JP5640491B2 - 電源装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を出力する電源装置およびそれを備える画像形成装置に関する。画像形成装置には、複写機、複合機と呼ばれる多機能周辺機器（ＭＦＰ：Multifunction Peripherals）、およびプリンタが含まれる。

画像形成装置を含む各種の電気機器において、省エネルギー化のためにメインおよびサブの二つのＤＣ／ＤＣコンバータを使い分ける直流電力の供給方法が採用されている。メインＤＣ／ＤＣコンバータの電源効率は消費電力の比較的に大きい通常動作時の電力供給に対して最適化され、サブＤＣ／ＤＣコンバータの電源効率は消費電力が通常動作時と比べて小さいスリープモードやスタンバイモードなどと呼ばれる小負荷動作時に対して最適化される。また、メインＤＣ／ＤＣコンバータをモーターやヒーターのような比較的に重い負荷への電力供給のみに用い、サブＤＣ／ＤＣコンバータを制御回路のような比較的に軽い負荷への電力供給のみに用いる形態もある。

二つのＤＣ／ＤＣコンバータの使い分けに関して、特許文献１には通常動作モードと小負荷動作モードとの切替え時に両方のＤＣ／ＤＣコンバータを動作させる電源装置が記載されている。この電源装置は、小負荷動作への移行時はサブＤＣ／ＤＣコンバータをＯＦＦからＯＮへ切り替えた後、サブＤＣ／ＤＣコンバータの出力が定常化すると予測される起動時間経過後にメインＤＣ／ＤＣコンバータをＯＮからＯＦＦへ切り替える。逆に、通常動作への移行時はメインＤＣ／ＤＣコンバータをＯＦＦからＯＮへ切り替えた後、メインＤＣ／ＤＣコンバータの出力が定常化すると予測される起動時間経過後にサブＤＣ／ＤＣコンバータをＯＮからＯＦＦへ切り替える。各ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時間は予めメモリに記憶されており、計数回路によって起動時間が計時される。

特開２０００−３２４８２０号公報

動作モードの切替え時にのみ二つのＤＣ／ＤＣコンバータの両方を動作させる上記先行技術では、両方を動作させる過渡期間の時間設定が難しい。各ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時間は負荷の状態に依存するので一定ではない。このため、過渡期間が短いと、ＯＮにしたコンバータの起動が完了する以前に他方のコンバータがＯＦＦになり、負荷への電力供給が途絶えて負荷の動作が停止するおそれがある。過渡期間を長めに設定すれば電力供給が途絶えるのを防ぐことができる。しかし、小負荷動作モードから通常動作モードへの切り替わりが遅くなって電気機器の動作の迅速性が損なわれる。したがって、過渡期間を長めに設定するのは好ましくない。

本発明は、このような事情に鑑み、ＤＣ／ＤＣコンバータをその起動時間を予測して制御する必要のない制御性に優れた電源装置およびそれを有する画像形成装置の提供を目的としている。

上記目的を達成する電源装置は、交流電力を直流電力に変換して出力する電源装置であって、交流電源が接続される入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続された通常動作用の第１コンバータと、前記入力端子と前記出力端子とに前記第１コンバータと並列に接続された小負荷時動作用の第２コンバータと、前記第１コンバータおよび前記第２コンバータを制御するコントローラと、前記出力端子の端子間の電圧を３分割する分圧抵抗回路とを備える。この電源装置において、前記第１コンバータは、前記交流電力を整流する第１整流部と、前記分圧抵抗回路における二つの中間電位点のうちの低電位側の中間電位点の電位を前記出力端子の端子間の電圧が第１目標電圧であるときの電位に保つように、前記第１整流部の出力に対してスイッチングを行う第１のＤＣ／ＤＣ変換部とを有し、前記第２コンバータは、前記交流電力を整流する第２整流部と、前記分圧抵抗回路における前記二つの中間電位点のうちの高電位側の中間電位点の電位を前記出力端子の端子間の電圧が前記第１目標電圧よりも低い第２目標電圧であるときの電位に保つように、前記第２整流部の出力に対してスイッチングを行う第２のＤＣ／ＤＣ変換部とを有しており、前記コントローラは、通常動作から小負荷時動作への切替え指示を受けて前記第２コンバータを停止させずに前記第１コンバータを停止させ、小負荷時動作から通常動作への切替え指示を受けて前記第１コンバータによる電力の出力を再開させる。

本発明によれば、各ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時間の予測に基づく制御に依らずに、二つのＤＣ／ＤＣコンバータを負荷の状態に応じて使い分けることができる。

電源装置の構成を示すブロック図である。 負荷のモードと電源装置の動作との関係を示すタイミングチャートである。 電源装置の回路構成の第１例を示す図である。 電源装置の回路構成の第２例を示す図である。 電源装置を備える画像形成装置の要部の構成を示す図である。

図１のように、電源装置１は、入力端子２と出力端子３との間に接続された通常動作用の第１コンバータ４と、入力端子２と出力端子３とに第１コンバータ４と並列に接続された小負荷時動作用（スリープ用）の第２コンバータ５と、第１コンバータ４および第２コンバータを制御するコントローラ６とを備える。入力端子２には例えば商用交流電源がＡＣ電源７として接続され、出力端子３には電源装置１から直流電力の供給を受ける負荷９が接続される。本例ではＡＣ電源７と入力端子２との間に電源スイッチ８が挿入されている。

第１コンバータ４は、交流電力を整流する第１整流部４１と、出力電圧が第１目標電圧（Ｖｍ）に近づくように第１整流部４１の出力に対してスイッチングを行う第１のＤＣ／ＤＣ変換部４２とを有する。第２コンバータ５は、交流電力を整流する第２整流部５１と、出力電圧値が第１目標電圧（Ｖｍ）よりも低い第２目標電圧（Ｖｓ）に近づくように第２整流部５１の出力に対してスイッチングを行う第２のＤＣ／ＤＣ変換部５２とを有する。コントローラ６は、負荷９の制御手段が発する通常動作から小負荷時動作への切替え指示を受けて第２コンバータ５を停止させずに第１コンバータ４を停止させ、小負荷時動作から通常動作への切替え指示を受けて第１コンバータ４による電力の出力を再開させる。

図２のように、第１コンバータ４はＡＣ電源７が投入されると動作を開始し、通常動作状態の負荷９に対して電源装置１が電力を供給する通常動作期間Ｔ１において動作する。そして、通常よりも消費電力が小さいスリープ状態（小負荷状態）の負荷９に対して電源装置１が電力を供給するスリープ期間Ｔ２において、第１コンバータ４は停止する。一方、第２コンバータ５は、ＡＣ電源７が投入されても即座には動作を開始せず、コントローラ６からの起動要求に呼応して、第１コンバータ４よりも遅れて動作を開始する。そして、ＡＣ電源７が投入されている間は、通常動作期間Ｔ１とスリープ期間Ｔ２とにかかわらず、第２コンバータ５は動作する。ただし、ここでいう「動作する」とは、負荷９への電力の出力が可能な状態にあることを意味し、負荷９へ電力を出力する状態を意味していない。第２コンバータ５が負荷９へ電力を出力する期間は、第１コンバータ４が停止するスリープ期間Ｔ２である。

図３は電源装置１の回路構成の具体例を示している。

図３の構成では、電源装置１は制御プログラムを実行する制御基板９０へ電力を供給する。制御基板９０は電源装置１に対する負荷９である。そして、制御基板９０においてプログラム実行によって実現される機能要素である電源制御部６０は、コントローラ６として機能する。すなわち、制御基板９０の一部が電源装置１の構成要素である。

メインＤＣ／ＤＣコンバータとして電源装置１に備わる第１コンバータ４は、整流部４１を構成する整流ダイオードブリッジＤ１１および平滑コンデンサＣ１１を有している。整流ダイオードブリッジＤ１１の入力点ａ，ｂにＡＣ電源７が接続され、入力点ａとＡＣ電源７との間にスイッチＳＷ４が挿入される。平滑コンデンサＣ１１の＋端子は整流ダイオードブリッジＤ１１のカソードおよびトランスＴ１１の一次巻線Ｌ１１の一端に接続される。平滑コンデンサＣ１１の−端子は整流ダイオードブリッジＤ１１のアノードに接続されるとともに、半導体スイッチＳＷ１６を介して一次巻線Ｌ１１の他端に接続される。半導体スイッチＳＷ１６にはＰＷＭ制御部４５からスイッチング信号Ｓ４５が入力される。トランスＴ１１の二次巻線Ｌ１２は、整流ダイオードＤ１２と平滑コンデンサＣ１２との直列回路に並列に接続される。平滑コンデンサＣ１２と並列に接続される出力電圧監視部４６は、目標電圧Ｖｍが３．４ボルトに選定された出力電圧（出力端子間電圧）を分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２によって分圧した電圧を監視し、出力電圧と目標電圧Ｖｍとのずれを示すフィードバック信号Ｓ４６をＰＷＭ制御部４５に送る。ＰＷＭ制御部４５にはその駆動電源としてトランスＴ１１の補助巻線Ｌ１３が接続される。ＰＷＭ制御部４５はフィードバック信号Ｓ４６を受けて、出力電圧が目標電圧Ｖｍに近づくように半導体スイッチＳＷ１６を制御する。

サブＤＣ／ＤＣコンバータとして電源装置１に備わる第２コンバータ５の構成は、回路定数に差異およびスイッチＳＷ４の有無の違いはあるものの、基本的には次のとおり第１コンバータ４の構成とほぼ同様である。第２コンバータ５は、整流部５１を構成する整流ダイオードブリッジＤ２１および平滑コンデンサＣ２１を有している。整流ダイオードブリッジＤ２１の入力点ｃ，ｄにＡＣ電源７が接続され、平滑コンデンサＣ２１の＋端子は整流ダイオードブリッジＤ２１のカソードおよびトランスＴ２１の一次巻線Ｌ２１の一端に接続される。平滑コンデンサＣ２１の−端子は整流ダイオードブリッジＤ２１のアノードに接続されるとともに、半導体スイッチＳＷ２６を介して一次巻線Ｌ２１の他端に接続される。半導体スイッチＳＷ２６にはＰＷＭ制御部５５からスイッチング信号Ｓ５５が入力される。トランスＴ２１の二次巻線Ｌ２２は、整流ダイオードＤ２２と平滑コンデンサＣ２２との直列回路に並列に接続される。平滑コンデンサＣ２２と並列に接続される出力電圧監視部５６は、目標電圧Ｖｓが３．３ボルトに選定された出力電圧（出力端子間電圧）を分圧抵抗Ｒ２１，Ｒ２２によって分圧した電圧を監視し、出力電圧と目標電圧Ｖｓとのずれを示すフィードバック信号Ｓ５６をＰＷＭ制御部５５に送る。ＰＷＭ制御部５５にはその駆動電源としてトランスＴ２１の補助巻線Ｌ２３が接続される。ＰＷＭ制御部５５はフィードバック信号Ｓ５６を受けて、出力電圧が目標電圧Ｖｓに近づくように半導体スイッチＳＷ２６を制御する。

このような第１コンバータ４および第２コンバータ５は制御基板９０に対してダイオードオアの形式で並列に接続される。制御基板９０は第１コンバータ４または第２コンバータ５から電力の供給を受けて動作する。制御基板９０が動作することで実現される電源制御部６０は、スリープ信号Ｓ２２、起動信号Ｓ２３および停止信号Ｓ２４をそれぞれ適時に出力する。スリープ信号Ｓ２２はスリープ期間Ｔ２において第１コンバータ４のスイッチＳＷ４を開き、第１コンバータ４への交流電力の供給を遮断する。起動信号Ｓ２３は第２コンバータ５のＰＷＭ制御部５５にスイッチング制御を開始させる。停止信号Ｓ２４は、第１コンバータ４のＰＷＭ制御部４５にスイッチング制御を停止させる。停止信号Ｓ２４がノンアクティブのとき、ＰＷＭ制御部４５はスイッチング制御を行う。

次に電源装置１の起動時の動作を説明する。

図３において、図示を省略した電源スイッチのオンによって電源装置１にＡＣ電源７が接続されると、第１コンバータ４および第２コンバータ５に交流電力が供給される。この時点では、起動信号Ｓ２３が出力されず、ＰＷＭ制御部５５が停止している。したがって、半導体スイッチＳＷ２６はＯＦＦ状態にあり、トランスＴ２１に電流は流れない。整流部５１において整流および平滑が行われるものの、ＤＣ／ＤＣ変換部５２は動作せず、実質的に第２コンバータ５は停止している。

第１コンバータ４においては、ＡＣ電源７が接続される時点でスイッチＳＷ４が閉じており、ＡＣ電源７から供給された交流電力は整流部４１において整流されかつ平滑される。
トランスＴ１１での変圧によって二次側に電圧Ｖ１０が生じる。整流ダイオードＤ１２によって電圧Ｖ１０が整流され、さらに平滑コンデンサＣ１２によって平滑される。これにより、およそ３．４ボルトの直流電力が制御基板９０に供給される。この出力が出力電圧監視部４６によって監視され、フィードバック信号Ｓ４６に基づいてＰＷＭ制御部４５によるスイッチング制御が行われ、出力電圧が３．４ボルトに維持される。

第１コンバータ４から電力が供給されて制御基板９０が起動する。起動後、電源制御部６０が第２コンバータ５のＰＷＭ制御部５５に起動信号Ｓ２３を送る。起動信号Ｓ２３を受信したＰＷＭ制御部５５は起動し、スイッチング信号Ｓ５５の出力を開始する。半導体スイッチＳＷ２６がＯＮ状態になり、整流部５１で整流・平滑された電力がトランスＴ２１へ供給される。トランスＴ２１での変圧によって二次側に電圧Ｖ２０が生じる。整流ダイオードＤ２２によって電圧Ｖ２０が整流され、さらに平滑コンデンサＣ２２によって平滑される。これにより、およそ３．３ボルトの電圧が分圧抵抗回路の両端に生じる。この電圧が出力電圧監視部５６によって監視され、フィードバック信号Ｓ５６に基づいてＰＷＭ制御部４５によるスイッチング制御が行われる。ＰＷＭ制御部４５は出力電圧を３．３ボルトに維持しようとする。

しかしながら、第１コンバータ４と第２コンバータ５の２次整流回路出力はダイオードオア接続されており、第１コンバータ４の出力電圧（３．４ボルト）が第２コンバータ５の出力電圧（３．３ボルト）よりも高いので、電源装置１が起動した後の通常動作では、第１コンバータ４から制御基板９０へ直流電力が供給される。この時、第２コンバータ５はパルス幅変調（ＰＷＭ）のＯＮ幅を可変範囲の下限（最小）とするスイッチング動作を行う。

次に電源装置１のスリープ移行時の動作について説明する。

制御基板９０がスリープモードに移行した後に電源制御部６０はスイッチＳＷ４をＯＦＦするよう、スリープ信号Ｓ２２を出力する。スリープ信号Ｓ２２を受信したスイッチＳＷ４はＯＦＦ状態となり、第１コンバータ４への交流電力の供給は遮断される。第１コンバータ４が停止し、第２コンバータ５から制御基板９０へ電力が供給される。この時、制御基板９０の電源制御部６０からＰＷＭ制御部４５へ停止信号Ｓ２４を送り、ＰＷＭ制御部４５および半導体スイッチＳＷ１６を停止させてもよい。

第１コンバータ４が停止すれば、直ちに第２コンバータ５から制御基板９０へ電力が供給されるので、スリープ移行時に制御基板９０への電力供給が途絶えることはない。

次に電源装置１のスリープ動作モードから通常動作モードへの復帰時の動作について説明する。

制御基板９０の電源制御部９０が復帰前にスイッチＳＷ４をＯＮにするよう、スリープ信号２２をスイッチＳＷ４へ送る。スリープ信号Ｓ２２を受信したスイッチＳＷ４はＯＮ状態となり、第１コンバータ４に交流電力が供給される。起動時（電源投入時）と同様に第１コンバータ４が起動し、３．４ボルトの電力が制御基板９０へ供給される。

第１コンバータ４による電力供給が始まるまで第２コンバータ５が制御基板９０へ電力を供給するので、スリープからの復帰時に制御基板９０への電力供給が途絶えることはない。

以上の動作により、制御基板９０への電源供給を途絶えさせることなく、制御基板９０における動作モードの切り替わりに合わせて電力を供給するコンバータを切り替えることが可能となる。

通常動作期間Ｔ１とスリープ動作期間Ｔ２とで電源装置１の出力電圧が３．４ボルトと３．３ボルトとに変化するが、電源装置１の出力端から制御基板９０の入力端までのドロップ電圧は、負荷の重い通常動作時の方が大きく、負荷の軽いスリープ動作時の方が小さいので、制御基板９０の入力端ではほぼ同一の電圧が得られる。本例では目標電圧Ｖｍ，Ｖｓの差を０．１ボルトとしたが、ドロップ電圧を考慮して適宜に目標電圧Ｖｍ，Ｖｓを設定することができる。ただし、目標電圧Ｖｍよりも目標電圧Ｖｓを低くする必要がある。

図４は電源装置の回路構成の第２例を示す
図４の電源装置１ｂでは、第１コンバータ４ｂの出力電圧監視部４６と第２コンバータ５ｂの出力電圧監視部５６とが一つの分圧抵抗回路で分圧された電圧を監視する。その他の構成は上述の図３の構成と同様である。

分圧抵抗回路は直列接続された三つの抵抗Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５で構成され、出力端子の端子間の電圧を３分割する。第１コンバータ４ｂの出力電圧監視部４６は、分圧抵抗回路における二つの中間電位点のうちの低電位側の中間電位点の電位を監視し、この電位を目標電圧Ｖｍに対応する設定電位に保つように第１コンバータ４ｂは動作する。第２コンバータ５ｂの出力電圧監視部５６は、分圧抵抗回路における二つの中間電位点のうちの高電位側の中間電位点の電位を監視し、この電位を目標電圧Ｖｓに対応する設定電位に保つように第２コンバータ５ｂは動作する。

出力電圧監視部５６に監視される電位が、出力電圧監視部４６に監視される電位よりも必ず高くなるので、第１コンバータ４ｂが出力電圧を上げようとするときに第２コンバータ５ｂが出力電圧を下げようとする作用が生まれ、第２コンバータ５ｂの出力電圧を第１コンバータ４ｂの出力電圧よりもより確実に低くすることができる。

図５は電源装置１を備える画像形成装置１００の要部の構成を示す。図５に例示される画像形成装置１００は、電子写真法によってカラー画像またはモノクロ画像を印刷するタンデム式のカラープリンタである。カラー画像形成時にイエロー（Ｙ）、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、および黒（Ｋ）の４色のトナー像を並行して形成するため、画像形成装置１００は中間転写ベルト２０および中間転写ベルト２０に沿って並ぶ４個のプロセスユニットＵＹ，ＵＭ，ＵＣ，ＵＫを有する。黒（Ｋ）の像形成のためのプロセスユニットＵＫは、感光体ドラム１１、帯電装置１２、プリントヘッド１３、現像装置１４、一次転写装置１５、および清掃装置１６を備えており、他のプロセスユニットＵＹ，ＵＭ，ＵＣも、トナーの色の違いを除いて同様の構成要素を備えている。

画像形成動作の概要は次のとおりである。図示しない外部装置（例えば、パーソナルコンピュータ）から例えばカラープリントジョブが与えられると、プロセスユニットＵＹ，ＵＭ，ＵＣ，ＵＫにおいて、帯電装置１２が感光体ドラム１１の表面を一様に帯電させる。外部装置からの画像データに応じて、プリントヘッド１３の射出する光ビームがオンオフ制御され、感光体ドラム１１の表面に潜像が形成される。潜像は現像装置１４によってトナー像に現像され、一次転写装置１５によって中間転写ベルト２０に一次転写される。中間転写ベルト２０の移動に同期した一次転写によって、４色のそれぞれのトナー像が中間転写ベルト２０上で重ねられる。４色のトナー像の形成と並行して、用紙収納部２４からジョブが指定する種類およびサイズの用紙Ｐが取り出され、搬送ローラ２６によって中間転写ベルト２０と二次転写ローラ２７とが対向する二次転写位置へ搬送される。中間転写ベルト２０からトナー像が二次転写された用紙Ｐは、定着器８０を経た後、排紙ローラ対２８によって排紙トレイ２９に排出される。用紙Ｐが定着器８０を通過するとき、トナーが溶融して画像が記録用紙に定着する。

この一連の動作は制御基板９０に備わるコンピュータとしてのＣＰＵ(central processing unit)を含む制御回路によって制御される。ＣＰＵは電源装置１から直流電力の供給を受けて作動する。

以上の実施形態において、ＡＣ電源７は商用交流電源に限らない。直流給電システムを利用する構成の機器では、インバータによって直流から変換した交流を電源装置１に供給することができる。

１ 電源装置
７ ＡＣ電源（交流電源）
２ 入力端子
９ 負荷
９０ 制御基板（負荷）
３ 出力端子
４，４ｂ 第１コンバータ
５，５ｂ 第２コンバータ
６ コントローラ
６０ 電源制御部（コントローラ）
４１ 第１整流部
４２ 第１のＤＣ／ＤＣ変換部
５１ 第２整流部
５２ 第２のＤＣ／ＤＣ変換部
Ｔ１ 通常動作期間
Ｔ２ スリープ動作期間
１００ 画像形成装置

Claims (4)

1. 交流電力を直流電力に変換して出力する電源装置であって、
   交流電源が接続される入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続された通常動作用の第１コンバータと、
   前記入力端子と前記出力端子とに前記第１コンバータと並列に接続された小負荷時動作用の第２コンバータと、
   前記第１コンバータおよび前記第２コンバータを制御するコントローラと、
   前記出力端子の端子間の電圧を３分割する分圧抵抗回路とを備え、
   前記第１コンバータは、前記交流電力を整流する第１整流部と、前記分圧抵抗回路における二つの中間電位点のうちの低電位側の中間電位点の電位を前記出力端子の端子間の電圧が第１目標電圧であるときの電位に保つように、前記第１整流部の出力に対してスイッチングを行う第１のＤＣ／ＤＣ変換部とを有し、
   前記第２コンバータは、前記交流電力を整流する第２整流部と、前記分圧抵抗回路における前記二つの中間電位点のうちの高電位側の中間電位点の電位を前記出力端子の端子間の電圧が前記第１目標電圧よりも低い第２目標電圧であるときの電位に保つように前記第２整流部の出力に対してスイッチングを行う第２のＤＣ／ＤＣ変換部とを有しており、
   前記コントローラは、通常動作から小負荷時動作への切替え指示を受けて前記第２コンバータを停止させずに前記第１コンバータを停止させ、小負荷時動作から通常動作への切替え指示を受けて前記第１コンバータによる電力の出力を再開させる
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記第１のＤＣ／ＤＣ変換部は、前記分圧抵抗回路における前記低電位側の中間電位点の電位が設定電位より低いときにスイッチングを行い、
   前記第２のＤＣ／ＤＣ変換部は、前記高電位側の中間電位点の電位が設定電位より低いときにスイッチングを行う
   請求項１記載の電源装置。
3. 前記第１コンバータは、非接続状態であった前記交流電源が接続される電源起動時において、前記交流電源の接続に呼応して、前記負荷への電力の出力が可能な動作状態になり、
   前記第２コンバータは、前記電源起動時において、前記第１コンバータが動作状態になった後に前記コントローラから与えられる起動要求を受けて前記負荷への電力の出力が可能な動作状態になる
   請求項１または２記載の電源装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電源装置と、
   前記電源装置から電力の供給を受けて作動する制御回路と、
   前記制御回路によって制御されて用紙に画像を印刷する機構とを備える
   ことを特徴とする画像形成装置。

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