JP7114330B2 - 電力供給装置、画像形成装置、電子機器 - Google Patents
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そこで、こうした放射ノイズの問題を解決するための提案がなされている。
換部を複数備えた電力変換装置のプリント回路板において、放射ノイズの発生を効果的に抑制するとともに、負荷に対する電力供給を高速に行うことができる。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係るプリント回路板の回路図である。本実施形態は、A相/B相の2相で動作するモータ150を駆動するためのプリント回路板であり、130は電源、101は駆動用ICである。駆動用IC101は、負荷への電力供給の断続を制御可能なA相用のスイッチング回路111と、B相用のスイッチング回路112とを含む。
スイッチング回路111とスイッチング回路112は、図示のように半導体素子であるMOSFETやダイオードで構成したプッシュプル回路を用いるが、他の素子を用いたり別の回路形式を採用してもよい。尚、図示の便宜から、駆動用IC101の内部には2つのプッシュプル形式のスイッチング回路のみを示したが、駆動用ICにはより多くのスイッチング回路や制御回路を内蔵しても差し支えない。
同様に、スイッチング回路112は、内蔵するPMOS、NMOSのゲートに適宜の制御信号を入力することにより、第二の正配線122を介して供給される電源電圧を適宜断続して出力し、B相出力線162を介してモータ150にB相信号を供給する。
図2及び図3は、本実施形態に係る電力供給回路が搭載されたプリント回路板を模式的に示した図である。図2はプリント回路板200の表側(表面)を示しており、図3はプリント回路板200の裏側(裏面)を表している。図1の回路図に示した要素に対応する要素については、図1と同一の番号を付して示している。尚、プリント回路板とは、プリント配線板に電子部品が実装された状態を指す。
プリント配線板の絶縁層は、硬質な基板や柔軟性のある基板が用いられ得る。硬質な基板としては、例えば紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスコンポジット基板、ガラスエポキシ基板、テフロン基板、セラミクス基板などが用いられるが、これに限らない。柔軟性のある基板としては、例えばポリイミドやポリエステルのフィルムが用いられるが、これに限らない。
プリント配線板には、配線だけではなく、例えば抵抗、容量、インダクタなどの回路素子が一体に形成されていてもよい。
プリント回路板200は、外部の電源130と不図示の端子を介して電気的に接続している。
さらに、本実施形態では、電力供給用のコンデンサ131とコンデンサ132は、製造誤差は別として、設計上は同一の容量を配置している。
一方、電力供給用のコンデンサ131から第一の正配線121をインダクタンスとして電解コンデンサ133に繋がる回路もLC回路を構成している。
図5はバイパス回路の有無によるインピーダンスの周波数特性の差異を示す図で、縦軸はインピーダンス、横軸は周波数を示している。
一方で、バイパス回路によるインダクタンス(図5では10nH)を有する場合には、上述のLC回路に加えて、バイパス回路のインダクタンスLzと電力供給用のコンデンサの容量CによるLC回路も形成される。そのため、共振周波数を複数有することとなり、バイパス回路が無い単一の共振周波数のみを有する場合に比較して、共振ピークの大きさが低減されていることがわかる。
そこで、バイパス回路のインピーダンスは以下のように設定する。
また、A相の電力供給用のコンデンサからバイパス回路Zを通ってB相の駆動素子に電力が供給される場合に関しても、同様の考え方を適用すればよい。
尚、バイパス回路は、2つの電力供給用のコンデンサを接続するものであるが、抵抗あるいはインダクタあるいはその両方であるのが望ましく、回路中に直列容量は設けないようにする。
第1実施形態のバイパス回路はプリント配線板の導電層パターンのみで形成したが、第2実施形態では、バイパス回路がチップ型素子を含んで構成される点と、プリント配線板の表側表面に駆動用IC101の負ライン124が広く配置される点が異なる。図7及び図8は、本実施形態に係る電力供給装置のプリント回路板を模式的に示した図である。図7はプリント回路板700の表側(表面)を示しており、図8はプリント回路板700の裏側(裏面)を表している。尚、以下の説明では第1実施形態と同様に、プリント回路板700とは、電子部品が実装されたプリント配線板702を指すものとする。図7及び図8では、第1実施形態で説明した要素と同様の要素については同一の番号を付しているが、これらの要素についての説明は省略する。
これに対して、本実施形態によれば、駆動用ICの周辺に大きな導電パターンを形成する余地がない場合でも電源端子間にバイパス回路を形成可能で、チップ型素子を用いるためインピーダンスの選択可能範囲が広く、プリント回路板の小型化が出来る。
図9は、本発明の第3実施形態に係る電力供給装置の回路図である。第1実施形態で説明した要素と同様の部分については同一の番号を付しているが、これらの要素についての説明は省略する。本実施形態の回路も、プリント配線板およびそれに実装された電子部品により、プリント回路板として構成される。
本実施形態では、A相用の駆動用IC901の電源端子と、B相用の駆動用IC902の電源端子の間を、バイパス回路941で電気的に接続している。
尚、バイパス回路941は、第1実施形態のようにプリント配線板上の導電層パターンのみで形成してもよいし、第2実施形態のようにチップ型素子を含んで構成してもよい。
図10は、本発明の第4実施形態に係る電力供給装置の回路図である。本実施形態の回路も、プリント配線板およびそれに実装された電子部品により、プリント回路板として構成される。
本実施形態では、駆動用IC1001は、モータ駆動ライン1052を通してU相/V相/W相の3相で動作するモータ1050へ電力を断続的に供給するための駆動素子1011、1012、1013を有している。駆動素子の一端は電源に、他端は電流検出抵抗1051を介してグラウンドへ接続される。駆動素子の電源入力端子はモータに十分な電力を供給するために、3相でそれぞれ別々に端子を有しており、電源の正配線1021を通じて電源1053へ電気的に接続される。正配線1021には、低周波の電力を供給するための電解コンデンサ1054と、高周波の電力を供給するためのコンデンサ1031、1032、1033とが配置されている。本実施形態では、U相とV相の電源入力端子間にバイパス回路1041が配置され、さらに、V相とW相の電源入力端子間にバイパス回路1042が配置される。
図11は、本発明の第5実施形態に係る電力供給装置の回路図である。本実施形態の回路も、プリント配線板およびそれに実装された電子部品により、プリント回路板として構成される。本実施形態は、図10に示した第4実施形態と回路構成は類似しているが、U相とV相およびV相とW相の間のバイパス回路1041、1042に加えて、U相とW相との間にもバイパス回路1143を設けている点が異なる。
第1実施形態では、図2のバイパス回路141の配置がプリント配線板202の表側(表面)の駆動用IC101が接続されるモータと反対側(左側)に配置されている。駆動用IC101の発熱量が大きい場合、図2のようなプリント配線板202に放熱用としての導体プレーンとして機能する負ライン124をプリント配線板202の裏面だけでなく表面にも広く配置することが望ましい(例えば図7)。しかし、図2のようなバイパス回路141の配置において、IC101の左側にまで負ラインを延長しようとしても、バイパス回路141によって延長部分の負ライン124が分断されたり、あるいは延長が妨げられたりする。そのため、駆動用IC101の放熱性をより高めることが出来ない場合があり得る。以下に、放熱性を高めるための構成例について説明する。尚、以下の説明では、負ラインを導体プレーンと記述する場合がある。
更に図18は、ICチップに所定の消費電力を与えた時の半田接合率(ICチップの放熱板の面積に対する放熱板とプリント配線板との接合面積の割合)とICの温度上昇との関係を示したグラフである。本グラフに見られるように、半田接合率が10%以上の領域でICチップが放熱され、温度上昇が低温に保たれることが分かる。このことから、バイパス回路1341を通す際に、放熱板の面積の10%以上の面積でプリント配線板の導体プレーンに接続する必要がある。
第6実施形態においては、図15に示すバイパス回路1341が駆動用IC101とプリント配線板1302の同じ側の表面に配置されているため、バイパス回路1341と放熱板1321との間隔が狭い構成となっている。そのため、はんだ等の導電性材料1520の量や、部品実装工程での設置位置、あるいはプリント配線板1302の表面のレジストの厚みなどがばらつくことによって、バイパス回路1341と放熱板1321が電気的なショートを起こす可能性があり得た。第7実施形態は、上記のショートの可能性を回避または軽減する構成を提供するものである。
更に、図20は第7実施形態の変形例1のプリント回路板を、図13のD-D’に対応する方向で切った断面図である。プリント配線板2002において、バイパス回路2041の導体の厚みが、導体プレーン2003の導体の厚みよりも薄くなっている。バイパス回路と放熱板との距離を確保して絶縁性を保つことが可能となり、電気ショートを防ぐことが可能である。
以上説明した各実施形態をはじめとする本発明にかかるプリント回路板は、例えばレーザービームプリンタや複写機などの電子写真方式の画像形成装置の各種ローラを駆動するモータに電力を供給する回路として好適に用いることができる。また、電子写真方式に限らず、インクジェット方式の画像形成装置が備える各種ローラを駆動するモータに電力を供給する回路としても好適に用いることができる。
画像形成部10は、ほぼ同様の構成の4個の画像形成部10a,10b,10c,10dを備えている。この順に、イエロー(Y),シアン(C),マゼンタ(M),ブラック(K)のトナー像を形成するものである。各画像形成部10a,10b,10c,10dにおいては、像担持体としてのドラム形の電子写真感光体(以下「感光ドラム」という。)11a,11b,11c,11dがその中心で軸支され、矢印方向(図29中の反時計周り)に回転駆動される。感光ドラム11a~11dの外周面に対向して、その回転方向に一次帯電器(帯電手段)12a,12b,12c,12d、露光装置である光学系の露光装置(照射手段)13a,13b,13c,13dが配置される。さらに、折り返しミラー16a,16b,16c,16d、現像装置(バイアス部材)14a,14b,14c,14dもまた配置されている。上述の感光ドラム11a~11dは、ベース層として、アースされた導電性のドラム基体(不図示)と、その外周面を覆うように設けられた感光層(不図示)とを有している。
以上、記録媒体が紙である場合について説明したが、記録媒体は紙である必要はなく、トナー画像の転写や定着が可能なシート状のものであればプリントすることが可能である。
また、大電流を供給するICは、消費電力が大きいため発生する熱量も大きくなる。そこで、画像形成装置の駆動用ローラに電力を共有するドライバ回路として、第6実施形態で説明した放熱経路が確保されたプリント回路板を採用すれば、ICの温度上昇を抑制し、より安定した駆動を実現することができる。
本発明の実施は、上述した第1実施形態~第8実施形態に限られるものではなく、適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能である。
例えば、プリント配線板の導電層パターンでバイパス回路を形成するのに、第1実施形態ではミアンダ形状部を設けたが、導電パターンの形状はこれに限るものではなく、所望のインダクタンスあるいは抵抗を実現できればよい。また、バイパス回路は、ミアンダ形状部のような導電パターンとチップ型素子の両方を含んで構成してもよい。
本発明の実施例1について説明する。図2、図3に示すプリント回路板200の構成において、プリント配線板202を以下のように設計した。
板厚が1.6mmで、導電層が表裏に設けられた2層のプリント配線板を用い、銅厚は37μmとした。電源130の電圧は24Vとし、電源130用のプリント回路板から電源ケーブルで供給する構成とした。電源ケーブルのワイヤーの直径は0.4mmとし、長さを420mmとした。これにより、電源ケーブルのインダクタンスは、正ラインと負ラインで各々620nHと算出した。
各正配線の一端は、電解コンデンサ133に接続した。各正配線の他端は、駆動用IC101の電源入力端子に接続すると共に、容量が0.1μFの電力供給用のコンデンサ131、132に接続した。チップコンデンサの等価直列抵抗は0.2Ωとした。
駆動用IC101のA相用のスイッチング回路111は、立ち上がり/立ち下りの遷移時間が100nsであるとして、周波数40kHzで電流を1A流すとした。B相用のスイッチング回路112は、A相用のスイッチング回路111と同時には電流を流さない、すなわちA相とは異なるタイミングで動作すると想定とした。
以上の実施例1について、A相の電源入力端子における電圧波形をシミュレーションした。結果を図12(a)に示す。
本発明の実施例2について説明する。実施例2の構成は、バイパス回路の態様を除いて実施例1と同様である。実施例2では、図7、図8に示すプリント回路板のように、バイパス回路はチップ型素子を用いて構成した。バイパス回路の導電パターンの配線幅は、0.1mmで配線の長さは10mmとした。これにより、バイパス回路の抵抗分は46mΩ、インダクタンス成分は11nHと算出した。チップ型素子713として、数式3を満たすように、抵抗値が5.6Ωの抵抗素子を用いた。
以上の実施例2について、A相の電源入力端子における電圧波形をシミュレーションした。結果を図12(b)に示す。
本発明の比較例1について説明する。比較例1の構成は、バイパス回路を設けていない以外は実施例1と同様のプリント回路板である。
比較例1について、A相の電源入力端子における電圧波形をシミュレーションした。結果を図12(c)に示す。
比較例1では、スイッチングにより電流変化が生じた場合に、電圧がオーバーシュートして24.9Vに到達して、その後は電圧変動のリンギングが継続する。リンギングは、実施例1および実施例2に比べて長時間続いている。電圧変動の振動(面積)を波形図から計算すると、1遷移あたり0.48μV・sとなる。
つまり、比較例1に比べて本発明の実施例1、実施例2の方が、振動が9dB程度小さい結果となっている。
一般的に、高周波の電源電圧の振動が大きい方が放射ノイズは大きくなる。本発明の実施例のように、電源電圧の振動が小さい方が、放射ノイズが発生しにくいと言える。
本発明の実施例3について説明する。実施例3の構成は、バイパス回路の態様を除いて実施例1と同様である。実施例3では、図13乃至図15に示すプリント回路板のように、バイパス回路は導電パターンを用いて駆動用IC101の放熱板1321がバイパス回路を跨ぐような配置関係で構成した。バイパス回路の導電パターンの配線幅は、0.1mmで配線の長さは7mmとした。これにより、バイパス回路の抵抗分は33mΩ、インダクタンス成分は8nHと算出した。
本発明の実施例4について説明する。実施例4の構成は、プリント配線板の層構成を除いて実施例3と同様である。実施例4では、図24に示すプリント配線板2402のように、片面基板であり、スルーホールや裏面の導体プレーンを具備しない点が実施例3とは異なる。バイパス回路の導電パターンの配線幅は、0.1mmで配線の長さは7mmとした。これにより、バイパス回路の抵抗分は33mΩ、インダクタンス成分は8nHと算出した。
本発明の実施例5について説明する。実施例5の構成は、バイパス回路の態様を除いて実施例4と同様である。具体的には、実施例4ではバイパス回路2441をICチップ1301の真下に配置したが、実施例5では、図25に示すようにバイパス回路2541がICチップ1301よりも右側(ICチップ1301の真下ではない位置)に配置される。バイパス回路の導電パターンの配線幅は、0.1mmで配線の長さは11mmとした。これにより、バイパス回路の抵抗分は51mΩ、インダクタンス成分は12nHと算出した。
比較例としては、前述の比較例1を用いた。結果を図26(d)に示す。
実施例3、実施例4では、バイパス回路の構造や長さが同じで同様の結果となり、スイッチングにより電流変化が生じた場合に、電圧はそれぞれ24.6V、24.6Vに到達し、その後の電圧変動のリンギングは比較例1と比べると早く収束している。この電圧変動の振動(面積)を波形図から計算すると、1遷移あたりそれぞれ0.11μV・s、0.11μV・sとなる。実施例5では、スイッチングにより電流変化が生じた場合に、電圧は24.5Vに到達し、その後の電圧変動のリンギングは比較例1と比べると早く収束している。この電圧変動の振動(面積)を波形図から計算すると、1遷移あたりそれぞれ0.12μV・sとなる。
つまり、比較例1の電圧変動の振動(面積)である0.48μV・sに比べて、本発明の実施例3、実施例4、および実施例5の方が、振動がそれぞれ12dB、12dB、11dB程度小さい結果となっている。
検証条件としては、JEDEC規格(JESD51)に基本的に準拠して自然対流の環境下で評価した。放熱板付き駆動用ICは、9.7mm×6.4mm×1.0mmの大きさで、0.65mmピッチの28ピンSOPパッケージを用いた。チップサイズは1.0mm×2.2mm×0.38mmとして、消費電力を1.0Wとした。
プリント配線板は、70mm×70mm×1.6mmの2層基板として、駆動用ICの直下および周囲には、ランド0.6mm、ドリル径0.3mmのスルーホールを1.2mm間隔で12×3個配置した。バイパス回路による導体プレーンを分断するスリット幅は0.6mmとした。周囲温度は50℃に設定した。
図27によると、バイパス回路を配置したことによる放熱用の導体プレーンが分断される位置によってICチップの昇温値が変化していることを示している。具体的には、バイパス回路をスルーホール1506とスルーホール1507の間に配置した場合に最もICチップ温度が低く、61.8℃となった。スルーホール1507とスルーホール1508の間にした場合も同じ61.8℃となった。一方で、スルーホール1508とスルーホール1509の間に配置した場合に、64.9℃と温度が急激に変化した。これは、図15のICチップ1501で発生した熱がプリント配線板1302を介して放熱される際に、プリント配線板の表側の右方向への放熱経路がバイパス回路を設けるための領域によって途切れたためである。また、バイパス回路位置をスルーホール1509とスルーホール1510の間、スルーホール1510とスルーホール1511の間、スルーホール1511とスルーホール1512の間にすると、ICチップ温度が63.8℃、63.2℃、63.4℃となった。以上のICチップ温度のシミュレーション結果から、バイパス回路を放熱板が跨ぐように導体プレーンを分断して配置される場合に放熱特性の面で優位性があることがわかった。つまり、放熱板1321が導電性材料1520を介して導体プレーン1503の領域aと領域bそれぞれに接続された熱伝導経路が確保されている場合に優位である。
Claims (18)
- 負荷へ複数相の電力を供給する電力供給装置であって、
電源入力端子と、
前記電源入力端子の正極に接続された正幹線と、
前記電源入力端子の負極に接続された負幹線と、
第一のスイッチング回路と、
第二のスイッチング回路と、
前記正幹線と前記第一のスイッチング回路を、前記第二のスイッチング回路を経由せずに接続する第一の正配線と、
前記正幹線と前記第二のスイッチング回路を、前記第一のスイッチング回路を経由せずに接続する第二の正配線と、
前記第一の正配線と前記負幹線の間に設けられた第一のコンデンサと、
前記第二の正配線と前記負幹線の間に設けられた第二のコンデンサと、
前記第一の正配線と前記第二の正配線とを接続するバイパス回路と、を備え、
前記第一のスイッチング回路は、前記第一の正配線を介して前記第一のスイッチング回路へ供給された電圧を用いて前記複数相の電力のうちの第一の相の電力を出力し、
前記第二のスイッチング回路は、前記第二の正配線を介して前記第二のスイッチング回路へ供給された電圧を用いて前記複数相の電力のうちの第二の相の電力を出力する、
ことを特徴とする電力供給装置。 - 前記正幹線と前記負幹線の間には、前記第一のコンデンサおよび前記第二のコンデンサのいずれよりも容量が大きな第三のコンデンサが設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力供給装置。 - 前記第一のスイッチング回路及び前記第二のスイッチング回路はプリント配線板に実装されており、前記バイパス回路は前記プリント配線板に形成された導電路を含む、
ことを特徴とする請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の電力供給装置。 - 前記第一のスイッチング回路及び前記第二のスイッチング回路はプリント配線板に実装されており、前記バイパス回路は、前記プリント配線板に形成されたミアンダ形状の導電パターンを含む、
ことを特徴とする請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の電力供給装置。 - 前記第一のスイッチング回路及び前記第二のスイッチング回路はプリント配線板に実装されており、前記バイパス回路は、前記プリント配線板に実装されたチップ型素子を含む、
ことを特徴とする請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の電力供給装置。 - 前記第一の正配線と前記第二の正配線は、前記プリント配線板に対称に配置されている、
ことを特徴とする請求項4乃至6のうちのいずれか1項に記載の電力供給装置。 - 前記第一のスイッチング回路と前記第二のスイッチング回路は同一のICチップに設けられており、前記第一の正配線と前記第二の正配線は、前記ICチップに対して対称に配置されている、
ことを特徴とする請求項1乃至7のうちのいずれか1項に記載の電力供給装置。 - 前記第一のスイッチング回路と前記第二のスイッチング回路は同一のICチップに設けられ、
前記ICチップは、放熱板および導電性材料を介してプリント配線板に接合されており、
前記負幹線は、前記プリント配線板の前記ICチップが実装される面の、前記放熱板と対向する領域を含み、かつ、前記対向する領域より広い領域に設けられており、
前記バイパス回路は、前記プリント配線板の前記ICチップが実装される面の、前記放熱板と対向する領域に、前記負幹線を2つの領域に分断するように設けられ、
前記放熱板は、前記負幹線の分断された前記2つの領域と、前記導電性材料を介して接続されている、
ことを特徴とする請求項1乃至8のうちのいずれか1項に記載の電力供給装置。 - 前記ICチップの直下に前記バイパス回路が配置される、
ことを特徴とする請求項9に記載の電力供給装置。 - 前記放熱板が前記導電性材料を介して前記負幹線に接続される面積は、前記放熱板の前記電力供給装置に対向する面の面積の10%以上である、
ことを特徴とする請求項9に記載の電力供給装置。 - 前記ICチップを含むICパッケージは少なくとも2辺以上にリード端子群を備え、スタンドオフ高さを有する、
ことを特徴とする請求項9に記載の電力供給装置。 - 前記バイパス回路の配線の導体の厚さは前記負幹線の導体の厚さよりも薄い、
ことを特徴とする請求項9に記載の電力供給装置。 - 前記電力供給装置の前記ICパッケージが実装される面の、前記バイパス回路の上面および前記ICパッケージの外側にはソルダーレジストが設けられており、前記バイパス回路の上面に設けられた前記ソルダーレジストの厚さは、前記ICパッケージの外側に設けられたソルダーレジストよりも厚い、
ことを特徴とする請求項12に記載の電力供給装置。 - 画像を形成する画像形成部と、
記録媒体を搬送する搬送機構と、
を備える画像形成装置であって、
前記搬送機構は、モータによって駆動されるローラを備えており、
前記モータに電力を供給するドライバ回路は、
請求項1から14のいずれか1項に記載の電力供給装置を有する、
ことを特徴とする画像形成装置。 - トナー像を形成する画像形成部と、
記録媒体を搬送する搬送機構と、
前記搬送機構によって搬送された前記記録媒体に、前記トナー像を転写する転写部と、
前記転写部で転写された前記トナー像を、前記記録媒体に定着させる定着部と、
を備える画像形成装置であって、
前記画像形成部、前記搬送機構、前記転写部、前記定着部のそれぞれは、モータによって駆動されるローラを備えており、
前記モータに電力を供給するドライバ回路のうち少なくとも1つは、請求項1から14のいずれか1項に記載の電力供給装置を有する、
ことを特徴とする画像形成装置。 - 請求項1から14のいずれか1項に記載の電力供給装置がプリント回路板である、
ことを特徴とする電力供給装置。 - 請求項1から14のいずれか1項または請求項17に記載の電力供給装置と、
前記負荷としてのモータと、を備える、
ことを特徴とする電子機器。
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