JPH0962059A

JPH0962059A - 受動型電源装置

Info

Publication number: JPH0962059A
Application number: JP7212060A
Authority: JP
Inventors: Tsunehide Takahashi; 恒秀高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 1997-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性を向上し、低コスト、小型の受動型電
源装置を提供する。【解決手段】スコロトロン帯電器のグリッドからの電
流Ｉ_Gがグリッド端子Ｇ、ＰＴＣ特性を有する半導体チ
タン酸バリウム焼結体より成るセラミック素子８を介し
て接地端子ＧＮＤに出力される。セラミック素子８は正
の温度−抵抗値特性を有し、ヒータ７により加熱され
る。マイコン３は端子Ｇ、ＧＮＤ間の電圧又は電流が目
標値になるようにトランジスタ６をオン、オフすること
によりヒータ７の印加電流をオン、オフしてセラミック
素子８の抵抗値を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外部から電流を受
けて所定の電圧又は電流或いは抵抗値を発生させる受動
型電源装置に関し、例えば電子写真プロセスのスコロト
ロン帯電器のグリッド電源として好適な受動型電源装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電子写真プロセスのスコロトロ
ン帯電器は、高圧が印加されるワイヤと、このワイヤと
感光体の間に配置されるグリッドにより構成されてい
る。このような構成において、高圧がワイヤに印加され
るとコロナ放電により感光体が帯電され、また、この
時、グリッドからグリッド電源を介して接地側に電流が
流れる。そして、グリッド電圧はグリッド電源により、
電子写真装置の周囲の温度及び湿度、画像濃度等に応じ
て３００Ｖから９００Ｖまでの範囲で可変的に制御され
る。

【０００３】従来、この種のグリッド電源としては、例
えば特開平２−２７１３６９号公報に示すように昇圧ト
ランス、清流平滑回路、スイッチング回路を備えたスイ
ッチング電源が知られている。他の従来の電源として
は、例えば特開昭６３−４１８７５号公報に示すように
スコロトロン帯電器のグリッドと接地間に光トランジス
タを接続し、このトランジスタの受光量を制御すること
により目標のグリッド電圧を得る方法が記載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記前
者の電源装置では、スイッチング電源を用いるので電源
自体が高価、大型であり、また、低電圧を得るためには
出力インピーダンスを小さくする必要があるので電力損
失が大きいという問題点がある。また、上記後者の電源
装置では、高電圧を得るためにはグリッドと接地間に複
数の光トランジスタを直列に接続する必要があるので、
スコロトロン帯電器の主電源からのアーク放電や放電切
れによる高電圧により光トランジスタが破壊して信頼性
が低下するという問題点がある。また、これを防止する
ためには保護回路が必要になるので高価、大型化すると
いう問題点がある。

【０００５】本発明は上記従来の問題点に鑑み、信頼性
を向上し、低コスト、小型の受動型電源装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の手段は上記目的を
達成するために、外部からの電流を受けて目標電圧又は
目標電流を発生する受動型電源装置であって、ＰＴＣ特
性を有する半導体チタン酸バリウム焼結体より成り、前
記外部からの電流を受けるための電極を前記焼結体の両
端に備えたセラミック素子と、前記セラミック素子の両
端の電圧又は前記セラミック素子に流れる電流を検出す
る出力検出手段と、印加電流に応じて前記セラミック素
子を加熱する加熱手段と、目標電圧又は目標電流と前記
出力検出手段により検出された電圧又は電流の差に基づ
いて前記加熱手段の印加電流を制御する制御手段とを備
えたことを特徴とする。

【０００７】第２の手段は、第１の手段における前記制
御手段が、前記出力検出手段により検出された電圧が目
標電圧より大きい場合に前記印加電流を小さくし、目標
電圧より小さい場合に前記印加電流を大きくすることを
特徴とする。

【０００８】第３の手段は、第１の手段における前記制
御手段が、前記出力検出手段により検出された電流が目
標電流より大きい場合に前記印加電流を大きくし、目標
電流より小さい場合に前記印加電流を小さくすることを
特徴とする。

【０００９】第４の手段は、第１ないし第３の手段にお
ける前記制御手段が、前記加熱手段に直列に接続された
トランジスタを有し、目標電圧又は目標電流と前記出力
検出手段により検出された電圧又は電流の差に応じて前
記トランジスタをオン又はオフすることを特徴とする。

【００１０】第５の手段は、第４の手段における前記制
御手段が、目標電圧又は目標電流と前記出力検出手段に
より検出された電圧又は電流の差に応じた幅のパルスで
前記トランジスタをオン又はオフすることを特徴とす
る。

【００１１】第６の手段は、第１ないし第３の手段にお
ける前記制御手段が、前記加熱手段に直列に接続された
トランジスタを有し、目標電圧又は目標電流と前記出力
検出手段により検出された電圧又は電流の差に応じた電
流を前記トランジスタのベースまたはゲートに印加する
ことを特徴とする。

【００１２】第７の手段は、第１ないし第６の手段にお
ける前記制御手段が、外部から前記セラミック素子への
電流がない場合、又は前記出力検出手段により検出され
た電圧が下限電圧以下の場合、又は前記出力検出手段に
より検出された電流が上限電流以上の場合に前記加熱手
段の印加電流をオフにすることを特徴とする。

【００１３】第８の手段は、第１ないし第７の手段にお
ける前記制御手段が、前記出力検出手段により検出され
た電圧及び電流から抵抗値を算出し、この抵抗値と目標
電圧又は目標電流から比例積分演算し、演算結果に基づ
いて前記加熱手段の印加電流を制御することを特徴とす
る。

【００１４】なお、前記外部としては、例えば電子写真
装置のスコロトロン帯電器のグリッドが適用できる。こ
の場合には、スコロトロン帯電器の電源として信頼性の
向上を図り、低コストで小型の受動型の電源装置とする
ことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明に係る受動型
電源装置の一実施例を示す回路図、図２は図１のセラミ
ック素子の温度−抵抗値特性を示すグラフ、図３は定電
圧動作時のヒータオン／オフ制御サブルーチンを説明す
るためのフローチャート、図４は定電圧動作時のオンデ
ューティ制御サブルーチンを説明するためのフローチャ
ート、図５は定電流動作時のヒータオン／オフ制御サブ
ルーチンを説明するためのフローチャート、図６は異常
検出サブルーチンを説明するためのフローチャート、図
７は電子負荷モード時のオンデューティ制御サブルーチ
ンを説明するためのフローチャートである。

【００１６】図１は一例として電子写真プロセスのスコ
ロトロン帯電器のグリッド電源を示し、図示省略のグリ
ッドからの電流Ｉ_Gがグリッド端子Ｇを介して入力し、
ＰＴＣ特性を有する半導体チタン酸バリウム焼結体より
成るセラミック素子８を介して接地端子ＧＮＤに出力さ
れる。そして、この端子Ｇ、ＧＮＤ間の電圧又は電流が
目標値になるようにマイクロコンピュータ（以下、マイ
コン）３により制御される。直流電源１は５Ｖの直流電
圧をマイコン３に供給し、マイコン３はこの受動型電源
を制御すると共に、電子写真装置の他の部材を制御す
る。直流電源２は２４Ｖの直流電圧をヒータ７の一端に
供給する。

【００１７】マイコン３の出力ポートはバッファ４を介
してトランジスタ６のベースに接続され、トランジスタ
６のエミッタは接地（ＧＮＤ）側に、また、コレクタは
ヒータ７の他端に接続されている。ここで、マイコン３
に供給される直流電源１の電圧を共通にヒータ７に供給
するようにしてもよいが、電源１の変動を防止するため
には別の直流電源２を用いるほうが望ましい。また、ト
ランジスタ６としてＦＥＴ型を用いる場合には、ベース
をゲートに、コレクタをソースに、エミッタをドレイン
としてバッファ４を電圧供給型にすることにより実現す
ることができる。

【００１８】セラミック素子８はヒータ７により加熱さ
れて抵抗値が変化可能なようにヒータ７の近傍又は密着
して配置されている。セラミック素子８の両端には電極
８ａ、８ｂが形成され、電極８ａはグリッド端子Ｇと、
分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２より成る電圧検出回路９の一端に接
続されている。電極８ｂは電圧検出回路９の他端とマイ
コン３のＡ／Ｄ変換入力端子に接続されると共に、電流
検出用の抵抗１０を介して接地端子ＧＮＤに接続されて
いる。また、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点はマイコン３
のＡ／Ｄ変換入力端子に接続されている。なお、図１に
おいて破線で示すように構成部材６〜１０を含む回路１
１が電源部を構成し、他の構成部材１〜５が制御部と直
流電源を構成している。また、電圧検出回路９は定電圧
制御時に用いられ、抵抗１０は定電流制御時に用いられ
る。

【００１９】ここで、チタン酸バリウムはキュリー点以
下では強誘電体であり、室温では絶縁体であるが、希土
類元素やＢｉ、Ｎｄ、Ｓｂなどの酸化物を微量添加する
と半導体化し、図２に示すようにキュリー点以上の温度
では正の急峻な温度−抵抗値特性（ＰＴＣ特性：Positi
ve Temperature Coefficient）を呈する。本実施例では
セラミック素子８として、キュリー点が８０°Ｃ近傍の
Ｂａ_0.8Ｓｒ_0.2ＴｉＯ₃を用いた。ところで、このセ
ラミック素子８の電圧−電流特性は、ある電圧でブレー
クダウンを起こす（バリスタ電圧）ので、バリスタ電圧
が出力最大電圧以上になるようにセラミック素子８の構
造、添加材を調整する。なお、図２に示す特性と上記現
象については、「電子セラミックス」柳田博明、高田雄
介著、技報堂出版に記載されているので、ここではその
詳細な説明を省略する。

【００２０】本実施例のセラミック素子８は、図２に示
すように常温から約６０°Ｃまでは１ＫΩのオーダの抵
抗値を有し、約６０°Ｃからは抵抗値は急激に増加し、
約１００°Ｃでは１０ＭΩのオーダとなる。そこで、マ
イコン３の制御によりトランジスタ６がオンになってヒ
ータ７が発熱すると、セラミック素子８の抵抗値が高く
なり、電極８ａ、８ｂの電位が上がる。逆に、トランジ
スタ６がオフになってヒータ７の発熱が停止されるとセ
ラミック素子８の抵抗値が低くなり、電極８ａ、８ｂの
電位が下がる。

【００２１】また、セラミック素子８は放熱しやすい構
造であり、ヒータ７がオフになるとほぼ同時に室温まで
下がるように構成されている。但し、あまり熱時定数を
小さくすると制御リップルが大きくなるので、この問題
が発生しないような冷却構造で構成するか、又は出力側
にコンデンサを挿入するようにしてもよい。本実施例で
は、画像にリップルの影響が出ない限度の時定数として
約５ｍＳとなる構造とした。

【００２２】ここで、グリッド電圧は電子写真装置の周
囲の温度及び湿度、画像濃度等に応じて３００Ｖから９
００Ｖまでの範囲で可変的に制御され、その目標値はマ
イコン３内のプログラムにより指定される。そして、定
電圧制御時には実際の出力電圧が電圧検出回路９を介し
てマイコン３に取り込まれてＡ／Ｄ変換され、以下のよ
うな制御を行う。この場合、グリッド電源は負の極性で
あるので、出力電圧は極性反転回路５を介して取り込ま
れる。また、定電流制御時には出力電流が抵抗１０を介
して取り込まれる。なお、制御方法としては、電圧制
御、電流制御の他に、電圧制御としてはオン、オフ制
御、ＰＷＭ制御を用いることができる。

【００２３】次に、図３を参照して定電圧動作時のヒー
タオン／オフ制御サブルーチンＧＯＮＶを説明する。こ
のサブルーチンＧＯＮＶではグリッド電圧の目標値と検
出電圧を比較し（ステップＳ１）、目標値＞検出電圧の
場合にはヒータフラグＦＨＧを１にセットし（ステップ
Ｓ３）、他方、目標値＞検出電圧でない場合にはヒータ
フラグＦＨＧを０にリセットする（ステップＳ２）。そ
して、ヒータフラグＦＨＧが１の場合にはトランジスタ
６をオンにすることにより、セラミック素子８を加熱し
て抵抗値を上げ、出力電圧を上げる。他方、ヒータフラ
グＦＨＧが０の場合にはトランジスタ６をオフにするこ
とにより、セラミック素子８を放熱させて抵抗値を下
げ、出力電圧を下げる。

【００２４】次に、図４を参照して定電圧動作時のオン
デューティ制御サブルーチンＧＰＷＭを説明する。この
サブルーチンＧＰＷＭでは目標値と検出電圧から比例積
分（ＰＩ）演算することによりヒータ７のオンデューテ
ィ時間を求め（ステップＳ１１）、この時間をマイコン
３内のタイマＧＰＷにセットする（ステップＳ１２）。
そして、ＰＷＭ制御を行う場合には、タイマＧＰＷにセ
ットされた時間の間トランジスタ６をオンにすることに
よりセラミック素子８の抵抗値を目標値に制御する。

【００２５】次に、図５を参照して定電流動作時のヒー
タオン／オフ制御サブルーチンＧＯＮＩを説明する。こ
のサブルーチンＧＯＮＩではグリッド電流の目標値と検
出電流を比較し（ステップＳ２１）、目標値＞検出電流
の場合にはヒータフラグＦＨＧを０にリセットし（ステ
ップＳ２３）、他方、目標値＞検出電流でない場合には
ヒータフラグＦＨＧを１にセットする（ステップＳ２
２）。

【００２６】次に、図６を参照して異常検出サブルーチ
ンＡＢＮＧを説明する。検出電圧とその下限電圧ＶＡＢ
Ｎを比較し（ステップＳ３１）、ＶＡＢＮ＞検出電圧の
場合にヒータフラグＦＨＧを０にリセットする（ステッ
プＳ３２）。次いで検出電流とその下限電流ＩＡＢＮを
比較し（ステップＳ３３）、ＩＡＢＮ＞検出電流でない
場合にヒータフラグＦＨＧを０にリセットする（ステッ
プＳ３４）。

【００２７】次に、図７を参照して電子負荷モード時の
オンデューティ制御サブルーチンを説明する。先ず、検
出電圧と検出電流からセラミック素子８の抵抗値Ｒを算
出し（ステップＳ４１）、次いで抵抗値Ｒとその目標値
からＰ１演算することによりヒータ７のオンデューティ
時間を求め（ステップＳ４２）、この時間をマイコン３
内のタイマＧＰＷにセットする（ステップＳ４３）。

【００２８】次に、図８を参照して第２の実施例を説明
する。上記実施例ではヒータのオン／オフ及びＰＷＭ制
御時のオン時間を制御、すなわちデジタルで制御するよ
うに構成されているが、この第２の実施例ではアナログ
で制御するように構成されている。図８において演算増
幅器２１の非反転入力端子（＋）には目標電圧が印加さ
れ、反転入力端子（−）には電圧検出回路９の出力電圧
が２４Ｖ電源と抵抗２０を介して加算的に印加される。
この差は演算増幅器２１の出力端子からトランジスタ６
のベースに印加され、したがって、目標電圧と検出電圧
の差に応じてヒータ７の印加電流が制御され、セラミッ
ク素子８の抵抗値が可変的に制御され、出力電圧が目標
値に制御される。

【００２９】したがって、上記実施例によれば、高電圧
に耐圧に優れたセラミック素子８を外部から容易に制御
して、高電圧の受動型電源或いは高電圧の電子負荷を実
現することができる。また、セラミック素子８は常温で
は低抵抗で安定し、８０°Ｃ前後でＰＴＣ特性を有する
ので、特別な冷却素子も不要である。また、１００°Ｃ
前後では高抵抗で安定するので、火災等の危険が発生す
る温度まで加熱する必要もなく、簡単な構成で安全を確
保することができる。更に、セラミック素子８は焼結体
であるので、安価である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、ＰＴＣ特性を有する半導体チタン酸バリウム
焼結体より成り、外部からの電流を受けるための電極を
焼結体の両端に備えたセラミック素子を加熱して抵抗値
を変化させることにより目標電圧又は目標電流を発生す
るので、従来例のスイッチング電源や光トランジスタを
用いた電源に比べて信頼性を向上し、低コスト、小型の
受動型電源装置を実現することができる。

【００３１】請求項２記載の発明によれば、検出電圧が
目標電圧より大きい場合に加熱量を小さくしてセラミッ
ク素子を比較的低い抵抗値にし、目標電圧より小さい場
合に加熱量を大きくしてセラミック素子を比較的高い抵
抗値にするので、制御を簡単にすることができる。

【００３２】請求項３記載の発明によれば、検出電流が
目標電流より大きい場合に加熱量を大きくしてセラミッ
ク素子を比較的高い抵抗値にし、目標電流より小さい場
合に加熱量を小さくしてセラミック素子を比較的低い抵
抗値にするので、制御を簡単にすることができる。

【００３３】請求項４記載の発明によれば、目標電圧又
は目標電流と検出電圧又は検出電流の差に応じてトラン
ジスタをオン又はオフするので、トランジスタの損失を
防止することができ、また、構成を簡単にすることがで
きる。

【００３４】請求項５記載の発明によれば、目標電圧又
は目標電流と検出電圧又は検出電流の差に応じた幅のパ
ルスでトランジスタをオン又はオフするので、オーバシ
ュートやリップルが発生することなく高精度で制御する
ことができる。

【００３５】請求項６記載の発明によれば、目標電圧又
は目標電流と検出電圧又は検出電流の差に応じた電流を
トランジスタのベースまたはゲートに印加するので、オ
ーバシュートやリップルが発生することなく高精度で制
御することができる。

【００３６】請求項７記載の発明によれば、外部からセ
ラミック素子への電流がない場合、検出電圧が下限電圧
以下の場合、検出電流が上限電流以上の場合に加熱手段
の印加電流をオフにするので、異常加熱による発煙や発
火を防止することができる。

【００３７】請求項８記載の発明によれば、検出電圧及
び電流から抵抗値を算出し、この抵抗値と目標電圧又は
目標電流から比例積分演算し、演算結果に基づいて加熱
手段の印加電流を制御するので、高精度で制御すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る受動型電源装置の一実施例を示す
回路図である。

【図２】図１のセラミック素子の温度−抵抗値特性を示
すグラフである。

【図３】定電圧動作時のヒータオン／オフ制御サブルー
チンを説明するためのフローチャートである。

【図４】定電圧動作時のオンデューティ制御サブルーチ
ンを説明するためのフローチャートである。

【図５】定電流動作時のヒータオン／オフ制御サブルー
チンを説明するためのフローチャートである。

【図６】異常検出サブルーチンを説明するためのフロー
チャートである。

【図７】電子負荷モード時のオンデューティ制御サブル
ーチンを説明するためのフローチャートである。

【図８】アナログ制御方式の受動型電源装置の実施例を
示す回路図である。

【符号の説明】

３マイクロコンピュータ６トランジスタ７ヒータ８セラミック素子９出力電圧検出回路１０出力電流検出用抵抗２１演算増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部からの電流を受けて目標電圧又は目
標電流を発生する受動型電源装置であって、ＰＴＣ特性を有する半導体チタン酸バリウム焼結体より
成り、前記外部からの電流を受けるための電極を前記焼
結体の両端に備えたセラミック素子と、前記セラミック素子の両端の電圧又は前記セラミック素
子に流れる電流を検出する出力検出手段と、印加電流に応じて前記セラミック素子を加熱する加熱手
段と、目標電圧又は目標電流と前記出力検出手段により検出さ
れた電圧又は電流の差に基づいて前記加熱手段の印加電
流を制御する制御手段と、を備えた受動型電源装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記出力検出手段によ
り検出された電圧が目標電圧より大きい場合に前記印加
電流を小さくし、目標電圧より小さい場合に前記印加電
流を大きくすることを特徴とする請求項１記載の受動型
電源装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記出力検出手段によ
り検出された電流が目標電流より大きい場合に前記印加
電流を大きくし、目標電流より小さい場合に前記印加電
流を小さくすることを特徴とする請求項１記載の受動型
電源装置。
【請求項４】前記制御手段は、前記加熱手段に直列に
接続されたトランジスタを有し、目標電圧又は目標電流
と前記出力検出手段により検出された電圧又は電流の差
に応じて前記トランジスタをオン又はオフすることを特
徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の受動型電
源装置。
【請求項５】前記制御手段は、目標電圧又は目標電流
と前記出力検出手段により検出された電圧又は電流の差
に応じた幅のパルスで前記トランジスタをオン又はオフ
することを特徴とする請求項４記載の受動型電源装置。
【請求項６】前記制御手段は、前記加熱手段に直列に
接続されたトランジスタを有し、目標電圧又は目標電流
と前記出力検出手段により検出された電圧又は電流の差
に応じた電流を前記トランジスタのベースまたはゲート
に印加することを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載の受動型電源装置。
【請求項７】前記制御手段は、外部から前記セラミッ
ク素子への電流がない場合、又は前記出力検出手段によ
り検出された電圧が下限電圧以下の場合、又は前記出力
検出手段により検出された電流が上限電流以上の場合に
前記加熱手段の印加電流をオフにすることを特徴とする
請求項１ないし６のいずれかに記載の受動型電源装置。
【請求項８】前記制御手段は、前記出力検出手段によ
り検出された電圧及び電流から抵抗値を算出し、この抵
抗値と目標電圧又は目標電流から比例積分演算し、演算
結果に基づいて前記加熱手段の印加電流を制御すること
を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の受動
型電源装置。