JP2012004258A - ノイズフィルタ装置、ノイズ低減方法、チョークコイル装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チョークコイルの磁気飽和を起こりにくくする。
【解決手段】電気回路のコモンモードノイズまたはノーマルモードノイズを低減するノイズフィルタ装置は、電源と負荷との間の通電路となる主巻線が磁心に巻かれたチョークコイルと、チョークコイルを冷却する冷却能力可変の冷却器と、チョークコイルの磁心に巻かれた電流検出用の補助巻線と、補助巻線を流れる電流の大きさが閾値より大きいときに閾値よりも小さいときと比べて冷却器による冷却能力を高くする制御回路とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、チョークコイルによって電気回路のノイズを低減する装置および方法に関する。

各種電気機器の電源ラインにおけるノイズフィルタとしてチョークコイルが用いられている。例えば、コモンモードコイルは、駆動電流の往路および復路となる一対の電源ライン間で位相が同じコモンモードノイズを除去するためのチョークコイルであり、磁心（コア）に巻かれた一対の巻線を有する。

チョークコイルの磁心が磁気飽和状態になるとノイズが除去されなくなる。雑音端子電圧等を定めるＥＭＣ(electro magnetic compatibility)規格に電気機器を適合させるには、負荷のオンオフ電流や突入電流といった通常より大きな電流が流れても磁気飽和が生じないようにする必要がある。

磁気飽和の抑制に関して、特許文献１には、トロイダル状磁心をもつコモンモードコイルにおいて、磁心材料として一般的なフェライトに代えてアモルファス磁性体を用いることが開示されている。また、同文献では、電源の各ラインに対応した巻数ｎ回の巻線を電源ラインに流れる電源電流により生じる磁束が打ち消し合う向きに巻回し、隣り合う巻線同士を１〜ｎ−１回の巻数範囲で相隣接して巻回することによって、漏れインダクタンスを低減して磁気飽和を抑制する方法が提案されている。

特開平１１−２１４２２９号公報

電流容量の大きいチョークコイルを使用すれば、磁気飽和は生じにくい。しかし、一般に電流容量の大きいコイルはサイズが大きく、特注品となることが多い。したがって、電流容量の大きいチョークコイルの使用は、電気回路基板の大型化および製造コスト上昇の要因となる。また、一般的なフェライト磁心を特殊なアモルファス磁性体からなる磁心に変更することも製造コスト上昇を招く。

本発明は、このような事情に鑑み、チョークコイルを大型化したり特殊な磁心をもつチョークコイルを使用したりしなくても磁気飽和を起こりにくくすることができる装置および方法の提供を目的としている。

上記目的を達成する装置は、電気回路のノイズを低減するノイズフィルタ装置であって、電源と負荷との間の通電路となる主巻線が磁心に巻かれたチョークコイルと、前記チョークコイルを冷却する冷却能力可変の冷却器と、前記チョークコイルの磁心に巻かれた電流検出用の補助巻線と、前記補助巻線を流れる電流が大きくなったときに前記冷却器による冷却能力を高くする制御回路と、を備える。

本発明によれば、磁気飽和の起こる以前にコイルを冷却して磁気飽和の起こりにくくすることができる。

ノイズフィルタ装置の構成を示すブロック図である。 チョークコイルの構成の一例を示す図である。 制御回路の構成を示す図である。 チョークコイルの構成の他の例を示す図である。 ノイズフィルタ装置を備える画像形成装置の要部の構成を示す図である。

図１のように、ノイズフィルタ装置１は、ＡＣ電源６と負荷７との間の電源ラインのノイズを低減するチョークコイル３を有したチョークコイル装置２と、チョークコイル３を冷却する冷却能力可変の冷却器４と、チョークコイル３を流れる電流に応じて冷却器４を制御する制御回路５とを備える。チョークコイル装置２は、チョークコイル３と電流検出用の補助巻線３３とで構成される。冷却器４は例えば空冷ファンであり、電源回路８から所定電圧の電力供給を受けて作動する。電源回路８はＡＣ電源６または他の電源から電力供給を受ける。

図２のとおり、チョークコイル３は一対の主巻線３１，３２を有したコモンモードコイルである。主巻線３１，３２は、ＡＣ電源６と負荷７との間の通電路の一部となる導体であり、絶縁ケース３５で被覆されたフェライトからなるトロイダル状の磁心３０に巻かれている。各主巻線３１，３２の巻回の方向は、主巻線３１，３２にコモンモード電流が流れたときに磁心３０に発生する磁束が足し合わされる方向である。本例のチョークコイル３では、一方の主巻線３１と他方の主巻線３２とが磁心３０の直径方向における両端に振り分けるように配置され、磁心３０における図の左右に主巻線３１，３２の巻かれていない部分がほぼ均等に存在する。

また、チョークコイル３の磁心３０には、電流検出用の補助巻線３３が巻かれている。補助巻線３３は、一対の主巻線３１，３２の一方と他方との中間の位置に巻かれ、主巻線３１，３２に対して磁気的に中立に配置されている。補助巻線３３には、コモンモード電流が流れたときに磁心３０に発生する磁束によって誘導される電流が流れる。この補助巻線３３を流れる誘導電流が制御回路５によって検出され、冷却器４の制御に用いられる。

なお、図示の例では補助巻線３３が一つであるが、複数の補助巻線を磁心３０に巻いて電流検出の精度を高めることができる。例えば、図２の磁心３０の左右に一つずつ計二つの補助巻線３３を設け、これらを流れる電流の合計値を検出するようにしてもよい。

図３は制御回路５の構成を示す。

制御回路５は、ＡＣ電源６とチョークコイル（コモンモードコイル）３と負荷７とで形成される閉ループにおいて生じる誘導電流を検出する。閉ループとは、ＡＣ電源６から主巻線３１、負荷７、主巻線３２を経由してＡＣ電源６に戻る通電路である。閉ループではコモンモード電流Ｉ１，Ｉ２が生じる。コモンモード電流Ｉ１，Ｉ２は、ＡＣ電源６から負荷７に供給される駆動電流に重畳するコモンモードのノイズ電流である。

補助巻線３３で生じる誘導電流Ｉ３を電圧Ｖ１に変換するため、補助巻線３３と並列に電流検出用の抵抗Ｒ１を接続する。誘導電流Ｉ３は、コモンモード電流Ｉ１、Ｉ２が流れる場合にチョークコイル３の磁心に発生する磁束によって誘導される電流であり、コモンモード電流Ｉ１、Ｉ２に大きさが比例する電流である。

誘導電流Ｉ３に比例する電圧Ｖ１を全波整流するため四端子整流ダイオードブリッジＤ１の対向する二つの端子ａ，ｂを抵抗Ｒ１の一端と他端とにそれぞれ接続する。図３は全波整流回路での例だが、半波整流回路でもよい。

整流後の電圧を平滑するため、平滑用の電解コンデンサＣ１の＋端子を整流ダイオードブリッジＤ１のカソード側に接続し、−端子をアノード側に接続する。

電圧Ｖ１を整流して平滑した電圧Ｖ２を電解コンデンサＣ１に並列に接続された分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４によって電圧Ｖ＋に変換し、比較器ＣＰの＋端子へ入力されるよう、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の連結点ｃと比較器ＣＰの＋端子とを接続する。

なお、電解コンデンサＣ１と分圧抵抗Ｒ４との接続点を接地ラインに接続してもよい。

比較器ＣＰの−端子には閾値電圧Ｖｒｅｆを分圧するよう接続された分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６にて分圧した電圧Ｖ−が入力されるよう、分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６の連結点ｄと比較器ＣＰの−端子とを接続する。

比較器ＣＰの出力により、トランジスタＱ１をＯＮ／ＯＦＦし、リレーＲＹ１を駆動して、チョークコイル３を含む回路部品を冷却するファンモータ４Ａの駆動電源電圧を切り替える。このため、比較器ＣＰの出力をトランジスタＱ１のベース抵抗Ｒ７を介してトランジスタＱ１のベースに接続する。

比較器ＣＰの出力がＨレベルのときにトランジスタＱ１をＯＮして、リレーＲＹ１がＯＮされるよう、リレーＲＹ１のコイル側を２４ボルト電源端子とトランジスタＱ１のコレクタとに接続し、トランジスタＱ１のエミッタを接地する。比較器ＣＰの出力がＬレベルのときにトランジスタＱ１のベース電位が安定するようベース・エミッタ間に抵抗Ｒ８を接続する。

リレーＲＹ１がＯＮのときに２４ボルトの電力が、ＯＦＦのときに１２ボルトの電力がファンモータ４Ａに供給されるよう、リレーＲＹ１とファンモータ４Ａと２４ボルト電源端子と１２ボルト電源端子とを接続する。

次に図３の制御回路５の動作について説明する。

ＡＣ電源６からチョークコイル３を介して負荷７へ駆動電力が供給される。このとき、例えば負荷７においてコモンモードノイズが発生し、コモンモード電流Ｉ１，Ｉ２がチョークコイル３に流れる。上述のとおり、主巻線３１，３２はコモンモード電流が流れた場合に、磁心に発生する磁束が足し合わされる方向へ巻回されており、補助巻線３３にはこの磁束による誘導電流Ｉ３が流れる。誘導電流Ｉ３は抵抗Ｒ１により電圧Ｖ１に変換され、整流ダイオードブリッジＤ１および平滑コンデンサＣ１によって整流・平滑され電圧Ｖ２に変換される。この動作により、コモンモード電流Ｉ１、Ｉ２に比例した電圧Ｖ２を得る。得られた電圧Ｖ２を分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４により分圧し、比較器ＣＰの＋端子に電圧Ｖ＋として入力する。比較器ＣＰの−端子には閾値電圧Ｖｒｅｆを分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６により分圧した電圧Ｖ−を入力する。閾値電圧Ｖｒｅｆは、チョークコイル３が磁気飽和する電流値よりも所定量だけ小さい電流値のコモンモード電流Ｉ１，Ｉ２が流れたときの電圧Ｖ＋が電圧Ｖ−と等しくなるように設定しておく。

電圧Ｖ＋と電圧Ｖ−とが比較器ＣＰによって比較され、電圧Ｖ＋が電圧Ｖ−よりも大きい場合に比較器ＣＰは「Ｈ」を出力し、電圧Ｖ＋が電圧Ｖ−よりも小さい場合には「Ｌ」を出力する。「Ｈ」が出力された場合には、トランジスタＱ１のベース電位が高くなり、トランジスタＱ１がＯＮ状態となる。そして、リレーＲＹ１のコイル側に電流が流れてリレーＲＹ１がＯＮ状態となり、ファンモータ４Ａに２４ボルト電力が供給される。逆に、比較器ＣＰから「Ｌ」が出力された場合には、トランジスタＱ１およびリレーＲＹ１がＯＦＦ状態となり、ファンモータ４Ａには１２ボルト電力が供給される。

以上の動作により、チョークコイル３に磁気飽和レベルよりは小さいが定常より大きいコモンモード電流が流れた場合に、ファンモータ４Ａの回転数を上げることができる。ファンモータ４Ａの回転数を上げることによって、チョークコイル３に対する冷却効果が高まり、温度が高いほど起こり易い磁気飽和を抑制することができる。

ファンモータ４Ａの回転数が切り替わるコモンモード電流の大きさは、閾値電圧Ｖｒｅｆの値およびその分圧比の選定に依存する。磁心３０の材質および負荷７のノイズ特性を含む電気回路の仕様に応じて、磁気飽和が抑制されて所望のノイズ除去機能が保たれるように、チョークコイル３の温度を制御すればよい。例えば、磁心３０が初透磁率４５００程度でキュリー温度が２００℃程度のフェライトからなる場合、磁心３０を１００℃以下、より好ましくは５０℃以下に保つようにするのがよい。

以上の説明ではコモンモードノイズを低減する場合を例に挙げたが、ノーマルモードノイズを低減するノーマルモードコイルの温度を制御して磁気飽和を抑制することができる。

図４に示されるチョークコイル３ｂは単一の主巻線３４を有するノーマルモードコイルである。主巻線３４は、電源と電源から電力供給を受けて作動する負荷との間の通電路の一部となる導体であり、絶縁ケース３５ｂで被覆されたフェライトからなるトロイダル状の磁心３０ｂに巻かれている。

チョークコイル３ｂの磁心３０ｂには、電流検出用の補助巻線３３ｂが巻かれている。補助巻線３３ｂでは、主巻線３４に電流が流れたときに磁心３０ｂに生じる磁束によって誘導される誘導電流が流れる。この誘導電流は主巻線３４を流れる電流に比例する。誘導電流が所定値より大きくなったときにチョークコイル３ｂを冷却することによって、磁気飽和を抑制することができる。

以上の構成および機能を有するノイズフィルタ装置１は、例えばプリンタ、複写機、ＭＦＰ（Multifunction Peripherals）といった商用１００ボルト交流電力で動作する画像形成装置に組み込んで使用される。

図５はノイズフィルタ装置１を備える画像形成装置１００の要部の構成を示す。図５に例示される画像形成装置１００は、電子写真法によってカラー画像またはモノクロ画像を形成するタンデム式のカラープリンタである。カラー画像形成時にイエロー（Ｙ）、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、および黒（Ｋ）の４色のトナー像を並行して形成するため、画像形成装置１は中間転写ベルト２０および中間転写ベルト２０に沿って並ぶ４個のプロセスユニットＵＹ，ＵＭ，ＵＣ，ＵＫを有する。黒（Ｋ）の像形成のためのプロセスユニットＵＫは、感光体ドラム１１、帯電装置１２、プリントヘッド１３、現像装置１４、一次転写装置１５、および清掃装置１６を備えており、他のプロセスユニットＵＹ，ＵＭ，ＵＣも、トナーの色の違いを除いて同様の構成要素を備えている。

画像形成装置１００にはランプ加熱型の定着器５０が実装されている。定着器５０は、定着ローラ（加熱ローラ）５１および加圧ローラ５２を備える。定着ローラ５１は、その表面を昇温させる発熱源としてハロゲンランプ５３を有する。

画像形成動作の概要は次のとおりである。図示しない外部装置（例えば、パーソナルコンピュータ）から例えばカラープリントジョブが与えられると、プロセスユニットＵＹ，ＵＭ，ＵＣ，ＵＫにおいて、帯電装置１２が感光体ドラム１１の表面を一様に帯電させる。外部装置からの画像データに応じて、プリントヘッド１３の射出する光ビームがオンオフ制御され、感光体ドラム１１の表面に潜像が形成される。潜像は現像装置１４によってトナー像に現像され、一次転写装置１５によって中間転写ベルト２０に一次転写される。中間転写ベルト２０の移動に同期した一次転写によって、４色のそれぞれのトナー像が中間転写ベルト２０上で重ねられる。４色のトナー像の形成と並行して、用紙収納部２４からジョブが指定する種類およびサイズの用紙Ｐが取り出され、搬送ローラ２６によって中間転写ベルト２０と二次転写ローラ２７とが対向する二次転写位置へ搬送される。中間転写ベルト２０からトナー像が二次転写された用紙Ｐは、定着器５０を経た後、排紙ローラ対２８によって排紙トレイ２９に排出される。用紙Ｐが定着器５０を通過するとき、トナーが溶融して画像が記録用紙に定着する。

この定着器５０のハロゲンランプ５３が、ノイズフィルタ装置１を介してＡＣ電源から電力供給を受ける上記負荷７である。ただし、負荷７はハロゲンランプ５３に限られず、ＡＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータといった電力変換回路であってもよい。ノイズフィルタ装置１は、５アンペアまたはそれ以上の比較的に大きな電流が流れる電源ラインに好適である。

以上の実施形態において、磁心３０，３０ｂの材質・形状・サイズ、主巻線３１，３２，３４の巻数・磁心上の位置・巻回形式、および制御回路５の回路構成などは適宜選定することができる。直流電力を負荷に供給する回路において、チョークコイルを冷却して磁気飽和を抑制することができる。冷却器４は液冷システムであってもよい。

１ ノイズフィルタ装置
２ チョークコイル装置
３，３ｂ チョークコイル
４ 冷却器
５ 制御回路
６ ＡＣ電源（電源）
７ 負荷
３０，３０ｂ 磁心
３３，３３ｂ 補助巻線
３１，３２，３４ 主巻線
５３ ハロゲンランプ（発熱源）
１００ 画像形成装置

Claims (7)

1. 電気回路のノイズを低減するノイズフィルタ装置であって、
   電源と負荷との間の通電路となる主巻線が磁心に巻かれたチョークコイルと、
   前記チョークコイルを冷却する冷却能力可変の冷却器と、
   前記チョークコイルの磁心に巻かれた電流検出用の補助巻線と、
   前記補助巻線を流れる電流が大きくなったときに前記冷却器による冷却能力を高くする制御回路と、を備える
   ことを特徴とするノイズフィルタ装置。
2. 前記チョークコイルは、前記主巻線を含む一対の主巻線がコモンモードノイズを除去するように前記磁心に巻かれたコモンモードコイルであり、
   前記制御回路は、前記一対の主巻線にコモンモード電流が流れることによって前記補助巻線を流れる電流の大きさに応じて、前記冷却器の冷却能力を切り替える
   請求項１記載のノイズフィルタ装置。
3. チョークコイルはノーマルモードノイズを除去するためのノーマルモードコイルである
   請求項１記載のノイズフィルタ装置。
4. チョークコイルによって電気回路のノイズを低減するノイズ低減方法であって、
   前記チョークコイルの磁心に電流検出用の補助巻線を巻き、前記磁心に巻かれた電源と負荷との間の通電路となる主巻線を流れる電流に応じて前記補助巻線を流れる電流を検出し、
   前記補助巻線を流れる電流が大きくなったときに前記チョークコイルを冷却する
   ことを特徴とするノイズ低減方法。
5. ＡＣラインのノイズフィルタとして使用されるチョークコイル装置であって、
   磁心と、
   前記磁心に巻かれた電源と負荷との間の通電路となる主巻線と、
   前記磁心に巻かれた誘導電流検出用の補助巻線と、を備える
   ことを特徴とするチョークコイル装置。
6. 前記磁心には、一対の主巻線がコモンモードノイズを除去するように巻かれており、
   前記補助巻線は前記一対の主巻線の一方と他方との中間の位置に巻かれている
   請求項５記載のチョークコイル装置。
7. 電源から電力供給を受ける発熱源によって用紙に画像を定着させる画像形成装置であって、
   前記電源と前記発熱源との間の通電路となる主巻線が磁心に巻かれたチョークコイルと、
   前記チョークコイルを空冷する冷却ファンと、
   前記チョークコイルの磁心に巻かれた電流検出用の補助巻線と、
   前記補助巻線を流れる電流の大きさが閾値より大きいときに前記閾値よりも小さいときと比べて前記冷却ファンの回転数を大きくする制御回路と、を備える
   ことを特徴とする画像形成装置。

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