JP2015031806A - 電力供給装置およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トランス5の一次コイルC1を2つの独立したコイルである第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12で構成する。切替制御回路9は、負荷6に大きな電力を供給するときは、一次コイルC11と第2の一次コイルC12をインバータ3に対して並列接続し、それより少ない電力を負荷6に供給するときはこれらを直列接続する。
【選択図】 図3
Description
交流電圧を生成する電圧生成手段と、
前記交流電圧が印加される複数の一次コイルと、負荷に接続される二次コイルとを有する変圧手段と、
前記複数の一次コイルを前記交流電圧に対して直列に接続するか並列に接続するかを切り替える切替手段と、を有し、
前記切替手段は、前記負荷に第1の電力を供給するときは前記複数の一次コイルを並列接続し、前記負荷に前記第1の電力よりも小さな第2の電力を供給するときは前記複数の一次コイルを直列接続し、
前記電圧生成手段は、前記負荷に前記第2の電力を供給するときは、前記一次コイルに電流を流す期間を可変制御することを特徴とする電力供給装置を提供する。
1.画像形成装置の概要
画像形成装置の基本的な構成および動作について説明する。図1は画像形成装置100の概略断面図である。画像形成装置100は画像形成ユニット20を一つ具備したモノクロの画像形成装置である。なお、本発明は複数の画像形成ユニット20を備えた多色画像形成装置に適用可能である。
図2(A)は定着装置30をシートSの搬送方向における下流側から見た図である。図2(B)は定着装置30の長手方向の断面図である。図2(C)は図2(A)の一点鎖線A−A’での定着装置30の断面図である。図2(A)ないし図2(C)に示すように定着装置30は、回転発熱体であるロール状の定着フィルム41と加圧ローラ42とで定着ニップを形成している。トナー像を担持したシートSはこの定着ニップを通過する際に加圧および加熱される。
図3に示した電力供給装置31は、商用電源1から50Hzまたは60Hzの交流を一度直流に変換した後に、より高周波数の交流に変換する。整流平滑回路2は商用電源1から供給された100Vの交流電圧を100Vの直流電圧に変換する。インバータ3は交流電圧を生成する電圧生成手段であり、たとえば、直流100Vを数十kHz〜数百kHzの交流電圧に変換する。インバータ3は4つのトランジスタ(FET Q1〜Q4)を用いたフルブリッジ回路を有したインバータ回路である。PWM制御回路4は4つのFET Q1〜Q4のオン/オフを制御して直流電圧を所望の交流電圧に変換する。接続切替部8は、2つのスイッチS1、S2と、スイッチS1、S2の状態の切り替えを制御する切替制御回路9を有している。ここでは、スイッチS1、S2として半導体素子が採用されているが、切替制御回路9によって切り替え可能なスイッチであれば機械的なスイッチが採用されてもよい。トランス5は、交流電圧が印加される第1の一次コイルC11および第2の一次コイルC12と、負荷6に接続される二次コイルC2とを有する変圧手段である。第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12は上述した送電コイル47として機能する。二次コイルC2は受電コイル48として機能する。第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12はトランス5のコアの軸方向に並べられて配置されてもよいし、コアに対して同心円状に配置されてもよい。
●条件1:商用電源1の電圧はAC100V
●条件2:インバータ3のスイッチング周波数は200kHz
●条件3:第1の一次コイルC11、第2の一次コイルC12、二次コイルC2のインダクタンスは共に10μHで巻数は5ターン
●条件4:発熱層61の抵抗は7.5Ω。
接続切替方式で電力を制御する方法について説明する。
図3が示すようにスイッチS1、S2は単極双投(1回路2接点)タイプのスイッチであり、上側の接点と下側の接点とのどちらかに回路(極)が接続される。温度制御回路11が並列接続を指示すると、切替制御回路9は上側の接点と極とが接続するようスイッチS1、S2の切片を切り替える。その結果、図4(A)が示すように、インバータ3に対して第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12とが並列に接続される。並列接続時の第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12との合成インダクタンスLpは式1により表現される。
L11は第1の一次コイルC11のインダクタンスであり、L12は第2の一次コイルC12のインダクタンスである。インダクタンスL11、L12はともに10μHとすると、合成インダクタンスLpは5μHとなる。
Iはドレイン−ソース間に流れる電流であり、Vがドレイン−ソース間に印加される電圧である。FETがオフのときはドレイン−ソース間に電流が流れないため、FETで電力は消費されない。オンのときは電圧Vが0VであるためFETで消費される電力Pはゼロである。しかし、過渡の期間では電流Iも電圧Vも共にゼロではないためFETで消費される電力Pはゼロではない。この電力Pがスイッチング損である。この電力Pは熱となってFETの温度を上昇させる。
N1は一次コイルC1の巻数である。N2は二次コイルC2の巻数である。V1は一次コイルC1に印加される電圧である。たとえば、第1の一次コイルC11の巻数と第2の一次コイルC12の巻数を共に5ターンとすると、並列接続での一次コイルC1の巻数N1も5ターンである。二次コイルC2の巻数N2を5ターンとし、V1を100Vとして式3に代入すると、V2は100Vと算出される。電流I2の絶対値は12Aであるため、式2から、負荷6に供給される電力は1200Wと算出される。
温度制御回路11が直列接続を指示すると、切替制御回路9は下側の接点と極とが接続するようスイッチS1、S2の切片を切り替える。その結果、図4(B)が示すように、インバータ3に対して第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12が直列に接続される。第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12とを直列接続することで得られる合成インダクタンスLsは式4で表現される。
第1の一次コイルC11のインダクタンスと第2の一次コイルC12のインダクタンスは共に10μHであるから、合成インダクタンスLsは20μHと算出される。L11=L12と仮定すると、並列接続時の合成インダクタンスの式3と直列接続時の合成インダクタンスの式4から、式5が得られる。
式5は、直列接続時の合成インダクタンスLsが並列接続時の合成インダクタンスLpの4倍になることを示している。一方で、一次コイルC1に流れる電流I1は式6で表現される。
式6は、インダクタンスLが4倍になれば、電流Iは1/4に減少することを示している。インバータ3が生成する交流電圧V1の値は、第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12とが並列接続されているか、直列接続されているかには依存せず、同じ値である。よって一次コイルC1に流れる電流I1が1/4になれば負荷6に供給される電力も1/4になる。
次にPWM方式で電力を制御する方法について説明する。
図5(A)はデューティ比が100%に設定されているときの電流波形を示している。これは接続切替方式の並列接続の場合と同じであるため、説明を省略する。
図5(C)はデューティ比が25%に設定されているときの電流波形を示している。コントローラ7がデューティ比を25%に設定すると、デューティ周期のうち25%の期間だけ電流が流れる。つまり、コントローラ7からデューティ比を25%に設定されるとPWM制御回路4は、図5(A)に示したオン期間t14〜t15、t18〜t19を25%の長さに調整する。本実施例では、FET Q3、Q4の位相を早めるフェーズシフト方法が用いられている。FET Q3、Q4の位相を早めることで、デッドタイム期間中である期間t16〜t17、t20〜t21が増加し、オン期間t14〜t15、t18〜t19、t22〜t23が減少する。第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12は並列接続されたままであるから合成インダクタンスも変わらない。よって、オン期間に一次コイルC1に流れる電流I1は、デューティ比が100%のときの電流I1と同じ様に増減する。一次コイルC1の電流I1の変化が同じであるため、二次コイルC2に流れる電流I2の最大電流値もデューティ比が100%のときの電流I2と同じ12Aとなる。異なるのはデューティ比が25%のときのオン期間が、デューティ比が100%のときのオン期間の1/4しかないことである。そのため、図5(C)に点線で示すように電流I2は断続的となる。デューティ比が25%ではデューティ比が100%のときの1/4の時間しか電流が流れないため、負荷6に供給される電力も1/4となる。その結果、図5(C)では電力が300Wとなっている(デューティ比が100%のときは電力が1200W)。このようにPWM方式では電流I2を断続的に制御することで電力制御を行っている。
次に定着装置30において、電力供給装置31を用いてどの様に電力制御を行なうかを説明する。定着装置30ではトナー像をシートSに定着するときの加熱温度が、たとえば、140℃から200℃程度となる。定着装置30の目標温度は、トナーの成分や加熱時間などの条件やシートSの素材や厚み等により決定される。本実施例では一例として目標温度を200℃とする。この目標温度を維持するためには、300W程度の電力が必要となる。これは、シートSがニップ部に挟持されているときはシートSに熱が逃げるためである。シートSがニップ部に存在しないときでも、空気中に熱が逃げるため100W程度の電力が必要である。環境負荷や限りあるエネルギー資源の節約のためには、定着を行なわないときは定着装置30への電力供給が止められてもよい。
S1で、温度制御回路11は、コントローラ7から起動される。たとえば、コントローラ7は画像データを受信するとウォーミングアップを開始するために不図示の電源装置から電力を供給して温度制御回路11を起動する。
S6で、温度制御回路11は、切替制御回路9に対して“直列接続”を示す信号を出力し、コントローラ7に対して“ウォーミングアップ完了”を示す信号を出力する。“直列接続”を示す信号を受け取った切替制御回路9は第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12がインバータ3に対して直列に接続されるようスイッチS1、S2の状態を直列接続状態に切り替える。直列接続状態とは、第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12がインバータ3に対して直列接続されるようなスイッチS1、S2の動作状態をいう。これにより、負荷6に供給される電力が1200Wから300Wに低下する。“ウォーミングアップ完了”を示す信号を受け取ったコントローラ7はプリントを開始する。このように、温度制御回路11や切替制御回路9は、温度センサー10により検知された温度が目標温度以上でないときは複数の一次コイルを並列接続し、温度センサー10により検知された温度が目標温度以上になると複数の一次コイルを直列接続する。
スイッチングにおいて、デッドタイムであるオフ期間では一次コイルC1に電流が流れない。しかし、図5(C)の一次コイルC1に流れる電流I1の波形を見ると、デッドタイムである期間t15〜t18、t19〜t22に±3A程度の電流が流れている。この電流は、トランス5の二次側に負荷が接続されていないときでも流れる、トランス特有の励磁電流である。期間t15〜t17ではFET Q1、Q3がオンになっているため、図3に示した回路においてC11/C12−Q3−Q1−C11/C12の順に電流がループ状に流れる。同様に期間t18〜t20ではFET Q2、Q4がオンになっているため、図3に示した回路においてC11/C12−Q2−Q4−C11/C12の順に電流がループ状に流れる。FETは半導体素子であるため、数mΩ以上のオン抵抗値を持っている。よって一次コイルC1に電流I1が流れればFETで電力が消費される。
IはFETに流れる電流であり、RはFETのオン抵抗である。電流Iを3Aとし、抵抗Rを50mΩとして式7に代入することにより、電力損失Pは0.45Wとなることがわかる。この電力損失Pは連続して3Aの電流が流れたときの値であるから、デッドタイム期間中の電力損失Pは0.45Wの16%である0.07Wとなる。0.07Wは1つのFETあたりで消費される電力である。デッドタイム期間中に流れるループ状の電流は2つのFETを直列に流れるから、2つのFETで消費される電力は、0.14Wとなる。この0.14Wが接続切替方式で負荷6へ供給される電力を300Wに設定した場合にデッドタイム期間中に消費される電力である。
並列接続形式の一次コイルC1には図5(A)に示したように電流I1が流れる。電流I1の平均値は14.1Aである。FETのオン抵抗を50mΩとすると電力は、式7より、9.9Wとなる。この電流は直列に接続された2つのFETに流れる。2つのFETで消費される電力は、19.9Wである。このときに負荷6に供給される電力は1200Wであるため、1.6%がFETで損失されることがわかる。図5(A)においてFETの損失の他にコイルの損失も考慮すると、電力伝送効率は98.1%である。
直列接続形式の一次コイルC1には図5(B)に示したような電流I1が流れる。電流I1の平均値は3.5Aである。FETのオン抵抗を50mΩとすると電力は式7より0.61Wと算出される。電流I1は直列に接続された2つのFETに流れるため、1.2Wが2つのFETで消費される。このときに負荷6に供給される電力は300Wであるため、全体の0.4%がFETで損失する。図5(B)の例では電力伝送効率は99.5%である。このように、直列接続と比較して並列接続で電力伝送効率が1.4%も向上した主な理由は、FETでの損失が1.6%から0.4%に低減したことである。
比較のため、並列接続形式でかつPWM方式の場合にデューティ比が25%にして300Wにした時も同様に算出する。デューティ比が25%に設定されているときの一次コイルC1には図5(C)に示したような電流I1が流れる。電流I1の平均値は6.7Aである。FETのオン抵抗を50mΩとすると電力は式7より2.2Wと算出される。直列に接続された2つのFETで消費される電力は4.5Wである。このときに負荷6に供給されている電力は300Wであるため、その1.5%がFETで損失される。図5(C)に示した例では電力伝送効率が98.3%である。上述したようにデューティ比が100%である並列接続形式では電力伝送効率が98.1%であったから、並列接続形式ではデューティ比が変わっても電力伝送効率はほとんど変わらない。よってPWM方式では直列接続形式のような電力伝送効率の向上は期待できない。
温度制御回路11は、定着処理時においてPWM方式を採用する。このとき、デューティ比は100%に設定され、負荷6には300Wの電力が供給される。このとき、温度制御回路11が電力をどのくらい細かく制御できるかを説明する。
●デューティ比が100%のときに負荷6に供給される電力が1200Wの場合、電力制御の制御ステップは11.43Wとなる(1200W/105=11.43W)
●デューティ比が100%のときに負荷6に供給される電力が300Wの場合、制御ステップは2.86Wとなる(300W/105=2.86W)
切替制御回路9は、定着処理時において一次コイルC1の接続形式を直列接続に切り替えている。また、デューティ比が100%のときの電力は300Wであるから、2.86W単位でPWM制御が行なわれる。よって制御ステップは300Wに対して0.95%単位となる。
実施例1ではウォーミングアップから定着処理の切り替えトリガーとして定着フィルム41の温度を採用した例について説明したが、本実施例では時間をトリガーとして採用する例について説明する。図8は本実施例の電力供給装置31の概要を示す図である。実施例1では温度制御回路11が切替制御回路9へ切替信号を出力していたが、本実施例ではコントローラ7から切り替え信号が出力される。なお、実施例1、2とも温度制御回路11はコントローラ7に内蔵されていてもよい。
S21で、コントローラ7は、ウォーミングアップを開始するために切替制御回路9に対して並列接続を示す信号を出力する。切替制御回路9は、並列接続を示す信号を受信すると、第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12がインバータ3に対して並列接続されるようにスイッチS1、S2の状態を並列接続状態に切り替える。
S25で、コントローラ7は、定着処理を含むプリント処理を開始するため、切替制御回路9に対して“直列接続”を指示する信号を出力する。“直列接続”を示す信号を受信した切替制御回路9は第1の一次コイルC11と第2の一次コイルC12がインバータ3に対して直列に接続されるようスイッチS1、S2の状態を直列接続状態に切り替える。これにより、発熱層61に供給される電力は当初の1200Wの1/4である300Wに低下する。
Claims (13)
- 交流電圧を生成する電圧生成手段と、
前記交流電圧が印加される複数の一次コイルと、負荷に接続される二次コイルとを有する変圧手段と、
前記複数の一次コイルを前記交流電圧に対して直列に接続するか並列に接続するかを切り替える切替手段と、を有し、
前記切替手段は、前記負荷に第1の電力を供給するときは前記複数の一次コイルを並列接続し、前記負荷に前記第1の電力よりも小さな第2の電力を供給するときは前記複数の一次コイルを直列接続し、
前記電圧生成手段は、前記負荷に前記第2の電力を供給するときは、前記一次コイルに電流を流す期間を可変制御することを特徴とする電力供給装置。 - 前記電圧生成手段は、
4つのトランジスタを有するフルブリッジ回路と、
前記4つのトランジスタをスイッチングする駆動信号を生成し、前記交流電圧のデューティ比を制御する制御回路と
を有するインバータ回路であることを特徴とする請求項1に記載の電力供給装置。 - 前記負荷は、発熱抵抗体であることを特徴とする請求項1または2に記載の電力供給装置。
- 前記負荷の温度を検知する温度検知手段をさらに有し、
前記切替手段は、前記温度検知手段により検知された温度に応じて前記複数の一次コイルを並列接続に切り替えて前記負荷に前記第1の電力を供給するか、または並列接続に切り替えて前記負荷に前記第2の電力を供給することを特徴とする請求項3に記載の電力供給装置。 - 前記切替手段は、前記温度検知手段により検知された温度を目標温度に立ち上げるときは前記複数の一次コイルを並列接続し、前記温度検知手段により検知された温度が前記目標温度に立ち上がった後は前記複数の一次コイルを直列接続することを特徴とする請求項4に記載の電力供給装置。
- 前記制御回路は、前記温度検知手段により検知された温度を前記目標温度に立ち上げるときは前記デューティ比を所定値に維持し、前記温度検知手段により検知された温度が前記目標温度に立ち上がった後は前記デューティ比を前記所定値以下の範囲で可変制御して、前記発熱抵抗体の温度を前記目標温度に維持することを特徴とする請求項5に記載の電力供給装置。
- 所定の時間が経過したかどうかを判定する判定手段をさらに有し、
前記切替手段は、前記所定の時間が経過していなければ前記複数の一次コイルを並列接続して前記負荷に前記第1の電力を供給し、前記所定の時間が経過すると前記複数の一次コイルを直列接続して前記負荷に前記第2の電力を供給することを特徴とする請求項4に記載の電力供給装置。 - 前記電圧生成手段は、前記複数の一次コイルに流れた電流が飽和する時間より短い時間で前記一次コイルに流れる電流の向きを反転するように前記交流電圧を生成することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の電力供給装置。
- 前記複数の一次コイルと前記二次コイルとの間に空隙が存在するよう前記複数の一次コイルと前記二次コイルとが配置され、
前記複数の一次コイルは固定設置され、前記二次コイルは前記負荷と一体に回転することを特徴の請求項1ないし8のいずれか1項に記載の電力供給装置。 - 前記電力供給装置は、画像形成装置の定着装置へ電力を供給する装置であることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の電力供給装置。
- 発熱層を有する筒形状の定着フィルムと、
前記定着フィルムとともに回転し、前記発熱層に接続された受電コイルと、
前記受電コイルに誘導電流を流すための磁束を発生する複数の送電コイルと、
前記複数の送電コイルに印加される交流電圧を生成する電圧生成手段と、
前記複数の送電コイルを前記交流電圧に対して直列に接続するか並列に接続するかを切り替える切替手段と
を有することを特徴とする定着装置。 - トナー画像をシート上に形成する画像形成手段と、
前記トナー画像を前記シート上に定着させる定着手段と、
前記定着手段の発熱層に接続された受電コイルと、
前記受電コイルに誘導電流を流すための磁束を発生する複数の送電コイルと、
前記複数の送電コイルに印加される交流電圧を生成する電圧生成手段と、
前記複数の送電コイルを前記交流電圧に対して直列に接続するか並列に接続するかを切り替える切替手段と
を有することを特徴とする画像形成装置。 - 交流電圧を生成する電圧生成手段と、
前記交流電圧が印加される複数の一次コイルと、負荷に接続される二次コイルとを有する変圧手段と、
前記複数の一次コイルを前記交流電圧に対して直列に接続するか並列に接続するかを切り替える切替手段と
を有することを特徴とする電力供給装置。
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