JP2010124601A - 高圧電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 周波数制御方式で圧電トランスを駆動する高圧電源装置では、昇圧比の高い周波数領域で高圧出力を制御すると、駆動周波数のばらつきが高圧出力変動に直接影響するので問題である。
【解決手段】 出力電圧の設定値の大きさに応じて、圧電トランスの昇圧比の設定を変更できるような構成を持つ。圧電トランスの出力端に出力抵抗と昇圧比変更手段を備え、高圧出力値を決定するコントローラから昇圧比変更信号を昇圧比変更手段に入力し、昇圧比を低下させる。昇圧比を低下させると出力可能な出力電圧範囲が狭くなり、周波数変動を抑えて高精度に高圧出力を制御できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子写真法を用いた複写機またはプリンタ等の電子写真装置に好適な高圧電源装置に関するものである。

電子写真装置の画像形成には、帯電、現像、転写、分離用など、複数の高電圧（以下、高圧という）が用いられている。従来の高圧電源装置では、巻線式の電磁トランスを駆動して、各高圧を出力するのが主流であった。電磁トランスの大きさはトランスの出力仕様（電圧値・電流量）に関係がある。出力仕様の電圧・電流が大きい場合、高圧に対する絶縁性を確保するため、モールド構造のトランスを使用する。このモールド構造により、トランス自体は大きくなり、コストが増大化する。高速・カラー複写機では画質品質を向上させるために、高圧の数の増加と高圧出力値の増大が生じた。よって、複写機に搭載する高圧電源装置が大きくなり、コストが増大している。

この問題を解決するために、巻線式の電磁トランスの代りに圧電トランスを用いた高圧電源装置が提案されている。圧電トランスの共振周波数ｆ０付近で圧電トランスは駆動され、出力電圧の設定値に基づき圧電トランスの駆動周波数を可変して出力を制御している（特許文献１参照）。
特開平１１−２０６１１３号公報

以上、背景で説明したように、巻線式の電磁トランスを圧電トランスに変更することで、高圧電源装置の小型化を実現した。しかしながら、周波数制御で圧電トランスを駆動した場合、駆動周波数のばらつきが高圧出力変動に直接影響するので問題である。

この問題について、詳細を図２（図は昇圧比の周波数特性を示す）で説明する。共振周波数ｆ０（１２０ｋＨｚ）の前後の周波数において圧電トランスの昇圧比が著しく変化している。この図から、昇圧比の高い領域（３０〜７０）では、昇圧比の低い領域より高精度に駆動周波数を生成しなければならないことが判る。
複写機の高圧電源の設定電圧は高圧の種類によって異なるが、低い電圧から高い電圧まで精度良く、安定した高圧出力が必要になる。例えば、転写高圧の場合、０〜４ｋＶの電圧を出力可能な高圧を使用する。出力電圧の範囲は、周囲環境（温度・湿度）で設定が異なり、高温／高湿度の環境では０〜１ｋＶ、低温／低湿度の環境では、１．５〜４ｋＶである。この転写高圧の場合、１．５〜４ｋＶの出力を昇圧比の高い領域で周波数制御すると、駆動周波数のばらつきが高圧出力変動に直接影響するので問題となっている。

本発明では、上述の問題を解決した圧電トランスを用いた高圧電源装置の提供を行う。

圧電トランスの昇圧比は、圧電トランスの出力に接続する負荷抵抗値の大きさで変化させることが可能である。

図３で、この点について説明する。負荷の抵抗値ＲＬが１ＭΩの場合には、昇圧比の最大は約７０である。これに対して、負荷の抵抗値ＲＬを小さくしていくと昇圧比の最大値が低下し、これにより昇圧比の変動の傾きが小さくなるという特徴がある。抵抗値ＲＬが４７０ｋΩでは昇圧比の最大は約４０、２２０ｋΩの場合には約２０になり、昇圧比の傾きは緩やかになる。

この特徴を生かし、出力電圧の設定値の大きさに応じて、昇圧比の設定を変更できるような構成を考案したのが、請求項１である。圧電トランス（１１）の出力端に出力抵抗（１２）と昇圧比変更手段（１３）を接続し、高圧出力値を決定するコントローラ（１８）から昇圧比変更信号を昇圧比変更手段（１３）に入力し、昇圧比を低下させることを可能とする。昇圧比変更手段（１３）内の抵抗の組合せを切り替えることで、段階的に昇圧比を変化させる構成が、請求項２である。昇圧比変更手段（１３）内の抵抗値を変更することで、直線的に昇圧比を変化させる構成が、請求項３である。

圧電トランスを周波数制御方式で駆動して、高圧出力を生成する高圧電源装置において、圧電トランスの昇圧比を変更して高圧出力を制御できる構成にしたので、昇圧比の変動が大きい領域を回避して高圧を出力させることが可能になる。これにより、昇圧比の大きくなる中高圧の出力電圧を精度良く、出力することが可能になる。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

本発明に係る圧電トランスを用いた高圧電源の構成を図１と図４に則して詳しく説明する。図１はブロック図で、図４は詳細図である。高圧電源の圧電トランス１１の出力端に、常時１ＭΩの出力抵抗１２が接続されている。この抵抗１本だけが出力端に接続されている場合は、昇圧比の最大は７０となる（昇圧比の値は図３で示す）。出力抵抗１２に対して並列に、抵抗１３ｂ又は抵抗１３ｄが接続（スイッチ１３ａ、スイッチ１３ｃで抵抗の接続を切替える）されると、抵抗１２と前記抵抗１３ｂまたは１３ｄの合成抵抗で出力抵抗値が決まり、この抵抗値に基づいて昇圧比が決まる。

昇圧比と合成した抵抗値（出力抵抗１２と昇圧比変更手段１３内の抵抗１３ｂ、抵抗１３ｄ）に下記の関係性がある場合の高圧出力の制御方法について説明する。例えば、高圧出力を４ｋＶ出力に制御を行う場合には、昇圧比が４０、または７０になるような合成抵抗を選択すれば良い。高圧出力を１ｋＶに制御する場合には、昇圧比が１０、２０、４０、７０のいずれの場合においても出力可能である。昇圧比が複数存在する電圧の場合には、昇圧比変化の著しくない合成抵抗値で、かつ、圧電トランスの温度上昇が許容できる条件を選択する。圧電トランス出力の合成抵抗値を下げると昇圧比を下げることができるが、その一方で、電力を多めに必要とするので注意が必要である。

昇圧比 ７０ → 最大出力 ７［ｋＶ］ 合成抵抗ＲＬ １ ［ＭΩ］
昇圧比 ４０ → 最大出力 ４［ｋＶ］ 合成抵抗ＲＬ ４７０［ｋΩ］
昇圧比 ２０ → 最大出力 ２［ｋＶ］ 合成抵抗ＲＬ ２２０［ｋΩ］
昇圧比 １０ → 最大出力 １［ｋＶ］ 合成抵抗ＲＬ ５０［ｋΩ］
この昇圧比の周波数特性は、同一仕様の圧電トランスであっても多少ばらつく可能性があるので、高圧電源に使用した圧電トランスの昇圧比の周波数特性データは、予め、コントローラ１８に記憶しておき制御を行う。

他の回路構成について説明する。選択した昇圧比で圧電トランス１１から出力される交流電圧を出力電圧生成手段１４に入力する。この出力電圧生成手段１４はダイオード１４ａ、１４ｂとコンデンサ１４ｃで構成されていて、図４の場合には直流電圧（プラス）を生成する。

生成された高圧出力を負荷１６に接続する。負荷１６とは、例えば複写機の転写高圧であれば、転写ローラ、転写ベルト、感光体ドラム（不図示）を示している。そして、前述の圧電トランスの出力抵抗１２と比較すると、転写の負荷１６は十分大きい抵抗値を持ち、負荷１６の抵抗値が変化しても、圧電トランス１１の昇圧比に影響を与えることはない。高圧出力には、負荷１６の他には出力電圧検出手段１５が接続されている。上記の負荷１６の抵抗値同様、出力抵抗１２より十分大きい抵抗値を選択する。出力電圧を１５ａ、１５ｂの２本の抵抗で分圧し、出力電圧の検出値をコントローラ１８と制御手段１７に入力し、安定したフィードバック制御を行う。

コントローラ１８で出力電圧を常時検出し、出力が安定した後の電圧が設定値から所定以上電圧差がある場合には制御の異常状態と見なし、出力電圧設定をＯＦＦ設定とし、昇圧比変更手段１３の抵抗１３ｂと１３ｄの接続をスイッチ１３ａ、１３ｃで切り離す昇圧比変更信号を出力する。前記、スイッチには例えばＦＥＴを使用する。正常時に出力電圧が制御できている場合には、制御手段１７にあるＯＰアンプ１７ａの入力端の電圧とコントローラ１８の出力電圧設定値が一致するよう制御が行われる。制御手段１７内のコンデンサ１７ｂ、抵抗１７ｃで出力電圧の応答性を変更可能である。

制御手段１７の制御信号は駆動手段１０に入力され、圧電トランス１１を駆動する。駆動手段１０内のＶＣＯ １０ａは電圧制御発振器の略称で、入力電圧が上がると出力周波数が上がり、入力電圧が下がると出力周波数は下がるような動作を行う。このＶＣＯ １０ａから出力される信号でトランジスタ１０ｃを駆動して、インダクタ１０ｂを介して、圧電トランス１１の入力端に電力を供給する。

本発明実施例２に係る圧電トランスを用いた高圧電源の構成を図５と図６に則して詳しく説明する。図５はブロック図で、図６は詳細図である。圧電トランスの昇圧比を直線的に可変する構成について説明する。圧電トランスの出力検出方法や圧電トランスの駆動方法は実施例１と重複するので説明を省略する。

昇圧比変更手段１３は抵抗１３ｆとトランジスタ１３ｅを直列に接続された構成で、トランジスタ１３ｅに流れる電流量を制御することで昇圧比の大きさを変更する。この昇圧比変更手段１３の構成の違いにより、実施例１と出力電圧生成手段１４と昇圧比変更手段１３の接続が異なる。圧電トランス１１の出力端に出力電圧生成手段１４を接続することで交流電圧を直流電圧に変換し、この出力に昇圧比変更手段１３を接続する。昇圧比変更手段１３にトランジスタ１３ｅがあり、一方向に電流を流すためである。

高圧電源としては、画像形成のシーケンス途中に昇圧比を変えて高圧出力を変更することも可能であるが、制御不安定になる可能性がある。よって、画像形成前の高圧ＯＦＦ時に、画像形成中に必要となる最大出力電圧に相当する昇圧比をコントローラ１８で決定し、昇圧比変更手段１３に昇圧比変更信号を送信する制御を行う。

本発明の実施例１で、圧電トランスの制御を説明するブロック図である。 圧電トランスの昇圧比と周波数の関係を説明する図である。 圧電トランスの昇圧比と負荷抵抗値ＲＬの関係を説明する図である。 本発明の実施例１で、圧電トランスの制御を説明する詳細図である。 本発明の実施例２で、圧電トランスの制御を説明するブロック図である。 本発明の実施例２で、圧電トランスの制御を説明する詳細図である。

符号の説明

１０ 駆動手段
１１ 圧電トランス
１２ 出力抵抗
１３ 昇圧比変更手段
１３ｂ 出力抵抗に平行に接続され、切替え可能な抵抗ｂ
１３ｄ 出力抵抗に平行に接続され、切替え可能な抵抗ｄ
１４ 出力電圧生成手段
１５ 出力電圧検出手段
１６ 負荷抵抗
１７ 制御手段
１８ コントローラ

Claims (3)

1. 圧電トランス（１１）と、前記圧電トランス（１１）を駆動する駆動手段（１０）と、前記駆動手段（１０）の制御を行う制御手段（１７）と、前記圧電トランス（１１）のＡＣ出力をＤＣ変換する出力電圧生成手段（１４）と、負荷（１６）に出力する電圧を検出する出力電圧検出手段（１５）と、圧電トランス（１１）の昇圧比を変更する昇圧比変更手段（１３）と、昇圧比と出力電圧を決定し制御値を出力するコントローラ（１８）とからなり、出力電圧の大きさに基づいて圧電トランス（１１）の昇圧比を設定し、かつ、出力電圧が所定電圧となるよう周波数制御を行う圧電トランスを用いたことを特徴とする高圧電源装置。
2. 前記圧電トランス（１１）の出力抵抗（１２）と、前記昇圧変更手段（１３）内にある１本以上の固定抵抗（１３ｂ、１３ｄ）の組合せで、圧電トランス（１１）の出力に接続する合成抵抗値を変えて昇圧比を段階的に可変する構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の高圧電源装置。
3. 前記圧電トランス（１１）の出力抵抗（１２）と、前記昇圧変更手段（１３）内にある可変抵抗（１３ｆ、１３ｅ）の組合せで、圧電トランス（１１）の出力に接続する合成抵抗値を変えて昇圧比を直線的に可変する構成を持つことを特徴とする請求項１に記載の高圧電源装置。

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