JP2013106435A

JP2013106435A - 画像形成装置

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Publication number: JP2013106435A
Application number: JP2011248778A
Authority: JP
Inventors: Hironori Asano; 裕基淺野
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Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-05-30
Anticipated expiration: 2031-11-14
Also published as: US8989610B2; US20130121717A1; JP5939770B2

Abstract

【課題】力率改善部のスイッチング損失を抑える。
【解決手段】交流電源１４０を整流する整流部４２１と、整流部から出力された直流を入力とする力率改善部４２２と、力率改善部から出力された直流を直流に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ４２３を有する駆動用電源装置４３１と、交流電源からヒータ１３６に供給される電流を検知する定着電流検知部２０６を有し、記録紙上に形成されたトナー像をヒータにより加熱して記録紙に定着させる加熱定着装置１３０と、定着電流検知部により検知された電流値がＩｌｉｍｉｔ１以上のときには、力率改善部をオン状態にして、整流部から入力された直流に力率改善を行い（Ｓ６０２）、検知された電流値がＩｌｉｍｉｔ１未満のときには、力率改善部をオフ状態にして、力率改善を停止させる（Ｓ６０８）、力率改善部を制御するエンジンコントローラ２１２を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、力率改善部を有する電源装置を備えた画像形成装置に関する。

近年、画像形成装置は、プリント速度の向上と電源オンから画像形成開始までの時間の短縮が求められており、電源装置や加熱定着装置内に配備されるヒータの大電力化が進んでいる。一般的に、商用電源から画像形成装置に供給される入力電流には、日本国内においては１５Ａ（アンペア）という上限があり、特に、大電力電源装置や大電力ヒータを備えた画像形成装置では、この上限を超えないような設計をしなければならない。

このような要求を満たすため、電源装置に力率改善部を付加して電力を有効利用する構成を有する画像形成装置がよく知られている。特に、電源装置は、主に駆動装置に電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、主に制御装置に電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータの、２つのＤＣ／ＤＣコンバータを備え、供給電力の大きい前者にのみ力率改善部を付加する場合が多い。このような大電力電源装置に用いられる力率改善部としては、一般的に昇圧タイプのものが多い。

ところが、力率改善部には、スイッチング損失による発熱や効率の低下、ノイズの発生等の課題があり、できるだけ力率改善部のスイッチングを停止させて運用することが望ましい。これらの課題に対処するため、例えば、特許文献１では、画像形成装置がスタンバイ状態のときに、力率改善部のスイッチングを停止する構成が開示されている。また、駆動装置や制御装置に電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータに流れる電流値が所定値以下ならば、力率改善部のスイッチングを停止させる構成が特許文献２に、力率改善部をショート（短絡）回路によりバイパスさせる構成が特許文献３に開示されている。

特許第３４６６３５１号公報特開２００７−１０１６６７号公報特開平０４−０８７５６５号公報

しかしながら、前述したそれぞれの特許文献には、以下のような課題がある。例えば、特許文献１の力率改善部は、画像形成装置がプリント動作中は常にスイッチングを行っていることになり、発熱低減や効率改善の効果は、画像形成装置がスタンバイ状態の場合に限られる。そもそも、商用電源電圧値やヒータ抵抗値のばらつきを考慮し、画像形成装置の電流値が最大になる条件下でも、商用交流電源から供給される電流値を電流規格１５Ａ以下に抑えるために、画像形成装置に力率改善部が設けられている。そのため、力率改善部が必要となる場合は非常に少なく、せいぜい、画像形成装置の電源オン時のウォームアップ中や、プリント開始後数秒から数十秒の間だけであり、商用電源の電圧値や定着装置のヒータ抵抗値によっては、力率改善部が不要な場合もある。

また、特許文献２や特許文献３に開示された構成においては、プリント状態とスタンバイ状態とでは、ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷は大きく異なるが、同一の動作状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷変動は小さい。そのため、負荷が大きい状態で推移するプリント状態においては、ほとんど力率改善部のスイッチングを停止させることができない。従って、力率改善部のスイッチングを停止させるか否かを判断する場合の閾値として、ＤＣ／ＤＣコンバータに流れる電流値を用いることはあまり適切ではないと考えられる。

本発明はこのような状況のもとでなされたもので、力率改善部のスイッチング損失を抑えることを目的とする。

前述した課題を解決するため、本発明では次のとおりに構成する。

（１）交流電源を整流によって直流に変換する整流手段と、前記整流手段から出力された直流を入力とする力率改善手段と、前記力率改善手段から出力された直流を直流に変換する直流／直流変換手段と、を有する電源装置と、前記交流電源からヒータに供給される電流を検知する検知手段を有し、記録紙上に形成されたトナー像を前記ヒータにより加熱して前記記録紙に定着させる加熱定着装置と、前記検知手段により検知された電流値が第１の閾値以上のときには、前記整流手段から入力された直流に対して力率改善を行い、前記検知手段により検知された電流値が前記第１の閾値未満のときには、力率改善を停止するように、前記力率改善手段を制御する制御手段と、を備えた画像形成装置。

（２）交流電源を整流によって直流に変換する整流手段と、前記整流手段から出力された直流を入力とする力率改善手段と、前記力率改善手段から出力された直流を直流に変換する直流／直流変換手段と、前記力率改善手段に並列接続され、オン状態では、前記整流手段から出力された直流を、前記力率改善手段を介さずに、前記直流／直流変換手段に入力させ、オフ状態では、前記整流手段から出力された直流を、前記力率改善手段を介して、前記直流／直流変換手段に入力させるバイパス手段と、を有する電源装置と、前記交流電源からヒータに供給される電流を検知する検知手段を有し、記録紙上に形成されたトナー像を前記ヒータにより加熱して前記記録紙に定着させる加熱定着装置と、前記検知手段により検知された電流値が第２の閾値以上のときには、前記力率改善手段が前記整流手段から入力された直流に対して力率改善を行うと共に、前記バイパス手段をオフ状態にし、前記検知手段により検知された電流値が前記第２の閾値未満のときには、前記力率改善手段による力率改善を停止させると共に、前記バイパス手段をオン状態にするように、前記力率改善手段及び前記バイパス手段の制御を行う制御手段と、を備えた画像形成装置。

本発明によれば、力率改善部のスイッチング損失を抑えることができる。

実施例１、２における画像形成装置の概略構成図実施例１、２における電源装置とヒータ制御部を示した模式図実施例１、２における位相制御を説明する図実施例１における電源装置の回路図実施例１、２における力率改善部有無による皮相電流の違いを説明する図実施例１、２における皮相電流と商用電源電圧との関係を説明する図実施例１における力率改善部のオン・オフ制御の処理シーケンスを示すフローチャート実施例１、２における画像形成装置のヒータ電流の変化を示す図実施例２における電源装置の回路図実施例２における力率改善部のオン・オフ制御の処理シーケンスを示すフローチャート

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（１）画像形成装置
図１に、本実施例のカラー画像形成装置の概略構成図を示す。本実施例のカラー画像形成装置は、電子写真方式を用いて、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のトナー像を重ね合わせることにより、フルカラー画像を形成する装置である。画像形成装置１００は、給紙部１２１、感光ドラム１２２（Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋ各色、以下記載を省略する）、帯電スリーブ１２３、トナー容器１２５、現像スリーブ１２６、中間転写ベルト１２７、転写ローラ１２８、加熱定着装置１３０から構成される。なお、感光ドラム１２２、帯電スリーブ１２３、トナー容器１２５、現像スリーブ１２６は、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの色毎に１つの容器にまとめられ、オールインワンカートリッジ１０１となっている。

各色のオールインワンカートリッジ１０１において、帯電スリーブ１２３により帯電された感光ドラム１２２上に、画像処理部（非図示）が変換した露光時間に基づいてスキャナ部１２４から露光光線を照射し、感光ドラム１２２上に静電潜像を形成する。現像スリーブ１２６は、トナー容器１２５からのトナーを使って静電潜像を現像し、感光ドラム１２２上に単色トナー像を形成し、中間転写ベルト１２７に４色重ね合わせて多色トナー像を形成する。

記録紙１１１は、給紙部１２１から給紙ローラ１１２により給紙され、各搬送ローラ１１３、１１４、１１５に挟まれながら搬送路１１８に沿って搬送される。そして、記録紙１１１は、多色トナー像が形成された中間転写ベルト１２７と転写ローラ１２８に挟み込まれて加圧され、その結果、中間転写ベルト１２７上の多色トナー像が記録紙１１１に転写される。記録紙１１１に転写されずに中間転写ベルト１２７上に残ったトナーは、クリーナ１２９によってクリーニングされ、クリーニングされた廃トナーは、クリーナ容器１３２に蓄えられる。

トナー像が転写された記録紙１１１は、更に搬送路１１８に沿って搬送され、加熱定着装置１３０によって、記録紙１１１上にトナー像が定着される。本実施例の加熱定着装置１３０は、フィルム加熱方式を利用した装置であり、ヒータ１３６、定着フィルム１３４、加圧ローラ１３３、サーミスタ１３５等から構成される。加圧ローラ１３３は、定着駆動モータ（不図示）により、所定の周速度で回転駆動される。この加圧ローラ１３３の回転駆動により、加圧ローラ１３３と定着フィルム１３４の外面との摩擦力で、定着フィルム１３４に直接的に回転力が作用し、定着フィルム１３４はヒータ１３６に圧接摺動されつつ、回転駆動される。サーミスタ１３５は、ヒータ１３６の裏面に所定の圧力で押し当てられて、ヒータ１３６の裏面の温度を検知する。

加圧ローラ１３３の回転による定着フィルム１３４の回転が安定し、ヒータ１３６が所定の温度まで昇温された状態になると、定着フィルム１３４と加圧ローラ１３３により形成されたニップ部に、トナー像が転写された記録紙１１１が搬送される。搬送された記録紙１１１は、ニップ部において加圧されながら搬送されることにより、ヒータ１３６の熱が定着フィルム１３４を介して記録紙１１１に加えられ、トナー像が記録紙１１１に加熱定着される。トナー像が加熱定着された記録紙１１１は、その後、排紙ローラ１３７を通り、排出トレイ１３１に排出される。

以上説明した画像形成プロセスを実行するために必要な電力は、ＡＣケーブル１３９を介して商用交流電源１４０から電力供給された電源装置１３８によって、画像形成装置１００の各部へ供給される。電源装置１３８の詳細については、後述する。

（２）ヒータへの電力供給制御
加熱定着装置１３０内のヒータ１３６への電力供給制御について、図２を使って説明する。図２は、画像形成装置１００において、商用交流電源１４０から電力供給される電源装置１３８と、加熱定着装置１３０のヒータ制御部を示した模式図である。商用交流電源１４０からの給電ラインは、ヒータ１３６への給電ラインと、電源装置１３８を介してヒータ１３６以外の各負荷（駆動系負荷２０３ａ、制御系負荷２０３ｂ）への給電ラインの２つに分かれる。

ヒータ１３６は、カレントトランス２０５、リレー２０７、双方向３端子サイリスタ（以降、トライアックという）２０９を介して、商用交流電源１４０から給電される。サーモスイッチ２１１は、ヒータ１３６に接して、又は隣接して配置されており、ヒータ１３６の温度が異常に高くなったときに、商用交流電源１４０からの給電ラインを遮断する保護素子として用いられる。なお、サーモスイッチ２１１の代わりに、保護素子として温度ヒューズを用いても良い。トライアック２０９は、ヒータ１３６への給電／給電遮断を制御するための素子であり、トライアック２０９のオン・オフ制御は、トライアック駆動部２１０を介して、後述する位相制御により行われる。

ゼロクロス検知部２０４は、商用交流電源１４０の電圧を監視し、電圧が０Ｖを通過するタイミング（ゼロクロスポイント）を検知し、エンジンコントローラ２１２にゼロクロス信号を出力する。定着電流検知部２０６は、カレントトランス２０５を介して、ヒータ１３６に給電される電流値を検知して、エンジンコントローラ２１２に検知信号を出力する。サーミスタ１３５は、ヒータ１３６の温度を検知する。エンジンコントローラ２１２は、ゼロクロス検知部２０４や定着電流検知部２０６からの検知信号、サーミスタ１３５が検知した温度等に基づいて、リレー駆動部２０８を介してリレー２０７の駆動制御を行う。更に、エンジンコントローラ２１２は、トライアック駆動部２１０を介して、トライアック２０９のオン・オフ制御を行う等、画像形成装置１００の画像形成動作の制御を行う。また、エンジンコントローラ２１２は、不図示のＲＯＭとＲＡＭを有している。ＲＯＭには、エンジンコントローラ２１２が実行する制御プログラムやデータが保持され、ＲＡＭは、エンジンコントローラ２１２が実行する制御プログラムが一時的に情報を保持するために使用される。

本実施例におけるヒータ１３６への給電は、位相制御によって行われる。位相制御とは、図３（ａ）に示すように、商用交流電源１４０の１半波を複数に分解して、所定の位相角（以後、「給電位相角」と呼ぶ）で、トライアック２０９をオンすることにより、ヒータ１３６への給電を制御する方法である。商用交流電源１４０の電圧位相との同期方法は、ゼロクロス検知部２０４において電圧０Ｖを検知すると出力されるゼロクロス信号を用いて行われる。

図３（ｂ）は、ヒータ１３６への供給電力と、給電位相角の関係を示すグラフであり、縦軸は、電流値の二乗に比例した、ヒータ１３６へ供給される電力を、横軸は給電位相角を、それぞれ示している。図３（ｂ）の波形より、給電位相角が０°に近い程、ヒータ１３６へ供給される電力が大きく、逆に、給電位相角が１８０°に近い程、ヒータ１３６へ供給される電力は小さいことが分かる。特に、給電位相角が０°のときに最大電力がヒータ１３６へ供給され、給電位相角が１８０°のときにヒータ１３６への電力供給はゼロになる。また、図３（ｂ）において、上側の波形図は、ヒータ１３６の抵抗値が小さい場合又は商用交流電源１４０の電圧が大きい場合の、下側の波形図は、ヒータの抵抗値が大きい場合又は商用交流電源の電圧が小さい場合の、供給電力と給電位相角の関係を示している。２つの波形図から、ヒータ抵抗値が大きい程、又は商用交流電源電圧が小さい程、ヒータ１３６に投入される電力は小さくなり、逆に、ヒータ抵抗値が小さい程、又は商用交流電源電圧が大きい程、ヒータ１３６に投入される電力は大きくなることが分かる。

図３（ｃ）は、位相制御中の給電パターンの一例を示したものであり、左側から給電位相角が９０度、６１度、１１９度の場合の給電パターンを示している。図３（ｃ）において、ハッチング部分は電力を投入していることを、ハッチングがかけられていない部分は電力を投入していないことを示している。

（３）電源装置
画像形成装置１００の各部へ電力を供給する電源装置１３８について、図４を用いて説明する。図４は、電源装置１３８の回路の模式図である。図２に示した電源装置１３８は、図４に示すように、駆動系負荷２０３ａへ電力を供給する駆動用電源装置４３１と、制御系負荷２０３ｂへ電力を供給する制御用電源装置４３２から構成されている。駆動用電源装置４３１は、整流部４２１、力率改善手段である力率改善部４２２、フォワード方式のＤＣ／ＤＣコンバータ（直流／直流変換）４２３から構成され、直流電圧Ｖｃｃ１を出力する。一方、制御用電源装置４３２は、整流平滑部４２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２５から構成され、直流電圧Ｖｃｃ２を出力する。また、図４のヒータ制御部４３３は、図２に示すエンジンコントローラ２１２、ゼロクロス検知部２０４、定着電流検知部２０６、リレー駆動部２０８、トライアック駆動部２１０、カレントトランス２０５、サーモスイッチ２１１等から構成されている。

駆動用電源装置４３１では、まず、商用交流電源１４０から供給された交流電流が整流部４２１で整流ダイオード４０１によって整流され、整流された直流電流が力率改善部４２２に入力される。力率改善部４２２は、チョークコイル４０２、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）４０３、ダイオード４０４、平滑コンデンサ４０５、力率改善制御部４４１から構成されている。力率改善制御部４４１は、入力電流波形が正弦波に近づくように、ダイオード４０４の出力に基づいて、ＦＥＴ４０３のオン・オフを制御するパルス信号（ＰＷＭ信号）をＦＥＴ４０３のゲート端子に入力し、ＦＥＴ４０３のデューティ（ＤＵＴＹ）制御を行う。以後、力率改善部４２２の力率改善制御部４４１が、エンジンコントローラ２１２からの力率制御のオン指示により、ＦＥＴ４０３をデューティ制御している状態を「力率改善部４２２がオンしている状態」と表現する。逆に、力率改善部４２２の力率改善制御部４４１が、エンジンコントローラ２１２からの力率制御のオフ指示により、ＦＥＴ４０３をオフ状態にする制御状態を「力率改善部４２２がオフしている状態」と表現する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２３は、ＦＥＴ４０６、トランス４０７、整流ダイオード４０８、転流ダイオード４０９、チョークコイル４１０、コンデンサ４１１、Ｖｃｃ１制御部４４２から構成されている。トランス４０７には、１次巻線と２次巻線とが巻かれており、１次巻線の一方の端子は力率改善部４２２に接続され、他方の端子はＦＥＴ４０６のドレイン端子に接続されている。トランス４０７の２次巻線側は、整流ダイオード４０８、転流ダイオード４０９、チョークコイル４１０、コンデンサ４１１等で構成され、電圧Ｖｃｃ１を出力している。ＦＥＴ４０６は、Ｖｃｃ１制御部４４２からゲート端子にパルス信号が印加されることにより、オン・オフされる。Ｖｃｃ１制御部４４２が、このパルス信号のデューティ比を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２３は、安定した電圧Ｖｃｃ１を出力している。

一方、制御用電源装置４３２では、商用交流電源１４０から供給された交流電流が、整流ダイオード４１２及びコンデンサ４１３から構成された整流平滑部４２４によって整流、平滑され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２５に入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２５は、ＦＥＴ４１４、トランス４１５、整流ダイオード４１６、コンデンサ４１７、Ｖｃｃ２制御部４４３から構成されている。トランス４１５の１次巻線の一方の端子は、整流平滑部４２４の整流ダイオード４１２の出力側に直接接続され、他方の端子は、ＦＥＴ４１４のドレイン端子に接続されている。トランス４１５の２次巻線側は、整流ダイオード４１６、コンデンサ４１７等で構成され、電圧Ｖｃｃ２を出力している。Ｖｃｃ２制御部４４３は、安定した電圧Ｖｃｃ２を出力するために、ＦＥＴ４１４のゲート端子に入力され、ＦＥＴ４１４のオン・オフを制御するパルス信号のデューティ制御を行う。

力率改善部４２２がオンした状態で、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２３のＦＥＴ４０６がＶｃｃ２制御部４４３によりデューティ制御されると、整流部４２１へ入力される電流の力率がほぼ１の状態で電圧Ｖｃｃ１が出力される。一方、力率改善部４２２がオフした状態で、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２３のＦＥＴ４０６がＶｃｃ２制御部４４３によりデューティ制御されても、電圧Ｖｃｃ１は出力されるが、整流部４２１へ入力される電流の力率は向上しない。

次に、整流部４２１とＤＣ／ＤＣコンバータ４２３の間に力率改善部４２２を付加した効果について、図５に示した具体例を用いて説明する。本実施例の画像形成装置１００のプリント中における負荷は、駆動用電源装置４３１が３００Ｗ、制御用電源装置４３２が８０Ｗ、ヒータ１３６が１１００Ｗである。また、商用交流電源１４０の電圧は１１０Ｖとする。上記の条件で、力率改善部４２２をオフした状態で、画像形成装置１００がプリント動作を行ったときの各負荷に流れる電流の波形を、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図５（ａ）は駆動用電源装置４３１に、図５（ｂ）は制御用電源装置４３２に、図５（ｃ）はヒータ１３６に、それぞれ流れる電流の波形を示した図であり、縦軸は、電流値（単位：Ａ）、横軸は時間（単位：秒）を示す。また、図５（ａ）〜（ｃ）に示された電流を足し合わせた、即ち、画像形成装置１００に流れる総電流の波形を示した図が、図５（ｄ）である。

図５（ａ）〜（ｃ）において、有効電流値は、それぞれ駆動用電源装置４３１、制御用電源装置４３２、ヒータ１３６の各負荷を商用交流電源１４０の電圧１１０Ｖで除して算出し、皮相電流値は、各波形図に基づいて算出している。図５（ａ）〜（ｃ）において、力率は、有効電流値を皮相電流値で除することで算出している。図５（ｄ）の有効電流値は、図５（ａ）〜（ｃ）の有効電流値の合計であり、皮相電流値は波形図に基づいて算出し、力率は、有効電流値を皮相電流値で除することで算出している。図５（ａ）、（ｂ）より、駆動用電源装置４３１及び制御用電源装置４３２の力率が０．６１程度と低く、合わせて約２Ａが無効電流となっている。また、図５（ｃ）より、ヒータ１３６は抵抗負荷であるが、エンジンコントローラ２１２が、商用交流電源１４０からヒータ１３６への給電を位相制御しているため、力率は１ではなく０．９３と若干下がっている。図５（ｄ）より、全ての負荷に流れる電流を合計すると力率は０．８９となり、皮相電流値から有効電流値を差し引いた差分である約１．６Ａ（＝１５．０７Ａ−１３．４５Ａ）が無効電流となっていることが分かる。

一方、駆動用電源装置４３１に付加されている力率改善部４２２をオンした状態でプリント動作を行ったときの各負荷に流れる電流波形、及び画像形成装置１００に流れる総電流の波形を示した図が、図５（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）である。図５（ｅ）は駆動用電源装置４３１、図５（ｆ）は制御用電源装置４３２、図５（ｇ）はヒータ１３６、に流れる電流の波形を示した図であり、縦軸は、電流値（単位：Ａ）、横軸は時間（単位：秒）を示す。また、図５（ｅ）〜（ｇ）に示された電流を足し合わせた、即ち、画像形成装置１００に流れる総電流の波形を示した図が、図５（ｈ）である。図５（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対応し、図５（ｆ）と（ｂ）、図５（ｇ）と（ｃ）は、力率改善部４２２を有していない回路に流れる電流であるため、同一の波形を示している。図５（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）における有効電流値、皮相電流値、力率の算出方法は、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と同様であるため、説明を省略する。

図５（ｅ）は、力率改善部４２２をオンした状態での波形図であり、駆動用電源装置４３１の力率は、力率改善部４２２をオフした状態の図５（ｄ）の０．６１から１へと改善されている。図５（ｈ）より、全ての負荷を合計すると力率は０．９５まで向上し、無効電流値は０．６６Ａ（＝１４．１１Ａ−１３．４５Ａ）となり、力率改善部４２２をオフした状態の図５（ｄ）と比べて、約１Ａ減少していることが分かる。このことから、１５Ａ電流規格を満足するためには、力率改善部４２２を付加することにより、非常に大きな効果があることが分かる。なお、駆動用電源装置４３１に力率改善部４２２を付加している理由は、駆動用電源装置４３１の方が制御用電源装置４３２に比べて負荷が大きく、力率改善の効果がより大きいためである。

次に、画像形成装置１００に流れる電流が最大になる条件について、図６を用いて説明する。図６は、商用交流電源１４０の電圧を変動させたときの、画像形成装置１００に流れる皮相電流値をプロットした図であり、縦軸は皮相電流の電流値（単位：Ａ）、横軸は商用電源電圧（単位：Ｖ）を示す。図６において、実線の波形は力率改善部（ＰＦＣ：ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）４２２をオンした状態、破線の波形は力率改善部４２２をオフした状態での商用電源電圧と皮相電流との関係を示す。

図６より、力率改善部４２２のオン・オフ状態に関わらず、商用交流電源１４０が１００Ｖ付近で皮相電流が最大値になることが分かる。この１００Ｖというのは、ヒータ１３６の給電位相角が０°となるポイントであり、このとき、ヒータ１３６に供給される電力が最大となる。即ち、電圧が１００Ｖ未満では、ヒータ１３６に給電しても、電圧が低すぎて１１００Ｗを給電できずに、常に給電位相角０°で給電している状態である。そして、定電力を供給する駆動用電源装置４３１及び制御用電源装置４３２では、電圧が低いため電流値は増加するが、増加した電流値よりも、ヒータ１３６に流れる電流値の低下が大きいため、画像形成装置１００に流れる総電流は低下する。また、電圧が１００Ｖより大きい場合では、給電位相角が０°より大きくなるため、ヒータ１３６の力率は低下する。ところが、定電力を供給する駆動用電源装置４３１及び制御用電源装置４３２では、電圧が高くなった分、電流値が下がるため、画像形成装置１００に流れる総電流はやはり低下する。従って、本実施例における画像形成装置１００に流れる電流が最大になる条件は、各負荷が最大な状態に加えて、ヒータ１３６の抵抗下限、商用交流電源１４０の電圧が１００Ｖという状態であると言える。

（４）定着電流検知部
ヒータ１３６に供給される電流は、図２に示すカレントトランス２０５によって電圧変換され、定着電流検知部２０６で実効値に変換され、アナログ信号として、エンジンコントローラ２１２に入力される。エンジンコントローラ２１２は、入力されたアナログ信号からデジタル信号に変換された、ヒータ１３６への電流値に基づいて、商用交流電源１４０の定格電流１５Ａを超えないように、ヒータ１３６への給電制御を行う。

ここで、定着電流検知部２０６で出力される電流値は、二乗波形の交流電源周波数の半周期分の積分値であるため、周波数に依存した値となり、交流電源の周波数の検知も同時に必要となる。本実施例では、ゼロクロス検知部２０４によって検知されるゼロクロス信号パルスの立ち下がりのインターバル時間から、交流電源の周波数を算出している。電流検知のタイミングは、交流電源１周期分の時間である。また、この定着電流検知部２０６は、ヒータ１３６に異常な電流が流れたときに、リレー２０７の接続を遮断する保護回路（不図示）としても使用している。

（５）力率改善部のオン・オフ制御
前述した力率改善部４２２には、ＦＥＴ４０３のスイッチング損失による発熱や効率の低下、ノイズの発生等の課題があるため、可能な限り力率改善部４２２をオフ状態にしておくことが望ましい。そこで、エンジンコントローラ２１２は、定着電流検知部２０６で検知した電流値が所定値を超えたら力率改善部４２２をオンし、所定値を下回ったらオフする制御を行う。ヒータ１３６の負荷は、画像形成装置１００の全負荷のうちで、大きな割合を占めている。例えば、３０ｐｐｍ（ｐａｇｅｐｅｒｍｉｎｕｔｅｓ）程度のＡ３カラー対応の画像形成装置においては、「（３）電源装置」で説明したように、電源装置１３８の負荷が３８０Ｗ程度なのに対し、ヒータ１３６の負荷は１１００Ｗ程度となる。しかも、電源装置１３８に比べて、ヒータ１３６は、常に負荷変動が大きい。そのため、力率改善部４２２のオン・オフを判断する電流の閾値としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２３に流れる電流の電流値ではなく、ヒータ１３６に流れる電流の電流値を用いる方が適切である。

以下に、定着電流検知部２０６で検知した電流値を基に、力率改善部４２２のオン・オフ制御について、図７のフローチャートを用いて説明する。図７に示す処理は、エンジンコントローラ２１２のＲＯＭ（不図示）に格納された制御プログラムに基づいて、エンジンコントローラ２１２により実行される。なお、以降の実施例におけるフローチャートの処理も同様に、エンジンコントローラ２１２により実行される。

図７は、画像形成装置の電源オン時に起動される、力率改善部４２２のオン・オフ制御の処理シーケンスを示したフローチャートである。まず、画像形成装置１００の電源がオンされると、ステップ６０１（以下、Ｓ６０１のように記す）では、エンジンコントローラ２１２が、エンジンコントローラ２１２のＲＡＭ（不図示）に設けられたメモリである変数ｎ及び変数ＩＦに０を書き込む。ここで、変数ＩＦは、定着電流検知部２０６で検知された最新の電流値を保存するメモリであり、電流値が検知される毎に、即ち商用交流電源１４０の１周期毎に、電流値が更新される。変数ｎは、後述するＳ６０５の処理において、定着電流検知部２０６で検知された電流値が第１の閾値であるＩｌｉｍｉｔ１未満であった回数を保存するメモリとして使用する。Ｓ６０２では、画像形成装置１００のウォームアップに備え、エンジンコントローラ２１２は、力率改善制御部４４１がダイオード４０４の出力に基づき、ＦＥＴ４０３のデューティ制御を行うよう、力率改善制御部４４１に力率改善部４２２のオン状態を指示する。

Ｓ６０３では、エンジンコントローラ２１２は、定着電流検知部２０６が検知したヒータ１３６への電流値の検知信号が入力されたかどうか判断する。エンジンコントローラ２１２は、検知信号が入力されていればＳ６０４に進み、検知信号が入力されていなければＳ６０３の処理を繰り返す。なお、前述したように、定着電流検知部２０６から検知信号がエンジンコントローラ２１２に入力されるタイミングは、交流電源１周期毎である。Ｓ６０４では、エンジンコントローラ２１２は、Ｓ６０３で検知された電流値を変数ＩＦに書き込み、変数ＩＦのメモリ内容を更新する。Ｓ６０５では、エンジンコントローラ２１２は、変数ＩＦに保存された電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ１より小さいかどうか判断し、変数ＩＦに保存された電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ１より小さければＳ６０６に進み、そうでなければＳ６１３に進む。ここで、閾値Ｉｌｉｍｉｔ１の値は、エンジンコントローラ２１２が力率改善部４２２をオフ状態にした状態で、画像形成装置１００に商用交流電源１４０から供給される電流値が最大電流規格の１５Ａになるときに、ヒータ１３６に流れる電流値である。即ち、定着電流検知部２０６で検知される電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ１未満（第１の閾値未満）ならば、力率改善部４２２をオフした状態でも、商用交流電源の１５Ａ電流規格を満足することができる。

Ｓ６０６では、エンジンコントローラ２１２は、変数ｎに保存された値を１加算して、更新する。Ｓ６０７では、エンジンコントローラ２１２は、変数ｎの値が定数Ｎより大きいかどうか判断し、大きければＳ６０８に進み、変数ｎの値が定数Ｎの値以下であれば、Ｓ６０３に戻る。なお、定数Ｎについては、後述する。Ｓ６１３では、エンジンコントローラ２１２は、変数ｎに０を書き込み、Ｓ６０３に進む。

Ｓ６０８では、エンジンコントローラ２１２は、力率改善部４２２をオフ状態にし、力率改善制御部４４１がＦＥＴ４０３のデューティ制御をしないよう、力率改善制御部４４１に指示を行う。Ｓ６０９では、エンジンコントローラ２１２は、変数ｎに０を書き込み、リセットする。Ｓ６１０では、エンジンコントローラ２１２は、定着電流検知部２０６が検知したヒータ１３６への電流値の検知信号が入力されたかどうか判断する。エンジンコントローラ２１２は、検知信号が入力されていればＳ６１１に進み、検知信号が入力されていなければＳ６１０の処理を繰り返す。Ｓ６１１では、エンジンコントローラ２１２は、Ｓ６１０で検知した電流値を変数ＩＦに書き込んで、変数ＩＦのメモリ内容を更新する。Ｓ６１２では、エンジンコントローラ２１２は、変数ＩＦに保存された電流値は閾値Ｉｌｉｍｉｔ１の値以上かどうか判断し、変数ＩＦに保存された電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ１以上（第１の閾値以上）であればＳ６０２に進み、そうでなければＳ６１０に戻る。

図７のフローチャートにおいて、変数ｎ及び定数Ｎは、定着電流検知部２０６の回路の誤動作防止のために設けている。定着電流検知部２０６の誤動作により、閾値未満の電流値が検知され、エンジンコントローラ２１２がすぐに力率改善部４２２をオフしてしまうと、画像形成装置１００に流れる電流が１５Ａ電流規格を超えてしまう恐れがある。そのため、エンジンコントローラ２１２が力率改善制御部４４１に力率改善部４２２をオフ状態にする指示を行う場合は、定着電流値ＩＦの更新時間分遅らせるようにしている。即ち、定着電流検知部２０６において検知された電流値が連続してＮ回、閾値Ｉｌｉｍｉｔ１未満であれば力率改善部４２２がオフ状態にされるので、誤動作防止のため、商用交流電源１４０の１周期に定数Ｎを乗じた時間分のガード時間を設けていることになる。

以上説明した図７の制御フローに従って、実際に画像形成装置１００の電源をオンしてプリント動作を行った場合に、力率改善部４２２のオン・オフ状態が時間の経過と共に変化する様子を、図８に示す。図８において、横軸は時間、縦軸は、定着電流検知部２０６で検知される電流値（ヒータ１３６へ流れる電流値）を示している。まず、画像形成装置１００の電源をオンすると、画像形成装置１００のウォームアップ動作が開始され、ヒータ温度を急速に上昇させるため、閾値Ｉｌｉｍｉｔ１を超える大きな電流がヒータ１３６に流れる。ヒータ１３６に閾値Ｉｌｉｍｉｔ１を超える電流が流れている間は、エンジンコントローラ２１２は、力率改善部４２２をオン状態にする。画像形成装置１００のウォームアップ動作が終わると、スタンバイ状態に入り、商用交流電源１４０からヒータ１３６への供給電流が大きく低下して、閾値Ｉｌｉｍｉｔ１を下回るため、エンジンコントローラ２１２は、力率改善部４２２をオフ状態にする。このとき、前述した理由により、エンジンコントローラ２１２は、ヒータ１３６への供給電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ１を下回ると、すぐに力率改善部４２２をオフ状態にするのではなく、所定時間のＴ×Ｎ時間経過した後に、力率改善部４２２をオフ状態にしている。ここで、Ｔは商用交流電源１４０の１周期時間を指し、Ｎは、図７に記載の定数を指す。

続いて、プリント動作信号を受け、画像形成装置１００においてプリントが開始されると、ヒータ１３６への供給電流が再び閾値Ｉｌｉｍｉｔ１を超え、エンジンコントローラ２１２は力率改善部４２２をオン状態にする。このときは、エンジンコントローラ２１２は、ヒータ１３６への供給電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ１を超えると、すぐに力率改善部４２２をオン状態にする。プリント動作が継続されると、徐々に加熱定着装置１３０に熱が蓄積され、ヒータ１３６への供給電力は低下する。その結果、ヒータ１３６への供給電流が低下し、商用交流電源１４０の１周期毎に検知されるヒータ１３６への供給電流値が連続してＮ回、閾値Ｉｌｉｍｉｔ１を下回ると、エンジンコントローラ２１２は、力率改善部４２２をオフ状態にする。

以上説明したように、本実施例によれば、力率改善部のスイッチング損失を抑えることができる。特に、本実施例では、画像形成動作中においても、多くの時間で力率改善部の動作を停止させることにより、商用交流電源の１５Ａ電流規格を満足しつつ、力率改善部のスイッチング損失を最小限に抑えることができる。

実施例１では、ヒータに流れる電流値に基づいて、力率改善部のオン・オフ制御を行うことにより、力率改善部におけるスイッチング損失を抑えることができる実施例について説明した。本実施例では、力率改善部に並列接続されたバイパススイッチを設けることにより、力率改善部を構成する素子における損失を改善する実施例について説明する。本実施例の画像形成装置、ヒータへの電力供給制御、定着電流検知部２０６の構成は実施例１と同じであるため、説明を省略し、実施例１と異なる部分について、以下に説明する。

（１）電源装置
図９は、本実施例の画像形成装置１００の電源装置１３８を示した図である。実施例１の図４と比べ、図９では、各素子につけられた符号が異なる点と、バイパススイッチ９３４が追加されている点を除けば、回路構成は図４と同様なので、異なる点についてのみ、以下に説明する。

駆動用電源装置９３１は、整流部９２１、力率改善部９２２、バイパススイッチ９３４、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３から構成され、電圧Ｖｃｃ１を出力する。バイパススイッチ９３４は力率改善部９２２に並列に接続されており、エンジンコントローラ２１２からの不図示の制御信号により、スイッチのオン・オフが行われる。バイパススイッチ９３４がオンされると、整流部９２１で整流された電流は、インピーダンスの低いバイパススイッチ９３４側に流れ、力率改善部９２２を介さずに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３へ入力される。逆に、バイパススイッチ９３４がオフされると、整流部９２１で整流された電流は、力率改善部９２２側に流れ、力率改善部９２２の出力がＤＣ／ＤＣコンバータ９２３へ入力される。バイパススイッチ９３４がオフした状態で、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３のＦＥＴ９０６がデューティ制御されると、整流部９２１へ入力される電流の力率がほぼ１の状態で、電圧Ｖｃｃ１が出力される。逆に、バイパススイッチ９３４がオンした状態で、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３のＦＥＴ９０６がデューティ制御されると、電圧Ｖｃｃ１は出力されるが、整流部９２１へ入力される電流の力率は向上しない。

なお、力率改善部９２２を付加することによる効果についての説明、及び、画像形成装置１００に流れる電流が最大になる条件についての説明は、実施例１で説明した内容と重複するため、省略する。

（２）力率改善部のオン・オフ制御
力率改善部９２２には、ＦＥＴ９０３のスイッチング損失による発熱や効率の低下、ノイズの発生等の課題があるため、可能な限り力率改善部９２２を介さず、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３を動作させることが望ましい。更に、力率改善部９２２で発生する損失は、ＦＥＴ９０３でのスイッチング損失以外に、チョークコイル９０２、ダイオード９０４での損失も無視できない。従って、ＦＥＴ９０３のスイッチングを停止するだけでなく、バイパススイッチ９３４をオンすることにより、力率改善部９２２のチョークコイル９０２及びダイオード９０４をバイパスさせてしまうことが、上記の目的を達成する上で適切である。そこで、本実施例では、定着電流検知部２０６で検知したヒータ１３６への供給電流の電流値が所定値を超えた場合には、バイパススイッチ９３４をオフすると共に、力率改善部９２２をオン状態にして、ＦＥＴ９０３をデューティ制御する。逆に、定着電流検知部２０６で検知したヒータ１３６への供給電流の電流値が所定値を下回ったら場合には、バイパススイッチ９３４をオンして、力率改善部９２２をバイパスさせる制御を行う。

バイパススイッチ９３４のオン・オフを判断する閾値としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３に流れる電流よりヒータ１３６に流れる電流を用いる方が適しており、その理由については、実施例１で説明したとおりである。

以下に、定着電流検知部２０６で検知した電流値を基に、バイパススイッチ９３４のオン・オフ制御について、図１０のフローチャートを用いて説明する。図１０は、画像形成装置の電源オン時に起動される、バイパススイッチ９３４のオン・オフ制御の処理シーケンスを示したフローチャートである。まず、画像形成装置１００の電源がオンされると、Ｓ１００１の処理が実行されるが、実施例１の図７のＳ６０１の処理と同じなので、ここでの説明を省略する。なお、図１０における処理シーケンスは、図７の処理シーケンスと１対１に対応しており、図１０の以降の処理においても、図７と同じ処理については、説明を省略する。

Ｓ１００２では、画像形成装置１００のウォームアップに備え、エンジンコントローラ２１２は、バイパススイッチ９３４をオフにすると共に、力率改善制御部９４１に力率改善部９２２のオン状態を指示する。これにより、力率改善制御部９４１がダイオード９０４の出力に基づいて、ＦＥＴ９０３のデューティ制御を行い、整流部９０１からの出力電流は、力率改善部９２２を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３に入力される。Ｓ１００３、Ｓ１００４の処理は、それぞれ図７のＳ６０３、Ｓ６０４と同一の処理なので、説明を省略する。

Ｓ１００５では、エンジンコントローラ２１２は、変数ＩＦに保存された電流値が第２の閾値Ｉｌｉｍｉｔ２より小さいかどうか判断し、変数ＩＦに保存された電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ２より小さければＳ１００６に進み、そうでなければＳ１０１３に進む。ここで、閾値Ｉｌｉｍｉｔ２の値は、バイパススイッチ９３４をオンすると共に力率改善部９２２をオフ状態にした状態で、商用交流電源１４０から画像形成装置１００に供給される電流値が最大電流規格の１５Ａになるときに、ヒータ１３６に流れる電流値である。即ち、定着電流検知部２０６で検知される電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ２未満（第２の閾値未満）ならば、バイパススイッチ９３４をオンすると共に力率改善部９２２をオフ状態にした状態でも、商用交流電源の１５Ａ電流規格を満足することができる。Ｓ１００６、Ｓ１００７、及びＳ１０１３の処理は、それぞれ図７のＳ６０６、Ｓ６０７、Ｓ６１３と同一の処理なので、説明を省略する。

Ｓ１００８では、エンジンコントローラ２１２は、バイパススイッチ９３４をオンにすると共に、力率改善制御部９４１に力率改善部９２２のオフ状態を指示する。これにより、力率改善制御部９４１によるＦＥＴ９０３のデューティ制御が停止され、整流部９０１からの出力電流は、バイパススイッチ９３４を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２３に入力される。Ｓ１００９、Ｓ１０１０、Ｓ１０１１の処理は、それぞれ図７のＳ６０９、Ｓ６１０、Ｓ６１１と同一の処理なので、説明を省略する。Ｓ１００９では、エンジンコントローラ２１２は、変数ｎに０を書き込み、リセットする。Ｓ１０１２では、エンジンコントローラ２１２は、変数ＩＦに保存された電流値は閾値Ｉｌｉｍｉｔ２の値以上かどうか判断し、変数ＩＦに保存された電流値が閾値Ｉｌｉｍｉｔ２以上（第２の閾値以上）であればＳ１００２に進み、そうでなければＳ１０１０に戻る。

以上説明したように、本実施例によれば、力率改善部のスイッチング損失を抑えることができる。特に、本実施例では、画像形成動作中においても、多くの時間で力率改善部をバイパススイッチによりバイパスさせることにより、実施例１における効果に加えて、チョークコイルやダイオードでの損失も最小限に抑えることができる。

１３０加熱定着装置
１３６ヒータ
１４０商用交流電源
２０６定着電流検知部
２１２エンジンコントローラ
４２１整流部
４２２力率改善部
４２３ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims

交流電源を整流によって直流に変換する整流手段と、前記整流手段から出力された直流を入力とする力率改善手段と、前記力率改善手段から出力された直流を直流に変換する直流／直流変換手段と、を有する電源装置と、
前記交流電源からヒータに供給される電流を検知する検知手段を有し、記録紙上に形成されたトナー像を前記ヒータにより加熱して前記記録紙に定着させる加熱定着装置と、
前記検知手段により検知された電流値が第１の閾値以上のときには、前記整流手段から入力された直流に対して力率改善を行い、前記検知手段により検知された電流値が前記第１の閾値未満のときには、力率改善を停止するように、前記力率改善手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする画像形成装置。
前記制御手段が、前記力率改善手段に力率改善を行わせるタイミングは、前記検知手段により検知された電流値が前記第１の閾値以上であることを検知されたときであり、
前記制御手段が、前記力率改善手段による力率改善を停止させるタイミングは、前記検知手段により検知された電流値が前記第１の閾値未満であることを所定時間に連続して検知されたときであることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記第１の閾値は、前記力率改善手段による力率改善を停止させた状態で、前記交流電源から電流規格の最大値の電流が前記画像形成装置に供給されたときに、前記ヒータに流れる電流値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
交流電源を整流によって直流に変換する整流手段と、前記整流手段から出力された直流を入力とする力率改善手段と、前記力率改善手段から出力された直流を直流に変換する直流／直流変換手段と、
前記力率改善手段に並列接続され、オン状態では、前記整流手段から出力された直流を、前記力率改善手段を介さずに、前記直流／直流変換手段に入力させ、オフ状態では、前記整流手段から出力された直流を、前記力率改善手段を介して、前記直流／直流変換手段に入力させるバイパス手段と、を有する電源装置と、
前記交流電源からヒータに供給される電流を検知する検知手段を有し、記録紙上に形成されたトナー像を前記ヒータにより加熱して前記記録紙に定着させる加熱定着装置と、
前記検知手段により検知された電流値が第２の閾値以上のときには、前記力率改善手段が前記整流手段から入力された直流に対して力率改善を行うと共に、前記バイパス手段をオフ状態にし、前記検知手段により検知された電流値が前記第２の閾値未満のときには、前記力率改善手段による力率改善を停止させると共に、前記バイパス手段をオン状態にするように、前記力率改善手段及び前記バイパス手段の制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする画像形成装置。
前記制御手段が、前記力率改善手段に力率改善を行わせると共に前記バイパス手段をオフ状態にするタイミングは、前記検知手段により検知された電流値が前記第２の閾値以上であることを検知されたときであり、
前記制御手段が、前記力率改善手段による力率改善を停止させると共に前記バイパス手段をオン状態にするタイミングは、前記検知手段により検知された電流値が前記第２の閾値以上であることを所定時間に連続して検知されたときであることを特徴とする請求項４に記載の画像形成装置。
前記第２の閾値は、前記力率改善手段による力率改善を停止させると共に前記バイパス手段をオン状態にした状態で、前記交流電源の供給する電流規格の最大値の電流が前記画像形成装置に供給されたときに、前記ヒータに流れる電流値であることを特徴とする請求項４又は５に記載の画像形成装置。