JP6949567B2 - 画像形成装置 - Google Patents
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Description
図11に示す突入電流防止回路300は、AC/DC電源の入力側に突入電流を抑制する突入電流防止抵抗103、この突入電流防止抵抗103に対して並列にリレーやトライアック等のスイッチ104を配置した構成になっている。以下、突入電流防止回路300の動作原理を説明する。
しかしながら、この突入電流防止抵抗103は、平滑コンデンサ102が充電されるまでの短時間だけ突入電流が流れる経路に存在すればよい。また、平滑コンデンサ102の充電後においては、電力損失や発熱の観点などから突入電流防止抵抗103に電流を流し続けることは望ましくない。
そのため、一般的な突入電流防止回路300では、平滑コンデンサ102の充電後、突入電流が流れない状態になってからは、突入電流防止抵抗103をスイッチ104で短絡し、突入電流防止抵抗103に電流が流れない構成にしている。
これにより突入電流防止回路300のスイッチ104がON(導通状態)し、突入電流防止抵抗103が短絡される。なお、AC/DC電源への電流投入開始からこのスイッチ104がONするまでの時間で平滑コンデンサ102の充電が完了しているため、スイッチ104をONしても突入電流が流れることはない。
以上の説明のように、突入電流防止回路300は「AC/DC電源に電流を投入した直後に生じる突入電流による電気部品の破壊の防止」と「平滑コンデンサ102充電後に電流が突入電流防止抵抗103を流れることによる電力損失、発熱の低減」を目的とする。
また、特許文献2には、AC/DC電源からの直流電圧を負荷に供給する際に突入電流防止抵抗が存在する経路と、突入電流防止抵抗が存在しない経路を用意した回路構成が開示されている。この回路構成は、始めは突入電流防止抵抗が存在する経路から電力を供給し、一定時間後に突入電流防止抵抗のない経路に切り替えることで突入電流を抑制する、というものである。
スリープモードとは、プリント等の指示を受けるための最低限の演算回路のみ動作させ、HDDや操作部等の動作を停止させることで低消費電力化を図るモードである。そのため、画像形成装置の動作モードの中で最も消費電力が小さい。
このスリープモードにおける機器の消費電力をより低減させるためのAC/DC電源の構成がある。例えば、スリープモード中に最低限の負荷のみ動作させるための低電力のAC/DC電源(待機時電源)と、プリントモード等大電力が必要になるモード時に動作させる大電力用のAC/DC電源を分ける構成などがある。
待機時電源では、電気機器がコンセントにつながっている間は常に動作し、軽負荷時でも高効率になるように設計されている。
一方、大電力用の電源では、スリープモード中は画像形成装置の低消費電力化のため動作を停止しておき、画像形成装置の動作モードが消費電力の大きいモードに切り替わったときのみ装置の制御部等から信号を受けて動作を開始する。
以上の説明のように、スリープモード中は待機時電源のみ動作させることで、大電力用の電源で生じる電力損失を低減できることからスリープモードの低消費電力化が可能となる。
従来のAC/DC電源の構成では、スリープモード中は待機時電源のみ動作している。そのため、プリントの指示を受けた後に大電力用の電源を動作させ、操作部や演算回路、モータ等の負荷に電力を供給することになり、大電力用の電源が動作を開始するまでの時間が必要となり、スリープ復帰からプリント完了までは時間を要していた。
このスリープモードからの復帰をより高速にするためには、従来低電力であった待機時電源を大電力化してスリープモードからの復帰時は即座に待機時電源から操作部や演算回路に電力を供給する必要がある。
なお、画像形成装置がプリント時に消費する電力を待機時電源だけで全て賄うことはできないために大電力用の電源も動作させる必要はある。しかしながら、大電力用の電源の動作前に待機時電源から操作部や演算回路に大きな電力を供給できるためにスリープ復帰からプリント完了までを高速化することができる。このように、待機時電源は軽負荷時での高効率に加えて大電力化のニーズも高まっている。
例えば、スイッチとしてリレーを用いた場合、消費する電力は約0.5[W]である。出力電力の大きいAC/DC電源においては、入力電流が大きいためにその電流が突入電流防止抵抗に流れ続けてしまうと電力損失も大きくなる。そのため、スイッチで0.5[W]を消費するが、スイッチをONして突入電流防止抵抗を短絡することは低消費電力化に有効である。
しかしながら、低出力電力時の待機時電源、例えば出力電力が数百mWの場合では、入力電流も小さいので入力電流が突入電流防止抵抗を流れたとしても消費する電力は数十mWと非常に小さい。そのため、低出力電力時の待機時電源において、0.5[W]を消費して突入電流防止回路のスイッチをONし続けることは消費電力の観点で見ると逆効果となってしまう。
図1は、本実施形態に係る電源装置の関連技術の構成の一例を示す概略構成図である。
図1に示す電源装置であるAC/DC電源100は、交流電源(商用電源)から入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力する。以下、AC/DC電源100の基本的な動作原理を説明する。
コンバータ制御回路110は、平滑コンデンサ102とトランス111の間に直列に接続されたスイッチング素子109のスイッチング信号の出力を開始する。このスイッチングによって平滑コンデンサ102の後段に配置されたトランス111の1次巻き線111aに交流電流が流れる。
発光ダイオード116aは、流れる電流の大きさに応じた光量で発光し、フォトトランジスタ116bを電気的に絶縁した状態でONさせる(発光ダイオード116aとフォトトランジスタ116bは同一のパッケージに入ったフォトカプラ116である)。フォトトランジスタ116bのコレクタには、受光した光量に応じた電流が流れる。
例えば、AC/DC電源100の出力電圧が低下した場合、より多くの電力を2次側に供給する必要があることからスイッチングのON時間を長くし、トランスの1次巻き線111aに流れる電流を大きくする。
また、トランスの1次巻き線111a、2次巻き線111bと同一のコアに補助巻き線111cが巻かれており、スイッチング素子109のスイッチングが開始されると同時に補助巻き線111cにも電圧が発生する。この電圧によってダイオード112に電流が流れてコンデンサ113を充電するため、コンデンサ113の両端に直流電圧が得られる。
コンデンサ113の電圧はコンバータ制御回路110の電力供給源となる。コンデンサ113の両端の直流電圧が電力供給源として供給されると、コンバータ制御回路110は、平滑コンデンサ102から起動抵抗108を介して供給されていた電力が遮断されるようにコンバータ制御回路110内の動作を制御する。次に、突入電流防止回路300の動作の一例について説明する。
また、突入電流防止回路300のリレー104をONするタイミングは、AC/DC電源100の入力電流に応じて決定される。この入力電流を検知するために、AC/DC電源100は電流検知手段として機能する電流検知抵抗105を有する。電流検知回路106は突入電流防止抵抗103の動作を有効にするか否か(電流を流すか否か)を制御する制御手段として機能する。
なお、この入力電流は、AC/DC電源100の出力電力に依存しており、AC/DC電源100の出力電力が大きいほど入力電流も大きくなる。また、AC/DC電源100の出力電力が小さいほど入力電流も小さくなる。そのため、AC/DC電源100からの出力電力を基準にしてリレー104のON/OFFを制御してもよい。
なお、第1の関連技術では、電流検知抵抗105で検知する電流値が第1電流値未満(第1の閾値未満)である場合には突入電流防止回路300の機能を有効とするようリレー104はOFFのままとする。また、電流値が第1電流値以上(第1の閾値以上)である場合には突入電流防止回路300の機能を無効とするようリレー104をONするように制御するものとする。
このI0を第1電流値(第1の閾値)として設定し、電流検知抵抗105で検知する電流が第1電流値(I0)を超えたときに突入電流防止回路300のリレー104をONする。
このようにAC/DC電源100の動作を制御することで突入電流防止回路300での電力損失を最も低減することができる。以下、I0の値の決定手順の一例について説明する。
この消費電力と、突入電流防止回路300のリレー104の状態が「ON」であるときの消費電力0.5[W]とが等しくなる場合の入力電流IinがI0になる。よって、I0は、突入電流防止抵抗103を10[Ω]としたとき下記の式(1)で表すことができる。
具体的には、I0 = 0.22[A]である場合は、AC/DC電源100の出力電力が18.7[W]を超えたときに突入電流防止回路300のリレー104をONするように制御する。
なお、第1電流値をI0に限定するものではなく、例えば突入電流防止抵抗103の定格電流や発熱が問題になるのであれば、第1電流値をI0より小さい値に設定してもよい。
この場合、電流検知抵抗105により検知される電流が第2電流値以下(第2の閾値以下)になったときに突入電流防止回路300のリレー104をOFFし、入力電流が再び突入電流防止抵抗103を通るように制御する。
このように制御する理由は、AC/DC電源100の入力電流が第2の電流値よりも小さくなるとリレー104をONし続けることによって生じる電力損失よりも、入力電流が突入電流防止抵抗103を流れることによる電力損失の方が小さいためである。
この第2電流値(第2の閾値)は、電流検知抵抗105で検知する電流の変動に対して突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFが頻繁に切り替わらないようにするために第1電流値より小さい値を設定する。具体的には、例えばスイッチ107のON/OFFにヒステリシス特性を持たせる。
例えば、入力電流(突入電流防止抵抗103を流れる電流)に応じて変化するパラメータを検知できる構成であれば電流検知抵抗105の配置場所は問わない。
また、商用電源とダイオードブリッジ101の間に直列に接続してもよいし、AC/DC電源100の2次側に配置し出力電流を検知してもよい。また、突入電流防止回路300のスイッチ104としてリレーを記載しているがトライアック等の半導体素子(半導体スイッチ)を用いてもよい。
ここでは、AC/DC電源400を実装した画像形成装置を例に挙げて説明する。
図3は、AC/DC電源400を有する画像形成装置の構成の一例を示す概略縦断面図である。
なお、画像形成装置900は、電子写真プロセスにより紙等の記録材Pに画像を形成する。
感光体ドラム901は、図3に示す矢印の方向に向けて回転しており、その回転過程においてドラムの表面上にトナー像が形成される。
トナー像の形成は、帯電ローラ902によって感光体ドラム901表面の電位が一様になるように帯電され、プリントする画像データに基づいて変調されたレーザー光Eを感光体ドラム901に照射して感光体ドラム901の表面に潜像を形成する。その後、高電圧が印加された現像器904によって感光体ドラム901表面上の潜像をトナーによって現像する。
記録材Pの給紙は、ピックアップローラ912で記録材Pを給紙ローラ913に搬送する。給紙ローラ913では、記録材Pに対して上側のローラで紙の搬送方向に、下側のローラでピックアップローラ912の方向に向けて力を加えることで記録材Pが複数枚重なって搬送されることを防止する。
レジローラ914では、記録材Pの斜行防止のため記録材Pを湾曲させた状態で停止させておき、中間転写ベルト907上のトナー像が2次転写ローラ909を通過するタイミングで記録材Pの再搬送を行う。
このように、画像形成装置900はその動作を達成するためには演算装置、センサ、モータ、高圧電源等への電力の供給が必要である。その電力供給源として商用電源から入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力するAC/DC電源100を備えている。
画像形成装置900は、上記したスリープモード、スタンバイモード、プリントモードの3つの動作モードを有するものとして説明を進める。
スタンバイモードは、画像形成装置900がプリントの指示を受けたときに最短時間でプリントを開始できる状態であり、スリープモードよりも消費電力は大きい(例えば100[W]〜200[W])。しかしながら、プリントの指示を受けてからプリントを開始できるまでを高速化することができる。
プリントモードは、記録材Pに画像形成を行っている状態であり、画像形成を行うために必要な全ての負荷に電力を供給している。よって消費電力は最も大きい(例えば1500[W])。
なお、これら各動作モードはユーザーからの指示や時間経過(待機時間)によって切り替わるものとする。
画像形成装置900が有するAC/DC電源400は、当該画像形成装置900がコンセントに接続している間は常に動作している待機時電源200を有する。AC/DC電源400は、また、画像形成装置900が消費電力の大きいモードに切り替わったときのみ動作させる大電力電源201を有する。待機時電源200は、CPU等の演算回路から成る装置全体制御部119に電力を供給する。また、大電力電源201は高圧基板やモータ等、電力仕様の大きい負荷146に電力を供給する。
なお、第1の関連技術において説明したAC/DC電源100の機能構成と同じものは同一の符号を付すとともにその説明を省略する。
なお、画像形成装置900では、画像形成装置の動作モードに応じて突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFを切り替える。
なお、画像形成装置900の動作モードと突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFの制御は図6に示す対応表に従うものとする。
画像形成装置900の動作モードがスリープモード(第1の動作モード)である場合、装置全体制御部119は、突入電流防止回路300のリレー104をOFFにする信号を出力する。
画像形成装置900の動作モードが第1の動作モードである場合、AC/DC電源400への入力電流が小さい(例えば数十mA)。そのため、突入電流防止回路300のリレー104をONし続けるよりも、入力電流が突入電流防止抵抗103を通ることによる電力損失の方が小さい。つまり、第1の動作モードのときには突入電流防止回路300のリレー104をOFFし、入力電流を突入電流防止抵抗103に流し続けた方が低消費電力化を図ることができる。
画像形成装置900の動作モードが第2の動作モードである場合、AC/DC電源100の出力電力が大きいため、入力電流も大きくなる(例えば数A〜十数A)。そのため、入力電流が突入電流防止抵抗103に流れ続けてしまうと電力損失が大きくなる。
つまり、第2の動作モードのときにはリレー104をONし、突入電流防止抵抗103を短絡することで低消費電力化を図ることができる。
このように、画像形成装置900の動作モードに応じて装置全体制御部119は、スイッチ107に対して突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFを制御する信号を出力する。
以下、突入電流防止回路300のリレー104の状態をON又はOFFする制御の処理手順について説明する。
なお、図7では、画像形成装置900がスリープモードの状態でプリントの指示を受けてプリントモードに移行し、画像形成を行いその後再びスリープモードに戻るまでの処理手順を示している。また、図7に示す各処理は、主として装置全体制御部119により実行される。また、初期状態として画像形成装置900の動作モードがスリープモードのときは、リレー104の状態はOFFになっている。
このように、リレー104は画像形成装置900の動作モードがスリープモードのときにはOFFされ、スタンバイモードとプリントモードのときにはONされるように制御される。
例えば、スタンバイモード時のAC/DC電源の入力電流が小さい場合(一例として、第1実施形態において示した0.22[A]以下、出力電力に換算すると18.7[W]以下の場合)は、スタンバイモードであってもリレー104をOFFしてもよい。
ここでは、第2の関連技術のAC/DC電源400(待機時電源200)とは異なる待機時電源について説明する。なお、第1、第2の関連技術において説明したAC/DC電源の機能構成と同じものは同一の符号を付すとともにその説明を省略する。
図4に示す待機時電源200の構成と異なる部分は、図8に示す待機時電源ではコンバータ部の前段にPFC回路(力率改善回路)301を有している点である。
PFC回路301は、コイル121、ダイオード122、スイッチング素子123を含んで構成される昇圧回路であり、入力電流の大きいAC/DC電源の力率改善や高調波対策に用いられる回路である。
PFC制御回路124は、フィードバックされた電圧と基準電圧とを比較する。また、PFC制御回路124は、ダイオード141、142、抵抗143、144により入力電圧波形を検知する。PFC制御回路124は、フィードバックされた電圧と基準電圧と偏差を減らすように、且つ、入力電流波形が入力電圧と相似の正弦波になるようにスイッチング素子123のデューティー比を制御する。
なお、通常であればPFC回路は大電力用のAC/DC電源に用いられるものであり、低電力の待機時電源には用いる必要がない。しかしながら、待機時電源を大電力化する際は入力電流が大きくなるため、力率改善や高調波対策として待機時電源であってもPFC回路を用いる必要が生じる。
一方、待機時電源はスリープモード中においても動作をしているAC/DC電源である。近年、画像形成装置には省エネ対応が要求されていることから、待機時電源の電力損失の増加によってスリープモード時における消費電力の増加は望ましくない。
一方、画像形成装置900が消費電力の大きい動作モードに切り替わったときは、PFC回路301を動作させて高調波対策や力率改善を図ることになる。
なお、本実施形態では、待機時電源における突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFの制御を、PFC回路301のON/OFFを制御する信号と同一の信号、つまり1つの信号でリレー104とPFC回路301の動作を制御するものとする。また、画像形成装置900の動作モードとPFC回路301のON/OFF、突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFは、図9に示す対応表に従うものとする。
図10は、図9に示す対応表に基づくPFC回路301の動作(ON/OFF)、リレー104の動作(ON/OFF)を説明するための図である。
以下、図9、図10を用いてPFC回路301の動作(ON/OFF)、リレー104の動作(ON/OFF)を説明する。
この場合、待機時電源200の出力電力がP1以下ならば、低消費電力化のためPFC回路301を停止させておくことが望ましい。
そのため、待機時電源200の出力電力がP2以下ならば、低消費電力化のためリレー104をOFFにすることが望ましい(P2の値は、例えば第1の関連技術の計算例によると18.7[W])。
なお、P1とP2それぞれの値は必ずしも一致しない。これは待機時電源の「PFC回路301のON/OFFを切り替えるべき出力電力」と「突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFを切り替えるべき出力電力」が異なることを意味する。
ここで、スリープモード、スタンバイモード、プリントモードの待機時電源の出力電力をそれぞれPsleep、Pstandby、Pprintとし、出力電力の大小関係はPsleep<Pstandby<Pprintであるとする。また、P1、P2、Psleep、Pstandby、Pprintそれぞれの値の大小関係が図10の横軸に示す関係にあるとする。
そのため、PFC回路301のON/OFFと突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFを別々の信号で制御する必要がなくなる。つまり、装置全体制御部119から出力する1つの信号によりPFC回路301と突入電流防止回路300のリレー104の両方を同時に制御することが可能になる。
また、待機時電源200にPFC回路301を用いる場合に、PFC回路301のON/OFFの切り替えと、突入電流防止回路300のリレー104のON/OFFの切り替えを同一の信号で行うことができる。そのため、別々の信号で制御する場合と比べて回路の小型化、低コスト化を図ることが可能になる。
例えば、図10において、PstandbyがP1とP2の両方より小さければスタンバイモードでもPFC回路301と突入電流防止回路300のリレー104はOFFにしてもよい。
Claims (5)
- 交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する電源装置を有し、所定の負荷以外への電力供給を遮断し、低消費電力化を図る第1電力モードと、前記第1電力モードよりも消費電力が大きい第2電力モードを含む複数の電力モードを有する画像形成装置であって、
前記電源装置は、
前記入力された交流電圧を整流する整流器と、
前記整流された電圧を平滑するコンデンサと、
前記コンデンサが充電されるときに前記コンデンサに入力される電流を制限する電流制限手段と、
前記コンデンサの上段に設けられ、前記電源装置の力率を改善するための力率改善回路と、
前記コンデンサの後段に接続され、当該コンデンサにより平滑された電圧を所定の直流電圧に調製するコンバータと、
前記画像形成装置の電力モードに応じて前記力率改善回路を有効にするか否か及び前記電力モードに応じて前記電流制限手段を有効にするか否かを制御する制御手段と、を有し、
前記電源装置は前記第1電力モードと前記第2電力モードの両方で動作し、
前記制御手段は、前記電力モードが前記第1電力モードである場合は、前記力率改善回路を無効にし、前記電流制限手段を有効にするために、前記力率改善回路と前記電流制限手段に共通な制御信号を出力し、前記電力モードが前記第2電力モードである場合は、前記力率改善回路を有効にし、前記電流制限手段を無効にするために、前記力率改善回路と前記電流制限手段に共通な制御信号を出力することを特徴とする、
画像形成装置。 - 前記電源装置は、前記電流制限手段に対して並列に接続されたスイッチ手段を有し、
前記制御手段は、前記画像形成装置の電力モードに応じて前記共通の制御信号により前記スイッチ手段の状態をON又はOFFにすることにより前記電流制限手段を有効にするか否かを決定することを特徴とする、
請求項1に記載の画像形成装置。 - 前記電源装置は、前記画像形成装置の電力モードに応じて動作又は動作の停止を切り替え可能な昇圧手段を有し、
前記制御手段は、前記画像形成装置の電力モードが前記第1電力モードである場合には前記昇圧手段の動作を停止させ、前記スイッチ手段の状態をOFFにすることにより前記電流制限手段を有効にすることを特徴とする、
請求項2に記載の画像形成装置。 - 前記電流制限手段は、前記整流器により整流される電流が流れる電力供給線に直列に接続される抵抗を有する、ことを特徴とする、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記制御手段は、前記共通の制御信号に基づいて前記昇圧手段の動作を停止させることを特徴とする、
請求項3に記載の画像形成装置。
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