JP2004112981A

JP2004112981A - 電源装置及びその電源トランス

Info

Publication number: JP2004112981A
Application number: JP2002276010A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Mikami; 三上　均
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】動作周波数を広い範囲にわたって切り替えることが可能であり、且つこの切り替えを簡単な構成の電子回路で可能にする安価な電源装置及びその電源トランスを提供する。
【解決手段】低周波領域において珪素鋼板１１の理論磁束密度と周波数特性とを使用し、高周波領域においてフェライトコア１２の論理磁束密度と周波数特性とを使用することで、１つの電源トランス１で異なる２つの動作周波数領域に対応する。また、低周波領域の磁性材である珪素鋼板１１と高周波領域の磁性材であるフェライトコア１１とを重ね合わせて一体とした構成を有する。これにより、単一の周波数切替回路を用いて低周波領域から高周波領域まで対応することが可能となる。
【選択図】　　　　　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動作周波数を切り替えることが可能な電源装置及びその電源トランスに関し、特に、画像形成装置に用いられる電源装置及びその電源トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の出力電圧の動作周波数の切り替えは、例えば２値の切り替えの場合、同一鉄芯に巻かれた巻線により構成されたトランスに一般的なスイッチング電源回路部品を接続し、これを制御回路を用いて制御して所望する動作周波数の交流バイアスを発生することで行われていた（例えば特許文献１参照）。また、このように構成された電源装置の場合、一般的にはフェライトコア又は珪素鋼板等のコア材が使用されていた。
【０００３】
これらのコア材（フェライトコア及び珪素鋼板）は、それぞれの材料からくる特有の駆動周波数領域を有している。例えばフェライトコアでは数ｋＨｚ以上の動作周波数領域で切り替えを行うことができる。また、珪素鋼板では約１ｋＨｚ以下の動作周波数に使用されてきた。
【０００４】
また、このようなコア材の周辺技術として、例えば特許文献２には、リン（Ｐ），マグネシウム（Ｍｇ），シリコン（Ｓｉ），ホウ素（Ｂ）を含むガラス状絶縁層で被覆された軟磁性粉末同士が、このガラス状絶縁層を介して接合した構成を有することで、高い透磁率と優れた周波数安定性とを得られる圧粉磁心が開示されている。
【０００５】
また、例えば特許文献３には、複数のリアクトルやトランスを複合化することで部品点数の低減及び軽量化を図るための技術が開示されている。
【０００６】
更に、例えば特許文献４には、１個の電圧変成器に電圧変換動作と電流制限機能とを兼ね持たせることで、簡単で高い変換効率を得られる電圧変換装置が開示されている。
【０００７】
このような技術的背景において、最近では珪素鋼板とフェライトコアとの両者にまたがる動作周波数の切り替えが要求されるようになってきている。一般的に、動作周波数の切り替えを広範囲にわたりカバーするためには、低周波数領域においてトランスのコアボリュームを大きく取る必要がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−１２３７１８号公報
【特許文献２】
特開平８−２５０３１７号公報
【特許文献３】
特開平７−２６３２６２号公報
【特許文献４】
特開平８−１１６６６７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コアボリュームを大きくすることは、トランスが大型化するという問題を伴う。
【００１０】
また、電源装置の発熱部分（損失）の殆どはスイッチング素子による発熱であり、この発熱は駆動周波数に比例して増加するものである。
【００１１】
例えば、出力Ｐ（Ｗ）を扱うトランス出力式は、以下の式１となる。
Ｐ＝Ｖｉｎ×Ｉｐ＝４Ｂｍ・Ａｅ・ｆ・Ｎｐ・Ｉｐ×１０^８　　　…（式１）
【００１２】
よって、必要となるコア断面積Ａｅは以下の式２で表される。
Ａｅ＝Ｐ／（４・Ｂｍ・ｆ・Ｎｐ・Ｉｐ・１０^８）　　　…（式２）
【００１３】
この式２において、磁束密度Ｂｍはコア材質により決定される定数である。また、トランスの１次巻数Ｎｐは共通使用になるため同じとする。すると、動作周波数ｆが小さくなれば、コア断面積Ａｅは大きくなり、逆に動作周波数ｆが大きくなればコア断面積Ａｅは小さくなる。
【００１４】
これにより、同一コアを使用して駆動周波数を切り替えることは、トランスの設計において低周波数側で設計しなければならない欠点を有することを導き出せる。即ち、従来では高周波領域でのコア材の利用率が低下するため、経済的でないという問題を有していた。
【００１５】
また、フェライトコアを使用した場合、周波数の切り替えは式２に従いフェライトコアの体積を大きくすれば対応可能であることが分かる。しかしながら、最近の要求としては、周波数の切り替え領域の範囲が非常に広くなる傾向にあり、低周波数では数１００Ｈｚ（例：約８００Ｈｚ）から高周波数では約２０００Ｈｚとなってきている。尚、参考までに、従来は１６００Ｈｚから２０００Ｈｚ程度であった。
【００１６】
このため、フェライトコアのみで対応するためには、従来ではコア断面積Ａｅを約２割アップすればよかったが、最近の周波数範囲では約２．５倍アップの必要となる。これは装置の大型化やコストアップ等の問題に繋がる。
【００１７】
従って、本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、動作周波数を広い範囲にわたって切り替えることが可能であり、且つこの切り替えを簡単な構成の電子回路で可能にする安価な電源装置及びその電源トランスを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明による電源装置は、請求項１記載のように、透磁率の異なる第１の磁性材料と第２の磁性材料とが重ね合わされて形成されたコアと、１次巻線と２次巻線とが巻回されたボビンとを有する電源トランスと、前記１次巻線に導入する周波数を切り替える周波数切替回路とを有する。このように、透磁率の異なる磁性材料を重ね合わせて使用することで、各々が特性に応じた異なる動作周波数で作用するため、動作周波数を広い範囲にわたって切り替えることが可能な電源装置を簡単な電子回路を用いて安価に実現することが可能となる。
【００１９】
また、上記の電源装置は、好ましくは請求項２記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが磁気抵抗的に並列に接続されている構成を有する。これにより、個々の磁性材料の特性を最大限に活用できる構成が提供される。
【００２０】
また、上記の電源回路において、例えば請求項３記載のように、前記第１の磁性材料が珪素鋼板であり、前記第２の磁性材料がフェライトであってもよい。これにより、低周波領域において有効な磁性材料と、高周波領域において有効なフェライトコアとが動作周波数に応じて使い分けられる電源装置が実現される。
【００２１】
また、上記の電源回路は、例えば請求項４記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは所定の空隙を隔てて重ね合わされているように構成されてもよい。これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料とが電気的に接続されることを防止できる。
【００２２】
また、上記の電源回路は、例えば請求項５記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが密着されているように構成されてもよい。これにより、電源トランスの大きさが更に縮小され、結果的に電源装置の大きさが縮小される。
【００２３】
また、上記の電源回路は、例えば請求項６記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが絶縁層を挟んで重ね合わされているように構成されても良い。これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料とが電気的に接続されることを防止できる。
【００２４】
また、上記の電源回路は、例えば請求項７記載のように、前記第１の磁性材料及び／又は前記第２の磁性材料が、ヨ字型の部材の開口部を向き合わせて組み立てられているように構成されても良い。これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料との透磁率を有効に活かす構成が実現される。
【００２５】
また、この電源回路は、好ましくは請求項８記載のように、前記ボビンと前記コアとが、前記１次巻線と前記２次巻線とが前記ヨ字型の部材が組み合わされた前記コアにおける中央の腕を巻回するように組み合わされている構成を有する。これにより、これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料との透磁率を有効に活かす構成が実現される。
【００２６】
また、上記の電源回路は、例えば請求項９記載のように、前記第１の磁性材料の理論磁束密度が１８０００ガウス以上２００００ガウス以下であり、前記第２の磁性材料の理論磁束密度が２０００ガウス以上３０００ガウス以下であるように構成される。これにより、一般的に使用される低周波領域と高周波領域とに手適合した電源装置が実現される。
【００２７】
また、本発明による電源装置は、請求項１０記載のように、透磁率の異なる第１の磁性材料と第２の磁性材料とが重ね合わされて形成されたコアと、１次巻線と２次巻線とが巻回されたボビンとを有する電源トランスと、前記１次巻線に所定の周波数を導入するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路と、前記制御回路に異なる発振信号を入力する信号発生回路と、を有し、前記信号発生回路の発振信号の周波数を切り替えることで、前記１次巻線に導入する周波数を切り替えるように構成される。このように、透磁率の異なる磁性材料を重ね合わせて使用することで、各々が特性に応じた異なる動作周波数で作用するため、動作周波数を広い範囲にわたって切り替えることが可能な電源装置を簡単な電子回路を用いて安価に実現することが可能となる。
【００２８】
また、上記の電源装置は、例えば請求項１１記載のように、画像形成装置に用いられる高圧用の電源装置であり、前記画像形成装置のプロセス速度に応じて前記周波数が切り替えられるように構成されている。これにより、１つの電子回路と１つの磁性材料（トランス）とによって動作周波数を広い範囲にわたって切り替えることが可能であり、且つこの切り替えを簡単な構成の電子回路で可能にする安価な電源装置が実現される。
【００２９】
また、上記の電源装置は、例えば請求項１２記載のように、前記信号発生回路が、２つの発振器と、該２つの発振器における何れか１つから出力された前記発振信号を選択的に切り替える切替回路とを有して構成されている。これにより、２つの発振器から出力された何れかの発振信号に基づいた出力を得ることが可能となる。
【００３０】
また、本発明による電源トランスは、請求項１３記載のように、透磁率の異なる第１の磁性材料と第２の磁性材料とが重ね合わされて形成されたコアと、１次巻線と２次巻線とが巻回されたボビンとを有する。このように、透磁率の異なる磁性材料を重ね合わせて使用することで、各々が特性に応じた異なる動作周波数で作用するため、動作周波数を広い範囲にわたって切り替えることが可能な電源トランスを安価に実現することが可能となる。
【００３１】
また、上記の電源トランスは、好ましくは請求項１４記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが磁気抵抗的に並列に接続されている構成を有する。これにより、個々の磁性材料の特性を最大限に活用できる構成が提供される。
【００３２】
また、上記の電源トランスは、例えば請求項１５記載のように、前記第１の磁性材料が珪素鋼板であり、前記第２の磁性材料はフェライトであってもよい。これにより、低周波領域において有効な磁性材料と、高周波領域において有効なフェライトコアとが動作周波数に応じて使い分けられる電源トランスが実現される。
【００３３】
また、上記の電源トランスは、例えば請求項１６記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが所定の空隙を隔てて重ね合わされているように構成されても良い。これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料とが電気的に接続されることを防止できる。
【００３４】
また、上記の電源トランスは、例えば請求項１７記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが密着されているように構成されても良い。これにより、電源トランスの大きさが更に縮小される。
【００３５】
また、上記の電源トランスは、例えば請求項１８記載のように、前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とが絶縁層を挟んで重ね合わされているように構成されても良い。これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料とが電気的に接続されることを防止できる。
【００３６】
また、上記の電源トランスは、例えば請求項１９記載のように、前記第１の磁性材料及び／又は前記第２の磁性材料が、ヨ字型の部材の開口部を向き合わせて組み立てられているように構成されても良い。これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料との透磁率を有効に活かす構成が実現される。
【００３７】
また、この電源トランスは、好ましくは請求項２０記載のように、前記ボビンと前記コアとが、前記１次巻線と前記２次巻線とが前記ヨ字型の部材が組み合わされた前記コアにおける中央の腕を巻回するように組み合わされている構成を有する。これにより、第１の磁性材料と第２の磁性材料との透磁率を有効に活かす構成が実現される。
【００３８】
また、上記の電源トランスは、例えば請求項２１記載のように、前記第１の磁性材料の理論磁束密度が１８０００ガウス以上２００００ガウス以下であり、前記第２の磁性材料の理論磁束密度が２０００ガウス以上３０００ガウス以下であるように構成される。これにより、一般的に使用される低周波領域と高周波領域とに手適合した電源装置が実現される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００４０】
〔第１の実施形態〕
まず、本発明の第１の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態では、低周波領域において珪素鋼板の理論磁束密度（１８０００Ｇから２００００Ｇ）と周波数特性（１ｋＨｚ以下）とを使用し、高周波領域においてフェライトコアの論理磁束密度（２０００Ｇから３０００Ｇ）と周波数特性（５００ｋＨｚ以下）とを使用することで、１つのトランスで異なる２つの動作周波数領域に対応した電源装置及びその電源トランスを実現する。また、低周波領域の磁性材である珪素鋼板と高周波領域の磁性材であるフェライトコアとを一体とした構成を有する。
【００４１】
珪素鋼板は、用途に応じていくつかの材質があるが、トランス用と回転機用とに大別される。いずれの場合も鉄損を低減するために積層構造を有している。一般的に積層構造における１枚当たりの鋼板は、０．１５〜０．３５ｍｍ程度とされる。
【００４２】
尚、フェライトコアの理論的磁束密度は約２０００Ｇから３０００Ｇであるのに対し、珪素鋼板の理論磁束密度は約１８０００Ｇから２００００Ｇである。しかし、周波数特性を比較するとフェライトコアは４００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚまで略フラットな特性が得られるのに対し、珪素鋼板は約１０００Ｈｚ付近までしか周波数特性が得られない特徴を有している。これを以下で図面を用いて説明する。
【００４３】
図１に、珪素鋼板の周波数に対する磁束密度Ｂｍｋ［Ｔ］と磁界の強さＨ［ＡＴ／ｍ］との関係（以下、Ｂ−Ｈ特性という）を示す。図１を参照すると明らかなように、珪素鋼板は、約１ｋＨｚ未満（これを低周波領域とする）の周波数に対して、十分な密度の磁束を発生させるが、約１ｋＨｚ以上（これを高周波領域とする）の周波数に対しては磁束を殆ど発生しないことが分かる。これは、約１ｋＨｚ以上の高周波領域において、珪素鋼板が磁気回路的に高抵抗として作用するためである。
【００４４】
一方、フェライトコアは、トランスの１次及び２次巻線の巻数を調整することで、低周波領域における２次側での電力の発生を抑制することができる。これは、珪素鋼板と比較して、低周波領域における磁束の発生効率が悪いためである。即ち、フェライトコアは、低周波数領域では発生する巻数に対して発生する鎖交磁束が比較的少ないため、十分な出力電圧を得ることができない。
【００４５】
本実施形態では、これら２つの異なる特性を利用することで、低周波領域において磁気回路的に磁気抵抗が低い珪素鋼板を介してのみ、磁束によるエネルギーの伝達が行われるように構成する。
【００４６】
また、図１では、約１ｋＨｚ以上の高周波領域になると、珪素鋼板におけるＢ−Ｈ特性の曲線（以下Ｂ−Ｈ曲線という）がある一定の周波数帯から急激に低下すること示された。これは、高周波領域において珪素鋼板が磁気回路的に高抵抗となるためであり、高周波の磁束を通さないためである。このことは、珪素鋼板に対する周波数ｆ［Ｈｚ］と比透磁率μｓｋとの関係（これを比透磁率の周波数特性という：図２参照）からも明らかである。尚、図３に図２における１Ｈｚから１０ｋＨｚまでの拡大図を示す。
【００４７】
また、図２には、フェライトコアに対する比透磁率μｓｆの周波数特性も示す。図２を参照すると明らかなように、フェライトコアは鉄心の比透磁率μｓｆの周波数特性が広範囲の周波数にわたり一定である。このため、フェライトコアは、広範囲の周波数領域で磁気抵抗が低く磁束を通す。しかしながら、上述のように、実際には低周波領域におけるエネルギー伝達としての鎖交磁束数が小さいため、エネルギー伝達が微小である。このため、エネルギー伝達が十分に行えるのは、鎖交磁束数が増加する高周波領域のみとなる。
【００４８】
本実施形態では、低周波領域の場合と同様に、これら２つの異なる特性を利用することで、高周波領域において磁気回路的に磁気抵抗が低いフェライトコアを介してのみ、磁束によるエネルギーの伝達が行われるように構成する。
【００４９】
また、以上のことから、動作周波数に対する理論出力特性は、図４に示すように、珪素鋼板の低周波エネルギー領域とフェライトコアの高周波エネルギー領域との２つの領域に分割できる。
【００５０】
このように、本実施形態では、珪素鋼板の低周波領域のエネルギー伝達特性と、フェライトコアの高周波領域のエネルギー伝達特性とを適宜使い分けることで、単一のトランスと，単一の制御回路と，単一の駆動回路とを用いて、低周波領域でのエネルギーの伝達と、高周波領域でのエネルギーの伝達とを可能にする。これにより、トランスの数量低減と，制御及び駆動回路の１回路化によるコスト低減と，部品点数削減による小型化と，信頼性改善等が達成された電源装置及びその電源トランスを実現することが可能となる。
【００５１】
以下、本実施形態による電源装置１００及び電源トランス１の構成を図面と共に詳細に説明する。図５は本実施形態による電源トランス１の概略構成を示す斜視図である。
【００５２】
図５に示すように、本実施形態による電源トランス１は、１組の珪素鋼板１１ａ，１１ｂと同じくヨ字型の１組のフェライトコア１２ａ，１２ｂとが重ねられ、これらがボビン１３により固定された構成を有する。珪素鋼板１１ａ，１１ｂ及びフェライトコア１２ａ，１２ｂにおける個々の部材は、ヨ字型をしており、組み立ての際は図面のように開口部が向き合うように位置される。また、ボビン１３の複数の溝には１次巻線と２次巻線とがそれぞれ巻き付けられている。従って、珪素鋼板１１ａ，１１ｂ及びフェライトコア１２ａ，１２ｂ及びボビン１３を組み立てることで、１次巻線及び２次巻線がヨ字型の部材における中央の腕（凸部）を巻回するように構成される。尚、１組の珪素鋼板１１ａ，１１ｂ又は１組のフェライトコア１２ａ，１２ｂは接着剤等を用いて相互に固定されても良い。また、珪素鋼板１１（１１ａ，１１ｂの接合体）とフェライトコア１２（１２ａ，１２ｂの接合体）とは密着されていてもよいし、１ｍｍ程度の所定の間隔を隔てて分離されつつ重ね合わされても良いし、この他、例えば絶縁層を挟んで重ね合わされても良い。
【００５３】
また、電源トランス１の上面図（ａ），側面図（ｂ）及び底面図（ｃ）を図６に示す。図６に示すように、電源トランス１は、珪素鋼板１１とフェライトコア１２とを重ね合わせた部分（これをコア部分という）にボビン１３を組み合わせた構成を有する。また、ボビン１３の所定の溝にはそれぞれ１次巻線Ｎｐと２次巻線Ｎｓとが巻き付けられており、更に各１次巻線Ｎｐ及び２次巻線Ｎｓと外部とを電気的に接続するためのピン状の端子（ピン端子１４）とが設けられている。尚、これに限定されず、例えば補助巻線等も巻き付けられる構成としてもよい。
【００５４】
次に、図５及び図６に示す電源トランス１の等価回路を図７に示す。図７において、Ｎｐは１次巻線を示し、Ｎｓは２次巻線を示す。また、これに補助巻線Ｎｆが加えられた場合の等価回路図８に例示する。
【００５５】
更に、図７に示す等価回路を回路特性に応じて表記した場合の回路図を図９に示す。尚、図９は１次巻線Ｎｐと２次巻線Ｎｓとが同一の巻数である場合の等価回路を示している。
【００５６】
図９において、Ｙ_０１は珪素鋼板１１のアドミタンスであり、珪素鋼板１１の抵抗Ｒ０１とインダクタンスＬ０１とから以下の式３で求められるようなインピーダンス（これをＺ０１とする）の逆数である。但し、ｊは虚数を示し、ωは周波数（角速度）を示す。
Ｙ_０１＝１／Ｚ０１＝１／Ｒ０１＋１／（ｊωＬ０１）　　　…（式３）
【００５７】
同様に、Ｙ_０２はフェライトコア１２のアドミタンスであり、フェライトコア１２の抵抗Ｒ０２とインダクタンスＬ０２とから以下の式４で求められるようなインピーダンス（これをＺ０２とする）の逆数である。
Ｙ_０２＝１／Ｚ０２＝１／Ｒ０２＋１／（ｊωＬ０２）　　　…（式４）
【００５８】
また、Ｚｐは電源トランス１における１次側の内部インピーダンスであり、１次巻線Ｎｐの抵抗Ｒｐと漏れリアクタンスＬｐとから以下の式５で求められる。Ｚｐ＝Ｒｐ＋ｊωＬｐ　　　…（式５）
【００５９】
同様に、Ｚｓは電源トランス１における２次側の内部インピーダンスであり、２次巻線Ｎｓの抵抗Ｒｓと漏れリアクタンスＬｓとから以下の式６で求められる。
Ｚｓ＝Ｒｓ＋ｊωＬｓ　　　…（式６）
【００６０】
尚、上記の等価回路では、１次巻線Ｎｐの内部インピーダンスＺｐと、２次巻線Ｎｓの内部インピーダンスＮｓとが別に構成されているため、図中のトランスＴは理想とランスとして機能する。このような等価回路において、図９を参照すると明らかなように、これらのアドミタンスＹ_０１，Ｙ_０２は磁気抵抗的に並列接続されている。
【００６１】
ここで、１次巻線Ｎｐ側に電圧Ｅ_１を印加すると、珪素鋼板１１における励磁電流Ｉ_０１は以下の式７で表される。同様にフェライトコア１２における励磁電流Ｉ_０２は以下の式８で表される。
Ｉ_０１＝Ｅ_１・Ｙ_０１　　　…（式７）
Ｉ_０２＝Ｅ_１・Ｙ_０２　　　…（式８）
【００６２】
この際、珪素鋼板１１におけるうず電流損Ｗａとヒステリシス損Ｗｈとの和、即ち鉄損Ｗｋは以下の式９で導かれる。同様にフェライトコアにおける鉄損Ｗｆは以下の式１０で導かれる。
Ｗｋ＝Ｅ_１・Ｉ_０１＝Ｅ_１ ^２・Ｙ_０１　　　…（式９）
Ｗｆ＝Ｅ_１・Ｉ_０２＝Ｅ_１ ^２・Ｙ_０２　　　…（式１０）
【００６３】
従って、低周波領域では、上述した特性により珪素鋼板１１のアドミタンスＹ_０１が大きいため、珪素鋼板１１における励磁電流Ｉ_０１が多く流れる。このため、電源トランス１では珪素鋼板１１によるエネルギーの伝達が支配的となる。これに対し、高周波領域では、珪素鋼板１１における励磁電流Ｉ_０１と比較してフェライトコア１２における励磁電流Ｉ_０２が非常に大きくなる。このため、高周波領域ではフェライトコア１２によるエネルギーの伝達が支配的となる。
【００６４】
また、図９に示す等価回路では、２次側に閉ループが作られ無いため、循環電流の発生を防止できる。尚、これと対比する構成を図１０に示す。
【００６５】
図１０に示す等価回路において、図９と同一の構成には同一の符号が付されている。従って、Ｙ_０１は珪素鋼板１１のアドミタンスであり、珪素鋼板１１の抵抗Ｒ０１とインダクタンスＬ０１とから上述した式３で求められるようなインピーダンスＺ０１の逆数である。
【００６６】
同様に、Ｙ_０２はフェライトコア１２のアドミタンスであり、フェライトコア１２の抵抗Ｒ０２とインダクタンスＬ０２とから上述した式４求められるようなインピーダンスＺ０２の逆数である。
【００６７】
また、Ｚｐ１は電源トランス１における１次側の１次巻線Ｎｐ１に関する内部インピーダンスであり、１次巻線Ｎｐ１の抵抗Ｒｐ１と漏れリアクタンスＬｐ１とから以下の式１１で求められる。
Ｚｐ１＝Ｒｐ１＋ｊωＬｐ１　　　…（式１１）
【００６８】
同様に、Ｚｐ２は電源トランス１における１次側の１次巻線Ｎｐ２に関する内部インピーダンスであり、１次巻線Ｎｐ２の抵抗Ｒｐ２と漏れリアクタンスＬｐ２とから以下の式１２で求められる。
Ｚｐ２＝Ｒｐ２＋ｊωＬｐ２　　　…（式１２）
【００６９】
また、Ｚｓ１は電源トランス１における２次側の２次巻線Ｎｓ１に関する内部インピーダンスであり、２次巻線Ｎｓ１の抵抗Ｒｓ１と漏れリアクタンスＬｓ１とから以下の式１３で求められる。
Ｚｓ１＝Ｒｓ１＋ｊωＬｓ１　　　…（式１３）
【００７０】
同様に、Ｚｓ２は電源トランス１における２次側の２次巻線Ｎｓ２に関する内部インピーダンスであり、２次巻線Ｎｓ２の抵抗Ｒｓ２と漏れリアクタンスＬｓ２とから以下の式１４で求められる。
Ｚｓ２＝Ｒｓ２＋ｊωＬｓ２　　　…（式１４）
【００７１】
尚、図１０の等価回路では、１次巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２の内部インピーダンスＺｐ１，Ｚｐ２と、２次巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２の内部インピーダンスＮｓ１，Ｎｓ２とが別に構成されているため、図中のトランスＴ１，Ｔ２は理想とランスとして機能する。
【００７２】
この図１０に示す回路構成のように、磁性材料として珪素鋼板１１を用いた電源トランスＴ１とフェライトコア１２を用いた電源トランスＴ２とを個別に設け、これらを並列に接続した場合、２次側に閉ループが形成されるため、循環電流（Ｖ２−Ｖ２’）／（Ｚｓ１＋Ｚｓ２）が発生する。尚、Ｖ２は２次側の２次巻線Ｎｓ１に生じる誘起起電力であり、Ｖ２’は２次側の２次巻線Ｎｓ２に生じる誘起起電力である。これに対し、図９に示す本実施形態による回路構成では、２次側に閉ループが存在しないため、このような問題が回避されている。
【００７３】
次に、上記の電源トランス１を用いた電源回路１００の回路構成を図１１を用いて説明する。図１１（ａ）に示すように、電源回路１００における電源トランス１の１次巻線Ｎｐの一方には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートには、それぞれ制御回路１０１，１０２が接続されている。この制御回路１０１，１０２は信号発生回路１０３から入力された発振信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフを制御する。また、信号発生回路１０３は、外部から入力されたデータに基づく周波数で発振し、この発振信号を制御回路１０１，１０２に入力する。これにより、１次巻線Ｎｐに所定周波数の交流信号が導入されるように構成される。尚、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と制御回路１０１，１０２と信号発生回路１０３とは、電源トランス１の１次捲線Ｎｐへ導入する周波数を切り替えるための周波数切替回路を構成する。
【００７４】
より詳細には、１次巻線Ｎｐの一方に接続されたスイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、それぞれ制御回路１０１，１０２によりオン／オフが制御される。尚、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は例えばバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等で構成される。また、制御回路１０１，１０２は信号発生回路１０３から入力された発振信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフを制御する。信号発生回路１０３は、複数（例えば２つ）の発振器を有して構成されており、外部から入力されたデータに基づいて何れかの発振器より出力された発振信号を制御回路１０１，１０２へ入力する。
【００７５】
このように、電源トランス１には、信号発生回路１０３から出力された発振信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン／オフを制御することで、高周波信号と低周波信号との何れかが入力される。従って、２次巻線Ｎｓは、１次巻線Ｎｐに導通した電流に従って誘導電流を発生し、これをＡＣ出力として出力（Ｖｏｕｔ）する。
【００７６】
尚、本実施形態では、低周波信号を約６００Ｈｚとし、高周波信号を約２０００Ｈｚとする。また、制御回路１０１，１０２は例えば６００Ｈｚの低周波信号が入力されると、６００Ｈｚでスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御し、２０００Ｈｚの高周波信号が入力されると、２０００Ｈｚでスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。図１１（ｂ）に各信号（信号１及び２，スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ，出力電圧Ｖｏｕｔ）のタイミングチャートを示す。
【００７７】
この際、珪素鋼板１１の磁束密度Ｂ_ｍｋは、以下の式１５を満足する。但し、μ_ｓｋ＞＞１である。
Ｂｍｋ＝Ｎ・Ｉ×（Ｉ／μ_０μｓｋ）＝Ｖｉｎ／４・Ｎ・Ａｅ・ｆ　　　…（式１５）
【００７８】
一方、フェライトコア１２の磁束密度Ｂｍｆは、以下の式１６を満足する。
Ｂｍｆ＝Ｎ・Ｉ×（Ｉ／μ_０μｓｆ）＝Ｖｉｎ／４・Ｎ・Ａｅ・ｆ　　　…（式１６）
【００７９】
出力電圧Ｖｏｕｔは磁束密度（Ｂｍｋ，Ｂｍｆ）と周波数ｆとに比例するため、上記式１５，式１６で表されるように、低周波信号の場合、珪素鋼板１１では出力電圧Ｖｏｕｔが得られるが、フェライトコア１２では出力電圧Ｖｏｕｔが得られないことが分かる。従って、低周波信号の場合、珪素鋼板１１においてのみエネルギー伝達が成されている。
【００８０】
また、高周波信号の場合、上記式１５，式１６で表されるように、珪素鋼板１１の比透磁率μｓｋが低下するため、動作周波数高くなっても出力電圧Ｖｏｕｔは発生しない。これに対し、高周波領域では、フェライトコア１２の比透磁率μｓｋが珪素鋼板１１の比透磁率μｓｋよりも高くなり、更に鎖交磁束数も増加するため、フェライトコア１２による出力電圧Ｖｏｕｔが発生し、これにより２次側にエネルギーが伝達される。
【００８１】
以上のように、本実施形態によれば、主に低周波領域で作用する珪素鋼板１１と主に高周波領域で作用するフェライトコア１２とが重ねられたコア部分を使用するため、低周波信号と高周波信号との両方で動作できる電源回路及びその電源トランスが提供される。
【００８２】
尚、本実施形態において、電源トランス１におけるＢ−Ｈ曲線の動作は図１２のように４象現にわたる。ここで、低周波動作の場合、珪素鋼板１１は磁束密度が高いためフェライトコア１２に対し比較的大きく動作する。これに対しフェライト１２は約１／３〜１／２の領域で動作する。また、高周波領域の場合、図１３のように、珪素鋼板１１の周波数特性からＢ−Ｈ曲線の動作領域が低減し、フェライトコア１２より小さくなる。これに対しフェライトコア１２は周波数特性が一定であるため殆ど変わらすに動作する。従って、高周波領域になるとフェライトコア１２が支配的に動作することになる。
【００８３】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１４は、本実施形態による電源装置２００の構成を示す回路図である。
【００８４】
図１４を参照すると、電源装置２００は、電源トランス１と、該電源トランス１の１次巻線Ｎｐ１とＮｐ２とを接続し、１次巻線Ｎｐ１の一方の端子をスイッチング素子Ｑ３に接続した構成を有する。このような構成は、フライバック方式及びフォワード方式の場合に適用される。
【００８５】
また、スイッチング素子Ｑ３は、制御回路２０１によりオン／オフが制御される。制御回路２０１は信号発生回路２０３から入力された発振信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ３のオン／オフを切り替える。信号発生回路２０３は、複数（例えば２つ）の発振器を有して構成されており、外部から入力されたデータに基づいて何れかの発振器から出力された発振信号を制御回路２０１に入力する。尚、上記の構成において、スイッチング素子Ｑ３と制御回路２０１と信号発生回路２０３とは電源トランス１の１次巻線Ｎｐへ導入する周波数を切り替えるための周波数切替回路を構成する。また、他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００８６】
以上のように構成した場合、フライバック方式やフォワード方式では、Ｂ−Ｈ曲線が第１象現と第４象現のみの動作となる（図１２及び図１３参照）。また、珪素鋼板１１とフェライトコア１２との周波数動作は上記と同様となる。
【００８７】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態では、第１の実施形態で説明した電源トランス１を用いた電源装置３００の具体的構成例を示す。
【００８８】
尚、本実施形態は、複写機及びプリンタ等の電子写真方式の画像形成装置において、帯電用バイアスチャージロール（ＢＣＲ）等の帯電手段に交流バイアスを印加する場合に対応するためのものである。この交流バイアスは用紙の送り速度（例えば白黒モードやカラーモード等の画像形成装置のプロセスモード）に応じて交流バイアスの動作周波数を２倍程度切り替えることが行われている。即ち、本実施形態はこのような出力駆動周波数を数倍以上の広い範囲に渡って切り替えることを目的とし、１つの電子回路と１つの磁性材料（トランス）とによって動作周波数を広い範囲にわたって切り替えることが可能であり、且つこの切り替えを簡単な構成の電子回路で可能にする安価な電源装置を提供するものである。
【００８９】
図１５に本実施形態による電源装置３００の構成及び信号発生回路４００の構成を示す。図１５を参照すると、電源装置３００は、制御回路３０１とスイッチング回路３０２と電源トランス１とを有して構成されている。また、電源トランス１を介して２次側の出力端には、平滑回路３０３を構成するコンデンサＣ１０１と抵抗Ｒ１０１とが並列に接続されている。
【００９０】
また、電源装置３００の外部（入力端側）に接続された信号発生回路４００は、２つの発振器４０１，４０２と、これらを切り替える切替回路４０３とを有して構成されている。尚、切替回路４０３は、外部から入力されたデータに基づいて制御される。
【００９１】
制御回路３０１は、スイッチ素子としてのトランジスタＱ０１、Ｑ０２を含む。これらのトランジスタＱ０１、Ｑ０２は、バイポーラトランジスタ又はユニポーラトランジスタで実現される。また、スイッチング回路３０２は、スイッチング素子として機能するトランジスタＱ０３を含む。
【００９２】
信号発生回路４００から出力された発振信号は、電源装置３００における制御回路３０１のトランジスタＱ０２の制御入力（尚、バイポーラトランジスタの場合はベース、ユニポーラトランジスタの場合はゲート）に印加される。発振信号によりトランジスタＱ０２のオン／オフが切り替えられると、これに連動してトランジスタＱ０１のオン／オフが切り替えられる。これにより、スイッチング回路３０２におけるトランジスタＱ０３の制御入力（尚、バイポーラトランジスタの場合はベース、ユニポーラトランジスタの場合はゲート）には、抵抗Ｒ０１，Ｒ０２及びＲ０６を介して電源電圧ＶＣＣが印加されるため、トランジスタＱ０３のオン／オフが切り替わり、電源トランス１の１次巻線Ｎｐに、発振信号に基づいた周波数が導入される。尚、上記の構成において、スイッチング回路３０２と制御回路３０１と信号発生回路４００とは、電源トランス１における１次巻線Ｎｐへ導入する周波数を切り替えるための周波数切替回路を構成する。
【００９３】
上記説明におけるトランジスタには、例えばＮＰＮ又はＰＮＰのバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等が適用される。また、図１５において、帯電手段に対する電源装置としては、電源電圧ＶＣＣを例えば＋２４Ｖとした場合、電源トランス１を介した出力側に＋１．２ｋＶ〜１．８ｋＶの出力電圧（出力ＡＣ）が得られるように構成される。また、他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００９４】
〔他の実施形態〕
以上、説明した実施形態は本発明の好適な一実施形態にすぎず、本発明はその趣旨を逸脱しない限り種々変形して実施可能である。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、交流電力の動作周波数を広い範囲にわたり駆動することが可能となるだけでなく、低周波（例えば８００Ｈｚ以下）及び高周波（例えば１０００Ｈｚ以上）の両周波数帯域に対し、同一の回路構成を使用することが可能となる。また、制御及びスイッチング回路が１回路で済むので部品点数が半減、部品実装面積及び体積が小さく済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】珪素鋼板の周波数に対する磁束密度Ｂｍｋ［Ｔ］と磁界の強さＨ［ＡＴ／ｍ］との関係（以下、Ｂ−Ｈ特性という）を示すグラフである。
【図２】珪素鋼板に対する周波数ｆ［Ｈｚ］と比透磁率μｓｋとの関係（比透磁率の周波数特性）を示すグラフである。
【図３】図２における１Ｈｚから１０ｋＨｚまで範囲の拡大図である。
【図４】珪素鋼板とフェライトコアとに関する動作周波数に対する理論出力特性を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態による電源トランス１の概略構成を示す斜視図である。
【図６】図５に示す電源トランス１の上面図，側面図及び底面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による電源トランス１の等価回路を示す図である。
【図８】図７に示す等価回路に補助巻線Ｎｆを加えた際の構成を示す回路図である。
【図９】図７に示す等価回路を回路特性に応じて表記した場合の回路図である。
【図１０】複数のトランスを並列に接続し、これらを複数の制御回路で切り替えるように構成された電源装置の構成を示す回路図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態による電源トランス１を用いた電源回路１００の回路構成を示す図である。
【図１２】電源トランス１におけるコア（鉄心）のＢ−Ｈ曲線の動作を模式的に示す図である（低周波動作時）。
【図１３】電源トランス１におけるコア（鉄心）のＢ−Ｈ曲線の動作を模式的に示す図である（高周波動作時）。
【図１４】本発明の第２の実施形態による電源装置２００の構成を示す回路図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態による電源装置３００及び信号発生回路４００の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１　電源トランス　　　　　　　　　　　１１、１１ａ、１１ｂ　珪素鋼板
１２、１２ａ、１１ｂ　フェライトコア　１３　ボビン
１４　ピン端子　　　　　　　　　　　　１００、２００、３００　電源装置
１０１、１０２、２０１、３０１　制御回路
１０３、２０３、４００　信号発生回路
３０３　平滑回路
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ０３　スイッチング素子
Ｑ０１、Ｑ０２　トランジスタ　　　　　Ｎｐ　１次巻線
Ｎｓ　２次巻線

Claims

透磁率の異なる第１の磁性材料と第２の磁性材料とが重ね合わされて形成されたコアと、１次巻線と２次巻線とが巻回されたボビンとを有する電源トランスと、
前記１次巻線に導入する周波数を切り替える周波数切替回路とを有することを特徴とする電源装置。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは磁気抵抗的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記第１の磁性材料は珪素鋼板であり、前記第２の磁性材料はフェライトであることを特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは所定の空隙を隔てて重ね合わされることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電源装置。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは密着されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電源装置。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは絶縁層を挟んで重ね合わされていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電源装置。
前記第１の磁性材料及び／又は前記第２の磁性材料は、ヨ字型の部材の開口部を向き合わせて組み立てられていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電源装置。
前記ボビンと前記コアとは、前記１次巻線と前記２次巻線とが前記ヨ字型の部材が組み合わされた前記コアにおける中央の腕を巻回するように組み合わされていることを特徴とする請求項７記載の電源装置。
前記第１の磁性材料の理論磁束密度は１８０００ガウス以上２００００ガウス以下であり、前記第２の磁性材料の理論磁束密度は２０００ガウス以上３０００ガウス以下であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
透磁率の異なる第１の磁性材料と第２の磁性材料とが重ね合わされて形成されたコアと、１次巻線と２次巻線とが巻回されたボビンとを有する電源トランスと、
前記１次巻線に所定の周波数を導入するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路と、
前記制御回路に異なる発振信号を入力する信号発生回路と、
を有し、前記信号発生回路の発振信号の周波数を切り替えることで、前記１次巻線に導入する周波数を切り替えることを特徴とする電源装置。
前記電源装置が画像形成装置に用いられる高圧用の電源装置であり、
前記画像形成装置のプロセス速度に応じて前記周波数が切り替えられることを特徴とする請求項１０記載の電源装置。
前記信号発生回路は、２つの発振器と、該２つの発振器における何れか１つから出力された前記発振信号を選択的に切り替える切替回路とを有して構成されていることを特徴とする請求項１０又は１１記載の電源装置。
透磁率の異なる第１の磁性材料と第２の磁性材料とが重ね合わされて形成されたコアと、
１次巻線と２次巻線とが巻回されたボビンとを有することを特徴とする電源トランス。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは磁気抵抗的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１３記載の電源トランス。
前記第１の磁性材料は珪素鋼板であり、前記第２の磁性材料はフェライトであることを特徴とする請求項１３又は１４記載の電源トランス。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは所定の空隙を隔てて重ね合わされることを特徴とする請求項１３から１５の何れか１項に記載の電源トランス。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは密着されていることを特徴とする請求項１３から１５の何れか１項に記載の電源トランス。
前記第１の磁性材料と前記第２の磁性材料とは絶縁層を挟んで重ね合わされていることを特徴とする請求項１３から１５の何れか１項に記載の電源トランス。
前記第１の磁性材料及び／又は前記第２の磁性材料は、ヨ字型の部材の開口部を向き合わせて組み立てられていることを特徴とする請求項１３から１８の何れか１項に記載の電源トランス。
前記ボビンと前記コアとは、前記１次巻線と前記２次巻線とが前記ヨ字型の部材が組み合わされた前記コアにおける中央の腕を巻回するように組み合わされていることを特徴とする請求項１９記載の電源トランス。
前記第１の磁性材料の理論磁束密度は１８０００ガウス以上２００００ガウス以下であり、前記第２の磁性材料の理論磁束密度は２０００ガウス以上３０００ガウス以下であることを特徴とする請求項１３記載の電源トランス。