JP2010068644A

JP2010068644A - 圧電トランス装置

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Publication number: JP2010068644A
Application number: JP2008233464A
Authority: JP
Inventors: Akira Nakagawa; 亮中川; Yasuhide Matsuo; 泰秀松尾
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: JP5291411B2

Abstract

【課題】回路構成を複雑化することなく、複数の圧電トランス同士で駆動周波数の干渉を防止する。
【解決手段】圧電トランス装置１００は、複数の圧電トランス１０２，１０４を用いて変圧を行う。２個の圧電トランス１０２，１０４は互いに特性が同等であるが、それぞれに印加される入力電圧の極性に対して、互いの分極方向を逆にして配置されている。このため、各圧電トランス１０２，１０４は、例えば同じ所定値の出力電圧を得るにあたり、それぞれの駆動周波数が異なったものとなるので、相互に周波数干渉を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の圧電トランスを用いて複数系統の出力を得ることができる圧電トランス装置に関する。

一般的に圧電トランスは、巻線式のトランスと比較して小型であることから、省スペース化が求められるデジタル機器（ＯＡ機器、液晶ディスプレイ等）に広く採用されている。例えば、フルカラー印刷が可能なレーザプリンタでは、その電子写真プロセスにおいて４色（マゼンタ、シアン、イエロー、ブラック）のトナー別に現像を行うため、各色別の現像器に対して個別に現像バイアスを印加する必要がある。このため従来、１つの電源ユニットに複数の圧電トランスを用いた電源回路を設け、それぞれの圧電トランスから複数系統の出力を発生させる先行技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この先行技術は、プリンタ本体内の限られたスペースであっても、圧電トランスの採用により１つの電源ユニットから複数系統の出力を実現している一例である。

また上記の先行技術は、複数系統の電源回路に圧電トランスと電圧制御発振器（ＶＣＯ）をそれぞれ設置し、制御信号に応じて圧電トランスの駆動周波数を電源回路同士で近接させない制御を行うものである。例えば、２つの電源回路から電圧が出力される場合、その一方の電源回路の電圧制御発振器については、他方の電源回路の電圧制御発振器から出力される信号の周波数とは近接しない周波数の信号を発生する制御が行われている。このため先行技術によれば、複数の圧電トランスが隣接して配置されていたとしても、それらの電源ライン経由や静電容量結合等によって相互干渉するのを防止し、出力波形に干渉周波数によるリップルが現れるのを抑えることができると考えられる。
特開２００６−３１１７８７号公報（第８−１０頁、図１Ａ、図１Ｂ）

しかしながら上記の先行技術は、複数の圧電トランス同士で駆動周波数を近接させない制御を行うために、互いのコンデンサ容量を変更する等、電源回路の構成を別々に設計する必要があり、その分の手間が多くかかってしまう。また、電源回路ごとに素子の構成が異なっていると、それだけ多種類の部品を調達する必要が生じるし、実際の製造工程において部品の実装作業が複雑化するため、生産効率が悪化するという問題がある。

そこで本発明は、回路構成を複雑化することなく、複数の圧電トランス同士で駆動周波数の干渉を防止する技術の提供を課題としたものである。

本発明は、一次側電極を通じて入力電圧が印加される発電部と、入力電圧の印加によって生じる機械的な振動に伴い、二次側電極から出力電圧を発生させる出力部とを有した圧電トランスを複数個用いて変圧を行う圧電トランス装置において、互いに特性が同等である少なくとも２個の圧電トランスを、個々に印加される入力電圧の極性に対して発電部の分極方向を逆にした状態で配置したものである。

例えば、昇圧比などの特性が同等に設計された圧電トランスであれば、製品の個体差（いわゆるバラツキ）によって駆動周波数が僅かに異なってはいるものの、基本的に周波数は近接している。このため先行技術（特許文献１）で挙げられているように、特性が同等である圧電トランス同士に周波数の干渉が生じることが既にわかっている。この点を解消するために、先行技術のように圧電トランスごとに回路構成を異ならせる手法を採用した場合、上記のように設計工数の増加や生産効率の悪化を招くことになる。

そこで本発明は、互いに特性が同等である圧電トランスを、個々に印加される入力電圧の極性に対して発電部の分極方向を互いに逆に配置することで上記の課題を解決する。互いに特性が同等に設計された圧電トランスであっても、入力電圧の極性に対して分極方向を逆にして配置することにより、実際に得られる出力電圧の特性を互いに異ならせることができる。例えば、２つの圧電トランスのうち、入力電圧の極性に対して一方を通常どおりの分極方向に配置し、他方を通常とは反対の分極方向に配置し、同じ駆動周波数で入力電圧を印加した場合、一方の圧電トランスからは設計値どおりの出力電圧が得られるが、他方の圧電トランスからは設計値をある程度下回った出力電圧が得られることになる。これは、同じ駆動周波数に対して互いの昇圧比が異なることを意味し、その結果、２つの圧電トランスから同じ出力電圧を得るための駆動周波数は、個体ごとの誤差分を超えて大きく乖離することになる。これにより、本発明では圧電トランスごとに回路構成を大きく異ならせることなく、容易に互いの駆動周波数を大きく引き離すことができ、それによって周波数の干渉を確実に防止することができる。

このため本発明において、少なくとも２個の圧電トランスは、入力電圧の極性に対する発電部の分極方向の違いに起因して、同じ所定値の出力電圧を発生させるべく個々に印加される入力電圧の周波数が互いに異なっている。

例えば、実際にＯＡ機器等に圧電トランス装置を搭載して作動させる場合、そのときの用途に応じて出力電圧は所定値（求められている電圧）に定められることになる。このとき、少なくとも２個の圧電トランスについては、同じ所定値の出力電圧を得るにしても、互いの分極方向の違いに起因して、それぞれの駆動周波数が大きく異なったものとなる。これにより、圧電トランス同士で周波数の干渉が生じるのを確実に防止し、ＯＡ機器等の動作を安定化させることができる。

また本発明は、少なくとも２個の圧電トランスのそれぞれに異なる周波数で入力電圧を印加することにより、個々の圧電トランスから得られる出力電圧を互いに同じ所定値に制御する制御回路を備えていてもよい。

この種の圧電トランス装置においては、個々の圧電トランスからの出力をモニタリングし、目標値との誤差を負帰還して入力電圧の周波数をフィードバック制御する方式が一般的に採用されている。この場合においても、同じ所定値の出力電圧を得るために必要な入力電圧の駆動周波数が大きく異なっていれば、フィードバック制御での周波数干渉が起こりにくくなるので、より安定した動作を実現することができる。

以上のように本発明の圧電トランス装置は、複数系統に設けられた回路の構成を共通化することができるので、きわめて容易に複数個ある圧電トランス同士での周波数干渉を防止することができる。これにより、回路設計の複雑化や生産効率の悪化を防止し、低コストで圧電トランス装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

〔基本構成〕
図１は、一実施形態の圧電トランス装置１００の基本的な構成を概略的に示す回路図である。圧電トランス装置１００は、例えば２個の圧電トランス１０２，１０４を備え、これら圧電トランス１０２，１０４に対して駆動電源１０６から入力電圧を印加し、個々に別系統の出力電圧を得る構成である。得られた複数系統の出力電圧は、それぞれ別系統の負荷１０８，１１０に供給される。

２個の圧電トランス１０２，１０４は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）等の圧電セラミックスを板状に成形し、分極処理を施して、内部に発電部及び出力部を設けたものである。このうち発電部は、圧電トランス１０２，１０４の長手方向でみてその半分の領域を厚み方向に分極したものであり、この発電部に対応する外面には一次電極１０２ａ，１０４ａがそれぞれ形成されている。また出力部は、発電部以外の半分の領域を長手方向に分極したものであり、この出力部に対応する外面には二次電極１０２ｂ，１０４ｂがそれぞれ形成されている。なお図１には、発電部、出力部それぞれの分極方向が白抜きの矢印で示されている。

図１に示される基本構成では、２個の圧電トランス１０２，１０４の基本的な特性（例えば共振周波数と最大昇圧比）は同等に設計されているが、回路上でみて駆動電源１０６から印加される入力電圧の極性に対し、２個の圧電トランス１０２，１０４同士で互いの分極方向が逆となる配置が採用されている。このような回路上での分極方向の違いは、各圧電トランス１０２，１０４の動作特性に関して以下の特徴をもたらす。

〔動作特性〕
図２は、圧電トランス１０２，１０４の配置の違いによる動作特性の違いを対比して示す特性図である。以下、それぞれについて実施例と比較例との対比をもって説明する。なお図２中、横軸には入力電圧の周波数をとり、縦軸には出力電圧の値をとるものとする。

〔実施例〕
図２中（Ｉ）：図１に示される基本形態を採用した場合の実施例を示す。この実施例では、一方の圧電トランス１０２の動作特性（図中符号Ａ）と他方の圧電トランス１０４の動作特性（図中符号Ｂ）とが大きく異なっている。具体的には、個々に昇圧比が最大となる共振周波数は略一致していても、そのときの昇圧比は一方の圧電トランス１０２の方が高い。これは、入力電圧の極性に対する各圧電トランス１０２，１０４の分極方向の違いに起因している。

このような動作特性の違いにより、例えば実施例において同じ所定値Ｖｏの出力電圧を２個の圧電トランス１０２，１０４から得るにしても、それぞれの駆動周波数ｆａ，ｆｂは大きく異なったものとなる。本発明の発明者等が検証を行ったところ、一方の駆動周波数ｆａに対して他方の駆動周波数ｆｂは約２００％程度のずれが確認された。

〔比較例〕
図２中（II）：これに対し、比較例として従来と同様に２個の圧電トランス１０２，１０４の分極方向を互いに同じ配置とした場合、基本的な特性が同等に設計されていることから、両者の動作特性は極めて近接したものとなっている。なお、ここで示されている動作特性の僅かな違いは、各圧電トランス１０２，１０４の製品個体差によるものであり、製品個体差が極めて少なければ、両者が略一致することもある。

このように、回路上で入力電圧に対する２個の圧電トランス１０２，１０４の分極方向を互いに同じ配置とした場合、同じ所定値Ｖｏの出力電圧を得るための駆動周波数ｆａ，ｆｂは極めて近接したものとなる。

〔実施例と比較例との対比〕
以上の実施例と比較例との対比から明らかなように、比較例の場合は２個の圧電トランス１０２，１０４の駆動周波数ｆａ，ｆｂが相互に近接している（設計上は同じ周波数である）ため、従来公知のように互いに周波数の干渉が生じやすくなる。これに対し、実施例では製品個体差によるずれを超えて、明らかに駆動周波数ｆａ，ｆｂが大きく異なることから、互いの周波数の干渉を確実に防止することができる。

〔応用例〕
図３は、本実施形態の圧電トランス装置１００の応用例を示す概略的な回路図である。この応用例では、２つの圧電トランス１０２，１０４の出力電圧を一定に制御するための制御回路（負帰還回路）が付加されている。以下、具体的に説明する。

図３中、２個の圧電トランス１０２，１０４は単にブロック要素として示されている。各圧電トランス１０２，１０４には、例えばスイッチング素子１１２を通じて入力電圧Ｖｉが印加されている。スイッチング素子１１２は、各圧電トランス１０２，１０４に対する入力電圧のスイッチング波形の周波数を可変するためのものである。この応用例において、各圧電トランス１０２，１０４は、例えば同じ所定値の出力電圧を得るために入力電圧のスイッチング波形の周波数がフィードバック制御されている。各圧電トランス１０２，１０４からの出力は、それぞれ例えば正側（＋）の４倍整流回路１２２、負側（−）の４倍整流回路１２４で整流され、所定値の出力電圧Ｖｏとして図示しない負荷に供給されている。なお、ここでいう所定値は、図示しない負荷において要求される出力電圧の値とする。

上記のスイッチング素子１１２は、例えばＶ−Ｆ（電圧−周波数）コンバータ１１４によって駆動されている。Ｖ−Ｆコンバータ１１４は、例えば入力電圧（Ｖｓ）に比例した周波数で矩形波のＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、その周波数でスイッチング素子１１２を駆動する。

Ｖ−Ｆコンバータ１１４の入力電圧（Ｖｓ）は、負帰還回路１１６を通じて印加されている。この負帰還回路１１６は、例えば電流検出器１２６、分圧器１２８、ＯＲ回路１３０、誤差増幅器１１８及び積分器１２０から構成されている。電流検出器１２６は、各圧電トランス１０２，１０４において出力電流の変化をモニタリングし、その検出信号をＯＲ回路１３０に出力する。また分圧器１２８は、各圧電トランス１０２，１０４の出力電圧を分圧してモニタリングし、その検出信号をＯＲ回路１３０に出力している。

負帰還回路１１６では、各圧電トランス１０２，１０４からの出力電流又は出力電圧の検出結果がＯＲ回路１３０から誤差増幅器１１８に出力され、ここで誤差信号に増幅される。そして誤差信号は、積分器１２０にて積分され、Ｖ−Ｆコンバータ１１４の入力電圧（Ｖｓ）として出力される。

応用例の回路構成によれば、２個の圧電トランス１０２，１０４から同じ所定値Ｖｏの出力電圧を得る場合、上記のようにそれぞれの駆動周波数ｆａ，ｆｂが異なるため、定常状態においてＶ−Ｆコンバータ１１４から出力される矩形波の周波数も互いに異なったものとなる。このため、例えば実際の回路基板上で２個の圧電トランス１０２，１０４やそれぞれの負帰還回路１１６が近接して配置されていたとしても、相互に周波数の干渉が生じることはない。

以上のように本実施形態の圧電トランス装置１００は、基本的な回路構成として、入力電圧の極性に対して２個の圧電トランス１０２，１０４の分極方向を逆に配置するだけで、互いの周波数干渉を確実に防止することができる。また、各圧電トランス１０２，１０４は基本的に同等の特性に設計されているため、これらを別々に設計する必要がない。

さらに、応用例で示したように負帰還回路１１６を用いて出力電圧を制御する場合においても、それぞれの回路構成を個別に設計する必要がなく、共通の構成を採用することができる。このため、設計工数が不用意に増大したり、実際の製品を加工する際の生産効率が悪化したりすることがない。

本発明は上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。例えば、一実施形態では２個の圧電トランス１０２，１０４を例に挙げているが、本発明の圧電トランス装置は３個以上の圧電トランスを備えていてもよい。３個以上の圧電トランスを備える場合、実際の回路上で互いに隣接又は近接している圧電トランス同士でみて、これらの分極方向が逆に配置される関係が成立していればよい。

また３個以上の圧電トランスを備える場合、全ての隣接又は近接する圧電トランスについて分極方向が逆になっている必要はなく、その中の少なくとも２個について互いの分極方向が逆に配置されていれば、その実施形態は本発明の圧電トランス装置に含まれる。

その他、実施形態において図示とともに挙げた構造はあくまで好ましい一例であり、基本的な構造に各種の要素を付加し、あるいは一部を置換しても本発明を好適に実施可能であることはいうまでもない。

一実施形態の圧電トランス装置の基本的な構成を概略的に示す回路図である。圧電トランスの配置の違いによる動作特性の違いを対比して示す特性図である。圧電トランス装置の応用例を示す概略的な回路図である。

符号の説明

１００圧電トランス装置
１０２，１０４圧電トランス
１０２ａ，１０４ａ一次電極
１０２ｂ，１０４ｂ二次電極
１０６駆動電源
１０８，１１０負荷
１１２スイッチング素子
１１４Ｖ−Ｆコンバータ
１１６負帰還回路
１１８誤差増幅器
１２０積分器
１２２，１２４４倍整流回路
１２６電流検出器
１２８分圧器
１３０ＯＲ回路

Claims

一次側電極を通じて入力電圧が印加される発電部と、入力電圧の印加によって生じる機械的な振動に伴い、二次側電極から出力電圧を発生させる出力部とを有した圧電トランスを複数個用いて変圧を行う圧電トランス装置において、
互いに特性が同等である少なくとも２個の前記圧電トランスを、個々に印加される入力電圧の極性に対して前記発電部の分極方向を逆にした状態で配置したことを特徴とする圧電トランス装置。
請求項１に記載の圧電トランス装置において、
少なくとも２個の前記圧電トランスは、
入力電圧の極性に対する前記発電部の分極方向の違いに起因して、同じ所定値の出力電圧を発生させるべく個々に印加される入力電圧の周波数が互いに異なっていることを特徴とする圧電トランス装置。
請求項２に記載の圧電トランス装置において、
少なくとも２個の前記圧電トランスのそれぞれに異なる周波数で入力電圧を印加することにより、個々の前記圧電トランスから得られる出力電圧を互いに同じ所定値に制御する制御回路を備えたことを特徴とする圧電トランス装置。