JP5380450B2 - 圧電トランスの駆動回路及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種バックライト等の冷陰極管に用いられる圧電トランスの駆動回路及びその駆動方法に関する。

近年、液晶ディスプレイモニタがノート型パソコン等の液晶表示装置として取り付けられている。このような液晶ディスプレイモニタには、バックライト等の冷陰極管を駆動するための昇圧トランスとして、圧電トランスが用いられるようになってきた。圧電トランスは、圧電素子の一次電極に入力交番電圧を与えてピエゾ効果を利用して機械振動を発生させ、二次側電極から圧電トランスの形状で定まる昇圧比で電圧増幅された電圧を取り出す電圧変換素子である。

この圧電トランスは、巻き線を利用し磁気エネルギーを介在させて変圧する方法ではないため、漏れ磁束が生じることはない。このため、インバータの外部に雑音を出さないという長所がある。このほか、圧電トランスは外形寸法で決まる共振周波数だけを選択して出力するため、出力波形が正弦波に近く、高周波雑音の発生が少ないという利点もある。さらに、圧電トランスはセラミック材料を焼結した無機質であるため、発煙や発火の危険がないという利点を有している。

圧電トランスは、共振特性を有しており、一次側電極に入力される交流電圧の周波数に応じて二次側電極から得られる出力は異なっている。従って、液晶ディスプレイ等の輝度を一定に保つために、圧電トランスに入力される交流電圧の周波数を制御することにより、二次側電極から出力される電圧を所望のレベルに調整することが可能である。

従来の圧電トランスの駆動回路はアナログ回路により構成されており、アナログ発振器を用いて電圧の周波数を制御している。一方、圧電トランスには、周囲温度や圧電トランス自体の温度変化によって周波数特性が変化した場合や、圧電トランスの寸法及び圧電特性のばらつきに起因して、周波数特性が変化する現象がある。そのような場合、変化した周波数特性に対応して、圧電トランスに供給する電圧の周波数を調節する必要がある。しかし、従来のアナログ発振器では、出力電圧の周波数を適切なタイミングで制御するのが困難であった。そこで、アナログ発振器に代えて、発振器から出力する電圧の周波数を自在に制御し、出力電圧の周波数を任意の形に変えることができることができるデジタル発振器による制御が望ましい。

しかし、アナログ方式で構成されていた従来の圧電トランスの駆動回路をデジタル化するに当っては、圧電トランスを制御するのに必要な周波数精度を得るために、５００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのクロック信号を出すＣＰＵが必要であった。しかし、このような高いクロック周波数は、輻射妨害や、供給電力等を考慮すると冷陰極管を駆動する圧電トランス用としては、実用的なクロック周波数ではなかった。

そこで、特許文献１では、低い周波数のクロック信号の駆動パルスを分周させて、その分周にあたっての比率を決めることにより、平均周波数の分解能を向上させ、圧電トランスを制御するのに必要な周波数精度を得る方法が提案されている。

特開２０００−１３３４８５

ところが、特許文献１の方法では、クロック信号を分周させる比率にも限界があり、分解能以下の周波数に対応する電圧を制御することができない。また、分周用回路として複雑な構成を要求される問題もある。本発明の目的は、上記問題点を解決するために、デジタル発振器を使用して、クロック信号を分周させるよりも簡単な手段で任意の出力電圧を得ることができる圧電トランスの駆動回路および駆動方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、所定の共振周波数特性を有する圧電トランスと、この圧電トランスに対して、所定の周波数の電圧を出力するデジタル発振器と、前記圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を検出する出力検出部と、前記出力検出部からの検出信号に基づいて、前記デジタル発振器が出力する周波数Ｆ_１’を制御する制御部とを備えた圧電トランスの駆動回路において、前記制御部は、前記出力検出部からの検出信号に基づいて、圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を設定する出力電圧設定部と、前記出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を前記デジタル発振器が出力できない場合に、対応する周波数Ｆ_１’を挟んだ出力可能な２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を決定する対応周波数検出部と、前記２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を圧電トランスに交番出力する周波数出力部と、前記２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応する圧電トランスの出力電圧を交番発生させる比率を設定する交番比率設定部と、前記２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を、前記交番比率設定部によって設定された交番比率に基づいて出力するための制御信号を、前記周波数出力部に出力する交番間隔制御部とを備えていることを特徴とする。

本発明の他の態様は、所定の共振周波数特性を有する圧電トランスと、この圧電トランスに対して、所定の周波数の電圧を出力するデジタル発振器と、前記圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を検出する出力検出部と、前記出力検出部からの検出信号に基づいて、前記デジタル発振器が出力する周波数Ｆ_１’を制御する制御部とを備えた圧電トランスの駆動回路において、前記制御部は、前記出力検出部からの検出信号に基づいて、圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を設定する出力電圧設定部と、前記出力電圧設定部が設定した出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を前記デジタル発振器が出力できるか否かを検出すると共に、出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を前記デジタル発振器が出力できない場合には、対応する周波数Ｆ_１’を挟んだ出力可能な２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を決定する対応周波数検出部と、出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’が出力できる場合にその周波数Ｆ_１’を圧電トランスに出力し、出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’が出力できない場合にその周波数Ｆ_１’を挟んだ２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を圧電トランスに交番出力する周波数出力部と、前記対応周波数検出部が検出した２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応する圧電トランスの出力電圧を交番発生させる比率を設定する交番比率設定部と、前記周波数出力部における２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を、前記交番比率設定部によって設定された交番比率に基づいて出力するための制御信号を、前記周波数出力部に出力する交番間隔制御部とを備えていることを特徴とする。

本発明において、前記交番比率設定部が、設定する交番比率は、前記対応周波数検出部が決定した周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応する出力電圧Ｖ_１，Ｖ_２と設定された出力電圧Ｖ_１’とから、ΔＶ_２−Ｖ_１’：ΔＶ_１’−Ｖ_１により決定することができる。

本発明において、前記交番比率設定部が、予め定められた設定値を交番比率として設定することもできる。

このような構成を有する本発明においては、圧電トランスを駆動させる電圧を時変電圧とすることで、高性能のＣＰＵでなくても、圧電トランスの共振周波数に対応した電圧を制御することが可能になる。

ここで、発生させる時変電圧は、圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’の前後の電圧Ｖ_１、Ｖ_２に対応する周波数Ｆ_１，Ｆ_２を交番発生させることにより、前記圧電トランスに近似電圧を発生させる。圧電トランス回路は、キャパシタ成分が多いので、電圧の変化する反応が遅い。よって、積分された間の電圧が出力される。周波数を交番させることにより、圧電トランスの出力電圧を制御する周波数を入れた状態とほぼ同じような電圧を発生させることができる。

なお、前記の様な圧電トランスの駆動回路を使用して、制御回路の分解能以下の周波数に対応する電圧を発生するときは、その電圧の前後の電圧に対応する周波数を交番発生させることにより、前記圧電トランスに近似電圧を発生させる方法も、本発明の一態様である。

以上のような本発明によれば、圧電トランスをデジタル回路で駆動させる際に、圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’に対応する共振周波数Ｆ_１’の前後の周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２を交番発生させることで、圧電トランスからは、この周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応した出力電圧Ｖ_１，Ｖ_２が交番出力され、その結果両出力電圧が平均化されて出力電圧Ｖ_１’とほぼ等しい電圧を発生することができる。このことにより、圧電トランスの共振周波数と同じ周波数を常に発生させる必要がなくなる。よって、輻射妨害や、供給電力等を考慮すると実用的でない高性能のＣＰＵを必要とせずに、比較的扱いやすいＣＰＵでも、圧電トランスのばらつきに起因する周波数のズレ、負荷及び動作温度等による圧電トランスの変化にも対応し、所望の出力電圧を発生させることができる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図 図１の実施形態における制御部４の内部構成を示すブロック図 図１の実施形態におけるデジタル発振器５の内部構成を示すブロック図 図１の実施形態の動作を示すフローチャート 図１の実施形態における圧電トランスの出力電圧と共振周波数の関係を示した図

［本実施形態］
［１．構成］
本実施形態の圧電トランスの駆動回路の構成を、図１のブロック図に示す。図２は、図１の制御部４の内部のブロック図であり、図３は、デジタル発振器５の内部を示したブロック図である。

本実施形態の回路は圧電トランス１を駆動させるデジタル回路で、本実施形態では冷陰極管を含む回路とする。圧電トランス１は、増幅された電圧を取り出すための変圧素子であり、冷陰極管２には圧電トランス１より出力された電圧が印加される。出力検出部３は、冷陰極管２に流れる電流を検出し、電圧信号に変換する。制御部４は、出力検出部３が検出した電圧信号に基づいてデジタル発振器５に対して設定値ｎを定めその信号を出力する。デジタル発振器５では、制御部４により送られた設定値ｎの信号に基き所定周波数の時変電圧を作成し、時変電圧を圧電トランス１に入力させることにより、圧電トランス１の持つ周波数−電圧特性に従って、入力周波数に対応する所望の電圧を出力させることができる。

図２に示す通り、制御部４は、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’を設定する出力電圧設定部４１を備える。出力電圧設定部４１は、出力検出部３が検出した電圧信号に基づき、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’を設定する。また、圧電トランス１の出力電圧からの情報だけでなく、輝度調整信号などの出力電圧を設定するための信号を出力する操作部６からの指令に基づき出力電圧Ｖ_１’を設定することもできる。

制御部４は、設定された出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’をデジタル発振器５が出力できるか否かを検出する対応周波数検出部４２を備える。この対応周波数検出部４２は、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’をデジタル発振器５が出力できないとした場合には、対応する周波数Ｆ_１’を挟む出力可能な周波数Ｆ_１，Ｆ_２を決定する。

制御部４は、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’をデジタル発振器５が出力できる場合には、デジタル発振器に周波数Ｆ１’を出力するための設定値ｎをデジタル発振器に出力する周波数出力部４５を備える。さらに、周波数出力部４５は、交番比率設定部４３が設定した交番比率に基づいて、デジタル発振器５に時変電圧を出力するための設定値ｎをデジタル発振器５に出力する。

制御部４は、周波数Ｆ_１，Ｆ_２の交番させる比率を決める交番比率設定部４３と、この交番比率設定部４３によって、設定された比率に従って、周波数Ｆ１，Ｆ２を切替える信号を出力する交番間隔制御部４４とを備える。

図３に示す通り、デジタル発振器５は、基準周波数ｆｓを発生する回路であるクロック発生回路５１と、クロック発生回路で発生した周波数ｆｓの基準クロックｅｓを常時計算しているカウンタ５２を備える。また、クロック基準周波数ｆｓと制御部４からの設定値ｎにより、分周パルスのｆ１を出力するコンパレータ５３と、コンパレータ５３から出力した信号のエッジを整形するためのリタイミング回路であるフリップフロップ回路５４を備える。

［２．作用効果］
［２．１．概略］
図５は、圧電トランス１の出力電圧と共振周波数の関係を示した図である。図５のように、圧電トランス１の出力電圧は、入力される電圧の周波数に対して出力電圧が決定される。しかし、圧電トランス１は、温度や負荷等の環境変化により、共振周波数が変化するので、一定周波数で圧電トランス１を駆動させていると、共振周波数と入力される電圧の周波数の相対的な関係が変化してしまう。つまり、入力される電圧の周波数が圧電トランス１の共振周波数より大きく離れたときは、圧電トランス１による電圧昇圧比が著しく低下してしまう。そのため、負荷である冷陰極管２に十分な電流を流すことができなくなり、冷陰極管２の輝度を保つことができなくなる。

そこで、圧電トランス１の特性の変化に対応するために、図１の回路では、出力検出部３により、冷陰極管２に流れる電流を検出する。温度や負荷等の環境変化により圧電トランス１の共振周波数の特性が変化した場合は、冷陰極管２に流れる電流が変化する。出力検出部３は、その変化を検出し制御部４に対して信号を送る。

制御部４は、冷陰極管２に流れる電流が一定になるように、デジタル発振器５に対して信号を出力する。デジタル発振器５は、その信号に基づいた周波数により圧電トランス１を駆動させる。この制御により、冷陰極管２はほぼ一定の輝度で点灯する。

しかし、デジタル回路で圧電トランス１を駆動させる場合には、ＣＰＵの分解能の関係上出力電圧に対応する入力電圧の周波数を発生することができない場合がある。その場合には、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’に対応する共振周波数Ｆ_１’の前後の周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２を交番発生させることで、出力電圧Ｖ_１’とほぼ等しい電圧を発生する。

［２．２．詳細］
次に、図１〜３に示した本実施形態の制御部４の動作を図４のフローチャートに従って具体的に説明する。この処理は、出力検出部３が検出した電圧信号や操作部６からの指示に基づいて、圧電トランス１から所望の出力電圧を出力する処理である。

初めに、ステップ１として、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’を出力検出部３が検出した信号に基づき出力電圧設定部４１により設定したり、操作部６からの指示により設定する。この時の操作部６からの指示としては、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’の値だけで、特に交番電圧の交番比率の値などは必要はない。

そして、ステップ２として、ステップ１で設定された出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を検出する。このとき分解能が大きいＣＰＵを使用している場合、周波数Ｆ_１’が出力できる周波数と周波数の間にあると、分解能の関係で周波数Ｆ_１’を出力することができない。その判定を、ステップ３により行う。デジタル発振器５が周波数Ｆ_１’を発生できるならば、ステップ４へ進み、発生できないときは、ステップ７へ進む。

ステップ４は、設定された出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’をデジタル発振器５が出力できる場合のステップである。このステップでは、対応周波数検出部４２により、デジタル発振器５が周波数Ｆ_１’を出力するための設定値ｎを設定する。そして、周波数出力部４５により、設定値ｎをデジタル発振器５に出力する。

ステップ５では、ステップ４で設定した設定値ｎに基づいて周波数Ｆ_１’の電圧をデジタル発振器５により発生させる。このステップでは、デジタル発振器５の内部で、クロック発生回路により基準周波数ｆｓを発生する。この基準周波数ｆｓの基準クロックｅｓをカウンタ５２により常時計数する。この計数値と制御部４により設定された設定値ｎは、コンパレータ５３に入力される。そして計数値と設定値ｎと一致する度に、コンパレータ５３が動作し、カウンタ５２をリセットすると共に、分周パルスｅ１を出力する。この場合の分周パルスｅ１の周波数ｆ１は、ｆ１＝ｆｓ／ｎとなる。デジタル発振器５は、分周パルスｅ１の周波数ｆ１を電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’として圧電トランス１に対して出力する。

ステップ６は、デジタル発振器５が出力した周波数Ｆ_１’の電圧に基づいた出力電圧Ｖ_１’を出力する。

一方、前記ステップ３において、設定された出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’がデジタル発振器５の分解能が大きいため出力できない場合は、ステップ７に進む。このステップ７では、対応周波数検出部４２がＦ_１’を挟み且つ出力可能な２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を決定する。そして、ステップ８において、デジタル発振器５が周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２を出力するための設定値ｎ１、ｎ２を設定する。

ステップ９では、交番比率設定部４３により、周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２に対応する電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２を計算し、出力電圧Ｖ_１’とから、ΔＶ_２−Ｖ_１’，ΔＶ_１’−Ｖ_１を演算する。そして、ステップ１０において、交番間隔制御部４４が、ΔＶ_２：Ｖ_１’：ΔＶ_１’−Ｖ_１に対応する交番比率で、設定値ｎ１、ｎ２をデジタル発振器５に出力する。

ステップ１１では、デジタル発振器５において、ステップ１０で設定した交番比率で
ステップ８で設定した設定値ｎ１、ｎ２に基づいた周波数Ｆ_１，Ｆ_２を交番発生させる。その後、ステップ１２において、デジタル発振器５が出力した周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２の時変電圧に基づいた出力電圧Ｖ_１’を出力する。

以上の動作により、圧電トランス１の出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を出力できない場合でも、対応する周波数Ｆ_１’を挟む２つの周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２を交番発生させることにより、近似的に圧電トランス１の出力電圧を発生させることが可能である。特に、圧電トランス１の回路には一般にキャパシタ成分が多いので、電圧が変化する反応が遅いため、周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２を交番発生させて電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２の間の出力電圧Ｖ_１’を近似的に発生させることが可能になる。

このことにより、出力電圧に対応する周波数を直接的に発生させる必要がないため、５００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのクロック信号を出す高性能なＣＰＵを使用しなくても、圧電トランスの共振周波数に対応した電圧を制御することが可能になる。

［３．他の実施形態］
本発明の他の実施形態では、交番比率設定部において予め設定した設定値を交番比率として設定するものであっても良い。周波数Ｆ_１と周波数Ｆ_２を１：１の割合で交番発生させることにより、交番比率を演算しなくても、デジタル発振器の分解能を１／２にすることができる。これにより、さらに簡単な方法で出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’に近い周波数を出力することができる。

１…圧電トランス
２…冷陰極管
３…出力検出部
４…制御部
５…デジタル発振器
６…操作部
４１…出力電圧設定部
４２…対応周波数検出部
４３…交番比率設定部
４４…交番間隔制御部
４５…周波数出力部
５１…クロック発生回路
５２…カウンタ
５３…コンパレータ
５４…フリップフロップ回路

Claims (5)

1. 所定の共振周波数特性を有する圧電トランスと、
   この圧電トランスに対して、所定の周波数の電圧を出力するデジタル発振器と、
   前記圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を検出する出力検出部と、
   前記出力検出部からの検出信号に基づいて、前記デジタル発振器が出力する周波数Ｆ_１’を制御する制御部とを備えた圧電トランスの駆動回路において、
   前記制御部は、
   前記出力検出部からの検出信号に基づいて、圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を設定する出力電圧設定部と、
   前記出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を前記デジタル発振器が出力できない場合に、対応する周波数Ｆ_１’を挟んだ出力可能な２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を決定する対応周波数検出部と、
   前記２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を圧電トランスに交番出力する周波数出力部と、
   前記２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応する圧電トランスの出力電圧を交番発生させる比率を設定する交番比率設定部と、
   前記２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を、前記交番比率設定部によって設定された交番比率に基づいて出力するための制御信号を、前記周波数出力部に出力する交番間隔制御部とを備えていることを特徴とする圧電トランスの駆動回路。
2. 所定の共振周波数特性を有する圧電トランスと、
   この圧電トランスに対して、所定の周波数の電圧を出力するデジタル発振器と、
   前記圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を検出する出力検出部と、
   前記出力検出部からの検出信号に基づいて、前記デジタル発振器が出力する周波数Ｆ_１’を制御する制御部とを備えた圧電トランスの駆動回路において、
   前記制御部は、
   前記出力検出部からの検出信号に基づいて、圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を設定する出力電圧設定部と、
   前記出力電圧設定部が設定した出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を前記デジタル発振器が出力できるか否かを検出すると共に、出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を前記デジタル発振器が出力できない場合には、対応する周波数Ｆ_１’を挟んだ出力可能な２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を決定する対応周波数検出部と、
   出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’が出力できる場合にその周波数Ｆ_１’を圧電トランスに出力し、出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’が出力できない場合にその周波数Ｆ_１’を挟んだ２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を圧電トランスに交番出力する周波数出力部と、
   前記対応周波数検出部が検出した２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応する圧電トランスの出力電圧を交番発生させる比率を設定する交番比率設定部と、
   前記周波数出力部における２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を、前記交番比率設定部によって設定された交番比率に基づいて出力するための制御信号を、前記周波数出力部に出力する交番間隔制御部とを備えていることを特徴とする圧電トランスの駆動回路。
3. 前記交番比率設定部が、設定する交番比率は、前記対応周波数検出部が決定した周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応する出力電圧Ｖ_１，Ｖ_２と設定された出力電圧Ｖ_１’とから、ΔＶ_２−Ｖ_１’：ΔＶ_１’−Ｖ_１の比率により決定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電トランスの駆動回路。
4. 前記交番比率設定部が、予め定められた設定値を交番比率として設定するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電トランスの駆動回路。
5. 所定の共振周波数特性を有する圧電トランスと、この圧電トランスに対して、所定の周波数Ｆ_１’の電圧を出力するデジタル発振器と、前記圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を検出する出力検出部と、前記出力検出部からの検出信号に基づいて、前記デジタル発振器が出力する周波数Ｆ_１’を制御する制御部とを備えた圧電トランスの駆動方法において、
   前記出力検出部からの検出信号に基づいて、圧電トランスの出力電圧Ｖ_１’を設定するステップと
   前記出力電圧Ｖ_１’に対応する周波数Ｆ_１’を前記デジタル発振器が出力できない場合に、対応する周波数Ｆ_１’を挟んだ出力可能な２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を決定するステップと、
   検出した２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２に対応する圧電トランスの出力電圧を交番発生させる比率を設定するステップと、
   前記２つの周波数Ｆ_１，Ｆ_２を、設定された交番比率に基づいて圧電トランスに出力するステップとを備えていることを特徴とする圧電トランスの駆動方法。

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