JP5970847B2 - 圧電トランスを用いた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は圧電トランスを用いた、１次側と２次側が絶縁された電源装置に関し、小型化が可能で、かつ低電圧出力でも安定に動作する圧電トランスを用いた電源装置に関するものである。

絶縁された電力を供給する電源装置として、巻線式トランスを用いた電源装置が知られている。しかし、巻線式トランスは小型化が困難、可燃性がある、絶縁劣化によるトラブルが生じ易いという欠点があるので、圧電トランスを用いた電源装置が用いられることがある。このような電源装置は、例えばレコーダの絶縁電源に用いられる。

圧電トランスは、圧電セラミックスの圧電効果と逆圧電効果の組み合わせを利用した素子である。圧電トランスの１次側に交流電圧を印加すると機械振動が生じ、この機械振動が２次側に伝搬して圧電効果による電荷が発生する。この現象を用いて、入力電圧より高圧で、かつ絶縁された電圧を発生させることができる。

特許文献１には、圧電トランスを用いた圧電トランスコンバータの発明が記載されている。以下、図４を用いてこの発明の概要を説明する。図４において、駆動回路１１には直流電源１０から電力が供給され、またＶ／Ｆコンバータ１２の出力が入力される。駆動回路１１は、Ｖ／Ｆコンバータ１２の出力周波数で圧電トランス１３の１次側を駆動する。圧電トランス１３の２次側に発生した電圧は整流平滑回路１４で直流電圧に変換され、負荷１５に供給される。

圧電トランス１３の１次側に供給される電圧と電流は電圧検出回路１６と電流検出回路１７で検出される。位相検出回路１８は、電圧検出回路１６が検出した電圧と電流検出回路１７が検出した電流の位相差が０になるように、Ｖ／Ｆコンバータ１２の出力周波数を制御する。

圧電トランス１３のゲインは、共振周波数のときに最大になる特性を有する。このため、電圧と電流の位相差が０になるように圧電トランス１３を駆動すると、圧電トランス１３を最大力率で動作させることができる。

特許文献２には、圧電トランスを用いた他の電源装置が記載されている。以下、図５を用いてこの発明の概要を説明する。図５において、入力整流部２０は交流電源Ｖｉｎを整流して直流電源に変換し、この直流電源を圧電トランス駆動部２１に供給する。圧電トランス駆動部２１は圧電トランス２２、２３の１次側を駆動する。圧電トランス２２、２３の２次側に発生した電圧は出力整流部２４で直流電源に変換され、負荷２５に供給される。

電圧差演算部２６には圧電トランス２２の静電誘導電圧信号および設定基準電圧が入力される。電圧差演算部２６は圧電トランス２２の静電誘導電圧信号から検出出力電圧を生成し、この検出出力電圧と設定基準電圧の差電圧を駆動電圧制御部２７に出力する。駆動電圧制御部２７は、入力された差電圧に基づいて圧電トランス２２、２３の入力に印加される駆動電圧のデューティー比を制御する。

発振部２８には圧電トランス２２の静電誘導電圧信号が入力される。発振部２８は、静電誘導電圧信号が入力されないときは自励振し、デューティー比５０％の矩形波を出力する。また、静電誘導電圧信号入力されると、この電圧信号の周波数で発振する矩形波を出力する。この矩形波は、圧電トランス駆動部２１に出力される。このような構成により、小型でかつ安定に動作する電源装置を実現することができる。

実開平４−５８０８５号公報 特開２００８−７２８２７号公報

しかしながら、このような圧電トランスを用いた電源装置には、次のような課題があった。

図４の電源装置は、圧電トランス１３に供給する電圧と電流を検出し、この電圧と電流の位相差が０になるようにＶ／Ｆコンバータ１２を制御しなければならないので、構成が複雑になってしまうという課題があった。

図５の電源装置は圧電トランスを２個用いなければならないので、小型化が難しいという課題があった。

また、圧電トランスと基板間の静電容量や、圧電トランスと圧電トランスを収納する筐体間の静電容量を用いて、圧電トランス２２の静電誘導電圧信号を１次側に帰還するようにしているが、圧電トランスと基板間、あるいは圧電トランスと筐体間の間隔を制御することは難しい。このため、容量値が大きくばらつき、帰還電圧信号が小さくなる低電圧出力の電源では、静電容量のばらつきによって１次側に帰還される電圧が小さくなり、発振が不可能になることがあるという課題もあった。

本発明の目的は、小型化が可能であり、かつ低電圧出力の電源でも安定に動作する、１次側と２次側が絶縁された電源装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
１次側端子と１対の２次側端子を備え、１次側端子に印加された電圧を絶縁して２次側端子に出力する圧電トランスと、
前記圧電トランスの１次側端子に電圧を出力する駆動部と、
前記圧電トランスの２次側端子に出力される電圧を整流、平滑し、直流電圧に変換して出力する整流平滑部と、
２つの入力端子を具備し、これらの入力端子に印加された電圧の差電圧に関連する電圧を、前記駆動部に出力する差動増幅部と、
前記圧電トランスの１対の２次側端子の一方にその一端が接続され、他端が前記差動増幅部の入力端子の一方に接続される第２のコンデンサと、
前記圧電トランスの１対の２次側端子の他方にその一端が接続され、他端が前記差動増幅部の入力端子の他方に接続される第３のコンデンサと、
を具備したものである。小型化が可能であり、かつノイズに影響されない。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記第２のコンデンサ、または前記第３のコンデンサのうち少なくとも１つとして、プリント基板の配線層を用いて形成したコンデンサを用いたものである。部品点数を削減できる。

本発明によれば以下のような効果がある。

請求項１および２の発明によれば、駆動部によって圧電トランスの１次側に電圧を印加し、２次側に発生した交流電圧を整流、平滑して直流電圧に変換すると共に、コンデンサを介して、前記圧電トランスの２次側の電圧を前記駆動部に入力するようにした。

圧電トランスの数を１つにすることができるので、電源装置を小型化することができ、かつコンデンサを用いて圧電トランスの２次側電圧を駆動部に帰還するので、低電圧出力の電源装置でも安定に動作するという効果がある。

また、圧電トランスの２次側電圧を駆動部に入力して帰還するようにしたので、圧電トランスの共振周波数で自励振する。このため、圧電トランスの駆動周波数を決定する発振器や、圧電トランスの駆動周波数を共振周波数に合わせ込む要素が不要になるので、部品点数を少なくすることができる。このため、小型化が可能になり、かつ安価に製作できるという効果もある。

また、圧電トランスの２次側端子と駆動部の入力端子との間に増幅部を配置することにより、簡単に駆動部に入力する電圧を調整できるという効果もある。

また、２つの２次側端子を有する圧電トランスを用い、２次側電圧の差電圧を駆動部に入力することにより、２次側端子と接地間に発生するノイズの影響を除去することができるという効果もある。

さらに、圧電トランスの２次側電圧を駆動部に入力するコンデンサとして、プリント基板の配線層間に形成されたコンデンサを用いることにより、部品点数を更に削減できるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。 コンデンサの構成を示した図である。 本発明の他の実施例を示した構成図である。 従来の圧電トランスを用いた電源装置の構成図である。 従来の圧電トランスを用いた電源装置の構成図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る圧電トランスを用いた電源装置の一実施例を示した構成図である。

図１において、３０は圧電トランスであり、１次側端子Ａ、Ｂおよび２次側端子Ｃ、Ｄの４つの端子を有している。１次側端子Ａ、Ｂ間に交流電圧を印加すると機械振動が発生し、この機械振動が２次側に伝搬して、圧電効果によって２次側端子Ｃ、Ｄに交流電圧が発生する。

３１は駆動部であり、圧電トランス３０の１次側端子Ａ、Ｂ間に駆動電圧を印加する。この駆動電圧は圧電トランス３０によって変圧され、２次側端子Ｃ、Ｄに出力される。

３２は整流平滑部であり、圧電トランス３０の２次側端子Ｃ、Ｄに発生する交流電圧を整流平滑して直流電圧に変換し、出力する。整流平滑部３２の出力端子の一方を２次側の接地端子とする。

３３は負荷部であり、整流平滑部３２で整流、平滑された直流電圧が印加される。負荷部３３は絶縁された電源を必要とする装置であり、例えばレコーダの入力部のアンプがある。

３４はコンデンサであり、その一端は圧電トランスの２次側端子Ｃに接続される。３５は増幅部であり、その入力端子はコンデンサ３４の他端に接続される。増幅部３５は入力された電圧を増幅して駆動部３１に出力する。駆動部３１は、増幅部３５の出力電圧に関連する電圧を圧電トランス３０の１次側端子Ａ、Ｂに出力する。コンデンサ３４は第１のコンデンサに相当する。

次に、この実施例の動作を説明する。圧電トランス３０の１次側端子Ａ、Ｂに印加された電圧によって２次側端子Ｃ、Ｄに電圧が発生する。この電圧はコンデンサ３４、増幅部３５、駆動部３１を経由して圧電トランス３０に帰還される。

特許文献１の第１図に記載されているように、圧電トランスはコンデンサ、インダクタ、抵抗等の等価回路で表され、共振特性を有している。この共振特性と前述した帰還動作により、図１の電源装置は圧電トランス３０の共振周波数で自励振する。

駆動部３１に電源が投入されると、圧電トランス３０の１次側端子Ａ、Ｂ間の電圧が変化し、この変化のために２次側端子Ｃ、Ｄに電圧が発生する。この電圧はコンデンサ３４、増幅部３５、駆動部３１を経由して圧電トランス３０の１次側端子Ａ、Ｂに帰還され、１次側端子Ａ、Ｂの電圧は更に変化する。この動作が繰り返され、最終的に圧電トランス３０の共振周波数で自励振する。このため、圧電トランス３０の１次側に供給される電力を絶縁、変圧して、負荷部３３に供給することができる。

この実施例は、圧電トランスを１つのみ使用する。また、圧電トランスの共振周波数で自励振するので、圧電トランスを駆動する信号を作るための発振器や、圧電トランスの共振周波数に合わせ込む回路が不要になる。このため、部品点数が少なくなるので、小型化が可能になり、かつ安価に製作できるという特徴がある。

コンデンサ３４として市販の高耐圧コンデンサを用いることができるが、プリント基板の配線層間容量を利用したコンデンサを用いることもできる。図２にこの実施例を示す。図２において、（Ａ）はプリント基板の断面図、（Ｂ）は平面図である。

図２において、４０はフェノール樹脂等で構成された基板、４１、４２は基板４０の両面に形成された銅箔である。（Ｂ）に示すように、銅箔４１、４２は長方形の形状を有し、基板４０の両面に位置を合わせて形成される。銅箔４１、４２は近接して配置されているので、静電容量を有している。この銅箔４１、４２をコンデンサ３４として用いると、部品点数を更に削減することができる。

基板４０の厚さや誘電率、およびその上に形成される銅箔の位置や大きさは管理されているので、銅箔４１、４２で形成されるコンデンサの容量のばらつきは小さくなる。従って、低電圧出力の電源装置であっても安定した発振が可能になる。

なお、図２では両面プリント基板を用いた例を示したが、多層（３層以上）プリント基板を用い、隣接する配線層に銅箔４１、４２を形成するようにしてもよい。

図３に、本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図３において、５０は２つの入力端子を有する差動増幅部であり、その出力は駆動部３１に入力される。５１はコンデンサであり、その一端は圧電トランス３０の２次側端子Ｃに、他端は差動増幅部５０の一方の入力端子に接続される。５２はコンデンサであり、その一端は圧電トランスの２次側端子Ｄに、他端は差動増幅部５０の他方の入力端子に接続される。

コンデンサ５１、５２は市販のコンデンサや図２のプリント基板上に形成したコンデンサを用いることができる。コンデンサ５１は第２のコンデンサに相当し、コンデンサ５２は第３のコンデンサに相当する。

圧電トランス３０の２次側端子Ｃ、Ｄは、１対の出力端子に相当する。２次側端子Ｃ、Ｄの電圧は、それぞれコンデンサ５１、５２を経由して差動増幅部５０に入力される。差動増幅部５０は入力された２つの電圧の差電圧を演算し、駆動部３１に出力する。なお、電源装置の動作は図１実施例と同じなので、説明を省略する。

圧電トランス３０の１次側端子と接地間、および２次側端子と接地間に加えられたノイズ電圧は、コモンモード電圧として差動増幅部５０に入力される。このコモンモード電圧は差動増幅部５０によって除去されるので、帰還動作に影響を与えることはない。差動増幅部５０としてコモンモードリジェクション特性が高い増幅器を用いることにより、ノイズ電圧が重畳しても、安定した発振動作を実現できる。

なお、図１実施例で増幅部３５を用いないで、コンデンサ３４の他端を直接駆動部３１の入力端子に接続するようにしてもよい。但し、増幅部５０を用いると、この増幅部５０のゲインを変えるだけで駆動部３１に入力する電圧を変えることができるので、調整が簡単になる。

また、増幅部３５は、入力された電圧を増幅するだけでなく、減衰して駆動部３１に出力するものであってもよい。

さらに、図３実施例において、差動増幅部５０は入力された信号の差電圧を増幅して出力するだけでなく、差電圧をそのまま出力するか、減衰するものであってもよい。

３０ 圧電トランス
３１ 駆動部
３２ 整流平滑部
３３ 負荷部
３４、５１、５２ コンデンサ
３５ 増幅部
４０ 基板
４１、４２ 銅箔
５０ 差動増幅部
Ａ、Ｂ １次側端子
Ｃ、Ｄ ２次側端子

Claims (2)

1. １次側端子と１対の２次側端子を備え、１次側端子に印加された電圧を絶縁して２次側端子に出力する圧電トランスと、
   前記圧電トランスの１次側端子に電圧を出力する駆動部と、
   前記圧電トランスの２次側端子に出力される電圧を整流、平滑し、直流電圧に変換して出力する整流平滑部と、
   ２つの入力端子を具備し、これらの入力端子に印加された電圧の差電圧に関連する電圧を、前記駆動部に出力する差動増幅部と、
   前記圧電トランスの１対の２次側端子の一方にその一端が接続され、他端が前記差動増幅部の入力端子の一方に接続される第２のコンデンサと、
   前記圧電トランスの１対の２次側端子の他方にその一端が接続され、他端が前記差動増幅部の入力端子の他方に接続される第３のコンデンサと、
   を具備したことを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。
2. 前記第２のコンデンサ、または前記第３のコンデンサのうち少なくとも１つとして、プリント基板の配線層を用いて形成したコンデンサを用いたことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランスを用いた電源装置。

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