JP2008145671A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源部の力率を改善し、電流規格電流値に対するマージンを従来よりも多く確保でき、さらに高調波ノイズを抑制できる画像形成装置を提供する。
【解決手段】入力交流電源にそれぞれ接続される、定着器２００のヒータを通電制御する位相制御装置と、画像形成装置本体の電源である直流安定化電源装置とを備えた画像形成装置において、前記定着器の入力電流と前記直流安定化電源装置の入力電流の合成電流の波形が、入力交流電圧の波形に対して線形に近づくように前記直流安定化電源装置の入力電流値を制御する制御手段５００、６００を備えた画像形成装置により前記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成装置に関し、特にその電源部の入力電流波形の改善（正弦波化）に関するものである。

複写機、レーザープリンタ等の電子写真方式を利用した画像形成装置は、潜像を担持する潜像担持体、前記潜像担持体に現像剤を付与することにより前記潜像を可視画像化する現像装置を備えている。さらに、所定方向に搬送される記録材に可視画像化した画像を転写する転写装置、前記転写装置によって転写を受けた前記記録材を所定の定着処理条件にて加熱および加圧することにより前記画像を前記記録材に定着させる定着装置等を備えている。

このような画像形成装置の電源装置の一例として、特許文献１に記載の装置がある。この装置は、入力商用電源のゼロクロスタイミングを検出し、ゼロクロスタイミングからヒータ通電を行うまでの時間を、予め定められたテーブルによって求め、得られた時間による位相角で通電制御し定着装置の温調制御を行う方式である。

この従来技術では、商用交流電源から画像形成装置に流入する電流の波形は、定着装置の温度制御の状況によって変動する。さらに画像形成装置の動作に伴うスイッチング電源の電流波形によっても商用交流電源から流入する電流の波形は変動する。したがって、コンセントに流れる電流波形は不連続な成分を持つひずみ波となっている。

このひずみ波による入力電流のひずみを減らすため、大型のプリンタや複写機では、スイッチング電源の入力部に力率改善回路を設けることで商用交流電源から画像形成装置に入力する電力の力率を高め、高調波障害を抑制している。さらにスイッチング電源装置だけではなく、定着装置までの装置のＡＣ入力部に力率改善回路を設ける提案もなされている。

これらの従来技術では、本体装置電力と定着電力を加算した電力をカバーする大電力のスイッチング装置が必要となり、装置の大型化、コストＵＰを招く。またスイッチングに伴う損失により効率が悪化、端子ノイズ悪化等の問題を残す。

この問題を改善する手法として、特許文献２に記載の電源装置では、位相制御回路の位相制御信号タイミングによってスイッチング電源装置の供給電力をＯＮ／ＯＦＦする構成が提案されている。特許文献２に記載の電源装置における電圧、電流波形について図１０を用いて説明する。図１０のａは入力電源電圧波形、ｅは位相制御された定着電流波形、ｈはスイッチング電源の電流波形、ｉはｅとｈの合成電流である入力電流の波形を示す。この電源装置におけるスイッチング制御では、制御の一例としてＯＮ／ＯＦＦ時間制御を行っており、定着の位相制御信号タイミングでスイッチング電源の入力電流をＯＦＦしている。
特許第３３９７６０７号公報 特開平６−１２１５２３号公報

しかしながら、特許文献２に示す従来例では、ゼロクロス信号と位相角通電信号タイミングにおけるスイッチング電源のＯＮ／ＯＦＦ制御であるため以下のような問題がある。すなわち、単純なＯＮ／ＯＦＦであるため、図１０の合成入力電流Ｉのように不連続なひずみ波になる。ある位相通電角の一点においてスイッチング電源電流波形と定着電流波形の合成電流波形が商用交流電源の電圧波形に対し線形に近づく場合がある。しかし、定着電流値とスイッチング電源電流値の変動に応じてスイッチング電源がスイッチング制御をしていないため、定着電流波形の位相角による変化、スイッチング電源の負荷の変化に対応した最適な電源電流制御はできない。そして消費電流が最も大きい通電位相角のタイミングにおいて合成電流波形を線形にできず、力率≒１となる高力率を生成できないといった問題がある。さらに、ある通電位相角においては定着電流波形とスイッチング電源電流波形の合成が、入力電圧に対し非線形になり電流効率が悪化することも起こり得る。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、電源部の力率を改善し、電流規格電流値に対するマージンを従来よりも多く確保でき、さらに高調波ノイズを抑制できる画像形成装置を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、画像形成装置を次の（１）のとおりに構成する。

（１）入力交流電源にそれぞれ接続される、定着器のヒータを通電制御する位相制御装置と、画像形成装置本体の電源である直流安定化電源装置とを備えた画像形成装置において、
前記定着器の入力電流と前記直流安定化電源装置の入力電流の合成電流の波形が、入力交流電圧の波形に対して線形に近づくように前記直流安定化電源装置の入力電流値を制御する制御手段を備えた画像形成装置。

本発明によれば、電源部の力率を改善し、電流規格電流値に対するマージンを従来よりも多く確保でき、さらに高調波ノイズを抑制することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

実施例1である“画像形成装置”について説明する。本画像形成装置の全体構成は、従来より知られているので、ここでの説明を省略する。以下本実施例における要部である、スイッチング電源部および定着器のヒータの通電制御部について説明する。

［スイッチング電源回路］
図１に、本実施例における電源部を構成するスイッチング電源回路を示す。
図１において、１００は商用交流電源、１０１は画像形成装置の本体電源スイッチ、１０２はダイオードブリッジ、１０３はインダクタ、１０４はダイオード、１０５は電解コンデンサ、１０６はトランス、１０７はスイッチ素子、１０８は逆導通ダイオードである。１０９、１１０は抵抗およびコンデンサであり、スイッチ素子１０７の両端に接続してスナバ回路を形成している。

１１１は電流検出装置でありカレントトランスや抵抗が用いられる。１１２は第２のスイッチ素子、１１３は第２のスイッチ素子両端に設けられた逆通電ダイオード、１１４はコンデンサ、１１５、１１６は２次側整流ダイオード、１１７はチョークコイル、１１８は２次側電解コンデンサである。１１９は出力電圧検出部であり、１２０、１２１は抵抗、１２３は３端子シャントレギュレータである。１２４はフォトカプラＰＣ１のＬＥＤであり、１２２は抵抗である。

図1に示すスイッチング電源は、出力電圧が一定に保たれるよう制御されている。それは以下のような一連の動作で行っている。まず抵抗１２０、１２１で分圧された抵抗１２１の両端の電圧が３端子シリーズレギュレータ１２３内部にて設定される基準電圧となると、ＬＥＤ（発光ダイオード）１２４に電流が流れ、ＬＥＤ１２４が発光する。したがって、ＤＣ出力電圧が基準値を超えるとＬＥＤ１２４が発光することとなる。ＬＥＤ１２４が発光するとフォトカプラＰＣ１のフォトトランジスタ１２５が導通し、スイッチング制御回路１２６はこの信号を受けて出力電圧を落とすようスイッチ素子１０７のスイッチングパルスを制御する。

コンデンサ１０５は、スイッチ素子１０７およびトランス１０６に安定したＤＣ電源電圧を供給するために設けられている。本来このコンデンサ１０５に流れる電流は、負荷変動によるコンデンサ端子間の電圧ドロップを補うものであるため、入力商用電源１００の電圧波形とは異なるものとなる。

図１の回路には、装置の入力電流波形を商用交流電源の電圧波形に線形と近づけるべく、ＰＷＭ制御回路６００、およびこのＰＷＭ制御回路のＯＮ幅を決定するＯＮ幅演算回路５００を設けている。

ＯＮ幅演算回路５００の制御概要を図２の波形図を参照して説明する。図２のａは商用交流電源の入力電圧波形、ｂは前記入力電圧波形のゼロクロス信号、ｃは定着器の通電位相角信号、ｄは前記ゼロクロス信号の立ち上がりから通電位相角信号の立ち上がり迄をＨＩ信号とした制御信号を示す。Ｔはゼロクロスから通電位相角信号までの時間、ｅは定着器の電流波形、Ｉｈは通電位相角のタイミングにおける定着電流の立ち上がり値、Ｉｄは通電位相角タイミングにおけるスイッチング電源電流の立ち上がり値を示す。また、ｆ１はピーク値がＩｈのスイッチング電源電流波形の一部、ｆ２はピーク値がＩｄ−Ｉｈのスイッチング電源電流波形、ｆ３はスイッチング電源の電流波形、ｇは定着器電流とスイッチング電源電流の合成電流の波形を示す。

ＯＮ幅演算回路５００は、商用交流電源１００からスイッチング電源に供給する電流値を決定する演算回路である。この演算回路では、定着電流ｅの通電位相角のタイミングと定着電流値Ｉｈとスイッチング電源電流値Ｉｄの検出値から、合成電流ｇを入力電圧波形に対し線形に近づけるように、スイッチング電源の電流値を決定する。合成入力電流波形ｇを入力電圧波形に対し線形にするには、定着電流ｅのＩｈと位相角通電タイミングにおけるスイッチング電源電流の降下電流値Ｉｈを等しくする必要がある。つまり合成入力電流ｇは、定着電流ｅ＋スイッチング電源電流ｆ１＋スイッチング電源電流ｆ２で構成させる。

このスイッチング電源電流ｆ１＋スイッチング電源電流ｆ２をＯＮ幅演算回路５００で算出するため、演算の入力情報は以下のものを必要とする。すなわち、スイッチング電源電流ｆ１を形成するために必要な値は、通電位相角のタイミングにおける定着電流ｅのＩｈと、位相角通電信号ｃと、ゼロクロス信号ｂである。スイッチング電源電流ｆ２を形成するために必要な値は、通電位相角のタイミングにおける定着電流ｅのＩｈと、スイッチング電源電流ｆ３のＩｄと、位相角通電信号ｃである。

ここでＩｄがＩｈより小さい場合は、Ｉｄ−Ｉｈが０以下になるため正弦波にできない。しかし、Ｉｄが小さい場合は入力電流総量自体が少なく電流マージンが十分であり、入力電圧波形に対し合成入力電流波形を線形にする必要性が少ないため、ゼロクロス信号から通電位相角信号が入力されるまでに、スイッチング電源に流れる電流のままで構わない。

［スイッチング電源電流波形制御］
図３はＯＮ幅演算回路５００の構成を示す図であり、この回路によりスイッチング電源への入力電流を決定される。ＯＮ幅演算回路５００の構成、動作を図２、図３で説明する。図３において、３０１、３０４はサンプルホールド回路、３０７は誤差増幅回路、３０８はスイッチング素子、３０９は加算回路、３１１は乗算回路を示す。

この図３の回路動作を図２の波形を用いて説明する。図２のスイッチング電源電流ｆ３のＩｄを出力するため、サンプルホールド回路３０１はスイッチング電源電流検出装置１１１の検出電流値１４３を位相角通電信号１４６のタイミングＴでホールドする。図２の定着電流ｅのＩｈを出力するために、サンプルホールド回路３０４は定着電流検出装置１５０で検出した電流値１４０を位相角通電タイミングＴでホールドする。スイッチング電源電流ｆ１のように、Ｉｈをゼロクロス信号から通電位相角信号の間だけ供給するため、ゼロクロス信号から通電位相角信号の間にスイッチング素子３０８をＯＮさせる。スイッチング電源波形ｆ２のＩｄ−Ｉｈを供給するために、サンプルホールド回路３０１、３０４の出力を誤差増幅回路３０７に入力する。スイッチング電源電流ｆ１とスイッチング電源電流ｆ２を合成するために、誤差増幅回路３０７と、スイッチング素子３０８の出力を加算回路３０９に入力する。加算回路３０９の出力を入力電圧波形に倣わせるため、商用交流電源の電圧検出信号１４２と加算回路３０９の出力を乗算回路３１１に入力する。乗算回路３１１の出力はスイッチング電源電流ｆ３の波形になる。

ＰＷＭ制御回路６００の動作を図４で説明する。図４のＰＷＭ制御回路は、図３で算出された波形制御情報１４７からスイッチング素子１１２のＯＮ幅信号１４４を生成する。まずコンデンサ１０５に必要とされる供給量を電圧検出１４５する。ＯＮ幅制御回路６００の出力１４７と、コンデンサ１０５の電圧検出値１４５を乗算回路４０４に入力する。スイッチング電源の入力電流検出値１４３と乗算回路４０４の出力を誤差電流増幅器４０６に入力する。誤差電流増幅器４０６の出力でスイッチング電源に流れる電流を補正する。発信器出力（三角波）４０５と電流誤差増幅器４０６の出力をＰＷＭコンパレータ４０７で比較して、発信器出力が小さい時にＰＷＭコンパレータの出力がハイレベルになり、出力ＯＮ信号１４４となる。このＰＷＭ出力のＯＮ信号時間、もしくはＤｕｔｙによってスイッチング素子１１２がスイッチングされることで、電源電流波形を制御する。

また、前記定着電流検出値１４０と前記電源電流検出値１４３の代わりに、商用交流電源の電流検出装置を備えＩｄ−Ｉｈを演算してもよい。さらに定着電流検出値４０の変わりに、商用交流電源の電圧検出値と通電位相角信号Ｔを用いてＩｈを算出してもよい。

[定着器]
本実施例では、定着器の温度検出はサーミスタにより行っている。サーミスタは定着スリーブの内面温度を測定するように構成している。サーミスタ温度に伴う抵抗値の変化を検出回路により電圧変換し、制御回路に伝達する。

図５に定着器のヒータの駆動回路５１０を示す。図５において、５０１、５０２はトライアック、１４６はＣＰＵからの通電位相角信号である。ＣＰＵから通電位相角信号１４６がヒータの駆動回路５１０に入力されて、トライアック５０２がＯＮしトライアック５０１に定着ヒータ電流が流れる。半波が終了して電流値が０になるとトライアック５０１がＯＦＦされる。この動作を半波毎に繰り返すことによって位相角制御で温調を制御する。

[ゼロクロス検知回路]
図１のゼロクロス検知回路１４１の一例について、図６を用いて説明する。図６は全波整流によるゼロクロス検知回路であり、１００は商用交流電源、６０１は抵抗、６０３、６０４はフォトダイオード、６０５はフォトトランジスタである。本ゼロクロス検知回路では商用交流電源の電圧がＬＥＤのＯＮ電圧以下となると発光が停止するため、商用交流電源の電圧がゼロクロスになる付近での短いパルスを得ることになる。

以上説明したように、本実施例によれば、画像形成装置で使用する有効電力量が同じでありながら、入力電流変動の不連続な成分を減少させることにより力率を改善し使用電流効率を高めることができる。また定着器の電流値とスイッチング電源の電流値の変動に応じてスイッチング電源の電流波形を制御することで、電流規格電流値に対するマージンを従来よりも多く確保でき、高調波ノイズを抑制することができる。

実施例２である“画像形成装置”について説明する。本画像形成装置の全体構成は、従来より知られているので、ここでの説明を省略する。以下本実施例における要部である、スイッチング電源部および定着器のヒータの通電制御部について説明する。

本実施例は、スイッチング電源の回路方式としてフライバック方式を用いた例である。
以下、図７を用いてスイッチング電源回路を説明する。７００は商用交流電源、７０１は電源スイッチ、７０２はダイオードブリッジ、７０３はインダクタ、７０４はコンデンサ、７０５はトランス、７０６はスイッチ素子、７０７は逆通電ダイオードである。７０８は抵抗、７０９はコンデンサ、７１０は電流検出を行うカレントトランス、７１１、７１２は整流ダイオードである。７１６は出力電圧検出部、７１７、７１８は抵抗、７１９はレギュレータＩＣ、７２１は抵抗、７２０はフォトカプラの発光ダイオード、７２２はフォトカプラのフォトトランジスタ、３００はＯＮ幅演算回路、１４１はゼロクロス検知回路である。

次に回路動作について説明を行う。商用交流電源７００から電源スイッチ７０１を介してダイオードブリッジ７０２にＡＣ電源が印加されると、ダイオードブリッジ７０２により、脈流化ＤＣ電圧を生成する。
この脈流化ＤＣ電圧によりＰＷＭ制御回路４００に起動電流（回路は不図示）が流れると、ＰＷＭ制御回路４００はスイッチング素子７０６をターンオンし、トランス７０５に電流を供給する。スイッチング素子７０６のＯＮ時間およびＯＦＦ時間は、無負荷状態による出力電圧変動からフィードバックを受けてＰＷＭ制御回路４００により決定している。

トランス７０５には、スイッチング素子７０６のＯＮ、ＯＦＦに伴って交流パルス電圧が印加される。スイッチング素子７０６のターンＯＮ時に、トランス７０５にＤＣ電圧が印加されると、トランス７０５の一次インダクタンスと、巻線抵抗からなるインピーダンスにより定まる電流が流れ始める。トランス７０５の２次側は、スイッチング素子７０６のターンオフ期間中はトランス７０５から整流ダイオードを介してコンデンサ７１４にエネルギーを移すといった動作を繰り返している。コンデンサ７１４の電圧が負荷側への電力供給によって減少すると、フォトカプラの発光ダイオード７２０の発光によって受光側のフォトトランジスタ７２２がＯＮされる。

ＰＷＭ制御回路４００は、負荷側への供給電力量を決める構成となる。フォトトランジスタ７２２の出力が実施例１におけるＰＷＭ制御回路６００の電圧検出信号１４５に代わる。

以上説明したように、本実施例によれば、画像形成装置の定着制御動作に応じて動作するスイッチングＤＣ電源部の先行フィードバック（フィードフォア−ド）制御回路を取り除くことで、回路の簡素化を可能にする。

実施例３である“画像形成装置”について説明する。本画像形成装置の全体構成は、従来より知られているので、ここでの説明を省略する。以下本実施例における要部である、ＯＮ幅演算回路について説明する。

本実施例は、実施例１および実施例２におけるＯＮ幅演算回路に変わりに、図８に示す構成のＯＮ幅演算回路を用いた例である。実施例１および実施例２と重複する説明は省き、図２の波形図を参照して図８のＯＮ幅演算回路の動作を説明する。

図８において、８０１は定電圧源、８０４はスイッチング素子、８０５は加算器、８０７は乗算回路を示す。

８０１は一定電圧であり、Ｉｈ、Ｉｄ−Ｉｈの出力電圧を固定にすることで、実施例１に比べ回路を簡素化できる。そしてＩｄ−Ｉｈ、Ｉｈを決定する定電圧８０１、抵抗８０２、８０３の設定は、定着電流の算出回路に入力される使用頻度の高い通電位相角のタイミングを決め、そのタイミングにおけるＩｄ−Ｉｈ、Ｉｈで固定値として算出する。

一例として、電流規格値１５Ａに対する電流値マージンを増加させるため、使用頻度の高い通電位相角が９０°である場合、通電位相角９０°における定着電流値からＩｈを決める。これによって電流規格１５Ａを高い頻度で必要とする通電位相角タイミングで、装置の高力率化によって電流値マージンを増やすことができる。この実施例ではスイッチング電源電流、定着電流の検出回路を削減することができ、単純性とコスト面からきわめて簡易な構成が実現する。

実施例４である“画像形成装置”について説明する。本画像形成装置の全体構成は、従来より知られているので、ここでの説明を省略する。以下本実施例における要部である、ＯＮ幅演算回路について説明する。

本実施例は、図１のＯＮ幅演算回路５００を、ＣＰＵ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（カスタムＩＣ）等とプログラムによって構成する例である。図９はこのプログラムによる処理を示すフローチャートである。

図９のフローチャートと図２の電流波形図を用いて説明する。図２の定着電流値ｅのＩｈを検出するために、図９のステップ（図ではｓと表記する、以下同様）９０１において通電位相角信号のタイミングＴでホールドする。ステップ９０２においてスイッチング電源電流値Ｉｄを検出するために、位相角通電信号のタイミングでホールドする。ステップ９０３において、ステップ９０２でホールドした値からステップ９０１でホールドした値を引く。ステップ９０４において、Ｉｈをゼロクロス信号から通電位相角信号の間だけ供給するために、ゼロクロス信号から通電位相角信号の間にステップ９０３の値を出力し、通電位相角のタイミング以降は出力０にする。ステップ９０５においては、ステップ９０３の値とステップ９０４の値を加算する。そして、このステップ９０５の値にスイッチング電源の入力電流がなるように、スイッチング電源を制御する。

以上説明したように、本実施例によれば、ＯＮ幅演算回路をＣＰＵ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ等とプログラムによって構成することにより、装置を小型化することができる。

実施例１における電源部の構成を示す回路図 実施例１の電源部の制御タイミングと電圧、電流波形を示す図 ＯＮ幅演算回路の構成を示す回路図 ＰＷＭ制御回路の構成を示すブロック図 ヒータの駆動回路の構成を示す図 ゼロクロス検知回路の構成を示す図 実施例２における電源部の構成を示す回路図 実施例３におけるＯＮ幅演算回路の構成を示すブロック図 実施例４における処理を示すフローチャート 従来例の電圧、電流波形を示す図

符号の説明

２００ 定着器
５００ ＯＮ幅演算回路
６００ ＰＷＭ制御回路

Claims (4)

1. 入力交流電源にそれぞれ接続される、定着器のヒータを通電制御する位相制御装置と、画像形成装置本体の電源である直流安定化電源装置とを備えた画像形成装置において、
   前記定着器の入力電流と前記直流安定化電源装置の入力電流の合成電流の波形が、入力交流電圧の波形に対して線形に近づくように前記直流安定化電源装置の入力電流値を制御する制御手段を備えたことを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記直流安定化電源装置は、前記入力交流電源を一旦第１の直流に変換し、この第１の直流を交流に変換しさらに第２の直流に変換する装置であり、
   前記制御手段は、前記第１の直流の電流を制御することを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記直流安定化電源装置は、前記入力交流電源を一旦第１の直流に変換し、この第１の直流を交流に変換しさらに第２の直流に変換する装置であり、
   前記制御手段は、前記交流の電流を制御することを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の画像形成装置において、
   前記制御手段は、前記定着器の入力電流として、使用頻度の高い通電開始位相の電流値に相当する所定値を用いることを特徴とする画像形成装置。

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