高压电源设备和具有该高压电源设备的图像形成设备

摘要

本发明涉及一种高压电源设备和具有该高压电源设备的图像形成设备。在高压电源设备中，脉冲生成单元生成预定频率的脉冲信号。压电变压器根据脉冲信号的频率输出电压。检测单元检测压电变压器的输出电压。控制单元控制脉冲生成单元，以向着与目标电压相对应的频率、以预定值为单位改变脉冲信号的频率、直到输出电压跨过目标电压为止。存储单元存储表示输出电压跨过目标电压时的频率的数据。控制单元通过从与存储单元中存储的数据相对应的频率起、按比预定值小的值可变地控制脉冲信号的频率，来将输出电压控制为等于目标电压。

说明书

技术领域

本发明通常涉及一种使用压电变压器的高压电源设备，尤其涉及一种使用该高压电源设备的图像形成设备。

背景技术

电子照相式图像形成设备需要高压电源设备来生成高于几百伏(V)的电压(高压)。这是因为，该图像形成设备对转印构件施加DC(直流)偏压。尽管传统的高压电源设备使用绕线式电磁变压器，但近来的高压电源设备使用压电变压器(压电陶瓷变压器)。

日本特开平11-206113公开了具有生成要输入至压电变压器的频率的电压控制振荡器(VCO)的高压电源设备。压电变压器具有在共振频率时输出电压最大的特性。日本特开平11-206113所述的高压电源设备通过控制从VCO输出的频率来控制压电变压器的输出电压。

通常，为了增加压电变压器的输出电压，例如，VCO将压电变压器的频率从高频变为低频(或者反之亦然)。VCO通过控制频率的变化量来控制输出电压的上升时间和上升量。因此，所期望的电压越高，频率的变化量越大，由此使上升时间延长。例如，在图像形成设备的高压电源设备中，随着上升时间变长，启动设备所需的时间也变长。这可能使准备图像形成所需的时间延长。

发明内容

本发明的特征在于解决以上问题和其它问题中的至少一个问题。例如，本发明的特征在于，在采用压电变压器的电源设备中改善输出电压的上升特性以缩短上升时间。注意，根据整个说明书将理解其它的问题。

本发明提供一种高压电源设备，包括：脉冲生成单元，用于生成预定频率的脉冲信号；压电变压器，用于根据所述脉冲信号的频率输出电压；检测单元，用于检测所述压电变压器的输出电压；控制单元，用于控制所述脉冲生成单元，以向着与目标电压相对应的频率、以预定值为单位改变所述脉冲信号的频率，直到所述输出电压跨过所述目标电压为止；以及存储单元，用于存储表示所述输出电压跨过所述目标电压时所述脉冲信号的频率的数据，其中，所述控制单元通过从与所述存储单元中存储的数据相对应的频率起、按比所述预定值小的值可变地控制所述脉冲信号的频率，将所述输出电压控制为等于所述目标电压。

本发明还提供一种图像形成设备，包括：图像形成单元，用于形成图像；高压电源设备，用于对所述图像形成单元施加高压，并且包括：脉冲生成单元，用于生成预定频率的脉冲信号；压电变压器，用于根据所述脉冲信号的频率输出电压；以及检测单元，用于检测所述压电变压器的输出电压；控制单元，用于控制所述脉冲生成单元，从而以预定值为单位改变所述脉冲信号的频率，直到所述输出电压跨过目标电压为止；以及存储单元，用于存储表示所述输出电压跨过所述目标电压时所述脉冲信号的频率的数据，其中，所述控制单元通过从与所述存储单元中存储的数据相对应的频率起、按比所述预定值小的值可变地控制所述脉冲信号的频率，将所述输出电压控制为等于所述目标电压。

通过以下(参考附图)对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是示出根据实施例的使用压电变压器的高压电源设备的框图；

图2A和2B是示出根据实施例的各主信号的时序图；

图3是示出压电变压器的输出电压相对于频率的特性的图；

图4是针对压电变压器的输出电压相对于频率的特性示出目标电压落入产生寄生频率(spurious frequency)的范围内的情况的图；以及

图5是示出负载变化前后的压电变压器的输出电压和频率之间的关系的图。

具体实施方式

首先将说明本发明的第一实施例。

本发明逐级切换要发送至压电变压器的脉冲信号的频率，针对各频率检测从压电变压器输出的电压，并且确定检测到的电压等于预定目标电压的频率。该操作将被称为扫频操作(sweep operation)。注意，将目标电压设置为由高压电源设备供给电压的负载所需的电压。对于诸如彩色激光打印机等的图像形成设备，对象负载是用于对图像承载体充电的充电单元、用于对该图像承载体上形成的潜像进行显影的显影单元、和用于将该图像承载体上形成的调色剂图像转印到打印纸张薄片上的转印单元。要输出至这些负载的高压与充电偏压、显影偏压和转印偏压相对应。

图1是示出根据本实施例的高压电源设备100的示例的框图。DC控制器120用作控制对负载的直流(DC)供给的控制单元，并且主要由ASIC 130和CPU 140构成。ASIC是“专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit)”的简称。压电变压器101输出与脉冲信号的频率相对应的电压。

压电变压器101输出与从ASIC 130供给的脉冲信号的频率相对应的电压。通常，高压电源设备利用由包括连接至压电变压器101的电压控制振荡器(VC0)的模拟电路进行振荡的脉冲的振荡频率，控制压电变压器101的输出电压。特别地，VCO通过控制频率的变化量来控制输出电压的上升量和上升时间。因此，所期望的电压越高，上升时间越长。相反，在第一实施例中，ASIC 130生成脉冲信号，并将该脉冲信号供给至压电变压器101。以这种方式，利用数字电路构成频率生成单元和控制单元，这样使得可以缩短输出电压的上升时间。

ASIC 130形成反馈控制电路，从而检测从压电变压器101输出的电压。ASIC 130获取从CPU 140输出的目标电压值，并且向压电变压器101供给与所获取的目标电压值相对应的频率的脉冲信号。将从ASIC 130输出的脉冲信号输入至晶体管111的基极端子(栅极端子)。晶体管111的集电极端子(漏极端子)经由电感器112连接至正电源电压Vcc。晶体管111的发射极端子(源极端子)接地。晶体管111的集电极端子还连接至压电变压器101的初级侧端子。压电变压器101的初级侧端子具有电容。晶体管111根据由ASIC 130供给的脉冲信号进行切换操作。电感器112和初级侧端子通过利用电容的LC共振电路使输入电压升压，来生成高压。将所生成的高压作为脉冲信号供给至压电变压器101的初级侧。压电变压器101响应于供给至初级侧的脉冲信号进行振荡，并且在次级侧上生成已经按与压电变压器101的大小相对应的升压比被放大了的交流(AC)电压。

整流单元连接到压电变压器101的后级。也就是说，压电变压器101的输出端子连接至整流器二极管102的阴极端子和整流器二极管103的阳极端子。平滑电容器104的一个端子连接至二极管103的阴极端子。平滑电容器104的另一个端子接地。二极管102和103形成整流器电路。整流器电路和电容器104对从压电变压器101的输出端子输出的AC电压进行整流和平滑，然后通过输出端子113将该AC电压供给至负载。

设置用以检测压电变压器101的输出电压的电压检测单元。该电压检测单元的结构如下。输出端子113连接至电阻器105的一个端子。电阻器105的另一个端子连接至电阻器107的一个端子和电阻器108的一个端子。电阻器108的另一个端子连接至用于供给基准电压的基准电压源(例如，+5V)。电阻器107的另一个端子接地。电阻器108的另一个端子还连接至ASIC 130的输入端子(A/D转换器135)。也就是说，电阻器105和107分割该输出电压。将分割后的电压经由电阻器108输入至ASIC 130。电阻器105和107形成电压检测电路。注意，电阻器108还可被看作为电压检测电路的一部分。该电压检测电路是检测压电变压器的输出电压的单元的例子。

接着将解释ASIC 130的内部结构。寄存器131存储从CPU140发送来的数据。测量开始信号生成块132基于寄存器131的数据(由CPU 140设置的值)，生成用于开始扫频操作的开始信号。定时信号生成块133响应于从测量开始信号生成块132发送来的开始信号而开始，并且生成表示用于逐级切换要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率的触发的定时信号。频率生成块134是生成预定频率的脉冲信号的脉冲生成单元的例子。基于从定时信号生成块133发送来的定时信号，频率生成块134在切换要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率时，生成该脉冲信号。A/D转换器135将模拟信号转换成数字信号。注意，将转换后的数字值存储在寄存器131中。电压值比较块136将寄存器131中存储的数字值与目标电压值进行比较，计算该数字值和目标电压值之间的差，然后向频率生成块134指示接下来要发送至压电变压器101的频率。在本实施例中，电压值比较块136用作以下的控制单元：该控制单元控制脉冲生成单元，以逐级增加或减少脉冲信号的频率，直到输出电压跨过被设置为输出电压的目标值的目标电压为止。注意，存在输出电压跨过目标电压的两个例子。在第一个例子中，输出电压超过目标电压。在第二个例子中，输出电压降至目标电压以下。

参考图2A，i)示出测量开始信号生成块132的输出信号；ii)示出定时信号生成块133的输出信号；iii)示出从频率生成块134输出的脉冲信号的频率；并且iv)示出由A/D转换器135生成的数字信号。对于iv)，假定V_A＜V_B＜V_C＜V_D。

CPU 140设置用以使寄存器131开始测量的数据。当在寄存器131中设置该数据时，测量开始信号生成块132将图2A所示的i)中示出的测量开始信号供给至定时信号生成块133。定时信号生成块133对测量信号的上升作出反应，并将用于切换要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率的定时信号发送至频率生成块134。该定时信号如ii)所示。使用CPU 140已在寄存器131中设置的值作为定时信号生成块133生成切换定时信号的生成间隔t1。频率生成块134基于从定时信号生成块133发送来的定时信号，以如图2A的iii)所示的初始频率(例如，150KHz)开始扫频操作。之后，当检测到定时信号的上升时，频率生成块134按预定变化幅度(还称为变化量)(在本实施例中，10KHz)逐级增加或减少该频率。在图2A所示的例子中，频率生成块134增加该频率。作为初始频率的150KHz是CPU 140已存储在寄存器131中的值。电压值比较块136将该变化幅度确定为10KHz。

当切换要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率时，从压电变压器101输出的电压也逐渐变化。如图2A的iv)所示，随着从压电变压器101输出的电压变化，来自A/D转换器135的数字值也变化。将表示输出电压的该数字值存储在寄存器131中。为了判断输出电压是否超过由CPU 140设置的目标电压，电压值比较块136将输出电压的值与目标电压的值进行比较。

接着，将说明在输出电压超过目标电压时将频率记录在RAM 141中。一旦扫频操作开始，电压值比较块136控制频率生成块134，以按预定变化量逐级增加或减少脉冲信号的频率，直到判断为输出电压已经超过目标电压为止。当判断为寄存器131中存储的输出电压已经超过目标电压值时，电压值比较块136将用于将当前从频率生成块134输出的频率读取至寄存器131中的信号输出至寄存器131。频率生成块134基于寄存器131中设置的频率读取信号，将当前发送至压电变压器101的脉冲信号的频率的值写入寄存器131中。CPU 140将写入寄存器131中的频率的值存储在RAM 141中。如上所述，寄存器131和RAM 141各自用作存储表示输出电压超过目标电压的频率的数据的存储单元。

尽管在本实施例中、RAM 141存储输出电压超过目标电压的频率的值，但该频率的值可以保持存储在寄存器131中。当将频率值存储在RAM 141中时，在测量开始信号生成块132中i)所示的测量开始信号下降。这样结束了扫频操作。在通电时或在CPU 140判断为有必要时，进行该扫频操作。

图3示出压电变压器101的输出电压相对于频率的特性。输出电压在共振频率f₀时达到最大。因此，在低于f₀的频率区域中，随着频率增加，输出电压上升。然而，在高于f₀的频率区域中，随着频率减少，输出电压上升。也就是说，在左半区域中，频率从初始频率f₁开始逐级增加，并且将输出电压跨过(超过)目标电压值V_T的频率f₂存储在RAM 141中。另一方面，在右半区域中，频率从初始频率f₁’开始逐级减少，并且将输出电压跨过(低于)目标电压值V_T的频率f₂’存储在RAM 141中。在通过改变来自压电变压器的输出电压的频率进行控制的方法中，还存在采用除共振频率f₀以外的频率的共振点。除f₀以外的共振点处的频率被称为寄生频率。由于存在寄生频率，因此存在基本特性不适用的区域。在第二实施例中将详细说明避免寄生频率的方法。

将参考图1和2B来解释用于基于RAM 141中存储的频率值输出目标电压的结构。为了说明的方便，在图2B中，假定V_E＞V_F、V_F＜V_H和V_H＞V_I。

图2B的v)表示由定时信号生成块133生成的定时信号。vi)示出由频率生成块134生成的、要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率。vii)示出从A/D转换器135输出的数字值，并且表示压电变压器101的输出电压。

将RAM 141中存储的频率(例如，200KHz)设置为初始值。该初始值与输出电压超过目标电压的频率相对应。电压值比较块136通过使频率从输出电压超过目标电压的频率起逐级增加或减少，对输出电压等于目标电压的频率的值进行扫频。与图2B的v)所示的定时信号同步地，如图2B的vi)所示，频率生成块134将频率例如从200KHz减少至190KHz。此时从A/D转换器135输出的数字值从以200KHz检测到的电压值V_E下降至电压值V_F。也就是说，由于将与比目标电压V_T高的电压相对应的频率设置为初始值，因此减少频率使输出电压更接近目标电压。

电压值比较块136判断电压值V_F是否等于目标电压V_T。在这种情况下，假定输出电压低于目标电压V_T。由于输出电压低于目标电压V_T，因此电压值比较块136指示频率生成块134增加频率。也就是说，频率从减少变为增加。频率生成块134将频率从190KHz变为195KHz。注意，这里的变化幅度被设置得比扫频操作时的变化幅度小。这是因为，需要进行细微调整以对用于获得目标电压的频率进行扫频。如上所述，当为了对输出电压等于目标电压的频率的值进行扫频、脉冲信号的频率从减少变为增加或者从增加变为减少时，频率生成块134使频率的逐级变化幅度变小。

如图2B的vii)所示，压电变压器101的输出电压从电压值V_F上升至电压值V_H。电压值比较块136再次判断电压值V_H是否等于目标电压V_T。假定输出电压大于目标电压V_T。

在这种情况下，电压值比较块136指示频率生成块134减少频率。进行该操作以使输出电压下降。频率生成块134将频率从增加变为减少，因此将变化幅度设置得较小。例如，频率生成块134将频率从195KHz变为192KHz。变化幅度从5KHz变为3KHz。也就是说，变化幅度变小。

通过该处理，如图2B的vii)所示，压电变压器101的输出电压从电压值V_H变为电压值V_I。电压值比较块136判断电压值V_I是否等于目标电压V_T。在这种情况下，由于目标电压V_T＝V_I，因此判断为这两个电压彼此相等。电压值比较块136指示频率生成块134继续输出频率为192KHz的脉冲信号。

如上所述，电压值比较块136通过使用存储单元中存储的数据控制脉冲生成单元，来维持与目标电压相等的输出电压。也就是说，将通过在通电时进行扫频操作已经确定的、用于获得目标电压的频率的值存储在RAM 141中，并且使用该值来获得目标电压。与传统的技术相比较，这使得可以缩短压电变压器101的输出电压的上升时间。

接着将说明本发明的第二实施例。

本实施例提出避免上述的寄生频率的影响的方法。如果目标电压是低压，则如图4所示，由于压电变压器101的结构特性而生成寄生频率。例如，如果将与低压相对应的初始频率的脉冲信号输入至压电变压器101，则压电变压器101可能输出比目标电压高的电压。因此，需要检测寄生频率的生成，避免其影响，并将用于获得目标电压的频率存储在RAM 141中。在第二实施例中，特别地，通过检测到输出电压低于目标电压、然后执行扫频操作直到输出电压高于目标电压为止，解决了该问题。

图4示出当要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率变化时、从压电变压器101输出的电压。附图标记f_A1表示用于开始扫频操作的初始频率。参考图4，f_A1属于寄生频率区域。附图标记VO1表示针对初始频率、从压电变压器101输出的电压值；附图标记VO2表示目标电压值；附图标记f_A2表示针对目标电压值、要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率；附图标记f_A3表示当压电变压器101的输出电压的电压值降至目标电压值以下时、发送至压电变压器101的脉冲信号的频率；并且附图标记f_A4表示当压电变压器101的输出电压的电压值超过目标电压值VO2时、发送至压电变压器101的脉冲信号的频率。

当CPU 104在寄存器131中设置表示开始扫频操作的数据时，测量开始信号生成块132向定时信号生成块133发送测量开始信号。在输入该测量开始信号时，定时信号生成块133生成定时信号，并将该定时信号发送至频率生成块134。在每次频率生成块134接收到定时信号时，频率生成块134逐级切换脉冲信号的频率。频率生成块134的初始频率f_A1是CPU 140已在寄存器131中设置的值。与第一实施例相同，CPU 140根据负载所需要的电压确定初始频率f_A1。频率生成块134生成并输出所设置的初始频率f_A1的脉冲信号。对于初始频率f_A1，如图4所示，从压电变压器101输出的电压值为VO1。电压值比较块136判断为电压值VO1大于目标电压值VO2。电压值比较块136将表示初始电压值VO1大于目标电压值VO2的数据写入寄存器131中。如上所述，电压值比较块136用作判断当在脉冲生成单元中设置初始频率时由检测单元检测到的初始电压是否超过目标电压的判断单元。

CPU 140检测写入寄存器131中的值。CPU 140指示频率生成块134在输出电压值小于目标电压值VO2之后切换要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率，直到输出大于目标电压值VO2的电压值为止。也就是说，CPU 140用作以下单元：该单元控制脉冲生成单元以从初始频率开始逐级减少或增加脉冲信号的频率，直到输出电压降至目标电压以下为止。CPU 140还用作以下单元：一旦确认输出电压降至目标电压以下，该单元就控制脉冲生成单元以逐级增加或减少脉冲信号的频率，直到输出电压超过目标电压为止。

基于从定时信号生成块133发送来的定时信号，频率生成块134逐级改变要发送至压电变压器101的脉冲信号的频率，直到输出小于目标电压值VO2的电压值为止。在该例子中，频率逐级减少。结果，当频率为f_A3时，输出电压值小于目标电压值VO2。当电压值比较块136检测到输出电压值小于目标电压值VO2时，频率生成块134继续减少频率。频率生成块134逐级减少脉冲信号的频率，直到电压值比较块136判断为输出电压超过目标电压为止。当电压值比较块136检测到输出电压值大于目标电压值VO2时，频率生成块134将频率从减少变为增加。频率生成块134逐级切换脉冲信号的频率，直到电压值比较块136判断为输出电压未超过目标电压为止。当将频率从减少变为增加时，可以通过使变化幅度变小、例如通过使频率的变化幅度从10KHz变为5KHz，来实现频率的细微调整。

当电压值比较块136检测到输出电压值再次大于目标电压值VO2时，频率生成块134将此时的频率f_A4写入寄存器131中。CPU 140将频率f_A4的值存储在RAM 141中。注意，用于基于RAM141中存储的频率值连续输出目标电压的结构以及频率记录处理与第一实施例中的结构和频率记录处理相同，并且将省略对它们的说明。

如上所述，根据第二实施例，可以在避免寄生频率的影响时，以高精度输出低压。

现在将解释第三实施例。

在第三实施例中，将说明解决当发生负载变化时、从压电变压器101输出的电压值变化的问题的方法。也就是说，在第三实施例中，当检测到负载变化时，再执行扫频操作，由此解决该问题。

图5是示出在发生负载变化前后、压电变压器101的输出电压值和频率之间的关系的图。频率特性曲线C1表示发生负载变化前的频率特性。频率特性曲线C2表示发生负载变化后的频率特性。附图标记f_B0表示发生负载变化前的脉冲信号相对于目标电压的频率；附图标记VO3表示发生负载变化前的相对于频率f_B0的输出电压值；附图标记VO4表示发生负载变化后的相对于频率f_B0的输出电压值；f_B1表示当发生负载变化时、CPU 140设置为初始值的脉冲信号的频率；并且附图标记VO5表示与频率f_B1相对应的输出电压值。

CPU 140用作检测相对于高压电源设备的负载变化的负载检测单元。CPU 140还通过从负载进行直接检测、或通过检测频率和输出电压之间的关系的破坏，来检测负载变化。在检测到负载变化时，CPU 140再执行扫频操作。为了再执行扫频操作，参考RAM 141中存储的频率f_B0。也就是说，CPU 140将RAM141中存储的频率f_B0设置在寄存器131中。频率生成块134根据寄存器131中设置的频率f_B0输出脉冲信号。基于在发送频率f_B0时、从压电变压器101输出的电压值VO4，CPU 140确定接下来要输出的频率。

例如，如果如图5所示发生负载变化，则输出电压低于发生负载变化之前的输出电压。因此，CPU 140使频率下降以使输出电压上升。也就是说，CPU 140将频率f_B1设置在寄存器131中。频率生成块134生成频率f_B1的脉冲信号，并将该脉冲信号输出至压电变压器101。如图5所示，压电变压器101输出电压值VO5的电压。之后，与第一实施例相同，将输出电压超过目标电压值VO3以上的电压的频率存储在RAM 141中。

根据第三实施例，在检测负载变化时，CPU 140等控制脉冲生成单元以逐级增加或减少脉冲信号的频率，直到输出电压再次超过目标电压为止。通过该处理，对输出电压等于目标电压的频率的值进行扫频。结果，即使发生负载变化，也可以在早期阶段恢复目标电压。

注意，可以采用以上的电源设备作为图像形成设备用的电源设备。电子照相式图像形成设备包括：潜像形成单元(例如，充电辊或曝光设备)，用于在图像承载体上形成静电潜像；显影单元(例如，显影辊)，用于将该静电潜像显影成调色剂图像；转印单元(例如，转印辊)，用于将该调色剂图像转印到转印材料上；以及定影单元(例如，定影辊或加压辊)，用于对转印材料上的调色剂图像进行加热和定影。特别地，电源设备供给施加至图像承载体的充电偏压、施加至显影单元的显影偏压和施加至转印单元的转印偏压中的至少一个。如果电源设备中的控制速度提高，则可以缩短从图像形成设备启动起、直到在打印纸张薄片上形成图像并排出该打印纸张薄片为止的时间。

注意，还可以将以上在第一至第三实施例中说明的ASIC130配置为IC。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改以及等同结构和功能。