JP5060422B2 - プリント配線基板及び該プリント配線基板を有する装置 - Google Patents
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Description
実施形態1に従うプリント配線基板は、ASICやCPU等を搭載した信号制御系回路部とモータ等の数A程度以上の電流が流れるパワー系回路部とが混在したプリント配線基板である。すなわち、プリント配線基板には、第1系統及び第2系統を含む少なくとも2系統の直流電源を供給する電源供給装置から前記少なくとも2系統の直流電源が供給される。そして、プリント配線基板からは、作動電流が流れて機械的に作動する手段または機械的な作動によって作動電流が流れる手段を有する作動装置に、前記第1系統の直流電源により発生する制御信号と前記第2系統の直流電源により発生する作動電流とを供給される。
図1は、実施形態1のプリント配線基板を含む装置の構成の一例としての、画像形成装置の一種であるレーザビームプリンタのユニット構成及びGND接続構成を部分的に示したものである。
図2Aは、図1で示した装置の回路構成を実現する、プリント配線基板のGNDパターン配線例を模式的に示したものである。なお、図1と同様の要素には同じ参照番号が付されている。
上記図1及び図2Aでは、パワー系回路としてモータユニット12のみをエンジンコントローラ11に接続した例を示した。しかし、その他にもパワー系回路を搭載した複数のパワー系ユニットがエンジンコントローラ11に接続された場合の一例を、図2Bに示す。図2Bにおいて、図2Aと同様の機能を果たす要素には同じ参照番号が付されている。
以下に、実施形態1のプリント配線基板を含む装置の動作例及びその作用効果を詳細に説明する。なお、エンジンコントローラ11に1つのモータユニット12のみを接続した図2Aの例も、複数のパワー系ユニット12〜15を接続した図2Bの例も、素子の数や配置及び各素子の特性値の選定に差異があるが、その動作原理や作用効果は同様である。
まず、本実施形態のエンジンコントローラ11がノイズ干渉を抑制する効果について説明する。尚、説明の便宜上、図1及び図2に示した本実施形態のエンジンコントローラ11を、従来のエンジンコントローラと対比させながら説明する。
図9及び図10に、従来のエンジンコントローラ111の具体的な接続回路例を示す。図9及び図10においては、既に図1及び図2において説明した内容と同じ構成要素や信号には同じ参照番号や参照記号を付し、その説明は省略する。
本実施形態のエンジンコントローラ11は、図1及び図2Aに示すように、SGND2とPGND2とがエンジンコントローラ11内のパターン配線では非接続状態であり、且つ並列接続された抵抗器R10及びコンデンサC10を介して接続されている。回路20から出力された制御信号は、モータ制御駆動回路23に入力され、PGND3を介した経路で帰還電流が戻っていく。
次に、モータの起動電流やインタロックスイッチSW1のオフ/オン動作時等において、KHz帯域の大電流が流れた場合について説明する。以下では、インタロックスイッチのオフ/オンによる大電流が流れる場合の例を用いて説明する。
図9に示す従来のエンジンコントローラ111で、インタロックスイッチSW1がオフ状態からオンする。そうすると、電源ユニット10の電解コンデンサC2からエンジンコントローラ111を介して、モータユニット12の電解コンデンサC3に急速に電荷がチャージアップされる。このチャージ電流は、モータユニット12のPGND3から寄生インダクタンスL47、L46、L44、L43、L42、L41を介して、電源ユニット10の電解コンデンサC2に戻っていく。寄生インダクタンスL41〜L47は、パターン配線長やパターン幅、線径や線長にも依るが、KHz帯域でそれぞれ数mΩ〜数十mΩ程度のインピーダンスとなる。従って、インタロックスイッチSW1のオンによるラッシュ電流(100μs程度に)が100A流れた場合には、1V〜数V程度の電位がエンジンコントローラ111のPGND2に発生する。
図1に示す本実施形態のエンジンコントローラ11で、インタロックスイッチSW1がオフ状態からオンされる。すると、電源ユニット10の電解コンデンサC2からエンジンコントローラ11を介して、モータユニット12の電解コンデンサC3に急速に電荷がチャージアップされる。このチャージ電流は、モータユニット12のPGND3から寄生インダクタンスL47、L46、L45、L42、L41を介して、電源ユニットの電解コンデンサC2に戻っていく。寄生インダクタンスL41、L42、L45、L46、L47は、パターン配線長やパターン幅、線径や線長にも依るが、KHz帯域でそれぞれ数mΩ〜数十mΩ程度のインピーダンスとなる。従って、インタロックスイッチSW1のオンによるラッシュ電流(100μs程度の)が100A流れた場合には、1V〜数V程度の電位がエンジンコントローラ11のPGND2に発生する。
また、SGND2とPGND2との間が数Ω程度の直流抵抗で接続されている。そのために、どちらかのGNDが検査工程や製造上のトラブルや断線等によって、装置のGNDから非接続状態となった場合においても、GNDの片浮きを防止することができる。その結果、+3.3V系と+24V系のインタフェース部等に電気的なストレスを与えることから回避することが可能となる。
尚、上述の説明では、抵抗器R10を用いた構成について説明を行った。
以上述べたように、本実施形態では、MHz以上の高周波帯域で動作する+3.3Vの信号制御系回路と数A以上の電流が流れる+24Vのパワー系回路が混在するエンジンコントローラ基板において、両GNDを互いに独立した配線パターンで構成する。そして、+3.3V系回路のGNDと+24V系回路のGNDとの間には、数MHz以上の高周波帯域でインピーダンスが数Ω以下になるコンデンサおよびこのコンデンサに並列に接続された数Ω程度の抵抗器とが接続される。
実施形態2に従うプリント配線基板は、ASICやCPU等を搭載した信号制御系回路部とモータ等の数A程度以上の電流が流れるパワー系回路とが混在したプリント配線基板である。そして、信号制御回路部用のGND配線パターンとパワー系回路部用のGNDパターンとを、プリント配線基板内の配線パターンまたは配線プレーンでは互いに独立して構成することを特徴とする。且つ、並列に接続されたバイパスコンデンサ及びダイオードを用いて各GNDパターン間を接続することを特徴とする。
図4は、実施形態2のプリント配線基板を含む装置の回路構成の一例としてのレーザビームプリンタのユニット構成及びGND接続構成を部分的に示したものである。
本実施形態のエンジンコントローラ16は、図4に示すように、+3.3V信号制御系のSGND2と+24Vパワー系のPGND2とがパターン配線では非接続状態である。且つ、SGND2とPGND2とがダイオードD10、D11及びコンデンサC10を用いて接続されている。
次に、モータの起動電流やインタロックスイッチSW1のオフ/オン動作時等において、KHz帯域の大電流が流れた場合について説明する。以下では、インタロックスイッチSW1のオフ/オンによる大電流が流れる場合の例を用いて説明する。
この時に、カソード端子とアノード端子の電位差がVf以上とならなければ、ダイオードD10、D11は断の状態である。従って、モータユニット12の電解コンデンサC3からエンジンコントローラ16のSGND2を介して電源ユニット10の電解コンデンサC2に戻る電流経路のインピーダンスは非常に高くなり、ほとんど電流が流れない。つまり、ラッシュ電流により、エンジンコントローラ16のPGND2にラッシュ電流×(L41、L42、L45〜L47の直流抵抗成分+寄生インダクタンス)の電位が生じる。しかし、SGND2とPGND2間の電位差がダイオードD10又はD11のVf電圧以下である場合には、KHz帯域ではほとんど電流は流れず、ノイズ干渉を大きく抑制することが可能となる。その結果、+24V系にラッシュ電流が流れることによってPGND2の電位が上昇した場合においても、+3.3V系のSGND2の電位は安定に保持されることが可能となる。
次に、PGND2に流れるラッシュ電流が非常に大きいために、SGND2に対するPGND2の電位上昇がダイオードD10のVf電圧以上となる場合の例について説明する。
実施形態2のエンジンコントローラ16は、+3.3V系のSGND2と+24V系のPGND2間で双方向に電流が流れるようにダイオードが接続されている。そのために、どちらかのGNDが検査工程や製造上のトラブルや断線等によって、装置のGNDである電源ユニット10から非接続状態となった場合においても、このダイオードを介して接地されているため、GNDの片浮きを防止することができる。
以上述べたように、本実施形態に従えば、MHz以上の高周波帯域で動作する+3.3Vの信号制御系回路と数A以上の電流が流れる+24Vのパワー系回路が混在するエンジンコントローラ基板で、両GNDが互いに独立した配線パターンで構成する。且つ、+3.3V系回路のGNDと+24V系回路のGND間は、数MHz以上の高周波帯域でインピーダンスが数Ω以下になるコンデンサおよびこのコンデンサに並列に接続されたダイオードとが接続される。
実施形態3に従うプリント配線基板は、ASICやCPU等を搭載した信号制御系回路部とモータ等の数A程度以上の電流が流れるパワー系回路部とが混在したプリント配線基板である。そして、信号制御回路部用のGND配線パターンとパワー系回路部用のGNDパターンとを、プリント配線基板内の配線パターンまたは配線プレーンでは互いに独立して構成することを特徴とする。且つ、各GNDパターン間を抵抗器を用いて接続するとともに、信号制御系回路及びパワー系回路の異なる系統の電源とGND間あるいは電源と電源間をバイパスコンデンサで接続することを特徴とする。
図6、図7、図8は、プリント配線基板を含む装置の回路構成の一例としてのレーザビームプリンタのユニット構成及びGND接続構成を部分的に示したものである。なお、図1において説明した内容と同じ構成要素や信号には同じ参照番号や参照記号を付し、その説明は省略する。
(+24V系の電源とSGND2とをコンデンサで接続した例)
図6のエンジンコントローラ17は、+24V系の電源配線パターンと+3.3V系のGND配線パターンSGND2間をコンデンサC16を用いて接続したものである。
図7のエンジンコントローラ18は、+24V系のGND配線パターンPGND2と+3.3V系の電源配線パターン間を、コンデンサC17を用いて接続されたものである。
図8のエンジンコントローラ19は、+24V系の電源配線パターンと+3.3V系の電源配線パターン間をコンデンサC18を用いて接続したものである。
また、実施形態3の構成では、実施形態1と同様に、抵抗器R10がPGND2とSGND2の間に接続されている。そのため、モータユニット12のPGND3に発生したラッシュ電流は、エンジンコントローラのSGND2を介した経路、つまり寄生インダクタンスL26,L25、L22〜L20、L40の経路で電解コンデンサC2へ戻っていく方の比率が低く抑制される。すなわち、ラッシュ電流は、寄生インダクタンスL47〜L45、L42、L41の経路で電解コンデンサC2へ戻っていく。
また、実施形態3の構成では、実施形態1と同様に、+3.3V系のSGND2と+24V系のPGND2間が数Ω程度の直流抵抗で接続されている。そのために、どちらかのGNDが検査工程や製造上のトラブルや断線等によって、装置のGNDから非接続状態となった場合においても、GNDの片浮きを防止することができる。従って、+3.3V系と+24V系のインタフェース部等に電気的なストレスを与えることから回避することが可能となる。
以上述べたように、本実施形態に従えば、MHz以上の高周波帯域で動作する+3.3Vの信号制御系回路と数A以上の電流が流れる+24Vのパワー系回路が混在するエンジンコントローラ基板において、両GNDが互いに独立した配線パターンで構成される。且つ、+3.3V系回路のGNDと+24V系回路のGND間は、数MHz以上の高周波帯域でインピーダンスが数Ω以下になるコンデンサおよびこのコンデンサに並列に接続された数Ω程度の抵抗器とが接続される。
11 エンジンコントローラ
12 モータユニット
16 エンジンコントローラ
17 エンジンコントローラ
18 エンジンコントローラ
19 エンジンコントローラ
20 信号制御系回路
21 パワー系回路
22 モータ
23 モータ制御駆動回路
31 線材
32 線材
35 線材
36 線材
111 エンジンコントローラ
Claims (17)
- 第1系統及び第2系統を含む少なくとも2系統の直流電源を供給する電源供給装置から前記少なくとも2系統の直流電源が供給され、作動電流が流れて機械的に作動する手段または機械的な作動によって作動電流が流れる手段を有する作動装置に、前記第1系統の直流電源により発生する制御信号と前記第2系統の直流電源により発生する作動電流とを供給するように構成されたプリント配線基板であって、
前記第1系統の電源配線と前記第1系統のGND配線との対と、前記第2系統の電源配線と前記第2系統のGND配線との対とを有し、
前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線とは、前記プリント配線基板内で独立した配線パターンまたは配線プレーンで構成されており、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線との間は、kHz以下の低周波のノイズ電流を阻止すると共に両端の電位差を所定値以下に制限する制限素子及び前記制限素子に並列に接続された少なくとも1つの容量性素子を介して接続されていることを特徴とするプリント配線基板。 - 前記少なくとも1つの容量性素子は、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線との間に直列に接続された複数の容量性素子であることを特徴とする請求項1に記載のプリント配線基板。
- 前記制限素子は、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線とが前記電源供給装置の対応するGND配線と接続する前記プリント配線基板の位置の近傍に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載のプリント配線基板。
- 前記制限素子は抵抗器であり、
前記抵抗器の抵抗値は、前記抵抗器で生じる電圧降下が前記プリント配線基板に搭載される回路の誤動作を防止する第1抵抗値以上であって、前記第1系統のGND配線または前記第2系統のGND配線のいずれか一方が前記電源供給装置のGND配線と非接続となる状態において、前記抵抗器に電流が流れることによって前記抵抗器の両端に生じる電位差が前記第1系統の電源電圧と前記第2系統の電源電圧との低い方の電圧以下となる第2抵抗値以下の範囲に選定されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプリント配線基板。 - 前記制限素子はインダクタンス素子であり、
前記インダクタンス素子のインピーダンス値は、前記インダクタンス素子で生じる電圧降下が前記プリント配線基板に搭載される回路の誤動作を防止する第1インピーダンス値以上であって、前記第1系統のGND配線または前記第2系統のGND配線のいずれか一方が前記電源供給装置のGND配線と非接続となる状態において、前記インダクタンス素子に電流が流れることによって前記インダクタンス素子の両端に生じる電位差が前記第1系統の電源電圧と前記第2系統の電源電圧との低い方の電圧以下となる第2インピーダンス値以下の範囲に選定されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプリント配線基板。 - 前記制限素子は双方向に並列に接続されたダイオードであり、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線間をいずれの方向からも電流が流れるように接続されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプリント配線基板。
- 前記制限素子は前記第2系統のGND配線から前記第1系統のGND配線に電流が流れる方向に接続されたツェナーダイオードであり、
前記ツェナーダイオードは、前記第1系統のGND配線または前記第2系統のGND配線のいずれか一方が前記電源供給装置のGND配線と非接続となる状態において、前記ツェナーダイオードに電流が流れることによって前記ツェナーダイオードの両端に生じる電位差が前記第1系統の電源電圧と前記第2系統の電源電圧とのいずれか低い方の電圧以下の範囲となるように選定されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプリント配線基板。 - 前記第1系統のGND配線または前記第2系統のGND配線の間に前記制限素子と直列に接続された抵抗器を含むことを特徴とする請求項6または7に記載のプリント配線基板。
- 電源配線が配線パターンまたは配線プレーンで少なくとも2系統に独立または分岐され、GND配線が配線パターンまたは配線プレーンで接続された、第1系統及び第2系統を含む少なくとも2系統の直流電源を供給する電源供給部と、前記少なくとも2系統の直流電源が供給されるプリント配線基板と、前記電源供給装置と前記プリント配線基板とを接続する線材と、作動電流が流れて機械的に作動される手段または機械的な作動によって作動電流が流れる手段を有する作動部とを備えた装置において、
前記プリント配線基板が、
前記第1系統の電源配線と前記第1系統のGND配線との対と、前記第2系統の電源配線と前記第2系統のGND配線との対とを有し、
前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線とは、前記プリント配線基板内で独立した配線パターンまたは配線プレーンで構成されており、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線との間は、kHz以下の低周波のノイズ電流を阻止すると共に両端の電位差を所定値以下に制限する制限素子及び前記制限素子に並列に接続された少なくとも1つの容量性素子を介して接続されていることを特徴とする装置。 - 前記少なくとも1つの容量性素子は、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線との間に直列に接続された複数の容量性素子からなることを特徴とする請求項9に記載の装置。
- 前記制限素子は、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線とが前記電源供給部の対応するGND配線と接続する前記プリント配線基板の位置の近傍に配置されていることを特徴とする請求項9または10に記載の装置。
- 前記制限素子は、抵抗器、インダクタンス素子、双方向に並列に接続されたダイオード、前記第2系統のGND配線から前記第1系統のGND配線に電流が流れる方向に接続されたツェナーダイオードのいずれかであることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第1系統の電源配線および前記第1系統のGND配線は制御信号を生成して伝達する信号制御系回路へ電源供給として接続され、前記第2系統の電源配線および前記第2系統のGND配線はパワー系回路である大電流回路への電力供給として接続されることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載の装置。
- 前記信号制御系回路は、MHz帯域以上の基本波成分を備えた信号回路、A/Dコンバータ回路、D/Aコンバータ回路、マイクロコントローラ、ASICのいずれかを含むことを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記大電流回路は、KHz帯域の基本波成分を備えた回路であって、モータ、アクチュエータ、開閉動作するスイッチの下流に容量性素子が構成される回路を含むことを特徴とする請求項13または14に記載の装置。
- 前記プリント配線基板が少なくとも2つの前記作動部と各線材で接続された装置であって、
前記各線材が接続された前記プリント配線基板の各線材の接続個所の近傍に、前記第1系統のGND配線と前記第2系統のGND配線を接続する容量性素子をそれぞれ設けていることを特徴とする請求項9乃至15のいずれか1項に記載の装置。 - 前記装置はレーザビームプリンタを含む画像形成装置であることを特徴とする請求項9乃至16のいずれか1項に記載の装置。
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