JP2017009774A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】即時性の高い有効電力を検出することができる電力検出装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】商用電源から供給される電力の交流電圧のゼロクロスタイミングを検出して電圧ゼロクロス信号を出力する第１のゼロクロス検出部と、電力の電流を検出する電流検出部と、電流検出部で検出された電流のゼロクロスタイミングを検出して電流ゼロクロス信号を出力する第２のゼロクロス検出部と、を備え、電圧ゼロクロス信号と電流ゼロクロス信号の位相差に基づいて力率を算出し、交流電圧の実効値、電流の実効値及び算出された力率に基づいて有効電力を算出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、画像形成装置に関する。

商用電源の交流電力を整流した後に、スイッチング手段にて高速スイッチングして高周波電力を生成し、生成された高周波電力を電磁誘導コイルに出力する電磁誘導加熱電源と、電磁誘導発熱層を有する回転体の表面温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段によって検出される温度に基づいて電磁誘導加熱電源から電磁誘導コイルに出力される高周波電力の目標値を決定する出力電力決定手段と、を備え、電磁誘導加熱電源は、商用電源の交流電力におけるゼロクロスタイミングから予め設定された所定の経過時間における交流電力の瞬時値に基づいて、交流電力に関する情報を検出する電力検出部と、情報に基づいて、スイッチング手段により生成される高周波電力が出力電力決定手段にて決定された目標値になるように、スイッチング手段を制御する誘導加熱電源制御部と、を有する定着装置が知られている（特許文献１）。

特開２０１０−１８１６３３号公報

本発明は、即時性の高い有効電力を検出することができる電力検出装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の電力検出装置は、
商用電源から供給される電力の交流電圧のゼロクロスタイミングを検出して電圧ゼロクロス信号を出力する第１のゼロクロス検出部と、
前記電力の電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出された電流のゼロクロスタイミングを検出して電流ゼロクロス信号を出力する第２のゼロクロス検出部と、を備え、
前記電圧ゼロクロス信号と前記電流ゼロクロス信号の位相差に基づいて力率を算出し、前記交流電圧の実効値、前記電流の実効値及び算出された前記力率に基づいて有効電力を算出する、
ことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電力検出装置において、
前記力率は、前記電圧ゼロクロス信号と前記電流ゼロクロス信号の位相差に基づいて予め定められた参照テーブルを参照して算出する、
ことを特徴とする。

前記課題を解決するために、請求項３に記載の画像形成装置は、
商用電源から供給される電力の交流電圧を直流に変換して所定の直流電圧を出力する電源部と、
請求項１又は２の電力検出装置と、を備え、
前記電圧ゼロクロス信号又は前記所定の直流電圧に基づき制御されて画像を形成する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、電流のゼロクロスタイミングを検出する検出部を有しない構成に比して、即時性の高い有効電力を検出することができる。

画像形成装置１の機能構成を示すブロック図である。 低圧電源部３０の一例を示す回路構成図である。 電圧ゼロクロス信号検知回路１１０の一例を示す回路構成図である。 電力検出装置１００のゼロクロス信号検出による有効電力算出を示す機能ブロック図である。 ゼロクロス信号検知回路におけるゼロクロス信号検知時の各部波形を示す波形図である。 ゼロクロス信号検知に基づく力率算出の説明図である。 力率算出の際に参照される力率テーブルの一例である。

次に図面を参照しながら、以下に実施形態及び具体例を挙げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態及び具体例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）画像形成装置の全体構成及び動作
図１は本実施形態に係る電力検出装置１００を備えた画像形成装置１の機能構成を示すブロック図、図２は低圧電源部３０の一例を示す回路構成図、図３は電圧ゼロクロス信号検知回路１１０の一例を示す回路構成図である。
以下、図面を参照しながら、画像形成装置１の全体構成及び動作を説明する。

画像形成装置１は、コントローラ１０、画像形成部２０、低圧電源部３０、ヒータ駆動回路４０、モータ駆動回路５０、電力検出装置１００を備えて構成されている。

コントローラ１０は、画像形成装置１の画像形成部２０の動作を制御する画像形成制御部１１と、ヒータ駆動回路４０を制御するヒータ制御部１２と、モータ駆動回路５０を制御する駆動制御部１３、電力検出装置１００の一部を構成する有効電力算出部１３０を含んで構成されている。

画像形成部２０は、給紙装置２１、感光体ユニット２２、現像装置２３、転写装置２４を含み、各感光体ユニット２２及び現像装置２３で形成された各色トナー像は、転写装置２４で給紙装置２１から送り出された用紙上に一括転写される。
転写装置２４においてトナー像が転写された用紙は、トナー像が未定着の状態で定着装置２５に搬送され圧着と加熱の作用でトナー像が定着される。

低圧電源部３０は、商用電源から供給される交流電圧を全波整流するブリッジ整流ダイオード３１と、全波整流された整流電圧を平滑化する平滑コンデンサ３２と、スイッチング制御デバイス３３とを有している。平滑コンデンサ３２の出力側には、スイッチング制御デバイス３３によりオン／オフ動作するＤＣ/ＡＣ変換用のスイッチング素子３４（電界効果トランジスタ：ＦＥＴ）と、変圧器３５とが直列接続されている。

そして、変圧器３５の出力側には、ＡＣ出力電圧を整流する整流ダイオード３６と、整流後の電圧を平滑化して低電圧のＤＣ電圧を出力する平滑コンデンサ３７とが接続されている。低電圧のＤＣ電圧は、コントローラ１０、電圧ゼロクロス信号検知回路１１０、電流ゼロクロス信号検知回路１２０、ヒータ駆動回路４０、モータ駆動回路５０等に入力されるＶ１と、それぞれのアクチュエータ（不図示）等に入力されるＶ２として出力される。

電力検出装置１００は、商用電源から供給される交流電圧のゼロクロス信号を検知する第１のゼロクロス信号検知手段としての電圧ゼロクロス信号検知回路１１０、電力の電流を検出してゼロクロス信号を検知する第２のゼロクロス検知手段としての電流ゼロクロス信号検知回路１２０と、コントローラ１０に含まれる有効電力算出部１３０と、を含んで構成されている。

電圧ゼロクロス信号検知回路１１０は、交流電圧を直流電圧に全波整流する４個のダイオードＣＲ１〜ＣＲ４を有し、ダイオードＣＲ１〜ＣＲ４のカソード側に、電流制限抵抗Ｒ１の一端が接続されている。電流制限抵抗Ｒ１の他端と、ダイオードＣＲ３、ＣＲ４のアノード側との間には、フォトカプラＰＣが接続されている。

フォトカプラＰＣは、電流制限抵抗Ｒ１の他端とダイオードＣＲ３、ＣＲ４のアノード側との間に接続された発光用のフォトダイオードＰＣａと、受光用のフォトトランジスタＰＣｂとにより構成されている。フォトトランジスタＰＣｂのコレクタにはプルアップ抵抗Ｒ３を介してＤＣ電圧（不図示）が印加され、エミッタがトランジスタＧ１のベースに接続されている。

電流ＩｐｃがフォトダイオードＰＣａのアノード・カソード間に流れると、フォトダイオードＰＣａが発光し、これがフォトトランジスタＰＣｂのゲートに受光され、このエミッタ側からゼロクロス信号Ｐが出力される。
ゼロクロス信号Ｐは、トランジスタＧ１で増幅されてコントローラ１０へ入力される。

（２）電力検出装置
図４は電力検出装置１００のゼロクロス信号検出による有効電力算出を示す機能ブロック図、図５はゼロクロス信号検知回路におけるゼロクロス信号検知時の各部波形を示す波形図、図６はゼロクロス信号検知に基づく力率算出の説明図、図７は力率算出の際に参照される力率テーブルの一例である。
以下、図面を参照しながら電力検出装置１００の構成と動作について説明する。

商用電源から入力される交流電力を低圧（２４ｖ、５ｖ等）に変換して画像形成装置１のコントローラ１０、ヒータ駆動回路４０、モータ駆動回路５０等に供給する低圧電源部３０においては、その回路にコンデンサ成分やコイル成分等を有し、抵抗とのバランスによって電流と電圧に位相差が生じることが一般的に知られている。
そのために、電圧がかかっている瞬間でも電流が流れず、有効に電力が消費されない状態が発生する。
本実施形態に係る電力検出装置１００は、電圧ゼロクロス信号Ｐ１と電流ゼロクロス信号Ｐ２の位相差に基づいて力率を算出し、電圧及び電流の実効値に力率を乗じて有効電力を算出する。

（２．１）有効電力
図４に示すように、電力検出装置１００は商用電源の入力側に接続され、電圧ゼロクロス信号検知回路１１０は、交流電圧の正弦波状の瞬時波形から電圧ゼロクロス信号Ｐ１を検知する。また、交流電圧は全波整流された整流電圧を平滑コンデンサで平滑化された後、Ａ／ＤコンバータでＡＤ変換されて電圧実効値Ｖｒｍｓに変換される。
電流ゼロクロス信号検知回路１２０は、商用電源の入力側に抵抗を介して接続され、電流の瞬時波形から電流ゼロクロス信号Ｐ２を検知する。また、交流電流はＡ／ＤコンバータでＡＤ変換されて電流実効値Ｉｒｍｓに変換される。

電圧ゼロクロス信号Ｐ１と電流ゼロクロス信号Ｐ２の位相差から、予め設定されたテーブルを参照して力率ＰＦが算出され、電圧実効値Ｖｒｍｓと電流実効値Ｉｒｍｓから算出される皮相電力値Ｐｖａ（＝Ｖｒｍｓ×Ｉｒｍｓ）に力率ＰＦを乗じて有効電力Ｐｗ（＝Ｖｒｍｓ×Ｉｒｍｓ×ＰＦ）が算出される。

（２．２）ゼロクロス信号検出時の各波形
図５（ａ）に示すように、商用電源から入力される交流電圧の瞬時波形は正弦波状である。この正弦波状の交流電圧は電圧ゼロクロス信号検知回路１１０のダイオードＣＲ１、ＣＲ３及びダイオードＣＲ２、ＣＲ４でそれぞれ半波整流され（図５（ｂ）、（ｃ）参照）、フォトダイオードＰＣａには、全波整流された電流Ｉｐｃが流れる（図５（ｄ）参照）。
そして、フォトトランジスタＰＣｂのエミッタからはゼロクロス信号Ｐ（図５（ｅ）参照）が出力される。

ここで、商用電源が５０Ｈｚの交流では、正弦波の１周期は２０ｍｓとなり、ゼロクロス信号Ｐは１０ｍｓごとに出力される。

（２．３）力率の算出
図６（ａ）は、交流電圧の瞬時波形と実効波形とゼロクロス信号との関係を横軸に時間、縦軸に電圧をとって示している。図６（ａ）に示すように、電圧ゼロクロス信号検知回路１１０は入力される交流電圧の瞬時波形から電圧ゼロクロス信号Ｐ１を出力する。

図６（ｂ）は、交流電流の瞬時波形と実効波形とゼロクロス信号との関係を横軸に時間、縦軸に電圧をとって示している。図６（ｂ）に示すように、電流ゼロクロス信号検知回路１２０は抵抗を介して入力される交流電流の瞬時波形から電流ゼロクロス信号Ｐ２を出力する。

図６（ｃ）は、電圧ゼロクロス信号検知回路１１０で検知されて出力される電圧ゼロクロス信号Ｐ１と電流ゼロクロス信号検知回路１２０で検知されて出力される電流ゼロクロス信号Ｐ２との関係を示している。図６（ｃ）に示すように、それぞれのゼロクロス検知回路で検知される電圧ゼロクロス信号Ｐ１と電流ゼロクロス信号Ｐ２は位相差に基づく時間差ｔを有している。

電圧ゼロクロス信号Ｐ１と電流ゼロクロス信号Ｐ２はコントローラ１０に出力されて時間差ｔが算出される。
算出された時間差ｔは、時間差に基づいて推定される力率ＰＦとして予め定められたテーブル値を参照して力率ＰＦに変換される。

具体的には、図７に示すように電圧ゼロクロス信号Ｐ１と電流ゼロクロス信号Ｐ２がコントローラ１０に取り込まれると、ＣＰＵのタイマー機能によって電圧ゼロクロス信号Ｐ１をトリガーとして時間カウントが開始され、電流ゼロクロス信号Ｐ２の検知をトリガーとして位相差Ｔｚｃが検知される。
そして、次の電圧ゼロクロス信号Ｐ１をトリガーとして電圧ゼロクロス信号Ｐ１の周期Ｔｆが検知される。

コントローラ１０の不揮発メモリとしてのＮＶＭには、電圧ゼロクロス信号Ｐ１の周期Ｔｆごとに電流ゼロクロス信号Ｐ２の位相差Ｔｚｃの範囲（ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、・・・）に対応して推定される力率ＰＦが定められた力率テーブルが保持されている。
コントローラ１０は、算出された電圧ゼロクロス信号Ｐ１の周期Ｔｆと電流ゼロクロス信号Ｐ２の位相差Ｔｚｃから力率テーブルを参照して力率ＰＦを算出する。

（２．４）有効電力の算出
コントローラ１０の有効電力算出部１３０は、電圧実効値Ｖｒｍｓと電流実効値Ｉｒｍｓから算出される皮相電力値Ｐｖａ（＝Ｖｒｍｓ×Ｉｒｍｓ）に、電圧ゼロクロス信号Ｐ１の周期Ｔｆと電流ゼロクロス信号Ｐ２の位相差Ｔｚｃから力率テーブルを参照して算出された力率ＰＦを乗じて有効電力Ｐｗ（＝Ｖｒｍｓ×Ｉｒｍｓ×ＰＦ）を算出する。

本実施形態に係る電力検出装置１００は、交流電圧と電流の瞬時値を高い周波数数でサンプリングして消費電力を算出することなく、電圧ゼロクロス信号Ｐ１と電流ゼロクロス信号Ｐ２の位相差に基づいて力率を算出し、電圧及び電流の実効値に力率を乗じて有効電力を算出する。
そのために、演算装置としての高速のＣＰＵやサンプリングされた大量の瞬時値を記憶する記憶手段を要することなく、装置の動作中における消費電力を有効電力としてリアルタイムで検出することができる。

１・・・画像形成装置
１０・・・コントローラ
２０・・・画像形成部
３０・・・低圧電源部
４０・・・ヒータ駆動回路
５０・・・モータ駆動回路
１００・・・電力検出装置
１１０・・・電圧ゼロクロス信号検知回路
１２０・・・電流ゼロクロス信号検知回路
１３０・・・有効電力算出部

Claims (3)

1. 商用電源から供給される電力の交流電圧のゼロクロスタイミングを検出して電圧ゼロクロス信号を出力する第１のゼロクロス検出部と、
   前記電力の電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部で検出された電流のゼロクロスタイミングを検出して電流ゼロクロス信号を出力する第２のゼロクロス検出部と、を備え、
   前記電圧ゼロクロス信号と前記電流ゼロクロス信号の位相差に基づいて力率を算出し、前記交流電圧の実効値、前記電流の実効値及び算出された前記力率に基づいて有効電力を算出する、
   ことを特徴とする電力検出装置。
2. 前記力率は、前記電圧ゼロクロス信号と前記電流ゼロクロス信号の位相差に基づいて予め定められた参照テーブルを参照して算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力検出装置。
3. 商用電源から供給される電力の交流電圧を直流に変換して所定の直流電圧を出力する電源部と、
   請求項１又は２の電力検出装置と、を備え、
   前記電圧ゼロクロス信号又は前記所定の直流電圧に基づき制御されて画像を形成する、
   ことを特徴とする画像形成装置。
   

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