JP2007037312A - Power supply device using piezoelectric transformer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電振動子の共振現象を利用して交流電圧を変圧する圧電トランス技術に関し、詳しくはこれを用いた電源装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric transformer technology that transforms an alternating voltage using a resonance phenomenon of a piezoelectric vibrator, and more particularly to a power supply device using the piezoelectric transformer technology.
複写機やプリンタ等の電子写真装置において、正(プラス)の高圧出力と負(マイナス)の高圧出力とを印加するための直流バイアス電源が転写器等に用いられている。この直流バイアス電源は、例えば、帯電したトナーとは逆極性の数μAの直流バイアス電流を定電流制御しながら用紙に印加し、この用紙にトナーを転写した後に、ローラ等に付着したトナーをクリーニングする目的で転写前とは逆特性の直流バイアス電流を印加する。このような正負両極性の直流バイアス電流を出力できる直流バイアス電源には、主に巻線式トランスが使用されてきた。 In an electrophotographic apparatus such as a copying machine or a printer, a DC bias power source for applying a positive high voltage output and a negative high voltage output is used for a transfer device or the like. This DC bias power source applies, for example, a DC bias current of several μA opposite in polarity to the charged toner to the paper while controlling the constant current, transfers the toner onto the paper, and then cleans the toner adhering to the roller or the like. For this purpose, a DC bias current having a reverse characteristic to that before transfer is applied. As a DC bias power source that can output such positive and negative DC bias currents, a wound transformer has been mainly used.
しかし、巻線式トランスは、絶縁体として有機物が使用されているので、可燃性の点で問題があった。また、直流バイアス電源は出力電流値が数μAという極めて微小な値であることにより、巻線式トランスは漏れ電流を極力少なくするために実装や構造での工夫が必要であった。 However, the winding transformer has a problem in terms of combustibility because an organic substance is used as an insulator. Also, since the DC bias power supply has an extremely small output current value of several μA, the winding transformer needs to be devised in terms of mounting and structure in order to minimize the leakage current.
これらの欠点を補うために、圧電トランスを用いて直流バイアス電源を構成することが考えられる。圧電トランスは、セラミックスからなることにより有機絶縁物を必要としないので燃焼の危険性がなく、しかも小型化及び軽量化が容易である、という優れた特徴を有する。なお、圧電トランスを用いた従来の電源装置については、例えば下記特許文献1に開示されている。
In order to compensate for these drawbacks, it is conceivable to form a DC bias power source using a piezoelectric transformer. Since the piezoelectric transformer is made of ceramics and does not require an organic insulator, there is no risk of combustion, and it has excellent characteristics that it can be easily reduced in size and weight. A conventional power supply device using a piezoelectric transformer is disclosed in, for example,
圧電トランスを用いた直流バイアス電源において、出力電流を定電流で制御する場合、負荷抵抗が大きくなると出力電圧を高くすることによって定電流を維持しようとするので、無負荷時に出力電圧が最大となる。これをそのまま放置すると、圧電トランスに過大な機械的振動が加わることにより、圧電トランスが損傷することがある。そこで、出力回路に抵抗器を挿入して出力電圧を検出し、その出力電圧が一定以上にならないように制御することが考えられる。このとき、抵抗器に流れる電流(以下「出力電圧検出電流」という。)は、例えば出力電圧が6kV、抵抗器の抵抗値が100MΩであれば、60μAである。 In a DC bias power source using a piezoelectric transformer, when the output current is controlled at a constant current, the output voltage becomes maximum when there is no load because the constant voltage is maintained by increasing the output voltage when the load resistance increases. . If this is left as it is, the piezoelectric transformer may be damaged by applying excessive mechanical vibration to the piezoelectric transformer. Therefore, it is conceivable to insert a resistor in the output circuit, detect the output voltage, and control the output voltage not to exceed a certain level. At this time, the current flowing through the resistor (hereinafter referred to as “output voltage detection current”) is, for example, 60 μA when the output voltage is 6 kV and the resistance value of the resistor is 100 MΩ.
しかし、直流バイアス電源では、負荷に流れる出力電流が数μAとあまりに微小なため、出力電流の数十倍の出力電圧検出電流が混在することにより、出力電流を制御する際の精度が低下するという問題が生じる。例えば、出力電圧検出電流が出力電流検出部に流れ込むことによって、出力電流の検出精度が低下する。 However, in the DC bias power supply, the output current flowing through the load is so small as several μA, and the output voltage detection current that is several tens of times the output current is mixed, so that the accuracy in controlling the output current is reduced. Problems arise. For example, when the output voltage detection current flows into the output current detection unit, the output current detection accuracy decreases.
更に、圧電トランスの二次側(出力側)に設けた抵抗器の電圧降下を一次側(入力側)へフィードバックすることにより、一次側と二次側との絶縁性が損なわれる。その結果、例えば一次側と二次側とで相互にノイズが影響し合う、という問題が生ずる。 Furthermore, by feeding back the voltage drop of the resistor provided on the secondary side (output side) of the piezoelectric transformer to the primary side (input side), the insulation between the primary side and the secondary side is impaired. As a result, there arises a problem that, for example, noise affects each other on the primary side and the secondary side.
そこで、本発明の第一の目的は、出力電流の制御精度を落とすことなく、出力電圧を検出し得る、圧電トランスを用いた電源装置を提供することにある。本発明の第二の目的は、圧電トランスの一次側と二次側との絶縁性を向上し得る、圧電トランスを用いた電源装置を提供することにある。 Therefore, a first object of the present invention is to provide a power supply device using a piezoelectric transformer that can detect an output voltage without degrading the control accuracy of the output current. A second object of the present invention is to provide a power supply device using a piezoelectric transformer that can improve insulation between the primary side and the secondary side of the piezoelectric transformer.
本発明に係る電源装置は、印加された駆動電圧を変圧して出力電圧として負荷へ供給する圧電トランスと、圧電トランスの出力電圧を検出する電圧検出手段を有する出力検出部と、出力検出部で検出された出力電圧に基づき駆動電圧を制御する駆動電圧制御部と、駆動電圧制御部で制御された駆動電圧を圧電トランスに印加する駆動部と、を備えたものである。そして、電圧検出手段は、圧電トランスの出力電圧による静電誘導電圧を検出する電圧検出電極である(請求項1)。 A power supply device according to the present invention includes a piezoelectric transformer that transforms an applied drive voltage and supplies it to a load as an output voltage, an output detection unit having voltage detection means for detecting the output voltage of the piezoelectric transformer, and an output detection unit. A drive voltage control unit that controls the drive voltage based on the detected output voltage, and a drive unit that applies the drive voltage controlled by the drive voltage control unit to the piezoelectric transformer are provided. The voltage detection means is a voltage detection electrode that detects an electrostatic induction voltage due to the output voltage of the piezoelectric transformer.
圧電トランスの出力電圧によって、圧電トランスの周囲に静電誘導電圧が発生する。このとき、出力電圧が高ければ静電誘導電圧も高くなり、出力電圧が低ければ静電誘導電圧も低くなるので、出力電圧と静電誘導電圧とは対応関係にある。したがって、圧電トランスの周囲の静電誘導電圧を検出することにより、圧電トランスの出力電圧を間接的に検出できることになる。 An electrostatic induction voltage is generated around the piezoelectric transformer due to the output voltage of the piezoelectric transformer. At this time, if the output voltage is high, the electrostatic induction voltage is also high, and if the output voltage is low, the electrostatic induction voltage is low, so that the output voltage and the electrostatic induction voltage have a corresponding relationship. Therefore, the output voltage of the piezoelectric transformer can be indirectly detected by detecting the electrostatic induction voltage around the piezoelectric transformer.
本発明における電圧検出電極は、圧電トランスの出力電圧による静電誘導電圧を検出する。駆動電圧制御部は、この静電誘導電圧に基づき駆動電圧を制御する。駆動部は、制御された駆動電圧を圧電トランスに印加する。圧電トランスは、印加された駆動電圧を変圧して出力電圧として負荷へ供給する。その出力電圧による静電誘導電圧を電圧検出電極が検出し、前述の動作が繰り返される。このように、電圧検出電極によって間接的に出力電圧を検出するので、出力電圧を検出する際に抵抗器を使用しないで済む。そのため、出力電圧検出電流と出力電流とが混在しないので、出力電流の制御精度を落とすことなく、出力電圧を測定し得る。 The voltage detection electrode in the present invention detects an electrostatic induction voltage due to the output voltage of the piezoelectric transformer. The drive voltage control unit controls the drive voltage based on the electrostatic induction voltage. The drive unit applies a controlled drive voltage to the piezoelectric transformer. The piezoelectric transformer transforms the applied drive voltage and supplies it as an output voltage to the load. The voltage detection electrode detects the electrostatic induction voltage due to the output voltage, and the above-described operation is repeated. Thus, since the output voltage is indirectly detected by the voltage detection electrode, it is not necessary to use a resistor when detecting the output voltage. Therefore, since the output voltage detection current and the output current are not mixed, the output voltage can be measured without degrading the control accuracy of the output current.
請求項2記載の電源装置は、請求項1記載の電源装置において、電圧検出電極は、圧電トランスが実装されるプリント配線板上に、そのプリント配線板の配線とともに形成されたものである。
The power supply device according to
電圧検出電極はプリント配線板の配線とともに同時に形成するので、電圧検出電極形成用として別の工程を設ける必要がない。また、電圧検出電極とプリント配線板の配線との接続は、配線形成時に同時になされるので別の工程が不要であるし、構造も簡単である。 Since the voltage detection electrode is formed simultaneously with the wiring of the printed wiring board, it is not necessary to provide a separate process for forming the voltage detection electrode. In addition, since the connection between the voltage detection electrode and the wiring of the printed wiring board is made at the same time when the wiring is formed, a separate process is unnecessary and the structure is simple.
また、プリント配線板の一方の面に圧電トランスが実装され、プリント配線板の他方の面に圧電トランスと対向して電圧検出電極が形成された、としてもよい。このとき、圧電トランスと電圧検出電極とが、プリント配線板を挟んで対向している。そのため、圧電トランスと電圧検出電極との沿面距離は、プリント配線板の一方の面の圧電トランスからプリント配線板の周端を通ってプリント配線板の他方の面の電圧検出電極までの距離であるから、十分に長い。したがって、圧電トランスと電圧検出電極との間の絶縁性が良い。 Alternatively, a piezoelectric transformer may be mounted on one surface of the printed wiring board, and a voltage detection electrode may be formed on the other surface of the printed wiring board so as to face the piezoelectric transformer. At this time, the piezoelectric transformer and the voltage detection electrode are opposed to each other with the printed wiring board interposed therebetween. Therefore, the creeping distance between the piezoelectric transformer and the voltage detection electrode is the distance from the piezoelectric transformer on one side of the printed wiring board to the voltage detection electrode on the other side of the printed wiring board through the peripheral edge of the printed wiring board. From long enough. Therefore, the insulation between the piezoelectric transformer and the voltage detection electrode is good.
請求項3記載の電源装置は、請求項1又は2記載の電源装置において、駆動電圧制御部は、電圧検出電極によって検出された静電誘導電圧のみによって、駆動電圧を制御するものである。 A power supply device according to a third aspect is the power supply device according to the first or second aspect, wherein the drive voltage control unit controls the drive voltage only by the electrostatic induction voltage detected by the voltage detection electrode.
電圧検出電極は一次側に設けられるので、電圧検出電極を設けても一次側と二次側との絶縁性が損なわれない。 Since the voltage detection electrode is provided on the primary side, the insulation between the primary side and the secondary side is not impaired even if the voltage detection electrode is provided.
請求項4記載の電源装置は、請求項1又は2記載の電源装置において、出力検出部は、圧電トランスの出力電流を検出する電流検出手段を更に有し、駆動電圧制御部は、出力検出部で検出された出力電圧が設定値を超えないように、かつ出力検出部で検出された出力電流が設定値に等しくなるように、駆動電圧を制御するものである。
The power supply device according to claim 4 is the power supply device according to
出力電流を設定値になるように制御する場合、出力電流が小さくなると出力電圧を高くすることによって設定値を維持しようとする。しかし、出力電圧が過大になると、圧電トランスが損傷することがある。そこで、電圧検出電極によって出力電圧を検出し、その出力電圧が設定値以上にならないように制御する。このように、出力電流の制御精度を落とすことなく出力電圧を測定し得るので、本発明は出力電流の定電流制御に好適である。 When controlling the output current to be a set value, the output voltage is increased to maintain the set value as the output current decreases. However, when the output voltage becomes excessive, the piezoelectric transformer may be damaged. Therefore, the output voltage is detected by the voltage detection electrode, and control is performed so that the output voltage does not exceed the set value. As described above, since the output voltage can be measured without reducing the control accuracy of the output current, the present invention is suitable for the constant current control of the output current.
請求項5記載の電源装置は、請求項4記載の電源装置において、駆動電圧制御部は、駆動電圧の周波数及びデューティ比の少なくとも一方を制御することにより駆動電圧を制御するものである。 A power supply device according to a fifth aspect is the power supply device according to the fourth aspect, wherein the drive voltage control unit controls the drive voltage by controlling at least one of a frequency of the drive voltage and a duty ratio.
一般に、圧電トランスの周波数制御において、周波数が共振周波数であるとき、出力電圧(出力電流)及び効率が最大になる。一般に、圧電トランスのデューティ比制御において、デューティ比が50%であるとき、出力電圧(出力電流)及び効率が最大になる。したがって、これらの条件を組み合わせることにより、一般的な圧電トランスの周波数及びデューティ比同時制御において出力電流及び効率の最大値が得られる。 In general, in frequency control of a piezoelectric transformer, when the frequency is a resonance frequency, the output voltage (output current) and the efficiency are maximized. Generally, in the duty ratio control of the piezoelectric transformer, when the duty ratio is 50%, the output voltage (output current) and the efficiency are maximized. Therefore, by combining these conditions, the maximum value of the output current and efficiency can be obtained in the simultaneous frequency and duty ratio simultaneous control of a general piezoelectric transformer.
駆動電圧の周波数を共振周波数よりも高くしても低くしても、出力電圧(出力電流)を下げることができる。ただし、次の理由により、共振周波数よりも高い方を使用した方が好ましい。(1).同じ出力電圧であれば低周波側よりも高周波側の方が効率がよい。(2).圧電トランスは、一定以上の出力電圧を得るように周波数を変化させると、図8のような非線形現象が現れる。すなわち、高い周波数側から共振周波数に近づけた場合と、低い周波数側から共振周波数に近づけた場合とで、最大出力電圧が得られる周波数が異なる。特に低い周波数側からスキャンすると、いわゆるジャンプ現象が発生して、周波数変化に対する出力電圧変化が極めて大きくなる。したがって、共振周波数よりも高い方からスキャンすると、周波数変化に対する出力電圧変化が小さいので、出力電圧を高精度に制御できる。 The output voltage (output current) can be lowered regardless of whether the frequency of the drive voltage is higher or lower than the resonance frequency. However, it is preferable to use a higher frequency than the resonance frequency for the following reason. (1) If the output voltage is the same, the high frequency side is more efficient than the low frequency side. (2) When the frequency of the piezoelectric transformer is changed so as to obtain an output voltage exceeding a certain level, a nonlinear phenomenon as shown in FIG. 8 appears. That is, the frequency at which the maximum output voltage is obtained is different between the case where the resonance frequency is approached from the high frequency side and the case where the resonance frequency is approached from the low frequency side. In particular, when scanning from the lower frequency side, a so-called jump phenomenon occurs, and the output voltage change with respect to the frequency change becomes extremely large. Therefore, when scanning from the side higher than the resonance frequency, the output voltage change with respect to the frequency change is small, so that the output voltage can be controlled with high accuracy.
請求項6記載の電源装置は、請求項5記載の電源装置において、出力電流が最大値となる周波数及びデューティ比をそれぞれF1,D1とし、出力電流が最小値となる周波数及びデューティ比をそれぞれF2,D2としたとき、駆動電圧制御部は、検出された出力電流が設定値よりも小さければ周波数及びデューティ比をそれぞれF1及びD1に近づけ、逆に検出された出力電流が設定値よりも大きければ周波数及びデューティ比をそれぞれF2及びD2に近づける、というものである。 The power supply device according to claim 6 is the power supply device according to claim 5, wherein the frequency and duty ratio at which the output current is maximum are F1 and D1, respectively, and the frequency and duty ratio at which the output current is minimum are F2 respectively. , D2, the drive voltage control unit brings the frequency and the duty ratio closer to F1 and D1, respectively, if the detected output current is smaller than the set value, and conversely if the detected output current is larger than the set value. The frequency and the duty ratio are made closer to F2 and D2, respectively.
出力電圧が増加すると出力電流も増加し、出力電圧が減少すると出力電流も減少する。そのため、駆動電圧の周波数をF1に近づけると出力電圧(出力電流)が増加する。ここで、デューティ比をD1に近づけると出力電圧(出力電流)が増加する。したがって、周波数をF1に近づけ、かつデューティ比をD1に近づけると、より一層出力電圧(出力電流)が増加する。一方、駆動電圧の周波数をF2に近づけると出力電圧(出力電流)が減少する。また、デューティ比をD2に近づけると出力電圧(出力電流)が減少する。したがって、周波数をF2に近づけ、かつデューティ比をD2に近づけると、より一層出力電圧(出力電流)が減少する。このように、周波数の範囲とデューティ比の範囲とを一定の関係にすることにより、周波数及びデューティ比を同時に制御することを可能にしている。 When the output voltage increases, the output current increases, and when the output voltage decreases, the output current also decreases. Therefore, the output voltage (output current) increases when the frequency of the drive voltage is brought close to F1. Here, when the duty ratio approaches D1, the output voltage (output current) increases. Therefore, the output voltage (output current) further increases when the frequency is close to F1 and the duty ratio is close to D1. On the other hand, when the frequency of the drive voltage is brought close to F2, the output voltage (output current) decreases. Further, when the duty ratio is brought close to D2, the output voltage (output current) decreases. Therefore, the output voltage (output current) is further reduced when the frequency is close to F2 and the duty ratio is close to D2. As described above, the frequency and the duty ratio can be controlled at the same time by making the frequency range and the duty ratio range constant.
請求項7記載の電源装置は、請求項5又は6記載の電源装置において、駆動電圧制御部は、周波数可変の三角波電圧Vbを生成する周波数制御部と、周波数制御部で生成された三角波電圧Vbと電圧値可変の直流電圧Vaとを比較し、Va<Vbである時間とVa>Vbである時間とに基づきデューディ比を定めるデューディ比制御部と、出力検出部で検出された出力電圧に基づき、直流電圧Vaの電圧値及び三角波電圧Vbの周波数の少なくとも一方を変える電圧制御部と、出力検出部で検出された出力電流に基づき、直流電圧Vaの電圧値及び三角波電圧Vbの周波数の少なくとも一方を変える電流制御部とを備えたものである。 The power supply device according to claim 7 is the power supply device according to claim 5 or 6, wherein the drive voltage control unit includes a frequency control unit that generates a variable frequency triangular wave voltage Vb, and a triangular wave voltage Vb generated by the frequency control unit. And a voltage value variable DC voltage Va, and a duty ratio control unit that determines a duty ratio based on a time when Va <Vb and a time when Va> Vb, and based on an output voltage detected by the output detection unit A voltage control unit that changes at least one of the voltage value of the DC voltage Va and the frequency of the triangular wave voltage Vb, and at least one of the voltage value of the DC voltage Va and the frequency of the triangular wave voltage Vb based on the output current detected by the output detection unit. And a current control unit for changing.
ここでは、Va<Vbである時間をオン時間とし、Va>Vbである時間をオフ時間とする。このとき、検出された出力電流が設定値よりも低ければ、電流制御部は、例えば、直流電圧Vaの電圧値を下げ、かつ三角波電圧Vbの周波数を下げる。すると、(オン時間)/(オン時間+オフ時間)が増えることによりデューティ比が50%に近づき、(オン時間+オフ時間)が増えることにより周波数が共振周波数に近づく。逆に、検出された出力電流が設定値よりも高ければ、電流制御部は、例えば、直流電圧Vaの電圧値を上げ、かつ三角波電圧Vbの周波数を上げる。すると、(オン時間)/(オン時間+オフ時間)が減ることによりデューティ比が50%から遠ざかり、(オン時間+オフ時間)が減ることにより周波数が共振周波数から遠ざかる。 Here, the time when Va <Vb is the on time, and the time when Va> Vb is the off time. At this time, if the detected output current is lower than the set value, for example, the current control unit lowers the voltage value of the DC voltage Va and lowers the frequency of the triangular wave voltage Vb. Then, the duty ratio approaches 50% by increasing (ON time) / (ON time + OFF time), and the frequency approaches the resonance frequency by increasing (ON time + OFF time). Conversely, if the detected output current is higher than the set value, the current control unit, for example, increases the voltage value of the DC voltage Va and increases the frequency of the triangular wave voltage Vb. Then, the duty ratio is moved away from 50% by decreasing (ON time) / (ON time + OFF time), and the frequency is moved away from the resonance frequency by decreasing (ON time + OFF time).
一方、検出された出力電圧が設定値よりも低ければ、電圧制御部は何も動作しない。逆に、検出された出力電圧が設定値よりも高ければ(又は設定値を超えそうになると)、電圧制御部は、例えば、直流電圧Vaの電圧値を上げ、かつ三角波電圧Vbの周波数を上げる。すると、(オン時間)/(オン時間+オフ時間)が減ることによりデューティ比が50%から遠ざかり、(オン時間+オフ時間)が減ることにより周波数が共振周波数から遠ざかる。このようにして、駆動電圧制御部は、検出された出力電流が設定値に等しくなるように、かつ検出された出力電圧が設定値を超えないように、駆動電圧の印加に使用する周波数及びデューティ比を同時に制御する。 On the other hand, if the detected output voltage is lower than the set value, the voltage control unit does not operate. On the other hand, if the detected output voltage is higher than the set value (or if it is about to exceed the set value), the voltage control unit increases the voltage value of the DC voltage Va and increases the frequency of the triangular wave voltage Vb, for example. . Then, the duty ratio moves away from 50% by decreasing (ON time) / (ON time + OFF time), and the frequency moves away from the resonance frequency by decreasing (ON time + OFF time). In this way, the drive voltage control unit controls the frequency and duty used to apply the drive voltage so that the detected output current becomes equal to the set value and the detected output voltage does not exceed the set value. Control the ratio simultaneously.
請求項8記載の電源装置は、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電源装置において、電子写真装置の直流バイアス電源として用いられるものである。 A power supply apparatus according to an eighth aspect of the present invention is the power supply apparatus according to any one of the first to seventh aspects, wherein the power supply apparatus is used as a DC bias power supply for an electrophotographic apparatus.
この直流バイアス電源は、例えば、出力電流がほぼ0〜数μAまで変化し、出力電圧が数10Vから3kV程度まで変化し、負荷が数10MΩから10GΩ程度まで変化する特性が要求されるので、本発明の電源装置が好適である。 This DC bias power supply is required to have characteristics that, for example, the output current varies from approximately 0 to several μA, the output voltage varies from several tens of volts to approximately 3 kV, and the load varies from several tens of MΩ to approximately 10 GΩ. The power supply device of the invention is suitable.
換言すると、本発明は、圧電トランスの出力側の導電部分から一定の間隔を持ち、圧電トランスが実装されているプリント配線板上に誘導電圧を検出するパターン(電極)を形成し、そこで検出した誘導電圧を直流電圧に整流し、その電圧で最大出力電圧を制御する。圧電トランスの出力側に直接接触していないため、圧電トランスの負荷特性に影響を与えず、また出力電流の検出部分とは別のところで検出しているために、精度のよい定電流の制御ができる。また、機構的に一定の位置で誘導電圧を検出することにより、出力電圧に比例した安定した誘導電圧を検出しているので、無負荷電圧の精度も確保できる。このように、広い負荷範囲で出力電流を定電流で動作させる制御を行う、圧電トランスの高圧電源装置において、無負荷電圧を安定して制御することができる。 In other words, the present invention forms a pattern (electrode) for detecting the induced voltage on the printed wiring board on which the piezoelectric transformer is mounted, having a certain distance from the conductive portion on the output side of the piezoelectric transformer, and the detection is performed there. The induced voltage is rectified to a DC voltage, and the maximum output voltage is controlled by that voltage. Since it is not in direct contact with the output side of the piezoelectric transformer, it does not affect the load characteristics of the piezoelectric transformer, and since it is detected separately from the output current detection part, accurate constant current control is possible. it can. Further, by detecting the induced voltage at a mechanically fixed position, a stable induced voltage proportional to the output voltage is detected, so that the accuracy of the no-load voltage can be ensured. In this way, in a high voltage power supply device for a piezoelectric transformer that performs control to operate an output current with a constant current in a wide load range, the no-load voltage can be stably controlled.
本発明に係る電源装置によれば、圧電トランスの出力電圧を静電誘導電圧によって間接的に検出することにより、出力電圧を検出するための抵抗器を不要にできるので、出力電流の制御精度を落とすことなく出力電圧を検出できる。また、本発明に係る電源装置によれば、各請求項ごとに次の効果も奏する。 According to the power supply device of the present invention, since the output voltage of the piezoelectric transformer is indirectly detected by the electrostatic induction voltage, a resistor for detecting the output voltage can be eliminated, so that the output current control accuracy can be improved. The output voltage can be detected without dropping. Moreover, according to the power supply device which concerns on this invention, there exists the following effect for every claim.
請求項2記載の電源装置によれば、圧電トランスが実装されるプリント配線板上にその配線とともに電圧検出電極を形成することにより、プリント配線板の配線形成工程で同時に電圧検出電極を形成できる。これに加え、電圧検出電極とプリント配線板の配線との接続は、配線形成時に同時になされるので別の工程が不要であるし、構造も簡単である。したがって、製造工程及び構造の複雑化を抑えることができる。 According to the power supply device of the second aspect, by forming the voltage detection electrode together with the wiring on the printed wiring board on which the piezoelectric transformer is mounted, the voltage detection electrode can be formed simultaneously in the wiring forming process of the printed wiring board. In addition to this, the connection between the voltage detection electrode and the wiring of the printed wiring board is made at the same time when the wiring is formed, so that another process is unnecessary and the structure is simple. Therefore, the complexity of the manufacturing process and structure can be suppressed.
請求項3記載の電源装置によれば、静電誘導電圧のみによって駆動電圧を制御することにより、一次側の構成内でのフィードバック制御が可能となるので、一次側と二次側との絶縁性を向上できる。 According to the power supply device of the third aspect, by controlling the drive voltage only by the electrostatic induction voltage, it becomes possible to perform feedback control in the configuration on the primary side, so that insulation between the primary side and the secondary side is possible. Can be improved.
請求項4記載の電源装置によれば、圧電トランスの出力電圧を静電誘導電圧によって間接的に検出することにより、定電流制御で起こりがちな出力電圧の過大化を、出力電流の制御精度を落とすことなく制御できる。 According to the power supply device of the fourth aspect, the output voltage of the piezoelectric transformer is indirectly detected by the electrostatic induction voltage, so that the output voltage that tends to occur in the constant current control is increased, and the control accuracy of the output current is increased. Control without dropping.
請求項5記載の電源装置によれば、駆動電圧の周波数及びデューティ比の少なくとも一方を制御することにより、周波数制御とデューティ比制御とを組み合わせて、出力電流の可変幅の広い駆動電圧制御を実現できる。 According to the power supply device of claim 5, by controlling at least one of the frequency and duty ratio of the drive voltage, the drive voltage control with a wide variable range of the output current is realized by combining the frequency control and the duty ratio control. it can.
請求項6記載の電源装置は、駆動電圧の周波数及びデューティ比を、最小出力電流が得られる周波数及びデューティ比の組み合わせ、又は最大出力電流が得られる周波数及びデューティ比の組み合わせのどちらかに一方に近づけることにより、極めて広い出力電流幅を得ることができる。 The power supply device according to claim 6, wherein the frequency and duty ratio of the driving voltage are set to one of a combination of a frequency and a duty ratio at which a minimum output current is obtained, or a combination of a frequency and a duty ratio at which a maximum output current is obtained. By bringing them closer, an extremely wide output current width can be obtained.
請求項7記載の電源装置は、検出出力電流と設定出力電流との差に基づき直流電圧Vaの電圧値及び三角波電圧Vbの周波数を変え、直流電圧Vaと三角波電圧Vbとを比較して周波数及びデューディ比を定めることにより、極めて広い出力電流幅を得ることができる。 The power supply device according to claim 7 changes the voltage value of the DC voltage Va and the frequency of the triangular wave voltage Vb based on the difference between the detected output current and the set output current, and compares the DC voltage Va with the triangular wave voltage Vb to compare the frequency and By defining the duty ratio, an extremely wide output current width can be obtained.
請求項8の電源装置によれば、例えば、出力電流がほぼ0から数μAまで変化し、出力電圧が数10Vから3kV程度まで変化し、負荷が数10MΩから10GΩ程度まで変化する特性を容易に満たすことができるので、電子写真装置の直流バイアス電源として好適に用いることができる。 According to the power supply device of the eighth aspect, for example, the characteristics in which the output current changes from almost 0 to several μA, the output voltage changes from several tens of V to about 3 kV, and the load changes from several tens of MΩ to about 10 GΩ. Therefore, it can be suitably used as a DC bias power source for an electrophotographic apparatus.
図1は、本発明に係る電源装置の一実施形態を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a power supply device according to the present invention. Hereinafter, description will be given based on this drawing.
本実施形態の電源装置10は、正(プラス)の直流バイアス電圧を出力する正電圧電源101と、負(マイナス)の直流バイアス電圧を出力する負電圧電源102と、正電圧電源101と負電圧電源102との出力をどちらか一方に切り替える出力切替部12と、負荷90に流れる電流を検出する電流検出部13とを備えている。出力切替部12は、例えば切替信号SがHレベルであれば入力電圧Vinを正電圧電源101にだけ供給し、切替信号SがLレベルであれば入力電圧Vinを負電圧電源102にだけ供給する。
The
正電圧電源101は、印加された駆動電圧Vdを変圧して出力電圧Voとして負荷90へ供給する圧電トランス20と、圧電トランス20の出力電圧Voを検出する電圧検出電極11を有する電圧検出部14と、電圧検出部14で検出された出力電圧Voに基づき駆動電圧Vdを制御する駆動電圧制御部15と、駆動電圧制御部15で制御された駆動電圧Vdを圧電トランス20に印加する駆動部16とを備えたものである。駆動部16は、FET161、インダクタ162、コンデンサ163等から成る。
The positive
駆動電圧制御部15は、周波数可変の三角波電圧Vbを生成する周波数制御部60と、周波数制御部60で生成された三角波電圧Vbと電圧値可変の直流電圧Vaとを比較し、Va<Vbである時間とVa>Vbである時間とに基づきデューディ比を定めるデューディ比制御部70と、電圧検出部14で検出された出力電圧Voに基づき、直流電圧Vaの電圧値及び三角波電圧Vbの周波数の少なくとも一方を変える電圧制御部40と、電流検出部13で検出された出力電流Ioに基づき、直流電圧Vaの電圧値及び三角波電圧Vbの周波数の少なくとも一方を変える電流制御部50とを備えている。
The driving
正電圧電源101の入力側には、F−V変換部17及び基準電圧部18が付設されている。F−V変換部17は、例えば出力電流Ioの設定値に対応する制御信号PWMを入力する。基準電圧部18は、出力電流Ioの設定値に対応する基準電圧Vrを駆動電圧制御部15へ出力する。これにより、駆動電圧制御部14は、電流検出部13で検出された出力電流Ioが設定値に等しくなるように、駆動電圧Vdの周波数F及びデューティ比Duの少なくとも一方を制御する。同時に、駆動電圧制御部14は、電圧検出部14で検出された出力電圧Voが、別途定められた設定値を超えないように、駆動電圧Vdの周波数F及びデューティ比Duの少なくとも一方を制御する。なお、F−V変換部17及び基準電圧部18は、例えば基準電圧Vrが常に一定であれば不要である。
An
正電圧電源101の出力側には、高圧整流部191が付設されている。高圧整流部191は、圧電トランス20の出力電圧Voを正の直流電圧に整流して、これを負荷90へ印加する。負電圧電源102は、高圧整流部192を除き、正電圧電源101とほぼ同じ構成である。高圧整流部192は、圧電トランス20の出力電圧Voを負の直流電圧に整流して、これを負荷90へ印加する。正電圧電源101と負電圧電源10とにおいて、同じ構成要素には同じ符号を付す。
A high-
圧電トランス20は、圧電振動体21に一次電極22,23と二次電極24とを設け、一次側を厚さ方向(図1上下方向)に分極し、二次側を長さ方向(図1左右方向)に分極して成る。一次電極22,23は、圧電振動体21を挟んで対向している。圧電振動体21は、PZT等の圧電セラミックスからなり、板状(直方体状)を呈している。圧電振動体21の長さ方向において、一端からその長さの例えば半分までに一次電極22,23が設けられ、他端に二次電極24が設けられている。一次側に長さ寸法で決まる固有共振周波数frの駆動電圧Vdを入力すると、逆圧電効果により強い機械振動を起こし、圧電効果によりその振動に見合った高い出力電圧Voが二次側から出力される。出力電圧Voは負荷90に印加される。
The
次に、電源装置10の作用及び効果について説明する。圧電トランス20の出力電圧Voによって、圧電トランス20の周囲に静電誘導電圧Vsが発生する。このとき、出力電圧Voが高ければ静電誘導電圧Vsも高くなり、出力電圧Voが低ければ静電誘導電圧Vsも低くなるので、出力電圧Voと静電誘導電圧Vsとは対応関係にある。したがって、電圧検出電極11は、圧電トランス20の周囲の静電誘導電圧Vsを検出することにより、圧電トランス20の出力電圧Voを間接的に検出することができる。
Next, the operation and effect of the
このように、電圧検出電極11は、圧電トランス20の出力電圧Voによる静電誘導電圧Vsを検出する。駆動電圧制御部15は、静電誘導電圧Vsに基づき駆動電圧Vsを制御する。駆動部17は、制御された駆動電圧Vdを圧電トランス20に印加する。圧電トランス20は、印加された駆動電圧Vdを変圧して出力電圧Voとして負荷90へ供給する。その出力電圧Voによる静電誘導電圧Vsを電圧検出電極11が検出し、前述の動作が繰り返される。このとき、電圧検出電極11によって間接的に出力電圧Voを検出するので、出力電圧Voを検出する際に抵抗器を使用しないで済む。そのため、出力電圧Voを検出するための電流が出力電流Ioに混在し得ないので、出力電流Ioの制御精度を落とすことなく、出力電圧Voを検出できる。
Thus, the
また、駆動電圧制御部15は、電圧検出電極11によって検出された静電誘導電圧Vsのみによって、すなわち電流検出部13を設けないで、駆動電圧Vdを制御してもよい。この場合、電圧検出電極11は圧電トランス20の一次側に設けられるので、電圧検出電極11を設けても圧電トランス20の一次側と二次側との絶縁性が損なわれない。
Further, the drive
図2は図1の電源装置における電圧検出電極の一例を示し、図2[1]は電圧検出電極の平面図、図2[2]は図2[1]におけるI−I線断面図(圧電トランス側を上に図示)である。以下、図1及び図2に基づき説明する。 2 shows an example of the voltage detection electrode in the power supply device of FIG. 1, FIG. 2 [1] is a plan view of the voltage detection electrode, and FIG. 2 [2] is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. The transformer side is shown above). Hereinafter, a description will be given based on FIG. 1 and FIG.
圧電トランス20は、樹脂ケース25に封止されている。電圧検出電極11は、圧電トランス20が実装されるプリント配線板30上に、その配線31とともに形成されている。
The
プリント配線板30は、絶縁板32、導電体膜33、絶縁膜34等からなる一般的なものである。絶縁板32及び絶縁膜34は例えば合成樹脂である。導電体膜33は、例えば銅箔であり、所定形状に加工されて配線32や電圧検出電極11となる。絶縁板32の表面35には、図示しないが導電体膜及び絶縁膜が設けられ、圧電トランス20及び電源装置10の構成部品(図示せず)が実装され、配線(図示せず)も形成されている。絶縁板32の裏面36には、配線32や電圧検出電極11が形成され、これらの上が絶縁膜34で覆われている。ただし、図2[1]では絶縁膜34を省略して示している。
The printed
次に、プリント配線板30に配線32及び電圧検出電極11を形成する方法について説明する。まず、全面に導電体膜33が成膜された絶縁板32を用意する。そして、例えばフォトリソグラフィ及びエッチングを使って、導電体膜33を所定形状に加工して配線32及び電圧検出電極11を得る。最後に、配線32のはんだ付け部分を除き、配線32及び電圧検出電極11の上を絶縁膜34で覆う。
Next, a method for forming the
このように、電圧検出電極11はプリント配線板30の配線31とともに同時に形成するので、電圧検出電極11形成用として別の工程を設ける必要がない。また、電圧検出電極11とプリント配線板30の配線31との接続は、配線31形成時に同時になされるので別の工程が不要であるし、構造も簡単である。したがって、本実施形態の電源装置10によれば、圧電トランス20の振動を阻害せずに自励発振できる構成でありながら、製造工程及び構造の複雑化を抑えることができる。
Thus, since the
また、本実施形態では、プリント配線板30の一方の面に圧電トランス20が実装され、プリント配線板30の他方の面に圧電トランス20と対向して電圧検出電極11が形成されている。つまり、圧電トランス20と電圧検出電極11とがプリント配線板30を挟んで対向している。そのため、圧電トランス20と電圧検出電極11との沿面距離は、圧電トランス20からプリント配線板30の周端37までの距離L1と、プリント配線板30の厚さと、電圧検出電極11からプリント配線板30の周端37までの距離L2との和であるから、十分に長い。したがって、本実施形態の駆動回路10によれば、圧電トランス20と電圧検出電極11とを接近させても圧電トランス20と電圧検出電極11との沿面距離を十分に長くできるので、電圧検出電極11の感度を損なうことなく、圧電トランス20と電圧検出電極11との間の絶縁性を向上できる。
In the present embodiment, the
図3は、図1の電源装置における圧電トランスの入力側の構成を示す回路図である。図5は、図1及び図3の電源装置の各部分における波形を示す波形図である。図6は図1の電源装置の動作を示す波形図であり、図6[1]は出力電流(出力電圧)を低くする場合であり、図6[2]は出力電流(出力電圧)を高くする場合である。以下、図1、図3、図5及び図6に基づき説明する。 FIG. 3 is a circuit diagram showing the configuration of the input side of the piezoelectric transformer in the power supply device of FIG. FIG. 5 is a waveform diagram showing waveforms in each part of the power supply device of FIGS. 1 and 3. 6 is a waveform diagram showing the operation of the power supply device of FIG. 1, FIG. 6 [1] is a case where the output current (output voltage) is lowered, and FIG. 6 [2] is a case where the output current (output voltage) is increased. This is the case. Hereinafter, description will be made based on FIGS. 1, 3, 5, and 6.
図3では、周波数制御部60、デューディ比制御部70、電圧制御部40及び電流制御部50の各具体例が示されている。デューディ比制御部70は、直流電圧Va(図5波形A)と三角波電圧Vb(図5波形B)とを比較し、Va<Vbである時間とVa>Vbである時間とに基づき、駆動電圧Vd(図5波形D)を印加するときに使用する周波数F及びデューティ比Du(図5波形C)を定める。周波数制御部60は、三角波電圧Vbを生成する。電圧制御部40は、電圧検出部14から出力された出力電圧信号Vvに基づき、三角波電圧Vbの周波数を変える。電流制御部50は、電流検出部13から出力された出力電流信号Viと基準電圧部18から出力された基準電圧Vrとの差に基づき、直流電圧Vaの電圧値を変えるとともに、三角波電圧Vbの周波数を変える。
FIG. 3 shows specific examples of the
次に、各部の構成及び動作について、更に詳しく説明する。 Next, the configuration and operation of each unit will be described in more detail.
供給電圧V1,V2は、ツェナーダイオードや分圧用抵抗器を用いて入力電圧Viを下げて得られた、所定の電圧値である(V2>V1)。周波数制御部60は、コンパレータ61、FET62、コンデンサ63、抵抗器64〜68等からなる。コンパレータ61の−入力端子には、抵抗器64,65によって生成された供給電圧V1の分圧電圧V1−が印加される。コンパレータ61の+入力端子には、コンデンサ63の充電電圧V1+が印加される。充電電圧V1+は、抵抗器66等及びコンデンサ63によって決まる時定数で漸増する。充電電圧V1+が分圧電圧V1−を越えると、コンパレータ61の出力電圧がHレベルとなることによりFET62がオンとなって充電電圧V1+が放電される。この動作の繰り返しによって、連続した三角波電圧Vbが生成される。なお、抵抗器66等及びコンデンサ63によって決まる時定数は、出力電流Ioを最小値に絞ったときの周波数Fすなわち最高の周波数Fに設定する。
The supply voltages V1 and V2 are predetermined voltage values obtained by lowering the input voltage Vi using a Zener diode or a voltage dividing resistor (V2> V1). The
デューディ比制御部70は、コンパレータ71、ダイオード72、コンデンサ73、抵抗器74〜77等からなる。コンデンサ73はノイズ対策用である。コンパレータ71の−入力端子には、抵抗器75,76によって生成された供給電圧V1の分圧電圧である直流電圧Vaが印加される。コンパレータ71の+入力端子には、周波数制御部60から出力された三角波電圧Vbが印加される。コンパレータ71は、Va>VbであればLレベル電圧を出力し、Va<VbであればHレベル電圧を出力する。Lレベル出力時間がオフ時間であり、Hレベル出力時間がオン時間である。したがって、Hレベル出力時間/(Lレベル出力時間+Hレベル出力時間)がデューティ比Duであり、1/(Lレベル出力時間+Hレベル出力時間)が周波数Fである。
The duty
なお、直流電圧Vaは、出力電流Ioの設定値が最小となる電圧値又は抵抗器64,65とで決まる分圧電圧V1−よりも高く設定する。直流電圧Vaが分圧電圧V1−と同じであれば、デューティ比Duが0%のときにコンパレータ71の出力はLレベルとなる。この状態で直流電圧Vaを下げていくとデューティ比Duが増加し、初期値の1/2まで下げるとデューティ比Duが50%となる。
The DC voltage Va is set higher than the voltage value at which the set value of the output current Io is minimized or the divided voltage V1− determined by the
電流制御部50は、コンパレータ51、ダイオード52,53、コンデンサ54〜56、抵抗器57〜59等からなる。コンデンサ54は、コンパレータ51の入出力間の位相補償用である。ダイオード52及び抵抗器58はコンデンサ63の充電用であり、ダイオード53及び抵抗器59は直流電圧Vaの調整用である。抵抗器57は電流制限用であり、コンデンサ55,56はノイズ対策用である。コンパレータ51の+入力端子には基準電圧Vrが印加され、コンパレータ51の−入力端子には電流検出部13から出力された出力電流信号Viが印加される。コンパレータ51は、Vi<VrであればLレベル電圧を出力し、Vi>VrであればHレベル電圧を出力する。ただし、正電圧電源101における出力電流信号Viは、出力電流Ioが大きいほど低くなり、出力電流Ioが小さいほど高くなるように設定されている。
The
コンパレータ51からHレベル電圧が出力されると、抵抗器58→ダイオード52→コンデンサ63と電流が流れることにより、コンデンサ63の充電電流が増加する。その結果、三角波電圧Vbの傾きが急になるので、三角波電圧Vbの周波数Fが上昇する(図6[2]→[1])。また、コンパレータ51からHレベル電圧が出力されると、抵抗器76に流れる電流がダイオード53及び抵抗器59を介して増加することにより、直流電圧Vaが上昇するので、デューティ比Duが低下する(図6[2]→[1])。このとき、コンパレータ51からLレベル電圧が出力されると、ダイオード52,53に逆バイアス電圧が印加されて電流が流れなくなるので、三角波電圧Vbの周波数Fが低下するとともにデューティ比Duが上昇する(図6[1]→[2])。
When the H level voltage is output from the
なお、抵抗器58の抵抗値は、コンパレータ51の出力がLレベル電圧になったときに、コンデンサ63の充電時定数が共振周波数を下回らない範囲で、出力電流Ioの最大値及び最大負荷をカバーできる周波数になるように設定する。また、抵抗器59は、抵抗器75と抵抗器76との分圧電圧すなわち直流電圧Vaを変化させる。
The resistance value of the
また、負電圧電源102における出力電流信号Viは、出力電流Ioが小さいほど高くなり、出力電流Ioが大きいほど低くなるように設定されている。そのため、負電圧電源102におけるコンパレータ51は、正電圧電源101におけるコンパレータ51とは逆に、+入力端子に出力電流信号Viが印加され、−入力端子に基準電圧Vrが印加される。
Further, the output current signal Vi in the negative
電圧制御部40は、コンパレータ41、ダイオード42、コンデンサ43、抵抗器44,45等からなる。コンデンサ43は、コンパレータ41の入出力間の位相補償用である。ダイオード42及び抵抗器44はコンデンサ63の充電用である。抵抗器45は電流制限用である。コンパレータ41の+入力端子には電圧検出部14から出力された出力電圧信号Vvが印加され、コンパレータ41の−入力端子には供給電圧V1が印加される。コンパレータ41は、Vv<V1であればLレベル電圧を出力し、Vv>V1であればHレベル電圧を出力する。ただし、出力電圧信号Vvは、出力電圧Voが大きいほど高くなり、出力電圧Voが小さいほど低くなるように設定されている。
The
コンパレータ41からHレベル電圧が出力されると、抵抗器44→ダイオード42→コンデンサ63と電流が流れることにより、コンデンサ63の充電電流が増加する。その結果、三角波電圧Vbの傾きが急になるので、三角波電圧Vbの周波数Fが上昇する(図6[2]→[1])。このとき、コンパレータ51からLレベル電圧が出力されると、ダイオード42に逆バイアス電圧が印加されて電流が流れなくなるので、三角波電圧Vbの周波数Fが低下する(図6[1]→[2])。
When the H level voltage is output from the
図4は、図1の電源装置における圧電トランスの出力側の構成を示す回路図である。以下、図1及び図4乃至図6に基づき説明する。 FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of the output side of the piezoelectric transformer in the power supply device of FIG. Hereinafter, description will be given based on FIG. 1 and FIGS. 4 to 6.
図4では、高圧整流部191,192、電圧検出部14及び電流検出部13の各具体例が示されている。
In FIG. 4, specific examples of the high
高圧整流部191は、ダイオード193,194、コンデンサ195,196、抵抗器197等から成り、圧電トランス20から出力された交流電圧(図5波形E)を正の直流電圧に整流し、これを正の出力電圧Voとして負荷90に印加する。このときに負荷90に流れる電流が、正の出力電流Io+である。高圧整流部192は、ダイオード193’,194’の向きが反対になっている点を除き高圧整流部191と同じ構成であり、圧電トランス20から出力された交流電圧(図5波形E)を負の直流電圧に整流し、これを負の出力電圧Voとして負荷90に印加する。このときに負荷90に流れる電流が、負の出力電流Io−である。
The high-
電圧検出部14は、ダイオード141、コンデンサ142及び抵抗器143〜145から構成されている。圧電トランス20から発生した静電誘導電圧Vsは、圧電トランス20の近傍に設けられた電圧検出電極11によって検出され、電圧検出部14に入力する。電圧検出部14は、交流電圧から成る静電誘導電圧Vsを直流電圧に変換して、これを出力電圧信号Vvとして電圧制御部40へ出力する。
The
電流検出部13は、ダイオード131,132及び抵抗器133〜134から構成されている。正の出力電流Io+は、ダイオード131及び抵抗器133を通り、その絶対値が大きいほど低い電圧値の出力電流信号Viとなる。負の出力電流Io−は、ダイオード132及び抵抗器134を通り、その絶対値が大きいほど高い電圧値の出力電流信号Viとなる。電流検出部13は、出力電流Io+,Io−に対応する出力電流信号Viを電流制御部50へ出力する。
The
次に、図1乃至図8に基づき、電源装置10の全体の動作を説明する。
Next, the overall operation of the
本実施形態の電源装置10は、任意の出力電流Ioを設定するF−V変換部17及び基準電圧部18を備えている。F−V変換部17は、他の装置から出力された制御信号PWMを入力する。基準電圧部18は、そのデューティ比(例えば0〜100%)に対応する電圧値(例えば0〜5V)である基準信号Vrを出力する。基準信号Vrは、出力電流Ioに対応する設定値として、コンパレータ51の+入力端子へ出力される。
The
一方、出力切替部12は、選択信号Sを入力すると、正電圧電源101及び負電圧電源102のどちらか一方に直流の入力電圧Vinを供給する。入力電圧Vinから供給電圧V1,V2が生成され、更に供給電圧V1が分圧されて直流電圧Vaが生成されるとともに、周波数制御部60で三角波電圧Vbが生成される(図5波形A,B)。すると、コンパレータ71は、直流電圧Va及び三角波電圧Vbの大小を比較して、Hレベル電圧又はLレベル電圧を出力する(図5波形C)。この波形Cの周波数F及びデューティ比DuによってFET161がオン・オフし、これにより圧電トランス20に駆動電圧Vd(図5波形D)が印加される。すると、圧電トランス20は駆動電圧Vdを変圧して交流電圧(図4波形E)を出力する。この交流電圧は、整流されて直流の出力電圧Voとなって、負荷90へ供給される。出力電圧Voは、電圧検出部14で検出されて、出力電圧信号Vvとしてコンパレータ41の+入力端子へ出力される。コンパレータ41の−入力端子には、出力電圧Voの上限値に対応する電圧値である供給電圧V1が印加されている。このときに負荷90に流れる出力電流Ioは、電流検出部13で検出されて、出力電流信号Viとしてコンパレータ51の−入力端子へ出力される。コンパレータ51の+入力端子には、出力電流Ioの設定値に対応する基準電圧Vrが印加されている。なお、ここでは、正電圧電源101の電流制御部50についてのみ説明する。
On the other hand, when the selection signal S is input, the
ここで、出力電流Ioが負荷変動等により設定値よりも減少したとする。すると、出力電流Ioが減少するほど出力電流信号Viが上昇するので、コンパレータ51は、Vr<Viとなることにより、Lレベル電圧を出力する。これにより、三角波電圧Vbの傾きが緩くなるとともに直流電圧Vaが低下することにより、周波数Fが低下するとともにデューティ比Duが増加する(図6[1]→[2])。その結果、出力電圧Voが上昇して出力電流Ioも増加する。
Here, it is assumed that the output current Io has decreased from the set value due to a load change or the like. Then, since the output current signal Vi increases as the output current Io decreases, the
これとは逆に、出力電流Ioが負荷変動等により設定値よりも増加したとする。すると、コンパレータ51は、Vr>Viとなることにより、Hレベル電圧を出力する。これにより、三角波電圧Vbの傾きが急になるとともに直流電圧Vaが上昇することにより、周波数Fが上昇するとともにデューティ比Duが減少する(図6[2]→[1])。その結果、出力電圧Voが低下して出力電流Ioも減少する。
On the contrary, it is assumed that the output current Io has increased from the set value due to load fluctuation or the like. Then, the
また、出力電圧Voが上昇して上限値を超えたとすると、出力電圧Voが上昇するほど出力電圧信号Vvも上昇するので、コンパレータ41は、V1<Vvとなることにより、Hレベル電圧を出力する。その結果、三角波電圧Vbの傾きが急になることにより、周波数Fが減少するので、出力電圧Voが低下する。
Further, if the output voltage Vo rises and exceeds the upper limit value, the output voltage signal Vv rises as the output voltage Vo rises. Therefore, the
なお、周波数Fを変化させたときの出力変化とデューティ比Duを変化させたときの出力変化は、周波数Fを変化させたときの方がデューティ比Duを変化させたときよりもはるかに急峻であるため、周波数FとデューティDuを同時に変化させてもあるポイントで出力が平衡する。 Note that the output change when the frequency F is changed and the output change when the duty ratio Du is changed are much steeper when the frequency F is changed than when the duty ratio Du is changed. Therefore, the output is balanced at a certain point even if the frequency F and the duty Du are changed simultaneously.
図7は、電源装置10における周波数F及びデューティ比Duと出力電圧Voとの関係の一例を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the frequency F and the duty ratio Du and the output voltage Vo in the
このグラフは、横軸の一つの出力電圧Voに、縦軸の一つの周波数F及び一つのデューティ比Duが対応している。例えば、基準電圧Vrを0.15Vとすると、図示するように、周波数Fが165.00kHz(F1)かつデューティ比Duが51%(D1)となり、最大の出力電圧3300V(すなわち最大の出力電流)が得られる。また、基準電圧Vrを2.38Vとすると、図示するように、周波数Fが188.23kHz(F2)かつデューティ比Duが21%(D2)となり、最小の出力電圧6V(すなわち最小の出力電流)が得られる。 In this graph, one output voltage Vo on the horizontal axis corresponds to one frequency F and one duty ratio Du on the vertical axis. For example, when the reference voltage Vr is 0.15 V, as shown in the figure, the frequency F is 165.00 kHz (F1) and the duty ratio Du is 51% (D1), and the maximum output voltage 3300 V (that is, the maximum output current). Is obtained. If the reference voltage Vr is 2.38 V, the frequency F is 188.23 kHz (F2) and the duty ratio Du is 21% (D2), as shown in the figure, and the minimum output voltage 6 V (that is, the minimum output current). Is obtained.
図8は、電源装置10における周波数Fと出力電圧Voとの関係の一例を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the frequency F and the output voltage Vo in the
駆動電圧Vdの周波数Fは圧電トランス20の共振周波数よりも常に高くしている。図では、高周波側からスキャンした場合を実線で示し、低周波側からスキャンした場合を二点鎖線で示している。詳しく言えば、駆動電圧Vdの周波数Fは、低周波側からスキャンした場合に出力電圧Voの最大値(すなわち最大の出力電流)が得られる周波数(164kHz)よりも常に高くしている。
The frequency F of the drive voltage Vd is always higher than the resonance frequency of the
なお、本発明は、言うまでもなく、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、駆動電圧Vdの周波数Fやデューティ比Duを制御することに代えて、入力電圧Vinを制御することにより、駆動電圧Vdを制御してもよい。 Needless to say, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, instead of controlling the frequency F and the duty ratio Du of the drive voltage Vd, the drive voltage Vd may be controlled by controlling the input voltage Vin.
10 電源装置
101 正電圧電源
102 負電圧電源
11 電圧検出電極(出力検出部、電圧検出手段)
12 出力切替部
13 電流検出部(出力検出部)
133,134 抵抗器(出力検出部、電流検出手段)
14 電圧検出部(出力検出部)
15 駆動電圧制御部
16 駆動部
20 圧電トランス
30 プリント配線板
40 電圧制御部
50 電流制御部
60 周波数制御部
70 デューディ比制御部
90 負荷
DESCRIPTION OF
12
133,134 Resistor (output detection unit, current detection means)
14 Voltage detector (output detector)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電圧検出手段は、前記圧電トランスの出力電圧による静電誘導電圧を検出する電圧検出電極である、
ことを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。 A piezoelectric transformer that transforms the applied drive voltage and supplies it to the load as an output voltage, an output detection unit having voltage detection means for detecting the output voltage of the piezoelectric transformer, and an output voltage detected by the output detection unit A power supply device using a piezoelectric transformer, comprising: a driving voltage control unit that controls the driving voltage based on the driving voltage control unit; and a driving unit that applies the driving voltage controlled by the driving voltage control unit to the piezoelectric transformer.
The voltage detection means is a voltage detection electrode that detects an electrostatic induction voltage due to an output voltage of the piezoelectric transformer.
A power supply device using a piezoelectric transformer.
請求項1記載の圧電トランスを用いた電源装置。 The voltage detection electrode is formed on the printed wiring board on which the piezoelectric transformer is mounted together with the wiring of the printed wiring board.
A power supply device using the piezoelectric transformer according to claim 1.
請求項1又は2記載の圧電トランスを用いた電源装置。 The drive voltage control unit has a function of controlling the drive voltage only by an electrostatic induction voltage detected by the voltage detection electrode.
A power supply device using the piezoelectric transformer according to claim 1.
前記駆動電圧制御部は、前記出力検出部で検出された出力電圧が設定値を超えないように、かつ前記出力検出部で検出された出力電流が設定値に等しくなるように、前記駆動電圧を制御する機能を有する、
請求項1又は2記載の圧電トランスを用いた電源装置。 The output detection unit further includes current detection means for detecting an output current of the piezoelectric transformer,
The drive voltage control unit adjusts the drive voltage so that the output voltage detected by the output detection unit does not exceed a set value and the output current detected by the output detection unit is equal to the set value. Have the ability to control,
A power supply device using the piezoelectric transformer according to claim 1.
請求項4記載の圧電トランスを用いた電源装置。 The drive voltage control unit has a function of controlling the drive voltage by controlling at least one of a frequency and a duty ratio of the drive voltage;
A power supply device using the piezoelectric transformer according to claim 4.
前記駆動電圧制御部は、前記検出された出力電流が前記設定値よりも小さければ前記周波数及び前記デューティ比をそれぞれ前記F1及び前記D1に近づけ、逆に前記検出された出力電流が前記設定値よりも大きければ前記周波数及び前記デューティ比をそれぞれ前記F2及び前記D2に近づける機能を有する、
請求項5記載の圧電トランスを用いた電源装置。 When the frequency and the duty ratio at which the output current is maximum are F1 and D1, respectively, and the frequency and the duty ratio at which the output current is minimum are F2 and D2, respectively.
If the detected output current is smaller than the set value, the drive voltage control unit brings the frequency and the duty ratio closer to F1 and D1, respectively. Conversely, the detected output current is less than the set value. If larger, the frequency and the duty ratio have a function of approaching F2 and D2, respectively.
A power supply device using the piezoelectric transformer according to claim 5.
周波数可変の三角波電圧Vbを生成する周波数制御部と、
この周波数制御部で生成された三角波電圧Vbと電圧値可変の直流電圧Vaとを比較し、Va<Vbである時間とVa>Vbである時間とに基づき前記デューディ比を定めるデューディ比制御部と、
前記出力検出部で検出された出力電圧に基づき、前記直流電圧Vaの電圧値及び前記三角波電圧Vbの周波数の少なくとも一方を変える電圧制御部と、
前記出力検出部で検出された出力電流に基づき、前記直流電圧Vaの電圧値及び前記三角波電圧Vbの周波数の少なくとも一方を変える電流制御部とを備えた、
請求項5又は6記載の圧電トランスを用いた電源装置。 The drive voltage controller is
A frequency control unit for generating a variable frequency triangular wave voltage Vb;
A duty ratio control unit that compares the triangular wave voltage Vb generated by the frequency control unit with a DC voltage Va having a variable voltage value and determines the duty ratio based on a time in which Va <Vb and a time in which Va>Vb; ,
A voltage control unit that changes at least one of the voltage value of the DC voltage Va and the frequency of the triangular wave voltage Vb based on the output voltage detected by the output detection unit;
A current control unit that changes at least one of the voltage value of the DC voltage Va and the frequency of the triangular wave voltage Vb based on the output current detected by the output detection unit;
A power supply device using the piezoelectric transformer according to claim 5 or 6.
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電トランスを用いた電源装置。 Used as a DC bias power source for electrophotographic devices,
A power supply device using the piezoelectric transformer according to claim 1.
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JP2005218026A JP2007037312A (en) | 2005-07-27 | 2005-07-27 | Power supply device using piezoelectric transformer |
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---|---|---|---|---|
JP2009038893A (en) * | 2007-08-01 | 2009-02-19 | Samsung Electronics Co Ltd | Piezoelectric transformer type high-voltage power supply unit and image forming apparatus |
Citations (2)
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JP2005184896A (en) * | 2003-12-16 | 2005-07-07 | Tamura Seisakusho Co Ltd | Drive circuit of piezo-electric transformer |
JP2005198462A (en) * | 2004-01-09 | 2005-07-21 | Tamura Seisakusho Co Ltd | Power supply unit using piezoelectric transformer |
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2005
- 2005-07-27 JP JP2005218026A patent/JP2007037312A/en active Pending
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