JP2010081745A - 圧電トランスを用いた高電圧電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧比が大きく、また、安定した高電圧を供給することができる圧電トランスを用いた高電圧電源回路を得る。
【解決手段】圧電トランス９と、前記圧電トランス９へ供給する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出力信号に応じて前記駆動電圧を発生するインダクタＬ１およびコンデンサＣ１と、前記駆動電圧が供給された圧電トランス９の出力電圧を直流電圧へ整流する整流部１０と、前記整流部１０に接続して該整流部１０の出力電圧を高めるコンデンサＣ０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子写真式プリンタ、複写機、除電器、空気洗浄機などの機器に使用されている高電圧を、圧電トランスを用いて発生する高電圧電源回路に関する。

高電圧を出力する電源回路には、変圧動作が安定している巻線式のトランスが用いられているが、比較的発熱が小さく、効率よく変圧を行うことができる圧電トランスが多く用いられるようになった。
圧電トランスを使用して直流の高電圧を発生させる場合には、圧電トランスの出力端子に、ダイオ−ド、コンデンサ、抵抗等によって構成された整流回路が接続される。このような整流回路に負荷を接続した場合、電源回路の最大出力電圧は、圧電トランスの昇圧比によって定められる。従って、電源回路の出力を高電圧にするためには、圧電トランスへ入力する駆動電圧を高くする、または当該駆動電圧の周波数を高くする必要がある。

例えば、レ−ザビ−ムプリンタのように数十ボルトから数キロボルトまでの可変電圧を使用する機器では、電源回路の出力電圧が広範囲になる。圧電トランスへ供給する駆動電圧を制御して広範囲の電圧を出力させるときには、圧電トランスが有している共振周波数を避けて前述の駆動電圧周波数を制御することが必要になる。

圧電トランスを用いた電源回路には、特許文献１に記載されているように複数の圧電トランスを動作させるとき、各圧電トランスの出力側にコンデンサなどを接続し、各圧電トランスの共振周波数をシフトさせて静電容量性結合による相互干渉を防ぐものがある。また、特許文献１には、上記のコンデンサの容量が大きくなると電源回路の昇圧比が小さくなることが記載されている。

特開２００６−３１１７８７号公報

しかしながら、従来の圧電トランスを用いた高電圧電源回路、もしくは当該回路を有する電源装置では、圧電トランスの共振周波数を回避しながら広範囲の電圧を出力させると、圧電トランスの駆動電圧の周波数を相当広い範囲で変化させる必要がある。このように、駆動電圧の周波数を変化させる場合には、回路構成ならびに動作制御が複雑になるという問題点があった。

本発明は、上記問題を解決するために鑑みてなされたものであり、その目的は、昇圧比が大きく、また、安定した高電圧を供給することができる圧電トランスを用いた高電圧電源回路を得ることにある。

本発明の圧電トランスを用いた高電圧電源回路は、圧電トランスと、前記圧電トランスへ供給する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出力信号に応じて前記駆動電圧を発生する駆動部と、前記駆動電圧が供給された圧電トランスの出力電圧を直流電圧へ整流する整流部と、前記整流部に接続して該整流部の出力電圧を高める出力特性調整用コンデンサとを有する。

好適には、前記出力特性調整用コンデンサは、前記圧電トランスの出力効率を低下させない容量を有する。

好適には、前記出力特性調整用コンデンサは、前記周波数制御部が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ことが可能なように、前記圧電トランスの共振周波数をシフトする容量を有する。

本発明によれば、簡易な構成によって昇圧比を向上させ、安定した出力動作によって広範囲の高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＞
［高電圧電源回路の構成］
図１は、本発明の第１の実施形態による圧電トランスを用いた高電圧電源回路の構成を示すブロック図である。
図１の高電圧電源回路１は、出力端子Ｔ５，Ｔ６に負荷２を外部接続している。高電圧電源回路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、高電圧電源回路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、高電圧電源回路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圧に整流し、この直流電圧を出力端子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、即ち高電圧電源回路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、即ち高電圧電源回路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および高電圧電源回路１の出力端子Ｔ４へ入力するように構成されている。

高電圧電源回路１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、電圧検出部１１および電流検出部１２によって構成される圧電トランス９の制御回路を有している。当該制御回路を、例えばソフトウエアプログラムに則して制御動作を行うプロセッサなどによって構成し、上記の制御回路と同様な制御を駆動部７ならびに共振部８に行って、圧電トランス９の動作を制御するようにしてもよい。

［高電圧電源回路の出力部の構成］
図２は、第１の実施形態による圧電トランスを用いた高電圧電源回路の構成を示す説明図である。図１に示したものと同一部分に同じ符号を使用し、図２に用いた各符号の説明を省略する。この図は、図１に示した高電圧電源回路１の出力部の構成を示しており、整流部１０、圧電トランス９、共振部８を構成するインダクタＬ１およびコンデンサＣ１、駆動部７の一部分をなすスイッチングトランジスタＴｒ１、および抵抗Ｒ１００の電気接続を示している。また図２には、高電圧電源回路１の出力端子Ｔ５，Ｔ６に接続される負荷２の電気接続を示している。なお、図２の整流部１０は、図１に示した電圧検出部１１および電流検出部１２の回路接続部分について図示を省略している。

図２に示したように整流部１０は、ダイオ−ドＤ１、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ１、ダイオ−ドＤ２によって構成されている。ダイオ−ドＤ１は、圧電トランス９の出力電流を整流する整流素子であり、アノ−ドを圧電トランス９の出力端子に接続し、カソ−ドをコンデンサＣ２および抵抗Ｒ１の一端に接続させている。また、ダイオ−ドＤ１のカソ−ド、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ１の接続点は回路保護用の抵抗Ｒ１００を介して高電位側の出力端子Ｔ５へ接続されている。ダイオ−ドＤ１のアノ−ドにはダイオ−ドＤ２のカソ−ドが接続されている。ダイオ−ドＤ２のアノ−ド、コンデンサＣ２の他端、抵抗Ｒ１の他端は、低電位側の出力端子Ｔ６に接続され、また、高電圧電源回路１のグランド（以下、ＧＮＤと記載する）、即ち、図１の端子Ｔ３に接続されている。
ダイオ−ドＤ１のアノ−ドとダイオ−ドＤ２とのカソ−ドの接続点、即ち圧電トランス９の出力端子には、コンデンサＣ０（出力特性調整用コンデンサ）の一端が接続されている。コンデンサＣ０の他端は、ＧＮＤに接続されている。

［高電圧電源回路の動作］
次に動作について説明する。
[通常の高電圧出力動作]
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、通常の高電圧電源回路１の動作を説明する。
高電圧電源回路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。
また高電圧電源回路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、当該高電圧電源回路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、具体的には、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図２のスイッチングトランジスタＴｒ１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、コンデンサＣ１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。
なお、本実施形態で圧電トランス９へ入力される駆動電圧は、周波数によらず、デュ−ティ比が一定である。

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、抵抗Ｒ１００を介して直流電力を高電圧電源回路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が発生する電圧値にフィ−ドバック制御を行っている。

電流検出部１２は、整流部１０から負荷２へ直流電圧が供給され、このとき負荷２に流れた出力電流値を検出する。電流検出部１２は、検出した出力電流値を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から入力した出力電流値を用いて圧電トランス９の昇圧動作にフィ−ドバック制御を行い、圧電トランス９の出力電圧値を調整している。
上述のように、負荷２を外部接続した高電圧電源回路１は、通常の電圧出力動作を行う。

[短絡電流に基づく設定動作]
高電圧電源回路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。
圧電トランス９は、製造工程の焼成や成型において若干の個体差が生じ、完成品の出力特性に若干の差異を有する場合がある。具体的には、圧電トランス９は、製造ロット等が異なると、共振周波数に若干のばらつきを有する場合がある。
そのため、完成品の圧電トランス９を動作させて、出力電圧を広範囲にわたって変化させるとき、画一の制御を行うと圧電トランス９の共振周波数を越える場合があり、いわゆる山越えを起こして出力電圧を制御することが困難になる場合がある。圧電トランス９の個体差による共振周波数のばらつきによって生じる上記のような障害を避けるため、次のように駆動電圧の周波数を設定する。

複数の圧電トランス９に様々な値の負荷２を接続し、各値の負荷２における共振周波数を測定する。各値の負荷２における共振周波数は、圧電トランス９へ供給する駆動電圧を高周波数から低周波数へ変化させて当該共振周波数を探す。この測定結果から共振周波数が最も低い圧電トランス９と、共振周波数が最も高い圧電トランス９とを選択する。

前述の二つの圧電トランス９を用いて、次のように出力短絡電流を計測する。出力端子Ｔ５，Ｔ６間を短絡し、前述のように予め計測しておいた各値の負荷２における共振周波数を有する駆動電圧を生成する。この駆動電圧を例えば前述の共振周波数が最も低い圧電トランス９へ供給して出力短絡電流値を計測する。この出力短絡電流値を、上記の負荷２の値に対応させていずれかの記憶手段に記憶／蓄積させておく。共振周波数が最も高い圧電トランス９についても、同様に、各値の負荷２における共振周波数の駆動電圧を供給したときの出力短絡電流値を計測し、負荷２の値に対応させて各出力短絡電流値を記憶／蓄積させておく。
なお、上記の駆動電圧の周波数制御は、入力端子Ｔ２へ入力するＰＷＭ制御信号を用いて行う。また、上記の様々な値の負荷２は、高電圧電源回路１が電力供給を行うことができる範囲内の値を有するものである。

圧電トランス９は、前述のように個体差により共振周波数がばらついても他の基本特性に大きな差異はない。圧電トランス９の出力短絡電流値は、負荷２の値が影響するものではない。また、圧電トランス９の共振周波数と上記の出力短絡電流値との関係は、前述の共振周波数のばらつきが影響するものではない。即ち、圧電トランス９に共振周波数の駆動電圧を供給したときの出力短絡電流値は、圧電トランス９の共振周波数がばらついている場合でも概ね一定の値になる。
そこで、予め計測しておいた出力短絡電流値を用いて駆動電圧の周波数を設定することにより、圧電トランス９の山越えを確実に防ぐことが可能になる。

例えば、高電圧電源回路１が、出力電圧を変化させるときに圧電トランス９の駆動電圧を高い周波数から低い周波数へ変化させて当該出力電圧を制御するものである場合には、次のように駆動電圧の周波数を設定する。
前述の記憶手段に蓄積されているデ−タの中から、高電圧電源回路１へ接続可能な負荷２の範囲内において、最も高い周波数の共振周波数を圧電トランス９へ供給したときの出力短絡電流値を抽出する。出力端子Ｔ５，Ｔ６間を短絡した状態において、高電圧電源回路１を動作させる。このとき出力端子Ｔ４へ出力される電流値を監視し、この監視している電流値が上記の記憶手段から抽出した出力短絡電流値以下となるように、駆動電圧の周波数を調整する。
この駆動電圧の周波数調整は、例えば、操作者が、記憶手段から前述の出力短絡電流値を抽出し、また、出力端子Ｔ４に電流計等のモニタ機器を接続して前述の電流値を監視し、入力端子Ｔ２へ入力するＰＷＭ制御信号の内容を変更して行う。
また、ＣＰＵ等の制御手段が、記憶手段から前述の出力短絡電流値を抽出し、出力端子Ｔ４へ出力される電流値を監視して当該電流値が上記の抽出した出力短絡電流値以下となるようにＰＷＭ制御信号を変化させ、駆動電圧の周波数を調整するようにしてもよい。

前述の操作者あるいはＣＰＵ等が、前述の調整された駆動電圧の周波数値をリミット値として周波数制御部６に設定する。周波数制御部６は、当該リミット値までの周波数の駆動電圧を生成するように各部を制御して圧電トランス９を稼働させる。

[コンデンサＣ０を備えた場合の動作]
図３〜５は、第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。これらの図は、高電圧電源回路１の出力特性を示すグラフであり、コンデンサＣ０の容量をパラメ−タとしたときの出力電圧値と駆動電圧の周波数との関係を示している。これらの図において、縦軸は高電圧電源回路１の出力直流電圧値、横軸は圧電トランス９の駆動電圧の周波数を表している。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１４５[ｋＨｚ]の範囲の駆動電圧を任意の圧電トランス９へ供給したときに高電圧電源回路１から出力される直流電圧を表している。

図３〜図５には、高電圧電源回路１の出力端子Ｔ５，Ｔ６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が検出した出力短絡電流値を示す特性曲線（Ｓ）を示している。

図３（Ａ）には、コンデンサＣ０が０[ＰＦ]、即ちコンデンサＣ０を回路接続していない場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図３（Ａ）の特性曲線（１）は、負荷２が１[ＭΩ]の場合であり、特性曲線（２）は、負荷２が５[ＭΩ]の場合であり、特性曲線（３）は、負荷２が１０[ＭΩ]の場合であり、特性曲線(４)は、負荷２が２０[ＭΩ]の場合である。
図３（Ａ）に例示した特性曲線（Ｓ）の最大値は３．５[ｍＡ]である。
また、図３（Ａ）に例示した特性曲線（１）の最大値は０．６０８[ｋＶ]、特性曲線（２）の最大値は１．４７[ｋＶ]、特性曲線（３）の最大値は２．４７[ｋＶ]、特性曲線（４）の最大値は３．９４[ｋＶ]である。

図３（Ｂ）には、容量が１[ＰＦ]のコンデンサＣ０を回路接続した場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図３（Ｂ）の特性曲線（１）は負荷２が１[ＭΩ]の場合であり、以下、図３（Ａ）と同様に、特性曲線（２）は負荷２が５[ＭΩ]の場合であり、特性曲線（３）は負荷２が１０[ＭΩ]の場合であり、特性曲線(４)は負荷２が２０[ＭΩ]の場合である。
図３（Ｂ）に例示した特性曲線（Ｓ）の最大値は３．７[ｍＡ]である。
また、図３（Ｂ）に例示した特性曲線（１）の最大値は０．７３６[ｋＶ]、特性曲線（２）の最大値は１．９７[ｋＶ]、特性曲線（３）の最大値は３．２３[ｋＶ]、特性曲線（４）の最大値は４．３８[ｋＶ]である。

図４（Ａ）には、容量が３．３[ＰＦ]のコンデンサＣ０を回路接続した場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図４（Ａ）の特性曲線（１）〜（４）は、図３に示したものと同様な各値を有する負荷２を接続した場合の特性曲線である。
図４（Ａ）に例示した特性曲線（Ｓ）の最大値は３．９[ｍＡ]である。
また、図４（Ａ）に例示した特性曲線（１）の最大値は０．８３２[ｋＶ]、特性曲線（２）の最大値は２．３５[ｋＶ]、特性曲線（３）の最大値は３．７０[ｋＶ]、特性曲線（４）の最大値は５．０６[ｋＶ]である。

図４（Ｂ）には、容量が５[ＰＦ]のコンデンサＣ０を回路接続した場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図４（Ｂ）の特性曲線（１）〜（４）は、図３および図４（Ａ）に示したものと同様な各値を有する負荷２を接続した場合の特性曲線である。
図４（Ｂ）に例示した特性曲線（Ｓ）の最大値は３．９[ｍＡ]である。
また、図４（Ｂ）に例示した特性曲線（１）の最大値は０．９１２[ｋＶ]、特性曲線（２）の最大値は２．６２[ｋＶ]、特性曲線（３）の最大値は３．８７[ｋＶ]、特性曲線（４）の最大値は４．９４[ｋＶ]である。

図５（Ａ）には、容量が１０[ＰＦ]のコンデンサＣ０を回路接続した場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図５（Ａ）の特性曲線（１）〜（４）は、図３および図４に示したものと同様な各値を有する負荷２を接続した場合の特性曲線である。
図５（Ａ）に例示した特性曲線（Ｓ）の最大値は３．５[ｍＡ]である。
また、図５（Ａ）に例示した特性曲線（１）の最大値は１．１４[ｋＶ]、特性曲線（２）の最大値は２．８２[ｋＶ]、特性曲線（３）の最大値は３．５４[ｋＶ]、特性曲線（４）の最大値は３．９７[ｋＶ]である。

図５（Ｂ）には、容量が３．３[ＰＦ]のコンデンサＣ０を回路接続した場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図５（Ｂ）の特性曲線（４）は負荷２が２０[ＭΩ]の場合であり、特性曲線（５）は負荷２が１００[ＭΩ]の場合であり、特性曲線（６）は負荷２が５００[ＭΩ]の場合である。
図５（Ｂ）に例示した特性曲線（Ｓ）の最大値は３．２６[ｍＡ]である。
また、図５（Ｂ）に例示した特性曲線（４）の最大値は３．７０[ｋＶ]、特性曲線（５）の最大値は６．６４[ｋＶ]、特性曲線（６）の最大値は７．０４[ｋＶ]である。

図３〜図５に示したように、所定の容量を有するコンデンサＣ０を整流部１０に接続して各負荷２に電圧供給を行うと、コンデンサＣ０を整流部１０に接続していない場合に比べて高電圧電源回路１から出力される直流電圧が大きくなる。換言すると、圧電トランス９の昇圧比が向上する。なお、コンデンサＣ０の容量によって、圧電トランス９の周波数特性が変化し、コンデンサＣ０の容量が大きくなると各特性曲線のピ−ク値、即ち最大の出力電圧が得られる駆動電圧周波数が、低い周波数側にシフトする。換言すると、コンデンサＣ０の容量に応じて圧電トランス９の共振周波数がシフトし、高電圧電源回路１の駆動電圧周波数−出力電圧特性が変化する
例えば、図３〜図５に示した各特性が得られる容量のコンデンサＣ０を高電圧電源回路１に備えたときには、当該高電圧電源回路１が安定した電圧出力を行うことが可能な程度において、圧電トランス９の共振周波数もしくは周波数特性がシフトする。
換言すると、コンデンサＣ０は、前述のように出力短絡電流を用いて駆動電圧の周波数を設定することが可能な範囲内において圧電トランス９の共振周波数もしくは周波数特性がシフトする程度の容量を有している。

図６〜図８は、第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。これらの図は、高電圧電源回路１の出力特性を示すグラフであり、負荷２の大きさをパラメ−タとしたときの出力直流電圧と駆動電圧の周波数との関係を示している。これらの図において、縦軸は高電圧電源回路１の出力電圧値、横軸は圧電トランス９の駆動電圧の周波数を表している。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圧電トランス９に供給したときの高電圧電源回路１から出力される直流電圧を表している。

図６（Ａ）は、負荷２が１［ＭΩ］の場合に、各容量のコンデンサＣ０を備えることによって得られる駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図６（Ａ）の特性曲線（１０）は、コンデンサＣ０が０［ＰＦ］即ちコンデンサＣ０を接続させていない場合に高電圧電源回路１から出力される直流電圧を示している。特性曲線（１１）はコンデンサＣ０が１［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（１２）はコンデンサＣ０が３．３［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（１３）はコンデンサＣ０が５［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（１４）はコンデンサＣ０が１０［ＰＦ］の場合である。
図６（Ａ）に例示した、特性曲線（１０）の最大値は０．５８８[ｋＶ]、特性曲線（１１）の最大値は０．６９６[ｋＶ]、特性曲線（１２）の最大値は０．８０４[ｋＶ]、特性曲線（１３）の最大値は０．８８８[ｋＶ]、特性曲線（１４）の最大値は１．５００[ｋＶ]である。

図６（Ｂ）は、負荷２が５［ＭΩ］の場合に、各容量のコンデンサＣ０を備えることによって得られる駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図６（Ｂ）の特性曲線（１０）〜（１４）は、図６（Ａ）に示した各特性曲線と同様な容量のコンデンサＣ０を接続した場合の出力特性である。
図６（Ｂ）に例示した、特性曲線（１０）の最大値は１．４６[ｋＶ]、特性曲線（１１）の最大値は１．９７[ｋＶ]、特性曲線（１２）の最大値は２．３４[ｋＶ]、特性曲線（１３）の最大値は２．６１[ｋＶ]、特性曲線（１４）の最大値は２．８０[ｋＶ]である。

図７（Ａ）は、負荷２が１０［ＭΩ］の場合に、各容量のコンデンサＣ０を備えることによって得られる駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図７（Ａ）の特性曲線（１０）〜（１４）は、図６（Ａ）に示した各特性曲線と同様な容量のコンデンサＣ０を接続した場合の出力特性である。
図７（Ａ）に例示した、特性曲線（１０）の最大値は２．４１[ｋＶ]、特性曲線（１１）の最大値は３．２０[ｋＶ]、特性曲線（１２）の最大値は３．６８[ｋＶ]、特性曲線（１３）の最大値は３．８３[ｋＶ]、特性曲線（１４）の最大値は３．４８[ｋＶ]である。

図７（Ｂ）は、負荷２が２０［ＭΩ］の場合に、各容量のコンデンサＣ０を備えることによって得られる駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図７（Ａ）の特性曲線（１０）〜（１４）は、図６（Ａ）に示した各特性曲線と同様な容量のコンデンサＣ０を接続した場合の出力特性である。
図７（Ｂ）に例示した、特性曲線（１０）の最大値は３．９４[ｋＶ]、特性曲線（１１）の最大値は４．３２[ｋＶ]、特性曲線（１２）の最大値は５．００[ｋＶ]、特性曲線（１３）の最大値は４．８６[ｋＶ]、特性曲線（１４）の最大値は３．８５[ｋＶ]である。

図８（Ａ）は、負荷２が１［ＭΩ］の場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図８（Ａ）の特性曲線（２０）はコンデンサＣ０が１０［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（２１）はコンデンサＣ０が１５［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（２２）はコンデンサＣ０が２７［ＰＦ］の場合である。また、特性曲線（２３）はコンデンサＣ０が３７［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（２４）はコンデンサＣ０が４２［ＰＦ］の場合である。
図８（Ａ）に例示した、特性曲線（２０）の最大値は１．１２[ｋＶ]、特性曲線（２１）の最大値は１．２５[ｋＶ]、特性曲線（２２）の最大値は１．２４[ｋＶ]、特性曲線（２３）の最大値は１．０５[ｋＶ]、特性曲線（２４）の最大値は０．９７２[ｋＶ]である。

図８（Ｂ）は、負荷２が５［ＭΩ］の場合の駆動電圧周波数−出力電圧特性を示している。図８（Ｂ）の特性曲線（３０）はコンデンサＣ０が３．３［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（３１）はコンデンサＣ０が５［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（３２）はコンデンサＣ０が１０［ＰＦ］の場合である。また、特性曲線（３３）はコンデンサＣ０が１２［ＰＦ］の場合であり、特性曲線（３４）はコンデンサＣ０が１５［ＰＦ］の場合である。
図８（Ｂ）に例示した、特性曲線（３０）の最大値は１．９２[ｋＶ]、特性曲線（３１）の最大値は２．５８[ｋＶ]、特性曲線（３２）の最大値は２．６８[ｋＶ]、特性曲線（３３）の最大値は２．５８[ｋＶ]、特性曲線（３４）の最大値は２．７０[ｋＶ]である。

図６〜図８に示したように、コンデンサＣ０の容量が一定の値よりも大きくなると、コンデンサＣ０の無い場合に比べて高電圧電源回路１の出力電圧が増大する比率が小さくなる。なお、上記のコンデンサＣ０の一定の値は、高電圧電源回路１に接続する負荷２の大きさによって異なる。
また、コンデンサＣ０を備えることにより、各特性曲線のピ−ク値が大きくなり、ピ−ク値の近傍において特性曲線の立ち上がりが急峻になる。
前述のように、周波数制御部６は、山越えを生じないように駆動電圧の周波数を制御する。このような周波数制御を行うとき、適当な容量のコンデンサＣ０を備えると、駆動電圧の周波数をわずかに変化させる、具体的には低い周波数へシフトさせることにより、大きく出力電圧を増大させることが可能になる。

図９は、第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。この図は、コンデンサＣ０を整流部１０に接続した高電圧電源回路１の昇圧動作を表すグラフである。
図９（Ａ）の縦軸は、コンデンサＣ０が接続されていないときの高電圧電源回路１の出力電圧を１倍とし、この出力電圧に対して、各容量のコンデンサＣ０を接続したときの出力電圧を倍率で表している。また、図９（Ａ）の横軸は、コンデンサＣ０の容量を表している。
図９（Ａ）の特性曲線（ａ）は、負荷２が１０[ＭΩ]の場合の出力倍率を示している。また、特性曲線（ｂ）は、負荷２が２０[ＭΩ]の場合の出力倍率を示している。

図９（Ａ）に例示した特性曲線（ａ）は、１０[ＭΩ]の負荷２を高電圧電源回路１に接続したときの出力特性である。特性曲線（ａ）が示す一例では、コンデンサＣ０が０[ＰＦ]、即ちコンデンサＣ０を整流部１０に接続していない場合に当該高電圧電源回路１から２．３４［ｋＶ］の直流電圧が出力される。このときの共振周波数は１６４．５［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］のときの出力電圧を基準として、例えばこの電圧を“１倍”としたとき、各容量のコンデンサＣ０を接続した場合には、高電圧電源回路１の出力電圧は次のような大きさになる。

(i)コンデンサＣ０の容量が１［ＰＦ］のとき、出力電圧は３．００［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１６０．５［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は１．２８倍になる。

(ii) コンデンサＣ０の容量が３．３［ＰＦ］のとき、出力電圧は３．１８［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１５７．５［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は１．３６倍になる。

(iii) コンデンサＣ０の容量が５［ＰＦ］のとき、出力電圧は３．０７［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１５５［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は１．３１倍になる。

(iv) コンデンサＣ０の容量が１０［ＰＦ］のとき、出力電圧は２．８８［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１５２．７５［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は１．２３倍になる。

図９（Ａ）に例示した特性曲線（ｂ）は、２０[ＭΩ]の負荷２を高電圧電源回路１に接続したときの出力特性である。特性曲線（ｂ）が示す一例では、コンデンサＣ０が０[ＰＦ]、即ちコンデンサＣ０を整流部１０に接続していない場合に当該高電圧電源回路１から３．８２［ｋＶ］の直流電圧が出力される。このときの共振周波数は１６４．７［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］のときの出力電圧を基準として、例えばこの電圧を“１倍”としたとき、各容量のコンデンサＣ０を接続した場合には、高電圧電源回路１の出力電圧は次のような大きさになる。

(i)コンデンサＣ０の容量が１［ＰＦ］のとき、出力電圧は４．６２［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１５９．７［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は１．２１倍になる。

(ii) コンデンサＣ０の容量が３．３［ＰＦ］のとき、出力電圧は４．３８［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１５６．７［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は１．１５倍になる。

(iii) コンデンサＣ０の容量が５［ＰＦ］のとき、出力電圧は３．２０［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１５４．７［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は０．８４倍になる。

(iv) コンデンサＣ０の容量が１０［ＰＦ］のとき、出力電圧は３．３８［ｋＶ］となる。このときの共振周波数は１５１．２［ｋＨｚ］である。コンデンサＣ０が０［ＰＦ］の場合に比べて出力電圧は０．８８倍になる。

ここで例示した高電圧電源回路１の出力特性は、１０[ＭΩ]の負荷２へ電圧を供給するときには、３．３[ＰＦ]のコンデンサＣ０を用いると最も大きな出力電圧が得られ、コンデンサＣ０が無い場合に比べて１．３６倍の高電圧を出力することができる。
また、２０[ＭΩ]の負荷２へ電圧を供給するときには、１[ＰＦ]のコンデンサＣ０を用いると最も大きな出力電圧が得られ、コンデンサＣ０が無い場合に比べて１．２１倍の高電圧を出力することができる。
このように、負荷２の大きさに応じて一定の容量を有するコンデンサＣ０を備えることにより、整流部１０から出力される直流電圧を増大させることができる。

高電圧電源回路１は、図７および図８の各特性曲線が示すように、コンデンサＣ０が一定の値よりも大きくなると、出力電圧が前述の最大値に比べて小さくなる。このようにコンデンサＣ０は、容量が所定の値よりも大きくなると、圧電トランス９の出力効率を低下させる。具体的には、圧電トランス９の入力電流が増加し、また整流部１０の出力電圧が低減する。

図９（Ｂ）の縦軸は圧電トランス９の１次側に流れる入力電流を示しており、横軸はコンデンサＣ０の容量を示している。
図９（Ｂ）に例示した特性曲線（ｃ）は、１０[ＭΩ]の負荷２を高電圧電源回路１に接続し、当該高電圧電源回路１から１．５［ｋＶ］の直流電圧を出力させた場合の、圧電トランス９の入力電流とコンデンサＣ０の容量との関係を示している。特性曲線（ｃ）として示した一例は、次のような値を有している。

(i)コンデンサＣ０の容量が０[ＰＦ]のとき、即ちコンデンサＣ０を整流部１０に接続していない場合には、圧電トランス９の入力電流は１８．１［ｍＡ］になる。

(ii)コンデンサＣ０の容量が１［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は１９．２［ｍＡ］になる。

(iii) コンデンサＣ０の容量が３．３［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は２０．２［ｍＡ］になる。

(iv) コンデンサＣ０の容量が５［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は２２．４［ｍＡ］になる。

(v) コンデンサＣ０の容量が１０［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は２８．４［ｍＡ］になる。

図９（Ｂ）に例示した特性曲線（ｄ）は、２０[ＭΩ]の負荷２を高電圧電源回路１に接続し、当該高電圧電源回路１から３．０［ｋＶ］の直流電圧を出力させた場合の、圧電トランス９の入力電流とコンデンサＣ０の容量との関係を示している。特性曲線（ｄ）として示した一例は、次のような値を有している。

(i)コンデンサＣ０の容量が０[ＰＦ]のとき、即ちコンデンサＣ０を整流部１０に接続していない場合には、圧電トランス９の入力電流は３２．１［ｍＡ］になる。

(ii)コンデンサＣ０の容量が１［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は３５．６［ｍＡ］になる。

(iii) コンデンサＣ０の容量が３．３［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は４２．４［ｍＡ］になる。

(iv) コンデンサＣ０の容量が５［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は７０．４［ｍＡ］になる。

(v) コンデンサＣ０の容量が１０［ＰＦ］のときには、圧電トランス９の入力電流は１１１．０［ｍＡ］になる。

ここで例示した高電圧電源回路１は、図９に示したようにコンデンサＣ０の容量が概ね３[ＰＦ]よりも大きくなると、圧電トランス９へ入力される電流が増大する。また、この圧電トランス９の入力電流は、負荷２が大きな値を有するほど急峻に増大する。図９に示した各特性曲線は、コンデンサＣ０が概ね５[ＰＦ]よりも大きな容量を有すると、当該コンデンサＣ０は圧電トランス９の負荷として重くなりすぎて圧電トランス９の出力効率を低下させることを示している。また、上記の各特性曲線は、コンデンサＣ０の容量が上述のように大きくなると、圧電トランス９の出力能力が飽和することを示している。
このように、コンデンサＣ０は、５[ＰＦ]以下の小さい容量を有する場合、好ましくは例えば１〜３．３[ＰＦ]の場合に、圧電トランス９の出力効率を低下させず、高電圧電源回路１から出力される直流電圧を有効に増大させる。
なお、図３〜図９に示した各特性曲線は、標準的な圧電トランスの特性を例示したものであるが、製造ロット等の差異により圧電トランスが共振周波数のばらつきを有する場合でも、上記の各図に示した特性と同様な傾向を示す。

以上のように第１の実施形態によれば、圧電トランス９の出力電流を整流する整流部１０に、圧電トランス９の出力効率を低下させない容量のコンデンサＣ０を接続し、昇圧比を向上させるようにした。
このようにすることによって、簡素な構成により、昇圧比を向上させて安定した直流電圧を出力することができる。
また、コンデンサＣ０を整流部１０へ接続することにより、圧電トランス９の共振周波数がシフトし、圧電トランス９の駆動電圧周波数をわずかに変化させることにより出力電圧を大きく調整することが可能になる。

本発明の第１の実施形態による圧電トランスを用いた高電圧電源回路の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態による圧電トランスを用いた高電圧電源回路の構成を示す説明図である。 第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。 第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。 第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。 第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。 第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。 第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。 第１の実施形態による高電圧電源回路の動作を示す説明図である。

符号の説明

１…高電圧電源回路、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。

Claims (3)

1. 圧電トランスと、
   前記圧電トランスへ供給する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出力信号に応じて前記駆動電圧を発生する駆動部と、
   前記駆動電圧が供給された圧電トランスの出力電圧を直流電圧へ整流する整流部と、
   前記整流部に接続して該整流部の出力電圧を高める出力特性調整用コンデンサと、
   を有する、
   圧電トランスを用いた高電圧電源回路。
2. 前記出力特性調整用コンデンサは、前記圧電トランスの出力効率を低下させない容量を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電トランスを用いた高電圧電源回路。
3. 前記出力特性調整用コンデンサは、
   前記周波数制御部が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ことが可能なように、
   前記圧電トランスの共振周波数をシフトする容量を有する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電トランスを用いた高電圧電源回路。

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