JP2014009994A - 電流計測装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサの電流値がゼロの場合のオフセットレベルを正確に把握する。
【解決手段】ＡＣ／ＤＣコンバータ８は、電流センサ１とマイクロコンピュータ８に直流電圧を供給し、マイクロコンピュータ８は、リレー２によりラインを遮断し、リレー３によりラインを接続している状態で、電流センサ１の検知結果に基づいて電流センサ１のオフセットレベルを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、機器内でその機器に流れる電流を計測する電流計測装置及びそれを用いた画像形成装置に関する。

近年、電気機器の消費電力をその機器自体で監視するシステムが提案されている。また、検出した消費電力を表示部に表示してユーザーに節電を促したり、複数の機器の電力消費状況を監視制御するマネッジメントシステムに、各機器の消費電力のデータを送信して統合的な電力消費監視網を形成することも行われている。

消費電力を計測するために装置に流れる電流を検出する必要がある。電流を検出する素子としては、ホール素子等で構成された電流センサがある。この電流センサが電圧換算した電圧レベルをマイクロコンピュータ等に送信し、マイクロコンピュータ等は、その電圧レベルをＡ／Ｄ変換した後に、実効値演算を実行する。この場合、演算される実効値の精度を向上させるためには、電流値がゼロの場合の電流センサのオフセットレベルを管理する必要がある。マイクロコンピュータでのＡ／Ｄ変換時のリファレンス電圧は電源電圧であり、電流センサが出力する電流値がゼロのときのレベルは、マイクロコンピュータの接地レベルとリファレンス電圧の中間レベルに設定され、これが電流センサのオフセットレベルとなる。

図７に、電流センサのオフセットレベルの設定例を示す。図７において、横軸が電流センサの被検知電流の電流値Ｉ（Ａ）であり、縦軸が電流センサの出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｖ）である。図に示すように、電流センサの不飽和領域内で電流値Ｉ（Ａ）をマイナスからプラスに増加させた後、減少させる。すなわち、図中の矢印Ａから矢印Ｂの順で感度レベル（出力電圧Ｖｏｕｔ）をプロットした後、最小二乗近似の直線を引いた場合、電流値Ｉ（Ａ）が０Ａでのこの直線の縦軸の切片がオフセットレベルとなる。オフセットレベルは電流センサの電源電圧Ｖｃｃの１／２が理想値であるが、環境変化や電流センサを構成する部材の特性のばらつきにより誤差が発生する。

電流センサの出力レベルは電流の流れる方向と電流値に応じて、このオフセットレベルから増減するように変動する。電流センサのオフセットレベルと、マイクロコンピュータの接地レベルとＡ／Ｄリファレンス電圧の中間レベルとの間に差があると、マイクロコンピュータが演算した実効値の精度が低下する。このため、正確な電流センサのオフセットレベルを検出する必要がある。その一例として、バッテリの充放電電流の検出用の電流センサのオフセット誤差を検出する方法が提案されている。例えば特許文献１では、バッテリの充電状態監視装置において、メモリのバックアップ等の最低限必要な暗電流が流れているときの電流センサの出力値を電流値がゼロの場合に対する誤差であるとし、調整値として記憶部に格納しておくという構成が提案されている。また、例えば特許文献２においては、所定の負荷状態から推測できるバッテリの放電電流の推測値と電流センサの検出電流値とを比較し、比較結果に基づいてオフセット調整を行う構成が提案されている。

特開２００４−３２５２３５号公報 特開２００７− ５７４２２号公報

しかしながら、上述の特許文献１及び特許文献２記載の発明の構成では、電流センサが検知するラインの電流をゼロにすると、電流センサ自体に電源を与えるための電源供給部が稼働しないこととなる。この状態では電流センサは電源を得ることはできないので、電流値ゼロ時でのオフセットレベルを検知することはできない。

本発明は、このような状況のもとででなされたもので、電流センサの電流値がゼロの場合のオフセットレベルを正確に把握することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。

（１）商用電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、負荷に直流電圧を供給する変換手段と、前記商用電源と前記変換手段を接続する第１のラインと第２のラインとを含み、前記第２のラインが分岐した後再度合流する２つのラインから構成される電源ラインと、前記２つのラインのそれぞれに設置され、設置されたラインの接続を切り換える第１の切換手段及び第２の切換手段と、前記変換手段により直流電圧が供給され、前記第１の切換手段が設置されたラインに流れる電流を検知する電流検知手段と、前記第１の切換手段によりラインを遮断し、前記第２の切換手段によりラインを接続している状態で、前記電流検知手段の検知結果に基づいて前記電流検知手段のオフセットレベルを算出する制御手段と、を有することを特徴とする電流計測装置。

（２）前記（１）に記載の電流計測装置を有する画像形成装置であって、記録材を搬送する搬送手段と、静電潜像が形成される感光ドラムと、感光ドラムを帯電する帯電手段と、静電潜像を形成する露光手段と、静電潜像を現像してトナー像を形成するための現像手段と、前記トナー像を記録材に転写するための転写手段と、記録材に転写されたトナー像を定着するための定着手段と、を有し、前記負荷が、前記搬送手段、前記露光手段、前記現像手段、前記転写手段及び前記定着手段であることを特徴とする画像形成装置。

本発明によれば、電流センサの電流値がゼロの場合のオフセットレベルを正確に把握することができる。

第１、第２の実施の形態の電流計測装置の構成を示す図 第１、第２の実施の形態の電流センサの構成と被検知電流に対する出力特性を示す図 第１、第２の実施の形態の電流センサのオフセットレベルのサンプリング状態を示す図 第１、第２の実施の形態の電流実効値演算の考え方を示す図 第１、第２の実施の形態の電流計測開始までの制御を示すフローチャート 第２の実施の形態の画像形成装置の概略構成を示す図 従来の電流センサのオフセットレベルの設定例を示す図

本発明を実施するための形態を、以下に説明する。

［第１の実施の形態］
＜電流計測装置の構成＞
図１は、本実施の形態に係る電流計測装置の構成を示す図である。ＡＣ／ＤＣコンバータ５（変換手段）は、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を負荷８に供給する。ＡＣ／ＤＣコンバータ５は、端子ＡＣ−Ｎからのライン（第１のライン）と端子ＡＣ−Ｈからのライン（第２のライン）から構成される電源ラインによって商用電源に接続されている。端子ＡＣ−Ｈからのラインは、分岐した後再度合流しメインスイッチ４に接続される。端子ＡＣ−Ｈから分岐したラインにはリレー２（第１の切換手段）とリレー３（第２の切換手段）がそれぞれ設置されており、更にリレー２と端子ＡＣ−Ｈ側の分岐する箇所との間には電流センサ１が設置されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ５には端子ＡＣ＿Ｎとメインスイッチ４の一方の端子から商用電源が供給される。マイクロコンピュータ６は、電流センサ１から入力される電流検知信号（Ｖｏｕｔ）をＡ／Ｄ変換した後、実効値演算を行い、またポートＰ１、Ｐ２から出力する信号によりリレー２、リレー３の切替制御を行う。マイクロコンピュータ６はポートＰ１からローレベル（０）の信号を出力してリレー２を遮断状態にし、ポートＰ２からローレベルの信号を出力してリレー３を接続状態（図１に示した状態）にする。また、マイクロコンピュータ６はポートＰ１からハイレベル（１）の信号を出力してリレー２を接続状態にし、ポートＰ２からハイレベルの信号を出力してリレー３を遮断状態にする。リレー２の接続側の切替端子には電流センサ１の被検知端子が接続されており、リレー３の接続側の切替端子には端子ＡＣ＿Ｈから分岐したラインが接続されている。メインスイッチ４の片方の端子は、リレー２、リレー３のコモン端子の共通ラインと接続されている。また、レギュレータ７は、マイクロコンピュータ６と電流センサ１に電源電圧Ｖ_ＤＤ５Ｖを供給する。なお、メインスイッチ４は端子ＡＣ−ＮとＡＣ／ＤＣコンバータ５の間のライン上に設置してもよい。

＜電流センサの構成と出力特性＞
本実施の形態で使用する電流センサ１を、例えばホールＩＣを使用した旭化成エレクトロニクス社のＣＱシリーズを例に説明する。なお、電流センサとして他のセンサ素子を使用してもよい。図２（ａ）は電流センサ１の平面図であり、図２（ｂ）は電流センサ１の正面図である。この電流センサ１は、電流導体１０に電流が流れると、その電流により発生した磁界をコア１１が吸収し、中央に設けたギャップにより電流に比例した平行磁界が発生する。そして、そのギャップにホールＩＣ１２を設置することで、磁束密度に比例した電流値を検出することができる。

電流センサ１は、図１の端子ＡＣ＿Ｈと端子ＡＣ＿Ｎから入力される商用電源の片側のラインに流れる電流を検知できるように設置されている。電流センサ１は、被検知電流が０Ａのとき略２．５Ｖを出力し、被検知電流が端子ＰからＮの方向に流れている場合には、出力電圧が２．５Ｖより増加する。一方、逆方向すなわち端子ＮからＰの方向に被検知電流が流れている場合には、出力電圧が２．５Ｖより減少する。

電流センサ１の感度が１００ｍＶ／Ａの場合の被検知電流と出力電圧の関係を図２（ｃ）に示す。図２（ｃ）において、横軸が電流センサ１の被検知電流Ｉ（Ａ）であり、縦軸が電流センサ１の出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｖ）である。端子ＰからＮへの電流が増加すると、出力電圧Ｖｏｕｔは２．５Ｖから上昇し、被検知電流Ｉが２０Ａで４．５Ｖに達する。一方、逆方向に電流が増加すると、出力電圧Ｖｏｕｔは、２．５Ｖから下降して被検知電流Ｉが−２０Ａで０．５Ｖとなる。

＜オフセットレベルのサンプリング＞
電流センサ１のオフセットレベルのサンプリングについて図３を用いて説明する。図３において、横軸はサンプリングの時間（ｔ）を示し、縦軸は電流センサ１の検知電流に対応したセンサ出力Ｖｏｕｔ（Ｖ）を示す。なお、オフセットレベルのサンプリングは、図１に示したリレー２を遮断状態、リレー３を接続状態にして、マイクロコンピュータ６によって実行される。

図３に示すように、マイクロコンピュータ６は、リレー２を遮断状態、リレー３を接続状態にしてから所定時間後に、例えば２０μｓ（マイクロ秒）間隔で２５６回の複数サンプリングを行い、それぞれのセンサ出力Ｖｏｕｔ（Ｖ）をＡ／Ｄ変換する。例えば、１回目のサンプリングの結果、電流センサ１から出力されたセンサ出力ＶｏｕｔをＡ／Ｄ変換した値をＩ＿ｏｆｆｓｅｔ（０）とする。また、ｎ回目のサンプリングの結果、電流センサ１から出力されたセンサ出力ＶｏｕｔをＡ／Ｄ変換した値をＩ＿ｏｆｆｓｅｔ（ｎ−１）とする。そして、次式の加算を行う。
Ｉ＿ｏｆｆｓｅｔ（０）＋・・・・＋Ｉ＿ｏｆｆｓｅｔ（２５５）

そして、この加算結果を２５６で除算した値をオフセットレベルとして記憶部に記憶する。マイクロコンピュータ６に具備されているＡ／Ｄ変換器が１０ビットの場合、５Ｖを１０２４とすると、２．５Ｖは５１２に相当する。温度等の環境変化により、電流センサ１のオフセットレベルは２．５Ｖから微小な誤差を有するので、Ａ／Ｄ変換後のサンプル値も５１２から微小な変動が生じる場合がある。そのため、検知電流に対応した出力電圧Ｖ_ＯＵＴの実効値を演算する上で、正確なオフセットレベルを把握しなければ電流実効値に誤差が生じることとなる。

＜電流実効値演算＞
マイクロコンピュータ６が行う電流実効値演算について、図４を用いて説明する。図４において、横軸はサンプリングの時間（ｔ）を示し、縦軸は電流センサ１の検知電流に対応したセンサ出力Ｖｏｕｔ（Ｖ）を示す。この電流実効値演算は、図３を用いて説明したオフセットレベルの記憶の後に、図１に示したリレー２を接続状態、リレー３を遮断状態にして行われる。その結果、マイクロコンピュータ６は負荷８に流れる電流の実効値を演算することとなる。

商用電源の周波数が５０Ｈｚの場合、１周期に対応する２０ｍｓ（ミリ秒）の区間を演算区間として設定する。この演算区間の中で、サンプリングを７８．１２５μｓ間隔で２５６回行うものとする。Ｉ（ｎ）は、ｎ回目のＡ／Ｄ変換後の検知電流に対応した電流センサ１の出力電圧Ｖ_ＯＵＴの絶対値であり、オフセットレベルを考慮した値である。このＩ（ｎ）と電流センサ１の出力のＡ／Ｄ変換後の値ＳＯ（ｎ）との関係について、以下に述べる。

上述した方法で得た電流センサ１のオフセットレベルのＡ／Ｄ変換後の値をＯＦＦＳＥＴとする。そして、ＯＦＦＳＥＴよりＳＯ（ｎ）の方が大きい場合は、Ｉ（ｎ）＝ＳＯ（ｎ）−ＯＦＦＳＥＴ、ＯＦＦＳＥＴよりＳＯ（ｎ）の方が小さい場合は、Ｉ（ｎ）＝ＯＦＦＳＥＴ−ＳＯ（ｎ）となる。絶対値Ｉ（ｎ）を基に電流実効値を演算すると、
√（Ｉ（０）×Ｉ（０）＋・・・＋Ｉ（２５５）×Ｉ（２５５））／２５６
となる。ここで、従来のように電流センサ１のオフセットレベルの値をサンプリングせずに、５１２（２．５Ｖに相当）と推定して電流実効値を演算すると、絶対値Ｉ（ｎ）に誤差が生じる可能性があるので、電流実効値も誤差を有することになる。

＜電流計測開始までのフローチャート＞
次に、上述の電流センサ１のオフセットサンプリング動作から電流計測開始までのマイクロコンピュータ６が行う制御について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。

メインスイッチ４がオンされると商用電源のＡＣ電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ５によりＤＣ電圧に変換されて負荷８に供給され、マイクロコンピュータ６には、ＡＣ／ＤＣコンバータ５、レギュレータ７を介して電源電圧Ｖ_ＤＤ５Ｖが供給され、制御が開始する。マイクロコンピュータ６では、内蔵のリセット回路により、一旦システムリセット状態となり、ステップ（以下、Ｓとする）１で、所定時間経過後リセットが解除される。このとき、マイクロコンピュータ６のポートＰ１、Ｐ２は、ともにリセットレベル‘０’を出力している。これにより、マイクロコンピュータ６は、Ｓ２で、リレー２を遮断状態にし、リレー３を接続状態にする。図１はＳ２の状態を示している。従って、端子ＡＣ＿Ｈから負荷８へ供給される電流は、電流センサ１の被検知ラインには流れていない。電流センサ１の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは略２．５Ｖとなっており、マイクロコンピュータ６は、Ｓ３で、上述した電流センサ１の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ（検知結果）のサンプリングを行い、それぞれＡ／Ｄ変換を行う。マイクロコンピュータ６は、Ｓ４で、所定回数例えば２５６回サンプリングして得た値の平均値を電流センサ１の電流値がゼロの場合のオフセットレベルとして記憶部に記憶する。

オフセットレベルのサンプリングが完了すると、マイクロコンピュータ６は、Ｓ５で、ポートＰ１＝１とすることでリレー２のスイッチを接続側にして電流センサ１の被検知ラインに電流が流れるようにする。その後、マイクロコンピュータ６は、Ｓ６で、ポートＰ２＝１とすることでリレー３のスイッチを遮断側にして、リレー３が制御するラインを遮断する。この制御により、負荷への電流供給が遮断されることがなく、電流センサ１の被検知ラインにのみ電流が流れる状態へ安定的に遷移し、マイクロコンピュータ６は、Ｓ７で、電流計測を開始し、制御を終了する。電流計測開始後のマイクロコンピュータ６の電流実効値の演算では、上述したように電流センサ１の電流値がゼロの状態で記憶されたオフセットレベルを基準に精度の高い演算が実行される。本実施の形態において、電流センサ１はホールＩＣ構成を用いた構成を説明したが、ホールＩＣのみに限定されるものではなく、ＭＲセンサ等の磁気センサやカレントトランス等を用いてもよい。

以上説明したように、本発明の電流計測装置は、電源投入時に電流センサの被検知ラインを電流が流れない状態にすることができるので、より正確に電流センサのオフセットレベルを把握することができ、精度の高い電流実効値を算出することができる。また、オフセットレベルのサンプリング処理完了から電流計測開始に至る際の電流経路の切り替え動作を、商用電源と装置内負荷との接続を安定的に保ちつつ遂行することができる。

本実施の形態によれば、電流センサの電流値がゼロの場合のオフセットレベルを正確に把握することができる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態で説明した電流計測装置は、例えば画像形成装置の感光ドラムの帯電部、露光部、定着器及び記録材の搬送ローラを駆動するモータ等を負荷とした場合に流れる電流の実効値を計測するために使用される。以下に、第１の実施の形態の電流計測装置が適用される画像形成装置の構成を説明する。

＜画像形成装置の構成＞
画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタを例に説明する。図６に電子写真方式のプリンタの一例であるレーザビームプリンタの概略構成を示す。レーザビームプリンタ３００は、像担持体としての感光ドラム３１１、感光ドラム３１１を帯電する帯電部３１７、静電潜像を形成するためのスキャナ部３１３（露光手段）、感光ドラム３１１に形成された静電潜像をトナーで現像する現像部３１２を備えている。そして、感光ドラム３１１に現像されたトナー像をカセット３１６から供給された記録材としてのシート（不図示）に転写部３１８（転写手段）によって転写して、シートに転写したトナー像をヒータを有する定着器３１４で定着してトレイ３１５に排出する。この感光ドラム３１１、帯電部３１７、現像部３１２、転写部３１８が画像形成部である。また、レーザビームプリンタ３００は、シートを搬送する各種ローラを駆動するためのモータ等の駆動部を有している。

尚、第１の実施の形態の電流計測装置が適用可能な画像形成装置は、図６に例示したものに限定されず、例えば複数の画像形成部を備える画像形成装置であってもよい。更に、感光ドラム３１１上のトナー像を中間転写ベルトに転写する一次転写部と、中間転写ベルト上のトナー像をシートに転写する二次転写部を備える画像形成装置であってもよい。本実施の形態のレーザビームプリンタ３００において、第１の実施の形態の電流計測装置は、帯電部３１７、現像部３１２、定着器３１４（例えば、温度検知のためのサーミスタ等）、及びモータ等を負荷とした場合に流れる電流の実効値を計測する。

以上本実施の形態によれば、電流センサの電流値がゼロの場合のオフセットレベルを正確に把握することができる。

１ 電流センサ
２，３ リレー
４ メインスイッチ
５ ＡＣ／ＤＣコンバータ
６ マイクロコンピュータ

Claims (4)

1. 商用電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、負荷に直流電圧を供給する変換手段と、
   前記商用電源と前記変換手段を接続する第１のラインと第２のラインとを含み、前記第２のラインが分岐した後再度合流する２つのラインから構成される電源ラインと、
   前記２つのラインのそれぞれに設置され、設置されたラインの接続を切り換える第１の切換手段及び第２の切換手段と、
   前記変換手段により直流電圧が供給され、前記第１の切換手段が設置されたラインに流れる電流を検知する電流検知手段と、
   前記第１の切換手段によりラインを遮断し、前記第２の切換手段によりラインを接続している状態で、前記電流検知手段の検知結果に基づいて前記電流検知手段のオフセットレベルを算出する制御手段と、
   を有することを特徴とする電流計測装置。
2. 前記制御手段は、前記第１の切換手段によりラインを接続し、前記第２の切換手段によりラインを遮断している状態で、前記算出したオフセットレベルと前記電流検知手段により検知した結果に基づき前記電源ラインに流れる電流の実効値を演算することを特徴とする請求項１記載の電流計測装置。
3. 前記制御手段は、前記電流検知手段の検知結果を複数サンプリングし、前記サンプリングした複数の検知結果の平均値を前記電流検知手段のオフセットレベルとして算出することを特徴とする請求項１または２に記載の電流計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流計測装置を有する画像形成装置であって、
   記録材を搬送する搬送手段と、静電潜像が形成される感光ドラムと、感光ドラムを帯電する帯電手段と、静電潜像を形成する露光手段と、静電潜像を現像してトナー像を形成するための現像手段と、前記トナー像を記録材に転写するための転写手段と、記録材に転写されたトナー像を定着するための定着手段と、を有し、
   前記負荷が、前記搬送手段、前記露光手段、前記現像手段、前記転写手段及び前記定着手段であることを特徴とする画像形成装置。

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