JP2011021995A

JP2011021995A - 特性劣化検知回路及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2011021995A
Application number: JP2009167074A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Hikosaka; 浩文彦坂; Kazuhiko Kawasaki; 川崎　　和彦
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】アルミニウム電解コンデンサの特性劣化を確実に検出することができる特性劣化検出回路を提供する。
【解決手段】三相ブラシレスＤＣモータ１０９は、近傍に配置された回路基板１０２のＭＯＳＦＥＴアレイ１０４により、スイッチング駆動される。回路基板１０２より離れた位置にある定電圧源１０１からの給電電圧の安定化のため、アルミニウム電解コンデンサ１０３が搭載される。コンデンサ１０５はアルミニウム電解コンデンサ１０３の陰極側と比較器１０８をＤＣ分離する。比較器１０８の逆相入力はＢＩＡＳ１０６によりＤＣバイアスが印加され、比較器１０８の正相入力には基準電圧としてＢＩＡＳ１０６にしきい値１０７を加算した電圧を印加する。これによりＢＡＩＡＳ１０６が変動してもしきい値１０７との電圧差は一定に保たれる。また比較器１０８の出力は劣化検知信号１１０となりアルミニウム電解コンデンサ１０３の劣化を検出すると出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、特性劣化検知回路及び画像形成回路に関し、さらに詳しくは、電源電圧を安定化するために備えられたアルミニウム電解コンデンサの特性劣化状態を検知する検知回路と、それを備えた画像形成装置に関するものである。

アルミニウム電解コンデンサは、環境温度の変動及びリプル電流が大きな使用条件においては寿命に与える影響が大きいため、アルミニウム電解コンデンサを使用する装置側で、アルミニウム電解コンデンサの寿命を予測して装置寿命以上のアルミニウム電解コンデンサを選択したり、又は定期的に交換するなどの対応が必要となる。
しかしながら、アルミニウム電解コンデンサの寿命は、一般的に周波数１２０Ｈｚでの静電容量の変化率および損失角の正接により規定されることが多く、ＰＷＭ方式ブラシレスＤＣモータおよび定電流方式ステッピングモータの駆動回路にて使用される数十ｋＨｚ程度のスイッチング周波数での経時的特性変化が、装置が必要とする特性を満たすか不明である。リプル電流の多い条件では低ＥＳＲのアルミニウム電解コンデンサを選択することが有効であるが、ＥＳＲの上昇の影響は装置使用条件における温度上昇試験などにより予測するしかないのが現状である。

また、アルミニウム電解コンデンサは、その構造により、他のコンデンサと比較して大きなＥＳＲを持つため、周波数特性が劣り、初期特性においても数十ｋＨｚ程度の周波数において静電容量の低下が見られる。従って、画像形成装置内のモータ駆動回路に使用されるアルミニウム電解コンデンサは、上記のようなさまざまな制約を考慮して選択されるため、必要以上の静電容量および寿命に対するマージンを持つこととなる。また、画像形成装置内には多数のモータ駆動回路が搭載され、モータ駆動回路毎あるいはモータ駆動回路２から３回路に１個のアルミニウム電解コンデンサを使用しているため、複数のアルミニウム電解コンデンサ同士が相補的に働き、ある特定のアルミニウム電解コンデンサが寿命に達しても、装置動作に異常が見られず、最終的にアルミニウム電解コンデンサが短絡故障あるいは防爆弁動作という事故につながる可能性がある。
そこで、アルミニウム電解コンデンサの寿命を予測するために、特許文献１にはスイッチング電源の寿命予測回路について開示されている。即ち、スイッチング電源の出力平滑コンデンサのノイズ除去能力の低下によるリプルノイズの電圧振幅の増加により、アルミニウム電解コンデンサの寿命予測をするものである。
また、特許文献２にはスイッチング電源の出力電圧平滑部に使用されるアルミニウム電解コンデンサについて、リプル電圧の振幅変化を検知することによるアルミニウム電解コンデンサの寿命を検知する技術が提案されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、アルミニウム電解コンデンサは高周波特性が劣るため、ノイズ除去の用途には向かない。そのため、リプルノイズ除去のために高周波特性に優れるフィルムコンデンサを並列接続した回路構成にするため、リプルノイズの電圧振幅の増加を正確に検知できないため寿命予測が困難であるという問題がある。
また、特許文献２に開示されるコンデンサ寿命予測装置は、スイッチング電源の出力平滑コンデンサのリプル電圧の振幅増加により、アルミニウム電解コンデンサの寿命予測をするもので、リプル電圧の振幅増加はアルミニウム電解コンデンサの静電容量低下およびＥＳＲの上昇に起因する現象である。画像形成装置のモータ駆動回路に使用されるアルミニウム電解コンデンサの場合、スイッチング駆動されるモータ電流の急峻な変化に対し、電源からの出力電流がラインインピーダンスの影響により追従できないため、モータ近傍に配置したアルミニウム電解コンデンサより電流供給する役目を果たす。従って、アルミニウム電解コンデンサの特性劣化により、コンデンサからの電流が減少しても、電源からの電流が増加するというように電源電流とコンデンサ電流が相補的に働くため、アルミニウム電解コンデンサの特性劣化がリプル電圧の振幅増加という現象につながらない場合があり、特許文献２に開示されるコンデンサ寿命予測装置を画像形成装置内に使用されるモータ駆動回路のコンデンサ寿命予測に用いることは困難である。
さらに特許文献１および特許文献２においては、コンデンサ両端の電圧を検出回路に入力するため、コンデンサ両端の電圧値を検出回路部に使用される＋５Ｖ以下の電圧に変換して入力する必要がある。即ち、分圧抵抗により電圧を分圧した場合、分圧抵抗の両端に常時コンデンサの両端電圧が印加されて電力が消費される。また、抵抗分圧回路が短絡故障した場合、検出回路への二次故障が懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、アルミニウム電解コンデンサのグランドラインに発生するグランドバウンスを電圧比較器に入力し、該グランドバウンスの電圧レベルを所定のしきい値電圧と比較することにより、アルミニウム電解コンデンサの特性劣化を確実に検出することができる特性劣化検出回路を提供することを目的とする。
また、他の目的は、スイッチング駆動されるモータ駆動回路を有する画像形成装置において、モータ駆動回路に供給する供給電圧を安定化するためのアルミニウム電解コンデンサの特性劣化を検知して、画像形成装置の故障モードの拡張を防止することである。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、定電源からの給電電圧を安定化するために使用されるアルミニウム電解コンデンサの特性劣化を検知する特性劣化検知回路において、前記アルミニウム電解コンデンサのグランドラインに発生するグランドバウンスの振幅レベルと所定のしきい値とを比較する電圧比較器を備え、前記グランドバウンスの振幅レベルが前記しきい値を超えた場合に、前記電圧比較器から劣化検知信号を出力することを特徴とする。
請求項２は、前記しきい値は、前記グランドバウンスの初期値振幅レベルの３乃至５倍に設定することを特徴とする。
請求項３は、スイッチング駆動されるモータ駆動回路を有する画像形成装置において、前記モータ駆動回路に供給する供給電圧を安定化するためのアルミニウム電解コンデンサの特性劣化を検知する請求項１又は２に記載の特性劣化検知回路を備えたことを特徴とする。
請求項４は、前記モータ駆動回路のパワー系グランドとシグナル系グランドとを分離し、該パワー系グランドとシグナル系グランドとの間をインダクタンス素子により接続したことを特徴とする

本発明によれば、長期使用によるアルミニウム電解コンデンサの特性劣化に起因するモータ回転異常による装置機能障害、及びアルミニウム電解コンデンサの寿命時の内圧上昇による爆発などの重大障害を防止することができる。
また、アルミニウム電解コンデンサの特性劣化によるＥＳＲの上昇に起因するモータ駆動回路のグランドバウンスを検出することで、装置に必要なアルミニウム電解コンデンサ特性が満たされなくなったことを適切な時期に検知することが可能となる。
また、パワー系グランドとシグナル系グランドを交流的に分離することにより、アルミニウム電解コンデンサの特性劣化を確実に検出することができる。

ＰＷＭ方式によりスイッチング駆動される三相ブラシレスＤＣモータに本発明のアルミニウム電解コンデンサの特性劣化検知回路を適用した構成を示す図である。（ａ）はアルミニウム電解コンデンサの初期状態、（ｂ）はアルミニウム電解コンデンサの劣化状態を表す図である。アルミニウム電解コンデンサの構造を示す図である。アルミニウム電解コンデンサの充電状態を示す図である。（ａ）はアルミニウム電解コンデンサの静電容量と周波数特性の経時変化特性を示す図、（ｂ）はアルミニウム電解コンデンサのＥＳＲと周波数特性の経時変化特性を示す図である。スイッチング駆動されるモータ駆動回路の電流経路を示す図である。アルミニウム電解コンデンサにスイッチング電流が流入したときのコンデンサ内部の動きを示す図である。（ａ）は装置内に搭載される回路基板のグランド構成を示す図、（ｂ）はコイル負荷により各グランド間を接続する図である。画像形成装置内のグランド接地構成を示す図である。本発明の一実施形態に係るデジタル複写機の概略構成図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、ＰＷＭ方式によりスイッチング駆動される三相ブラシレスＤＣモータに本発明のアルミニウム電解コンデンサの特性劣化検知回路を適用した構成を示す図である。この構成では、定電圧源１０１と、回路基板１０２上に構成されたＭＯＳＦＥＴアレイ１０４と、アルミニウム電解コンデンサ１０３と、コンデンサ１０５と、比較器１０８と、を備えている。図１において、三相ブラシレスＤＣモータ１０９は、近傍に配置された回路基板１０２のＭＯＳＦＥＴアレイ１０４により、スイッチング駆動される。回路基板１０２より離れた位置にある定電圧源１０１からの給電電圧の安定化のため、アルミニウム電解コンデンサ１０３が搭載される。コンデンサ１０５はアルミニウム電解コンデンサ１０３の陰極側と比較器１０８をＤＣ分離する。比較器１０８の逆相入力はＢＩＡＳ１０６によりＤＣバイアスが印加され、比較器１０８の正相入力には基準電圧としてＢＩＡＳ１０６にしきい値１０７を加算した電圧を印加する。これにより、ＢＡＩＡＳ１０６が変動してもしきい値１０７との電圧差は一定に保たれる。また、比較器１０８の出力は劣化検知信号１１０となり、アルミニウム電解コンデンサ１０３の劣化を検出すると出力される。
また、図１に示す構成では比較器１０８による基準電圧との比較により、アルミニウム電解コンデンサ１０３の特性劣化を検知する構成であるが、モータ駆動回路スイッチング時のグランドバウンスのピーク電圧をピークホールド回路により保持し、ＡＤ変換したデータを検出レベルと比較することにより特性劣化を検知する構成にすることも可能である。

図２は、アルミニウム電解コンデンサの初期状態と劣化状態を表す図である。図２（ａ）は初期状態、図２（ｂ）は劣化状態を表す。図２（ａ）の初期状態において、ＢＩＡＳ１０６にスイッチングによるグランドバウンス２７０が重畳した比較器１０８の逆相入力は、基準電圧であるＢＩＡＳ１０６としきい値１０７の加算値２７１以下であるため、劣化検知信号１１０は出力されない。図２（ｂ）の劣化状態では、ＢＩＡＳ１０６に重畳されるグランドバウンス２７０が大きくなり、基準電圧であるＢＩＡＳ１０６＋しきい値１０７の加算値２７１を超えるため、劣化検知信号１１０にパルス状の波形２７３が出力される。従って、しきい値１０７はアルミニウム電解コンデンサ１０３の劣化の検出しきい値となる。
図３はアルミニウム電解コンデンサの構造を示す図である。アルミニウム箔（陽極）３０１は、表面積拡大のため、エッチング処理３０２により凹凸構造を持つ。そして、化成処理により誘電体（酸化アルミニウム）３０３を形成する。誘電体（酸化アルミニウム）３０３を挟んで、アルミニウム箔（陽極）３０１と対向する陰極を形成できれば理想的なコンデンサとなるが、技術的に不可能なため電解紙３０４と電解液３０５を充填し陽極と対向したアルミニウム箔（陰極）３０６を配置した構造となる。

図４はアルミニウム電解コンデンサの充電状態を示す図である。図３に示す構造のため、アルミニウム電解コンデンサの静電容量は、陽極側静電容量４０１と陰極側静電容量４０３の合成容量となる。また陽極と陰極の間には電解紙と電解液の抵抗４０２が存在し、これがアルミニウム電解コンデンサのＥＳＲの主要因となる。
図５（ａ）はアルミニウム電解コンデンサの静電容量と周波数特性の経時変化特性を示す図、図５（ｂ）はアルミニウム電解コンデンサのＥＳＲと周波数特性の経時変化特性を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）の実線は初期特性５０１を表し破線は劣化時特性５０２を表す。特性劣化時、図５（ａ）では静電容量は低下し、図５（ｂ）ＥＳＲが上昇するのが分かる。

図６はスイッチング駆動されるモータ駆動回路の電流経路を示す図である。Ｉｏｎ＿ｐ６０１はスイッチング回路オン時に定電圧源１０１よりモータ１０９に供給される電流、Ｉｏｎ＿ｃ６０２はスイッチング回路１０４がオン時にアルミニウム電解コンデンサ１０３よりモータ１０９に供給される電流、Ｉｏｆｆ＿ｃ６０３はスイッチング回路１０４がオフ時に定電圧源１０１よりアルミニウム電解コンデンサ１０３に供給される電流を表す。即ち、スイッチング回路１０４のオンオフにより、アルミニウム電解コンデンサ１０３にＩｏｎ＿ｃ６０２およびＩｏｆｆ＿ｃ６０３が流入する。
図７はアルミニウム電解コンデンサにスイッチング電流が流入したときのコンデンサ内部の動きを示す図である。モータスイッチング電流により、アルミニウム電解コンデンサ１０３内部で電荷の移動が発生する。モータスイッチング回路１０４オン時には、電荷移動（スイッチング回路１０４オン）７０１とアルミニウム電解コンデンサ１０３のＥＳＲにより、パワー系グランド７０５にグランドバウンス（スイッチング回路オン）７０３が発生し、モータスイッチング回路１０４オフ時には、電荷移動（スイッチング回路オフ）７０２とアルミニウム電解コンデンサ１０３のＥＳＲにより、グランドバウンス（スイッチング回路オフ）７０４が発生する。

以上述べたように、グランドバウンス（スイッチング回路オン）７０３とグランドバウンス（スイッチング回路オフ）７０４は、アルミニウム電解コンデンサ１０３のＥＳＲに起因するものであり、その電圧振幅はＥＳＲの値と比例関係にある。アルミニウム電解コンデンサ１０３のＥＳＲの経時変化は、初期値に対し１０倍以上の変化を見せるため、グランドバウンスの振幅初期値に対し、３から５倍以上の電圧レベルを図２に示すしきい値１０７とすることにより、アルミニウム電解コンデンサ１０３の特性劣化を検知することが可能である。

図８（ａ）は装置内に搭載される回路基板のグランド構成を示す図である。回路基板８００内のグランド構成はパワー系とシグナル系を共通にするなど、装置により多用な構成をとることが可能であるが本発明においては、パワー系８０２とシグナル系８０３のグランドは分離する構成とする。但し、図８（ｂ）に示すようにコイル負荷８０１により各グランド間を接続することも動作的な問題はない。
本構成の目的は、パワー系グランド８０２の高周波インピーダンスを一定値以上とすることにより、アルミニウム電解コンデンサ１０３の特性劣化によるパワー系グランド８０２に重畳されるグランドバウンスを減衰させないことにある。
図９は画像形成装置内のグランド接地構成を示す図である。シグナル系グランド９０３を装置筐体に筐体接地９０１にて多点接地している場合でも、パワー系グランド９０４は筐体接地９０２に示すように一点接地構成とする。本構成とすることによりパワー系グランドとシグナル系グランドのＡＣ結合を防ぐことができる。ただし、アルミニウム電解コンデンサ１０３の特性劣化検出しない回路基板の接地構成は任意である。

図１０は、本発明の一実施形態に係るデジタル複写機の概略構成図である。この構成は、画像処理装置としての複写機１００であり、この複写機１００の上面にはコンタクトガラス２０６が設けられている。また、複写機１００の上部には自動原稿送り装置（以下、単にＡＤＦという）２０１が設けられており、このＡＤＦ１はコンタクトガラス２０６を開閉するように複写機１００に図示しないヒンジ等を介して連結されている。このＡＤＦ２０１は、複数の原稿からなる原稿束を載置可能な原稿載置台としての原稿トレイ２０２と、原稿トレイ２０２に載置された原稿束から原稿を１枚ずつ分離してコンタクトガラス２０６に向かって搬送する分離・搬送手段と、分離・搬送手段によってコンタクトガラス２０６に向かって搬送された原稿をコンタクトガラス２０６上の読取位置に搬送・停止させるとともに、コンタクトガラス２０６の下方に配設された複写機１００の読取手段（公知の露光ランプ２５１、ミラー２５２、２５５、２５６、レンズ２５３、ＣＣＤ２５４等）２５０により読み取りが終了した原稿をコンタクトガラス２０６から搬出する。給紙モータはコントローラからの出力信号によって駆動されるようになっており、コントローラは複写機１００から給紙スタート信号が入力されると、給紙モータを正・逆転駆動するようになっている。給紙モータが正転駆動されると、給送ローラ２０３が時計方向に回転して原稿束から最上位に位置する原稿が給紙され、コンタクトガラス２０６に向かって搬送される。この原稿の先端が原稿セット検知センサ２０７によって検知されると、コントローラは原稿セット検知センサ２０７からの出力信号に基づいて給紙モータを逆転駆動させる。これにより、後続する原稿が進入するのを防止して分離されないようになっている。この給紙モータにＰＷＭ方式によりスイッチング駆動される三相ブラシレスＤＣモータを使用する場合、本発明に係る特性劣化検知回路によりアルミニウム電解コンデンサの劣化を検知して、デジタル複写機の故障モードの拡張を防止することである。

また、コントローラは原稿セット検知センサ２０７が原稿の後端を検知したとき、この検知時点からの搬送ベルトモータの回転パルスを計数し、回転パルスが所定値に達したときに、給送ベルト２０４の駆動を停止して給送ベルト２０４を停止することにより、原稿をコンタクトガラス２０６読取位置に停止させる。また、コントローラは原稿セット検知センサ７によって原稿の後端が検知された時点で、給紙モータを再び駆動し、後続する原稿を上述したように分離してコンタクトガラス２０６に向かって搬送し、この原稿が原稿セット検知センサ２０７によって検知された時点からの給紙モータのパルスが所定パルスに到達したときに、給紙モータを停止させて次原稿を先出し待機させる。そして、原稿がコンタクトガラス２０６の読取位置に停止したとき、複写機１００によって原稿の読み取りおよび露光が行なわれる。この読み取りおよび露光が終了すると、コントローラには複写機１００から信号が入力されるため、コントローラはこの信号が入力すると、搬送ベルトモータを正転駆動して、搬送ベルト２１６によって原稿をコンタクトガラス２０６から排送ローラ２０５に搬出する。

上記のように、ＡＤＦ２０１にある原稿トレイ２０２に原稿の画像面を上にして置かれた原稿束は、操作部上のプリントキーが押下されると、一番上の原稿からコンタクトガラス２０６上の所定の位置に給送される。給送された原稿は、読み取りユニット２５０によってコンタクトガラス２０６上の原稿の画像データを読み取り後、給送ベルト２０４および反転駆動コロによって排出口Ａ（原稿反転排出時の排出口）に排出される。さらに、原稿トレイ２０２に次の原稿が有ることを検知した場合、前原稿と同様にコンタクトガラス２０６上に給送される。
第１トレイ２０８、第２トレイ２０９、第３トレイ２１０に積載された転写紙は、各々第１給紙ユニット２１１、第２給紙ユニット２１２、第３給紙ユニット２１３によって給紙され、縦搬送ユニット２１４によって感光体２１５に当接する位置まで搬送される。読み取りユニット２５０にて読み込まれた画像データは、書き込みユニット２５７からのレーザによって感光体２１５に書き込まれ、現像ユニット２２７を通過することによってトナー像が形成される。そして、転写紙は感光体２１５の回転と等速で搬送ベルト２１６によって搬送されながら、感光体２１５上のトナー像が転写される。その後、定着ユニット２１７にて画像を定着させ、排紙ユニット２１８に搬送される。排紙ユニット２１８に搬送された転写紙は、ステープルモードを行わない場合は、排紙トレイ２１９に排紙される。

１０１定電圧源、１０２回路基板、１０３アルミニウム電解コンデンサ、１０４ＭＯＳＦＥＴアレイ、１０５コンデンサ、１０６ＢＩＡＳ、１０７しきい値、１０８比較器、１０９モータ、１１０劣化検知信号

特開平０８―１９２４７号公報特開２００６―１３３０４６公報

Claims

定電源からの給電電圧を安定化するために使用されるアルミニウム電解コンデンサの特性劣化を検知する特性劣化検知回路において、
前記アルミニウム電解コンデンサのグランドラインに発生するグランドバウンスの振幅レベルと所定のしきい値とを比較する電圧比較器を備え、
前記グランドバウンスの振幅レベルが前記しきい値を超えた場合に、前記電圧比較器から劣化検知信号を出力することを特徴とする特性劣化検知回路。
前記しきい値は、前記グランドバウンスの初期値振幅レベルの３乃至５倍に設定することを特徴とする請求項１に記載の特性劣化検知回路。
スイッチング駆動されるモータ駆動回路を有する画像形成装置において、前記モータ駆動回路に供給する供給電圧を安定化するためのアルミニウム電解コンデンサの特性劣化を検知する請求項１又は２に記載の特性劣化検知回路を備えたことを特徴とする画像形成装置。
前記モータ駆動回路のパワー系グランドとシグナル系グランドとを分離し、該パワー系グランドとシグナル系グランドとの間をインダクタンス素子により接続したことを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。