JP2005274886A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、スイッチング電源の平滑化コンデンサの突入電流とヒータ通電開始時の突入電流とを抑制することができる電源回路及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】抵抗４は、メインスイッチ１２がオンされたときに、整流器１７を介して入力側コンデンサ１８に突入電流が流入するのを抑制している。ヒータ１０は一方の端子が抵抗４の後段に接続され、さらに抵抗４と並列にトライアック１１が接続されている。また、ヒータ１０には、トライアック５が直列に接続されている。ヒータ１０及びトライアック５は、メインスイッチ１２及び抵抗４を介して、整流器１７と並列にＡＣ電源１に接続されている。トライアック５は、装置制御部９に接続されてオンオフ制御され、オン時にヒータ１０に通電する経路を形成する。ヒータ１０は抵抗４を介してＡＣ電源１に接続されているので、ヒータ１０の通電開始時には、抵抗４によりヒータ１０への突入電流の流入が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源回路に係り、特に、複写機、プリンタ、ファクシミリ等、画像定着用のヒータを備えた画像形成装置に使用される電源回路に関する。

複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置は、直流電源によって動作しており、これらの機器を動作させるために、スイッチング電源を用いて一般の家庭用又は商用の交流電源（ＡＣ電源）から定電圧の直流電源（ＤＣ電源）を作り出している。

スイッチング電源は、一般に、交流電源等の入力電源と、入力電源からの交流電流を整流する入力側整流器（ブリッジダイオード）と、整流された電流を平滑化する入力側コンデンサと、一次側巻き線が入力側コンデンサに接続された変圧器と、上記入力電源及び一次側巻き線と直列に接続されたスイッチング素子と、上記変圧器の二次側巻き線に生じた誘導電流を整流する出力側整流器と、整流された電流を平滑化する出力側コンデンサと、直流電流の出力電圧に応じて上記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部とで構成されている。

このスイッチング電源では、スイッチング素子をパルス信号でオン／オフ動作させると、変圧器の一次側巻き線にパルス電流が通電され、二次側巻き線に誘導起電力が生じる。そして、この誘導電流を整流、平滑化することにより、直流電圧を得ることができる。

しかしながら、上記構成のスイッチング電源では、画像形成装置のメインスイッチがオンされた直後に、入力側の平滑化コンデンサに突入電流が流れ込む、という問題があった。突入電流が大きいと、ヒューズ（Fuse）の断線、スイッチの溶着、ブリッジダイオードの破損、ブレーカの誤動作など、種々の障害が発生する。

従来、この突入電流を抑制するために、ブリッジダイオードの直前に抵抗等のインピーダンス素子が直列に接続されている。また、インピーダンス素子による電力の無駄な損失を低減するために、平滑化コンデンサが充電された後は、入力電流が抵抗を迂回する構成とすることもある。いずれの構成を採用するにせよ、入力側の平滑化コンデンサへの突入電流を抑制するためには、抵抗等のインピーダンス素子が必要となる。

一方、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置には、画像定着用のヒータが設けられている。このヒータには、メインスイッチやヒータ制御回路等を介してＡＣ電源が接続され、ＡＣ電源から電力が供給されている。

この画像定着用のヒータにも、通電を開始した直後に突入電流が流れ込む。突入電流が大きいと、ヒューズの断線、外部ブレーカの遮断の外、電源電圧にも変動をきたしフリッカと呼ばれる外部照明のちらつき等の障害が発生する。

ヒータの突入電流を抑制する方法としては、スイッチング電源の入力側の平滑化コンデンサの場合と同様に、ヒータに抵抗を直列に接続し、ヒータへの通電開始時には、この抵抗を介してヒータに電流が流れるように制御する方法が提案されている（特許文献１、２）。
特開平７−２７１４５３号公報 特開昭６３−３１０５８７号公報

しかしながら、ヒータ通電開始時の突入電流を抑制するために、スイッチング電源の平滑化コンデンサとは別に、専用の抵抗を備えた回路を構成したのでは、装置が大型化すると共に、部品点数が多くなり製造コストが増大する、という問題がある。

本発明は、上記課題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、簡単な構成で、スイッチング電源の平滑化コンデンサの突入電流とヒータ通電開始時の突入電流とを抑制することができる電源回路を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の電源回路は、ヒータを備えた画像形成装置に電力を供給する電源回路であって、交流電流を整流するための整流器と、該整流器で整流された電流を平滑化するコンデンサと、前記整流器に交流電流を通電する経路に設けられ、メインスイッチオン時に前記コンデンサへの突入電流を抑制するための突入電流抑制手段と、を備え、前記ヒータの通電開始時に、前記突入電流抑制手段を介して前記ヒータに交流電流を通電することを特徴としている。

上記の電源回路は、共通の突入電流抑制手段を用いて、メインスイッチオン時のコンデンサへの突入電流と、ヒータの通電開始時のヒータへの突入電流とを抑制する。これにより、簡単な構成で、スイッチング電源の平滑化コンデンサの突入電流とヒータ通電開始時の突入電流の両方を抑制することができる。

また、上記の電源回路は、前記ヒータに交流電流を通電する経路に設けられた第１のスイッチ素子と、前記突入電流抑制手段を迂回する経路に設けられた第２のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオンオフ制御する制御手段と、を更に備えていてもよい。

この場合、前記制御手段は、メインスイッチオン時から所定時間経過後に、前記突入電流抑制手段を迂回して前記整流器に交流電流が通電されると共に、前記ヒータの通電開始時に、前記突入電流抑制手段を介して前記ヒータに交流電流が通電され、前記ヒータの通電開始時から所定時間経過後に、前記突入電流抑制手段を迂回して前記ヒータに交流電流が通電されるように、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオンオフ制御する。

即ち、メインスイッチオン時には、第２のスイッチ素子をオフにしておいて、突入電流抑制手段を介して整流器に交流電流を通電し、突入電流を抑制する。そして、メインスイッチオン時から所定時間経過後に、第２のスイッチ素子をオンにして、突入電流抑制手段を迂回する電流経路を形成する。

一方、ヒータの通電開始時には、第２のスイッチ素子をオフに切り替えて、突入電流抑制手段を介してヒータに交流電流を通電する。そして、ヒータの通電開始時から所定時間経過後に、第２のスイッチ素子をオンにして、突入電流抑制手段を迂回する電流経路を形成する。

第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子を上記の通りオンオフ制御することで、突入電流抑制手段による無駄な電力損失を抑制すると共に、簡単な構成で、スイッチング電源の平滑化コンデンサの突入電流とヒータ通電開始時の突入電流の両方を抑制することができる。

前記突入電流抑制手段としては、抵抗、サーミスタ、コイル等を含む交流インピーダンス素子を用いることができる。また、前記スイッチ素子や前記第２のスイッチ素子としては、トライアック、サイリスタ、リレー等を用いることができる。

また、前記制御手段は、画像形成装置が待機状態にある場合にだけ、スイッチ素子をオンオフ制御するようにしてもよい。画像形成装置が待機状態にある場合は、画像形成動作時に比べヒータの温度が数十℃低下しており、突入電流が大きくなる。従って、この場合に限定して制御を実施しても、突入電流を抑制する効果は大きい。

上述した通り、本発明によれば、共通の突入電流抑制手段を用いて、コンデンサの突入電流とヒータの突入電流とを抑制することができる。即ち、簡単な構成で、スイッチング電源の平滑化コンデンサの突入電流とヒータ通電開始時の突入電流とを抑制する電源回路を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の電源回路を備えた画像形成装置（レーザビーム・プリンタ）の構成を示すプロック図である。このプリンタは、商用交流電源（ＡＣ電源）１に接続して使用され、スイッチング電源２を介して、直流出力をプリンタを構成する各部に供給している。スイッチング電源２の直流出力Ｖ_Hには、感光体ドラムを所定の電位に帯電させるための高電圧を発生させる高圧電源、かかる感光体ドラムやシート搬送ロール等を駆動するモータ、シート搬送経路を切り替えるための電磁クラッチ等の装置駆動部３が接続されている。

また、直流出力Ｖ_Lには、比較的電力消費の少ない装置、例えば、画像データに応じて感光体ドラムを露光するレーザビームスキャナ６、記録シートや画像濃度等を検出するための各種センサ類７、ユーザインターフェースである液晶表示パネル８、各種センサ類７や液晶表示パネル８から送られてくる入力信号に応じて、装置駆動部３やレーザビームスキャナ６等に、制御信号を送出する装置制御部９等が接続されている。

ＡＣ電源１とスイッチング電源２との間には、後述する通り、突入電流を抑制する突入電流抑制手段としての抵抗４と、第２のスイッチ素子としてのトライアック（ＴＲＣ）１１とが設けられている。トライアック１１は、抵抗４を迂回するために、抵抗４の両端子間を短絡する。また、抵抗４とスイッチング電源２との間には、トナー像を記録シートへ定着する加熱定着装置のヒータ１０が接続されており、かかる定着ヒータ１０には第１のスイッチ素子としてのトライアック（ＴＲＣ）５を介してＡＣ電力が供給されている。また、ＡＣ電源１の直後にはプリンタのメインスイッチ１２が設けられており、このメインスイッチ１２を切断することにより、上記スイッチング電源２及び定着ヒータ１０への電力供給が断たれるようになっている。

図２は、上記スイッチング電源２及びヒータ１０に電力を供給する電源回路の構成を示すものである。

ＡＣ電源１には、メインスイッチ１２及び抵抗４を介して入力側整流器１７が接続されている。整流器１７はＡＣ電源１から供給される交流電流を整流している。整流器１７で整流された電流は、入力側コンデンサ１８によって平滑化された後、変圧器１５の一次側巻き線Ｍ１に供給される。この一次側巻き線Ｍ１にはＦＥＴ等からなるスイッチング素子１６が直列に接続されている。

スイッチング素子１６はスイッチング制御部１９から発せられる高周波パルス信号によって高速でオン／オフのスイッチング動作を繰り返す。その結果、上記変圧器１５の一次側巻き線Ｍ１に高周波パルス電流が通電されて、二次側巻き線Ｍ２には誘導起電力が発生する。得られた誘導電流は出力側整流器２０によって整流され、更に出力側コンデンサ２１によって平滑化された後、直流電圧として装置に供給される。

また、上記スイッチング制御部１９は、伝達回路２２を介して電圧検出手段１４で検出された二次側の出力電圧を検知し、設定した出力電圧が得られるよう、スイッチング素子１９のオン／オフを制御する。

抵抗４は、メインスイッチ１２がオンされたときに、整流器１７を介して入力側コンデンサ１８に突入電流が流入するのを抑制している。また、抵抗４には、トライアック１１が並列に接続されている。トライアック１１は、装置制御部９に接続され、装置制御部９によりオンオフ制御されている。また、トライアック１１は、オン時に抵抗４の両端子を短絡して、抵抗４を迂回する経路を形成する。

ヒータ１０は、その一方の端子が、抵抗４の整流器１７側の端子に接続されると共にトライアック１１に接続されている。また、ヒータ１０の他方の端子には、トライアック５が直列に接続されている。ヒータ１０及びトライアック５は、メインスイッチ１２及び抵抗４を介して、整流器１７と並列にＡＣ電源１に接続されている。トライアック５は、装置制御部９に接続されてオンオフ制御され、オン時にヒータ１０に通電する経路を形成する。

この通り、ヒータ１０は抵抗４を介してＡＣ電源１に接続されているので、ヒータ１０の通電開始時には、抵抗４によりヒータ１０への突入電流の流入が抑制される。

次に、図３に示すタイミングチャートを参照しながら、図２に示す電源回路の動作について説明する。まず、プリンタのメインスイッチ１２がオンされると、このときトライアック１１はオフ状態であり、抵抗４を介して入力側コンデンサ１８への充電が開始される。抵抗４を介して電流が流入することで、入力側コンデンサ１８の突入電流が抑制される。一方、抵抗４が無い場合は、メインスイッチ１２を介して入力される入力電流Ｉは安定時の数十倍に跳ね上がる。

入力側コンデンサ１８の充電が完了すると、スイッチング制御部１９からパルス信号が発振され、スイッチング素子１６のオンオフ動作により、変圧器１５の一次側巻き線Ｍ１にパルス電流が通電されて、二次側巻き線Ｍ２には誘導起電力が誘導される。誘導電流は出力側整流器２０によって整流され、出力側コンデンサ２１によって平滑化された後、直流電圧として装置制御部９等に供給される。

変圧器１５の二次側の出力電圧が上述した電圧Ｖ_L（V）に達すると、装置制御部９が起動される。メインスイッチ１２がオンされてから装置制御部９が起動するまでの時間をｔ₁（秒）とすると、ｔ₁（秒）経過後に、装置制御部９からトライアック１１に制御信号が入力され、トライアック１１がオン状態となる。トライアック１１がオフ状態にある間は、入力電流Ｉが安定した後も抵抗４に電流が流れるため、電力損失が発生する。これに対し、トライアック１１がオン状態になると、入力電流は抵抗４を迂回してスイッチング電源２に供給され、抵抗４による電力損失はほとんど無くなる。

次に、装置制御部９からトライアック５に制御信号が入力され、トライアック５がオン状態となって、ヒータ１０への通電が開始される。トライアック５がオン状態となるｔ₂（秒）前に、装置制御部９からトライアック１１に制御信号が入力され、トライアック１１がオフ状態となる。トライアック１１は、トライアック５がオン状態となる直前又はトライアック５がオン状態となるのと略同時にオフ状態とされる。トライアック１１をオフ状態とすることで、抵抗４を介してヒータ１０に通電され、ヒータ１０の突入電流が抑制される。

ヒータ１０への通電が開始されてから突入電流が所望の値まで減少する時間をｔ₃（秒）とすると、ｔ₃（秒）経過後に、装置制御部９からトライアック１１に制御信号が入力され、トライアック１１がオン状態となる。トライアック１１がオン状態になると、入力電流は抵抗４を迂回してヒータ１０に供給され、電力損失が低減される。

次に、ヒータ１０への通電が開始されてからヒータ１０が所定温度に達するまでの時間をｔ₄（秒）とすると、ｔ₄（秒）経過後に、装置制御部９からトライアック５に制御信号が入力され、トライアック５がオフ状態となる。ヒータ１０のインピーダンスは、ヒータ１０の温度上昇と共に増加する。ヒータ１０が所定温度に達した後は、ヒータ１０自身が抵抗として機能するので、トライアック１１をオン状態に維持する。

以上説明した通り、上記の電源回路によれば、メインスイッチ１２のオン時に、抵抗４を介して入力側コンデンサ１８に電流を流すことで、入力側コンデンサ１８の突入電流を抑制することができる。また、ヒータ１０の通電開始時に、同じ抵抗４を介してヒータ１０に電流を流すことで、ヒータ１０の突入電流を抑制することができる。このように、抵抗４を共通としたことで、入力側コンデンサ１８及びヒータ１０の各々に突入電流を防止する専用の抵抗を設ける場合と比べて回路構成が簡単になる。また、突入電流を抑制した後は、トライアック１１をオン状態にして抵抗４を迂回するので、抵抗４による電力損失が低減される。

なお、上記の電源回路では、メインスイッチ１２がオンされた後、装置制御部９が駆動されるまで、トライアック１１をオン状態とすることができない。この点を改善するための回路構成を図４に示す。なお、図４では、変圧器１５の出力側の構成について図示を省略する。また、図２に示す回路と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。

この電源回路は、トライアック１１をオンオフ駆動するスイッチ回路２４を備えている。スイッチ回路２４は、装置制御部９に接続されてオンオフ制御され、制御部からの信号が無いときに閉じている（オン状態）タイプのスイッチ回路が使用される。例えば、通常接点が閉じているタイプのリレーやフォトカプラなどから構成される回路が使用される。

巻き線Ｍ３は、変圧器１５の一次側巻き線Ｍ１と共に変圧器２６を構成し、上記変圧器１５の一次側巻き線Ｍ１に高周波パルス電流が通電されると、巻き線Ｍ３に誘導起電力が誘導される。誘導電流は整流器２８によって直流に整流され、整流された電流はスイッチ回路２４を通過してコンデンサ３０により平滑化され、トライアック１１に供給される。なお、抵抗３２は、トライアックのゲート電流制限用に設けられている。

図４に示す電源回路では、プリンタのメインスイッチ１２がオンされると、このときトライアック１１はオフ状態であり、抵抗４を介して入力側コンデンサ１８への充電が開始される。抵抗４を介して電流が流れ込むことで、入力側コンデンサ１８の突入電流が抑制される。

入力側コンデンサ１８の充電が完了すると、スイッチング制御部１９からパルス信号が発信され、スイッチング素子１６のオンオフ動作により、変圧器１５の一次側巻き線Ｍ１にパルス電流が通電されて、巻き線Ｍ３に誘導起電力が誘導される。

誘導起電力は整流器２８によって整流され、スイッチ回路２４を通過して、コンデンサ３０によって平滑化された後、トライアック１１にゲート電流が供給される。これにより、トライアック１１がオン状態となり、入力電流は抵抗４を迂回してヒータ１０に供給され、電力損失が低減される。この構成では、装置制御部９が起動する前にトライアック１１をオン状態とすることができ、図２に示す回路よりも抵抗４による電力損失を低減することができる。

なお、上記の実施の形態では、突入電流抑制手段を抵抗とする例について説明したが、突入電流抑制手段は交流でインピーダンスを有していればよく、例えば、サーミスタ、コイル等の交流インピーダンス素子を用いることができる。

また、ヒータの突入電流を制限するための制御は、画像形成装置が待機状態（いわゆるスタンバイ・モード）にある場合（待機時）に限定して実施してもよい。ヒータの通電開始時には、抵抗に電流が流れるとスイッチング電源の一次側の電圧が低下する。出力負荷が重い場合は、これにより二次側の出力電圧が低下し、画像形成装置が不安定化する虞がある。

待機時には、画像形成時に比べ出力負荷は軽く、二次側の出力電圧が低下する可能性は小さい。その一方、待機時には、ヒータの温度が低下しており、突入電流が大きくなる。例えば、レーザビームプリンタの場合、プリント時のヒータ温度は約２００℃であり、待機時のヒータ温度は約１５０℃である。従って、上記制御を待機時に限定して実施しても、ヒータの突入電流を抑制する効果は大きい。また、待機時に限定することで、二次側の出力電圧の低下も防止することができる。

本発明の実施の形態に係る画像形成装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電源回路の構成を示す回路図である。 図２に示す電源回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 電源回路の変形例を示す回路図である。

符号の説明

１ ＡＣ電源
２ スイッチング電源
３ 装置駆動部
４ 抵抗
５ トライアック
９ 装置制御部
１０ ヒータ
１１ トライアック
１２ メインスイッチ
１５ 変圧器
１６ スイッチング素子
１７ ブリッジダイオード
１８ 入力側コンデンサ
１９ スイッチング制御部
２０ 出力側整流器
２１ 出力側コンデンサ
２４ スイッチ回路

Claims (7)

1. ヒータを備えた画像形成装置に電力を供給する電源回路であって、
   交流電流を整流するための整流器と、
   該整流器で整流された電流を平滑化するコンデンサと、
   前記整流器に交流電流を通電する経路に設けられ、メインスイッチオン時に前記コンデンサへの突入電流を抑制するための突入電流抑制手段と、
   を備え、
   前記ヒータの通電開始時に、前記突入電流抑制手段を介して前記ヒータに交流電流を通電することを特徴とする電源回路。
2. 前記ヒータに交流電流を通電する経路に設けられた第１のスイッチ素子と、
   前記突入電流抑制手段を迂回する経路に設けられた第２のスイッチ素子と、
   メインスイッチオン時から所定時間経過後に、前記突入電流抑制手段を迂回して前記整流器に交流電流が通電されると共に、前記ヒータの通電開始時に、前記突入電流抑制手段を介して前記ヒータに交流電流が通電され、前記ヒータの通電開始時から所定時間経過後に、前記突入電流抑制手段を迂回して前記ヒータに交流電流が通電されるように、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオンオフ制御する制御手段と、
   を更に備えた請求項１に記載の電源回路。
3. 前記突入電流抑制手段を、交流インピーダンス素子とした請求項１又は２に記載の電源回路。
4. 前記交流インピーダンス素子は、抵抗、サーミスタ、及びコイルの少なくとも１つを含んで構成される請求項３に記載の電源回路。
5. 前記スイッチ素子を、トライアック、サイリスタ、及びリレーからなる群から選択されるいずれか１つとした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電源回路。
6. 前記第２のスイッチ素子を、トライアック、サイリスタ、及びリレーからなる群から選択されるいずれか１つとした請求項２乃至５のいずれか１項に記載の電源回路。
7. 前記制御手段は、前記画像形成装置が待機状態にある場合に、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオンオフ制御する請求項２乃至６のいずれか１項に記載の電源回路。

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