KR20140017450A - 전원 장치, 화상 형성 장치 및 집적 회로 - Google Patents

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Abstract

전원 장치는 압전 트랜스포머의 출력 전압의 피드백 제어를 행하기 위하여, 압전 트랜스포머의 출력 전압을 검출하고, 검출된 출력 전압과 미리 설정된 목표 전압에 기초하여 압전 트랜스포머를 구동하는 펄스 신호의 주파수를 제어하도록 구성되고, 피드백 제어를 행할 때의 이득은 목표 전압에 따라 스위칭된다.

Description

전원 장치, 화상 형성 장치 및 집적 회로 {POWER SUPPLY APPARATUS, IMAGE FORMING APPARATUS, AND INTEGRATED CIRCUIT}
본 발명은, 전원 장치, 화상 형성 장치 및 집적 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 압전 트랜스포머를 이용한 고전압 전원에 관한 것이다.
통상적으로, 복사기, 프린터 또는 팩시밀리와 같은, 전자 사진 방식을 이용한 화상 형성 장치가 알려져 있다. 전자 사진 방식을 이용한 화상 형성 장치는, 현상제로서의 역할을 하는 토너를 이용해서 화상 담지 부재에 형성된 잠상을 현상하는 현상 부재, 화상 담지 부재를 균등하게 대전하는 대전 부재, 및 화상 담지 부재에 형성된 토너 화상을 기록재에 전사하는 전사 부재를 포함한다. 고전압이 현상 부재, 대전 부재 및 전사 부재에 인가되어 화상 형성을 행한다. 복수의 부재에 대하여 고전압을 출력하는 고전압 전원으로서의 역할을 하는 고전압 전원 장치의 사이즈 및 무게를 줄이는 관점으로부터, 얇고 가벼운, 높은 파워의 압전 트랜스포머를 이용해서 고전압을 발생시키는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허 출원 공보 제2011-250549호). 세라믹으로 이루어진 압전 트랜스포머를 이용한 전원 장치는, 전자기 트랜스포머보다 높은 효율로 고전압을 생성할 수 있고, 또한 1차측 전극과 2차측 전극 사이의 거리를 증가시킬 수 있다. 또한, 특별히 절연용 몰딩이 불필요하므로, 화상 형성 장치가 컴팩트하고 가볍게 제조될 수 있다.
도 5a는, 압전 트랜스포머를 이용한 통상적인 고전압 전원 장치의 개략도이다. 유의할 것은, 후술하는 실시예에서 설명하는 고전압 전원 장치에서와 같은 참조 부호는 동일한 부분을 나타내고, 상세한 설명은 실시예에서 설명된다는 것이다. 압전 트랜스포머(101)는 일반적으로 도 5b에 나타낸 바와 같이, 공진 주파수 F0에서 출력 전압이 최대화되도록 연장되는 말단(tail)을 갖는 특성을 가지므로, 주파수를 이용한 전압 제어가 가능하다. 도 5b의 그래프는 횡축을 따라 압전 트랜스포머(101)의 구동 주파수(Hz)를 그리고 종축을 따라 출력 전압(V)을 그린다. 유의할 것은, 주파수와 출력 전압 사이의 관계의 특징으로서, 공진 주파수 F0에서 출력 전압이 최대화되고, 주파수가 공진 주파수 F0보다 높거나 낮게 될 때 출력 전압이 저하된다는 것이다. 일본 특허 출원 공보 제2011-250549호에 설명된 고전압 전원 장치에서는, 주파수 생성 블록(2015)이 최초에 공진 주파수 F0보다 훨씬 높은 주파수 Fmax의 펄스 신호를 출력한다. 그 후, 주파수 Fmax와 공진 주파수 F0 사이에서 압전 트랜스포머(101)의 주파수가 변화되어, 출력 전압을 제어한다. 즉, 압전 트랜스포머(101)의 출력 전압은 보다 높은 측으로부터 보다 낮은 측으로 주파수를 변화시킴으로써 증가될 수 있다. 따라서, 고전압 제어 유닛(201)은, 주파수 생성 블록(2015)의 펄스 신호의 주파수를 증가 또는 감소시켜, 출력 단자 Vout의 전압을 목표 전압으로 제어한다.
그러나, 통상적인 디지털 제어 회로 구성은, 주파수 생성 블록(2015)이 일반적인 디지털 카운터 회로(예를 들면, 일본 특허 출원 공보 제2009-038892호)를 사용하므로, 이하의 문제점을 갖는다. 제어 계산 블록(2014)은, 차분 계산 블록(2013)으로부터의 차분 계산 결과에 기초하여 미리 정해진 식을 이용하여 계산을 실행하고, 후단에 있는 디지털 카운터 회로인 주파수 생성 블록(2015)으로 미리 설정된 값을 출력한다. 디지털 카운터 회로로 형성된 주파수 생성 블록(2015)은 입력된 미리 설정된 값에 따라 펄스 신호를 생성한다. 즉, 주파수 생성 블록(2015)은, 미리 설정된 값에 따라 펄스 신호의 주파수를 증가 또는 감소시키도록 구성된다. 이 때문에, 주파수와 출력 전압 사이의 관계로서 도 5b에 나타낸 바와 같이, 비선형 특성을 나타내는 압전 트랜스포머(101)에 대한 주파수 제어가 행해지면, 미리 설정된 값과 출력 전압 사이의 관계는 도 5c에 나타낸 바와 같이 비선형 특성에 의해 나타내어진다. 보다 구체적으로, 압전 트랜스포머(101)가 공진 주파수 F0 부근에서 제어되는 경우, 출력 전압은 주파수에 대하여 급경사 특성을 나타낸다. 따라서, 미리 설정된 값에 대하여 출력 전압은 급경사 특성을 나타낸다. 한편, 압전 트랜스포머(101)가 공진 주파수 F0보다 훨씬 더 높은 주파수에서 제어되는 경우, 출력 전압은 주파수에 대하여 완만한 특성을 나타낸다. 따라서, 출력 전압은 미리 설정된 값에 대하여 완만한 특성을 나타낸다. 이 때문에, 디지털 카운터 회로로 형성된 주파수 생성 블록(2015)이 압전 트랜스포머(101)의 주파수 제어를 행하는 경우, 도 5c에 나타낸 바와 같이, 미리 설정된 값(횡축)과 출력 전압(종축)은 비선형 관계를 갖는다.
압전 트랜스포머(101)를 이용한 고전압 전원 장치가 저전압을 출력하기 위해 사용되는 경우, 차분 계산 블록(2013)의 차분 계산 결과가 작게 되고, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값의 증가량도 작아진다. 따라서, 목표 전압까지 미리 설정된 값이 다수회 증가되어, 긴 상승 시간을 야기한다. 이 문제를 해결하기 위하여, 예를 들면, 일본 특허 출원 공보 제2007-189880호에 설명된 고전압 전원 장치와 같이, 출력 단자 Vout의 전압에 따라 제어 이득을 스위칭함으로써 상승 시간이 단축될 수 있다. 그러나, 이러한 기술로 엔진 컨트롤러(501)의 시스템이 복잡하게 된다. 보다 구체적으로, 고전압 제어 유닛(201)에서, 출력 단자 Vout의 전압을 메모리 유닛(2011)의 출력 전압 레지스터(2022)에 순차적으로 저장하고, 출력 전압 레지스터(2022)의 정보를 CPU(301)에 송신하는 동작 횟수가 증가한다. CPU(301)에서, 순차적으로 송신되는 출력 전압 레지스터(2022)의 정보에 기초하여 제어 이득을 결정하고, 메모리 유닛(2011)에 이득을 저장하는 동작의 횟수가 증가한다. 이 때문에, 고전압 전원 장치를 제어하는 시스템이 복잡하게 되어, 예를 들어 개발 비용과 엔진 컨트롤러(501)의 비용의 증가를 야기한다. 또한, 예를 들면 일본 특허 출원 공보 제2007-189880호에 설명된 고전압 전원 장치에서는, 화상 형성 동작 중에 순간적인 부하 변동 등에 의해 압전 트랜스포머(101)의 출력이 변하고, 제어 이득이 스위칭되면, 안정된 출력 전압을 얻을 수 없다. 이는 형성되는 화상의 품질의 저하로 귀결될 수 있다.
화상 형성 동작의 고속화와 화질에 미치는 영향은 통상적인 화상 형성 장치의 성능에 대한 요건을 충분히 만족시킨다. 그러나, 최근 화상 형성 장치는 높은 품질 및 고속화를 특히 필요로 한다. 또한, 압전 트랜스포머를 채용한 고전압 전원 장치에서 목표 전압이 낮은 경우에도 신속하게 목표 전압을 출력하기 위한 요구가 있다. 이에 대응하기 위해서, 출력 전압을 안정화하고 광범위한 범위에서 전압을 제어할 때 신속하게 목표 전압을 출력하는 것이 필요하다.
전술한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은, 압전 트랜스포머를 이용한 전원 장치에 있어서 전원 장치의 출력을 안정되게 취득하고 목표 전압까지의 상승 시간을 단축하는 것을 가능하게 한다.
(1) 본 발명은 전원 장치로서, 압전 트랜스포머; 상기 압전 트랜스포머를 구동하기 위한 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성 유닛, 상기 압전 트랜스포머의 출력 전압을 검출하도록 구성된 검출 유닛, 및 상기 검출 유닛에 의해 검출된 출력 전압에 대응하는 피드백 신호와 목표 전압에 대응하는 목표 전압 신호에 기초하여, 피드백 제어에 의해 상기 신호 생성 유닛으로부터의 신호의 주파수를 결정하도록 구성된 주파수 결정 유닛을 포함하고, 상기 주파수 결정 유닛은 상기 목표 전압 신호에 대응해서 스위칭된 피드백 신호의 이득에 기초하여 상기 신호의 주파수를 결정하는 전원 장치를 제공한다.
(2) 또한, 본 발명은 화상 형성 장치로서, 화상 형성 유닛, 및 상기 화상 형성 유닛으로 고전압을 공급하도록 구성된 전원을 포함하고, 상기 전원은 압전 트랜스포머, 상기 압전 트랜스포머를 구동하기 위한 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성 유닛, 상기 압전 트랜스포머의 출력 전압을 검출하도록 구성된 검출 유닛, 및 상기 검출 유닛에 의해 검출된 출력 전압에 대응하는 피드백 신호와 목표 전압에 대응하는 목표 전압 신호에 기초하여, 피드백 제어에 의해 상기 신호 생성 유닛으로부터의 신호의 주파수를 결정하도록 구성된 주파수 결정 유닛을 포함하고, 상기 주파수 결정 유닛은 상기 목표 전압 신호에 대응해서 스위칭된 피드백 신호의 이득에 기초하여 상기 신호의 주파수를 결정하는 화상 형성 장치를 제공한다.
(3) 또한, 본 발명은 압전 트랜스포머를 포함하는 전원 장치의 동작을 제어하기 위한 집적 회로로서, 상기 압전 트랜스포머를 구동하기 위한 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성 유닛; 및 상기 압전 트랜스포머의 출력 전압에 대응하는 피드백 신호와 목표 전압에 대응하는 목표 전압 신호에 기초하여 피드백 제어에 의해 상기 신호 생성 유닛으로부터의 신호의 주파수를 결정하도록 구성된 주파수 결정 유닛을 포함하고, 상기 주파수 결정 유닛은 상기 목표 전압 신호에 대응하여 스위칭된 피드백 신호의 이득에 기초하여 상기 신호의 주파수를 결정하는 집적 회로를 제공한다.
본 발명의 추가적인 특징은 첨부 도면을 참조하여 실시예의 후술하는 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1a는 제1 및 제2 실시예의 화상 형성 장치의 단면을 나타내는 도면.
도 1b는 제1 및 제2 실시예에 따른 고전압 전원 장치의 적용예를 나타내는 화상 형성 장치의 구성 블록을 나타내는 블록도.
도 2는 제1 실시예에 따른 고전압 전원 장치의 회로 구성을 나타내는 블록도.
도 3a는 제1 실시예에 따른 주파수 생성기 블록의 구성을 나타내는 블록도.
도 3b는 제어 이득 파라미터 그룹을 설정하는 데 사용되는 테이블을 나타내는 도면.
도 4a는 제1 실시예에 따른 고전압 전원 장치의 회로 구성의 변형을 나타내는 블록도.
도 4b는 제2 실시예에 따른 고전압 전원 장치의 회로 구성을 나타내는 블록도.
도 5a는 통상적인 고전압 전원 장치의 회로 구성을 나타내는 블록도.
도 5b는 압전 트랜스포머의 구동 주파수 대 출력 전압의 특성을 나타내는 그래프.
도 5c는 미리 설정된 값과 출력 전압 사이의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 첨부 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
이하, 본 발명의 구성 및 동작에 대해서 설명한다. 유의할 것은, 후술하는 실시예는 본 발명의 기술적 범위를 한정하려는 것이 아니며 단지 예일 뿐이라는 것이다. 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 실시예를 상세하게 설명한다.
(제1 실시예)
화상 형성 장치
제1 실시예에 따른 화상 형성 장치에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 고전압 전원 장치가 화상 형성 장치로서의 역할을 하는 컬러 레이저 프린터에 적용되는 예를 설명한다. 도 1a는 본 실시예에 따른 화상 형성 장치로서의 역할을 하는 컬러 레이저 프린터의 개략 단면도이다. 레이저빔 프린터(10)는 (도시되지 않은) 트레이에 저장된 기록 시트(11)(기록 매체)를 픽업하는 픽업 롤러(12), 및 픽업 롤러(12)에 의해 픽업된 기록 시트(11)를 반송하는 급지 롤러(13)를 포함한다. 급지 롤러(13)의 기록 시트(11)의 반송 방향에서 하류에는, 2차 전사 유닛(26)과 중간 전사 벨트(24)가 제공된다. 컬러 화상을 형성하기 위해, 2차 전사 유닛(26)이 중간 전사 벨트(24)로 전사된 토너 화상(현상제 화상)을 급지 롤러(13)에 의해 급지된 기록 시트(11)로 전사한다. 토너 화상은 화상 형성 유닛에 의해 형성된다.
화상 형성 유닛은, 각각 정전 잠상이 형성되는 화상 담지 부재로서의 역할을 하는 감광 드럼(21a 내지 21d)과, 감광 드럼(21a 내지 21d)을 균등하게 대전하는 대전 유닛(22a 내지 22d)을 각각 포함한다. 또한, 화상 형성 유닛은 감광 드럼(21a 내지 21d)에 형성된 정전 잠상을 토너로 현상하는 현상 유닛(23a 내지 23d)과, 감광 드럼(21a 내지 21d)에 현상된 토너 화상을 중간 전사 벨트(24)로 전사하는 1차 전사 유닛(25a 내지 25d)을 포함한다. 유의할 것은, 화상 형성 유닛의 부호 a 내지 d는 예를 들면 옐로, 마젠타, 시안 및 블랙을 나타내고, 이하 필요할 경우를 제외하고는 생략한다는 것이다. 기록 시트(11)의 반송 방향에서의 하류에는, 기록 시트(11)로 전사된 토너 화상을 열정착하기 위해 히터와 가압 롤러를 통합하는 정착 유닛(27)이 제공된다. 유의할 것은, 본 실시예의 전원 장치를 포함하는 화상 형성 장치는 전술한 구성을 갖는 화상 형성 장치에 한정되지 않는다는 것이다.
고전압 전원 장치 및 부하
도 1b는 레이저빔 프린터(10)에 제공되는 복수의 고전압 전원 장치, 고전압이 인가되는 부하인 대전 유닛(22), 현상 유닛(23), 1차 전사 유닛(25) 및 2차 전사 유닛(26)의 구성 블록을 나타내는 블록도이다. 유의할 것은, 도 1b에 나타내는 부하는 도 1a에 나타내는 구성을 갖는 화상 형성 장치에 대응한다는 것이다. 다른 구성을 갖는 화상 형성 장치에 본 실시예에 따른 전원 장치를 적용하는 경우에는, 그 화상 형성 장치에 대응하는 부하에 전압이 인가된다.
엔진 컨트롤러(501)는 CPU(301), 고전압 제어 유닛(201a 내지 201d)을 포함한다. 화상 형성의 각 프로세스를 행하기 위해, 고전압 전원 장치로부터 대전 유닛(22), 현상 유닛(23), 1차 전사 유닛(25) 및 2차 전사 유닛(26)으로 미리 정해진 고전압을 인가할 필요가 있다. 고전압 제어 유닛(201a)은 대전 유닛(22)에 인가된 고전압을 전압 검출 회로(108a)(후술하는 도 2 참조, 이하 동일한 것이 적용됨)가 검출하게 하고, 검출된 전압이 CPU(301)에 의해 설정된 목표 전압과 동등하게 되도록 부스터 회로(114a)를 제어한다. 고전압 제어 유닛(201b)은, 현상 유닛(23)에 인가된 고전압을 전압 검출 회로(108b)가 검출하게 하고, 검출된 전압이 CPU(301)에 의해 설정된 목표 전압과 동등하게 되도록 부스터 회로(114b)를 제어한다. 고전압 제어 유닛(201c)은 1차 전사 유닛(25)에 인가된 고전압을 전압 검출 회로(108c)가 검출하게 하고, 검출된 전압이 CPU(301)에 의해 설정된 목표 전압과 동등하게 되도록 부스터 회로(114c)를 제어한다. 고전압 제어 유닛(201d)은 2차 전사 유닛(26)에 인가된 고전압을 전압 검출 회로(108d)가 검출하게 하고, 검출된 전압이 CPU(301)에 의해 설정된 목표 전압과 동등하게 되도록 부스터 회로(114d)를 제어한다.
고전압 전원 장치의 구성
본 실시예에 따른 고전압 전원 장치의 구성에 대해서 상세하게 설명한다. 본 실시예의 특징적인 특성으로서, 압전 트랜스포머(101)를 이용한 고전압 전원 장치에 있어서, 목표 전압에 따라 제어 이득이 스위칭된다. 도 2는 본 실시예에 따른 고전압 전원 장치를 나타내는 블록도이다. 고전압 전원 장치는 부스터 회로(114), 전압 검출 회로(108)(검출 수단) 및 엔진 컨트롤러(501)를 포함한다. 부스터 회로(114)는 도 1b를 참조하여 설명된 부스터 회로(114a 내지 114d)에 대응하고, 전압 검출 회로(108)는 또한 도 1b를 참조하여 설명된 전압 검출 회로(108a 내지 108d)에 대응한다. 부스터 회로(114)는 압전 트랜스포머(101), 정류 다이오드(102, 103), 정류 커패시터(104), 전계 효과 트랜지스터(111), 전압 공진 인덕터(112) 및 전압 공진 커패시터(113)를 포함한다. 전계 효과 트랜지스터(111)는 후술하는 고전압 제어 유닛(201)으로부터 공급된 펄스 신호에 기초하여 스위칭 동작을 행한다. 인덕터(112) 및 커패시터(113)로 형성된 LC 공진 회로는 펄스 신호를 증폭한다. 압전 트랜스포머(101)는 그 1차측 단자에 공급된 펄스 신호에 따라 진동하고, 그 2차측 단자에서 압전 트랜스포머(101)의 사이즈에 대응하는 승압비로 증폭된 AC 전압을 생성한다.
압전 트랜스포머(101)의 후단에는 정류 회로가 접속된다. 즉, 압전 트랜스포머(101)의 2차측 단자는 다이오드(102)의 캐소드 단자와 다이오드(103)의 애노드 단자에 접속된다. 커패시터(104)의 일 단자는 다이오드(103)의 캐소드 단자에 접속되고, 또한 출력 단자 Vout에 접속된다. 커패시터(104)의 다른 단자는 다이오드(102)의 애노드 단자에 접속되고, 또한 접지된다. 다이오드(102, 103) 및 커패시터(104)는 정류 회로를 형성한다. 따라서, 압전 트랜스포머(101)의 2차측 단자로부터 출력된 AC 전압은 정류 회로에 의해 양(positive)전압으로 정류 및 평활화되어, 출력 단자 Vout으로부터 부하(미도시)로 공급된다.
전압 검출 회로(108)는 저항(105, 106, 107)을 포함한다. 출력 단자 Vout의 전압은, 전압 검출 회로(108)에 의해 분압되어, 분압된 전압은 후술하는 고전압 제어 유닛(201)의 A/D 컨버터(2012)로 입력된다.
엔진 컨트롤러(501)는 고전압 제어 유닛(201)(제어 수단), CPU(301) 및 클럭 생성 유닛(401)을 포함한다. 고전압 제어 유닛(201)은 도 1b를 참조하여 설명한 고전압 제어 유닛(201a 내지 201d)에 대응하며, 출력 단자 Vout의 전압의 정전압 제어를 행한다. CPU(301)는 고전압 제어 유닛(201)에 목표 전압을 설정한다. 클럭 생성 유닛(401)은 고전압 제어 유닛(201) 및 CPU(301)로 클럭을 공급한다.
고전압 전원 장치의 제어 동작
다음으로, 도 2에 나타낸 고전압 전원 장치의 제어 동작에 대해서 설명한다. 고전압 제어 유닛(201)은 휘발성 메모리인 메모리 유닛(2011)(메모리 수단), A/D 컨버터(2012), 차분 계산 블록(2013), 제어 계산 블록(2014) 및 디지털 카운터 회로를 이용한 주파수 생성 블록(2015)을 포함한다. 메모리 유닛(2011)은 목표값 설정 블록(2021), 출력 전압 레지스터(2022) 및 이득 설정 레지스터(2023)를 포함한다. 본 실시예에 따른 고전압 전원 장치는, 메모리 유닛(2011)이 이득 설정 레지스터(2023)를 포함한다는 점에서 도 5a에 나타낸 통상적인 고전압 전원 장치와 다르다.
A/D 컨버터(2012)로 입력된 출력 단자 Vout의 출력은, 디지털 변환되고 메모리 유닛(2011)의 출력 전압 레지스터(2022)에 저장된다. 목표 전압은 CPU(301)로부터 메모리 유닛(2011)의 목표값 설정 블록(2021)과 이득 설정 레지스터(2023)에 저장된다. 차분 계산 블록(2013)은 출력 전압 레지스터(2022)와 목표값 설정 블록(2021)에 저장된 값들 사이의 차분을 계산하고, 제어 계산 블록(2014)으로 이를 출력한다.
제어 계산 블록(2014)은 차분 계산 블록(2013)의 차분 계산 결과에 기초해서 PID(proportional-integral-derivative) 제어를 행하고, 주파수 생성 블록(2015)에 의해 생성되는 펄스 신호의 주파수를 결정하기 위한 값인 미리 설정된 값을 계산하고, 주파수 생성 블록(2015)으로 미리 설정된 값을 출력한다. 제어 계산 블록(2014)으로부터 입력되는 주파수 제어용의 미리 설정된 값이 작아지면, 주파수 생성 블록(2015)은 펄스 신호의 주파수를 높인다. 한편, 제어 계산 블록(2014)으로부터 입력되는 주파수 제어용의 미리 설정된 값이 커지면, 주파수 생성 블록(2015)은 펄스 신호의 주파수를 낮춘다.
주파수 생성 블록
다음으로, 주파수 생성 블록(2015)의 구성 및 동작에 대해서 도 3a를 참조하여 상세하게 설명한다. 주파수 생성 블록(2015)은 N-비트 프로그램가능 카운터(20151), 1-비트 카운터(20153) 및 AND 게이트(20154)를 포함한다.
클럭 생성 유닛(401)은 N-비트 프로그램가능 카운터(20151)(이하, N-비트 카운터(20151)라고 칭함)로 입력 펄스(예를 들면, 수 MHz의 클럭)를 공급한다. N-비트 카운터(20151)는 입력 펄스가 하이(이하, H라고 칭함)로 갈 때마다 카운트 값을 1씩 증가시켜 카운트를 행한다. 또한, 전술한 카운트 값이 제어 계산 블록(2014)으로부터 입력되는 미리 설정된 값과 일치하면, N-비트 카운터(20151)의 출력이 반전되고, 전술한 카운트 값은 제로(0)로 클리어된다. N-비트 카운터(20151)의 출력은, 후술하는 1-비트 카운터(20153)로 출력된다. 유의할 것은, 리셋 단자 RESET으로 리셋 신호로서의 역할을 하는 로우 레벨(이하, L이라고 칭함) 신호가 입력되면, N-비트 카운터(20151)는 리셋되고, 카운트 값은 제로(0)로 된다. N-비트 카운터(20151)로 입력되는 리셋 신호는 CPU(301)로부터 공급된다.
1-비트 카운터(20153)는 N-비트 카운터(20151)로부터의 출력 신호가 H 신호로 변할 때마다 출력 전압을 반전시키고; N-비트 카운터(20151)를 통해 입력되는 미리 설정된 값의 정보에 따른 주파수의 펄스 신호를 생성한다. 유의할 것은, 리셋 단자 RESET에 리셋 신호가 입력되면 1-비트 카운터(20153)가 리셋된다는 것이다. 1-비트 카운터(20153)에 입력되는 리셋 신호는 CPU(301)로부터 공급된다.
제어 계산 블록(2014)으로부터 입력되는 미리 설정된 값이 작아지면, N-비트 카운터(20151)로부터 출력되는 신호의 반전 주기가 단축된다. 따라서, 주파수 생성 블록(2015)으로부터 출력되는 펄스 신호의 주파수가 높아진다. 한편, 제어 계산 블록(2014)으로부터 입력되는 미리 설정된 값이 커지면, N-비트 카운터(20151)로부터 출력되는 신호가 반전 주기가 길어진다. 따라서, 주파수 생성 블록(2015)으로부터 출력되는 펄스 신호의 주파수가 낮아진다.
AND 게이트(20154)는 CPU(301)로부터 출력된 ENABLE 신호에 따라 고전압 전원 장치의 출력을 온/오프 제어한다. 보다 구체적으로, ENABLE 신호가 L 출력인 경우, AND 게이트(20154)는 1-비트 카운터(20153)의 출력에 대응하는 펄스 신호를 출력한다. 한편, ENABLE 신호가 H 출력인 경우, AND 게이트(20154)의 출력이 강제적으로 L 신호로 변하고, AND 게이트(20154)는 L 신호를 출력한다. 따라서, CPU(301)로부터 출력된 ENABLE 신호에 따라서 고전압 제어 유닛(201)으로부터 출력되는 펄스 신호가 온/오프 제어될 수 있으므로, 고전압 전원 장치의 출력이 온/오프 제어될 수 있다.
유의할 것은, 전술한 도 5b에 나타낸 주파수 Fmax와 공진 주파수 F0 사이에서 압전 트랜스포머(101)의 주파수를 변화시킬 경우, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값에 한계값 Fmax 및 F0이 제공된다는 것이다. 즉, 미리 설정된 값이 한계값 Fmax 또는 F0에 도달하면, 제어 계산 블록(2014)의 PID 제어의 계산 동작은 정지(계산 결과는 유지됨)된다. 이 때, 한계값 Fmax 및 F0은 메모리 유닛(2011)에 저장될 수 있고, CPU(301)에 의해 설정될 수 있거나, 고정될 수 있다.
제어 이득 스위칭 동작
본 실시예에 따른 고전압 전원 장치에 있어서의 설정 전압값(목표 전압값)에 따라 제어 이득을 스위칭하는 동작에 대해서 설명한다. 도 3b는 본 실시예에 따른 설정 전압값에 따라 제어 이득을 설정하는 데 사용되는 테이블(800)을 나타내는 도면이다. 테이블(800)은 고전압 전원 장치의 설정 전압값(Tgt[V])과 제어 계산 블록(2014)의 제어 이득 파라미터 그룹(이하, 이득 또는 제어 이득이라고도 칭함) 사이의 대응성을 정의하는 룩업 테이블의 예이다. 고전압 전원 장치와 이득을 연관시키는 테이블(800)은 CPU(301)에 포함되는 ROM에 미리 저장된다. 유의할 것은, 테이블(800)의 제어 이득 파라미터 그룹은 피드백 제어의 예로서 PID 제어의 비례(P 항), 적분(I 항) 및 미분(D 항)의 이득의 파라미터를 포함한다. 즉, 제어 이득 파라미터 그룹은 고전압 전원 회로 및 고전압 제어 유닛(201)의 A/D 컨버터(2012)에서의 시간 지연의 요소의 관점에서 각 설정 전압값에 대해 최적화되는, PID 제어를 행하기 위한 제어 파라미터의 설정값을 포함한다. 테이블(800)은 고전압 전원 장치의 설정 전압값과 제어 계산 블록(2014)의 제어 이득 파라미터 그룹 사이의 대응성을 정의하는 관계를 정의할 수 있다.
(설정 전압값이 낮을 경우)
낮은 전압을 얻기 위해서 압전 트랜스포머(101)의 주파수 제어가 행해지는 경우, 주파수 생성 블록(2015)은 주파수에 대하여 출력 전압이 완만한 영역에서 압전 트랜스포머(101)를 구동한다(도 5b 참조). 따라서, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값에 대하여 출력 전압은 완만한 특성을 나타낸다(도 5c 참조). 본 실시예에서는, CPU(301)가 제어 계산 블록(2014)의 PID 제어의 이득을 증가시키고, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값을 크게 변화시켜 펄스 신호의 주파수를 크게 변화시킨다. 즉, CPU(301)는 설정 전압값과 그 설정 전압값에 대응하는 제어 이득 파라미터 그룹(도 3b에서는 G1에 대응하는 파라미터 그룹)을 메모리 유닛(2011)의 목표값 설정 블록(2021)과 이득 설정 레지스터(2023) 각각에 설정한다.
G1은 예를 들면 1,000V 미만의 낮은 목표 전압(Tgt < 1000)을 얻기 위해서 최적화된 이득 그룹이다. 본 실시예에서, 이는 비례(P 항)=10, 적분(I 항)=8 및 미분(D 항)=4로 설정된다. 제어 계산 블록(2014)의 PID 제어는 비례(P 항), 적분(I 항) 및 미분(D 항)에서 이용되는 이득을 변경함으로써, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값을 크게 변화시킬 수 있다. 그 결과, 주파수에 대하여 출력 전압이 완만한 영역에서 압전 트랜스포머(101)가 구동되는 경우에도, 미리 설정된 값이 크게 변화될 수 있다. 따라서, 신속하게 목표 전압을 출력할 수 있다.
(설정 전압값이 높을 경우)
반대로, 높은 전압을 얻기 위해서 압전 트랜스포머(101)의 주파수 제어가 행해지는 경우, 주파수 생성 블록(2015)은 주파수에 대하여 출력 전압이 급경사인 영역에서 압전 트랜스포머(101)를 구동한다(도 5b 참조). 따라서, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값에 대하여 출력 전압은 급경사 특성을 나타낸다(도 5c 참조). 본 실시예에서, CPU(301)는 제어 계산 블록(2014)의 PID 제어의 이득을 변화시키고, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값을 미세하게 변화시켜, 펄스 신호의 주파수를 미세하게 변화시킨다. 즉, CPU(301)는 설정 전압값과 그 설정 전압값에 대응하는 제어 이득 파라미터 그룹(도 3b에서는 G5에 대응하는 파라미터 그룹)을 메모리 유닛(2011)의 목표값 설정 블록(2021)과 이득 설정 레지스터(2023) 각각에 설정한다.
G5는 예를 들면 4,000V 이상의 높은 목표 전압(4000 ≤ Tgt)을 얻기 위해서 최적화된 이득 그룹이다. 본 실시예에서, 이는 비례(P 항)=6, 적분(I 항)=4 및 미분(D 항)=4로 설정된다. 제어 계산 블록(2014)의 PID 제어는 비례(P 항), 적분(I 항) 및 미분(D 항)에서 이용되는 이득을 변화시킴으로써, 제어 계산 블록(2014)의 미리 설정된 값을 G1에서의 항보다 더 미세하게 변화시킬 수 있다. 그 결과, 주파수에 대하여 출력 전압이 급경사인 영역에서 압전 트랜스포머(101)가 구동되는 경우에도, 통상적인 PID 제어 이득을 이용하여 계산이 이루어질 수 있다. 이는, 통상적인 상승 시간과 동등한 시간에서 목표 전압을 출력하는 것을 가능하게 하고, 또한 오버슈트가 없는 안정된 전압을 출력하는 것을 가능하게 한다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 구성에 따르면, 설정 전압값에 따라 PID 제어의 이득이 스위칭된다. 이는, 압전 트랜스포머를 이용한 고전압 전원 장치가 낮은 전압을 출력할 때에도 신속하게 목표 전압을 출력하는 것을 가능하게 한다.
다른 실시예
유의할 것은, 전술한 설명에서는, 출력 단자 Vout의 전압은 전압 검출 회로(108)에 의해 분압되어, 분압된 전압이 고전압 제어 유닛(201)의 A/D 컨버터(2012)로 입력된다는 것이다. 하지만, 본 실시예는 전술의 경우에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 차분 계산 블록(2013)이 도 4a의 125에 의해 나타내어지는 바와 같이 아날로그 회로로서 형성될 수 있다. 즉, 참조 부호 125는 연산 증폭기(120) 및 저항(121, 122, 123, 124)을 포함하는 차동 증폭 회로를 나타내며, 이는 이하 차동 증폭 회로(125)(출력 수단)로 칭해질 것이다. 출력 단자 Vout의 전압은 전압 검출 회로(108)에 의해 분압되어, 분압된 전압은 저항(121)을 통해 연산 증폭기(120)의 반전 입력 단자(- 단자)에 입력된다.
한편, CPU(301)에 의해 목표값 설정 블록(2021)에서 설정된 설정 전압값(목표 전압값)은 D/A 컨버터(2016)로 출력된다. D/A 컨버터(2016)로부터 출력된 설정 전압값은 저항(123)을 통해 연산 증폭기(120)의 비반전 입력 단자(+ 단자)로 입력된다. 연산 증폭기(120)는 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자가 가상 단락을 형성하도록 신호를 출력한다. 연산 증폭기(120)의 출력은 A/D 컨버터(2012)를 통해 제어 계산 블록(2014)으로 입력된다. 따라서, 차동 증폭 회로(125)는 차분 계산 블록(2013)과 마찬가지로, 출력 단자 Vout의 전압과 설정 전압값 사이의 차분을 출력할 수 있다. 제어 계산 블록(2014)은 차동 증폭 회로(125)로부터 출력된 차분을 A/D 컨버터(2012)가 디지털 변환하게 하여 얻어진 값에 기초하여 미리 설정된 값을 출력한다. 유의할 것은, 도 2에서 동일한 참조 부호는 도 4a에서 동일한 부분을 나타내고, 그 설명은 생략한다는 것이다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 압전 트랜스포머를 이용한 전원 장치에 있어서, 전원 장치의 출력을 안정적으로 얻고 목표 전압까지의 상승 시간을 단축시킬 수 있다.
(제2 실시예)
고전압 전원 장치
제2 실시예에 따른 구성 및 동작에 대해 도 4b를 참조하여 상세하게 설명한다. 제1 실시예에서, 테이블(800)은 CPU(301)에 포함되는 ROM에 미리 저장되어, CPU(301)가 메모리 유닛(2011)의 이득 설정 레지스터(2023)에 제어 이득 파라미터 그룹을 설정한다. 제2 실시예는, 제1 실시예에서 CPU(301)에 저장되는 테이블(800)(도 3b 참조)이 고전압 제어 유닛(201)의 메모리 유닛(2011)에 저장된다는 점에서 상이하다. 본 실시예에서는, 제1 실시예와 동일한 부분의 설명은 생략하며, 테이블(800)을 고전압 제어 유닛(201)의 메모리 유닛(2011)에 저장하는 구성 및 그 동작에 대해 상세하게 설명한다.
도 4b는 본 실시예에 따른 고전압 전원 장치를 나타내는 블록도이다. 이득 설정 테이블(2017)은 제1 실시예의 테이블(800)을 저장한다. 이득 설정 테이블(2017)은 설정 전압값(목표 전압값)과 제어 계산 블록(2014)의 PID 제어 이득 파라미터 사이의 대응성을 정의하는 룩업 테이블의 예이다. 유의할 것은, 테이블(800)의 PID 제어 이득 파라미터 그룹은 제1 실시예와 마찬가지로 각 설정 전압값에 대해 최적화된다는 것이다. 테이블(800)은 제1 실시예와 마찬가지로, 고전압 전원 장치의 설정 전압값과 제어 계산 블록(2014)의 제어 이득 파라미터 그룹 사이의 대응성을 정의하는 관계를 정의할 수 있다.
제어 계산 블록(2014)은 이득 설정 테이블(2017)로부터 설정 전압값에 대응하는 제어 이득 파라미터 그룹을 이용하여 PID 제어 계산을 행할 수 있다. 따라서, 제1 실시예와 마찬가지로, 설정 전압값에 따라 제어 이득을 스위칭하는 것은 고전압 전원 장치의 출력을 안정적으로 얻을 수 있게 하고 낮은 전압을 출력할 때에도 신속하게 목표 전압을 출력할 수 있게 한다.
본 실시예에서와 같이 테이블(800)이 고전압 제어 유닛(201)의 메모리 유닛(2011)에 저장되는 경우, CPU(301)는 고전압 제어 유닛(201)의 메모리 유닛(2011)에 목표 전압만을 설정한다. 이 때문에, 고전압 제어 유닛(201)의 레지스터의 수가 감소될 수 있다. 또한, CPU(301)를 개입시키지 않고도 제어가 행해질 수 있다.
유의할 것은, 본 실시예에 있어서도, 제1 실시예와 마찬가지로 차분 계산 블록(2013)이 아날로그 회로로 형성된 차동 증폭 회로(125)로 변경될 수 있다는 것이다.
전술한 제1 및 제2 실시예의 테이블(800)에 있어서, 테이블(800)의 제어 이득 파라미터 그룹의 값 G1, G2, G3, G4, G5가 G1>G2>G3>G4>G5를 만족시키는 범위 내에서의 값의 관계를 만족시키지만, 본 발명이 이러한 관계 조건에 의해 한정되지는 않는다. 예를 들어, 고전압 전원이 고전압을 공급하는 부재의 임피던스 변동이 테이블(800)의 값 G1, G2, G3, G4, G5로서 고려될 수 있다. 즉, 도 5b에 나타낸 주파수와 출력 전압 사이의 관계가 부재의 임피던스에 따라 변하므로, 고전압 전원의 출력값은 주파수와 출력 전압 사이의 특성 변동을 고려하고 테이블(800)의 제어 이득 파라미터 그룹의 값 G1, G2, G3, G4, G5를 최적화하여, 부재의 임피던스를 검출함으로써 안정적으로 얻어질 수 있다.
전술한 제1 및 제2 실시예에서는, 제어 계산 블록(2014)의 피드백 제어로서 PID 제어가 예시되었다. 하지만, 피드백 제어의 이득이 변경될 수 있으면, 임의의 다른 유형의 피드백 제어가 이용가능하다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 압전 트랜스포머를 이용한 전원 장치에 있어서, 전원 장치의 출력을 안정적으로 얻을 수 있고 목표 전압까지의 상승 시간을 단축시킬 수 있다.
유의할 것은, 제1 및 제2 실시예에서 설명한 고전압 제어 유닛(201)이 집적 회로로서 형성될 수 있다는 것이다. 예를 들면 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)로서 고전압 제어 유닛(201)이 형성될 수 있다. 집적 회로는, 전원 장치의 회로 규모를 축소할 수 있어, 전원 장치의 회로 기판의 사이즈 축소로 귀결된다.
실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 개시된 실시예에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이하의 청구항의 범위는, 이러한 모든 변형 및 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광의의 해석에 따라야 한다.

Claims (14)

  1. 전원 장치로서,
    압전 트랜스포머;
    상기 압전 트랜스포머를 구동하기 위한 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성 유닛;
    상기 압전 트랜스포머의 출력 전압을 검출하도록 구성된 검출 유닛; 및
    상기 검출 유닛에 의해 검출된 출력 전압에 대응하는 피드백 신호와 목표 전압에 대응하는 목표 전압 신호에 기초하여, 피드백 제어에 의해 상기 신호 생성 유닛으로부터의 신호의 주파수를 결정하도록 구성된 주파수 결정 유닛을 포함하고,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 목표 전압 신호에 대응해서 스위칭된 피드백 신호의 이득에 기초하여 상기 신호의 주파수를 결정하도록 구성된, 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 압전 트랜스포머를 구동하는 펄스 신호를 생성하도록 구성된 디지털 카운터 회로를 포함하는, 전원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 제어에서 각 목표 전압 신호와 각각 연관된 이득이 저장되는 테이블을 저장하도록 구성된 메모리 유닛을 더 포함하고,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 메모리 유닛에 저장된 상기 테이블을 참조하고, 각각의 목표 전압과 각각 연관된 이득들 중에서 하나의 이득으로 스위칭하는, 전원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 신호는 상기 검출 유닛에 의해 검출된 출력 전압으로부터 디지털 변환된 변환 신호이고,
    상기 주파수 결정 유닛은 미리 설정된 목표 전압에 대응하는 미리 설정된 목표 전압 신호와 상기 변환 신호 사이의 차분에 기초하여 상기 피드백 제어를 수행하도록 구성되는, 전원 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출 유닛에 의해 검출된 출력 전압과 미리 설정된 목표 전압 사이의 차분을 출력하도록 구성된 출력 유닛을 더 포함하고,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 출력 유닛에 의해 출력된 차분을 디지털 변환함으로써 얻어진 신호의 값에 기초하여 상기 피드백 제어를 수행하도록 구성되는, 전원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이득은 PID 제어를 수행하는 데 사용되는 제어 파라미터의 설정값인, 전원 장치.
  7. 화상 형성 유닛; 및
    상기 화상 형성 유닛으로 고전압을 공급하기 위한, 제1항에 따른 전원 장치
    를 포함하는 화상 형성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 화상 형성 유닛은 화상 담지 부재를 대전하도록 구성된 대전 유닛, 상기 화상 담지 부재에 형성된 잠상을 현상하도록 구성된 현상 유닛, 및 상기 화상 담지 부재에 형성된 화상을 전사하도록 구성된 전사 유닛을 포함하는, 화상 형성 장치.
  9. 압전 트랜스포머를 포함하는 전원 장치의 동작을 제어하기 위한 집적 회로로서,
    상기 압전 트랜스포머를 구동하기 위한 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성 유닛; 및
    상기 압전 트랜스포머의 출력 전압에 대응하는 피드백 신호와 목표 전압에 대응하는 목표 전압 신호에 기초하여 피드백 제어에 의해 상기 신호 생성 유닛으로부터의 신호의 주파수를 결정하도록 구성된 주파수 결정 유닛을 포함하고,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 목표 전압 신호에 대응하여 스위칭된 피드백 신호의 이득에 기초하여 상기 신호의 주파수를 결정하도록 구성되는, 집적 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 압전 트랜스포머를 구동하는 펄스 신호를 생성하도록 구성된 디지털 카운터 회로를 포함하는, 집적 회로.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 피드백 제어에서 이득들이 각각의 목표 전압 신호와 각각 연관되는 테이블을 저장하도록 구성된 메모리 유닛을 더 포함하고,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 메모리 유닛에 저장된 상기 테이블을 참조하도록 구성되고, 각각의 목표 전압과 각각 연관된 이득들 중에서 하나의 이득으로 스위칭하는, 집적 회로.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 피드백 신호는 상기 압전 트랜스포머의 출력 전압으로부터 디지털 변환된 변환 신호이고,
    상기 주파수 결정 유닛은 미리 설정된 목표 전압에 대응하는 미리 설정된 목표 전압 신호와 상기 변환 신호 사이의 차분에 기초하여 상기 피드백 제어를 수행하도록 구성되는, 집적 회로.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 압전 트랜스포머의 출력 전압과 미리 설정된 목표 전압 사이의 차분을 출력하도록 구성된 출력 유닛을 더 포함하고,
    상기 주파수 결정 유닛은 상기 출력 유닛에 의해 출력된 차분을 디지털 변환함으로써 얻어진 신호의 값에 기초하여 상기 피드백 제어를 수행하도록 구성되는, 집적 회로.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 이득은 PID 제어를 수행하는 데 사용되는 제어 파라미터의 설정값인, 집적 회로.
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