JP2008281793A - 電力変換装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流、直流各電源毎に負荷を設ける必要もなく、一つの負荷に対して交流の主電源と直流の補助電源のいずれかを切り替え使用することで交流電力の投入量の上限に対処できるうえ、いずれの電源によっても等価な電力を供給できる電力変換装置等を提供する。
【解決手段】電力変換手段１１から負荷３に供給される電力が制御されるとともに、切り替え手段４３により切り替えられた交流電源１２からの電力供給時と直流電源１５からの電力供給時に、等価な電力が電力変換手段１１から負荷に供給されるように電力制御が行われる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、例えば、画像形成装置における熱定着装置の熱源等の負荷に電力供給するのに用いられる電力変換装置、及びこの電力変換装置を備えた画像形成装置に関する。

一般に、例えば画像形成装置における熱定着装置では、トナー像が転写された状態の記録紙を加熱ローラ及び加圧ローラ間に通過させながら該トナー像を定着させる熱ローラ方式やベルト方式の加熱手段が使用されており、電力負荷である熱源としては、ハロゲンヒータ等が使用されている。

ところで、画像形成装置では、前記熱定着装置での電力消費が大きなウェイトを占めていることから、この熱定着装置での電力消費の低減化を進めることが画像形成装置全体の省エネルギー化につながることになる。このため、例えば、熱定着動作の待機時に前記加熱ローラの温度を一定に保持させておくことにより、熱定着時に短時間で熱定着可能な温度に上げられるようにしてあるが、待機時に加熱ローラの温度を一定に保持させておくことにより、熱定着装置を使用しない状態でも電力（全体の７割程度）が消費される。

そこで、待機時の電力を削減するモード（低電力モードまたはスリープモード）を設けて省エネルギー化を図るのが一般的になっている。

しかし、熱定着装置における加熱ローラの温度が低下すると、次回使用時の待ち時間が長くなるため、加熱ローラの温度が低下した場合には、ウォームアップ時に大きな電力を投入して、定着可能な温度に一気に上昇させる方策が採られている。

また、ウォームアップ時間の短縮や省エネルギー化の要望から、急速加熱、高効率加熱が行える電磁誘導加熱方式が注目されているものの、日本国内では、一般的に、商用交流電源では定格１００Ｖ、１５Ａを使用することが多く、電力の最大投入量が限られているのが現状である。

これを改善するために、従来、熱定着装置では、直流の補助電源による補助熱源を別途用意し、主電源及び補助電源の双方の電力を熱源に供給することにより、前記ウォームアップ時間を短縮させる方法も知られている。

一方、従来、熱源に対して導通制御を行うとともに、熱源に対する電力供給時に交流／直流を切り替えるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１８４９６３号公報

しかし、上記した従来技術では、ウォームアップ時には、交流電源及び直流電源の両方を作動させなければならないうえ、主電源と補助電源に別々の熱源を設けていたから、構成が複雑になる。

また、前記特許文献１に記載された技術のように、単に熱源に対する電力供給時に交流／直流を切り替えるだけでは、交流の場合と直流の場合とで同じ規定電力値が得られないため、熱源に対する高精度な電力制御を行うことができない。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、交流、直流各電源毎に負荷を設ける必要もなく、一つの負荷に対して交流の主電源と直流の補助電源のいずれかを切り替え使用することで交流電力の投入量の上限に対処できるうえ、いずれの電源によっても等価な電力を供給できて熱源に対して高精度な電力制御を行うことができる電力変換装置及び電力変換方法を提供することを課題としている。

上記課題は、以下の手段によって解決される。
（１）負荷に対する交流電源からの電力供給と直流電源からの電力供給を切り替える切り替え手段と、前記切り替え手段により切り替えられた交流電源からの電力または直流電源からの電力を、調節可能に変換して負荷に供給する電力変換手段と、前記電力変換手段から負荷に供給される電力を制御するとともに、前記切り替え手段により切り替えられた交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時に、等価な電力が電力変換手段から負荷に供給されるように電力を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
（２）前記制御手段は、交流電源からの電力に切り替えられたときの電力変換手段の出力のピーク値と、直流電源からの電力に切り替えられたときの電力変換手段の出力のピーク値との比率を補正する電力制御を行うことで、等価な電力を負荷に供給する前項１に記載の電力変換装置。
（３）前記制御手段は、負荷に供給される電力の制御を、交流電源の半周期の整数倍を１単位として行う前項１または２に記載の電力変換装置。
（４）前項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置を備え、前記負荷が定着装置の加熱用熱源である画像形成装置。
（５）負荷に対する交流電源からの電力供給と直流電源からの電力供給を切り替えるステップと、切り替えられた交流電源からの電力または直流電源からの電力を、調節可能に変換して負荷に供給するステップと、前記変換ステップにより変換され負荷に供給される電力を制御するとともに、前記切り替えられた交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時に、等価な電力が負荷に供給されるように電力を制御するステップと、を備えたことを特徴とする電力変換方法。

前項（１）に記載の発明によれば、交流電源からの電力と直流電源からの電力のいずれか一方が切り替え手段を介して電力変換手段に入力されると、この入力が電力変換されて熱源等の負荷に供給される。制御回路は、電力変換手段から負荷に供給される電力を制御するとともに、切り替え手段により切り替えられた交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時に、等価な電力が電力変換手段から負荷に供給されるように電力を制御する。

つまり、交流電源及び直流電源毎に熱源を設けることなく、一つの共通負荷に対して、交流電源及び直流電源のいずれからも電力を供給でき、例えば、負荷への交流電源による電力供給に上限がある場合に、直流電源を利用して交流電源の場合と等価な電力を負荷へ供給することができる。しかも、交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時のいずれにおいても、等価な電力が電力変換手段から負荷に供給されるから、負荷に対する高精度な電力制御を行うことができる。

前項（２）に記載の発明によれば、制御手段は、交流電源からの電力に切り替えられたときの電力変換手段の出力のピーク値と、直流電源からの電力に切り替えられたときの電力変換手段の出力のピーク値との比率を補正する電力制御が行われることにより、交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時に、比較的簡単な制御で等価な電力を的確に負荷に供給することができる。

前項（３）に記載の発明によれば、負荷に供給される電力の制御が、交流電源の半周期の整数倍を１単位として行われるから、交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時に、等価な電力の負荷への供給を、確実に行うことができる。

前項（４）に記載の発明によれば、熱定着装置のウォームアップ時等に、交流電源での電力供給に上限がある場合に、直流電源を利用して交流電源の場合と等価な電力を熱定着装置の熱源へ供給することができる画像形成装置となしうる。

前項（５）に記載の発明によれば、負荷への交流電源による電力供給に上限がある場合に、直流電源を利用して交流電源の場合と等価な電力を負荷へ供給することができる。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、この発明に係る電力変換装置が用いられた画像形成装置の熱定着装置を示す概略構成図である。

図１において、この熱定着装置は、加熱ローラ１と、加圧ローラ２と、負荷である熱源としての加熱部３と、温度検出部４とを備えている。

前記加熱ローラ１は、図示しない回転駆動源による駆動力によって回転し、加圧ローラ２との間のニップ部５に、トナー像が転写された記録紙６を通過させた際に、加熱によって前記トナー像を記録紙上に画像として定着させるものである。

前記加熱部３は、加熱ローラ１を加熱するものであり、例えば加熱ローラ１を直接加熱する電磁誘導コイルが使用されている。勿論、熱源は電磁誘導コイルに限らず、ヒータのような発熱体等も採用可能である。また、この加熱部３を加熱ローラ１に内蔵した構成であってもよい。

前記温度検出部４は、前記加熱部３による加熱温度、つまり、加熱ローラ１の温度を検出するとともに、その温度検出信号を熱定着制御部（図２及び図３参照）２１に送出するようになっている。

ここで、従来一般の電力変換装置の一例を図２の電気的的構成を示すブロック図で説明する。

図２おいて、この電力変換装置は、交流電源１２と、電力変換手段としてのインバータ１１と、前記加熱部３と、前記温度検出部４と、熱定着制御部２１とを備えている。

前記インバータ１１は、交流電源１２から商用電力供給路１３を通じて供給された商用交流電力を図示しないスイッチング素子のスイッチング動作を利用して高周波の交番電力に変換して、高周波電力供給路１４を通じて前記加熱部３に供給するものである。

なお、スイッチング素子としては、例えばMOSFET、IGBT、トランジスタ等の公知のものが使用される。

前記熱定着制御部２１は、前記温度検出部４からの温度検出信号２２を受けて、出力電力制御信号２３を前記インバータ１４に送出して該インバータ１４の出力を制御する。

上記のように、交流電源１２から商用電力供給路１３を通じて供給された商用交流電力がインバータ１１により高周波電力に変換されて、高周波電力供給路１４を通じて前記加熱部３に供給され、該加熱部３の発熱作用により加熱ローラ１が加熱される。

加熱ローラ１の温度を検出した温度検出部４からの温度検出信号２２が前記熱定着制御部２１に出力されると、該熱定着制御部２１により温度検出値に応じた出力電力制御信号２３が前記インバータ１１に印加される。インバータ１１では、熱定着制御部２１からの出力電力制御信号２３に対応した高周波電力を発生する。

この高周波電力が高周波電力供給路１４を通じて前記加熱部３に供給されると、この加熱部３の発熱によって前記加熱ローラ１が加熱される。つまり、この加熱ローラ１は、温度検出部４と、熱定着制御部２１と、インバータ１１との制御ループにより一定温度に加熱制御される。

図３は、この発明の一実施形態における電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。

図３において、この電力変換装置においては、図２と同じ構成のインバータ１１や熱定着制御部２１等を備えている他に、前記交流電源１２の出力側に整流部４５が設けられており、また、直流電源としての蓄電部１５が設けられている。

また、前記インバータ１３に対する入力として、交流電源１２の出力か蓄電部１５の出力かを選択できるように、前記整流部４５の出力端と蓄電部１５の出力端を前記インバータ１３の入力端に選択的に切り替え接続可能な切り替え部４３が設けられている。この切り替え部４３は、前記熱定着制御部２１から送出される切り替え指示信号４４によって切り替えられるようになっている。

更に、前記インバータ１１の入力側と前記熱定着制御部２１との間には、入力検出部４１が介挿されている。この入力検出部４１は、前記インバータ１１の入力（入力電圧または入力電流）を検出して、入力検出信号４２を前記熱定着制御部２１に送出するようになっている。

更にまた、前記インバータ１１の出力側と前記熱定着制御部２１の入力側との間に、該インバータ１１から出力される高周波電力を検出する出力検出装置３１が介挿されている。この出力検出装置３１は、インバータ１１から出力される高周波電力を検出すると、出力検出信号３２を前記熱定着制御部２１に送出するようになっている。

出力検出装置３１は、インバータ１１からの高周波電力を検出する代わりに、インバータ１１の出力電流を検出するようにしてもよい。

前記熱定着制御部２１は、前記入力検出信号４２、出力検出信号３２、温度検出部４からの温度検出信号２２等を受領して、前記インバータ１１による高周波電力を任意の設定値に制御することができる。

また、その高周波電力を出力する際のインバータ１１への入力の種別を入力検出部４１の入力検出信号４２から判別し、インバータ１１からの高周波電力値及び周波数を前記出力検出装置３１の出力検出信号から確認することができる。さらに入力検出信号４２から、蓄電部１５が所定の閾値以上の出力を有しているかどうかを判断することもできる。

また、熱定着制御部２１は、温度検出部４からの温度検出信号２２を受けて規定温度値になるように高周波電力の制御を行う他に、入力検出部４１からの入力検出信号４２を受けてインバータ１１に対する入力の種別、つまり交流電源１２からの出力に切り替えられたか、蓄電部１５からの出力に切り替えられたかを確認して、交流電源１２の出力が選択されている場合には、蓄電部１５の場合と等価な高周波電力が出力されるようにインバータ１１を制御する。インバータに供給されている電力が交流電源１２からのものか蓄電部１５からのものかの判断は、画像形成装置の全体制御部等からの切り替え指令に基づいて行っても良い。

更に、熱定着制御部２１は、入力検出部４１の入力検出信号４２に基づいて、交流電源１２の周期を検出する。そして、交流電源１２の半周期にあたるＴ１（図４）時間の整数倍を１単位として、１単位毎に前記出力検出装置３１を介して前記インバータ１１からの高周波電力を検知し、その検知結果に従ってインバータ１１におけるスイッチング素子によるスッチング信号の出力波形を決定して前記インバータ１１から加熱部３に供給される電力の制御を行うようになっている。

なお、スイッチング信号については、通電幅を変えるＰＷＭ（Pulse Width Modulation)方式に基づく信号であっても良いし、周波数制御方式に基づく信号であってもよい。

また、前記熱定着制御部２１としては、熱定着装置のみを制御するものであっても良いし、画像形成装置の全体動作を制御する制御部により構成されても良い。

図４は、図３の電力変換装置における各部の波形図を示す。

図４において、波形１ａは、交流電源１２の整流（全波整流）出力電圧波形を示し、波形２ａは、蓄電部１５の出力電圧波形を示す。

また、波形１Ａは、交流電源１２からの電力に切り替えられた場合のインバータ１１の出力波形を示し、波形２Ａは、蓄電部１５からの電力に切り替えられた場合のインバータ１１の出力波形を示す。

インバータ１１への電力供給として、前記交流電源１２からの電力供給と蓄電部１５からの電力供給とが切り替えられたときに、前記インバータ１１からの出力が等価でないと、加熱部３に供給される電力が異なることになり、高精度な制御を行うことができない。

そこで、この実施形態では、交流電源１２からの電力に切り替えられた時に出力検出装置３１により検出されたインバータ１１の出力値（波形１Ａ）と、蓄電部１５からの電力に切り替えられた時に出力検出装置３１により検出されたインバータ１１の出力値（波形２Ａ）とが等価になるように制御される。

具体的には、前記交流電源１２からの電力に切り替えられた時のインバータ１１の出力電圧のピーク値をＷ１とし、蓄電部１５からの電力に切り替えられた時のインバータ１１の出力電圧のピーク値をＷ２とした場合、以下の式となるように、熱定着制御部２１によりインバータ１１を制御する。

Ｗ１／Ｗ２＝ｋ
（但し、ｋ：係数、理論的にはｋ＝√２であるが条件により任意に設定する）。

このように係数ｋを使って出力値が等価になるように補正する方法の他に、交流電源１２の一周期にわたってインバータ１１の高周波出力の全てのピーク電圧値を記憶することにより、補正しても良いし、出力検出装置３１によるインバータ１１の出力値の検出を時定数を利用した積分回路により行い、その結果に基づいて出力値が等価になるように補正してもよい。

上記構成の電力変換装置では、交流電源１２からの電力と直流電源である蓄電部１５からの電力とのいずれか一方が前記切り替え部４３により切り替えられて前記インバータ１１に入力される。

この選択された入力は、インバータ１１内部のスイッチング素子のスイッチング動作により高周波電力に変換されてから、前記加熱部３に供給されるから、この加熱部３が発熱し、前記加熱ローラ１が加熱される。

加熱ローラ１の温度が温度検出部４で検出されて、温度検出信号３２が前記熱定着制御部２１に印加される。また、入力検出部４１によりインバータ１１に対する入力種別が検出され、その入力検出信号４２が前記熱定着制御部２１に印加される。更に、出力検出装置３１によりインバータ１１からの出力が検出され、その出力検出信号３２が前記熱定着制御部２１に印加される。

前記熱定着制御部２１は、交流電源１２からの電力または蓄電部１５からの電力に切り替えられると、切り替え前の場合と等価な高周波電力がインバータ１１から出力されるように、インバータ１１を制御する。

このような構成により、一つの加熱部３に対して、交流電源１２からの電力と蓄電部１５からの電力のいずれの場合であっても、等価な高周波電力が加熱部３に供給される。従って、熱定着装置のウォームアップ時に交流電源１２からの電力供給に上限がある場合に、直ぐに蓄電部１５からの電力供給に切り替えて加熱部３に供給することができる。

図５は、熱定着制御部２１による電力制御処理を示すフローチャートである。

図５において、ステップＳ１では、前記熱定着制御部２１が前記温度検出部４からの温度検出信号２２を受領して、検出温度が規定値よりも高いか否かを判断する。

検出温度が規定値よりも高ければ（ステップＳ１でＹＥＳ）、ステップＳ３では、熱定着制御部２１は、出力電力制御信号２３により該インバータ１１から出力される電力値が削減されるように制御してから、ステップＳ４に進む。検出温度が規定値よりも低ければ（ステップＳ１でＮＯ）、ステップＳ２で熱定着制御部２１は、インバータ１１に対して出力電力制御信号２３により該インバータ１１から出力される電力値が増加されるように制御してから、ステップＳ４に進む。

なお、ステップＳ１では、検出温度の閾値を設けて、この閾値を判断基準としているが、複数の閾値を設定し、閾値毎に電力の増減量を変えるようにしてもよい。

ステップＳ４では、例えば画像形成装置の全体制御部から入力（電力供給）の切り替え指令が出されたか否かを判断し、切り替え指令がなければ（ステップＳ４でＮＯ）、ステップＳ６に進む。入力の切り替え指令があれば（ステップＳ４でＹＥＳ）、ステップＳ５では、切り替え部４３に切り替え指示信号４４を送出して切り替え動作を行わせてから、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、インバータ１１に対する電力供給が蓄電部１５からの電力供給であるか否かを判断し、蓄電部１５からの電力出力ではなく交流電源１２からの電力供給であれば（ステップＳ６でＮＯ）、ステップＳ７では、前記出力検出装置３１からの出力検出値（図４のピーク値Ｗ１）を係数ｋ倍（例えば√２倍）する決定を行い、ステップＳ９では、インバータ１１におけるスイッチング素子のスイッチング信号波形を決定したのち終了する。ステップＳ６において、蓄電部１５からの電力供給であれば（ステップＳ６でＹＥＳ）、ステップＳ８では、前記出力検出装置３１からの出力検出値（図４のピーク値Ｗ２）を補正することなくそのまま使用するものとし、ステップＳ９で、インバータ１１におけるスイッチング素子のスイッチング信号波形を決定したのち、終了する。

この発明の一実施形態に係る電力変換装置が用いられた画像形成装置における熱定着装置を示す概略構成図である。 従来一般に用いられている電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。 この発明の一実施形態に係る電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。 図３の電力変換装置における各部の波形図である。 熱定着制御部による電力制御処理を示すフローチャートである

符号の説明

３ 加熱部（熱源、負荷）
４ 温度検出部
１１ インバータ（電力変換手段）
１２ 交流電源
１５ 蓄電部
２１ 熱定着制御部
２２ 温度検出信号
３１ 出力検出部
４１ 入力検出部
４３ 切り替え部

Claims (5)

1. 負荷に対する交流電源からの電力供給と直流電源からの電力供給を切り替える切り替え手段と、
   前記切り替え手段により切り替えられた交流電源からの電力または直流電源からの電力を、調節可能に変換して負荷に供給する電力変換手段と、
   前記電力変換手段から負荷に供給される電力を制御するとともに、前記切り替え手段により切り替えられた交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時に、等価な電力が電力変換手段から負荷に供給されるように電力を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御手段は、交流電源からの電力に切り替えられたときの電力変換手段の出力のピーク値と、直流電源からの電力に切り替えられたときの電力変換手段の出力のピーク値との比率を補正する電力制御を行うことで、等価な電力を負荷に供給する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御手段は、負荷に供給される電力の制御を、交流電源の半周期の整数倍を１単位として行う請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置を備え、前記負荷が定着装置の加熱用熱源である画像形成装置。
5. 負荷に対する交流電源からの電力供給と直流電源からの電力供給を切り替えるステップと、
   切り替えられた交流電源からの電力または直流電源からの電力を、調節可能に変換して負荷に供給するステップと、
   前記変換ステップにより変換され負荷に供給される電力を制御するとともに、前記切り替えられた交流電源からの電力供給時と直流電源からの電力供給時に、等価な電力が負荷に供給されるように電力を制御するステップと、
   を備えたことを特徴とする電力変換方法。

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