JPH0564437A - 高圧電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、負荷変動に対する出力電圧の安定
性とともに、負荷の開放もしくは短絡時に異常出力電圧
の発生等を防止することを目的とする。 【構成】 駆動回路６から圧電トランス１の駆動部に供
給される電流を検出する電流検出手段９と、この電流検
出手段９の検出出力に応じて駆動交流電圧の波高値を制
御する波高値制御手段１０とを有することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電トランスを用いた
高圧電源装置に関し、詳しくは負荷状態に応じて圧電ト
ランスの駆動を制御するようにした高圧電源装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】圧電トランスを用いた従来の高圧電源装
置としては、例えば図１０に示すようなものがある。同
図において、１は圧電トランスであり、その左半分が駆
動部２、右半分が発電部３である。駆動部２にはその両
側面に入力用電極４が設けられ、発電部３の先端側には
出力用電力５が設けられている。駆動部２は厚み方向に
分極され、発電部３は長手方向に分極されている。駆動
部２の両入力用電極４には圧電トランス１を駆動する駆
動回路６が接続されている。また発電部３の出力用電極
５には整流回路７が接続され、整流回路７の出力端子と
接地間に負荷８が接続されている。

【０００３】そして、駆動回路６から両入力用電極４間
に圧電トランス１の共振周波数と等しい周波数の交流電
圧が印加されると、電歪効果によって圧電トランス１の
長さ方向に振動が発生する。この振動により圧電効果で
圧電トランス１の発電部３の先端側に交流の高電圧が発
生する。次いで、この交流高電圧が整流回路７で整流さ
れて負荷８駆動用の直流高電圧が得られる。

【０００４】このように、圧電トランスを用いた高圧電
源装置は、圧電トランスに巻線を必要とせず小型で高電
圧を取出すことができるため、その応用として、例えば
電気集塵機やイオン発生器、塗装装置等の高圧電源等と
して大きなメリットを持っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、高圧電源装置
は、圧電トランスの出力インピーダンスが高いため電圧
レギュレーションが悪く、負荷状態の変動に対して出力
電圧を一定に保つことが難しい。この対策として特開昭
６１−２２０３８６号公報には、負荷変動による出力電
圧の変動を防止するため、駆動電圧と電流の位相を検出
し、その位相が等しくなる駆動周波数で圧電トランスを
駆動することにより出力電圧を安定に発生させる技術が
示されている。しかし、この方式では装置が大がかりで
複雑となる。

【０００６】また、圧電トランスを用いた高圧電源装置
は出力端子が開放されると、出力電圧が急激に跳ね上っ
て他の部品等にスパークする等の恐れがあり、逆に金属
性や導電性の粉塵等によって出力端子が短絡された場合
には、巻線トランスのように圧電トランスが焼損する恐
れはないが、短絡状態が長時間続くと圧電トランスが破
壊される恐れがある。

【０００７】そこで、本発明は、負荷変動に対する出力
電圧の安定性とともに、負荷の開放もしくは短絡状態の
発生時には過大出力電圧の発生等を防止して信頼性を向
上させることができる高圧電源装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１に、駆動部及び発電部を備えた圧電
トランスと、該圧電トランスにおける前記駆動部に駆動
交流電圧を印加して前記発電部から負荷駆動用の交流高
電圧を発生させる駆動回路とを有する高圧電源装置にお
いて、前記駆動回路により前記駆動部に供給される電流
を検出する電流検出手段と、該電流検出手段の検出出力
に応じて前記駆動交流電圧の波高値を制御する波高値制
御手段とを有することを要旨とする。

【０００９】第２に、上記第１の構成において、前記電
流検出手段の検出出力に基づいて前記負荷の開放もしく
は短絡が検出されたとき、前記駆動回路による前記圧電
トランスの駆動を停止させる駆動回路停止手段を有する
ことを要旨とする。

【００１０】第３に、上記第１の構成において、前記電
流検出手段の検出出力に基づいて前記負荷の開放もしく
は短絡が検出されたとき、前記駆動交流電圧のデューテ
ィ比を低下もしくは上昇させるデューティ比可変手段を
有することを要旨とする。

【００１１】

【作用】上記構成において、第１に、負荷変動が生じる
とこれに応じて駆動部に流れる電流が変化し、この変化
が電流検出手段で検出される。そして、この電流検出手
段の検出出力に応じて駆動回路から圧電トランスの駆動
部に印加される駆動交流電圧の波高値が制御され、負荷
変動による出力電圧の変動が抑えられて出力電圧の安定
性が得られる。

【００１２】第２に、負荷の開放もしくは短絡状態の発
生時に駆動部に流れる電流が大きく変化し、この変化が
電流検出手段で検出される。そして、このときの電流検
出手段の検出出力による駆動回路停止手段が動作して圧
電トランスの駆動が停止され、開放時の過大出力電圧の
発生等が防止される。

【００１３】第３に、負荷の開放もしくは短絡状態の発
生時に駆動部に流れる電流が大きく変化し、この変化が
電流検出手段で検出される。そして、このときの電流検
出手段の検出出力に応じてデューティ比可変手段により
圧電トランスの駆動交流電圧のデューティ比が低下もし
くは上昇するように可変されて出力電圧が低減され過大
出力電圧の発生等が抑えられる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図９に基
づいて説明する。

【００１５】なお、図１等において前記図１０における
機器等と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以
って示し、重複した説明を省略する。

【００１６】図１は、高圧電源装置の全体構成を示して
いる。本実施例では、まず圧電トランス１の入力用電極
４と接地間に、駆動回路６により圧電トランス１の駆動
部２に供給される駆動電流の電流値を検出する電流検出
手段としての電流検出器９が接続されている。そして、
電流検出器９の検出出力が負荷８の変動で変化した場
合、波高値制御手段としての波高値制御部１０によって
駆動回路６から出力される駆動交流電圧の波高値が制御
されるようになっている。

【００１７】この制御法を、図２ないし図４を用いて説
明する。まず、図２は、電流検出器９の具体的な構成例
を示している。これは電流検出を容易にするため交流の
電流を直流電圧値に変換する回路例であって、電圧変換
用抵抗１５、整流用ダイオード１６、平滑用コンデンサ
１７及び放電用抵抗１８で構成されている。この電流検
出器９の検出電圧をＶｓとする。ここで負荷８を開放状
態（∞）から順次抵抗値を減少させ、最終的に短絡状態
（０）まで変化させたときの検出電圧Ｖｓの推移を図３
に示す。同図に示したように負荷８が開放状態に近づく
と検出電圧Ｖｓの値は上昇し、短絡状態に近づくと検出
電圧Ｖｓの値は低下する傾向があることが分る。

【００１８】一方、図４は、駆動回路６から圧電トラン
ス１の駆動部２に印加される入力電圧波高値Ｖｐｐと上
述の検出電圧Ｖｓとの関係を示している。入力電圧波高
値Ｖｐｐと検出電圧Ｖｓはほぼ直線的な関係にあって、
図３で説明したようにこの特性でＶｐｐ一定のもとで負
荷８を開放状態に近づけるとＶｓは上昇し、逆に負荷８
を短絡状態に近づけるとその値は低下する。

【００１９】ここで、何らかの要因で負荷８の値が通常
負荷ＲＬからＲＬａ（但し、ＲＬａはＲＬより大きい
が、開放状態ではないものとする）に変化した場合の動
作例を図３、図４を用いて説明する。この負荷変動によ
り図３では動作点がａ点からｂ点へ移行することによ
り、検出電圧ＶｓはＶｓａからＶｓｂに移行し、また図
４では動作点がｃ点からｄ点へ移行する。このとき負荷
８にかかっている電圧は負荷８の値が増したことで上昇
し、この出力電圧を通常負荷時の値と同一値に保つため
にはこの値を下げる必要がある。そこでその方法として
入力電圧波高値Ｖｐｐを低下させる方法が用いられる。

【００２０】波高値制御部１０では、図４で移行したｄ
点を元の検出電圧ＶｓａになるようにＲＬａの負荷線上
で入力電圧の波高値ＶｐｐをＶｐｐ１からＶｐｐ２に低
下させる制御を行う。これにより負荷８が変動しても検
出電圧Ｖｓの値を一定にするよう入力電圧波高値Ｖｐｐ
を制御すれば、常に一定の出力電圧を得ることができ
る。これは、通常負荷ＲＬが低下した場合についても同
様の制御を行うことで出力電圧を安定化させることがで
きる。

【００２１】次に、負荷８の開放もしくは短絡状態を検
出するための回路と動作を説明する。これは図１に示す
ように電流検出器９と負荷状態検出手段としての負荷状
態検出部１１、駆動回路停止手段としての駆動回路停止
部１２及び負荷異常報知手段としての負荷異常報知部１
３より構成されている。図５は、図２で示した電流検出
器９を用いて、図３と同様に負荷８を開放状態（∞）か
ら順次抵抗値を減少させ、最終的に短絡状態（０）まで
変化させたときの検出電圧Ｖｓの推移を示している。

【００２２】まず、負荷８が開放した場合について図
１、図５及び図６を用いて説明する。

【００２３】通常負荷ＲＬで動作している時、電流検出
器９の検出電圧Ｖｓはある値Ｖｓａを出力している。こ
こで、あるタイミングｔｏで何らかの要因により（例え
ば、出力端子と負荷とを接続している電線が切れたり、
或いは外れたりした場合など）負荷８が開放されると、
出力電圧は急激に上昇し、同時に検出電圧Ｖｓも上昇す
る。しかしこの瞬間に検出電圧Ｖｓは、予め設定してお
いた開放閾値電圧Ｖｔｈｏを上回り、この時点で負荷状
態検出部１１の出力Ａ点は負荷状態の異常を検出して、
ここでは例えばＬレベルの信号を出力する。そして信号
に基づいて駆動回路停止部１２により圧電トランス１の
駆動が停止されるとともに、負荷異常報知部１３により
負荷異常が発生したことが報知される。

【００２４】次に、金属性や導電性の塵等によって出力
端子が短絡した場合について、図１、図５及び図７を用
いて説明する。正常動作時は前述の場合と同様である。
ここであるタイミングｔｓで出力端子が短絡したとす
る。すると、検出電圧Ｖｓの値は通常時の電圧Ｖｓａよ
り低下し、ここで予め設定しておいた短絡閾値電圧Ｖｔ
ｈｓを下回って、この時点で負荷状態検出部１１の出力
Ａ点は負荷状態の異常を検出し、ここでは例えばＬレベ
ルの信号を出力する。そしてこの信号に基づいて駆動回
路停止部１２により圧電トランス１の駆動が停止される
とともに、負荷異常報知部１３により負荷異常が発生し
たことが報知される。

【００２５】このような動作を実現できる負荷状態検出
部１１は、例えば、図８に示すような２個の比較器１９
を用いた回路で構成できる。これは電流検出器９の出力
がそれぞれの閾値電圧Ｖｔｈｏ，Ｖｔｈｓで囲まれる領
域以外で負荷状態検出部１１の出力Ａ点がＬレベルとな
るものである。

【００２６】また、上述の場合は、負荷８の開放もしく
は短絡が検出された際に駆動回路停止部１２により駆動
回路６を停止させたが、他の方法として圧電トランス１
の駆動部２に印加する駆動電圧波形のデューティ比を可
変する方法も考えられる。図９は、駆動電圧のデューテ
ィ比と出力電圧の関係を示している。これに示すよう
に、出力電圧はデューティ５０％時が最大で（通常はこ
のデューティ比で駆動する）、これよりデューティ比が
上昇もしくは低下すると出力電圧が減少する。この特性
を用いて負荷８が開放もしくは短絡したことを電流検出
器９で検出し、この検出電圧が開放もしくは短絡により
大きく変化した時、デューティ比可変手段としてのデュ
ーティ比可変部１４によりデューティを５０％からずら
して出力電圧を低下させる。これにより開放時等に出力
電圧が急激に上昇して危険な状態になることがなくな
る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１に、駆動回路により圧電トランスの駆動部に供給さ
れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段
の検出出力に応じて圧電トランスの駆動交流電圧の波高
値を制御する波高値制御手段とを具備させたため、負荷
変動による駆動部に流れる電流の変化を検出し、この検
出出力により、負荷変動による出力電圧の変動を抑える
ように駆動交流電圧の波高値を制御することができて出
力電圧を顕著に安定化させることができる。

【００２８】第２に、電流検出手段の検出出力に基づい
て負荷の開放もしくは短絡が検出されたとき、駆動回路
による圧電トランスの駆動を停止させる駆動停止手段を
具備させたため、負荷の開放もしくは短絡状態の発生時
に圧電トランスの駆動を停止させて過大出力電圧の発生
等を的確に防止し、信頼性を向上させることができる。

【００２９】第３に、電流検出手段の検出出力に基づい
て負荷の開放もしくは短絡が検出されたとき、駆動交流
電圧のデューティ比低下もしくは上昇させるデューティ
比可変手段を具備させたため、負荷の開放もしくは短絡
状態の発生時に駆動交流電圧のデューティ比の低下もし
くは上昇により出力電圧が低減して過大出力電圧の発生
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高圧電源装置の実施例を示すブロ
ック図である。

【図２】図１における電流検出器の回路構成例を示す図
である。

【図３】図２の電流検出器の動作特性を示す図である。

【図４】本実施例における入力電圧波高値と電流検出器
の検出電圧との関係を示す図である。

【図５】図３と同様の電流検出器の動作特性を示す図で
ある。

【図６】本実施例における負荷開放時の動作を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図７】本実施例における負荷短絡時の動作を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図８】図１における負荷状態検出部の回路構成例を示
す図である。

【図９】本実施例における駆動交流電圧のデューティ比
と出力電圧との関係を示す特性図である。

【図１０】従来の高圧電源装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 圧電トランス ２ 駆動部 ３ 発電部 ６ 駆動回路 ８ 負荷 ９ 電流検出器（電流検出手段） １０ 波高値制御部（波高値制御手段） １１ 負荷状態検出部 １２ 駆動回路停止部（駆動回路停止手段） １３ 負荷異常報知部 １４ デューティ比可変部（デューティ比可変手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動部及び発電部を備えた圧電トランス
   と、該圧電トランスにおける前記駆動部に駆動交流電圧
   を印加して前記発電部から負荷駆動用の交流高電圧を発
   生させる駆動回路とを有する高圧電源装置において、 前記駆動回路により前記駆動部に供給される電流を検出
   する電流検出手段と、該電流検出手段の検出出力に応じ
   て前記駆動交流電圧の波高値を制御する波高値制御手段
   とを有することを特徴とする高圧電源装置。
2. 【請求項２】 前記電流検出手段の検出出力に基づいて
   前記負荷の開放もしくは短絡が検出されたとき、前記駆
   動回路による前記圧電トランスの駆動を停止させる駆動
   回路停止手段を有することを特徴とする請求項１記載の
   高圧電源装置。
3. 【請求項３】 前記電流検出手段の検出出力に基づいて
   前記負荷の開放もしくは短絡が検出されたとき、前記駆
   動交流電圧のデューティ比を低下もしくは上昇させるデ
   ューティ比可変手段を有することを特徴とする請求項１
   記載の高圧電源装置。