(57)【要約】【課題】圧電トランスを用いた高電圧電源装置の出力電圧を精度よく制御する。【解決手段】直流電圧が供給され、制御電圧に応じて直流電圧を設定するシャントレギュレート部と、シャントレギュレート部で設定された電圧が供給され、クロック信号に応じた矩形波を出力する駆動部と、矩形波が共振器を介して入力され、入力された電圧の振幅と上記クロック信号の周波数に応じた電圧を出力する圧電トランスと、圧電トランスから出力された電圧を整流する整流部と、整流部から導出された出力電圧を検出して該電圧の変動を制御する制御電圧と出力電圧のレベルを制御するする制御電圧を発生する制御部とを有し、制御電圧によりシャントレギュレート部を制御することにより簡略化した構成で、出力電圧を精度よく制御する。【選択図】図１
2008220007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧が供給され、制御電圧に応じて直流電圧を設定するシャントレギュレート部と、
上記シャントレギュレート部で設定された電圧が供給され、クロック信号に応じた矩形波を出力する駆動部と、
上記矩形波が共振器を介して入力され、入力された電圧の振幅と上記クロック信号の周波数に応じた電圧を出力する圧電トランスと、
上記圧電トランスから出力された電圧を整流する整流部と、
上記整流部から導出された出力電圧を検出して該電圧の変動を制御する制御電圧と上記出力電圧のレベルを制御する制御電圧を発生する制御部と
を有する高電圧電源装置。
【請求項２】
上記駆動部は、外部端子からクロック信号が供給されてオン、オフ制御される
請求項１記載の高電圧電源装置。
【請求項３】
上記クロック信号は、周波数またはデューティ比が可変され上記出力電圧のレベルを所定値に設定する
請求項２記載の高電圧電源装置。
【請求項４】
第１と第２の制御電圧が供給され、該制御電圧に応じた電流を出力するシャントレギュレート部と、
上記シャントレギュレート部の出力電流により出力の電圧が制御される第１のトランジスタと、
クロック信号が供給され、上記第１のトランジスタの出力に接続された素子を負荷とし、該負荷からクロック信号を出力する第２のトランジスタと、
上記負荷から導出されたクロック信号が入力され、矩形波を出力する第３のトランジスタと、
上記矩形波がインダクタを介して入力されて疑似正弦波に変換され、該正弦波の振幅が所定倍された電圧が出力される圧電トランスと、
上記所定倍された電圧を整流して直流電圧を発生する整流部と、
上記整流部から出力された直流電圧を検出し、検出電圧に応じた上記第２の制御電圧を発生する出力電圧検出回路と
を有する高電圧電源装置。
【請求項５】
上記第１のトランジスタはＮＰＮトランジスタであり、上記シャントレギュレート部の出力電圧に応じてエミッタ電圧が制御される
請求項４記載の高電圧電源装置。
【請求項６】
上記シャントレギュレート部は上記第１の制御電圧が基準電圧と比較され、上記第１の制御電圧を可変した結果に応じて上記第１のトランジスタの出力電圧を制御し、出力電圧を可変する
請求項４記載の高電圧電源装置。
【請求項７】
上記高電圧電源装置は、さらにクロック信号入力端子を有し、入力されたクロック信号により上記第２のトランジスタを駆動する
請求項４記載の高電圧電源装置。
【請求項８】
上記クロック信号の周波数またはデューティ比を可変して、上記高電圧電源から出力される電圧を制御する
請求項７記載の高電圧電源装置。
【請求項９】
上記第１のトランジスタはＰＮＰトランジスタであり、該ＰＮＰトランジスタの入力を制御して上記第３のトランジスタの出力電圧の振幅を制御する
請求項４記載の高電圧電源装置。
【請求項１０】
上記高電圧電源装置は、レベルシフト回路を有し、該レベルシフト回路により、上記シャントレギュレート部の出力電流に対応した電圧をレベルシフトして上記第１のトランジスタの入力に供給し、上記第３のトランジスタの入力電圧を制御する
請求項４記載の高電圧電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧電源装置に関し、特に電子写真法を用いた複写機、あるいはプリンタ装置等の複写機に使用する圧電トランスを用いた高電圧電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子写真法を用いた複写機、あるいはプリンタ等の電子写真装置の帯電器にバイアスを印加する高電圧電源に圧電トランスを用いた高電圧電源装置が使用されている。
圧電トランスは、長さや形状で決まる固有の共振周波数を持っている。圧電トランスの１次側は厚さ方向に固有の共振周波数を持っていて、交流電圧を印加すると逆電圧効果により機械振動を起こす。２次側では、１次側で発生した機械振動が圧電効果により再度電気信号に変換され、高電圧を出力する。この圧電トランスは共振周波数（λ）のλ／２、λ、３λ／２で最大の出力電圧を発生し、各共振周波数から周波数の高い方または低い方に離れるに従い出力電圧は低下する。
【０００３】
図６に、引用文献１に開示されている従来の高電圧電源回路の例を示す。図６に示す高電圧電源装置２００は負極性の電圧を発生し、その回路ブロックは、基準電圧発生部１１７、電圧検出電極１１１、出力電流検出部１１２、駆動部１１５、発振部１１３、共振部１１６、デューティ比制御部１１４、圧電トランス１２０、整流部（回路）などで構成される。
発振部１１３の発振周波数は、圧電トランス１２０の電流を検出して基準電圧を可変することにより制御される。また、駆動部１１５から導出される出力波形は、圧電トランスの出力信号を検出して演算増幅器ＩＣ１０２の反転入力端子に供給される基準電圧を可変し、この可変電圧と発振部１１３からの発振信号を比較してデューティ比を制御している。ここで、発振部１１３とデューティ比制御部１１４に供給される電圧は、駆動部１１５に供給する電圧と同一端子から供給される電圧を用い、この電圧はツェナーダイオードＤ１０１により生成される。
【特許文献１】特開２００５−１８４８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した例においては駆動部１１５や発振部１１３に供給する基準電圧はツェナーダイオードＤ１０１により発生しているため、温度変化などによる環境の影響を受けやすい。
ところで、出力（直流）電圧が１０Ｖ〜１．５ＫＶ位で、負荷抵抗が数十ＭΩ〜１０ＧΩと変化する場合、これに適した出力を発生する圧電トランスを用い、かつ出力電圧の制御を精度よく行う必要がある。また出力電圧を任意の電圧に設定する場合、周波数を可変するかまたは発振周波数のデューティ比を変えて制御する必要があるが、これを実現する回路構成は複雑であり、高価になる問題点があった。
本発明は上記問題点に鑑み、安定した直流電圧を駆動部に供給するために従来使用されなかったシャントレギュレート部を用いるとともに回路構成を簡略化し、出力電圧の制御を高精度にしかつ安価な高電圧電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の高電圧電源装置は、直流電圧が供給され、制御電圧に応じて直流電圧を設定するシャントレギュレート部と、上記シャントレギュレート部で設定された電圧が供給され、クロック信号に応じた矩形波を出力する駆動部と、上記矩形波が共振器を介して入力され、入力された電圧の振幅と上記クロック信号の周波数に応じた電圧を出力する圧電トランスと、上記圧電トランスから出力された電圧を整流する整流部と、上記整流部から導出された出力電圧を検出して該電圧の変動を制御する制御電圧と上記出力電圧のレベルを制御する制御電圧を発生する制御部とを有する。
【０００６】
本発明の高電圧電源装置は、第１と第２の制御電圧が供給され、該制御電圧に応じた電流を出力するシャントレギュレート部と、上記シャントレギュレート部の出力電流により出力の電圧が制御される第１のトランジスタと、クロック信号が供給され、上記第１のトランジスタの出力に接続された素子を負荷とし、該負荷からクロック信号を出力する第２のトランジスタと、上記負荷から導出されたクロック信号が入力され、矩形波を出力する第３のトランジスタと、上記矩形波がインダクタを介して入力されて疑似正弦波に変換され、該正弦波の振幅が所定倍された電圧が出力される圧電トランスと、上記所定倍された電圧を整流して直流電圧を発生する整流部と、上記整流部から出力された直流電圧を検出し、検出電圧に応じた上記第２の制御電圧を発生する出力電圧検出回路とを有する。
【０００７】
本発明の高電圧電源装置は、圧電トランスを駆動する駆動部の入力にシャントレギュレート部を設け、このシャントレギュレート部の制御端子に圧電トランスの出力電圧を検出して得られた制御電圧と出力直流電圧のレベルを設定する制御電圧を供給して、駆動部の電圧を制御し、圧電トランスに供給される矩形波の振幅を制御し、圧電トランスから出力された電圧を整流して直流電圧を発生する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の高電圧電源装置は、圧電トランスを駆動する駆動部の前段に安定した電圧発生回路を用いかつこの出力電圧を制御することにより、安定した高電圧を得ることができる。
また、本発明は、電圧発生回路にシャントレギュレート部を用いることにより、高精度に出力電圧を制御でき、また回路を簡略化することにより、安価な高電圧電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１に本発明の実施形態に係る高電圧電源装置１０の概略構成図を示す。以下圧電トランスを用いた高電圧電源装置について説明するが、本発明はそれ以外の巻線トランスを用いた高電圧電源装置にも適用できる。
高電圧電源装置１０は、例えば、基準電圧発生部、駆動部、共振部、圧電トランス、整流部（回路）、出力電圧検出部などの制御部で構成される。
【００１０】
基準電圧発生部はトランジスタＱ１とシャントレギュレート部ＩＣ１で構成され、駆動部はＮチャネルＭＯＳＦＥＴＱ２やコンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３（Ｑ３ａ、Ｑ３ｂ）で構成され、共振部はインダクタＬ１、コンデンサＣ５と圧電トランスＰＺＴ１の入力容量（Ｃｉｎ）で構成される。整流部はダイオード（Ｄ１，Ｄ２）とコンデンサＣ６で構成される。制御部を構成する出力電圧検出部は、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ３，Ｒ４と必要に応じてコンデンサＣ７で構成される。なお、コンデンサＣ７は検出電圧の平滑およびオーバーシュート対策のために挿入している。また制御部は、出力電圧のレベルを設定する制御電圧をシャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに供給する抵抗Ｒ３で構成される。
【００１１】
図１に示すように、高電圧電源装置１０は、入力端子Ｔ１とＧＮＤ（グランド；接地）の端子Ｔ２との間にコンデンサＣ１が接続される。直流電圧（例えば２４Ｖ）が供給される端子Ｔ１にＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタと抵抗Ｒ１の一端とＮＰＮトランジスタＱ１の内部抵抗Ｒａの一端が接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１のベースは内部抵抗Ｒａの他端と内部抵抗Ｒｂの一端に接続され、この内部抵抗Ｒｂの他端は抵抗Ｒ２の一端と、コンデンサＣ２の一端とシャントレギュレート部ＩＣ１のカソードＫに接続される。
【００１２】
抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２の他端は共通接続されてコンデンサＣ３の一端に接続され、このコンデンサＣ３の他端は抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の一端とシャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンス端子（Ｒ）に接続される。
抵抗Ｒ３の他端は制御電圧が供給される端子Ｔ４に接続され、抵抗Ｒ４の他端は端子Ｔ２（ＧＮＤ）に接続される。なお、抵抗Ｒ３の抵抗値により、入力電圧（コントロール電圧）に対する出力電圧の傾きを調整することができる。
【００１３】
ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタは、コンデンサＣ４の一端と抵抗Ｒ７の一端に接続される。コンデンサＣ４の他端は端子Ｔ２に接続される。また抵抗Ｒ７の他端はコンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３を構成するＮＰＮトタランジスタＱ３ａとＰＮＰトランジスタＱ３ｂのベースに接続され、またＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２のドレインに接続される。ＮＰＮトタランジスタＱ３ａのコレクタは端子Ｔ１に接続される。
【００１４】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２のゲートは抵抗Ｒ５の一端に接続され、抵抗Ｒ５の他端はクロック信号（ＣＬＫ）が供給される端子Ｔ３と抵抗Ｒ６の一端に接続される。またこの抵抗Ｒ６の他端とＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２のソースは端子Ｔ２に接続される。
【００１５】
ＮＰＮトタランジスタＱ３ａのエミッタとＰＮＰトランジスタＱ３ｂのエミッタは共通接続されてインダクタＬ１の一端に接続される。ＰＮＰトランジスタＱ３ｂのコレクタは端子Ｔ２に接続される。
インダクタＬ１の他端は圧電トランスＰＺＴ１の電極（１）とコンデンサＣ５の一端に接続され、コンデンサＣ５の他端と圧電トランスＰＺＴ１の電極（２）は端子Ｔ２に接続される。
【００１６】
圧電トランスＰＺＴ１の電極（３）は整流部を構成するダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードに接続され、ダイオードＤ２のアノードは端子Ｔ２に接続され、ダイオードＤ１のカソードは端子Ｔ５と抵抗Ｒ８の一端とコンデンサＣ６の一端に接続される。コンデンサＣ６の他端は端子Ｔ２に接続され、抵抗Ｒ８の他端はコンデンサＣ７の一端とシャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンス（Ｒ）に接続される。コンデンサＣ７の他端は端子Ｔ２に接続される。
【００１７】
図２に、図１で示したシャントレギュレート部ＩＣ１の回路構成例を示す。シャントレギュレート部ＩＣ１は、基準電圧源Ｖｒ、増幅器Ａｍｐ、ＮＰＮトランジスタＱｒで構成される。
増幅器Ａｍｐの非反転入力端子（＋）（またはリファレンスＲ）は、制御電圧が供給され、反転入力端子（−）は基準電圧源Ｖｒのプラス端子に接続され、出力端子はＮＰＮトランジスタＱｒのベースに接続される。
基準電圧源Ｖｒのマイナス端子はアノード端子Ａに接続される。ＮＰＮトランジスタＱｒのコレクタはカソード（端子）Ｋに接続され、エミッタはアノードＡに接続される。
【００１８】
シャントレギュレート部ＩＣ１は、具体的に、基準電圧源Ｖｒは２．５ＶのＤ．Ｃ（直流）電圧を発生し、増幅器Ａｍｐの反転入力端子（−）に供給する。一方、増幅器Ａｍｐの非反転入力端子（＋）には、抵抗Ｒ３を介して制御電圧０〜５Ｖの直流電圧が供給される。
その結果、増幅器Ａｍｐの出力には入力端子（反転入力端子と非反転入力端子）間の差電圧が所定倍、たとえば４０ｄＢ増幅されて出力され、次段のＮＰＮトランジスタＱｒのベースに供給され、コレクタ（カソードＫ）から制御電流として出力される。このシャントレギュレート部ＩＣ１は、演算増幅器などで構成される増幅器Ａｍｐ、基準電圧源ＶｒとＮＰＮトランジスタＱｒの素子はモールドされて単一部品として製品化され、アノードＡ、カソードＫ、リファレンスＲの３端子がモールド端子として設けられている。
【００１９】
次に、図１に示す高電圧電源装置１０の動作について説明する。圧電トランスＰＺＴ１は共振点（共振周波数）を基準にして周波数を上げても下げても出力電圧は低下することが知られている。端子Ｔ５と端子Ｔ２間に負荷を接続したとき、所定の出力電圧が得られるように圧電トランスＰＺＴ１の共振周波数より高い周波数のクロック信号を端子Ｔ３から供給する。またこの高電圧電源装置１０は、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３のベース電圧を制御することで、ＮＰＮトランジスタＱ３ａのエミッタ電圧を制御し圧電トランスＰＺＴ１の電極（１）に印加する電圧を可変し、それに応じて出力電圧を発生する。
高電圧電源装置１０の端子Ｔ５から導出される出力電圧の可変は、シャントレギュレータＩＣ１の基準電圧Ｖｒを例えば２．５Ｖとしたとき、抵抗Ｒ４に流れる電流を（２．５−Ｖｒｅｆ）÷Ｒ３で決まる（電流）値で増減し、抵抗Ｒ８に流れる電流を変化させることにより行う。なお、記号Ｖｒｅｆは端子Ｔ４から供給される出力電圧調整用の制御電圧（Ｖｒｅｆ）である。
【００２０】
次に具体例を示す。高電圧電源装置１０の端子Ｔ１に直流電圧２４Ｖを供給し、端子Ｔ２を接地（ＧＮＤ）し、また端子Ｔ４から制御電圧０Ｖ〜５Ｖを供給し、かつ端子Ｔ３から周波数１６５ＫＨｚ、デューティ比５０％の外部クロック信号ＣＬＫを供給する。
【００２１】
端子Ｔ５から導出される出力電圧は、シャントレギュレート部ＩＣ１の基準電圧源Ｖｒの電圧が２．５Ｖのとき、端子Ｔ４がオープンであると、出力（電圧）Ｖは、
【００２２】
（数１）
出力Ｖ∝（２．５Ｖ／Ｒ４）＊Ｒ８            ・・・（１）
で決定される。
また、端子Ｔ４に制御電圧Ｖｒｅｆが印加された場合、出力（電圧）Ｖは
【００２３】
（数２）
出力Ｖ∝{（２．５Ｖ―Ｖｒｅｆ）／Ｒ３＋２．５Ｖ／Ｒ４}＊Ｒ８
・・・（２）
となる。
この式（２）から解るように、制御電圧Ｖｒｅｆが２．５Ｖのとき、端子Ｔ４をオープンにした場合と同じ式（１）となる。
【００２４】
次に、制御電圧Ｖｒｅｆを０Ｖから５Ｖまで可変したときの高電圧電源装置１０の具体的な回路動作について説明する。
式（２）において、制御電圧Ｖｒｅｆが５．０Ｖのとき出力Ｖは最小で、０．０Ｖのとき最大となる。
具体的には、端子Ｔ４の制御電圧Ｖｒｅｆが２．５Ｖ以下になると、式（２）の抵抗Ｒ３に流れる電流は増加するので、出力電圧は増加する。出力電圧は、特に制御電圧Ｖｒｅｆが０Ｖのとき最大値となる。一方、端子Ｔ４の制御電圧Ｖｒｅｆが２．５Ｖ以上になると、抵抗Ｒ３に流れる電流は逆方向（負の電流）となるので、出力電圧は減少する。特に制御電圧Ｖｒｅｆが最大電圧の５．０Ｖのとき、出力電圧は最小となる。
【００２５】
まず、制御電圧Ｖｒｅｆが０．０Ｖのときの高電圧電源装置１０の動作について述べる。抵抗Ｒ８の両端に発生する電圧に応じた電圧が端子Ｔ５から出力されるように設定される。式（２）において、
【００２６】
（数３）
出力Ｖ∝{２．５Ｖ／Ｒ３＋２．５Ｖ／Ｒ４}＊Ｒ８
・・・（３）
となる。
【００２７】
その結果、シャントレギュレート部ＩＣ１の増幅器Ａｍｐで基準電圧源Ｖｒから供給される電圧の２．５Ｖと{２．５Ｖ／Ｒ３＋２．５Ｖ／Ｒ４}＊Ｒ８で決定される制御電圧が比較され、この誤差電圧が増幅器Ａｍｐで所定倍に増幅されてＮＰＮトランジスタＱｒに供給され、カソードＫ（Ｑｒのコレクタ）からアノードＡ（Ｑｒのエミッタ）側へ制御電流が流れる。
ここで、制御電圧Ｖｒｅｆが供給されるシャントレギュレート部ＩＣ１の増幅器Ａｍｐの入力は、非反転入力端子（＋）であるので、増幅器Ａｍｐの出力電圧は最小となる。この電圧がトランジスタＱｒのベースに供給されるので、コレクタ（エミッタ）電流Ｉ０．０も最小となる。
従って、端子Ｔ１からＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタ、ベース間に接続された抵抗Ｒ１に流れる電流も最小で、抵抗Ｒ１間に発生する電圧も最小となるから、ベース電圧は最大となる。その結果、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタ電圧は最大となる。
【００２８】
ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタ電圧が最大のとき、端子Ｔ３から（外部）クロック信号ＣＬＫがＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに抵抗Ｒ５を介して供給される。このクロック信号ＣＬＫの“Ｈ”レベルと“Ｌ”レベルに応じてＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２はオン（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）制御される。なお、抵抗Ｒ５、Ｒ６は静電保護やノイズ対策としても役立つ。
抵抗Ｒ７とドレイン電流により決定される電圧でコンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３が駆動される。
【００２９】
端子Ｔ３からクロック信号ＣＬＫが供給され、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２がオフし、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタ電圧と同じ電圧（“Ｈ”レベル）がコンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３の入力に印加されると、ＮＰＮトランジスタＱ３ａがオンし、出力電圧（矩形波）がインダクタＬ１を介してコンデンサＣ５と圧電トランスＰＺＴ１の電極（１）に供給される。
【００３０】
一方、端子Ｔ３からクロック信号ＣＬＫが供給され、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２がオンし、ドレイン電圧が下がり、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３の入力に“Ｌ”レベルの電圧が印加されると、ＰＮＰトランジスタＱ３ｂがオンし、エミッタとインダクタＬ１の共通接続点は“Ｌ”レベルとなる。このようにして、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３から矩形波がインダクタＬ１に供給される。
なお、インダクタＬ１とコンデンサＣ５と圧電トランスＰＺＴ１の入力容量（Ｃｉｎ）で、共振部を構成し、共振部に入力された矩形波がこの共振部（回路）で共振し、擬似正弦波となった入力信号が圧電トランスＰＺＴ１に供給される。
【００３１】
圧電トランスＰＺＴ１の１次側（電極（１））に擬似正弦波で所定の振幅で周波数１６５ＫＨｚの入力クロック信号ＣＬＫが供給されると、逆圧電効果により機械的振動を起こし、圧電効果によりその振動に応じた高い出力電圧が電極（３）から導出される。
圧電トランスＰＺＴ１の電極（３）からプラスの高電圧が出力されると、この出力電圧が整流部を構成するダイオードＤ１、Ｄ２とコンデンサＣ６に供給されて高電圧の直流電圧を発生する。またこの直流電圧が出力電圧検出部を構成する抵抗Ｒ８、抵抗Ｒ３，Ｒ４とコンデンサＣ７に供給される。
一方、圧電トランスＰＺＴ１の電極（３）にマイナスの高電圧が発生すると、ダイオードＤ２が導通し、端子Ｔ２からダイオードＤ２を介して電極（３）に電流が流れる。
ダイオードＤ１とコンデンサＣ６で整流された電圧が端子Ｔ５から負荷に供給され、また端子Ｔ５と端子Ｔ２間に接続された出力電圧検出部の抵抗Ｒ３，Ｒ４（とコンデンサＣ７）で検出された電圧が制御電圧として、シャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに供給される。
【００３２】
次に、端子Ｔ５の出力電圧が変動したときの動作について述べる。
上記の式（２）で決まる出力電圧より下がろうとすると、出力電圧部の抵抗Ｒ８とＲ３，Ｒ４で分圧された電圧を検出し、それに伴い抵抗Ｒ３，Ｒ４（とコンデンサＣ７の共通接続点）の電圧が下がり、シャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲの電圧も下がる。すると、増幅器Ａｍｐの出力電圧は下がり、ＮＰＮトランジスタＱｒのベース電圧はさらに下がり、コレクタ（エミッタ）電流は減少する。その結果、抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧は減少し、ＮＰＮトランジスタＱ１のベース電圧は上昇し、これに伴いエミッタ電圧も上昇する。ＮＰＮトランジスタＱ３ａのエミッタから出力される矩形波の振幅が大きく（電圧が高く）なり、圧電トランスＰＺＴ１の印加電圧が増加し出力電圧も増加する。
このように、出力電圧が下がると、検出された電圧が入力側に帰還され、これに応じて端子Ｔ１から抵抗Ｒ１を介してシャントレギュレート部ＩＣ１に流れる電流が減少し、ＮＰＮトランジスタＱ１、Ｑ３ａのエミッタ電圧を制御し振幅電圧を高く制御することで、圧電トランスＰＺＴ１の電極（１）の振幅（電圧）を増加して、端子Ｔ５の電圧を一定にする。
【００３３】
一方、端子Ｔ５の出力電圧が、上記の式（２）で決まる出力電圧より上がろうとすると、抵抗Ｒ４の電圧が上がり、それに伴いシャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲの電圧も上がる。すると、増幅器Ａｍｐの出力電圧は上がり、ＮＰＮトランジスタＱｒのベース電圧はさらに上がり、コレクタ（エミッタ）電流は増加する。その結果、抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧は増加し、ＮＰＮトランジスタＱ１のベース電圧は下がり、これに伴いエミッタ電圧も下がる。その結果、ＮＰＮトランジスタＱ３ａのエミッタから出力される矩形波の振幅が小さく（電圧が低く）なり圧電トランスＰＺＴ１の印加電圧が減少し、出力電圧が下がる。
このように、出力電圧が上がると、変化電圧がシャントレギュレート部ＩＣ１に帰還され、端子Ｔ１から抵抗Ｒ１を介してシャントレギュレート部ＩＣ１に流れる電流を増加することにより、ＮＰＮトランジスタＱ３ａ、Ｑ１のエミッタ電圧を制御し振幅電圧を低く制御する。その結果、圧電トランスＰＺＴ１の電極（１）の振幅（電圧）を減少して、端子Ｔ５の電圧が一定となる。一方、出力電圧が下がると、シャントレギュレート部ＩＣ１の出力電流を減少してＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ３ａのエミッタ電圧を上げ、それに伴い出力電圧が上がり、出力電圧は一定になる。
【００３４】
すなわち、端子Ｔ５から導出される出力電圧が変動すると、この出力電圧を検出し、シャントレギュレート部ＩＣ１に帰還し、検出された電圧に応じてシャントレギュレート部ＩＣ１のカソードＫに流れる電流を制御する。カソード電流を制御して、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタ電位を制御し、ＮＰＮトランジスタＱ３ａのエミッタの振幅電圧を可変することで、圧電トランスＰＺＴ１の電極（３）の電圧を制御して出力電圧を安定化する。
また、シャントレギュレート部ＩＣ１において、カソードＫとリファレンスＲの間に並列接続された抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２がコンデンサＣ３に直列接続されて、帰還回路を構成しているので、この帰還作用により、シャントレギュレート部ＩＣ１の動作を安定化している。
なお、外部から供給するクロック信号ＣＬＫは、周波数、デューティ比を任意に選択することで所望の出力電圧に設定することができ、またこの出力電圧に合わせて最適な状態で圧電トランスＰＺＴ１を駆動することができる。
【００３５】
次に、端子Ｔ４に供給される制御電圧Ｖｒｅｆが０Ｖから２．５Ｖになると、シャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに２．５Ｖの電圧が供給され、増幅器Ａｍｐからその誤差電圧に対応する電圧が出力される。このときの増幅器Ａｍｐの出力から導出される電圧は、制御電圧が０Ｖの時の出力電圧よりプラスの電圧が出力される。
端子Ｔ１から抵抗Ｒ１を介してＮＰＮトランジスタＱｒのコレクタ（エミッタ）に流れる電流Ｉ２．５は増加するので、抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧（ＶＲ１）は増加し、ＮＰＮトランジスタＱ１のベース電圧も下がる。ベース電圧の変化に伴いエミッタ電圧も下がるので、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３のＮＰＮトランジスタＱ３ａのベース電圧も下がり、エミッタから出力される矩形波の振幅も減少する。
【００３６】
その結果、圧電トランスＰＺＴ１の入力電圧が減少するので、電極（３）から導出される出力電圧も減少する。
【００３７】
次に、制御電圧が２．５Ｖに設定されたとき、端子Ｔ５の電圧が変動したときの動作について述べる。制御電圧が０Ｖの時に説明したように、出力電圧検出部の抵抗Ｒ４（とコンデンサＣ７）で出力電圧を検出し、その変動分をシャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに供給する。その結果、出力電圧を安定化するために、シャントレギュレート部ＩＣ１のカソードＫの電圧が制御され、端子Ｔ１から抵抗Ｒ１を介してＮＰＮトランジスタＱｒのコレクタに流れる電流が制御され、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタ電圧を可変し、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３のＮＰＮトランジスタＱ３ａの出力矩形波の振幅を制御する。それに伴い、端子Ｔ５の出力電圧は一定になる。
【００３８】
次に、端子Ｔ４に供給される制御電圧が２．５Ｖから増加して５．０Ｖになると、シャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに５．０Ｖの電圧が供給され、増幅器Ａｍｐからその誤差電圧に対応する電圧が出力される。このときの増幅器Ａｍｐの出力から導出される電圧は、制御電圧が２．５Ｖの時の出力電圧よりさらにプラスの電圧が出力される。
端子Ｔ１からＮＰＮトランジスタＱｒのコレクタ（エミッタ）に流入する電流Ｉ５．０は増加し（Ｉ５．０＞Ｉ２．５となり）、抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧が増加するので、ＮＰＮトランジスタＱ１のベース電圧も下がる。
ＮＰＮトランジスタＱ１のベース電圧が下がるとエミッタ電圧も下がるので、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３のＮＰＮトランジスタＱ３ａのベース電圧も下がり、エミッタから出力される矩形波の振幅も減少する。
その結果、圧電トランスＰＺＴ１の入力電圧が減少するので、電極（３）から導出される出力電圧は減少する。
【００３９】
次に、制御電圧が５．０Ｖに設定されたとき端子Ｔ５の出力電圧が変動した時の動作について述べる。端子Ｔ５の電圧が変動すると、制御電圧が０Ｖの時に説明したように、出力電圧検出部の抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧された電圧を検出し、その変動分をシャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに供給する。その結果、出力電圧を安定化するために、端子Ｔ１からシャントレギュレート部ＩＣ１のカソードＫ（ＮＰＮトランジスタＱｒのコレクタ）に流入する電流が制御され、それに伴いＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタ電圧が制御され、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３のＮＰＮトランジスタＱ３ａの出力矩形波の振幅が制御される。それに伴い、端子Ｔ５の出力電圧が一定になる。
【００４０】
図３に、図１の高電圧電源装置１０で得られた測定結果の一例を示す。高電圧電源装置１０の（外部）コントロール（制御）電圧−出力電圧に関する特性図は、制御電圧を０．０Ｖ〜５．０Ｖまで可変したときの、出力電圧の変化を示し、横軸にコントロール電圧、縦軸に端子Ｔ５から出力される出力電圧を示す。横軸のコントロール電圧は、０．０Ｖから１．０Ｖステップ目盛で６．０Ｖの範囲を示し、縦軸は、２００Ｖステップで、０Ｖから８００Ｖの範囲を示す。図３に示すように、コントロール電圧が０Ｖのとき出力電圧は約７５０Ｖ、１．０Ｖのとき６００Ｖ、・・・、４．０Ｖのとき１５０Ｖ、５．０Ｖのとき０Ｖである。
【００４１】
図３に示した測定結果は、端子Ｔ３に供給されるクロック信号ＣＬＫの周波数を１６５ＫＨｚ、デューティ比を５０％、端子Ｔ１に供給される直流電圧を約２１Ｖに設定したときのデータであるが、これ以外にクロック信号ＣＬＫの周波数を可変したり、またこのデューティ比を可変したりして、外部コントロール電圧を０．０Ｖから５．０Ｖまで可変することにより所望の出力電圧を得ることができる。
シャントレギュレート部ＩＣ１を用いて、駆動部の電圧を精度良く制御することができるので、出力電圧を高精度に設定することができる。
また、これらの条件においても、出力電圧を検出してシャントレギュレート部ＩＣ１にフィードバックして入力電圧を制御することにより、出力電圧を一定にしているので、安定した出力電圧が得られる。
【００４２】
このように、圧電トランスを駆動する駆動部に供給する電圧にシャントレギュレート部を用いた電圧発生回路（定電圧回路）を用いることにより、出力電圧を高精度に制御することができ、また回路構成を簡略化でき安価な高電圧電源装置を得ることができる。
【００４３】
次に、図４に負の出力電圧を得るための高電圧電源装置５０を示す。なお、図１の高電圧電源装置１０と同一構成の素子には同じ番号を付与する。
高電圧電源装置５０の回路構成は、基本的に図１と同様であるが、Ｑ１ａのトランジスタをＰＮＰトランジスタとしエミッタ側にツェナーダイオードＤ１１が設けられている。またシャントレギュレート部ＩＣ１のカソードＫと端子Ｔ６間に抵抗Ｒ１２が接続され、５Ｖの制御電圧Ｖｒｅｆが供給される。また、カソードＫと端子Ｔ４間に抵抗Ｒ１３が接続され、０．０Ｖ〜５．０Ｖのコントロール（制御）電圧が供給される。
シャントレギュレート部ＩＣ１の入出力間は抵抗Ｒ１４とコンデンサＣ１２が直列接続されて、帰還回路が構成される。この回路構成により、安定した回路動作を得るようにしている。
【００４４】
矩形波を出力するコンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３とＮチャネルＭＯＳトランジスタＱ２、インダクタＬ１、コンデンサＣ５、圧電トランスＰＺＴ１と出力電圧検出回路Ｒ８，Ｃ５の構成は図１と同様である。しかし、圧電トランスの電極（３）に接続されたダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａの接続極性が逆となっている。これは、上述したように、端子Ｔ５から導出される出力電圧を負極性としたことによる。
【００４５】
端子Ｔ４からコントロール電圧を０．０Ｖ〜５．０Ｖまで変化し、それに応じて端子Ｔ５の出力電圧が変化する。また、出力電圧を抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ１２、Ｒ１３（と容量Ｃ７）で検出し、シャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに帰還（フィードバック）しているので、出力電圧が変動しても一定の出力電圧が得られる。
【００４６】
図３に負極性の出力電圧を得る高電圧電源装置５０のコントロール電圧−出力電圧を示す。図３に示すように、端子Ｔ４からコントロール電圧を０．０Ｖ〜５．０Ｖまで可変したとき、端子Ｔ５から出力される出力電圧を示す。具体的にはコントロール電圧が０．０Ｖのとき出力電圧は０Ｖ、１．０Ｖのとき約−１７０Ｖ、・・・、４．０Ｖのとき−６００Ｖ、５．０Ｖのとき約−７５０Ｖである。
【００４７】
また、この高電圧電源装置５０は、正極性の出力電圧を発生する高電圧電源装置１０と同様に、端子Ｔ３から供給されるクロック信号ＣＬＫの周波数とデューティ比を可変することにより、出力電圧を任意の電圧に設定することができる。
【００４８】
図５に図４の変形例である負極性の出力電圧を得る高電圧電源装置１００を示す。なお、図４と同じ構成素子については同一の番号を付与する。
高電圧電源装置１００は、基本的構成は図４と同一であるが、定電圧を発生するトランジスタ（素子）が代わったことによる駆動の一部を変更した。
具体的には、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３に電圧を供給するトランジスタをＮＰＮトランジスタＱ１ｂに変更する。これに伴い、ＮＰＮトランジスタＱ１ｂのコレクタと端子Ｔ１に接続されている抵抗Ｒ１の他方の端子がシャントレギュレート部ＩＣ１のカソードＫとツェナーダイオードＤ５１のカソードに接続され、ツェナーダイオードＤ５１のアノードはＮＰＮトランジスタＱ５１のベースに接続されている。
ＮＰＮトランジスタＱ５１のエミッタは端子Ｔ２（ＧＮＤ）に接続され、コレクタはＮＰＮトランジスタＱ１ｂのベースに抵抗Ｒｂを介して接続される。またベースは抵抗Ｒｃを介して端子Ｔ２に接続される。
なお、これ以外の構成は、図４に示した高電圧電源装置５０と同一であるので、ここではその記載を省略する。
【００４９】
端子Ｔ４からコントロール電圧を０．０Ｖ〜５．０Ｖの範囲で可変し、出力電圧を制御する動作は図４と同様であるので、ここではその基本動作に関する説明は省略し、端子Ｔ５の出力電圧が変動したときの動作について説明する。
端子Ｔ５の出力電圧が変化すると、この出力電圧を出力電圧検出部の抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ１２，Ｒ１３（と容量Ｃ７）で検出して、シャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲに帰還する。出力電圧がプラス側に変動すると、シャントレギュレート部ＩＣ１のリファレンスＲの電圧が上昇する。このリファレンスに印加された電圧と基準電圧源Ｖｒから供給される電圧２．５Ｖが比較されて、その誤差分が増幅器Ａｍｐで増幅されて出力される。シャントレギュレート部ＩＣ１の増幅器Ａｍｐの非反転入力端子（＋）に入力される電圧がプラス（＋）側に変化しているので、増幅器Ａｍｐの出力電圧は上昇する。この上昇した電圧がＮＰＮトランジスタＱｒのベースに供給され、その結果、端子Ｔ１から抵抗Ｒ１を介してＮＰＮトランジスタＱｒのコレクタに流入する電流は増加する。すると、抵抗Ｒ１の両端で発生する電圧差は大きくなりカソードＫの電圧は低下する。この低下した電圧が、ツェナーダイオードＤ５１で所定電圧レベルシフトされ、ＮＰＮトランジスタＱ５１のベースに供給される。
ＮＰＮトランジスタＱ５１のベース電圧は下がるので、コレクタ（エミッタ）電流は減少する。その結果ＮＰＮトランジスタＱ１ｂのベース電圧、エミッタ電圧も上昇し、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３から出力される矩形波の振幅が大きくなる。それに伴い、圧電トランスＰＺＴ１の入力電圧が増加するので、電極（３）の出力は増加し、マイナス電圧が大きくなる（大きな負電圧となる）。
【００５０】
次に、端子Ｔ５の電圧がマイナス側に変動したときは、出力電圧が出力電圧検出部の抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ１２，Ｒ１３（と容量Ｃ７）で検出され、抵抗Ｒ８とコンデンサＣ７の共通接続点の電圧は下がり、端子Ｔ１からシャントレギュレート部ＩＣ１のカソードＫに流れる電流は減少する。すると、抵抗Ｒ１の両端で発生する電圧は減少し、抵抗Ｒ１の他端の電圧は上昇する。それに伴い、ＮＰＮトランジスタＱ５１のベース電圧が上昇し、コレクタ（エミッタ）電流が増加し、ＮＰＮトランジスタＱ１ｂのベース、エミッタの各電圧は下がる。そして、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３のベース電圧も下がり、出力される矩形波の振幅も減少する。
圧電トランスＰＺＴ１に入力される矩形波の振幅も減少するので、電極（３）から出力される出力電圧の振幅が小さくなり、その結果整流された電圧は小さくなり、その出力電圧は０Ｖ側へ上昇する。
このように、出力電圧が変動しても、この変動を検出して入力側へ帰還することにより端子Ｔ１からシャントレギュレート部ＩＣ１に流入する電流を制御する。この制御された電流を抵抗Ｒ１で電圧に変換し、この変換された電圧をツェナーダイオードＤ５１，ＮＰＮトランジスタＱ５１を介してレベルシフトしてＮＰＮトランジスタＱ１ｂのベース（とエミッタ）を制御し、コンプリメンタリープッシュプルトランジスタＱ３の出力振幅を制御することにより、出力電圧の変動を防止することができる。
【００５１】
上述したように、本発明は、正極性の電圧を出力する高電圧電源装置や負極性の電圧を出力する高電圧電源装置において、圧電トランスを駆動する駆動部に安定化した電圧発生回路を用いかつこの出力電圧を制御することにより、安定した高電圧を得ることができる。
また、本発明は、駆動部に供給する電圧発生回路にシャントレギュレート部を用いることにより、高精度に出力電圧を制御でき、また回路を簡略化することができるので、従来より安価な高電圧電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】正電圧出力の高電圧電源装置の回路構成を示す図である。
【図２】シャントレギュレート部の回路構成図である。
【図３】高電圧電源装置の電気的入力−出力特性を示す図である。
【図４】負電圧出力の高電圧電源装置の回路構成を示す図である。
【図５】負電圧出力の他の高電圧電源装置の回路構成を示す図である。
【図６】従来の正電圧出力の高電圧電源装置の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０，５０，１００,２００…高電圧電源装置、１１２…出力電流検出部、１１３…発振部、１１４…デューティ比制御部、１１５…駆動部、１１６…共振部、１２０，ＰＺＴ１…圧電トランス、１４０…負荷、Ｑ１，Ｑ１ｂ，Ｑ３ａ，Ｑ５１，Ｑｒ，Ｑ１０１，Ｑ１０２，Ｑ１０５…ＮＰＮトランジスタ、Ｑ２，Ｑ１０３，Ｑ１０６…ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、Ｑ３…コンプリメンタリープッシュプルトランジスタ、Ｑ１ａ，Ｑ３ｂ…ＰＮＰトランジスタ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１０３，Ｒ１０４，Ｒ１０６，Ｒ１０７，Ｒ１０８，Ｒ１０９，Ｒ１１０，Ｒ１１１，Ｒ１１２，Ｒ１１３，Ｒ１１４，Ｒ１１５，Ｒ１１６，Ｒ１１７，Ｒ１１９，Ｒ１２０，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ…抵抗、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ１２，Ｃ１０１，Ｃ１０２，Ｃ１０３，Ｃ１０４，Ｃ１０５，Ｃ１０６，Ｃ１０８…コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１ａ，Ｄ２ａ，Ｄ１０３，Ｄ１０４…ダイオード，Ｄ１１，Ｄ５１，Ｄ１０１…ツェナーダイオード、ＩＣ１…シャントレギュレート部、Ｌ１，Ｌ１０１…インダクタ。
【図１】
2008220007.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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