JP2012114983A - 電源装置及び電源装置を有する画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正弦波の発生回路を用いずに、スプリアス周波数の発生量を低減する。
【解決手段】電源装置は、たとえば、圧電トランスと、圧電トランスの一次側に接続され、圧電トランスを駆動するための駆動信号を出力する共振回路とを備える。さらに、電源装置は、共振回路の共振周波数を設定する設定回路と、圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値または電源装置が設置される環境を示す環境パラメータにしたがって共振周波数を切り替えるための切り替え信号を設定回路に出力する制御回路とを備える。設定回路は、切り替え信号に応じて共振周波数を切り替える。
【選択図】図７

Description

本発明は、画像形成装置などの電子機器で使用される電源装置に関する。

電子機器において目標性能を達成するためには電子機器に電力を供給する電源装置の能力が重要となる。例えば、電子写真方式の画像形成装置では、画像を形成する際に感光体や転写部に高電圧を印加することで、トナー画像の形成を促進している。よって、画像形成装置では、画像の品質は高電圧の精度に依存する。また、単位時間あたりの画像形成枚数を増加するためには、目標電圧に立ち上げるために必要となる時間を如何にして短縮するかが問題となる。

特許文献１には、巻線式の電磁トランスに代えて圧電トランスを採用した小型かつ軽量の高電圧発生装置が提案されている。とりわけ、圧電トランスは電圧制御発振器（ＶＣＯ）から出力される信号の周波数に応じた電圧を出力する。圧電トランスの駆動周波数に対する出力電圧特性は、一般に山型の特性である。つまり、共振周波数において出力電圧が最大となる。

特開平１１−２０６１１３号公報

上述したように、圧電素子の駆動周波数に対する出力電圧特性は一般に山型であるが、正弦波とは異なる波形にて圧電素子に電気的振動を与えると、山の中腹や麓に相当する部分に不要共振周波数（スプリアス周波数）が現れる。このスプリアス周波数は、圧電素子の幅や厚みといった構造、駆動信号波形に依存している。スプリアス周波数は、周波数の掃引によって電源装置の出力電圧を目標電圧に制御する際に電圧を変動させる要因となるため、好ましくない。とりわけ、電子写真方式の画像形成装置では、スプリアス周波数によって画像欠陥が生じうる。画像形成装置では、転写バイアスや帯電バイアスなどを負荷の変化に応じて変更するためである。たとえば、転写バイアスは、転写ローラや中間転写ベルトの環境変動や耐久変動に応じて変更されるため、その範囲は数百Ｖから数千Ｖまでとなることがある。しかし、負荷変動が発生すると、数十ｍｓの期間にわたって出力電圧が低下してしまう。つまり、所望の電圧が出力されなくなるため、画像欠陥が生じてしまうのである。スプリアス周波数を削減する方法の一つとして、圧電トランスを正弦波で駆動する方法がある。しかし、正弦波の生成回路は一般に高価である。よって、多数のバイアスが必要となるマルチカラータイプの画像形成装置では、多大なコストアップにつながってしまう。

そこで、本発明では、正弦波の発生回路を用いずに、安価な回路構成でスプリアス周波数を低減することを目的とする。

本発明の電源装置は、たとえば、圧電トランスと、圧電トランスの一次側に接続され、圧電トランスを駆動するための駆動信号を出力する共振回路とを備える。さらに、電源装置は、共振回路の共振周波数を設定する設定回路と、圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値または電源装置が設置される環境を示す環境パラメータにしたがって共振周波数を切り替えるための切り替え信号を設定回路に出力する制御回路とを備える。設定回路は、切り替え信号に応じて共振周波数を切り替える。

本発明によれば圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値または電源装置が設置される環境を示す環境パラメータにしたがって共振周波数を切り替えることで、正弦波の発生回路を用いずにスプリアス周波数を低減できるようになる。

本発明の実施例における画像形成装置を説明する断面図である。 本発明の基本構成を説明する高電圧電源と制御部の回路構成図である。 本発明の基本構成を説明する圧電トランス高電圧回路の周波数特性図である。 本発明の基本構成の高電圧電源の動作を説明する波形図である。 本発明の基本構成における負荷変動時の周波数推移を説明する図である。 本発明の基本構成における負荷変動時の高電圧出力変動を説明する図である。 本発明の実施例１を説明する高電圧電源の回路構成図である。 本発明の実施例１の高電圧電源の動作を説明する波形図である。 （Ａ）は、本発明の実施例１の共振周波数切り替えスイッチＯＮの時の圧電トランス高電圧回路の周波数特性図であり、（Ｂ）は、本発明の実施例１の共振周波数切り替えスイッチＯＦＦの時の圧電トランス高電圧回路の周波数特性図である。 本発明の実施例１の制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施例１の別の形態を説明する高電圧電源の回路構成図である。 本発明の実施例２を説明する高電圧電源制御部の回路構成図である。 本発明の実施例２の制御を説明するフローチャートである。

［実施例１］
図１は電子写真プロセスを用いたタンデム方式のカラー画像形成装置の構成図である。画像形成装置１００は、イエロー（Ｙ）、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のトナーを重ねあわせることで多色画像を媒体に形成する画像形成部３０を備えている。コントローラ４０は画像形成部３０を制御する制御部であり、ＭＰＵ（マイクロコンピュータ）４１を備えている。ＭＰＵ４１は、ワークエリアとして機能するＲＡＭ４２、プログラムやデータなどを記憶するＲＯＭ４３、時間を計時するタイマ４４などを備えている。電源装置１０は、コントローラ４０により制御されて、画像形成部３０が備える帯電ローラに帯電バイアスを印加し、現像ローラに現像バイアスを印加し、２次転写ローラ２９に転写バイアスを印加する電源装置である。このように、画像形成部３０は、電源装置１０から電力を供給されて媒体に画像を形成する。

＜電源装置１０の基本構成＞
図２を用いて電源装置１０の基本的な構成について説明する。圧電トランス１０１の２次側には整流平滑回路１３が接続されており、圧電トランス１０１から出力される電圧をダイオード１０２、１０３によって整流し、コンデンサ１０４によって平滑する。整流平滑回路１３の出力は、出力端１０５から負荷である２次転写ローラ２９に供給される。一方で、出力電圧は抵抗１０６、１０７によって構成された分圧回路１４によって分圧され、保護用抵抗１０８を介してオペアンプ１０９の非反転入力端子（＋端子）に入力される。オペアンプ１０９の反転入力端子（−端子）には抵抗１１０を介してコントローラ４０からアナログ信号である高電圧制御信号Ｖｃｏｎｔが入力される。オペアンプ１０９と抵抗１１０と抵抗１１２及びコンデンサ１１１にて構成される差動増幅回路１１の出力電圧が電圧制御発振器１１３に入力される。

電圧制御発振器１１３は入力電圧に応じた周波数信号を出力する。電圧制御発振器１１３は、入力電圧が上がると出力周波数が高周波に推移し、入力電圧が下がると出力周波数が低周波に推移するように動作する。電圧制御発振器１１３の出力はＦＥＴ１１４のゲート端子に接続されている。圧電トランス１０１は、ＦＥＴ１１４とインダクタ１１５とコンデンサ１１６によって形成されるＬＣ共振回路１２を通して供給される駆動信号（駆動周波数）に応じた電圧を発生する。ＬＣ共振回路１２は、圧電トランスの一次側に接続され、圧電トランスを駆動するための駆動信号を出力する共振回路の一例である。

図３は圧電トランス１０１の駆動周波数に対する出力電圧の特性を表した図である。圧電トランス１０１の特性は共振周波数ｆ０において出力電圧が最大となる。圧電トランス１０１の出力電圧は、供給される駆動周波数を変更することで制御が可能である。ある目標電圧Ｅｄｃが出力されるときの駆動周波数をｆｘとする。電圧制御発振器１１３は高電圧制御信号Ｖｃｏｎｔに応じて駆動周波数を変更することで、周波数掃引を実行する。つまり、帰還回路はオペアンプ１０９の反転入力端子（−端子）に入力される高電圧制御信号Ｖｃｏｎｔの電圧によって決定される電圧と、非反転入力端子（＋端子）の電圧とが等しくなるように、電圧制御発振器１１３が出力する駆動周波数を変化させる。電源装置１０は、ある高周波数域の初期周波数ｆｉより駆動を開始する。電源装置１０は、出力電圧が目標電圧Ｅｄｃに一致するまで、駆動周波数をｆｉから低周波数方向に周波数掃引を実行する。掃引動作の結果、駆動周波数がｆｘに収束すると、電源装置１０のフィードバック回路は平衡状態となり、電源装置１０は、目標電圧Ｅｄｃを安定的に出力する。なお、出力電圧をＥｄｃよりも高くするには、ｆｘよりもさらに低い駆動周波数を圧電トランス１０１に供給すればよい。出力電圧をＥｄｃよりも低い電圧にするには、ｆｘよりもさらに高い駆動周波数を圧電トランス１０１に供給すればよい。

図４は、電源装置１０がスイッチング動作をしたときにおけるＦＥＴ１１４のゲート端子に印加される電圧Ｖｇｓとドレイン端子に現れる電圧Ｖｄｓの波形を示す図である。図４に示した波形の電圧ＶｇｓがＦＥＴ１１４のゲート端子に印加されると、ＬＣ共振回路１２が駆動される。その結果、ＬＣ共振回路１２は、図４に示したフライバック波形の電圧Ｖｄｓがドレイン端子に現れ、圧電トランス１０１ｂの１次側端子に印加される。

電源装置１０の回路動作を詳細に説明する。図４に示した期間ｔｐ１ではＦＥＴ１１４のゲート端子の電圧ＶｇｓがＨｉｇｈでるため、ＦＥＴ１１４はＯＮしている。つまり、ＦＥＴ１１４のドレイン−ソース間は導通し、インダクタ１１５を通ってＦＥＴ１１４にドレイン電流が流れる。

次に、期間ｔｐ２ではＦＥＴ１１４のゲート端子の電圧ＶｇｓがＬｏｗとなるため、インダクタ１１５に蓄えられていたエネルギにより電流がコンデンサ１１６に流れ続け、コンデンサ１１６が充電される。その結果、Ｖｄｓは、フライバック波形の電圧となる。その後、インダクタ１１５とコンデンサ１１６のエネルギの受け渡しにより定電圧源の電圧Ｖｃｃを中心としてＬＣ共振回路１２はする。ＬＣ共振回路１２の共振周期は図４に示すＴ２である。

続いて、期間ｔｐ３では、共振によりドレインの電圧ＶｄｓはＧＮＤ電位より低い電圧となる。このときＦＥＴ１１４のドレインーソース間に存在する寄生ダイオードがＯＮする。よって、ドレインの電圧Ｖｄｓは約−０．７Ｖの電位にクランプされる。期間ｔｐ３を経て再びＦＥＴ１１４のゲートの電圧ＶｇｓがＨｉｇｈとなりＦＥＴ１１４をＯＮすることにより、所望のフライバック波形をした電圧Ｖｄｓが発生する。ＬＣ共振回路１２は、フライバック波形をした電圧Ｖｄｓを圧電トランス１０１に連続的に印加することで、圧電トランス１０１を駆動する駆動回路として動作する。

＜基本構成における課題＞
図２に示した電源装置１０の基本構成では、次のような課題がある。電圧Ｖｄｓはフライバック波形であり、正弦波とは異なる波形である。正弦波ではない波形を印加して圧電トランス１０１に電気的振動を与えることにより、図３に示したスプリアス周波数ｆｓｐ１、ｆｓｐ２が発生する。スプリアス周波数は、圧電トランス１０１を構成する圧電素子の幅や厚みといった構造に依存した周波数である。スプリアス周波数ｆｓｐ１、ｆｓｐ２において、圧電トランス１０１はスプリアス電圧を発生する。スプリアス電圧は、一種の極値であるため、制御上の問題となる。

図４に示した周期Ｔ１から求められる周波数Ｆｄｒｖ（＝１／Ｔ１）が電圧制御発振器１１３から出力される駆動周波数である。図３では、この駆動周波数が横軸にて表されている。電圧制御発振器１１３はこの駆動周波数を変化させることで周波数掃引を行う。

一方、ＬＣ共振回路１２の特徴であるフライバック波形をした電圧ＶｄｓはＶｃｃを中心に振動する自由振動の一波である。そして、Ｖｃｃの電圧レベルで現れる周期Ｔ２から求められる周波数ｆＬＣ（＝１／Ｔ２）はＬＣ共振周波数であり、Ｌのインダクタ値とＣの容量によって、一意的に決まる周波数である。

図４のフライバック波形の電圧Ｖｄｓで表される圧電トランス１０１の駆動信号には、上述した駆動周波数ｆｘと異なるこのＬＣ共振周波数という別の周波数の存在がスプリアス電圧を発生させてしまう原因である。より詳細に説明すると、共振周波数ｆ０は圧電素子の長さに依存した周波数であり、圧電素子の特性としてはここを利用したい。しかし、ＬＣ共振周波数といった駆動周波数ｆｘよりも高い周波数が、不要共振周波数に共振してしまうため、ＬＣ共振周波数の１／Ｎに相当するスプリアス周波数ｆｓｐ１、ｆｓｐ２にスプリアス電圧が現れることとなる。

図５を用いてスプリアス周波数ｆｓｐ１、ｆｓｐ２が存在する電源装置１０を採用した画像形成装置において発生しうる問題点に関して説明する。画像形成装置で使用される各バイアスは負荷の変化に応じて変更されることが一般的である。例えば、転写バイアスは転写ローラや中間転写ベルトの環境変動や耐久変動に応じて変化させる必要があるため、転写バイアスの可変範囲は、数百Ｖ〜数千Ｖまでに及ぶ。仮に、数百Ｖの比較的に低い目標出力電圧Ｖ１を出力しようとした場合、圧電トランス１０１の駆動回路は初期周波数ｆｉから駆動を開始し、低周波数方向に周波数掃引を実行する。駆動開始当初は、帰還電圧Ｖｆｂが目標出力電圧Ｖ１に対応した目標制御電圧Ｖｃｏｎｔに対して低いため、駆動回路は、駆動周波数を低周波方向に掃引する。そして、駆動周波数が周波数ｆａに到達した所で帰還電圧Ｖｆｂと目標制御電圧Ｖｃｏｎｔが一致し、電源装置１０の帰還回路は平衡状態となる。このとき出力電圧は目標出力電圧Ｖ１となり、これは定電圧となる。

一方、この圧電トランス１０１の特徴として、電源装置１０に接続される負荷の大きさによって、同じ周波数でも出力電圧が変化する。負荷変動が発生すると、周波数ｆａで平衡状態を保っていた電源装置１０の駆動周波数がより低い周波数ｆｂに移行し、再び平衡状態を保とうとする。その際、出力電圧Ｖｏｕｔは図５において矢印で示したように変化する。その結果として図６に示すように、数十ｍｓの期間にわたって出力電圧Ｖｏｕｔは、目標出力電圧Ｖ１に対して低下してしまう。このような出力電圧の低下は、画像形成装置が形成する画像の欠陥を生じさせうる。よって、このような現象を回避したいというニーズが存在する。

＜改良構成について＞
図７を用いて改良した電源装置１０について説明するする。なお、すでに説明した個所には同一の参照符号を付与することで、説明の簡潔化を図ることにする。図２と比較すると、図７では、ＬＣ共振回路１２を構成するコンデンサ１１６が、２つのコンデンサ２０１、２０１とスイッチ２０３に置換されていることに特徴がある。これは、圧電トランス１０１を駆動するＬＣ共振回路１２の共振周波数を切り替え可能とするためである。ＬＣ共振回路１２のＬＣ共振周波数は、インダクタ１１５のインダクタンスとコンデンサ２０１、２０１の容量（キャパシタンス）によって決定される。よって、インダクタンスとキャパシタンスとのうちの少なくとも一方を可変な回路構成とすれば、ＬＣ共振周波数を変更できるため、スプリアス周波数の発生位置を変更することができる。これにより、目標出力電圧の付近でスプリアス電圧が発生しないように制御可能となる。このように、スイッチ２０３は、共振回路の共振周波数を設定する設定回路として機能する。また、スイッチ２０３は、インダクタのインダクタンスの合計値と、キャパシタのキャパシタンスの合計値とのうち少なくとも一方を切り替え信号に応じて変更する設定回路としても機能する。

スイッチ２０３は、たとえば、ＦＥＴなどのスイッチング素子で実現ができる。スイッチ２０３は、コンデンサ２０２に対して並列に接続されている。スイッチ２０３は、コントローラ４０のＭＰＵ４１から送信される共振周波数切り替え信号に基づいてＯＮ／ＯＦＦされる。ＭＰＵ４１は、圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値または電源装置が設置される環境を示す環境パラメータにしたがって共振周波数を切り替えるための切り替え信号を設定回路に出力する制御回路として機能する。ここでは、共振周波数切り替え信号がＨｉｇｈレベルのときに、スイッチ２０３は、ＯＮとなり、コンデンサ２０２をショートさせる。

以降、本特許の効果を理解しやすくするために具体的数値を用いて説明する。本実施例において各素子の定数は以下のように設定されている。

Ｌ１１５＝２２０ｕＨ
Ｃ２０１＝２２００ｐＦ
Ｃ２０２＝２２０ｐＦ
なお本明細書内では、各コンデンサの容量値をその参照番号を用いて表記することにする。つまり、Ｃ２０１はコンデンサ２０２の容量値を示している。同様に、各インダクタのインダクタンス値をその参照番号を用いて表記することにする。つまり、Ｌ１１５は、インダクタ１１５のインダクタンスを示している。本実施例における圧電トランス１０１の共振周波数は２００ｋＨｚと仮定する。圧電トランス１０１の１次側の内部容量値Ｃ１０１は、５００ｐＦであるものと仮定する。

ＬＣ共振回路１２のＬＣ共振周波数ｆＬＣは次式で与えられることは周知である。

式（１）に従い、スイッチ２０３がＯＮになるとき＜Ｃａｓｅ Ａ＞とＯＦＦになるとき＜Ｃａｓｅ Ｂ＞のそれぞれでＬＣ共振周波数を計算する。計算結果は以下のとおりである。
＜Ｃａｓｅ Ａ＞ ＬＣ共振周波数ｆＬＣ＝２０６．５ｋＨｚ
＜Ｃａｓｅ Ｂ＞ ＬＣ共振周波数ｆＬＣ＝４０５．６ｋＨｚ
図８に＜Ｃａｓｅ Ａ＞と＜Ｃａｓｅ Ｂ＞のそれぞれについて圧電トランス１０１に印加される駆動信号の波形を示す。ＶｇｓはＦＥＴ１１４のゲート端子に入力されるスイッチング信号の波形を示している。ＶｄｓＡは＜Ｃａｓｅ Ａ＞におけるＦＥＴ１１４のドレイン端子に現れる電圧の波形を示している。ＶｄｓＢは、＜Ｃａｓｅ Ｂ＞におけるＦＥＴ１１４のドレイン端子に現れる電圧の波形を示している。

なお、図８に示した周期Ｔ３、Ｔ４はＬＣ共振回路１２のＬＣ共振周波数ｆＬＣから求められる周期である。周期Ｔ１は圧電トランス１０１を駆動する駆動周波数に対応した周期である。図９（Ａ）に＜Ｃａｓｅ Ａ＞についての電源装置１０の駆動周波数に対する出力電圧特性を示す。図９（Ｂ）に＜Ｃａｓｅ Ｂ＞についての電源装置１０の駆動周波数に対する出力電圧特性を示す。図９（Ａ）からわかるように、＜Ｃａｓｅ Ａ＞では圧電トランス１０１の共振周波数ｆ０（２００ｋＨｚ）に対してＬＣ共振回路１２のＬＣ共振周波数ｆＬＣ（２０６．５ｋＨｚ）が非常に近くなる。よって、図９（Ａ）が示すようなスプリアス電圧が発生しない駆動周波数対出力電圧特性となる。このように、本発明によれば、ＬＣ共振周波数ｆＬＣを調整することで、目標出力電圧が相対的に低い場合であっても、電圧変動の発生を低減できるようになる。なお、＜Ｃａｓｅ Ａ＞では、図８が示すように、フライバック電圧の実効値が小さくなってしまう。そのため、図９（Ａ）が示すように圧電トランス１０１から出力可能な電圧範囲における最大値Ｖｍａｘ１が相対的に低くなる。

一方、＜Ｃａｓｅ Ｂ＞では圧電トランス１０１から出力可能な電圧範囲における最大値を相対的に大きくするために、ＭＰＵ４１およびスイッチ２０３がＬＣ共振周波数ｆＬＣを非常に高周波に設定する。これにより図９（Ｂ）に示すように出力可能な電圧範囲における最大値がＶｍａｘ２（Ｖｍａｘ２ ＞ Ｖｍａｘ１）に変更される。最大値を大きくすることで、たとえば、転写バイアスで使用するような高い電圧（例：３ｋＶ）も電源装置１０が出力できるようになる。

＜制御の例＞
ここでは、画像形成装置の転写バイアスは相対的に低い電圧（例：１００Ｖ）から相対的に高い電圧（３ｋＶ）まで幅広く使用されるものと仮定する。その主な理由は負荷である２次転写ローラ２９の抵抗値が空気中の絶対水分量によって大きく変動することである。一般に、空気中の絶対水分量が多い環境では２次転写ローラ２９の抵抗値が低くなり、トナーを転写するための電流を流すのに必要な電圧が相対的に低い電圧（１００Ｖ〜５００Ｖ程度）となる。一方、空気中の絶対水分量が少ない環境では２次転写ローラ２９の抵抗値が高くなり、転写に必要な電圧は相対的に高い電圧（２ｋＶ〜３ｋＶ程度）となる。

そこで、本実施例では、画像形成装置に備えられた絶対水分量検出センサ４５の検出結果によりＭＰＵ４１が共振周波数切り替え信号をＨｉｇｈまたはＬｏｗに設定し、高電圧の出力を開始するものとする。

本実施例における高電圧回路を画像形成装置の１次転写バイアス制御に適用した際の制御例を図１０のフローチャートと図９（Ａ）及び図９（Ｂ）を用いて説明する。なお、このフローチャートに示す制御処理は、予めＲＯＭ４３に格納されたプログラムに従ってＭＰＵ４１により実行されるものである。

Ｓ１００１で、ＭＰＵ４１は、出力電圧を決定する。たとえば、ＭＰＵ４１が絶対水分量検出センサ４５からの検知信号を受け取って環境パラメータの一種である絶対水分量を測定し、測定により取得された絶対水分量に対応した出力電圧ＶｔをＲＯＭ４３に記憶されているテーブルを参照して特定する。このテーブルには、複数の絶対水分量と出力電圧との関係が関連付けて登録されている。テーブルに代えて、入力を絶対水分量とし、出力を出力電圧とした関数がＲＯＭ４３に記憶されていてもよい。環境パラメータとして、画像形成装置の内部温度や外気温、湿度が採用されてもよい。一般に転写バイアスや帯電バイアスの値は環境パラメータに依存するからである。

Ｓ１００２で、ＭＰＵ４１は、決定した出力電圧Ｖｔが所定の閾値Ｖ２よりも高いかどうかを判定する。出力電圧Ｖｔが所定の閾値Ｖ２よりも高ければ、Ｓ１００３に進む。Ｓ１００３で、ＭＰＵ４１は、Ｌｏｗレベルの共振周波数切り替え信号をスイッチ２０３の制御端子へ出力する。これにより、スイッチ２０３は、ＯＦＦとなる。その後、Ｓ１００５に進む。一方、出力電圧Ｖｔが所定の閾値Ｖ２よりも高くなければ、Ｓ１００４に進む。Ｓ１００４で、ＭＰＵ４１は、Ｈｉｇｈレベルの共振周波数切り替え信号をスイッチ２０３の制御端子へ出力する。これにより、スイッチ２０３は、ＯＮとなる。その後、Ｓ１００５に進む。

Ｓ１００５で、ＭＰＵ４１は、決定した目標出力電圧Ｖｔに対応した制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。制御信号Ｖｃｏｎｔがオペアンプ１０９に入力されることにより、電源装置１０の帰還回路は、帰還電圧Ｖｆｂが制御信号Ｖｃｏｎｔに一致するまで、駆動周波数の掃引を実行する。

閾値Ｖ２は、図９（Ｂ）に示したように、スプリアス電圧の極大値（ピーク値）に設定される。つまり、目標出力電圧ＶｔがＶ２を超えていれば、出力電圧Ｖｏｕｔは、スプリアス電圧の影響を受けない。一方で、目標出力電圧ＶｔがＶ２以下であれば、出力電圧Ｖｏｕｔは、スプリアス電圧の影響を受ける。よって、スプリアス電圧の極大値を基準として、ＬＣ共振周波数を切り替えるようにキャパシタンスを調整すればよいことになる。なお、この極大値は圧電トランス１０１を形成している圧電素子の素体ごとに異なる。よって、このような固体バラつきを考慮して閾値Ｖ２を予め設定しておく必要がある。

目標出力電圧Ｖｔが図９（Ｂ）に示されるＶ３のようにＶ２より高い電圧であった場合には、スイッチ２０３をＯＦＦして圧電トランスを駆動される。このＶ３は図９（Ａ）で示したＶｍａｘ１より高い電圧であり、スイッチ２０３をＯＮしたときの電源装置１０では出力できない。しかし、スイッチ２０３をＯＦＦすることで電源装置１０は周波数ｆｃで圧電トランス１０１を駆動することによりことにより、Ｖ３という高い電圧の出力が可能となる。

一方、 目標出力電圧Ｖｔが図９（Ｂ）に示したＶ１のようにＶ２より低い電圧であった場合には、スイッチ２０３をＯＮして圧電トランス１０１が駆動される。スイッチ２０３をＯＦＦしたときの周波数特性図は図９（Ｂ）に示した通りである。駆動周波数ｆｄ、ｆｅという異なる２つの周波数のいずれでも出力電圧はＶ１となりうるため、出力電圧Ｖｏｕｔの制御が不安定になりやすい。しかし、スイッチ２０３をＯＮにすると、電源装置１０の特性は、図９（Ａ）で示した特性となるため、スプリアス電圧のない周波数特性となる。つまり、Ｖ１に対応する駆動周波数はｆｇのみとなる。これにより電源装置１０は安定してＶ１という低い電圧を出力することが可能となる。このように、本実施例によれば、決定された目標出力電圧に応じたＬＣ共振周波数で圧電トランスが駆動されるため、低電圧出力時にスプリアスの影響を受けにくくなり、高電圧出力時にも必要となる高電圧を出力することが可能となる。

このように、本実施例の設定回路は、圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第１の目標値（Ｖ１）から、第２の目標値（Ｖ３）に上昇させるときは、キャパシタンスの合計値を、第１の合計値から第２の合計値に変更する。ここで、第２の目標値は第１の目標値よりも大きい。第１の合計値は第１の目標値に対応した合計値である。第２の合計値は、第１の合計値よりも大きく、かつ、第２の目標値に対応した合計値である。一方、設定回路は、圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第２の目標値から、第２の目標値よりも小さな第１の目標値に低下させることもある。この場合、設定回路は、キャパシタンスの合計値を、第２の目標値に対応した第２の合計値から、第２の合計値よりも小さく、かつ、第１の目標値に対応した第１の合計値に変更することになる。

＜変形例＞
図７では、ＬＣ共振周波数を切り替える機構として、直列に２つのコンデンサを接続した回路構成を採用していた。しかし、本発明において重要な点はＬＣ共振回路１２のＬＣ共振周波数を少なくとも２つ選択でき、１つが圧電トランス１０１の共振周波数に近い周波数であり、別の１つが圧電トランス１０１の共振周波数より高い周波数である点である。そのため、図１１に示すように２つのコンデンサを並列に接続した構成を採用しても、図７で説明した構成と同様の効果を奏することができる。また、コンデンサ２０１、２０２を単一の容量可変コンデンサにより実現してもよい。容量可変コンデンサの容量値は、ＭＰＵ４１が出力する共振周波数切り替え信号によって変更される。

なお、実施例１では、２つのコンデンサのうち一方をスイッチ２０３によって短絡させることで、キャパシタンスの合計値を切り替えたが、コンデンサの数は３つ以上であってもよい。この場合、スイッチの数はコンデンサの総数よりも１つ少ない数となる。つまり、コンデンサの総数に応じた数のＬＣ共振周波数を実現できることになる。これらのスイッチは、複数のコンデンサのうちのいくつかのコンデンサを選択的に短絡するように接続されたスイッチとして機能する。なお、これらのコンデンサは相互に直列に接続されていてもよいし、並列に接続されていてもよいし、さらに一部が直列で他が並列であってもよい。複数のＬＣ共振周波数の組み合わせを実現できる回路配置であれば十分だからである。

さらに、本実施例では正電圧を出力する電源装置を例として説明したが、本発明は負電圧を出力する電源装置に対しても同様に適用できる。電圧の極性は本発明に何ら影響を与えるものではないからである。

本発明によれば圧電トランス１０１の二次側に出力される出力電圧の目標値（目標出力電圧Ｖｔ）または電源装置１０が設置される環境を示す環境パラメータにしたがってＬＣ共振周波数を切り替える。これにより、正弦波の発生回路を用いずにスプリアス周波数を低減できるようになる。つまり、スプリアス電圧の発生量を低減して、低い電圧から高い電圧まで電源装置１０が安定して出力できるようになる。

［実施例２］
以下、実施例２について図１２及び図１３に基づいて説明する。実施例１では、ＬＣ共振周波数を切り替える構成として、コンデンサのキャパシタンスの合計値を切り替える構成について説明した。しかし、キャパシタンスに代えて、あるいはキャパシタンスとともにコイル（インダクタ）のインダクタンスを変更する構成でも、ＬＣ共振周波数を切り替えることができる。そこで、実施例２では、インダクタンスを変更することで、ＬＣ共振周波数を変更する構成ついて説明する。

図１２に示す回路構成ではインダクタ２０４をスイッチ２０３でショートできる構成となっている。このスイッチ２０３がＯＮしているときとＯＦＦしているときとで、インダクタ２０４、２０５とコンデンサ１１６で構成されるＬＣ共振回路１２のＬＣ共振周波数が切り替わる構成となっている。さらに、実施例２が実施例１と異なる点はコンパレータ２１０と抵抗２１１、２１２、２１３にて構成される共振周波数切り替え信号生成回路１５が組み込まれている点である。コントローラ４０のＭＰＵ４１から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔに連動して共振周波数切り替え信号生成回路１５が共振周波数の切り替え信号を生成する。

制御信号Ｖｃｏｎｔは、目標出力電圧Ｖｔに対応したアナログ信号である。コンパレータ２１０の反転入力端子には、定電圧源から供給される基準電圧Ｖｃｃが分圧回路を介して印加される。コンパレータの非反転入力端子には、制御電圧が入力される。基準電圧Ｖｃｃを抵抗２１１、２１２によって分圧して生成された電圧が閾値電圧となり、制御信号Ｖｃｏｎｔの電圧と比較される。低電圧を出力するため制御信号Ｖｃｏｎｔは、コンパレータ２１０によって、閾値電圧未満と判定される。コンパレータ２１０はＨｉｇｈレベルの信号をスイッチ２０３の制御端子に出力するため、スイッチ２０３がＯＮとなる。逆に、高電圧を出力するための制御信号Ｖｃｏｎｔが入力されると、コンパレータ２１０は、制御信号Ｖｃｏｎｔの電圧が閾値電圧を超えると判定する。よって、コンパレータ２１０はＬｏｗレベルの信号をスイッチ２０３の制御端子に出力するため、スイッチ２０３がＯＦＦとなる。このように、ＬＣ共振周波数の切り替えは制御信号Ｖｃｏｎｔの電圧レベルに応じて共振周波数切り替え信号生成回路１５が制御するため、ＭＰＵ４１のファームウエアとしては基本構成のファームウエアをそのまま使用できる。実施例１では、基本構成のファームウエアとは異なるファームウエアが必要となるため、実施例２ではその点が有利かもしれない。なお、制御信号Ｖｃｏｎｔはコントローラ４０が出力するＰＷＭ信号を積分して生成してもよいし、Ｄ／Ａコンバータを介して生成してもよい。

図１３を用いて制御シーケンスについて説明する。Ｓ１３０１で、ＭＰＵ４１は、目標出力電圧Ｖｔを決定する。具体的な決定方法はＳ１００１と同じである。Ｓ１３０２で、ＭＰＵ４１は、決定した目標出力電圧Ｖｔに対応した制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。なお、図１３に示したフローチャートは、基本構成におけるフローチャートと変わらない。

本発明によれば圧電トランス１０１の二次側に出力される出力電圧の目標値（目標出力電圧Ｖｔ）または電源装置１０が設置される環境を示す環境パラメータにしたがってＬＣ共振周波数を切り替える。これにより、正弦波の発生回路を用いずにスプリアス周波数を低減できるようになる。つまり、スプリアス電圧を低減して、低い電圧から高い電圧まで電源装置１０が安定して出力できるようになる。とりわけ、実施例２では、目標出力電圧Ｖｔに応じてＬＣ共振回路１２のインダクタンスの合計値を切り替えることで、ＬＣ共振周波数を切り替える。なお、図１２では、２つのコイルを直列に接続しているが、これらを並列に接続し、その一方のコイルに対して並列にスイッチ２０３を接続してもよい。また、インダクタンスを変更できる可変コイルをインダクタ２０４、２０５に代えて採用し、可変コイルのインダクタンス値を、目標出力電圧Ｖｔに応じた共振周波数切り替え信号によって変更してもよい。実施例２によれば、基本構成のファームウエアと同様のファームウエアを用いて、実施例１と同様の効果を達成できることも、メリットの一つであろう。

スイッチ２０３は、それぞれ直列に接続された複数のコイルのうちのいくつかのコイルを選択的に短絡するように接続されたスイッチとして機能する。なお、スイッチ２０３を、それぞれ並列に接続された複数のコイルのうちのいくつかのコイルを選択的に開放するように接続されたスイッチとして機能してもよい。また、実施例１のコンデンサに関して説明した理由と同様の理由から、インダクタ（コイル）の数は３つ以上であってもよい。なお、インダクタは、コイルではなく、ジャイレータによって実現されてもよい。

実施例２の設定回路は、圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第１の目標値（Ｖ１）から、第１の目標値よりも大きい第２の目標値（Ｖ３）に上昇させることができる。この場合、設定回路は、インダクタンスの合計値を、第１の目標値に対応した第１の合計値から、第１の合計値よりも小さく、かつ、第２の目標値に対応した第２の合計値に変更する。一方、設定回路は、圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第２の目標値から、第２の目標値よりも小さな第１の目標値に低下させることもできる。この場合、設定回路は、インダクタンスの合計値を、第２の目標値に対応した第２の合計値から、第２の合計値よりも大きく、かつ、第１の目標値に対応した第１の合計値に変更してもよい。

なお、実施例１および２で説明した電源装置１０を画像形成装置に搭載してもよい。この場合、画像形成装置が備える画像形成部は、電源装置１０から供給されたバイアスを用いて画像を形成する画像形成部として機能する。絶対水分量検出センサ４５やＭＰＵ４１は、画像形成装置が設置された環境の環境パラメータを取得する取得手段として機能する。また、ＭＰＵ４１は、取得手段によって取得された環境パラメータに対応した出力電圧を決定する出力電圧決定手段として機能する。また、電源装置１０の制御回路は、出力電圧決定手段により決定された出力電圧にしたがって共振周波数を切り替えるための切り替え信号を設定回路に出力することになる。このように、本発明の電源装置１０を採用することで、スプリアス電圧に起因した画像不良を減らすことが可能となる。

Claims (14)

1. 電源装置であって、
   圧電トランスと、
   前記圧電トランスの一次側に接続され、前記圧電トランスを駆動するための駆動信号を出力する共振回路と、
   前記共振回路の共振周波数を設定する設定回路と、
   前記圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値または前記電源装置が設置される環境を示す環境パラメータにしたがって前記共振周波数を切り替えるための切り替え信号を前記設定回路に出力する制御回路と
   を備え、前記設定回路は、前記切り替え信号に応じて前記共振周波数を切り替えることを特徴とする電源装置。
2. 前記共振回路は、インダクタとキャパシタとを備え、
   前記設定回路は、前記インダクタのインダクタンスの合計値と、前記キャパシタのキャパシタンスの合計値とのうち少なくとも一方を前記切り替え信号に応じて変更することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記キャパシタは複数のコンデンサであり、
   前記複数のコンデンサはそれぞれ直列に接続されており、
   前記設定回路は、前記複数のコンデンサのうちのいくつかのコンデンサを選択的に短絡するように接続されたスイッチを備えていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記キャパシタは複数のコンデンサであり、
   前記複数のコンデンサはそれぞれ並列に接続されており、
   前記設定回路は、前記複数のコンデンサのうちのいくつかのコンデンサを選択的に開放するように接続されたスイッチを備えていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
5. 前記設定回路は、前記圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第１の目標値から、該第１の目標値よりも大きい第２の目標値に上昇させるときは、前記キャパシタンスの合計値を、前記第１の目標値に対応した第１の合計値から、該第１の合計値よりも大きく、かつ、前記第２の目標値に対応した第２の合計値に変更することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
6. 前記設定回路は、前記圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第２の目標値から、該第２の目標値よりも小さな第１の目標値に低下させるときは、前記キャパシタンスの合計値を、前記第２の目標値に対応した第２の合計値から、該第２の合計値よりも小さく、かつ、前記第１の目標値に対応した第１の合計値に変更することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
7. 前記インダクタは複数のコイルであり、
   前記複数のコイルはそれぞれ直列に接続されており、
   前記設定回路は、前記複数のコイルのうちのいくつかのコイルを選択的に短絡するように接続されたスイッチを備えていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
8. 前記インダクタは複数のコイルであり、
   前記複数のコイルはそれぞれ並列に接続されており、
   前記設定回路は、前記複数のコイルのうちのいくつかのコイルを開放するように接続されたスイッチを備えていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
9. 前記設定回路は、前記圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第１の目標値から、該第１の目標値よりも大きい第２の目標値に上昇させるときは、前記インダクタンスの合計値を、前記第１の目標値に対応した第１の合計値から、該第１の合計値よりも小さく、かつ、前記第２の目標値に対応した第２の合計値に変更することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
10. 前記設定回路は、前記圧電トランスの二次側に出力される出力電圧の目標値を第２の目標値から、該第２の目標値よりも小さな第１の目標値に低下させるときは、前記インダクタンスの合計値を、前記第２の目標値に対応した第２の合計値から、該第２の合計値よりも大きく、かつ、前記第１の目標値に対応した第１の合計値に変更することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
11. 前記キャパシタは容量可変コンデンサであり、
    前記設定回路は、前記切り替え信号に応じて前記容量可変コンデンサのキャパシタンスを変更することで、前記共振周波数を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
12. 前記キャパシタは可変コイルであり、
    前記設定回路は、前記切り替え信号に応じて前記可変コイルのインダクタンスを変更することで、前記共振周波数を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
13. 画像形成装置であって、
    請求項１ないし１２のいずれか１項に記載された電源装置と、
    前記電源装置から供給されたバイアスを用いて画像を形成する画像形成部と
    を備えることを特徴とする画像形成装置。
14. 前記画像形成装置が設置された環境の環境パラメータを取得する取得手段と、
    前記取得手段によって取得された環境パラメータに対応した出力電圧を決定する出力電圧決定手段と
    をさらに備え、
    前記電源装置の制御回路は、前記出力電圧決定手段により決定された出力電圧にしたがって前記共振周波数を切り替えるための切り替え信号を前記設定回路に出力することを特徴とする請求項１３に記載の画像形成装置。

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