JP6311448B2 - High voltage power supply - Google Patents
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Description
本発明は、インクジェット方式の画像形成装置、印刷装置等によって画像が形成される記録媒体に対する表面改質技術に用いられる高圧電源に関する。 The present invention relates to a high-voltage power supply used in a surface modification technique for a recording medium on which an image is formed by an inkjet image forming apparatus, a printing apparatus, or the like.
インクジェット方式の画像形成装置では、用紙やフィルム等の記録媒体にインクを付着させることにより画像を形成するが、インクと記録媒体との組み合わせによってはインクが記録媒体に付着しない場合があり、その組み合わせでの画像形成は不可能である。ただし、画像形成装置のインクを記録媒体に合わせて変えれば画像形成は可能であるが、多くの種類の記録媒体を使用するケースを考えても画像形成装置へ充填したインクを抜き取り、他のインクに入れ替えることは事実上不可能である。しかし、樹脂コートされた用紙やフィルム等のインクが付着しにくい記録媒体への画像形成の需要は多く、記録媒体自体の濡れ性を改善することで対応することが必要となる。そのため、記録媒体にプレコート液を塗布して画像形成を行うことが一般的であるが、液体を塗布すると乾燥が必要となり、乾燥のためのエネルギやプレコート液が乾燥時に発生するガスや臭いが敬遠されるケースも多い。 In an inkjet image forming apparatus, an image is formed by adhering ink to a recording medium such as paper or film. However, depending on the combination of ink and recording medium, the ink may not adhere to the recording medium. Image formation with this is impossible. However, it is possible to form an image by changing the ink of the image forming apparatus according to the recording medium. However, considering the case where many types of recording media are used, the ink filled in the image forming apparatus can be removed and other inks can be removed. It is virtually impossible to replace it. However, there is a great demand for image formation on a recording medium to which ink such as paper or film coated with resin is difficult to adhere, and it is necessary to cope with it by improving the wettability of the recording medium itself. For this reason, it is common to perform image formation by applying a precoat liquid to a recording medium. However, when a liquid is applied, drying is necessary, and the energy for drying and the gas and odor generated during drying of the precoat liquid are avoided. There are many cases.
近年では環境に配慮し、ガス等を発生させずに放電現象を使用して記録媒体自体を改質し、インクに対する濡れ性を改善する官能基を用い記録媒体の濡れ性を改善する方法も注目されており、プッシュプルもしくはフルブリッジ方式の交流インバータ形式の高圧電源を用い、誘電体バリア放電によって親水性官能基を発生させて濡れ性を向上させる技術が知られている。そして、トランスの損失を最小限に抑えることを目的として、一次側を開放して測定される二次巻き線の自己共振周波数を駆動回路の駆動周波数に近づけることでトランスの温度上昇を抑えることができるため、比較的安価なトランス巻き線線材を用いることが可能である技術が知られている(例えば「特許文献1」参照)。
In recent years, in consideration of the environment, attention has also been paid to a method for improving the wettability of a recording medium by using a functional group that improves the wettability with respect to ink by modifying the recording medium itself by using a discharge phenomenon without generating gas or the like. There is a known technique for improving wettability by generating hydrophilic functional groups by dielectric barrier discharge using a push-pull or full-bridge AC inverter type high-voltage power supply. For the purpose of minimizing transformer loss, it is possible to suppress the temperature rise of the transformer by making the self-resonant frequency of the secondary winding measured with the primary side open close to the drive frequency of the drive circuit. Therefore, a technique is known in which a relatively inexpensive transformer winding wire can be used (see, for example, “
従来の誘電体バリア放電を用いて表面改質を行う技術では、交流高圧電圧を印加して一様な電界を作成することでプラズマを発生させ、プラズマが親水性官能基を創出することで記録媒体の濡れ性を向上させる改質を行っていた。理想的な誘電体バリア放電はアーク等を発生しないが、現実的には負荷の変動や記録媒体の誘電率変化、気温、湿度、気圧等の環境変化による負荷変動で発振周期がずれ、目標とした制御対象の定数に合わせ込んだ制御回路の発振周期等が合わなくなり、回路の損失増大による効率の悪化、発熱、故障といった不具合の対策として冷却装置の設置が必要であった。 In the conventional surface modification technology using dielectric barrier discharge, plasma is generated by creating a uniform electric field by applying an alternating high voltage and recording is performed by creating a hydrophilic functional group. Modifications were made to improve the wettability of the medium. An ideal dielectric barrier discharge does not generate arcs, but in reality, the oscillation period is shifted due to load fluctuations due to load fluctuations, changes in the dielectric constant of the recording medium, environmental changes such as temperature, humidity, and atmospheric pressure. The oscillation cycle of the control circuit adjusted to the constant to be controlled is not suitable, and it is necessary to install a cooling device as a countermeasure against problems such as deterioration in efficiency, heat generation, and failure due to increased circuit loss.
通常、誘電体バリア放電ではない放電の場合は絶縁破壊を起こし、絶縁破壊した部位でアークや火花放電を発生する。その場合は絶縁破壊を起こした部位の絶縁性が下がってしまうので、その部位のみで放電が持続してしまい記録媒体の改質に斑が発生する。つまり均一な画像を得るためには均一な放電状態を保つために高精度の高圧電源や気圧、湿度、放電部周囲のガスの種類や濃度の微細な制御が必要となり、これらが管理できないとアーク放電や火花放電が発生するため、簡単な装置では実現が困難である。 Usually, in the case of a discharge that is not a dielectric barrier discharge, dielectric breakdown occurs, and an arc or spark discharge is generated at the site of dielectric breakdown. In that case, since the insulation at the site where the dielectric breakdown has occurred is lowered, the discharge is sustained only at that site, and unevenness occurs in the modification of the recording medium. In other words, in order to obtain a uniform image, a high-precision high-voltage power supply, atmospheric pressure, humidity, and the type and concentration of gas around the discharge unit must be finely controlled to maintain a uniform discharge state. Since discharge and spark discharge occur, it is difficult to realize with a simple device.
誘電体は電界をかけると電気的に分極し、分極が安定するまで電荷の移動、すなわち電流が流れる。この特性を用いた放電が誘電体バリア放電である。また、誘電体はそれ自体が絶縁体であるため、その他の放電とは異なり絶縁を空間や気体に依存しないため、誘電体バリア放電は絶縁破壊に対し均一な安定した放電技術である。誘電体バリア放電は、電極間に誘電体と空隙とを設け、電極間に電圧をかけると空隙に電荷が流れて放電を行う。誘電体を挟んでいるため、誘電体が分極してしまうと電荷が流れなくなり、ある部位で放電が発生するとその部位の誘電体は分極して放電が停止し、未放電の部位に放電が移行する。この現象が電極間で繰り返して起こるため、誘電体を挟んだ電極間全体で均一な放電が短時間で発生する。 The dielectric is electrically polarized when an electric field is applied, and electric charges move, that is, current flows until the polarization is stabilized. A discharge using this characteristic is a dielectric barrier discharge. In addition, since the dielectric itself is an insulator, and unlike other discharges, the insulation does not depend on space or gas, so the dielectric barrier discharge is a uniform and stable discharge technology against dielectric breakdown. In dielectric barrier discharge, a dielectric and a gap are provided between electrodes, and when a voltage is applied between the electrodes, a charge flows in the gap and discharge occurs. Since the dielectric is sandwiched, if the dielectric is polarized, the charge will not flow, and if a discharge occurs at a certain location, the dielectric at that location will polarize and the discharge will stop, and the discharge will move to the undischarged location. To do. Since this phenomenon occurs repeatedly between the electrodes, a uniform discharge is generated in a short time across the electrodes sandwiching the dielectric.
具体的には、ある程度の面積を持った導体間に誘電体と空間を挟んで対向する電極間に高電圧をかけて誘電体バリア放電を発生させた場合、誘電体は放電プラズマが放電路と直交方向に広がらない性質を有しているので小さな直径の放電になる。一度放電した部分は誘電体が分極しているので電荷が移動できないために再放電せず、放電は小さな直径のまま未放電部位に移動する。すなわち小さな直径の放電プラズマが誘電体上に一様に多数本発生することになる。ただし、一度放電した部位は放電路に対して直列に分極した誘電体が存在するので、全誘電体表面で放電が起き電荷が蓄積されると放電は終了してしまう。 Specifically, when a dielectric barrier discharge is generated by applying a high voltage between electrodes facing each other across a space between a dielectric having a certain area and a dielectric, the dielectric has a discharge plasma and a discharge path. Since it does not spread in the orthogonal direction, the discharge has a small diameter. Once the portion is discharged, the dielectric is polarized and the charge cannot move, so the discharge does not occur again, and the discharge moves to the undischarged portion with a small diameter. That is, many discharge plasmas having a small diameter are uniformly generated on the dielectric. However, since the dielectric once polarized in series with respect to the discharge path exists at the site once discharged, the discharge ends when the discharge occurs on the entire dielectric surface and the electric charge is accumulated.
このときに電界を逆方向にかけると誘電体の分極方向も逆方向になるため、逆方向の放電を起こすことができる。そのため電界の方向が定期的に反転する交流高圧電源を使用することで、誘電体バリア放電を繰り返し継続することができる。ただし、放電は2極間での放電であるが、導体に施す誘電体処理はコストがかかるため、電極対の一方の電極の表面を誘電体で覆う構造となる。近似すると誘電体バリア放電の電極はコンデンサであり、電流を流すためには交流の高圧電源が必要であるが、交流高圧電源は複雑な回路と大きなトランスとを必要とし大型である。また、誘電体バリア放電の電極はコンデンサであるため、環境や記録媒体の誘電率、電極間に入っている記録媒体の大きさ、使用することでの電極の劣化等で容量が変化する。容量の変化は交流高圧電源としては望ましい現象ではなく、放電電極容量とその他の要因とによって決まる固有の発振周波数が変化してしまうため、想定した動作周波数で駆動する交流高圧電源は発熱、損失の増大、効率の悪化等の望ましくない状態となってしまうという問題点がある。 At this time, if the electric field is applied in the reverse direction, the dielectric polarization direction is also reversed, so that discharge in the reverse direction can occur. Therefore, the dielectric barrier discharge can be continued repeatedly by using an AC high voltage power source whose electric field direction is periodically reversed. However, although the discharge is a discharge between two electrodes, the dielectric treatment applied to the conductor is costly, so that the surface of one electrode of the electrode pair is covered with a dielectric. Approximately, the dielectric barrier discharge electrode is a capacitor, and an AC high-voltage power supply is required to pass a current. However, the AC high-voltage power supply requires a complicated circuit and a large transformer and is large. Further, since the electrode for dielectric barrier discharge is a capacitor, the capacitance changes depending on the environment, the dielectric constant of the recording medium, the size of the recording medium between the electrodes, the deterioration of the electrode due to use, and the like. The change in capacity is not a desirable phenomenon for an AC high-voltage power supply, and the inherent oscillation frequency determined by the discharge electrode capacity and other factors changes. Therefore, an AC high-voltage power supply driven at the assumed operating frequency generates heat and loss. There is a problem that it becomes an undesired state such as an increase and deterioration of efficiency.
「特許文献1」に開示された技術では、プッシュプル方式の交流高圧電源はトランスが大きく、また発振周期は設計段階で想定した負荷に予め合わせ込むため、環境や経時劣化、負荷自体の誘電率等の変化に対応できず、負荷の変動による影響という問題は解消できない。また、電力の制御も共振に依存してしまうので、任意の電力で制御することは困難である。
In the technology disclosed in “
本発明は上述の問題点を解決し、誘電体バリア放電によって記録媒体の表面改質を行うための高圧電源を負荷変動があっても効率や信頼性を損なわない安価で小型なものとして、従来は移動が不可能であるほど大きな設備として存在していた誘電体バリア放電改質装置を画像形成装置に内蔵できるものとし、従来の誘電体バリア放電用高圧電源に比して環境要因や経時劣化、記録媒体等に影響される負荷変動によく対応し、電力の調整も容易な高圧電源の提供を目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and a conventional high-voltage power source for performing surface modification of a recording medium by dielectric barrier discharge is inexpensive and compact without impairing efficiency and reliability even when there is a load fluctuation. The dielectric barrier discharge reformer, which has existed as a large facility that cannot be moved, can be built in the image forming apparatus, and it is environmental factors and deterioration over time compared to conventional high voltage power supply for dielectric barrier discharge An object of the present invention is to provide a high-voltage power supply that can cope with load fluctuations affected by a recording medium and the like and can easily adjust power.
請求項1記載の発明は、一次側はスイッチング素子で駆動し二次側はインダクタと共振回路を形成する静電容量を有する電極を備え、一次側巻き線は中性点を持たない出力トランスと、前記スイッチング素子の電流や回生電流または一次側巻き線の電流を検出する電流検出手段と、一次側の電圧が0Vまたは前記スイッチング素子のスイッチング損失で無視できる程度の低電圧であることを検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段で0Vまたは前記スイッチング素子のスイッチング損失で無視できる程度の低電圧を検出したときまたは前記電流検出手段で回生電流が流れていることを検出したときに前記スイッチング素子を導通させ、前記電流検出手段で前記スイッチング素子の電流が所定値となったときに前記スイッチング素子を非導通にさせる制御手段とを有することを特徴とする。 In the first aspect of the invention, the primary side is driven by a switching element, the secondary side is provided with an electrode having capacitance forming a resonance circuit with the inductor, and the primary winding has an output transformer having no neutral point; Current detecting means for detecting the current of the switching element, the regenerative current or the current of the primary winding, and detecting that the voltage on the primary side is 0 V or a low voltage negligible due to the switching loss of the switching element. The voltage detecting means and the switching element when the voltage detecting means detects 0 V or a low voltage that can be ignored by the switching loss of the switching element, or when the current detecting means detects that a regenerative current is flowing. When the current of the switching element reaches a predetermined value by the current detecting means, the switching element is non-conductive. And having a control means for the.
本発明によれば、電界が変化すれば誘電体の帯電量が変わるため直流高圧電源でも誘電体バリア放電を発生でき、負荷変動が生じても効率や信頼性を損なわない安価で小型な電源を備えた充電制御装置を提供することができる。これにより誘電体バリア放電改質装置を画像形成装置に内蔵することができ大幅な小型化を達成することができると共に、様々な要因の変化に対応して電力調整を容易に行うことが可能な誘電体バリア放電用高圧電源を提供することができる。 According to the present invention, since the charge amount of the dielectric changes when the electric field changes, a dielectric barrier discharge can be generated even with a DC high-voltage power supply, and an inexpensive and small power supply that does not impair efficiency and reliability even when a load fluctuates. The charging control apparatus provided can be provided. As a result, the dielectric barrier discharge reforming apparatus can be built in the image forming apparatus, so that a significant reduction in size can be achieved and power adjustment can be easily performed in response to changes in various factors. A high-voltage power supply for dielectric barrier discharge can be provided.
先ず、本発明の概要を説明する。本発明は、誘電体バリア放電によって記録媒体の表面改質を行うための高圧電源を備えた充電制御装置に関する。詳しくは、誘電体バリア放電によって記録媒体の表面改質を行うための高圧電源として、交流高圧電源を使用せずに出力が定期的に変動するフライバック型直流高圧電源を使用する。誘電体バリア放電は、誘電体を挟んでコンデンサ構造となっており、そこに電界をかけると誘電体に電荷が流れるが、誘電体が帯電して分極し電気的に平衡した状態では電流が流れなくなる。この平衡状態で電界の極性を変えると誘電体を逆方向に帯電させるための電流が流れ、誘電体が帯電して平衡するまで電流が流れ続ける。 First, the outline of the present invention will be described. The present invention relates to a charge control device including a high-voltage power supply for performing surface modification of a recording medium by dielectric barrier discharge. Specifically, as a high-voltage power supply for modifying the surface of the recording medium by dielectric barrier discharge, a flyback type DC high-voltage power supply whose output varies periodically without using an AC high-voltage power supply is used. A dielectric barrier discharge has a capacitor structure with a dielectric sandwiched between them. When an electric field is applied to the dielectric, electric charge flows through the dielectric, but current flows when the dielectric is charged and polarized and electrically balanced. Disappear. When the polarity of the electric field is changed in this equilibrium state, a current for charging the dielectric in the reverse direction flows, and the current continues to flow until the dielectric is charged and balanced.
「特許文献1」に開示された技術や通常の誘電体バリア放電を用いた表面改質方法では誘電体表面に電荷が蓄積されると放電できなくなり、電界の方向が入れ替わる必要があるために交流高圧電源を使用する。また周波数は、設計段階での放電電極やその他の因子で決定される共振周波数に合わせて決められた固定されている周波数で動作する交流高圧電源が使用されていた。
In the technique disclosed in “
しかし、誘電体は交流でなく電界の方向が変わらなくても電界強度に変化があれば電界強度の変化分に相当する電流が流れ、正負非対称な波形の交流や直流の電界の変化に応じた電流を流すことができ、誘電体バリア放電を発生させることが可能である。従って、交流ではなく制御の容易な直流パルスまたは正負方向が非対称な直流高圧電源でフライバック型の高圧電源を使用し、電極の容量変化が発生した場合でも自動的に負荷で決定される効率のよい周波数になる高圧電源とする。そして、自身では周波数を決定することなく、負荷とその他の因子とによる共振を利用したフライバック型として、ソフトスイッチングを行う高圧電源とすることでトランスのみならず駆動回路の損失も軽減できるため、小型化が可能なことが特徴である。以下、図面を用いて詳細に説明する。 However, even if the dielectric is not alternating current and the direction of the electric field does not change, if there is a change in the electric field strength, a current corresponding to the change in the electric field strength flows, and it responds to changes in the positive and negative asymmetrical alternating current and direct current fields. A current can be passed, and a dielectric barrier discharge can be generated. Therefore, a flyback type high voltage power supply is used with a DC pulse that is easy to control instead of AC or a DC high voltage power supply that is asymmetrical in positive and negative directions, and the efficiency that is automatically determined by the load even when the capacitance of the electrode changes. Use a high-voltage power supply with a good frequency. And, as a flyback type using resonance due to the load and other factors without determining the frequency by itself, the loss of not only the transformer but also the drive circuit can be reduced by making it a high voltage power supply that performs soft switching, It is characterized in that it can be miniaturized. Hereinafter, it explains in detail using a drawing.
図1は、本発明の一実施形態を適用可能な誘電体バリア放電を発生させる非交流式の高圧電源を示している。同図において高圧電源11は、交流電源1を整流して直流に変換するダイオード2,3,4,5、整流された直流のリップルを平滑させるコンデンサ6を備えている。また高圧電源11は、相互に電気結合した中性点を持たない出力トランス41を形成するインダクタ12,13を備えている。また高圧電源11は、インダクタ12を励磁するため電流を流すFETゲート駆動回路7を備えており、FETゲート駆動回路7はFET9、回生用ダイオード10、電流検出抵抗17、回路を制御するための制御手段である制御回路8から構成されている。FETゲート駆動回路7は、制御信号23によって動作と停止との制御が行われる。さらに高圧電源11は、電極14、表面に誘電体16が形成され電極14との間で誘電体バリア放電を行う電極15を有している。
FIG. 1 shows a non-AC type high-voltage power source that generates a dielectric barrier discharge to which an embodiment of the present invention can be applied. In the figure, a high-voltage power supply 11 includes
次に、図5を用いて制御回路8の一例を説明する。制御信号23は、1ショットマルチバイブレータ24、インバータ25、OR回路27に接続される。ドレイン電圧22は、端子44から入力されてコンデンサ40と抵抗37とからなる微分回路を介してコンパレータ43と抵抗38,39とからなるドレイン電圧下降検出部に接続される。また端子44は、抵抗47,48とOPアンプ49とで構成されるドレイン電圧反転増幅器に接続される。電流検出端子45は電流検出抵抗17に接続され、抵抗33,34とOPアンプ28とからなる回生電流検出器に接続されていると共に、抵抗35,36とコンパレータ29とからなるドレイン電流検出器に接続されている。OPアンプ28とコンパレータ29とで電流検出手段が、コンパレータ43とOPアンプ49とで電圧検出手段がそれぞれ構成される。
Next, an example of the
制御信号23と1ショットマルチバイブレータ24との出力はAND回路42に接続され、AND回路42の出力はOR回路27に接続されており、制御信号23とドレイン電圧下降検出部出力とドレイン電圧反転増幅器出力と回生電流検出器出力とはAND回路26に入力される。制御信号23のインバータ25を経由した出力とドレイン電流検出器出力とはOR回路30に入力される。OR回路27の出力はRSフリップフロップ31のセット(S)端子に、OR回路30の出力はRSフリップフロップ31のリセット(R)端子にそれぞれ接続される。RSフリップフロップ31の出力QはFETゲート駆動回路27の入力に接続され、FETゲート駆動回路32の出力端子46はFET9のゲートに接続される信号である。
The outputs of the
次に、図2及び図3を用いて、図1に示した高圧電源11の回路動作を説明する。交流電源1は、ダイオード2,3,4,5で整流されてインダクタ12に電圧を印加する。制御信号23が入力されると(ST01)、制御回路8はスイッチング素子であるFET9を導通させてインダクタ12経由でFET9に電流が流れ込む(ST02)。FET9が導通すると、図2に示すFET9のドレイン電流19は期間Aに示すように時間と共に立ち上がっていく。このときにインダクタ12に流れる電流19は、FET9に流れるドレイン電流と等しい。インダクタ12に流れる電流19が必要な電力から算出された予め設定された電流値に達すると(ST03)、FET9は期間Aの終了時の様に非導通となり(ST04)インダクタ12に流れる19はカットオフされる。この電流の設定値は、FET9のドレイン電流だけを決定するのではなく電圧共振時のインダクタ13の電圧にも影響する。
Next, the circuit operation of the high-voltage power supply 11 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. The
インダクタ12に流れる電流19がカットオフされた後の図2に示す期間Bでは、電極14,15で形成されるコンデンサとインダクタ13との共振によりFET9のドレイン電圧22及びインダクタ13が発生させる電極15の電圧21のように電圧が発生する。このときにインダクタ13に流れる電流18は、インダクタ13の発生する電極15の電圧21と位相が90度ずれているために電力は消費せず、放電現象で気体をプラズマ化するために失われる分のみの小さな電力となる。
In the period B shown in FIG. 2 after the current 19 flowing through the
電圧共振では、ドレイン電圧22は一度立ち上がる(ST05)が1.0kVをピークとして徐々に下降する(ST06)。このとき制御回路8はドレイン電圧22がピークを越えた立ち下がりを検出し、立ち下がった後にドレイン電圧22が0Vになることを監視する。次に、電圧共振が終了して図2の期間Cにおいてドレイン電圧22が0Vとなると(ST07)、インダクタ12の電流20が回生用ダイオード10を経由して回生する。回生用ダイオード10に流れる回生電流20はインダクタ12の回生電流であり、インダクタ12に流れる電流20はドレイン電流が流れていたときのインダクタ12に流れる電流19の方向とは逆方向に流れる。制御回路8は、回生電流が流れていることを抵抗17で検出し(ST08)、制御信号23がオフされていないことを確認した後(ST09)、回生電流が流れている間にFET9を再度導通させる(ST02)。インダクタ12の回生電流20は時間と共に減少し最終的には0となるが、インダクタ12の回生電流20が0となったときにFET9が導通しているため、回生電流が流れ終わった後にインダクタ12からFET9へのドレイン電流19が流れる。以降は、図2に示した期間A,B,Cのサイクルを繰り返し、制御信号23がオフされた場合はFET9を非導通(ST10)として停止する。
In the voltage resonance, the
FET9は非導通時において電流が流れないため損失は発生せず、導通状態ではドレイン−ソース間の電圧が発生しないため電力損失が発生せず、導通から非導通または非導通から導通への移行時に電圧が発生し電流が流れるために損失が発生する。本発明では、上述の動作で、期間Cから期間Aへの移行時には、FET9が導通する瞬間はドレイン電圧22が0Vである。このため、FET9の損失電力=ドレイン電圧×ドレイン電流は理論上0となり、FET9のスイッチングロスが発生せず電力のロス及びFET9の発熱はない。また、期間Aから期間Bへの移行時にはFET9が導通から非導通に切り替わるが、ドレイン電圧22は0VであるためFET9のスイッチングロスが発生せず、電力のロス及びFET9の発熱はない。このように、本回路においてFET9での損失は小さくなり、FET9の耐久性が向上して信頼性が向上すると共に電力の損失もなく省エネである。また、スイッチングロスが出ないことでFET9の冷却を簡略化または不要にでき、回路を小さくかつ安価にすることができる。二次的にドレイン電圧22が0Vでのスイッチングを行うことで電圧の急激な変化がなく、パルス状の電流や電圧が発生しないので、周囲の機器に与える電源ノイズや望ましくない電磁波等のノイズも発生しない。このように、期間A,B,Cにおける動作の繰り返しで共振を使用した発振を継続することができ、効率的な継続放電を維持することができる。
Since no current flows when the FET 9 is non-conductive, no loss occurs, and no voltage is generated between the drain and source in the conductive state, so no power loss occurs, and at the time of transition from conductive to non-conductive or from non-conductive to conductive. A loss occurs because a voltage is generated and a current flows. In the present invention, at the time of transition from the period C to the period A in the above-described operation, the
FET9のスイッチングを行う制御回路8の役割は、適切なタイミングでFET9の導通と非導通とを繰り返し行うことである。従来技術にあるように、一般的に負荷変動等の共振周波数が変動しない場合は制御回路8で発信器を備え、固定周波数でのPWM制御のように決まった周期でFET9を一定時間導通させることにより達成することができる。しかし、負荷である電極14,15で創出する容量が変動する場合が一般的である。例えば、電極が放電によって摩耗する、誘電体が劣化して誘電率が変化する、改質したい記録媒体の大きさが変化する、記録媒体の材質による誘電体の差がある等の電極14,15の静電容量に影響を及ぼす要因は多く存在する。そして、容量に変化があることが一般的であるが、その場合は上述した共振周期がずれてしまい、本発明の特徴であるドレイン電圧22が0VのポイントでFET9を導通させることができなくなる。その場合はFET9のドレインに、高電圧印加時にFET9が導通となってしまうためFET9のスイッチングロスが大きくなり、FET9は故障し最悪の場合は焼損してしまう。
The role of the
本発明では、上述した負荷の容量変動によって共振周波数がずれた場合に、不具合を発生させないため制御回路8では容量変化に対応する制御を行う。先ず、期間AでFET9が導通してインダクタ12に電流が流れている状他で、制御回路8はFET9のソースに接続された電流検出抵抗17の電圧を読み取り、FET9に流れる電流を検出する。制御回路8は、FET9に流れる電流が設定値以上となった場合にFET9を非導通とするように動作する。本実施形態では設定値を14Aとしている。FET9はドレイン電流19が14Aとなったときに非導通となり、期間Bに移行する。
In the present invention, when the resonance frequency is shifted due to the load capacitance variation described above, the
期間Bでは、電圧共振によってドレイン電圧22、電極15の電圧21が発生する。ドレイン電圧22と電圧21とは共振により一度増加するが、再度減少してドレイン電圧22が0Vとなった時点で期間Bに示す電圧共振は終了する。次に期間Cでは、電圧共振でドレイン電圧22が0V以下となると、回生用ダイオード10が導通してインダクタ12からの回生電流20を流し始める。インダクタ12に流れる回生電流20は、FET9の導通時にインダクタ12に流れる電流19とは逆向きに流れる。回生用ダイオード10に流れる回生電流は、電流20のように流れ始めは大きく、時間と共に減衰して最終的には0Aに達する。このときに制御回路8はドレイン電圧22が下降して0Vになったこと、かつ電流検出抵抗17に回生電流が流れていることで電圧共振の期間Bが終了したことを検知してFET9を導通させる。ノイズでの誤動作の心配がなく検出が安定している場合は、FET9の導通の条件は図4に示すフローチャートのようであってもよい。すなわち、ドレイン電流19の下降及びドレイン電圧22の0V検出を省略し、電流検出抵抗17に回生電流が流れていること、またはドレイン電圧22が0Vであることを検出することのみで電圧共振の期間Bが終了したと判断してFET9を導通させてもよい。
In the period B, the
次に、0Vになった回生電流は再度期間Aと同じ動作を繰り返すことで電極14,15間の放電が継続する。期間Aから期間Bに移行するときにFET9は導通から非導通となるが、このときのドレイン電圧22は0Vであるためスイッチング損失は発生しない。また期間Cから期間Aへの移行時は、期間CにFET9が導通するためドレイン電圧22は0Vであり、回生電流も回生用ダイオード10を流れているのでスイッチング損失は発生しない。従って、FET9でのスイッチング電力損失が少ないため、無駄な電力の消費が少なく省エネ効果があり、また電力損失がないためにインバータ25の発熱が少なく、放熱板や冷却のためのファンが簡易化または省略できる。
Next, the regenerative current that has reached 0 V repeats the same operation as in period A again, so that the discharge between the
次に、この制御回路8の動作を説明する。一般的な交流高圧電源は一定周期でPWM制御を行うことで負荷に放電を発生させるが、その際に発振周期がずれた場合は、スイッチング素子は電圧が0Vではないタイミングで導通や非導通の切り替えを行うハードスイッチング状態となる。そして、電力の損失やFET9の発熱を引き起こし、最悪の場合には焼損を引き起こすこととなる。本発明の特徴は、FET9及び回生用ダイオード10に流れる電流や電圧のみでFET9の導通と非導通とを切り替える。このため、例えば電極14,15で形成されるコンデンサの容量が経時変化した場合、環境要因が変化した場合、処理する記録媒体の誘電率が変化した場合でも最適なタイミングで切り替えが行われることとなる。以上の動作は図3のフローチャートに示した通りである。また、図4に示したフローチャートでも同じ動作となるが、ノイズ等で誤動作した場合には判断要因が多いため図3に示したフローチャートの方が信頼性は高い。ノイズ等の誤動作要因のない良好な環境であれば、図4に示したフローチャートでも十分である。
Next, the operation of the
次に、図5を用いて制御回路8の一例について説明する。制御信号23はインバータ25の駆動信号であり、停止時にはL、動作時にはHとすることでインバータ25の動作を制御することができる。制御信号23がLからHに変化すると、1ショットマルチバイブレータ24は一つだけパルスを出力し、AND回路42で制御信号23とAND信号を作成してOR回路27を経由してRSフリップフロップ31をセット状態にする。RSフリップフロップ31はセット状態になるとその状態を維持するためFETゲート駆動回路32がFET9のゲートを駆動してFET9を導通させる。
Next, an example of the
FET9が導通すると、ドレイン電流19をモニタする電流検出抵抗17の電圧を電流検出端子45でモニタし、ドレイン電流19が制御電流値に設定されている基準電圧50に達するとコンパレータ29が反転する。そしてRSフリップフロップ31のリセット端子をリセットし、RSフリップフロップ31がリセット状態となるとFETゲート駆動回路32はFET9を非導通に切り替える。FET9が非導通となるとコンパレータ29は再度Lになるが、RSフリップフロップ31はリセット状態を維持する。その後、LC共振が発生して制御回路8はFET9を非導通状態のままホールドするが、共振電圧がピークを過ぎて下降を始めると端子44の電圧からコンデンサ40と抵抗37との微分回路はマイナス方向の電圧を発生してコンパレータ43がHとなる。
When the FET 9 becomes conductive, the voltage of the current detection resistor 17 that monitors the drain current 19 is monitored by the
さらに共振により端子44の電圧が下がり0Vとなると、抵抗47,48とOPアンプ28とからなる増幅回路もHとなり、次に回生用ダイオード10に回生電流が流れると電流検出端子45はマイナスとなる。このためOPアンプ28はHとなり、制御信号23とコンパレータ43とOPアンプ49とOPアンプ28との出力のANDを取り、AND回路26はHとなりOR回路27を経由してRSフリップフロップ31をセット状態にさせる。そしてFETゲート駆動回路32をHとさせてFET9を導通させ、この状態からドレイン電流19が立ち上がって抵抗17の電圧が制御電流値に設定されている基準電圧50に達するまで動作するサイクルを繰り返す。このサイクルは、制御信号23をLとすることにより停止させることができる。
Further, when the voltage at the terminal 44 decreases to 0 V due to resonance, the amplifier circuit including the
上述の構成により本発明によれば、電界が変化すれば誘電体の帯電量が変わるため直流高圧電源でも誘電体バリア放電を発生でき、負荷変動が生じても効率や信頼性を損なわない安価で小型な誘電体バリア放電用の高圧電源を提供することができる。これにより誘電体バリア放電改質装置を画像形成装置に内蔵することができ大幅な小型化を達成することができると共に、様々な要因の変化に対応して電力調整を容易に行うことが可能な充電制御装置を提供することができる。 With the above configuration, according to the present invention, if the electric field changes, the amount of charge of the dielectric changes. Therefore, a dielectric barrier discharge can be generated even with a DC high-voltage power supply, and the efficiency and reliability are not impaired even if load fluctuation occurs. A small high-voltage power supply for dielectric barrier discharge can be provided. As a result, the dielectric barrier discharge reforming apparatus can be built in the image forming apparatus, so that a significant reduction in size can be achieved and power adjustment can be easily performed in response to changes in various factors. A charge control device can be provided.
また、スイッチング素子は電圧共振を用いて電圧がかかっていないときに導通への切り替えが行われるので、エネルギのロスや発熱が少ない電源を提供できると共に、信頼性や寿命が向上しかつノイズを少なくすることができる。また、フライバックコンバータ方式を採用することにより、回路構成が単純で小型化が達成でき、トランスの大きさや重さを半減することができると共に、電流値を任意に設定できるので他方式では困難な出力調整を容易に行うことができる。また、高圧電源が放電電極の静電容量を共振回路の共振要素として利用するので、負荷変動があった場合でも自動的に最適な動作を行うことができる。 In addition, since the switching element is switched to conduction when voltage is not applied by using voltage resonance, it can provide a power source with less energy loss and heat generation, improve reliability and life, and reduce noise. can do. Also, by adopting the flyback converter method, the circuit configuration is simple and downsizing can be achieved, the size and weight of the transformer can be halved, and the current value can be set arbitrarily, which is difficult with other methods. Output adjustment can be easily performed. Further, since the high-voltage power supply uses the capacitance of the discharge electrode as a resonance element of the resonance circuit, an optimum operation can be automatically performed even when there is a load change.
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本発明を適用する画像形成装置は、上述のタイプの画像形成装置に限らず、他のタイプの画像形成装置であってもよい。すなわち、本発明を適用する画像形成装置は、プリンタ、ファクシミリの単体、あるいはこれらの複合機、これらに関するモノクロ機やカラー機等の複合機であってもよい。その他、本発明を適用する画像形成装置は、電気回路形成に用いられる画像形成装置、バイオテクノロジー分野において所定の画像を形成するのに用いられる画像形成装置であってもよい。
本発明の実施の形態に記載された効果は本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and is described in the claims unless specifically limited by the above description. Various modifications and changes can be made within the scope of the present invention.
For example, the image forming apparatus to which the present invention is applied is not limited to the type of image forming apparatus described above, and may be another type of image forming apparatus. In other words, the image forming apparatus to which the present invention is applied may be a printer, a single facsimile, or a complex machine thereof, or a complex machine such as a monochrome machine or a color machine related thereto. In addition, the image forming apparatus to which the present invention is applied may be an image forming apparatus used for forming an electric circuit or an image forming apparatus used for forming a predetermined image in the biotechnology field.
The effects described in the embodiments of the present invention are only the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are not limited to those described in the embodiments of the present invention. .
8 制御手段(制御回路)
9 スイッチング素子(FET)
11 高圧電源
12,13 インダクタ
14,15 電極
41 出力トランス
8 Control means (control circuit)
9 Switching element (FET)
11 High
Claims (4)
前記スイッチング素子の電流や回生電流または一次側巻き線の電流を検出する電流検出手段と、
一次側の電圧が0Vまたは前記スイッチング素子のスイッチング損失で無視できる程度の低電圧であることを検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段で0Vまたは前記スイッチング素子のスイッチング損失で無視できる程度の低電圧を検出したときまたは前記電流検出手段で回生電流が流れていることを検出したときに前記スイッチング素子を導通させ、前記電流検出手段で前記スイッチング素子の電流が所定値となったときに前記スイッチング素子を非導通にさせる制御手段と
を有する高圧電源。 The primary side is driven by a switching element, the secondary side is provided with an electrode having a capacitance forming a resonance circuit with an inductor, the primary side winding has an output transformer having no neutral point,
Current detection means for detecting the current of the switching element, the regenerative current or the current of the primary winding;
Voltage detecting means for detecting that the primary side voltage is 0 V or a low voltage negligible due to the switching loss of the switching element;
When the voltage detection means detects 0 V or a low voltage that can be ignored by the switching loss of the switching element, or when the current detection means detects that a regenerative current is flowing, the switching element is turned on, A high voltage power supply comprising: a control unit configured to turn off the switching element when the current of the switching element reaches a predetermined value by the current detection unit.
前記スイッチング素子は電圧共振を用いて電圧がかかっていないときに導通への切り替えが行われることを特徴とする高圧電源。 The high-voltage power supply according to claim 1,
The high-voltage power supply, wherein the switching element is switched to conduction when voltage is not applied using voltage resonance.
フライバックコンバータ方式であることを特徴とする高圧電源。 The high-voltage power supply according to claim 1 or 2,
A high-voltage power supply characterized by a flyback converter system.
放電電極の静電容量を共振回路の共振要素として利用することを特徴とする高圧電源。 The high-voltage power source according to any one of claims 1 to 3,
A high-voltage power supply characterized in that the capacitance of a discharge electrode is used as a resonance element of a resonance circuit.
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