給電装置
【課題】構成する電気二重層キャパシタの使用数量を減らすことができ、蓄電密度、エネルギー密度を高め装置の小型、軽量化を実現した給電装置の提供。
【解決手段】温度対抵抗値が正特性を示す負荷５に対し電力を供給する給電装置であって、キャパシタ蓄電電源１と、充電回路３と、放電回路４と、前記負荷５に給電を開始する信号に応じて前記充電回路３及び放電回路４を制御する制御回路６と、を備え、前記キャパシタ蓄電電源１には尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定がされており、前記制御回路６は、前記負荷５に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源１を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記負荷５に給電を開始する信号が入力されたとき、前記キャパシタ蓄電電源１を前記尖頭電圧まで充電した後、前記負荷５に放電を行うように制御する。
【解決手段】温度対抵抗値が正特性を示す負荷５に対し電力を供給する給電装置であって、キャパシタ蓄電電源１と、充電回路３と、放電回路４と、前記負荷５に給電を開始する信号に応じて前記充電回路３及び放電回路４を制御する制御回路６と、を備え、前記キャパシタ蓄電電源１には尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定がされており、前記制御回路６は、前記負荷５に給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源１を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記負荷５に給電を開始する信号が入力されたとき、前記キャパシタ蓄電電源１を前記尖頭電圧まで充電した後、前記負荷５に放電を行うように制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタを利用した給電装置に関し、さらに詳しく言えば、温度対抵抗値が正特性を示すヒータを急速に発熱状態とするのに好適な給電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタは、二次電池に比べて急速な充放電が可能であるとともに、サイクル寿命がはるかに長いため、近年その用途が拡大しており、その一つとして特許文献１には、画像形成装置（電子写真方式による複写機）が備える定着装置の定着ヒータ用電源への適用が開示されている。
【０００３】
すなわち、特許文献１に記載の発明では、記録媒体に転写したトナー像を加熱，加圧して記録媒体に固着させるにあたって、その定着装置に電力を供給して加熱する主電源装置と補助電源装置とを備え、主電源装置は商用電源に接続されるが、補助電源装置には電気二重層キャパシタが用いられる。
【０００４】
定着装置の加熱動作時には、主電源装置から定着装置に供給される電力に加えて、電気二重層キャパシタからも定着装置に電力を供給することにより、定着装置の定着ヒータを急速に加熱する一方で、待機状態時には主電源装置より電気二重層キャパシタを充電するようにしている。
【特許文献１】特許第３５８８００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載のものにおいては、電気二重層キャパシタの利用効率についてはまでは考慮されていない、という問題があった。すなわち、複写機などの画像形成装置においては小型化が求められており、これに伴い、電源装置として電気二重層キャパシタを実装する場合には、電気二重層キャパシタが占めるスペースをなるべく狭くする必要があるが、特許文献１のものはこのようなことが考慮されていない。
【０００６】
この発明は、電気二重層キャパシタを利用したキャパシタ蓄電電源の利用可能な実エネルギー密度を高めると共に、負荷の運転開始時に所望の電圧まで効率よく充電し、電気二重層キャパシタを無駄なく効率的に利用できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、上記のような種々の課題を解決するものであって、そのために請求項１に係る発明は、温度対抵抗値が正特性を示すヒータに対し電力を供給する給電装置であって、キャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源に充電を行う充電回路と、前記キャパシタ蓄電電源から前記ヒータに放電を行う放電回路と、前記ヒータに給電を開始する信号に応じて前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路と、を備え、前記キャパシタ蓄電電源には尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定がされており、前記制御回路は、前記ヒータに給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記ヒータに給電を開始する信号が入力されたとき、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記ヒータに放電を行うように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の給電装置によれば、構成する電気二重層キャパシタの使用数量を減らすことができ、より蓄電密度、エネルギー密度を高め装置の小型、軽量、コンパクト化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の給電装置によれば、まずキャパシタ蓄電電源を尖頭電圧まで充電することによって、給電電圧を上昇させ、負荷に給電することによって、突入電流を積極的に増加させて、起動時低抵抗負荷であるヒータの抵抗を素早く増加させ、結果として、ヒータを素早く加熱するようにして、適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間を短縮するようにしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図であり、図２は本発明の実施の形態に係る給電装置におけるスイッチ設定に伴う給電種別を説明する図であり、図３は本発明の実施の形態に係る給電装置におけるキャパシタ蓄電電源の使用方法を説明する図である。
【００１１】
図中、１はキャパシタ蓄電電源、２は商用電源、３は充電回路、４は放電回路、５は負荷、６は制御回路、７、８、９はスイッチ回路（ＳＷ）、ＥＤＬＣは電気二重層キャパシタを示す。
【００１２】
図１において、キャパシタ蓄電電源１は、複数個のキャパシタを直並列に接続することによって、負荷５の要求に応じた定格容量の構成とし、充電して蓄電し負荷５に給電するものである。また、キャパシタ蓄電電源１は、例えば電気二重層キャパシタ、ナノゲートキャパシタなどを用いて構成するものであり、短時間の大電流放電、大電力の供給を可能にするものである。充電回路３は、商用電源２を電源として、これらの電源からキャパシタ蓄電電源１を充電する回路であり、放電回路４は、負荷５に対する給電要求に応じて、充電回路３からの電力及び/又はキャパシタ蓄電電源１から蓄電された電力を放電するも
のである。
【００１３】
制御回路６は、負荷５の運転開始や給電要求の指令信号を、負荷５の負荷状態、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcが入力されて、充電回路３、放電回路４、スイッチ回路７
、８、９を制御する。また、制御回路６は、このような上記のような制御と共に、キャパシタ蓄電電源１の充放電を制御するものである。
【００１４】
そのためにまた制御回路６は、キャパシタ蓄電電源１、負荷５の構成、要求される制御の内容によって、適宜キャパシタ蓄電電源１の充放電電流、充電電圧、温度などの検出信号、負荷５の端子電圧、負荷電流（放電電流）などの検出信号、その他充電回路３、放電回路４の制御に必要な検出信号を入力する。これによって、例えば、キャパシタ蓄電電源１を構成する複数個の電気二重層キャパシタのバンク切換などを行いつつ、キャパシタ蓄電電源１の充電放電制御を行う。このようなキャパシタ蓄電電源１の制御には従来周知の方法を適宜用いることができる。
【００１５】
本実施形態において特筆すべきであることは、制御回路６において、尖頭電圧Ｖcpとそれより低い待機電圧Ｖchとを設定して、負荷５に給電を開始する前後でキャパシタ蓄電電源１の充放電を制御していることである。
【００１６】
すなわち、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcは、負荷５が運転停止、運転待機、運
転休止等により給電を要求していない時、図３に示すように待機電圧Ｖch以下の電圧の充電状態に維持される。この状態は、待機電圧Ｖch或いはそれ以下の電圧を設定電圧として、負荷５が給電を要求していない時、充電回路３を通して商用電源２からキャパシタ蓄電
電源１を充電されることにより維持される。その後は、自己放電により充電電圧の低下があっても充電を停止したまま放置してもよいし、充電回路３を通して商用電源２からフロートモードでキャパシタ蓄電電源１を充電して設定電圧に維持するように制御回路６が充電回路３を制御してもよい。
【００１７】
制御回路６は、図３に示すように時点ｔhrで指令信号として負荷５に給電を開始する指令信号を入力すると、まず、充電回路３を通して商用電源２からキャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧Ｖcpまで充電する。そして、キャパシタ蓄電電源１が尖頭電圧Ｖcpまで充電された時点ｔosから所望の運転要求、給電要求に基づきキャパシタ蓄電電源１から放電回路４を通して負荷５に放電を開始する。このように本実施形態では、キャパシタ蓄電電源１に対し、所謂負荷５が運転を開始するまでは、準備状態として、充電電圧Ｖcを一定の水準
の待機電圧Ｖch以下に保持して待機し、尖頭電圧Ｖcpをスイングバック定格として負荷５の運転開始時に充電電圧Ｖcを尖頭電圧Ｖcpまで急速充電してから負荷５に放電を開始し
給電を行う。
【００１８】
このことにより、キャパシタ蓄電電源１が最大出力時の尖頭電圧Ｖcpに充電されたまま長時間保持されることがなくなる。つまり、負荷５が起動するまでの長時間放置される準備状態では、尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖch以下でキャパシタ蓄電電源１の充電電圧を保持する。したがって、キャパシタ蓄電電源１が準備状態で高い充電電圧に放置されることにより性能劣化が進むのを防ぐことができる。しかも、負荷５に給電を開始する時には、完全な放電状態ではなく、待機電圧Ｖchの近傍から急速充電するので、起動時間を短縮することができる。また、尖頭電圧Ｖcpまで充電電圧を高めることにより、待機電圧Ｖchに比べ蓄電量を大幅に増大させることができ、構成するキャパシタの使用数量を減らすことができる。そのことは、より蓄電密度、エネルギー密度を高め電源の小型、軽量、コンパクト化を図ることができ、キャパシタ蓄電電源１の利用効率の大幅な向上を図ることができる。
【００１９】
次に、本実施形態における負荷５についてより具体的に説明する。複写機、プリンタ、ファクシミリ等においては、普通紙やオーバーヘッドプロジェクタ用フィルムなどの記録媒体上に画像を形成し記録する工程を有する。様々な画像形成記録方式が実現されているが、そのなかでも高速性、画像品質、コストなどから画像形成装置に広く採用されているのが電子写真方式である。電子写真方式の画像形成装置では、紙やフィルムなどの記録媒体上に未定着トナー像を形成し、熱と圧力で固定する定着工程がある。定着方式としては、高速性、安全性等の面からヒートローラ方式が現在最も多く採用されている。
【００２０】
このヒートローラ方式とは、ハロゲンヒータなどの発熱部材により加熱される加熱ローラと、これに対向配置される加圧ローラとを圧接させた相互圧接部を形成し、この上記圧接部に、未定着トナー像が形成されたシート状の記録媒体を通過させて加熱する方式である。加熱ローラは鉄やアルミなどの金属ローラを主に使用しており熱容量が大きい。このため、使用可能温度である約１８０℃前後まで昇温するには数分から十数分の長い立ち上げ時間が必要であるという欠点がある。
【００２１】
ところで、多くの場合、上記のような定着方式の定着ヒータにはハロゲンヒータやニクロム線ヒータなどが用いられるが、この種のヒータは常温では抵抗値がほぼゼロに近く、発熱するに伴って抵抗値が高くなる温度対抵抗値が正特性を示す特性を有している。本実施形態の給電装置における負荷５は、ハロゲンヒータやニクロム線ヒータなどのヒータが想定されている。
【００２２】
本発明の給電装置の給電対象であるヒータ（負荷５）は上記のような特性を有するため、ヒータに対して給電を開始した時には突入電流が発生する。通常の給電装置においては
このような突入電流は、回路にダメージを与える可能性があるので、忌避されるものであり、突入電流を抑制するような方策がとられる。ただ、突入電流を抑制することにより、ヒータの抵抗値の上昇が遅くなり、結果として適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間が遅延してしまう、というデメリットも存在する。
【００２３】
本発明の給電装置においては、負荷５に給電を開始するときは、前述のようにまず、充電回路３を通して商用電源２からキャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧Ｖcpまで充電することによって、給電電圧を上昇させる。このように電圧上昇させたキャパシタ蓄電電源１から負荷５に給電することによって、あえて突入電流を積極的に増加させて、起動時低抵抗負荷であるヒータ（負荷５）の抵抗を素早く増加させ、結果として、ヒータを素早く加熱するようにして、適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間を短縮するようにしている。
【００２４】
また、本発明の給電装置においては、負荷５に給電を開始するときは、キャパシタ蓄電電源１から電力が利用されることで、その他の大部分の回路とは切り離された状態となるので、突入電流が流れたときにおける回路へのダメージは比較的少なくてすむ。
【００２５】
次に、以上のように構成される本発明の実施の形態に係る給電装置の給電時の制御について説明する。図４は本発明の実施の形態に係る給電装置における給電制御処理のフローチャートを示す図である。ここでの給電制御処理のフローは、例えば、朝一番など冷えたヒータ（負荷５）を立ちあげるときが想定されており、尖頭電圧Ｖcpまで充電されたキャパシタ蓄電電源１から電力を供給し、ヒータ（負荷５）を暖めてから、商用交流電源に切り換えることにより、商用交流電源に大電流が流れ、それによる電圧変動が発生するという事態を解消し、また、突流を防止するために、商用電源を所定の位相角で立ちあげることも回避させ、スイッチング素子などからのノイズ発生を抑制するものである。
【００２６】
なお、図４に示すフローチャートによる処理は、給電装置の給電制御処理の一例であり、給電装置にその他の制御処理を動作させることを妨げるものではない。例えば、ヒータ（負荷５）が既にある程度の発熱状態にあるときには、その他の制御処理によって給電装置を動作させる方が効率がよい。
【００２７】
図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１００で給電装置の給電制御動作の処理を開始すると、次に、ステップＳ１０１に進み、スイッチ回路７、８、９の設定を、図２に示す（Ｉ）の状態とする。
【００２８】
次のステップＳ１０２では、キャパシタ蓄電電源１（ＥＤＬＣ）のプリチャージ処理のサブルーチンを実行する。このプリチャージ処理のサブルーチンについては後に説明する。
【００２９】
ステップＳ１０３においては、負荷５からの検出信号などを参照することによって負荷５が所望の負荷状態になったか否かが判定される。ステップＳ１０３の判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の判定結果がＮＯであるときにはそのままステップＳ１０３をループする。
【００３０】
ステップＳ１０４では、スイッチ回路７、８、９の設定を、図２に示す（IV）の状態とする。そして、ステップＳ１０５では、商用電源２によって、負荷５に給電するように動作させる。
【００３１】
ステップＳ１０６では、制御回路６に対して給電停止の指令が入力されたか否かが判定される。ステップＳ１０６の判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０６の判定結果がＮＯであるときにはそのままステップＳ１０６をループす
る。
【００３２】
ステップＳ１０７では、キャパシタ蓄電電源１（ＥＤＬＣ）の調整処理のサブルーチンを実行する。この調整処理のサブルーチンについては後に説明する。ステップＳ１０８では、給電装置の給電制御動作の処理を終了する。
【００３３】
次に、ステップＳ１０２におけるプリチャージ処理のサブルーチンについて説明する。図５は発明の実施の形態に係る給電装置におけるプリチャージ処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【００３４】
図５において、ステップＳ２００でプリチャージ処理が開始されると、次にステップＳ２０１でキャパシタ蓄電電源１への充電を開始する。ステップＳ２０２では、充電電圧Ｖｃを読み込み、ステップＳ２０３では、充電電圧Ｖcが尖頭電圧Ｖcpであるか否かが判定
される。ステップＳ２０３における判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ２０４に進み、判定結果がＮＯであるときにはステップＳ２０３をループする。
【００３５】
ステップＳ２０４では、キャパシタ蓄電電源１の電圧が尖頭電圧Ｖcpに達しているので充電を停止し、ステップＳ２０５で放電を開始する。ステップＳ２０６でメインルーチンに戻る。
【００３６】
次に、ステップＳ１０７における調整処理のサブルーチンについて説明する。図６は本発明の実施の形態に係る給電装置における調整処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【００３７】
図６において、ステップＳ３００で調整処理のサブルーチンが開始されると、次にステップＳ３０１に進み、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcが読み込まれる。
【００３８】
次のステップＳ３０２では、ＶcとＶchとの値が比較され、ＶcとＶchとの関係が「Ｖc
＝Ｖch」、「Ｖc＜Ｖch」、「Ｖc＞Ｖch」のいずれであるかが判定される。ステップＳ３０２にける判定結果が「Ｖc＝Ｖch」であるときにはステップＳ３１１に進みリターンし
、ステップＳ３０２にける判定結果が「Ｖc＜Ｖch」であるときにはステップＳ３０３に
進み、ステップＳ３０２にける判定結果が「Ｖc＞Ｖch」であるときにはステップＳ３０
７に進む。
【００３９】
ステップＳ３０３では、キャパシタ蓄電電源１の充電を開始し、ステップＳ３０４で、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを読み込む。ステップＳ３０５では、当該充電電圧
Ｖcが待機電圧Ｖchに相当するか否かが判定される。
【００４０】
ステップＳ３０５における判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ３０６に進み、ステップＳ３０５における判定結果がＮＯであるときにはステップＳ３０５をループする。
【００４１】
ステップＳ３０６では、キャパシタ蓄電電源１の充電を停止する。ステップＳ３１１でリターンし、メインルーチン処理に戻る。
【００４２】
ステップＳ３０７では、キャパシタ蓄電電源１の放電を開始し、ステップＳ３０８で、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを読み込む。ステップＳ３０９では、当該充電電圧
Ｖcが待機電圧Ｖchに相当するか否かが判定される。
【００４３】
ステップＳ３０９における判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ３１０に進み、
ステップＳ３０９における判定結果がＮＯであるときにはステップＳ３０９をループする。
【００４４】
ステップＳ３１０では、キャパシタ蓄電電源１の放電を停止する。ステップＳ３１１でリターンし、メインルーチン処理に戻る。
【００４５】
以上のように、本発明の給電装置の動作で特徴的であるのは、キャパシタ蓄電電源１の放電直前におけるプリチャージ動作（ステップＳ１０２）と、キャパシタ蓄電電源１の放電直後における調整動作（ステップＳ１０７）である。
【００４６】
本発明の給電装置がプリチャージ動作及び調整動作を行うことにより、キャパシタ蓄電電源１は、最大出力時の尖頭電圧Ｖcpに充電されたまま長時間保持されることがなく待機電圧Ｖchに維持されるようになる。つまり、負荷５が起動するまでの長時間放置される準備状態では、尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖch以下でキャパシタ蓄電電源１の充電電圧を保持される。これにより、キャパシタ蓄電電源１を構成するＥＤＬＣが準備状態で高い充電電圧に放置されることにより性能劣化が進むのを防ぐことができる。
【００４７】
また、負荷５に給電を開始する時には、完全な放電状態ではなく、待機電圧Ｖchの近傍から急速充電するので、起動時間を短縮することができ、ヒータ（負荷５）を素早く加熱することができる。
【００４８】
また、尖頭電圧Ｖcpまで充電電圧を高めることにより、待機電圧Ｖchに比べ蓄電量を大幅に増大させることができ、かつ、構成する電気二重層キャパシタの使用数量を減らすことができる。そのことにより、より蓄電密度、エネルギー密度を高め電源の小型、軽量、コンパクト化を図ることができ、キャパシタ蓄電電源１の利用効率の大幅な向上を図ることができる。
【００４９】
電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の蓄電量Ｕは、Ｕ＝１／２・Ｃ・Ｖ2となることか
ら、充電電圧を高く使用すると充電電力量が増える。しかし、ＥＤＬＣの寿命は電圧に依存（印加電圧の積算にほぼ比例）することから、ヒータ（負荷）への給電のためＥＤＬＣを複写機等に用いる場合には、その設計寿命を満足させるために、フロート電圧（待機電圧）を最適な電圧に設計せざるを得ない。したがって、決まった負荷に必要な電力量と設計寿命から、ＥＤＬＣの充電電圧・静電容量が決まることとなる。
【００５０】
本発明の給電装置では、上述のように、ヒータ（負荷５）への給電開始時に、待機電圧Ｖchから尖頭電圧Ｖcpにキャパシタ蓄電電源１を昇圧させるようにしている。待機時の待機電圧Ｖch、プリチャージ時の尖頭電圧Ｖcpとすると、その電位差はΔＶ＝Ｖcp−Ｖchとなる。
【００５１】
プリチャージからヒータ（負荷５）への給電動作に移行し、当初の待機電圧Ｖchまで戻る時間をｄｔ、ヒータ（負荷５）の動作する平均時間をｔとすると、プリチャージによる充電積算電圧Ｖuは、
Ｖu＝（ΔＶ×ｄｔ）／（２×ｔ）
となる。つまり、５分に１回、１０秒間で１０％の充電電圧上昇し、１０秒で放電したとすると、Ｖu＝０．１Ｖ×１／２×０．０７＝０．００３５×Ｖchとなり、充電積算電圧
においては、フロート電圧の３．５％となる。
【００５２】
また、プリチャージによる蓄電量はフロート充電電圧の１０％増加したとすると、電圧の２乗に比例することから、２０％強の蓄電量増加となる。
【００５３】
以上のことから、寿命設計において、充電積算電圧で待機電圧となるよう設計し、待機電圧から所定の時間内においてプリチャージ電圧（尖頭電圧Ｖcp）まで電圧を上昇させることが可能な出力電力を有する充電回路と組み合わせることにより、仕様にあわせた設計寿命を保持しながら、放電可能な蓄電電力量の増加が可能となる。
【００５４】
さらに、本実施形態におけるキャパシタ蓄電電源１の具体的な事例に基づき説明する。まず、キャパシタ蓄電電源の一般的な設計仕様、特性について説明する。図７はキャパシタ設計仕様データの構成例を示す図であり、図８は電圧と劣化特性との関係を説明する図である。
【００５５】
キャパシタ設計仕様データは、例えば図７に示すモジュール電圧ｖM、セル直列数ＮS、モジュール静電容量ＣM、モジュール内部抵抗ｒM、モジュール直列数ＮMS、並列数ＮMP、バンク電圧ｖB（満充電時の電圧ｖBf）、バンク静電容量ＣB、バンク内部抵抗ｒB、モジ
ュール数ＮM等の定格仕様を含む、所謂キャパシタ蓄電電源の設計仕様データである。モ
ジュールは、所定数のセルを直列接続したキャパシタ蓄電電源の基本構成単位であり、バンクは、複数個のモジュールを直列接続し、さらにそれらを並列接続してキャパシタ蓄電電源を構成するものである。
【００５６】
例えば２．５（Ｖ）のセルを２０個直列接続してモジュール電圧ｖMが５０（Ｖ）のモ
ジュールが構成される。このモジュールを基本構成単位とすると、負荷の使用（開始）電圧ｖLが６５０（Ｖ）である場合には、１３個のモジュールを直列接続するものとして並
列数１のバンクが選択、設定される。つまり、モジュール直列数ＮMSが１３、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が６５０（Ｖ）のバンク構成にすることで、バンク静電容量ＣBはＣM／１３、バンク内部抵抗ｒBは１３×ｒMにより求められる。並列数ＮMPが１から２になれば、それに応じて新たなバンク静電容量ＣBが２倍、バンク内部抵抗ｒBが２分の１、モジュール数ＮMが２倍になる。このようにバンクに関する定格仕様の値は、バンク電圧が決
まると共に他の値も決まる。
【００５７】
キャパシタの容量Ｃを少しでも大きく、利用できる蓄電量ｗ（＝ＣＶ2／２）を多く、
自己放電を最小にすることが求められている。しかし、これらはキャパシタに本質的なものとして、その性能向上を待つほかにないとのいうのが通常の認識である。キャパシタは、静電容量Ｃが使用により当初の１００％から経時的に何％の劣化があるか、その劣化度Ｄを指標にすると、劣化度Ｄは、図８に示すように時間ｔの平方根√ｔに比例する。しかも、その劣化の程度は、電圧Ｖch、Ｖcp（＞Ｖch）によって変化し、同じ劣化度Ｄの劣化に要する時間ｔは電圧差ΔＶに比例して電圧が低くなるほど長くなる（例えば、特許第３９６９７３６号公報参照）。
【００５８】
キャパシタの電圧Ｖchにおける劣化度ＤVhは時間ｔVhの平方根に比例することから、劣化係数αVhは、
【００５９】
【数１】
により求められる。ここで、劣化係数αVhは、電圧Ｖchにおいて劣化度ＤVhの劣化に時間ｔVhを要するという係数になる。いま、劣化度Ｄrを固定値に設定すると、それぞれの電
圧Ｖs、Ｖrにおいてその劣化度Ｄrの劣化に要する時間ｔVsr、ｔVrrより電圧Ｖxに関する値が求められる。すなわち、同じ劣化度の劣化に要する時間は電圧差の関数になることから、電圧Ｖxにおける劣化度Ｄrの劣化に要する時間ｔVxrは、
【００６０】
【数２】
ここで、λVr＝ｔVsr ／ｔVrr ：劣化時間の倍率
Ｖｉｎｔ＝Ｖｒ−Ｖｓ ：電圧差
となる。その結果、電圧Ｖｘにおける劣化係数αVxは、
【００６１】
【数３】
により求められる。
【００６２】
従来のキャパシタ蓄電電源は、負荷の使用（開始）電圧ｖLに対応する満充電時のバン
ク電圧（ｖBf）のバンク構成が選定される。この満充電時のバンク電圧（ｖBf）は、その充電状態で所定の劣化度、例えば８０％の劣化に要する時間以上の寿命を有する、つまりフロート定格電圧である。尖頭電圧Ｖcpは、負荷の使用（開始）電圧ｖLに相当するので
、従来のキャパシタ蓄電電源では、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が尖頭電圧Ｖcpとなるキャパシタ蓄電電源が選定される。しかし、本実施形態では、待機電圧Ｖchを設定して放電開始直前に尖頭電圧Ｖcpまでスイングバック充電（プリチャージ）することにより、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が待機電圧Ｖchとなるキャパシタ蓄電電源を選定することができる。それは、尖頭電圧Ｖcpの充電状態が短時間となるため、その間の充電状態によるキャパシタ蓄電電源の性能劣化、影響を低く抑えることができるからである。
【００６３】
本実施形態において、設計仕様である満充電時のバンク電圧（ｖBf）を待機電圧Ｖchとして、尖頭電圧Ｖcpまでスイングバック充電する場合、尖頭電圧Ｖcpの劣化特性は、図８により説明した電圧と劣化特性との関係には当てはまらない。それは、図８に示す特性は、その電圧の充電状態が維持されたフロートモードにおける劣化であり、すぐ放電される一時的な電圧の充電状態に対する特性ではないからである。本実施形態のスイングバック充電される、所謂スイングバック定格電圧としての尖頭電圧Ｖcpは、例えば次のようにして選定される。
【００６４】
尖頭電圧Ｖcpを選定するための試験では、サイクルモード寿命試験により、例えば負荷５の運転インターバルに相当する所定の繰り返し周期でキャパシタ蓄電電源の充電電圧をパルス状に急速充放電したとき、性能劣化が所定の範囲内となる電圧を求める。このパルス状の急速充放電試験を待機電圧Ｖchから徐々に電圧を上げながら繰り返し行うと、性能劣化の進行が大きくなる電圧を見出すことができる。この変化点となる電圧以下の電圧を尖頭電圧Ｖcpとして選定することができる。これは、キャパシタ内の不純物が電気分解により蓄積して劣化を始める電圧に相当し、キャパシタに依存する値である。例えば２．７Ｖのフロート定格電圧の電気二重層キャパシタでは、２．７Ｖの待機電圧Ｖchに対して３Ｖ程度を尖頭電圧Ｖcpとすることができる。これに対し、２．９Ｖのフロート定格電圧のナノゲートキャパシタでは、２．９Ｖの待機電圧Ｖchに対して３．７Ｖ程度を尖頭電圧Ｖcpとすることができる。勿論これ以下の電圧で待機電圧Ｖchより高い電圧であれば本実施形態の発明の効果は得られる。
【００６５】
図９はキャパシタの充放電特性と電圧との関係を説明する図である。キャパシタは、充電電圧を高電圧まで上げることにより静電容量に増す傾向が観られる。それは、例えば図９に示すように待機電圧Ｖchから電圧０Ｖまでの放電時間ΔｔとΔｔ′（＞Δｔ）に差によって観察できる。図９に示す充放電特性は、キャパシタを待機電圧Ｖchまで定電流充電
し、緩和充電（フロートモード）の後、定電流放電をした特性と同様に尖頭電圧Ｖcpまで定電流充電したときのものである。
【００６６】
また、エネルギー密度を試算すると、２．９Ｖの待機電圧Ｖch、つまり満充電時のバンク電圧（ｖBf）を３．７Ｖまでスイングバック充電して蓄電すると、約１．３倍に電圧を上げることによりエネルギー密度を１．６倍まで上げることができる。充電時間では、０Ｖから３．７Ｖまでの定電流による標準充電時間を６０秒とすると、２．９Ｖから３．７Ｖまでの充電時間は約１３秒になり、大幅な充電時間の短縮となる。
【００６７】
このように本実施形態では、使用の直前に充電し直ちに放電するので、比較的高電圧まで上げてもキャパシタの寿命への影響を少なくして実効蓄電出力を増大させることができる。また、高電圧まで充電すれば、キャパシタの漏れ電流による自己放電が増大するのは当然であるが、待機時は尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖchにとどめるので、自己放電をむしろ減少させることができる。しかも、自己放電により減少した電荷は使用の直前にスイングバック充電により埋め戻されるで、実質的に自己放電の影響は無視できる。したがって、小型、コンパクトにして大容量化したキャパシタ蓄電電源が実現でき、必要以上の設計仕様の容量に選定することによる無駄をなくすことができる。
【００６８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、電気二重層キャパシタ、ナノゲートキャパシタを具体的な数値で示したが、設計仕様の異なる各種のキャパシタにも同様に適用できることは勿論である。また、待機電圧Ｖchは、満充電時のバンク電圧（ｖBf）に相当する電圧として説明したが、公称定格電圧や最高充電電圧、使用電圧などに相当する電圧或いはそれ以下の電圧とし、尖頭電圧Ｖcpは、それより高い電圧として性能劣化が著しくならない電圧を適宜選定することができる。
【００６９】
次に本発明の他の実施形態について説明する。図１０は本発明の他の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図である。図１０に示す実施形態が、先の図１に示した実施形態と異なる点は、充電回路３の他に、もう１つの充電回路である第２充電回路１０を備える点である。
【００７０】
この第２充電回路１０は、負荷５の運転開始時にキャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖc
を尖頭電圧Ｖcpまで急速充電するときの専用の充電回路として利用するものである。キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを一定の水準の待機電圧Ｖch以下に保持するためには、
先の実施形態と同様に充電回路３を用いる。
【００７１】
このようなキャパシタ蓄電電源１をスイングバック定格にもっていくための専用の第２充電回路１０は、短時間の間に急速に充電するための専用のものを用いることができ、より効率的にキャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを尖頭電圧Ｖcpまで充電することを可能
とする。
【００７２】
なお、第２充電回路１０に、キャパシタ蓄電電源１とは別のキャパシタを設けることによって、キャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧Ｖcpまで急速充電するような構成とすることもできる。
【００７３】
本発明の給電装置によれば、構成する電気二重層キャパシタの使用数量を減らすことができ、より蓄電密度、エネルギー密度を高め装置の小型、軽量、コンパクト化を図ることができる。
【００７４】
また、本発明の給電装置によれば、まずキャパシタ蓄電電源を尖頭電圧まで充電するこ
とによって、給電電圧を上昇させ、負荷に給電することによって、突入電流を積極的に増加させて、起動時低抵抗負荷であるヒータの抵抗を素早く増加させ、結果として、ヒータを素早く加熱するようにして、適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間を短縮するようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る給電装置におけるスイッチ設定に伴う給電種別を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る給電装置におけるキャパシタ蓄電電源の使用方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る給電装置における給電制御処理のフローチャートを示す図である。
【図５】発明の実施の形態に係る給電装置におけるプリチャージ処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【図６】発明の実施の形態に係る給電装置における調整処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【図７】キャパシタ設計仕様データの構成例を示す図である。
【図８】電圧と劣化特性との関係を説明する図である。
【図９】キャパシタの充放電特性と電圧との関係を説明する図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１・・・キャパシタ蓄電電源、２・・・商用電源、３・・・充電回路、４・・・放電回路、５・・・負荷、６・・・制御回路、７、８、９・・・スイッチ回路、１０・・・第２充電回路、ＥＤＬＣ・・・電気二重層キャパシタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層キャパシタを利用した給電装置に関し、さらに詳しく言えば、温度対抵抗値が正特性を示すヒータを急速に発熱状態とするのに好適な給電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層キャパシタは、二次電池に比べて急速な充放電が可能であるとともに、サイクル寿命がはるかに長いため、近年その用途が拡大しており、その一つとして特許文献１には、画像形成装置（電子写真方式による複写機）が備える定着装置の定着ヒータ用電源への適用が開示されている。
【０００３】
すなわち、特許文献１に記載の発明では、記録媒体に転写したトナー像を加熱，加圧して記録媒体に固着させるにあたって、その定着装置に電力を供給して加熱する主電源装置と補助電源装置とを備え、主電源装置は商用電源に接続されるが、補助電源装置には電気二重層キャパシタが用いられる。
【０００４】
定着装置の加熱動作時には、主電源装置から定着装置に供給される電力に加えて、電気二重層キャパシタからも定着装置に電力を供給することにより、定着装置の定着ヒータを急速に加熱する一方で、待機状態時には主電源装置より電気二重層キャパシタを充電するようにしている。
【特許文献１】特許第３５８８００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載のものにおいては、電気二重層キャパシタの利用効率についてはまでは考慮されていない、という問題があった。すなわち、複写機などの画像形成装置においては小型化が求められており、これに伴い、電源装置として電気二重層キャパシタを実装する場合には、電気二重層キャパシタが占めるスペースをなるべく狭くする必要があるが、特許文献１のものはこのようなことが考慮されていない。
【０００６】
この発明は、電気二重層キャパシタを利用したキャパシタ蓄電電源の利用可能な実エネルギー密度を高めると共に、負荷の運転開始時に所望の電圧まで効率よく充電し、電気二重層キャパシタを無駄なく効率的に利用できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、上記のような種々の課題を解決するものであって、そのために請求項１に係る発明は、温度対抵抗値が正特性を示すヒータに対し電力を供給する給電装置であって、キャパシタ蓄電電源と、前記キャパシタ蓄電電源に充電を行う充電回路と、前記キャパシタ蓄電電源から前記ヒータに放電を行う放電回路と、前記ヒータに給電を開始する信号に応じて前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路と、を備え、前記キャパシタ蓄電電源には尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定がされており、前記制御回路は、前記ヒータに給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記ヒータに給電を開始する信号が入力されたとき、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記ヒータに放電を行うように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の給電装置によれば、構成する電気二重層キャパシタの使用数量を減らすことができ、より蓄電密度、エネルギー密度を高め装置の小型、軽量、コンパクト化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の給電装置によれば、まずキャパシタ蓄電電源を尖頭電圧まで充電することによって、給電電圧を上昇させ、負荷に給電することによって、突入電流を積極的に増加させて、起動時低抵抗負荷であるヒータの抵抗を素早く増加させ、結果として、ヒータを素早く加熱するようにして、適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間を短縮するようにしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図であり、図２は本発明の実施の形態に係る給電装置におけるスイッチ設定に伴う給電種別を説明する図であり、図３は本発明の実施の形態に係る給電装置におけるキャパシタ蓄電電源の使用方法を説明する図である。
【００１１】
図中、１はキャパシタ蓄電電源、２は商用電源、３は充電回路、４は放電回路、５は負荷、６は制御回路、７、８、９はスイッチ回路（ＳＷ）、ＥＤＬＣは電気二重層キャパシタを示す。
【００１２】
図１において、キャパシタ蓄電電源１は、複数個のキャパシタを直並列に接続することによって、負荷５の要求に応じた定格容量の構成とし、充電して蓄電し負荷５に給電するものである。また、キャパシタ蓄電電源１は、例えば電気二重層キャパシタ、ナノゲートキャパシタなどを用いて構成するものであり、短時間の大電流放電、大電力の供給を可能にするものである。充電回路３は、商用電源２を電源として、これらの電源からキャパシタ蓄電電源１を充電する回路であり、放電回路４は、負荷５に対する給電要求に応じて、充電回路３からの電力及び/又はキャパシタ蓄電電源１から蓄電された電力を放電するも
のである。
【００１３】
制御回路６は、負荷５の運転開始や給電要求の指令信号を、負荷５の負荷状態、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcが入力されて、充電回路３、放電回路４、スイッチ回路７
、８、９を制御する。また、制御回路６は、このような上記のような制御と共に、キャパシタ蓄電電源１の充放電を制御するものである。
【００１４】
そのためにまた制御回路６は、キャパシタ蓄電電源１、負荷５の構成、要求される制御の内容によって、適宜キャパシタ蓄電電源１の充放電電流、充電電圧、温度などの検出信号、負荷５の端子電圧、負荷電流（放電電流）などの検出信号、その他充電回路３、放電回路４の制御に必要な検出信号を入力する。これによって、例えば、キャパシタ蓄電電源１を構成する複数個の電気二重層キャパシタのバンク切換などを行いつつ、キャパシタ蓄電電源１の充電放電制御を行う。このようなキャパシタ蓄電電源１の制御には従来周知の方法を適宜用いることができる。
【００１５】
本実施形態において特筆すべきであることは、制御回路６において、尖頭電圧Ｖcpとそれより低い待機電圧Ｖchとを設定して、負荷５に給電を開始する前後でキャパシタ蓄電電源１の充放電を制御していることである。
【００１６】
すなわち、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcは、負荷５が運転停止、運転待機、運
転休止等により給電を要求していない時、図３に示すように待機電圧Ｖch以下の電圧の充電状態に維持される。この状態は、待機電圧Ｖch或いはそれ以下の電圧を設定電圧として、負荷５が給電を要求していない時、充電回路３を通して商用電源２からキャパシタ蓄電
電源１を充電されることにより維持される。その後は、自己放電により充電電圧の低下があっても充電を停止したまま放置してもよいし、充電回路３を通して商用電源２からフロートモードでキャパシタ蓄電電源１を充電して設定電圧に維持するように制御回路６が充電回路３を制御してもよい。
【００１７】
制御回路６は、図３に示すように時点ｔhrで指令信号として負荷５に給電を開始する指令信号を入力すると、まず、充電回路３を通して商用電源２からキャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧Ｖcpまで充電する。そして、キャパシタ蓄電電源１が尖頭電圧Ｖcpまで充電された時点ｔosから所望の運転要求、給電要求に基づきキャパシタ蓄電電源１から放電回路４を通して負荷５に放電を開始する。このように本実施形態では、キャパシタ蓄電電源１に対し、所謂負荷５が運転を開始するまでは、準備状態として、充電電圧Ｖcを一定の水準
の待機電圧Ｖch以下に保持して待機し、尖頭電圧Ｖcpをスイングバック定格として負荷５の運転開始時に充電電圧Ｖcを尖頭電圧Ｖcpまで急速充電してから負荷５に放電を開始し
給電を行う。
【００１８】
このことにより、キャパシタ蓄電電源１が最大出力時の尖頭電圧Ｖcpに充電されたまま長時間保持されることがなくなる。つまり、負荷５が起動するまでの長時間放置される準備状態では、尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖch以下でキャパシタ蓄電電源１の充電電圧を保持する。したがって、キャパシタ蓄電電源１が準備状態で高い充電電圧に放置されることにより性能劣化が進むのを防ぐことができる。しかも、負荷５に給電を開始する時には、完全な放電状態ではなく、待機電圧Ｖchの近傍から急速充電するので、起動時間を短縮することができる。また、尖頭電圧Ｖcpまで充電電圧を高めることにより、待機電圧Ｖchに比べ蓄電量を大幅に増大させることができ、構成するキャパシタの使用数量を減らすことができる。そのことは、より蓄電密度、エネルギー密度を高め電源の小型、軽量、コンパクト化を図ることができ、キャパシタ蓄電電源１の利用効率の大幅な向上を図ることができる。
【００１９】
次に、本実施形態における負荷５についてより具体的に説明する。複写機、プリンタ、ファクシミリ等においては、普通紙やオーバーヘッドプロジェクタ用フィルムなどの記録媒体上に画像を形成し記録する工程を有する。様々な画像形成記録方式が実現されているが、そのなかでも高速性、画像品質、コストなどから画像形成装置に広く採用されているのが電子写真方式である。電子写真方式の画像形成装置では、紙やフィルムなどの記録媒体上に未定着トナー像を形成し、熱と圧力で固定する定着工程がある。定着方式としては、高速性、安全性等の面からヒートローラ方式が現在最も多く採用されている。
【００２０】
このヒートローラ方式とは、ハロゲンヒータなどの発熱部材により加熱される加熱ローラと、これに対向配置される加圧ローラとを圧接させた相互圧接部を形成し、この上記圧接部に、未定着トナー像が形成されたシート状の記録媒体を通過させて加熱する方式である。加熱ローラは鉄やアルミなどの金属ローラを主に使用しており熱容量が大きい。このため、使用可能温度である約１８０℃前後まで昇温するには数分から十数分の長い立ち上げ時間が必要であるという欠点がある。
【００２１】
ところで、多くの場合、上記のような定着方式の定着ヒータにはハロゲンヒータやニクロム線ヒータなどが用いられるが、この種のヒータは常温では抵抗値がほぼゼロに近く、発熱するに伴って抵抗値が高くなる温度対抵抗値が正特性を示す特性を有している。本実施形態の給電装置における負荷５は、ハロゲンヒータやニクロム線ヒータなどのヒータが想定されている。
【００２２】
本発明の給電装置の給電対象であるヒータ（負荷５）は上記のような特性を有するため、ヒータに対して給電を開始した時には突入電流が発生する。通常の給電装置においては
このような突入電流は、回路にダメージを与える可能性があるので、忌避されるものであり、突入電流を抑制するような方策がとられる。ただ、突入電流を抑制することにより、ヒータの抵抗値の上昇が遅くなり、結果として適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間が遅延してしまう、というデメリットも存在する。
【００２３】
本発明の給電装置においては、負荷５に給電を開始するときは、前述のようにまず、充電回路３を通して商用電源２からキャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧Ｖcpまで充電することによって、給電電圧を上昇させる。このように電圧上昇させたキャパシタ蓄電電源１から負荷５に給電することによって、あえて突入電流を積極的に増加させて、起動時低抵抗負荷であるヒータ（負荷５）の抵抗を素早く増加させ、結果として、ヒータを素早く加熱するようにして、適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間を短縮するようにしている。
【００２４】
また、本発明の給電装置においては、負荷５に給電を開始するときは、キャパシタ蓄電電源１から電力が利用されることで、その他の大部分の回路とは切り離された状態となるので、突入電流が流れたときにおける回路へのダメージは比較的少なくてすむ。
【００２５】
次に、以上のように構成される本発明の実施の形態に係る給電装置の給電時の制御について説明する。図４は本発明の実施の形態に係る給電装置における給電制御処理のフローチャートを示す図である。ここでの給電制御処理のフローは、例えば、朝一番など冷えたヒータ（負荷５）を立ちあげるときが想定されており、尖頭電圧Ｖcpまで充電されたキャパシタ蓄電電源１から電力を供給し、ヒータ（負荷５）を暖めてから、商用交流電源に切り換えることにより、商用交流電源に大電流が流れ、それによる電圧変動が発生するという事態を解消し、また、突流を防止するために、商用電源を所定の位相角で立ちあげることも回避させ、スイッチング素子などからのノイズ発生を抑制するものである。
【００２６】
なお、図４に示すフローチャートによる処理は、給電装置の給電制御処理の一例であり、給電装置にその他の制御処理を動作させることを妨げるものではない。例えば、ヒータ（負荷５）が既にある程度の発熱状態にあるときには、その他の制御処理によって給電装置を動作させる方が効率がよい。
【００２７】
図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１００で給電装置の給電制御動作の処理を開始すると、次に、ステップＳ１０１に進み、スイッチ回路７、８、９の設定を、図２に示す（Ｉ）の状態とする。
【００２８】
次のステップＳ１０２では、キャパシタ蓄電電源１（ＥＤＬＣ）のプリチャージ処理のサブルーチンを実行する。このプリチャージ処理のサブルーチンについては後に説明する。
【００２９】
ステップＳ１０３においては、負荷５からの検出信号などを参照することによって負荷５が所望の負荷状態になったか否かが判定される。ステップＳ１０３の判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の判定結果がＮＯであるときにはそのままステップＳ１０３をループする。
【００３０】
ステップＳ１０４では、スイッチ回路７、８、９の設定を、図２に示す（IV）の状態とする。そして、ステップＳ１０５では、商用電源２によって、負荷５に給電するように動作させる。
【００３１】
ステップＳ１０６では、制御回路６に対して給電停止の指令が入力されたか否かが判定される。ステップＳ１０６の判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０６の判定結果がＮＯであるときにはそのままステップＳ１０６をループす
る。
【００３２】
ステップＳ１０７では、キャパシタ蓄電電源１（ＥＤＬＣ）の調整処理のサブルーチンを実行する。この調整処理のサブルーチンについては後に説明する。ステップＳ１０８では、給電装置の給電制御動作の処理を終了する。
【００３３】
次に、ステップＳ１０２におけるプリチャージ処理のサブルーチンについて説明する。図５は発明の実施の形態に係る給電装置におけるプリチャージ処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【００３４】
図５において、ステップＳ２００でプリチャージ処理が開始されると、次にステップＳ２０１でキャパシタ蓄電電源１への充電を開始する。ステップＳ２０２では、充電電圧Ｖｃを読み込み、ステップＳ２０３では、充電電圧Ｖcが尖頭電圧Ｖcpであるか否かが判定
される。ステップＳ２０３における判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ２０４に進み、判定結果がＮＯであるときにはステップＳ２０３をループする。
【００３５】
ステップＳ２０４では、キャパシタ蓄電電源１の電圧が尖頭電圧Ｖcpに達しているので充電を停止し、ステップＳ２０５で放電を開始する。ステップＳ２０６でメインルーチンに戻る。
【００３６】
次に、ステップＳ１０７における調整処理のサブルーチンについて説明する。図６は本発明の実施の形態に係る給電装置における調整処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【００３７】
図６において、ステップＳ３００で調整処理のサブルーチンが開始されると、次にステップＳ３０１に進み、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcが読み込まれる。
【００３８】
次のステップＳ３０２では、ＶcとＶchとの値が比較され、ＶcとＶchとの関係が「Ｖc
＝Ｖch」、「Ｖc＜Ｖch」、「Ｖc＞Ｖch」のいずれであるかが判定される。ステップＳ３０２にける判定結果が「Ｖc＝Ｖch」であるときにはステップＳ３１１に進みリターンし
、ステップＳ３０２にける判定結果が「Ｖc＜Ｖch」であるときにはステップＳ３０３に
進み、ステップＳ３０２にける判定結果が「Ｖc＞Ｖch」であるときにはステップＳ３０
７に進む。
【００３９】
ステップＳ３０３では、キャパシタ蓄電電源１の充電を開始し、ステップＳ３０４で、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを読み込む。ステップＳ３０５では、当該充電電圧
Ｖcが待機電圧Ｖchに相当するか否かが判定される。
【００４０】
ステップＳ３０５における判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ３０６に進み、ステップＳ３０５における判定結果がＮＯであるときにはステップＳ３０５をループする。
【００４１】
ステップＳ３０６では、キャパシタ蓄電電源１の充電を停止する。ステップＳ３１１でリターンし、メインルーチン処理に戻る。
【００４２】
ステップＳ３０７では、キャパシタ蓄電電源１の放電を開始し、ステップＳ３０８で、キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを読み込む。ステップＳ３０９では、当該充電電圧
Ｖcが待機電圧Ｖchに相当するか否かが判定される。
【００４３】
ステップＳ３０９における判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ３１０に進み、
ステップＳ３０９における判定結果がＮＯであるときにはステップＳ３０９をループする。
【００４４】
ステップＳ３１０では、キャパシタ蓄電電源１の放電を停止する。ステップＳ３１１でリターンし、メインルーチン処理に戻る。
【００４５】
以上のように、本発明の給電装置の動作で特徴的であるのは、キャパシタ蓄電電源１の放電直前におけるプリチャージ動作（ステップＳ１０２）と、キャパシタ蓄電電源１の放電直後における調整動作（ステップＳ１０７）である。
【００４６】
本発明の給電装置がプリチャージ動作及び調整動作を行うことにより、キャパシタ蓄電電源１は、最大出力時の尖頭電圧Ｖcpに充電されたまま長時間保持されることがなく待機電圧Ｖchに維持されるようになる。つまり、負荷５が起動するまでの長時間放置される準備状態では、尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖch以下でキャパシタ蓄電電源１の充電電圧を保持される。これにより、キャパシタ蓄電電源１を構成するＥＤＬＣが準備状態で高い充電電圧に放置されることにより性能劣化が進むのを防ぐことができる。
【００４７】
また、負荷５に給電を開始する時には、完全な放電状態ではなく、待機電圧Ｖchの近傍から急速充電するので、起動時間を短縮することができ、ヒータ（負荷５）を素早く加熱することができる。
【００４８】
また、尖頭電圧Ｖcpまで充電電圧を高めることにより、待機電圧Ｖchに比べ蓄電量を大幅に増大させることができ、かつ、構成する電気二重層キャパシタの使用数量を減らすことができる。そのことにより、より蓄電密度、エネルギー密度を高め電源の小型、軽量、コンパクト化を図ることができ、キャパシタ蓄電電源１の利用効率の大幅な向上を図ることができる。
【００４９】
電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の蓄電量Ｕは、Ｕ＝１／２・Ｃ・Ｖ2となることか
ら、充電電圧を高く使用すると充電電力量が増える。しかし、ＥＤＬＣの寿命は電圧に依存（印加電圧の積算にほぼ比例）することから、ヒータ（負荷）への給電のためＥＤＬＣを複写機等に用いる場合には、その設計寿命を満足させるために、フロート電圧（待機電圧）を最適な電圧に設計せざるを得ない。したがって、決まった負荷に必要な電力量と設計寿命から、ＥＤＬＣの充電電圧・静電容量が決まることとなる。
【００５０】
本発明の給電装置では、上述のように、ヒータ（負荷５）への給電開始時に、待機電圧Ｖchから尖頭電圧Ｖcpにキャパシタ蓄電電源１を昇圧させるようにしている。待機時の待機電圧Ｖch、プリチャージ時の尖頭電圧Ｖcpとすると、その電位差はΔＶ＝Ｖcp−Ｖchとなる。
【００５１】
プリチャージからヒータ（負荷５）への給電動作に移行し、当初の待機電圧Ｖchまで戻る時間をｄｔ、ヒータ（負荷５）の動作する平均時間をｔとすると、プリチャージによる充電積算電圧Ｖuは、
Ｖu＝（ΔＶ×ｄｔ）／（２×ｔ）
となる。つまり、５分に１回、１０秒間で１０％の充電電圧上昇し、１０秒で放電したとすると、Ｖu＝０．１Ｖ×１／２×０．０７＝０．００３５×Ｖchとなり、充電積算電圧
においては、フロート電圧の３．５％となる。
【００５２】
また、プリチャージによる蓄電量はフロート充電電圧の１０％増加したとすると、電圧の２乗に比例することから、２０％強の蓄電量増加となる。
【００５３】
以上のことから、寿命設計において、充電積算電圧で待機電圧となるよう設計し、待機電圧から所定の時間内においてプリチャージ電圧（尖頭電圧Ｖcp）まで電圧を上昇させることが可能な出力電力を有する充電回路と組み合わせることにより、仕様にあわせた設計寿命を保持しながら、放電可能な蓄電電力量の増加が可能となる。
【００５４】
さらに、本実施形態におけるキャパシタ蓄電電源１の具体的な事例に基づき説明する。まず、キャパシタ蓄電電源の一般的な設計仕様、特性について説明する。図７はキャパシタ設計仕様データの構成例を示す図であり、図８は電圧と劣化特性との関係を説明する図である。
【００５５】
キャパシタ設計仕様データは、例えば図７に示すモジュール電圧ｖM、セル直列数ＮS、モジュール静電容量ＣM、モジュール内部抵抗ｒM、モジュール直列数ＮMS、並列数ＮMP、バンク電圧ｖB（満充電時の電圧ｖBf）、バンク静電容量ＣB、バンク内部抵抗ｒB、モジ
ュール数ＮM等の定格仕様を含む、所謂キャパシタ蓄電電源の設計仕様データである。モ
ジュールは、所定数のセルを直列接続したキャパシタ蓄電電源の基本構成単位であり、バンクは、複数個のモジュールを直列接続し、さらにそれらを並列接続してキャパシタ蓄電電源を構成するものである。
【００５６】
例えば２．５（Ｖ）のセルを２０個直列接続してモジュール電圧ｖMが５０（Ｖ）のモ
ジュールが構成される。このモジュールを基本構成単位とすると、負荷の使用（開始）電圧ｖLが６５０（Ｖ）である場合には、１３個のモジュールを直列接続するものとして並
列数１のバンクが選択、設定される。つまり、モジュール直列数ＮMSが１３、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が６５０（Ｖ）のバンク構成にすることで、バンク静電容量ＣBはＣM／１３、バンク内部抵抗ｒBは１３×ｒMにより求められる。並列数ＮMPが１から２になれば、それに応じて新たなバンク静電容量ＣBが２倍、バンク内部抵抗ｒBが２分の１、モジュール数ＮMが２倍になる。このようにバンクに関する定格仕様の値は、バンク電圧が決
まると共に他の値も決まる。
【００５７】
キャパシタの容量Ｃを少しでも大きく、利用できる蓄電量ｗ（＝ＣＶ2／２）を多く、
自己放電を最小にすることが求められている。しかし、これらはキャパシタに本質的なものとして、その性能向上を待つほかにないとのいうのが通常の認識である。キャパシタは、静電容量Ｃが使用により当初の１００％から経時的に何％の劣化があるか、その劣化度Ｄを指標にすると、劣化度Ｄは、図８に示すように時間ｔの平方根√ｔに比例する。しかも、その劣化の程度は、電圧Ｖch、Ｖcp（＞Ｖch）によって変化し、同じ劣化度Ｄの劣化に要する時間ｔは電圧差ΔＶに比例して電圧が低くなるほど長くなる（例えば、特許第３９６９７３６号公報参照）。
【００５８】
キャパシタの電圧Ｖchにおける劣化度ＤVhは時間ｔVhの平方根に比例することから、劣化係数αVhは、
【００５９】
【数１】
により求められる。ここで、劣化係数αVhは、電圧Ｖchにおいて劣化度ＤVhの劣化に時間ｔVhを要するという係数になる。いま、劣化度Ｄrを固定値に設定すると、それぞれの電
圧Ｖs、Ｖrにおいてその劣化度Ｄrの劣化に要する時間ｔVsr、ｔVrrより電圧Ｖxに関する値が求められる。すなわち、同じ劣化度の劣化に要する時間は電圧差の関数になることから、電圧Ｖxにおける劣化度Ｄrの劣化に要する時間ｔVxrは、
【００６０】
【数２】
ここで、λVr＝ｔVsr ／ｔVrr ：劣化時間の倍率
Ｖｉｎｔ＝Ｖｒ−Ｖｓ ：電圧差
となる。その結果、電圧Ｖｘにおける劣化係数αVxは、
【００６１】
【数３】
により求められる。
【００６２】
従来のキャパシタ蓄電電源は、負荷の使用（開始）電圧ｖLに対応する満充電時のバン
ク電圧（ｖBf）のバンク構成が選定される。この満充電時のバンク電圧（ｖBf）は、その充電状態で所定の劣化度、例えば８０％の劣化に要する時間以上の寿命を有する、つまりフロート定格電圧である。尖頭電圧Ｖcpは、負荷の使用（開始）電圧ｖLに相当するので
、従来のキャパシタ蓄電電源では、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が尖頭電圧Ｖcpとなるキャパシタ蓄電電源が選定される。しかし、本実施形態では、待機電圧Ｖchを設定して放電開始直前に尖頭電圧Ｖcpまでスイングバック充電（プリチャージ）することにより、満充電時のバンク電圧（ｖBf）が待機電圧Ｖchとなるキャパシタ蓄電電源を選定することができる。それは、尖頭電圧Ｖcpの充電状態が短時間となるため、その間の充電状態によるキャパシタ蓄電電源の性能劣化、影響を低く抑えることができるからである。
【００６３】
本実施形態において、設計仕様である満充電時のバンク電圧（ｖBf）を待機電圧Ｖchとして、尖頭電圧Ｖcpまでスイングバック充電する場合、尖頭電圧Ｖcpの劣化特性は、図８により説明した電圧と劣化特性との関係には当てはまらない。それは、図８に示す特性は、その電圧の充電状態が維持されたフロートモードにおける劣化であり、すぐ放電される一時的な電圧の充電状態に対する特性ではないからである。本実施形態のスイングバック充電される、所謂スイングバック定格電圧としての尖頭電圧Ｖcpは、例えば次のようにして選定される。
【００６４】
尖頭電圧Ｖcpを選定するための試験では、サイクルモード寿命試験により、例えば負荷５の運転インターバルに相当する所定の繰り返し周期でキャパシタ蓄電電源の充電電圧をパルス状に急速充放電したとき、性能劣化が所定の範囲内となる電圧を求める。このパルス状の急速充放電試験を待機電圧Ｖchから徐々に電圧を上げながら繰り返し行うと、性能劣化の進行が大きくなる電圧を見出すことができる。この変化点となる電圧以下の電圧を尖頭電圧Ｖcpとして選定することができる。これは、キャパシタ内の不純物が電気分解により蓄積して劣化を始める電圧に相当し、キャパシタに依存する値である。例えば２．７Ｖのフロート定格電圧の電気二重層キャパシタでは、２．７Ｖの待機電圧Ｖchに対して３Ｖ程度を尖頭電圧Ｖcpとすることができる。これに対し、２．９Ｖのフロート定格電圧のナノゲートキャパシタでは、２．９Ｖの待機電圧Ｖchに対して３．７Ｖ程度を尖頭電圧Ｖcpとすることができる。勿論これ以下の電圧で待機電圧Ｖchより高い電圧であれば本実施形態の発明の効果は得られる。
【００６５】
図９はキャパシタの充放電特性と電圧との関係を説明する図である。キャパシタは、充電電圧を高電圧まで上げることにより静電容量に増す傾向が観られる。それは、例えば図９に示すように待機電圧Ｖchから電圧０Ｖまでの放電時間ΔｔとΔｔ′（＞Δｔ）に差によって観察できる。図９に示す充放電特性は、キャパシタを待機電圧Ｖchまで定電流充電
し、緩和充電（フロートモード）の後、定電流放電をした特性と同様に尖頭電圧Ｖcpまで定電流充電したときのものである。
【００６６】
また、エネルギー密度を試算すると、２．９Ｖの待機電圧Ｖch、つまり満充電時のバンク電圧（ｖBf）を３．７Ｖまでスイングバック充電して蓄電すると、約１．３倍に電圧を上げることによりエネルギー密度を１．６倍まで上げることができる。充電時間では、０Ｖから３．７Ｖまでの定電流による標準充電時間を６０秒とすると、２．９Ｖから３．７Ｖまでの充電時間は約１３秒になり、大幅な充電時間の短縮となる。
【００６７】
このように本実施形態では、使用の直前に充電し直ちに放電するので、比較的高電圧まで上げてもキャパシタの寿命への影響を少なくして実効蓄電出力を増大させることができる。また、高電圧まで充電すれば、キャパシタの漏れ電流による自己放電が増大するのは当然であるが、待機時は尖頭電圧Ｖcpより低い待機電圧Ｖchにとどめるので、自己放電をむしろ減少させることができる。しかも、自己放電により減少した電荷は使用の直前にスイングバック充電により埋め戻されるで、実質的に自己放電の影響は無視できる。したがって、小型、コンパクトにして大容量化したキャパシタ蓄電電源が実現でき、必要以上の設計仕様の容量に選定することによる無駄をなくすことができる。
【００６８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、電気二重層キャパシタ、ナノゲートキャパシタを具体的な数値で示したが、設計仕様の異なる各種のキャパシタにも同様に適用できることは勿論である。また、待機電圧Ｖchは、満充電時のバンク電圧（ｖBf）に相当する電圧として説明したが、公称定格電圧や最高充電電圧、使用電圧などに相当する電圧或いはそれ以下の電圧とし、尖頭電圧Ｖcpは、それより高い電圧として性能劣化が著しくならない電圧を適宜選定することができる。
【００６９】
次に本発明の他の実施形態について説明する。図１０は本発明の他の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図である。図１０に示す実施形態が、先の図１に示した実施形態と異なる点は、充電回路３の他に、もう１つの充電回路である第２充電回路１０を備える点である。
【００７０】
この第２充電回路１０は、負荷５の運転開始時にキャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖc
を尖頭電圧Ｖcpまで急速充電するときの専用の充電回路として利用するものである。キャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを一定の水準の待機電圧Ｖch以下に保持するためには、
先の実施形態と同様に充電回路３を用いる。
【００７１】
このようなキャパシタ蓄電電源１をスイングバック定格にもっていくための専用の第２充電回路１０は、短時間の間に急速に充電するための専用のものを用いることができ、より効率的にキャパシタ蓄電電源１の充電電圧Ｖcを尖頭電圧Ｖcpまで充電することを可能
とする。
【００７２】
なお、第２充電回路１０に、キャパシタ蓄電電源１とは別のキャパシタを設けることによって、キャパシタ蓄電電源１を尖頭電圧Ｖcpまで急速充電するような構成とすることもできる。
【００７３】
本発明の給電装置によれば、構成する電気二重層キャパシタの使用数量を減らすことができ、より蓄電密度、エネルギー密度を高め装置の小型、軽量、コンパクト化を図ることができる。
【００７４】
また、本発明の給電装置によれば、まずキャパシタ蓄電電源を尖頭電圧まで充電するこ
とによって、給電電圧を上昇させ、負荷に給電することによって、突入電流を積極的に増加させて、起動時低抵抗負荷であるヒータの抵抗を素早く増加させ、結果として、ヒータを素早く加熱するようにして、適正な発熱を得るまでの立ち上がりの時間を短縮するようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る給電装置におけるスイッチ設定に伴う給電種別を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る給電装置におけるキャパシタ蓄電電源の使用方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る給電装置における給電制御処理のフローチャートを示す図である。
【図５】発明の実施の形態に係る給電装置におけるプリチャージ処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【図６】発明の実施の形態に係る給電装置における調整処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。
【図７】キャパシタ設計仕様データの構成例を示す図である。
【図８】電圧と劣化特性との関係を説明する図である。
【図９】キャパシタの充放電特性と電圧との関係を説明する図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る給電装置のブロック構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１・・・キャパシタ蓄電電源、２・・・商用電源、３・・・充電回路、４・・・放電回路、５・・・負荷、６・・・制御回路、７、８、９・・・スイッチ回路、１０・・・第２充電回路、ＥＤＬＣ・・・電気二重層キャパシタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度対抵抗値が正特性を示すヒータに対し電力を供給する給電装置であって、
キャパシタ蓄電電源と、
前記キャパシタ蓄電電源に充電を行う充電回路と、
前記キャパシタ蓄電電源から前記ヒータに放電を行う放電回路と、
前記ヒータに給電を開始する信号に応じて前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路と、を備え、
前記キャパシタ蓄電電源には尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定がされており、
前記制御回路は、前記ヒータに給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記ヒータに給電を開始する信号が入力されたとき、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記ヒータに放電を行うように制御することを特徴とする給電装置。
【請求項１】
温度対抵抗値が正特性を示すヒータに対し電力を供給する給電装置であって、
キャパシタ蓄電電源と、
前記キャパシタ蓄電電源に充電を行う充電回路と、
前記キャパシタ蓄電電源から前記ヒータに放電を行う放電回路と、
前記ヒータに給電を開始する信号に応じて前記充電回路及び放電回路を制御する制御回路と、を備え、
前記キャパシタ蓄電電源には尖頭電圧と前記尖頭電圧より低い待機電圧とを設定がされており、
前記制御回路は、前記ヒータに給電していない待機時に前記キャパシタ蓄電電源を前記待機電圧以下の電圧の充電状態に維持し、前記ヒータに給電を開始する信号が入力されたとき、前記キャパシタ蓄電電源を前記尖頭電圧まで充電した後、前記ヒータに放電を行うように制御することを特徴とする給電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２６１１４７（Ｐ２００９−２６１１４７Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０７６８８（Ｐ２００８−１０７６８８）
【出願日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【出願人】（３９３０１３５６０）株式会社パワーシステム (127)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【出願人】（３９３０１３５６０）株式会社パワーシステム (127)
【Ｆターム（参考）】
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