JP2007124739A - 電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】スタンバイ時の電力が低減でき、更なる省エネ化を図ることができる電気機器を提供すること。
【解決手段】主電源装置と、該主電源に並列に接続され、充電と放電を行うことが可能な容量性充放電装置と、該容量性充放電装置の充電と放電を制御する充放電制御回路とを備えた制御ユニットを有する電気機器において、前記容量性充放電装置の充電されている電荷量を検出する充電電圧検出手段と、該電気機器の設置された条件に応じて該容量性充放電装置の満充電レベルを切り替える補助的な電力を供給する充放電可能なコンデンサを有する電気機器において、該電気機器の周囲環境を検知する環境センサによって得られた信号によって、該コンデンサの充電量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、充放電可能な容量性負荷を有する電気機器に関するものである。

従来から一般的に電気機器装置には装置全体へ供給する電力を司るＡＣをＤＣに変換する主電源装置を有しており、この主電源装置からあらゆる制御回路や電気部品への供給が行われている。

しかしながら、電源の容量は電気負荷で使用される電力量に基づいてピーク値等を考慮して一意に決定されているものであり、それより過大な電源を用いると電源自体の効率が悪くなり、電気機器全体のエネルギー消費が大きくなってしまう傾向がある。又、家庭やオフィス内で一般的に使用されるコンセントの差込口には使用電力の制限があるので、その値を超えないように装置の電力値が決められる。例えば、日本国内の一般オフィスでは１００Ｖ／１５Ａが一般的であり、その値以内での使用に限定される。

一方、画像形成装置等の定着ヒーター等の放熱ヒーターを有する機器では、前記の主電源で消費されるエネルギーの他に、直接ＡＣでヒーターを駆動するため、その消費電力が必要である。このＡＣ分と主電源の消費電流がコンセントの規定電流値を超えないように設計しなければならない。

しかし、画像形成装置の定着ヒーターは２００℃前後の目標温度が設定されており、目標ヒーターが所定の電力値で上記の所定温度まで立ち上げるためには数分という立ち上げ時間が必要である。立ち上げ時間を短縮させるためには投入する電力を大きくすることが必要である。電力を大きくするため、２系統のコンセントを使用したり、ＡＣ電圧を大きくするような工事を行うことは、根本的な解決にはなっていない。更に、このように大電力を急激に与えようとすると、発熱部材のオーバーシュート量が大きくなり、安全装置が働き易くなるという不具合があった。これを解決するため、主電源装置とは別に充放電可能な大容量コンデンサを補助的に使用することが特許文献１に示されている。

この大容量コンデンサは、電気二重層キャパシタ等の大容量コンデンサを用いているため、充放電がほぼ無制限で、充電特性の劣化が殆どない。更に、数十アンペア〜数百アンペアの大電流を流すことが可能で短時間の電力供給が可能である。

この充放電可能な大容量コンデンサに対して、機器が使用されていない待機時に充電を行い、次回の機器の立ち上げ時等に補助電力として放電されて使用される。そのため、立ち上げ時にはヒーターには大電力が入力可能になり、目標温度までの立ち上げ時間が短縮されるという利点があり、更に待機時の電力を極限まで落としても立ち上げ時間が短いためユーザーに不快感を与えないので、消費エネルギーの低減が可能という利点がある。
特開２００３−２９７５２６号公報

前記のコンデンサの充電は、機器の待機時に行われ、その充電容量はコンデンサの容量の１００％を常に充電してその一部を使用している。しかしながら、立ち上げ時に毎回必要な電力は殆ど変化することがなく、そのヒーターの立ち上げ時間は機器の設置されている環境によって異なる。例えば、低温環境下では立ち上げ初期の温度が低いために立ち上げ時間は長くなり、投入電力を大きくする必要がある。

一方、高温環境下では補助電力が少ない状態で立ち上げが可能である。そのため、コンデンサに充電されている電力は過充電となって、使用しない電力まで充電されることになり、スタンバイ時に充電に使用される電力に無駄が生じる。

特許文献１には複数のキャパシタセルを持つコンデンサユニットを有する画像形成装置が提案されている。この提案では放電時に複数のキャパシタセルの接続を可変にすることができる。そのため、出力電流を制御することが可能となり、ヒーターの立ち上げ時に電力が過大に掛かってしまうために生じるオーバーシュートを抑制することができるようになる。

しかしながら、この方法でも充電時はコンデンサ容量の１００％を充電することになるので、充電時に掛かるエネルギーは変わらないで、使わない電力が保持され続けることになり兼ねない。

又、充電時間はコンデンサの容量に応じて数十秒〜数分掛かってしまうため、充電されている間は完全に電源を落とすことができず、充電時間分の待機時間が必要となってしまい待機時間分の電力消費が生じる。

又、メイン電源スイッチがオフされた状態では常にコンデンサが１００％充電されていることになるため、廃棄時には作業者が電極を触らないように注意しなければならず、又、その電荷を抜くための作業が必要になり、充電が多いほど空にする時間が掛かってしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、スタンバイ時の電力が低減でき、更なる省エネ化を図ることができる電気機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、主電源装置と、該主電源に並列に接続され、充電と放電を行うことが可能な容量性充放電装置と、該容量性充放電装置の充電と放電を制御する充放電制御回路とを備えた制御ユニットを有する電気機器において、前記容量性充放電装置の充電されている電荷量を検出する充電電圧検出手段と、該電気機器の設置された条件に応じて該容量性充放電装置の満充電レベルを切り替えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、該電気機器の周囲環境温度または周囲環境湿度を検出する環境センサと、該環境センサの検出信号に応じて容量性充放電装置の満充電レベルを決定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記容量性充放電装置には該電気機器の待機状態時に充電され、該容量性充放電装置に充電された充電電力が供給されるヒーターと、該ヒーターによって暖められる加熱部材と、該加熱部材の温度を検出する温度検出素子と、該温度検出素子の検出温度によって容量性充放電装置の満充電レベルを決定することを特徴とする。

本発明によれば、機器の設置された状態に応じてコンデンサの充電される電荷を制御するため、スタンバイ時の充電に必要以上の電力を投入する必要がなくなる。それによって、スタンバイ時の電力が低減でき、更なる省エネ化を図ることができる。

又、環境センサによって機器の周囲環境を検知することで、地域環境によって立ち上がり時間が異なったり、使用する電力が異なる場合に補助電力として使用する電力を制御可能になるため、地域間で動作が安定した装置を提供可能である。そのため、ユーザーに機器の立ち上がり等の待ち時間に感じる不快感を解消可能である。

更に、ヒーターの温度を検知し、その温度によって待機時に充電する電力量を制御することで、ヒーターが待機時に冷えてしまった場合に次に立ち上げる場合に必要な電力を充電し、待機時の充電に費やされる電力を制限可能で更に有効な省エネになる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
一般的な電気機器の例として画像形成装置の電源構成ブロック図を図１に示す。

ＡＣの入力部１０１から入力されたＡＣは、ノイズフィルタ１０２とメインｓｗ１０９を介して主電源部１０３に入力される。そして、主電源部１０３によってＡＣからＤＣへの変換が行われ、本体制御部１０４や負荷１０５へ入力される。

一方、ノイズフィルタ１０２と主電源部１０３の間から分岐し、主電源部１０３がオンしたことによってオンされるリレー１１０を介してＡＣドライバ部１０６へＡＣは入力され、定着ヒーター１０７や結露防止ヒーター１０８等へ入力される。ヒーターは、上記の２種類だけではなく、除湿等の目的に用いられるものでも良い。ＡＣドライバ部１０６は、本体制御部１０４から制御可能で、定着ヒーター１０７や結露防止ヒーター１０８のオンオフ制御を行う。又、本体制御部１０４は、負荷系１０５をオンオフすることができる。

一方、本発明を用いた画像形成装置の電源構成ブロック図を図２に示す。

図示する１０１〜１１０の構成は図１と同じであるため説明を省略する。入力されたＡＣは、フィルタ１０２から更に分岐して充電用リレー１１１に接続される。充電用リレー１１１は、本体制御部１０４によってオンオフ制御が可能となっており、充電用リレー１１１がオンされるとコンデンサ１１２へ充電される。

一方、本体制御部１０４は、放電用リレー１１３のオンオフも可能であり、任意のタイミングによって充電用リレー１１１と放電用リレー１１３の切り替えをすることが可能である。それによって、コンデンサ１１２へ充電を行う、若しくはコンデンサ１１２から放電を行うこととなる。放電時は定着ヒーター１０７に対して行われる。このとき、コンデンサ１１２は、結露防止ヒーター１０８に対しての接続があってそれに対しても放電を行っても良い。更に、本体制御部１０４は、充電量検知素子１１４の検知信号が入力されており、コンデンサ１１２への充電量が検知可能となっている。

図３に本体制御部１０４の内部ブロック図を示す。

制御を司るＣＰＵ２０１と、それに接続される、内部ソフトプログラムを格納するＲＯＭ２０２と、一時的な設定値を保持するＲＡＭ２０３がある。又、外部負荷１０５を駆動するドライバ２０６等も付加されている。更に、ＣＰＵ２０１は、ＡＣドライバ１０６、充電用リレー１１１や放電用リレー１１２のオンオフを行う他、様々な検知信号を作り出すセンサ２０５の出力状態を検知したり、機器の周囲温度や湿度等の環境を検知する環境センサ２０４の信号を受け、それに応じたプログラムを動作させることで機器を動作させる。

本体メインスイッチ１０９のオン時、つまり本体の立ち上げ時のヒーター１０７への投入電力値は通常一定である。このときのヒーター１０７の温度上昇は図４のＴ＝常温時のカーブに示すように時間軸に対してほぼ直線的に上昇する。ヒーター１０７のターゲット温度はＴtargetであるため、Ｔ＝常温時の立ち上がり時間はｔ＝ｔ０となる。

しかしながら、周囲環境がＴ＝Ｔ１＜＜常温の時は初期温度が低く、又、周囲環境によって立ち上がりの傾きが小さくなり、その立ち上がり時間はｔ＝ｔ１＞ｔ０となる。

一方、周囲環境がＴ＝Ｔ２＞＞常温の時は初期温度が高く、立ち上がり時間もｔ＝ｔ２＜＜ｔ０となる。つまり、Ｔ＜＜常温の時に立ち上がり時間が長くなり、ユーザーに不快感を与えることとなる。そのため、通常は立ち上がり時間の短縮のためにスタンバイ時にもヒーター１０７の温調を行わなくてはならず、そのために待機時の電力が大きくなるという問題がある。

図４のＴ＝Ｔ１＜＜常温時の電力を増加させた場合、図５に示すように通常はＷ＝Ｗ１の立ち上がりカーブで立ち上げるので、立ち上がり時間はｔ１となる。しかし、Ｗ＝Ｗ２＞Ｗ１の電力を掛けると立ち上がりカーブの傾きが変化して立ち上がり時間はｔ３＜ｔ１となる。このように立ち上げ時の電力を増加させることで、立ち上げ時間の短縮化を図ることができる。このとき、立ち上げ時間を所定値に以下にしたいとき、環境温度を検知することでヒーターに掛ける電力を見積もることができる。

図６に異なる環境下で立ち上がり時間を同じくするための電力設定のグラフを示す。

環境温度Ｔが異なる場合の投入電力は、常温の立ち上がり時間をｔ４として、立ち上がり目標時間が常温で立ち上げた場合と同じくｔ＝ｔ４とする。この常温時の投入電力はコンデンサ１１２を使用しない電力Ｗ０であるとする。環境温度ＴがＴ＝Ｔ１＜＜常温のときは立ち上がり時間が遅くなるため、通常に掛ける電力Ｗ０にＷα分を足した値を投入することで立ち上がり時間をｔ４以内にすることが可能である。

一方、Ｔ＝Ｔ２＞＞常温時は立ち上がり時間がｔ＝ｔ５となって常温よりも早くなるため、コンデンサ１１２を使用しなくても良い。不足分のＷαの電力値は立ち上がりの傾きを予測して求める。例えば、Ｔ＝常温時の傾きをＡとすると、Ｔ＝Ｔ１＜＜常温時に同じ立ち上がり時間ｔ４でＴtargetにするためには、そのときの傾きＢは常温をＴ０とするとＢ＝Ａ＋（Ｔ０−Ｔ１）／ｔ４となるため、（Ｔ０−Ｔ１）／ｔ４分を補える電力Ｗαが必要となる。

コンデンサ１１２は、この不足分のＷαを補える分だけの電荷を充電できていれば良い。よって、ブロック図２に示すように、コンデンサ１１２への充電量を検知できるような充電量検知素子１１４を持っている。この検知素子１１４は、コンデンサの電圧を検知するような電圧検知手段でも良く、ピックアップコイルのような誘導性のもので充電時の電流を監視するものでも良く、その積分値からコンデンサ１１２の充電量を知ることができる。

コンデンサ１１２の充電量がＷαを補える分だけ充電し終わると、本体制御部１０４は、充電器１１１をコンデンサ１１２から切り離して充電を完了する。充電量検知素子１１４は、本体の待機状態時にも監視して、コンデンサ１１２の漏れ電流によって充電量が徐々に減ってきた場合にも常にＷαを維持する必要がある。

このシーケンスを図８に示すフローチャートを用いて説明する。

機器が待機状態になると、環境温度Ｔが充電が必要な温度Ｔｓ以下であるか否かを判断し（Ｓ１０２）、環境温度Ｔ＞Ｔｓである場合には、充電器１１１をオフして（Ｓ１０３）、待機状態を持続させる（Ｓ１１１）。

一方、Ｓ１０２において、Ｔ＜Ｔｓである場合には、充電器をオンして前述したように充電電力がＷαになるまで充電を続ける（Ｓ１０４）。充電中にユーザーが使用することによって機器が待機状態から復帰させられると（Ｓ１０５）、通常動作では電力が必要となるため一度充電器を切り離し（Ｓ１０６）、動作を行う（Ｓ１０７）。通常動作が終わったら再び充電器をオンして充電を再開する（Ｓ１０８）。充電が目標値に達するまで充電を続け（Ｓ１０９）、充電器を切り離すことで充電を完了し（Ｓ１１０）、待機状態を維持する。充電時の途中でメインスイッチ１０９がオフされたときも充電電力を検知しているため、メインスイッチ１０９が再オンされた後に、続きから充電を開始することが可能となる。

＜実施の形態２＞
図７は本発明における画像形成装置の定着部電源構成を示す。

加熱対象部材である定着ローラ３０１の内部に発熱体であるヒーター３０２が配置されており、ヒーター３０２に対してＡＣドライバ３０３からＡＣ電源が供給される。又、ＡＣドライバ３０３に並列に配置された充放電可能な大容量コンデンサ３０４が配置されている。大容量コンデンサ３０４は、スイッチリレー３０５によってヒーター３０２への接続と非接続を切り替えており、スイッチリレー３０５は、図示しない本体制御部にて制御可能である。又、大容量コンデンサ３０４は、充電回路３０７に接続されており、画像形成装置の待機状態等、消費電力が小さい時に大容量コンデンサ３０４の充電を行う。

ヒーター３０２は、ＡＣドライバ３０３及び大容量コンデンサ３０４にて通電されると発熱され定着ローラー３０１を加熱する。定着ローラ３０１は、記録紙が画像形成後に加熱定着させるのに必要な温度まで加熱する必要があり、その表面の温度をサーミスタ３０６にて監視して加熱と非加熱の制御を本体制御部１０４にて制御する。サーミスタ３０６は、記録紙が定着時に接触する範囲内で定着ローラ３０１表面の近傍に配置されて周囲環境の影響を受けないようにし、接触若しくは非接触の素子のどちらでも良い。又、ヒーター３０２は、単なる抵抗体であっても良く、誘導加熱コイルであっても良い。

定着ローラ３０１が目標温度まで立ち上がる間のユーザーの不快感を解消するために、定着ローラ３０１の立ち上がり時間を早めることが必要である。そのためには、定着ローラ３０１の材質や厚さを変更することによって熱伝導を良くすることが考えられるが、更に立ち上げ時間を早めるために立ち上げ時に大容量コンデンサ３０４に蓄えられた電荷を利用する。

しかし、定着ローラ３０１の立ち上がり時間は立ち上げ時の定着ローラ３０１の表面温度によって変動するため、大容量コンデンサ３０４から使用される電力を定着ローラ３０１の表面温度によって変更する必要がある。つまり、定着ローラ３０１が冷えるに従って立ち上げる時の電力は大きくする必要が生じる。

定着ローラ３０１の表面温度はサーミスタ３０６の検知電圧を本体制御部１０４にて検知することで判断する。本体の待機時にはヒーター３０２の通電を切ることによって、サーミスタ３０６の検知温度は徐々に低下していく。この温度低下は定着ローラ３０１の材質や厚みによって異なるが、数１０分で常温に近づく。再立ち上げ時に投入する電力は、本体で使用される電力が少ない待機時に大容量コンデンサ３０４に充電するように制御される。

しかし、立ち上げ時に必要な電力は定着ローラ３０１の表面温度にて決定されるため、大容量コンデンサ３０４に充電される電荷量はサーミスタ３０６の検知温度によって制御を行う。定着温度が下がるに連れて大容量コンデンサ３０４の充電量を増加させて次の立ち上げ時に十分な電荷を蓄えることで、再立ち上げ時に有効な電力分だけ充電することが可能である。

充電時には、充電量検知手段３０８によって大容量コンデンサ３０４に充電している電荷量を検知する。待機時は充電量が本体制御部１０４で設定された値になるまで充電を行うが、充電が完了した状態で待機時間が長いと、コンデンサ３０４からの漏れ電荷があるために徐々に充電量が少なくなってしまう。このときも、充電量を一定に保つように本体制御部１０４にて制御され常に所定量の充電がなされていることになる。

従来の電気機器の電源部ブロック図である。 本発明の電気機器の電源部ブロック図である。 本発明の本体制御部の内部ブロック図である。 従来の周囲環境別のヒーター立ち上がり時間を示すグラフである。 本発明の投入電力を変更したときの立ち上がり時間を示すグラフである。 本発明の環境別に制御後の立ち上がり時間を示すグラフである。 本発明の実施の形態２における画像形成装置の定着部のブロック図である。 本発明の実施の形態１における制御シーケンスを示したフローチャートである。

符号の説明

１０１ ＡＣコネクタ
１０２ ノイズフィルタ
１０３ 主電源
１０４ 本体制御部
１０５ 負荷
１０６ ＡＣドライバ
１０７，１０８ ヒーター
１０９ メインスイッチ
１１０ リレー
１１１ 充電器
１１２ コンデンサ
１１３ 放電用リレー
１１４ 充電量検知素子
２０１ ＣＰＵ
２０２ ＲＯＭ
２０３ ＲＡＭ
２０４ 環境センサ
２０５ 一般センサ
２０６ ドライバ
３０１ 定着ローラ
３０２ 加熱ヒーター
３０３ ＡＣドライバ
３０４ 大容量コンデンサ
３０５ スイッチリレー
３０６ サーミスタ
３０７ 充電回路
３０８ 充電量検知手段

Claims (3)

1. 主電源装置と、該主電源に並列に接続され、充電と放電を行うことが可能な容量性充放電装置と、該容量性充放電装置の充電と放電を制御する充放電制御回路とを備えた制御ユニットを有する電気機器において、
   前記容量性充放電装置の充電されている電荷量を検出する充電電圧検出手段と、該電気機器の設置された条件に応じて該容量性充放電装置の満充電レベルを切り替えることを特徴とする電源ユニットを備えた電気機器。
2. 該電気機器の周囲環境温度または周囲環境湿度を検出する環境センサと、該環境センサの検出信号に応じて容量性充放電装置の満充電レベルを決定することを特徴とする請求項１記載の電気機器。
3. 前記容量性充放電装置には該電気機器の待機状態時に充電され、該容量性充放電装置に充電された充電電力が供給されるヒーターと、該ヒーターによって暖められる加熱部材と、該加熱部材の温度を検出する温度検出素子と、該温度検出素子の検出温度によって容量性充放電装置の満充電レベルを決定することを特徴とする請求項１記載の電気機器。

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