JP2010035314A - 圧電トランスの制御回路および圧電トランスの制御方法 - Google Patents

圧電トランスの制御回路および圧電トランスの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電トランスの出力短絡電流を用いて駆動電圧の周波数を設定し、共振点を避けて圧電トランスを動作させる圧電トランスの制御回路を得る。
【解決手段】圧電トランス9の出力電圧を検出する電圧検出部11と、前記圧電トランス9の出力電流を検出する電流検出部12と、前記電圧検出部11の検出信号を用いて前記圧電トランス9の出力電圧が所定の電圧となるように前記圧電トランスの駆動電圧の周波数を制御する周波数制御部6と、前記周波数制御部6の制御により前記駆動電圧を発生させて前記圧電トランス9を駆動する駆動部8とを有し、前記周波数制御部6は、前記電流検出部12が検出した前記圧電トランス9の出力短絡電流に基づいて設定された周波数を用いて前記駆動電圧の周波数制御を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、電子写真式プリンタ、複写機、除電器、空気洗浄機等の高圧電源に用いられる圧電トランスの動作を制御する圧電トランスの制御回路および圧電トランスの制御方法に関する。
直流の高電圧を必要とする電子写真式プリンタや複写機などは、電源電圧が数10[V]から数[kV]程度まで変化し、負荷も大きく変動する。これらの機器の電源には巻線式トランスが用いられてきたが、巻線式トランスは可燃性の有機物を含んで構成されており、また漏れ電流が生じる特性を有している。巻線式トランスを使用したとき、高電圧を使用する機器においては、極めて高温になる場合があり、また、漏れ電流による損失も無視できなくなる。
そのため、上記のような高電圧を出力する電源装置等に圧電トランスが用いられるようになった。圧電トランスは、当該圧電トランスに供給される駆動電圧の周波数を変化させて出力電圧を調整している。
圧電トランスは、複数の共振点を有しており、共振点近傍の周波数の駆動電圧を用いると、出力電圧の制御が困難になる。そのため、圧電トランスは、共振点を避けた周波数の駆動電圧を用いることになるが、このように駆動電圧の周波数に制限が生じると広範囲の電圧を出力することが難しくなる。
圧電トランスを用いた電源装置には、広範囲の電圧を出力するようにした特許文献1に記載された装置がある。この電源装置は、駆動電圧の周波数を変化させると共に当該駆動電圧のデューティ比を変化させることによって出力電圧を調整し、広い範囲の電圧を出力することを可能としている。
特開2005−198462号公報
しかしながら、従来の圧電トランスを用いた電源装置では、出力電圧を変化させると、動作が不安定になる場合がある。圧電トランスの駆動電圧の周波数を制御して出力電圧を変化させたとき、圧電トランスの周波数特性に含まれている共振点を駆動電圧に用いると出力電圧の制御が難しくなり、安定した電圧を負荷へ供給することが困難になるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するために、圧電トランスの出力短絡電流を用いて駆動電圧の周波数を設定し、共振点を避けて圧電トランスを動作させる圧電トランスの制御回路を得る。
本発明の圧電トランスの制御回路は、圧電トランスの出力電圧を検出する電圧検出部と、前記圧電トランスの出力電流を検出する電流検出部と、前記圧電トランスの出力電圧を設定する制御信号、前記電圧検出部の検出信号、および、前記電流検出部の検出信号に応じて前記圧電トランスの出力電圧が所定の電圧となるように前記圧電トランスの駆動電圧の周波数を制御する周波数制御部と、前記周波数制御部の制御により前記駆動電圧を発生させて前記圧電トランスを駆動する駆動部とを有し、前記周波数制御部は、前記電流検出部が検出した前記圧電トランスの出力短絡電流に基づいて設定された周波数を用いて前記駆動電圧の周波数制御を行う。
好適には、前記圧電トランスの出力端子が短絡されたとき、前記周波数制御部を制御して前記圧電トランスへ供給する駆動電圧の周波数を順次変化させ、前記電流検出部が検出した前記圧電トランスの出力短絡電流に応じて前記駆動電圧の周波数のリミット値を設定して前記周波数制御の動作を制御する制御手段を有する。
本発明の圧電トランスの制御回路は、圧電トランスの出力電圧を検出する電圧検出部と、前記圧電トランスの出力電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部の検出信号と前記電流検出部の検出信号とを入力し、前記圧電トランスの駆動電圧の周波数を設定する制御手段と、前記制御手段の制御に応じて前記駆動電圧を発生させて前記圧電トランスを駆動する駆動部とを有し、前記制御手段は、前記電流検出部が検出した前記圧電トランスの出力短絡電流に基づいて前記駆動電圧の周波数を求め、該周波数の駆動電圧を発生するように前記駆動部の動作を制御する。
好適には、前記制御手段は、前記圧電トランスの共振周波数を有する駆動電圧を該圧電トランスへ供給したときの出力短絡電流よりも小さな短絡電流を予め設定しておき、前記電流検出部の検出した出力短絡電流が前記設定されている短絡電流になったときの駆動電圧の周波数を求める演算部と、前記演算部の求めた周波数をリミット値に設定して前記駆動電圧の周波数を制御する周波数リミット制御部と、前記周波数リミット制御部の制御により前記駆動電圧の周波数を変化させる周波数可変部とを有する。
本発明の圧電トランスの制御方法は、圧電トランスの出力端子を短絡させたとき、制御手段が、駆動部を制御して順次周波数を変化させた駆動電圧を前記圧電トランスに供給させる工程と、電流検出部が、前記圧電トランスの出力短絡電流を検出する工程と、前記制御手段に予め前記圧電トランスの共振周波数を有する駆動電圧を該圧電トランスへ供給したときの出力短絡電流よりも小さな短絡電流を設定しておき、前記制御手段が、前記電流検出部の検出した出力短絡電流が前記設定されている短絡電流になったときの駆動電圧の周波数をリミット値として設定する工程と、前記圧電トランスの出力端子の短絡を開放させたとき、前記制御手段が、前記リミット値を越えないように駆動電圧の周波数を制御して前記駆動部に前記圧電トランスの駆動を行わせる工程とを有する。
本発明によれば、圧電トランスの共振周波数を避けて動作することにより、安定した可変電圧を負荷へ供給することができる。
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態による圧電トランスの制御回路を有する電源装置の構成を示すブロック図である。図示した電源装置1は、本発明の圧電トランスの制御回路を用いて圧電トランスの動作を制御する電源装置の構成例である
図1の電源装置1は、出力端子T5,T6に負荷2を外部接続している。電源装置1は、信号変換部3、基準電圧生成部4、比較部5、周波数制御部6、駆動部7、共振部8、圧電トランス9、整流部10、電圧検出部11、および、電流検出部12を有している。
信号変換部3は、電源装置1の入力端子T2を介して外部からPWM制御信号を入力し、レベル変換を行った制御信号を比較部5へ出力するように構成されている。
基準電圧生成部4は、電源装置1の入力端子T1を介して外部から入力電圧VINを入力し、生成した基準電圧Vrefを比較部5および周波数制御部6へ出力するように構成されている。
比較部5は、前述の制御信号および基準電圧Vrefを入力し、さらに電圧検出部11からの出力電圧検出値、および電流検出部12からの出力電流検出値を入力するように構成されている。
周波数制御部6は、所定の周波数で発振する発振部6aを有する。また、周波数制御部6は、基準電圧Vrefと比較部5の出力信号とを入力し、駆動部7の動作を制御するように構成されている。
駆動部7は、周波数制御部6の制御に応じて共振部8を動作させるように構成されている。
共振部8は、駆動部7の出力信号に応じてLC共振を起こし、入力電圧VINを振動させて圧電トランス9の駆動電圧を発生するように構成されている。
圧電トランス9は、1次側端子に共振部8からの駆動電圧を入力し、2次側端子に発生した出力電圧を整流部10へ出力するように構成されている。
整流部10は、圧電トランス9の出力電圧を直流電力に整流し、この直流電力を出力端子T5,T6へ出力するように構成されている。出力端子T5,T6には、負荷2が接続されている。また、整流部10と出力端子T5との間には保護抵抗R100が接続されている。
電圧検出部11は、整流部10において生成された直流電圧、即ち電源装置1もしくは圧電トランス9の出力電圧を検出し、この出力電圧検出値を比較部5へ入力するように構成されている。
電流検出部12は、整流部10において生成された直流電流、即ち電源装置1もしくは圧電トランス9の出力電流を検出し、この出力電流検出値を、比較部5および電源装置1の出力端子T4へ入力するように構成されている。
電源装置1に含まれる圧電トランスの制御回路は、前述の信号変換部3、基準電圧生成部4、比較部5、周波数制御部6、駆動部7、共振部8、電圧検出部11および電流検出部12を有している。
図2は、図1の電源装置の構成を示す回路図である。この図は、電源装置1の回路構成の一例を示しており、特に本発明の特徴を有する部分の周波数制御部6の構成を詳細に表している。
図2に例示した周波数制御部6は、二つのダイオードを正方向に組み合わせたペアダイオードD1を有している。ペアダイオードD1の第1のアノードは、比較部5の出力点に接続されている。ペアダイオードD1の第2のアノードは、抵抗R1の一端に接続されている。ペアダイオードD1と抵抗R1の接続点には、抵抗R4の一端とコンパレータIC1の反転入力端子が接続されている。
ペアダイオードD1のカソードは、抵抗R2の一端に接続されている。抵抗R2の他端は接地されている。
抵抗R1の他端には、基準電圧Vrefが印加されている。
抵抗R4の他端には、抵抗R5の一端およびキャパシタC1の一端が接続されている。抵抗R4、抵抗R5およびキャパシタC1の接続点には、コンパレータIC2の反転入力端子が接続されている。
コンパレータIC1の正入力端子には、抵抗R3の一端、キャパシタC2の一端、FETであるトランジスタTr1のドレイン、ダイオードD2のカソードおよびコンパレータIC2の正入力端子が接続されている。
抵抗R3の他端には、可変抵抗VR1の一端が接続されている。可変抵抗VR1の他端および可動端子には、基準電圧Vrefが印加されている。ダイオードD2のアノードには、抵抗R6の一端が接続されている。抵抗R6の他端には、基準電圧Vrefが印加されている。トランジスタTr1のソースおよびキャパシタC2の他端は、接地されている。トランジスタTr1のゲートは、抵抗R7の一端およびコンパレータIC1の出力端子に接続されている。抵抗R7の他端には、基準電圧Vrefが印加されている。
周波数制御部6は、このように回路構成されている。
コンパレータIC2の出力端子、即ち周波数制御部6の出力点は、二つのバイポーラトランジスタを有するペアトランジスタTr2の各ベースに接続されている。
コンパレータIC2の出力端子とペアトランジスタTr2の接続点は、抵抗8を介して基準電圧Vrefが供給され、また抵抗R9を介して接地接続される。即ち、コンパレータIC2とペアトランジスタTr2との接続点には、抵抗R8と抵抗R9によって基準電圧Vrefを分圧した電圧が供給される。
ペアトランジスタTr2の各エミッタには、FETであるスイッチングトランジスタTr3のゲートが接続されている。
インダクタL1の一端は、入力端子T1に接続され、入力電圧VINが印加される。インダクタL1の他端には、キャパシタC3の一端およびスイッチングトランジスタTr3のドレインが接続されている。スイッチングトランジスタTr3のソースは、接地されている。
図1の駆動部7は、例えば、上記のように接続された抵抗R8,R9、ペアトランジスタTr2およびスイッチングトランジスタTr3によって構成されている。
インダクタL1とキャパシタC3との接続点は、圧電トランス9の入力端子に接続されている。なお、キャパシタC3の他端、および圧電トランス9の他方の入力端子は、接地されている。
図1の共振部8は、例えば、上記のように接続されたインダクタL1およびキャパシタC3による共振回路によって構成されている。
次に動作について説明する。
初めに、出力端子T5,T6間に負荷2を接続して電圧を供給する、通常の電源装置1の動作を説明する。
電源装置1は、入力端子T1を介して外部から直流の入力電圧VINを入力する。基準電圧生成部4は、入力電圧VINを用いて所定の直流電圧値を有する基準電圧Vrefを生成する。
また電源装置1は、入力端子T2を介して外部からPWM制御信号を入力する。PWM制御信号は、圧電トランス9へ供給する駆動電圧の周波数を設定する、即ち圧電トランス9の出力電圧を設定する制御信号である。
信号変換部3は、入力端子T2から入力されたPWM制御信号を、当該電源装置1を構成する回路において、処理することが可能な信号レベルへ変換する。具体的には、信号変換部3は、例えば、入力したデジタル信号のPWM制御信号を、アナログ回路において用いることができるように、電圧値によって制御内容を示すPWM制御信号へ変換する。
比較部5は、PWM制御信号が示す出力電圧値、基準電圧Vref、および電圧検出部11からの出力電圧検出値を用いた比較処理、ならびに前述の比較結果に電流検出部12からの出力電流検出値を加味して、圧電トランス9が発生すべき電圧を表す信号を生成する。
周波数制御部6は、自ら備える発振部6aが発生した発振信号に同期させて、駆動部7のスイッチング動作を制御する周波数制御信号を生成する。このとき周波数制御部6は、比較部5の比較結果に応じて、即ち、圧電トランス9が発生すべき電圧に対応した周波数でスイッチング動作が行われるように、上記の周波数制御信号を生成する。
駆動部7は、周波数制御部6からの周波数制御信号に応じてスイッチングトランジスタTr3をON/OFFさせる。駆動部7は、前述のスイッチング動作によって共振部8を共振させ、詳しくは、キャパシタC3に圧電トランス9の入力容量を加味した容量と、インダクタL1とを共振させて駆動電圧を発生させる。
共振部8が発生させた周波数の駆動電圧は、圧電トランス9の1次側電極間へ供給される。圧電トランス9は、供給された駆動電圧に応じた電圧を2次側電極に発生させて整流部10へ出力する。
整流部10は、圧電トランス9から出力された電力を整流し、直流電力を電源装置1の出力端子T5,T6へ出力する。
電圧検出部11は、整流部10において生成された直流電力の電圧値を検出し、前述のように比較部5へ出力する。比較部5は、前述のように比較処理を行うとき、この出力電圧値を加味して、圧電トランス9の出力電圧値にフィードバック制御を行っている。
電流検出部12は、整流部10において生成された直流電力が、出力端子T5,T6を介して負荷2などへ流れた出力電流値を検出し、前述のように比較部5へ出力する。比較部5は、前述のように比較処理を行うとき、電流検出部12から出力された出力電流値を加味して圧電トランス9の出力電圧値にフィードバック制御を行っている。
このように負荷2を外部接続した電源装置1は、通常の電圧出力動作を行う。
圧電トランスが有している特性について説明する。
図3および図4は、図1の電源装置に用いられている圧電トランスの動作特性を示す説明図である。これらの図は、圧電トランス9の駆動電圧の周波数と出力電圧との関係を示したグラフであり、横軸が駆動電圧の周波数、縦軸が出力電圧あるいは出力電流である。なお、横軸に示した駆動電圧の周波数は、図中左側において周波数が高くなり、右側において周波数が低くなる。また、ここで例示した各特性曲線は、175[kHz]から150[kHz]の範囲の駆動電圧を任意の圧電トランスに供給したときの出力電力を表している。
図3には、電源装置1の出力端子を短絡した状態において、各周波数の駆動電圧を圧電トランス9に供給したとき、上記の出力端子間に流れる電流、もしくは電流検出部12が検出した電流値を示す特性曲線(S)を示している。
また、図3には、電源装置1の出力端子に接続される負荷2の抵抗値を1[MΩ]とした状態において、各周波数の駆動電圧を圧電トランス9に供給したとき、電圧検出部11が検出した電圧値を示す特性曲線(1)を示している。
また、図3には、負荷2の抵抗値を5[MΩ]としたときの特性曲線(2)、負荷2の抵抗値を10[MΩ]としたときの特性曲線(3)、および、負荷2の抵抗値を20[MΩ]としたときの特性曲線(4)を示している。
また、図4には、前述の電源装置1の出力端子間を短絡したときの特性曲線(S)、負荷2の抵抗値を50[MΩ]としたときの特性曲線(5)、負荷2の抵抗値を100[MΩ]としたときの特性曲線(6)、負荷2の抵抗値を500[MΩ]としたときの特性曲線(7)を示している。
圧電トランス9は、前述の各特性曲線(1)〜(7)に示したように共振点を有しており、この共振点、即ち共振周波数は負荷に応じて定まる周波数である。そのため、図3,4に示した特性曲線(1)〜(7)において、圧電トランス9の出力電圧がピーク値となる、駆動電圧の周波数が異なっている。
圧電トランス9は、駆動電圧の周波数を変化させると、ある周波数において短絡電流にピーク値が生じる。即ち、圧電トランス9の短絡電流は、短絡状態における圧電トランス9の共振点においてピーク値になる。
図3および図4に例示した特性曲線(S)は、保護抵抗R100の抵抗値を100[kΩ]としたときの出力端子T5,T6間の短絡電流を表している。特性曲線(S)の短絡電流のピーク値は概ね2.9[mA]である。
圧電トランス9は、前述のような特性を有しており、負荷2の値もしくは各成分に応じて共振周波数が変化する。そこで、負荷2へ十分な電力を供給することができると共に上記の共振周波数を避けた駆動電圧を生成し、この駆動電圧を用いて当該圧電トランス9を駆動する。このようにすると、電源装置1は、圧電トランス9の共振点を回避して安定した出力動作を行い、広範囲の電圧を負荷2へ供給することが可能になる。
電源装置1は、前述の通常の出力動作を行う前に、次に説明する設定動作を行う。
予め、任意の値を有する負荷2を例えば出力端子T5,T6に接続し、外部から入力しているPWM制御信号に応じて駆動電圧の周波数を変化させ、上記の負荷2へ電力を供給したときの共振周波数を越えるポイント、いわゆる山越えを起こしたポイントの駆動電圧の周波数を探す。
次に、前述の山越えを起こしたポイントの周波数を有する駆動電圧を圧電トランス9へ供給しているとき、例えば後述する短絡手段を用いて当該圧電トランス9の出力端子間を短絡し、当該短絡電流を電流検出部12に検出させる。
出力端子T4には、電源装置1の出力電流値を監視する図示されない電流計などの電流モニタ機器が接続されている。
前述の電流検出部12が検出した短絡電流値は、出力端子T4に接続された上記の電流モニタ機器に表示され、操作者に報知される。
前述の山越えを起こすポイントの周波数で圧電トランス9を駆動したときの短絡電流値を、電源装置1が供給可能な範囲内の様々な値を有する負荷2に対して検知し、これら各値の負荷2に対応させた短絡電流値を予めデータとして蓄積しておく。
具体的には、例えば操作者の操作等により、各値の負荷2に対応する出力短絡電流値を、いずれかの記憶手段に蓄積させておく。
図5は、図1の電源装置の動作を示すフローチャートである。前述のように、予め様々な値の負荷2に対応させて、圧電トランス9の出力短絡電流値をデータとして蓄積した後、図5に示したように電源装置1を動作させる。
負荷2が接続されている、あるいは何も接続されていていない出力端子T5と出力端子T6の間を、例えば機械接点を有するリレーなどの図示されない短絡手段を用いて短絡する。即ち、圧電トランス9の出力端子を短絡する(ステップST101)。
このように電源装置1の出力端子T5,T6間を短絡した状態において、周波数制御部6は、入力端子T2から入力されるPWM制御信号に応じて駆動部7のスイッチング動作を制御する。
上記のようにスイッチング動作を制御された駆動部7は、共振部8を稼働させる。共振部8は、前述のように圧電トランス9の入力容量を含めたLC共振を起こし、駆動部7のスイッチング動作に応じた周波数の駆動電圧を生成して圧電トランス9へ供給する。圧電トランス9は、駆動電圧に応じた電力を2次側端子間に発生させる。
電源装置1の電流検出部12は、図1,2に示したように整流部10から検出した出力電流値を出力端子T4へ出力する。出力端子T4には、前述のように図示されない電流計などの電流モニタ機器が接続される。
電源装置1の出力端子T5,T6間が短絡されているとき、電流検出部12は、圧電トランス9の出力短絡電流を検出する。この出力短絡電流は、上記のように出力端子T4に接続された電流モニタ機器に表示される。
電流モニタ機器に表示された出力短絡電流値をユーザ等の操作者に認識させ、例えば図2に示した可変抵抗VR1を調整させ、周波数制御部6が制御する駆動電圧の周波数を変化させる。このように周波数を変化させた駆動電圧を圧電トランス9へ供給する(ステップST102)。
駆動電圧の周波数が変化すると、圧電トランス9の短絡電流も変化する。電流検出部12は、この変化した短絡電流を検出し(ステップST103)、当該検出した短絡電流値を前述の電流モニタ機器に表示させる。
例えば、前述のように操作者が負荷2の値等に対応させた短絡電流値のデータを記憶手段に蓄積させた場合には、操作者等が記憶手段に蓄積されている各短絡電流値に基づいて適当な短絡電流値を選択する。
詳しくは、操作者は、電源装置1が電力を供給することが可能な範囲の負荷2について、山越えを起こしたポイントの短絡電流値よりも小さい値の短絡電流Isを設定する。
短絡電流Isは、図3,4に示したように、負荷2が1[MΩ]〜500[MΩ]のいずれの値の場合でも山越えを起さない領域に存在する。
即ち、短絡電流Isは、1[MΩ]〜500[MΩ]の範囲内の負荷2へ電力を供給したときに山越えが生じる周波数よりも高い周波数を駆動電圧に用いて圧電トランス9を駆動し、このときの圧電トランス9の出力短絡電流値である。
図3,4に例示した短絡電流Isは、短絡電流のピーク値2.9[mA]よりも十分小さな500[μA]の値を有する。
なお、短絡電流Isは、上記の値に限定されず、また、上記のピーク値ならびに短絡電流Isの値から導出される比率、倍率等によっても限定されない。
短絡電流Isは、図3,4に示したように、順次駆動電圧の周波数を変化させたとき、短絡電流が急峻に変化しない、即ち、周波数の変化に対して緩やかに短絡電流が変化する範囲内に設定される電流値である。
なお、操作者による短絡電流Isの選択/設定は、電源装置1が図5に示した各動作を行う前に予め行ってもよい。
前述のステップST103の工程において、電流検出部12が検出した出力短絡電流が電流モニタ機器に表示されると、操作者は、電流モニタ機器の表示が前述のように予め設定した短絡電流Isの値となるように可変抵抗VR1を調整し、駆動電圧の周波数を設定する(ステップST104)。圧電トランス9の出力短絡電流値をモニタしながら、当該短絡電流値を上記のように予め設定されている短絡電流Isの値へ合わせ込むことにより、周波数制御部6に所定の駆動電圧の周波数値が設定される。
図3,4には、短絡電流Isが流れるときの駆動電圧の周波数をfとして図示している。
前述のように、出力短絡電流が短絡電流Isとなるように可変抵抗VR1を調整させ、周波数制御部6に、周波数fを駆動電圧の周波数のリミット値として設定する。
圧電トランス9の出力短絡電流が短絡電流Isとなるように周波数制御部6を調整した後、電源装置1の出力端子T5,T6間の短絡、即ち圧電トランス9の出力端子の短絡を開放し、負荷2を接続する(ステップST105)。
前述のように周波数fがリミット値として設定された周波数制御部6は、周波数fを越えない周波数の駆動電圧を発生するように駆動部7を制御する。駆動部7および共振部8は、周波数fを越えない周波数の駆動電圧を発生するように動作し、圧電トランス9には、周波数fを越えない周波数の駆動電圧が供給される(ステップST106)。
このように周波数fをリミット値として設定した後、出力端子T5,T6に負荷2を接続して、周波数制御部6が周波数fを越えないように駆動電圧の周波数を制御し、通常の出力動作が行われる。
駆動電圧が周波数fのとき、図3に示した特性曲線(1)では400[V]、特性曲線(2)では1.5[kV]、特性曲線(3),(4)では概ね2.1[kV]である。
また、駆動電圧が周波数fのとき、図4に示した特性曲線(5),(6),(7)では概ね3[kV]である。このことから、駆動電圧の周波数のリミット値を周波数fに設定したときでも、圧電トランス9から高電圧を出力することが可能なことがわかる。
このように駆動電圧の周波数のリミット値を周波数fに設定し、このリミット値を越えない周波数を用いて圧電トランス9を駆動すると、図3,4に示した特性曲線(1)〜(7)の各ピーク値を越えた状況で圧電トランス9が動作する事態は発生しない。即ち、圧電トランス9は、共振点に至ることなく動作して安定した高電圧を出力することができる。
上記の周波数fがリミット値として設定された電源装置1は、図3,4に示した特性曲線(1)〜(7)に関連させて示した範囲の値を有する負荷2を接続したとき、圧電トランス9の共振点を避けて動作する。
第1の実施形態による圧電トランスの制御回路によれば、電源装置1の出力端子T5,T6間を短絡した状態において、電流検出部12が検出した短絡電流を外部接続した電流モニタ機器に表示させる。電流モニタ機器に表示された短絡電流が、予め設定しておいた短絡電流Isとなるように駆動電圧の周波数を調整し、この周波数をリミット値として周波数制御部6へ設定する。
また、電源装置1の出力端子T5,T6間の短絡を開放し、負荷2を接続したとき、周波数制御部6は、前述の周波数のリミット値を越えないように駆動部7のスイッチング動作を制御し、圧電トランス9へ入力される駆動電圧の周波数を制限して動作させるようにした。
このようにすることによって、圧電トランス9の共振点を避けて当該圧電トランス9を動作させることができ、過渡的な負荷変動、環境の変化、および、圧電トランス9の個体差などに影響されることなく安定した出力電圧を負荷2へ供給することができる。
<第2の実施形態>
図6は、本発明の第2の実施形態による圧電トランスの制御回路を用いた電源装置の構成を示すブロック図である。第1の実施形態で説明した電源装置1と同様あるいは相当する部分に同じ符号を使用し、これらの部分の重複説明を省略する。
図6の電源装置1aに含まれる圧電トランスの制御回路は、信号変換部3、基準電圧生成部4、比較部5、周波数制御部6、駆動部7、共振部8、電圧検出部11、電流検出部12、および、CPU13を有している。
CPU13は、電源装置1aの電子回路を構成するプロセッサであり、電流検出部12から出力される検出信号を入力するように接続構成されている。
また、CPU13は、電源装置1aの出力電圧を設定する制御信号、即ちPWM制御信号を信号変換部3へ出力するように接続構成され、またさらに、周波数制御部6が調整する駆動電圧の周波数を制限するように当該周波数制御部6へ接続されている。
CPU13は、例えば自ら記憶しているプログラム等のソフトウエアに基づいて、周波数制御部6の動作を制御するように構成された制御手段である。
次に動作について説明する。
図1を用いて説明した電源装置1と同様な動作の重複説明を省略し、第2の実施形態による電源装置1aの特徴となる動作を説明する。
初めに、出力端子T5,T6間に負荷2を接続して電圧を供給する、電源装置1aの通常の出力動作を説明する。
CPU13は、例えば図示されない入力手段によって設定された出力電圧を示すPWM制御信号を生成し、信号変換部3へ出力する。
信号変換部3は、第1の実施形態で説明したように信号変換処理を行い、この制御信号を比較部5へ出力する。比較部5は、第1の実施形態で説明したように比較処理を行う。
図6の周波数制御部6は、第1の実施形態で説明したように比較部5からの比較結果を示す信号を用いて駆動電圧の周波数制御を行う。このとき、周波数制御部6は、CPU13から入力している周波数リミット信号が示す周波数を越えないように上記の駆動電圧の周波数を調整する。
図6の駆動部7は、上記の周波数制御部6の制御により駆動部7を構成するスイッチングトランジスタTr3がON/OFF動作を繰り返し、第1の実施形態で説明したように共振部8を共振させる。
共振部8は、第1の実施形態で説明したように入力電圧VINを共振させて駆動電圧を発生させ、圧電トランス9の1次側端子へ入力する。
圧電トランス9の2次側、即ち出力端子に発生した出力電圧は、第1の実施形態で説明したように整流部10によって直流電力に整流され、電源装置1aの出力端子T5,T6に接続されている負荷2へ供給される
また第1の実施形態で説明したように、整流部10に接続されている電圧検出部11が電源装置1a、もしくは圧電トランス9の出力電圧を検出し、当該検出信号を比較部5へ出力する。また、同じく整流部10に接続されている電流検出部12が圧電トランス9の出力電流を検出し、当該検出信号を比較部5へ出力する。
上記の各検出信号を入力した比較部5、比較部5の比較結果に応じて駆動電圧の周波数を制御する周波数制御部6、周波数制御部6に制御される駆動部7、および駆動部7によって共振され、駆動電圧を生成する共振部8の動作は、第1の実施形態で説明した動作と同様である。
電源装置1aは、このように負荷2に対する通常の出力動作を行う。
次に電源装置1aの駆動電圧の周波数を設定する動作を説明する。
CPU13は、予め、第1の実施形態で説明した短絡電流Isを、例えば自ら備える記憶部等に記憶/設定させている。
あるいは、CPU13の記憶部に、第1の実施形態で説明した、山越えが起こるポイントの周波数を駆動電圧に用いたときの出力短絡電流を記憶させておく。
詳しくは、所定の範囲内の任意の大きさを有する負荷2を接続したときの圧電トランス9の共振周波数を駆動電圧に用いて、当該圧電トランス9を動作させたときの出力短絡電流値を記憶させておく。なお、上記の所定の範囲内の大きさを有する負荷2とは、電源装置1aが電力供給を行うことのできる範囲の大きさの負荷である。
さらに、CPU13は、予め前述の範囲内において値の異なる複数の負荷2に対する共振周波数を用いて圧電トランス9を駆動させ、このときの各出力短絡電流を前述の記憶部等に記憶/蓄積させておく。
このように記憶部等へ各出力短絡電流を蓄積させておき、CPU13が、適宜、上記の蓄積されている出力短絡電流値よりも小さな短絡電流Isを所定の演算によって求め、自らに設定するようにしてもよい。
図5のステップST101の工程に相当する出力端子T5,T6間の短絡が、例えば前述の第1の実施形態で説明した短絡手段によって行われたとき、CPU13は、電流検出部12から出力された検出信号、即ち出力短絡電流値を入力する。
CPU13は、上記のように出力端子T5,T6間、もしくは圧電トランス9の出力電流が短絡されたとき、例えば、外部から所定の設定操作がなされると、自ら備えるプログラム等に則してPWM制御信号の内容を順次変化させる。
周波数制御部6は、前述のように順次変化するPWM制御信号に応じて駆動電圧の周波数を変化させ、駆動部7のスイッチング動作を制御する。即ち、圧電トランス9の駆動電圧の周波数を順次変化させる。この処理動作は、図5のステップST102の工程に相当する。
CPU13は、このようにして順次駆動電圧の周波数を変化させたとき、電流検出部12から出力される検出信号、即ち、各周波数に対応して検出される短絡電流を入力する。この処理動作は、図5のステップST103の工程に相当する。
CPU13は、検出した短絡電流が、前述のように予め設定しておいた短絡電流Isとなったときの駆動電圧の周波数を周波数リミット値として設定する。この処理動作は、図5のステップST104の工程に相当する。
CPU13は、前述の周波数リミット値を表す周波数リミット信号を、周波数制御部6へ出力して駆動電圧の周波数を制限する条件を設定する。具体的には、CPU13は、例えば電源装置1aの出力電圧を変化させるために周波数制御部6が駆動電圧の周波数を下降させる制御を行うとき、圧電トランス9の共振点を回避するため駆動電圧の周波数の下限値を設定する。
このようにCPU13が周波数制御部6に周波数リミット値を設定した後、出力端子T5,T6間の短絡を開放し、負荷2へ電源電力を供給する。この処理動作は、図5のステップST105に相当する。
負荷2へ電源電力を供給するように、例えば外部から設定操作がなされたCPU13は、予め負荷2に対して設定された電圧を供給するようにPWM制御信号を生成し、前述のように各部を動作させる。
また、このとき、周波数制御部6は、CPU13によって設定された周波数のリミット値を越えた周波数を有する駆動電圧が生成されないように、駆動部7の動作を制御する。この処理動作は、図5のステップST106の工程に相当する。
電源装置1aは、このように駆動電圧の周波数のリミット値を設定し、負荷2を接続させた通常の出力動作を行う。
以上のように第2の実施形態によれば、電源装置1aの出力端子T5,T6間を短絡した状態において、CPU13が駆動電圧の周波数を順次変化させるように各部を制御する。また、CPU13は、電流検出部12が検出した短絡電流が予め設定されている短絡電流Isとなったときの駆動電圧の周波数を、リミット値として周波数制御部6へ設定する。
また、電源装置1aの出力端子T5,T6間の短絡を開放して負荷2を接続したとき、周波数制御部6は、前述の周波数のリミット値を越えないように駆動部7のスイッチング動作を制御し、圧電トランス9へ入力される駆動電圧の周波数を制限して動作させるようにした。
このようにすることによって、圧電トランス9の共振点を避けて当該圧電トランス9を動作させることができ、過渡的な負荷変動、環境の変化、および、圧電トランス9の個体差などに影響されることなく安定した出力電圧を負荷2へ供給することができる。
また、CPU13の処理動作により、短絡電流Isとなる駆動電圧の周波数をリミット値として設定するようにしたので、適切な駆動電圧の周波数を自動的に設定することができる。
<第3の実施形態>
図7は、本発明の第3の実施形態による圧電トランスの制御回路を用いた電源装置の構成を示すブロック図である。第1および第2の実施形態で説明したものと同一あるいは相当する部分に同じ符号を使用し、その部分の重複説明を省略する。図7に示した電源装置1bは、圧電トランス9へ入力する駆動電圧を制御するプロセッサのCPU13aを有する。
電源装置1bは、第1および第2の実施形態で説明した駆動部7に相当するスイッチングトランジスタTr3、同じく共振部8であるインダクタL1およびキャパシタC3を有する。また、電源装置1bは、第1および第2の実施形態で説明した圧電トランス9、整流部10、電圧検出部11、および、電流検出部12を有する。また、電源装置1bは、負荷2等を外部接続する出力端子T5,T6を有する。
CPU13aは、例えば自ら記憶しているプログラム等に則して各処理、制御動作等を行うように構成された制御手段である。CPU13aは、周波数リミット制御部20、A/D変換部21,22、演算部23,24、および、周波数可変部25を有する。
A/D変換部21は、電圧検出部11から出力される検出信号を入力し、また電流検出部12から出力される検出信号を入力し、これらの検出信号をA/D変換して演算部23へ入力するように構成されている。
A/D変換部22は、電流検出部12から出力される短絡電流の検出信号を入力し、この検出信号をA/D変換して演算部24へ入力するように構成されている。
周波数リミット制御部20は、演算部24の演算結果を入力し、駆動電圧の周波数のリミット値を用いて周波数可変部25の動作を制御するように構成されている。
周波数可変部25は、演算部23の演算結果を用いて、また周波数リミット制御部20に制御されることにより、圧電トランス9の駆動電圧の周波数を設定してスイッチングトランジスタTr3のスイッチング動作を制御するように構成されている。
電源装置1bに含まれる圧電トランスの制御回路は、駆動部7、共振部8、電圧検出部11、電流検出部12、および、CPU13aを有している。
次に動作について説明する。
前述の第1の実施形態ならびに第2の実施形態で説明した電源装置と同様な動作の重複説明を省略し、第3の実施形態による電源装置1bの特徴となる動作を説明する。
初めに、出力端子T5,T6間に負荷2を接続して電圧を供給する、電源装置1bの通常の出力動作を説明する。
CPU13aの周波数可変部25は、例えば、予め設定されている電圧を出力するように駆動電圧の周波数を設定し、当該周波数に応じた周期でスイッチングトランジスタTr3を稼働させる。共振部8は、前述のスイッチングトランジスタTr3の動作によって共振し、周波数可変部25が設定した周波数の駆動電圧を発生して圧電トランス9へ供給する。
駆動電圧が供給された圧電トランス9は、2次側端子に高電圧を発生し、整流部10へ出力する。整流部10は、圧電トランス9の出力電力を整流して直流電力を生成し、出力端子T5,T6に接続されている負荷2へ供給する。
整流部10に接続されている電圧検出部11は、電源装置1bもしくは圧電トランス9の出力電圧を検出し、この検出信号をCPU13aのA/D変換部21へ出力する。
また、整流部10に接続されている電流検出部12は、電源装置1bもしくは圧電トランス9の出力電流を検出し、この検出信号をCPU13aのA/D変換部21へ出力する。A/D変換部21は、入力した各検出信号をA/D変換して演算部23へ出力する。
演算部23は、A/D変換部21から取得した出力電圧値を示す信号と出力電流値を示す信号とを用いて、例えば、予め自らに設定されている電圧と、上記の出力電圧値ならびに出力電流値とを比較する演算処理を行う。
また、演算部23は、前述の演算結果から圧電トランス9から出力すべき電圧を検知し、当該電圧を発生させるための駆動電圧の周波数を求める。
周波数可変部25は、前述の演算部23が求めた周波数を有する駆動電圧が生成されるように、スイッチングトランジスタTr3のスイッチング動作を制御する。このようにして、電源装置1bもしくは圧電トランス9の出力電圧のフィードバック制御を行い、出力電圧を安定させて一定に保つ。
次に電源装置1bの駆動電圧の周波数を設定する動作を説明する。
CPU13aは、予め、第1の実施形態で説明した短絡電流Isを、例えば自ら備える記憶部等に記憶/設定させている。
あるいは、CPU13aの記憶部に、第1の実施形態で説明した、山越えが起こるポイントの周波数を駆動電圧に用いたときの出力短絡電流を記憶させておく。
詳しくは、前述の第2の実施形態で説明したように、任意の負荷2を接続したときの圧電トランス9の共振周波数を駆動電圧に用いて、当該圧電トランス9を動作させたときの出力短絡電流値を記憶させておく。さらに、予め前述の範囲内において値の異なる複数の負荷2に対する共振周波数を記憶部等に記憶/蓄積させておく。
このように記憶部等へ各出力短絡電流を蓄積させておき、CPU13aが、適宜、上記の蓄積されている出力短絡電流値よりも小さな短絡電流Isを所定の演算によって求め、自らに設定するようにしてもよい。
CPU13aは、前述の第1ならびに第2の実施形態で説明したように図5のステップST101の工程において出力端子T5,T6間が短絡されると、次のように動作する。
CPU13aは、例えば外部から設定操作が行われると、周波数可変部25が駆動電圧の周波数を順次変化させる制御をスイッチングトランジスタTr3に行う。
具体的には、周波数可変部25は、スイッチングトランジスタTr3のスイッチング動作の周期を所定の範囲内で変化させる。
共振部8は、スイッチングトランジスタTr3のON/OFF動作に応じて駆動電圧を発生する。スイッチングトランジスタTr3のスイッチング動作は、前述のように周期が変化していることから、共振部8から圧電トランス9へ供給される駆動電圧の周波数も順次変化する。この処理動作は、図5のステップST102の工程に相当する。
電流検出部12は、前述のように順次周波数を変化させた駆動電圧を供給した圧電トランス9の短絡電流を検出し、この検出信号をCPU13aへ入力する。この動作は、図5のステップST103の工程に相当する。
前述の短絡電流を示す検出信号は、A/D変換部22へ入力される。
演算部24は、例えばA/D変換部22が所定の周波数間隔でサンプリングした短絡電流を示す信号を順次入力し、これらの短絡電流と前述の予め設定されている短絡電流Isとを比較する演算を行う。演算部24は、A/D変換部22から入力した出力短絡電流が短絡電流Isになったとき、当該出力短絡電流が流れたときの駆動電圧の周波数を求める。
周波数リミット制御部20は、演算部24が求めた前述の駆動電圧の周波数を用いて周波数可変部25の動作を制御する。具体的には、演算部24から入力した駆動電圧の周波数をリミット値として設定し、このリミット値を越えた周波数の駆動電圧が生成されないように周波数可変部25の動作を制御する。この処理動作は、図5のステップST104の工程に相当する。
この後、例えば、図5のステップST105の工程において出力端子T5,T6間の短絡を開放し、負荷2を当該出力端子T5,T6間に接続する。
前述のように駆動電圧の周波数のリミット値が設定された周波数可変部25は、上記のリミット値を越えないようにスイッチングトランジスタTr3のスイッチング動作を制御する。
周波数可変部25に制御されたスイッチングトランジスタTr3は、共振部8を共振させて前述のリミット値を越えていない周波数を有する駆動電圧を発生させ、圧電トランス9へ供給する。この処理動作は、図5のステップST106の工程に相当する。
このようにCPU13aは、駆動電圧の周波数のリミット値を求め、当該リミット値を越えない範囲の周波数で駆動部7および共振部8を稼働させ、圧電トランス9の共振周波数を避けて駆動電圧を発生させる。また、出力端子T5,T6間の短絡、即ち圧電トランス9の出力短絡を開放させた後、電源装置1bの出力端子T5,T6に接続された負荷2に対し、リミット値を越えないように駆動電圧の周波数を制御して前述の通常の出力動作を行う。
以上のように第3の実施形態によれば、電源装置1bの出力端子T5,T6間が短絡されているとき、CPU13aは、駆動部7を制御して順次駆動電圧の周波数を変化させ、このとき電流検出部12が検出した短絡電流を示す検出信号を入力する。CPU13aは、前述の検出信号の示している出力短絡電流が、予め設定されている短絡電流Isとなったときの駆動電圧の周波数を求める。CPU13aは、求めた駆動電圧の周波数をリミット値として設定し、このリミット値を越えないように駆動電圧の周波数を制御する。
また、出力端子T5,T6間の短絡を開放し、負荷2へ電圧を供給するとき、CPU13aは、電圧検出部11の検出信号と電流検出部12の検出信号とを入力し、各検出信号が示す値と負荷2へ供給すべき電圧との比較演算を行う。CPU13aは、この演算結果を用いて圧電トランス9が適切な高電圧を発生するように駆動部7を制御するようにした。
このようにすることによって、圧電トランス9の共振点を避けて当該圧電トランス9を動作させることができ、安定した出力電圧を負荷2へ供給することができる。
また、CPU13aの処理動作により、駆動電圧の周波数のリミット値を設定するようにしたので、適切な駆動電圧の周波数を自動的に設定することができる。
本発明の第1の実施形態による圧電トランスの制御回路を用いた電源装置の構成を示すブロック図である。 図1の電源装置の構成を示す回路図である。 図1の電源装置に用いられている圧電トランスの動作特性を示す説明図である。 図1の電源装置に用いられている圧電トランスの動作特性を示す説明図である。 図1の電源装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第2の実施形態による圧電トランスの制御回路を用いた電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第3の実施形態による圧電トランスの制御回路を用いた電源装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
1,1a,1b…電源装置、2…負荷、3…信号変換部、4…基準電圧生成部、5…比較部、6…周波数制御部、6a…発振部、7…駆動部、8…共振部、9…圧電トランス、10…整流部、11…電圧検出部、12…電流検出部、13,13a…CPU、20…周波数リミット制御部、21,22…A/D変換部、23,24…演算部、25…周波数可変部。

Claims (5)

  1. 圧電トランスの出力電圧を検出する電圧検出部と、
    前記圧電トランスの出力電流を検出する電流検出部と、
    前記圧電トランスの出力電圧を設定する制御信号、前記電圧検出部の検出信号、および、前記電流検出部の検出信号に応じて前記圧電トランスの出力電圧が所定の電圧となるように前記圧電トランスの駆動電圧の周波数を制御する周波数制御部と、
    前記周波数制御部の制御により前記駆動電圧を発生させて前記圧電トランスを駆動する駆動部と、
    を有し、
    前記周波数制御部は、前記電流検出部が検出した前記圧電トランスの出力短絡電流に基づいて設定された周波数を用いて前記駆動電圧の周波数制御を行う、
    圧電トランスの制御回路。
  2. 前記圧電トランスの出力端子が短絡されたとき、前記周波数制御部を制御して前記圧電トランスへ供給する駆動電圧の周波数を順次変化させ、
    前記電流検出部が検出した前記圧電トランスの出力短絡電流に応じて前記駆動電圧の周波数のリミット値を設定して前記周波数制御の動作を制御する制御手段、を有する、
    請求項1に記載の圧電トランスの制御回路。
  3. 圧電トランスの出力電圧を検出する電圧検出部と、
    前記圧電トランスの出力電流を検出する電流検出部と、
    前記電圧検出部の検出信号と前記電流検出部の検出信号とを入力し、前記圧電トランスの駆動電圧の周波数を設定する制御手段と、
    前記制御手段の制御に応じて前記駆動電圧を発生させて前記圧電トランスを駆動する駆動部と、
    を有し、
    前記制御手段は、前記電流検出部が検出した前記圧電トランスの出力短絡電流に基づいて前記駆動電圧の周波数を求め、該周波数の駆動電圧を発生するように前記駆動部の動作を制御する、
    圧電トランスの制御回路。
  4. 前記制御手段は、
    前記圧電トランスの共振周波数を有する駆動電圧を該圧電トランスへ供給したときの出力短絡電流よりも小さな短絡電流を予め設定しておき、
    前記電流検出部の検出した出力短絡電流が前記設定されている短絡電流になったときの駆動電圧の周波数を求める演算部と、
    前記演算部の求めた周波数をリミット値に設定して前記駆動電圧の周波数を制御する周波数リミット制御部と、
    前記周波数リミット制御部の制御により前記駆動電圧の周波数を変化させる周波数可変部と、を有する、
    請求項3に記載の圧電トランスの制御回路。
  5. 圧電トランスの出力端子を短絡させたとき、制御手段が、駆動部を制御して順次周波数を変化させた駆動電圧を前記圧電トランスに供給させる工程と、
    電流検出部が、前記圧電トランスの出力短絡電流を検出する工程と、
    前記制御手段に予め前記圧電トランスの共振周波数を有する駆動電圧を該圧電トランスへ供給したときの出力短絡電流よりも小さな短絡電流を設定しておき、
    前記制御手段が、前記電流検出部の検出した出力短絡電流が前記設定されている短絡電流になったときの駆動電圧の周波数をリミット値として設定する工程と、
    前記圧電トランスの出力端子の短絡を開放させたとき、前記制御手段が、前記リミット値を越えないように駆動電圧の周波数を制御して前記駆動部に前記圧電トランスの駆動を行わせる工程と、
    を有する、
    圧電トランスの制御方法。
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