(57)【要約】【課題】  出力電流の制御精度を落とすことなく、出力電圧を検出する。【解決手段】  電圧検出電極１１は、圧電トランス２０の出力電圧Ｖｏによる静電誘導電圧Ｖｓを検出する。駆動電圧制御部１５は、静電誘導電圧Ｖｓに基づき駆動電圧Ｖｓを制御する。駆動部１７は、制御された駆動電圧Ｖｄを圧電トランス２０に印加する。圧電トランス２０は、印加された駆動電圧Ｖｄを変圧して出力電圧Ｖｏとして負荷９０へ供給する。その出力電圧Ｖｏによる静電誘導電圧Ｖｓを電圧検出電極１１が検出し、前述の動作が繰り返される。このとき、電圧検出電極１１によって間接的に出力電圧Ｖｏを検出するので、出力電圧Ｖｏを検出する際に抵抗器を使用しないで済む。そのため、出力電圧Ｖｏを検出するための電流が出力電流Ｉｏに混在し得ないので、出力電流Ｉｏの制御精度を落とすことなく、出力電圧Ｖｏを検出できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された駆動電圧を変圧して出力電圧として負荷へ供給する圧電トランスと、この圧電トランスの出力電圧を検出する電圧検出手段を有する出力検出部と、この出力検出部で検出された出力電圧に基づき前記駆動電圧を制御する駆動電圧制御部と、この駆動電圧制御部で制御された前記駆動電圧を前記圧電トランスに印加する駆動部とを備えた、圧電トランスを用いた電源装置において、
前記電圧検出手段は、前記圧電トランスの出力電圧による静電誘導電圧を検出する電圧検出電極である、
ことを特徴とする圧電トランスを用いた電源装置。
【請求項２】
前記電圧検出電極は、前記圧電トランスが実装されるプリント配線板上に、そのプリント配線板の配線とともに形成されたものである、
請求項１記載の圧電トランスを用いた電源装置。
【請求項３】
前記駆動電圧制御部は、前記電圧検出電極によって検出された静電誘導電圧のみによって、前記駆動電圧を制御する機能を有する、
請求項１又は２記載の圧電トランスを用いた電源装置。
【請求項４】
前記出力検出部は、前記圧電トランスの出力電流を検出する電流検出手段を更に有し、
前記駆動電圧制御部は、前記出力検出部で検出された出力電圧が設定値を超えないように、かつ前記出力検出部で検出された出力電流が設定値に等しくなるように、前記駆動電圧を制御する機能を有する、
請求項１又は２記載の圧電トランスを用いた電源装置。
【請求項５】
前記駆動電圧制御部は、前記駆動電圧の周波数及びデューティ比の少なくとも一方を制御することにより前記駆動電圧を制御する機能を有する、
請求項４記載の圧電トランスを用いた電源装置。
【請求項６】
前記出力電流が最大値となる前記周波数及び前記デューティ比をそれぞれＦ１，Ｄ１とし、前記出力電流が最小値となる前記周波数及び前記デューティ比をそれぞれＦ２，Ｄ２としたとき、
前記駆動電圧制御部は、前記検出された出力電流が前記設定値よりも小さければ前記周波数及び前記デューティ比をそれぞれ前記Ｆ１及び前記Ｄ１に近づけ、逆に前記検出された出力電流が前記設定値よりも大きければ前記周波数及び前記デューティ比をそれぞれ前記Ｆ２及び前記Ｄ２に近づける機能を有する、
請求項５記載の圧電トランスを用いた電源装置。
【請求項７】
前記駆動電圧制御部は、
周波数可変の三角波電圧Ｖｂを生成する周波数制御部と、
この周波数制御部で生成された三角波電圧Ｖｂと電圧値可変の直流電圧Ｖａとを比較し、Ｖａ＜Ｖｂである時間とＶａ＞Ｖｂである時間とに基づき前記デューディ比を定めるデューディ比制御部と、
前記出力検出部で検出された出力電圧に基づき、前記直流電圧Ｖａの電圧値及び前記三角波電圧Ｖｂの周波数の少なくとも一方を変える電圧制御部と、
前記出力検出部で検出された出力電流に基づき、前記直流電圧Ｖａの電圧値及び前記三角波電圧Ｖｂの周波数の少なくとも一方を変える電流制御部とを備えた、
請求項５又は６記載の圧電トランスを用いた電源装置。
【請求項８】
電子写真装置の直流バイアス電源として用いられる、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電トランスを用いた電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子の共振現象を利用して交流電圧を変圧する圧電トランス技術に関し、詳しくはこれを用いた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複写機やプリンタ等の電子写真装置において、正（プラス）の高圧出力と負（マイナス）の高圧出力とを印加するための直流バイアス電源が転写器等に用いられている。この直流バイアス電源は、例えば、帯電したトナーとは逆極性の数μＡの直流バイアス電流を定電流制御しながら用紙に印加し、この用紙にトナーを転写した後に、ローラ等に付着したトナーをクリーニングする目的で転写前とは逆特性の直流バイアス電流を印加する。このような正負両極性の直流バイアス電流を出力できる直流バイアス電源には、主に巻線式トランスが使用されてきた。
【０００３】
しかし、巻線式トランスは、絶縁体として有機物が使用されているので、可燃性の点で問題があった。また、直流バイアス電源は出力電流値が数μＡという極めて微小な値であることにより、巻線式トランスは漏れ電流を極力少なくするために実装や構造での工夫が必要であった。
【０００４】
これらの欠点を補うために、圧電トランスを用いて直流バイアス電源を構成することが考えられる。圧電トランスは、セラミックスからなることにより有機絶縁物を必要としないので燃焼の危険性がなく、しかも小型化及び軽量化が容易である、という優れた特徴を有する。なお、圧電トランスを用いた従来の電源装置については、例えば下記特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３５２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧電トランスを用いた直流バイアス電源において、出力電流を定電流で制御する場合、負荷抵抗が大きくなると出力電圧を高くすることによって定電流を維持しようとするので、無負荷時に出力電圧が最大となる。これをそのまま放置すると、圧電トランスに過大な機械的振動が加わることにより、圧電トランスが損傷することがある。そこで、出力回路に抵抗器を挿入して出力電圧を検出し、その出力電圧が一定以上にならないように制御することが考えられる。このとき、抵抗器に流れる電流（以下「出力電圧検出電流」という。）は、例えば出力電圧が６ｋＶ、抵抗器の抵抗値が１００ＭΩであれば、６０μＡである。
【０００７】
しかし、直流バイアス電源では、負荷に流れる出力電流が数μＡとあまりに微小なため、出力電流の数十倍の出力電圧検出電流が混在することにより、出力電流を制御する際の精度が低下するという問題が生じる。例えば、出力電圧検出電流が出力電流検出部に流れ込むことによって、出力電流の検出精度が低下する。
【０００８】
更に、圧電トランスの二次側（出力側）に設けた抵抗器の電圧降下を一次側（入力側）へフィードバックすることにより、一次側と二次側との絶縁性が損なわれる。その結果、例えば一次側と二次側とで相互にノイズが影響し合う、という問題が生ずる。
【０００９】
そこで、本発明の第一の目的は、出力電流の制御精度を落とすことなく、出力電圧を検出し得る、圧電トランスを用いた電源装置を提供することにある。本発明の第二の目的は、圧電トランスの一次側と二次側との絶縁性を向上し得る、圧電トランスを用いた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】
【００１０】
本発明に係る電源装置は、印加された駆動電圧を変圧して出力電圧として負荷へ供給する圧電トランスと、圧電トランスの出力電圧を検出する電圧検出手段を有する出力検出部と、出力検出部で検出された出力電圧に基づき駆動電圧を制御する駆動電圧制御部と、駆動電圧制御部で制御された駆動電圧を圧電トランスに印加する駆動部と、を備えたものである。そして、電圧検出手段は、圧電トランスの出力電圧による静電誘導電圧を検出する電圧検出電極である（請求項１）。
【００１１】
圧電トランスの出力電圧によって、圧電トランスの周囲に静電誘導電圧が発生する。このとき、出力電圧が高ければ静電誘導電圧も高くなり、出力電圧が低ければ静電誘導電圧も低くなるので、出力電圧と静電誘導電圧とは対応関係にある。したがって、圧電トランスの周囲の静電誘導電圧を検出することにより、圧電トランスの出力電圧を間接的に検出できることになる。
【００１２】
本発明における電圧検出電極は、圧電トランスの出力電圧による静電誘導電圧を検出する。駆動電圧制御部は、この静電誘導電圧に基づき駆動電圧を制御する。駆動部は、制御された駆動電圧を圧電トランスに印加する。圧電トランスは、印加された駆動電圧を変圧して出力電圧として負荷へ供給する。その出力電圧による静電誘導電圧を電圧検出電極が検出し、前述の動作が繰り返される。このように、電圧検出電極によって間接的に出力電圧を検出するので、出力電圧を検出する際に抵抗器を使用しないで済む。そのため、出力電圧検出電流と出力電流とが混在しないので、出力電流の制御精度を落とすことなく、出力電圧を測定し得る。
【００１３】
請求項２記載の電源装置は、請求項１記載の電源装置において、電圧検出電極は、圧電トランスが実装されるプリント配線板上に、そのプリント配線板の配線とともに形成されたものである。
【００１４】
電圧検出電極はプリント配線板の配線とともに同時に形成するので、電圧検出電極形成用として別の工程を設ける必要がない。また、電圧検出電極とプリント配線板の配線との接続は、配線形成時に同時になされるので別の工程が不要であるし、構造も簡単である。
【００１５】
また、プリント配線板の一方の面に圧電トランスが実装され、プリント配線板の他方の面に圧電トランスと対向して電圧検出電極が形成された、としてもよい。このとき、圧電トランスと電圧検出電極とが、プリント配線板を挟んで対向している。そのため、圧電トランスと電圧検出電極との沿面距離は、プリント配線板の一方の面の圧電トランスからプリント配線板の周端を通ってプリント配線板の他方の面の電圧検出電極までの距離であるから、十分に長い。したがって、圧電トランスと電圧検出電極との間の絶縁性が良い。
【００１６】
請求項３記載の電源装置は、請求項１又は２記載の電源装置において、駆動電圧制御部は、電圧検出電極によって検出された静電誘導電圧のみによって、駆動電圧を制御するものである。
【００１７】
電圧検出電極は一次側に設けられるので、電圧検出電極を設けても一次側と二次側との絶縁性が損なわれない。
【００１８】
請求項４記載の電源装置は、請求項１又は２記載の電源装置において、出力検出部は、圧電トランスの出力電流を検出する電流検出手段を更に有し、駆動電圧制御部は、出力検出部で検出された出力電圧が設定値を超えないように、かつ出力検出部で検出された出力電流が設定値に等しくなるように、駆動電圧を制御するものである。
【００１９】
出力電流を設定値になるように制御する場合、出力電流が小さくなると出力電圧を高くすることによって設定値を維持しようとする。しかし、出力電圧が過大になると、圧電トランスが損傷することがある。そこで、電圧検出電極によって出力電圧を検出し、その出力電圧が設定値以上にならないように制御する。このように、出力電流の制御精度を落とすことなく出力電圧を測定し得るので、本発明は出力電流の定電流制御に好適である。
【００２０】
請求項５記載の電源装置は、請求項４記載の電源装置において、駆動電圧制御部は、駆動電圧の周波数及びデューティ比の少なくとも一方を制御することにより駆動電圧を制御するものである。
【００２１】
一般に、圧電トランスの周波数制御において、周波数が共振周波数であるとき、出力電圧（出力電流）及び効率が最大になる。一般に、圧電トランスのデューティ比制御において、デューティ比が５０％であるとき、出力電圧（出力電流）及び効率が最大になる。したがって、これらの条件を組み合わせることにより、一般的な圧電トランスの周波数及びデューティ比同時制御において出力電流及び効率の最大値が得られる。
【００２２】
駆動電圧の周波数を共振周波数よりも高くしても低くしても、出力電圧（出力電流）を下げることができる。ただし、次の理由により、共振周波数よりも高い方を使用した方が好ましい。(1).同じ出力電圧であれば低周波側よりも高周波側の方が効率がよい。(2).圧電トランスは、一定以上の出力電圧を得るように周波数を変化させると、図８のような非線形現象が現れる。すなわち、高い周波数側から共振周波数に近づけた場合と、低い周波数側から共振周波数に近づけた場合とで、最大出力電圧が得られる周波数が異なる。特に低い周波数側からスキャンすると、いわゆるジャンプ現象が発生して、周波数変化に対する出力電圧変化が極めて大きくなる。したがって、共振周波数よりも高い方からスキャンすると、周波数変化に対する出力電圧変化が小さいので、出力電圧を高精度に制御できる。
【００２３】
請求項６記載の電源装置は、請求項５記載の電源装置において、出力電流が最大値となる周波数及びデューティ比をそれぞれＦ１，Ｄ１とし、出力電流が最小値となる周波数及びデューティ比をそれぞれＦ２，Ｄ２としたとき、駆動電圧制御部は、検出された出力電流が設定値よりも小さければ周波数及びデューティ比をそれぞれＦ１及びＤ１に近づけ、逆に検出された出力電流が設定値よりも大きければ周波数及びデューティ比をそれぞれＦ２及びＤ２に近づける、というものである。
【００２４】
出力電圧が増加すると出力電流も増加し、出力電圧が減少すると出力電流も減少する。そのため、駆動電圧の周波数をＦ１に近づけると出力電圧（出力電流）が増加する。ここで、デューティ比をＤ１に近づけると出力電圧（出力電流）が増加する。したがって、周波数をＦ１に近づけ、かつデューティ比をＤ１に近づけると、より一層出力電圧（出力電流）が増加する。一方、駆動電圧の周波数をＦ２に近づけると出力電圧（出力電流）が減少する。また、デューティ比をＤ２に近づけると出力電圧（出力電流）が減少する。したがって、周波数をＦ２に近づけ、かつデューティ比をＤ２に近づけると、より一層出力電圧（出力電流）が減少する。このように、周波数の範囲とデューティ比の範囲とを一定の関係にすることにより、周波数及びデューティ比を同時に制御することを可能にしている。
【００２５】
請求項７記載の電源装置は、請求項５又は６記載の電源装置において、駆動電圧制御部は、周波数可変の三角波電圧Ｖｂを生成する周波数制御部と、周波数制御部で生成された三角波電圧Ｖｂと電圧値可変の直流電圧Ｖａとを比較し、Ｖａ＜Ｖｂである時間とＶａ＞Ｖｂである時間とに基づきデューディ比を定めるデューディ比制御部と、出力検出部で検出された出力電圧に基づき、直流電圧Ｖａの電圧値及び三角波電圧Ｖｂの周波数の少なくとも一方を変える電圧制御部と、出力検出部で検出された出力電流に基づき、直流電圧Ｖａの電圧値及び三角波電圧Ｖｂの周波数の少なくとも一方を変える電流制御部とを備えたものである。
【００２６】
ここでは、Ｖａ＜Ｖｂである時間をオン時間とし、Ｖａ＞Ｖｂである時間をオフ時間とする。このとき、検出された出力電流が設定値よりも低ければ、電流制御部は、例えば、直流電圧Ｖａの電圧値を下げ、かつ三角波電圧Ｖｂの周波数を下げる。すると、（オン時間）／（オン時間＋オフ時間）が増えることによりデューティ比が５０％に近づき、（オン時間＋オフ時間）が増えることにより周波数が共振周波数に近づく。逆に、検出された出力電流が設定値よりも高ければ、電流制御部は、例えば、直流電圧Ｖａの電圧値を上げ、かつ三角波電圧Ｖｂの周波数を上げる。すると、（オン時間）／（オン時間＋オフ時間）が減ることによりデューティ比が５０％から遠ざかり、（オン時間＋オフ時間）が減ることにより周波数が共振周波数から遠ざかる。
【００２７】
一方、検出された出力電圧が設定値よりも低ければ、電圧制御部は何も動作しない。逆に、検出された出力電圧が設定値よりも高ければ（又は設定値を超えそうになると）、電圧制御部は、例えば、直流電圧Ｖａの電圧値を上げ、かつ三角波電圧Ｖｂの周波数を上げる。すると、（オン時間）／（オン時間＋オフ時間）が減ることによりデューティ比が５０％から遠ざかり、（オン時間＋オフ時間）が減ることにより周波数が共振周波数から遠ざかる。このようにして、駆動電圧制御部は、検出された出力電流が設定値に等しくなるように、かつ検出された出力電圧が設定値を超えないように、駆動電圧の印加に使用する周波数及びデューティ比を同時に制御する。
【００２８】
請求項８記載の電源装置は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電源装置において、電子写真装置の直流バイアス電源として用いられるものである。
【００２９】
この直流バイアス電源は、例えば、出力電流がほぼ０〜数μＡまで変化し、出力電圧が数１０Ｖから３ｋＶ程度まで変化し、負荷が数１０ＭΩから１０ＧΩ程度まで変化する特性が要求されるので、本発明の電源装置が好適である。
【００３０】
換言すると、本発明は、圧電トランスの出力側の導電部分から一定の間隔を持ち、圧電トランスが実装されているプリント配線板上に誘導電圧を検出するパターン（電極）を形成し、そこで検出した誘導電圧を直流電圧に整流し、その電圧で最大出力電圧を制御する。圧電トランスの出力側に直接接触していないため、圧電トランスの負荷特性に影響を与えず、また出力電流の検出部分とは別のところで検出しているために、精度のよい定電流の制御ができる。また、機構的に一定の位置で誘導電圧を検出することにより、出力電圧に比例した安定した誘導電圧を検出しているので、無負荷電圧の精度も確保できる。このように、広い負荷範囲で出力電流を定電流で動作させる制御を行う、圧電トランスの高圧電源装置において、無負荷電圧を安定して制御することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る電源装置によれば、圧電トランスの出力電圧を静電誘導電圧によって間接的に検出することにより、出力電圧を検出するための抵抗器を不要にできるので、出力電流の制御精度を落とすことなく出力電圧を検出できる。また、本発明に係る電源装置によれば、各請求項ごとに次の効果も奏する。
【００３２】
請求項２記載の電源装置によれば、圧電トランスが実装されるプリント配線板上にその配線とともに電圧検出電極を形成することにより、プリント配線板の配線形成工程で同時に電圧検出電極を形成できる。これに加え、電圧検出電極とプリント配線板の配線との接続は、配線形成時に同時になされるので別の工程が不要であるし、構造も簡単である。したがって、製造工程及び構造の複雑化を抑えることができる。
【００３３】
請求項３記載の電源装置によれば、静電誘導電圧のみによって駆動電圧を制御することにより、一次側の構成内でのフィードバック制御が可能となるので、一次側と二次側との絶縁性を向上できる。
【００３４】
請求項４記載の電源装置によれば、圧電トランスの出力電圧を静電誘導電圧によって間接的に検出することにより、定電流制御で起こりがちな出力電圧の過大化を、出力電流の制御精度を落とすことなく制御できる。
【００３５】
請求項５記載の電源装置によれば、駆動電圧の周波数及びデューティ比の少なくとも一方を制御することにより、周波数制御とデューティ比制御とを組み合わせて、出力電流の可変幅の広い駆動電圧制御を実現できる。
【００３６】
請求項６記載の電源装置は、駆動電圧の周波数及びデューティ比を、最小出力電流が得られる周波数及びデューティ比の組み合わせ、又は最大出力電流が得られる周波数及びデューティ比の組み合わせのどちらかに一方に近づけることにより、極めて広い出力電流幅を得ることができる。
【００３７】
請求項７記載の電源装置は、検出出力電流と設定出力電流との差に基づき直流電圧Ｖａの電圧値及び三角波電圧Ｖｂの周波数を変え、直流電圧Ｖａと三角波電圧Ｖｂとを比較して周波数及びデューディ比を定めることにより、極めて広い出力電流幅を得ることができる。
【００３８】
請求項８の電源装置によれば、例えば、出力電流がほぼ０から数μＡまで変化し、出力電圧が数１０Ｖから３ｋＶ程度まで変化し、負荷が数１０ＭΩから１０ＧΩ程度まで変化する特性を容易に満たすことができるので、電子写真装置の直流バイアス電源として好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図１は、本発明に係る電源装置の一実施形態を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００４０】
本実施形態の電源装置１０は、正（プラス）の直流バイアス電圧を出力する正電圧電源１０１と、負（マイナス）の直流バイアス電圧を出力する負電圧電源１０２と、正電圧電源１０１と負電圧電源１０２との出力をどちらか一方に切り替える出力切替部１２と、負荷９０に流れる電流を検出する電流検出部１３とを備えている。出力切替部１２は、例えば切替信号ＳがＨレベルであれば入力電圧Ｖinを正電圧電源１０１にだけ供給し、切替信号ＳがＬレベルであれば入力電圧Ｖinを負電圧電源１０２にだけ供給する。
【００４１】
正電圧電源１０１は、印加された駆動電圧Ｖｄを変圧して出力電圧Ｖｏとして負荷９０へ供給する圧電トランス２０と、圧電トランス２０の出力電圧Ｖｏを検出する電圧検出電極１１を有する電圧検出部１４と、電圧検出部１４で検出された出力電圧Ｖｏに基づき駆動電圧Ｖｄを制御する駆動電圧制御部１５と、駆動電圧制御部１５で制御された駆動電圧Ｖｄを圧電トランス２０に印加する駆動部１６とを備えたものである。駆動部１６は、ＦＥＴ１６１、インダクタ１６２、コンデンサ１６３等から成る。
【００４２】
駆動電圧制御部１５は、周波数可変の三角波電圧Ｖｂを生成する周波数制御部６０と、周波数制御部６０で生成された三角波電圧Ｖｂと電圧値可変の直流電圧Ｖａとを比較し、Ｖａ＜Ｖｂである時間とＶａ＞Ｖｂである時間とに基づきデューディ比を定めるデューディ比制御部７０と、電圧検出部１４で検出された出力電圧Ｖｏに基づき、直流電圧Ｖａの電圧値及び三角波電圧Ｖｂの周波数の少なくとも一方を変える電圧制御部４０と、電流検出部１３で検出された出力電流Ｉｏに基づき、直流電圧Ｖａの電圧値及び三角波電圧Ｖｂの周波数の少なくとも一方を変える電流制御部５０とを備えている。
【００４３】
正電圧電源１０１の入力側には、Ｆ−Ｖ変換部１７及び基準電圧部１８が付設されている。Ｆ−Ｖ変換部１７は、例えば出力電流Ｉｏの設定値に対応する制御信号ＰＷＭを入力する。基準電圧部１８は、出力電流Ｉｏの設定値に対応する基準電圧Ｖｒを駆動電圧制御部１５へ出力する。これにより、駆動電圧制御部１４は、電流検出部１３で検出された出力電流Ｉｏが設定値に等しくなるように、駆動電圧Ｖｄの周波数Ｆ及びデューティ比Ｄｕの少なくとも一方を制御する。同時に、駆動電圧制御部１４は、電圧検出部１４で検出された出力電圧Ｖｏが、別途定められた設定値を超えないように、駆動電圧Ｖｄの周波数Ｆ及びデューティ比Ｄｕの少なくとも一方を制御する。なお、Ｆ−Ｖ変換部１７及び基準電圧部１８は、例えば基準電圧Ｖｒが常に一定であれば不要である。
【００４４】
正電圧電源１０１の出力側には、高圧整流部１９１が付設されている。高圧整流部１９１は、圧電トランス２０の出力電圧Ｖｏを正の直流電圧に整流して、これを負荷９０へ印加する。負電圧電源１０２は、高圧整流部１９２を除き、正電圧電源１０１とほぼ同じ構成である。高圧整流部１９２は、圧電トランス２０の出力電圧Ｖｏを負の直流電圧に整流して、これを負荷９０へ印加する。正電圧電源１０１と負電圧電源１０とにおいて、同じ構成要素には同じ符号を付す。
【００４５】
圧電トランス２０は、圧電振動体２１に一次電極２２，２３と二次電極２４とを設け、一次側を厚さ方向（図１上下方向）に分極し、二次側を長さ方向（図１左右方向）に分極して成る。一次電極２２，２３は、圧電振動体２１を挟んで対向している。圧電振動体２１は、ＰＺＴ等の圧電セラミックスからなり、板状（直方体状）を呈している。圧電振動体２１の長さ方向において、一端からその長さの例えば半分までに一次電極２２，２３が設けられ、他端に二次電極２４が設けられている。一次側に長さ寸法で決まる固有共振周波数ｆｒの駆動電圧Ｖｄを入力すると、逆圧電効果により強い機械振動を起こし、圧電効果によりその振動に見合った高い出力電圧Ｖｏが二次側から出力される。出力電圧Ｖｏは負荷９０に印加される。
【００４６】
次に、電源装置１０の作用及び効果について説明する。圧電トランス２０の出力電圧Ｖｏによって、圧電トランス２０の周囲に静電誘導電圧Ｖｓが発生する。このとき、出力電圧Ｖｏが高ければ静電誘導電圧Ｖｓも高くなり、出力電圧Ｖｏが低ければ静電誘導電圧Ｖｓも低くなるので、出力電圧Ｖｏと静電誘導電圧Ｖｓとは対応関係にある。したがって、電圧検出電極１１は、圧電トランス２０の周囲の静電誘導電圧Ｖｓを検出することにより、圧電トランス２０の出力電圧Ｖｏを間接的に検出することができる。
【００４７】
このように、電圧検出電極１１は、圧電トランス２０の出力電圧Ｖｏによる静電誘導電圧Ｖｓを検出する。駆動電圧制御部１５は、静電誘導電圧Ｖｓに基づき駆動電圧Ｖｓを制御する。駆動部１７は、制御された駆動電圧Ｖｄを圧電トランス２０に印加する。圧電トランス２０は、印加された駆動電圧Ｖｄを変圧して出力電圧Ｖｏとして負荷９０へ供給する。その出力電圧Ｖｏによる静電誘導電圧Ｖｓを電圧検出電極１１が検出し、前述の動作が繰り返される。このとき、電圧検出電極１１によって間接的に出力電圧Ｖｏを検出するので、出力電圧Ｖｏを検出する際に抵抗器を使用しないで済む。そのため、出力電圧Ｖｏを検出するための電流が出力電流Ｉｏに混在し得ないので、出力電流Ｉｏの制御精度を落とすことなく、出力電圧Ｖｏを検出できる。
【００４８】
また、駆動電圧制御部１５は、電圧検出電極１１によって検出された静電誘導電圧Ｖｓのみによって、すなわち電流検出部１３を設けないで、駆動電圧Ｖｄを制御してもよい。この場合、電圧検出電極１１は圧電トランス２０の一次側に設けられるので、電圧検出電極１１を設けても圧電トランス２０の一次側と二次側との絶縁性が損なわれない。
【００４９】
図２は図１の電源装置における電圧検出電極の一例を示し、図２［１］は電圧検出電極の平面図、図２［２］は図２［１］におけるＩ−Ｉ線断面図（圧電トランス側を上に図示）である。以下、図１及び図２に基づき説明する。
【００５０】
圧電トランス２０は、樹脂ケース２５に封止されている。電圧検出電極１１は、圧電トランス２０が実装されるプリント配線板３０上に、その配線３１とともに形成されている。
【００５１】
プリント配線板３０は、絶縁板３２、導電体膜３３、絶縁膜３４等からなる一般的なものである。絶縁板３２及び絶縁膜３４は例えば合成樹脂である。導電体膜３３は、例えば銅箔であり、所定形状に加工されて配線３２や電圧検出電極１１となる。絶縁板３２の表面３５には、図示しないが導電体膜及び絶縁膜が設けられ、圧電トランス２０及び電源装置１０の構成部品（図示せず）が実装され、配線（図示せず）も形成されている。絶縁板３２の裏面３６には、配線３２や電圧検出電極１１が形成され、これらの上が絶縁膜３４で覆われている。ただし、図２［１］では絶縁膜３４を省略して示している。
【００５２】
次に、プリント配線板３０に配線３２及び電圧検出電極１１を形成する方法について説明する。まず、全面に導電体膜３３が成膜された絶縁板３２を用意する。そして、例えばフォトリソグラフィ及びエッチングを使って、導電体膜３３を所定形状に加工して配線３２及び電圧検出電極１１を得る。最後に、配線３２のはんだ付け部分を除き、配線３２及び電圧検出電極１１の上を絶縁膜３４で覆う。
【００５３】
このように、電圧検出電極１１はプリント配線板３０の配線３１とともに同時に形成するので、電圧検出電極１１形成用として別の工程を設ける必要がない。また、電圧検出電極１１とプリント配線板３０の配線３１との接続は、配線３１形成時に同時になされるので別の工程が不要であるし、構造も簡単である。したがって、本実施形態の電源装置１０によれば、圧電トランス２０の振動を阻害せずに自励発振できる構成でありながら、製造工程及び構造の複雑化を抑えることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、プリント配線板３０の一方の面に圧電トランス２０が実装され、プリント配線板３０の他方の面に圧電トランス２０と対向して電圧検出電極１１が形成されている。つまり、圧電トランス２０と電圧検出電極１１とがプリント配線板３０を挟んで対向している。そのため、圧電トランス２０と電圧検出電極１１との沿面距離は、圧電トランス２０からプリント配線板３０の周端３７までの距離Ｌ１と、プリント配線板３０の厚さと、電圧検出電極１１からプリント配線板３０の周端３７までの距離Ｌ２との和であるから、十分に長い。したがって、本実施形態の駆動回路１０によれば、圧電トランス２０と電圧検出電極１１とを接近させても圧電トランス２０と電圧検出電極１１との沿面距離を十分に長くできるので、電圧検出電極１１の感度を損なうことなく、圧電トランス２０と電圧検出電極１１との間の絶縁性を向上できる。
【００５５】
図３は、図１の電源装置における圧電トランスの入力側の構成を示す回路図である。図５は、図１及び図３の電源装置の各部分における波形を示す波形図である。図６は図１の電源装置の動作を示す波形図であり、図６［１］は出力電流（出力電圧）を低くする場合であり、図６［２］は出力電流（出力電圧）を高くする場合である。以下、図１、図３、図５及び図６に基づき説明する。
【００５６】
図３では、周波数制御部６０、デューディ比制御部７０、電圧制御部４０及び電流制御部５０の各具体例が示されている。デューディ比制御部７０は、直流電圧Ｖａ（図５波形Ａ）と三角波電圧Ｖｂ（図５波形Ｂ）とを比較し、Ｖａ＜Ｖｂである時間とＶａ＞Ｖｂである時間とに基づき、駆動電圧Ｖｄ（図５波形Ｄ）を印加するときに使用する周波数Ｆ及びデューティ比Ｄｕ（図５波形Ｃ）を定める。周波数制御部６０は、三角波電圧Ｖｂを生成する。電圧制御部４０は、電圧検出部１４から出力された出力電圧信号Ｖｖに基づき、三角波電圧Ｖｂの周波数を変える。電流制御部５０は、電流検出部１３から出力された出力電流信号Ｖｉと基準電圧部１８から出力された基準電圧Ｖｒとの差に基づき、直流電圧Ｖａの電圧値を変えるとともに、三角波電圧Ｖｂの周波数を変える。
【００５７】
次に、各部の構成及び動作について、更に詳しく説明する。
【００５８】
供給電圧Ｖ１，Ｖ２は、ツェナーダイオードや分圧用抵抗器を用いて入力電圧Ｖiを下げて得られた、所定の電圧値である（Ｖ２＞Ｖ１）。周波数制御部６０は、コンパレータ６１、ＦＥＴ６２、コンデンサ６３、抵抗器６４〜６８等からなる。コンパレータ６１の−入力端子には、抵抗器６４，６５によって生成された供給電圧Ｖ１の分圧電圧Ｖ１−が印加される。コンパレータ６１の＋入力端子には、コンデンサ６３の充電電圧Ｖ１＋が印加される。充電電圧Ｖ１＋は、抵抗器６６等及びコンデンサ６３によって決まる時定数で漸増する。充電電圧Ｖ１＋が分圧電圧Ｖ１−を越えると、コンパレータ６１の出力電圧がＨレベルとなることによりＦＥＴ６２がオンとなって充電電圧Ｖ１＋が放電される。この動作の繰り返しによって、連続した三角波電圧Ｖｂが生成される。なお、抵抗器６６等及びコンデンサ６３によって決まる時定数は、出力電流Ｉｏを最小値に絞ったときの周波数Ｆすなわち最高の周波数Ｆに設定する。
【００５９】
デューディ比制御部７０は、コンパレータ７１、ダイオード７２、コンデンサ７３、抵抗器７４〜７７等からなる。コンデンサ７３はノイズ対策用である。コンパレータ７１の−入力端子には、抵抗器７５，７６によって生成された供給電圧Ｖ１の分圧電圧である直流電圧Ｖａが印加される。コンパレータ７１の＋入力端子には、周波数制御部６０から出力された三角波電圧Ｖｂが印加される。コンパレータ７１は、Ｖａ＞ＶｂであればＬレベル電圧を出力し、Ｖａ＜ＶｂであればＨレベル電圧を出力する。Ｌレベル出力時間がオフ時間であり、Ｈレベル出力時間がオン時間である。したがって、Ｈレベル出力時間／（Ｌレベル出力時間＋Ｈレベル出力時間）がデューティ比Ｄｕであり、１／（Ｌレベル出力時間＋Ｈレベル出力時間）が周波数Ｆである。
【００６０】
なお、直流電圧Ｖａは、出力電流Ｉｏの設定値が最小となる電圧値又は抵抗器６４，６５とで決まる分圧電圧Ｖ１−よりも高く設定する。直流電圧Ｖａが分圧電圧Ｖ１−と同じであれば、デューティ比Ｄｕが０％のときにコンパレータ７１の出力はＬレベルとなる。この状態で直流電圧Ｖａを下げていくとデューティ比Ｄｕが増加し、初期値の１／２まで下げるとデューティ比Ｄｕが５０％となる。
【００６１】
電流制御部５０は、コンパレータ５１、ダイオード５２，５３、コンデンサ５４〜５６、抵抗器５７〜５９等からなる。コンデンサ５４は、コンパレータ５１の入出力間の位相補償用である。ダイオード５２及び抵抗器５８はコンデンサ６３の充電用であり、ダイオード５３及び抵抗器５９は直流電圧Ｖａの調整用である。抵抗器５７は電流制限用であり、コンデンサ５５，５６はノイズ対策用である。コンパレータ５１の＋入力端子には基準電圧Ｖｒが印加され、コンパレータ５１の−入力端子には電流検出部１３から出力された出力電流信号Ｖｉが印加される。コンパレータ５１は、Ｖｉ＜ＶｒであればＬレベル電圧を出力し、Ｖｉ＞ＶｒであればＨレベル電圧を出力する。ただし、正電圧電源１０１における出力電流信号Ｖｉは、出力電流Ｉｏが大きいほど低くなり、出力電流Ｉｏが小さいほど高くなるように設定されている。
【００６２】
コンパレータ５１からＨレベル電圧が出力されると、抵抗器５８→ダイオード５２→コンデンサ６３と電流が流れることにより、コンデンサ６３の充電電流が増加する。その結果、三角波電圧Ｖｂの傾きが急になるので、三角波電圧Ｖｂの周波数Ｆが上昇する（図６［２］→［１］）。また、コンパレータ５１からＨレベル電圧が出力されると、抵抗器７６に流れる電流がダイオード５３及び抵抗器５９を介して増加することにより、直流電圧Ｖａが上昇するので、デューティ比Ｄｕが低下する（図６［２］→［１］）。このとき、コンパレータ５１からＬレベル電圧が出力されると、ダイオード５２，５３に逆バイアス電圧が印加されて電流が流れなくなるので、三角波電圧Ｖｂの周波数Ｆが低下するとともにデューティ比Ｄｕが上昇する（図６［１］→［２］）。
【００６３】
なお、抵抗器５８の抵抗値は、コンパレータ５１の出力がＬレベル電圧になったときに、コンデンサ６３の充電時定数が共振周波数を下回らない範囲で、出力電流Ｉｏの最大値及び最大負荷をカバーできる周波数になるように設定する。また、抵抗器５９は、抵抗器７５と抵抗器７６との分圧電圧すなわち直流電圧Ｖａを変化させる。
【００６４】
また、負電圧電源１０２における出力電流信号Ｖｉは、出力電流Ｉｏが小さいほど高くなり、出力電流Ｉｏが大きいほど低くなるように設定されている。そのため、負電圧電源１０２におけるコンパレータ５１は、正電圧電源１０１におけるコンパレータ５１とは逆に、＋入力端子に出力電流信号Ｖｉが印加され、−入力端子に基準電圧Ｖｒが印加される。
【００６５】
電圧制御部４０は、コンパレータ４１、ダイオード４２、コンデンサ４３、抵抗器４４，４５等からなる。コンデンサ４３は、コンパレータ４１の入出力間の位相補償用である。ダイオード４２及び抵抗器４４はコンデンサ６３の充電用である。抵抗器４５は電流制限用である。コンパレータ４１の＋入力端子には電圧検出部１４から出力された出力電圧信号Ｖｖが印加され、コンパレータ４１の−入力端子には供給電圧Ｖ１が印加される。コンパレータ４１は、Ｖｖ＜Ｖ１であればＬレベル電圧を出力し、Ｖｖ＞Ｖ１であればＨレベル電圧を出力する。ただし、出力電圧信号Ｖｖは、出力電圧Ｖｏが大きいほど高くなり、出力電圧Ｖｏが小さいほど低くなるように設定されている。
【００６６】
コンパレータ４１からＨレベル電圧が出力されると、抵抗器４４→ダイオード４２→コンデンサ６３と電流が流れることにより、コンデンサ６３の充電電流が増加する。その結果、三角波電圧Ｖｂの傾きが急になるので、三角波電圧Ｖｂの周波数Ｆが上昇する（図６［２］→［１］）。このとき、コンパレータ５１からＬレベル電圧が出力されると、ダイオード４２に逆バイアス電圧が印加されて電流が流れなくなるので、三角波電圧Ｖｂの周波数Ｆが低下する（図６［１］→［２］）。
【００６７】
図４は、図１の電源装置における圧電トランスの出力側の構成を示す回路図である。以下、図１及び図４乃至図６に基づき説明する。
【００６８】
図４では、高圧整流部１９１，１９２、電圧検出部１４及び電流検出部１３の各具体例が示されている。
【００６９】
高圧整流部１９１は、ダイオード１９３，１９４、コンデンサ１９５，１９６、抵抗器１９７等から成り、圧電トランス２０から出力された交流電圧（図５波形Ｅ）を正の直流電圧に整流し、これを正の出力電圧Ｖｏとして負荷９０に印加する。このときに負荷９０に流れる電流が、正の出力電流Ｉｏ＋である。高圧整流部１９２は、ダイオード１９３’，１９４’の向きが反対になっている点を除き高圧整流部１９１と同じ構成であり、圧電トランス２０から出力された交流電圧（図５波形Ｅ）を負の直流電圧に整流し、これを負の出力電圧Ｖｏとして負荷９０に印加する。このときに負荷９０に流れる電流が、負の出力電流Ｉｏ−である。
【００７０】
電圧検出部１４は、ダイオード１４１、コンデンサ１４２及び抵抗器１４３〜１４５から構成されている。圧電トランス２０から発生した静電誘導電圧Ｖｓは、圧電トランス２０の近傍に設けられた電圧検出電極１１によって検出され、電圧検出部１４に入力する。電圧検出部１４は、交流電圧から成る静電誘導電圧Ｖｓを直流電圧に変換して、これを出力電圧信号Ｖｖとして電圧制御部４０へ出力する。
【００７１】
電流検出部１３は、ダイオード１３１，１３２及び抵抗器１３３〜１３４から構成されている。正の出力電流Ｉｏ＋は、ダイオード１３１及び抵抗器１３３を通り、その絶対値が大きいほど低い電圧値の出力電流信号Ｖｉとなる。負の出力電流Ｉｏ−は、ダイオード１３２及び抵抗器１３４を通り、その絶対値が大きいほど高い電圧値の出力電流信号Ｖｉとなる。電流検出部１３は、出力電流Ｉｏ＋，Ｉｏ−に対応する出力電流信号Ｖｉを電流制御部５０へ出力する。
【００７２】
次に、図１乃至図８に基づき、電源装置１０の全体の動作を説明する。
【００７３】
本実施形態の電源装置１０は、任意の出力電流Ｉｏを設定するＦ−Ｖ変換部１７及び基準電圧部１８を備えている。Ｆ−Ｖ変換部１７は、他の装置から出力された制御信号ＰＷＭを入力する。基準電圧部１８は、そのデューティ比（例えば０〜１００％）に対応する電圧値（例えば０〜５Ｖ）である基準信号Ｖｒを出力する。基準信号Ｖｒは、出力電流Ｉｏに対応する設定値として、コンパレータ５１の＋入力端子へ出力される。
【００７４】
一方、出力切替部１２は、選択信号Ｓを入力すると、正電圧電源１０１及び負電圧電源１０２のどちらか一方に直流の入力電圧Ｖinを供給する。入力電圧Ｖinから供給電圧Ｖ１，Ｖ２が生成され、更に供給電圧Ｖ１が分圧されて直流電圧Ｖａが生成されるとともに、周波数制御部６０で三角波電圧Ｖｂが生成される（図５波形Ａ，Ｂ）。すると、コンパレータ７１は、直流電圧Ｖａ及び三角波電圧Ｖｂの大小を比較して、Ｈレベル電圧又はＬレベル電圧を出力する（図５波形Ｃ）。この波形Ｃの周波数Ｆ及びデューティ比ＤｕによってＦＥＴ１６１がオン・オフし、これにより圧電トランス２０に駆動電圧Ｖｄ（図５波形Ｄ）が印加される。すると、圧電トランス２０は駆動電圧Ｖｄを変圧して交流電圧（図４波形Ｅ）を出力する。この交流電圧は、整流されて直流の出力電圧Ｖｏとなって、負荷９０へ供給される。出力電圧Ｖｏは、電圧検出部１４で検出されて、出力電圧信号Ｖｖとしてコンパレータ４１の＋入力端子へ出力される。コンパレータ４１の−入力端子には、出力電圧Ｖｏの上限値に対応する電圧値である供給電圧Ｖ１が印加されている。このときに負荷９０に流れる出力電流Ｉｏは、電流検出部１３で検出されて、出力電流信号Ｖｉとしてコンパレータ５１の−入力端子へ出力される。コンパレータ５１の＋入力端子には、出力電流Ｉｏの設定値に対応する基準電圧Ｖｒが印加されている。なお、ここでは、正電圧電源１０１の電流制御部５０についてのみ説明する。
【００７５】
ここで、出力電流Ｉｏが負荷変動等により設定値よりも減少したとする。すると、出力電流Ｉｏが減少するほど出力電流信号Ｖｉが上昇するので、コンパレータ５１は、Ｖｒ＜Ｖｉとなることにより、Ｌレベル電圧を出力する。これにより、三角波電圧Ｖｂの傾きが緩くなるとともに直流電圧Ｖａが低下することにより、周波数Ｆが低下するとともにデューティ比Ｄｕが増加する（図６［１］→［２］）。その結果、出力電圧Ｖｏが上昇して出力電流Ｉｏも増加する。
【００７６】
これとは逆に、出力電流Ｉｏが負荷変動等により設定値よりも増加したとする。すると、コンパレータ５１は、Ｖｒ＞Ｖｉとなることにより、Ｈレベル電圧を出力する。これにより、三角波電圧Ｖｂの傾きが急になるとともに直流電圧Ｖａが上昇することにより、周波数Ｆが上昇するとともにデューティ比Ｄｕが減少する（図６［２］→［１］）。その結果、出力電圧Ｖｏが低下して出力電流Ｉｏも減少する。
【００７７】
また、出力電圧Ｖｏが上昇して上限値を超えたとすると、出力電圧Ｖｏが上昇するほど出力電圧信号Ｖｖも上昇するので、コンパレータ４１は、Ｖ１＜Ｖｖとなることにより、Ｈレベル電圧を出力する。その結果、三角波電圧Ｖｂの傾きが急になることにより、周波数Ｆが減少するので、出力電圧Ｖｏが低下する。
【００７８】
なお、周波数Ｆを変化させたときの出力変化とデューティ比Ｄｕを変化させたときの出力変化は、周波数Ｆを変化させたときの方がデューティ比Ｄｕを変化させたときよりもはるかに急峻であるため、周波数ＦとデューティＤｕを同時に変化させてもあるポイントで出力が平衡する。
【００７９】
図７は、電源装置１０における周波数Ｆ及びデューティ比Ｄｕと出力電圧Ｖｏとの関係の一例を示すグラフである。
【００８０】
このグラフは、横軸の一つの出力電圧Ｖｏに、縦軸の一つの周波数Ｆ及び一つのデューティ比Ｄｕが対応している。例えば、基準電圧Ｖｒを０．１５Ｖとすると、図示するように、周波数Ｆが１６５．００ｋＨｚ（Ｆ１）かつデューティ比Ｄｕが５１％（Ｄ１）となり、最大の出力電圧３３００Ｖ（すなわち最大の出力電流）が得られる。また、基準電圧Ｖｒを２．３８Ｖとすると、図示するように、周波数Ｆが１８８．２３ｋＨｚ（Ｆ２）かつデューティ比Ｄｕが２１％（Ｄ２）となり、最小の出力電圧６Ｖ（すなわち最小の出力電流）が得られる。
【００８１】
図８は、電源装置１０における周波数Ｆと出力電圧Ｖｏとの関係の一例を示すグラフである。
【００８２】
駆動電圧Ｖｄの周波数Ｆは圧電トランス２０の共振周波数よりも常に高くしている。図では、高周波側からスキャンした場合を実線で示し、低周波側からスキャンした場合を二点鎖線で示している。詳しく言えば、駆動電圧Ｖｄの周波数Ｆは、低周波側からスキャンした場合に出力電圧Ｖｏの最大値（すなわち最大の出力電流）が得られる周波数（１６４ｋＨｚ）よりも常に高くしている。
【００８３】
なお、本発明は、言うまでもなく、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、駆動電圧Ｖｄの周波数Ｆやデューティ比Ｄｕを制御することに代えて、入力電圧Ｖinを制御することにより、駆動電圧Ｖｄを制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る電源装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の電源装置における電圧検出電極の一例を示し、図２［１］は電圧検出電極の平面図、図２［２］は図２［１］におけるＩ−Ｉ線断面図（圧電トランス側を上に図示）である。
【図３】図１の電源装置における圧電トランスの入力側の構成を示す回路図である。
【図４】図１の電源装置における圧電トランスの出力側の構成を示す回路図である。
【図５】図１及び図３の電源装置の各部分における波形を示す波形図である。
【図６】図１の電源装置の動作を示す波形図であり、図６［１］は出力電流（出力電圧）を低くする場合であり、図６［２］は出力電流（出力電圧）を高くする場合である。
【図７】図１の電源装置における駆動電圧の周波数及びデューティ比と出力電圧との関係の一例を示すグラフである。
【図８】図１の電源装置における駆動電圧の周波数と出力電圧との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８５】
１０  電源装置
１０１  正電圧電源
１０２  負電圧電源
１１  電圧検出電極（出力検出部、電圧検出手段）
１２  出力切替部
１３  電流検出部（出力検出部）
１３３，１３４  抵抗器（出力検出部、電流検出手段）
１４  電圧検出部（出力検出部）
１５  駆動電圧制御部
１６  駆動部
２０  圧電トランス
３０  プリント配線板
４０  電圧制御部
５０  電流制御部
６０  周波数制御部
７０  デューディ比制御部
９０  負荷
【図１】
2007037312.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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【図７】
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【図８】
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