JP2010268545A

JP2010268545A - 高圧電源装置

Info

Publication number: JP2010268545A
Application number: JP2009116001A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shima; 孝一島; Hiroaki Onitsuka; 博明鬼束
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp; Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】複数の圧電トランスからの出力電圧間における干渉を抑制することが可能な高圧電源装置を提供すること。
【解決手段】複数の圧電トランス４０、８０及び１２０と、圧電トランスの各々に接続され、接続された圧電トランスの各々を駆動させる複数の駆動回路３０、７０及び１１０と、圧電トランスの出力電圧に応じて、圧電トランスが同期運転するように圧電トランスの駆動周波数を生成する周波数生成回路１０とを具備し、周波数生成回路は駆動回路に共通して設けられている高圧電源装置である。複数の圧電トランスを同期運転させることで、出力電圧間における干渉を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は高圧電源装置に関する。

画像形成装置には、カラー化・高速化・高画質化・機器の小型化等が要求されている。こうした要求に応えるため、画像形成装置の高圧電源装置には圧電トランスが用いられるようになってきた。圧電トランスは磁気トランスと比較して、小型化・軽量化が可能であり、また低ノイズで不燃性であるという利点がある。特に、ＣＭＹＫ（シアン、マゼンタ、イエロー及びブラック）の各色ごとにエンジンを設けたタンデム型の画像形成装置では多出力に対応するため複数の圧電トランスを用いることがある。

特許文献１には、駆動させる圧電トランスと共振周波数が等しい圧電トランスを周波数発生回路に用いた技術が開示されている。特許文献２には、外部からのクロック信号により圧電トランスへの入力電圧の周波数を決定し、外部からのＰＷＭ信号により高圧電源装置の出力電圧のオン、オフ及び可変を行う技術が開示されている。特許文献３には、周波数を決定する調整演算手段を用いる技術が開示されている。特許文献４には、共振周波数の差が３００Ｈｚ以下の複数の圧電トランスを用いる技術が開示されている。

特開２００６−１２９６７３号公報特開２００７−６０８１２号公報特開平１１−１２２９１４号公報特開２００２−２９１２５３号公報

本発明は、複数の圧電トランスの出力電圧間における干渉を抑制することが可能な高圧電源装置の提供を目的とする。

請求項１の高圧電源装置は、複数の圧電トランスと、前記複数の圧電トランスの各々を駆動させる複数の駆動回路と、前記複数の圧電トランスの出力電圧に応じて、前記複数の圧電トランスが同期運転するように前記複数の圧電トランスの駆動周波数を生成する周波数生成回路とを具備し、前記周波数生成回路は前記複数の駆動回路に共通して設けられていることを特徴とする。

請求項２の高圧電源装置は、前記周波数生成回路は、前記複数の圧電トランスのうち選択された一つの圧電トランスの駆動周波数を検出し、前記検出した駆動周波数を示す信号を前記複数の駆動回路に出力することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、複数の圧電トランスの出力電圧間における干渉を抑制することが可能な高圧電源装置を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、複数の圧電トランスの共振周波数に差異がある場合でも、昇圧比を高く駆動させることができる。

図１は実施例に係る高圧電源装置のブロック図である。図２は実施例に係る高圧電源装置の回路構成例を示す図である。図３は実施例に係る高圧電源装置を動作させた際の信号を例示した図である。図４（ａ）から図４（ｄ）は高圧電源装置を動作させた際の信号の拡大図である。図５（ａ）から図５（ｄ）は高圧電源装置を動作させた際の信号の拡大図である。図６は高圧電源装置を動作させた際の信号の拡大図である。図７は圧電トランスの周波数特性を示す図である。図８は比較例に係る高圧電源装置のブロック図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１は実施例に係る高圧電源装置のブロック図である。図１に示すように、実施例に係る高圧電源装置は三つの圧電トランス４０、８０及び１２０を有している。なお、図１では圧電トランスは三つであるが、さらに多くの圧電トランスを備えていてもよい。例えば、以下の説明では、圧電トランス４０はＣＭＹＫのうちのＣ用、圧電トランス８０はＭ用、及び圧電トランス１２０はＹ用の高圧電源を生成するものとする。Ｋに対応する部分は省略する。各圧電トランス４０、８０及び１２０の一次端子には、各圧電トランスを駆動する駆動回路３０、７０及び１１０の各々が接続されている。

高圧電源装置のうち、Ｃに対応する部分の構成について説明する。トランジスタ２４のエミッタはスイッチ２２に、コレクタは駆動回路３０に各々接続されている。駆動回路３０は、トランジスタ２４を介して例えば電圧２４Ｖの入力電圧が入力されたことに応じて、圧電トランス４０の一次端子に駆動信号を出力する。圧電トランス４０は駆動信号が入力されたことに応じて、駆動周波数により定められる昇圧比で駆動信号の電圧（駆動電圧）の昇圧を行い、二次端子から出力電圧を出力する。出力電圧はダイオード４２、４３及び抵抗４４を介して平滑される。同様に、トランジスタ６４のエミッタはスイッチ６２に、コレクタは駆動回路７０に各々接続されている。Ｍ及びＹに対応する部分についても同様の構成である。

スイッチ２２、６２及び１０２は入力端子４、６及び８と各々接続されており、高圧電源装置の外部にあるＭＣＵ（マイクロコントロールユニット）により開閉される。例えば、画像形成装置においては、画像情報に応じた信号が外部のＭＣＵから高圧電源装置に入力され、各スイッチが開閉される。これにより、入力電圧が駆動回路３０、７０及び１１０の各々に入力されるか否かの切り替えを行う。すなわち、スイッチ２２、６２及び１０２の各々は、圧電トランス４０、８０及び１２０の各々を駆動させるか否かの切り替えを行う。

検出回路２８は圧電トランス４０の出力電圧を検出し、制御回路４８に出力する。制御回路４８はトランジスタ２４のベースに接続されており、検出回路２８によって検出された出力電圧が所望の電圧であるか判断し、所望の電圧でない場合にはトランジスタ２４のベースにかかる電圧を変化させることにより、駆動回路３０に入力される電圧を変化させる。すなわち、制御回路４８は圧電トランス４０の駆動電圧を変化させる。圧電トランス８０、検出回路６８、制御回路８８及び駆動回路７０の動作、並びに圧電トランス１２０、検出回路１０８、制御回路８８及び駆動回路１１０の動作についても同様である。

周波数生成回路１０は圧電トランス４０、８０及び１２０の各々の二次端子に接続され、また駆動回路３０、７０及び１１０に接続されている。すなわち、周波数生成回路１０は、複数の駆動回路３０、７０及び１１０に共通して設けられている。周波数生成回路１０は、複数の圧電トランス４０、８０及び１２０のうち、駆動している一つの圧電トランスの駆動周波数を検出し、検出した駆動周波数を示す信号を複数の駆動回路３０、７０及び１１０に出力する。このとき、周波数生成回路１０は、複数の圧電トランス４０、８０及び１２０のうち、駆動している一つの圧電トランスからの出力電圧に同期させて、他の圧電トランスの駆動周波数を生成する。従って、周波数生成回路１０は、圧電トランスの駆動周波数として圧電トランスの共振周波数を生成し、駆動回路３０、７０及び１１０に出力することになる。駆動回路３０、７０及び１１０の各々は、共振周波数を駆動周波数とする駆動信号を、圧電トランス４０、８０及び１２０の各々の一次端子に出力する。すなわち、高圧電源装置は自励発振する。

自励発振では、圧電トランスが実際に駆動している共振周波数を周波数生成回路１０にフィードバックする。周波数生成回路１０で生成された周波数を駆動周波数として圧電トランスは駆動する。

次に、実施例に係る高圧電源装置の回路構成について説明する。図２は実施例に係る高圧電源装置の回路構成例を示す図である。図２に示すように、駆動回路３０はインダクタ３２、抵抗３４、コンデンサ３６及びＭＯＳ型のトランジスタ３８からなる。トランジスタ３８のソース、抵抗３４及びコンデンサ３６は接地されている。トランジスタ３８のドレインはインダクタ３２とコンデンサ３６と圧電トランス４０の一次端子とに接続されている。インダクタ３２とコンデンサ３６とはＬＣ共振回路を形成する。また、トランジスタ３８のベースは抵抗３４、２６を介して周波数生成回路１０に接続されている。同様に、駆動回路７０はインダクタ７２、抵抗７４、コンデンサ７６及びＭＯＳ型のトランジスタ７８からなり、駆動回路１１０はインダクタ１１２、抵抗１１４、コンデンサ１１６及びＭＯＳ型のトランジスタ１１８からなる。

周波数生成回路１０は抵抗１４、１６、１８、コンデンサ２０及びオペアンプ１２からなる。オペアンプ１２の出力端子と一方の入力端子との間には抵抗１８が設けられ、オペアンプ１２の出力端子と他方の入力端子との間には抵抗１６が設けられている。オペアンプ１２の一方の入力端子にはコンデンサ２０が接続され、コンデンサ２０は接地されている。他方の入力端子には、抵抗１４を介して制御信号Ｖｒｅｆが入力される。また、圧電トランス４０の出力電圧が入力される。オペアンプ１２の出力端子は駆動回路３０のトランジスタ３８のベースに接続されている。

次に、実施例に係る高圧電源装置の動作について説明する。図３は実施例に係る高圧電源装置の動作時における信号を例示した図である。図３の縦軸において、Ａは図２中の入力電圧、Ｂは入力端子４の電圧、Ｃは入力端子６の電圧、Ｄは入力端子８の電圧、ＥはポイントＰ１の電圧（周波数生成回路１０のオペアンプ１２への入力電圧）、ＦはポイントＰ２の電圧（オペアンプ１２の出力電圧）、ＧはポイントＰ３の電圧（圧電トランス４０への入力電圧）、ＨはポイントＰ４の電圧（圧電トランス８０への入力電圧）、ＩはポイントＰ５の電圧（圧電トランス１２０への入力電圧）を各々示している。また、図４（ａ）から図６は図３の拡大図である（詳しくは後述する）。図３から図６では、横軸は時間、縦軸は電圧を各々示す。なお、図３から図６では、信号の数を省略して図示している。

図４（ａ）は時間ｔ１〜ｔ２における図３の拡大図である。図３及び図４（ａ）に示すように、時間ｔ１で入力電圧が入力されると、周波数生成回路１０は一定の周波数を有する信号を生成する。

図４（ｂ）は時間ｔ２〜ｔ３におけるポイントＰ１及びＰ２の信号の拡大図であり、図４（ｃ）はポイントＰ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５における拡大図である。図４（ｂ）に示すように、時間ｔ２において入力端子４に電圧が印加されると、スイッチ２２がＯＮになり、圧電トランス４０が駆動する。圧電トランス４０の出力電圧はポイントＰ１、すなわち周波数生成回路１０に入力される。このとき周波数生成回路１０に入力される電圧（圧電トランス４０の出力電圧）の振幅をａとする（図３のポイントＰ１、ｔ２〜ｔ３参照）。図４（ｃ）に示すように、周波数生成回路１０は圧電トランス４０から出力電圧が入力されたことに応じて、圧電トランス４０の出力電圧の周波数（圧電トランス４０の共振周波数）と同じ周波数の信号を生成する。

図４（ｄ）は時間ｔ３〜ｔ４におけるポイントＰ１及びＰ２の信号の拡大図であり、図５（ａ）はポイントＰ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５における拡大図である。図４（ｄ）に示すように、時間ｔ３において入力端子６に電圧が印加されると、スイッチ６２がＯＮになり、圧電トランス８０が駆動する。このとき、圧電トランス４０及び８０の出力電圧が重ね合わせられて周波数生成回路１０に入力されるため、その振幅ｂは、振幅ａより大きくなる（図３のポイントＰ１、ｔ３〜ｔ４参照）。周波数生成回路１０は、圧電トランス４０から出力電圧が入力されたことに応じて、圧電トランス４０の共振周波数と同じ周波数の信号を生成する。従って、図５（ａ）に示すように、圧電トランス４０及び８０は、同一の駆動周波数で駆動する。すなわち、圧電トランス４０と圧電トランス８０とは同期運転する。

図５（ｂ）は時間ｔ４〜ｔ５におけるポイントＰ１及びＰ２の信号の拡大図であり、図５（ｃ）はポイントＰ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５における拡大図である。図５（ｂ）に示すように、時間ｔ４において入力端子８に電圧が印加されると、スイッチ１０２がＯＮになり、圧電トランス１２０が駆動する。このとき、圧電トランス４０、８０及び１２０の出力電圧が重ね合わせられて周波数生成回路１０に入力されるため、その振幅ｃは、振幅ａ及びｂより大きくなる（図３のポイントＰ１、ｔ４〜ｔ５参照）。周波数生成回路１０は、圧電トランス４０から出力電圧が入力されたことに応じて、圧電トランス４０の共振周波数と同じ周波数の信号を生成する。従って、図５（ｃ）に示すように、圧電トランス４０、８０及び１２０は、同一の駆動周波数で駆動する。すなわち、圧電トランス４０、圧電トランス８０及び圧電トランス１２０は同期運転する。

図５（ｄ）は時間ｔ５〜ｔ６におけるポイントＰ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５の信号の拡大図である。ポイントＰ１及びＰ２の拡大図は図４（ｄ）に示したものと同様である。図４（ｄ）及び図５（ｄ）に示すように、時間ｔ５において入力端子４に印加していた電圧をＯＦＦにすると、スイッチ２２がＯＦＦになり、圧電トランス４０は駆動を停止する。このとき、周波数生成回路１０に入力される電圧の振幅はｂとなる（図３のポイントＰ１、ｔ５〜ｔ６参照）。周波数生成回路１０は、圧電トランス８０から出力電圧が入力されたことに応じて、圧電トランス８０の共振周波数と同じ周波数の信号を生成する。図５（ｄ）に示すように、圧電トランス８０及び１２０は、同一の駆動周波数で駆動する。すなわち、圧電トランス８０と圧電トランス１２０とは同期運転する。

図６は時間ｔ６〜ｔ７におけるポイントＰ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５の信号の拡大図である。ポイントＰ１及びＰ２の拡大図は図４（ｂ）に示したものと同様である。図４（ｂ）及び図６に示すように、時間ｔ６において入力端子６に印加していた電圧をＯＦＦにすると、スイッチ６２がＯＦＦになり、圧電トランス８０は駆動を停止する。このとき、周波数生成回路１０に入力される電圧の振幅はａとなる（図３のポイントＰ１、ｔ６〜ｔ７参照）。周波数生成回路１０は、圧電トランス１２０から出力電圧が入力されたことに応じて、圧電トランス１２０の共振周波数と同じ周波数の信号を生成する。

図３及び図４（ａ）に示すように、時間ｔ７において入力端子８に印加していた電圧をＯＦＦにすると、スイッチ１０２がＯＦＦになり、圧電トランス１２０は駆動を停止する。時間ｔ８において入力電圧の入力を停止すると、周波数生成回路１０は周波数の生成を停止する。

実施例によれば、一つの周波数生成回路が駆動周波数を生成するため、各圧電トランスの駆動周波数は同一となる。従って、図５（ａ）、図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示すように、各圧電トランスは同期運転する。このため、圧電トランスの共振周波数に差異がある場合でも、出力電圧間の干渉は抑制される。また、各回路間の距離を短縮し、高圧電源装置を小型化した場合でも、出力電圧間の干渉は抑制される。

ここで、圧電トランスの周波数特性について説明する。図７は圧電トランスの周波数特性を例示した模式図である。横軸は駆動信号の周波数（駆動周波数）、縦軸は昇圧比を各々表す。図７に示すように、共振周波数ｆ０において昇圧比は最大となり、共振周波数ｆ０からずれた周波数では昇圧比は低下する。すなわち、各圧電トランスは共振周波数ｆ０を駆動周波数とすることにより、高い昇圧比で駆動する。

周波数生成回路１０は駆動している一つの圧電トランスの共振周波数を駆動周波数として生成するため、他の圧電トランスは共振周波数からわずかにずれた周波数を駆動周波数として駆動することとなる。しかしこの場合でも、各圧電トランス間の共振周波数の差異は微小であるため、一つの圧電トランスの共振周波数によって高い昇圧比で駆動する（図７参照）。なお、周波数生成回路１０で生成される信号の波形に発生する歪みは、各圧電トランスの共振周波数の微小な差異によるものである（図３のポイントＰ２、ｔ３〜ｔ６、及び図４（ａ）から図８のポイントＰ２）。

図４（ｃ）及び図６に示すように、少なくとも一つの圧電トランスが駆動していれば周波数生成回路１０は周波数を生成する。すなわち、周波数生成回路が一つであっても、複数の圧電トランスからの出力電圧に応じて駆動周波数を生成する。このため、後述する比較例のように複数の周波数生成回路を用いる場合より高圧電源装置が小型化され、かつ簡単な構成となる。圧電トランス４０、８０及び１２０の各々を駆動させるかの切り替えは、スイッチ２２、６２及び１０２の各々により行われる。実施例では圧電トランスを三つとしたが、複数の圧電トランスを有する高圧電源装置であればよい。

次に、比較例について説明する。比較例として、図８に複数の圧電トランスと複数の周波数生成回路とを設けた高圧電源装置を示す。既述した構成と同様の構成については説明を省略する。

図８に示す周波数生成回路１０は圧電トランス４０の二次端子に接続されており、圧電トランス４０から出力電圧が入力されたことに応じて、圧電トランス４０の駆動周波数として圧電トランス４０の共振周波数を生成し、駆動回路３０に出力する。周波数生成回路１０からの信号に応じて、駆動回路３０のトランジスタ３８はＯＮ、ＯＦＦの切り替えを行う。トランジスタ３８がＯＦＦのときコンデンサ３６は充電され、トランジスタ３８がＯＮのときコンデンサ３６は放電する。すなわち、駆動回路３０は、ＬＣ共振により周波数生成回路１０の信号を増幅し、圧電トランス４０に駆動信号を出力する。圧電トランス８０、周波数生成回路５０及び駆動回路７０の動作、並びに圧電トランス１２０、周波数生成回路９０及び駆動回路１１０の動作についても同様である。

比較例においては、各圧電トランスの出力電圧に応じて各周波数生成回路が、各圧電トランスの駆動周波数として共振周波数ｆ０を生成する。

しかし、圧電トランスの昇圧比のピークは急峻であるため、例えば圧電トランスの負荷特性の変化、使用環境の温度変化、圧電トランス自体のバラつき等によって、各圧電トランスの共振周波数ｆ０に差異が発生することがある。

画像形成装置の高圧電源装置では、高圧電源装置の出力数が多いため、小型対応での高密度実装時は回路間の距離の確保が困難となる。共振周波数は数百ｋＨｚと高周波であるため、各圧電トランスの共振周波数ｆ０に差異がある場合、各圧電トランスの出力電圧間で出力誘導等による出力リップルの増加、高圧電源装置の出力不安定動作、及び高圧電源装置の起動不良等の不具合が発生することがある。比較例では、各周波数生成回路が各圧電トランスの共振周波数を生成する。このため、圧電トランスの共振周波数ｆ０に差異がある場合、各圧電トランスは異なった駆動周波数で駆動する。すなわち、上記の不具合が発生するおそれがある。

これに対し、既述したように、実施例１によれば、圧電トランスの共振周波数に差異がある場合でも、出力電圧間の干渉は抑制される。従って、各圧電トランスの出力電圧間での出力リップルの発生、高圧電源装置の出力不安定動作、及び起動不良等の不具合は抑制される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

入力端子４、６、８
周波数生成回路１０、５０、９０
スイッチ２２、６２、１０２
駆動回路３０、７０、１１０
圧電トランス４０、８０、１２０

Claims

複数の圧電トランスと、
前記複数の圧電トランスの各々を駆動させる複数の駆動回路と、
前記複数の圧電トランスの出力電圧に応じて、前記複数の圧電トランスが同期運転するように前記複数の圧電トランスの駆動周波数を生成する周波数生成回路とを具備し、
前記周波数生成回路は前記複数の駆動回路に共通して設けられていることを特徴とする高圧電源装置。
前記周波数生成回路は、前記複数の圧電トランスのうち選択された一つの圧電トランスの駆動周波数を検出し、前記検出した駆動周波数を示す信号を前記複数の駆動回路に出力することを特徴とする請求項１記載の高圧電源装置。