JP2022085405A - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の面積を大きくすることなく、ヒートシンクのサイズアップを実現し、基板の放熱効率を向上させることが可能な電源装置及び画像形成装置を提供する。【解決手段】一次巻線と二次巻線を備えるトランスを有する電源装置において、ヒートシンク４０１と、一次側回路の領域においてヒートシンクと接触して、ヒートシンクを支持するっプリント基板２４と、を有し、ヒートシンクは、プリント基板２４と接触する位置からプリント基板２４の表面に対して突出する方向にのびた突出部４０１ａと、プリント基板２４から離れた状態で突出部４０１ｂの一部からトランスの二次側回路の領域にのびた進入部４０１ｂと、を含む。基板２４の表面と垂直な方向から見たとき、進入部４０１ｂは二次側回路の領域に進入しており、進入部４０１ｂと基板２４の表面の間の距離は少なくとも１ｍｍより長く離れている。【選択図】図５

Description

本発明は、熱を放出するためのヒートシンクを有する電源装置及びその電源装置を備えた画像形成装置に関する。

従来より、レーザプリンタ等の画像形成装置には、商用交流電源を整流・平滑して直流電源に変換する電源装置が用いられている。直流用の電源装置の一種としてのスイッチング電源装置では、整流・平滑化した直流電源をトランスに入力してスイッチングさせ、所望の出力を得ている。スイッチング電源装置の方式としては、フライバック方式、フォワード方式、電流共振方式等がある。これらのスイッチング電源装置では、主にスイッチング素子から発生する熱を放出するために基板上にヒートシンクが設けられている。

特許文献１には、低圧電源回路と高圧電源回路を連結させて１枚とした電源基板と、主制御回路を含む制御基板を重ねて配置する構成が記載されている。電源基板と制御基板の間のスペースには電気放射ノイズを防ぐためのシールド板が設けられており、低圧電源回路や高圧電源回路から発生した電気放射ノイズが主制御回路の動作に影響を及ぼさないようにしている。低圧電源回路にはヒートシンクが設けられており、このヒートシンクをシールド板と接続させることによって、シールド板もヒートシンクとして機能するように構成している。これにより、スイッチング素子などの電子部品の放熱効率を向上させることができる。

特開２０１３－２４６３９８号公報

ここで、特許文献１に記載された構成は電源基板と制御基板を重ねて配置する場合には有効であるが、例えば制御基板を別の位置に配置するなどしてシールド板が不要となった場合には適用できない。シールド板を設けることなく電子部品の放熱効率を向上させるためには、単純にヒートシンクのサイズを大きくすることが考えられる。

一方、低圧電源回路においてヒートシンクはスイッチング素子の近くの位置、つまりトランスの一次側回路に設けられていることが多い。トランスを介して一次側回路と二次側回路は絶縁されているため、一次側回路に設けられたヒートシンクを二次側回路の領域に進入させることはできない。そのため、ヒートシンクのサイズを大きくする場合には、ヒートシンクが一次側回路の領域内に収まるように回路構成を工夫する必要があり、収まらない場合には一次側回路の領域を増やすため基板の面積を大きくする必要があった。

本発明の目的は、基板の面積を大きくすることなく、ヒートシンクのサイズアップを実現し、電子部品の放熱効率を向上させることである。

上記の目的を達成するための本発明の電源装置は、一次巻線と二次巻線を備え、前記一次巻線に入力された電圧に応じて前記二次巻線に電圧を出力するトランスを有する電源装置において、前記電源装置の熱を放出するためのヒートシンクと、前記トランスの一次側回路と二次側回路を同じ平面上に備え、前記一次側回路の領域において前記ヒートシンクと接触して、前記ヒートシンクを支持する基板と、を有し、前記ヒートシンクは前記基板と接触する位置から前記基板の表面に対して突出する方向にのびた突出部と、前記基板から離れた状態で前記突出部の一部から前記トランスの二次側回路の領域にのびた進入部と、を含み、前記基板の表面と垂直な方向から見たとき、前記進入部は前記二次側回路の領域に進入しており、前記進入部と前記基板の表面の間の距離は少なくとも１ｍｍより長く離れていることを特徴とする。

本発明によれば、基板の面積を大きくすることなく、ヒートシンクのサイズアップを実現し、電子部品の放熱効率を向上させることができる。

画像形成装置の断面図である。 電源装置の回路構成図である。 画像形成装置の上面図である。 比較例の構成を説明するための図である。 実施例の構成を説明するための図である。 変形例１の構成を説明するための図である。 変形例２の構成を説明するための図である。

＜実施例１＞
［画像形成装置の構成］
本実施例における画像形成装置１００の構成について説明する。本実施例の画像形成装置１００は、電子写真プロセスを用いたモノクロレーザプリンタであり、パーソナルコンピュータなどの外部機器から送信された画像情報に応じて、記録材である紙Ｐにトナー（現像剤）による画像を形成するものである。

以下の説明において、画像形成装置１００が水平な面に設置された場合における画像形成装置１００の高さ方向（鉛直方向とは反対の方向）をＺ方向とする。Ｚ方向と交差し、後述する感光ドラム１０５の軸線方向（主走査方向）と平行な方向をＹ方向とする。Ｙ方向及びＺ方向と交差する方向をＸ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、好ましくは互いに垂直に交差する。また便宜上、Ｘ方向においてプラス側を前側または正面側、マイナス側を後側または背面側と呼び、Ｙ方向においてプラス側を右側、マイナス側を左側と呼び、Ｚ方向においてプラス側を上側、マイナス側を下側と呼ぶ。

図１は画像形成装置１００の断面図である。図１において、１０１は印刷対象の紙Ｐを格納しておく給紙部であり、内部には紙Ｐが積載されている。１０２はレーザスキャナ、１０３はトナータンクで磁性体トナーが入っている。１０４は現像ローラ、１０５は感光ドラム、１０６は転写ローラ、１０７は帯電ローラ、１０８は廃トナータンク、１０９は定着ローラ、１１０は加圧ローラである。１１１は排紙部、１１２は紙Ｐの搬送経路、１１３はレーザスキャナ１０２から照射されるレーザ光、１１４は現像ローラ１０４上のトナー量を規制する現像ブレード、１１５は給紙ローラである。

［画像形成装置の動作］
続いて画像形成装置１００の動作説明を行う。まず、印刷ジョブを受信すると各ローラとレーザスキャナ１０２が動作を開始する。感光ドラム１０５は図１の矢印方向に回転を開始する。帯電ローラ１０７は後述する電源装置２００からの給電を受け負の高電圧を発生させ、感光ドラム１０５の表面を帯電させる。外部機器から画像信号が送られてくると、それに伴いレーザスキャナ１０２がレーザを画素に応じて点滅させながら走査する。帯電された感光ドラム１０５の表面において、レーザ光１１３が当たった部分は電荷が消滅し、感光ドラム１０５に静電潜像が形成される。

現像ローラ１０４には負の高圧が供給されており、さらに中には磁石が入っている。現像ローラ１０４はトナータンク１０３内の磁性体トナーを磁力によって引き寄せ、感光ドラム１０５の静電潜像をトナーによって現像する。また、現像ブレード１１４には現像ローラ１０４に対して数百Ｖ程度の電位差がつけられており、ブレード本体による物理的な規制と共に静電気力によっても現像ローラ１０４上のトナーは一様にコーティングされる。

一方、給紙ローラ１１５によって給紙部１０１から給紙された紙Ｐは搬送経路１１２を通り、転写ローラ１０６と感光ドラム１０５によって形成される転写ニップへと搬送される。この時に転写ローラ１０６には正の高圧が印可されており、感光ドラム１０５に形成されたトナー像が転写ローラ１０６に引かれる形で紙Ｐに転写される。

トナー像が転写された紙Ｐは排紙部１１１に向かって搬送され、定着ローラ１０９と加圧ローラ１１０によって形成される定着ニップへと搬送される。定着ニップにおいて紙Ｐは定着ローラ１０９によって数百度に加熱されると同時に、加圧ローラ１１０によって圧迫されることで、静電気力によってのみ紙Ｐに載っていたトナー像が定着される。トナー像が定着された紙Ｐは排紙部１１１へと排出され、順次積載されていく。

一方、感光ドラム１０５の表面には紙Ｐへの転写が行われた後も若干トナーが残る。理想的には全てのトナーが紙Ｐへ転写されるべきであるが、実際にはトナーの持つ電荷量が一様ではないことから転写後も感光ドラム１０５上に残るトナーがある。廃トナータンク１０８はその残ってしまったトナーを感光ドラム１０５に接触させたブレードによって剥ぎ取り回収する場所である。それによって感光ドラム１０５上からはトナーがなくなり、再び帯電ローラ１０７によって帯電され、レーザスキャナ１０２によって次の静電潜像が描かれることになる。以上の動作を繰り返しながら画像形成装置１００は紙Ｐに画像を形成する。

［電源装置の回路構成］
図２は、画像形成装置１００に搭載された電源装置２００の回路構成図である。上述した通り、画像形成装置１００の動作プロセスの中では様々な電圧が使用される。電源装置２００は外部電源から供給される交流を直流に変換し、これら様々な電圧を出力するために用いられる。図２に示す通り、電源装置２００は、回路部（一次側回路）２２と回路部（二次側回路）２３とを有している。回路部２２と回路部２３は、１枚のプリント基板２４により構成され、同じ平面上に存在している。

回路部２２は、インレット２１、ヒューズ２０１、フィルタ回路２０２、整流回路（一次側整流回路）２０３、電解コンデンサ２０４、スイッチング素子（スイッチングＦＥＴ）２０６、制御回路２０７を有している。回路部２３は、整流回路（二次側整流回路）２０８、検出回路２１０を有している。電源装置２００は、トランス２０５も有している。トランス２０５の一次巻線２０５ａは回路部２２に属し、二次巻線２０５ｂは回路部２３に属するが、トランス２０５は素子全体としては、回路部２２に含まれるものとする。

電源装置２００に商用交流電源２０が接続され、インレット２１を介して電力が供給されるようになっている。電源装置２００に供給された電力は、ヒューズ２０１、フィルタ回路２０２を経由して整流回路２０３に到達する。整流回路２０３は、例えば四つのダイオードによるダイオードブリッジ回路である。商用交流電源２０の正弦波形である交流の入力電流が整流回路２０３によって整流されて脈流波形となる。脈流波形を呈する入力電流は、電解コンデンサ２０４によって平滑化される。つまり、本実施例において電解コンデンサ２０４は一次平滑コンデンサとして機能する。整流回路２０３と電解コンデンサ２０４はともに整流平滑回路を構成する。

平滑化された入力電圧の電圧値は、交流の入力電圧の正弦波形でのピーク電圧値に近い値となる。平滑化された入力電圧は、プラス端子２０３ａよりトランス２０５に入力され、電流はスイッチング素子２０６を介してマイナス端子２０３ｂへと帰還する。スイッチング素子２０６のオンオフのタイミングは、制御回路２０７によって制御されている。制御回路２０７の電源電力はトランス２０５で生成されている。

トランス２０５の二次巻線２０５ｂには、整流回路２０８が接続されている。トランス２０５によって電圧変換された電力は整流回路２０８へと至り、整流回路２０８で所定の電圧値に整流・平滑化され、電源装置２００の外部の負荷２０９へと出力される。整流回路２０８の出力側端子は、検出回路２１０に接続されており、整流回路２０８の出力電圧値が検出回路２１０にも入力されるようになっている。検出回路２１０での検出値（整流回路２０８の出力電圧値）は、制御回路２０７へと入力される。検出回路２１０側（二次側回路部２３側）と制御回路２０７側（一次側回路部２２側）との間の絶縁を確保するために、例えばフォトカプラ等の絶縁素子を介して検出回路２１０と制御回路２０７とが接続される。制御回路２０７に入力された検出回路２１０での検出値に基づき、制御回路２０７は、スイッチング素子２０６のオンオフのタイミングを決定する。

［電子部品の配置構成］
図３は電源装置２００に設けられた複数の電子部品の配置構成を示しており、プリント基板２４の表面に対して垂直な方向から電源装置２００を見たときの図である。図３では比較的サイズの大きい電子部品だけを図示している。また、本実施例の電源装置２００は図２を用いて説明した低圧電源回路だけでなく、低圧電源回路から出力された直流をさらに高圧させ、各種バイアスを生成する高圧電源回路を同一基板上に備えている。なお、低圧電源回路と高圧電源回路は必ずしも同一基板上に形成しなくてもよい。電源装置２００はプリント基板２４の表面が水平面に対して垂直となるような向きに配置されており（いわゆる縦置き）、本実施例においては図３に示すようにプリント基板２４の表面はＸＺ面と平行な関係となっている。

図３において、図２で説明した電子部品と同じものには同じ符号をつけており、ここでの説明は省略する。３０１はヒートシンクであり、装着された部品から発生した熱を放出するために設けられている。図４（ａ）にヒートシンク３０１の斜視図を示す。スイッチング素子２０６は発熱しやすいため、図４（ａ）に記載されたようにスイッチング素子２０６をヒートシンク３０１に接触させ、放熱効率を向上させている。また、本実施例では図４（ａ）に記載した通り、鉄板を折り曲げて形成したヒートシンク３０１を採用しているが、図４（ｂ）に記載されたフィン形状のヒートシンク３０２を採用してもよい。

図３において、３１１はラインフィルタ、３１２はＸコンデンサであり、ノイズを除去するために設けられている。ラインフィルタ３１１とＸコンデンサ３１２はフィルタ回路２０２を構成する。３０４はトランス２０５を介して二次側に設けられたヒートシンク、３０５はダイオード、３０６は平滑コンデンサである。ダイオード３０５は熱を発生しやすいので、ヒートシンク３０４に直接取り付けられている。ダイオード３０５と平滑コンデンサ３０６は整流回路２０８を構成する。

上述した通り、電源装置２００は低圧電源回路だけでなく、高圧電源回路も含まれているため、帯電、現像、転写などのプロセス部材に高いバイアスを印加するための高圧トランス３０７がさらに設けられている。３０３はコネクタであり、束線によって様々な部材と接続されている。３１５の破線で示す部分にはプリント基板２４の背面にチップ部品による制御回路が形成されている。３０８はプリント基板２４に設けられたスリットである。

ここで、本実施例の電源装置２００はトランス２０５によって一次側と二次側に電気的に分離されている。図３においては点線を境に一次側領域（Ｐｒｉｍａｒｙ）と二次側領域（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）に分かれている。一次側領域と二次側領域の間は、規格で定められた空間距離や沿面距離を確保しなければならない。規格は国際規格であるＩＥＣを基準として、各国が定めている。代表的なものとして日本のＪＩＳや北米のＵＬなどがある。

空間距離とは２点間を結ぶ最短距離であり、沿面距離は物の表面（例えばプリント基板２４の表面）に沿って２点間を結ぶ最短経路の距離のことである。ここで特に「空間」というものは１ｍｍより大きいスリットがある場合にのみ「空間」と見なせるとして定義されており、１ｍｍ以下であればそれは実際には０．９ｍｍのスリットが形成されていたしても、規格上はつながっているものと見なされる。逆に言えば、１．１ｍｍでもスリットが形成されていればそれは「空間」、つまり物理的に離れていると見なすことができる。

沿面距離の場合もこの考え方を応用して、一次側領域と二次側領域の間に１ｍｍより大きいスリット３０８を設けることで、図３に示すように一次側領域と二次側領域を隣接して配置することができる。つまり、一次側領域に設けられた電解コンデンサ２０４やヒートシンク３０１と、二次側領域に設けられたチップ部品３１５が近い位置にある場合、間にスリット３０８を設けることで規格をクリアできる。このようにスリット３０８を入れることにより、プリント基板２４の表面に沿って２点間を結ぼうとするとスリット３０８を迂回する必要があるため、沿面距離を長くすることができる。

［ヒートシンクの構成］
図３においてヒートシンク３０１は一次側領域におさまっているが、さらに放熱効率を向上させるためにヒートシンク３０１のサイズを大きくしようとしても、Ｚ方向において一次側領域にヒートシンク３０１を拡張できるスペースは残っていない。熱は上方へ向かう特性があることから、ヒートシンク３０１をＸ方向またはＹ方向に拡張させるよりもＺ方向に拡張させることが望ましい。

詳しくは後述するが、実際にヒートシンク３０１の熱の分布を調べると、Ｚ方向において下側の位置よりも上側の位置の方が熱いことが確認されている。そのため、ヒートシンク３０１の形状としては発熱体であるスイッチング素子２０６よりもＺ方向において上側の部分を大きくしたい。しかし、回路パターンの都合でスイッチング素子２０６の位置は簡単に動かせないことが多く、さらにヒートシンク３０１よりも上側にはスリット３０８が形成されているため、ヒートシンク３０１を拡張することができなかった。

図５は上述した課題を解決するための本実施例のヒートシンク４０１の構成を示す斜視図である。図５はプリント基板２４の一部、ヒートシンク４０１の周辺の部材のみを抜き出して図示している。本実施例のヒートシンク４０１はプリント基板２４と接触する位置からプリント基板２４の表面に対して突出する方向（Ｙ軸マイナス方向）にのびた突出部４０１ａと、プリント基板２４から離れた状態で突出部４０１ａの一部から二次側領域にのびた進入部４０１ｂを備えている。

ヒートシンク４０１は突出部４０１ａにおいてプリント基板２４の一次側領域と接触し、プリント基板２４によって支持されている。また、進入部４０１ｂはＺ軸プラス方向に向かってのび、スリット３０８をまたいで二次側領域に進入している。進入部４０１ｂはプリント基板２４とは接触しておらず、規格を満たすようにプリント基板２４の表面に対して距離が保たれている。具体的には、進入部４０１ｂをプリント基板２４の表面に対して射影した位置５０１と進入部４０１ｂの端部の間のＺ方向における距離Ｌ１は１ｍｍより長く離れている。

１ｍｍより長い距離Ｌ１を設けたことで、安全規格上「空間」と見なすことができ、この方法であれば二次側回路の上空に進出しても二次側回路に対して絶縁がとれていることになる。さらに、発熱源であるスイッチング素子２０６より上側（Ｚ軸プラス側）のヒートシンク４０１の面積が広がったことにより、放熱効果が大幅に高まる。

図６は比較例と本実施例の放熱効果の違いを示す実験結果である。図６（ａ）は比較例のヒートシンク３０１の構成を示しており、図６（ｂ）は本実施例のヒートシンク４０１の構成を示している。図６（ｃ）は実験で測定したヒートシンク３０１、４０１の各部の温度をまとめた表である。

実験は電源装置２００を画像形成装置１００に取り付けられた状態で行われた。そして、低圧電源回路から一定の電流を引いて、発熱源（スイッチング素子２０６）の飽和温度と、その時のヒートシンク３０１、４０１各部の温度を測定した。図６（ｃ）に記載されている通り、比較例の構成において上側（Ｚ軸プラス側）に向かうほど測定温度が高くなっていることがわかる。図６（ａ）の構成においては、温度測定点４の温度が６６．４度に対し、温度測定点１の温度が７７．６度である。

発熱源（スイッチング素子２０６）の温度を測定すると、図６（ａ）の構成においては温度測定点２の温度が８２．９度であり、図６（ｂ）の構成においては温度測定点３の温度が７９度である。つまり、比較例に比べてスイッチング素子２０６の温度を約４度下げることができた。これは発熱源よりも上側のヒートシンク４０１の面積が拡大したことにより、放熱効率が高くなったためと考えられる。

また、図６（ｂ）の構成は図６（ａ）に記載された構成の下部折り曲げ部を、ストレートにして上側にのばしたものであり、使用している材料の量は変わらない。つまり、コストアップなしに放熱効率を高めることができたわけである。

以上より、本実施例によれば、基板の面積を大きくすることなく、ヒートシンクのサイズアップを実現し、電子部品の放熱効率を向上させることができる。

なお、上記の実施例においては、進入部４０１ｂをプリント基板２４の表面に対して射影した位置５０１に電子部品が搭載されていない例について説明を行った。しかし、これに限定されない。図７に示すように、この位置にリード抵抗器５０２などの電子部品が設けられていてもよい。なお、電子部品としてはこれに限らず、ダイオード、コンデンサ、ジャンパー線などであってもよい。

図７に示すように進入部４０１ｂがリード抵抗器５０２と交差する場合、進入部４０１ｂの端部はそれらの外形から１ｍｍより長い距離をとる必要がある。具体的には、リード抵抗器５０２の外形と進入部４０１ｂの端部の間のＹＺ平面における距離Ｌ２は１ｍｍより長く離れている。

また、上記の実施例においてはヒートシンク４０１の形状をＺ方向にのびたストレート形状としたが、これに限定されない。図６（ａ）に示す折り曲げ部を備えたうえで、二次側回路に進入する進入部４０１ｂを備えた構成であってもよい。図６（ａ）の折り曲げ部を設けることで、ヒートシンク４０１がプリント基板２４上で安定して支持される。

２４ プリント基板
１００ 画像形成装置
２００ 電源装置
２０５ トランス
４０１ ヒートシンク
４０１ａ 突出部
４０１ｂ 進入部

Claims (8)

1. 一次巻線と二次巻線を備え、前記一次巻線に入力された電圧に応じて前記二次巻線に電圧を出力するトランスを有する電源装置において、
   前記電源装置の熱を放出するためのヒートシンクと、
   前記トランスの一次側回路と二次側回路を同じ平面上に備え、前記一次側回路の領域において前記ヒートシンクと接触して、前記ヒートシンクを支持する基板と、を有し、
   前記ヒートシンクは前記基板と接触する位置から前記基板の表面に対して突出する方向にのびた突出部と、前記基板から離れた状態で前記突出部の一部から前記トランスの二次側回路の領域にのびた進入部と、を含み、
   前記基板の表面と垂直な方向から見たとき、前記進入部は前記二次側回路の領域に進入しており、前記進入部と前記基板の表面の間の距離は少なくとも１ｍｍより長く離れていることを特徴とする電源装置。
2. 外部電源から供給された交流を直流に変換する整流平滑回路と、
   前記整流平滑回路から出力される直流を前記一次巻線に供給するか否かを切り替えるスイッチング素子を有し、
   前記スイッチング素子は前記ヒートシンクの前記突出部と接触していることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記二次側回路の領域に電子部品が設けられている場合、前記進入部と前記電子部品の間の距離は少なくとも１ｍｍより長く離れていることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記基板の前記一次側回路と前記二次側回路の間には１ｍｍより大きいサイズのスリットが設けられており、前記進入部は前記スリットをまたいで前記二次側回路の領域に進入していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 記録材に画像を形成する画像形成手段と、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電源装置と、を有することを特徴とする画像形成装置。
6. 前記基板の表面が水平面に対して垂直となるような向きで前記電源装置が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の画像形成装置。
7. 前記基板において前記一次側回路よりも鉛直方向の上側に前記二次側回路が設けられており、前記ヒートシンクの前記進入部は鉛直方向の上側に向かってのびていることを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
8. 前記画像形成手段は、感光ドラムの表面を帯電する帯電手段と、感光ドラムをトナーで現像する現像手段と、前記感光ドラムに形成されたトナー像を記録材に転写する転写手段と、を含み、
   前記二次側回路から前記帯電手段、前記現像手段、前記転写手段それぞれに対して電力が供給されることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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