JP6800680B2

JP6800680B2 - 電源装置及び画像形成装置

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Publication number: JP6800680B2
Application number: JP2016192725A
Authority: JP
Inventors: 純川勝
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP2018057197A; US10411607B2; US20180097448A1

Description

本発明は、電子機器に電力を供給する電源装置に関し、特に、駆動周波数を制御することによって出力電力を変化させるコンバータを備えた電源装置に関する。

電磁トランスの一次側の駆動周波数を可変に制御することによって電力を変化させるコンバータを備えた電源装置が提案されている。このような電源装置は、装置に対して交流電圧が入力される側に電圧検知回路を有しており、この電圧検知回路によって入力される交流電圧の異常を検知している。（特許文献１参照）。

特開２０１０−５４０３９号公報

特許文献１に記載の電圧検知回路は交流電圧が入力される側に専用の検知回路を設けた構成であり、電源装置の更なる小型化・低コスト化を進めることが難しくなる。一方で、様々な国に電子装置を提供する場合、各国の電源事情は様々であり、安定して交流電圧を供給できない環境もある。すなわち、電源の小型化・低コスト化をすすめつつ、交流電圧の異常から電源及び電子装置を保護する方法が要望されている。

上記課題を解決するための本発明の電源装置は、一次側と二次側を絶縁したトランスと、前記トランスの駆動周波数を制御することにより前記一次側に入力された電圧を変換し、前記二次側に出力された電圧を負荷に供給する電源装置において、前記一次側を駆動するスイッチング手段と、前記スイッチング手段の動作を制御する制御手段と、前記スイッチング手段の駆動周波数の上限の駆動周波数を設定する設定手段と、を有し、前記制御手段は、前記一次側に入力される電圧が定格入力電圧よりも高い電圧の場合に、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動するように制御し、前記電源装置は更に、前記トランスの前記一次側への電圧の入力をオンオフするスイッチと、前記制御手段により、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動された状態で、前記二次側の出力が閾値を超えたら前記スイッチをオフする過電圧検知手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明の画像形成装置は、記録材に画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段に電力を供給する電源と、を有し、前記電源は、一次側と二次側を絶縁したトランスと、前記トランスの駆動周波数を制御することにより前記一次側に入力された電圧を変換し、前記二次側に出力された電圧を負荷に供給する電源装置であって、更に、前記一次側を駆動するスイッチング手段と、前記スイッチング手段の動作を制御する制御手段と、前記スイッチング手段の駆動周波数の上限の駆動周波数を設定する設定手段と、を有し、前記制御手段は、前記一次側に入力される電圧が定格入力電圧よりも高い電圧の場合に、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動するように制御し、前記電源装置は更に、前記トランスの前記一次側への電圧の入力をオンオフするスイッチと、前記制御手段により、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動された状態で、前記二次側の出力が閾値を超えたら前記スイッチをオフする過電圧検知手段と、を有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、小型及び安価な構成で、入力される交流電圧が異常であっても装置を保護することができる。

実施例１、２の画像形成装置の全体構成を説明する図実施例１の電源装置の全体構成を説明する図実施例１のコンバータの詳細を説明する図実施例１の電源装置の出力電圧と駆動周波数の時間推移を説明する図実施例１、２のコンバータの出力電圧と駆動周波数の関係性を説明する図実施例１、２のコンバータの入力電圧と駆動周波数の関係性を説明する図実施例１、２のコンバータの駆動周波数を制限した時の入力電圧と駆動周波数、入力電圧と出力電圧の関係性を説明する図実施例１、２のコンバータの駆動周波数を制限した時の入力電圧と駆動周波数、入力電圧と出力電圧の関係性を説明する図実施例２の電源装置の全体構成を説明する図実施例２のフィードバック回路を説明する図実施例２の電源装置の出力電圧と駆動周波数の時間推移を説明する図

［実施例１］
［画像形成装置］
図１は実施例１の画像形成装置であるプリンタ１の概略図である。プリンタ１では、プリント信号が発生すると、一点鎖線で示す画像形成部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し、帯電ローラ１６によって所定の極性に帯電された感光ドラム１９をレーザ光で走査する。これにより感光ドラム１９には静電潜像が形成される。感光ドラム１９上に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、感光ドラム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である用紙１０は、ピックアップローラ１２によって一枚ずつ給紙され、搬送ローラ１３によってレジストレーションローラ１４に向けて搬送される。さらに搬送された用紙１０は、感光ドラム１９上のトナー画像が感光ドラム１９と転写ローラ２０で形成される転写ニップ部に到達するタイミングに合わせて、レジストレーションローラ１４によって転写ニップ部に搬送される。用紙１０が転写ニップ部を通過する過程で、感光ドラム１９上のトナー画像は用紙１０に転写される。その後、用紙１０は、定着装置２で加熱されてトナー画像が用紙１０に定着される。トナー画像が定着された用紙１０は、排紙部である排紙ローラ２６、２７によってプリンタ１の上部に設けられた排紙トレイ２８に排出される。なお、モータ３０は、感光ドラム１９や定着装置２を駆動する。また、高圧電源３１は、帯電ローラ１６、現像器１７、転写ローラ２０に高電圧を印加している。電源装置３２は、モータ３０や高圧電源３１、スキャナユニット２１等の電気回路に電力を供給している。制御部３３はプリンタ１の各種の動作を制御する。

［電源装置］
図２は、電源装置３２の概略図である。商用電源１００から供給される交流電圧は、整流器１０３を介して整流されて一次平滑コンデンサ１０１に入力される。一次平滑コンデンサ１０１には、絶縁コンバータ１０４が接続されている。絶縁コンバータ１０４は、スイッチング動作の駆動周波数を制御することによって、二次側から出力される電力（電圧）を変化させるコンバータである。絶縁コンバータ１０４の二次側には、負荷１０６と負荷１０８と出力電圧監視部としての監視回路であるＯＶＰ１０９が接続されている。なおＯＶＰ（ＯｖｅｒＶｏｌｔａｇｅＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）とは過電圧検知を意味しており、トランスの二次側の出力電圧が異常に高い場合に回路を保護するための回路である。絶縁コンバータ１０４と負荷１０８の間には絶縁コンバータ１０４から負荷の電圧の供給を制限する回路としてスイッチ１０７が接続されている。第一の負荷である負荷１０６は絶縁コンバータ１０４の起動時に接続されている負荷であり、第二の負荷である負荷１０８は制御部３３の指示によりスイッチ１０７の開閉に伴って絶縁コンバータ１０４に対して接続、切断される負荷である。尚、切断可能な負荷が一つの構成を記載したが、このような負荷を複数有する構成にしてもよい。その場合は各負荷と絶縁コンバータ１０４の間に夫々スイッチを設けてスイッチのオンオフを制御する構成とすればよい。商用電源１００と整流器１０３の間には、絶縁コンバータ１０４を停止させるための回路としてスイッチ１０２が接続されている。スイッチ１０２はＯＶＰ１０９と接続されており、ＯＶＰ１０９の出力信号に応じてスイッチ１０２はオンオフされる。

［絶縁コンバータとＯＶＰ］
図３は絶縁コンバータ１０４と出力電圧を監視するための回路であるＯＶＰ１０９の詳細を示す図である。絶縁コンバータ１０４をトランス２１５の駆動周波数を制御することにより出力電圧（電力）を変化させるＬＬＣコンバータである。起動抵抗２３２を介してＬＬＣ制御部２０６のＶＨ端子２３３へ電流が供給され、Ｖｃｃ端子２０５を介してコンデンサ２０７にチャージされている。これによりＬＬＣ制御部２０６は絶縁コンバータ１０４起動のための電源を得る。絶縁コンバータ１０４は、一次側と二次側を絶縁するトランス２１５と、スイッチング素子である二つのスイッチ２０１、スイッチ２０２を有している。ＬＬＣ制御部２０６は、ＯＨ端子からハイサイド側のスイッチング信号２０３をスイッチ２０１に出力することにより、スイッチ２０１を制御する。ＬＬＣ制御部２０６は、ＯＬ端子からローサイド側のスイッチング信号２０４をスイッチ２０２に出力することにより、スイッチ２０２を制御する。ＬＬＣ制御部２０６は、スイッチ２０１、２０２のスイッチング動作（駆動周波数）を制御することにより、トランス２１５の一次側への電力の供給又は遮断を行い、トランス２１５の一次側の補助巻線と二次側の二次巻線に電圧を誘起させる。補助巻線に流れる電流は整流素子であるダイオード２０８により整流されコンデンサ２０７にチャージされる。これによりＬＬＣ制御部２０６は絶縁コンバータ１０４動作のための継続的な電源電圧を得ることができる。

トランス２１５からコンデンサ２１６の方向に電流が流れる際には、二次側に流れる電流は整流素子であるダイオード２１７を介してコンデンサ２１９に電流が流れて平滑される。逆に、コンデンサ２１６からトランス２１５の方向に電流が流れる際には、整流素子であるダイオード２１８を介してコンデンサ２１９に電流が流れて平滑される。絶縁コンバータ１０４の出力はＯＶＰ１０９に出力されるとともに、出力端２２５を介して負荷１０６や負荷１０７に出力される。

出力電圧はフィードバック回路２２６によりＬＬＣ制御部２０６のＦＢ端子２３８にレギュレーション信号として伝達される。抵抗２３９と抵抗２３７はトランス２１５の駆動周波数の上限を設定する回路である。ＬＬＣ制御部２０６は設定された上限周波数以下の周波数でレギュレーション信号のレベルが一定になるようにスイッチ２０１、２０２のスイッチング周波数、つまりトランス２１５の駆動周波数を制御する。フィードバック回路２２６は一般的な電圧をフィードバックする回路であり詳細な説明は省略する。

ＣＳ端子２３５は過電流検知用の端子である。トランス２１５の駆動電流をコンデンサ２３６で分流し、抵抗２３４で電圧に変換し、変換した電圧がＣＳ端子２３５に印加される。ＬＬＣ制御部２０６はＣＳ端子２３５の電圧と内部に設定された閾値とを比較して過電流か否かを判断する。ＬＬＣ制御部２０６は、ＣＳ端子２３５の電圧に基づいてコンバータ１０４が過電流状態にあると判断した場合、また、Ｖｃｃ端子２０５の電圧が低く、スイッチ２０１、２０２を正しく制御できないと判断した場合は、トランス２１５の駆動を停止する。一方、ＬＬＣ制御部２０６は、ＦＢ端子２３８の電圧によってトランス２１５の駆動を停止することはない。

ＯＶＰ１０９は、定電圧素子であるツェナーダイオード２２１と抵抗２２２、２２４で設定される閾値電圧を超える電圧の入力がＯＶＰ１０９にあった時、スイッチとしてのトランジスタ２２０をオンしてスイッチとしてのリレー１０２をオフする。これにより電源装置３２への入力を遮断し、絶縁コンバータ１０４の動作を停止する。ＯＶＰ１０９への入力が閾値電圧以下であればスイッチ１０２はオフされることなく絶縁コンバータ１０４は動作を継続する。

ＬＬＣコンバータの出力ゲインＧは一般に下記の式１、式２、式３、式４で表わされる。

出力電圧＝Ｇ×巻き数比×入力電圧・・・（式４）

上記式において、Ｌｓは漏れインダクタンス、Ｌｐは相互インダクタンスｆ０は共振周波数である。また、Ｑは負荷を変数とする関数である。つまり出力ゲインＧは負荷と駆動周波数を変数とする関数である。

電源装置３２への入力電圧及び絶縁コンバータ１０４の負荷の両方を固定とした場合、絶縁コンバータ１０４の出力電圧とトランス２１５の駆動周波数の関係は図５のように表わされる。ＬＬＣコンバータでは周波数ｆｍよりも高い周波数が用いられるため図５からわかるように出力電圧を下げようとする場合、駆動周波数を上げることになる。

絶縁コンバータ１０４の出力電圧及び負荷の両方を固定とした場合、駆動周波数と入力電圧の関係は図６のように表わされる。一定の負荷に対してレギュレーションされた出力電圧を出力する場合、入力電圧が上がると駆動周波数が上がることが分かる。

［ＯＶＰと上限駆動周波数］
ＯＶＰ１０９の閾値電圧は、次の条件１、２を満たすように設定する。
１．絶縁コンバータ１０４の負荷に印加されても負荷を構成する部品が損傷しない低い電圧であること。
２．正常動作時にＯＶＰ１０９に入力される電圧よりも高い電圧であること。

また、上限の駆動周波数は次の条件１，２を満たすように設定する。
1．電源装置３２の定格入力電圧範囲内であり、正常動作時に起こりうる最小負荷時に使用しうる駆動周波数よりも高い周波数であること。
２．電源装置３２に異常な入力電圧があった場合にＯＶＰ１０９の閾値をこえる絶縁コンバータ１０４の出力電圧になるような駆動周波数であること。

また、異常な入力電圧とは電源装置３２の定格外の入力電圧であり、電源装置３２の一次側部品が損傷するような高い電圧である。例えば一次平滑コンデンサ１０１が開弁するような高い入力電圧である。上限駆動周波数条件の２は言い換えれば、ＯＶＰ１０９の閾値電圧を、電源装置３２に異常な入力電圧があった場合にＯＶＰ１０９に入力される電圧よりも低い電圧に設定することであるといえる。ここでの上限駆動周波数とはＬＬＣコンバータが起動した後の上限駆動周波数を意味し、起動時のソフトスタートに使用される駆動周波数の上限とは異なる。

図７は図６と同様、出力電圧と負荷を固定とし、負荷値を電源装置３２の正常動作時にとりうる負荷の最小値、上限駆動周波数をｆａとした時の入力電圧に対する駆動周波数と出力電圧の推移を示す図である。図７における各電圧は以下のとおりである。
Ｖｏｂ：ＯＶＰ条件１で決まるＯＶＰ閾値の上限値
Ｖｏａ：ＯＶＰ条件２で決まるＯＶＰ閾値の下限値
ｆｓ：上限の駆動周波数条件１で決まる上限の駆動周波数設定可能範囲の下限値
ｆａ：上限の駆動周波数条件２で決まる上限駆動周波数設定可能範囲の上限値
Ｖｉａ：上限の駆動周波数をｆａとしたときにレギュレーション可能な入力電圧の上限値
Ｖｉｃ：一次平滑コンデンサ１０１が開弁する電圧
Ｖｉｓ：定格入力電圧の最大値
入力電圧が上がると駆動周波数は上昇し、入力電圧が定格入力電圧の最大値Ｖｉｓの時にｆｓとなる。入力電圧がＶｉａの時、駆動周波数はｆａとなる。入力電圧をＶｉａ以上に上げても上限の駆動周波数をｆａとしているため、駆動周波数はｆａを継続する。上記の式４からわかるように周波数を上げられないとゲインを下げることができず、駆動周波数がｆａに達して以降は入力電圧が上がると出力電圧が上がっていく。ＯＶＰ条件を満たすためＯＶＰ１０９はＶｏａからＶｏｂの間で閾値を設定するので一次平滑コンデンサ１０１が開弁する入力電圧（閾値電圧）であるＶｉｃになる前に装置を停止できる。仮にＯＶＰ１０９の閾値電圧をＶｏｂとした場合、ＯＶＰ１０９が動作する入力電圧はＶｉｃに対してギリギリの値になる。つまり、ｆａは設定しうる上限駆動周波数の最大値となる。図８のように上限駆動周波数をｆａを超えた値ｆｃに設定すると入力電圧がＶｉｃになっても出力電圧はＯＶＰ１０９の閾値に至ることができず平滑コンデンサ１０１が開弁してしまうことになる。

［電源装置への異常入力］
図４は、横軸が時間、電源装置３２の定格入力電圧範囲内で最大の入力電圧で電源装置を起動させた時のトランス２１５の駆動周波数変化と出力電圧変化の一例を示したものである。区間ＡからＧまでは定格内の入力電圧を、区間Ｈ，Ｉにおいては異常な入力電圧を電源装置３２に入力した場合の絶縁コンバータ１０４の動作を説明する。

絶縁コンバータ１０４の起動時に、ＬＬＣ制御部２０６は出力のオーバーシュートを避けるためソフトスタート動作としてスイッチ２０１、２０２を高い周波数から駆動を始め徐々に周波数を下げていく。周波数が下がると出力電圧がレギュレーション電圧まで上昇していく（区間Ａ）。起動時の負荷は正常動作時における最小負荷である負荷１０６のみが接続されているため、比較的高い周波数ｆｓでトランス２１５の駆動周波数は安定し、出力電圧もレギュレーション電圧で安定する（区間Ｂ）。その後、制御部３３はスイッチ１０７をオンして負荷１０８を接続し、キャリブレーション動作やプリント動作が行われる（区間Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｈ）。制御部３３はプリントの合間にスイッチ１０７をオフして負荷１０８を切断し、負荷の制限を行う（区間Ｄ，Ｆ，Ｉ）。区間Ｉでは異常な入力電圧が電源装置３２に入力されているため、同じ負荷でも駆動周波数が区間Ｂ，Ｄ，Ｆよりも高くなってしまう。この時、駆動周波数は設定していた上限の駆動周波数となり、この時のゲインでも絶縁コンバータ１０４の出力電圧を下げることができず出力電圧が上昇して、ＯＶＰ１０９の閾値に達して絶縁コンバータ１０４は動作を停止する。

以上説明したように、本実施例によれば、絶縁コンバータ１０４の負荷を制限し、駆動周波数を上限に制限する。これにより、異常な入力電圧が供給された場合に電源装置のＯＶＰ１０９を動作させて装置の故障を抑制することができる。すなわち、安価な構成で入力電圧の異常に対応できる装置を提供することができる。

［実施例２］
［電源装置］
図９は、本実施例で用いる電源装置３２の概略図である。図２と同じ構成要素には同じ番号を付し説明を省略する。一次平滑コンデンサ１０１には、絶縁コンバータ１０４と絶縁コンバータ９０４が、それぞれ並列に接続されている。絶縁コンバータ９０４は、周波数制御のコンバータに限定されない。絶縁コンバータ９０４には、負荷９０６が接続されている。負荷９０６には制御部３３のＣＰＵ９０７が含まれる。ＯＶＰ９０９はＯＶＰ１０９同様に、出力電圧を監視する回路であり、ＯＶＰ９０９への入力が閾値を超えた場合はスイッチ１０２をオフすることで絶縁コンバータ１０４、９０４の両方の動作を停止する。

図１０に示すように、本実施例における絶縁コンバータ１０４のフィードバック回路２２６にはスイッチとしてのトランジスタ７０１が接続されている。そして、ＣＰＵ９０７からの信号を入力端子７０２を介して入力することで電圧レギュレーションとは別にフォトカプラ７０３をオフオンすることが可能な回路である。

［電源装置への異常入力］
図１１は横軸が時間であり、電源装置３２の定格入力電圧範囲内の入力電圧を印加し、その後、入力電圧を異常値まで引きあげた時のトランス２１５の駆動周波数の変化と出力電圧の変化の一例を示している。区間ＡからＧまでは定格内の入力電圧を、区間Ｈ，Ｉにおいては異常な入力電圧を電源装置３２に入力した場合の絶縁コンバータ１０４の動作を説明する。絶縁コンバータ１０４の起動時に、ＣＰＵ９０７はトランジスタ７０１をオンさせ、絶縁コンバータ１０４の出力電圧にかかわらずフォトカプラ７０２をオン状態にする。ＬＬＣ制御部２０６はスイッチ２０１、２０２を高い周波数から駆動を始め次第に周波数を上限駆動周波数まで下げていき、出力電圧は式７で定まる電圧まで上昇していく（区間Ａ）。フォトカプラ７０２がオン状態であるため、レギュレーションは働かず上限の駆動周波数におけるゲインに応じた出力電圧となる（区間Ｂ）。その後、ＣＰＵ９０７は、トランジスタ７０１をオフし、レギュレーションを有効にし、スイッチ１０７をオンして負荷１０８を接続しキャリブレーション動作やプリント動作が行われる（区間Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｈ）。ＣＰＵ９０７はプリントの合間などにトランジスタ７０１をオンしてレギュレーションを無効にし、上限の駆動周波数（ｆａ又はｆｂ）でトランス２１５を駆動する。（区間Ｄ，Ｆ，Ｉ）。区間Ｉでは異常な入力電圧が電源装置３２に入力されているため、駆動周波数が区間Ｂ，Ｄ，Ｆよりも高くなってしまう（ｆｂになる）。この時、出力電圧は式７からわかるように区間Ｂ，Ｄ，Ｆで印加した入力電圧と区間Ｈ，Ｉで印加した入力電圧の比率で上昇する。出力電圧はＯＶＰ１０９の閾値Ｖｏｃに至り絶縁コンバータ１０４は動作を停止する。

１０４絶縁コンバータ
１０９ＯＶＰ（回路）
２０６ＬＬＣ制御部
２１５トランス

Claims

一次側と二次側を絶縁したトランスと、前記トランスの駆動周波数を制御することにより前記一次側に入力された電圧を変換し、前記二次側に出力された電圧を負荷に供給する電源装置において、
前記一次側を駆動するスイッチング手段と、
前記スイッチング手段の動作を制御する制御手段と、
前記スイッチング手段の駆動周波数の上限の駆動周波数を設定する設定手段と、を有し、
前記制御手段は、前記一次側に入力される電圧が定格入力電圧よりも高い電圧の場合に、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動するように制御し、
前記電源装置は更に、
前記トランスの前記一次側への電圧の入力をオンオフするスイッチと、
前記制御手段により、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動された状態で、前記二次側の出力が閾値を超えたら前記スイッチをオフする過電圧検知手段と、を有することを特徴とする電源装置。
前記上限の駆動周波数とは、前記定格入力電圧を出力する際の駆動周波数よりも高い周波数であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置
記録材に画像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段に電力を供給する電源と、を有し、
前記電源は、一次側と二次側を絶縁したトランスと、前記トランスの駆動周波数を制御することにより前記一次側に入力された電圧を変換し、前記二次側に出力された電圧を負荷に供給する電源装置であって、更に、
前記一次側を駆動するスイッチング手段と、
前記スイッチング手段の動作を制御する制御手段と、
前記スイッチング手段の駆動周波数の上限の駆動周波数を設定する設定手段と、を有し、
前記制御手段は、前記一次側に入力される電圧が定格入力電圧よりも高い電圧の場合に、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動するように制御し、
前記電源装置は更に、
前記トランスの前記一次側への電圧の入力をオンオフするスイッチと、
前記制御手段により、前記スイッチング手段の駆動周波数を前記上限の駆動周波数で駆動された状態で、前記二次側の出力が閾値を超えたら前記スイッチをオフする過電圧検知手段と、を有することを特徴とする画像形成装置。
前記上限の駆動周波数とは、前記定格入力電圧を出力する際の駆動周波数よりも高い周波数であることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置
前記画像形成手段を制御する制御部を有し、
前記電源は前記制御部に電力を供給することを特徴とする請求項３または４に記載の画像形成装置。