JP2008067442A - 電源装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製品のサイズやコストを上げることなく、端子ノイズを低減できる電源装置、およびこの装置を用いた画像形成装置を提供する。
【解決手段】制御系以外の負荷に電力を供給する第１のスイッチング電源１２０ａと、制御系の負荷に電力を供給する第２のスイッチング電源１２０ｂとを備えた電源装置であって、第１のスイッチング電源のフィードバック回路２０７への電源供給を第２のスイッチング電源から行い、第１のスイッチング電源のスイッチング周波数ｆａ１と第２のスイッチング電源の出力電圧のリップル周波数ｆｂ２との関係を、α×ｆａ１＝β×ｆｂ２＞１ＭＨｚ（α，βは自然数）とした電源装置により前記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電源を有する電源装置に関し、特にその出力の端子ノイズの軽減に関するものである。

近年、省エネ対応などにより、省エネ時用の電源を有するなど複数の電源を有する機器が増えている（特許文献１参照）。
この種の複数の電源は、個別に非同期のスイッチング周波数により制御されている。また、各々が個別のフィードバックループ応答性を有し、出力電圧の安定度および精度を確保している。また、各電源は、個々の電源出力の負荷変動およびリップルに対して前記フィードバックループ応答により電圧精度を確保している。
一般的な電源は、出力電圧の変動に対してスイッチングパルスのデューティーを変化させる、若しくは、スイッチング周波数を変化さえることにより出力電圧を一定にするフィードバック制御となっている。

一次側の制御部および２次側の制御部用に、各社から様々な特徴を持たせた専用の制御ＩＣが広く販売されている。そして、一般に１次側と２次側の間の信号の伝達は、フォトカプラが用いられ、出力の電圧を２次側の制御ＩＣが基準電圧と比較し、比較結果を１次側へフィードバックする構成となっている（第１のフィードバック）。

また、フィードバック回路の時定数により、出力電圧に回路応答に対する電圧のリップルが発生する。フォトカプラの電源にも前記電圧リップルは重畳されることになる。このため、電圧リップルを含んだフィードバック制御が行なわれる（第２のフィードバック）。この２つの系のフィードバックにより出力電圧は安定する（特許文献２参照）。
特開２００２−３３０５３８号公報 特許第３１９６１５７号公報

前述の電源装置において、安定したスイッチングの際の高調波が電源ラインのノイズとなり端子雑音として問題となる場合がある。
出力負荷が変動した際に、スイッチング周波数やスイッチングデューティーが変化する。よって、負荷変動がある場合は、ノイズが小さいが、出力負荷が安定するとスイッチング周波数、スイッチングデューティーは、一定の周波数に固定となり、その高調波成分はノイズとして大きくなる。
また、ループ応答が安定するとよりスイッチング動作は安定となり、ノイズとして大きくなる。
そして、特に問題なのはその際に発生する低次の高調波であり、スイッチング周波数の数倍となる１ＭＨｚ以下のノイズとなる。

この対策として、特に１ＭＨｚ以下のノイズの関しては、電源出力側のフィルター（チョークコイル）のインダクタ値のアップが有効となるが、弊害は、フィルターの巨大化がある。
複数電源の周波数が同じになる場合、フィルターの特性を上げる若しくは複数段のフィルターが必要になる。異なる周波数の場合、異なった周波数に対応したフィルターが必要になる。

このため、電源ラインへのノイズ低減を行うためには、部品追加および高価な部品を使用すること、および、サイズアップになってしまう。
ひいては、部品コストがかかり、製品コストを上げてしまうことになる。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、製品のサイズやコストを上げることなく、端子ノイズを低減できる電源装置、およびこの装置を用いた画像形成装置を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために、本発明では、電源装置を次の（１）、（２）のとおりに構成し、画像形成装置を次の（３）のとおりに構成する。

（１）制御系以外の負荷に電力を供給する第１のスイッチング電源と、前記制御系の負荷に電力を供給する第２のスイッチング電源とを備えた電源装置であって、
前記第１のスイッチング電源のフィードバック回路への電源供給を前記第２のスイッチング電源から行い、
前記第１のスイッチング電源のスイッチング周波数ｆａ１と前記第２のスイッチング電源の出力電圧のリップル周波数ｆｂ２との関係を、
α×ｆａ１＝β×ｆｂ２＞１ＭＨｚ（α，βは自然数）
とした電源装置。

（２）制御系以外の負荷に電力を供給する第１のスイッチング電源と、前記制御系の負荷に電力を供給する第２のスイッチング電源とを備えた電源装置であって、
前記第１のスイッチング電源のフィードバック回路への電源供給を前記第２のスイッチング電源から行い、
前記第１のスイッチング電源のスイッチング周波数ｆａ１と前記第２のスイッチング電源の出力電圧のリップル周波数ｆｂ２との関係を、
α×ｆａ１＝β×ｆｂ２＞１ＭＨｚ（α，βは自然数）
とし、
前記第２のスイッチング電源のフィードバック回路への電源供給を前記第１のスイッチング電源から行い、
前記第２のスイッチング電源のスイッチング周波数ｆｂ１と前記第１のスイッチング電源の出力電圧のリップル周波数ｆａ２との関係を、
γ×ｆｂ１＝η×ｆａ２＞１ＭＨｚ（γ，ηは自然数）
とした電源装置。

（３）前記（１）または（２）に記載の電源装置を備え、前記第１のスイッチング電源により制御系以外の負荷を付勢し、前記第２のスイッチング電源により制御系の負荷を付勢する画像形成装置。

本発明によれば、製品のサイズやコストを上げることなく、電源出力の端子ノイズを低減することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態をレーザビームプリンタの実施例により詳しく説明する。

図２は、実施例１である“レーザビームプリンタ”の概略構成を示す断面図である。図２において、レーザビームプリンタ本体１０１は、記録紙Ｓに画像を形成するため、記録紙Ｓを繰り出す給紙ローラ１０３を設けてある。また、外部装置（図示せず）から送出される画像信号に基づいて発光するレーザ１０５−１からの光を感光ドラム１０８上に走査するためのポリゴンモータ１０５−２を設けてある。さらに。公知の電子写真プロセスに必要な帯電部、現像部、転写部を設けてある。また、記録紙Ｓの搬送状況を確認するための給紙センサと、画像のタイミングをとるためのトップセンサを設けてある（不図示）。

記録紙Ｓ上の画像を定着するための定着ローラ１１２と、定着の終了した記録紙Ｓを排出するための排紙ローラ１１５を設けてある。排紙された記録紙Ｓは、トレイ１８上に積載される。また、排紙ローラ１１５における記録紙Ｓの搬送状況を確認するために、排紙センサを設けてある（不図示）。さらに、前述の紙搬送経路とは別に、手差し給紙を行うために、手差しローラ（不図示）を設けてある。

本レーザビームプリンタには、感光ドラムや各種ローラを電子写真プロセスにしたがい駆動するモータが設けられている（不図示）。このモータやモータの回転を伝えるクラッチなどの駆動系負荷や、画像処理回路などの各種負荷に所要の電力を供給する電源（不図示）が設けられている。さらに各種センサや操作部からの信号を処理し、駆動系負荷や各種負荷を制御し，画像形成プロセスを制御する制御系負荷に電力を供給する電源（不図示）が設けられている。

以下、本実施例の要部である電源装置について説明する。
プリンタ本体１０１は、図１に示す、主に駆動系に電力を供給する駆動系電源１２０ａと、制御系に電力を供給する制御系電源１２０ｂとを備えている。駆動系電源１２０ａは、当該電源をＯＮ／ＯＦＦする機能を有している。制御系電源１２０ｂから電力を供給される装置制御回路（不図示）により前記ＯＮ／ＯＦＦする機能はコントロールされ、省エネ時等には、駆動系電源１２０ａはＯＦＦされ出力は停止する。これにより、駆動系負荷は完全に停止し省エネ効果が向上する。制御系負荷は、外部からの指示や定常状態への復帰に備えて、省エネ時も動作しているので、制御系電源１２０ｂは。省エネ時も動作している。

駆動系電源１２０ａと制御系電源１２０ｂは、個々に一般的に用いられているスイッチング電源である。ＡＣ入力部を共通に持ち共通のフィルター部２０１の出力は、整流ダイオード２０２と一次平滑コンデンサ２０３により整流される。駆動系電源１２０ａは、トランス２０５を含むコンバーター部および一次側制御部２０６とスイッチングを行うトランジスタ２０４によって１次側が構成される。

トランス２０５の出力電圧は、ダイオード２１０とコンデンサ２０９によって整流される。２次側制御部２１１は、整流出力電圧Ｖａを不図示の基準電圧と比較し、所定の出力電圧Ｖｓａとなるように、電圧の過不足情報をフォトカプラ２０７とフォトカプラ２０７をＯＮ／ＯＦＦするトランジスタ２０８を介して、一次側の制御部２０６へ伝達する。出力電圧Ｖａについて、チョークコイル２１３とコンデンサ２１２によって制御ループ応答によるリップル電圧Ｖｒｉｐａを平滑し、許容可能な微小リップル電圧とする。

また、制御系電源１２０ｂは、トランス２１５を含むコンバーター部および制御部２１６とスイッチングを行うトランジスタ２１４によって１次側が構成される。
トランス２１５の出力電圧は、後段に接続されたダイオード２２０とコンデンサ２１９によって整流される。２次側制御部２２１は、整流電圧Ｖｂを不図示の基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較し、所定の出力電圧Ｖｓｂとなるように、電圧の過不足情報をフォトカプラ２１７とフォトカプラ２１７をＯＮ／ＯＦＦするトランジスタ２１８によって、一次側の制御部２１６へ伝達する。出力電圧Ｖｂについて、チョークコイル２２３とコンデンサ２２２によって制御ループ応答によるリップル電圧Ｖｒｉｐｂを平滑し、許容可能な微小リップル電圧とする。

本実施例の特徴となる構成は、駆動系電源１２０ａのフィードバックを行うフォトカプラ２０７の電源が制御系電源１２０ｂの出力Ｖｂから供給されている点である。
この構成により、制御系電源１２０ｂのリップル電圧がフォトカプラ２０７の電源に重畳される。このリップル電圧は、駆動系電源１２０ａのスイッチング周波数ｆａ１とは非同期の周波数ｆｂ２となる。

このように駆動系電源１２０ａのフィードバック回路にあるフォトカプラ２０７の電源に制御系電源１２０ｂのリップル電圧Ｖｂｒｉｐが載る。これにより、駆動系電源１２０ａのスイッチング周波数ｆａ１およびデューティーに駆動系電源１２０ａの制御系が持っていない非同期の周波数ｆｂ２による影響が入る。このため、スイッチング周波数ｆａ１およびデューティーが一定になることが無くなり、ノイズとなる周波数およびデューティーが非同期に振られることになり、その高調波成分は抑えられ、電源ラインへの端子ノイズの軽減となる。

課題としても挙げたように、端子ノイズでフィルターを考慮する上では１ＭＨｚ以下のような低い周波数となるノイズの対策がフィルターのサイズアップ、コストアップになる。
そこで、駆動系電源１２０ａのスイッチング周波数ｆａ１とフィードバック信号に重畳されるリップル電圧の周波数ｆｂ２の最小公倍数が１ＭＨｚ以上になるように設定する。最小公倍数が大きい方がノイズ対策は行い易くなる。
ここでの周波数の関係が
α×ｆａ１＝β×ｆｂ２＞１ＭＨｚ（α，βは自然数）
となるように、ｆａ１とｆｂ２の回路定数を決定して設定および調整する。
前記設定について、図３を用いて説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）は周波数の位相を示し、図３（Ａ）は、駆動系電源１２０ａのスイッチング周波数ｆａ１の位相を正弦波として表したものである。図３（Ｂ）は制御系電源１２０ｂから供給されるリップル電圧の周波数ｆｂ２の位相を正弦波として表したものである。図３（Ａ）と（Ｂ）を重ねると、図３（Ｃ）となる。つまり、異なる２つの周波数がお互いの周波数の公倍までは、周波数および位相が一致せず、安定しない状態となる。

駆動系電源１０２ａが安定した動作状態になると、フォトカプラ２０７から１次側制御部２０６へ伝達される信号の位相は、図３（Ａ）のように一定となる。１次側制御部２０６は、安定した信号の振幅がスイッチングを行う所定の閾値を越える動作に基づきスイッチングが行なわれ、安定したスイッチング周波数での動作となり、図３（Ｄ）のようなスイッチングを行うこととなる。

また、制御系電源１２０ｂの出力も安定するとそのリップル電圧も安定となり、その周波数および位相も安定となる。その状態は、図３（Ｂ）のようになる。この周波数が、フォトカプラ２０７の電源から信号として重畳することにより、位相が安定しない信号となる。この信号が所定の閾値を越えるタイミングでの動作となるため、図３（Ｅ）のように位相が乱れたスイッチング動作となる。
その結果、図３（Ｅ）のようにスイッチングのＯＮ時間（Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２）、ＯＦＦ時間（不図示）がランダムになり、高調波成分の準尖頭値、平均値は非常に低くすることが可能となる。
したがって、駆動系電源１２０ａは、負荷変動の有無に関係なく、常にスイッチング周波数、デューティーが変化し、駆動系電源出力の端子ノイズを抑えることが可能となる。

効果の実例を図４に示す。図４は、端子雑音を測定した結果あり、横軸は周波数（０．１５ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ）で、縦軸はデシベル値（ｄＢ（μＶ））で測定結果を対数表示したものである。図中の２つの測定結果は、ピーク値と平均値の結果である。
図４（Ａ）は、フォトカプラ２０７の電源を駆動系電源１２０ａから供給した場合であり、図４（Ｂ）は、本実施例のように、フォトカプラ２０７の電源を他方の電源１２０ｂから供給した場合である。共にピークと平均値のノイズレベルを示している。明らかに、１ＭＨｚ以下の平均値レベルは図４（Ｂ）の方が図（Ａ）より低くなっている。

本実施例の弊害としては、駆動系電源１２０ａの出力Ｖｓａのリップル電圧がランダムになることが考えられるが、チョークコイル２１３とコンデンサ２１２の強化、或いは、コンデンサの追加によって、許容可能なレベルにすることは可能である。この対策は、１次側のフィルターの強化に比較すると電圧および電流の観点からも安価に対応可能である。

以上説明したように、本実施例によれば、製品のサイズやコストを上げることなく、駆動系電源出力の端子ノイズを低減することができる。

実施例２である“レーザプリンタ”について説明する。
図５に、本実施例で用いる、レーザプリンタの電源装置の構成を示す。本実施例は、駆動系電源１２０ａはＯＮ／ＯＦＦする機能を有せず、入力電源ＯＮと共に駆動系電源１２０ａと制御系電源１２０ｃが作動する例である。

本実施例では、図５に示すように、第２の電源である制御系電源１２０ｃのフィードバック回路にあるフォトカプラ２１７の電源を第１の電源である駆動系電源１２０ａから供給するようにしている。

すなわち、実施例１と同様に、駆動系電源１２０ａのスイッチング周波数ｆａ１と重畳される制御系電源１２０ｂのリップル電圧の周波数ｆｂ２との最小公倍数が１ＭＨｚ以上になるように設定する。最小公倍数が大きい方がノイズ対策は行い易くなる。
ここでの周波数の関係が
α×ｆａ１＝β×ｆｂ２＞１ＭＨｚ（α，βは自然数）
となるように、ｆａ１とｆｂ２の回路定数を決定して設定および調整する。

また、制御系電源１２０ｃのスイッチング周波数ｆｂ１とフィードバック信号に重畳される駆動系電源のリップル電圧の周波数ｆａ２との最小公倍数が１ＭＨｚ以上になるように同様に設定する。
ここでの周波数の関係が
γ×ｆｂ１＝η×ｆａ２＞１ＭＨｚ（γ，ηは自然数）
となるように、ｆｂ１とｆａ２の回路定数を決定して設定および調整する。

前述のように構成することにより、駆動系電源１２０ａおよび制御系電源１２０ｃ共に実施例１で説明したと同様に、定常時においてスイッチングのＯＮ時間、ＯＦＦ時間がランダムになり、高調波成分の準尖頭値、平均値は非常に低くすることが可能となる。
したがって、駆動系電源および制御系電源の負荷変動の有無に関係なく、常に両電源のスイッチング周波数、デューティーが変化し、各電源の出力の端子ノイズを低く抑えることが可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、製品のサイズやコストを上げることなく、駆動系電源出力および制御系電源出力の端子ノイズを低減することができる。

実施例１で用いる電源装置の構成を示す回路図 実施例１の概略構成を示す断面図 実施例１で用いる電源装置の動作を示す図 実施例１で用いる電源装置の効果を示す図 実施例２で用いる電源装置の構成を示す回路図

符号の説明

１２０ａ 駆動系電源
１２０ｂ 制御系電源
２０６、２１６ １次側制御部
２０７、２１７ フォトカプラ
２１１、２２１ ２次側制御部

Claims (4)

1. 制御系以外の負荷に電力を供給する第１のスイッチング電源と、前記制御系の負荷に電力を供給する第２のスイッチング電源とを備えた電源装置であって、
   前記第１のスイッチング電源のフィードバック回路への電源供給を前記第２のスイッチング電源から行い、
   前記第１のスイッチング電源のスイッチング周波数ｆａ１と前記第２のスイッチング電源の出力電圧のリップル周波数ｆｂ２との関係を、
   α×ｆａ１＝β×ｆｂ２＞１ＭＨｚ（α，βは自然数）
   としたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記第１のスイッチング電源は、当該電源をＯＮ／ＯＦＦする手段を備え、前記第２の電源から電力を供給される装置制御回路により前記ＯＮ／ＯＦＦする手段を制御することを特徴とする電源装置。
3. 制御系以外の負荷に電力を供給する第１のスイッチング電源と、前記制御系の負荷に電力を供給する第２のスイッチング電源とを備えた電源装置であって、
   前記第１のスイッチング電源のフィードバック回路への電源供給を前記第２のスイッチング電源から行い、
   前記第１のスイッチング電源のスイッチング周波数ｆａ１と前記第２のスイッチング電源の出力電圧のリップル周波数ｆｂ２との関係を、
   α×ｆａ１＝β×ｆｂ２＞１ＭＨｚ（α，βは自然数）
   とし、
   前記第２のスイッチング電源のフィードバック回路への電源供給を前記第１のスイッチング電源から行い、
   前記第２のスイッチング電源のスイッチング周波数ｆｂ１と前記第１のスイッチング電源の出力電圧のリップル周波数ｆａ２との関係を、
   γ×ｆｂ１＝η×ｆａ２＞１ＭＨｚ（γ，ηは自然数）
   としたことを特徴とする電源装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電源装置を備え、前記第１のスイッチング電源により制御系以外の負荷を付勢し、前記第２のスイッチング電源により制御系の負荷を付勢することを特徴とする画像形成装置。

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