JP7204529B2 - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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図1は、実施例1の電源装置の回路構成を示す回路図である。図1に示す電源装置は、2つのスイッチング電源を有している。1つは、モータやソレノイド等の動作に必要な電圧が高い駆動系へ第一の直流電圧である出力電圧Vout1を供給する第一の電源部である駆動系電源20である。もう1つは、CPUやASIC等の動作に必要な電圧が低い制御系へ第二の直流電圧である出力電圧Vout2を供給する第二の電源部である制御系電源60である。また、負荷70は、駆動系電源20から電力供給される負荷であり、例えば電子機器を動作させるモータやソレノイド等の駆動負荷である。負荷80は、制御系電源60から電力供給される負荷であり、例えば不図示の制御部である。また、電流検知回路50は、制御系電源60から負荷80に供給される負荷電流を検知し、検知結果を、電源装置を制御する制御手段であるCPU100に出力する構成となっている。なお、本実施例では、CPU100は、本実施例の電源装置を備える、後述する画像形成装置のCPUであり、画像形成装置の画像形成動作を制御する。
まず、駆動系電源20の動作について説明する。商用電源10から交流電圧が入力されると、整流器11で整流され、整流された電圧は平滑化手段であるコンデンサ13に充電される。コンデンサ13への充電が開始され、コンデンサ13の端子間電圧が上昇すると、コンデンサ13の充電電圧は、起動抵抗21を介して電源制御IC22のVH端子に供給される。そして、電源制御IC22は、OUT端子より電界効果トランジスタ23(以下、FET23という)のゲート端子に電圧を印加することにより、FET23がオンし、スイッチング動作を開始する。トランス24は、一次巻線24p、二次巻線24s、及び補助巻線24bを有している。二次巻線24sは、一次巻線24pに対して巻方向が逆方向となるように構成されている。一方、補助巻線24bは、一次巻線24pと巻方向が同じ方向となるよう構成されている。FET23がオンすると、コンデンサ13からトランス24の一次巻線24pに電流が流れ、この電流により発生する磁束によってエネルギーの蓄積が行われる。このとき、二次巻線24sに誘起される電圧は、ダイオード31のアノード端子側を負とする電圧であるため、ダイオード31は導通状態にならず、電流が流れない。一方、補助巻線24bに誘起される電圧により、ダイオード25を通じてコンデンサ26を充電する方向に電流が流れ、コンデンサ26の電圧が上昇する。コンデンサ26の電圧が上昇すると、電源制御IC22は、起動抵抗21から供給されていた電源電圧を、VCC端子に接続されたコンデンサ26から供給されるように内部回路を切り替える。これは、起動抵抗21から電源電圧を消費すると損失が大きく、効率を低下させてしまうためである。
次に、制御系電源60の動作について説明する。制御系電源60の制御IC61は、駆動系電源20のコンデンサ32に充電された電圧が入力されると、スイッチング素子であるFET62を断続的に駆動し、インダクタ64にパルス電圧を出力する。出力されたパルス電圧は、インダクタ64、回生ダイオード63、コンデンサ65によって平滑化される。平滑化され、コンデンサ65に充電された電圧が、制御系電源60の出力電圧Vout2となる。出力電圧Vout2は、抵抗66、67により分圧され、分圧された電圧が制御IC61に入力される。制御IC61は、内部に有する基準電圧と、抵抗66、67により分圧された電圧とが等しくなるように、FET62のオンデューティ(1周期中のオン状態の割合)を制御することで、出力電圧Vout2を安定した出力電圧となるように制御する。
次に、検知手段である電流検知回路(電流検知部)50の動作について説明する。電流検知回路50は、制御系電源60の抵抗68の端子間に生じた電圧差から制御系電源60から負荷80に流れる負荷電流を検知する回路で、オペアンプ54、抵抗51、52、53、55、56を有している。オペアンプ54は、電源電圧Vout3により動作し、非反転入力端子(+)には制御系電源60により生成された出力電圧Vout2を、抵抗51、52で分圧した電圧が入力される。一方、オペアンプ54の反転入力端子(-)には、制御系電源60の負荷電流に応じて抵抗68で電圧降下した電圧が抵抗53を介して入力されている。制御系電源60から負荷80に流れる負荷電流が過負荷状態ではない通常状態の場合には、抵抗68で生じる電圧降下は小さいため、非反転入力端子の入力電圧よりも反転入力端子の入力電圧の方が高くなり、オペアンプ54はローレベルの信号を出力する。一方、制御系電源60から負荷80に流れる負荷電流が過負荷状態の場合には、抵抗68で生じる電圧降下が大きくなるため、非反転入力端子の入力電圧の方が反転入力端子の入力電圧よりも高くなる。そのため、オペアンプ54は、反転入力端子の入力電圧と非反転入力端子の入力電圧との電圧差に基づいた電圧を出力する。そして、オペアンプ54から出力された電圧は、抵抗55、56により分圧され、過負荷状態を示す検知信号CとしてCPU100に入力される。
本実施例の電源装置は、画像形成装置で使用する電源装置を想定しており、CPU100は、画像形成装置を制御するCPUとする。画像形成装置は、プリント動作前の初期設定などを行うキャリブレーションモード、プリント動作を行うプリントモード、プリント動作に備えた待機状態のスタンバイモード、電源装置の消費電力を小さくする省電力モードの4種類の動作モードを有している。また、スタンバイモードでは、本実施例の電源装置は、制御系電源60が過負荷状態である過負荷モードと、過負荷状態ではない通常モードの2種類の状態モードとを遷移する。CPU100は、キャリブレーションモード、プリントモード、及び通常モードの場合には、ハイレベルのSig1信号を出力する。これにより、FET37がオンされて、出力電圧Vout1を抵抗33、34で分圧された電圧がシャントレギュレータ35のRef端子に入力されることになり、出力電圧Vout1はプリント動作に必要な電圧値V1に設定される。一方、出力電圧Vout1が電圧値V1よりも低い電圧値に設定されている場合には、駆動系電源20の負荷70などに供給される電圧が下がってしまい、プリント動作に支障が生じてしまうため、CPU100は、動作モードをプリントモードには移行しない。また、省電力モード及び過負荷モードの場合には、CPU100はローレベルのSig1信号を出力し、出力電圧Vout1を電圧値V1より低い電圧値V5に低下させることで、制御系電源60の電源効率を向上させ、省エネルギー化を図っている。
ここで、出力電圧Vout1の電圧を低下させることにより、制御系電源60の電源効率が向上する理由について説明する。図2は、制御系電源60のFET62のスイッチング損失を説明する図である。(a)は出力電圧Vout1の電圧値がV1の場合を説明する図であり、(b)は出力電圧Vout1の電圧値が第三の直流電圧であるV5(V1>V5)の場合を説明する図である。図2において、実線はFET62のドレイン端子-ソース端子間の電圧波形を示しており、破線はFET62のドレイン電流波形を示している。また、Idはドレイン電流、Vdsはドレイン端子-ソース端子間電圧、Tsw(on)は、FET62のターンオン時間、Tsw(off)はFET62のターンオフ時間を示している。ここでは、ドレイン端子-ソース端子間の電圧Vdsは駆動系電源20の出力電圧Vout1を示しており、ドレイン電流の電流値Idは、制御系電源60から負荷80に流れる負荷電流の電流値である。また、図2の横軸は、時間を示している。
次に、過負荷状態を検知した場合の電源装置の動作について説明する。上述したように、本実施例の電源装置は、電流検知回路50により電源装置の過負荷状態を検知した場合には、制御系電源60の入力電圧である出力電圧Vout1を可変する構成である。図3は、本実施例の電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。図3において、(a)は、電源装置の状態モードを示しており、(b)は、電流検知回路50からCPU100に出力される負荷検知信号Cの状態を示している。また、(c)は、制御系電源60に入力される、駆動系電源20の出力電圧Vout1の電圧値を示しており、(d)は、CPU100から駆動系電源20のFET37に出力される電圧切替信号であるSig1信号の状態を示している。なお、図3の横軸は、時間を示す。
図4は、電源装置の状態モード切替の制御シーケンスを示すフローチャートである。図4の処理は、電源装置が電源オンされ、CPU100が立ち上がると起動され、CPU100により実行される。ここでは、本実施例の電源装置を備える画像形成装置を例に説明する。
図5は、実施例2の電源装置の回路構成を示す回路図である。図5は、実施例1の図1の回路図と比べて、電流検知回路50、及び制御系電源60の抵抗68が削除され、温度検知部90が追加されている点が異なる。また、図5では、図1の回路図と比べて、CPU100から駆動系電源20のFET37に出力される信号がSig1信号からPWM信号に変更されている。以下では、実施例1の図1の回路図と異なる点について説明を行い、図1と同じ回路構成については、同じ符号を用いることにより、ここでの説明を省略する。
温度検知部90は、抵抗91とNTCサーミスタ92を有している。温度検知部90は、制御系電源60で生成された直流の出力電圧Vout2を、抵抗91とNTCサーミスタ92で分圧し、分圧した電圧をCPU100に出力する。NTCサーミスタは、温度上昇に伴い抵抗値が低下する特性を有しており、制御系電源60の温度が上昇すると、NTCサーミスタ92の抵抗値が低下することにより、抵抗91とNTCサーミスタ92により分圧される電圧は低下することになる。したがって、CPU100には、NTCサーミスタ92が検知する温度が上昇すると、より低い電圧が入力されることになる。本実施例では、NTCサーミスタ92を制御系電源60のFET62近傍に配置し、FET62の温度をより正確に検知できる構成になっている。
CPU100は、FET37にハイレベルに固定されたPWM信号、ローレベルに固定されたPWM信号、オン状態を示すデューティ(Duty)可変のPWM信号の3種類のPWM信号を出力する。CPU100からハイレベルに固定されたPWM信号が出力された場合には、FET37がオンし、抵抗33、34により分圧された電圧がシャントレギュレータ35のRef端子に入力され、電圧値がV1の出力電圧Vout1が生成される。一方、CPU100からローレベルに固定されたPWM信号が出力された場合には、FET37がオフし、抵抗33、34、36により分圧された電圧がシャントレギュレータ35のRef端子に入力され、電圧値がV5の出力電圧Vout1が生成される。CPU100からデューティ可変のPWM信号が出力された場合には、デューティに応じた平均電圧値の出力電圧Vout1が生成される。図6は、CPU100から出力されるPWM信号と、PWM信号のデューティに応じて駆動系電源20により生成される電圧Vout1の電圧波形を示した図である。図6(a)は、PWM信号のデューティを小さくした場合の出力電圧Vout1の電圧波形を示しており、図6(b)はPWM信号のデューティを大きくした場合の出力電圧Vout1の電圧波形を示している。図6において、電圧V1は、PWM信号をハイレベルに固定した場合の出力電圧Vout1の電圧値であり、電圧V5はPWM信号をローレベルに固定した場合の出力電圧Vout1の電圧値を示している。また、電圧Vaは、PWM信号のデューティをA%に設定した場合の出力電圧Vout1の平均電圧値を示し、電圧Vbは、PWM信号のデューティをB%に設定した場合の出力電圧Vout1の平均電圧値を示している。なお、電圧Vaと電圧Vbの大小関係は、電圧Va<電圧Vbである。また、A%、B%は、PWM信号の、1周期中のオン状態の時間割合を示している。図6の横軸は、時間を示し、両方向の太い矢印は、PWM信号の1周期(時間幅)を示している。図6に示すように、CPU100は、PWM信号のデューティを調整することで、電圧値V5から電圧値V1の電圧範囲(V1>Vb>Va>V5)で、出力電圧Vout1の平均電圧値を調整することができる。なお、図6に示す出力電圧Vout1の電圧波形は、回路定数や負荷により異なり、図6に示す電圧波形はあくまで例示であり、本発明を限定するものではない。
次に、過負荷状態を検知した場合の電源装置の動作について説明する。上述したように、本実施例の電源装置は、温度検知部90で検知した温度に基づき、過負荷状態を検知した場合、制御系電源60の入力電圧である駆動系電源20で生成する出力電圧Vout1を制御する。図7は、本実施例の電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。図7において、(a)は、電源装置の状態モードを示しており、(b)は、温度検知部90から出力される電圧に基づいて、CPU100が検知した検知温度Tの状態を示している。また、(c)は、制御系電源60に入力される、駆動系電源20の出力電圧Vout1の平均電圧値を示しており、(d)は、CPU100から駆動系電源20のFET37に出力されるPWM信号の状態を示している。なお、図7の横軸は、時間を示す。
図8は、電源装置の状態モード切替の制御シーケンスを示すフローチャートである。図8の処理は、電源装置が電源オンされ、CPU100が立ち上がると起動され、CPU100により実行される。ここでは、本実施例の電源装置を備える画像形成装置を例に説明する。
図9は、実施例3の電源装置の回路構成を示す回路図である。図9は、実施例1の図1の回路図と比べて、ファン110とSig2信号によりファン110を制御するファン駆動回路40が追加されている点が異なる。以下では、実施例1の図1の回路図と異なる点について説明を行い、図1と同じ回路構成については、同じ符号を用いることにより、ここでの説明を省略する。
ファン駆動回路40は、FET41、抵抗42、PNPトランジスタ43(以下、トランジスタ43という)、ダイオード44を有する。CPU100から出力されるファン駆動信号であるSig2信号は、FET41のゲート端子に入力される。Sig2信号がローレベルの場合には、FET41はオフ状態となり、トランジスタ43もオフ状態となる。このとき、ファン110には駆動系電源20から出力電圧Vout1が供給されないため、ファンは非駆動状態(回転停止状態)となる。一方、CPU100のSig2信号がハイレベルの場合には、FET41はオン状態となる。トランジスタ43のエミッタ端子には駆動系電源20で生成される出力電圧Vout1が印加されており、FET41がオン状態になると、出力電圧Vout1からトランジスタ43、抵抗42、FET41を介して電流が流れトランジスタ43がオン状態になる。その結果、ファン110にファン110を駆動する駆動電圧が供給され、ファンが駆動状態(回転状態)となる。なお、ダイオード44は回生ダイオードであり、トランジスタ43を保護する目的で接続されている。
次に、過負荷状態を検知した場合の電源装置の動作について説明する。上述したように、本実施例の電源装置は、実施例1と同様に、電流検知回路50により電源装置の過負荷状態を検知した場合には、制御系電源60の入力電圧である駆動系電源20の出力電圧Vout1を可変する構成である。図10は、本実施例の電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。図10において、(a)は、電源装置の状態モードを示しており、(b)は、電流検知回路50からCPU100に出力される負荷検知信号Cの状態を示している。また、(c)は、制御系電源60に入力される、駆動系電源20の出力電圧Vout1の電圧値を示しており、(d)は、CPU100からファン駆動回路40のFET41に出力されるファン駆動信号であるSig2信号の状態を示している。(e)は、CPU100から駆動系電源20のFET37に出力される電圧切替信号であるSig1信号の状態を示している。なお、図10の横軸は、時間を示す。
図11は、電源装置の状態モード切替の制御シーケンスを示すフローチャートである。図11の処理は、電源装置が電源オンされ、CPU100が立ち上がると起動され、CPU100により実行される。ここでは、本実施例の電源装置を備える画像形成装置を例に説明する。
画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタを例にあげて説明する。図12に電子写真方式のプリンタの一例であるレーザビームプリンタの概略構成を示す。レーザビームプリンタ300は、静電潜像が形成される像担持体としての感光ドラム311、感光ドラム311を一様に帯電する帯電部317(帯電手段)、感光ドラム311に形成された静電潜像をトナーで現像する現像部312(現像手段)を備えている。そして、感光ドラム311に現像されたトナー像をカセット316から供給された記録材としてのシート(不図示)に転写部318(転写手段)によって転写して、シートに転写したトナー像を定着器314で定着してトレイ315に排出する。この感光ドラム311、帯電部317、現像部312、転写部318が画像形成部(画像形成手段)である。また、レーザビームプリンタ300は、実施例1、2で説明した電源装置500を備えている。なお、実施例1、2の電源装置500を適用可能な画像形成装置は、図12に例示したものに限定されず、例えば複数の画像形成部を備える画像形成装置であってもよい。更に、感光ドラム311上のトナー像を中間転写ベルトに転写する一次転写部と、中間転写ベルト上のトナー像をシートに転写する二次転写部を備える画像形成装置であってもよい。
50 電流検知回路
60 制御系電源
100 CPU
Claims (9)
- 交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置であって、
交流電圧を変換して、第一の直流電圧、又は前記第一の直流電圧よりも低い第三の直流電圧を出力する第一の電源部と、
前記第一の電源部から出力された直流電圧が入力され、前記第一の直流電圧よりも低い第二の直流電圧を出力する第二の電源部と、
前記第二の電源部の状態を検知する検知手段と、
前記検知手段による検知結果に基づいて、前記第一の電源部の出力電圧の切替えを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第一の電源部から前記第二の電源部に前記第一の直流電圧が出力されているときに、前記検知手段の検知結果に基づいて前記第一の電源部の出力電圧を前記第一の直流電圧から前記第三の直流電圧に切り替えることを特徴とする電源装置。 - 前記検知手段は、前記第二の電源部から前記負荷に供給される負荷電流を検知する電流検知部であり、
前記制御手段は、前記電流検知部で検知された電流が所定値以上の場合には、前記第二の電源部の過負荷状態を検知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、前記電流検知部で検知された電流が所定値未満となり、前記第二の電源部の過負荷状態が通常状態に移行したことを検知すると、前記第一の電源部の出力電圧を前記第三の直流電圧から前記第一の直流電圧に切り替えることを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
- 前記第二の電源部は、前記第二の直流電圧を生成するためのスイッチング素子を有し、
前記検知手段は、前記スイッチング素子の近傍に配置され、前記スイッチング素子の温度を検知する温度検知部であり、
前記制御手段は、前記温度検知部で検知された温度が閾値温度以上の場合には、前記第二の電源部の過負荷状態を検知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、前記第二の電源部の過負荷状態を検知した場合には、前記温度検知部で検知された温度に応じて、前記第一の電源部から出力される前記第三の直流電圧の電圧値を、前記第三の直流電圧から前記第一の直流電圧の間で可変することを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
- 記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電源装置と、
を備えることを特徴とする画像形成装置。 - 記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電源装置と、
前記画像形成手段を制御して記録材に画像形成を行うプリントモードと、画像形成に備えた待機状態のスタンバイモードと、消費電力を小さくする省電力モードとを切替え可能なコントローラと、
を備え、
前記制御手段は、前記コントローラであり、
前記コントローラは、前記プリントモード及び前記スタンバイモードでは前記第一の電源部から前記第一の直流電圧を出力し、前記省電力モードでは前記第一の電源部から前記第三の直流電圧を出力することを特徴とする画像形成装置。 - 前記電源装置を冷却するファンを備え、
前記コントローラは、前記第二の電源部の過負荷状態を検知すると、前記ファンを駆動することを特徴とする請求項7に記載の画像形成装置。 - 記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置と、
を備える画像形成装置であって、
前記電源装置は、
交流電圧を変換して、第一の直流電圧、又は前記第一の直流電圧よりも低い第三の直流電圧を出力する第一の電源部と、
前記第一の電源部から出力された直流電圧が入力され、前記第一の直流電圧よりも低い第二の直流電圧を出力する第二の電源部と、
前記第二の電源部の状態を検知する検知手段と、
前記検知手段による検知結果に基づいて、前記第一の電源部の出力電圧の切替えを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第一の電源部から前記第二の電源部に前記第一の直流電圧が出力されているときに、前記検知手段の検知結果に基づいて前記第一の電源部の出力電圧を前記第一の直流電圧から前記第三の直流電圧に切り替えることを特徴とする画像形成装置。
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