JP5018225B2 - 電力変換装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、画像形成装置における熱定着装置の熱源等の負荷に電力供給するのに用いられる電力変換装置、及びこの電力変換装置を備えた画像形成装置に関する。

一般に、例えば画像形成装置における熱定着装置では、トナー像が転写された状態の記録紙を加熱ローラ及び加圧ローラ間に通過させながら該トナー像を定着させる熱ローラ方式やベルト方式の加熱手段が使用されており、電力負荷である熱源としては、ハロゲンヒータ等が使用されている。

ところで、画像形成装置では、前記熱定着装置での電力消費が大きなウェイトを占めていることから、この熱定着装置での電力消費の低減化を進めることが画像形成装置全体の省エネルギー化につながることになる。このため、例えば、熱定着動作の待機時に前記加熱ローラの温度を一定に保持させておくことにより、熱定着時に短時間で熱定着可能な温度に上げられるようにしてあるが、待機時に加熱ローラの温度を一定に保持させておくことにより、熱定着装置を使用しない状態でも電力（全体の７割程度）が消費される。

そこで、待機時の電力を削減するモード（低電力モードまたはスリープモード）を設けて省エネルギー化を図るのが一般的になっている。

しかし、熱定着装置における加熱ローラの温度が低下すると、次回使用時の待ち時間が長くなるため、加熱ローラの温度が低下した場合には、ウォームアップ時に大きな電力を投入して、定着可能な温度に一気に上昇させる方策が採られている。

また、ウォームアップ時間の短縮や省エネルギー化の要望から、急速加熱、高効率加熱が行える電磁誘導加熱方式が注目されているものの、日本国内では、一般的に、商用交流電源では定格１００Ｖ、１５Ａを使用することが多く、電力の最大投入量が限られているのが現状である。

これを改善するために、従来、熱定着装置では、直流の補助電源による補助熱源を別途用意し、主電源及び補助電源の双方の電力を熱源に供給することにより、前記ウォームアップ時間を短縮させる方法も知られている。

一方、従来、熱源に対して導通制御を行うとともに、熱源に対する電力供給時に交流／直流を切り替えるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１８４９６３号公報

しかし、上記した従来技術では、ウォームアップ時には、交流電源及び直流電源の両方を作動させなければならないうえ、主電源と補助電源に別々の熱源を設けていたから、構成が複雑になる。

また、前記特許文献１に記載された技術のように、単に熱源に対する電力供給時に交流／直流を切り替える方式では、切り替え回路が必要でありその分構成が複雑になるという欠点があった。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、交流、直流各電源毎に負荷を設けたり、交流の主電源と直流の補助電源を切り替えるための切り替え回路を設ける必要がなく、しかも交流電力の投入量の上限に対処できる電力変換装置及び電力変換方法を提供することを課題としている。

上記課題は、以下の手段によって解決される。
（１）交流電源からの電力と直流電源からの電力が重畳されて入力されるとともに、スイッチング素子を備え、該スイッチング素子のスイッチング動作により前記入力された電力をスイッチングして負荷に供給するインバータと、前記交流電源からの電力の大きさが前記直流電源からの電力以上である第１の期間か、交流電源からの電力の大きさが直流電源からの電力よりも小さい第２の期間かを判断する判断手段と、前記スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦするためのスイッチング信号におけるＯＮ・ＯＦＦ比を変更することにより、前記インバータから負荷に供給される電力を調節可能に制御するとともに、前記判断手段により判断された第１の期間と第２の期間とで、前記スイッチング信号のＯＮ・ＯＦＦ比を個別に制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
（２）前記制御手段は、負荷に供給される電力の制御を、交流電源の半周期の整数倍を１単位として行う前項１に記載の電力変換装置。
（３）前項１または２に記載の電力変換装置を備え、前記負荷が定着装置の加熱用熱源である画像形成装置。
（４）スイッチング素子を備えたインバータに交流電源からの電力と直流電源からの電力が重畳されて入力されるとともに、前記スイッチング素子のスイッチング動作により、前記入力された電力をスイッチングして負荷に供給するステップと、前記交流電源からの電力の大きさが前記直流電源からの電力以上である第１の期間か、交流電源からの電力の大きさが直流電源からの電力よりも小さい第２の期間かを判断する判断ステップと、前記スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦするためのスイッチング信号におけるＯＮ・ＯＦＦ比を変更することにより、前記インバータから負荷に供給される電力を調節可能に制御するとともに、前記判断ステップにおいて判断された第１の期間と第２の期間とで、前記スイッチング信号のＯＮ・ＯＦＦ比を個別に制御する制御ステップと、を備えたことを特徴とする電力変換方法。

前項（１）に記載の発明によれば、交流電源からの電力と直流電源からの電力が重畳されて電力変換手段に入力されるから、交流電源からの電力と直流電源からの電力を切り替えるための切り替え回路は不要となる。また、インバータのスイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦするためのスイッチング信号におけるＯＮ・ＯＦＦ比を変更することにより、前記インバータから負荷に供給される電力が調節可能に制御されるとともに、交流電源からの電力の大きさが直流電源からの電力以上であり、交流電源からの電力が負荷に供給される第１の期間と、交流電源からの電力の大きさが直流電源からの電力よりも小さく、直流電源からの電力が負荷に供給される第２の期間とで、スイッチング信号のＯＮ・ＯＦＦ比が個別に制御されるから、前記第１の期間に負荷に供給される電力と前記第２の期間に負荷に供給される電力を個別に制御できる。

つまり、交流電源及び直流電源毎に負荷を設けることなく、しかも交流電源と直流電源を切り替えるための切り替え回路を設けることなく、一つの共通負荷に対して、交流電源及び直流電源のいずれからも電力を供給できるとともに、交流電源からの電力供給と直流電源からの電力供給を個別に制御できるから、交流電源からの電力と直流電源からの電力の使用比率を任意に変更することができ、ウォームアップ時に交流電源での電力供給に上限がある場合等に迅速に対応することができ、調整自由度の高い電力供給を行うことができる。

前項（２）に記載の発明によれば、負荷に供給される電力の制御が、交流電源の半周期の整数倍を１単位として行われるから、交流電源からの電力と直流電源からの電力の使用比率を任意に変更しながら、負荷に対して適正な電力供給を行うことができる。

前項（３）に記載の発明によれば、交流電源及び直流電源毎の熱源や、交流電源と直流電源を切り替えるための切り替え回路を設けることなく、一つの共通熱源に対して、交流電源及び直流電源のいずれからも電力を熱定着装置の熱源へ供給することができる画像形成装置となしうる。

前項（４）に記載の発明によれば、交流電源及び直流電源毎の負荷や、交流電源と直流電源を切り替えるための切り替え回路を設けることなく、一つの共通負荷に対して、交流電源及び直流電源のいずれからも電力を負荷へ供給することができる。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、この発明に係る電力変換装置が用いられた画像形成装置の熱定着装置を示す概略構成図である。

図１において、この熱定着装置は、加熱ローラ１と、加圧ローラ２と、負荷である熱源としての加熱部３と、温度検出部４とを備えている。

前記加熱ローラ１は、図示しない回転駆動源による駆動力によって回転し、加圧ローラ２との間のニップ部５に、トナー像が転写された記録紙６を通過させた際に、加熱によって前記トナー像を記録紙上に画像として定着させるものである。

前記加熱部３は、加熱ローラ１を加熱するものであり、例えば加熱ローラ１を直接加熱する電磁誘導コイルが使用されている。勿論、熱源は電磁誘導コイルに限らず、ヒータのような発熱体等も採用可能である。また、この加熱部３を加熱ローラ１に内蔵した構成であってもよい。

前記温度検出部４は、前記加熱部３による加熱温度、つまり、加熱ローラ１の温度を検出するとともに、その温度検出信号を熱定着制御回路（図２及び図３参照）２１に送出するようになっている。

ここで、従来一般の電力変換装置の一例を図２の電気的的構成を示すブロック図で説明する。

図２おいて、この電力変換装置は、交流電源１２と、電力変換手段としてのインバータ１１と、前記加熱部３と、前記温度検出部４と、熱定着制御部２１とを備えている。

前記インバータ１１は、交流電源１２から商用電力供給路１３を通じて供給された商用交流電力を図示しないスイッチング素子のスイッチング動作を利用して高周波の交番電力に変換して、高周波電力供給路１４を通じて前記加熱部３に供給するものである。

なお、スイッチング素子としては、例えばMOSFET、IGBT、トランジスタ等の公知のものが使用される。

前記熱定着制御部２１は、前記温度検出部４からの温度検出信号２２を受けて、出力電力制御信号２３を前記インバータ１１に送出して該インバータ１１の出力を制御する。

上記のように、交流電源１２から商用電力供給路１３を通じて供給された商用交流電力がインバータ１１により高周波電力に変換されて、高周波電力供給路１４を通じて前記加熱部３に供給され、該加熱部３の発熱作用により加熱ローラ１が加熱される。

加熱ローラ１の温度を検出した温度検出部４からの温度検出信号２２が前記熱定着制御部２１に出力されると、該熱定着制御部２１により温度検出値に応じた出力電力制御信号２３が前記インバータ１４に印加される。インバータ１４では、熱定着制御部２１からの出力電力制御信号２３に対応した高周波電力を発生する。

この高周波電力が高周波電力供給路１４を通じて前記加熱部３に供給されると、この加熱部３の発熱によって前記加熱ローラ１が加熱される。つまり、この加熱ローラ１は、温度検出部４と、熱定着制御部２１と、インバータ１１との制御ループにより一定温度に加熱制御される。

図３は、この発明の一実施形態における電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。

図３において、この電力変換装置は、図２と同じ構成のインバータ１１や熱定着制御部２１等を備えている他に、前記交流電源１２の出力側に整流部４５を備えている。また、直流電源としての蓄電部１５を備えており、この蓄電部１５の出力側に整流部４６が設けられている。そして、前記交流電源１２の整流出力と前記蓄電部１５の整流出力が前記インバータ１１に同時に入力されるようになっている。

前記インバータ１１の入力側と前記熱定着制御部２１との間には、入力検出部４１が介挿されている。この入力検出部４１は、前記インバータ１１の入力を検出し、入力検出信号４２を前記熱定着制御部２１に送出するようになっている。

また、前記インバータ１１の出力側と前記熱定着制御部２１の入力側との間に出力検出部３１が介挿されており、この出力検出部３１は、インバータ１１から出力される高周波電力を検出し、出力検出信号３２を前記熱定着制御部２１に送出する。

なお、出力検出部３１は、インバータ１１からの高周波電力を検出する代わりに、インバータ１１の出力電流を検出するようにしてもよい。

前記熱定着制御部２１は、温度検出部４からの温度検出信号２２を受領して規定温度値になるように高周波電力の制御を行う他に、前記入力検出信号４２を受領して、交流電源１２からの出力の大きさが蓄電部１５からの出力以上である第１の期間か、蓄電部１５からの出力よりも小さい第２の期間かを判断する。第１の期間であれば、インバータ１１には交流電源１２から電力が供給され、第２の期間であれば、インバータ１１には蓄電部１５から電力が供給される。

さらに、熱定着制御部２１は、蓄電部１５の出力が所定の閾値以上かどうかを判断するとともに、出力検出信号３２に基づいて、インバータ１１からの高周波電力値及び周波数を確認する。

更に、熱定着制御部２１は、前記入力検出部４１から送出される入力検出信号に基づいて、交流電源１２の周期を算出する。そして、交流電源１２の半周期にあたるＴ１（図４）時間を整数倍を１単位として、１単位毎に前記出力検出部３１を介して前記インバータ１１からの高周波電力を検知し、その検知結果に従って、インバータ１１におけるスイッチング素子によるスッチング信号の出力波形（ＯＮ・ＯＦＦ比）を決定して前記インバータ１１を制御するようになっている。出力波形（ＯＮ・ＯＦＦ比）は、前記第１の期間及び第２の期間ごとに決定可能であり、これにより交流電源１２からの電力供給と蓄電部１５からの電力供給を独立に制御でき、交流電源１２からの電力と蓄電部１５からの電力の使用比率を任意に変更することができ、ウォームアップ時に交流電源での電力供給に上限がある場合等に迅速に対応することができる。また、加熱部３に対して調整自由度の高い電力供給を行うことができる。

なお、インバータ１１のスイッチング信号については、通電幅を変えるＰＷＭ（Pulse Width Modulation)方式に基づく信号であっても良いし、周波数制御方式に基づく信号であってもよい。

なお、前記熱定着制御部２１は、熱定着装置のみを制御するものであっても良いし、画像形成装置の全体動作を制御する制御部により構成されても良い。

図４は、図３の電力変換装置における各部の波形図を示す。

図４において、波形１は、交流電源１２の整流（全波整流）出力電圧の波形（ピーク値Ｖ１）を示し、波形２は、蓄電部１５の出力電圧の波形（ピーク値Ｖ２）を示す。

また、波形３は、交流電源１２の整流部４５の出力電圧と蓄電部１５の出力電圧との合成電圧の波形を示し、波形４は、インバータ１１の出力波形を示す。

ここで、全波整流出力が蓄電部１５の出力以上である第１の区間をＣａ、全波整流出力が蓄電部１５の出力よりも小さい第２の区間をＣｄとすると、加熱部３に対して前記Ｃａ区間では、前記交流電源１２からの電力がインバータ１１により高周波電力に変換されて加熱部３に供給され、Ｃｄの区間では、蓄電部１５からの電力がインバータ１１により高周波電力に変換されて加熱部３に供給されることになる。

前記熱定着制御部２１は、前記インバータ１１におけるスイッチング素子を例えばＰＷＭ制御する場合、スイッチング信号のＯＮ／ＯＦＦ比を、前記Ｃａ区間とＣｄ区間とで個別に制御することが可能であり、これにより前記交流電源１２から供給される電力と蓄電部１５から供給される電力とを個別に可変制御することができるものとなされている。

上記構成の電力変換装置では、交流電源１２からの電力と直流電源である蓄電部１５からの電力とが前記インバータ１１に重畳されて同時に入力される。

この重畳された入力は、インバータ１１内部のスイッチング素子のスイッチング動作により高周波電力に変換されて、前記加熱部３に供給されるから、この加熱部３が発熱し、前記加熱ローラ１が加熱される。

加熱ローラ１の温度が温度検出部４で検出され、この温度検出部４からの温度検出信号３２を受けた熱定着制御部２１により、規定温度値になるように高周波電力の制御が行われる。

また、入力検出部４１による入力検出信号４２が前記熱定着制御部２１に印加されると、前記熱定着制御部２１は、この入力検出信号４２から、インバータ１１への電力供給が交流電源１２から行われているか蓄電部１５から行われているか（第１の期間か第２の期間か）を判断し、さらには蓄電部１５の出力が閾値以下か否かを判断し、さらには交流電源１２の周期を判断する。

また、インバータ１１から出力される高周波電力について、交流電源１２の半周期Ｔ１の整数倍を１単位として１単位毎に前記出力検出部３１からの出力検出信号を受けることにより、任意の設定電力値に制御する。

例えば、蓄電部１５の出力が低下した場合、図４のＣａ区間とＣｄ区間とのＰＷＭ制御によるスイッチング信号のＯＮ／ＯＦＦ比を変更する。具体的には、交流電源１２に対して蓄電部１５の出力による高周波電力の使用比率が例えば０になるように前記スイッチング素子の制御波形を決定した場合には、交流電源１２からの電力のみが高周波電力に変換されて加熱部３に供給される。

このように、交流電源及び直流電源毎に熱源を設けたり、交流電源と直流電源を切り替える切り替え部を設けたりすることなく、構成が簡素になるうえ、一つの共通熱源である加熱部３に対して、交流電源１２の出力と蓄電部１５の出力とを高周波電力に変換して熱源に供給でき、特に、交流部分の区間Ｃａに対応する高周波電力と直流部分の区間Ｃｄに対応する高周波電力との使用比率を任意に変更可能であるから、ウォームアップ時に交流電源１２での出力に上限がある場合等に、蓄電部１５からの電力供給を増加させることで、交流電源１２からの電力供給を抑制しながら、加熱部３の迅速な加熱を行うことができる。

図５は、熱定着制御部２１による電力制御処理を示すフローチャートである。

図５において、ステップＳ１では、前記熱定着制御部２１が前記温度検出部４からの温度検出信号２２を受領して、検出温度が規定値よりも高いか否かを判断する。

検出温度が規定値よりも高ければ（ステップＳ１でＹＥＳ）、ステップＳ３では、熱定着制御部２１は、出力電力制御信号２３により該インバータ１１から出力される電力値が削減されるように制御してから、ステップＳ４に進む。検出温度が規定値よりも低ければ（ステップＳ１でＮＯ）、ステップＳ２で熱定着制御部２１は、インバータ１１に対して出力電力制御信号２３により該インバータ１１から出力される電力値が増加されるように制御してから、ステップＳ４に進む。

なお、ステップＳ１では、検出温度の閾値を設けて、この閾値を判断基準としているが、複数の閾値を設定し、閾値毎に電力の増減量を変えるようにしてもよい。

ステップＳ４では、前記蓄電部１５の残電力量の検出、つまり、蓄電部１５の電圧が閾値以上か否かを判断し、蓄電部１５の電圧が閾値以上であれば（ステップＳ４でＹＥＳ）、ステップＳ６に進み、蓄電部１５の電圧が閾値未満であれば（ステップＳ４でＮＯ）、ステップＳ５では、蓄電部１５からの電力供給を停止するため、交流電源１２からの出力に対して蓄電部１５の出力の制御比率を０にする。次いでステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、画像形成装置の全体制御部から、交流電源１２からの電力と蓄電部１５からの電力の比率の変更指令があるか否かを判断し、前記比率の変更指令があれば（ステップＳ６でＹＥＳ）、ステップＳ７では、前記比率の変更処理を行ってから、ステップＳ８に進み、前記比率の変更指令がなければ（ステップＳ６でＮＯ）、そのままステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、スイッチング素子のスイッチング信号の出力の制御波形を決定したのち、終了する。

この発明の一実施形態に係る電力変換装置が用いられた画像形成装置における熱定着装置を示す概略構成図である。 従来一般に用いられている電力変換装置の一例の電気的構成を示すブロック図である。 この発明の一実施形態に係る電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。 図３の電力変換装置における各部の波形図である。 熱定着制御部による電力制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

３ 加熱部（熱源、負荷）
４ 温度検出部
１１ インバータ（電力変換手段）
１２ 交流電源
１５ 蓄電部
２１ 熱定着制御部
３１ 出力検出部
４２ 入力検出部

Claims (4)

1. 交流電源からの電力と直流電源からの電力が重畳されて入力されるとともに、スイッチング素子を備え、該スイッチング素子のスイッチング動作により前記入力された電力をスイッチングして負荷に供給するインバータと、
   前記交流電源からの電力の大きさが前記直流電源からの電力以上である第１の期間か、交流電源からの電力の大きさが直流電源からの電力よりも小さい第２の期間かを判断する判断手段と、
   前記スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦするためのスイッチング信号におけるＯＮ・ＯＦＦ比を変更することにより、前記インバータから負荷に供給される電力を調節可能に制御するとともに、前記判断手段により判断された第１の期間と第２の期間とで、前記スイッチング信号のＯＮ・ＯＦＦ比を個別に制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御手段は、負荷に供給される電力の制御を、交流電源の半周期の整数倍を１単位として行う請求項１に記載の電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置を備え、前記負荷が定着装置の加熱用熱源である画像形成装置。
4. スイッチング素子を備えたインバータに交流電源からの電力と直流電源からの電力が重畳されて入力されるとともに、前記スイッチング素子のスイッチング動作により、前記入力された電力をスイッチングして負荷に供給するステップと、
   前記交流電源からの電力の大きさが前記直流電源からの電力以上である第１の期間か、交流電源からの電力の大きさが直流電源からの電力よりも小さい第２の期間かを判断する判断ステップと、
   前記スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦするためのスイッチング信号におけるＯＮ・ＯＦＦ比を変更することにより、前記インバータから負荷に供給される電力を調節可能に制御するとともに、前記判断ステップにおいて判断された第１の期間と第２の期間とで、前記スイッチング信号のＯＮ・ＯＦＦ比を個別に制御する制御ステップと、
   を備えたことを特徴とする電力変換方法。

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