ｂ１の実施形態）
図１９は、本発明の第Ｂ１の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置の構成を示すブロック図である。ここで、図１９に示す冷陰極管駆動装置について説明する前に、それに用いる圧電トランスの構造および等価回路について、図２０および図２１を参照して説明する。
【００９３】
図２０（ａ）および図２０（ｂ）はそれぞれ、本実施形態に用いる圧電トランスの構造を示す斜視図および正面図である。
【００９４】
本実施形態に用いる圧電トランスは、ＰＺＴ等の圧電性を示す圧電材料からなり、１次側電極に印加された電圧は昇圧比倍されて２次側電極から取り出される。図２０において、１０２４はセンサ部である。１０２５は、圧電トランスの厚み方向Ａに分極構造を有する低インピーダンス部であり、１０２１Ｕ、１０２１Ｄは互いに対向した１次側電極の対である。１０２６は、圧電トランスの長手方向Ｂに分極構造を有する高インピーダンス部であり、１０２２は２次側電極であり、高インピーダンス部１０２６の端面に設けられる。また、１０２３Ｕ、１０２３Ｄは、低インピーダンス部１０２５の厚み方向の一部に設けられ、１次側電極１０２１Ｕ、１０２１Ｄに対向すると共に、互いに対向したセンサ電極の対である。センサ電極１０２３Ｕと１次側電極１０２１Ｕはそれぞれ、センサ電極１０２３Ｄと１次側電極１０２１Ｄに対する電圧基準電極として共通接続されている。
【００９５】
尚、図２０に示す圧電トランスの場合、２次側電極のもう一方は、１次側電極１０２１Ｕ又は、センサ電極１０２３Ｕと共用する構成となっている。
【００９６】
この圧電トランスは、図２０に示すように、低インピーダンス部１０２５の厚み方向に設けた１次側電極１０２１Ｕ、１０２１Ｄに入力電圧が印加され、高インピーダンス部１０２６の長手方向端面に設けた２次側電極１０２２から昇圧された出力電圧が取り出されると共に、低インピーダンス部１０２５の厚み方向に設けたセンサ電極１０２３Ｕ、２３Dから出力電圧に比例した電圧が取り出される。
【００９７】
次に、以上のように構成された圧電トランスの等価回路について説明する。
【００９８】
図２１は、本実施形態で用いる圧電トランスの共振周波数近傍の集中定数近似等価回路である。図２１において、Ｃｄ１、Ｃｄ２はそれぞれ入力側、出力側の束縛容量、Ｃｓはセンサ部の束縛容量、Ａ１（入力側）、Ａ２ （出力側）は力係数、Ａｓはセンサ部の力係数、ｍは等価質量、Ｃは等価コンプライアンス、Ｒｍは等価機械抵抗である。
【００９９】
本実施形態の圧電トランスでは、力係数Ａ１はＡ２（およびＡｓ）よりも大きく、この２つの力係数Ａ１とＡ２を有する等価理想変成器で昇圧を行う。また、圧電トランスでは、等価質量ｍと等価コンプライアンスＣからなる直列共振回路を含むため、特に負荷抵抗の値が大きい場合に、出力電圧は変成器の変成比以上に大きな値となる。
【０１００】
次に、図２０に示す圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置について、図１９を用いて説明する。図１９において、１０１１は圧電トランス１０２０を駆動する圧電トランス駆動部であり、圧電トランス駆動部１０１１は、周波数が可変である交流信号を発生する可変発振回路１１１３と、可変発振回路１１１３の出力であるパルス状の交流信号から、高周波成分を取り除いて正弦波に近い交流信号に変換する波形整形回路１１１１と、波形整形回路１１１１の出力を、圧電トランス１０２０を駆動するのに十分なレベルにまで電圧増幅し、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｄに印加する駆動回路１１１２とからなる。圧電トランス１０２０の圧電効果により昇圧された出力電圧は、２次側電極１０２２から取り出される。ここで、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｕとセンサ電極１０２３Ｕは接地電位に接続されている。
【０１０１】
２次側電極１０２２から出力された高電圧は、冷陰極管１０１７と帰還抵抗１０１８とからなる直列回路に印加される。また、センサ電極１０２３Ｄからの出力は、過電圧保護回路１０１０に印加される。過電圧保護回路１０１０では、分圧抵抗１０１９ａと１０１９ｂからなる分圧回路が、圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２から出力された高電圧を分圧し、比較回路１０１５が、分圧回路で分圧した電圧と設定値Ｖｒｅｆ１とを比較し誤差電圧を出力する。比較回路１０１５からの誤差電圧は発振制御回路１０１４に印加され、発振制御回路１０１４は、圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２から出力される高電圧がＶｒｅｆ１×（分圧抵抗１０１９ａの抵抗値＋分圧抵抗１０１９ｂの抵抗値）／分圧抵抗１０１９ａの抵抗値に等しくなるように可変発振回路１１１３を制御する。なお、発振制御回路１０１４は、冷陰極管１０１７が点灯している時は、過電圧保護回路１０１０からの出力を受け付けない。
【０１０２】
また、冷陰極管１０１７と帰還抵抗１０１８とからなる直列回路に流れる電流によって帰還抵抗１０１８の両端に発生する電圧（電流検出値）が比較回路１０１６に印加され、比較回路１０１６により、電流検出値と設定値Ｖｒｅｆ２とが比較され誤差電圧が出力される。比較回路１０１６からの誤差電圧は発振制御回路１０１４に印加され、冷陰極管１０１７にほぼ一定の電流が流れるように、発振制御回路１０１４を介して可変発振回路１１１３が制御される。
【０１０３】
このように、発振制御回路１０１４は、図示しないがスイッチング素子等からなる切替手段を備え、これにより、冷陰極管１０１７の点灯開始前は、比較回路１０１５からの出力に基づいて制御動作を行い、点灯開始後は、比較回路１０１５からの出力による制御動作から、比較回路１０１６からの出力に基づく制御動作に切替える。
【０１０４】
次に、以上のように構成された蛍光管駆動装置の動作について、図２２を参照して説明する。図２２は、圧電トランス１０２０の動作特性を示しており、横軸は周波数、縦軸は昇圧比を示している。図２２（ａ）は、圧電トランス１０２０の冷陰極管点灯状態での動作特性を示し、図２２（ｂ）は、圧電トランス１０２０の冷陰極管点灯前での動作特性を示す。図２２において、Ｔ１は、圧電トランスの１次側電極１０２１Ｄと２次電極１０２２間での昇圧比を表し、Ｓ１は、１次側電極１０２１Ｄとセンサ電極１０２３Ｄ間での昇圧比を表す曲線である。センサ電極１０２３Ｄの出力は、１次側電極１０２１Ｄの入力電圧のおよそ０．４倍程度であり、曲線Ｓ１における共振周波数、曲線の傾き等は、曲線Ｔ１のそれらとほぼ一致している。
【０１０５】
冷陰極管１０１７の点灯開始前である起動時に冷陰極管１０１７に印加される電圧は、図２２（ｂ）の曲線Ｔ１が示す昇圧比に対応した高い電圧となる。まず、昇圧比のピークとなる周波数より高い周波数ｆｓに起動時の駆動周波数を設定する。入力電圧と昇圧比に対応した出力電圧Ｖｓｔが、圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２から出力される。出力電圧が所望の電圧Ｖｏｔ（冷陰極管１０１７の点灯電圧）となるまで、順次駆動周波数を下げて出力電圧を増大させていく。圧電トランス１０２０の出力電圧が、冷陰極蛍光管１０１７の点灯電圧Ｖｏｔ（駆動周波数がｆｏ）に達したとき、冷陰極管１０１７が点灯を開始する。このとき、センサ電極１０２３Ｄからの出力は、曲線Ｓ１が示す昇圧比に対応した電圧Ｖｏｓとなる。
【０１０６】
冷陰極管１０１７が点灯すると、圧電トランス１０２０の動作特性は、図２２（ｂ）から図２２（ａ）に示す昇圧比曲線に移り、その後、冷陰極管１０１７に所定の電流が流れるように駆動制御が行われる。また、冷陰極管１０１７の点灯により、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｄと２次側電極１０２２間での昇圧比Ｔ１が低下するとともに、１次側電極１０２１Ｄとセンサ電極１０２３Ｄ間での昇圧比Ｓ１も同様に低下し、昇圧比Ｔ１とＳ１の比は、冷陰極管１０１７の点灯前と後でほぼ一定に保たれている。
【０１０７】
冷陰極管１０１７が点灯する前は、圧電トランス１０２０の出力負荷は無限大に近い状態にあるため、圧電トランス１０２０は高い出力電圧を発生しやすく、高い昇圧比が得られる。しかしながら、冷陰極管１０１７が点灯すると、圧電トランス１０２０の出力負荷は、無限大から数百ｋΩ程度と小さくなるため、圧電トランス１０２０の振動幅は点灯開始前と比べて小さくなる。それにともない、Ｔ１およびＳ１が小さくなる。つまり、２次側電極１０２２からの高電圧出力に比例したセンサ電極１０２３Ｄからの低電圧を検出することで、圧電トランス１０２０の出力における過電圧保護を行うことができる。
【０１０８】
このとき、冷陰極管１０１７が点灯開始電圧Ｖｏｔになっても点灯を行わなかった場合、圧電トランス１０２０の負荷は見かけ上無限大となり、駆動周波数が下がることで、図２２（ｂ）の曲線Ｔ１の周波数に対応した高電圧が出力となって現れてくる。そこで、曲線Ｓ１に対応したセンサ電極１０２３Ｄからの出力電圧を分圧抵抗１０１９ａ、１０１９ｂにより検出し、その電圧値と、２次側電極１０２２での点灯開始電圧Ｖｏｔに相当する設定値Ｖｒｅｆ１とを比較回路１０１５で比較する。センサ電極１０２３Ｄからの出力電圧を分圧した電圧値が設定値Ｖｒｅｆ１に達するまでは駆動周波数を下げ、出力電圧を増大させる。しかし、センサ電極１０２３Ｄからの出力電圧の分圧値が設定値Ｖｒｅｆ１に達すると、比較回路１０１５が、周波数制御回路１４を介して、可変発振回路１３での周波数の挿引を停止し、駆動周波数を固定する。
【０１０９】
また、過電圧保護回路１０１０は、冷陰極管１０１７の点灯時にはその動作を停止し、帰還抵抗１０１８と比較回路１０１６とからなる電流制御回路のみが動作する。
【０１１０】
このように、本実施形態によれば、センサ電極１０２３Ｄにより、圧電トランス１０２０の１次側電極に印加される入力電圧の約０．４倍と小さく、２次側電極から得られる出力電圧に比例する電圧を検出して、過電圧保護回路に供給することで、従来のように高電圧をフィードバックする必要がなくなるので、高圧ラインの引き回しや回路基板上での沿面距離を考慮する必要がなくなり、浮遊容量による過電圧保護回路の誤動作を防止すると共に、駆動装置を小型化することができる。
【０１１１】
また、冷陰極管の点灯開始前に、圧電トランスの昇圧比を大きくするために、抵抗値の大きな分圧抵抗を圧電トランスの２次側電極に接続する必要もなくなり、抵抗値のバラツキ、基板との寄生容量等の影響による誤動作を防止することができる。
【０１１２】
なお、本実施形態では、圧電トランスはＰＺＴなどの圧電セラミックを用いて形成したが、圧電性を示す材料であれば、ＬｉＮｂO3などのような単結晶材料を用いても同様の特性を得ることができる。
【０１１３】
また、出力電圧に比例した低電圧を出力する電極が、センサ電極として、１次および２次側電極とは別個に構成されている圧電トランスであれば、他の構造のものでも同様の効果を得ることができる（図１、５、７（ａ）、７（ｂ）、９、及び図１１（ａ）〜１４（ｂ）参照）。
【０１１４】
（第Ｂ２の実施形態）
図２３は、本発明の第Ｂ２の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に用いる圧電トランスは、第Ｂ１の実施形態と同様に、１次側電極および２次側電極とは別個にセンサ電極を有するものであり、その構造（図２０）、共振周波数近傍の集中定数近似等価回路（図２１）、および動作特性（図２２）についても、第Ｂ１の実施形態と同様であるので説明を省略する。なお、本実施形態と第Ｂ１の実施形態とは、圧電トランス１０２０の駆動方法、および過電圧保護回路の構成が異なっている。
【０１１５】
図２３において、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｕとセンサ電極１０２３Ｕに、駆動回路１１１２から第１の交流電圧Ｖ１が印加されると共に、１次側電極１０２１Ｄには、駆動回路１１１２から第２の交流電圧Ｖ２が印加される。交流信号Ｖ１とＶ２がそれぞれ１次側電極１０２１Ｕと１０２１Ｄに印加されると、第Ｂ１の実施形態と同様にして、２次側電極から高電圧が出力される。
【０１１６】
２次側電極１０２２から出力された高電圧は、冷陰極管１０１７と帰還抵抗１０１８とからなる直列回路に印加される。また、センサ電極１０２３Ｄからの出力Ｖｓと、センサ電極１０２３Ｄと対向して対をなすセンサ電極１０２３Ｕに印加される電圧、すなわち圧電トランス１０２０への入力電圧Ｖ１とが、過電圧保護回路１０５０の差分回路１０５６に印加される。ここで、入力電圧Ｖ１をセンサ電極からの出力Ｖｓに対する基準電圧としている。過電圧保護回路１０５０においては、差分回路１０５６により、センサ電極１０２３Ｕに印加される電圧Ｖ１とセンサ電極１０２３Ｄからの出力電圧Ｖｓの差分値が出力され、比較回路１０５５により、その差分値と設定値Ｖｒｅｆ１とが比較され誤差電圧が出力される。比較回路１０５５からの出力は発振制御回路１０１４に印加され、圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２から出力される高電圧が設定電圧よりも高くなるのを防止するように、発振制御回路１０１４を介して、可変発振回路１１１３が制御される。
【０１１７】
また、冷陰極管１０１７と帰還抵抗１０１８とからなる直列回路に流れる電流によって帰還抵抗１０１８の両端に発生する電圧（電流検出値）が比較回路１０１６に印加され、比較回路１０１６により、電流検出値と設定値Ｖｒｅｆ２とが比較され誤差電圧が出力される。比較回路１０１６からの出力は発振制御回路１０１４に印加され、冷陰極管１０１７にほぼ一定の電流が流れるように、発振制御回路１０１４を介して可変発振回路１１１３が制御される。
【０１１８】
このように、発振制御回路１０１４は、図示しないがスイッチング素子等からなる切替手段を備え、これにより、冷陰極管１０１７の点灯開始前は、比較回路１０５５からの出力に基づいて制御動作を行い、点灯開始後は、比較回路１０５５からの出力による制御動作から、比較回路１０１６からの出力に基づく制御動作に切替える。
【０１１９】
前述したように、本実施形態と第Ｂ１の実施形態とは、過電圧保護回路の構成が異なり、本実施形態の場合、差分回路１０５６により、センサ電極１０２３Ｄからの出力と、センサ電極１０２３Ｕに印加される電圧、すなわち圧電トランス１０２０への入力電圧との差分値を検出し、それにより過電圧保護を行う。なお、センサ電極１０２３Ｄと１０２３Ｕの間に発生する電圧レベルが小さい場合は、必要に応じて増幅回路により検出電圧を増幅することもできる。
【０１２０】
なお、本実施形態では、圧電トランスはＰＺＴなどの圧電セラミックを用いて形成したが、圧電性を示す材料であれば、ＬｉＮｂO3などのような単結晶材料を用いても同様の特性を得ることができる。
【０１２１】
また、出力電圧に比例した低電圧を出力する電極が、センサ電極として、１次および２次側電極とは別個に構成されている圧電トランスであれば、他の構造のものでも同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
（第Ｂ３の実施形態）
図２４は、本発明の第Ｂ３の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置の一部、すなわち圧電トランス駆動部１０１１周辺の構成を示すブロック図である。本実施形態に用いる圧電トランスは、第Ｂ１の実施形態と同様に、１次側電極および２次側電極とは別個にセンサ電極を有するものであり、その構造（図２０）、共振周波数近傍の集中定数近似等価回路（図２１）、および動作特性（図２２）についても、第Ｂ１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１２３】
図２４において、入力端子１０６５には、直流電源（図示省略）が接続されるとともに、コンデンサ１０６１が接続されている。そして、電圧増幅を行うための電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂの１次巻線１０６２ａ−１、１０６２ｂ−１と、それぞれ、スイッチング回路を構成するスイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂとが接続されてなる２つの直列回路が、コンデンサ１０６１に対して並列に接続されている。
【０１２４】
圧電トランス１０２０において、一方の１次側電極１０２１Ｕと一方のセンサ電極２３Uとが接地され、他方の１次側電極１０２１Ｄが、電磁トランス１０６２ｂの２次巻線１０６２ｂ−２の一方の端子と接続されている。電磁トランス１０６２ｂの２次巻線１０６２ｂ−２の他方の端子は、もう一つの電磁トランス１０６２ａの２次巻線１０６２ａ−２の一方の端子と接続され、その他方の端子は接地されている。
【０１２５】
上記のような圧電トランス駆動部１０１１の構成により、電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂの１次巻線１０６２ａ−１、１０６２ｂ−１に供給される直流電源が、発振制御回路１０１４からの制御信号に基づき、スイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂにより所定の周波数でスイッチングされ、それぞれ、電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂの直列接続された２次巻線１０６２ａ−２と１０６２ｂ−２に昇圧された交流電圧が発生し、これにより圧電トランス１０２０が直列駆動される。
【０１２６】
圧電トランスの２次側電極１０２２は、負荷１０６０（例えば、冷陰極管）と帰還抵抗１０６４とからなる直列回路に接続され、この直列回路に流れる電流により帰還抵抗１０６４に発生する電圧は、電流検出値として、図１９または図２３に示すような発振制御回路１０１４に送られる。
【０１２７】
また、センサ電極１０２３Ｄは、分圧抵抗１０１９ａと１０１９ｂとからなる分圧回路に接続され、分圧抵抗１０１９ａにかかる電圧は、図１９または図２３に示す過電圧保護回路に送られる。
【０１２８】
ここで、スイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂのオン／オフの周波数は、発振制御回路１０１４からの制御信号により、半波長が圧電トランス１０２０の全長と等しくなるような長手方向縦振動１次モードの近傍の周波数に設定される。
【０１２９】
図２５に、圧電体１０２９に相当する振動子１０７１を長手方向縦振動１次モードで動作させた場合の変位分布と応力分布を示す。ここで、電磁トランス１０６２ａの２次巻線１０６２ａ−２のインダクタと、電磁トランス１０６２ｂの２次巻線１０６２ｂ−２のインダクタと、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｕと１０２１Ｄの対間の静電容量とで構成される直列回路の共振周波数を、圧電トランス１０２０の共振周波数近傍に設定することにより、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｄに入力される電圧波形を正弦波に近づけることができる。また、スイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂに対して所定のスイッチング制御を行い、圧電トランス１０２０に正弦波を入力することで、圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２からは、昇圧比倍された所望の正弦波電圧が出力されることになる。
【０１３０】
ローゼン型圧電トランスをその全長が半波長に相当する正弦波で駆動した場合、その周波数成分の中に、基本波成分の他に２次、３次等の高調波成分を含むことになる。特に、２次の高調波成分により長手方向縦振動２次モードが励振されて出力電圧の波形が歪み、圧電トランス素子や負荷の信頼性が低下することになる。このように、多数の高調波成分を含む多モードの励振は、センサ電極１０２３Ｄにより過電圧保護を行う際に、誤動作の原因となる。
【０１３１】
しかしながら、本実施形態によれば、２つの電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂと２つのスイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂを用いて圧電トランス１０２０を駆動することで、圧電トランス１０２０への入力電圧に含まれるスイッチング周波数の偶数次の高調波成分を小さくすることができ、圧電トランス１０２０の不要振動を防止することが可能になる。これにより、センサ電極１０２３Ｄが不要な振動を検出することがなく、所望の周波数成分以外の信号成分による駆動装置の誤動作を防止することができる。
【０１３２】
なお、出力電圧に比例した低電圧を出力する電極が、センサ電極として、１次および２次側電極とは別個に構成されている圧電トランスであれば、他の構造のものでも同様の効果を得ることができる。
【０１３３】
（第Ｂ４の実施形態）
図２６は、本発明の第Ｂ４の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置の一部、すなわち圧電トランス駆動部１０１１周辺の構成を示すブロック図である。本実施形態に用いる圧電トランスは、第Ｂ１の実施形態と同様に、１次側電極および２次側電極とは別個にセンサ電極を有するものであり、その構造（図２０）、共振周波数近傍の集中定数近似等価回路（図２１）、および動作特性（図２２）についても、第Ｂ１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１３４】
なお、本実施形態と第Ｂ３の実施形態とは、１つの電磁トランスと１つのスイッチングトランジスタにより、１波長が圧電トランスの全長に等しい半波正弦波電圧を圧電トランスに印加して、振動モードを長手方向縦振動２次モードとして圧電トランスの駆動を行う点で異なる。この相違点について、以下で説明する。
【０１３５】
図２６において、入力端子１０６５には、直流電源（図示しない）が接続されるとともに、コンデンサ１０６１が接続されている。そして、電圧増幅を行うための電磁トランス１０８２の１次巻線１０８２−１と、スイッチング回路を構成するスイッチングトランジスタ１０８３とが接続されてなる１つの直列回路が、コンデンサ１０６１に対して並列に接続されている。
【０１３６】
このような圧電トランス駆動部１０１１の構成により、電磁トランス１０８２の１次巻線１０８２−１に供給される直流電源が、発振制御回路１０１４からの制御信号に基づき、スイッチングトランジスタ１０８３により所定の周波数でスイッチングされ、それぞれ、電磁トランス１０８２の２次巻線１０８２−２に昇圧された交流電圧が発生し、これにより圧電トランス１０２０が駆動される。
【０１３７】
ここで、スイッチングトランジスタ１０８３のオン／オフの周波数は、発振制御回路１０１４からの制御信号により、１波長が圧電トランス１０２０の全長と等しくなるような長手方向縦振動２次モードの近傍の周波数に設定される。
【０１３８】
図２７に、圧電体１０２９に相当する振動子１０９１を長手方向縦振動２次モードで動作させたときの変位分布と応力分布を示す。ここで、スイッチングトランジスタ１０８３に対して所定のスイッチング制御を行い、圧電トランス１０２０に半波正弦波を入力することで、圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２からは、昇圧比倍された所望の正弦波電圧が出力されることになる。
【０１３９】
ローゼン型圧電トランスを半波正弦波で駆動した場合、その周波数成分の中に、基本波成分の他に２次、３次等の高調波成分を含むことになる。しかしながら、ローゼン型圧電トランスでは、２次の高調波成分に対応する長手方向縦振動４次モードを励振しないため、不要振動を励振しにくく、出力電圧波形は正弦波となる。
【０１４０】
また、上記のように、圧電トランス駆動部１０１１を１組の電磁トランス１０８２とスイッチングトランジスタ１０８３により構成し、圧電トランスを長手方向縦振動２次モードで駆動した場合、不要な共振を行わないため、センサ電極１０２３Ｄにより所望の振動を検出することができる。
【０１４１】
さらに、第Ｂ３の実施形態に比べて、スイッチング素子、誘導性素子等の部品点数を削減することができ、大変有効である。
【０１４２】
なお、本実施形態では、誘導性素子として電磁トランスを用いたが、電磁トランスの代わりにインダクタを用い、センサ電極と対向する電極を接地電極とし、同様の構成を用いれば、さらに小型で、しかも同様の効果を得ることができるため、その効果は大きい。
【０１４３】
また、出力電圧に比例した低電圧を出力する電極が、センサ電極として、１次および２次側電極とは別個に構成されている圧電トランスであれば、他の構造のものでも同様の効果を得ることができる。
【０１４４】
（第Ｂ５の実施形態）
本実施形態においては、圧電トランスの２次側電極における出力容量（Ｃｄ２：図２１の束縛容量に対応）から計算されるインピーダンス（１／（ω・Ｃｄ２））と負荷（冷陰極管）のインピーダンスとの大小関係と、センサ電極間容量（Ｃｓ：図２１の束縛容量に対応）から計算されるインピーダンス（１／（ω・Ｃｓ））とセンサ電極に接続される負荷のインピーダンスとの大小関係に着目して、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置について、図２８から図３２を参照して説明する。
【０１４５】
なお、本実施形態に用いる圧電トランスは、第Ｂ１の実施形態と同様に、１次側電極および２次側電極とは別個にセンサ電極を有するものである。
【０１４６】
本実施形態における圧電トランスでは、力係数Ａ１はＡ２（Ａ３）よりも大きく、図２１中の２つの等価理想変成器で昇圧される。さらに圧電トランスでは等価質量と等価コンプライアンスからなる直列共振回路を含むため、特に、負荷抵抗の値が大きい場合に出力電圧は変成器の変成比以上に大きな値となる。
【０１４７】
圧電トランス１０２０のセンサ電極１０２３Ｄと２次側電極１０２２から出力される電圧は、センサ電極１０２３Ｄに接続される負荷と、２次側電極１０２２に接続される負荷により決定される。また、圧電トランスの２次側電極１０２２からの出力をセンサ電極１０２３Ｄによりモニタするためには、センサ電極１０２３Ｄの昇圧比変動と、２次側電極１０２２の昇圧比変動が一致している必要がある。
【０１４８】
図２８から図３１に、周波数に対する圧電トランスの１次側電極と２次側電極間、および１次側電極とセンサ電極間の昇圧比を示す。
【０１４９】
まず、圧電トランスの２次側電極における出力容量から計算されるインピーダンス（１／（ω・Ｃｄ２））と負荷（冷陰極管）のインピーダンスとの大小関係と、センサ電極間容量（Ｃｓ：図２１の束縛容量に対応）から計算されるインピーダンス（１／（ω・Ｃｓ））とセンサ電極に接続される負荷のインピーダンスとの大小関係とが異なっている場合を想定する。図２８および図２９はそれぞれ、その場合における冷陰極管の点灯開始前および点灯開始後の昇圧比の周波数特性を示している。
【０１５０】
図２８の場合、圧電トランスの出力容量Ｃｄ２から計算されるインピーダンスは１／（ω・Ｃｄ２）であり、この値は数百ｋΩである。圧電トランスの出力負荷は、冷陰極管の点灯開始前には開放に近い状態であり（ここでは、６ＭΩの抵抗であるとする）、これらの値の大小関係は、次式の数１に示す関係となる。
【０１５１】
【数１】
圧電トランスの出力容量から計算されるインピーダンス＜負荷インピーダンスこれに対して、センサ電極には、１／（ω・Ｃｓ）として計算されるインピーダンスよりも小さい負荷である１ｋΩの抵抗が接続されていると想定する。
【０１５２】
この場合、双方の値の大小関係は、次式の数２に示す関係となる。
【０１５３】
【数２】
センサ電極間容量から計算されるインピーダンス＞センサ電極負荷インピーダンス
尚、ここで、ω＝２×π×ｆｄ で表され、ｆｄは圧電トランスの共振周波数を示す。図２８において、Ｔ１０は圧電トランスの２次側電極での昇圧比、Ｓ１０はセンサ電極での昇圧比を示す。また、図２９において、圧電トランスの出力負荷は、冷陰極管の点灯開始後には１００ｋΩの抵抗となり、Ｔ１１は２次側電極での昇圧比、Ｓ１１はセンサ電極での昇圧比を示す。
【０１５４】
従って、計算上求めたインピーダンスと、負荷インピーダンスとの上記大小関係に関して、数１と数２とは、互いに異なる大小関係を示しており、この場合、以下の様な不都合が生じる。
【０１５５】
即ち、圧電トランスの出力端開放時（冷陰極管の点灯開始前）の過電圧制御を行うためには、２次側電極とセンサ電極での昇圧比の周波数特性が同じである必要があることは、上述した通りである。
【０１５６】
これに対して、図２８および図２９に示したように、センサ電極に、１／（ω・Ｃｓ）で計算されるインピーダンスよりも十分小さい負荷（１ｋΩ）を接続した場合、センサ電極からの出力はセンサ電極の負荷に対応したものとなる。そのため、圧電トランスの振動もセンサ電極の負荷に依存してしまい、Ｔ１０とＳ１０、およびＴ１１とＳ１１の間に、周波数に関する特性において不一致が生じてしまう。特に、それぞれのピークに対応する周波数が一致していなければ、センサ電極を用いた過電圧制御は困難となる。
【０１５７】
次に、図３０および図３１はそれぞれ、圧電トランスの２次側電極における出力容量から計算されるインピーダンス（１／（ω・Ｃｄ２））と負荷（冷陰極管）のインピーダンスとの大小関係と、センサ電極間容量から計算されるインピーダンスとセンサ電極に接続される負荷のインピーダンスとの大小関係とが一致している場合の、冷陰極管の点灯開始前および点灯開始後の昇圧比の周波数特性を示している。
【０１５８】
図３０において、圧電トランスの出力負荷は、図２８と同様に、６ＭΩである。この場合、上述した通り、次式の数１に示す関係となる。
【０１５９】
【数１】
圧電トランスの出力容量から計算されるインピーダンス＜負荷インピーダンスこれに対して、センサ電極に接続される負荷は、１／（ωＣｓ）として計算されるインピーダンスよりも十分大きい３０ｋΩであるとする。
【０１６０】
この場合、双方の値の大小関係は、次式の数３に示す関係となる。
【０１６１】
【数３】
センサ電極間容量から計算されるインピーダンス  ＜  センサ電極負荷抵抗尚、ここで、Ｔ１２は２次側電極での昇圧比、Ｓ１２はセンサ電極での昇圧比を示す。また、図３１において、圧電トランスの出力負荷は、図２９と同様に、１００ｋΩの抵抗となり、Ｔ１３は２次側電極での昇圧比、Ｓ１３はセンサ電極での昇圧比を示す。
【０１６２】
従って、この場合、計算上求めたインピーダンスと、負荷インピーダンスとの上記大小関係に関して、数１と数３とは、同一の大小関係を示すことになり、以下の様な効果を発揮する。
【０１６３】
即ち、図３０および図３１に示すように、圧電トランスの出力端開放時の負荷に合わせて、圧電トランスの２次側電極に大きな負荷を接続した場合、圧電トランスからのエネルギー伝搬は主に２次側電極から行われるため、センサ電極負荷の影響を受けにくくなる。そのため、図２８および図２９と比べて、２次側電極とセンサ電極での昇圧比のピークを示す周波数の値が一致し、過電圧制御が可能となる。
【０１６４】
このように、センサ電極に接続される負荷を、圧電トランスの２次側電極における出力容量と２次側電極に接続された負荷の関係（数１参照）と、センサ電極間容量とセンサ電極に接続される負荷の関係（数３参照）とが等しくなるように構成することで、センサ電極により、圧電トランスの２次側電極における過電圧を制御することができる。
【０１６５】
しかしながら、圧電トランスのセンサ電極に接続する負荷をインピーダンスの高い抵抗とすると、１次側から２次側へのエネルギー伝搬効率の低下を防止するという観点からは十分な効果を得ることができるが、従来例において圧電トランスの２次側電極に抵抗を接続したときと同様に、抵抗値のバラツキ、基板との寄生容量等の影響から過電圧保護回路が誤動作する恐れがある。そこで、この解決策を次に説明する。
【０１６６】
図３２は、センサ電極に接続される負荷と、２次側電極とセンサ電極での昇圧比ピークの周波数差を示す。図３２から分かるように、センサ電極の負荷の大きさが変化すると昇圧比ピークの周波数差は変化するが、センサ電極に接続される負荷を、センサ電極対の容量をＣｓとして、１／ωＣｓ（ω＝２×π×ｆｄ）で算出されるインピーダンスの少なくとも２倍の抵抗とすることで、昇圧比ピークの周波数をほぼ同等にでき、圧電トランスの過電圧保護を行うことができる。
【０１６７】
尚、上記説明では、圧電トランスの２次側電極における負荷、及び、センサ電極に接続される負荷が、何れも抵抗の場合について説明したが、これに限らず例えば、何れか一方の負荷あるいは双方の負荷とも、抵抗とコンデンサが並列接続された様な負荷であっても良い。その様な場合でも、上記と同様の理由により上記と同様の効果を発揮するものである。
【０１６８】
（第Ｂ６の実施形態）
図３３は、本発明の第Ｂ６の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置の一部、すなわち圧電トランス駆動部１０１１周辺の構成を示すブロック図である。本実施形態に用いる圧電トランスは、第Ｂ１の実施形態と同様に、１次側電極および２次側電極とは別個にセンサ電極を有するものであり、その構造（図２０）、共振周波数近傍の集中定数近似等価回路（図２１）、および動作特性（図２２）についても、第Ｂ１の実施形態と同様であるので説明を省略する。なお、本実施形態と図２４に示す第Ｂ３の実施形態とは、圧電トランスの駆動方法、および過電圧保護回路の構成が異なっている。
【０１６９】
図３３において、入力端子１０６５には、直流電源（図示しない）が接続されるとともに、コンデンサ１０６１が接続されている。そして、電圧増幅を行うための電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂの１次巻線１０６２ａ−１、１０６２ｂ−１と、それぞれ、スイッチング回路を構成するスイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂとが接続されてなる２つの直列回路が、コンデンサ１０６１に対して並列に接続されている。
【０１７０】
圧電トランス１０２０の一方の１次側電極１０２１Ｕと一方のセンサ電極１０２３Ｕは、電磁トランス１０６２ｂの２次巻線１０６２ｂ−２の一方の端子に接続され、その他方の端子は接地されている。また、圧電トランス１０２０の他方の１次側電極１０２１Ｄは、電磁トランス１０６２ａの２次巻線１０６２ａ−２の一方の端子に接続され、その他方の端子は接地されている。
【０１７１】
上記のような圧電トランス駆動部１０１１の構成により、電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂの１次巻線１０６２ａ−１、１０６２ｂ−１に供給される直流電源が、発振制御回路１０１４からの制御信号に基づき、スイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂにより所定の周波数でスイッチングされ、それぞれ、電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂの２次巻線１０６２ａ−２と１０６２ｂ−２に昇圧された交流電圧が発生し、これにより圧電トランス１０２０が並列駆動される。
【０１７２】
圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２は、負荷１０６０（例えば、冷陰極管）と帰還抵抗１０６４とからなる直列回路に接続され、この直列回路に流れる電流により帰還抵抗１０６４に発生する電圧は、電流検出値として、図１９または図２３に示すような発振制御回路１０１４に送られる。
【０１７３】
また、センサ電極１０２３Ｄからの検出電圧は、差分回路１０５６の一方の入力に供給され、センサ電極１０２３Ｕと１次側電極１０２１Ｕに印加される入力電圧は、差分回路１０５６の他方の入力に供給されて、差分回路１０５６からの差分値は、図２３に示すような過電圧保護回路１０５０の比較回路１０５５に送られる。
【０１７４】
ここで、スイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂのオン／オフの周波数は、第Ｂ３の実施形態と同様に、発振制御回路１０１４からの制御信号により、半波長が圧電トランス１０２０の全長と等しくなるような長手方向縦振動１次モードの近傍の周波数に設定される。
【０１７５】
電磁トランス１０６２ａの２次巻線１０６２ａ−２のインダクタと、電磁トランス１０６２ｂの２次巻線１０６２ｂ−２のインダクタと、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｕと１０２１Ｄの対間の静電容量とで構成される直列回路の共振周波数を、圧電トランス１０２０の共振周波数近傍に設定することにより、圧電トランス１０２０の１次側電極１０２１Ｕ、１０２１Ｄに入力される電圧波形を正弦波に近づけることができる。また、スイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂに対して所定のスイッチング制御を行い、圧電トランス１０２０に正弦波を入力することで、圧電トランス１０２０の２次側電極１０２２からは、昇圧比倍された所望の正弦波電圧が出力されることになる。
【０１７６】
ローゼン型圧電トランスをその全長が半波長に相当する正弦波で駆動した場合、その周波数成分の中に、基本波成分の他に２次、３次等の高調波成分を含むことになる。特に、２次の高調波成分により長手方向縦振動２次モードが励振されて出力電圧の波形が歪み、圧電トランス素子や負荷の信頼性が低下することになる。このように、多数の高調波成分を含む多モードの励振は、センサ電極１０２３Ｄにより過電圧保護を行う際に、誤動作の原因となる。
【０１７７】
しかしながら、本実施形態によれば、２つの電磁トランス１０６２ａ、１０６２ｂと２つのスイッチングトランジスタ１０６３ａ、１０６３ｂを用いて圧電トランス１０２０を駆動することで、圧電トランス１０２０への入力電圧に含まれるスイッチング周波数の偶数次の高調波成分を小さくすることができ、圧電トランス１０２０の不要振動を防止することが可能になる。これにより、センサ電極１０２３Ｄが不要な振動を検出し、所望の周波数成分以外の信号成分による駆動装置の誤動作を防止することができる。
【０１７８】
なお、本実施形態では、誘導性素子として電磁トランスを用いたが、インダクタや、オートトランス構造とすることでも同様の効果を得ることができる。
【０１７９】
また、出力電圧に比例した低電圧を出力する電極が、センサ電極として、１次および２次側電極とは別個に構成されている圧電トランスであれば、他の構造のものでも同様の効果を得ることができる。
【０１８０】
なお、本発明の上記実施形態において、図２０に示す構造の圧電トランスを用いて説明したが、例えば、図３４に示すように、１次側電極１１６１Ｕ、１１６１Ｄとセンサ電極１１６３Ｕ、１１６３Ｄとの間に絶縁層１１６０を設けた圧電トランスを用いることもできる。ここで、１１６２は、２次側電極であり、１１６４はセンサ電極である。又、１１６５は低インピーダンス部であり、１１６６は高インピーダンス部である。図３４に示す圧電トランスによれば、１次側電極の一方をセンサ電極の電圧基準電極（接地電極）として用いる必要がなくなり、圧電トランスの駆動回路を従来と同様に構成することができる。
【０１８１】
尚、図３４に示す圧電トランスを図１９の回路で使用する場合、２次側電極のもう一方は、１次側電極１１６１Ｄ又は、センサ電極１１６３Ｕと共用化した構成となる。
【０１８２】
以上詳述した如く、本発明の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置によれば、１次側電極および２次側電極とは別個にセンサ電極を設けた圧電トランスを用いることで、冷陰極管の点灯開始前において、高電圧が発生する圧電トランスの２次側での過電圧保護を、センサ電極からの比較的低い電圧で行うことができるとともに、センサ電極により圧電トランスの振動を簡単にフィードバックすることができる。これにより、圧電トランスを過電圧保護する際に、高圧ラインの保護回路への引き回しを無くすと共に、圧電トランスの不要振動による誤動作を防止し、小型で、効率が高く、信頼性の高い、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置を提供することが可能になり、実用的上その効果は非常に大きい。
【０１８３】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、従来に比べて低い電圧で過電圧保護を行うことが出来るという長所を有する。
【０１８４】
又、以上詳述した如く、本発明の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置によれば、圧電トランスを過電圧保護する際に、例えば、高圧ラインの保護回路への引き回しを無くすと共に、圧電トランスの不要振動による誤動作を防止し、小型で、効率が高く、信頼性の高い、圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置を提供することが可能になり、実用的上その効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの構造を示す斜視図
【図２】図１に示す圧電トランスの集中定数等価回路を示す図
【図３】本発明における圧電トランスの駆動回路のブロック図
【図４】（ａ）、（ｂ）：図１に示す圧電トランスの動作特性を示す図
【図５】本発明の第２の実施の形態における圧電トランスの構造を示す斜視図
【図６】図５に示す圧電トランスの等価回路を示す図
【図７】（ａ）、（ｂ）：本発明における第２の実施の形態における他の構造を示す斜視図
【図８】長さ縦振動２次モードにおける棒状振動子の変位分布及び、応力分布図
【図９】本発明における第２の実施の形態における他の構造を示す斜視図
【図１０】長さ縦振動１次モードにおける棒状振動子の変位分布及び、応力分布図
【図１１】（ａ）、（ｂ）：本発明の第３の実施の形態における圧電トランスの構造を示す図
【図１２】（ａ）、（ｂ）：本発明における第３の実施の形態における他の構造を示す図
【図１３】（ａ）、（ｂ）：本発明における第３の実施の形態における更に他の構造を示す図
【図１４】（ａ）、（ｂ）：本発明の第４の実施の形態における圧電トランスの構造を示す図
【図１５】本発明の第４の実施の形態における圧電トランスの他の構造を示す断面図
【図１６】本発明の第４の実施の形態における圧電トランスの他の構造を示す断面図
【図１７】本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの構造の変形例を示す斜視図
【図１８】本発明の第１の実施の形態における圧電トランスの構造のもう一つの変形例を示す斜視図
【図１９】本発明の第Ｂ１の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置のブロック図
【図２０】本発明における圧電トランスの構造を示す斜視図（ａ）および正面図（ｂ）
【図２１】図２０に示す圧電トランスの集中定数近似等価回路を示す図
【図２２】図２０に示す圧電トランスの動作特性を示す図
【図２３】本発明の第Ｂ２の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置のブロック図
【図２４】本発明の第Ｂ３の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置における圧電トランス駆動部周辺のブロック図
【図２５】圧電体の長手方向縦振動１次モードでの変位分布および応力分布を示す図
【図２６】本発明の第Ｂ４の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置における圧電トランス駆動部周辺のブロック図
【図２７】圧電体の長手方向縦振動２次モードでの変位分布および応力分布を示す図
【図２８】センサ電極の負荷抵抗が小さい場合に、冷陰極管の点灯開始前における圧電トランスの２次側電極およびセンサ電極での昇圧比を示す図
【図２９】センサ電極の負荷抵抗が小さい場合に、冷陰極管の点灯開始後における圧電トランスの２次側電極およびセンサ電極での昇圧比を示す図
【図３０】本発明の第Ｂ５の実施形態に係り、センサ電極の負荷抵抗が大きい場合に、冷陰極管の点灯開始前における圧電トランスの２次側電極およびセンサ電極での昇圧比を示す図
【図３１】本発明の第Ｂ５の実施形態に係り、センサ電極の負荷抵抗が大きい場合に、冷陰極管の点灯開始後における圧電トランスの２次側電極およびセンサ電極での昇圧比を示す図
【図３２】本発明の第Ｂ５の実施形態に係り、センサ電極の負荷と、２次側電極とセンサ電極での昇圧比ピークの周波数差との関係を示す図
【図３３】本発明の第Ｂ６の実施形態による圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置における圧電トランス駆動部周辺のブロック図
【図３４】本発明における圧電トランスの他の構造を示す図
【図３５】圧電トランスの保護回路としてサージクランパを用いた従来の駆動装置の一例を示すブロック図
【図３６】従来の圧電トランスの一例として、ローゼン型圧電トランスの構造を示す斜視図
【図３７】図３６に示す圧電トランスの動作特性を示す図
【図３８】センサ電極を備えない従来の圧電トランスを用いた冷陰極管駆動装置の一例を示すブロック図
【符号の説明】
１  低インピーダンス部
２  高インピーダンス部
３  センサ部
５０  過電圧保護部
１０１Ｕ、１０１Ｄ  １次側電極
１０２  ２次側電極
１０３  センサ電極
５０３Ｕ、５０３Ｄ  センサ電極
１０９  圧電体
１０１０  過電圧保護回路
１０１１  圧電トランス駆動部
１０１４  発振制御回路
１０１７  冷陰極管
１０１８  帰還抵抗
１０１９a、１０１９b 分圧抵抗
１０２０  圧電トランス
１０２１Ｕ、１０２１Ｄ  １次側電極
１０２３Ｕ、１０２３Ｄ  センサ電極
１０２２  ２次側電極
１０２５  低インピーダンス部
１０２６  高インピーダンス部
１０２９  圧電体
１０５６  差分回路
１０６２ａ、１０６２ｂ  電磁トランス
１０６３ａ、１０６３ｂ  スイッチングトランジスタ
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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