JP2015233103A - トランス及び電流共振電源、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、且つ流れる電流のバラつきが小さい構成のトランスを提供する。【解決手段】コア４０１、一次巻線４０４、第一と第二の二次巻線４０３、４０５、一次巻線４０４と第一と第二の二次巻線４０３、４０５が巻かれたボビン４０２とを有し、一次巻線４０４を第一の二次巻線４０３と第二の二次巻線４０５で挟み込む構成のトランス。好ましくは、一次巻線４０４を第一の二次巻線４０３と第二の二次巻線４０５の巻数をほぼ同一とする。【選択図】図４

Description

本発明は、電流共振電源に使用されるトランスの構成に関する。

電力変換効率が比較的高く、且つ、発生するノイズが小さいスイッチング電源として電流共振方式の電源が知られている。この電流共振方式の電源には、回路動作上、所定のリーケージインダクタンスが必要となるため、電磁トランス（以下、トランスとも言う）の構成としては以下の２つの構成が適用されている。一つは、トランスの一次巻線と二次巻線の巻き領域を完全に分離した分割型トランスの構成、もう一つは、汎用的な積層型トランスの構成である。この二つの構成は、サイズ、用途等に応じて使い分けられている。

特開２００９−３８２４４号公報

電流共振用のトランスとしてセンタータップ型のトランスを積層型で構成した場合は、トランスの小型化に有利である。その一方で積層型の構成では、トランスの一次巻線に流れる正負の電流のバランスが崩れる可能性がある。正負電流のバランスが崩れることを考慮して、所望の正負の電流値を得ようとすると、トランスを駆動するスイッチング素子として定格の大きなスイッチング素子を用いる必要がある。定格が大きな素子はコストが高いため、電源のコストアップの要因となってしまう。このように、電流共振用の電磁トランスの小型化とコストダウンの両立が求められている。

上記課題を解決するための本発明のトランスは、コアと、一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記一次巻線と前記第一と前記第二の二次巻線が巻かれたボビンとを有するトランスにおいて、前記一次巻線を第一の二次巻線と第二の二次巻線で挟み込むことを特徴とする。

また、本発明の他のトランスは、コアと、第一と第二の一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記第一と前記第二の一次巻線と前記二次巻線が巻かれたボビンとを有するトランスにおいて、前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込むことを特徴とする。

また、本発明の電流共振電源は、コアと、一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記一次巻線と前記第一と前記第二の二次巻線が巻かれたボビンとを有し、前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込まれたトランスと、前記一次巻線に接続された二つのスイッチング素子と、前記二つのスイッチング素子を交互に駆動する制御手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明の他の電流共振電源は、コアと、第一と第二の一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記第一と前記第二の一次巻線と前記二次巻線が巻かれたボビンとを有し、前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込まれたトランスと、前記一次巻線に接続された二つのスイッチング素子と、前記二つのスイッチング素子を交互に駆動する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、電流共振方式の電源に用いられるトランスとして小型であり、且つ流れる電流のばらつきが小さい構成のトランスを提供することができる。

実施例１に係る電流共振方式の電源の回路図 実施例２に係るトランスに流れる電流を説明する概念図 実施例３に係るスイッチング素子（ＦＥＴ）およびトランスに流れる電流波形 実施例１に係るトランスの断面図 実施例２に係るトランスの断面図 実施例３に係るトランスの断面図 電流共振方式の電源を適用した画像形成装置を示す図

（実施例１）
以下、本発明の実施例１を図１乃至図４に基づき説明する。図１は電流共振方式の電源（以下、電流共振電源という）の回路図である。図１において１０１はＡＣプラグであり、コンセントに接続して商用交流電源からの交流電圧（ＡＣ電圧）を電流共振電源に供給する。供給されたＡＣ電圧は、不図示のラインフィルタを介してダイオードブリッジ１０２で全波整流され、平滑コンデンサ１０３により平滑された直流電圧（ＤＣ電圧）として出力される。このＤＣ電圧は二つのスイッチング素子であるＦＥＴ１０４とＦＥＴ１０５の夫々を約５０％のデューティで交互に駆動する。これによりトランス１０６の一次巻線１０６ａに電流を流すとともに、共振コンデンサ１０７に電荷を蓄積（充電）する。また、ＦＥＴ１０４とＦＥＴ１０５の駆動は制御部（制御ＩＣ）１１１で行われる。なお、ＦＥＴ１０４は高電位側に接続されているため、ハイサイドＦＥＴ、ＦＥＴ１０５はＦＥＴ１０４に対して低電位側に接続されているためローサイドＦＥＴともいう。そして、トランス１０６の二次巻線１０６ｂには、ハイサイドＦＥＴ１０４の駆動時に電流が流れ、ダイオード１０８を介して二次側の負荷に電力を供給する。一方、トランス１０６の二次巻線１０６ｃには、ローサイドＦＥＴ１０５の駆動時に電流が流れ、ダイオード１０９を介して二次側の負荷に電力を供給する。１１０は二次側の平滑コンデンサである。尚、制御部１１１によって、ハイサイドＦＥＴ１０４とローサイドＦＥＴ１０５の駆動（オンオフする動作）は、所定期間、両方のＦＥＴ１０４，１０５が共にオフ状態となる期間（以下、デッドタイム期間という）が設定されて駆動される。デッドタイム期間を設けてスイッチング動作することで、ノイズの発生を低減した状態でのスイッチング動作を実現している。また二次側の負荷に対しては、ＦＥＴ１０４とＦＥＴ１０５のスイッチング周波数を制御して出力電圧を一定に維持する。なお、スイッチング周波数は、二次巻線１０６からの出力電圧を検知した結果と目標の出力電圧を比較して比較結果に基づき制御部１１１で制御される。

図２はトランス１０６を等価回路で表した電流共振電源の回路図であり、図１に対して、一部の回路構成を省略している。図２（ａ）において１０６がトランスであり、２０１はトランス１０６における一次側のリーケージインダクタンスである。小電力を供給する用途で一般的に用いられるフライバック電源、また、中および大電力用途で一般的に用いられるフォワード電源では、一次側のリーケージインダクタンス２０１は回路動作に関係ない要素である。しかし、電流共振電源では、一次側のリーケージインダクタンス２０１を回路動作に積極的に使用している構成でありリーケージインダクタンス２０１が回路動作にとって重要な要素となる。２０２は二次側のリーケージインダクタンスを一次側に換算したリーケージインダクタンス、２０３は励磁インダクタンス、２０４は一次巻線の直流抵抗である。一方、２０５は正電圧出力用の二次巻線の直流抵抗、２０６は負電圧出力用の二次巻線の直流抵抗であり、本等価回路の場合、これら二次巻線のリーケージインダクタンスは一次側に換算して表しているため、二次側にリーケージインダクタンスを表現していない。なお正側出力とは、トランス１０６に流す電流を２つのＦＥＴ１０４、１０５の中間点から共振コンデンサ１０７の方向に流した場合の出力であり、負側出力とは、共振コンデンサ１０７から２つのＦＥＴ１０４、ＦＥＴ１０５の中間点の方向に流した場合の出力である。

図２（ｂ）は、ハイサイドＦＥＴ１０４の駆動時における、トランスの一次側と二次側の夫々に流れる電流の流れを説明した概念図である。ハイサイドＦＥＴ１０４が導通（以降のではオンという）すると、平滑コンデンサ１０３を電源とした電流Ｉｄｈが、ハイサイドＦＥＴ１０４、トランス１０６の一次側、そして、共振コンデンサ１０７に流れる。そして、所定の電荷が共振コンデンサ１０７に蓄積される。同時にダイオード１０８アノード側に電圧が発生し、ダイオード１０８を介して、二次側の負荷に電力を供給する。この時の一次側で換算した二次巻線１０６ｂのリーケージインダクタンス２０２ｂは、一次巻線１０６ａと二次巻線１０６ｂの巻数比の二乗倍に換算されて、一次側に存在している。

次に図２（ｃ）は、ローサイドＦＥＴ１０５駆動時における、トランスの一次側と二次側それぞれに流れる電流の流れを説明した概念図である。ローサイドＦＥＴ１０５がオンすると、図２（ｂ）で共振コンデンサ１０７に充電した電圧を電源として、図２（ｂ）とは逆向きの電流Ｉｄｌがトランス１０６の一次側に流れる。電流の流れとしては、共振コンデンサ１０７のトランス１０６側から、一次側リーケージインダクタンス２０１、ローサイドＦＥＴ１０５、そして共振コンデンサ１０７に戻る流れになる。同時にダイオード１０９アノード側に電圧が発生し、ダイオード１０９を介して二次側の負荷に電力を供給する。この時の一次側で換算した二次巻線１０６ｃのリーケージインダクタンス２０２ｃは、一次巻線１０６ａと二次巻線１０６ｃの巻数比の二乗倍に換算されて一次側に存在する。（図２（ｂ）で表したハイサイドＦＥＴ１０４のオン時における二次側リーケージンインダクタンスの一次側の換算値である２０２ｂとは、厳密には異なる値となる。）
図３は電流共振電源の所定負荷に電力を供給している場合における、ハイサイドＦＥＴ１０４およびローサイドＦＥＴ１０５の各電流波形を示しており、横軸が時間（ｔ）、縦軸が電流値（Ｉ）である。図３（ａ）において、３０１がハイサイドＦＥＴ１０４に流れる電流Ｉｄｈ、３０２がローサイドＦＥＴ１０５に流れる電流Ｉｄｌである。ここで、図２で説明した二次巻線１０６ｂの一次側で換算したリーケージンインダクタンス２０２ｂと、二次巻線１０６ｃの一次側で換算したリーケージインダクタンス２０２ｃが略同等な値である場合、両波形は図３（ａ）のように、同じ形を示す。この場合は、一次巻線１０６ａと二次巻線１０６ｂおよび１０６ｃの各結合度が同等であることも意味する。しかし、その一方で、一次巻線１０６ａと二次巻線１０６ｂ、１０６ｃの各結合度が異なる場合、一次側で換算したリーケージンインダクタンス２０２ｂと２０２ｃが異なる。つまり、図３（ｂ）のようにハイサイドＦＥＴ１０４とローサイドＦＥＴ１０５の電流波形に差が生じることになる。

同図において、３０３がハイサイドＦＥＴ１０４の電流Ｉｄｈ、３０４がローサイドＦＥＴ１０５の電流Ｉｄｌであり、この場合、リーケージインダクタンス２０２ｃよりもリーケージインダクタンス２０２ｂの結合度が大きい状態の例である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＦＥＴ電流波形に対応したトランス１０６に流れる電流波形であり、図３（ｂ）の３０４の電流Ｉｄｌを上下に反転した電流波形になる。このように、各二次巻線のリーケージインダクタンス２０２ｂと２０２ｃに大きな差が生じると、トランス１０６に流れる正側出力の電流Ｉｄｈと負側出力の電流Ｉｄｌのピーク値が異なる。つまり正負電流のバランスが崩れてしまう。トランス１０６としては、ピーク値の大きい方の電流値に合わせた直流重畳特性が必要となり、トランス１０６のサイズが大きくなる可能性がある。

図４は、電流共振電源に使用されるセンタータップ型で、かつ積層型のトランス１０６の断面図を示したものである。図４において、４０１は磁性材料としてのコアであり、４０２は巻線の巻き領域を形成するためのボビンである。本構成の場合、上下から同じ形状のコア４０１をボビン４０２に通す縦型のトランスを表し、コア４０１の左右方向に対する中央部分に線対称の関係で巻線が巻かれる。４０３は正側出力の二次巻線１０６ｂ、４０４は一次巻線１０６ａ、４０５は負側出力の二次巻線１０６ｃである。なお４０６は一次巻線４０４に対する二次巻線４０３、あるいは、二次巻線４０５の沿面距離を確保するためのバリアテープである。そして、本実施例では、一次巻線４０３と二次巻線４０５の夫々の巻数は同じになっている。

ここで、本実施例の特徴は、一次巻線４０４を二次巻線４０３と二次巻線４０５で挟み込む構成にする点である。このように一次巻線４０４、二次巻線４０３、二次巻線４０５を構成することで、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３および４０５の接触面積を同等とすることができる。すなわち、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にすることができる。これにより、トランスのサイズを最適化してトランスを小形化することができる。

尚、本実施例では、二次巻線４０３をボビン４０２中央部に構成し、二次巻線４０５をボビン４０２外周部に構成したが、二次巻線４０３、４０５を逆に構成しても同様の効果が得られる。また、不図示ではあるが、積層型トランス１０６には一次巻線４０４と二次巻線４０３及び４０５の間（層間という）に、絶縁を目的としてテープを数回巻く構成である。この層間のテープを巻く回数を一次巻線４０４と二次巻線４０３間、および、一次巻線４０４と二次巻線４０５間で同じにすることで、各結合度を合わせ易くすることができる。

また、本実施例では、なお、一次巻線と二次巻線の巻数を同一にしたが、同一でなくてもよく、数巻に小差がある略同一構成であっても本実施例の効果を得ることができる。

（実施例２）
実施例１では、一次巻線４０４を二次巻線４０３及び４０５で挟み込む構成にすることで、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にした。本実施例では、一次巻線４０４の巻数を二等分して、二次巻線４０３と４０５を二等分した一次巻線４０４で挟み込む構成とした。これにより、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にしたものである。

構成としては、図４で示した構成に対して、二次巻線４０３および４０５を２つに分けた一次巻線４０４で挟み込む状態になる。この構成を図５に示す。このように構成することで、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３および４０５の接触面積を同等とすることができる。このため、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にすることができる。

以上説明したように、二次巻線４０３と二次巻線４０５を、二等分した一次巻線４０４で挟み込むことで、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にすることができる。尚、一次巻線４０４の巻数が奇数の場合は二等分できずに一巻き線分余ることになる。しかし、一巻き線分の差が生じたとしても、リーケージインダクタンス２０２ｂと２０２ｃに現われる差は極微小であるため、結合度が略同等になる。

また、本実施例においても、なお、一次巻線と二次巻線の巻数が同一の構成を前提に説明したが、同一でなくてもよく、数巻に小差がある略同一の構成であっても本実施例の効果を得ることができる。

（実施例３）
実施例１および実施例２では、二次巻線４０３と４０５の巻き領域を左右方向に対して独立に分け、二次巻線４０３と４０５で一次巻線４０４を挟み込む、あるいは、二等分した一次巻線４０４で、二次巻線４０３と４０５を挟み込む構成とした。そして、そのような構成をとることで、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にした。

本実施例では、二次巻線４０３と４０５を左右方向に対して同一層に巻き、その層を、二等分した一次巻線４０４によって挟み込む構成とした。これにより、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にしたものである。

本発明の実施例３の構成を図６に示す。図６は本実施例の積層型トランス１０６の内部構造の断面図であり、図４および図５の構成と同じ部分については同符号を付している。このように構成することで、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３および４０５の接触面積を同等とすることができる。このため、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にすることができる。

以上説明したように、二次巻線４０３と４０５を縦方向の同一層に巻く構成とし、それらの巻線を二等分した一次巻線４０４で挟み込む構成とした。これにより、一次巻線４０４に対する二次巻線４０３の結合度と、一次巻線４０４に対する二次巻線４０５の結合度を同等にすることができる。

尚、二次巻線４０３と二次巻線４０５の上下関係（図６における）が逆転しても、同様の効果が得られる。また実施例１乃至実施例３の説明では、トランスとしては縦型トランス、横型トランス夫々で同等の効果が得られる。また複数の電圧を出力する構成（マルチ出力の構成）においては、追加で必要になる２系統の二次側の巻線についても、上記したような結合度に配慮した巻線構成を取ることで、同等の効果が得られる。

また、本実施例においても、なお、一次巻線と二次巻線の巻数が同一の構成を前提に説明したが、同一でなくてもよく、数巻に小差がある略同一の構成であっても本実施例の効果を得ることができる。

（実施例４）
上記の実施例で説明したトランスを備えた電流共振電源は、例えば画像形成装置の低圧電源、すなわちコントローラ（ＣＰＵ）やモータ等の駆動部へ電力を供給する電源として適用可能である。以下に、上記実施例の電源装置が適用される画像形成装置の構成を説明する。

［画像形成装置の構成］
画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタを例にあげて説明する。図７に電子写真方式のプリンタの一例であるレーザビームプリンタの概略構成を示す。レーザビームプリンタ５００は、静電潜像が形成される像担持体としての感光ドラム５１１、感光ドラム５１１を一様に帯電する帯電部５１７（帯電手段）、感光ドラム５１１に形成された静電潜像をトナーで現像する現像部５１２（現像手段）を備えている。そして、感光ドラム５１１に現像されたトナー像をカセット５１６から供給された記録材としてのシート（不図示）に転写部５１８（転写手段）によって転写して、シートに転写したトナー像を定着器５１４で定着してトレイ５１５に排出する。この感光ドラム５１１、帯電部５１７、現像部５１２、転写部５１８が画像形成部である。また、レーザビームプリンタ５００は、上記の実施例で説明した電源装置５５０を備えている。なお、実施例１、２の電源装置５５０を適用可能な画像形成装置は、図７に例示したものに限定されず、例えば複数の画像形成部を備える画像形成装置であってもよい。更に、感光ドラム５１１上のトナー像を中間転写ベルトに転写する一次転写部と、中間転写ベルト上のトナー像をシートに転写する二次転写部を備える画像形成装置であってもよい。

レーザビームプリンタ５００は、画像形成部による画像形成動作や、シートの搬送動作を制御するコントローラ５２０を備えており、上記の実施例に記載の電源装置５５０は、例えばコントローラ５２０に電力を供給する。また、電源装置５５０は、感光ドラム５１１を回転するため、又はシートを搬送する各種ローラ等を駆動するためのモータ等の駆動部に電力を供給する。

１０６ 積層型トランス
４０１ コア
４０２ ボビン
４０３ 二次巻線
４０４ 一次巻線
４０５ 二次巻線
４０６ バリアテープ

Claims (10)

1. コアと、一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記一次巻線と前記第一と前記第二の二次巻線が巻かれたボビンとを有するトランスにおいて、
   前記一次巻線を第一の二次巻線と第二の二次巻線で挟み込むことを特徴とするトランス。
2. 前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線の巻数が略同一であることを特徴とする請求項１に記載のトランス。
3. コアと、第一と第二の一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記第一と前記第二の一次巻線と前記二次巻線が巻かれたボビンとを有するトランスにおいて、
   前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込むことを特徴とするトランス。
4. 前記第一と前記第二の二次巻線が、各々同一層で構成されることを特徴とする請求項３に記載のトランス。
5. コアと、一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記一次巻線と前記第一と前記第二の二次巻線が巻かれたボビンとを有し、前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込まれたトランスと、
   前記一次巻線に接続された二つのスイッチング素子と、
   前記二つのスイッチング素子を交互に駆動する制御手段と、
   を有することを特徴とする電流共振電源。
6. コアと、第一と第二の一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記第一と前記第二の一次巻線と前記二次巻線が巻かれたボビンとを有し、前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込まれたトランスと、
   前記一次巻線に接続された二つのスイッチング素子と、
   前記二つのスイッチング素子を交互に駆動する制御手段と、
   を有することを特徴とする電流共振電源。
7. 画像を形成するための画像形成手段を有する画像形成装置において、
   前記画像を形成するために前記画像形成装置に電力を供給する電流共振電源を有し、
   前記電流共振電源は、
   コアと、第一と第二の一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記第一と前記第二の一次巻線と前記二次巻線が巻かれたボビンとを有し、前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込まれたトランスと、
   前記一次巻線に接続された二つのスイッチング素子と、
   前記二つのスイッチング素子を交互に駆動する制御手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。
8. 更に前記画像形成手段を制御する制御手段と、前記画像形成手段を駆動する駆動手段を有し、
   前記電流共振電源は、前記制御手段、又は前記駆動手段に電力を供給することを特徴とする請求項７に記載の画像形成装置。
9. 画像を形成するための画像形成手段を有する画像形成装置において、
   前記画像を形成するために前記画像形成装置に電力を供給する電流共振電源を有し、
   前記電流共振電源は、
   コアと、第一と第二の一次巻線と、第一と第二の二次巻線と、前記第一と前記第二の一次巻線と前記二次巻線が巻かれたボビンとを有し、前記第一と前記第二の二次巻線を前記第一の一次巻線と第二の一次巻線で挟み込まれたトランスと、
   前記一次巻線に接続された二つのスイッチング素子と、
   前記二つのスイッチング素子を交互に駆動する制御手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。
10. 更に前記画像形成手段を制御する制御手段と、前記画像形成手段を駆動する駆動手段を有し、
    前記電流共振電源は、前記制御手段、又は前記駆動手段に電力を供給することを特徴とする請求項９に記載の画像形成装置。

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