JP2006129673A

JP2006129673A - 高圧電源装置及び高圧電源装置の制御方法

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Publication number: JP2006129673A
Application number: JP2004318237A
Authority: JP
Inventors: Koji Yasukawa; 航司安川; Atsuhiko Yamaguchi; 敦彦山口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】圧電トランスの効率が最大となるように駆動し、かつ高圧出力での制御安定性を向上させる。
【解決手段】圧電セラミックス振動体を用いた圧電トランス１１９、圧電トランスを駆動するための周波数として圧電トランスの共振周波数を発生する周波数発生回路１３１、圧電トランスの駆動電圧を変更可能に制御する電圧制御回路１２８、１２９、１３０、を設け、圧電トランスを常に共振周波数で駆動するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧電源装置及び高圧電源装置の制御方法に関し、より詳細には、プリンタや複写機等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる高圧電源装置の制御に関するものである。

電子写真方式を用いた画像形成装置に用いられる高圧電源装置としては、巻線式の電磁トランスが使用されているが、高電圧に対する安全性の観点から、電気的絶縁性を保つために一次側と二次側とを分離する必要があり、電力の変換効率を上げることが困難となっている。また電磁トランスは、導線、ボビン、磁芯で構成されており、導線は複数回の巻線構造をとっているため、巻線相互のレアショート等は、構造上避けられないものとなっている。

この場合の安全性を確保するために保護回路を設ける等の対策を行う必要があり、回路構成の増大、コストアップを招き、更に小型化するための障害の一つとなっていた。

これらの欠点を補うために、圧電セラミックス振動体を用いた圧電トランスを用いることが検討されている。セラミックス振動体を用いることにより、巻線のレアショート等に対する配慮は不要となり、更に高圧電源装置の小型化、軽量化が容易となり、電力の変換効率が高いなど、優れた特徴を持っている。

図８は、圧電トランスを用いた従来の高圧電源装置の代表的構成を示すブロック図である。図中６は、圧電トランスであり、圧電トランス６の出力は、整流部７にて整流及び平滑化され、出力コネクタ１から出力されて負荷に接続される。この整流部７からの出力の他端は検出部８で検出され、比較部３に入力される。また比較部３のもう一方の入力端は、コネクタ２を介して不図示のコントローラに接続される。比較部３からの出力端は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４に接続され、この電圧制御発振器（ＶＣＯ）４からの出力は駆動部５に入力される。駆動部５からの出力は圧電トランス６の一次側電極に接続される。一次電極の他端はＧＮＤ電極として接地されている。

図９は、圧電トランス６の駆動周波数に対する出力電圧の特性を示したグラフである。同図に示すように、共振周波数ｆ０において出力電圧が最大となり、周波数による制御が可能であることがわかる。ここで、規定出力電圧Ｅｄｃの出力時における駆動周波数がｆｘである。出力コネクタ１を介して出力される電圧を、図８の検出部８で検出し、比較部３でコントローラからの制御信号と比較し、その比較結果に基づいて電圧制御発振器（ＶＣＯ）４で駆動周波数が図９のｆｘとなるように制御する。

このような圧電トランスを用いて周波数制御する高圧電源装置は、様々なものが提案されている（特許文献１参照）。
特開平１１−２０６１１３号公報

しかしながら、上記従来例では以下のような欠点があった。

上記で説明した圧電トランスを用いた高圧電源装置の場合、負荷変動や圧電トランスの個体差による共振周波数のばらつきに影響されない制御安定性を確保するため、駆動周波数は共振周波数からずらして設定されている。このため、圧電トランスは最も効率が良い周波数で駆動されず、効率が悪くなるという欠点があった。

本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、圧電トランスの効率が最大となるように駆動し、かつ高圧出力での制御安定性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成する本出願の第１の態様としての高圧電源装置は、圧電セラミックス振動体に一次電極及び二次電極を設け、前記一次電極に交流電圧を印加することにより前記圧電セラミックス振動体に機械的振動が励振され、前記二次電極から高電圧が出力される圧電トランスと、
前記圧電トランスを駆動するための周波数として前記圧電トランスの共振周波数を発生する周波数発生回路と、
前記圧電トランスの駆動電圧を変更可能に制御する電圧制御回路と、を備えている。

また、上記目的を達成する本発明の別の態様としての高圧電源装置の制御方法は、圧電セラミックス振動体に一次電極及び二次電極を設け、前記一次電極に交流電圧を印加することにより前記圧電セラミックス振動体に機械的振動が励振され、前記二次電極から高電圧が出力される圧電トランスを用いて高圧電圧を出力する高圧電源装置の制御方法であって、
前記圧電トランスを駆動するための周波数として、前記圧電トランスの共振周波数を発生させ、
前記圧電トランスの駆動電圧を変更可能に制御する。

すなわち、本発明では、圧電セラミックス振動体に一次電極及び二次電極を設け、前記一次電極に交流電圧を印加することにより圧電セラミックス振動体に機械的振動が励振され、二次電極から高電圧が出力される圧電トランスを用いて高圧電圧を出力する高圧電源装置において、圧電トランスを駆動するための周波数として、圧電トランスの共振周波数を発生させ、圧電トランスの駆動電圧を変更可能に制御する。

このようにすると、圧電トランスを用いた高圧電源装置において、圧電トランスを常に共振周波数で駆動するとともに、圧電トランスの駆動電圧を可変とすることができる。

従って、高圧出力を変化させたときにも圧電トランスの効率を常に最大にすることが可能となる。また、常に圧電トランスを共振周波数で駆動するようにすることで、制御の安定性が向上する。

なお、周波数発生回路１つで、圧電トランスを複数駆動するように構成されていてもよい。

周波数発生回路が、圧電トランスと共振周波数が実質的に等しい圧電トランスを含んでいてもよい。

圧電トランスを共振周波数で駆動するように、圧電トランスの駆動電圧及び駆動電流の位相を制御する周波数制御部を更に備えていてもよい。

また、上記の目的は、上記の高圧電源装置と、像担持体上に静電潜像を形成する潜像形成手段と、静電潜像にトナー像を形成する現像手段と、トナー像を転写部材に転写する転写手段と、トナー像を転写された転写部材にトナーを加熱定着させる定着手段と、転写部材を搬送するための搬送手段と、を有し、潜像形成手段、現像手段及び転写手段の少なくとも１つに、高圧電源装置から出力された高圧電圧が印加される画像形成装置によっても達成される。

本発明によれば、圧電トランスを用いた高圧電源装置において、圧電トランスを常に共振周波数で駆動するとともに、圧電トランスの駆動電圧を可変とすることができるため、高圧出力を変化させたときにも圧電トランスの効率を常に最大にすることが可能となる。また、常に圧電トランスを共振周波数で駆動するようにすることで、制御の安定性が向上する。

以下に、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜画像形成装置の構成＞
始めに、本発明に係る高圧電源装置を用いる画像形成装置について説明する。

図７は、本発明に係る高圧電源装置を用いる画像形成装置の１例であるレーザビームプリンタ２００の構成概略を示す断面図である。レーザビームプリンタ２００は、記録紙Ｐを収納するデッキ２０１を有し、デッキ２０１から記録紙Ｐを１枚ずつ繰り出すピックアップローラ２０２、ピックアップローラ２０２によって繰り出された記録紙Ｐを搬送するデッキ給紙ローラ対２０３、２０４が設けられている。

そして、記録紙Ｐを同期搬送するレジストローラ対２０５が配設されている。また、レジストローラ対の下流には、レーザスキャナ部２０６，２０７，２０８，２０９からのレーザ光に基づいたトナー像が形成される感光ドラム２１０、２１１，２１２，２１３と、感光ドラムを均一な電位に帯電するための帯電ローラ２３０、２３１，２３２，２３３、潜像にトナーを載せ現像するための現像スリーブ２３４，２３５，２３６，２３７などを具備したプロセスカートリッジが配設されている。

感光ドラム２１０，２１１，２１２，２１３上に形成されたトナー像を中間転写材２１８上に転写するためのローラ部材２１４、２１５，２１６，２１７（以降、一次転写ローラと記す）、中間転写材２１８上に形成された画像を記録紙Ｐに転写する転写ローラ部材２１９（以降、二次転写ローラと記す）が、二次転写ユニット駆動カム２２１にて駆動される二次転写ユニット２２０に配設されている。更に記録紙Ｐの電荷を除去し中間転写材２１８からの分離を促進するための放電部材２２２（以降、除電針と記す）が配設されている。帯電ローラ２３０，２３１，２３２，２３３，現像スリーブ２３４，２３５，２３６，２３７、転写のためのローラ部材２１４，２１５，２１６，２１７、及び、中間転写材２１８上に形成された画像を記録紙Ｐに転写する転写ローラ２１９には、高圧電源装置２３８から高圧バイアスを印加する構成になっている。

さらに、除電針２２２の下流には記録紙Ｐ上に転写されたトナー像を熱定着するために、内部に加熱用のハロゲンヒータ２２３を備えた定着ローラ２２４と加圧ローラ２２５対が設けられており、定着ローラ２２４と加圧ローラ２２３対の下流には、記録紙を排紙する排紙ローラ対２２６，２２７が配設されている。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明に係る高圧電源装置の第１の実施形態の代表的構成を示す回路図である。

図中１０７は、不図示の画像形成装置本体の制御回路に接続される入力コネクタであり、１１９及び１２２は圧電トランス（ＰＺＴ）である。圧電トランス１１９の出力は、ダイオード１００，１０２及びコンデンサ１０１から構成される高圧整流回路１２７にて整流、平滑化され、出力コネクタ１０３から出力されて負荷に接続される。この高圧整流回路の他端（即ち、ダイオード１０２のカソード側）は、抵抗１０４，１０５及び１０６で構成される分圧回路１２８によって分圧され、検出回路１２９のオペアンプ１１０の反転入力（−）に接続される。また、オペアンプ１１０の非反転入力（＋）には、抵抗１０９を介して入力コネクタ１０７から不図示の画像形成装置本体の制御回路からの信号が入力される。オペアンプ１１０の出力は、圧電トランス１１９の駆動回路１３０（即ち、トランジスタ１１４のベース）に入力される。

出力電圧を制御するための構造について詳細に説明する。

駆動回路１３０には、入力コネクタ１０７から入力される不図示の画像形成装置本体の制御回路からの制御信号と、検出回路１２９からの検出電圧との比較結果が入力される構造になっている。即ち、不図示の画像形成装置本体の制御信号によって、駆動回路１３０の入力電圧（即ち、トランジスタ１１４のベース電圧）を変更することが可能となっている。このため、トランジスタ１１４のエミッタ電圧を変更し、圧電トランス１１９の一次側に入力する駆動電圧を変更することが可能となる。このように、圧電トランス１１９の駆動電圧を変更可能とすることにより、図２のグラフにおける出力電圧を変更することが可能となる。

周波数発生回路１３１は、圧電トランス１１９を図２の共振周波数ｆ０で駆動するために、圧電トランス１１９の共振周波数ｆ０と同じ周波数を発生する回路である。以下、周波数発生回路１３１について説明する。周波数発生回路１３１は、圧電トランス１１９と共振周波数が実質的に等しくなるように、同じ形状、同じ材料の圧電トランス１２２を備えており、該トランスが持つ不図示の一次側容量成分，抵抗１２５，コンデンサ１２１及び１２４，及びインバータ１２６による自励発振回路となっており、この発振回路で発生した圧電トランス１２２の共振周波数が、バッファ１２０で増幅され、トランジスタ１１７のベースに入力される。

このように、圧電トランス１１９と圧電トランス１２２との共振周波数が実質的に等しくなるように同じ形状、同じ材料を用いたものとすることで、材料の違いや温度変化による共振周波数のずれを考慮する必要がなくなり、周波数発生回路１３１によって常に圧電トランス１１９の共振周波数ｆ０と等しい周波数を発生させることが可能となる。

なお、圧電トランス１１９は二次側に不図示の容量成分を持つので、圧電トランス１２２の二次側には圧電トランス１１９の二次側容量成分に等しい容量のコンデンサ１２３を接続し、共振周波数が圧電トランス１１９の共振周波数ｆ０と等しくなるように補正する必要がある。

このように本実施形態では、圧電トランス１１９を周波数発生回路１３１により常に共振周波数ｆ０で駆動し、圧電トランス１１９の駆動電圧を駆動回路１３０で可変として出力電圧制御を行う。これにより、常に圧電トランス１１９を効率が最大となる周波数で駆動することが可能となる。また、圧電トランスの駆動周波数を固定し、駆動電圧によって出力電圧を制御することにより、制御がより一層安定する。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明に係る高圧電源装置の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、上記第１の実施形態と同様な部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分を中心に説明する。

図３は、第２の実施の形態の構成を示す回路図である。第１の実施形態との主たる相違点は、１つの周波数発生回路１３１に対し、３つの圧電トランス１１９，３１９，及び４１９が並列に接続されていることである。

図３において、周波数発生回路１３１及び圧電トランス１１９に関して形成される回路は第１の実施形態に関して説明した図１に示した回路と同様であり、圧電トランス３１９及び４１９のそれぞれについても、圧電トランス１１９と同様に、駆動回路、比較回路、検出回路、整流回路を含む回路が形成されている。

本実施形態では使用される全ての圧電トランス１２２，１１９，３１９，及び４１９の共振周波数が実質的に等しくなるように、同じ形状、同じ材料のものを用いることで、３つの圧電トランス１１９，３１９，及び４１９を等しい１つの共振周波数で駆動し、その出力電圧をそれぞれ独立して制御することを可能としている。但し、高圧発生用の圧電トランス１１９，３１９及び４１９とそれらの駆動周波数を発生する圧電トランス１２２との間の、共振周波数のずれを補正するように、圧電トランス１１９，３１９及び４１９が二次側に持つ不図示の容量成分を合成したものと実質的に等しい容量のコンデンサ１２３を圧電トランス１２２の二次側に接続する必要がある。

図中１０７，３０７，及び４０７は、不図示の画像形成装置本体制御回路に接続される入力コネクタであり、この高圧電源装置の出力は、出力コネクタ１０３，３０３，及び４０３により画像形成装置本体の負荷に接続される。

このように本実施形態では、１つの周波数発生回路によって発生される周波数で３つの圧電トランスを駆動することにより、従来は個々の圧電トランスに必要とされた周波数発生回路が１つで済むことになり、高圧電源装置の小型化、簡略化が可能となる。

なお、本実施形態では、１つの周波数発生回路に接続される圧電トランスの数を３つとしたが、２以上の複数であれば同様に構成でき、同様な効果が得られる。

＜第３の実施の形態＞
以下、本発明に係る高圧電源装置の第３の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、上記第１及び第２の実施形態と同様な部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分を中心に説明する。

図４は、本発明に係る高圧電源装置の第３の実施形態の代表的構成を示すブロック図である。

第１の実施の形態との主たる相違点は、安定して圧電トランス１１９を共振周波数で駆動するために、圧電トランス１１９の駆動電圧及び駆動電流の位相（周期）を制御する周波数制御部５０１を備えている点である。駆動回路、比較回路、検出回路、及び整流回路の詳細は、第１の実施形態に関して説明した図１と同様である。

図５は、圧電トランス１１９が共振周波数で駆動されている時の動作波形であり、（ａ）はトランジスタ１１７のベースに印加される電圧、（ｂ）は図４の５０３の電圧（即ち、圧電トランス１１９の一次側に印加される駆動電圧）、（ｃ）は図４の５０２の抵抗５００を流れる電流の波形をそれぞれ表している。

図６は、圧電トランス１１９が共振周波数より高い周波数で駆動されている時の動作波形であり、（ａ）はトランジスタ１１７のベースに印加される電圧、（ｂ）は図４の５０３の電圧、（ｃ）は図４の５０２の電流の波形をそれぞれ表している。

以下、図４から図６を参照して本実施形態の詳細について説明する。

圧電トランス１１９が共振周波数で駆動されている時は、トランジスタ１１７がＯＮした時、インダクタ１１５に電流が流れ、抵抗５００に流れる電流は時間に応じて図５の（ｃ）のように変化する。圧電トランス１１９の駆動電圧は、トランジスタ１１７がＯＦＦした時に、圧電トランス１１９の一次側容量成分とインダクタ１１５との電圧共振により、図５の（ｂ）のようにＳｉｎ状のパルス波形となる。その時の電流５０３は、インダクタ１１５から圧電トランス１１９の一次側容量成分に流れる電流と、ダイオード１１８を流れる電流との合成により図５の（ｃ）のようにＣｏｓ状の波形となる。図５の（ｂ）の波形が図５の（ａ）のトランジスタがＯＦＦとなるタイミングと同期が取れるようにインダクタ１１５の値を設定すれば、その時の図５の（ｃ）の電流ｉのゼロクロスポイントが、ほぼトランジスタ１１７がＯＦＦとなる時間の中央にくることになる。

一方、図６のように、圧電トランス１１９が共振周波数より高い周波数で駆動されている場合、ダイオード１１８を順方向に電流が流れている間にトランジスタ１１７の次のスイッチングが始まってしまい、抵抗５００を流れる電流は図６の（ｃ）に示すような波形になる。そのため、トランジスタ１１７がＯＦＦしている時の電流ｉのゼロクロスポイントが、図５の（ｃ）と比較して中央より右側にオフセットされることになる。

本実施形態では、このトランジスタ１１７のＯＦＦ時間と電流の周期のずれを周波数制御部５０１で検知して補正する。これにより、圧電トランス１１９を共振周波数あるいは共振周波数に近い周波数で安定して駆動することが可能となる。

従って、本実施形態では、上記第１及び第２の実施形態のように、周波数発生回路１３１が圧電トランス１１９と共振周波数が実質的に等しい圧電トランスを含んでいなくてもよく、更には、周波数発生回路を圧電トランスを用いない構成としても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、周波数発生回路の構成にかかわらず、圧電トランス１１９を共振周波数あるいは共振周波数に近い周波数で安定して駆動することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上記の実施形態に例示した高圧電源装置を含む複数の機器から構成される装置やシステムに適用しても良いし、また、一つの機器からなる装置に適用しても良い。

本発明に係る高圧電源装置を含む装置としては、上記で説明した電子写真方式の画像形成装置が好適であるが、高圧電源を用いる他の装置に本発明にかかる高圧電源装置を用いることももちろん可能である。

本発明に係る高圧電源装置の第１の実施形態の構成を示す回路図である。図１の圧電トランスの駆動周波数と出力電圧の関係を示すグラフである。本発明に係る高圧電源装置の第２の実施形態の構成を示す回路図である。本発明に係る高圧電源装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。圧電トランスが共振周波数で駆動されている時の動作波形を示すグラフである。圧電トランスが共振周波数より高い周波数で駆動されている時の動作波形を示すグラフである。本発明に係る高圧電源装置を用いる画像形成装置の概略構成を示す断面図である。従来の高圧電源装置の代表的構成を示すブロック図である。図８の圧電トランスの駆動周波数と出力電圧の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０３出力コネクタ
１０７入力コネクタ
１１９，１２２圧電トランス
１２７整流回路
１２８検出回路
１２９比較回路
１３０駆動回路
１３１周波数発生回路

Claims

圧電セラミックス振動体に一次電極及び二次電極を設け、前記一次電極に交流電圧を印加することにより前記圧電セラミックス振動体に機械的振動が励振され、前記二次電極から高電圧が出力される圧電トランスと、
前記圧電トランスを駆動するための周波数として前記圧電トランスの共振周波数を発生する周波数発生回路と、
前記圧電トランスの駆動電圧を変更可能に制御する電圧制御回路と、を備えることを特徴とする高圧電源装置。
前記周波数発生回路１つで、前記圧電トランスを複数駆動するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高圧電源装置。
前記周波数発生回路が、前記圧電トランスと共振周波数が実質的に等しい圧電トランスを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧電源装置。
前記圧電トランスを前記共振周波数で駆動するように、前記圧電トランスの駆動電圧及び駆動電流の位相を制御する周波数制御部を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の高圧電源装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載された高圧電源装置と、像担持体上に静電潜像を形成する潜像形成手段と、前記静電潜像にトナー像を形成する現像手段と、前記トナー像を転写部材に転写する転写手段と、トナー像を転写された前記転写部材にトナーを加熱定着させる定着手段と、前記転写部材を搬送するための搬送手段と、を有する画像形成装置であって、
前記潜像形成手段、前記現像手段及び前記転写手段の少なくとも１つに、前記高圧電源装置から出力された高圧電圧が印加されることを特徴とする画像形成装置。
圧電セラミックス振動体に一次電極及び二次電極を設け、前記一次電極に交流電圧を印加することにより前記圧電セラミックス振動体に機械的振動が励振され、前記二次電極から高電圧が出力される圧電トランスを用いて高圧電圧を出力する高圧電源装置の制御方法であって、
前記圧電トランスを駆動するための周波数として、前記圧電トランスの共振周波数を発生させ、
前記圧電トランスの駆動電圧を変更可能に制御することを特徴とする高圧電源装置の制御方法。