JP2019102622A - 基板、電源装置及び基板の絶縁方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一次回路及び二次回路が混在する基板の基板サイズの拡大を抑制可能とする。【解決手段】一次回路と、一次回路と強化絶縁で絶縁された二次回路と、を備える。そして、グランドパターンを介した一次回路と二次回路との経路を、強化絶縁及び機能絶縁、又は、基礎絶縁、付加絶縁及び機能絶縁で絶縁する。これにより、グランドパターンを保護ボンディング導体から除外できるため、保護接地に対する最小導体寸法を要求されても、最小導体寸法を満足するようグランドパターンを広げる必要がなく、基板サイズの拡大を抑制することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、基板、電源装置及び基板の絶縁方法に関する。

電子機器に電力を供給する電源装置は、一次回路及び二次回路が混在する基板を備えている。このような一次回路及び二次回路が混在する基板は、多くの場合、接地パターン（ＧＮＤパターン）を保護接地させている。また、一次回路及び二次回路が混在する基板は、「一次回路〜保護接地間」、「二次回路〜保護接地間」及び「一次回路〜二次回路間」が、基板の故障により他の電子部品を破損させる不都合等を防止するために、適切な絶縁（距離）又は保護接地が可能な導体寸法で形成されている。

特許文献１（特開平０３−２８５５１７号公報）には、強化絶縁を必要とする電源と基礎絶縁を必要とする電源において、両電源の回路を一部共有化して、装置サイズの経済化を図る電源装置が開示されている。

しかし、基板の故障による他の電子部品の破損等の不都合を防止するために、「一次回路〜保護接地間」、「二次回路〜保護接地間」及び「一次回路〜二次回路間」を、適切な距離となるように離間させて絶縁を図ると、必然的に基板サイズが大きくなる問題がある。

なお、「基礎絶縁が必要な基板」又は「強化絶縁が必要な基板」等のように、必要な絶縁構成が異なる基板において、強化絶縁が必要な基板を動作させているときに、基礎絶縁が必要な基板を動作させることで、両方の基板の一部の回路を共有化することができ、基板サイズを抑えることができる。しかし、このように一部の回路を共有化すると、片方の基板のみを動作させることが困難となる問題を生ずる。

また、高い安全性が要求される基板の場合、保護接地と接触した接地パターン（ＧＮＤパターン）を保護ボンディング導体とみなし、最小導体寸法が要求されることがある。このため、最小導体寸法の要求を満たすようＧＮＤパターンを広くすると、基板サイズが大きくなる問題を生ずる。この問題は、特許文献１の電源装置に対しても生じている問題である。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、一次回路及び二次回路が混在する基板の基板サイズの拡大を抑制可能とした基板、電源装置及び基板の絶縁方法の提供を目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一次回路と、一次回路と強化絶縁で絶縁された二次回路と、を備え、グランドパターンを介した一次回路と二次回路との経路は、強化絶縁及び機能絶縁、又は、基礎絶縁、付加絶縁及び機能絶縁で絶縁されることを特徴とする。

本発明によれば、一次回路及び二次回路が混在する基板の基板サイズの拡大を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態の画像形成装置のブロック図である。 図２は、比較例となる電源装置の基板の絶縁構成を説明するための図である。 図３は、第１の実施の形態の画像形成装置に設けられている電源装置の基板の絶縁構成を示す図である。 図４は、第２の実施の形態の画像形成装置に設けられている電源装置の基板の絶縁構成を示す図である。 図５は、第３の実施の形態の画像形成装置に設けられている電源装置の基板の絶縁条件を説明するための図である。 図６は、第４の実施の形態の画像形成装置に設けられている電源装置の基板の絶縁構成を示す図である。

（第１の実施の形態）
（ハードウェア構成）
一例ではあるが、基板、電源装置及び基板の絶縁方法は、画像形成装置に適用することができる。図１は、第１の実施の形態の画像形成装置のブロック図である。この第１の実施の形態の画像形成装置は、例えばプリンタ機能及びスキャナ機能等の複数の機能を備えた複合機（ＭＦＰ：Multifunction Peripheral）となっている。すなわち、この画像形成装置は、コントローラ１、スキャナエンジン２、プリンタエンジン３、電力装置（ＰＳＵ：Power Supply Unit）４、搬送ユニット５、及び、操作部６を有する。

コントローラ１は、ＣＰＵ１０、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）１１、メモリ１２、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１３及びタイマ１４を有する。ＣＰＵ１０〜タイマ１４は、それぞれバスラインを介して通信可能なように相互に接続されている。

操作部６は、液晶表示部（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）とタッチセンサとが一体的に形成された、いわゆるタッチパネルとなっている。操作者は、操作部６に表示された操作ボタン（ソフトウェアキー）を接触操作することで、所望の動作を指定する。また、操作部６に隣接してテンキー、スタートボタン、リセットボタン、アプリ切り替えボタン等のハードウェアキーも設けられている。

スキャナエンジン２は、スキャナユニットを制御して、光学的に原稿の読み取りを行う。プリンタエンジン３は、画像書き込みユニットを制御して、例えば転写紙等に画像を印刷する。ＣＰＵ１０は、画像形成装置を統括的に制御する。ＡＳＩＣ１１は、いわゆる大規模集積回路（ＬＳＩ：Large-Scale Integration）となっており、スキャナエンジン２及びプリンタエンジン３で処理する画像に必要な各種の画像処理等を行う。搬送ユニット５は、例えばスキャン駆動時又は印刷時等において転写紙の搬送を行う。

メモリ１２は、ＣＰＵ１０が実行する各種アプリケーション、及び、アプリケーションを実行する際に用いられる種々のデータを記憶する。ＨＤＤ１３は、画像データ、各種のプログラム、フォントデータ、及び、各種のファイル等を記憶する。なお、ＨＤＤ１３の代わり又はＨＤＤ１３と共に、ＳＳＤ（Solid State Drive）を設けてもよい。

電源装置（ＰＳＵ）４は、コントローラ１、スキャナエンジン２、プリンタエンジン３、搬送ユニット５及び操作部６に対して電力を供給する。

（比較例の絶縁構成）
次に、図２は、画像形成装置の電源装置に対して一般的に設けられている基板の絶縁構成を示す図である。この比較例となる基板は、図２に示すように一次回路２１及び二次回路２２と共に、ヒートシンク（フロート）２３が設けられた（混在する）基板となっている。一次回路２１は、交流主電源に直接接続された回路であり、例えば交流主電源への接続部、変圧器の一次巻線、モータ及びその他の負荷装置が含まれる。二次回路２２は、一次回路２１との直接接続がなく、例えば変圧器の二次側巻線を含む回路、コンバータ又は類似の絶縁装置又はバッテリから給電される回路である。

また、この比較例となる基板の場合、一次回路２１〜ヒートシンク２３を取り囲むように、接地パターン（ＧＮＤパターン）２０が設けられている。一次回路２１とＧＮＤパターン２０との間は、基礎絶縁となっている。二次回路２２とＧＮＤパターン２０との間は、機能絶縁となっている。一次回路２１と二次回路２２との間、及びヒートシンク２３と二次回路２２との間は、それぞれ強化絶縁となっている。また、ヒートシンク２３とＧＮＤパターン２０との間は、強化絶縁となっており、ヒートシンク２３と一次回路２１との間は、機能絶縁となっている。

基礎絶縁は、電撃に対する基本的な保護を行う絶縁形態である。機能絶縁は、機器の正常な動作だけに必要な絶縁形態である。強化絶縁は、所定の条件に基づいて、電撃に対して二重絶縁と同等の保護を行う単一の絶縁形態である。なお、二重絶縁とは、基礎絶縁と補足絶縁との両方を備える絶縁形態である。補足絶縁は、基礎絶縁が機能しなくなった場合に電撃の低減を図るために、基礎絶縁と共に施されている独立の絶縁形態である。

このような比較例の基板の場合、一次回路２１とＧＮＤパターン２０との間が基礎絶縁であるため、ＧＮＤパターン２０は、保護ボンディング導体として扱われることとなる。このため、保護接地２４に対する最小導体寸法を要求された場合には、要求された最小導体寸法を満たすために、ＧＮＤパターン２０を広げる必要があり、広げた分、基板サイズが大きくなる。なお、保護ボンディング導体とは、機器の主保護接地端子と接地点とを接続するための配線又は電源コードの導体である。

（第１の実施の形態の絶縁構成）
これに対して、図３は、第１の実施の形態の画像形成装置の電源装置４に設けられている基板の絶縁構成を示す図である。この図３に示すように、第１の実施の形態の画像形成装置の電源装置４の場合、一次回路２１及び二次回路２２が混在する基板となっているが、一次回路２１及び二次回路２２のＧＮＤパターンが，それぞれ非共通の絶縁構成となっている。

すなわち、図３に示す基板の場合、一次回路３１の一次回路ＧＮＤパターン４１及び二次回路３２の二次回路ＧＮＤパターン４２を、付加絶縁で分離する絶縁構成とすることで、ＧＮＤパターンを保護ボンディング導体から除外可能としている。なお、付加絶縁とは、基礎絶縁が破損した際に、回路の保護等を行うために、基礎絶縁に追加して施される独立の絶縁構成である。

さらに詳細に説明すると、図３に示す基板の場合、一次回路３１の一次回路ＧＮＤパターン４１及び二次回路３２の二次回路ＧＮＤパターン４２を経由しない経路における、一次回路３１〜二次回路３２間の絶縁構成は、強化絶縁となっている。

また、一次回路３１の一次回路ＧＮＤパターン４１及び二次回路３２の二次回路ＧＮＤパターン４２を経由する経路における、一次回路３１とＧＮＤパターン４１との間は、基礎絶縁となっている。また、二次回路３２とＧＮＤパターン４２との間は、機能絶縁となっている。さらに、上述のように、一次回路ＧＮＤパターン４１と二次回路ＧＮＤパターン４２との間は、付加絶縁となっている。

すなわち、一次回路ＧＮＤパターン４１又は二次回路ＧＮＤパターン４２を経由する一次回路３１〜二次回路３２間の絶縁構成は、
「基礎絶縁（一次回路３１〜一次回路ＧＮＤパターン４１の間）＋
付加絶縁（一次回路ＧＮＤパターン４１〜二次回路ＧＮＤパターン４２の間）＋
機能絶縁（二次回路ＧＮＤパターン４２〜二次回路３２の間）
＝二重絶縁」
となっている。

（第１の実施の形態の効果）
電力装置４の基板をこのような絶縁構成とすることで、どのルートであっても、一次回路３１〜-二次回路３２間が強化絶縁又は二重絶縁となるため、ＧＮＤパターンを保護ボンディング導体から除外できる。このため、保護接地４３に対する最小導体寸法を要求されても、最小導体寸法を満足するようＧＮＤパターンを広げる必要がなく、基板サイズの拡大を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態の画像形成装置を説明する。なお、上述の第１の実施の形態と以下に説明する第２の実施の形態とでは、電源装置４の基板の絶縁構成が異なるだけである。このため、以下、電源装置４の基板の絶縁構成の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図４は、第２の実施の形態の画像形成装置の電源装置４に設けられている基板の絶縁構成を示す図である。この基板の場合、一次回路３１、二次回路３２及びヒートシンク（フロート）が混在する基板であり、ＧＮＤパターン５１が共通の絶縁構成となっている。そして、この基板の場合、一次回路３１〜ＧＮＤパターン５１間を強化絶縁とする絶縁構成とすることで、ＧＮＤパターン５１を保護ボンディング導体から除外可能としている。

すなわち、図４に示す基板は、ＧＮＤパターンを経由しない一次回路３１〜二次回路３２間の絶縁構成は、強化絶縁となっている。

また、図４に示す基板は、ＧＮＤパターンを経由する一次回路３１〜二次回路３２間の絶縁構成は、
「強化絶縁（一次回路３１〜ＧＮＤパターン５１間）＋
機能絶縁（二次回路３２〜ＧＮＤパターン５１間）
＝強化絶縁」
となっている。

（第２の実施の形態効果）
電力装置４の基板をこのような絶縁構成とすることで、ＧＮＤパターンの経由の有無に関わらず、どの経路であっても、一次回路３１〜二次回路３２間が強化絶縁であるため、ＧＮＤパターンを保護ボンディング導体から除外可能とすることができる。このため、第１の実施の形態と同様に、保護接地４３に対する最小導体寸法を要求されても、最小導体寸法を満足するようＧＮＤパターン５１を広げる必要がなく、基板サイズの拡大を抑制することができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態の画像形成装置を説明する。なお、上述の各実施の形態と以下に説明する第３の実施の形態とでは、電源装置４の基板の絶縁構成が異なるだけである。このため、以下、電源装置４の基板の絶縁構成の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図５は、第３の実施の形態の画像形成装置の電源装置４に設けられている基板の絶縁構成を説明するための図である。この第３の実施の形態は、図５に示すように、定格電圧（Ｖａｃ）、動作電圧（Ｖｐｅａｋ）、周波数（Ｈｚ）、繰り返しピーク電圧（Ｖ）、過渡電圧（Ｖ）、短時間過電圧（Ｖ）、動作可能な海抜（ｍ）等の所定の特性を備えた一次回路３１が設けられている基板に対して、例えば２つ等の複数の絶縁距離が要求された例である。

具体的には、図５に示す第１の絶縁条件は、保護接地されたＧＮＤパターンに最小導体寸法が要求されないときの絶縁距離であり、例えば一次回路３１〜ＧＮＤパターン５１の間は、絶縁距離が○○ｍｍの基礎絶縁、一次回路３１〜二次回路３２の間は、絶縁距離が××ｍｍの強化絶縁との条件となっている。なお、「○○ｍｍ」及び「××ｍｍ」は、所定の数値を示している。以下、同様である。

また、図５に示す第２の絶縁条件は、保護接地されたＧＮＤパターンに最小導体寸法が要求されるときの絶縁距離である。第２の絶縁条件としては、絶縁耐圧試験が行われていない場合の絶縁距離（距離のみ）、及び、絶縁耐圧試験が行われた場合の絶縁距離（耐圧＋距離）がある。

すなわち、電圧又は周波数等の諸条件によって変わるが、絶縁条件に要求される絶縁耐圧試験を満足する場合、絶縁耐圧試験を行わない場合に比べて、絶縁距離が短くなることがある。例えば、一次回路３１〜ＧＮＤパターン５１間の絶縁距離に対して「１．７ｍｍ」の絶縁距離が求められていた場合、絶縁耐圧試験を満足することで、絶縁距離が「１．４ｍｍ」等のように短くなることがある。第２の絶縁条件における「距離のみ」の絶縁条件は、このような絶縁耐圧試験が行われていない場合の絶縁距離を示し、「耐圧＋距離」の絶縁条件は、このような絶縁耐圧試験が行われた場合の絶縁距離を示している。

絶縁距離のみが指定される場合、第２の絶縁条件は、例えば一次回路３１〜ＧＮＤパターン５１の間は、絶縁距離が○○ｍｍの基礎絶縁、一次回路３１〜二次回路３２の間は、絶縁距離が××ｍｍの強化絶縁等のように指定される。

また、絶縁耐圧試験が行われたうえで、絶縁距離が指定される場合、第２の絶縁条件は、例えば一次回路３１の耐圧は○○（Ｖ）、二次回路３２の耐圧は××（Ｖ）、一次回路３１〜ＧＮＤパターン５１の間は、絶縁距離が○○ｍｍの基礎絶縁、一次回路３１〜二次回路３２の間は、絶縁距離が××ｍｍの強化絶縁等のように指定される。

このように基板に対して要求される条件が複数存在する場合、一次回路３１〜二次回路３２間は、長い距離の強化絶縁とする、第１の絶縁条件に従った絶縁構成とし、一次回路３１〜二次回路３２間は、短い距離とする第２の絶縁条件に従った絶縁構成とする。

（第３の実施の形態の効果）
これにより、図４に示した基板を、第２の絶縁条件に対応する絶縁構成とした場合、ＧＮＤパターン５１を保護ボンディングから除外可能とすることができる。また、図４に示した基板を、第１の絶縁条件に対応する絶縁構成とした場合。ＧＮＤパターン５１が保護ボンディングとなるが、第１の絶縁条件は、ＧＮＤパターン５１に最小導体寸法が適用されない条件であるため、基板サイズの拡大を抑制することができる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態の画像形成装置を説明する。この第４の実施の形態の画像形成装置は、電源装置４の基板に複数の一次回路が設けられている例である。なお、上述の各実施の形態と以下に説明する第４の実施の形態とでは、この点のみが異なる。このため、以下、差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図６は、第４の実施の形態の画像形成装置の電源装置４に設けられている基板のブロック図である。この図６に示す基板は、第１の一次回路６１及び第２の一次回路６２の、計２つの一次回路を有している。なお、基板上に設ける一次回路の数は、３つ以上でもよい。また、図６に示す基板は、第１のヒートシンク（フロート）８１及び第２のヒートシンク（フロート）８２を有している。各ヒートシンク８１、８２は、ＧＮＤパターン８３に接続されていない、いわゆる「浮き板金」となっている。

第１の一次回路６１と第２の一次回路６２との間は、強化絶縁となっている。

また、それぞれＧＮＤパターン８３を経由せず、各ヒートシンク８１、８２である浮き板金をも経由しない各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成は、それぞれ強化絶縁となっている。

また、ＧＮＤパターン８３を経由し、各ヒートシンク８１、８２である浮き板金を経由しない各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成としては、各一次回路６１，６２と二次回路７２と間が強化絶縁、ＧＮＤパターン８３と二次回路７２との間が、機能絶縁となっている。すなわち、ＧＮＤパターン８３を経由し、浮き板金を経由しない各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成は、強化絶縁＋機能絶縁＝強化絶縁となっている。

また、ＧＮＤパターン８３を経由せず、各ヒートシンク８１、８２である浮き板金を経由する各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成としては、各一次回路６１，６２と各ヒートシンク８１、８２と間が、それぞれ機能絶縁、各ヒートシンク８１、８２と二次回路７２との間が、強化絶縁となっている。すなわち、ＧＮＤパターン８３を経由せず、各ヒートシンク８１、８２である浮き板金を経由しない各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成は、機能絶縁＋強化絶縁＝強化絶縁となっている。

また、ＧＮＤパターン８３を経由し、各ヒートシンク８１、８２である浮き板金を経由する各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成は、各一次回路６１，６２と各ヒートシンク８１、８２と間が、それぞれ機能絶縁、各ヒートシンク８１、８２とＧＮＤパターン８３との間が強化絶縁、ＧＮＤパターン８３と二次回路７２との間が、機能絶縁となっている。すなわち、ＧＮＤパターン８３を経由し、各ヒートシンク８１、８２である浮き板金を経由する各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成は、機能絶縁＋強化絶縁＋機能絶縁＝強化絶縁となっている。

（第４の実施の形態の効果）
このような絶縁構成とすることで、各一次回路６１、６２と二次回路７２との間の絶縁構成を、どのルートであっても強化絶縁とすることができるため、ＧＮＤパターン８３を保護ボンディング導体から除外可能とすることができる。このため、図３及び図４を用いて行った説明と同様に、要求された保護接地８４に対する最小導体寸法を満足するようにＧＮＤパターン８３を広げる必要がなく、基板サイズが拡大する不都合を防止できる。

最後に、上述の各実施の形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。

例えば、上述の各実施の形態はＭＦＰの電源装置４に対する適用例であったが、単体で機能するプリンタ装置、ファクシミリ装置、スキャナ装置、コピー機等に適用してもよい。また、ＭＦＰの代わりに、例えばプロジェクタ装置、テレビ会議システム、電子黒板、デジタルカメラ装置、冷蔵庫又は洗濯機等のように、電子機器であれば、どのような電子機器に適用してもよい。

このような各実施の形態及び各実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

４ 電源装置
２０ 接地パターン（ＧＮＤパターン）
２１ 一次回路
２２ 二次回路
２３ ヒートシンク
２４ 保護接地
３１ 一次回路
３２ 二次回路
４１ 一次回路ＧＮＤパターン
４２ 二次回路ＧＮＤパターン
４３ 保護接地
５１ ＧＮＤパターン
６１ 第１の一次回路
６２ 第２の一次回路
７２ 二次回路
８１ 第１のヒートシンク
８２ 第２のヒートシンク
８３ ＧＮＤパターン
８４ 保護接地

特開平０３−２８５５１７号公報

Claims (6)

1. 一次回路と、
   前記一次回路と強化絶縁で絶縁された二次回路と、を備え、
   グランドパターンを介した前記一次回路と前記二次回路との経路は、強化絶縁及び機能絶縁、又は、基礎絶縁、付加絶縁及び機能絶縁で絶縁されること
   を特徴とする基板。
2. 前記グランドパターンは、前記一次回路のグランドパターンと前記二次回路のグランドパターンからなり、
   前記一次回路と前記一次回路のグランドパターンは基礎絶縁で絶縁され、
   前記二次回路と前記二次回路のグランドパターンは機能絶縁で絶縁され、
   前記一次回路のグランドパターンと前記二次回路のグランドパターンは付加絶縁で絶縁されること、
   を特徴とする請求項１に記載の基板。
3. 前記グランドパターンは、前記一次回路と前記二次回路の共通グランドパターンであり、
   前記一次回路と前記グランドパターンは強化絶縁で絶縁され、
   前記二次回路と前記グランドパターンは機能絶縁で絶縁されること
   を特徴とする請求項１に記載の基板。
4. 前記一次回路を複数備え、
   前記一次回路同士は強化絶縁で絶縁されること、
   を特徴とする請求項３に記載の基板。
5. 電力を供給する電源装置であって、
   一次回路と、
   前記一次回路と強化絶縁で絶縁された二次回路と、を備え、
   グランドパターンを介した前記一次回路と前記二次回路との経路は、強化絶縁及び機能絶縁、又は、基礎絶縁、付加絶縁及び機能絶縁で絶縁されること
   を特徴とする電源装置。
6. 基板の接地パターンを介した一次回路及び二次回路の経路を、強化絶縁及び機能絶縁の絶縁構成とし、又は、基礎絶縁、付加絶縁及び機能絶縁の絶縁構成としたこと
   を特徴とする基板の絶縁方法。

Images