JP2008281685A - 電源装置及びその制御方法、並びに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】他の電源装置を別途用いなくても、負荷への電力供給を連続して行うことができ、装置構成の簡素化等を実現する電源装置を提供する。
【解決手段】複数個のコンデンサで構成される電気二重層コンデンサにおいて、複数個の一部のコンデンサより負荷への電力供給が行われている時に、残りのコンデンサを充電するようにし、複数個の一部のコンデンサを用いて負荷への電力供給を行う。即ち、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７か、コンデンサ１０８のいずれかより電圧変換部１０９を介して負荷１０４に対して電力供給が行われる。これにより、別途主電源装置を用いずに、電気二重層コンデンサを有する電源装置から負荷に対して連続で電力供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層コンデンサ等のコンデンサを使用した電源装置及びその制御方法、並びに前記電源装置を備えた画像形成装置に関する。

従来より、電気二重層コンデンサ等、大容量の蓄電デバイスを使用した電源装置は知られている。一般に、電気二重層コンデンサは、電解液中に配置された２つの分極性電極を備え、各分極性電極近傍に形成される電気二重層により、Ｆ（ファラッド）オーダーの大容量を蓄電することが可能である。更に、電気二重層コンデンサは、充電可能な二次電池に比較して急速に充電でき、且つ長寿命であるため、二次電池に代わる電源装置として、注目を集めている。複写機やプリンタ等の画像形成装置においては、電気二重層コンデンサを定着加熱装置等に用いているものがある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来の画像形成装置の定着加熱装置の要部回路図であり、コンデンサを補助電源として利用したものである。図６は、従来の画像形成装置に係わる定着ローラの断面構成図である。

図５に示すが如く、加熱部５０２に主発熱体５０２ａと補助発熱体５０２ｂを設け、主発熱体５０２ａには主電源装置５０３から電力を供給し、補助発熱体５０２ｂには、コンデンサを有する補助電源装置５０４から電力を供給する。

加熱部５０２により加熱される定着ローラは、図６に示すように主発熱体５０２ａ及び補助発熱体５０２ｂによって加熱される加熱ローラ６０１と、該加熱ローラに対向して配置された加圧ローラ６０２とにより構成される。

定着の前工程の画像形成動作によってトナー像６０３が転写された記録紙６０４は、加熱ローラ６０１と加圧ローラ６０２の間に搬送され、一定温度に過熱された加熱ローラ６０１によりトナーを加熱溶融して記録紙６０４にトナー像を定着する。

加熱ローラ６０１は、鉄やアルミ等の金属ローラを主に使用しており、熱容量が大きいため、主発熱体５０２ａのみで加熱した場合、使用可能温度までに昇温するには長い時間を要することが想定される。この場合は、ユーザーの使い勝手を考慮し、加熱部の加熱を開始するときに、主電源装置５０３と補助電源装置５０４の両方から大容量の電力を供給して加熱部５０２を短時間で所定の温度に立ち上げている。

また、待機時には省エネルギーを考慮して加熱部５０２に電力を供給しないようメインスイッチ５０５をオフし、且つ切り換え装置５０７を充電器側に切り換えて補助電源装置５０４への充電を行っている。そして、補助電源装置５０４が有するコンデンサには、主として電気二重層コンデンサが使用されている。
特開２００２−１８４５５４号公報

しかしながら、電気二重層コンデンサは、そのパワー密度が充電可能な二次電池に比べて大きいため、大きな電流を取り出すことができる反面、このエネルギー密度は、二次電池に比べて小さいため、短時間しかエネルギーを取り出すことができない。従って、二次電池に比べ頻繁に充電を行うことが必要となる。

ところが、図５に示すような従来の定着加熱装置においては、補助電源装置５０４のコンデンサが充電領域を分けていない１ブロック構成であるため、該コンデンサの充電中はコンデンサから負荷の加熱部５０２に対して電力供給を行うことができない。そのため、定着加熱装置の電源装置として、補助電源装置５０４の他に主電源装置５０３を別途設ける必要があった。

上記従来の問題点に鑑み、本発明の電源装置及びその制御方法、並びに画像形成装置は、次のような点を目的とする。即ち、他の電源装置を別途用いなくても、負荷への電力供給を連続して行うことができ、装置構成の簡素化等を実現する。

上記目的を達成するため、本発明の電源装置は、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを充電するための充電手段と、前記複数のコンデンサの放電時に放電電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段とを備えた電源装置であって、前記複数のコンデンサにおける一部のコンデンサが放電状態にあるときに残りのコンデンサが充電状態となるように、前記複数のコンデンサの充電状態及び放電状態を選択的に切り換える切り換え手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明の画像形成装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置を備えたことを特徴とする。

また、本発明の電源装置の制御方法は、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを充電するための充電手段と、前記複数のコンデンサの放電時に放電電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段とを備えた電源装置の制御方法であって、前記複数のコンデンサにおける一部のコンデンサが放電状態にあるときに残りのコンデンサが充電状態となるように、前記複数のコンデンサの充電状態及び放電状態を選択的に切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、他の電源装置を別途用いなくても、複数のコンデンサを選択的に切り換えて負荷への電力を連続供給することができるので、装置構成の簡素化やコストダウン等を実現することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜電源装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係わる電源装置の構成を示すブロック図であり、図２は、図１中の充電部の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施の形態の電源装置１００は、例えば、画像形成装置における定着加熱装置の電源装置として適用され、交流電源１０１と負荷１０４との間に接続されている。負荷１０４は、画像形成装置における定着加熱装置の加熱部に相当する。

電源装置１００は、交流電源１０１に接続された充電部１０２を備えると共に、負荷１０４に接続された電圧変換部１０９を有している。そして、充電部１０２と電圧変換部１０９との間には、スイッチ素子部１０３を介して電気二重層コンデンサ１０６が接続されている。

充電部１０２は、交流電源１０１の交流電圧から充電用定電流を生成できる構成となっている。充電部１０２は、図２に示すように、整流用のダイオードブリッジ３０１と、平滑用のコンデンサ３０２と、非絶縁型の電圧変換部３０３とを備えている。この充電部１０２によれば、交流電源１０１より入力された交流電圧をダイオードブリッジ３０１で整流した後に、コンデンサ３０２で平滑する。そして、整流平滑された直流電圧を非絶縁型の電圧変換部３０３で定電流制御を行い、電気二重層コンデンサ１０６に充電電流を供給している。

電気二重層コンデンサ１０６は、互いに等しい容量の２個のコンデンサ１０７、１０８を備えている。スイッチ素子部１０３は、コンデンサ１０７及び１０８と充電部１０２との間に設けられたスイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２（第１のスイッチ部）を有する。さらに、コンデンサ１０７及びコンデンサ１０８と電圧変換部１０９との間に設けられたスイッチ素子ＳＷ３及びＳＷ４（第２のスイッチ部）を備えている。

スイッチ素子ＳＷ１は、スイッチ素子ＳＷ５を介してコンデンサ充電部１０２の電源ライン側に接続されている。そして、コンデンサ１０７のプラス側端子が接続された接点１と、コンデンサ１０８のプラス側端子が接続された接点２とを切り換える動作を行う。また、スイッチ素子ＳＷ２は、充電部１０２の（一次側）接地に接続されており、コンデンサ１０７のマイナス側端子が接続された接点３と、コンデンサ１０８のマイナス側端子が接続された接点４とを切り換える動作を行う。

同様にスイッチ素子ＳＷ３は、電圧反感部１０９の電源ライン側に接続されている。そして、コンデンサ１０７のプラス側端子が接続された接点５と、コンデンサ１０８のプラス側端子が接続された接点６とを切り換える動作を行う。また、スイッチ素子ＳＷ４は、電圧変換部１０９の（二次側）接地に接続されている。そして、コンデンサ１０７のマイナス側端子が接続された接点７と、コンデンサ１０８のマイナス側端子が接続された接点８とを切り換える動作を行う。上記各スイッチ素子ＳＷ１〜５は、スイッチ素子制御部１０５（スイッチング制御手段）により、後述するタイミングでスイッチング動作が切り換えられる。

また、電圧変換部１０９は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成されており、負荷１０４における電流が変動しても、定電圧を供給できる構成を備えている。

＜充放電切り換えタイミング＞
次に、各スイッチ素子ＳＷ１〜５を切り換えるタイミングについて、図３及び図４を参照して説明する。図３は、本実施の形態に係る電源装置の充放電切り換えタイミングを示すタイミングチャートである。また、図４は、本実施の形態に係る電源装置の充放電切り換え制御を示すフローチャートである。

（Ａ）期間０〜Ｔ１までの動作
まずは、図３において期間０〜Ｔ１までの動作について説明する。尚、説明を判り易くするために、ｔ＝０の時点では、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７の電圧Ｖａ＝０、コンデンサ１０８の電圧Ｖｂ＝Ｖｍａｘとする。Ｖｍａｘはコンデンサ１０７，１０８の充電電圧の上限値である。なお、この上限値はこれ以上充電しないという電圧、即ち充電を制限する値である。

期間０〜Ｔ１においては、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２は接点１／接点３側、スイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４は接点６／接点８側、スイッチ素子ＳＷ５はオンとなるようスイッチ素子制御部１０５より各スイッチ素子ＳＷ１〜５の制御が行われる。この状態では、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７は充電部１０２と接続され、充電が行われる。一方、コンデンサ１０８は電圧変換部１０９と接続され、放電が行われる。

図４においては、ステップＳ４０１からステップＳ４０２までが上述の期間０〜Ｔ１までの動作を示している。

（Ｂ）期間Ｔ１〜Ｔ２までの動作
次に、期間Ｔ１〜Ｔ２までの動作について説明する。前記期間０〜Ｔ１において、スイッチ素子制御部１０５は、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７の電圧ＶａがＶｍａｘ以上になっているかをモニタしている。そして、コンデンサ１０７の電圧ＶａがＶｍａｘ以上になった場合、スイッチ素子ＳＷ５をオフする制御を行う。本実施の形態では、ｔ＝Ｔ１の時点で、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７の電圧ＶａはＶｍａｘに達しており、この時点でスイッチ素子ＳＷ５がオンからオフに切り換わっている。このため、期間Ｔ１〜Ｔ２においては、コンデンサ１０７と充電部１０２との接続が切り離され、一定電圧Ｖｍａｘを維持する。

一方、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２及びスイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４については、期間０〜Ｔ１と同様、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２は接点１／接点３側、スイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４は接点６／接点８側となる。その結果、コンデンサ１０８は電圧変換部１０９と接続状態を維持し、放電が行われる。

図４においては、ステップＳ４０３からステップＳ４０４までが上述の期間Ｔ１〜Ｔ２までの動作を示している。

（Ｃ）期間Ｔ２〜Ｔ３までの動作
次に、期間Ｔ２〜Ｔ３までの動作について説明する。前記期間Ｔ１〜Ｔ２において、スイッチ素子制御部１０５は、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７の電圧ＶｂがＶｍｉｎ以下になっているかをモニタしている。そして、コンデンサ１０８の電圧ＶｂがＶｍｉｎ以下になった場合、スイッチ素子ＳＷ５をオンする制御を行う。本実施の形態では、ｔ＝Ｔ２の時点で、コンデンサ１０８の電圧ＶｂはＶｍｉｎに達しており、この時点でスイッチ素子ＳＷ５がオフからオンに切り換わっている。Ｖｍｉｎは放電電圧の下限値である。この下限値は、これ以下には放電しないという値、即ち放電を制限する値である。

一方、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２及びスイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４については、次のように制御される。即ち、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２は接点２／接点４側、スイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４は接点５／接点７側となるようスイッチ素子制御部１０５によりスイッチ素子の制御が行われる。この状態では、コンデンサ１０８は充電部１０２と接続され、充電が行われる。一方、コンデンサ１０７は電圧変換部１０９と接続され、放電が行われる。

図４においては、ステップＳ４０５からステップＳ４０７までが上述の期間Ｔ２〜Ｔ３までの動作を示している。

（Ｄ）期間Ｔ３〜Ｔ４までの動作
次に、期間Ｔ３〜Ｔ４までの動作について説明する。前記期間Ｔ２〜Ｔ３において、スイッチ素子制御部１０５は、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０８の電圧ＶｂがＶｍａｘ以上になっているかをモニタしている。電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０８の電圧ＶｂがＶｍａｘ以上になった場合、スイッチ素子ＳＷ５をオフする制御を行う。本実施の形態では、ｔ＝Ｔ３の時点で、コンデンサ１０８の電圧ＶｂはＶｍａｘに達しており、この時点でスイッチ素子ＳＷ５がオンからオフに切り換わっている。このため、期間Ｔ３〜Ｔ４においては、コンデンサ１０８と充電部１０２との接続が切り離され、一定電圧Ｖｍａｘを維持する。

一方、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２及びスイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４については期間Ｔ２〜Ｔ３と同様に次のように制御される。即ち、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２は接点２／接点４側、スイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４は接点５／接点７側となるので、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７は電圧変換部１０９と接続状態を維持し、放電が行われる。 図４においては、ステップＳ４０８からステップＳ４０９までが上述の期間Ｔ３〜Ｔ４までの動作を示している。

（Ｅ）期間Ｔ４〜Ｔ５までの動作
次に、期間Ｔ４〜Ｔ５までの動作について説明する。前記期間Ｔ３〜Ｔ４において、スイッチ素子制御部１０５は、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７の電圧ＶａがＶｍｉｎ以下になっているかをモニタしている。コンデンサ１０７の電圧ＶａがＶｍｉｎ以下になった場合、スイッチ素子ＳＷ５をオンする制御を行う。本実施の形態では、ｔ＝Ｔ４の時点で、コンデンサ１０７の電圧ＶａはＶｍｉｎに達しており、この時点でスイッチ素子ＳＷ５がオフからオンに切り換わっている。

また、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２及びスイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４については、次のように制御される。スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２は接点１／接点３側、スイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４は接点６／接点８側となるようスイッチ素子制御部１０５によりスイッチ素子の制御が行われる。この状態では、コンデンサ１０７は充電部１０２と接続され、充電が行われる。一方、コンデンサ１０８は電圧変換部１０９と接続され、放電が行われる。

図４においては、ステップＳ４１０から再びステップＳ４０１へ戻り、ステップＳ４０２までが上述の期間Ｔ４〜Ｔ５までの動作を示している。

（Ｆ）期間Ｔ５〜Ｔ６までの動作
次に、期間Ｔ５〜Ｔ６までの動作について説明する。前記期間Ｔ４〜Ｔ５において、スイッチ素子制御部１０５は、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７の電圧ＶａがＶｍａｘ以上になっているかをモニタしている。そして、コンデンサ１０７の電圧ＶａがＶｍａｘ以上になった場合、スイッチ素子ＳＷ５をオフする制御を行う。本実施の形態では、ｔ＝Ｔ５の時点で、コンデンサ１０７の電圧ＶａはＶｍａｘに達しており、この時点でスイッチ素子ＳＷ５がオンからオフに切り換わっている。このため、期間Ｔ５〜Ｔ６においては、コンデンサ１０７と充電部１０２との接続が切り離され、一定電圧Ｖｍａｘを維持する。

一方、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２及びスイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４については期間Ｔ２〜Ｔ３と同様、次のように制御される。即ち、スイッチ素子ＳＷ１／ＳＷ２は接点１／接点３側、スイッチ素子ＳＷ３／ＳＷ４は接点６／接点８側となるので、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０８は電圧変換部１０９と接続状態を維持し、放電が行われる。

図４においては、ステップＳ４０３からステップＳ４０４が上述の期間Ｔ１〜Ｔ２までの動作を示している。ｔ＝Ｔ６以後は、期間Ｔ２からＴ６までと同様の動作が繰り返し行われる。

＜本実施の形態に係る利点＞
本実施の形態によれば、複数個のコンデンサで構成される電気二重層コンデンサにおいて、一部のコンデンサより負荷への電力供給（コンデンサの放電状態）が行われている時（放電時）には、残りのコンデンサを充電状態にする。即ち、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサ１０７か、コンデンサ１０８のいずれかより、電圧変換部１０９を介して負荷１０４に対し電力供給が行われる。これにより、従来別途設けていた主電源装置を用いずに、電気二重層コンデンサを有する電源装置から負荷に対して連続で電力供給を行うことが可能になる。

このように、電気二重層コンデンサのように大容量のコンデンサに蓄積された電気エネルギーを有効に取り出し、負荷への電力を連続供給することが可能となるため、従来で使用していた主電源装置が不要となる。そのため、装置構成の簡易化やコストダウン等を実現することが期待できる。

尚、本実施の形態では、電気二重層コンデンサ１０６のコンデンサが２個の構成になっているが、コンデンサの個数を３個以上用いた構成で、負荷１０４に対して連続して電力供給を行うことも可能である。

実施の形態に係わる電源装置の構成を示すブロック図である。 図１中の充電部の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る電源装置の充放電切り換えタイミングを示すタイミングチャートである。 実施の形態に係る電源装置の制御を示すフローチャートである。 従来の画像形成装置の定着加熱装置の要部回路図である。 従来の画像形成装置に係わる定着ローラの断面構成図である。

符号の説明

１００ 電源装置
１０１ 交流電源
１０２ 充電部
１０３ スイッチ素子部
１０５ スイッチ素子制御部
１０６ 電気二重層コンデンサ
１０７、１０８ コンデンサ
１０９ 電圧変換部

Claims (5)

1. 複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを充電するための充電手段と、前記複数のコンデンサの放電時に放電電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段とを備えた電源装置であって、
   前記複数のコンデンサにおける一部のコンデンサが放電状態にあるときに残りのコンデンサが充電状態となるように、前記複数のコンデンサの充電状態及び放電状態を選択的に切り換える切り換え手段を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記切り換え手段は、
   前記充電手段と前記複数のコンデンサとの間に接続された第１のスイッチ部と、
   前記電圧変換手段と前記複数のコンデンサとの間に接続された第２のスイッチ部と、
   前記第１と第２のスイッチ部のスイッチング動作を制御するスイッチング制御手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記複数のコンデンサは、電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
5. 複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを充電するための充電手段と、前記複数のコンデンサの放電時に放電電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段とを備えた電源装置の制御方法であって、
   前記複数のコンデンサにおける一部のコンデンサが放電状態にあるときに残りのコンデンサが充電状態となるように、前記複数のコンデンサの充電状態及び放電状態を選択的に切り換えることを特徴とする電源装置の制御方法。

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