JP6562618B2

JP6562618B2 - 電源装置及び画像形成装置

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Publication number: JP6562618B2
Application number: JP2014233133A
Authority: JP
Inventors: 祐樹仲島; 磯野　青児; 青児磯野; 林崎　実; 実林崎; 宏真野; 雅俊伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2034-11-17
Also published as: JP2016096702A

Description

本発明は、電流共振方式の電源装置及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。

電流共振方式の電源回路において、トランスの一次側の二つのスイッチング素子の駆動周波数は電源回路の共振周波数よりも高い周波数範囲で制御される。ここで、電源に接続された負荷が大きくなる、また、トランスやコイルのコアの温度が上昇すると共振周波数が変動する。これにより、駆動周波数が共振周波数よりも低い周波数範囲で制御される場合がある。このような現象は“共振外れ”と呼ばれる。この共振外れが発生すると、一方のスイッチング素子のリカバリー期間にもう一方のスイッチング素子が導通してしまう。こうなると、電源回路には定格以上のリカバリー電流が流れることになりスイッチング素子を破壊してしまう可能性があった。この共振外れを回避するための方法として、特許文献１のよう構成が提案されている。

特許文献１に記載の電流共振電源では、一方のスイッチング素子と並列に、トランス１次巻線と共振用インダクタンス素子と補助コンデンサの直列共振回路を接続する。電流検出器でこの補助コンデンサの共振電流を検出する。共振電流と制御パルスとの位相関係によって制御範囲の正常、異常を判断し、制御範囲外れた状態が検出されたら、二つのスイッチング素子の駆動周波数を正常制御範囲に戻すように制御している。

特開平９−３０８２４３

しかしながら、特許文献１の構成では、補助コンデンサを設けて電流を検出する構成であり回路規模が大きくなる。また、負荷に対して電源の起動時から瞬時に大きな電力を供給するような場合、また、動作中に駆動周波数を切り換えて使用するような場合は、より精度良く共振外れに対する防止機能を備える必要がある。

上記課題を解決するための本発明の電源装置は、入力される交流電圧を整流及び平滑した電圧が供給され、直列に接続された第一スイッチング素子と第二スイッチング素子を有し、前記第一スイッチング素子は前記第二のスイッチング素子よりも高電位側に接続されたスイッチング手段と、前記第一と前記第二のスイッチング素子の間に接続されたインダクタと、前記インダクタと前記第二のスイッチング素子の間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに接続されており、前記インダクタに流れる共振電流に応じた電流を検知する電流検知手段と、前記第一のスイッチング素子に対して前記交流電圧の入力側の電圧と、前記電流検知手段の検知結果に基づき前記第一と前記第二のスイッチング素子の動作を制御する制御手段と、を有し、前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が第一閾値を１回通過したことを検知した後に、第二閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第一のスイッチング素子をオン状態としていれば、前記第一のスイッチング素子をオフ状態にして前記第二のスイッチング素子をオン状態にし、前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が前記第二閾値を１回通過したことを検知した後に、前記第一閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第二のスイッチング手段をオン状態としていれば、前記第二のスイッチング手段をオフ状態にしてから前記第一のスイッチング手段をオン状態にすることを特徴とする。

また、本発明の画像形成装置は、画像を形成するための画像形成手段と、前記画像形成手段に電力を供給する電源と、を備え、前記電源は、入力される交流電圧を整流及び平滑した電圧が供給され、直列に接続された第一スイッチング素子と第二スイッチング素子を有し、前記第一スイッチング素子は前記第二のスイッチング素子よりも高電位側に接続されたスイッチング手段と、前記第一と前記第二のスイッチング素子の間に接続されたインダクタと、
前記インダクタと前記第二のスイッチング素子の間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに接続されており、前記インダクタに流れる共振電流に応じた電流を検知する電流検知手段と、前記第一のスイッチング素子に対して前記交流電圧の入力側の電圧と、前記電流検知手段の検知結果に基づき前記第一と前記第二のスイッチング素子の動作を制御する制御手段と、を有し、前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が第一閾値を１回通過したことを検知した後に、第二閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第一のスイッチング素子をオン状態としていれば、前記第一のスイッチング素子をオフ状態にして前記第二のスイッチング素子をオン状態にし、前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が前記第二閾値を１回通過したことを検知した後に、前記第一閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第二のスイッチング手段をオン状態としていれば、前記第二のスイッチング手段をオフ状態にしてから前記第一のスイッチング手段をオン状態にすることを特徴とする。

以上のように本発明の手段によれば、共振はずれを防止して安定して動作することが可能な電源装置を提供することができる。

本発明の画像形成装置の概略図実施例１の電流共振方式の電源回路の回路図実施例１の電流検知信号生成部へ入力される電圧波形図実施例１の閾値検知回路の回路図実施例１のコントローラの内部ブロック図実施例１のコントローラの制御を説明するシーケンス図実施例１の動作を説明する波形図実施例２の電流共振方式の電源回路の回路図実施例２のコントローラの内部ブロック図実施例２のコントローラの制御を説明するシーケンス図実施例２の動作を説明する波形図実施例３のコントローラの内部ブロック図実施例３コントローラの制御を説明するシーケンス図実施例３の動作を説明する波形図

次に、上述した課題を解決するための本発明の具体的な構成について、以下に実施例に基づき説明する。なお、以下に示す実施例は一例であって、この発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１に、本実施例で説明する電流共振方式の電源の適用例として加熱装置を備えた画像形成装置５０の概略図を示す。なお、本実施例における加熱装置は、記録材に形成された画像を記録材に定着する定着器である（図１における定着器１４０）。画像形成装置５０は、電子写真方式のレーザービームプリンタである。像担持体としての感光体ドラム１は、図中の矢印方向に所定のプロセススピード（周速度）にて回転駆動する。感光体ドラム１は回転の過程で帯電ローラ２により所定の電位に一様に帯電される。３は画像露光手段としてのレーザースキャナである。このレーザスキャナ３は、コンピュータ等の外部機器（不図示）から入力される画像情報に対応してオン／オフ変調されたレーザー光Ｌを、帯電された感光体ドラム１に走査露光する。この走査露光により感光体ドラム１の表面の露光明部の電荷が除電され、感光体ドラム１表面に画像情報に対応した静電潜像が形成される。現像装置４の現像ローラ４ａから感光体ドラム１に現像剤（トナー）が供給されて、感光体ドラム１の静電潜像は、画像（トナー像）として現像される。

５は給紙カセットであり、記録材Ｐを積載収納させてある。給紙スタート信号に基づいて給紙ローラ６が駆動されて、給紙カセット５内の記録材Ｐは、一枚ずつ分離給紙される。そして、レジストローラ対７によって搬送され、感光体ドラム１と接触して従動回転する転写ローラ８との当接ニップ部である転写部８Ｔに、所定のタイミングで搬送される。すなわち、感光体ドラム１上のトナー像の先端部と記録材Ｐの先端部とが、同期して転写部８Ｔに到達するように、レジストローラ７で記録材Ｐの搬送が制御される。その後、記録材Ｐは転写部８Ｔを挟持搬送され、その間、転写ローラ８には転写電圧を印加する電源８（不図示）から転写電圧（転写バイアス）が印加される。転写ローラ８にはトナーと逆極性の転写バイアスが印加され、転写部８Ｔにおいて感光体ドラム１に現像されたトナー像が記録材Ｐの表面に静電的に転写される。転写後の記録材Ｐは、感光体ドラム１から分離されて搬送ガイド９を介して加熱装置としての定着器１４０に搬送される。定着器１４０では、トナー像が加熱されて記録材に定着される。一方、記録材Ｐに対するトナー像の転写後の感光体ドラム１はクリーニング装置１０で感光ドラムに残留したトナー、紙粉等が除去された後、繰り返し帯電、露光、現像の動作が行われる。定着器１４０を通過した記録材Ｐは、排紙口１１から排紙トレイ１２上に排出される。なお、図１の１００は電流共振方式の電源であり、本実施例では定着器１４０に電力を供給している。

図２は、定着器１４０を加熱するための電流共振方式の電源回路１００の回路図を示す。以下、図２を用いて電源回路１００と周辺回路について説明する。商用交流電源１０１から供給される交流電圧は、ダイオードブリッジ回路（ダイオード１０２、１０３、１０４、１０５）によって整流され、全波整流電圧をコンデンサ１１０で平滑する。コンデンサ１１０の両端には、第一のスイッチング素子であるスイッチング素子１１１及び第二のスイッチング素子であるスイッチング素子１１２による直列回路が接続されている。なお、本例ではスイッチング素子１１１、１１２として、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を適用した。なお、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を適用することも可能である。なお、以降、スイッチング素子１１１をハイサイドＦＥＴ１１１（又はＦＥＴ１１１）、スイッチング素子１１２をローサイドＦＥＴ１１２（又はＦＥＴ１１２）と呼ぶ。また、ハイサイドＦＥＴ１１１、ローサイドＦＥＴ１１２が電流を導通させる方向にゲート電圧を印加することをオン、電流を導通させない方向にゲート電圧を印加することをオフと定義する。

ローサイドＦＥＴ１１２には並列に定着器１４０が接続されている。定着器１４０は本例では誘導加熱方式の加熱装置であり、インダクタ１４１（以下、コイル１４１）と抵抗素子１４２で等価的に示す。コイル１４１と電流共振コンデンサ１１４により、ＬＣ直列共振回路が構成される。電流共振コンデンサ１１４には共振電流を検出するための電流検知部１２０として、コンデンサ１２２、抵抗素子１２３が並列に接続されている。コイル１４１を通過する共振電流は、電流共振コンデンサ１１４を流れる電流と、コンデンサ１２２に流れる電流とに分割される。コンデンサ１２２に流れる電流は、電流共振コンデンサ１１４に流れる電流に比べて十分小さくなるように、コンデンサ１２２の容量と抵抗素子１２３の抵抗素子値を設定している。このように容量と抵抗素子値を定めたコンデンサ１２２に流れる電流には、コイル１４１を通過する共振電流に略比例した電流が流れる。そのため、抵抗素子１２３の両端の電圧から、共振電流に略比例した電圧振幅を取得することができる。抵抗素子１２３の右端電圧１５２と抵抗素子１２３の左端電圧１５３は、閾値検知回路２００に出力される。なお、閾値検知回路２００には、抵抗素子１２３の両端の電圧と、ハイサイドＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１（ＦＥＴ１１１の電圧の入力側に接続された信号線から）が入力される。そして、電圧検知回路２００は、夫々の検知結果に基づき、正側の閾値信号１５５と負側の閾値信号１５６をコントローラ３００へと出力する。各信号の詳細については後述する。

コントローラ３００は、ＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２の駆動タイミングを制御する制御部として機能する。コントローラ３００は、ハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５７とローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５８を各ゲートに印加し、ＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２とを交互にオンオフさせる。閾値検知回路２００とコントローラ３００には、不図示の電源回路から共通の電源電圧１５４および電源電圧１５９が供給される。

なお、本実施例ではコントローラ３００は１次側（定着器に対して電圧が入力される側）に配置され、画像形成装置５０を制御するメインコントローラ（不図示）とは独立して電源回路１００に配置されている。しかし、コントローラ３００とメインコントローラとを共通とする構成でも制御可能である。その場合は、コントローラ３００は２次側に配置される構成となる。コントローラ３００に入力される閾値信号１５５、１５６、コントローラ３００から出力されるゲート駆動電圧１５７とゲート駆動電圧１５８は１次側との絶縁手段（フォトカプラ等）によって分離される。

次に、閾値検知回路２００への入力信号の関係について図３を用いて説明する。図３は横軸を時間、縦軸を電圧値としたグラフである。図３（ａ）は、右端電圧１５２を基準電位とした場合のグラフであり、図３（ｂ）は、左端電圧１５３を基準電位とした場合のグラフである。ここで、ＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１は、図３における他信号の電圧値よりも十分に電圧振幅が大きいため、図３（ａ）および図３（ｂ）で基準電位が異なることによる影響は無視できる。

前述したように、抵抗素子１２３の両端には、共振電流に略比例した電圧差が現れる。図３（ａ）では、右端電圧１５２を基準とした左端電圧１５３の波形が、図３（ｂ）では、左端電圧１５３を基準とした右端電圧１５２の波形がそれぞれ示されており、両電圧波形は略反転した波形となっている。ここで、ＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１と右端電圧１５２を分圧した電圧として正側の閾値電圧を定義する。また、ＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１と左端電圧１５３を分圧した電圧として負側の閾値電圧を定義する。正側の閾値電圧と負側の閾値電圧は、共に閾値検知回路２００の内部で分圧して生成する。閾値電圧波形は、図３（ａ）の左端電圧１５３波形と１周期につき２回交わるような電圧オフセット値を持つように、閾値検知回路２００内部で分圧する抵抗素子値を定める。また、負側の閾値電圧波形に関しても同様に、図３（ｂ）の右端電圧１５２波形と１周期につき２回交わるような電圧オフセット値を持つように、閾値検知回路２００内部で分圧する抵抗素子値を定める。詳細な回路構成については、以降、図４にて閾値検知回路２００を説明する。

共振電流はＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１の変動に伴って変動するため、図３（ａ）の左端電圧１５３波形および図３（ｂ）の右端電圧１５２波形も変動する。しかし、正側の閾値電圧および負側の閾値電圧は、ＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１に比例した電圧として生成される。すなわち、商用交流電源１０１の電圧の変動や交流周波数の変化の影響によらず、常に図３（ａ）の左端電圧１５３波形および図３（ｂ）の右端電圧１５２波形と交わるように正側の閾値電圧および負側の閾値電圧を生成することができる。次に、閾値検知回路２００の構成について図４に基づき説明する。閾値検知回路２００は、前述した正側の閾値電圧および負側の閾値電圧が夫々左端電圧１５３および右端電圧１５２を超えたか否かを判別し、その判定情報をコントローラ３００に出力する。ＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１と右端電圧１５２は、抵抗素子２０２と抵抗素子２０３で分圧され、正側の閾値電圧を生成する。また、ＦＥＴ１１１のドレイン電圧１５１と左端電圧１５３は、抵抗素子２０４と抵抗素子２０５で分圧され、負側の閾値電圧を生成する。コンパレータ２０６は、右端電圧１５２を基準電圧とし、正側の閾値信号と左端電圧１５３を比較して、左端電圧１５３が大きい場合にＨレベルになる信号を正側の閾値検出信号１５５としてマイクロコントローラ３００に出力する。

また、コンパレータ２０７は、左端電圧１５３を基準電圧とし、負側の閾値信号と右端電圧１５２を比較して、右端電圧１５２が大きい場合にＨレベルになる信号を負側の閾値検出信号１５６としてコントローラ３００に出力する。

次に、コントローラ３００の動作について説明する。図５は、マイクロコントローラ３００の内部構成を示すブロック図である。演算部３０６は、ＲＯＭ３０５に保存されているプログラムに基づき動作する。具体的には、ＦＥＴ１１１およびＦＥＴ１１２の駆動パルス幅と駆動パルス周期を演算する。この駆動パルス幅と駆動パルス周期は、定着器１４０の温度検出手段（不図示）で検出した定着器１４０の温度を目標温度に制御するためのパルス幅と周期である。そして、演算結果を駆動信号生成部３０９に出力する。

また、正側の閾値検出信号１５５は、正側閾値エッジ検知部３０３に入力され、正側の閾値検出信号１５５の立下りタイミングと立ち上がりタイミングで正側の閾値検知信号を駆動信号生成部３０９に出力する。同様に負側の閾値検出信号１５６に関しても負側閾値エッジ検知部３０４に入力されたのち、負側の閾値検出信号１５６の立下りタイミングと立ち上がりタイミングで負側閾値通過信号を駆動信号生成部３０９に出力する。駆動信号生成部３０９は、演算部３０６からの指示と、正側閾値エッジ検知部３０３と負側閾値エッジ検知部３０４が出力する二つの信号に基づき、ハイサイドＦＥＴのゲート駆動信号１５７とローサイドＦＥＴのゲート駆動信号１５８を制御する。

駆動信号生成部３０９の動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。制御が開始されると、駆動信号生成部３０９は、演算部３０６が演算したＦＥＴ１１１のオン時間を取得し（処理６０１）、ハイサイドＦＥＴゲート駆動電圧１５７をターンオン（印加）する（処理６０２）。ハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５７をターンオンしてからの経過時間が、取得したＦＥＴ１１１のオン時間を超えたかどうかを判断する（条件判断６０３）。そして、超えていた場合にはハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５７をターンオフ（停止）する（処理６０６）。ハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５７のターンオン後の経過時間が、取得したＦＥＴ１１１のオン時間を超えていない場合は、正側閾値エッジ検知部３０３から入力される正側の閾値検知信号を２回取得したかどうかを判断する（条件判断６０４）。そして、２回取得していた場合にはハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５７をターンオフする（処理６０６）。そうでない場合は一定期間待機した後、再び条件判断６０３を実施する。

ハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５７をターンオフした後は、ＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２の間に貫通電流が発生しない十分なデッドタイム（両方のスイッチング素子がオフする期間）を確保する（処理６０７）。その後、駆動信号生成部３０９は、演算部３０６が演算したＦＥＴ１１２のオン時間を取得し（処理６０８）、ローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５８をターンオンする（処理６０９）。ローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５８のターンオン後の経過時間が、取得したＦＥＴ１１２のオン時間を超えたかどうかを判断する（条件判断６１０）。そして、超えていた場合にはローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５８をターンオフする（処理６１２）。ローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５８をターンオン後の経過時間が、取得したＦＥＴ１１２のオン時間を超えていない場合は、負側閾値エッジ検知部３０４から入力される負側の閾値検知信号を２回取得したかどうかを判断する（条件判断６１１）。そして、２回取得していた場合にはローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５８をターンオフする（処理６１２）。そうでない場合は一定期間待機した後、再び条件判断６１０を実施する。ローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧１５８をターンオフした後は、デッドタイムを確保した後（処理６１３）、定着器１４０の加熱処理が終了しているかどうかを判断し（条件判断６１４）、終了していなければ、処理６０１から前述した動作を繰り返す。

以上のように、演算部３０６から指示されるゲートオン時間による判断と、正側の閾値検知信号および負側の閾値検知信号による判断の２つの判断基準によって二つのＦＥＴのゲート駆動電圧のオン／オフを制御する。

次に、本実施例の回路動作について説明する。図７は、本実施例におけるＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２に流れる電流とゲート駆動信号、および共振電流と閾値検出信号の関係を示す波形図である。波形４０１はＦＥＴ１１１のゲート駆動波形、波形４０２はＦＥＴ１１２のゲート駆動波形である。波形４０１、波形４０２ともに、駆動波形がＨレベルであるときにオン、Ｌレベルであるときにオフであるとする。波形４０３はハイサイドＦＥＴ１１１に流れる電流波形、波形４０４はＦＥＴ１１２に流れる電流波形である。波形４０５は電流共振コンデンサ１１４を流れる共振電流波形である。波形４０６は正側の閾値検知信号、波形４０７は負側の検知信号である。

図７の期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、共振外れを防止する動作が働いていない状態であり、領域Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＨおよびＩは、共振外れを防止する動作が働いている状態である。以降、夫々の安定動作時、共振外れ防止動作時と定義して説明を行う。安定動作時のＦＥＴ１１１のゲートオン時間をＴ１Ｈ、ＦＥＴ１１２のゲートオン時間をＴ１Ｌとする。また、共振外れ防止動作時のＦＥＴ１１１のゲートオン時間をＴ２Ｈ、ＦＥＴ１１２のゲートオン時間をＴ２Ｌとする。図７では、期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから期間Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉに移行する際に、Ｔ２ＨとＴ２Ｌが、Ｔ１ＨとＴ１Ｌよりも夫々長くなるように動作する。本実施例のように、電源回路１００を画像形成装置５０の定着器１４０として使用する際には、起動時や通常時、記録材の種類（紙種とも言う）や記録材のサイズ等によって定着器１０４に投入する電力を変更する場合がある。その場合、より低い駆動周波数に切り替えて使用することが想定され、このような場合には共振外れ防止する動作が必要となる。そのような低い駆動周波数への切り替えが発生した場合に、期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに示す駆動波形から、期間Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉに示す駆動波形へと変化する。

まず、安定動作時について説明する。以降、説明のため不図示であるが、ＦＥＴ１１１のボディダイオードをＤ１、ローサイドＦＥＴのボディダイオードをＤ２とする。

まず、期間Ａ（ＦＥＴ１１１はオン、ＦＥＴ１１２はオフ）において、共振電流はＦＥＴ１１１→コイル１４１→共振コンデンサ１１４の経路で流れる。コイル１４１を介して電流共振コンデンサ１１４にエネルギーが蓄えられる。次に、期間Ｂ（ＦＥＴ１１１、ＦＥＴ１１２ともにオフ）において、共振電流はボディダイオードＤ２→コイル１４１→電流共振コンデンサ１１４の経路で流れる。ボディダイオードＤ２のダイオードに共振電流が流れている状態で、ＦＥＴ１１２をオンにする。次に、期間Ｃ（ＦＥＴ１１１はオフ、ＦＥＴ１１２はオン）においても、電流共振コンデンサ１１４への充電がコイル１４１に蓄えられたエネルギーを放出し終わるまで期間Ｂと同じ電流の向きで継続する。その後、共振電流の向きが変わり、電流共振コンデンサ１１４→コイル１４１→ＦＥＴ１１２の経路で電流が流れる。次に、期間Ｄ（ＦＥＴ１１１、ＦＥＴ１１２ともにオフ）において、共振電流は電流共振コンデンサ１１４→コイル１４１→ボディダイオードＤ１の経路で流れる。ボディダイオードＤ１に共振電流が流れている状態で、ＦＥＴ１１１をオンにする。以上のように安定動作時においては、コイル１４１と電流共振コンデンサ１１４の共振動作を行いながら、ＦＥＴ１１１、ＦＥＴ１１２のスイッチングを制御し、コイル１４１に流れる共振電流を制御する。

次に、共振外れ防止動作時について説明する。前述した安定動作時の期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから駆動周波数を変更し、共振外れ防止動作時の期間Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉへと移行したものとして説明を継続する。共振外れ防止時の動作として、以下の２通りの動作を行う。

負側の閾値検出信号の波形４０７がＨレベルを出力した後、正側の閾値検出信号の波形４０６が２回Ｈレベルを出力した時にＦＥＴ１１１がオンされている場合には強制的にＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替える。また、正側の閾値検出信号の波形４０６がＨレベルを出力した後、負側の閾値検出信号の波形４０７が２回Ｈレベルを出力した時にＦＥＴ１１２がオンされている場合にも、強制的にＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替える。以降、期間Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの動作を説明しながら、上記動作について詳述する。

期間Ｅ（ＦＥＴ１１１はオン、ＦＥＴ１１２はオフ）において、安定動作時と同様に共振電流はＦＥＴ１１１→コイル１４１→共振コンデンサ１１４の経路で流れる。しかし、ＦＥＴ１１１のゲート駆動電圧オン期間であるＴ２Ｈが長くなると、期間Ｆ（ＦＥＴ１１１、ＦＥＴ１１２ともにオフ）への移行が遅くなる。期間Ｅから期間Ｆへ移行しないまま共振電流の波形４０５が正から負に反転してしまうと、共振外れとなってしまう。そこで、本実施例では、正側の閾値検出信号の波形４０６および負側の閾値検出信号の波形４０７を判断基準として、共振電流波形４０５が正から負に反転する前に期間Ｅから期間Ｆを経て期間Ｇに移行させる。すなわち、共振電流波形４０５が正から負に反転する前にＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替える。

なお、ＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替える判断基準とは、前述したように負側の閾値検出信号の波形４０７がＨレベルを出力した後、正側の閾値検出信号の波形４０６が２回Ｈレベルを出力したことを条件としている。本実施例では、共振電流波形４０５の共振電流が負から正、そして正から負に反転する前に、必ず正の閾値を２回横切るように正の閾値を生成する。そのため、負側の閾値検出信号の波形４０７がＨレベルを出力し、共振電流が負から正に反転した後に、正側の閾値検出信号の波形４０６が２回目のＨレベルを出力したタイミングでＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替えればよい。これにより、ＦＥＴ１１１のオン時間を十分確保した上で、ＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替えることができる。つまり、共振外れが発生する前にＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替えることができるので、共振外れの発生を防止しつつ共振電源回路１００を駆動することができる。以上のように、共振電流が所定の閾値を通過したかどうかのみを判断条件とするため、簡単な構成で精度良く共振外れが発生する否かを判断することができる利点がある。

また、期間Ｇから期間Ｈ（ＦＥＴ１１１、ＦＥＴ１１２ともにオフ）への移行が遅れた場合にも同様の動作を行う。すなわち、前述したように正側の閾値検出信号の波形４０６がＨレベルを出力した後、負側の閾値検出信号の波形４０７が２回Ｈレベルを出力したと判断した場合、ＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオンオフを切り替える。

本実施例の特徴をまとめると、閾値検知回路２００は、コイル１４１の電流値が負側の閾値（第一閾値）を１回通過したことを検知した後に正側の閾値（第二閾値）を２回通過したことを検知する。その場合に、コントローラ３００は、ＦＥＴ１１１がオン状態であれば、ＦＥＴ１１１をオフ状態にしてから、ＦＥＴ１１２をオン状態にする。また、閾値検知回路２００はコイル１４１の電流値が正側の閾値（第二閾値）を１回通過したことを検知した後に負側の閾値（第一閾値）を２回通過したことを検知する。その場合にコントローラ３００がＦＥＴ１１２をオン状態としていれば、ローサイドＦＥＴをオフ状態にしてからＦＥＴ１１１をオン状態にする。

以上の動作を行うことにより、共振外れの発生する前にＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２の切り替えを行うことができ、共振外れの発生を防止しつつ電源回路１００を動作させることができる。

（実施例２）
本実施例では、商用交流電源１０１の交流電圧が大きく変動する場合、具体的には電源回路１００に入力される交流電圧が非常に小さくなった状態において、共振外れ防止動作を実行しないようにすることを特徴とする。なお、本実施例の構成を図８に示す。実施例１と同様の構成は同一符号を付けて説明は省略する。本実施例の電源回路８００と実施例１の電源回路１００との違いは、コンデンサ１１０の両端の電圧を抵抗素子８０１と抵抗素子８０２で分圧し、その分圧した電圧値８５１をコントローラ９００に入力するように変更した点である。電圧値８５１は、コントローラ９００の電源電圧１５９よりも小さくなるように抵抗素子８０１と抵抗素子８０２の抵抗素子値を定める。すなわち、コンデンサ１１０の両端の電圧をコントローラ９００の電源電圧の範囲内に収まるように変換した電圧値８５１が、コントローラ９００に入力されることになる。

次に、コントローラ９００の構成について図９を用いて説明する。電圧値８５１はＡ／Ｄ変換部９０１でデジタル値に変換され、閾値信号生成部９０２に入力される。閾値信号生成部９０２は、ＲＯＭ９０３に記憶された所定値とＡ／Ｄ変換部９０１から入力される値とを比較し、閾値有効信号を出力する。なお、この所定値とは入力電圧が低下して小さくなったことを判断するための電圧値である。具体的には、ＲＯＭ９０３に記憶された所定値（電圧値）の方が大きい場合にはＨレベル信号を出力し、そうでない場合はＬレベル信号を出力する。駆動信号生成部９０９に出力する。ＲＯＭ９０３に記憶されている電圧値は、電源回路８００への入力電圧の閾値として設定される。これは、共振外れにより発生するリカバリー電流がＦＥＴ１１１又はＦＥＴ１１２を破壊しない程度にまで共振電流が小さくなる場合における、抵抗素子８０１と抵抗素子８０２で分圧した電圧値とする。駆動信号生成部９０９は、実施例１で説明した駆動信号生成部３０９と同様の動作を行うものの、前述した閾値有効信号がＬレベルとなっているときに、正側閾値エッジ検知部３０３と負側閾値エッジ検知部３０４から入力信号を無効にする。

駆動信号生成部９０９の動作について、図１０のフローチャートを用いて説明する。実施例１の図６と同じ動作を行う部分については同一符号を付けて説明を省略する。図１０において、条件判断６０３がＮｏである場合に、前述した閾値有効信号がＨレベル信号か否かの条件判断を実施する（条件判断１００１）。閾値有効信号がＨレベル信号である場合は、実施例１の図６と同様に条件判断６０４の判断に移行する。そうでない場合は、一定期間待機後、再び条件判断６０３を行う。条件判断６１０に関しても同様に、条件判断６１０がＮｏである場合に、前述した条件判断１００１を実施する。閾値有効信号がＨレベル信号である場合は、実施例１の図６と同様に条件判断６１１を行う。そうでない場合は、一定期間待機後、再び条件判断６１０を行う。

以上のように、本実施例では、閾値有効信号がＨレベル信号か否かを判断し、Ｈレベル信号である場合は、実施例１で説明した動作と同様の動作を行う。一方、閾値有効信号がＬレベル信号である場合には、正／負両方の閾値検知信号の挙動によらず、駆動波形演算部３０６から指示されるゲートオン時間によってＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のゲート駆動電圧１５７、１５８を制御する。

次に、本実施例の動作について、図１１を用いて説明する。波形８１０は、閾値信号生成部９０２から出力される閾値有効信号である。それ以外の波形は、実施例１の図４と同様である。波形８１０がＨレベルを維持している間は、実施例１で説明した共振外れ防止動作を行い、ハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧である波形４０１およびローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧である波形４０２のオンオフを切り替える。それに対し、閾値有効信号波形８１０がＬレベルを維持するときは、実施例１で説明した共振外れ防止動作を行わず、駆動波形演算部３０６の指示のみに従って、ハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧及びローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧を駆動する。その理由は、閾値有効信号の波形８１０がＬレベルを維持している間、すなわち入力される交流電圧が低下する（波形４０５の振幅が小さい）と閾値検知回路２００が不安定となる。なぜなら、共振電流の波形４０５の１周期中に正側の閾値検知信号の波形４０６および負側の閾値検知信号の波形４０７のＨレベルが２回出力されない可能性があるからである。本実施例では、そのような状況においても安定して駆動波形を出力することを目的としている。閾値有効信号の波形８１０がＬレベルを維持している間は、共振外れによって発生するリカバリー電流がスイッチング素子を破壊しない程度に小さくなるため、本実施例のように一時的に共振外れ防止動作が働かないように制御する動作が可能となる。

本実施例によると、電源回路８００に入力される電圧が低く、共振外れ防止動作を行うか否かを決定する閾値検知回路２００の出力が不安定になる領域において意図しないスイッチング動作が発生することを避けることができる。これにより、共振電源回路８００を安定して動作させることができる。なお、本実施例においても実施例１と同様の効果を奏する。

（実施例３）
本実施例においても実施例２と対象とする事象は同様である。本実施例では、電源回路８００の出力が不安定になる領域（入力される交流電圧が低下し、波形４０５の振幅が小さ場合）においては、スイッチング周波数を一時的に高くすることにより共振電源回路８００を安定に動作させることを特徴する。

本実施例の回路構成は、基本的には実施例２（図８）と同様であるため説明は省略する。ただし、実施例２とは、コントローラ９００の内部ブロック構成が異なる。本実施例では、図１２に示すマイクロコントローラ１２００を用いる。以下に、マイクロコントローラ１２００について説明する。実施例２と同様な箇所には同一符号を付けて説明は省略する。

コントローラ１２００では、ＲＯＭ１２０１にハイサイドＦＥＴのオン時間およびローサイドのＦＥＴオン時間が記憶されている。この記憶されたオン時間は、電源回路８００の共振周波数の変動を考慮した上で、必ず共振外れ状態を引き起こさないように設定されたオン時間である。具体的には、ハイサイドＦＥＴのオン時間とローサイドＦＥＴのオン時間、及びデッドタイム期間の合計が電源回路８００の共振周期よりも短くなる場合には、共振外れを引き起こさない。駆動信号生成部１２０９は、閾値信号生成部９０２から入力される閾値有効信号がＬレベル信号である期間は、上述したＲＯＭ１２０１に記録されたハイサイドＦＥＴのオン時間とローサイドＦＥＴのオン時間により動作を継続する。

駆動信号生成部１２０９の動作について、図１３のフローチャートを用いて説明する。実施例２の図１０と同様の動作を行う箇所については同一符号を付けて説明を省略する。制御開始後、閾値有効信号がＨレベル信号か否かの条件判断を行い（条件判断１００１）、閾値有効信号がＨレベル信号である場合は、実施例１と同様の動作を継続する。そうでない場合は、処理６０１の代わりにＲＯＭ１２０１からＦＥＴ１１１のオン時間を取得し（処理１３０１）、処理６０２から処理６０７に至る一連の処理を実施する。その後、同様に処理６０８の代わりにＦＥＴ１１２のオン時間を取得し（処理１３０２）、処理６０９から処理６１３に至る一連の処理を実施する。

本実施例の動作について、図１４を用いて説明する。閾値有効信号の波形８１０がＨレベルを維持している期間は、実施例１、２で説明した共振外れ防止動作を行う。すなわち、ハイサイドＦＥＴのゲート駆動電圧（波形４０１）およびローサイドＦＥＴのゲート駆動電圧（波形４０２）のオンオフを切り替える。それに対し、閾値有効信号の波形８１０がＬレベルを維持するときは、ＦＥＴ１１１とＦＥＴ１１２のオン時間をＲＯＭ１２０１で定めたオン時間となるようにハイサイドＦＥＴゲートの駆動信号１５４とローサイドＦＥＴのゲート駆動信号１５５を制御する。図１４において、波形８１０がＨレベルを維持している間の波形４０１のＨパルス幅であるＴ３Ｈと、波形４０２のＨパルス幅であるＴ３Ｌは、波形８１０がＬを維持している間の対応する波形Ｔ４Ｈ、Ｔ４Ｌよりも長くなっている。なお、Ｔ４ＨおよびＴ４Ｌは、共振外れを発生させないような十分に短いＨレベルのパルス幅としている。

閾値有効信号の波形８１０がＬレベルを維持している間は、閾値検知回路２００が不安定にとなり、共振電流の１周期中に正側の閾値検知信号の波形４０６及び負側の閾値検知信号波形４０７のＨレベルが２回出力されない可能性がある。そのような領域において、共振外れを発生させない一定の駆動周波数で動作させることにより、安定した駆動波形を出力させることができる。共振外れによって発生するリカバリー電流が、スイッチング素子を破壊する可能性があるほど流れないようにするための手段として有効である。この一定の駆動周波数は入力電圧が大きい場合における駆動周波数よりも低い周波数になる。

なお、本実施例においては閾値有効信号の波形８１０がＬレベルとなる期間の駆動周波数が高くなるため、その期間においては定着器１４０に供給できる電力が小さくなってしまう。しかし、閾値有効信号の波形８１０がＨレベルとなる領域、すなわち電源回路へ入力される電圧が大きくなる期間で十分な電力を定着器１４０に供給することができる。画像形成装置５０の定着器としては一時的に電力が小さくなっても定着器に投入する電力は平均的にみると記録材に画像を定着することについては不都合無く動作できる。

以上、本実施例によれば、電源回路８００に入力される電圧が低く、共振外れ防止動作を行うか否かを決定する閾値検知回路２００の出力が不安定になる領域において、確実に共振外れを防止した上で回路を安定して動作させることができる。

なお、本実施例においても実施例１と同様の効果を得ることができる。

１１１ハイサイドＦＥＴ
１１２ローサイドＦＥＴ
１１４電流共振コンデンサ
１２０電流検知部
１３０ＬＣ直列共振回路
２００電流閾値検知回路
３００、９００、１２００コントローラ
８００電流共振方式の電源回路

Claims

入力される交流電圧を整流及び平滑した電圧が供給され、直列に接続された第一スイッチング素子と第二スイッチング素子を有し、前記第一スイッチング素子は前記第二のスイッチング素子よりも高電位側に接続されたスイッチング手段と、
前記第一と前記第二のスイッチング素子の間に接続されたインダクタと、
前記インダクタと前記第二のスイッチング素子の間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに接続されており、前記インダクタに流れる共振電流に応じた電流を検知する電流検知手段と、
前記第一のスイッチング素子に対して前記交流電圧の入力側の電圧と、前記電流検知手段の検知結果に基づき前記第一と前記第二のスイッチング素子の動作を制御する制御手段と、を有し、
前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が第一閾値を１回通過したことを検知した後に、第二閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第一のスイッチング素子をオン状態としていれば、前記第一のスイッチング素子をオフ状態にして前記第二のスイッチング素子をオン状態にし、
前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が前記第二閾値を１回通過したことを検知した後に、前記第一閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第二のスイッチング手段をオン状態としていれば、前記第二のスイッチング手段をオフ状態にしてから前記第一のスイッチング手段をオン状態にすることを特徴とする電源装置。
前記電源装置に入力される前記交流電圧の変化に応じて前記第一閾値及び前記第二閾値を変更することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記制御手段は、前記電源装置に入力される前記交流電圧が所定値よりも小さくなった場合に、予め記憶された時間に基づき前記第一と前記第二のスイッチング手段の動作を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
前記制御手段は、前記電源装置に入力される前記交流電圧が所定値よりも小さくなった場合に、前記第一と前記第二のスイッチング手段を駆動する際の周波数を前記交流電圧が所定値よりも大きい場合における該周波数よりも高くすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置。
画像を形成するための画像形成手段と、
前記画像形成手段に電力を供給する電源と、を備え、
前記電源は、
入力される交流電圧を整流及び平滑した電圧が供給され、直列に接続された第一スイッチング素子と第二スイッチング素子を有し、前記第一スイッチング素子は前記第二のスイッチング素子よりも高電位側に接続されたスイッチング手段と、
前記第一と前記第二のスイッチング素子の間に接続されたインダクタと、
前記インダクタと前記第二のスイッチング素子の間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに接続されており、前記インダクタに流れる共振電流に応じた電流を検知する電流検知手段と、
前記第一のスイッチング素子に対して前記交流電圧の入力側の電圧と、前記電流検知手段の検知結果に基づき前記第一と前記第二のスイッチング素子の動作を制御する制御手段と、を有し、
前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が第一閾値を１回通過したことを検知した後に、第二閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第一のスイッチング素子をオン状態としていれば、前記第一のスイッチング素子をオフ状態にして前記第二のスイッチング素子をオン状態にし、
前記電流検知手段によって、前記インダクタに流れる共振電流が前記第二閾値を１回通過したことを検知した後に、前記第一閾値を２回通過したことを検知した際に、前記制御手段は前記第二のスイッチング手段をオン状態としていれば、前記第二のスイッチング手段をオフ状態にしてから前記第一のスイッチング手段をオン状態にすることを特徴とする画像形成装置。
記録材に形成された画像を加熱して定着する定着手段を含み、
前記定着手段は、前記インダクタを含むことを特徴とする請求項５に記載の画像形成装置。