JP5189442B2 - 圧電トランス装置 - Google Patents

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）

上述した先行技術の手法は、電源回路ごとに回路の構成を変更することで、隣接する圧電トランス同士の駆動周波数をある程度まで引き離し、互いの周波数を近接させない制御を行うものである。しかしながら、たとえ回路の構成（コンデンサ容量）を変更したとしても、隣接する圧電トランス同士の間で離すことができる周波数はせいぜい数ｋＨｚ程度の差であって、製品個体差によるばらつきを上回る程度でしかなく、相互干渉を確実かつ充分に避けられるまでには至っていない。

そこで本発明は、複数の圧電トランス同士で相互の干渉が確実に起こらない程度にまで駆動周波数を異ならせ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用いて変圧を行う圧電トランス装置において、発電部及び出力部の特性が互いに同等である少なくとも２個の圧電トランスから個別に出力電圧を取り出す複数の出力経路と、２個の圧電トランスに対して個別に異なる周波数で入力電圧を印加することにより、それぞれを別々の振動モードで駆動しつつ、互いに同じ所定値の電圧を複数の出力経路に出力させる個別駆動手段とを備えた圧電トランス装置である。

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て駆動周波数を異ならせる手法を採用したとしても、上記のようにその差は充分に大きいとはいえない。

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別々の振動モードで駆動することにより上記の課題を解決している。すなわち本発明では、少なくとも２個の圧電トランスから同じ所定値の出力電圧を得る際に、それぞれの振動モードを異ならせているので、それぞれに印加される入力電圧の駆動周波数は大きく異なった値となる。これにより、複数の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することができる。

上記の個別駆動手段は、少なくとも２個の圧電トランスの一方を全波長振動モードで駆動し、その他方を半波長振動モードで駆動することが好ましい。

理論上、特性が同じ圧電トランスを全波長振動モード（λモード）で駆動した場合と、半波長振動モード（λ／２モード）で駆動した場合とでは、各モードで共振周波数に２００％程度の開きが生じることから、２個の圧電トランスから同じ所定値の出力電圧を得る場合であっても、互いの駆動周波数を充分な差をもって異ならせることができる。

また本発明の圧電トランス装置は、複数の出力経路を通じて得られた出力電圧を個別に検出し、それぞれの検出値と所定値との誤差に基づいて、個別駆動手段により２個の圧電トランスに対して印加される入力電圧の周波数を個別にフィードバック制御する個別制御回路をさらに備えてもよい。

この場合、各圧電トランスについては個別制御回路の働きにより入力電圧の周波数が個別にフィードバック制御されるため、各圧電トランスの出力電圧は安定して所定値に保たれる。その上で、本発明では各圧電トランスに印加される入力電圧の駆動周波数が大きく異なっているため、個別制御回路同士での周波数干渉が起こりにくくなり、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、広帯域にわたって圧電トランス相互の周波数干渉を防止することができる。

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に対して個別の駆動電源１０６，１０７から入力電圧をそれぞれ印加し、各圧電トランス１０２，１０４から個別に出力電圧を得る構成である。各圧電トランス１０２，１０４からの出力電圧は、個別の出力経路１０３，１０５を通じて取り出され、別々の負荷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。ここでは回路図として概念的に表記しているだけであるが、圧電トランス装置１００の実用的な製品形態において、２個の圧電トランス１０２，１０４やその配線パターン等は例えば回路基板上で相互に近接して配置されている。このため本実施形態では、圧電トランス１０２，１０４同士での干渉を防止するために、圧電トランス１０２，１０４を別々の振動モードで駆動する手法が採用されている。

例えば、一方の圧電トランス１０２については、個別の駆動電源１０６によって全波長振動モード（λモード）で駆動し、他方の圧電トランス１０４については、個別の駆動電源１０７によって半波長振動モード（λ／２モード）で駆動する。その上で各圧電トランス１０２，１０４からは、同じ所定値の出力電圧を発生させているため、圧電トランス１０２，１０４の間では互いの駆動周波数が大きく異なる設定となっている。

〔個別駆動手法〕
図２は、圧電トランス１０２，１０４の動作特性を示す特性図である。以下、この動作特性をもって本実施形態における圧電トランス１０２，１０４の個別の駆動手法について説明する。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。

図２中、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）とは、それぞれの製品個体差によるばらつきに起因して、全体的に僅かなずれ（昇圧比のずれ）が生じている。各動作特性（Ａ，Ｂ）には、図示の周波数域において２つの共振周波数ｆ０，ｆ１があり、これら共振周波数ｆ０，ｆ１において各圧電トランス１０２，１０４の昇圧比はピークとなる。このうち高い方の共振周波数ｆ０の帯域で各圧電トランス１０２，１０４を駆動すると、そのときの振動モードはλモードとなり、低い方の共振周波数ｆ１の帯域で駆動すると、振動モードはλ／２モードとなる。

その上で本実施形態では、上記のように一方の圧電トランス１０２をλモードで駆動し、他方の圧電トランス１０４をλ／２モードで駆動しつつ、両方の圧電トランス１０２，１０４から同じ所定値Ｖｏの出力電圧を得ているため、互いの駆動周波数ｆａ，ｆｂは広帯域にわたって乖離している。本発明の発明者等が検証を行ったところ、λモード時の駆動周波数ｆａに対して、λ／２モード時の駆動周波数ｆｂは約２００％程度であり十分駆動周波数に乖離があることが確認された。

この点、従来と同様に２個の圧電トランス１０２，１０４を同じ振動モード（例えばλモード）で駆動した場合、基本的な特性が同等に設計されていることから、僅かに製品個体差によるばらつきはあるものの、同じ所定値Ｖｏの出力電圧を得る場合の両者の駆動周波数ｆａ，ｆｂ’は極めて近接したものとなる。このため同じ振動モードで２個の圧電トランス１０２，１０４を駆動した場合は、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、本実施形態では２個の圧電トランス１０２，１０４を別々の振動モードで駆動することにより、両者の駆動周波数ｆａ，ｆｂを広帯域にわたって大きく異ならせることができ、それによって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について、それぞれ出力電圧を個別にフィードバック制御するための個別制御回路（負帰還回路）１１６，１１７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。

各圧電トランス１０２，１０４について、スイッチング素子１１２は個別のＶ−Ｆ（電圧−周波数）コンバータ１１４，１１５によって駆動されている。これらＶ−Ｆコンバータ１１４，１１５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、その周波数でそれぞれに対応するスイッチング素子１１２を駆動する。このため応用例においては、各Ｖ−Ｆコンバータ１１４，１１５とスイッチング素子１１２の動作によって図１に示される個別の駆動電源１０６，１０７の機能が実現されている。

各Ｖ−Ｆコンバータ１１４，１１５の入力電圧（Ｖｓ）は、それぞれ個別制御回路１１６，１１７を通じて印加されている。これら個別制御回路１１６，１１７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。

個別制御回路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、各Ｖ−Ｆコンバータ１１４，１１５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、上記のように振動モードの違いによって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１１４，１１５からそれぞれ出力される矩形波の周波数も互いに大きく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やそれぞれの個別制御回路１１６，１１７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、２個の圧電トランス１０２，１０４を別々の振動モードで駆動することにより、同じ所定値の出力電圧を得る場合であっても、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おり、これらを別々に設計する必要がないことから、圧電トランス１０２，１０４を共通化することで部品点数の削減を図ることができる。

さらに、応用例で示したように個別制御回路１１６，１１７を用いて出力電圧を制御する場合においても、互いの周波数域が大きく異なっているため、確実に干渉を防止することができる。

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が別々の振動モードで駆動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別々の振動モードで駆動されている必要はなく、その中の少なくとも２個について互いの振動モードが異なっていれば、その実施形態は本発明の圧電トランス装置に含まれる。

また一実施形態では、異なる振動モードをλモードとλ／２モードとしているが、これ以外の振動モードを採用してもよい。

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。 圧電トランスの動作特性を示す特性図である。 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
１０６，１０７ 駆動電源
１０８，１１０ 負荷
１１２ スイッチング素子
１１４，１１５ Ｖ−Ｆコンバータ
１１６，１１７ 個別制御回路
１１８ 誤差増幅器
１２０ 積分器
１２２，１２４ ４倍整流回路
１２６ 電流検出器
１２８ 分圧器
１３０ ＯＲ回路

Claims (3)

1. 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用いて変圧を行う圧電トランス装置において、
   前記発電部及び前記出力部の特性が互いに同等である少なくとも２個の前記圧電トランスから個別に出力電圧を取り出す複数の出力経路と、
   ２個の前記圧電トランスに対して個別に異なる周波数で入力電圧を印加することにより、それぞれを別々の振動モードで駆動しつつ、互いに同じ所定値の電圧を複数の前記出力経路に出力させる個別駆動手段と
   を備えたことを特徴とする圧電トランス装置。
2. 請求項１に記載の圧電トランス装置において、
   前記個別駆動手段は、
   少なくとも２個の前記圧電トランスの一方を全波長振動モードで駆動し、その他方を半波長振動モードで駆動することを特徴とする圧電トランス装置。
3. 請求項２に記載の圧電トランス装置において、
   複数の前記出力経路を通じて得られた出力電圧を個別に検出し、それぞれの検出値と前記所定値との誤差に基づいて、前記個別駆動手段により２個の前記圧電トランスに対して印加される入力電圧の周波数を個別にフィードバック制御する個別制御回路をさらに備えたことを特徴とする圧電トランス装置。

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