JP6521745B2

JP6521745B2 - 電源及び画像形成装置

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Publication number: JP6521745B2
Application number: JP2015110371A
Authority: JP
Inventors: 亮松村; 裕司宿岩
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: US10175632B2; US20180164735A1; US20160349691A1; JP2016226158A; US9933744B2

Description

本発明は電源に関するものであり、特に出力電圧を広い範囲で変化させて負荷に電力を供給することができる降圧型の電源に関するものである。

一般に電子機器に用いられるファンは騒音の観点から機器の動作モードに応じて回転数を変化させる機能がある。機器の動作時においてはファンの回転数を上げ機器の内部を冷却を優先させ、機器の待機時にはファンの回転数を下げて騒音を抑えるという制御を行う。一般にファンは供給される電圧によって回転数が変化する。そのため、ファンを駆動する電源としては出力電圧を広い範囲で変化させることのできる降圧型の電源が利用されている（特許文献１参照）。

この特許文献１の電源回路は、出力電圧を変化させない場合はフィードバック制御により効率が良好な周波数範囲でスイッチング動作を行う。一方、出力電圧を変化させる場合は設定電圧に基づいたスイッチング周波数の制御テーブルを用いてスイッチング動作を行う。ここで、より安価な構成で出力電圧を広い範囲で変化させ、且つ、高い電圧精度が要求されない負荷の場合はフィードバック制御せずに設定電圧に基づいたスイッチング制御テーブルを用いて制御を行うことが知られている。

以下、図５（ａ）を参照して前述した従来の降圧型の電源回路について説明する。この電源回路はスイッチ回路と出力回路で構成されている。スイッチ回路は、ＦＰＷＭ信号を用いてスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオン・オフさせる。そして、入力端子に入力された直流の入力電圧Ｖｉｎを断続的なパルス状の波形の信号Ｖｐｕｌｓｅに変換する。この信号をダイオードＤ２、コイルＬ１、コンデンサＣ１から構成される出力回路によって平滑して出力端子に出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。この回路では、フィードバック制御せずにＦＰＷＭ信号のパルス幅を変化させることによって出力電圧を変化させる。

ここで、出力回路におけるダイオードＤ２とコイルＬ１の代わりに抵抗器Ｒ３を用いた図５（ｂ）のような回路も従来から使われている。この回路では、スイッチ回路から出力された断続的なパルス状の波形の信号Ｖｐｕｌｓｅを、抵抗器Ｒ３とコンデンサＣ１によって平滑して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。この回路においても図５（ａ）の回路と同様、ＦＰＷＭ信号のパルス幅を変化させることによって出力電圧を変化させることができる。

また、出力電圧を一定の値に調整して、且つ高い電圧精度が要求される負荷の場合は、図５（ｃ）のような回路が従来から使用されている。この回路では、入力電圧レベルに近い電圧と、それよりも低い電圧の２種類の出力電圧に切り替えが可能である。入力電圧レベルに近い電圧を出力する場合は、Ｆ＿ＯＮ信号をＨｉｇｈにし、Ｑ３、Ｑ４をオンさせることによって電圧を出力する。入力電圧レベルよりも低い電圧を出力する場合は、Ｆ＿Ｈ＿ＯＮ信号をＨｉｇｈにし、Ｑ１、Ｑ２をオンさせ、ツェナーダイオードＺＤ２を導通させることによって、高い電圧精度で電圧を出力する。この回路では、これら２つの出力電圧の経路毎に制御信号及び制御信号線が必要である。

特開２００７−１１６８０４

しかしながら、図５（ａ）に示す従来例に用いられているコイルＬ１は負荷に電力を供給するルートに配置されるため大型な部品を使用しなければならず、回路が大型化してしまう。一方、コイルＬ１を用いない図５（ｂ）に示す従来例では入力電圧レベルに近い出力電圧が要求された場合、抵抗器Ｒ３における電圧降下によって所望の電圧を出力するのが難しい。図５（ｃ）の回路のように制御信号ラインと専用の出力ラインを増やすことで、入力電圧レベルに近い電圧を出力することは可能ではあるが、出力制御信号が増加することで必要なＣＰＵのピン数が増加するという課題がある。

本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、制御信号を増やすことなく簡易な構成で広範囲に電圧を出力可能な電源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の電源は、入力電圧をスイッチングする第一スイッチング手段と、前記第一スイッチング手段と負荷の間に接続された電力制限手段と、前記電力制限手段と前記負荷の間に接続され、前記入力電圧をスイッチングする第二スイッチング手段と、前記第一スイッチング手段と前記第二スイッチング手段に制御信号を出力する制御手段と、前記第二スイッチング手段への前記制御信号の入力を調整する調整手段とを有し、前記制御手段は、前記制御信号に基づき前記第一スイッチング手段と前記第二スイッチング手段を選択的に動作させることを特徴とする。

以上説明したように、本出願に係る発明によれば電、簡易な電源構成で、広範囲に電圧を出力することが可能となる。

実施例１に係る降圧型の電源の回路図である。実施例１の電源においてパルス幅変調信号のパルス幅を変化させたときの出力電圧を示す図である。実施例２に係る降圧型の電源の回路図である。実施例２の電源において電圧レベル信号の電圧レベルを変化させたときの出力電圧を示す図である。従来の電源の回路図である。本発明の電源の適用例を示す図である。

（実施例１）
図１は実施例１に係る降圧型の電源装置の回路図である。なお、従来例と同一の構成に関しては同一の記号を付与して説明を省略する。図１において、出力制御信号の生成手段としてのＣＰＵ１００からパルス幅変調信号ＦＰＷＭ（以下、ＦＰＷＭ信号という）をスイッチング素子Ｑ１の制御端子及び抵抗器Ｒ２に出力する。抵抗器Ｒ２はＣＰＵ１００とダイオードＤ１のアノード端子との間に接続され、コンデンサＣ２は抵抗器Ｒ２及びダイオードＤ１のアノード端子とＧＮＤとの間に接続される。抵抗器Ｒ２、コンデンサＣ２によって、ＣＰＵ１００から出力されたＦＰＷＭ信号をパルス幅に応じた直流の電圧に変換し、第二スイッチ回路をオン・オフする制御信号を生成する。ダイオードＤ１のアノード端子は抵抗器Ｒ２及びコンデンサＣ２に接続され、カソード端子はスイッチング素子Ｑ４の制御端子に接続される。これはダイオードＤ１の順方向電圧を利用して第二スイッチ回路がオンする電圧を調整するために設けられる。なお、本実施例ではスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４としてはトランジスタを用いている。ここで本実施例では、ＦＰＷＭ信号に従い、第二スイッチング手段としてのＱ３及びＱ４が選択的に動作される。以下に動作について詳細に説明する。

図１において、ＣＰＵ１００は設定電圧に対応したＦＰＷＭ信号のオン・オフ期間が記憶されている制御テーブルを内部のＲＯＭ（不図示）に記憶している。そして、制御テーブルに記憶されているオン・オフ期間のデータに従い、ＦＰＷＭ信号のオン時間を変更することが可能である。入力電圧よりも低い電圧を出力する場合は、ＣＰＵはパルス幅の小さい（オン時間の短い）出力制御信号ＦＰＷＭを出力する。このとき、この出力制御信号ＦＰＷＭが入力された抵抗器Ｒ２及びコンデンサＣ２によって平滑された電圧はダイオードＤ１の順方向電圧よりも小さいため第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はオンしない。すなわち、ダイオードＤ１はＣＰＵ１００からの出力制御信号によって第二スイッチ回路を動作を調整する手段として機能する。一方、出力制御信号ＦＰＷＭが入力された第一スイッチング手段としての第一スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はオン・オフを繰り返す。これにより、入力電圧Ｖｉｎは断続的なパルス状の波形の信号Ｖｐｕｌｓｅに変換される。この信号Ｖｐｕｌｓｅは抵抗器Ｒ３、コンデンサＣ１によって平滑されて出力電圧Ｖｏｕｔ（第一電圧）として出力される。

入力電圧に近い電圧（且つ、入力電圧にほぼ等しい第二電圧）を出力する場合は、ＣＰＵはパルス幅の大きい（オン時間の長い）出力制御信号ＦＰＷＭを出力する。このとき、この出力制御信号ＦＰＷＭが入力された抵抗器Ｒ２及びコンデンサＣ２によって平滑された電圧はダイオードＤ１の順方向電圧よりも大きく第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンする。一方、出力制御信号ＦＰＷＭが入力された第一スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２もオン・オフするが、第一スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ２に電流は流れない。これにより、第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３から入力電圧に近い電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。これは、第一スイッチ回路の電力供給ルートには電力制限素子である抵抗器Ｒ３があり、第二スイッチ回路の電力供給ルートの方がインピーダンスが小さいためである。

図２は実施例１の回路においてＦＰＷＭ信号のパルス幅を変化させたときの出力電圧を示す図である。横軸はＦＰＷＭ信号のオン時間の割合（オンＤｕｔｙともいう）、縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔである。これより、ＦＰＷＭ信号のオンＤｕｔｙを上げることにより、出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなることがわかる。オンＤｕｔｙが５５％を超えた時点で第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンオフを開始し、オンＤｕｔｙが６５％を超えた時点で第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３及びＱ４がオン状態となり、入力電圧２４Ｖに近い電圧が出力される。

図１における負荷２００として、例えば装置内を冷却するファンを適用することができる。ファンの音を低減したい場合には、ＦＰＷＭ信号のＤｕｔｙを２０％に設定し、凡そ１１Ｖの電圧をファンに供給することでファンの回転数を低下させる。また、ファンの冷却機能を優先させる場合には、ＦＰＷＭ信号のＤｕｔｙを１００％に設定し入力電圧２４Ｖに近い電圧をファンに供給することでファンの回転数を上げる。

本実施例によれば、簡易な回路構成で入力信号を増やさずに出力電圧を切り替えることが可能となる。具体的には、ＦＰＷＭ信号のパルス幅を変化させることによって入力電圧に近い電圧まで出力電圧を変化させることが可能となる。また、負荷へ供給する電圧を細かく変化させることが可能となる。

（実施例２）
図３は実施例２に係る降圧型の電源装置の回路図である。実施例１との違いは、ＣＰＵ１００が出力する信号として電圧レベル信号Ｆ＿ＯＮ（以下、Ｆ＿ＯＮ信号という）を出力し、そのＦ＿ＯＮ信号の電圧を変化させることを特徴とする。これにより、入力電圧に近い電圧とそれよりも低い電圧の２種類の出力電圧に切り替えができる。図３において、出力制御信号の生成手段としてのＣＰＵ１００からＦ＿ＯＮ信号をスイッチング素子Ｑ１の制御端子及び抵抗器Ｒ５に出力する。抵抗器Ｒ５はＣＰＵとツェナーダイオードＺＤ１のカソードとの間に接続され、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードは抵抗器Ｒ５に、アノードはスイッチング素子Ｑ４の制御端子に接続される。これはツェナーダイオードの降伏電圧を利用して第二スイッチ回路がオンする電圧を調整するために設けられる。

以下、回路動作について説明する。出力制御信号の生成手段としてのＣＰＵ１００は設定電圧に対応した電圧レベルを示す情報が記憶されている制御テーブルをＲＯＭ（不図示）に記憶している。さらに、制御テーブルから読み出した電圧レベルを示す情報を読み出してＤ／Ａ変換を行う変換処理部を有する。そして、ＣＰＵはＤ／Ａ変換の結果を出力制御信号Ｆ＿ＯＮとして出力する。

入力電圧よりも低い電圧を出力する場合は、ＣＰＵはツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧よりも小さいＦ＿ＯＮ信号を出力する。このとき、ツェナーダイオードＺＤ１は導通せず、第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はオンしない。すなわち、ツェナーダイオードＺＤ１は、ＣＰＵ１００からの出力制御信号によって第二スイッチ回路を動作を調整する手段として機能する。一方、Ｆ＿ＯＮ信号が入力された第一スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオンし、ツェナーダイオードＺＤ２を導通させることによって、高い電圧精度の電圧がＶｏｕｔとして出力される。

また、入力電圧レベルに近い電圧を出力する場合は、ＣＰＵはツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧よりも大きいＦ＿ＯＮ信号を出力する。このとき、ツェナーダイオードＺＤ１が導通し、第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンする。一方、Ｆ＿ＯＮ信号が入力された第一スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２もオンするものの、第一スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ２に電流は流れない。従って、第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３から入力電圧レベルに近い電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。これは、第一スイッチ回路の電力供給ルートには電力制限素子である抵抗器Ｒ３があり、第二スイッチ回路の電力供給ルートの方がインピーダンスが小さいためである。

図４は実施例２の電源回路においてＦ＿ＯＮ信号の電圧レベルを変化させたときの出力電圧を示す図である。横軸はＦ＿ＯＮ信号の電圧レベル、縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔである。これより、Ｆ＿ＯＮ信号の電圧レベルを上げていくことにより、出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなっていることがわかる。電圧レベルがおよそ１Ｖを超えた時点で第一スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオンし、およそ１２Ｖが出力される。また、電圧レベルがおよそ２．６Ｖを超えた時点で第二スイッチ回路のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンし、入力電圧２４Ｖに近い電圧が出力される。

図１における負荷２００として、例えば装置内を冷却するファンを適用することができる。ＦＰＷＭ信号のＤｕｔｙを２０％に設定し、凡そ１１Ｖの電圧をファンに供給することでファンの回転数を低下させる。また、ファンの冷却機能を優先させる場合には、ＦＰＷＭ信号のＤｕｔｙを１００％に設定し入力電圧２４Ｖに近い電圧をファンに供給することでファンの回転数を上げる。

ファンの音を低減したい場合には、Ｆ＿ＯＮ信号の電圧レベルを１．８Ｖに設定しおよそ１２Ｖの電圧をファンに供給することでファンの回転数を低下させる。また、ファンの冷却機能を優先させる場合においては、Ｆ＿ＯＮ信号の電圧レベルを３．３Ｖに設定し入力電圧２４Ｖに近い電圧をファンに供給することでファンの回転数を上げる。

本実施例によれば、簡易な回路構成で入力信号を増やさずに出力電圧を切り替えることが可能となる。具体的には、Ｆ＿ＯＮ信号の電圧を変化させることによって入力電圧レベルに近い電圧とそれよりも低い電圧の２種類の出力電圧に切り替えることが可能となる。

なお、上記実施例１、２においてスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ４としてトランジスタを用いた構成で説明したが、トランジスタに限らず電界効果トランジスタ（ＦＥＴともいう）でもよい。

（電源装置の適用例）
上記の実施例で説明した電源装置は、例えば画像形成装置の低圧電源として、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６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６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を備えている。上記の実施例に記載の電源装置５５０は、例えば、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５５１に電力を供給することができる。また、画像形成装置の内部の発熱箇所を冷却するための冷却ファン５５２を有する装置であれば、前述したようにファンの回転速度を切り換えることができる。

Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４スイッチング素子
Ｒ２、Ｒ３抵抗器
Ｃ１、Ｃ２コンデンサ

Claims

入力電圧をスイッチングする第一スイッチング手段と、
前記第一スイッチング手段と負荷の間に接続された電力制限手段と、
前記電力制限手段と前記負荷の間に接続され、前記入力電圧をスイッチングする第二スイッチング手段と、
前記第一スイッチング手段と前記第二スイッチング手段に制御信号を出力する制御手段と、
前記第二スイッチング手段への前記制御信号の入力を調整する調整手段とを有し、
前記制御手段は、前記制御信号に基づき前記第二スイッチング手段を選択的に動作させることを特徴とする電源。
前記制御信号はパルス幅変調信号であり、前記制御手段は前記パルス幅変調信号のパルス幅を変更することが可能であり、前記パルス幅を変更することにより前記第一スイッチング手段と前記第二スイッチング手段を選択的に動作させることを特徴とする請求項１に記載の電源。
前記パルス幅変調信号のパルス幅が第一の値の場合に前記第一スイッチング手段が動作して第一電圧が出力され、
前記パルス幅変調信号のパルス幅が前記第一の値よりも大きい第二の値の場合に前記第二スイッチング手段が動作して前記第一電圧よりも高い第二電圧が出力されることを特徴とする請求項２に記載の電源。
前記調整手段は、ダイオードを含む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。
更に前記電力制限手段と前記負荷の間に、前記第一スイッチング手段でスイッチングした電圧を平滑して出力するための平滑手段が接続されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源。
前記制御信号は電圧レベル信号であり、前記制御手段は前記電圧レベル信号を変更することが可能であり、前記電圧レベル信号を変更することにより前記第一スイッチング手段と前記第二スイッチング手段を選択的に動作させることを特徴とする請求項１に記載の電源。
前記電圧レベル信号が第一の値の場合に前記第一スイッチング手段が動作して第一電圧が出力され、前記電圧レベル信号が前記第一の値よりも大きい第二の値の場合に前記第二スイッチング手段が動作して前記第一電圧よりも高い第二電圧が出力されることを特徴とする請求項６に記載の電源。
前記調整手段は、ツェナーダイオードを含むことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の電源。
更に前記電力制限手段と前記負荷の間に、ツェナーダイオードが接続されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の電源。
前記第一のスイッチング手段と前記第二のスイッチング手段は、夫々スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子はトランジスタ又はＦＥＴを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電源。
画像を形成するための画像形成手段と、
前記画像形成手段により画像を形成するための電力を供給する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電源を有する画像形成装置。
更に前記画像形成装置の内部を冷却するためのファンを有し、
前記電源は前記ファンに電力を供給することを特徴とする請求項１１に記載の画像形成装置。