JP4495928B2

JP4495928B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP4495928B2
Application number: JP2003204041A
Authority: JP
Inventors: 俊一阿部
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005050586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の複写機やプリンタ等の画像形成装置は、異なる定格電圧を有する複数の負荷を備えている。具体的な例としては、
・定格電圧ＡＣ１００Ｖ：定着ヒータ。
・定格電圧ＤＣ２４Ｖ：ステッピングモータを含むＤＣモータ、クラッチ、ソレノイド、クエンチングランプ、冷却ファン等。
・定格電圧ＤＣ５Ｖ：マイコンを搭載した制御回路、各種センサ。
【０００３】
これらの負荷は商用電源から供給される電力で駆動されているが、日本国内の一般の商用電源の電力容量は１５００Ｗに制限されている。
一方、画像形成装置には、画像形成速度の高速化とウオームアップ時間の短縮が求められる。特に近年は省エネルギーが求められ、待機時の定着ヒータでの電力消費を無くすことが望ましい。しかし、待機時に定着ヒータへの通電を断つと、通電再開からウオームアップ完了までの時間が長くなり、作業効率が著しく低下するため、ウオームアップ時間の短縮は非常に重要な課題である。
【０００４】
しかし、画像形成速度の高速化を図ろうとすればするほど、画像形成装置自身の動作の高速化に必要な電力が増加するので、定着装置に振り分けられる電力がいっそう厳しくなるが、定着装置も高速になればなるほど単位時間あたりの記録紙の通過枚数が多くなる。このため熱をどんどん奪われ、ヒータを連続点灯しっぱなしにしても定着に必要なローラ温度を維持できなくなる。従って、定着装置で毎分何枚の記録紙が定着できるかで画像形成装置の画像形成枚数が決まってしまうのが実情である。
また、電源投入直後のウオームアップ時は露光用ランプやモータの電力消費が無いため、数１００Ｗ程度の電力を余計に定着装置に割くことは可能ではあるが多少の時間短縮が望める程度である。
【０００５】
そこで、補助電源として又はメインの電源として燃料電池からの電源供給が考えられる。燃料電池は１セルあたりの起電力が０．６Ｖ程度と小さいが、多数のセルを直列に接続することである程度任意の電圧を得ることができる。
【０００６】
従来より、電池を使用する電源装置においてＤＣ−ＤＣコンバータを用いるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、補助電源として電池を使用し、定着ヒータを有する画像形成装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１８６１９４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８４５５４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、補助電源として燃料電池を用いる場合、複数の負荷毎の異なる定格電圧に対応するため、複数の定格出力電圧をもつ燃料電池を使用することは価格の点から得策ではない。
また、１つの燃料電池から各負荷の定格電圧に合わせてＤＣ−ＤＣコンバータを経由して電力を供給することにすると、ＤＣ−ＤＣコンバータでの電圧変換ロス、ＤＣ−ＤＣコンバータの大型化やコストアップが問題となる。
【０００９】
本発明は上記の問題を解決するためのもので、異なる定格電圧を有する複数の負荷に電圧を供給する燃料電池装置の電力損失、大型化及びコストアップ等を低減することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明による燃料電池装置は、最大電力を消費する負荷である定着ヒータを備えた画像形成装置の電源部に使用され、画像形成装置内の異なる定格電圧を有する複数の負荷に電力供給を行う燃料電池を備えた燃料電池装置において、燃料電池は、定着ヒータの定格電圧に略等しい定格出力電圧を備え、定着ヒータに直接電力を供給すると共に、燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータを有し、コンバータの出力電圧をスイッチングする第１のスイッチング手段と、第１のスイッチング手段の出力を平滑する第１の平滑手段と、第１の平滑手段の出力電圧を設定電圧と比較し、比較結果に基づいて前記第１のスイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段とを備え、第１の平滑手段の出力電圧を、最大電力を消費する負荷以外の少なくとも１つの負荷に供給することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
本実施の形態は、画像形成装置で最も電力を消費する定着ヒータがそれほど精度の良い定電圧を供給する必要が無いことに着目し、燃料電池の出力電圧が定着ヒータの定格電圧に略等しくなるように電池のセルの数を調整して燃料電池を構成し、定着ヒータにはＤＣ−ＤＣコンバータを経由せず燃料電池から直接電力を供給することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータによる変換ロスを無くすと共に、比較的電力消費の少ない他の負荷に対してはＤＣ−ＤＣコンバータを経由して電力を供給することで前記問題を解決するものである。
【００１８】
図６は本発明を適用し得る画像形成装置としてのデジタル複写機の実施の形を示す構成図である。
図６において、原稿Ｍは原稿台の透明板２ａの上に置かれ、原稿マツト２ｂにより固定される。光学系は、照明ランプ４１ａから光を発し、反射鏡４１ｂからの光と合わさって原稿に光が照射される。その反射光が照明ランプ４１ａと一体となって移動する移動反射ミラー４１ｃとこの移動反射ミラー４１ｃの１／２の移動速度をもつて同一方向へ移動する移動反射ミラー４２ｄ、４２ｅに反射する。これにより原稿Ｍを走査するイメージ光は、光路長を保ちながらレンズ４３ａを通り固体撮像素子４３ｂで受光される。
【００１９】
固体撮像素子４３ｂの出力は、図示しない画像処理部でシエーデイング補正、γ変換による階調補正、多値化処理による中間調の再現等の信号処理された後、レーザドライバユニツト５ａに入力され、半導体レーザ５ｂよりポリゴンミラー５ｃへ光出力として出力される。ポリゴンミラー５ｃは、スキヤナーモータ５ｄにより回転させられているために、感光ドラム６の回転方向に対し垂直にレーザ光が走査される。また、ドラム上をレーザ光が走査開始する１１ｍｍ前の位置にホトセンサ５ｅがあり、これにレーザ光があたるとＢＤ（ビーム検出）信号発生する。ＢＤはレーザによる１ラインの書き出しタイミングを決めるものであり、またラインメモリのイメージデータの１ライン分の出力タイミングを決めるものである。
【００２０】
感光ドラム６は矢印方向に回転し、画像形成プロセスを実行する。感光ドラム６はレーザ光が照射する直前に、図示しない高圧電源から負の高圧電流を供給されている帯電器７により負に一様に帯電させられている。感光ドラム６は上記レーザ光が走査することにより静電潜像が形成される。その静電潜像は現像器８により現像されて顕像化される。その後静電潜像を消去するＱＬ９により負に帯電された静電潜像が消去される。
【００２１】
一方、給紙カセツト１３ａから、給紙ローラ１３ｂの回転により送られてきた記録紙は、レジストセンサ１３ｃで検出されるとレジストローラ１３に突き当てた状態で一時停止し、感光体上の画像とタイミングを合わせて、レジストローラ１３を回転させることにより、レジストローラ１３ｃを通り、感光ドラム６の下に達する。そこで感熱ドラム６上のトナー画像が、図示しない高圧発生装置から正の高圧電流を供給されている転写用電極１０により記録紙に転写され、次いで、図示しない高圧発生装置からＡＣ高圧電流を供給されている分離用電極１１により、記録紙は除電され感光ドラム６から分離される。
【００２２】
転写が完了した感光ドラム６は残っている電荷を無くすためのＱＬ１２を通過後、転写せず僅かに残ったトナーをクリーニング１３で掻き取られ、綺麗になった感光ドラム６は次の画像形成のための準備を終える。一方、感光ドラム６から分離されたトナー画像が載った記録紙は搬送ベルト７により搬送され、定着装置８の上ローラ８ａと下ローラ８ｂの間を通過することで加圧と加熱が行われ、定着済み画像となり、吹いたり擦ったりしても画像が乱れることが無くなる。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
図１において、電源としての燃料電池２１が設けられると共に、画像形成装置の負荷としてのソレノイド２２、クラッチ２３、ステッピングモータを含むＤＣモータ等のモータ２４、定着ヒータ２５、温度検出用のサーミスタ２６が設けられている。また、これらの負荷を制御する制御回路２７が設けられている。制御回路２７は、サーミスタ２６の検出温度に応じてスイッチング素子５６をＯＮ・ＯＦＦ制御することにより定着ヒータ２５の通電を制御する。
【００２４】
燃料電池２１から出力される３６Ｖの電圧は、定着ヒータ２５に直接供給されると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８、２９に入力されてそれぞれコンバートされる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２８から出力される５Ｖの電圧は、制御回路２７の電源電圧として供給されると共に、サーミスタ２６に加えられる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２９から出力される２４Ｖの電圧は、ソレノイド２２、クラッチ２３、モータ２４に加えられる。上記のようにして各負荷にそれぞれの定格電圧が加えられる。
【００２５】
上記構成において、異なる定格電圧を有する各負荷に対して電力供給を行う場合、燃料電池２１を、最大電力を消費する負荷（ここでは定着ヒータ２５）の定格電圧（３６Ｖ）に等しい定格出力電圧（３６Ｖ）が得られるようなセル数の電池で構成する。そして、この燃料電池２１から定着ヒータ２５にＤＣ−ＤＣコンバータを介さずに直接電力を供給する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた場合の電圧変換ロスを無くすことができる（請求項１）［（）内は請求項１に関する事項であることを示す、以下、同じ］。
【００２６】
定着ヒータ２５の温度をサーミスタ２６で検出し、その検出信号を制御回路２７のＡ／Ｄ入力１に入力する。制御回路２７は、検出温度が上がりすぎたら、出力４をＬにしてスイッチング素子５６をＯＦＦにし、定着ヒータ２５の通電をＯＦＦすると共に、検出温度が下がりすぎたら、出力４をＨにしてスイッチング素子５６をＯＮにし、定着ヒータ２５の通電をＯＮすることにより、温度制御を行っている。即ち、電圧制御又は電流制御ではなく、温度制御を行うことで定着ヒータ２５にＤＣ−ＤＣコンバータによる電圧変換を行わずに直接電力を供給できるので、電圧変換で発生するロスを除くことができる（請求項２、３、５）。
【００２７】
また、最大電力を消費する定着ヒータ２５以外の負荷で、例えば制御回路２７等で使用するマイコンやＩＣ等は一般に５Ｖ±５％の定電圧性を要求されるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８で５Ｖに定電圧化した電力を供給する必要がある（請求項４、６）。
さらに、ステッピングモータを含むモータ２４等もあまり電圧変動が大きいと脱調したり回転むらが発生したりするので、ＤＣ−ＤＣコンバータ２９で２４Ｖに定電圧化した電力を供給することが望ましい（請求項４、７）。
【００２８】
図２は本発明の第２の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
図２においては、図１のＤＣ−ＤＣコンバータ２９に代えて、電圧制御回路３０、スイッチ３１、平滑用のコイル３２及びコンデンサ３３が設けられている。燃料電池２１の出力電圧は、スイッチ３１を介しコイル３２及びコンデンサ３３で平滑された後、モータ２４等の負荷に供給されると共に、電圧制御回路３０に入力される。電圧制御回路３０には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の出力が電源電圧として供給される。
【００２９】
上記構成において、電圧制御回路３０は、ａ点の電圧（コンデンサ１３の充電電圧）を設定電圧と比較し、設定電圧（例えば２４Ｖ）より低ければスイッチ３１をＯＦＦし、設定電圧より高ければスイッチ３１をＯＮする。このＯＮ・ＯＦＦ制御によってａ点の電圧は略設定電圧に制御され、この電圧がモータ２４等の負荷に供給される。
【００３０】
モータ２４等の電源電圧は必ずしもＤＣ−ＤＣコンバータで定電圧化する必要はなく、上記の方法によっても定電圧性を持たせることができる。これによりＤＣ−ＤＣコンバータを用いることなく、コストを抑えることができる（請求項８）。
【００３１】
図３は本発明の第３の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
図３においては、図２のＤＣ−ＤＣコンバータ２８に代えて、電圧制御回路３４、スイッチ３５、平滑用のコイル３６及びコンデンサ３７が設けられると共に、三端子レギュレータ３８が設けられている。燃料電池２１の出力電圧は、スイッチ３５を介しコイル３６及びコンデンサ３７で平滑された後、三端子レギュレータ３８に入力され、三端子レギュレータ３８の出力は、制御回路２７、電圧制御回路３４，３０及びサーミスタ２６に供給される。
【００３２】
上記構成において、電圧制御回路３４は、ｂ点の電圧（コンデンサ３７の充電電圧）をチェックし、設定電圧（例えば７Ｖ）より低ければスイッチ３５をＯＦＦし、設定電圧より高ければスイッチ３１をＯＮする。このＯＮ・ＯＦＦ制御によってｂ点の電圧は略設定電圧に制御される。この電圧は三端子レギュレータ３８においてドロッパー方式により高精度で例えば５Ｖに定電圧化される。この定電圧化された電圧は、制御回路２７、電圧制御回路３４，３０及びサーミスタ２６に供給される。
【００３３】
制御回路等で使用するマイコンやＩＣ等は一般に５Ｖ±５％の定電圧性を要求されるが、これも必ずしもＤＣ−ＤＣコンバータで定電圧化せず、上記の方法により定電圧性を持たせることができる。これによりＤＣ−ＤＣコンバータを２つ用いることなく、さらにコストを抑えることができる（請求項９）。
【００３４】
図４は本発明の第４の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。図４においては、図１のＤＣ−ＤＣコンバータ２９に代えて、スイッチ３９、平滑用のコイル５０及びコンデンサ５１が設けられている。また、ｃ点の電圧（コンデンサ５１の充電電圧）が制御回路２７のＡ／Ｄ入力２に入力されると共に、モータ４等の負荷に供給され、制御回路２７の出力５によりスイッチ３９がＯＮ・ＯＦＦ制御される。
【００３５】
上記構成において、制御回路２７は、ｃ点の電圧をチェックし、設定電圧（例えば２４Ｖ）より低ければスイッチ３９をＯＦＦし、設定電圧より高ければスイッチ３９をＯＮする。このＯＮ・ＯＦＦ制御によってｃ点の電圧は略設定電圧に制御され、この電圧がモータ２４等の負荷に供給される。
これによってＤＣ−ＤＣコンバータや電圧制御回路を用いることなく、さらに、コストを抑えることができる（請求項８）。
【００３６】
図５は本発明の第５の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
図５においては、図４のＤＣ−ＤＣコンバータ２８に代えて、スイッチ５２、平滑用のコイル５３及びコンデンサ５４が設けられると共に、三端子レギュレータ５５が設けられている。燃料電池２１の出力電圧は、スイッチ５２を介しコイル５３及びコンデンサ５４で平滑された後、三端子レギュレータ５５に入力され、三端子レギュレータ５５の出力は、制御回路２７及びサーミスタ２６に供給される。ｄ点の電圧（コンデンサ５４の充電電圧）が制御回路２７のＡ／Ｄ入力３に入力されると共に、モータ２４等の負荷に供給され、制御回路２７の出力６によりスイッチ５２がＯＮ・ＯＦＦ制御される。
【００３７】
上記構成によれば、ｄ点から略定電圧が得られ、この電圧が三端子レギュレータ５５で例えば５Ｖに変換された後、制御回路２７及びサーミスタ２６に供給される。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータや電圧制御回路を用いることなく、さらに、コストを抑えることができる（請求項９）。
尚、図１〜図５におけるスイッチ３１，３５，３９，５２は原理的に図示したもので、実際にはスイッチング素子を含む半導体回路で構成されている。
【００３８】
以上は、画像形成装置の電源部で使用する燃料電池２１について説明してきたが、燃料電池２１は画像形成装置での使用に限定されるものではなく、他の電子装置の電源部においても使用可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数の負荷に電力供給を行う場合、最大電力を消費する負荷の定格電圧に略等しい定格出力電圧を得るように電池を構成し、この電池から上記最大電力を消費する負荷に直接電力を供給するようにしたので、最大電力を消費する負荷に対してはＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いる必要がなく、このため、電力の損失を低減できると共に、装置の小型化を図り、またコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態による画像形成装置の制御部の構成図である。
【図６】本発明を適用し得る画像形成装置の実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
２１燃料電池
２２ソレノイド
２３クラッチ
２４モータ
２５定着ヒータ
２６サーミスタ
２７制御回路
２８、２９ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０、３４電圧制御回路
３１、３５、３９、５２スイッチ
３２、３６、５０、５３コイル
３３、３７、５１、５４コンデンサ
３８、５５三端子レギュレータ
５６スイッチング素子

Claims

最大電力を消費する負荷である定着ヒータを備えた画像形成装置の電源部に使用され、前記画像形成装置内の異なる定格電圧を有する複数の負荷に電力供給を行う燃料電池を備えた燃料電池装置において、
前記燃料電池は、
前記定着ヒータの定格電圧に略等しい定格出力電圧を備え、
該定着ヒータに直接電力を供給すると共に、前記燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータを有し、
該コンバータの出力電圧をスイッチングする第１のスイッチング手段と、
該第１のスイッチング手段の出力を平滑する第１の平滑手段と、
該第１の平滑手段の出力電圧を設定電圧と比較し、比較結果に基づいて前記第１のスイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段とを備え、
前記第１の平滑手段の出力電圧を、前記最大電力を消費する負荷以外の少なくとも１つの負荷に供給することを特徴とする燃料電池装置。