JP2017126015A - 電子機器、画像形成装置、エネルギー変換装置の寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換素子の劣化によるシステムへの悪影響を防止する。【解決手段】熱源からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する変換手段と、変換手段で変換された電気エネルギーを回生して負荷へ供給する第１の供給手段と、複数の所定時刻と該複数の所定時刻における変換手段の電圧値とに基づき変換手段の寿命とする予め決められた寿命電圧値に達する時間を予測する予測手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器、画像形成装置、エネルギー変換装置の寿命予測方法に関する。

電子写真プロセスを利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ装置及びこれらを組み合わせた複合機では、省エネ要求に対応するため、画像形成装置で発生する熱を電力に回生して使う省エネ技術が既に知られている。

熱を電力に回生するには、熱電変換素子を用いる必要があり、温度差がないと電力に変換することができない。

しかし、今までの画像形成装置では、熱電変換素子の劣化による故障で障害が発生すると、サービスマンによる故障部位の修復又は部品交換が実施されるまでの間、システムダウンし、生産性が低下するという問題があった。

そこで、この種の問題を解決すべく種々の提案がなされた（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１には、簡便にキャパシタ電源の劣化度を推定又は測定してキャパシタの異常を判別し、寿命を予測できるようにすることを目的とし、キャパシタの静電容量又は内部抵抗が当初の値に対して劣化する割合を劣化度とし所定の劣化度まで劣化するのに要する時間を劣化時間として、劣化度と劣化時間の平方根との比の劣化係数を参照データ記憶手段に格納し、キャパシタの電圧と温度を測定し劣化係数を参照データ記憶手段から取得して推定劣化度演算手段により稼働中のキャパシタの推定劣化度を求め、キャパシタを定電流により充放電して充放電の直前と直後及び充放電中の電圧を測定して実劣化度演算手段によりキャパシタの静電容量又は内部抵抗の実劣化度を求め、推定劣化度と実劣化度との差を求めて差が基準値を越える場合にはキャパシタの異常を異常判定手段により判定すること示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、電力変換素子等の供給元の寿命までは想定できないというという問題は解消できていない。

そこで、本発明の目的は、電力変換素子の劣化によるシステムへの悪影響を防止することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、熱源からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する変換手段と、前記変換手段で変換された電気エネルギーを回生して負荷へ供給する第１の供給手段と、複数の所定時刻と該複数の所定時刻における前記変換手段の電圧値とに基づき前記変換手段の寿命とする予め決められた寿命電圧値に達する時間を予測する予測手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電力変換素子の劣化によるシステムへの悪影響を防止することができる。

電力変換素子を用いた電子機器としての電力回生装置の一実施の形態についてのハードウェアブロック図である。 図１に示した電子機器の具体的な寿命予測時の制御方法についての説明図である。 図１に示した電力回生装置の機能ブロック図の一例である。 図１に示した電力回生装置の寿命予測のフローチャートについての説明図である。 図１に示した電力回生装置の素子温度と電圧出力値との関係についての説明図である。 具体的な寿命予測方法についての説明図である。 画像形成装置のハードウェアブロック図の一例である。

＜ハードウェア構成＞
図１は、電力変換素子を用いた電子機器としての電力回生装置の一実施の形態についてのハードウェアブロック図である。尚、図では符号が部材名の前に記載されている。

操作部1は、ユーザが電力回生装置を操作するための装置であり、例えば、タッチパネルが挙げられる。エンジン制御部2は、電力回生装置を制御する回路である。電源制御部3は、エネルギー変換装置としての電力変換素子18から出力された電力を制御する回路である。IO制御部4は遠隔操作部5からの制御信号に応じてエンジン制御部2を制御する装置である。遠隔操作部5としては例えばパーソナルコンピュータが挙げられる。

通信部6は遠隔操作部5とIO制御部4との間のデータの授受を行う回路である。
湿度検知部20はエンジン制御部2の湿度を検知する回路である。湿度検知部20には湿度検知素子15と湿度検知機械用素子21が接続されている。
温度検知部7はエンジン制御部2の温度を検知する回路である。温度検知部7には温度検知素子15と温度検知機械用素子16が接続されている。
冷却制御部8は、冷却部19を制御する回路である。冷却部19としては、例えばファン又はエアコンが挙げられる。素子出力検知部24は、電源制御部3の電力回生部14から出力された電圧を検知する回路である。負荷供給部13は負荷1（17）に負荷を供給する回路である。供給切替部12は、負荷1（17）と、異なる負荷2(23)とを切り替える回路である。

CPUは、Central Processing Unitの略であり、CPU9は電力回生装置を統括制御する素子である。
ROMは、Read Only Memoryの略であり、ROM11は統括制御用のプログラムを記憶する素子であり、例えばマスクROMが挙げられる。
RAMは、Random Access Memoryの略であり、RAM10はROM11から読み出された制御プログラムを展開し、一時的に記憶する素子であり、例えばフラッシュメモリが挙げられる。

電力変換素子18は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、例えば熱電変換素子が挙げられる。熱電変換素子については、公知の技術（例えば、特開2010‐205883号公報記載の技術）が挙げられる
電力変換素子は、端子間に温度差を設けることで、電力を出力し、電力回生部14を通じて、消費電力の小さい電力回生専用の負荷に電源供給することで再利用される。再利用時は、負荷供給部13から供給切替部12で電力回生部14へ供給を切り替える。

ここでは、回生電力が小さいことを想定して消費電力の小さい専用の負荷を設けたが、負荷供給部13と電力回生部14とを合流させて消費電力が大きい負荷に供給しても構わない。ここでは、電力回生部14が電力補助する形になる。

電力変換素子18には、HOT面とCOLD面とがあり、HOT面は例えば室温より温度が高い部分であり、ヒーター、モータ等の熱源に取り付ける。これに対してCOLD面は室温より温度が低い部分であり、放熱板を取り付けて放熱板を冷却する。
エンジン制御部2内のIO制御部4のメモリに、設定を記憶しておく。設定は、具体的には寿命である。この設定は、操作部1の操作パネル又はパソコン等の外部装置から設定変更されたときに書き換える。寿命を予測する時に、メモリから条件を読み取り、予め実験によってROM11に格納している出力データを用いてCPU9にて算出する。具体的な内容については後述する。

図２は、図１に示した電子機器の具体的な寿命予測時の制御方法についての説明図である。
電力変換素子18から供給される電力は、通常は電力回生部14にて負荷に最適な電圧に変換して負荷に供給される。具体的には、0.5Vから5Vに変換する。
電力変換素子18の出力電圧は変化しているので、安定した昇圧値が出せるようにする。この実施形態では、寿命予測用にIO制御部4内の素子出力検知部24にて電圧を検知する。
しかし、負荷供給時に、負荷によって電力変換素子18から出力する電圧値が変化してしまうため、検知時に供給制御部25から供給切替部12を通じて一時的に負荷の代わりとなる他の負荷に供給するように切り替えている。

＜ソフトウェア構成＞
図３は、図１に示した電力回生装置の機能ブロック図の一例である。
電力回生装置は、変換手段70、熱源71、他の負荷手段83、第１の供給手段72、第２の供給手段73、切替手段74、第１の記憶手段75、第２の記憶手段76、設定手段77、第１の検出手段78、第２の検出手段、予測手段80、通知手段81、及び制御手段82を有する。

変換手段70は、図１に示した電力変換素子18によって実現される。熱源71は、図１に示した負荷1（17）によって実現される。すなわち、熱源1（71）と負荷1（17）とが同一の場合であるが限定されるものではない。熱源1（17）の代わりとなる負荷83は、図１に示した負荷２（23）によって実現される。第１の供給手段72は、図１に示した負荷供給部13によって実現される。負荷へ一定時間電力を供給する第２の供給手段73は、図１に示した負荷供給部13によって実現される。切替手段74は、図１に示した供給切替部12によって実現される。
ここで、供給切替部12によって負荷２（23）には電力回生部14からの電圧と負荷供給部13からの電圧もしくは電力回生部14からの電圧が印加されるのである。
第１の記憶手段75及び第２の記憶手段76は、図１に示したRAM10によって実現される。第１の記憶手段72に記憶されている寿命電圧値は、設定手段77の条件毎に変更可能である。第１の検出手段78の検出結果を記憶する第２の記憶手段76の記憶する間隔は可変できる。
負荷または電子機器の動作条件を設定する設定手段77は、図１に示した操作部1によって実現される。第１の検出手段78は、複数記憶するものであり、図１に示した素子出力検知部24によって実現される。変換手段の周辺の温度または湿度を検出する第２の検出手段79は、記憶する間隔が可変であり、図１に示した湿度検知部20及び温度検知部7によって実現される。
複数の所定時刻と該複数の所定時刻における変換手段の電圧値とに基づき変換手段70の寿命とする予め決められた寿命電圧値に達する時間を予測する予測手段80は、図１に示したCPU9、ROM11、及びRAM10によって実現される。通知手段81は、図１に示した操作部1によって実現される。制御手段82は、図１に示したCPU9、ROM11、及びRAM10によって実現される。

表１は、センサ温度、温度差、及び開放電圧に関する表である。

表１に基づいて図４を作成した。
図４は、図１に示した電力回生装置の寿命予測のフローチャートについての説明図である。
具体例として画像形成装置を想定した説明をする。フローチャートでは具体例を１つ挙げているが、条件に関しては機械の条件で予め設定可能である。動作の主体は、制御手段82である。
ここでは、通電15分後に寿命予測することを想定している。接続する負荷条件に応じて、予測するタイミングを変更しても構わない。電源オン（ステップS1）して、一定時間、例えば15分経過したか否かをCPU9で確認（ステップS2）し、動作を開始したら、電力変換素子の温度確認を行う。これは寿命電圧値の補正のためである(ステップS3)。
電力変換素子の温度確認が完了したら、負荷の供給元を切り替える。具体的には画像形成装置に内蔵されている電源又は蓄電池である(ステップS4)。
負荷供給切替が終わったら、素子出力検知部にて出力電圧を確認する(ステップS5)。出力電圧の確認が完了したら、負荷供給を元に戻す(ステップS6)。
ここでは、切替を例にしているが、負荷の動作条件によって、出力電圧確認前後で負荷供給を停止、再開しても構わない。
負荷供給を再開したら、寿命予測算出を行う(ステップS7)。
寿命予測の算出を行って、寿命が迫ってきた場合等の操作部1の操作パネル等に通知が必要な場合（ステップS8／Yes）は、寿命予測を通知する。具体的には、「何日後に交換してください。」と表示してサービスマンに注意を促す（ステップS9）。
寿命が迫ってきた場合等の操作部1の操作パネル等に通知が不要な場合（ステップS8／No）は、終了する。

寿命予測については、測定環境が変わらないことが望ましいので待機を想定したが、モーター等で稼働時でないと出力が出ない場合は、印刷条件から測定タイミングを変更することも可能である。

図５は、図１に示した電力回生装置の素子温度と電圧出力値との関係についての説明図である。図５において、横軸は素子電圧出力を示し、縦軸は温度を示す。
電力変換素子18の特性例について説明する。ここでの装置は冷却条件が一定だと仮定し、電力変換素子18に取り付けてある発熱物のセンサ温度から表１に記載の温度差及び開放電圧が出力される。
電力変換素子18の温度特性に関しては、電力変換素子18の特性及び温度センサの搭載位置によって異なるので、今回の具体例は一例である。この値に関しては、事前にメモリに記憶しておく。尚、機械（電子機器、画像形成装置）の温度や湿度等条件や動作条件（印刷状態、スキャナ動作状態、スリープ状態）が変わった時などに途中から設定変更することも可能である。

図６は、具体的な寿命予測方法についての説明図である。
具体例として１つ説明をする。寿命に関しては、電力変換素子18以外でも放熱板と接触している熱伝導性グリス等の劣化も含めて寿命となる数値をあらかじめメモリに記憶しておく。
図４に示したフローチャートでは具体例を１つ挙げているが、条件に関しては機械の条件で予め設定可能である。
電力変換素子18の出荷検査値を予めメモリに登録しておく。具体的には、工場からの出荷時に記録しておく。ここでは、0.5Vとする。365日後に素子出力を確認して0.45V、1000日後に0.41Vとする。

寿命に関しては直線的に低下することを想定したとすると、寿命の予測式は以下の数式（１）で表される。
Y＝−0.000629X＋0.5 …（１）
Y：電力変換素子18の素子出力値(V) X：稼働日数
寿命に達するのが0.4Vと仮定すると、x≒159となり、159日後に寿命に達すると予測できる。
尚、ここでは電圧と温度のみを例としてが、湿度も含めた換算式を出すこともできる。

寿命をサービスマンに通知する例とすれば、画像形成装置は他の消耗品の交換時期もメモリに保持しているので、計算結果と消耗品交換日を同期させることも可能である。

具体例では、機械を停止させて交換しなければならない転写ローラー及びクリーニングユニット等が挙げられる。
他の例としては、サービスマンが定期点検する時に機械から情報を取り出すことができるので、寿命を判断して交換することも可能である。
具体的な寿命で補修又は交換が必要な個所は、電力変換素子と発熱物又は冷却物を取り付けている熱伝導グリス（変換手段と接続される熱伝導部材）と、電力変換素子から基板に接続されるワイヤハーネス（変換手段と接続される接続部材）がある。上記対象物が寿命に近づいてくると、電圧出力が下がってくるので、数式（１）で予測可能である。寿命に達する電圧値は工場出荷時に設定できるようにしておく。寿命は、負荷の供給によって異なる。例とすれば、出荷検査の80%である。

図７は、画像形成装置のハードウェアブロック図の一例である。
画像形成装置は、画像形成装置の全体制御を行う画像処理部55、画像処理部55に接続された、画像形成装置の操作部51、画像データを記憶するHDD55b及び外部との通信を行うネットワーク制御部55cを有する。画像形成装置は、汎用PCIバスで画像処理部55に接続されたエンジン制御部52、エンジン制御部52に接続された画像形成装置のI/Oを制御するI/O制御部52b及び、コピー原稿（画像）を読み込むスキャナ制御部54を有する。画像形成装置は、画像データを感光体ドラム上に書き込む画像形成部53、エンジン制御部52、及び画像形成装置の負荷に電源を供給する電源制御部56を有する。

画像処理部55は、画像形成装置の全体制御を行うCPU1（55a）を有し、エンジン制御部52は、主に画像形成制御を行うCPU2（52a）を有し、操作部51はCPU3（51a）を有する。CPU2（52a）は画像処理部55のCPU1（55a）との通信により、パネルを操作して使用者がシステム設定入力を行う入力と、使用者にシステムの設定内容、状態を表示する表示及び入力の制御を行う。

＜プログラム＞
以上で説明した本発明に係る電子機器は、コンピュータで処理を実行させるプログラムによって実現されている。一例として、プログラムにより本発明の機能を実現する場合の説明を以下で行う。

例えば、
変換手段、第１の供給手段、及び予測手段を有する電子機器のコンピュータが読み取り可能なプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記変換手段が、熱源からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する手順、
前記第１の供給手段が、前記変換手段で変換された電気エネルギーを回生して前記熱源へ供給する手順、
前記予測手段が、前記変換手段の寿命とする予め決めた電圧値に達する時間を予測する手順、
を実行させるためのプログラムが挙げられる。

＜記憶媒体＞
ここで、記憶媒体としては、例えばCD-ROM、フレキシブルディスク（FD）、CD-R等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体、フラッシュメモリ、RAM、ROM、FeRAM等の半導体メモリやHDDが挙げられる。

CD-ROMは、Compact Disc Read Only Memoryの略である。フレキシブルディスクは、Flexible Disk：FDを意味する。CD-Rは、CD Recordableの略である。FeRAMは、Ferroelectric RAMの略で、強誘電体メモリを意味する。HDDは、Hard Disc Driveの略である。

要するに、出荷検査時に電力変換素子の出力電圧を保持し、市場で定期的に電力変換素子の出力電圧を測定し、出荷検査時と同条件で市場にて測定し、電力変換素子から負荷への供給を停止してから出力を確認する。その後、予めメモリに登録していた寿命予測式に従って算出して寿命を予測して結果をサービスマンに通知する。

同条件で電力変換素子の出荷検査電圧値と現状の出力電圧値を比較して、低下率を算出して寿命を予測して、サービスマンに通知する。この結果、電力変換素子の劣化度合いを事前に検知し、交換時期をサービスマンに通知することで、故障前に修復又は交換する準備することができることで、ダウンタイム低減（サービス性向上）することができる。

尚、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。例えば、熱源としてのモータと負荷としての他のモータであって、一方のモータが停止している場合は他方のモータの出力軸がギヤもしくはクラッチで一方のモータの出力軸の代わりに動作するように構成してもよい。また、上述した実施の形態では、供給切替部12が負荷供給部13と負荷２（23）との間に設けた場合で説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、負荷１（17）と負荷供給部13との間にあってもよい。

１ 操作部
２ エンジン制御部
３ 電源制御部
４ ＩＯ制御部
５ 遠隔操作部
６ 通信部
７ 温度検知部
８ 冷却制御部
９ ＣＰＵ
１０ ＲＡＭ
１１ ＲＯＭ
１２ 供給切替部
１３ 負荷供給部
１４ 電力回生部
１５ 温度検知素子
１６ 温度検知機械用素子
１７ 負荷１
１８ 電力変換素子
１９ 冷却部
２０ 湿度検知部
２１ 湿度検知機械用素子
２２ 湿度検知素子
２３ 負荷２
２４ 素子出力検知部
５１ 操作部
５１ａ ＣＰＵ３
５２ エンジン制御部
５２ａ ＣＰＵ２
５２ｂ Ｉ／Ｏ制御部
５３ 画像形成部
５４ スキャナ制御部
５５ 画像処理部
５５ａ ＣＰＵ１
５５ｂ ＨＤＤ
５５ｃ ネットワーク制御部
５６ 電源制御部
５６ａ 供給部
７０ 変換手段
７１ 熱源（負荷）
７２ 第１の供給手段
７３ 第２の供給手段
７４ 切替手段
７５ 第１の記憶手段
７６ 第２の記憶手段
７７ 設定手段
７８ 第１の検出手段
７９ 第２の検出手段
８０ 予測手段
８１ 通知手段
８２ 制御手段
８３ 負荷

特開２００８−２６８０４２号公報

Claims (11)

1. 熱源からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する変換手段と、
   前記変換手段で変換された電気エネルギーを回生して負荷へ供給する第１の供給手段と、
   複数の所定時刻と該複数の所定時刻における前記変換手段の電圧値とに基づき前記変換手段の寿命とする予め決められた寿命電圧値に達する時間を予測する予測手段と、
   を備えたことを特徴とする電子機器。
2. 前記変換手段は、熱伝導部材または接続部材と接続されていることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
3. 前記負荷へ一定時間電力を供給する第２の供給手段と、
   前記第１の供給手段と前記第２の供給手段のいずれに切り換える切替手段と、
   前記複数の所定時刻における前記変換手段の電圧値を検出する第１の検出手段とを備え、
   前記負荷へ一定時間電力を供給する第２の供給手段に切り替えたときに前記第１の検出手段により変換素子の出力電圧を検出することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
4. 前記変換手段の寿命とする寿命電圧値を記憶する第１の記憶手段、
   前記第１の検出手段の検出結果を記憶する第２の記憶手段、
   前記負荷または電子機器の動作条件を設定する設定手段、を備え、
   前記設定手段によって設定された動作条件に基づいて前記寿命電圧値を変更可能であり、前記予測手段は、前記検出結果と前記寿命電圧値とに基づき前記変換手段の寿命を予測することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
5. 前記変換手段の周辺の温度または湿度を検出する第２の検出手段を備えることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
6. 前記予測した寿命を通知する通知手段を有することを特徴とする請求項１ないし５記載の電子機器。
7. 前記第１の検出手段で検出された時間は、複数記憶することを特徴とする請求項１ないし５記載の電子機器。
8. 前記第２の記憶手段の記憶する間隔は、可変できることを特徴とする請求項３ないし７載の電子機器。
9. 前記熱源と前記負荷とが同一であることを特徴とする請求項１ないし８記載の電子機器。
10. 請求項１から９の何れか一項記載の電子機器を搭載したことを特徴とする画像形成装置。
11. 熱源からの熱エネルギーを変換装置で電気エネルギーに変換する工程、
    前記変換装置で変換された電気エネルギーを回生して負荷へ供給する工程、
    前記変換装置の寿命とする予め決めた寿命電圧値に達する時間を予測する工程を有することを特徴とするエネルギー変換装置の寿命予測方法。

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