JP6843605B2

JP6843605B2 - 電源装置および画像形成装置

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Publication number: JP6843605B2
Application number: JP2016237118A
Authority: JP
Inventors: 純川勝
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: US20180159419A1; JP2018093674A; US10211717B2

Description

本発明は、省電力化に対応した電源装置および画像形成装置に関するものである。

昨今、電気機器の省電力化が進んでおり、省電力モードを備える電気機器が増加している。このような状況において、省電力モード時に電気機器に電力を供給する電源装置の動作効率を一層向上することが求められている。一方、省電力モード時に負荷としての電気機器に大電流を供給可能にする電源装置へのニーズも高まってきている。特許文献１は、電気二重層コンデンサに蓄電することによって一時的に大電流を供給可能な電源について開示している。

特開２０１３−３８９４１号公報

しかしながら、電源装置の動作効率を向上することと一時的に負荷に大電流を供給することはトレードオフの関係になる。そのため、軽負荷時の電源装置の効率向上と、重負荷時における定電圧出力することを両立した電源装置が求められている。

上記課題を解決するための本発明の電源装置は、入力される電流を平滑する平滑部と、前記平滑部と接続され、前記平滑部によって平滑された電流を昇圧し、昇圧した定電圧を負荷に供給する昇圧コンバータと、前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータに供給する第一経路と、前記昇圧コンバータを介さずに負荷に供給する第二経路とに切り換え可能な切換部と、前記平滑部に電流を供給するための電源部と、前記電源部に、前記平滑部の出力電圧の情報を伝達する伝達部と、を有し、前記電源部は、絶縁トランスと、前記絶縁トランスをスイッチングするためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記絶縁トランスの一次側の電圧の情報を用いて前記スイッチング素子の動作を制御することを特徴とする。

上記課題を解決するための本発明の画像形成装置は、入力される電流を平滑する平滑部と、前記平滑部と接続され、前記平滑部によって平滑された電流を昇圧し、昇圧した定電圧を負荷に供給する昇圧コンバータと、前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータに供給する第一経路と、前記昇圧コンバータを介さずに負荷に供給する第二経路とに切り換え可能な切換部と、前記平滑部に電流を供給するための電源部と、前記電源部に、前記平滑部の出力電圧の情報を伝達する伝達部と、を有し、前記電源部は、絶縁トランスと、前記絶縁トランスをスイッチングするためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記絶縁トランスの一次側の電圧の情報を用いて前記スイッチング素子の動作を制御することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、軽負荷時の電源装置の効率向上と、重負荷時における定電圧出力することを両立した電源装置を提供することができる。

実施例１に係る電源装置の概略図実施例１に係る電源装置の動作を説明する回路図実施例２に係る電源装置の概略図実施例３に係る平滑回路の例を示す図実施例３に係る電源装置の概略図実施例３に係るコンデンサにかかる電圧を説明する図電源装置を適用した画像形成装置の概略図

［実施例１］
図７は本実施例の電源装置３２を適用した電子機器の一例である画像形成装置１の概略図である。画像形成装置にプリント動作を指示するためのプリント信号が発生すると、画像形成部３を構成するスキャナユニット２１が画像情報に応じて変調されたレーザ光を出射する。レーザ光は帯電ローラ１６によって所定の極性に帯電された感光体１９に走査される。これにより感光体１９には静電潜像が形成される。形成された静電潜像に対して現像器１７からトナーが供給され、感光体１９上に画像情報に応じたトナー画像が形成される。一方、給紙部である給紙カセット１１に積載された記録材（記録紙ともいう）１０はピックアップローラ１２によって一枚ずつ給紙され、ローラ１３によってレジストローラ１４に向けて搬送される。さらに記録材１０は、感光体１９上のトナー画像が感光体１９と転写ローラ２０で形成される転写ニップに到達するタイミングに合わせて、レジストローラ１４によって搬送される。記録材１０が転写ニップを通過することにより感光体１９上に形成されたトナー画像は記録材１０に転写される。その後、記録材１０は加熱装置２で加熱されてトナー画像が記録材１０に定着される。トナー画像が定着された記録材１０は、排紙部であるローラ２６、２７によって画像形成装置１上部のトレイに排出される。なお、モータ３０は、感光体１９や加熱装置２を駆動するものである。また高圧電源３１から帯電ローラ１６、現像器１７、転写ローラ２０に高圧バイアスを印加している。スキャナユニット２１では、レーザデバイス２２でレーザ光を発生し、レンズ２３でレーザ光を矯正し、ミラー２４によってレーザ光を反射、射出している。モータ３０や高圧電源３１、スキャナユニット２１、制御部３３等の電気回路に電力を供給しているのが電源装置３２である。制御部３３は、上記の各部に駆動タイミングを指示したり動作レベルを指示する。

図１は実施例１における電源装置３２の概略図である。電源装置３２において後述する平滑回路１０２に電流を供給する電源部の一例である元電源１００から供給される電流の整流手段としてのダイオード１０１で整流し、平滑部としての平滑回路１０２で平滑している。平滑回路１０２と負荷１０５の間には昇圧コンバータとしての非絶縁コンバータ１０４が接続されている。また、非絶縁コンバータ１０４を介さずに平滑回路１０２からの電流を負荷１０５に供給できる開閉可能な経路として迂回路を形成する回路１０３が、非絶縁コンバータ１０４と並列に接続されている。

本実施例では元電源１００として商用交流電源１１１から入力される交流電圧を整流及び平滑後、絶縁トランスに供給する構成である。そして、絶縁トランスをスイッチングすることによりエネルギーを変換して絶縁トランスの二次側から所定電圧を出力するスイッチング電源を用いる。なお、元電源１００としてはスイッチング電源に限らず、バッテリーなど他の構成の電源でもよい。

本実施例の元電源１００について説明する。商用交流電源１１１から入力される交流電圧は整流器１１２を介してコンデンサ１２０に接続されている。エネルギー変換手段としての絶縁トランス１１９へ流す電流をスイッチング手段としてのＦＥＴ１１４でスイッチングする。スイッチング素子をオンオフするタイミングや時間の制御は制御部としての制御ＩＣ１１７で行う。抵抗１１５はスイッチング電流を検知するための抵抗素子であり、抵抗１１６はＦＥＴ１１６のゲート端子とソース端子の間の電圧の安定のために接続されている。フィードバック信号１１８は負荷１０５への出力を定電圧に維持するための信号である。制御回路１１７はフィードバック信号１１８に基づいてスイッチング素子のオンオフのタイミング、オン時間（デューティともいう）を制御する。サージキラー１１３はスイッチングにより跳ね上がるＦＥＴ１１４のドレインソース間の電圧を低減してＦＥＴ１１４を保護する部品である。

次に図２を用いて本実施例における電源装置３２について説明する。電源装置３２は元電源１００からの出力電圧をダイオード１０１で整流し、平滑回路１０２で平滑する。平滑回路１０２からの出力電圧は、一定の電圧になるように出力電圧の情報を伝達部としてのフォトカプラ２０１を介してフィードバック信号１１８として制御回路１１７に伝達している。抵抗２０５、抵抗２０６の分圧比は、所望の出力電圧時にシャントレギュレータ２０４のＲｅｆ端子が基準電圧になるように設定する。これにより平滑回路１０２の出力電圧が所望の電圧よりも低いときはフォトカプラ２０１のフォトダイオード側が発光し、フォトトランジスタが通電する。通電中はフィードバック信号１１８の電圧は低下し、非通電時は上昇することを繰り返すことで平滑回路１０２の出力電圧を所望の一定値に維持している。

省電力モード時のような軽負荷時においては制御回路２１１は迂回路を形成する回路１０３であるスイッチ素子としてのＦＥＴ２０９をオン、非絶縁コンバータ１０４における負荷との接続スイッチ素子であるＦＥＴ２１７をオフさせる。つまり、軽負荷時は元電源１００へのフィードバックにより負荷１０５への定電圧出力を実現する。同時に非絶縁コンバータ１０４を迂回し、損失の少ない回路１０３に電流を流すことで電源の動作効率を高くすることができる。一方、装置が動作中などの重負荷時においては制御回路２１１がＦＥＴ２０９をオフ、ＦＥＴ２１７をオンさせる。さらに制御回路２１１がＦＥＴ２１２をスイッチングさせて非絶縁コンバータ１０４を駆動させる。ＦＥＴ２１２のオン中にインダクタ２１０にエネルギーを蓄積し、ＦＥＴ２１２のオフ中に平滑回路１０２電圧に重畳して蓄積されたエネルギーをダイオード２１３を介して出力する昇圧コンバータとして動作している。また、非絶縁コンバータ１０４の出力電圧を抵抗２１５、２１６で分圧し制御回路２１１へのフィードバックを行っている。つまり、重負荷時は非絶縁コンバータ１０４のフィードバック制御により負荷１０５への定電圧出力を実現している。この時、省電力モード時と同様に平滑回路１０２の出力電圧についても元電源１００へフィードバックを行っている。しかし、平滑回路１０２の出力電圧は定電圧にならなくてもよく、非絶縁コンバータ１０４のフィードバックが正常にかかる程度のリップルは許容できる。なお、本実施例における平滑回路１０２としてはコンデンサ２０２を用いており、コンデンサ２０２の容量値は軽負荷時に許容できるリップルと、重負荷時における非絶縁コンバータ１０４の動作の限界によって決定すればよい。

なお、画像形成装置１として、記録材に画像を形成するための画像形成動作を実行せず、装置が動作を停止している状態（消費電力が小さい軽負荷状態）で所定時間経過した場合に、装置が省電力状態になり、それにあわせて電源装置も省電力モードに移行する。一方、画像形成動作を実行している場合（消費電力が大きい重負荷状態）は省電力モードが解除されて通常の動作モードになる。

以上に説明したように元電源から供給される電流を平滑する平滑回路、平滑回路と負荷との間に接続する昇圧コンバータと、昇圧コンバータを迂回する回路を備えることを特徴とする。そして、迂回する回路は、重負荷時には昇圧コンバータを介する第一経路に切り換え、軽負荷時には昇圧コンバータを介さず迂回する第二経路に切り換える切換部として機能する。これにより、軽負荷時には高い電源効率を実現し、重負荷時には定電圧出力することを実現することの両立が図れる。

［実施例２］
図３は実施例２における電源装置３２の概略図である。実施例１の構成との違いは、平滑回路１０２のみであり、他の部分については同一符号を付けて説明を省略する。また、動作としても実施例１と同様に負荷１０５に対する出力は軽負荷時に回路１０３を経由し、重負荷時には非絶縁コンバータを経由する構成である。本実施例の平滑回路１０２は実施例１でも用いたコンデンサ２０２と同様なコンデンサ３０１と、高密度大容量コンデンサ３０２が並列に接続されている。すなわち複数のコンデンサを有する構成である。なお、高密度大容量コンデンサとしては以下の２種類のコンデンサを適用することができる。
・ＥＤＬＣ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＤｏｕｂｌｅ−ＬａｙｅｒＣａｐａｃｉｔｏｒ：電気二重層コンデンサ）
・ＬＩＣ（ＬｉｔｈｉｕｍＩｏｎＣａｐａｃｉｔｏｒ：リチウムイオンコンデンサ）
要求される重負荷における電流量が大きい場合、実施例１のようにコンデンサ２０２のみで構成するとそのサイズや数が増加してしまい、電源装置３２の小型化や省コストが難しい。そのため、重負荷時の要求される電流量によっては本実施例のようにコンデンサ３０１と高密度大容量コンデンサ３０２を並列に用いて、小型で軽負荷時において電源の動作効率と重負荷時の定電圧出力の両立を実現することできる。

コンデンサとして広く用いられている電解コンデンサやセラミックコンデンサと比べて高密度大容量コンデンサは一般的にＥＳＲが高い。ＥＳＲの高いコンデンサに充放電を行うとＥＳＲによる損失が大きくなり動作効率が低下する。よって効率が要求される軽負荷時にはＥＳＲの高い高密度大容量コンデンサ３０２への充放電が極力少なくなるように高密度大容量コンデンサ３０２よりもＥＳＲの小さいコンデンサ３０１を並列に接続する。コンデンサ３０１の容量を軽負荷時の負荷レベルではコンデンサ３０１の充放電が支配的になるように容量値の素子を選定する。これにより、高密度大容量コンデンサ３０２のＥＳＲによる効率の低下を低減することできる。

以上に説明したように、本実施例では、特に、実施例１の構成に加えて、平滑回路１０２としてコンデンサ３０１と共に高密度大容量コンデンサ３０２を並列に接続したことにより以下の効果が得られる。

高密度大容量コンデンサ３０２のＥＳＲよりもＥＳＲの小さいコンデンサ３０１による充放電が支配的になるので軽負荷時に動作効率を上げることができる。一方、重負荷時には高密度大容量コンデンサ３０２に蓄えられたエネルギーによって負荷１０５に対して定電圧出力を維持することができる。このように軽負荷時の高効率化と、重負荷時における定電圧出力を両立させることができる。また要求する負荷電流によっては小型化、又、低コスト化を実現できることになる。

上記ではコンデンサ３０１と高密度大容量コンデンサ３０２を常に接続している。しかし、高密度大容量コンデンサ３０２のＥＳＲによる効率の低下を防ぐために、図４のように高密度大容量コンデンサ３０２への充放電経路をオンオフするスイッチとしてＦＥＴ４０１を接続した構成にしてもよい。図４の構成によれば、高い効率が求められる軽負荷時はＦＥＴ４０１をオフし、重負荷時はＦＥＴ４０１をオンすることにより、軽負荷時に高い効率を実現し、かつ、重負荷時には定電圧出力することができる。

なお、高密度大容量コンデンサ３０２の接続をオンオフする場合、オフ時には自己放電などにより電圧が低下する。オン時には少なくとも非絶縁コンバータ４０１が動作できる電圧以上になっている必要があるため、オフ時間が長くなる場合は電圧を一定以上に保つために定期的にオンすることで高密度大容量コンデンサ３０２に充電を行うなどの対応をとるようにすればよい。

［実施例３］
図５は実施例３における電源装置３２の概略図である。本実施例における平滑回路１０２や回路１０３、非絶縁コンバータ１０４は実施例２（図３）と同様であるので同一符号を付けて説明を省略する。本実施例では元電源１００のフィードバック信号として平滑回路１０２の出力電圧情報を用いず、平滑回路１０２の出力電圧とほぼ連動する絶縁トランス５１９の一次側の補助巻線の電圧の情報を用いている。一般的に補助巻線に誘起される電圧と平滑回路１０２の出力電圧の関係は負荷１０５の状態に依存して変動してしまう。しかしながら、重負荷時の負荷１０５にかかる電圧は非絶縁コンバータ１０４によってレギュレーションされるため、重負荷状態においては負荷の状態に依存して変動しない（又は変動は極めて小さい）。すなわち、軽負荷時の平滑回路１０２の出力電圧が所望の値になるようにフィードバック信号１１８のレベルを調整しておけば、軽負荷時にも重負荷時にも負荷へ定電圧出力が可能になる。本実施例では、フィードバック信号１１８のレベルの調整方法としては、抵抗５０１の抵抗値を設定している。なお、コンデンサ５０３と並列に抵抗素子を接続した回路でもよい。この構成によれば実施例２に対して、さらに小型で安価に、軽負荷時には高い効率を実現し、且つ、重負荷時にも定電圧出力することができる。

また、回路構成として、コンデンサ１２０を無くす、若しくは、コンデンサ１２０の容量を小さくすることも可能である。このような回路であれば小型で安価に構成することが可能になる。ここで、コンデンサ１２０は整流器１１２の出力を平滑する機能を有する。この容量を小さくすると平滑しきれずにコンデンサ１２０からの電圧は図６のようになる。脈流電圧の低い部分では絶縁トランス１１９で２次側へ送る電力が制限される。しかし、軽負荷時において、この脈流電圧の低い部分でも平滑回路１０２の出力が所望の電圧を維持できるようなコンデンサ１２０の容量であれば、軽負荷時にも重負荷時にも負荷へ定電圧出力が可能になる。このように、一部条件を満たすように平滑回路１０２からの出力電圧の情報を直接用いずに、かつコンデンサ１２０を無くす、若しくは、その容量を小さくすることで小型で安価に回路を構成することができる。そして、軽負荷時には高い効率を実現し、且つ、重負荷時には定電圧出力することができる。

３２電源装置
１０２平滑回路
１０３迂回路を形成する回路
１０４非絶縁コンバータ
１０５負荷
３０１コンデンサ
３０２高密度大容量コンデンサ

Claims

入力される電流を平滑する平滑部と、
前記平滑部と接続され、前記平滑部によって平滑された電流を昇圧し、昇圧した定電圧を負荷に供給する昇圧コンバータと、
前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータに供給する第一経路と、前記昇圧コンバータを介さずに負荷に供給する第二経路とに切り換え可能な切換部と、
前記平滑部に電流を供給するための電源部と、
前記電源部に、前記平滑部の出力電圧の情報を伝達する伝達部と、を有し、
前記電源部は、絶縁トランスと、前記絶縁トランスをスイッチングするためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記絶縁トランスの一次側の電圧の情報を用いて前記スイッチング素子の動作を制御することを特徴とする電源装置。
前記切換部は、前記負荷の消費する電流量が大きい重負荷時において、前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータに供給する第一経路に切換え、前記負荷の電流量が前記重負荷時よりも小さい軽負荷時において、前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータを介さずに負荷に供給する第二経路に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記切換部は、スイッチ素子を有し、前記スイッチ素子をオフすることにより前記第一経路に切換え、前記スイッチ素子をオンすることにより第二経路に切り換えることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記平滑部はコンデンサを有する回路であ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。
前記平滑部は少なくとも１つのコンデンサ及び高密度大容量コンデンサとが並列に接続された回路であ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。
前記高密度大容量コンデンサとは電気二重層コンデンサ、又は、リチウムイオンコンデンサを含むことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
前記平滑部は、並列に接続された複数のコンデンサを有する回路であり、夫々のコンデンサのＥＳＲが異なることを特徴とする請求項２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ための電源装置と、を有し、
前記電源装置は、
入力される電流を平滑する平滑部と、
前記平滑部と接続され、前記平滑部によって平滑された電流を昇圧し、昇圧した定電圧を負荷に供給する昇圧コンバータと、
前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータに供給する第一経路と、前記昇圧コンバータを介さずに負荷に供給する第二経路とに切り換え可能な切換部と、
前記平滑部に電流を供給するための電源部と、
前記電源部に、前記平滑部の出力電圧の情報を伝達する伝達部と、を有し、
前記電源部は、絶縁トランスと、前記絶縁トランスをスイッチングするためのスイッチング素子と、前記スイッチング素子の動作を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記絶縁トランスの一次側の電圧の情報を用いて前記スイッチング素子の動作を制御することを特徴とする画像形成装置。
前記画像形成装置は、画像形成動作を実行する重負荷状態と、前記画像形成動作を停止する軽負荷状態に切り換え可能であり、前記重負荷状態において、前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータに供給する第一経路に切換え、前記軽負荷状態において、前記平滑部によって平滑された電流を前記昇圧コンバータを介さずに負荷に供給する第二経路に切り換えることを特徴とする請求項８に記載の画像形成装置。