JP2023140635A - 電力変換装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング停止時のリンギングを防止し、ひいては、異常画像の形成を防止することが可能な電力変換装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】実施形態の電力変換装置は、スイッチングパルス信号に基づいて、スイッチング素子を制御し、直流電力を交流電力に変換して電力供給対象に対して出力する電力変換部と、交流電流位相差を記憶する記憶部と、交流電圧実効値を検出する電圧検出部と、交流電流実効値を検出する電流検出部と、電流位相差、交流電圧実効値及び交流電流実効値に基づいて、交流電流が零となるタイミングでスイッチングパルス信号の出力を停止する制御部と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、電力変換装置及び画像形成装置に関する。

従来、スイッチング電源装置において、スイッチング停止時のリンギングを早く収束する目的で、フィルタLと並列にコンデンサ、抵抗を実装する構成が開示されている。

しかしながら異常画像形成防止(異常放電防止)という観点では収束までの時間が遅いという問題を解決できていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スイッチング停止時のリンギングを防止し、ひいては、異常画像の形成を防止することが可能な電力変換装置及び画像形成装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態の電力変換装置は、スイッチングパルス信号に基づいて、スイッチング素子を制御し、直流電力を交流電力に変換して電力供給対象に対して出力する電力変換部と、交流電流位相差を記憶する記憶部と、交流電圧実効値を検出する電圧検出部と、交流電流実効値を検出する電流検出部と、電流位相差、交流電圧実効値及び交流電流実効値に基づいて、交流電流が零となるタイミングでスイッチングパルス信号の出力を停止する制御部と、を備える。

本発明によれば、スイッチング停止時のリンギングを防止し、ひいては、異常画像の形成を防止することが可能となるという効果を奏する。

図１は、実施形態の画像形成装置の概略構成を示す一部断面図である。 図２は、出荷検査時の高圧電源装置の概要構成ブロック図である。 図３は、交流電流位相差θ１の算出説明図である。 図４は、交流出力電圧、交流出力電流及び交流電流位相差θ１との関係説明図である。 図５は、有効電流の算出説明図である。 図６は、通常動作時の高圧電源装置の概要構成ブロック図である。 図７は、実施形態のタイミングチャートである。 図８は、従来例のタイミングチャートである。 図９は、交流電流位相差θ２の算出説明図である。

次に図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、実施形態の画像形成装置の概略構成を示す一部断面図である。
画像形成装置１は、図１に示すように、デジタル複合機として構成されている。

すなわち、画像形成装置１は、複写機能と、プリンタ機能及びファクシミリ機能等を有している。操作部のアプリケーション切り替えキーにより、複写機能、プリンタ機能、ファクシミリ機能を順次に切り替えて選択することが可能となっており、複写機能の選択時には複写モードとなり、プリンタ機能の選択時にはプリンタモードとなり、ファクシミリモードの選択時にはファクシミリモードとなる。

画像形成装置での画像形成の流れを複写モードを例に挙げ、図１を用いて簡単に説明する。

複写モードでは、原稿束がＡＤＦ２により、順に画像読取装置３に給送され、画像読み取り装置により、画像情報が読み取られる。そしてその読み取られた画像情報は、画像処理手段を介して書き込み手段としての書込ユニット４により光情報に変換され、感光体ドラム６は、電力変換装置としての高圧電源装置１０により一様に帯電された後に書込ユニット４からの光情報で露光されて静電潜像が形成される。この感光体ドラム６上の静電潜像は現像装置７により現像されてトナー像となる。このトナー像は、搬送ベルト８により転写紙に転写され、転写紙は、定着装置９によりトナー像が定着され、排出される。

図２は、出荷検査時の高圧電源装置の概要構成ブロック図である。
高圧電源装置１０は、ドライブ部２１と、平滑回路２２と、トランス２３と、電圧検出部２４と、電流検出部２５と、直流（ＤＣ）発生回路２６と、制御ＣＰＵ２７と、を備えている。

ドライブ部２１は、インバータ回路を有しており、制御ＣＰＵ２７から入力されるスイッチングパルス信号ＳＰに基づいて、スイッチング素子により直流電力を矩形波状の交流電力に変換して平滑回路２２に出力する。
ここで、スイッチング素子としては、ＭＯＳトランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＳｉＣトランジスタ、ＧａＮトランジスタ等が用いられる。

平滑回路２２は、矩形波状の交流電力を平滑して、よりアナログ波形に近い交流電力に変換してトランス２３に出力する。
トランス２３は、一次コイルに入力された交流電力の電圧を変換して二次コイルを介して、感光体ドラム６に印加する。

電圧検出部２４は、トランス２３の交流出力電圧実効値Ｖ１を検出して、制御ＣＰＵ２７に出力する。
電流検出部２５は、トランス２３の二次コイルを流れる交流出力電流実効値Ｉ１を検出して制御ＣＰＵ２７に出力する。

直流（ＤＣ）発生回路２６は、トランス２３の二次コイルの出力電圧に重畳する直流電圧を発生させる。
制御ＣＰＵ２７は、入力された交流周波数命令（コマンド）に基づいて、有効電流を演算する有効電流演算部２７Ａと、各種情報を記憶するメモリ２７Ｂと、スイッチングパルス信号ＳＰを生成して出力するパルスパターン制御部２７Ｃと、を備えている。
ここで、メモリ部２７Ｂは、記憶部として機能している。

また、出荷検査時の検査治具ＪＧは、感光体ドラム６の印加交流電圧ＡＣＶを検出し、感光体ドラム６への供給交流電流ＡＣＩを検出し、交流電流位相差θ１を求めて、制御ＣＰＵ２７に出力する機能を有している。

次に出荷検査時の動作について説明する。
高圧電源装置１０の制御ＣＰＵ２７は、画像形成装置１の制御部（図＃＃参照）からの交流周波数命令（コマンド）に基づいて、パルスパターン制御部２７Ｃがドライブ部２１を制御するためのスイッチングパルス信号ＳＰを生成し、ドライブ部２１に出力する。

ドライブ部２１は、制御ＣＰＵ２７から入力されるスイッチングパルス信号ＳＰに基づいて、インバータ回路により直流電力を矩形波状の交流電力に変換して平滑回路２２に出力する。

平滑回路２２は、矩形波状の交流電力を平滑して、よりアナログ波形に近い交流電力に変換してトランス２３に出力する。
トランス２３は、一次コイルに入力された交流電力の電圧を変換して二次コイルを介して、感光体ドラム６に印加する。

これにより、検査治具ＪＧは、感光体ドラム６の印加交流電圧ＡＣＶを検出し、感光体ドラム６への供給交流電流ＡＣＩを検出し、交流電流位相差θ１を求めて、制御ＣＰＵ２７の有効電流演算部２７Ａに出力する。

図３は、交流電流位相差θ１の算出説明図である。
図４は、交流出力電圧、交流出力電流及び交流電流位相差θ１との関係説明図である。

より具体的には、交流電力の皮相電力Ｓ、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ及び交流電流位相差θ１の関係は、図３に示すようになっており、検査治具ＪＧは、印加交流電圧ＡＣＶの瞬時値及び供給交流電流ＡＣＩの瞬時値に基づいて皮相電力Ｓ及び有効電力Ｐを算出し、次式に基づいて、交流電流位相差を算出する。
θ１＝ｃｏｓ－１（Ｐ／Ｓ）

この交流電流位相差θ１は、図４に示すように、出力電圧の位相のゼロクロス点と、出力電流の位相のゼロクロス点の差として表される。
これと並行して、高圧電源装置１０の電圧検出部２４は、トランス２３の交流出力電圧実効値Ｖ１を検出して、制御ＣＰＵ２７の有効電流演算部２７Ａに出力する。

また、電流検出部２５は、トランス２３の二次コイルを流れる交流出力電流実効値Ｉ１を検出して制御ＣＰＵ２７の有効電流演算部２７Ａに出力する。
これにより有効電流演算部２７Ａは、交流電流位相差θ１の測定タイミングに対応する電流検出部２５から入力された交流出力電流実効値Ｉ１に基づいて有効電流Ｉｒを算出し、メモリ２７Ｂに格納する。

図５は、有効電流の算出説明図である。
交流電流位相差θ１は、図５に示すように、次式で表される。
θ１＝ｃｏｓ^－１（Ｉｒ／Ｉ１）
したがって、有効電流Ｉｒは、次式で表される。
Ｉｒ＝Ｉ１・ｃｏｓθ１

図６は、通常動作時の高圧電源装置の概要構成ブロック図である。
図６において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
図６において、図１と異なる点は、高圧電源装置１０が制御ＣＰＵ２７が画像形成装置１の制御部から入力された交流周波数命令（コマンド）ＡＣＦＣ、停止命令（コマンド）ＳＴＰ及び位相補正モード（コマンド）ＰＡに基づいて、スイッチングパルス信号ＳＰの停止タイミングを計算し、停止命令ＳＴＰを生成して、パルスパターン制御部２７Ｃに出力する停止タイミング計算部２７Ｄを備えている点である。

また、図１と異なる他の点は、画像形成装置１において、高圧電源装置１０を制御する制御部１Ａ及び感光体ドラム６の走行距離（駆動時間）を監視して、制御部１Ａに通知する走行距離監視部１Ｂを図示した点である。

この場合において、感光体ドラム６は、高電位側電源（高圧電源装置の出力）と低電位側電源（設置）との間に直列接続されたコンデンサ６Ａ、６Ｂと、コンデンサ６Ａと並列接続された抵抗６Ｃによりモデル化することが可能である。

さらにコンデンサ６Ａ、６Ｂは、感光体ドラム６の積算走行距離（積算駆動時間）の増加に伴って、容量が変化する可変容量コンデンサと見なすことが可能となっている。
そして、コンデンサ６Ａ、６Ｂの容量変化に伴って交流電流位相差θ２（→工場出荷時θ２＝θ１）が変化することとなる。

次に画像形成装置の通常動作時の動作について説明する。
この場合において、メモリ２７Ｂには、当該時点における交流電流位相差θ２（→工場出荷時θ２＝θ１）が記憶されているものとする。

感光体ドラム６に交流電圧を印加する場合においては、制御部１Ａは、交流周波数命令（コマンド）ＡＣＦＣを高圧電源装置１０の制御ＣＰＵ２７に出力する。

これにより、高圧電源装置１０の制御ＣＰＵ２７は、画像形成装置１の制御部からの交流周波数命令（コマンド）ＡＣＦＣに基づいて、パルスパターン制御部２７Ｃがドライブ部２１を制御するためのスイッチングパルス信号ＳＰを生成し、ドライブ部２１に出力する。

ドライブ部２１は、制御ＣＰＵ２７から入力されるスイッチングパルス信号ＳＰに基づいて、インバータ回路により直流電力を矩形波状の交流電力に変換して平滑回路２２に出力する。

平滑回路２２は、矩形波状の交流電力を平滑して、よりアナログ波形に近い交流電力に変換してトランス２３に出力する。
トランス２３は、一次コイルに入力された交流電力の電圧を変換して二次コイルを介して、感光体ドラム６に印加して、画像を形成させることとなる。

そして、制御部１Ａは、走行距離監視部１Ｂの監視結果に基づいて、画像形成が終了するタイミングに至ると、停止命令ＳＴＰを制御ＣＰＵ２７の停止タイミング計算部２７Ｄに出力する。

これにより停止タイミング計算部２７Ｄは、メモリ２７Ｂから読み出した交流電流位相差θ２及び制御部１Ａから入力された交流周波数命令、電圧検出部から入力された交流出力電圧実効値Ｖ１、電流検出部から入力された交流出力電流実効値Ｉ２に基づいて停止タイミングを算出して、停止命令ＳＴＰをパルスパターン制御部に出力する。
これにより、パルスパターン制御部は、スイッチングパルス信号ＳＰの出力を停止する。

次により具体的にスイッチングパルス信号ＳＰの出力停止時の動作を説明する。
図７は、実施形態のタイミングチャートである。
初期状態において、高圧電源装置１０は、定常動作を行っており、制御ＣＰＵ２７のパルスパターン制御部２７Ｃは、スイッチングパルス信号ＳＰを出力しているものとする。

画像形成装置１の制御部１Ａから時刻ｔ１において停止命令ＳＴＰが入力されると、制御ＣＰＵ２７の停止タイミング計算部２７Ｄは、メモリ２７Ｂに記憶されている交流電流位相差θ２を読み出し、制御ＣＰＵ２７の内部で管理している交流電圧位相を基準として、すなわち、制御ＣＰＵ２７の内部で管理している交流電圧位相のゼロクロス点と、出力電流のゼロクロス点との差に相当する位相差ΔＰを算出する。

より詳細には、
位相差ΔＰ＝３６０°－θ２
を算出する。

そして、停止タイミング計算部２７Ｄは、制御ＣＰＵ２７の内部で管理している交流電圧位相のゼロクロス点から位相差ΔＰが経過したタイミングである時刻ｔ２において、パルスパターン制御部を制御して、スイッチングパルス信号ＳＰの出力を停止させる。

ここで、時刻ｔ２は、交流電流が零となるタイミングであり、理想的には、交流電流の位相が０°となるタイミングである。実効的には、時刻ｔ２は、交流電流の位相が０°近傍の所定位相範囲となるタイミングとなればよく、所定位相範囲は、±３０°であればよい。

図８は、従来例のタイミングチャートである。
図８の従来例に示すように、交流出力電流がゼロクロス点ではないタイミングである時刻ｔ１１にスイッチングパルス信号ＳＰの出力を停止させた場合には、交流出力電流が流れている状態で、スイッチングパルス信号ＳＰの出力が停止されるので、平滑回路や感光体ドラムに対応するインダクタ成分あるいは容量成分における残存エネルギーに起因して、図８に示すように、時刻ｔ１１以降において、リンギングが発生する。

そして、図８中、破線楕円ＯＶＬで示すように、交流出力電圧が放電電圧を超えることとなり、異常放電が発生し、異常画像形成などがなされることとなる。さらには、異常放電に起因して感光体ドラム６等の機械部品を損傷し、寿命低下を招くなどの不具合が生じる。

これに対し、本実施時形態によれば、図７に示したように、交流出力電流の位相が０°近傍の所定位相範囲となるタイミングをスイッチングパルス信号ＳＰの出力を停止するタイミングとする。

すなわち、交流出力電流が流れていないタイミングあるいは交流出力電流が流れていないとみなせるタイミング（＝時刻ｔ２あるいは時刻ｔ２近傍のタイミング）でスイッチングパルス信号ＳＰの出力を停止させることとなる。

したがって、交流出力電圧は直ちに０となってその状態を維持し、図８に示すように、リンギングが発生することはない。
ここで、所定位相範囲とは、交流出力電流の位相＝０°に対して、±３０°の範囲である。

この範囲であれば、平滑回路や感光体ドラムに対応するインダクタ成分あるいは容量成分における残存エネルギー量をリンギングの原因とならない程度に押さえることができることとなる。

すなわち、高圧電源装置１０において、交流電力の出力停止時において、交流出力電圧及び交流出力電流のリンギングを防止することができる。
ひいては、画像形成装置１における異常画像生成を抑制し、感光体などの機械部品の寿命低下を抑制することができる。

次に位相補正モードの動作を説明する。
画像形成装置１の制御部１Ａは、走行距離監視部の出力に基づいて、前回の位相補正モード（初回は、工場出荷時検査）からの積算走行距離が所定の値を超えた場合には、位相補正モードへの移行命令ＰＡを停止タイミング計算部２７Ｄに出力する。

これにより、停止タイミング計算部２７Ｄは、メモリ２７Ｂに格納されている交流電流位相差θ２を更新するために新たな交流電流位相差θ２を算出する。

図９は、交流電流位相差θ２の算出説明図である。
このとき、高圧電源装置１０の電圧検出部２４は、トランス２３の交流出力電圧実効値Ｖ１を検出して、制御ＣＰＵ２７の有効電流演算部２７Ａに出力する。

また、電流検出部２５は、トランス２３の二次コイルを流れる交流出力電流実効値Ｉ２を検出して制御ＣＰＵ２７の停止タイミング計算部２７Ｄに出力する。
これにより停止タイミング計算部２７Ｄは、電流検出部２５から入力された交流出力電流実効値Ｉ２に基づいて有効電流Ｉｒを算出する。

次に停止タイミング計算部２７Ｄは、交流出力電流実効値Ｉ２及び算出した有効電流Ｉｒに基づいて、新たな交流電流位相差θ２を次式により算出する。
θ２＝ｃｏｓ^－１（Ｉｒ／Ｉ２）

そして、制御ＣＰＵ２７は、メモリ２７Ｂに算出した新たな交流電流位相差θ２を記録して、更新する。
したがって、常に最適な交流電流位相差θ２を保持でき、停止タイミング計算部２７Ｄは、常に最新の交流電流位相差θ２を用いてスイッチングパルス信号ＳＰの出力を停止させることとなる。

この結果、より確実に交流出力電流が流れていないタイミングでスイッチングパルス信号ＳＰの出力を停止させることができる状態を維持できる。
長期にわたって、交流出力電圧波形及び交流出力電流波形において、リンギングが発生しない状態を維持することができる。
したがって、上記実施形態によれば、スイッチング電源装置の出力停止時における交流出力電圧及び交流出力電流におけるリンギングを防止することができ、異常画像の形成や、感光体ドラムなどの機械部品の寿命の低下を抑制することができる。

以上の説明においては、位相補正モードへの移行を感光体積算走行距離に基づいて行う場合について説明したが、感光体ドラムの容量特性は、温度や湿度によっても変化するので、温度が所定の閾値温度を超えた場合や、湿度が所定の閾値湿度を超えた場合に、位相補正モードへ移行するように構成することも可能である。

より詳細には、図６に示すように、温度検出部としての温度センサ１Ｃを電力供給対象である感光体ドラム６の近傍に設ける。
そして、温度センサ１Ｃに、温度検出信号ＴＰを制御部１Ａに出力させ、感光体ドラム６の周囲温度を検出する。そして制御部１Ａは、温度が所定の閾値温度を超えた場合には、交流電流位相差θ２の誤差が大きくなるので、交流電流位相差θ２を更新するようにしてもよい。

また、図６に示すように、湿度検出部としての湿度センサ１Ｄを電力供給対象である感光体ドラム６の近傍に設ける。
そして、湿度センサ１Ｄに、湿度検出信号ＨＭを制御部１Ａに出力させ、感光体ドラム６の周囲湿度を検出する。そして制御部１Ａは、湿度が所定の閾値湿度を超えた場合には、交流電流位相差θ２の誤差が大きくなるので、交流電流位相差θ２を更新するようにしてもよい。

以上の説明においては、高圧電源装置１０は、画像形成装置１の制御部１Ａに位相更新モードへの移行が指示された場合に交流電流位相差θ２を更新するようにしていたが、所定のチェックタイミングに交流電流位相差θ２を算出し、前回の更新時からの交流電流位相差θ２の変化量が所定の閾値変化量を超えた場合に交流電流位相差θ２を更新するようにしてもよい。

また、以上の説明は、感光体ドラムを負荷とする場合について説明したが、スイッチング電源装置におけるスイッチング動作の停止時にリンギングが発生する構成（容量成分を有する負荷）であれば、同様に適用が可能である。
本実施の形態の画像形成装置は、ＣＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤなどの外部記憶装置と、ディスプレイ装置などの表示装置と、操作パネルなどの入力装置を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

なお、上記実施の形態では、本発明の画像形成装置を、コピー機能、プリンタ機能、スキャナ機能およびファクシミリ機能のうち少なくとも２つの機能を有する複合機に適用した例を挙げて説明したが、複写機、プリンタ、スキャナ装置、ファクシミリ装置等の画像形成装置であればいずれにも適用することができる。

１ 画像形成装置
１Ａ 制御部
１Ｂ 走行距離監視部
１Ｃ 温度センサ
１Ｄ 湿度センサ
２ ＡＤＦ
３ 画像読取装置
４ 書込ユニット
６ 感光体ドラム
６Ａ コンデンサ
６Ｃ 抵抗
７ 現像装置
８ 搬送ベルト
９ 定着装置
１０ 高圧電源装置（電力変換装置）
２１ ドライブ部
２２ 平滑回路
２３ トランス
２４ 電圧検出部
２５ 電流検出部
２６ 発生回路
２７ 制御ＣＰＵ
２７Ａ 有効電流演算部
２７Ｂ メモリ
２７Ｃ パルスパターン制御部
２７Ｄ 停止タイミング計算部
ＡＣＩ 供給交流電流
ＡＣＶ 印加交流電圧
ＨＭ 湿度検出信号
Ｉｒ 有効電流
Ｉ１ 実効値
Ｉ２ 交流出力電流実効値
ＪＧ 検査治具
ＰＡ 移行命令
ＳＰ スイッチングパルス信号
ＳＰ スイッチングパルス信号
ＳＴＰ 停止命令
ＴＰ 温度検出信号
Ｖ１ 交流出力電圧実効値
ΔＰ 位相差
θ１ 交流電流位相差（初期値）
θ２ 交流電流位相差

特開２００６－２１１８７７号公報

Claims (10)

1. スイッチングパルス信号に基づいて、スイッチング素子を制御し、直流電力を交流電力に変換して電力供給対象に対して出力する電力変換部と、
   交流電流位相差を記憶する記憶部と、
   交流電圧実効値を検出する電圧検出部と、
   交流電流実効値を検出する電流検出部と、
   前記交流電流位相差、前記交流電圧実効値及び前記交流電流実効値に基づいて、交流電流が零となるタイミングで前記スイッチングパルス信号の出力を停止する制御部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記交流電流が零となるタイミングは、前記交流電流の位相が０°近傍の所定位相範囲となるタイミングである、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記所定位相範囲は、±３０°とされている、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電力変換部は、直流電源に接続され、前記スイッチングパルス信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動するドライブ部と、
   前記ドライブ部の出力の平滑化を行う平滑回路と、
   前記平滑回路の出力の電圧を変換して出力するトランスと、
   を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
5. 更新指示が入力された場合に、前記交流電流実効値に基づいて有効電流値を算出し、前記交流電流実効値及び前記有効電流値に基づいて、交流電流位相差を算出し、前記記憶部の前記交流電流位相差を更新する更新部を備える、
   請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記電力供給対象の温度あるいは前記電力供給対象の周囲温度を検出する温度検出部を備え、
   前記更新部は、検出した前記温度が所定の閾値温度を超えた場合に前記交流電流位相差を更新する、
   請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記電力供給対象の周囲の湿度を検出する湿度検出部を備え、
   前記更新部は、検出した前記湿度が所定の閾値湿度を超えた場合に前記交流電流位相差を更新する、
   請求項５に記載の電力変換装置。
8. 前記交流電流実効値に基づいて有効電流値を算出し、前記交流電流実効値及び前記有効電流値に基づいて、交流電流位相差を算出する算出部と、
   前回の更新からの前記交流電流位相差の変化量が所定の閾値変化量を超えた場合に、前記算出部により算出された前記交流電流位相差で前記記憶部の前記交流電流位相差を更新する更新部を備える、
   請求項１に記載の電力変換装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の電力変換装置と、
   前記電力供給対象としての感光体ドラムと、
   を備えた画像形成装置。
10. 請求項５に記載の電力変換装置と、
    前記電力供給対象としての感光体ドラムと、
    前記感光体ドラムの走行距離を算出し、前記走行距離の監視を行う走行距離監視部と、
    前記走行距離が所定の走行距離を超えた場合に、前記更新指示を出力する制御部と、
    を備えた画像形成装置。

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