JP4366929B2 - 電源装置及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量性の負荷を駆動する電源装置に関し、特にトランスを使わずに高電圧を発生する交流電源装置に関する。この電源装置は、例えば、電子写真方式の画像形成装置において感光体上にトナー像を現像する現像器、感光体を帯電する帯電器、クリーナー等にバイアス電圧等の高電圧を供給する為の電源装置に用いる。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の電源装置を適用した電子写真方式の画像形成装置として、次に示すようなものがある。画像形成装置では感光体ドラムの表面を1次帯電器によって所定の電圧に一様に帯電した後、この感光体ドラムの表面に画像を露光して画像に対応した静電潜像を形成する。そして、この感光体ドラム上に形成された静電潜像を、現像器によって現像し、トナー像を形成する。感光体ドラム上に形成されたトナー像は、転写帯電器の帯電によって転写用紙上に転写するとともに、これらのトナー像が転写された転写用紙を分離帯電器の帯電によって感光体ドラムから分離し、定着器によってトナー像を転写用紙上に定着して、画像の形成工程を終了する。
【0003】
例えば、感光体ドラム上に4つの現像器を用いて4色のトナー像を、当該感光体ドラムが4回転する間に順次形成する方式のカラー画像形成装置では、感光体ドラム上に順次形成されたトナー像を乱すことなく、次の色のトナー像を現像する必要がある。そのため、上記カラー画像形成装置の各現像器には、現像中の1つの現像器に対しては、良好な現像を行うために必要なAC電圧を重畳したDC電圧からなる現像バイアス電圧を印加し、現像を行っていない他の3つの現像器に対しては、感光体ドラム上にトナーが付着するのを防止する所定のDC電圧を印加する高圧電源装置が用いられる。
【0004】
このような高圧電源装置としては、例えば、特許文献1に記載された技術が提案されている。図13は、電子写真方式の画像形成装置における現像装置とその電源装置の従来例を示す図である。図13に示すように、カラー画像形成装置は、感光体ドラム100の表面を一次帯電器101によって所定の電圧に一様に帯電した後、この感光体ドラム100の表面に第1色目の画像を露光して、第1色目の画像に対応した静電潜像を形成する。そして、この感光体ドラム100上に形成された第1色目の静電潜像を、第1色目の現像器102によって現像し、第1色目のトナー像を形成する。次に、上記第1色目のトナー像が形成された感光体ドラム100は、転写工程やクリーニング工程を経ることなく2回転目のサイクルに入り、当該感光体ドラム100の表面を再度一次帯電器101によって一様に帯電した後、第2色目の画像露光、第2色目の現像器103による現像工程を行い、感光体ドラム100の表面に第2色目のトナー像を形成する。さらに、上記と同様にして、感光体ドラム100の3回転目及び4回転目のサイクルによって、感光体ドラム100の表面に第3色目及び第4色目の画像露光及び、第3色目及び第4色目の現像器104、105による現像工程を行い、感光体ドラム100の表面に4色のトナー像を重ね合わせたカラーのトナー像を形成する。そして、上記の如く感光体ドラム100が4回転する間に当該感光体ドラム100上に形成された4色のカラートナー像を、転写帯電器106の帯電によって転写用紙107上に転写するとともに、これらの4色のカラートナー像が転写された転写用紙107を分離帯電器108の帯電によって感光体ドラム100から分離し、図示しない定着器によってカラートナー像を転写用紙107上に定着して、カラー画像の形成工程を終了する。このように、上記の如く構成されるカラー画像形成装置では、感光体ドラム100上に4色のトナー像を、当該感光体ドラム100が4回転する間に順次形成することにより、カラー画像の形成を行うものであるため、感光体ドラム100上に順次形成されたトナー像を乱すことなく、次の色のトナー像を現像する必要がある。このため、高圧電源装置は、4つの各現像器102〜105に対応して設けられた4つの高圧電源部110〜113を備えている。各高圧電源部110〜113は、すべて同様に構成されている。上記高圧電源部110〜113は、AC電圧を発生するAC電圧発生部114と、DC電圧を発生するDC電圧発生部115とから構成されている。このAC電圧発生部114は、昇圧トランスTの一次側にACスイッチング制御部116を設け、このACスイッチング制御部116によって昇圧トランスTの一次側に印加される電圧をオンオフすることにより、昇圧トランスTの二次側にACの高電圧を発生させる。
【0005】
また、上記AC電圧発生部116においては、定電圧出力且つ過電流の制御を可能とするため、昇圧トランスTの二次側に電圧モニター117及び過電流モニター118を備えており、これらの電圧モニター117及び過電流モニター118によって出力電圧及び出力電流を検出することにより、ACスイッチング制御部116によって昇圧トランスTの一次側に印加される電圧をオンオフ制御し、出力電圧を一定に保持し、且つ過電流制御を行うようになっている。一方、上記DC電圧発生部115は、昇圧トランスTの一次側にDCスイッチング制御部119を設け、このDCスイッチング制御部119によって昇圧トランスTの一次側に印加される電圧をオンオフすることにより、昇圧トランスTの二次側に高電圧を発生させる。
【0006】
そして、上記昇圧トランスTの二次側に発生した高電圧を、ダイオード等からなる整流回路120によって整流した後、DC出力制御部121を介してDCの高電圧を出力する。上記高圧電源装置では、各高圧電源部110〜113のAC電圧発生部114及びDC電圧発生部115で発生されたAC電圧とDC電圧を重畳して対応する現像器102〜105に出力するようになっている。
【0007】
しかし、上記従来の高圧電源装置では、各現像器102〜105に対応して4つの高圧電源部110〜113を備えており、各高圧電源部110〜113によって4つの現像器102〜105に所定のタイミングで、現像中の1つの現像器に対しては、AC電圧を重畳したDC電圧からなる現像バイアス電圧を印加し、現像を行っていない他の3つの現像器に対しては、所定のDC電圧のみを印加するように構成されている。そのため、上記従来の高圧電源装置では、各高圧電源部110〜113はAC電圧用とDC電圧用の二つのトランスを持つ必要があり、更には負荷としての現像器の数に対応した高圧電源部110〜113を別個に設ける必要があるため、電源装置の容積が大きくなると共にコスト高となるという問題点があった。
【0008】
このような画像形成装置の小型化及び機能増加に伴う電源装置の小型化、低コスト化を実現する方法として、特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に示されている。
【0009】
特許文献1では、図14に示すように、カラー画像形成装置は、感光体ドラム1の表面を一次帯電器2によって所定の電圧に一様に帯電した後、この感光体ドラム1の表面に第1色目の画像を露光して、第1色目の画像に対応した静電潜像を形成する。そして、この感光体ドラム1上に形成された第1色目の静電潜像を、第1色目の現像器4aによって現像し、第1色目のトナー像を形成する。次に、上記第1色目のトナー像が形成された感光体ドラム1は、転写工程やクリーニング工程を経ることなく2回転目のサイクルに入り、当該感光体ドラム1の表面を再度一次帯電器2によって一様に帯電した後、第2色目の画像露光、第2色目の現像器4bによる現像工程を行い、感光体ドラム1の表面に第2色目のトナー像を形成する。さらに、上記と同様にして、感光体ドラム1の3回転目及び4回転目のサイクルによって、感光体ドラム1の表面に第3色目及び第4色目の画像露光及び、第3色目及び第4色目の現像器4c、4dによる現像工程を行い、感光体ドラム1の表面に4色のトナー像を重ね合わせたカラーのトナー像を形成する。そして、上記の如く感光体ドラム1が4回転する間に当該感光体ドラム1上に形成された4色のカラートナー像を、転写帯電器5aの帯電によって転写用紙10上に転写するとともに、これらの4色のカラートナー像が転写された転写用紙10を分離帯電器5bの帯電によって感光体ドラム1から分離し、図示しない定着器によってカラートナー像を転写用紙10上に定着して、カラー画像の形成工程を終了する。このように、上記の如く構成されるカラー画像形成装置では、感光体ドラム1上に4色のトナー像を、当該感光体ドラム1が4回転する間に順次形成することにより、カラー画像の形成を行うものであるため、感光体ドラム1上に順次形成されたトナー像を乱すことなく、次の色のトナー像を現像する必要がある。複数の負荷すなわち現像器4a−4dに対応して複数の昇圧トランスT1〜T4と、その1次側の入力ラインを独立してON/OFFできる構成とすることにより、複数の負荷4a〜4dに対し、異なるタイミングで、交流電圧に直流電圧を重畳させた高電圧を供給することが出来るとともに、スイッチング手段SW1〜SW4が昇圧トランスの1次側に設けられているため、当該スイッチング手段を構成するスイッチング素子としては、低耐圧のものを使用することができるというものである。
【0010】
特許文献2では、図15に示すように、高圧直流電源8とグランド間に直列に接続した2個のスイッチング素子1、2の交互の駆動により、2個のスイッチング素子1、2の接続点から高圧矩形波交流電圧を発生させているというものである。さらに高圧直流電圧を重畳する事も可能である。
【0011】
一方、特許文献3では、周囲温度に応じて最適な直流出力電圧が得られる電源装置を提案している。この方法ではトランスを用いずチャージポンプ回路や、コッククロフト・ウオルトン回路を用いて直流電圧を昇圧しているため、電源装置の小型化が可能である。
【0012】
しかし、特許文献1では、使用するトランスの数が少なくなっているが、依然としてトランスを使用する以上、その電源装置のとしての小型化は充分ではない。また、特許文献2でも、スイッチングする元の高圧直流電源は依然として必要であるため、同様に充分な小型化が期待できない。また、高圧直流電源とグランド間を切り替えるスイッチング素子には高耐圧な素子が必要である。特許文献3では、トランスを使わない為、電源装置の小型化に有利であるが、直流電源を意図しており、交流電圧を重畳した出力の生成には適用できない。また、コッククロフト・ウオルトン回路の接続に関しては具体的な記載が無い。
【0013】
コッククロフト・ウオルトン回路を用いた電源装置としては、例えば特許文献4に記載がある。同文献に記載の電源装置は、コッククロフト・ウオルトン回路に一般的なトランスを用いていない。これにより、電源装置の一層の小型化が可能になる。しかしながら、この電源装置は、接地電位に対し正側の直流電圧を生成することができるのみで、正側と負側の両極性の直流電圧を生成することができない。また、直流電源を意図しており、交流電圧を重畳した出力の生成には適用できない。
【0014】
次に、本出願人により提案された技術について説明する(特願2001−385224号)。図16は、特願2001−385224号に記載された電源回路の概略構成図である。図16に示すように、電源回路330は、低電圧電源331、正側昇圧信号発生回路332A、負側昇圧信号発生回路332B、正負切替回路333、正側昇圧回路334A、負側昇圧回路334Bから構成される。
【0015】
正側昇圧信号発生回路332A、負側昇圧信号発生回路332Bには、現像器370に交流信号に直流バイアスを重畳した信号を供給するための昇圧制御信号が入力され、並列、直列の共振回路を利用し、大振幅の昇圧信号を発生する。正側昇圧回路334A、負側昇圧回路334Bは、トランスを用いた一般的なコッククロフト・ウオルトン回路を改良したものであり、トランスを用いていない。この正側昇圧回路334A、負側昇圧回路334Bで複数倍化された信号は、正負切替回路333を介して接続される容量性の負荷に積上げられて行く。
【0016】
このとき正負切替回路333の中には、4つのリミッタ回路3331〜333 4 が含まれており、正側と負側の出力電圧をいくつかのパターンで制限する。このときリミッタ回路3331〜3334の数は、制限したい正負の電圧値の数に依存して増減する。
【0017】
なお、この電源回路330には、各種信号が入力される。このために、電源回路330は、コンピュータなどの装置から転送される画像データに基づいて、画像形成装置をコントロールするコントローラ360に接続されている。詳細には、コントローラ360は、昇圧制御信号生成部362を介して正側昇圧信号発生回路332A、負側昇圧信号発生回路332Bに接続され、正負切替制御信号生成部364を介して正負切替回路333に接続されている。
【0018】
【特許文献1】
特開平8-65893号公報
【特許文献2】
特開平7-287620号公報
【特許文献3】
特開平8-194511号公報
【特許文献4】
特開平2-55577号公報
【発明が解決しようとする課題】
しなしながら、図16に示す従来の電源回路330では、波形の正側、負側への電荷の供給は、必要な時に随時、正負それぞれの昇圧信号発生回路332A、332Bを外部コントローラ360により駆動して、正側又は負側の昇圧回路334A、334Bで昇圧し、正負切替回路333によってリミッタ回路3331〜3334切替えて、電圧値の制限をするようにしていたが、負荷の容量が大きい場合に、負荷に対して十分な電荷を供給できず、負荷で発生させる電圧値を高くすることが困難で高電圧を供給できないという問題があった。
【0019】
本発明は、上記従来技術の問題点に着目してなされたもので、負荷の容量が大きい場合でも、トランスを用いることなく、負荷で発生させる電圧値を高くできる電源装置及び画像形成装置を供給することを目的とする。
【0020】
上記課題を解決するために、請求項1記載の電源装置は、容量性の負荷を駆動する電源装置において、電荷を蓄積するための電荷蓄積手段と、外部から供給された制御信号に基づいて、前記電荷蓄積手段と前記負荷との経路を接続している場合に、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を負荷に供給し、前記電荷蓄積手段と前記負荷との経路を遮断している場合に、前記負荷に蓄積された電荷を放電する第1の回路部とを有し、前記第1の回路部は、前記電荷蓄積手段と、前記負荷との経路を接続する第1のスイッチング回路部を有し、前記第1のスイッチング回路部は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタとを有し、前記第1のトランジスタの第1端子と前記電荷蓄積手段とを接続し、前記第1のトランジスタの第2端子と前記第2のトランジスタの第1端子とを接続し、前記第2のトランジスタの第2端子と前記負荷とを接続し、前記第1及び第2のトランジスタの各制御端子間を容量接続し、前記第2のトランジスタの制御端子と前記第2のトランジスタの前記第2端子との間を容量接続することを特徴とする。
【0021】
請求項1記載の電源装置によれば、電源装置は、外部から供給された制御信号に基づいて、電荷蓄積手段と負荷との経路を接続している場合に、電荷蓄積手段に蓄積された電荷を負荷に供給し、電荷蓄積手段と負荷との経路を遮断している場合に、負荷に蓄積された電荷を放電するので、外部からの制御信号に応じて第1の回路部を動作させることにより、負荷に対して効率よく電荷を供給することができる。したがって、負荷の容量が大きい場合でも、トランスを用いることなく、負荷で発生させる電圧値を高くできる。
また、第1の回路部は、電荷蓄積手段と負荷との経路を接続・遮断する第1のスイッチング回路部を有するので、この第1のスイッチング回路部により、電荷蓄積手段と負荷との経路の接続・遮断を実現できる。
また、第1及び第2のトランジスタを、同時にオンオフさせることができる。これにより、第1及び第2のトランジスタがオンしているときの第1のスイッチング回路部の耐圧を上げることができる。
【0022】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記第1のスイッチング回路部は更に、前記第1のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第1の抵抗と、前記第2のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第2の抵抗とを有することを特徴とする。
従って、第1の抵抗と、第2の抵抗とを用いて分圧するようにしたため、第1及び第2のトランジスタのオフ時における第1端子・第2端子間にかかる電圧をほぼ2分することができる。これにより、部品耐圧以上の出力を制御することができる。
【0023】
また、請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記第1のスイッチング回路部は、前記蓄積手段に蓄積される電荷が負電圧である場合に、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタにnチャネル電界効果トランジスタ又はnpnトランジスタを用いることを特徴とする。
従って、回路規模を小さくすることができる。
【0024】
また、請求項4記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記第1のスイッチング回路部は、前記蓄積手段により蓄積される電荷が正電圧である場合に、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタにpチャネル電界効果トランジスタ又はpnpトランジスタを用いることを特徴とする。
【0025】
また、請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれか一項記載の発明において、前記第1の回路部は更に、前記負荷と、前記負荷に蓄積された電荷を放電する電圧直流電源との経路を接続する第2のスイッチング回路部を有することを特徴とする。
従って、第2のスイッチング回路部を制御することにより、負荷に蓄積された電荷を放電できる。
【0026】
また、請求項6記載の発明は、請求項5記載の発明において、前記第2のスイッチング回路部は、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、該第3のトランジスタのオン時間を遅延させる遅延手段とを有し、前記第3のトランジスタの第1端子と前記負荷とを接続し、前記第3のトランジスタの第2端子と前記第4のトランジスタの第1端子とを接続し、前記第4のトランジスタの第2の端子と前記直流電源とを接続し、前記第3のトランジスタの制御端子に前記遅延手段を接続することを特徴とする。
第3のトランジスタの制御端子に遅延手段を接続するようにしたので、第3のトランジスタのオン時間を調整することができるため、第3及び第4のトランジスタが耐圧を超えないようにできる。
【0027】
また、請求項7記載の発明は、請求項6記載の発明において、前記第2のスイッチング回路部は更に、前記第3のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第3の抵抗と、前記第4のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第4の抵抗とを有することを特徴とする。
従って、第3及び第4のトランジスタのオフ時に、第1端子と第2端子と間にかかる電圧をほぼ2分することができる。これにより、部品耐圧以上の出力を制御することができる。
【0028】
また、請求項8記載の発明は、請求項6又は7記載の発明において、前記遅延手段は、複数の整流素子をシリアルに接続したことを特徴とする。
従って、遅延手段は、複数の整流素子、例えばダイオードをシリアルに接続するようにして、ダイオード1つ当たりの遅延時間によって、所定の電圧差を設けることができる。これにより、第3及び第4のトランジスタの耐圧を任意に調整できる。
【0029】
また、請求項9記載の発明は、請求項6から8のいずれか一項記載の発明において、前記第2のスイッチング回路部は、前記電荷蓄積手段に蓄積される電荷が負電圧である場合に、前記第3のトランジスタと前記第4のトランジスタとにpチャネル電界効果トランジスタ又はpnpトランジスタを用いることを特徴とする。
従って、回路規模を小さく構成できる。
【0030】
また、請求項10記載の発明は、請求項6から8のいずれか一項記載の発明において、前記第2のスイッチング回路部は、前記電荷蓄積手段に蓄積される電荷が正電圧である場合に、前記第3のトランジスタと前記第4のトランジスタとにnチャネル電界効果トランジスタ又はnpnトランジスタを用いることを特徴とする。
【0031】
また、請求項11記載の発明は、請求項1から10のいずれか一項記載の発明において、前記第1の回路部は更に、負荷に発生する電圧を所定の電圧値に制御するリミッタ回路を有することを特徴とする。
従って、リミッタ回路により負荷に発生する電圧を所定の電圧に制御することができる。
【0032】
また、請求項12記載の発明は、請求項11記載の発明において、前記リミッタ回路は、電荷蓄積手段に蓄積される電荷が正電圧である場合に、回路内に含まれるスイッチング素子に、nチャネル電界効果トランジスタ又はnpnトランジスタを用いることを特徴とする。
従って、回路規模を小さくすることができる。
【0033】
また、請求項13記載の発明は、請求項11記載の発明において、前記リミッタ回路は、前記電荷蓄積手段に蓄積される電荷が負電圧である場合に、回路に含まれるスイッチング素子に、pチャネル電界効果トランジスタ又はpnpトランジスタを用いることを特徴とする。
【0034】
また、請求項14記載の発明は、請求項項1から13のいずれか一項記載の発明において、前記電源装置は更に、交流入力信号に従って電荷を蓄積して昇圧電圧を出力する昇圧回路と、該昇圧回路に交流入力信号を供給する昇圧信号発生回路とを有することを特徴とする。
従って、昇圧回路は、昇圧信号発生回路で増幅された交流入力信号を昇圧するため、低電圧電源によって、高電圧は交流信号、直流信号又は直流を重畳した交流信号を生成できる。
【0035】
また、請求項15記載の発明は、請求項項14記載の発明において、前記昇圧信号発生回路は、インダクタンス素子と容量性素子とを有する共振回路を有することを特徴とする。
【0036】
また、請求項16記載の発明は、請求項14または15記載の発明において、前記昇圧信号発生回路は、直列共振回路と並列共振回路との少なくとも1つを有することを特徴とする。
【0037】
また、請求項17記載の発明は、請求項14または15記載の発明において、前記昇圧信号発生回路は、並列共振回路と、前記並列共振回路ととも並列共振回路部を構成するスイッチング素子と、一端が前記並列共振回路部に接続され、第1のインダクタンス素子と第1の容量性素子とを含む直列共振回路部と、前記第1のインダクタンス素子と前記第1の容量性素子との接続部に容量性の負荷への出力を取り出す出力端と、を有することを特徴とする。
請求項17記載の発明によれば、直列共振回路部にかかる電圧は、並列共振回路部で電源電圧の約2倍の電圧波形を得ることができるため、電源電圧の約2倍の電圧を直列共振回路にかけることができる。さらに、直列共振回路によって、出力端にはQ倍の振幅を発生させることができる。これにより、大振幅の正弦波を出力することができる。
【0038】
また、請求項18記載の発明は、請求項17記載の発明において、前記並列共振回路部は、第2のインダクタンス素子と第2の容量性素子とを含み、前記第2の容量性素子と前記第スイッチング素子の出力容量との合成容量と、前記第2のインダクタンス素子のインダクタンスにより形成されることを特徴とする。
従って、スイッチング素子からみた電源のインピーダンスを極大化することができる。これにより、スイッチングの効率を最大限にすることができる。
【0039】
また、請求項19記載の発明は、請求項17記載の発明において、前記直列共振回路部は、前記第1の容量性素子と前記負荷の有する容量との合成容量と、前記第1のインダクタンス素子のインダクタンスにより形成されることを特徴とする。
従って、直列共振回路部は、第1の容量性素子と負荷の有する容量との合成容量と、第1のインダクタンス素子とから形成されるため、例えば、先鋭度Qを大きくするようにインダクタンスLの値が大きくなるように、インダクタンスLと静電容量Cの値を設定して、出力の増幅度を大きくすることにより、大振幅の正弦波を出力できる。
【0040】
また、請求項22記載の画像形成装置は、画像形成部と、これに電源を供給する電源装置とを有し、該電源装置は、請求項1から19のいずれか一項に記載の電源装置であることを特徴とする。
【0044】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明を適用した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、第1の実施の形態に係る電源回路の概略構成図を説明するための図である。なお、本実施の形態に係る電源回路410は、例えば、電子写真方式の画像形成装置における現像装置とその電源装置に適用することができる。図1に示すように、電源回路400は、昇圧信号発生回路401と、昇圧回路402と、電荷蓄積手段403と、波形制御回路404と、低電圧電流電源405とを有する。また、406はコントローラ、407は負荷、408はコンピュータを示している。
【0045】
昇圧信号発生回路401は、昇圧回路402に交流入力信号を供給するためのものであって、低電圧直流電源405(24V電源)から供給される電力を、コントローラ406が供給する2MHzのクロックと、クロックの有無による発生タイミングによって、クロックと同一周波数で、大振幅の正弦波を発生させる(約400Vp−p)。この昇圧信号発生回路401は、詳細は後述する並列および直列共振を用いたスイッチングによって実現している。
【0046】
昇圧回路402は、昇圧信号発生回路401で増幅された交流入力信号を昇圧するためのものであって、整流素子と容量性素子を梯子状に接続した、所謂複数段の倍電圧回路を改良したものである。昇圧回路402は、昇圧信号発生回路401で発生する大振幅の正弦波を入力する事により、−1kVの直流電圧を発生する。
【0047】
電荷蓄積手段403は、容量性素子であり、例えばコンデンサを用いる。電荷蓄積手段403には、負荷407の容量よりも充分に大きな値(例えば、3.3μF)を用いる。なお、本実施の形態では、電荷蓄積手段403として、容量性素子を用いているが、これに限定されることなく、昇圧回路により昇圧した電圧を蓄積することができる手段であれば、これに限定されない。
【0048】
次に、波形制御回路404について説明する。図2は、波形制御回路404を説明するための図である。図2は、図1に対応するものであり、同一箇所には同一符号を用いるものとし、その説明を省略する。図2に示すように、波形制御回路404は、電荷供給スイッチ回路411と、電荷放電回路412と、リミッタ回路413を有する。なお、図において、電荷供給スイッチ回路411と、電荷放電回路412は、図中RST(SW)、RST(0)とそれぞれ示し、リミッタ回路413は、LMTとそれぞれ示すことがある。なお、電荷供給スイッチ411が第1のスイッチング回路部に対応する。
【0049】
電荷供給スイッチ回路411は、コントローラ406からの制御信号に基づき、負荷407への電荷の供給を目的として、負荷407と電荷蓄積手段403との間の接続・遮断をする。この電荷供給スイッチ回路411により電荷蓄積手段403に蓄積した電荷を負荷407に対して供給できる。なお、この電荷供給スイッチ回路411が第2のスイッチング回路部に対応する。
【0050】
電荷放電回路412は、負荷407に蓄積した電荷の放電を目的として、負荷407と低電圧電源405の接続・遮断を行い、負荷407に蓄積した電荷を低電圧電源405の24Vに対して放電・遮断をする。
【0051】
リミッタ回路413は、負荷407に発生する電圧値の制御を目的として、負荷407に接続されたツェナーダイオードの低電圧電源405への接続・遮断を行い、後述するように負荷407に接続されたツェナーダイオードD2の片側を24Vに対して、接続・遮断する。負荷407は、例えば現像器である。
【0052】
なお、本実施の形態の電源回路400には、コントローラ406から各種信号が入力される。このために、電源回路400は、コンピュータ407から転送される画像データに基づいて、画像形成装置をコントロールするコントローラ406に接続されている。また、コントローラ406は、昇圧信号発生回路401に接続され、この昇圧信号発生回路401に昇圧制御信号を供給する。また、コントローラ406は、波形制御回路404に接続され、この波形制御回路404に各種制御信号を供給する。これら昇圧信号発生回路401及び波形制御回路404には、コントローラ406から出力された各々の制御信号を出力先の回路とマッチングさせるための増幅器などが含まれるが、コントローラ406から電源回路400に直接接続する場合には不要である。
【0053】
次に、昇圧信号発生回路401と、昇圧回路402について図3を用いて説明する。図3は、昇圧信号発生回路401Aと昇圧回路402の回路図の一例である。なお、図3に示す昇圧信号発生回路401Aと、昇圧回路402は、本出願人により先に提案された昇圧信号回路、昇圧回路と同様の構成である(特願2001−385224号)。
【0054】
昇圧信号発生回路401Aは、npnトランジスタQ21とpnpトランジスタQ22と、トランジスタQ22のコレクタと低電圧電源405間に並列に挿入されたインダクタL21とコンデンサC21、トランジスタQ22のコレクタと昇圧回路402間に接続されるコンデンサC22と、コンデンサC22の昇圧回路側とグランド間に直列に接続されるインダクタL22と抵抗R22から構成されている。
【0055】
本実施の形態のように、低電圧電源405に24Vを用いた場合、トランジスタQ21に入力された5Vの昇圧制御信号は、およそ5〜24Vの信号に反転増幅される。次にトランジスタQ22と、インダクタL21、コンデンサC21からなる並列共振回路によって、24Vを中心とする0〜48Vの信号に反転増幅される。更に、コンデンサC22、インダクタL22、抵抗R22からなる直列共振回路によって、出力はQ倍となり、およそ±200Vの大振幅の信号となって昇圧回路402に入力される。昇圧回路402は、6倍の倍電圧回路を構成している。
【0056】
通常、トランスの2次側電圧を倍電圧するものであるが、本回路では一つ目のダイオードD11の後端とグランド間に挿入されるコンデンサC16に蓄積される電荷を倍電圧する。各ダイオードの向きからもわかるように、入力は±200Vであるが、正側の200Vのみを利用する。最大6倍、1.2kVの電圧を電荷蓄積手段403に供給することが出来る。
【0057】
なお、トランジスタQ21は、nチャネル電界効果トランジスタ、トランジスタQ22はpチャネル電界効果型トランジスタに置き換えてもよい。
この場合、nチャネル電界効果型トランジスタは、ソース・ドレイン間に寄生容量を持たないタイプのトランジスタであることが好ましい。
【0058】
図4は、昇圧信号発生回路の他の回路例を示している。なお、図4は、スイッチング素子としてnチャネル電界効果トランジスタを用いた場合の構成例を示している。図4に示すように、昇圧信号発生回路401Bは、nチャネル電界効果トランジスタQ31(スイッチング素子)と、nチャネル電界効果トランジスタQ31のドレインと低電圧電源405間に接続された抵抗R31と、並列に挿入されたインダクタ(第2のインダクタンス素子)L31とコンデンサ(第2の容量性素子)C31と、nチャネル電界効果トランジスタQ31のドレインと昇圧回路402間に接続されるインダクタL32(第1のインダクタンス素子)と、インダクタL32の昇圧回路402側とグランド間に直列に接続されるコンデンサ(第1の容量性素子)C32と、ノードN1とグランド間に直列に接続されるコンデンサC33とから構成される。また、nチャネル電界効果トランジスタのゲートはコントローラ406に接続される。
【0059】
コンデンサC31とトランジスタQ31の出力容量との合成容量と、インダクタL31によって形成される並列共振回路は、スイッチング素子からみた電源のインピーダンスを極大化し、スイッチングの効率を最大にする。コンデンサC32と後段に接続される昇圧回路(負荷)402の容量成分との合成容量とインダクタL32から形成される直列共振回路は、先鋭度Qを大きくするようにインダクタLの値が大きくなるようにインダクタL32、コンデンサC32の値を設定して、出力の増幅率を大きくする。
【0060】
本実施の形態にように、低電圧電源405に24Vを用いた場合、トランジスタQ31に入力された5Vの昇圧制御信号は、トランジスタQ31と、インダクタL31、コンデンサC31からなる並列共振回路によって、24Vを中心とする0〜48Vの信号に反転増幅される。更に、コンデンサC32、インダクタL32からなる直列共振回路によって、出力はQ倍となり、およそ±200Vの大振幅の信号となって昇圧回路402に入力される。
【0061】
この図4に示す昇圧信号発生回路401Bは、図3に示す昇圧信号発生回路402Aとは、直列共振回路のインダクタLとコンデンサCの位置関係が異なる。すなわち、昇圧信号発生回路401Bでは、インダクタL32とコンデンサC32が図3に示す昇圧信号発生回路401AのインダクタL22、コンデンサC22とは逆の構成となっている。このように、この位置の接続することにより、昇圧回路402の容量成分との関係で期待する共振を得ることができる。
【0062】
次に、昇圧信号発生回路401のさらに別の回路例について説明する。図5は、昇圧信号発生回路の更に他の回路例について示す図である。図5は、スイッチング素子としてpチャネル電界効果トランジスタを用いた場合の構成例を示している。尚、この回路では、図4に示したnチャネル電界効果トランジスタを用いた場合の構成例と同じ入力信号で動作するように、nチャンネル電界効果トランジスタQ41によるインバータを前段に備えているが、入力信号を変更する事により、トランジスタQ41を省略する事も可能である。
【0063】
図5に示すように、昇圧信号発生回路401Cは、nチャネル電界効果トランジスタQ41と、pチャネル電界効果トランジスタQ42と、トランジスタQ42のソースと低電圧電源405間に直列に挿入された抵抗R42と、トランジスタQ42のゲートと低電圧電源405間に直列に挿入された抵抗R41と、トランジスタQ42のソースとグラント間に直列に挿入されたコンデンサC43と、トランジスタQ42のドレインとグランド間に並列に挿入されたインダクタL41とコンデンサC41と、トランジスタQ42のドレインと昇圧回路402間に接続されるインダクタL42と、インダクタL42の昇圧回路402側とグランド間に直列に接続されるコンデンサC42とから構成される。また、nチャネル電界効果トランジスタQ41のゲートは、コントローラ406に接続される。
【0064】
コンデンサC41とトランジスタQ42の出力容量との合成容量と、インダクタL41によって形成される並列共振回路は、スイッチング素子からみた電源のインピーダンスを極大化し、スイッチングの効率を最大にする。コンデンサC42と後段に接続される昇圧回路402の容量成分との合成容量とインダクタL42から形成される直列共振回路は、先鋭度Qを大きくするようにインダクタLの値が大きくなるようにインダクタL42、コンデンサC42の値を設定して、出力の増幅率を大きくする。
【0065】
図5に示す昇圧信号発生回路401Cは、図3に示す昇圧信号発生回路402Aとは、直列共振回路のインダクタLとコンデンサCの位置関係が異なる。すなわち、昇圧信号発生回路401Cでは、インダクタL42とコンデンサC42が図3に示す昇圧信号発生回路401AのインダクタL22、コンデンサC22とは逆の構成となっている。このように、この位置の接続することにより、昇圧回路402の容量成分との関係で期待する共振を得ることができる。
【0066】
上記のように、図3〜図5に示した昇圧信号発生回路402は、インダクタLとコンデンサCとを有する共振回路を有し、昇圧信号発生回路402は、直列共振回路と並列共振回路との少なくとも1つを有する。
【0067】
次に、波形制御回路404の回路例について説明する。図6は、波形制御回路404の一例を示す図である。図6は、電界効果トランジスタによって構成された波形制御回路を示している。図6に示すように、負側407に大電圧を昇圧する構成においては、正側低電圧直流電源(24V)を用い、電荷供給スイッチ回路411には、nチャネル電界効果トランジスタ、電荷放電回路412と、リミッタ回路413には、pチャネル電界効果トランジスタを使うことが望ましく、これにより、回路規模を小さく構成できる。
【0068】
404Aは波形制御回路を示している。この波形制御回路404Aは、電荷供給スイッチ回路411Aと、電荷放電回路412Aと、リミッタ回路413Aとを備える。まず、電荷供給スイッチ回路411Aについて説明する。電荷供給スイッチ回路411は、図1に示す電荷蓄積手段403であるコンデンサC2と負荷407の間に接続され、コンデンサC2に積まれた約−1kVの電圧を(蓄積された電荷)を負荷407に対して供給・遮断をするためのものである。
【0069】
図6に示すように、電荷供給スイッチ回路411Aは、nチャネル電界効果トランジスタQ51を含んで構成され、電荷蓄積手段403とnチャネル電界効果トランジスタQ51のソースを接続し、nチャネル電界効果トランジスタQ51のドレインと負荷407を接続し、入力信号は、nチャネル電界効果トランジスタQ51のゲートに入力される。また、入力信号はオープンコレクタインバータU1Cの出力を24Vにプルアップしたものを、コンデンサC1を介して容量接続し、ツェナーダイオードD1によって、コンデンサC2の電圧マイナスD1の逆方向電圧分シフトした交流信号となっている。電荷供給スイッチ回路411Aは、この構成により、負荷407に対し負の電圧を供給する。
【0070】
次に、電荷放電回路412Aについて説明する。電荷放電回路412は、負荷407と24Vの低電圧電源405間に接続され、負荷407に蓄積した電荷を24Vに対して放電、または遮断する。この電荷放電回路412Aには、pチャネル電界効果トランジスタQ52を用い、pチャネル電界効果トランジスタQ52のソースを24Vの低電圧電源405に接続する。入力信号は、オープンコレクタインバータU1Bの出力を24Vにプルアップしたものである。また、pチャネル電界効果トランジスタQ52のドレインは、抵抗R12を介して負荷407に接続される。電荷放電回路412Aはこの構成により、負荷407は負の電荷を放出し、24Vの電位を示す。
【0071】
次に、リミッタ回路413Aについて説明する。リミッタ回路413は、負荷407と24Vの低電圧電源405間に接続され、負荷407に接続されたツェナーダイオードD2の片側を24Vに対して、接続・遮断する。リミッタ回路413Aは、負荷407に発生する電圧を所定の電圧値に制御する。このリミッタ回路413Aには、pチャネル電界効果トランジスタQ53を用い、pチャネル電界効果トランジスタQ53のソースを24Vの低電圧電源405に接続する。入力信号は、オープンコレクタインバータU1Aの出力を24Vにプルアップしたものである。また、pチャネル電界効果トランジスタQ53のドレインは、抵抗R11を介してツェナーダイオードD2のカソードに接続する。このツェナーダイオードD2のアノードは負荷407に接続する。
【0072】
リミッタ回路413Aは、この構成により、負荷407はツェナーダイオードD2によって規定される負の電位を示す。この電位は交流信号の平均電圧となるように、あらかじめツェナーダイオードD2の値を選定することが好ましい。また、図6において、402は昇圧回路、401は昇圧信号発生回路、D6はツェナーダイオード、VCCは電源電圧、RSTは切替制御信号の入力端子、LMTはリミッタ回路制御信号入力端子、R1は低電圧電源405とコンデンサC1との間に挿入された抵抗、R2はVCCとオープンコレクタインバータU1Bとの間に挿入された抵抗、R3はVCCとオープンコレクタインバータU1Aとの間に挿入された抵抗、R4は切替制御信号の入力端子RSTとグランドとの間に接続された抵抗、R5はリミッタ回路制御信号入力端子LMTとグランドとの間に接続された抵抗、R7はpチャネル電界効果トランジスタQ52と低電圧電源405との間に接続された抵抗、R8はpチャネル電界効果トランジスタQ53と低電圧電源405との間に挿入された抵抗を示している。
【0073】
なお、正側に昇圧する構成では、低電圧電源405に負側の低電圧電源(−24V)を用い、電荷供給スイッチ回路411には、pチャネル電界効果トランジスタを、電荷放電回路412と、リミッタ回路413にはnチャネル電界効果トランジスタを使うことが望ましい。
【0074】
次に、各制御信号と駆動波形の関係について図3、図6及び図7を用いて説明し、その後に動作について説明する。図7は、電源装置のタイミングチャートである。各制御信号は、図6に示すように、VCCにより、5Vで供給され、オープンコレクタインバータU1A、U1B、U1Cによって、0〜24Vのパルス信号として各部に供給される。
【0075】
図7に示す昇圧制御信号CLKは、昇圧信号を発生させる為の制御されたクロックである。昇圧制御信号CLKは、コントローラ406から不図示のオープンコレクタインバータ(図2.4と同様)を介して図3に示す昇圧信号発生回路401Aに、24Vの信号として供給する。昇圧制御信号が約2MHzの周波数でオン/オフを繰り返す事により、昇圧信号発生回路401Aは大振幅の信号を昇圧回路402に供給し、昇圧された負の電圧が電荷蓄積手段403であるコンデンサC2に蓄積される。図3において、昇圧制御信号CLKがハイ(High)の時、nチャネル電界効果トランジスタQ21はオフとなるので出力は停止する。
【0076】
図7に示す切替制御信号RSTは、電荷供給スイッチ回路411と電荷放電回路412に共通の制御信号である。前述したように、それぞれn型とp型の電界効果トランジスタQ51、Q52によって構成されているので、切替制御信号RSTとして同じ信号を供給しても逆のスイッチング動作をする。
【0077】
この切替制御信号RSTがロー(Low)のとき、電荷供給スイッチ回路411はオン(on)となり、コンデンサC2と負荷407を接続して負荷407に対して、負の電荷を供給する。このとき電荷放電回路412は、オフの状態であり、24Vの低電圧電源405とは遮断されている。一方、切替制御信号RSTがハイ(High)の時、電荷放電回路412は、24Vの低電圧電源405と接続状態であり、負荷407に蓄積された負の電荷は放電され、負荷407における電圧は24Vである。このとき、電荷供給スイッチ回路411はオフであり、負荷407とコンデンサC2を遮断した状態である。このためコンデンサC2の電荷は逃げない。波形制御回路404は例えば12kHzでオン/オフする。負荷407に発生する交流信号の元となる。
【0078】
リミッタ回路制御信号LMTがハイ(High)の時にpチャネル電界効果トランジスタQ2は、オン(on)となり、負荷407の電位をツェナーダイオードD2で規定される電位に制御する。一方、リミッタ回路制御信号LMTがロー(Low)のときは、pチャネル電界効果トランジスタQ2は、オフ(off)なので、負荷407の電位に影響しない。
【0079】
次に、図6及び図7を用いて、動作について説明する。負荷407に負電圧を発生させない時、昇圧制御信号CLK、切替制御信号RST、リミッタ回路制御信号LMTが全てハイ(High)であり(図7に示す*1、*2、*3)、電荷放電回路412がオン(on)なので、負荷407の電位は低電圧電源に接続されるため、VDD=24Vである(*4)。昇圧制御信号CLKが2MHzのオン/オフとなり(*5)、コンデンサC2に電荷が蓄積される。切替制御信号RSTは、ハイ(High)になるので(*6)、負荷407の電位は変わらない。
【0080】
切替制御信号RSTがロー(Low)となると(*7)、電荷供給スイッチ回路411がオン(on)となり、負荷407とコンデンサC2が接続される。同時に電荷放電回路412は遮断される。このとき、リミッタ回路制御信号LMTは、ハイ(High)のままなっているので(*8)、負荷407の電位は、ツェナーダイオードD2で規定される負の電圧を示す(*9)。リミッタ制御信号LMTがロー(Low)となり(*10)、切替制御信号RSTが12kHzのオン/オフを始めると(*11)、ツェナーダイオードD2による電圧制限はなくなり、電荷供給スイッチ411、電荷放電回路412が交互にオン/オフすることによって、負荷407の電位はVDD=24VとVCC=−1KV間を12kHzで変動する(*12)。
【0081】
リミッタ回路制御信号LMTがハイ(High)となり(*13)、切替制御信号RSTがロー(Low)となると(*14)、負荷407の電位は、ツェナーダイオードD2で規定される負の電圧を示す(*15)。リミッタ回路制御信号RSTがハイ(High)となると(*16)、負荷407の電位は再び低電圧電源に接続されるため、VDD=24Vとなる(*17)。図6は、比較的出力電圧が低く、スイッチング素子の耐圧を超えない場合(現時点では500V程度)、の波形制御回路の例である。
【0082】
なお、本実施の形態では、電子写真方式の画像形成装置における現像器の例をもって説明しているが、帯電器や、圧電素子を駆動する駆動回路にも使用可能である。本実施の形態の特徴は、より高電圧出力の生成が容易な構成である。
【0083】
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態とは、図2に示す波形制御回路404のみ異なるため、図1及び図2を参照して説明する。なお、第1の実施の形態と同一の箇所には同一符号を付するものとし、その説明を省略する。本実施の形態では、部品耐圧を超えるのは、電界効果トランジスタがオフの時であるので、その時に、各電界効果トランジスタにかかる電圧をほぼ等分に分圧することを特徴としている。
【0084】
次に、波形制御回路404Bについて説明する。図8は、波形制御回路404Bを説明するための図である。図8は、電界効果トランジスタによって構成された波形制御回路を示している。本実施の波形制御回路では、負側407に大電圧を昇圧する構成においては、正側24Vの低電圧電源405を用い、電荷供給スイッチ回路411Bには、nチャネル電界効果トランジスタを、電荷放電回路412Bと、リミッタ回路413Bには、pチャネル電界効果トランジスタを使うことが望ましく、これにより、回路規模を小さく構成できる。
【0085】
次に、電荷供給スイッチ回路411Bについて説明する。電荷供給スイッチ回路411Bは、電荷蓄積手段403であるコンデンサC2に積まれた約−1kVの電圧を、負荷407に対して供給/遮断する事を目的とする。図8に示すように、電荷供給スイッチ回路411Bは、nチャネル電界効果トランジスタQ61、Q62を含んで構成され、電荷蓄積手段403とnチャネル電界効果トランジスタQ61のソース(第1端子)を接続し、nチャネル電界効果トランジスタQ61のドレイン(第2端子)とnチャネル電界効果トランジスタQ62のソース(第1端子)を接続し、nチャネル電界効果トランジスタQ62のドレイン(第2端子)と負荷407を接続し、nチャネル電界効果トランジスタQ61、Q62のソース(各第1端子)・ドレイン(各第2端子)間を抵抗R69(第1の抵抗)、R610(第2の抵抗)で接続し、入力信号は、nチャネル電界効果トランジスタQ61、Q62のゲート(制御端子)間と、nチャネル電界効果トランジスタQ62のゲート(制御端子)・ドレイン(第2端子)間をコンデンサC63、C64により容量接続する。
【0086】
電荷供給スイッチ回路411Bをこのような構成にすることにより、各電界効果トランジスタQ61、Q62がオフのとき、スイッチの入出力間(すなわち電界効果トランジスタのソース・ドレイン間)にかかる電圧を分圧することができる。これにより、部品耐圧以上の出力を制御することができる。
【0087】
また、電荷供給スイッチ回路411Bへの入力信号は、オープンコレクタインバータU1Cの出力を24Vにプルアップしたものを、コンデンサC1を介して容量接続し、ツェナーダイオードD1によって、コンデンサC2の電圧マイナスD1の逆方向電圧分シフトした交流信号となっている。
【0088】
この交流信号をnチャネル電界効果トランジスタQ61、Q62のゲートに供給するが、図8に示すように、コンデンサC63、C64を接続する。これにより、nチャネル電界効果トランジスタQ61、Q62が同時に、オン/オフ可能になるものの、両方の電界効果型トランジスタがオフ時には片方の電界効果トランジスタQ62のソース・ドレイン間に全ての電圧がかかってしまう現象が見られる。そこで、抵抗R69、R610に4.7MΩ程度の大きな抵抗を用いて分圧すると、二つのnチャネル電界効果トランジスタQ61、Q62は正常にオン/オフし、かつオフ時に各電界効果トランジスタQ61、Q62のソース・ドレイン間にかかる電圧をほぼ2分する事が出来る。なお、入力側のコンデンサC63、C64を接続しない場合には、コンデンサC62側のnチャネル電界効果トランジスタQ61のみが動作し、電界効果トランジスタの耐圧を越えてしまう。
【0089】
図8に示す電荷供給スイッチ回路412Bでは、出力電圧がスイッチング素子の耐圧を超える場合であり、図中は各2個のスイッチング素子(FET)を使用して、約1kVの耐圧を確保している。尚、同様の方法で、複数個を使うことによって、更に耐圧を上げる事が可能である。なお、図8では、nチャネル電界効果トランジスタを用いて例について説明したが、これに限定されることなく、pチャネル電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタを用いることもできる。
【0090】
次に、電荷放電回路412Bについて説明する。電荷放電回路412Bは、負荷407に積まれた負の電荷を、+24Vの低電圧電源405ラインに放電する事を目的とする。この電荷放電回路412Bには、pチャネル電界効果トランジスタQ63、Q64を用いる。負荷407とpチャネル電界効果トランジスタQ63のドレイン(第1端子)を接続し、pチャネル電界効果トランジスタQ63のソース(第2端子)とpチャネル電界効果トランジスタQ64のドレイン(第1端子)を接続し、pチャネル電界効果トランジスタQ64のソース(第2端子)を24Vの低電圧電源405に接続する。入力信号は、オープンコレクタインバータU1Bの出力を24Vにプルアップしたものである。また、pチャネル電界効果トランジスタQ63のゲート(制御端子)には、ダイオードD63、D64、D65を接続する。このように、pチャネル電界効果トランジスタQ63、Q64のゲート間にダイオードD63、D64、D65を接続することによって、オフ動作に時間差を持たせることにより、ダイオードD63、D64、D65を24Vの低電源電圧405の接続側から順にオフにする事ができる。なお、ダイオードD63、D64、D65は整流素子であって、遅延手段に対応する。
【0091】
次に、リミッタ回路413Bについて説明する。リミッタ回路413Bは、負荷に発生する電圧を所定の電圧値に制御する。このリミッタ回路413bには、pチャネル電界効果トランジスタQ65を用い、pチャネル電界効果トランジスタQ65のソースを24Vの低電圧電源405に接続する。入力信号は、オープンコレクタインバータU1Aの出力を24Vにプルアップしたものである。また、pチャネル電界効果トランジスタQ65のドレインを抵抗R11を介してツェナーダイオードD2のカソードに接続する。このツェナーダイオードD1のアノードは負荷407に接続する。
【0092】
また、図8において、402は昇圧回路、401は昇圧信号発生回路、D6はツェナーダイオード、VCCは電源電圧、RSTは切替制御信号の入力端子、LMTはリミッタ回路制御信号入力端子、R1は低電圧電源405とコンデンサC1との間に挿入された抵抗、R2はVCCとオープンコレクタインバータU1Bとの間に挿入された抵抗、R3はVCCとオープンコレクタインバータU1Aとの間に挿入された抵抗、R4は切替制御信号の入力端子RSTとグランドとの間に接続された抵抗、R5はリミッタ回路制御信号入力端子LMTとグランドとの間に接続された抵抗、R7はpチャネル電界効果トランジスタQ64と低電圧電源405との間に接続された抵抗、R8はpチャネル電界効果トランジスタQ65と低電圧電源405との間に挿入された抵抗を示している。
【0093】
次に、第2の実施の形態に係る電荷放電回路の動作について説明する。図9は、第2の実施の形態に係る電荷放電回路の動作を説明するための図である。図9(a)は、電荷放電回路412Bの構成を省略して示したものである。また、図9(b)は(a)に示す2つの矢印の位置でのGNDからの電位を示すものである。ここで、問題となるのは、pチャネル電界効果トランジスタQ63、Q64がオフの時に、ソース・ドレイン間に24V−(−1kV)=約1kVの電圧差が生じる事である。
【0094】
図9(a)示すpチャネル電界効果トランジスタQ63、Q64がオンの時における矢印位置▲1▼▲2▼の電位は、図9(b)に示す様に24Vである(*21)。pチャネル電界効果トランジスタQ63、Q64への入力にローが入り、電圧がスレッショルドを超えると、pチャネル電界効果トランジスタQ64はオフし始め、−1kVに向かって電位が下がり始める(*22)。pチャネル電界効果トランジスタQ63の入力にはダイオードD1を経由するので、ダイオードD1がオンする時間分、遅延した信号が入力される。
【0095】
pチャネル電界効果トランジスタQ63がオフし始め、ある程度オフすると、pチャネル電界効果トランジスタQ64への経路が遮断されるので、pチャネル電界効果トランジスタQ64の矢印位置▲1▼の電位は、−1kVに向かう途中の値で一定となり、それ以上の電圧はかからない(*23)。pチャネル電界効果トランジスタQ63が完全にオフになると、矢印位置▲2▼の電位は−1kVとなる(*24)。各pチャネル電界効果トランジスタQ63、Q64のソース・ドレイン間の電圧は500Vであり、耐圧を超えない。
【0096】
本実施の形態で示すダイオードD63、D64、D65では、1つあたりの遅延時間によって、約170Vの電圧差を設ける事が出来るので、ダイオード3個をシリアルに接続する事で約500Vずつ電圧がかかるように調整する事ができる。なお、本実施の形態では、遅延時間を確保するために、3つのダイオードD63、D64、D65を用いているが、このダイオードの個数には限定されない。
【0097】
なお、本実施の形態に係る波形制御回路404Bでは、負側に昇圧する構成について説明しているが、波形制御回路を、正側に昇圧する構成にする場合には、低電圧電源405には、負側の低電圧電源(−24V)を用い、電荷供給スイッチ回路411Bには、pチャネル電界効果トランジスタを、電荷放電回路412Bと、リミッタ回路413Bには、nチャネル電界効果トランジスタを使うことが望ましい。
【0098】
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態に係る電源装置について説明する。第1及び第2の実施の形態では、負側に昇圧する構成について説明しているが、図2で示した波形制御回路を、正側に昇圧する構成にすることもでき、本実施の形態では、このように波形制御回路を正側に昇圧する構成を用いていることを特徴とする。
【0099】
波形制御回路を負側に昇圧する構成と異なる点は、図2に示す出力波形制御回路404と、昇圧回路402のダイオードの向きと、低電圧電源405の極性である。すなわち、図2に示す出力波形制御回路404の電荷放電回路412とリミッタ回路413には、nチャネル電界効果トランジスタを用いる。電荷供給スイッチ回路411には、pチャネル電界効果トランジスタを用いる。もちろんnとpでは入力信号が異なるので、所望のタイミングでオン/オフするように信号の極性を変更する必要がある。
【0100】
また、図2に示す低電圧電源405には−24Vの低電圧電源を用い、これにより、約1kVと−24V間で電圧を変更する事が出来る。例えば、図8に対応する波形制御回路404の電荷供給スイッチ回路411を以下のように構成することともできる。電荷供給スイッチ回路411は、第1のpチャネル電界効果トランジスタと、第2のpチャネル電界効果トランジスタを含んで構成され、電荷蓄積手段403と第1のpチャネル電界効果トランジスタのソースを接続し、第1のpチャネル電界効果トランジスタのドレインと第2のpチャネル電界効果トランジスタのソースを接続し、第2のpチャネル電界効果トランジスタのドレインと407負荷を接続し、第1及び第2のpチャネル電界効果トランジスタのソース・ドレイン間を抵抗で接続し、入力信号は、第1及び第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート間と、第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート・ドレイン間を容量接続する。
【0101】
電荷供給スイッチ回路411をこのような構成にすることにより、各電界効果トランジスタがオフのとき、スイッチの入出力間(すなわち電界効果トランジスタのソース・ドレイン間)にかかる電圧を分圧することができる。これにより、部品耐圧以上の出力を制御することができる。
【0102】
尚、低電圧電源は昇圧信号発生回路401でも使用しているので、別途電源を用意するようにしても良いし、昇圧信号発生回路401に使用する電界効果トランジスタのタイプを変更することにより、電源の極性が変わっても同じ出力を得る事は容易である。
【0103】
(第4の実施の形態)
次に、第4の実施の形態に係る電源装置について説明する。第1から第3の実施の形態に係る電源装置では、図2に示す波形制御回路に電界効果トランジスタを用いた実施の形態について説明したが、本実施の形態では、波形制御回路にバイポーラトランジスタを用いたものである。
【0104】
図10は、バイポーラトランジスタによって構成された波形生成回路を示している。電荷供給スイッチ回路411C、電荷放電回路412C、リミッタ回路413Cは、いずれもバイポーラトランジスタを含んで構成されている。基本的な回路構成及び動作シーケンスは第1から第3の実施形態で説明した電界効果トランジスタの場合と同じであるが、バイポーラトランジスタは、コレクタ・エミッタ間に漏れ電流を持つため、電界効果トランジスタより性能が出難い。
【0105】
404Cは波形制御回路を示している。この波形制御回路404Cは、電荷供給スイッチ回路411Cと、電荷放電回路412Cと、リミッタ回路413Cとを備える。まず、電荷供給スイッチ回路411Cについて説明する。電荷供給スイッチ回路411は、電荷蓄積手段403であるコンデンサC2と負荷407の間に接続され、コンデンサC2に積まれた約−1kVの電圧を負荷407に対して供給・遮断をするためのものである。
【0106】
図10に示すように、電荷供給スイッチ回路411Cは、npnトランジスタQ71を含んで構成され、電荷蓄積手段403とnpnトランジスタQ71のコレクタを接続し、npnトランジスタ71のエミッタと負荷407を接続し、入力信号は、npnトランジスタQ71のゲートに入力される。また、入力信号はオープンコレクタインバータU1Cの出力を24Vにプルアップしたものを、コンデンサC1を介して容量接続し、ツェナーダイオードD1によって、コンデンサC2の電圧マイナスD1の逆方向電圧分シフトした交流信号となっている。電荷供給スイッチ回路411Cは、この構成により、負荷407は負の電圧を供給する。
【0107】
次に、電荷放電回路412Cについて説明する。電荷放電回路412Cは、負荷407と24Vの低電圧電源405間に接続され、負荷407に蓄積した電荷を24Vに対して放電、または遮断する。この電荷放電回路412Cには、pnpトランジスタQ72を用い、pnpトランジスタQ72のエミッタを24Vの低電圧電源405に接続する。入力信号は、オープンコレクタインバータU1Bの出力を24Vにプルアップしたものを用いている。また、pnpトランジスタQ32のコレクタは、抵抗R12を介して負荷407に接続される。電荷放電回路412Cはこの構成により、負荷407は負の電荷を放出し、24Vの電位を示す。
【0108】
次に、リミッタ回路413Cについて説明する。リミッタ回路413Cは、負荷407と24Vの低電圧電源405間に接続され、負荷407に接続されたツェナーダイオードD2の片側を24Vに対して、接続・遮断する。リミッタ回路413Cは、負荷407に発生する電圧を所定の電圧値に制御する。このリミッタ回路413Cには、pnpトランジスタQ73を用い、pnpトランジスタQ73エミッタを24Vの低電圧電源405に接続する。入力信号は、オープンコレクタインバータU1Aの出力を24Vにプルアップしたものである。また、pnpトランジスタQ73のコレクタは、抵抗R11を介してツェナーダイオードD2のカソードに接続する。このツェナーダイオードD2のアノードは負荷407に接続する。
【0109】
リミッタ回路413Cは、この構成により、負荷407はツェナーダイオードD2によって規定される負の電位を示す。この電位は交流信号の平均電圧となるように、あらかじめツェナーダイオードD2の値を選定することが好ましい。
【0110】
また、図10において、402は昇圧回路、401は昇圧信号発生回路、D6はツェナーダイオード、VCCは電源電圧、RSTは切替制御信号の入力端子、LMTはリミッタ回路制御信号入力端子、R1は低電圧電源405とコンデンサC1との間に挿入された抵抗、R2はVCCとオープンコレクタインバータU1Bとの間に挿入された抵抗、R3はVCCとオープンコレクタインバータU1Aとの間に挿入された抵抗、R4は切替制御信号の入力端子RSTとグランドとの間に接続された抵抗、R5はリミッタ回路制御信号入力端子LMTとグランドとの間に接続された抵抗、R7はpnpトランジスタQ72と低電圧電源405との間に接続された抵抗、R8はpnpトランジスタQ73と低電圧電源405との間に挿入された抵抗を示している。
【0111】
次に、図10で示した電荷放電回路412Cの別の回路例について説明する。図11は、図10で示した電荷放電回路412Cの別の回路例を示しており、pnp型のバイポーラトランジスタを複数個使いて耐圧向上させた例である。電荷放電回路412Dは、pnpトランジスタQ81と、pnpトランジスタQ82とを含んで構成され、負荷407とpnpトランジスタQ81のコレクタを接続し、pnpトランジスタQ81のエミッタとpnpトランジスタQ82のコレクタを接続し、pnpトランジスタQ81、Q82のコレクタ・エミッタ間を抵抗R83、R84で接続し、ダイオードD81のアノードをpnpトランジスタQ81のベースに接続し、ダイオードD1のカソードを抵抗R2を介してpnpトランジスタQ82のベースに接続する。なお、ダイオードD81は、整流素子であって、第2の遅延手段に対応する。上記構成により、ダイオードD81のオン時間のディレイを利用してpnpトランジスタQ81のオン時間を調整して、トランジスタQ81、Q82の耐圧を超えないようにすることができる。
【0112】
なお、図11に示す電荷放電回路412Dにおいて、pnpトランジスタQ81、Q82の各コレクタ・エミッタ間に接続するコンデンサC81、C82は必ずしも必要ではない。
【0113】
次に、図11で説明した電荷放電回路412Dとは別の電荷放電回路の例について、図12を用いて説明する。図11で説明した電荷放電回路412Dでは、pnp型のパイポーラトランジスタQ81、Q82を用いた例について説明したが、図12に示す電荷放電回路412Eでは、npn型のバイポーラトランジスタを複数個使いて耐圧向上させた例を示している。
【0114】
図12に示すように、電荷放電回路412Eは、npnトランジスタQ91と、npnトランジスタQ92と、ダイオードD91とを含んで構成され、負荷407とnpnトランジスタQ91のコレクタを接続し、npnトランジスタQ91のエミッタとnpnトランジスタQ92のコレクタを接続し、npnトランジスタQ91、Q92のコレクタ・エミッタ間を抵抗R93、R94で接続し、前記ダイオードD91のカソードをnpnトランジスタQ91のベースに接続し、ダイオードD91のアノードを抵抗R92を介してnpnトランジスタQ92のベースに接続する。なお、ダイオードD91は、整流素子であって、第2の遅延手段に対応する。この構成により、ダイオードD91のオン時間のディレイを利用してnpnトランジスタQ91のオン時間を調整して、トランジスタQ91、Q92の耐圧を超えないようにすることができる。
【0115】
なお、本実施の形態では、図12に示すように、npnトランジスタQ91、Q92の各コレクタ・エミッタ間にコンデンサC92、C93を接続して構成しているが、このコンデンサC92、C93は必ずしも必要ではない。
【0116】
上記各実施の形態で説明した電源装置は、例えば、電子写真方式の画像形成装置において感光体上にトナー像を現像する現像器、感光体を帯電する帯電器、クリーナー等にバイアス電圧等の高電圧を供給する為の電源装置に用いることができる。また、画像形成装置に用いる場合には、この画像形成装置は、画像形成部と、これに電源を供給する電源装置とを有し、該電源装置に上記各実施の形態で説明した電源装置を用いる。
【0117】
以上、本発明の一実施の形態を説明した。本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。
【0118】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明によれば、負荷の容量が大きい場合でも、トランスを用いることなく、負荷で発生させる電圧値を高くできる電源装置及び画像形成装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態に係る電源回路の概略構成図を説明するための図である。
【図2】 波形制御回路を説明するための図である。
【図3】 昇圧信号発生回路と昇圧回路の回路の一例を示す図である。
【図4】 スイッチング素子としてnチャネル電界効果トランジスタを用いた場合の構成例を示す図である。
【図5】 スイッチング素子としてpチャネル電界効果トランジスタを用いた場合の構成例を示す図である。
【図6】 電界効果トランジスタによって構成された波形制御回路を示す図である。
【図7】 電源装置のタイミングチャートを示す図である。
【図8】 波形制御回路404Bを説明するための図である。
【図9】 第2の実施の形態に係る電荷放電回路の動作を説明するための図である。
【図10】 バイポーラトランジスタによって構成された波形生成回路を示す図である。
【図11】 電荷放電回路の別の回路例を示す図である。
【図12】 電荷放電回路の更に別の回路例を示す図である。
【図13】 電子写真方式の画像形成装置における現像装置とその電源装置の従来例を示す図である。
【図14】 電子写真方式の画像形成装置における現像装置とその電源装置の別の従来例を示す図である。
【図15】 スイッチングによる高圧矩形は交流電圧発生回路の従来例を示す図である。
【図16】 トランスレス電源回路の他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
400 電源回路 401 昇圧信号発生回路
402 昇圧回路 403 電荷蓄積回路
404 波形制御回路 405 低電圧電源
406 コントローラ 407 コンピュータ
411 電荷供給スイッチ 412 電荷放電回路
413 リミッタ回路
Claims (20)
- 容量性の負荷を駆動する電源装置において、
電荷を蓄積するための電荷蓄積手段と、
外部から供給された制御信号に基づいて、前記電荷蓄積手段と前記負荷との経路を接続している場合に、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を負荷に供給し、前記電荷蓄積手段と前記負荷との経路を遮断している場合に、前記負荷に蓄積された電荷を放電する第1の回路部とを有し、
前記第1の回路部は、前記電荷蓄積手段と、前記負荷との経路を接続する第1のスイッチング回路部を有し、
前記第1のスイッチング回路部は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタとを有し、
前記第1のトランジスタの第1端子と前記電荷蓄積手段とを接続し、前記第1のトランジスタの第2端子と前記第2のトランジスタの第1端子とを接続し、前記第2のトランジスタの第2端子と前記負荷とを接続し、前記第1及び第2のトランジスタの各制御端子間を容量接続し、前記第2のトランジスタの制御端子と前記第2のトランジスタの前記第2端子との間を容量接続することを特徴とする電源装置。 - 前記第1のスイッチング回路部は更に、前記第1のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第1の抵抗と、前記第2のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第2の抵抗とを有することを特徴とする請求項1記載の電源装置。
- 前記第1のスイッチング回路部は、前記蓄積手段に蓄積される電荷が負電圧である場合に、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタにnチャネル電界効果トランジスタ又はnpnトランジスタを用いることを特徴とする請求項1又は2記載の電源装置。
- 前記第1のスイッチング回路部は、前記蓄積手段により蓄積される電荷が正電圧である場合に、前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタにpチャネル電界効果トランジスタ又はpnpトランジスタを用いることを特徴とする請求項1又は2記載の電源装置。
- 前記第1の回路部は更に、前記負荷と、前記負荷に蓄積された電荷を放電する電圧直流電源との経路を接続する第2のスイッチング回路部を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項記載の電源装置。
- 前記第2のスイッチング回路部は、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、該第3のトランジスタのオン時間を遅延させる遅延手段とを有し、
前記第3のトランジスタの第1端子と前記負荷とを接続し、前記第3のトランジスタの第2端子と前記第4のトランジスタの第1端子とを接続し、前記第4のトランジスタの第2の端子と前記直流電源とを接続し、前記第3のトランジスタの制御端子に前記遅延手段を接続することを特徴とする請求項5記載の電源装置。 - 前記第2のスイッチング回路部は更に、前記第3のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第3の抵抗と、前記第4のトランジスタの前記第1端子と前記第2端子との間を接続する第4の抵抗とを有することを特徴とする請求項6記載の電源装置。
- 前記遅延手段は、複数の整流素子をシリアルに接続したことを特徴とする請求項6又は7記載の電源装置。
- 前記第2のスイッチング回路部は、前記電荷蓄積手段に蓄積される電荷が負電圧である場合に、前記第3のトランジスタと前記第4のトランジスタとにpチャネル電界効果トランジスタ又はpnpトランジスタを用いることを特徴とする請求項6から8のいずれか一項記載の電源装置。
- 前記第2のスイッチング回路部は、前記電荷蓄積手段に蓄積される電荷が正電圧である場合に、前記第3のトランジスタと前記第4のトランジスタとにnチャネル電界効果トランジスタ又はnpnトランジスタを用いることを特徴とする請求項6から8のいずれか一項記載の記載の電源装置。
- 前記第1の回路部は更に、負荷に発生する電圧を所定の電圧値に制御するリミッタ回路を有することを特徴とする請求項1から10のいずれか一項記載の電源装置。
- 前記リミッタ回路は、電荷蓄積手段に蓄積される電荷が正電圧である場合に、回路内に含まれるスイッチング素子に、nチャネル電界効果トランジスタ又はnpnトランジスタを用いることを特徴とする請求項11記載の電源装置。
- 前記リミッタ回路は、前記電荷蓄積手段に蓄積される電荷が負電圧である場合に、回路に含まれるスイッチング素子に、pチャネル電界効果トランジスタ又はpnpトランジスタを用いることを特徴とする請求項11記載の電源装置。
- 前記電源装置は更に、交流入力信号に従って電荷を蓄積して昇圧電圧を出力する昇圧回路と、該昇圧回路に交流入力信号を供給する昇圧信号発生回路とを有することを特徴とする請求項1から13のいずれか一項記載の電源装置。
- 前記昇圧信号発生回路は、インダクタンス素子と容量性素子とを有する共振回路を有することを特徴とする請求項14記載の電源装置。
- 前記昇圧信号発生回路は、直列共振回路と並列共振回路との少なくとも1つを有することを特徴とする請求項14または15記載の電源装置。
- 前記昇圧信号発生回路は、並列共振回路と、
前記並列共振回路ととも並列共振回路部を構成するスイッチング素子と、
一端が前記並列共振回路部に接続され、第1のインダクタンス素子と第1の容量性素子とを含む直列共振回路部と、
前記第1のインダクタンス素子と前記第1の容量性素子との接続部に容量性の負荷への出力を取り出す出力端と、を有することを特徴とする請求項14または15記載の電源装置。 - 前記並列共振回路部は、第2のインダクタンス素子と第2の容量性素子とを含み、前記第2の容量性素子と前記第スイッチング素子の出力容量との合成容量と、前記第2のインダクタンス素子のインダクタンスにより形成されることを特徴とする請求項17記載の電源装置。
- 前記直列共振回路部は、前記第1の容量性素子と前記負荷の有する容量との合成容量と、前記第1のインダクタンス素子のインダクタンスにより形成されることを特徴とする請求項17記載の電源装置。
- 画像形成部と、これに電源を供給する電源装置とを有し、該電源装置は、請求項1から19のいずれか一項に記載の電源装置であることを特徴とする画像形成装置。
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