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JP6151997B2 - 電圧発生装置および画像形成装置 - Google Patents

電圧発生装置および画像形成装置 Download PDF

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JP6151997B2 JP2013152097A JP2013152097A JP6151997B2 JP 6151997 B2 JP6151997 B2 JP 6151997B2 JP 2013152097 A JP2013152097 A JP 2013152097A JP 2013152097 A JP2013152097 A JP 2013152097A JP 6151997 B2 JP6151997 B2 JP 6151997B2
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Description

本発明は、一般に電圧発生装置に関し、たとえば、電子写真方式の画像形成装置に直流高電圧を供給する電圧発生装置に関する。
電子写真方式の画像形成装置では、帯電装置に印加する帯電電圧、現像装置に印加する現像電圧、および、転写装置に印加する転写電圧として直流電圧が用いられることが多い。特許文献1によれば、インピーダンスの変動が大きい負荷に対して安定した電力を供給する高圧電源装置が提案されている。この高圧電源装置は、環境状態に応じて、昇圧トランスの1次巻線側に供給する直流電圧の電圧値の変更、信号生成手段により生成されるパルス幅変調信号の間引き、および信号生成手段により生成されるパルス幅変調信号の周波数の変更の少なくとも1つを行う。特許文献2によれば、容量性負荷のための直流高電圧電源装置において、容量性負荷の充電速度の高速化と、オーバーシュートやハンチングのないように出力を安定化することとを両立する発明が記載されている。具体的には、特許文献2の発明は、出力電圧が基準電圧の90%に達するまでは負荷を急速に充電し、90%に達すると充電速度を緩やかにしてオーバーシュートやハンチングを防止している。
特開2000−102249号公報 特開平9−93920号公報
特許文献1の発明は、環境に依存して負荷が大きく変動しても出力電圧を安定化できるかもしれない。しかし、トランスの1次側の直流電圧を変更することにより出力を立ち上げる手法では、出力電圧を高速に立上げることが難しい。これは、トランスの1次側に配置されている電解コンデンサの充電時間がボトルネックになるからである。パルス幅変調信号を間引く手法では、出力能力の強いトランスの出力を定電圧制御する際にリップルが大きくなりやすくなってしまう。さらに、パルス幅変調信号の周波数を変更する手法では、トランスの特性に依存して所望の出力電圧が得られないおそれがある。特許文献2の発明は、PWMパルスを出力する回路の入力側に積分回路が配置されており、PWMパルスのオンデューティ幅を最大のデューティ幅まで立ち上げる際の起動時間(積分時間)が必要になってしまう。そこで、本発明は、出力電圧のオーバーシュートやアンダーシュートを抑制しつつ、出力電圧の立ち上げ時間をさらに短縮することを目的とする。
本発明は、たとえば、
昇圧トランスと、
前記昇圧トランスを駆動するスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を駆動するスイッチング制御信号を生成する信号生成部と、
前記昇圧トランスの1次側へ供給電圧を生成する電圧供給回路と、
前記電圧供給回路からの供給電圧の設定値を決定する設定値決定部と、
前記昇圧トランスの2次側における出力電圧を検知する電圧検知回路と、
前記スイッチ回路および前記電圧供給回路を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、前記出力電圧が前記出力電圧の目標値になる前の閾値に達するまでの期間では、前記スイッチング制御信号の周波数またはデューティ比を調整することで前記出力電圧を調整するスイッチング制御を採用し、前記出力電圧が前記閾値に達した後の期間では、前記出力電圧が前記閾値に達したときの前記スイッチング制御信号の状態を維持しつつ、前記供給電圧を調整することで前記出力電圧を調整する供給電圧制御を採用することを特徴とする電圧発生装置。
本発明によれば、電圧発生装置は、目標値よりも小さい閾値に出力電圧が達するまでの期間ではスイッチング制御によって出力電圧を立ち上げ、その後は出力電圧が閾値に達したときのスイッチング制御信号の状態を維持しつつ供給電圧制御によって出力電圧を目標値に近づける。つまり、スイッチング制御によって出力電圧の高速立ち上げが実現される。さらに、目標値付近では供給電圧制御によって出力電圧を目標値に制御することでオーバーシュートやアンダーシュートが抑制される。このように、本発明は、出力電圧のオーバーシュートやアンダーシュートを抑制しつつ、出力電圧の立ち上げ時間をさらに短縮することが可能となる。
電圧発生装置の機能ブロック図 電圧発生装置の制御方法の一例を示すフローチャート 出力電圧の立ち上げ波形、供給電圧の立ち上げ波形、目標値、閾値および設定値の関係の一例を示す図 電圧発生装置の回路図 スイッチング制御と供給電圧制御とのそれぞれの出力電圧立ち上がり時間の一例を示す図 スイッチング制御信号の周波数と出力電圧との対応関係(昇圧トランスの特性)の一例を示す図 (A)はスイッチング制御により可変される出力電圧を示し、(B)は供給電圧制御により可変される出力電圧を示す図 電圧発生装置の制御方法の一例を示すフローチャート スイッチング制御信号のデューティ比と出力電圧との関係(昇圧トランスの特性)の一例を示す図 電圧発生装置の機能ブロック図 電圧発生装置の回路図 電圧発生装置の制御方法の一例を示すフローチャート 出力電圧の立ち上げ波形、目標値および閾値の一例を示す図 画像形成装置の一例を示す図
<実施例1>
本実施例の電圧発生装置は、目標値よりも小さい閾値に出力電圧が達するまでの期間はスイッチング制御によって出力電圧を立ち上げ、その後は出力電圧が閾値に達したときのスイッチング制御信号の状態を維持しつつ供給電圧制御によって出力電圧を目標値に近づける。つまり、スイッチング制御によって出力電圧を高速に立ち上げ、目標値付近では供給電圧制御によって出力電圧を目標値に安定的に制御することでオーバーシュートやアンダーシュートが抑制される。
図1は、電圧発生装置100を構成する高圧電源部200とコントローラ300とを示すブロック図である。高圧電源部200において、電圧供給回路3は、昇圧トランス1の1次側へ供給電圧V1を生成する電圧供給回路の一例である。電圧供給回路3は、たとえば、コントローラ300から供給電圧信号(以下、PWMP_CNTと称す)にしたがった供給電圧V1を生成して昇圧トランス1の1次側に印加する。スイッチ回路4は、コントローラ300からのスイッチング制御信号(以下、CLKP_CNTと称す)にしたがって昇圧トランス1を駆動する回路である。昇圧トランス1は、電圧供給回路3から供給された1次側電圧(供給電圧V1)を2次側電圧V2に昇圧する電圧変換モジュールである。整流回路2は、昇圧トランス1の2次側に接続され、昇圧トランス1の2次側巻線から出力される2次側電圧V2を整流し、直流の出力電圧Vhpを生成する回路である。出力検出回路6は、昇圧トランス1の整流後の出力電圧Vhpを検出する回路である。負荷8は、高圧電源部200の出力端に接続され、出力電圧Vhpを印加される負荷である。
環境センサ5は、環境条件(例:水分量、湿度または温度)を検知するセンサである。コントローラ300は、スイッチ回路4および電圧供給回路3を制御する制御部の一例である。コントローラ300は、PWMP_CNTを出力するポートと、CLKP_CNTを出力するポートと、出力電圧Vhpに比例した電圧(便宜上この電圧も出力電圧Vhpと称す)を入力する入力ポートを有する。コントローラ300は、環境センサ5や出力検出回路6の検知結果に基づいてPWMP_CNTやCLKP_CNTを生成し、電圧供給回路3やスイッチ回路4を制御する。なお、出力検出回路6は、昇圧トランス1の2次側における出力電圧Vhpを検知する電圧検知回路の一例である。
コントローラ300は、CPU、ROM、RAMを含み、ROMに記憶されたプログラムを実行することで様々な機能を実現する。目標値設定部10は、環境センサ5により検知された環境条件に基づき目標値Vtを決定する目標値決定部として機能する。つまり、目標値設定部10は、環境センサ5の検知結果から昇圧トランス1の出力電圧Vhpの目標値Vtを決定する。閾値設定部11は、たとえば、環境センサ5の検知結果、昇圧トランス1の目標値Vtまたは負荷8のインピーダンスのいずれかに応じて閾値Thを決定する閾値決定部として機能する。設定値決定部15は、環境センサ5の検知結果、目標値Vtまたは閾値Thに応じて供給電圧V1の設定値V1setを決定し、供給電圧制御部12に設定する。供給電圧制御部12は、設定値決定部15により設定された設定値V1setに応じて供給電圧信号PWMP_CNTを生成し、電圧供給回路3に供給する。設定値決定部15は、電圧供給回路3からの供給電圧V1の設定値V1setを決定する設定値決定部の一例である。スイッチング制御部13は、スイッチ回路を駆動するスイッチング制御信号を生成する信号生成部の一例である。スイッチング制御部13は、たとえば、比較部14における閾値Thと出力電圧Vhpとの比較結果に応じてCLKP_CNTを生成し、スイッチ回路4に供給する。比較部14は、出力電圧Vhpの目標値Vtよりも小さい閾値Thと出力電圧Vhpとを比較する比較部の一例である。起動指示監視部16は、上位のコントローラから高圧電源部200を起動することを示す起動指示を受信したか否かを監視する。なお、起動指示は、出力電圧Vhpの出力開始を指示する命令である。
図2、図3を用いて電圧発生装置100の動作について説明する。図2は、コントローラ300に備わるCPUが実行するプログラムの各ステップを示すフローチャートである。CPUはROMに記憶されているプログラムを実行することで、上述した各部として機能する。図3は、出力電圧Vhpと供給電圧V1との関係および制御の切り替えを説明するための図である。実施例1では、図3に示すように、高圧電源部200を起動してから出力電圧Vhpが閾値Thに到達するまでの領域をスイッチング制御領域と呼ぶことにする。また、出力電圧Vhpが閾値Thに到達したとき以降の制御領域を供給電圧制御領域と呼ぶことにする。とりわけ、実施例1では、出力電圧Vhpが閾値Vtに到達したことを比較部14が検知すると、コントローラ300は、スイッチング制御領域から供給電圧制御領域に遷移する。スイッチング制御領域は出力電圧Vhpを高速に立ち上げる領域(高速立ち上げ領域)であり、供給電圧制御領域は出力電圧Vhpを目標値Vtに対して精度よくかつ安定して制御する領域である。なお、供給電圧制御領域は、さらに、出力電圧Vhpを閾値Thから目標値Vtまで上昇させる領域(安定立ち上げ領域)と、出力電圧Vhpを目標値Vtに維持する領域(定電圧制御領域)とに分かれている。
S201で、コントローラ300(目標値設定部10)は、環境センサ5の検知結果(環境条件)に応じて出力電圧Vhpの目標値Vtを決定する。目標値Vtは、環境条件と目標値Vtとの対応関係を表すテーブルまたは数式などを用いて決定される。
S202で、コントローラ300(閾値設定部11)は、目標値Vtに基づき、出力電圧Vhpがオーバーシュートしないような閾値Thを決定する。たとえば、コントローラ300は、テーブルまたは数式などを用いて目標値Vtから閾値Thを決定する。たとえば、目標値Vtの90%の電圧値が閾値Thとして決定される(Th=0.9Vt)。
S203で、コントローラ300(設定値決定部15)は、目標値Vtに基づき、供給電圧V1の設定値V1setを決定する。たとえば、コントローラ300は、テーブルまたは数式などを用いて目標値Vtから設定値V1setを決定する。
S204で、コントローラ300(供給電圧制御部12)は、設定値決定部15により決定された設定値V1setと一致する供給電圧V1が電圧供給回路3から出力されるように、設定値V1setに基づきPWMP_CNTを生成して電圧供給回路3に供給する。電圧供給回路3は、供給電圧V1が設定値V1setに一致するよう供給電圧V1を調整する。その結果、供給電圧V1は設定値V1setに維持される。このように供給電圧V1は予め所望の電圧に立ち上げられる。電圧供給回路3にはコンデンサが設けられており、そのコンデンサの両端電圧が供給電圧V1となるように充電される。よって、予めコンデンサの充電を済ませておくことで、出力電圧Vhpの立ち上げ時間をさらに短縮できるであろう。
S205で、コントローラ300(起動指示監視部16)は、コントローラ300を制御する上位のコントローラから高圧電源部200を起動することを示す起動指示を受信したか否かを判定する。起動指示を受信すると、S206に進む。
S206で、コントローラ300は、CLKP_CNTを用いてスイッチ回路4を駆動し、出力電圧Vhpの出力を昇圧トランス1に開始させる。
S207で、コントローラ300(比較部14)は、出力電圧Vhpと閾値Thとを比較し、出力電圧Vhpが閾値Th以上になったかどうかを判定する。出力電圧Vhpが閾値Th未満であれば、S208に進む。
S208で、コントローラ300(スイッチング制御部13)は、出力電圧Vhpがさらに上昇するようにCLKP_CNTを調整し、S207に戻る。たとえば、コントローラ300は、出力電圧Vhpが増加するようにCLKP_CNTの周波数(周期T)を所定の調整値だけ変更する。たとえば、コントローラ300は、CLKP_CNTの周波数を低下させることで、出力電圧Vhpを上昇させる。つまり、CLKP_CNTの周波数が高い周波数から低い周波数へとスイープされる。なお、出力電圧Vhpを上昇させるためには、CLKP_CNTの周波数を増加させる必要がある場合もある。この場合は、コントローラ300がCLKP_CNTの周波数を増加させる。つまり、CLKP_CNTの周波数が低い周波数から高い周波数へとスイープされる。このようにスイッチング制御領域は、CLKP_CNTの周波数を調整することで、出力電圧Vhpを立ち上げる。供給電圧V1の設定値V1setを調整して出力電圧Vhpを上昇させる供給電圧制御と比較して、スイッチング制御では、より高速に出力電圧Vhpを閾値Thまで立ち上げることができる。なお、CLKP_CNTはパルス信号であるが、オフ時間τoffは固定されたまま、周波数だけが変更される。このように、スイッチング制御部13は、パルス信号であるスイッチング制御信号のオフ時間を固定しつつ周波数を可変制御することで、出力電圧を制御する信号生成部として機能する。
S207で出力電圧Vhpが閾値Thに到達すると、S209以降のステップ(つまり供給電圧制御領域)に遷移する。S209で、コントローラ300(スイッチング制御部13)は、出力電圧Vhpが閾値Thに到達したときのCLKP_CNTの周波数f1をRAMに保持し、CLKP_CNTの周波数をf1に固定する。
S210で、コントローラ300(供給電圧制御部12)は、出力電圧Vhpと目標値Vtとを比較部14に比較させ、出力電圧Vhpが目標値Vtに近づくように比較結果に応じてPWMP_CNTを調整する。PWMP_CNTは、設定値V1setに応じてパルス幅変調された供給電圧信号である。電圧供給回路3は、PWMP_CNTに応じて供給電圧V1を可変制御する。図3が示すように、CLKP_CNTの周波数を固定し、供給電圧V1を調整することで、出力電圧Vhpの変化は緩やかとなり、オーバーシュートやハンチングが発生しにくくなる。出力電圧Vhpが目標値Vtに到達すると、S211に進む。
S211で、コントローラ300(供給電圧制御部12)は、出力電圧Vhpが目標値Vtに維持されるようPWMP_CNTにより定電圧制御を実行する。つまり、定電圧制御は、供給電圧制御方式により実現される。
S212で、コントローラ300は、上位のコントローラから終了指示を受信したかどうかを判定する。終了指示を受信すると、コントローラ300は、PWMP_CNTやCLKP_CNTの出力を停止し、高圧電源部200を停止させる。
図4は高圧電源部200の各部を構成する回路の一例を示す回路図である。電圧供給回路3の電界効果トランジスタ(FET)Q1の制御端子に、保護抵抗R1を介して、PWMP_CNTが入力される。FET Q1の電流流出端子は抵抗R2を介して電源Vccに接続されている。FET Q1の電流流入端子は接地されている。FET Q1の電流流出端子はさらにコンデンサC1の一端と、抵抗R3の一端とに接続されている。コンデンサC1の他端は接地されている。抵抗R3の他端はトランジスタQ2のベースに接続されている。トランジスタQ2のコレクタは抵抗R4を介して電源に接続されている。トランジスタQ2のエミッタはコンデンサC2を介して接地されている。さらに、トランジスタQ2のエミッタは、トランスT1の一次巻き線の一端に接続されている。PWMP_CNTによってFET Q1が駆動され、さらにトランジスタQ2が制御される。これにより、コンデンサC2に所定の電圧(供給電圧V1)が印加される。コンデンサC2の両端電圧(充電電圧)が、昇圧トランス1を構成するトランスT1の1次側に印加されることになる。
スイッチ回路4は、FET Q3によって構成されている。FET Q3の制御端子には保護抵抗R5を介してCLKP_CNTが印加される。FET Q3の電流流出端子はトランスT1の一次巻き線の他端に接続されている。FET Q3の電流流出端子と電流流入端子との間にはコンデンサC3が設けられている。昇圧トランス1とコンデンサC3は共振回路を形成している。
整流回路2は、ダイオードD1とコンデンサC4とで構成されている。ダイオードD1のアノードはトランスT1の2次巻線の一端に接続されている。ダイオードD1のカソードはコンデンサC4の一端と抵抗R7の一端と抵抗R8の一端と抵抗R10の一端とに接続されている。コンデンサC4の他端はトランスT1の2次巻線の他端に接続されているとともに、接地されている。抵抗R7の他端も接地されている。このように昇圧トランス1の2次側電圧V2はダイオードD1によって整流され、コンデンサC4によって平滑化されて、出力電圧Vhpとなる。直流電圧である出力電圧Vhpが負荷8に印加される。出力検出回路6は、出力電圧Vhpを抵抗R8と抵抗R9の抵抗比で分圧する分圧回路(電圧検知回路)である。出力電圧Vhpに比例した電圧がコントローラ300に入力される。
<スイッチング制御の利点>
図4、図5および図6を用いて実施例1の詳細な動作について説明する。PWMP_CNTは、一種のパルス信号である。供給電圧制御部12は、設定値V1setに応じたデューティ比でPWMP_CNTを生成し、電圧供給回路3に供給して駆動する。図4が示すように、電圧供給回路3のコンデンサC2が充電され、コンデンサC2の両端電圧が供給電圧V1として昇圧トランス1の1次側に印加される。コンデンサC2は、昇圧トランス1の一次側に並列に接続されている。
ところで、電圧供給回路3の設定値V1setを調整することで、昇圧トランス1の出力電圧Vhpを制御することができる。電圧供給回路3による出力電圧Vhpの制御(供給電圧制御)では、昇圧トランス1のスイッチング駆動と、昇圧トランス1の1次側への電圧供給とが並行して実行される。そのため、コンデンサC2の充電時間に応じて、出力電圧Vhpの立ち上がり時間が長くなってしまうという課題がある。
一方、本実施例では、コンデンサC2が所望の電圧(V1set)に予め充電された後で、スイッチ回路4が高速に昇圧トランス1の出力電圧を立ち上げる。これによって、昇圧トランス1の出力電圧Vhpのさらなる高速立ち上げが可能となる。
図5は、供給電圧制御による立ち上げ時間とスイッチング制御による立ち上げ時間とを示した図である。供給電圧制御では、スイッチ回路4が一定駆動され、電圧供給回路3の設定値V1setを調整することで昇圧トランス1の出力電圧Vhpが調整される。スイッチング制御では、昇圧トランス1の設定値V1setを一定とし、スイッチ回路4の制御によって出力電圧Vhpが調整される。
図5に示すように、供給電圧制御では、スイッチング制御に比べて昇圧トランス1の出力電圧Vhpの立ち上がりが遅い。これは、供給電圧制御の立ち上げ時間が、コンデンサC2の充電時間に依存しているためである。一方、スイッチング制御では、コンデンサC2が予め充電された状態でスイッチング駆動のみによって出力電圧Vhpが制御される。そのため、コンデンサC2の充電時間に立ち上がり時間が依存しない。
そこで、本実施例では、出力電圧Vhpの高速立ち上げのため、スイッチング制御を採用している。とりわけ、上位コントローラから起動指示が来る(S205でYESとなる)前までに、コントローラ300は、設定値V1setを決定し、PWMP_CNTを電圧供給回路3に供給して、コンデンサC2を予め充電する。図3が示すように、コンデンサC2が予め充電され、供給電圧V1が設定値V1setに維持される。
ところで、設定値V1setは、昇圧トランス1の出力特性に依存して決定される。図6は、CLKP_CNTのオフ時間τoffをある一定の値で固定して周波数変調駆動したときの出力電圧Vhpの一例を示している。CLKP_CNTはパルス信号であり、オフ時間を制御したり、周波数変調を適用したりすることが可能である。図6が示すように、出力電圧Vhpは、供給電圧V1(設定値V1set)とCLKP_CNTの周波数に応じて異なる。このような特性を持つ昇圧トランス1では、ある設定値V1setを用いて出力可能な出力電圧Vhpの上限値が目標値Vtより低いことがある。たとえば、設定値V1setを1Vに設定してしまうと、Vhpを3kVにすることができない。この場合は、設定値V1setを8Vに設定し、かつ、CLKP_CNTの周波数を60kHz以上に設定すれば、Vhpを3kVにすることができる。なお、上述した設定値V1setを決定するためのテーブルや数式は、昇圧トランス1の出力特性が考慮されて、決定されている。
<供給電圧制御の利点>
実施例1では、コントローラ300(制御方式切替部)がスイッチング制御と供給電圧制御とを切り替えることで、出力電圧Vhpの高速立ち上げと、出力電圧Vhpの安定化とを達成している。スイッチング制御の利点についてはすでに説明したので、ここでは、供給電圧制御の利点について説明する。
出力電圧Vhpが閾値Thに到達するまではスイッチング制御が採用される。スイッチング制御では、CLKP_CNTのパルスのオフ時間をある値に固定しつつ周波数を制御することによってスイッチ回路4を駆動して、昇圧トランス1の1次側に電力が供給される。
より具体的に説明すると、整流回路2は、昇圧トランス1の2次側に出力された交流の2次側電圧V2を整流して直流電圧(出力電圧Vhp)を出力する。比較部14が出力検出回路6により検出された出力電圧Vhpが閾値Thに未到達であると判定するときは、スイッチング制御部13が、CLKP_CNTのオフ時間τoffをある値に固定したまま、CLKP_CNTの周波数を高周波から低周波方向へスイープさせる。これにより、昇圧トランス1の1次側のスイッチング駆動のデューティ比が上昇するため、昇圧トランス1の1次側に供給される電力が増加する。CLKP_CNTのパルスのオフ時間τoffは昇圧トランス1とコンデンサC3の共振回路によって決定される。よって、共振電圧が形成されるのに十分な時間が必要である。実施例1のような特性の昇圧トランス1では、単純にオフ時間τoffを固定せずにデューティ比を変更する(たとえば、周波数を固定してデューティ比Dを上げる)と、共振電圧の形成時間が不十分になって、共振電圧の波形が崩れてしまうことがある。その結果、昇圧トランス1の1次側の電力がうまく2次側に変換されなくなってしまうだろう。そのため、オフ時間τoffの設定は重要となる。
出力電圧Vhpが閾値Thに到達したことを比較部14が検知すると、スイッチング制御部13は、1次側の制御方式をスイッチング制御から供給電圧制御に切り替える。スイッチング制御部13は、出力電圧Vhpが閾値Thに到達した時点の周波数f1にCLKP_CNTの周波数を固定してスイッチ回路4の駆動を継続する。周波数f1が固定されるため、スイッチング制御による出力電圧Vhpの上昇も停止する。
図7(A)は、スイッチング制御における出力電圧Vhpの変化の一例を示す図である。図7(B)は、供給電圧制御における出力電圧Vhpの変化の一例を示す図である。上述したように、スイッチング制御は、供給電圧制御と比較して、出力電圧Vhpの高速立上げが可能である。一方で、スイッチング制御は、図7(A)に示すように、周波数を変調すると出力電圧Vhpの変化幅が大きい。そのため、定電圧制御領域ではリップルが大きくなる。一方で、図7(B)が示すように、供給電圧制御であればリップルは小さい。そこで、出力電圧Vhpが閾値Thに到達した時点で供給電圧制御に切り換えることで、出力電圧Vhpを目標値Vtに精度よく近づけるとともに、安定して維持できるようになる。
以上説明したように、実施例1によれば、コントローラ300は、出力電圧Vhpが閾値Thに達するまでの期間では、スイッチング制御信号の周波数を調整することで出力電圧Vhpを調整するスイッチング制御を採用する。これにより、出力電圧Vhpを高速に立ち上げることが可能となる。コントローラ300は、出力電圧Vhpが閾値に達した後の期間では、出力電圧Vhpが閾値Thに達したときのスイッチング制御信号の状態を維持する。さらに、コントローラ300は、供給電圧V1を調整することで出力電圧Vhpを調整する供給電圧制御を採用する。これにより、出力電圧Vhpがオーバーシュートやアンダーシュートしにくくなり、目標値Vtに安定して維持されるようになる。このように、実施例1では、スイッチング制御によって出力電圧を高速に立ち上げ、目標値付近では供給電圧制御によって出力電圧を目標値に制御することで、オーバーシュートやアンダーシュートが抑制される。また、出力電圧Vhpが目標値Vtに維持される定電圧制御領域では、供給電圧制御が採用されるため、リップルやハンチング等の電圧振動を小さくすることができる。
コントローラ300が、目標値Vt、閾値Th、設定値V1setを予め実行しておくことで、さらに、立ち上げ時間を短縮できるであろう。とりわけ、起動指示監視部16が起動指示を検知する前までに、コントローラ300が、目標値Vt、閾値Th、設定値V1setを決定し、供給電圧V1を設定値V1setへと制御する。電圧供給回路3は、昇圧トランス1の一次側に並列に接続されたコンデンサC2を有している。よって、起動指示監視部16が起動指示を検知する前までに、コンデンサC2の両端電圧が設定値V1setとなるようにコンデンサC2が充電される。そして、起動指示監視部16が起動指示を検知すると、コントローラ300は、スイッチング制御信号の周波数またはデューティ比を調整し、出力電圧Vhpの立ち上げを開始する。よって、充電時間が出力電圧Vhpの立ち上げ時間に影響しにくくなり、出力電圧Vhpのさらなる高速立ち上げが実現されよう。
コントローラ300は、環境センサ5により検知された環境条件に基づき目標値Vtを決定するため、環境条件が変化しても適切に目標値Vtを決定することができる。適切に目標値Vtを決定することで、出力電圧Vhpを安定して制御できるようになろう。
図3が示すように、設定値決定部15は、出力電圧Vhpが閾値Thに達するまでの期間では、設定値V1setを一定に維持し、出力電圧Vhpが閾値Th以上になった後の期間では、設定値V1setを可変制御することで、供給電圧V1を調整する。これにより、出力電圧Vhpの供給電圧制御が実現される。
閾値設定部11は、目標値Vtなどに応じて閾値Thを決定することで、出力電圧Vhpのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制できる。
<実施例2>
実施例1では、オンとオフとを繰り返すパルス信号であるスイッチング制御信号のオフ時間τoffを固定しつつ周波数(周期T)を制御することで、スイッチング制御を実現していた。一方で、周波数以外のパラメータを制御することでスイッチング制御を実現することも可能である。そこで、実施例2では、スイッチング制御信号のデューティ比Dを制御することで、スイッチング制御を実現する。なお、その他の点は実施例1と同一であるため、説明を省略する。
図8は、コントローラ300に備わるCPUが実行するプログラムの各ステップを示すフローチャートである。図2に示したフローチャートと共通する点については同一の参照符号を付与することで説明の簡明化を図る。S201ないしS206を実行し、S207に進む。S207で、コントローラ300(比較部14)は、出力電圧Vhpと閾値Thとを比較し、出力電圧Vhpが閾値Th以上になったかどうかを判定する。出力電圧Vhpが閾値Th未満であれば、S801に進む。
S801で、コントローラ300(スイッチング制御部13)は、スイッチング制御信号CLKP_CNTのデューティ比Dを所定量Δだけ増加し、S207に進む。デューティ比Dは、スイッチング制御信号CLKP_CNTの周期Tとパルスがオンとなる時間(τon)とで定義される(D=τon/T)。ここで、スイッチング制御信号CLKP_CNTの周期Tとパルスがオフとなる時間はオフ時間τoffであるから、T=τon+τoffである。スイッチング制御部13は、周期Tを固定しつつ、τonを増加することで、デューティ比Dを増加する。S207で、出力電圧Vhpが閾値Th以上になったと判定されると、S803に進む。
S802で、スイッチング制御部13は、出力電圧Vhpが閾値Thに達したときのデューティ比D0をRAMに保持し、デューティ比DをD0に固定する。その後、S210、S211では、デューティ比DがD0に固定された状態で、供給電圧制御が実行される。
図9は、スイッチング制御信号CLKP_CNTのデューティ比を制御したときの昇圧トランス1の出力電圧Vhpの一例を示した図である。図9によれば、デューティ比Dが大きいほど出力電圧Vhpが高くなることが示されている。同様に、デューティ比Dが小さいほど、出力電圧Vhpは低くなる。
このように、実施例2では、昇圧トランス1の立ち上げに先立って供給電圧V1が設定されたあと、デューティ比Dが制御されたCLKP_CNTによってスイッチ回路4が駆動される。つまり、スイッチング制御が開始される。とりわけ、昇圧トランス1の出力電圧Vhpが閾値Thに到達するまでは、CLKP_CNTのデューティ比Dを上昇させることで、昇圧トランス1の出力電圧Vhpが上昇する。出力電圧Vhpが閾値Thに到達すると、CLKP_CNTのデューティ比DがD0に固定され、デューティ比D0のCLKP_CNTによってスイッチ回路4が継続して駆動される。また、出力電圧Vhpの制御方式が、スイッチング制御から供給電圧制御(PWMP_CNTによる制御)に切り換えられる。よって、供給電圧制御によって、出力電圧Vhpが目標値Vtに維持されるように定電圧制御される。つまり、供給電圧制御によって安定して出力電圧Vhpが制御される。
このように実施例2では、スイッチング制御部13は、パルス信号であるスイッチング制御信号のデューティ比Dを可変制御することで出力電圧Vhpを制御する信号生成部として機能する。つまり、コントローラ300は、スイッチング制御信号のデューティ比Dを制御することで、スイッチング制御を実現し、実施例1と同様の効果を達成している。つまり、実施例2は、スイッチング制御によって出力電圧Vhpを高速に閾値Thまで立ち上げることができる。その後は、供給電圧制御によって精度よく出力電圧Vhpが目標値Vtに維持される。スイッチング制御では、周波数やデューティ比Dのどちらを可変しても出力電圧Vhpの変化幅が大きくなるため高速化には有利であるが、安定性では供給電圧制御の方が有利である。そこで、出力電圧Vhpの最初の立ち上げ区間ではスイッチング制御が実行され、出力電圧Vhpの最後の立ち上げ区間(微調整区間)では供給電圧制御が実行される。出力電圧Vhpの維持区間でも供給電圧制御が実行される。よって、出力電圧Vhpの高速立ち上げと、安定性とを両立することができる。
<実施例3>
実施例3は、実施例1、2の構成に負荷8のインピーダンスの変動をさらに考慮する発明である。そのため、実施例1、2と共通する部分については同一の参照符号を付与することで説明の簡潔化を図る。
図10は電圧発生装置100を示すブロック図である。図10では、負荷8に流れる電流を検知するための電流検知回路7が設けられている。負荷8に流れる電流は負荷8のインピーダンスに連動して変化する。よって、負荷8に流れる電流から負荷8のインピーダンスを特定できる。よって、電流検知回路7は、出力電圧Vhpを印加される負荷8のインピーダンスを検出する負荷検出部としても機能する。
図11は高圧電源部200の回路構成値一例を示す図である。電流検知回路7は、抵抗R17、R18、R19とオペアンプOP1を有している。オペアンプOP1の反転入力端子は、抵抗R9および接地電位に接続されている。オペアンプOP1の非反転入力端子は抵抗R17の一端と抵抗R18の一端とに接続されている。抵抗R17の他端は電源に接続されている。抵抗R18の他端は接地されている。抵抗R18の他端はオペアンプOP1の出力端子に接続されている。抵抗R17、R18はオペアンプOP1の基準電圧を決める抵抗である。図11から明らかなように抵抗R8および抵抗R9には負荷に流れる電流Ihpと相関のある電流が流れる。電流Ihpを電流検知回路7で検出し、検出値をコントローラ300に渡す。つまり、抵抗R19によって電流Ihpは電流から電圧に変換されて、コントローラ300に渡される。コントローラ300は、環境センサ5の検知結果や電流検知回路7の検知結果に基づき昇圧トランス1の目標値Vtや設定値V1set、閾値Thを決定する。このように、コントローラ300の閾値設定部11は、電流検知回路7の検知結果である負荷8のインピーダンスに応じて閾値Thを決定する閾値決定部として機能する。なお、負荷8のインピーダンスに応じて目標値Vtが決定され、目標値Vtに応じて閾値Thが決定されてもよい。このように、間接的に、環境センサ5の検知結果から閾値Thが決定されてもよい。
図12は、コントローラ300に備わるCPUが実行するプログラムの各ステップを示すフローチャートである。図12では、図2に示したS203がS1201に置換されている。もちろん、S208、S209は実施例2のS801、S802に置換されてもよい。S201、S202が実行された後でS1201に進む。なお、S202において、閾値設定部11は、目標値Vtと閾値Thとの差が常に一定値vとなるように、閾値Thを決定してもよい(Th=Vt−v)。
図13に示すように、閾値設定部11は、目標値Vtが高ければ目標値Vtに対する閾値Thの割合を大きくする(Th1=Vt1−v)。つまり、Th1=0.9・Vt1となる。一方で、目標値Vtが相対的に低ければ、閾値設定部11は、目標値Vtに対する閾値Thの割合を小さくする(Th2=Vt−v)。つまり、Th2=0.8・Vt2となる。これは、高い電圧を出力する場合に比べて低い電圧を出力する場合の方が、昇圧トランス1の出力能力を上げやすいからである。これは、オーバーシュートを招きやすい。そこで、この閾値決定方法を用いることで、目標値Vtが低ければ、目標値Vtと差分vとの比を小さくし、早めにスイッチング制御から供給電圧制御領域へ切り替えられる。その結果、スイッチング制御が適用される領域よりも供給電圧制御が適用される領域の方が相対的に広くなり、オーバーシュートを抑制しやすくなる。一方、目標値Vtが高ければ、目標値Vtと差分vとの比を大きくし、遅めにスイッチング制御から供給電圧制御領域へ切り替えられる。つまり、スイッチング制御が適用される領域よりも供給電圧制御が適用される領域の方が相対的に狭くなり、高速立ち上げが可能となる。
S1201で、コントローラ300(設定値決定部15)は、環境センサ5の検知した環境条件(例:温度や湿度)またはその派生情報(例:目標値または閾値)に基づいて設定値V1setを決定する。たとえば、コントローラ300(設定値決定部15)は、環境条件に基づき、初期の設定値V1set0を決定し、供給電圧制御部12に設定する。設定値決定部15は、たとえば、テーブルまたは数式などを用いて環境条件、目標値Vtまたは閾値Thから初期の設定値V1set0を決定する。供給電圧制御部12は、負荷8のインピーダンスを決定するための初期の供給電圧V1aを昇圧トランス1に印加するよう電圧供給回路3を制御する。昇圧トランス1の1次側に初期の供給電圧V1aが印加されると、2次側に接続された負荷8に電流Ihpが流れる。それを電流検知回路7が検知し、設定値決定部15に報告する。設定値決定部15は、検知された電流Ihpから負荷8のインピーダンスを求めてもよい。設定値決定部15は、電流Ihpまたはインピーダンスに基づき、設定値V1setを決定する。設定値V1setは、たとえば、目標値Vtと電流Ihp(負荷8のインピーダンス)から決定される。この決定方法は、予め数式化されていてもよい。
供給電圧V1、目標値Vt、昇圧トランス1のスイッチング制御周波数が同じであれば、負荷8が重くなる(インピーダンスが小さくなる)ほど、負荷8に印加される電圧が高くなる。反対に、負荷8が軽くなる(インピーダンスが大きくなる)ほど、負荷8に印加される電圧が低くなる。そこで、負荷8が重くなった場合でも負荷8が軽い場合と同様の昇圧トランス1の電圧特性を得るためには、供給電圧V1の調整が必要となる。たとえば、設定値決定部15は、負荷8が重い場合には供給電圧V1を高く設定することで、負荷8が軽い場合には供給電圧V1を低く設定する。これにより、負荷8が重い場合、昇圧トランス1の1次側に流れる電流量が増加(昇圧トランス1の1次側の電力が増加)する。その結果、負荷8が軽く供給電圧V1が低い場合と同等の昇圧トランス1の出力特性が得られる。
このように、実施例3によれば、まず、環境条件に応じて目標値Vtと閾値Thとが決定される。負荷8の検知結果に応じて供給電圧V1の設定値V1setが、昇圧トランス1の起動に先立って、決定される。さらに、出力電圧Vhpが閾値Thに到達するまでは、スイッチング制御が実行される。出力電圧Vhpが閾値Thに到達した後では、供給電圧制御が実行される。これにより、出力電圧Vhpの高速立ち上げと安定化とを両立できる。さらに、負荷8のインピーダンスの変動を考慮して供給電圧V1を調整することで、昇圧トランス1の出力特性を維持することができる。
<その他>
上述した実施例では、スイッチング制御部13は、スイッチング制御信号のオフ時間を固定しつつ周波数を制御したり、スイッチング制御信号のデューティ比を制御したりすることで、昇圧トランス1を駆動していた。しかし、本発明で適用できるスイッチング制御信号は、上記の例に限らず、デューティ比が可変の信号(デューティ制御信号)であってもよし、オフ時間が固定されない周波数が可変の信号(周波数制御信号)であってもよい。周波数制御信号に関して、スイッチング制御部13は、周波数を高周波から低周波へまたは低周波から高周波へスイープすることで、出力電圧Vhpを上昇させる。また、供給電圧制御部12は、設定値V1setに応じてパルス幅変調された供給電圧信号を電圧供給回路3に供給することで、供給電圧V1を可変制御してもよい。
なお、実施例1ないし実施例3では、閾値Th1は1つの固定値として説明したが、複数の閾値Thが使用されてもよい。たとえば、閾値設定部11は、目標値Vtより低い第1閾値Th1と、目標値Vtより高い第2閾値Th2とを比較部14に設定してもよい。比較部14の比較結果が、出力電圧Vhpが第1閾値Th1以下であることを示していれば、コントローラ300はスイッチング制御を採用する。同様に、比較部14の比較結果が、出力電圧Vhpが閾値Th2以上であることを示していれば、コントローラ300はスイッチング制御を採用する。一方で、比較部14の比較結果が、出力電圧Vhpが第1閾値Th1と第2閾値Th2との間にあることを示していれば、コントローラ300は供給電圧制御を採用する。大きな負荷変動が発生すると、出力電圧Vhpが目標値Vtから大きくかい離することがある。このような場合に、コントローラ300は、電圧変化幅が大きいスイッチング制御によって出力電圧Vhpを目標値Vtに高速に戻すことが可能となる。このように、コントローラ300は、出力電圧Vhpが第1閾値Th1と目標値Vtよりも大きな第2閾値Th2を超える期間では、供給電圧制御からスイッチング制御に切り替える制御部として機能する。
また、実施例1ないし実施例3では、正の電圧を出力する場合の動作について説明したが、負の電圧を出力する場合においても適用可能である。なお、負の電圧の場合は、上記の閾値(電圧値)Th1は、目標値(電圧値)Vtよりも大きい値となるが、絶対値でみれば閾値Th1が目標値Vtよりも小さい関係になる。なお、負の電圧の場合でも前記のように複数の閾値Thを設定しても良い。
上述した電圧発生装置100は、様々な電子機器に使用可能であり、たとえば、電子写真方式の画像形成装置の高圧電源装置として適用できる。図14は、電子写真方式の多色画像形成装置の一例を示す図である。多色の画像形成装置110は、タンデム式のカラーレーザビームプリンタであり、イエロー(Y)、マゼンダ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の4色のトナーを重ねあわせることで多色画像を出力する。
感光体113は図中矢印の方向に回転し、高圧電源部200から帯電電圧を印加された帯電ローラ116によって一様な電圧に帯電する。露光装置111によって感光体113の表面に静電潜像が形成される。現像ローラ115には、高圧電源部200から現像電圧が印加されており、静電潜像を現像する。現像ローラ115は、静電潜像をトナー像に現像する現像手段の一例である。また、高圧電源部200は、現像ローラ115に現像電圧を印加する印加手段として機能する。一次転写ローラ118には、高圧電源部200から一次転写電圧が印加されている。これにより、トナー画像が感光体113から中間転写体119に一次転写される。中間転写体119にイエロー(Y)、マゼンダ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の4色のトナー画像が多重転写される。
カセット122に格納された記録紙121は給紙ローラ123によって搬送路へ送り出される。記録紙121は、搬送ローラ対125およびレジストローラ対126によって、二次転写ニップ部に搬送される。二次転写ニップ部に設置された二次転写ローラ128には、高圧電源部200から二次転写電圧が印加されている。二次転写ローラ128によって、トナー画像が中間転写体119から記録紙121上に転写される。トナー画像は、定着器129で、記録紙121上に熱定着する。
上述した電圧発生装置100を画像形成装置110に採用することで、画像形成装置110のFPOTを短縮できる。FPOTはファーストプリントアウトタイムの略称であり、画像形成装置110を起動してから1枚目の画像を出力するまでに必要となる待ち時間のことである。とりわけ、スイッチング制御により出力電圧Vhpを高速に立ち上げることができるため、画像形成装置110のFPOTを短縮できる。さらに、出力電圧Vhpを安定化できるため、たとえば、出力電圧が不安定になることによって生じる画像不良などを少なくすることができる。

Claims (14)

  1. 昇圧トランスと、
    前記昇圧トランスを駆動するスイッチ回路と、
    前記スイッチ回路を駆動するスイッチング制御信号を生成する信号生成部と、
    前記昇圧トランスの1次側へ供給電圧を生成する電圧供給回路と、
    前記電圧供給回路からの供給電圧の設定値を決定する設定値決定部と、
    前記昇圧トランスの2次側における出力電圧を検知する電圧検知回路と、
    前記スイッチ回路および前記電圧供給回路を制御する制御部と
    を有し、
    前記制御部は、前記出力電圧が目標値になる前の閾値に達するまでの期間では、前記スイッチング制御信号の周波数またはデューティ比を調整することで前記出力電圧を調整するスイッチング制御を採用し、前記出力電圧が前記閾値に達した後の期間では、前記出力電圧が前記閾値に達したときの前記スイッチング制御信号の状態を維持しつつ、前記供給電圧を調整することで前記出力電圧を調整する供給電圧制御を採用することを特徴とする電圧発生装置。
  2. 環境条件を検知する環境センサと、
    前記環境センサにより検知された環境条件に基づき前記目標値を決定する目標値決定部と
    をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の電圧発生装置。
  3. 前記目標値に応じて前記供給電圧の設定値を決定する設定値決定部をさらに備え、
    前記設定値決定部は、前記出力電圧が前記閾値に達するまでの期間では、前記設定値を一定に維持し、前記出力電圧が前記閾値に達した後の期間では、前記設定値を可変制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電圧発生装置。
  4. 前記目標値に応じて前記閾値を決定する閾値決定部をさらに有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電圧発生装置。
  5. 前記出力電圧を印加される負荷のインピーダンスを検出する負荷検出部と、
    前記インピーダンスに応じて前記閾値を決定する閾値決定部と
    をさらに有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電圧発生装置。
  6. 前記制御部は、前記閾値である第1閾値と前記目標値よりも大きな第2閾値を前記出力電圧が超える期間では、前記供給電圧制御から前記スイッチング制御に切り替えることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電圧発生装置。
  7. 前記信号生成部は、パルス信号であるスイッチング制御信号のオフ時間を固定しつつ周波数を可変制御することで、前記出力電圧を制御することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の電圧発生装置。
  8. 前記信号生成部は、パルス信号である前記スイッチング制御信号のデューティ比を可変制御することで、前記出力電圧を制御することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の電圧発生装置。
  9. 前記信号生成部は、前記スイッチング制御信号の周波数を高周波から低周波または低周波から高周波にスイープすることで、前記出力電圧を制御することを特徴とする請求項8に記載の電圧発生装置。
  10. 前記制御部は、前記設定値に応じてパルス幅変調された供給電圧信号を前記電圧供給回路に供給することで、前記供給電圧を可変制御することを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の電圧発生装置。
  11. 前記出力電圧の出力開始を指示する指示を監視する指示監視部をさらに有し、
    前記指示監視部が前記指示を検知する前までに、前記目標値、前記設定値および前記閾値が決定され、前記供給電圧が前記設定値へと制御され、
    前記指示監視部が前記指示を検知すると、前記制御部は、前記スイッチング制御信号の周波数またはデューティ比を調整し、前記出力電圧の立ち上げを開始することを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の電圧発生装置。
  12. 前記電圧供給回路は、前記昇圧トランスの一次側に並列に接続されたコンデンサを有し、
    前記指示監視部が前記指示を検知する前までに、前記コンデンサの両端電圧が前記設定値となるように前記コンデンサが充電されることを特徴とする請求項11に記載の電圧発生装置。
  13. 昇圧トランスと、
    前記昇圧トランスを駆動するスイッチ回路と、
    前記昇圧トランスの1次側へ供給電圧を生成する電圧供給回路と、
    前記昇圧トランスの2次側における出力電圧を検知する電圧検知回路と、
    前記スイッチ回路および前記電圧供給回路を制御するコントローラと
    を有し、
    前記コントローラは、
    前記昇圧トランスの出力電圧が前記出力電圧の目標値になる前の閾値に達するまでの期間では、前記スイッチ回路に供給されるスイッチング制御信号の周波数またはデューティ比を調整することで前記出力電圧を調整するスイッチング制御を採用し、前記出力電圧が前記閾値に達した後の期間では、前記出力電圧が前記閾値に達したときの前記スイッチング制御信号の状態を維持しつつ、前記供給電圧を調整することで前記出力電圧を調整する供給電圧制御を採用することを特徴とする電圧発生装置。
  14. トナー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電圧を印加する印加手段と
    を有し、
    前記印加手段として、請求項1ないし13のいずれか1項に記載の電圧発生装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。
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