特開 2022-191923 電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022191923

(43)【公開日】2022-12-28

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20221221BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021100446

(22)【出願日】2021-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】足利 亨

(72)【発明者】

【氏名】堀邊 隆介

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA15

5H730BB43

5H730BB57

5H730DD04

5H730EE02

5H730EE07

5H730EE59

5H730FD01

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる安価な電源装置を提供する。
【解決手段】出力電圧Ｖｏｕｔの検出値である検出電圧Ｖｄｅｔを出力する電圧検出回路２４と、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔの上昇時に電圧源として機能し、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが第１基準電圧である第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しくなるように出力電圧Ｖｏｕｔを負帰還制御して容量性負荷ＣＬに電荷を供給する電荷供給部２と、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔの下降時に電流源として機能し、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも高い第２基準電圧である基準打電圧Ｖｒｅｆ２と等しくなるように容量性負荷ＣＬから電荷を引き抜く引抜電流Ｉ＿ｄｓｃｇを負帰還制御する電荷引抜部３とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

出力電圧指令値に応じた出力電圧で容量性負荷を駆動する電源装置であって、
前記出力電圧の検出値である検出電圧を出力する電圧検出回路と、
前記出力電圧指令値の上昇時に電圧源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が第１基準電圧と等しくなるように前記出力電圧を負帰還制御して前記容量性負荷に電荷を供給する電荷供給部と、
前記出力電圧指令値の下降時に電流源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が前記第１基準電圧よりも高い第２基準電圧と等しくなるように前記容量性負荷から電荷を引き抜く引抜電流を負帰還制御する電荷引抜部と、を具備することを特徴とする電源装置。

【請求項2】

前記電荷供給部は、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が反転入力端子に、前記第１基準電圧が非反転入力端子にそれぞれ入力される電荷供給用エラーアンプを備えて、前記電荷供給用エラーアンプから出力される電荷供給用誤差信号に基づいて前記出力電圧を負帰還制御し、
前記電荷引抜部は、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が非反転入力端子に、前記第２基準電圧が反転入力端子にそれぞれ入力される電荷引抜用エラーアンプを備えて、前記電荷引抜用エラーアンプから出力される電荷引抜用誤差信号に基づいて前記引抜電流を負帰還制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記電荷供給部は、１象限でのみ動作するＤＣＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、容量性負荷を駆動する電源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、誘電エラストマアクチュエータは、自由な形態を持たせたアクチュエータとしてハプティクス等の様々な分野での開発が行われている。誘電エラストマアクチュエータは、製作コストが安く、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する効率が良いアクチュエータである。

【0003】

誘電エラストマアクチュエータは、コンデンサ構造の容量性負荷であり、印加電圧に応じた変位が発生するものである。従って、発生させたい変位に応じた電圧を印加する必要がある。すなわち、容量性負荷の駆動には、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる電源装置が必要となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４－４６５９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図４に示す電源装置１０は、ＤＣＤＣコンバータ１１とＤＣＡＣインバータ１２とを備え、出力段がブリッジタイプの電源装置である。このように出力段がブリッジタイプの電源装置１０は、正負両方の電流を供給できるので、容量性負荷ＣＬを理想的に駆動できる。しかしながら、ＤＣＤＣコンバータ１１とＤＣＡＣインバータ１２をそれぞれ制御するため、制御ＩＣなど必要な部品が多く、制御も複雑となる。さらに、高価なスイッチング素子やゲートドライバが必要となり、コストが高くなる。

【0006】

なお、特許文献１には、ボルテージフォロワとして動作する放電型低速アンプ及び充電型高速アンプ、入力端子同士及び出力端子同士がそれぞれ接続された電源装置が提案されている。この電源装置は、負荷変動に応じて放電型低速アンプと充電型高速アンプとのいずれかを動作させて充放電を行っている。従って、正負の電流を流すことのできる電源装置ではあるが、電圧を任意に制御するものではない。

【0007】

本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる安価な電源装置を提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る電源装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明に係る電源装置は、出力電圧指令値に応じた出力電圧で容量性負荷を駆動する電源装置であって、前記出力電圧の検出値である検出電圧を出力する電圧検出回路と、前記出力電圧指令値の上昇時に電圧源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が第１基準電圧と等しくなるように前記出力電圧を負帰還制御して前記容量性負荷に電荷を供給する電荷供給部と、前記出力電圧指令値の下降時に電流源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が前記第１基準電圧よりも高い第２基準電圧と等しくなるように前記容量性負荷から電荷を引き抜く引抜電流を負帰還制御する電荷引抜部と、を具備することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の電源装置は、容量性負荷に印加する出力電圧が正または負の片電圧で、正電圧出力電源の場合、出力電流の吐出しかできない安価な１象限でのみ動作するＤＣＤＣコンバータを電荷供給部として採用することができる。従って、容量性負荷の駆動に必要な、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる電源装置を安価に提供できるいう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る電源装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示す電荷供給部のみで容量性負荷を駆動した場合の各部の波形図である。

【図3】図１に示す電源装置で容量性負荷を駆動した場合の各部の波形図である。

【図4】従来の電源装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0012】

本実施の形態の電源装置１は、図１を参照すると、電荷供給部２と、容量性負荷ＣＬから電荷を引き抜く電流源として機能する電荷引抜部３とを備え、容量性負荷ＣＬに印加する電圧は正または負の片電圧で、かつ任意電圧（直流、正弦波、矩形波など）を印加する。

【0013】

電荷供給部２は、容量性負荷ＣＬに電荷を供給する電圧源として機能し、直流電源Ｅからの入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換して容量性負荷ＣＬに供給するＤＣ－ＤＣコンバータである。なお、図１に示す電荷供給部２は、フライバック式のスイッチング電源で構成した例が示されているが、フォワード方式等の他の方式であっても良い。

【0014】

電荷供給部２は、トランス２１と、スイッチング素子２２と、出力整流平滑回路２３と、電圧検出回路２４と、制御回路２５と、ドライバ２６とを備えている。

【0015】

トランス２１は、１次巻線と、２次巻線とを備え、１次巻線の極性と、２次巻線の極性とは、逆に設定されている。トランス２１の１次巻線は、直流電源Ｅの正極端子とスイッチング素子２２との間に接続されている。これにより、直流電源Ｅが入力電圧Ｖｉｎとしてトランス２１の１次巻線に印加される。

【0016】

スイッチング素子２２は、例えば、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）で構成される。スイッチング素子２２のドレインは、トランス２１の１次巻線に接続されていると共に、スイッチング素子２２のソースは、接地端子に接続されている。これにより、入力電圧Ｖｉｎは、トランス２１の１次巻線を介して接続されたスイッチング素子２２のオンオフ動作により、オフ期間にトランス２１の２次巻線に出力される。

【0017】

出力整流平滑回路２３は、整流ダイオードＤ１と、出力コンデンサＣ１とを備え、トランス２１の２次巻線の両端子間に、整流ダイオードＤ１を介して出力コンデンサＣ１が接続されている。これにより、トランス２１の２次巻線に誘起される交流電圧は、出力整流平滑回路２３により整流平滑され、直流の出力電圧Ｖｏｕｔとして容量性負荷ＣＬに供給される。

【0018】

電圧検出回路２４は、出力コンデンサＣ１の両端子間に直列に接続された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とを備え、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点の検出電圧Ｖｄｅｔを出力電圧Ｖｏｕｔの電圧検出信号として制御回路２５に出力する。

【0019】

検出電圧Ｖｄｅｔには、抵抗Ｒ３を介して出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算されて制御回路２５に入力されるように構成されている。すなわち、制御回路２５は、検出電圧Ｖｄｅｔに出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔを加算して負帰還制御をすることで、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔに応じた任意の出力電圧Ｖｏｕｔを発生させる。

【0020】

制御回路２５は、エラーアンプ２７と、コンパレータ２８と、三角波発振器２９とを備えている。エラーアンプ２７の反転入力端子（－）には、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが、エラーアンプ２７の非反転入力端子（＋）には、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１がそれぞれ入力される。エラーアンプ２７は、検出電圧Ｖｄｅｔと第１基準電圧Ｖｒｅｆ１との誤差電圧を増幅した誤差信号を、コンパレータ２８の非反転入力端子（＋）に出力する。

【0021】

コンパレータ２８の反転入力端子（－）には、三角波発振器２９からの三角波信号が入力される。そして、コンパレータ２８は、エラーアンプ２７からの誤差信号と、三角波発振器２９からの三角波信号との比較結果を出力する。コンパレータ２８の出力がスイッチング素子２２をオンオフ制御する制御信号となり、ドライバ２６を介してスイッチング素子２２のゲートに入力される。

【0022】

電荷供給部２は、出力段がダイオード構成になっているため、正電圧出力電源の場合、出力電流は吐出しかできない。従って、電荷供給部２のみで容量性負荷ＣＬを駆動する場合、電圧上昇時は問題なく駆動できるが、電圧下降時は容量性負荷ＣＬにたまった電荷を引き抜くことができずに、自然放電に頼るしかない。

【0023】

図２は、電荷供給部２のみで容量性負荷ＣＬを駆動した場合の各部の波形図であり、（ａ）は出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔ、（ｂ）は出力電圧Ｖｏｕｔ、（ｃ）は検出電圧Ｖｄｅｔを示している。電荷供給部２のみで容量性負荷ＣＬを駆動した場合、大きな容量の容量性負荷ＣＬの駆動や、高い周波数での駆動時に、電荷供給部２は、容量性負荷ＣＬにチャージされた電荷を引き抜けない。従って、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔの下降時に出力電圧Ｖｏｕｔを追随して下降させることができず、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔと相似な出力電圧Ｖｏｕｔを得ることができない。対策として、容量性負荷ＣＬに並列に負荷抵抗を入れることで電圧を下降させることもできるが、無駄な電力の消費が発生してしまう。

【0024】

このように、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔ（出力電圧Ｖｏｕｔ）の下降時は、負帰還制御がはずれてしまうので、図２（ｃ）に示すように、検出電圧Ｖｄｅｔが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１の値に制御されずに上昇する。そこで、本実施の形態の電源装置１は、検出電圧Ｖｄｅｔが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも上昇した場合に動作し、容量性負荷ＣＬから電荷を引き抜く電流源として機能する電荷引抜部３を備える。

【0025】

電荷引抜部３は、可変インピーダンス素子３１と、抵抗Ｒ４と、エラーアンプ３２と、オペアンプ３３とを備えている。可変インピーダンス素子３１と抵抗Ｒ４とからなる直列回路が、容量性負荷ＣＬと並列に接続されている。本実施の形態では、可変インピーダンス素子３１をＮ型ＭＯＳＦＥＴで構成したが、可変インピーダンス素子３１は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ等であっても良い。

【0026】

エラーアンプ３２の非反転入力端子（＋）には、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが、エラーアンプ３２の反転入力端子（－）には、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２がそれぞれ入力される。第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、電荷供給部２において、検出電圧Ｖｄｅｔとの誤差電圧の基準となる第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも高い値に設定されている。エラーアンプ３２は、検出電圧Ｖｄｅｔと第２基準電圧Ｖｒｅｆ２との誤差電圧を増幅した誤差信号を、オペアンプ３３の非反転入力端子（＋）に出力する。

【0027】

オペアンプ３３の反転入力端子（－）は、可変インピーダンス素子３１と抵抗Ｒ４との接続点に接続され、可変インピーダンス素子３１に流れる引抜電流Ｉ＿ｄｓｃｇを抵抗Ｒ４によって電圧に変換した電流検出信号が入力される。そして、オペアンプ３３は、エラーアンプ３２からの誤差信号と、電流検出信号との比較結果を出力する。オペアンプ３３の出力が可変インピーダンス素子３１を電流制御する制御信号となり、可変インピーダンス素子３１のゲートに入力される。

【0028】

図３は、電荷供給部２と電荷引抜部３を備えた電源装置１で容量性負荷ＣＬを駆動した場合の各部の波形図であり、（ａ）は出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔ、（ｂ）は出力電圧Ｖｏｕｔ、（ｃ）は引抜電流Ｉ＿ｄｓｃｇ、（ｄ）は検出電圧Ｖｄｅｔを示している。電荷供給部２と電荷引抜部３を備えた電源装置１で容量性負荷ＣＬを駆動した場合、大きな容量の容量性負荷ＣＬの駆動や、高い周波数での駆動時に、容量性負荷ＣＬにチャージされた電荷を電荷引抜部３によって引き抜くことができる。従って、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔの下降時に出力電圧Ｖｏｕｔを追随して下降させることができる。

【0029】

以上の構成により、電荷供給部２は、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔを第１基準電圧Ｖｒｅｆ１で監視し、電圧上昇時（期間Ｘ、出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔより下の時）に第１基準電圧Ｖｒｅｆ１を使って電圧源として動作して、容量性負荷ＣＬに電荷を供給する。すなわち、電圧上昇時において、電荷供給部２は、図３（ｄ）に示すように、検出電圧Ｖｄｅｔが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しくなるように出力電圧Ｖｏｕｔを負帰還制御して、容量性負荷ＣＬの電荷を供給する。この時、検出電圧Ｖｄｅｔは、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を下回っているため、図３（ｃ）に示すように、電荷引抜部３が動作することはない。

【0030】

電荷引抜部３は、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔを第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも高い第２基準電圧Ｖｒｅｆ２で監視し、電圧下降時（期間Ｙ、出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔより上の時）に第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を使って電流源として動作して、容量性負荷ＣＬから電荷を引き抜く。すなわち、電圧下降時において、電荷引抜部３は、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、検出電圧Ｖｄｅｔが第２基準電圧Ｖｒｅｆ２と等しくなるように引抜電流Ｉ＿ｄｓｃｇを負帰還制御して、容量性負荷ＣＬから電荷を引き抜く。この時、検出電圧Ｖｄｅｔは、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１を上回っているため、電荷供給部２が動作することはない。

【0031】

この結果、電圧上昇時には、電荷供給部２が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１で負帰還制御され、電圧下降時には、電荷引抜部３が第２基準電圧Ｖｒｅｆ２で負帰還制御されることになり、電荷供給部２の動作と電荷引抜部３の動作とが自動的に切り替わる。なお、電荷引抜部３の第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、電荷供給部２の第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも大きいため、電荷供給部２と電荷引抜部３との動作切り替え時にはヒステリシスをもって電荷供給部２と電荷引抜部３が同時に動作しないため、ノイズ誤動作の影響を受けにくい。

【0032】

なお、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２と第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と差が小さいほど電荷供給部２の動作と電荷引抜部３の動作とをスムーズに切り替えることができる。しかし、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２と第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と差が小さいほど、ノイズ等によって誤動作の虞が高くなる。従って、これらことを踏まえ、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２及び第１基準電圧Ｖｒｅｆ１の値は、適宜設定される。

【0033】

以上説明したように、本実施の形態は、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔに応じた出力電圧Ｖｏｕｔで容量性負荷ＣＬを駆動する電源装置１であって、出力電圧Ｖｏｕｔの検出値である検出電圧Ｖｄｅｔを出力する電圧検出回路２４と、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔの上昇時に電圧源として機能し、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しくなるように出力電圧Ｖｏｕｔを負帰還制御して容量性負荷ＣＬに電荷を供給する電荷供給部２と、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔの下降時に電流源として機能し、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも高い第２基準電圧Ｖｒｅｆ２と等しくなるように容量性負荷ＣＬから電荷を引き抜く引抜電流Ｉ＿ｄｓｃｇを負帰還制御する電荷引抜部３とを備える。
この構成により、容量性負荷ＣＬに印加する出力電圧Ｖｏｕｔが正または負の片電圧で、正電圧出力電源の場合、出力電流の吐出しかできない安価な１象限でのみ動作するＤＣＤＣコンバータを電荷供給部２として採用することができる。従って、容量性負荷ＣＬの駆動に必要な、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる電源装置を安価に提供できる。

【0034】

さらに、本実施形態において、電荷供給部２は、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが反転入力端子(－)に、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１が非反転入力端子(＋)にそれぞれ入力される電荷供給用のエラーアンプ２７（電荷供給用エラーアンプ）を備えて、エラーアンプ２７から出力される誤差信号（電荷供給用誤差信号）に基づいて前記出力電圧を負帰還制御し、電荷引抜部３は、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔが加算された検出電圧Ｖｄｅｔが非反転入力端子(＋)に、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２が反転入力端子(－)にそれぞれ入力されるエラーアンプ３２（電荷引抜用エラーアンプ）を備えて、エラーアンプ３２から出力される誤差信号（電荷引抜用誤差信号）に基づいて引抜電流Ｉ＿ｄｓｃｇを負帰還制御する。
この構成により、電荷供給部２と電荷引抜部３とが同時に動作してしまうことがなく、電荷供給部２の動作と電荷引抜部３の動作が自動で切り替わり、大きな容量の容量性負荷ＣＬの駆動や、高い周波数での駆動時においても、出力電圧指令値Ｖｃｏｎｔに出力電圧Ｖｏｕｔを追随させることができる。

【0035】

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、同一構成要素には、各図において、同一符号を付している。

【符号の説明】

【0036】

１、１０ 電源装置
２ 電荷供給部
３ 電荷引抜部
１１ ＤＣＤＣコンバータ
１２ ＤＣＡＣインバータ
２１ トランス
２２ スイッチング素子
２３ 出力整流平滑回路
２４ 電圧検出回路
２５ 制御回路
２６ ドライバ
２７ エラーアンプ
２８ コンパレータ
２９ 三角波発振器
３１ 可変インピーダンス素子
３２ エラーアンプ
３３ オペアンプ
Ｃ１ 出力コンデンサ
ＣＬ 容量性負荷
Ｄ１ 整流ダイオード
Ｅ 直流電源
Ｒ１～Ｒ４ 抵抗

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】