JP2010124677A - 画像形成装置用高圧ａｃ電源装置、画像形成装置及びカラー画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の削減と製品の安定性の向上及びコスト削減を実現した高圧ＡＣ電源装置を提供する。
【解決手段】ＩＣ１のＰＷＭフィルタ２には出力振幅設定用信号ＡＣ＿ＰＷＭが入力され設定電圧１３を生成する。設定電圧１３と出力振幅帰還信号１２の差分が差分積分器３によって蓄積される。ＡＣ信号生成部４に積分値１４と周波数設定クロックＡＣ＿ＣＬＫが入力されて、積分値１４に従って振幅を制御され、周波数設定クロックに従って周波数を制御された正弦波であるＡＣ信号１８が生成される。ＡＣ信号生成部４で生成されたＡＣ信号１８と三角波生成部５により生成された三角波１５が比較器６に入力されて、比較器６によってＰＷＭ信号１６が生成される。比較器６は一般的な差動コンパレータ等で構成する。スイッチング駆動部７ではＰＷＭ信号１６の振幅を増幅し、ＩＣ１外部に出力する。
【選択図】図４

Description

本発明は、画像形成装置内における電源装置に関し、さらに詳しくは、帯電プロセスの一方法であるＡＣ帯電のように、高圧ＡＣ電源が必要な場合の電源生成装置の小型化、高効率化に関するものである。

画像形成装置内の帯電プロセスの一方法としてＡＣ帯電があるが、このＡＣ帯電で必要となる電圧は１〜３ｋＶｐ−ｐという高圧である。通常このような高圧ＡＣ電源を生成する場合は、高圧トランスを使用する。図２５にその構成図を示す。図２４において高圧トランス１２の１次側にＡＣ信号を入力し、高圧トランス１２によって電圧がおよそ巻き数比倍されて出力される。一次側に入力されるＡＣ信号はＡ級増幅器１１によって生成される。Ａ級増幅器１１は一般に入力対出力のリニアリティはよいが、電源効率という点で劣っている。
同一出願人による発明では、このＡ級増幅器をスイッチング増幅器に置き換えることにより電源効率の改善を図っている。図２５にその場合の構成図を示す。図２５において高圧トランス１４の１次側への入力信号はフィルタ後の信号である。スイッチング増幅器１３へＰＷＭ信号が入力され、その出力をフィルタリングすることでＡＣ信号を生成している。このようにすることで出力部の貫通電流を低減し、効率の向上が期待される。
特許文献１では、交流定電圧発生装置においてデジタル制御部である三角波生成部、ＰＷＭ生成部等をＩＣ化し、部品点数を削減する手法について開示されている。
特許文献２では、時定数の大きなフィルタを集積回路内部に組み込むためにスイッチトキャパシタを利用した赤外線検出装置について開示されている。
特許文献３では、電力増幅手段をスイッチング増幅とすることで電力損失を小さく抑えている高圧電源装置について開示されている。

しかしながら、特許文献１〜３は、ＡＣ高圧電源装置にスイッチング増幅器を用いることで高効率化を実現できるが、スイッチング増幅器を用いることによりＰＷＭ信号を生成するために、三角波生成部や比較部、デッドタイム生成部といったＡ級増幅器では必要なかった部分の追加が必要となり、部品点数は増大する。それにより、電源ボード設計製作工程の長期化、コストの増大といったデメリットが懸念される。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、１００Ｈｚ程度までの低周波数の信号をフィルタすることができるスイッチトキャパシタを用いたフィルタを搭載した高圧ＡＣ回路を集積化することにより、部品点数の削減と製品の安定性の向上及びコスト削減を実現した高圧ＡＣ電源装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、周波数設定信号により出力周波数を設定され、出力電圧設定信号により出力電圧振幅を設定され、矩形波から正弦波形状の信号を生成する正弦波生成回路と、該正弦波生成回路により生成された第１の正弦波形状の信号と三角波形状の信号とを比較し該比較結果を出力する比較回路と、該比較回路の出力信号に基づいてスイッチング動作及び信号増幅を行うスイッチング増幅回路と、該スイッチング増幅回路に係る出力信号の波形形状を第２の正弦波形状の信号に変換するフィルタ回路と、該フィルタ回路の出力信号の電圧を昇圧するトランスと、該トランスの入力信号又は出力信号をモニタ用信号とし、該モニタ用信号に基づいて前記トランスの出力信号の振幅レベルが所望の振幅レベルとなるように前記比較回路に入力される前記正弦波形状の信号をフィードバック制御する制御回路とを備えたＡＣ電圧生成部と、帯電装置の帯電電位となるＤＣ電圧を生成するＤＣ電圧生成部とを備え、ＡＣ電圧生成部で生成したＡＣ電圧とＤＣ電圧生成部で生成したＤＣ電圧を重畳させて出力する画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、前記正弦波生成回路は、スイッチトキャパシタを用いたフィルタ回路と、基準信号として周波数設定信号が入力され、該スイッチトキャパシタのサンプリングクロックを生成するＰＬＬ回路とを備え、フィルタの遮断周波数が高圧ＡＣ電源装置の出力周波数設定に追従して変化し、帯電装置の帯電電位の変動を抑制することを特徴とする。

請求項２は、請求項１に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置を１つのユニットとした場合に、印刷条件の異なる画像形成装置においても共通ユニットに出来ることを特徴とする。
請求項３は、請求項１または請求項２に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において高圧ＡＣ電圧生成部のスイッチング増幅回路の出力信号にデッドタイムを生成するデッドタイム生成機能を有することを特徴とする。
請求項４は、前記出力振幅設定用信号がＰＷＭ信号であることを特徴とする。
請求項５は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、ＡＣ電圧生成部の、正弦波形状の信号と三角波形状の信号を比較し、その比較結果を出力する比較回路と比較回路の出力信号に基づいてスイッチング動作及び信号増幅を行うスイッチング増幅回路と前記スイッチング増幅回路の出力信号の波形形状を正弦波形状に変換するスイッチトキャパシタを用いたフィルタ回路と前記スイッチトキャパシタのサンプリングクロックを生成するＰＬＬ回路と前記トランスの入力信号または出力信号をモニタ用信号とし、該モニタ用信号に基づいて、前記トランスの出力信号の振幅レベルが所望の振幅レベルとなるように前記比較回路に入力される前記第１信号をフィードバック制御する制御回路とを集積回路化したことを特徴とする。
請求項６は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の高圧ＡＣ電源装置において、ＡＣ電圧生成部の、正弦波形状の信号と三角波形状の信号を比較し、その比較結果を出力する比較回路と比較回路の出力信号に基づいてスイッチング動作及び信号増幅を行うスイッチング増幅回路と前記スイッチング増幅回路の出力信号の波形形状を正弦波形状に変換するスイッチトキャパシタを用いたフィルタ回路と前記スイッチトキャパシタのサンプリングクロックを生成するＰＬＬ回路と前記トランスの入力信号または出力信号をモニタ用信号とし、該モニタ用信号に基づいて、前記トランスの出力信号の振幅レベルが所望の振幅レベルとなるように前記比較回路に入力される前記第１信号をフィードバック制御する制御回路とＤＣ電圧生成部のＤＣ用トランス駆動部を集積回路化したことを特徴とする。

請求項７は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の高圧ＡＣ電源装置において、矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタから構成されることを特徴とする。
請求項８は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、矩形波から正弦波を生成する回路がスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成されることを特徴とする。
請求項９は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成されることを特徴とする。
請求項１０は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、スイッチトキャパシタの容量素子は、いずれもＭＯＳ容量であることを特徴とする。
請求項１１は、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置を帯電装置に用いた画像形成装置を特徴とする。
請求項１２は、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置を帯電装置に用いたカラー画像形成装置を特徴とする。

本発明によれば、画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置の出力信号の波形形状を正弦波形状に変換する回路を、スイッチトキャパシタを用いたフィルタとスイッチトキャパシタのサンプリングクロックを生成するＰＬＬによって構成することで、同一の画像形成装置の機種において画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置の出力周波数設定にスイッチトキャパシタフィルタの遮断周波数を追従させることで、スイッチトキャパシタのサンプリング周波数が高圧ＡＣ電源装置の出力周波数設定に追従して変化する適応型フィルタとなり、高圧ＡＣ電源装置の出力周波数設定を変更しても正弦波への高調波成分の混入が低減し、ＡＣ高圧電源装置の出力波形の歪みを低減し、画像形成装置用ＡＣ高圧電源装置の帯電電位を決めるＤＣ電位を設定値と一致させることで、出力周波数設定によらず、出力画像の濃度を一定に保つことが出来る画像形成装置を実現出来る。
また、機種ごとに異なる出力周波数にも対応できるため回路構成（フィルタ定数等）を最適化する必要が無くなり、同一構成の画像形成装置用ＡＣ高圧電源装置を異なる機種に搭載する事が可能となり、電源ボード設計製作工程を短期化することが出来る。
また、高圧ＡＣ電源装置において出力にスイッチング増幅回路を用いることで高効率な増幅が可能になるが、ｐｃｈとｎｃｈのタイミングのずれによって貫通電流が流れる場合がある、そこで増幅スイッチング増幅回路の出力信号にデッドタイムを生成するデッドタイム生成機能を有することでスイッチング増幅回路に貫通電流が流れるのを抑えられ、更なる高効率化を実現できる。

また、高圧ＡＣ電源装置においてＡＣ出力振幅をＰＷＭ信号のデューティー比によって決めることによりＡＣ出力振幅を設定するための信号線が一本で構成できるため、集積回路化する場合には端子数を少なく抑えられると言う利点がある。ＰＷＭ信号であれば信号線は１本でよく、一般的なシリアル通信よりも信号線数を減らすことができる。
また、高圧ＡＣ電源装置においてＡＣ電圧生成部のスイッチング増幅回路、制御回路を１つの集積回路とすることによって部品点数が削減できる。また製品の安定性向上、および部品点数削減によるコスト削減も期待できる。また部品点数削減により、電源ボード設計製作工程の短期化、コストの削減といった利点もある。
また、高圧ＡＣ電源装置においてＡＣ電圧生成部のスイッチング増幅回路、制御回路等から構成されるＡＣ用トランス駆動部とＤＣ電圧生成部のＤＣ用トランス駆動部を１つの集積回路とすることによって更なる部品点数が削減できる。また製品の安定性向上、および部品点数削減によるコスト削減も期待できる。また部品点数削減により、電源ボード設計製作工程の短期化、コストの削減といった利点もある。
また、高圧ＡＣ電源装置において矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタから構成されることによって矩形波をスイッチトキャパシタで所定のサンプリング周期でサンプリング（標本化）することにより発生する折り返し雑音を除去できる。

また、高圧ＡＣ電源装置において矩形波から正弦波を生成する回路がスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成されることによってスイッチトキャパシタで生じるスイッチングノイズを除去できる。
また、高圧ＡＣ電源装置において矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成されることによって矩形波をスイッチトキャパシタで所定のサンプリング周期でサンプリング（標本化）することにより発生する折り返し雑音を除去できて、更にスイッチトキャパシタで生じるスイッチングノイズを除去できる。
また、高圧ＡＣ電源装置においてスイッチトキャパシタの容量素子は、いずれもＭＯＳ容量であることによって容量の設計精度が上がりより高精度なフィルタを構成することができる。
また、画像形成装置において、本発明の高圧ＡＣ電源装置を用いることで、帯電装置の省電力化を実現できる。
また、カラー画像形成装置において、本発明の高圧ＡＣ電源装置を用いることで、帯電装置の省電力化を実現できる。

本発明を用いる画像形成装置用帯電装置の例を示す図である。 図１のような画像形成装置用帯電装置において、ＤＣ電圧生成部５０で−１ｋＶのＤＣ電圧を生成し、ＡＣ電圧生成部５１で振幅１．６ｋＶのＡＣ電圧を生成した時の帯電装置にかかる電圧波形の例を示す図である。 図１のような画像形成装置用帯電装置において、ＤＣ電圧生成部５０で−１ｋＶのＤＣ電圧を生成し、ＡＣ電圧生成部５１で振幅１．６ｋＶのＡＣ電圧を生成した時の帯電装置にかかる電圧波形の例を示す図である。 本発明の実施例の一つで高圧ＡＣ電源装置を説明するブロック構成図である。 （ａ）は図４のＡＣ信号生成部の構成例を示す図、（ｂ）は振幅制御クロック生成部の構成例を示す図、（ｃ）は差分積分器の構成例を示す図である。 ２次のローパスフィルタのブロック線図である。 スイッチトキャパシタにより構成された積分器の一例を示す図である。 図６のブロック線図の積分器をスイッチトキャパシタ積分器ａ、ｂ、ｃを容量に置き換えて構成したスイッチトキャパシタを用いた２次のローパスフィルタを示す図である。 矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタで構成された例を示す図である。 矩形波から正弦波を生成する回路がスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成された例を示す図である。 矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタ２４とスイッチトキャパシタを用いたフィルタ２５と後置フィルタ２７から構成された例を示す図である。 スイッチトキャパシタを利用したフィルタを多段にした構成例を示す図である。 １次のローパスフィルタの構成例を示す図である。 ＩＣ内部の三角波生成部の構成例を示す図である。 従来のスイッチング駆動部の構成例を示す図である。 デッドタイム生成部分とスイッチング駆動部を組み合わせた回路の構成例を示す図である。 デッドタイム生成のタイミングチャートである。 本発明の実施例の一つで高圧ＡＣ電源装置を説明するブロック構成図である。 ＡＣ信号生成部とＳＣクロック生成部の構成例を示す図である。 遮断周波数の周波数特性を示す図である。 サンプリング周波数を１０倍にした場合のスイッチトキャパシタフィルタの遮断周波数の変化を示す図である。 本発明の画像形成装置の構成例を示す図である。 高圧ＡＣ電圧生成部と高圧ＤＣ電圧生成部のトランス駆動部を１つの集積回路化した帯電装置の図である。 従来のＡ級増幅器＋高圧トランスの構成を示す図である。 従来のスイッチング増幅器＋高圧トランスの構成を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明を用いる画像形成装置用帯電装置の例である。画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置はＤＣ電圧を生成するＤＣ電圧生成部５０とＡＣ電圧を生成するＡＣ電圧生成部５１から構成される。ＤＣ電圧生成部５０では感光体ドラム５２に帯電したいＤＣ電圧を生成し、ＡＣ電圧生成部５１では印刷条件（印刷速度など）に応じた周波数の正弦波を生成し、ＤＣ電圧生成部５０で生成したＤＣ電圧にＡＣ電圧生成部５１で生成したＡＣ電圧を重畳した出力を帯電ローラ５３に与えることで感光体ドラム５２を帯電する。
図２は図１のような画像形成装置用帯電装置において、ＤＣ電圧生成部５０で−１ｋＶのＤＣ電圧を生成し、ＡＣ電圧生成部５１で振幅１．６ｋＶのＡＣ電圧を生成した時の帯電装置にかかる電圧波形の例である。ＡＣ電圧生成部５１で生成したＡＣ波形の偶数次高調波が小さく抑えられているため、ＤＣ電圧−１ｋＶに振幅１．６ｋＶのＡＣ電圧を重畳させた出力の積分値（振幅の中心値と等しい）が−１ｋＶとなり、その電圧が感光体ドラム５２に帯電される。

図３は同様に図１のような画像形成装置用帯電装置において、ＤＣ電圧生成部５０で−１ｋＶのＤＣ電圧を生成し、ＡＣ電圧生成部５１で振幅１．６ｋＶのＡＣ電圧を生成した時の帯電装置にかかる電圧波形の例である。ＡＣ電圧生成部５１で生成したＡＣ波形の偶数次高調波成分が大きくＤＣ電圧−１ｋＶに振幅１．６ｋＶのＡＣ電圧を重畳させた出力の積分値（振幅の中心値とは異なる）が−１．１ｋＶとなり、その電圧が感光体ドラム５２に帯電される。つまり、ＡＣ電圧生成部５１で生成したＡＣ波形の偶数次高調波成分が多い場合には感光体に帯電される電圧が、ＤＣ電圧生成部５０で生成したＤＣ電圧からずれてしまう。そして帯電される電圧がＤＣ電圧からずれると、画像濃度の均一性が保てないために、濃度むらの無い良好な画像が得られない。
図４は、本発明の実施例の一つで高圧ＡＣ電源装置を説明するブロック構成図である。図４においてＩＣ１はＰＷＭフィルタ２、差分積分器３、ＡＣ信号生成部４、三角波生成部５、比較器６、スイッチング駆動部７から構成されている。ＩＣ１のＰＷＭフィルタ２には出力振幅設定用信号ＡＣ＿ＰＷＭが入力され設定電圧１３を生成する。設定電圧１３と出力振幅帰還信号１２の差分が差分積分器３によって蓄積される。ＡＣ信号生成部４に積分値１４と周波数設定クロックＡＣ＿ＣＬＫが入力されて、積分値１４に従って振幅を制御され、周波数設定クロックに従って周波数を制御された正弦波であるＡＣ信号１８が生成される。ＡＣ信号生成部４で生成されたＡＣ信号１８と三角波生成部５により生成された三角波１５が比較器６に入力されて、比較器６によってＰＷＭ信号１６が生成される。比較器６は一般的な差動コンパレータ等で構成する。スイッチング駆動部７ではＰＷＭ信号１６の振幅を増幅し、ＩＣ１外部に出力する。増幅されたＰＷＭ信号１７はＬＰＦ８によって正弦波に変換され高圧トランス１０を駆動する。高圧トランス１０では正弦波の振幅が増幅され、周波数設定クロックＡＣ＿ＣＬＫに従った周波数を持つ高電圧交流出力１１が出力される。高圧トランス１０では巻き線比によって電圧が増幅されるため、高圧トランス１０での増幅率を高めると巻き線の巻き数が増加し、結果的に部品が大きくなり、ボードの面積も大きくなってしまう。そこでＩＣ１内部で、できるだけ高い電圧に増幅してＩＣ１から出力することによって、高圧トランス１０の大きさを抑え、ボードの面積を抑えられる。またＩＣ１内部では高い電源電圧で動作するブロックが多くなると、それだけ消費電力が高くなるため、スイッチング駆動部７以外は低い電源電圧で動作させることで低消費電力化が実現できる。

図５（ａ）は図４のＡＣ信号生成部の構成例の一つである。振幅制御クロック生成部２０ではＤＣ電圧（積分値）１４に従った出力振幅で周波数設定クロックＡＣ＿ＣＬＫに従った周波数を持つ矩形波が生成される。その矩形波からローパスフィルタ２１を通し矩形波の高調波成分を除去し基本波を残すことで正弦波を生成する。理想的な矩形波はフーリエ展開をすると奇数倍の周波数の正弦波の和で表現される。そこで理想的な矩形波の第３次高調波以降の高調波をローパスフィルタ２１のよって除去すると基本波だけが残り正弦波となる。このローパスフィルタ２１で除去する周波数が数百Ｈｚと小さい場合には、フィルタの時定数を大きくする必要がある。時定数の大きなフィルタを集積回路内部のＲＣフィルタで構成するのはＲ、Ｃのサイズが大きくなることと、Ｒの抵抗値、Ｃの容量値のバラツキが大きくなるため現実的ではない。そこでスイッチトキャパシタを利用したローパスフィルタを用いる。スイッチトキャパシタでは容量の比とサンプリング周波数によって時定数を設定できるため集積回路化には有利である。
図５（ｂ）は振幅制御クロック生成部の構成例である。ＶｃｏｎｔにはＤＣ電圧が与えられＡＣ＿ＣＬＫがスイッチングすることで（Ｖｃｏｎｔ−グランドレベル）の振幅を持つクロックが生成される。Ｖｃｏｎｔによって振幅を制御されたクロックが生成できる。
図５（ｃ）は差分積分器の構成例である。Ｖｉｎ１とＶｉｎ２の差分を積分しＶｏｕｔに出力する。

図６は２次のローパスフィルタのブロック線図である。伝達関数は、
Ｈ（Ｓ）＝ｃ／（ｓ＾２＋ｂｓ＋ａ）・・・（１）
となる、ブロック線図の積分器２２、２３をスイッチトキャパシタにより構成する。
図７はスイッチトキャパシタにより構成された積分器の一例である。スイッチｓ１とｓ３、ｓ２とｓ４は交互にオンとオフが切り替わる。ｓ１とｓ３がオンしている間は容量Ｃ１に電荷が充電され、ｓ２とｓ４がオンしている間はＣ１の電荷がＣ２に移動する。ｓ１、ｓ３のオンとｓ２、ｓ４のオンを交互に繰り返しＣ２に電荷が蓄積される。スイッチの切替はサンプリング周波数ｆｓに従う。
図８は図６のブロック線図の積分器をスイッチトキャパシタ積分器、ａ、ｂ、ｃを容量に置き換えて構成したスイッチトキャパシタを用いた２次のローパスフィルタである。スイッチトキャパシタを利用したフィルタを図４のＰＷＭフィルタにも適応することもできる。

図９は矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタで構成された例である。スイッチトキャパシタは、サンプリングクロックを持ち、サンプリングクロックの周波数であるサンプリング周波数ｆｓの２分の１よりも速い周波数が入力されると折り返し雑音が発生する。そこで前置フィルタ２４を用いてｆｓの２分の１より速い周波数を除去することによって折り返し雑音の発生を防ぐことが出来る。前置フィルタ２４はスイッチトキャパシタを用いたフィルタに比べ低い時定数で良いためＲＣフィルタでの構成も可能である。
図１０は矩形波から正弦波を生成する回路がスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成された例である。スイッチトキャパシタを用いたフィルタにおいては、サンプリングクロックに起因するクロックノイズが発生するため、スイッチトキャパシタを用いたフィルタの後段に、後置フィルタ２７を設けクロックノイズを除去する必要がある。後置フィルタ２７も同様にスイッチトキャパシタを用いたフィルタに比べ低い時定数で良いためＲＣフィルタでの構成も可能である。
図１１は矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタ２４とスイッチトキャパシタを用いたフィルタ２５と後置フィルタ２７から構成された例である。

図１２はスイッチトキャパシタを利用したフィルタを多段にした構成例である。図１２において１段目には折り返し雑音防止のために前置フィルタ２４、２段目には１次のローパスフィルタ２８、３段目に２次のローパスフィルタ２５を持つ構成となっている。ここで３段目のスイッチトキャパシタを用いたローパスフィルタのサンプリング周波数をｆｓ、２段目のスイッチトキャパシタを用いたローパスフィルタのサンプリング周波数をｆａとすると、３段目の２次のローパスフィルタの折り返し雑音防止のために２段目のローパスフィルタの遮断周波数をｆｓ／２以下とする。更に２段目の１次のローパスフィルタの折り返し雑音防止のために１段目のローパスフィルタの遮断周波数ｆａ／２以下とする。ここでｆａをｆｓよりも遅い周波数に設定することによって１段目のローパスフィルタの時定数を小さく設定することが可能となり、ＲＣフィルタのサイズを小さくすることが可能となる。
速いサンプリング周波数ｆｓでサンプリングを行い、その後ｆｓよりも遅い周波数ｆａでフィルタを動作させる。１次のローパスフィルタの構成例を図１３に示す。ｓ１とｓ２を交互にオンとオフを切り替えることで、ｓ１、ｓ２、Ｃ１で擬似抵抗を構成し、ＲＣフィルタのように動作する。

図１４はＩＣ内部の三角波生成部の構成例である。発振回路はシュミット型コンパレータを用い、立ち上がり用ＰｃｈＴｒを小電流電流源として動作させることで立ち上がりの遅い三角波を生成する。図１４のＩ１とＣ１の値によって三角波の周波数が決定され、シュミット型コンパレータの閾値電圧ＶＨとＶＬが三角波の振幅となる。三角波の周波数は以下の計算式で決定される。
ｆｔｒｉ＝Ｉ１／（ＶＨ−ＶＬ）／Ｃ１
図１５は従来のスイッチング駆動部の構成例である。ＰＷＭ信号がオンからオフ、またはオフからオンに切り替わる瞬間短い時間ではあるがｐｃｈトランジスタとｎｃｈトランジスタが同時にオンし貫通電流が流れる。スイッチング駆動部は数百ｍＡオーダーの電流を消費するために一瞬であっても大きな電力を消費し電力効率低下の原因になる。

図１６はデッドタイム生成部分とスイッチング駆動部を組み合わせた回路の構成例である。ＰＷＭ信号に対する出力は図１７のようになる。デッドタイム生成部Ｈはインバーターのｎｃｈトランジスタとグランドの間に電流源、出力とグランドの間に容量が追加された形になっておりＰＷＭの立ち上がり、つまりＨｓｉｄｅの立ち下がり時は電流源の電流により容量の放電が起きるため、電流値を調整することでＨｓｉｄｅの立ち下がりタイミングを遅らせることが出来る。反対にＰＷＭの立ち下がり時には、Ｌｓｉｄｅの立ち上がりタイミングを遅らせることが出来る。デッドタイム生成部Ｈとデッドタイム生成部Ｌを組み合わせることで、図１７にあるように立ち上がり時のデッドタイムｄＴｒ、立ち下がり時のデッドタイムＤｔｆが生成されて、スイッチング駆動部のｎｃｈトランジスタとｐｃｈトランジスタが同時にオンすることを防げる。

図１８は、本発明の実施例の一つで高圧ＡＣ電源装置を説明するブロック構成図である。図１８においてＩＣ１ａはＰＷＭフィルタ２、差分積分器３、ＡＣ信号生成部４、三角波生成部５、比較器６、デッドタイム生成部３１、スイッチング駆動部７から構成されている。ＩＣ１ａのＰＷＭフィルタ２には出力振幅設定用信号ＡＣ＿ＰＷＭが入力され設定電圧を生成する。設定電圧と出力振幅帰還信号１２の差分が差分積分器３によって蓄積される。ＡＣ信号生成部４は図８のようなスイッチトキャパシタを用いたフィルタにより構成されており、ＳＣクロック生成部３０でスイッチトキャパシタのサンプリング周波数を生成する。ＳＣクロック生成部３０にＰＬＬを利用することで、スイッチトキャパシタのサンプリング周波数を変化させることが可能になり、フィルタの帯域を可変にできる。ＡＣ信号生成部４では矩形波から正弦波を生成する。正弦波の周波数はＡＣ＿ＣＬＫの周波数である。ＡＣ信号生成部４で生成された正弦波１８と三角波生成部５により生成された三角波１５が比較器６に入力されて、比較器６によってＰＷＭ信号１６が生成される。デッドタイム生成部３１ではＰＷＭ信号１６にデッドタイムを付加する。スイッチング駆動部７ではデッドタイムを持つＰＷＭ信号の振幅を増幅しＩＣ外部に出力する。増幅されたＰＷＭ信号は、ＬＰＦ８によって正弦波に変換され高圧トランス１０を駆動する。高圧トランス１０では正弦波の振幅が増幅され周波数設定クロックＡＣ＿ＣＬＫに従った周波数を持つ高電圧交流出力１１が出力される。

図１９にＡＣ信号生成部とＳＣクロック生成部の構成例を示す。ＡＣ＿ＣＬＫと同じ周波数の正弦波をスイッチトキャパシタフィルタ３３により生成する。スイッチトキャパシタフィルタ３３が図８に示すような２次のローパスフィルタの場合、スイッチトキャパシタのサンプリング周波数をｆｓとすると、スイッチトキャパシタを用いた２次のローパスフィルタの遮断周波数ｆｃは
ｆｃ＝ｆｓ×（√（Ｃａ×Ｃ３）／（２π×Ｃ））・・・（２）
と表される。ａ、ｂ、ｃは容量値の比で設定できるという利点がある。またａ、ｂ、ｃはそれぞれ、
ａ＝Ｃａ＊Ｃ３／Ｃ＾２＊ｆｓ＾２
ｂ＝Ｃｂ／Ｃ＊ｆｓ
ｃ＝Ｃｃ＊Ｃ３／Ｃ＾２＊ｆｓ＾２
と表される。

また、２次のローパスフィルタの伝達関数の絶対値が１となるように規格化した伝達関数の一般形は
Ｈ（Ｓ）＝ωｐ＾２／（ｓ＾２＋ωｐ／Ｑ＊ｓ＋ωｐ＾２）・・・（３）
と表される。（１）と（３）にａ、ｂ、ｃを代入してＱを求めると
Ｑ＝√（Ｃ３＊Ｃａ）／Ｃｂ・・・（４）
と表される。
ここで１ｋＨｚの高圧ＡＣ電源を得る例を示す。１ｋＨｚの矩形波から正弦波を得るために図８に示すスイッチトキャパシタを用いた２次ローパスフィルタを用いる。Ｃａ＝０．２ｐＦ、Ｃｂ＝０．０８４ｐＦ、Ｃｃ＝０．１ｐＦ、Ｃ３＝０．１ｐＦ、Ｃ＝１０ｐＦ、ｆｓ＝５００ｋＨｚの時の遮断周波数を計算するとｆｃ＝１．１２５ｋＨｚとなり、Ｑ＝１．６となる。Ｑを１より大きくすることで２次のローパスフィルタの周波数特性は、図２０のように遮断周波数ｆｃ付近でピークを持つ、このピークに高圧ＡＣ電源装置の出力周波数を合わせることで、高調波成分の小さい正弦波を得ることが出来る。ｆｃとＱは式（２）、（４）から容量の比によって自由に設定できる。

式（２）の右辺において、ｆｓ以外は固定値なのでスイッチトキャパシタフィルタの遮断周波数ｆｃは、サンプリング周波数ｆｓと比例関係となる。図１９の例では、スイッチトキャパシタフィルタのサンプリング周波数はＰＬＬ３４により生成される。フィルタを用いて矩形波から正弦波を生成する場合には、入力される周波数の変化に合わせてフィルタの遮断周波数を変える必要がある。例えば図１９ではＡＣ＿ＣＬＫの周波数が１０倍になった時には、スイッチトキャパシタフィルタの遮断周波数を１０倍にする必要がある。スイッチトキャパシタフィルタの遮断周波数を１０倍にするには、式（２）からサンプリング周波数を１０倍すれば良い。

図２０にサンプリング周波数のスイッチトキャパシタフィルタの遮断周波数の変化を示す。図２１にサンプリング周波数を１０倍にした場合のスイッチトキャパシタフィルタの遮断周波数の変化を示す。ここでＰＬＬ３４の設定を固定して、ＡＣ＿ＣＬＫの固定倍（例えば１０００倍）の周波数をサンプリング周波数とすることで、ＡＣ＿ＣＬＫの周波数とスイッチトキャパシタフィルタのサンプリング周波数ｆｓとの関係も比例関係になり、ＡＣ＿ＣＬＫの周波数とスイッチトキャパシタの遮断周波数の関係も比例関係となるため、ＡＣ＿ＣＬＫの周波数によって自動的にフィルタの遮断周波数が決まる。
図２２は本発明の画像形成装置の構成例を示す図である。図２２を参照すると、感光体ドラム４１の周囲には、感光体を高圧に帯電するＡＣ帯電装置４９、ＤＣ帯電装置４２、画像データを露光する光走査装置５０、光走査装置により記録された静電潜像に帯電したトナーを付着して顕像化する現像装置４４、感光体ドラム４１に付着したトナーを紙に転写する転写装置４５、感光体ドラム４１に残ったトナーを掻き取り備蓄するクリーニング装置６が配置されている。
図２３は高圧ＡＣ電圧生成部５４のＡＣ用トランス駆動部５５と、帯電装置の帯電電位として使用するＤＣ電圧を生成する高圧ＤＣ電圧生成部５６のＤＣ用トランス駆動部５７を１つの集積回路とした例である。ＡＣ電圧生成部５４とＤＣ電圧生成部５６のトランス駆動部５７を１つの集積回路とすることで、回路の部品点数を大幅に削減できる、また部品点数削減により、電源ボード設計製作工程の短期化、コストの削減といった利点もある。

１ ＩＣ、２ ＰＷＭフィルタ、３ 差分積分器、４ ＡＣ信号生成部、５ 三角波生成部、６ 比較器、７ スイッチング駆動部、８ ＬＰＦ、９ 整流器、１０ 高圧トランス、１１ 高圧ＡＣ電源出力、１２ 出力振幅帰還信号、１３ 設定電圧、１４ 積分値、１５ 三角波、１６ ＰＷＭ、１７ 増幅されたＰＷＭ、１８ ＡＣ信号

特開２００３−３３３８５８公報 特開２００１−０９９７０７公報 特許第３５７２８６３号

Claims (12)

1. 周波数設定信号により出力周波数を設定され、出力電圧設定信号により出力電圧振幅を設定され、矩形波から正弦波形状の信号を生成する正弦波生成回路と、該正弦波生成回路により生成された第１の正弦波形状の信号と三角波形状の信号とを比較し該比較結果を出力する比較回路と、該比較回路の出力信号に基づいてスイッチング動作及び信号増幅を行うスイッチング増幅回路と、該スイッチング増幅回路に係る出力信号の波形形状を第２の正弦波形状の信号に変換するフィルタ回路と、該フィルタ回路の出力信号の電圧を昇圧するトランスと、該トランスの入力信号又は出力信号をモニタ用信号とし、該モニタ用信号に基づいて前記トランスの出力信号の振幅レベルが所望の振幅レベルとなるように前記比較回路に入力される前記正弦波形状の信号をフィードバック制御する制御回路とを備えたＡＣ電圧生成部と、
   帯電装置の帯電電位となるＤＣ電圧を生成するＤＣ電圧生成部とを備え、
   ＡＣ電圧生成部で生成したＡＣ電圧とＤＣ電圧生成部で生成したＤＣ電圧を重畳させて出力する画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、
   前記正弦波生成回路は、スイッチトキャパシタを用いたフィルタ回路と、基準信号として周波数設定信号が入力され、該スイッチトキャパシタのサンプリングクロックを生成するＰＬＬ回路とを備え、フィルタの遮断周波数が高圧ＡＣ電源装置の出力周波数設定に追従して変化し、帯電装置の帯電電位の変動を抑制することを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置を１つのユニットとした場合に、印刷条件の異なる画像形成装置においても共通ユニットに出来ることを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において高圧ＡＣ電圧生成部のスイッチング増幅回路の出力信号にデッドタイムを生成するデッドタイム生成機能を有することを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
4. 前記出力振幅設定用信号がＰＷＭ信号であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、
   ＡＣ電圧生成部の、正弦波形状の信号と三角波形状の信号を比較し、その比較結果を出力する比較回路と比較回路の出力信号に基づいてスイッチング動作及び信号増幅を行うスイッチング増幅回路と前記スイッチング増幅回路の出力信号の波形形状を正弦波形状に変換するスイッチトキャパシタを用いたフィルタ回路と前記スイッチトキャパシタのサンプリングクロックを生成するＰＬＬ回路と前記トランスの入力信号または出力信号をモニタ用信号とし、該モニタ用信号に基づいて、前記トランスの出力信号の振幅レベルが所望の振幅レベルとなるように前記比較回路に入力される前記第１信号をフィードバック制御する制御回路とを集積回路化したことを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の高圧ＡＣ電源装置において、
   ＡＣ電圧生成部の、正弦波形状の信号と三角波形状の信号を比較し、その比較結果を出力する比較回路と比較回路の出力信号に基づいてスイッチング動作及び信号増幅を行うスイッチング増幅回路と前記スイッチング増幅回路の出力信号の波形形状を正弦波形状に変換するスイッチトキャパシタを用いたフィルタ回路と前記スイッチトキャパシタのサンプリングクロックを生成するＰＬＬ回路と前記トランスの入力信号または出力信号をモニタ用信号とし、該モニタ用信号に基づいて、前記トランスの出力信号の振幅レベルが所望の振幅レベルとなるように前記比較回路に入力される前記第１信号をフィードバック制御する制御回路とＤＣ電圧生成部のＤＣ用トランス駆動部を集積回路化したことを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の高圧ＡＣ電源装置において、矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタから構成されることを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、矩形波から正弦波を生成する回路がスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成されることを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
9. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、矩形波から正弦波を生成する回路が前置フィルタとスイッチトキャパシタを用いたフィルタと後置フィルタから構成されることを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
10. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置において、スイッチトキャパシタの容量素子は、いずれもＭＯＳ容量であることを特徴とする画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置を帯電装置に用いたことを特徴とする画像形成装置。
12. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の画像形成装置用高圧ＡＣ電源装置を帯電装置に用いたことを特徴とするカラー画像形成装置。

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