JP2008109780A - 圧電トランスを用いた電源装置、電子写真用電源装置、圧電トランス用駆動電圧制御方法及びそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ｋＶオーダーの高電圧から１０Ｖ程度の低電圧までの広範囲の電圧可変範囲と、広範な電力可変幅が得られ、しかも安定に電力を供給することができる、圧電トランスを用いた電源装置の提供を目的とする。
【解決手段】 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２０と、この圧電トランス２０の出力電圧を検出する出力検出部１３と、この出力検出部１３で検出された出力電圧が、あらかじめ設定された設定出力電圧値に等しくなるように、圧電トランス２０へ印加される駆動電圧のデューティ比を制御するデューティ比制御手段１６とドロッパ制御電圧を制御するドロッパ制御電圧可変制御手段１７とを含む駆動電圧制御部１１と、この駆動電圧制御部１１で制御された駆動電圧を圧電トランス２０に印加する圧電トランス駆動部１２とを備える。
【選択図】 図１

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を用いた電源装置と圧電トランスの出力電圧の制御方法に関し、特に広範な出力電力制御が可能な圧電トランスを用いた電源装置と圧電トランスの出力電圧の制御方法に関する。

電子写真法を用いた複写機やプリンタ等の電子写真装置には、帯電器等に直流高電圧を印加するための直流バイアス電源が多数用いられている。このような直流バイアス電源には、例えば、出力電圧が数１０Ｖから７ｋＶ程度まで変化し、負荷は数１０ｋΩから１０ＧΩ程度まで大きく変化する場合がある。従来はこのような高圧電源に、主に巻線式のトランスが使用されてきた。

しかし、巻線式トランスは、巻き線にボビンを使用しており、絶縁体として有機物が使用されているので、燃焼の危険性があった。
また、上記の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、装置の各部において、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。

これらの欠点を補うために、圧電トランスを用いた直流バイアス電源が提唱されている。圧電トランスは、セラミックなどの圧電振動体に１次と２次の電極を設け、１次側を厚み方向に分極し、２時側を長さ方向に分極し、１次側に長さ寸法で決まる固有共振周波数の電圧を入力すると、逆圧電効果によって強い機械振動を起こし、ついで圧電効果によってその振動に見合う高い電圧が２次側から出力される。このような構造のため、セラミックスを素材としていて、有機絶縁物を必要としないので燃焼の危険性がなく、しかも高圧電源を小型かつ軽量に製造できるなど優れた特徴を持っていることが知られている。

この圧電トランスを駆動し出力弾圧電圧を制御するための回路としては、例えば、特許文献１においては、出力電圧に対応して駆動周波数を変化させる方法（以下「周波数制御」という。）が開示されている。
また、周波数を固定して、デューティ制御回路でデューティを制御した波形に同期して圧電トランスの入力電圧をスイッチングして出力電圧を制御する方法（以下「デューティ制御」という。）がある。
さらに、特許文献２では、周波数制御とデューティ制御とを消費電力に応じて切替えて制御する方式が提案されている。また、特許文献３では、周波数制御とデューティ制御とを同時に行う方式が提案されている。

特開昭６１−１５２１６５号公報 特開２００３−２３５２５５号公報 特開２００５−１９８４６２号公報

しかしながら、従来の周波数制御では次のような問題があった。
圧電トランスには複数の共振点が存在する。そして、その共振周波数を基準にして駆動電圧の周波数を上げても下げても、出力電圧が低下する。しかし、共振周波数から周波数を変化させても、出力電圧の最大値を数ｋＶに設定すると最低値は数１００Ｖ以下にはならない。なぜなら、周波数を大きく変化させると、次の共振周波数が近くなるため、却って出力電圧が上昇してしまうからである。

更に、駆動電圧の周波数には、共振周波数近傍等の効率の良い範囲が存在する。しかし、出力電圧の可変幅を大きくするために、効率の悪い範囲の周波数も使用しなければならないので、全体としての効率は良くなかった。

一方、デューティ比制御にも次のような問題があった。
一般に、デューディ比は、５０％のときに出力電圧が最大値となり、これよりも小さくするにつれて出力電圧も低下する。また、デューディ比制御では、駆動電圧の周波数が例えば１００ｋＨｚを越える場合、駆動電圧の１周期が１０μｓｅｃ以下となる。しかし、一般的なＩＣやスイッチング素子では数μｓｅｃを制御することが困難であることにより、デューティ比を１０％未満に精度良く制御できないので、出力電圧の最大値を数ｋＶに設定すると数１０Ｖの低電圧を得ることができなかった。

更に、駆動電圧のデューティ比には、例えば５０％近傍等の効率の良い範囲が存在する。しかし、出力電圧の可変幅を大きくするために、効率の悪い範囲のデューティ比も使用しなければならないので、全体としての効率が良くなかった。

このように、周波数制御でもデューディ制御でも数１０Ｖの低電圧が得られないので、圧電トランスを用いて電子写真装置用の直流バイアス電源を作製することが困難であった。また、出力電圧が低いことは、出力電圧と出力電流との積である出力電力の可変幅も狭いことを意味する。これに加え、周波数制御でもデューディ制御でも、出力電圧の可変幅を広げようとすると効率が大きく低下していた。

この問題を解決するため、特許文献３では、周波数制御とデューティ制御とを同時に行っている。しかし、比較的出力電圧、電流が低く、共振点周波数よりも充分高い周波数での制御であれば有効に機能するが、圧電トランスの昇圧比の最大値付近の出力電圧で使用する場合や共振点付近で使うような場合、高い周波数から共振周波数に向かって周波数を制御して出力電圧もしくは出力電流を制御していくと、出力短絡やアーク発生などのトリガーによって、通常山越えと呼ばれる、共振点を通過して一挙に低周波に移行する現象が発生して制御不能になるという不具合が生まれることがあった。

本発明はこの問題を解決して、ｋＶオーダーの高電圧から１０Ｖ前後の低電圧までの広範囲の電圧可変範囲が得られ、かつ、大幅な電力可変出力幅が得られ、しかも、安定に効率よく電力を供給することができる、圧電トランスを用いた電源装置、電子写真装置用電源装置及びこれらの電源装置に用いられる圧電トランス用の駆動電圧の制御方法を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかる圧電トランスを用いた電源装置では、印加される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、この圧電トランスに所定の駆動電圧を印加する圧電トランス駆動部と、前記圧電トランスの出力電圧値を検出する出力検出部とを備え、前記圧電トランス駆動部に、前記出力検出部で検出される出力電圧値と予め別に設定された設定基準電圧値とを一致させるように前記駆動電圧のデューティ比を可変制御し、ドロッパ制御電圧を可変出力する駆動電圧制御部を併設したことを特徴とする（請求項１乃至6）。
これにより、駆動電圧のデューティ比制御とドロッパ制御とを切換えて出力を制御することで、幅広い範囲に電圧と電力とを可変することができ、かつ、低い出力電圧でも高い出力電圧でも安定に動作する圧電トランスを用いた電源装置を実現することができる。

ここで、前記駆動電圧制御部に、前記設定基準電圧値と前記出力電圧値とを一致させるように出力する誤差増幅器を備え、前記駆動電圧制御部は、この誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値よりも大きい領域では前記駆動電圧のデューティ比の制御を行うと共に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値に達し、その閾値よりも低い領域で制御しなければならない出力電圧に対しては、前記閾値に達したときの前記駆動電圧のデューティ比を保ったままで前記駆動電圧のドロッパ制御電圧の出力制御を行う切換え制御機能を備えた構成としても良い（請求項２）。
これにより、出力電圧値と設定基準電圧値の比較と駆動電圧の可変制御を容易に且つ確実に行うことができ、さらに、同一の設定基準電圧値で駆動電圧のデューティ比とドロッパ制御電圧とを広い電圧範囲に亙って行うことが可能な圧電トランスを用いた電源装置を実現することができる。

ここで、前記駆動電圧制御部が、前記誤差増幅器の出力に応じて、前記圧電トランス駆動部を介して前記駆動電圧の前記デューティ比を可変制御するデューティ比制御手段と、前記ドロッパ制御電圧を可変制御するドロッパ制御電圧可変制御手段とを備えた構成にしても良い（請求項３）。
これにより、駆動電圧のデューティ比の可変制御とドロッパ制御電圧の可変制御とを用いて同一の設定基準電圧値による制御で広範囲な出力電圧制御を効率よく実行することが可能な圧電トランスを用いた電源装置を実現することができる。

ここで、前記デューティ比制御手段は、前記駆動電圧に同期して矩形波発振を行う発振手段と前記発振手段の出力波形の時間平均値を求める積分手段と有し、前記積分手段の出力に対して前記誤差増幅器の出力電圧が予め設定された閾値よりも大きい期間で前記発振手段の出力波形のオン部分をオフにするように前記圧電トランス駆動部を制御して前記デューティ比を可変出力するように構成しても良い（請求項４）。
これにより、出力電圧と設定電圧の差に応じて、駆動電圧に同期して確実にデューティ比を制御することが可能な圧電トランスを用いた電源装置を実現することができる。

また、前記ドロッパ制御電圧可変制御手段は、当該ドロッパ制御電圧可変制御手段に予め設けられた電流制御素子でのドロッパ制御によって、前記駆動電圧の電源として入力される直流電圧を低減して前記ドロッパ制御電圧として出力するようにしても良い（請求項５）。
これにより、設定基準電圧値が比較的低い範囲において広範囲な電圧制御を安定に低雑音で行うことが可能な圧電トランスを用いた電源装置を実現ことができる。

ここで、前記圧電トランス駆動部を、前記圧電トランスの電圧印加側に設けられた共振回路と、この共振回路の出力信号を当該圧電トランスの共振周波数若しくはこれに近い周波数でオン／オフ制御するスイッチング回路によって構成しても良い（請求項６）。
これにより、圧電トランスをその共振周波数に近い擬似正弦波で効率よく駆動することが可能な圧電トランスを用いた電源装置を実現ことができる。

上記課題を解決するため、本発明にかかる電子写真装置用の電源装置では、前述した圧電トランスを用いた電源装置を、電子写真装置の直流バイアス電源用として装備したことを特徴とする（請求項７）。
これにより、低電圧から高電圧までの多種類のバイアス電源を、不燃性に且つ小型に構成した電子写真装置用の電源装置を実現することができる。

上記課題を解決するため、本発明にかかる圧電トランス用駆動電圧制御方法では、印加される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に対して所定の駆動電圧を印加する圧電トランス駆動部を備え、前記駆動電圧を駆動電圧制御部で制御するための圧電トランス用駆動電圧制御方法であって、前記圧電トランスの出力電圧を検出する出力電圧検出工程と、この出力電圧検出工程で検出される前記出力電圧値と予め別に設定された設定基準電圧値とを一致させるように動作する誤差増幅器の出力に応じて前記圧電トランス駆動部を介して前記駆動電圧のデューティ比とドロッパ制御電圧とを制御する駆動電圧制御工程とを備え、この駆動電圧制御工程に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値より大きい場合には、前記駆動電圧のデューティ比の制御を行うと共に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値に達し、その閾値よりも低い領域で制御しなければならない出力電圧には、前記閾値に達したときの前記駆動電圧のデューティ比を保ったままかつ前記駆動電圧のドロッパ制御電圧の制御を行う制御内容切換え制御工程を併設したことを特徴とする（請求項８）。
これにより、出力電圧値と予め別に設定された設定基準電圧値とを一致させるように動作する誤差増幅器の出力から駆動電圧のデューティ比とドロッパ制御電圧とを制御して、圧電トランスの出力電圧と出力電力とを幅広い範囲に可変することができ、かつ、圧電トランスを低い出力電圧から高い出力電圧まで安定に駆動することが可能な圧電トランス用駆動電圧制御方法を実現することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明にかかる圧電トランス用駆動電圧制御プログラムでは、印加される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に対して所定の駆動電圧を印加処理する機能、及び前記駆動電圧の大きさを制御する駆動電圧値可変処理機能を、コンピュータに実行させるように構成された圧電トランス用駆動電圧制御プログラムにおいて、前記圧電トランスの出力電圧を検出して特定する出力電圧検出処理機能と、この検出され特定された出力電圧値と予め別に設定された設定基準電圧値とを一致させるように動作する誤差増幅器の出力に応じて前記圧電トランス駆動部を介して前記駆動電圧のデューティ比とドロッパ制御電圧とを制御する駆動電圧制御機能と、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値よりも大きい場合には、前記駆動電圧のデューティ比の制御を行うと共に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値に達し、その閾値よりも低い領域で制御しなければならない出力電圧には、前記閾値に達したときの前記駆動電圧のデューティ比を保ったままかつ前記駆動電圧のドロッパ制御電圧の制御を行う制御内容切換え制御機能とを設け、これらの機能を前記コンピュータに実行させるように構成したことを特徴とする（請求項９）。
これにより、設定基準電圧値によって、駆動電圧のデューティ比制御とドロッパ制御を選択して、幅広い範囲に電圧と電力とを可変することができ、かつ、低い出力電圧でも高い出力電圧でも効率よく安定に制御することが可能な圧電トランス用駆動電圧制御プログラムを実現することができる。

本発明は、以上のように構成され機能するので、入力直流電圧に対する制御機能として、ドロッパ制御とデューティ比制御とを用いて、ｋＶオーダーの高電圧から１０Ｖ前後の低電圧までの広範囲の電圧可変範囲と大幅な電力可変出力幅に対応して安定に出力制御を行うことが可能で、且つ、周波数、デューティ比を比較的効率の良い範囲で用いて全体の効率を向上することができる、圧電トランスを用いた電源装置、圧電トランスの出力電圧制御方法及び圧電トランス用駆動電圧制御プログラムを実現することができ、さらに、この電源装置を用いた電子写真用の多種類のバイアス電圧を供給できる電源装置を実現することができる。

以下、本発明を図面を参照にして詳細に説明する。

図１は、本発明の圧電トランスを用いた電源装置の第１の実施形態のブロック図である。
本第１の実施形態の電源装置１０は、駆動電圧Ｖｅを出力交流電圧Ｖａｏに変圧する圧電トランス２０と、この圧電トランス２０の１次側に所定の駆動電圧Ｖｅを印加する圧電トランス駆動部１２と、この駆動電圧Ｖｅのデューティ比Ｄｕとドロッパ制御電圧Ｖｄとを制御して出力交流電圧Ｖａｏを可変制御する駆動電圧制御部１１と、圧電トランス２０の出力を整流する整流平滑部１４と、整流された出力電圧Ｖｏ、出力電流Ｉｏを検出する出力検出部１３と、発振手段１８とを備えている。
さらに、出力検出部１３で検出された出力電圧と外部から与えられる設定基準電圧値Ｖｓとを比較する誤差増幅器１５が備えられ、駆動電圧制御部１１には、この誤差増幅器１５の出力に応じて、駆動電圧Ｖｅのデューティ比Ｄｕを制御するデューティ比制御手段１６と、ドロッパ制御電圧Ｖｄとを制御するドロッパ制御電圧可変制御手段１７とが含まれている。ドロッパ制御電圧Ｖｄは、後述するように入力直流電圧Ｖｉｎの電圧を低減して圧電トランス駆動部１２に入力されるデューティ比Ｄｕ制御前の直流電圧である。

以下各部ごとにその機能と動作を説明する。
圧電トランス２０は、印加された駆動電圧Ｖｅを変圧して出力交流電圧Ｖａｏとして負荷へ供給する機能を有している。圧電トランス２０の出力範囲は、駆動電圧Ｖｅに応じて、数１０Ｖから数１０ｋＶのものが実現できる。
圧電トランス２０は、圧電振動体２１に１次電極２２、２３と２次電極２４とが設けられていて、１次側を厚さ方向に分極し、２次側を長さ方向に分極し、これらを図示しない樹脂ケース等に収容している。１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１次電極２２、２３が設けられ、他端に２次電極２４が設けられている。１次側に長さ寸法で決まる固有共振周波数ｆｒの駆動電圧Ｖｅ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交流電圧Ｖｏが２次側から出力される。この２次側の出力交流電圧Ｖａｏは、出力電圧検出電極２５で静電誘導によって検出され、同期信号Ｓｏとして発振手段１８に帰還される。

出力交流電圧Ｖａｏは、整流平滑部１４で直流電圧Ｖｏに整流されて負荷Ｌに供給される。
出力検出部１３は、圧電トランス２０の出力交流電圧Ｖａｏを整流平滑部１４で整流して得られる出力電圧Ｖｏ又は出力電流Ｉｏを検出して、検出した出力電圧Ｖｏ又は出力電流Ｉｏに対応した出力電圧値Ｖｔを誤差増幅器１５に入力する。

誤差増幅器１５は、外部から出力電圧Ｖｏや出力電流Ｉｏの設定の基準として与えられる設定基準電圧値Ｖｓとこの出力電圧値Ｖｔとを比較して、後述するように機能する電圧信号Ｓｃを出力する。駆動電圧制御部１１は、この電圧信号Ｓｃを受けて、駆動電圧Ｖｅのデューティ比Ｄｕを可変制御するデューティ比制御手段１６と、駆動電圧Ｖｅのドロッパ制御電圧Ｖｄを可変制御するドロッパ制御電圧可変制御手段１７を備えて形成されていて、外部から設定される設定基準電圧値Ｖｓと、出力検出部１３から帰還入力される出力電圧値Ｖｔとを比較した結果に従って、圧電トランス２０に印加される駆動電圧Ｖｅのデューティ比Ｄｕとドロッパ制御電圧Ｖｄとを制御する機能を有している。さらにこのとき、駆動電圧を制御するために、電圧信号Ｓｃの値によってデューティ比制御手段１６とドロッパ制御電圧可変制御手段１７のいずれかを優先して選択する機能を有している。

誤差増幅器１５は、出力電圧値Ｖｔと設定基準電圧値Ｖｓとを比較して、設定基準電圧値Ｖｓと出力電圧値Ｖｔとを一致させる電圧信号Ｓｃをデューティ比制御手段１６及びドロッパ制御電圧可変制御手段１７に入力する。
ここで、この誤差増幅器１５が出力する電圧信号Ｓｃが閾値電圧Ｖｕよりも高いときは、高圧部優先機能によってデューティ比制御手段１６が選択され、発振手段１８から出力される矩形波信号の立下り位置を圧電トランス駆動部１２を使って可変し、圧電トランス２０の１次側に入力される矩形波信号のデューティ比Ｄｕを５０％よりも小さな値にして、圧電トランス２０の駆動電圧Ｖｅを低下させる。

発振手段１８は、デューティ比５０％で矩形波発振を行う発振回路で構成されている。前記同期信号Ｓｏが入力されると、この同期信号Ｓｏに同期した圧電トランス２０の固有共振周波数ｆｒに近い同期周波数で矩形波発振を行う。

デューティ比制御手段１６は、圧電トランス制御部１２内のＦＥＴのゲートに入力される矩形波信号のデューティ比Ｄｕを制御して圧電トランス２０の１次側に入力される矩形波信号のデューティ比Ｄｕを５０％よりも下げて、圧電トランス２０の駆動電圧Ｖｅを低下させる機能を有しており、誤差増幅器１５の電圧信号Ｓｃが、ドロッパ制御電圧可変制御手段１７内の閾値Ｖｕより高いとき、出力電圧値Ｖｔと設定基準電圧値Ｖｓとを一致させるようにデューティ比Ｄｕを可変する。
ところで、後述するように、デューティ比Ｄｕが特定の割合よりも小さくなるとデューティ比制御が不安定になる可能性が生じる。これを避けるため、電圧信号Ｓｃがドロッパ制御電圧可変制御手段１７内の閾値Ｖｕに達した後、さらに駆動電圧Ｖｅを下げなければならない場合には、駆動電圧Ｖｅを低下させる機能をデューティ比制御からドロッパ制御に移して、閾値Ｖｕに達したときのデューティ比Ｄｕを保ったまま、ドロッパ制御電圧可変制御手段１７のドロッパ制御電圧Ｖｄを誤差増幅器１５に入力される出力電圧値Ｖｔと設定基準電圧値Ｖｓとを一致させる電位まで低下させる。これによって、駆動電圧制御部１１全体としての駆動電圧Ｖｅの可変機能を安定動作させる。
ドロッパ制御電圧可変制御手段１７は、電流制御素子Ｑ２で入力電圧を損失させてその出力電圧を下げ、圧電トランス２０へ入力されるドロッパ制御電圧Ｖｄを制御する機能を有している。
このように、駆動電圧制御部１１では、デューティ比制御手段１６とドロッパ制御電圧可変制御手段１７とも、同一の設定基準電圧値Ｖｓによって、出力電圧Ｖｏや出力電流Ｉｏを制御し、出力電圧値Ｖｔが設定基準電圧値Ｖｓに応じた値になるように順次制御動作を実行する。

図２は、本第１の実施形態の全体構成を示す具体的な回路図である。また、説明のために、図３に発振手段１８の回路、図５に誤差増幅器１５とデューティ比制御手段１６の回路、図７に誤差増幅器１５とドロッパ制御電圧可変制御手段１７の回路を、それぞれ抜き出して示した。さらに、図４に発振手段１８の各部波形を、図６に誤差増幅器１５とドロッパ制御電圧可変制御手段１７の各部波形を、図８に誤差増幅器１５とドロッパ制御電圧可変制御手段１７の各部の波形を、それぞれ示し、また、図９に各部の波形の説明図を、図９に各動作条件での各部の実測波形をそれぞれ示した。
図２〜図９に沿って、さらに詳しくこの実施の形態の各部の動作を説明する。

電源装置１０の入力側には、直流の入力電圧Ｖｉｎ（直流２４Ｖ）が印加され、この入力電圧Ｖｉｎの入力端子間には電圧変動防止用の平滑コンデンサＣ１が接続されている。
基準電圧発生部１０Ａは、図２に示すように抵抗器Ｒ１〜Ｒ４、シャントレギュレータＩＣ１、コンデンサＣ２等からなり、入力電圧Ｖｉｎから各部の基準電源電圧となる基準電圧Ｖｒｅｆ（直流５Ｖ）を出力する。

図２及び図３に示す発振手段１８は、抵抗Ｒ５〜Ｒ９及びＲ１１、コンデンサＣ４、ペアダイオードＤ２、ペアバイポーラトランジスタＱ３及びコンパレータＩＣ２（１／４）等からなる。ペアバイポーラトランジスタＱ３は、プッシュブル増幅回路として、ペアダイオードＤ２は前述した同期信号Ｓｏの過大値に対する保護回路として動作する。
この発振手段１８は、同期信号Ｓｏが印加されない場合は、自励発振してデューティ比５０％の矩形波を出力する。

図４（ａ）に、この自励発振の場合のコンパレータＩＣ２（１／４）の＋入力端子の波形（１）、−入力端子の波形（２）、ペアバイポーラトランジスタＱ３の出力波形（３）とを示す。
＋入力端子の波形（１）は、バイポーラトランジスタＱ３の出力波形Ｐ１（図４（ａ）の（３））と、抵抗Ｒ５、６で決まるバイアス電圧とを、抵抗Ｒ７、８で決まる重み付きで加算した電圧波形であり、−入力端子の波形（２）は、バイポーラトランジスタＱ３の出力波形Ｐ１を抵抗Ｒ９と容量Ｃ４からなる積分回路で時間平均した３角波波形である。

実際の動作中は、コンパレータＩＣ２（１／４）の＋入力端子に、圧電トランス２０の出力電圧検出電極２５で検出された同期信号Ｓｏが重畳して印加される。また、コンパレータＩＣ２（１／４）の−入力端子には、トランジスタＱ３の出力電圧を抵抗Ｒ９とコンデンサＣ４からなる積分回路で時間積分した時間平均電圧が印加される。コンパレータＩＣ２（１／４）の出力は、＋入力端子入力が−入力端子入力よりも大きい場合にハイ（Ｈｉｇｈ）、＋入力端子入力が−入力端子入力よりも小さい場合にロー（Ｌｏｗ）となるので、制御信号Ｓｏの周波数に同期した矩形波信号を出力する。
図４（ｂ）に、この実際の動作中でのコンパレータＩＣ２（１／４）の＋入力端子の波形（１）、−入力端子の波形（２）、ペアバイポーラトランジスタＱ３の出力波形（３）を示す。

図５に示す誤差増幅器１５は、設定基準電圧値Ｖｓに対して、検出された出力電圧Ｖｏまたは検出された出力電流Ｉｏに対応した出力電圧値Ｖｔが、フィードバックされた値に一致するようにデューティ比制御手段１６又はドロッパ制御電圧可変制御手段１７を制御する電圧信号Ｓｃを出力している。
２次側の出力電力Ｐｏに対して、誤差増幅器１５の出力である電圧信号Ｓｃが、ドロッパ制御電圧可変制御手段１７の閾値Ｖｕより高い電圧信号Ｓｃで制御できるときは、デューティ比制御手段１６にてデューティ比Ｄｕを制御する。また、電圧信号Ｓｃが、閾値Ｖｕに対して低い電圧信号Ｓｃで制御しなければならない出力電力Ｐｏに対しては、ドロッパ制御電圧可変制御手段１７が働き、電圧信号Ｓｃは、閾値Ｖｕより下がることができず閾値Ｖｕを維持したまま、つまりデューティ比Ｄｕを保ったままドロッパ制御電圧を下げ、出力を制御する。
すなわち、駆動電圧制御部１１において、誤差増幅器１５の電圧信号Ｓｃがドロッパ制御電圧可変制御手段１７の閾値Ｖｕより高い信号で制御できる「高い出力電力Ｐｏ、出力電圧Ｖｏ」はデューティ比制御で、電圧信号Ｓｃが閾値Ｖｕまでのデューティ比Ｄｕで制御できない「低い出力電力Ｐｏ、出力電圧Ｖｏ」は閾値Ｖｕ時のデューティ比Ｄｕを維持させたままで、ドロッパ制御が働く機能を有している。

誤差増幅器１５は、図２及び図５に示すように、抵抗Ｒ１３〜Ｒ１７、コンデンサＣ３及びＣ７、オペアンプＩＣ１（２／４）から構成される。
オペアンプＩＣ１（２／４）の＋入力端子には、外部から与えられるＰＷＭ信号を抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ３からなる積分回路で時間積分して得た設定基準電圧値Ｖｓが印加される。ＰＷＭ信号に変えて直流電圧信号が印加されても差し支えない。
オペアンプＩＣ１（２／４）の−入力端子には出力検出部１３からの出力電圧値Ｖｔが入力される。オペアンプＩＣ１（２／４）の出力には＋入力端子の設定基準電圧値Ｖｓと、−入力端子の出力電圧値Ｖｔとを一致させている電圧信号Ｓｃが出力される。

デューティ比制御手段１６は、図２及び図５に示すように、抵抗Ｒ１０、コンデンサＣ５及びコンパレータＩＣ２（２／４）から構成される。
誤差増幅器１５のオペアンプＩＣ１（２／４）の出力波形である電圧信号Ｓｃは、コンパレータＩＣ２（２／４）の＋入力端子に入力される。図６の（１）に、コンパレータＩＣ２（２／４）の＋入力端子に入力されるオペアンプＩＣ１（２／４）の出力波形である電圧信号Ｓｃを示す。
コンパレータＩＣ２（２／４）の−入力端子には、抵抗Ｒ１０とコンデンサＣ５からなる積分回路が設けられていてバイポーラトランジスタＱ３の出力電圧を時間積分する。従ってコンパレータＩＣ２（２／４）の−入力端子の波形は、図６の（２）で示したように、発振手段１６２のコンパレータＩＣ２（１／４）の−入力端子の波形と同じ周波数の三角波である。

この図６の（２）で示したコンパレータＩＣ２（１／４）の−入力端子の三角波の電位が、図６の（１）に示したコンパレータＩＣ２（２／４）の＋入力端子の電位よりも高くなったとき、コンパレータＩＣ２（２／４）の出力はロー（Ｌｏｗ）となる。
このコンパレータＩＣ２（２／４）の出力は、ＦＥＴＱ４のゲートに加えられる。バイポーラトランジスタＱ３の出力波形Ｐ１は、図６の（３）で示すようにデューティ比５０％の矩形波であるが、ＦＥＴＱ４のゲートではコンパレータＩＣ２（２／４）の出力によってロー（Ｌｏｗ）になる部分があるため、ＦＥＴＱ４のスイッチング波形は図６の（４）に示す波形Ｐ２のようにデューティ比Ｄｕを５０％よりも小さな値に変えることができる。

この結果、誤差増幅器１５のオペアンプＩＣ１（２／４）の出力は、＋入力端子に入力される設定基準電圧値Ｖｓに対して、−入力端子にフィードバックされる出力電圧値Ｖｔを一致させるように電圧信号Ｓｃを出力する。
結果を、図６の（１）に示す。コンパレータＩＣ２（２／４）は、−入力端子に入力される三角波と＋入力端子に入力される電圧信号Ｓｃとを比較している。図６の（３）の矩形波のハイ（Ｈｉｇｈ）の期間、図６の（１）の電圧信号Ｓｃに対して、図６の（２）の三角波の電圧が高くなる部分をロー（Ｌｏｗ）にする。そのため図６の（４）のように、図６の（３）のデューティを絞った矩形波を作り出せる。この絞られた矩形波をＦＥＴＱ４のゲートに入力して、ＦＥＴＱ４がＯＮとなる時間幅を可変して出力電圧Ｖｏを制御する。

ところで、出力電圧Ｖｏの可変範囲が広い場合、デューティ比Ｄｕだけで出力電圧Ｖｏを制御しようとすると、出力電圧が低いところで、デューティ比Ｄｕが１０％を切るようなことになり、動作が不安定になり誤動作を起こしやすく、安定な制御が困難になる。そこで、低い出力電圧Ｖｏを得たい場合には、発振が安定な範囲でデューティ比Ｄｕを安定動作できる範囲内まで絞り込んで、それよりも出力を低くするときには、入力電圧Ｖｉｎをドロッパ制御で低くして、圧電トランス駆動部１２に入力されるドロッパ制御電圧Ｖｄを低くすることで、出力電圧Ｖｏを制御するようにする。

図７に、ドロッパ制御電圧可変制御手段１７と、誤差増幅器１５と、デューティ比制御手段１６を再掲して示した。
ドロッパ制御電圧可変制御手段１７は、抵抗Ｒ１８〜Ｒ２２、コンデンサＣ６、電流制御トランジスタＱ２及び誤差増幅器ＩＣ１（１／４）から構成されている。
誤差増幅器１５のオペアンプＩＣ１（２／４）の出力である電圧信号Ｓｃの電位を図８の（１）に示す。また、ドロッパ制御電圧可変制御手段１７内の誤差増幅器ＩＣ１（１／４）の−入力端子に抵抗Ｒ２２とＲ２３とで分圧された閾値Ｖｕが入力され、＋入力端子にＩＣ１（２／４）の電圧信号Ｓｃが入力されている。この閾値Ｖｕを図８の（２）に示す。
駆動電圧Ｖｅがデューティ比Ｄｕの制御のみで動作できる出力電圧Ｖｏまたは出力電力Ｐｏの時、電圧信号Ｓｃは閾値Ｖｕより高い電位で安定している。そのため、ＩＣ１（１／４）の出力は、常にＩＣ１（１／４）の入力電圧に近い電圧になっているため、ドロッパ制御はほとんど機能していない。
出力電力Ｐｏが低くなり、電圧信号Ｓｃが閾値Ｖｕに達すると、ＩＣ１（１／４）の出力は電圧信号Ｓｃと閾値Ｖｕが一致するように動作するように出力を下げ、電流制御素子Ｑ２のトランジスタにより入力電圧Ｖｉｎをドロップさせ、ドロッパ制御された電圧Ｖｄを出力し、圧電トランス駆動部１２に印加される電圧を制御する。この時、電圧信号Ｓｃは閾値Ｖｕよりも下がることができないため、閾値Ｖｕ時のデューティ比Ｄｕが維持されている。図８をみてわかるとおり、図８の（１）に示す電圧信号Ｓｃの実効値と図８の（２）に示す閾値Ｖｕの実効値とはほぼ同じ電位である。
この時のトランジスタＱ２のコレクタ側の入力電圧を図８の（３）に示し、トランジスタＱ２によってドロッパ制御されたドロッパ制御電圧Ｖｄを図８の（４）に示している。

以上のように、圧電トランス駆動部１２のＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ４がＯＮとなる時間幅をデューティ比制御で制御するとともに、圧電トランス駆動部１２に入力される電圧をドロッパ制御で制御している。そのため、圧電トランス駆動部１２内のコンデンサＣ８とインダクタンスＬ１からなるＬＣ共振昇圧部分のスイッチングＯＮデューティを可変し、圧電トランス２０に流す電流を制御し、ＬＣ共振昇圧部分に印加される電圧を可変することで、圧電トランス２０に印加する電圧のピーク値や時間幅を制御している。

整流平滑部１４は、圧電トランス２０の出力交流電圧Ｖａｏを直流の出力電圧Ｖｏに変換する機能を有している。出力検出部１３は、整流平滑部１７で整流された直流出力電圧Ｖｏを分圧する直流抵抗回路や、直流出力電流Ｉｏに応じた電圧を出力する回路からなり、検出値に応じた出力電圧値Ｖｔを誤差増幅器１５に送る。
整流平滑部１４及び出力検出部１３の電圧検出回路、電流検出回路については、通常知られている一般的な回路を用いている。

図９の波形（１）は、圧電トランス駆動部１２のＦＥＴトランジスタＱ４のゲート波形Ｐ２、波形（２）は、誤差増幅器１５のオペアンプＩＣ１（２／４）の出力である電圧信号Ｓｃ、波形（３）は、入力電圧Ｖｉｎ、波形（４）は、ドロッパ制御電圧可変制御手段１７のトランジスタＱ２のエミッタの電圧すなわち駆動電圧Ｖｅのドロッパ制御電圧Ｖｄである。
図９（ａ）は、設定基準電圧値Ｖｓが６．３ｋＶ、負荷が１０５ＭΩで、出力電流が６０μＡの場合の各波形を示す。この場合では、出力電圧の制御がデューティ比制御で安定に制御できる範囲内であり、ドロッパ制御はほとんど行われていない。従って、トランジスタＱ２のエミッタの電圧Ｖｄである波形（４）は１９．９Ｖという比較的高い値を示している。波形（１）のデューティ比Ｄｕは３３％程度である。

図９（ｂ）は、設定基準電圧値Ｖｓが１．２６ｋＶ、負荷が１０５ＭΩで、出力電流が１２μＡの場合の各波形を示す。この場合は、出力電圧の制御をデューティ比制御で行える限界の形であり、波形（１）のデューティ比Ｄｕは１３％程度である。ドロッパ制御はまだほとんど行われておらず、波形（４）は図９（ａ）の場合と同じ１９．９Ｖを示している。
図９（ｃ）は、設定基準電圧値Ｖｓの設定電圧が５０Ｖ、負荷が１０ＭΩで、出力電流が５μＡの場合の各波形を示す。ここでは、すでにドロッパ制御によって出力電圧が制御される領域に入っており、波形（１）のデューティ比Ｄｕは１３％程度で図９（ｂ）のそれと同じである。波形（４）の電圧Ｖｄは、ドロッパ制御により、５．０８Ｖと大幅に低くなっている。
これらの一連の値から、設定基準電圧値Ｖｓを順に下げてゆくことで、デューティ比制御からドロッパ制御に順次移行して、出力電圧の制御が順調に切換って行われる。

ここで、上述した各部の動作を集約して、デューティ比制御手段１６とドロッパ制御電圧可変制御手段１７とから構成される駆動電圧制御部１１での圧電トランスの駆動電圧Ｖｅの制御方法を図１０のフローチャートに沿って説明する。
まず、圧電トランスの出力電圧Ｖｏを取り込む（ステップＳ１０１：出力電圧検出工程）。出力電圧Ｖｏに変えて出力電流Ｉｏや出力電力Ｐｏに対応する電圧であっても良い。次に取り込んだ出力電圧Ｖｏを設定基準電圧値Ｖｓと比較して、出力電圧Ｖｏが設定基準電圧値Ｖｓが示す値に等しいかどうかを判断する（ステップＳ１０２）。出力電圧Ｖｏが設定基準電圧値Ｖｓが示す値と一致したときは、当面の制御を終了して、時間を置いて改めてステップ１０１に戻って出力電圧Ｖｏを取り込む動作へと移る。
出力電圧Ｖｏが設定基準電圧値Ｖｓが示す値と一致しない場合は、これらが一致するように駆動電圧制御部１１を制御する誤差増幅器１５の出力電圧信号Ｓｃを求める（ステップＳ１０３）。
次に、電圧信号Ｓｃが予め設定された閾値Ｖｕよりも高い範囲で駆動電圧制御部１１の制御が可能かどうかを調べる（ステップＳ１０４：制御内容切換え制御工程）。電圧信号Ｓｃが閾値Ｖｕより高い範囲で制御可能な場合は、デューティ制御手段１６によって圧電トランス駆動部１２のＦＥＴＱ４のＯＮ時間のデューティ比を制御する（ステップＳ１０５：駆動電圧制御工程）。そうして、その後、再びステップ１０２に戻る。
また、誤差増幅器１５の出力電圧信号Ｓｃが閾値Ｖｕに達し、その閾値Ｖｕよりも低い領域で制御しなければならない場合は、ステップＳ１０６に進み、閾値Ｖｕに達したときのＦＥＴＱ４のＯＮ時間のデューティ比を維持したまま、圧電トランス駆動部１２へ入力されるドロッパ制御電圧Ｖｄの可変制御を行う（ステップＳ１０７：駆動電圧制御工程）。そうして、その後、再びステップ１０２に戻る。

本実施形態は、以上のように構成され、このような一連の制御が実行されるために、同一の設定基準電圧値Ｖｓによって、自動的に、デューティ比制御か、ドロッパ制御によるドロッパ制御電圧制御かが選択され、その切り換えに特別な作用を必要とせず、安定した効率の良い圧電トランスの出力制御を自動的に選択することができる。
従って、本実施の形態は、デューティ比制御とドロッパ制御とを順に用いることで、低い電圧から高い電圧までの広い電圧範囲と、広い電力可変幅に対応して、安定に出力制御を行うことが可能で、且つ、圧電トランスの共振周波数に近い周波数、比較的効率の良いデューティ比を用いて効率の良い安定な動作が持続できる圧電トランスを用いた電源装置と圧電トランスの出力電圧制御方法を実現することができる。

以上の説明では、本実施形態の圧電トランスを用いた電源装置の構成及びそこでの圧電トランスの駆動電圧の制御方法について述べたが、以上の駆動電圧の制御方法の各工程での実行内容をプログラム化してコンピュータに実行させるように構成しても良い。このようにしても、上述した装置や方法で行った場合と同等に広範囲な電圧の制御と安定性の向上が得られる。

また、本発明の圧電トランスを用いた電源装置を、電子写真装置の直流バイアス電源用として装備しても良い。電子写真装置は多数の直流バイアス電源を必要とするとともに、処理条件によってバイアス電源電圧を広範囲に変える必要があり、また、漏れ電流が極力少ないことや装置の小型化と難燃性が要求されるため、本発明の圧電トランスを用いた電源装置を好適に用いることができる。

本発明は以上のように構成し機能するので、複写機やプリンタ等の電子写真装置やＴＶ受像機など広い電圧範囲のバイアス電圧を必要とする機器に有効に用いることができ、そのような産業部門で広範囲に利用される可能性を有している。

本発明の圧電トランスを用いた電源装置の一実施形態のブロック図である。 図１に示す実施形態の全体構成を表す回路図である。 図１に示す実施形態の発振部の回路図である。 図１に示す実施形態の発振部の各部波形図である。 図１に示す実施形態の誤差増幅器とデューティ制御部の回路図である。 図１に示す実施形態の誤差増幅器とデューティ制御部の各部波形図である。 図１に示す実施形態の誤差増幅器とドロッパ制御電圧可変制御手段の回路図である。 図１に示す実施形態のドロッパ制御電圧可変制御手段の各部波形図である。 図１に示す実施形態での異なった設定出力電圧値に対応する各部波形の実測図である。 図１に示す実施形態での異なった設定出力電圧値に対応する各部波形の実測図である。 図１に示す実施形態での異なった設定出力電圧値に対応する各部波形の実測図である。 図１に示す実施形態での圧電トランスの出力電圧の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 電源装置
１１ 駆動電圧制御部
１２ 圧電トランス制御部（圧電トランス駆動部）
１３ 出力検出部
１４ 整流平滑部
１５ 誤差増幅器
１６ デューティ比制御手段
１７ ドロッパ制御電圧可変制御手段
１８ 発振手段
２０ 圧電トランス

Claims (9)

1. 印加される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、この圧電トランスに所定の駆動電圧を印加する圧電トランス駆動部と、前記圧電トランスの出力電圧値を検出する出力検出部とを備え、
   前記圧電トランス駆動部に、前記出力検出部で検出される出力電圧値と予め別に設定された設定基準電圧値とを一致させるように前記駆動電圧のデューティ比を可変制御し、ドロッパ制御電圧を可変出力する駆動電圧制御部を併設したことを特徴とする電源装置。
2. 前記請求項１に記載の圧電トランスを用いた電源装置において、
   前記駆動電圧制御部に、前記設定基準電圧値と前記出力電圧値とを一致させるように出力する誤差増幅器を備え、
   前記駆動電圧制御部は、この誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値よりも大きい領域では前記駆動電圧のデューティ比の制御を行うと共に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値に達し、その閾値よりも低い領域で制御しなければならない出力電圧に対しては、前記閾値に達したときの前記駆動電圧のデューティ比を保ったままで前記駆動電圧のドロッパ制御電圧の出力制御を行う切換え制御機能を備えていることを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。
3. 前記請求項２に記載の圧電トランスを用いた電源装置において、
   前記駆動電圧制御部が、前記誤差増幅器の出力に応じて、前記圧電トランス駆動部を介して前記駆動電圧の前記デューティ比を可変制御するデューティ比制御手段と、前記ドロッパ制御電圧を可変制御するドロッパ制御電圧可変制御手段とを備えていることを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。
4. 前記請求項３に記載の圧電トランスを用いた電源装置において、
   前記デューティ比制御手段は、前記駆動電圧に同期して矩形波発振を行う発振手段と前記発振手段の出力波形の時間平均値を求める積分手段と有し、
   前記積分手段の出力に対して前記誤差増幅器の出力電圧が予め設定された閾値よりも大きい期間で前記発振手段の出力波形のオン部分をオフにするように前記圧電トランス駆動部を制御して前記デューティ比を可変出力することを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。
5. 前記請求項３または４に記載の圧電トランスを用いた電源装置において、
   前記ドロッパ制御電圧可変制御手段は、当該ドロッパ制御電圧可変制御手段に予め設けられた電流制御素子でのドロッパ制御によって、前記駆動電圧の電源として入力される直流電圧を低減して前記ドロッパ制御電圧として出力することを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。
6. 前記請求項１乃至５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において、
   前記圧電トランス駆動部を、前記圧電トランスの電圧印加側に設けられた共振回路と、この共振回路の出力信号を当該圧電トランスの共振周波数若しくはこれに近い周波数でオン／オフ制御するスイッチング回路によって構成したことを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。
7. 前記請求項１乃至６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を、電子写真装置の直流バイアス電源用として装備していることを特徴とする電子写真装置用電源装置。
8. 印加される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に対して所定の駆動電圧を印加する圧電トランス駆動部を備え、前記駆動電圧を駆動電圧制御部で制御するための圧電トランス用駆動電圧制御方法であって、
   前記圧電トランスの出力電圧を検出する出力電圧検出工程と、
   この出力電圧検出工程で検出される前記出力電圧値と予め別に設定された設定基準電圧値とを一致させるように動作する誤差増幅器の出力に応じて前記圧電トランス駆動部を介して前記駆動電圧のデューティ比とドロッパ制御電圧とを制御する駆動電圧制御工程とを備え、
   この駆動電圧制御工程に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値より大きい場合には、前記駆動電圧のデューティ比の制御を行うと共に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値に達し、その閾値よりも低い領域で制御しなければならない出力電圧には、前記閾値に達したときの前記駆動電圧のデューティ比を保ったままかつ前記駆動電圧のドロッパ制御電圧の制御を行う制御内容切換え制御工程を併設したことを特徴とする圧電トランス用駆動電圧制御方法。
9. 印加される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に対して所定の駆動電圧を印加処理する機能、及び前記駆動電圧の大きさを制御する駆動電圧値可変処理機能を、コンピュータに実行させるように構成された圧電トランス用駆動電圧制御プログラムにおいて、
   前記圧電トランスの出力電圧を検出して特定する出力電圧検出処理機能と、
   この検出され特定された出力電圧値と予め別に設定された設定基準電圧値とを一致させるように動作する誤差増幅器の出力に応じて前記圧電トランス駆動部を介して前記駆動電圧のデューティ比とドロッパ制御電圧とを制御する駆動電圧制御機能と、
   前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値よりも大きい場合には、前記駆動電圧のデューティ比の制御を行うと共に、前記誤差増幅器の出力電圧があらかじめ設定された閾値に達し、その閾値よりも低い領域で制御しなければならない出力電圧には、前記閾値に達したときの前記駆動電圧のデューティ比を保ったままかつ前記駆動電圧のドロッパ制御電圧の制御を行う制御内容切換え制御機能とを設け、
   これらの機能を前記コンピュータに実行させるように構成したことを特徴とする圧電トランス用駆動電圧制御プログラム。

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