DE69832397T2

DE69832397T2 - Verfahren zur kontrolle eines fixierheizelementes und bilderzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69832397T2
Application number: DE69832397T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Mitaka-shi NISHIDA; Yasuhiro Mitaka-shi SUZUKI
Original assignee: Canon Finetech Inc
Current assignee: Canon Finetech Nisca Inc
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2018-09-19
Also published as: EP1016941A4; EP1016941B1; WO1999014639A1; US6301454B1; EP1016941A1; DE69832397D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Bilderzeugungsvorrichtung wie zum Beispiel ein elektrostatisches Kopiergerät, einen Drucker usw. und insbesondere auf ein Heizelement-Steuerverfahren, das Stromschwankungen verringert, einschließlich Stromstöße, die durch das Ein- und Ausschalten eines Fixier-Heizelements verursacht werden, das zum thermischen Fixieren eines Tonerbilds auf einem Aufzeichnungsmedium wie einem Blatt Papier oder dergleichen verwendet wird.
Stand der Technik
Eine solche Bilderzeugungsvorrichtung nach dem Stand der Technik weist eine Fixierrolle mit einem Halogen-Heizelement darin als Heizquelle einer Thermofixiereinheit auf. Eine Besonderheit des Halogen-Heizelements ist ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand. Bei einer hohen Temperatur weist das Halogen-Heizelement einen hohen Widerstand und bei einer niedrigeren Temperatur einen niedrigeren Widerstand auf. Diese Art von Bilderzeugungsvorrichtung weist einen nahe der Fixierrolle angebrachten Temperatursensor zur Überwachung ihrer Oberflächentemperatur auf, um das Heizelement so zu steuern, dass es eingeschaltet wird, wenn die Temperatur unter eine Untergrenze sinkt, und ausgeschaltet wird, wenn die Temperatur eine Obergrenze überschreitet. Daher ist der Widerstand des Heizelements zu dem Zeitpunkt niedrig, an dem das Heizelement aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand wechselt, wodurch unmittelbar nach dem Einschalten ein großer Stromstoß verursacht wird.
5 zeigt ein Diagramm zur Erklärung, wie es zu der Spannungsänderung kommt. Im Allgemeinen weist eine Stromversorgung von ihrem Ausgang aus gesehen einen relativ kleinen Quellenwiderstand (Rs) 27 auf. Dieser verursacht eine Spannungsänderung, wenn ein Verbraucherstrom I in einem an die Stromversorgung angeschlossenen Gerät (z.B. einem Kopiergerät) sich plötzlich ändert. Wird der Betrag der plötzlichen Änderung des Stroms als ΔI angesetzt, ergibt sich die daraus resultierende abrupte Spannungsänderung ΔV wie folgt: ΔV = Rs × ΔI
Wenn zum Beispiel eine Lampe 9 an den Ausgang angeschlossen ist, würde sich die abrupte Spannungsänderung in Form eines Flackerns der Lampe bemerkbar machen.
Im Folgenden wird ein Ziel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen bestimmten Aufbau einer Fixiereinheit beschrieben. 1 zeigt einen allgemeinen Aufbau der Fixiereinheit unter Anwendung der vorliegenden Erfindung, wobei das Bezugszeichen 1 eine Heizrolle (Fixierrolle) und das Bezugszeichen 22 eine Andruckrolle bezeichnet. Wird ein Blatt 23, auf dem ein Tonerbild gebildet ist, zwischen den Rollen 1 und 22 hindurch geführt, wird das Tonerbild erwärmt und auf dem Blatt 23 fixiert. Die Heizrolle 1 weist dabei ein Hauptheizelement 2 und ein Nebenheizelement 3 auf, wie in 1 gezeigt.
Im Einzelnen weist das Hauptheizelement 2, wie in 2A, B und C gezeigt, einen Peak in der thermischen Intensitätsverteilung auf, der etwa in seiner Mitte liegt (siehe 2A), während das Nebenheizelement 3 entsprechende Peaks in der thermischen Intensitätsverteilung an seinen beiden Enden aufweist (2B). Durch abwechselndes Einschalten der beiden Heizelemente mit kontrollierter Einschaltdauer wird die Temperaturverteilung auf der Rollenoberfläche vergleichmäßigt (2C).
3 zeigt eine Wellenform für einen Strom, der in einem Standby-Zustand durch die Heizelemente fließt, wobei P1 einen Abschnitt einer abrupten Änderung angibt. Wie oben unter Bezugnahme auf 5 ausgeführt, bewirkt diese Stromänderung eine Spannungsänderung in der Stromversorgung selbst, wodurch Nachteile wie etwa das Flackern der an dieselbe Stromversorgung angeschlossen Lampe auftreten. In den vergangenen Jahren hat die Forderung in der Gesellschaft nach einer Verringerung der durch die Stromänderung eines solchen Geräts verursachten Spannungsänderung zugenommen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung der abrupten Stromänderungen, die durch das in der Fixiereinheit einer Bilderzeugungsvorrichtung verwendete Halogen-Heizelement verursacht werden, insbesondere der folgenden abrupten Stromänderungsabschnitte wie in 3 gezeigt:

1. die Stromstoßabschnitte (P1 und P2 in 3) und
2. die Stromänderungsabschnitte aufgrund des Schattens der Heizelemente einer Fixiereinheit mit zwei Heizelementen (P3 und P4 in 3).

Ein Ansatz zur Lösung dieser Probleme ist das Einschalten und Ausschalten der Heizelemente mit der in 4 gezeigten Phasensteuerung. Um die durch den Stromstoß unmittelbar nach dem Einschalten eines Heizelements verursachte abrupte Spannungsänderung zu verringern, reicht es aus, die Effektivspannung langsam zu erhöhen. Zum Beispiel wird bei der Form einer leitenden Stromwellenform des Hauptheizelements 2 wie in 4 die leitende Zeitspanne in jeder Halbwellenlänge von tm1 auf tm2, auf tm3 ... und auf tmc vergrößert. In gleicher Weise wird in Bezug auf das Nebenheizelement 3 die leitende Zeitspanne von ts1 auf ts2, auf ts3 ... und auf tsc geändert. Die dem leitenden Phasenwinkel in einem stationären Zustand des Hauptheizelements 2 entsprechenden Zeitspannen tmc werden konstant gehalten, ebenso wie die Zeitspannen tsc für das Nebenheizelement 3.
Betrachtet man wieder das Schalten in den in 3 gezeigten Wellenformen, ist die Verbrauchsleistung des Hauptheizelements 2 durch das Verhältnis Tm/T und die des Nebenheizelements 3 durch das Verhältnis Ts/T festgelegt. Basierend auf diesen Werten ist es möglich, die Werte für tmc bzw. tsc zu bestimmen.
Dieser Ansatz kann in der Tat eine nahezu ideal langsame Änderung des Stroms bewirken. Dabei sind jedoch die folgenden Nachteile zu berücksichtigen:

1. Ein komplizierter Hardware-Aufbau ist für Zeitgebermechanismen nötig, die die Phasenwinkel steuern (d.h. die vorstehend genannten Zeitspannen tmc, tsc usw.). Die Komplexität der Steuerung für das Einstellen und Aktivieren der Mechanismen würde ebenfalls erhöht.
2. Die Bereiche der verschiedenen Wechselstrom-Netzfrequenzen (50 Hz und 60 Hz) erfordern individuelle Einstellungen, wodurch sich eine aufwändige Frequenzsteuerung ergibt.
3. Wie in 4 gezeigt, werden die Heizelemente nicht an der Nullpunktkreuzung eingeschaltet, sondern in der Mitte einer Halbwelle, wodurch Oberwellen entstehen. Dieser Oberwellenstrom wird mit Frequenzen erzeugt, die um ein Mehrfaches oder Zigfaches größer als die Netzfrequenz sind, die als Rauschen für andere an die Stromleitung angeschlossene Geräte wirken und einen fehlerhaften Betrieb oder Störungen verursachen. Im Falle der Phasensteuerung ist eine Gegenmaßnahme wie zum Beispiel das Einfügen einer großen Drosselspule erforderlich.

Daneben gibt es die folgenden alternativen Ansätze:

(a) Ein Widerstand zur Unterdrückung des Stromstoßes wird parallel mit einem Heizelement in die Schaltung eingefügt. Nach Verstreichen einer bestimmten Zeit, in der der Widerstand des Heizelements nach dem Einschalten ansteigen kann, wird der Widerstand aus der Schaltung herausgenommen. Diese Art bekannter Technik ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift (KOKAI) Nr. 9-16034 beschrieben.
(b) Um zu verhindern, dass der Widerstand des Heizelements sinkt, wird das Heizelement intermittierend eingeschaltet, um das Heizelement ständig zu erwärmen, auch während der AUS-Zeitspanne. Diese Art bekannter Technik ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 59-57311 beschrieben.

Bei diesen Ansätzen sind jedoch die folgenden Nachteile zu beachten:
Der Ansatz (a) erfordert für eine Bilderzeugungsvorrichtung mit mehreren Heizelementen getrennte Widerstände zum Verhindern des Stromstoßes für jedes der Heizelemente. Ist die Heizleistung des Heizelements groß, ist dessen Kaltwiderstand relativ gering, so dass ein Widerstand mit einem hohen Widerstandswert eingefügt werden muss, um den unmittelbar nach dem Einschalten des Heizelements erzeugten Stromstoß zu unterdrücken. Der hohe Widerstand begrenzt den Stromfluss, wodurch es eine erhebliche Zeit dauern würde, bis das Heizelement erwärmt ist. Daher muss die Zeitspanne, während der der Widerstand in die Schaltung eingefügt ist, groß gewählt werden. Anderenfalls würde der beim Herausnehmen des Widerstands verursachte Stromstoß zu groß werden. Daher erhöht sich die Leistungsaufnahme des Widerstands, was ein übermäßiges Aufheizen oder eine Zerstörung des Widerstands bewirkt.
Bei dem Ansatz (b), bei dem das Heizelement intermittierend ein- und ausgeschaltet wird, um den Stromstoß auf einen Sollwert zu senken, kann die Stärke des Flackerns einer Lampe verringert werden. Jedoch erhöht sich die Einschaltfrequenz des Heizelements, was in Bezug auf die Verringerung des Flackerns insgesamt weiter ein Problem ist. Außerdem würde ein Heizelement mit großer Heizleistung ein häufiges Einschalten erfordern, um den Stromstoß auf den gewünschten Sollwert zu verringern.
Darüber hinaus beschreibt das US-Patent Nr. 5.669.038, das den japanischen Patent-Offenlegungsschriften Nr. 9-16018 und 9-80961 entspricht, ein Verfahren zum Anlegen eines intermittierenden Wechselstrommusters über eine vorbestimmte Zeitspanne unmittelbar nach dem Ein- oder Ausschalten eines Heizelements. Dies ermöglicht das Unterdrücken von Flackern oder Rauschen ohne Phasensteuerung. Das in US-Patent Nr. 5.669.038 beschriebene Verfahren enthält jedoch keine Überlegungen hinsichtlich der Anwendung für eine Fi xiereinheit mit mehreren Heizelementen wie die vorstehend genannten Haupt- und Nebenheizelemente. Je nach Art des Anlegens der intermittierenden Muster an die Heizelemente könnte die effektive Stromänderung sogar noch zunehmen, was die Wirkung der Verringerung des Flackerns und Rauschens halbiert.
In Anbetracht dieser Probleme stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu deren Überwindung bereit. Das heißt, die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Steuerung von Fixier-Heizelementen bereit, geeignet für eine Fixiereinheit mit ersten und zweiten Heizelementen, zur Verringerung abrupter Stromänderungen aufgrund der Fixier-Heizelemente ohne Verwendung der Phasensteuerung sowie eine Bilderzeugungsvorrichtung, die nach dem Verfahren arbeitet.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Bilderzeugungsvorrichtung, die den Stromstoß durch Anwendung eines Stromstoß-Unterdrückungswiderstands mit einem relativ kleinen Widerstandswert nur auf ein Heizelement unterdrücken kann, auch wenn mehrere Heizelemente benutzt werden.
Beschreibung der Erfindung
Das Ziel wird durch den Erfindungsgegenstand erreicht, der in den anliegenden selbstständigen Ansprüchen festgelegt ist. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer Fixiereinheit mit mehreren Heizelementen ist es möglich, nicht nur die Erzeugung des Stromstoßes für jedes Heizelement unmittelbar nach dem Anlegen der Wechselstromversorgungsspannung an die Heizelemente zu verhindern, sondern auch die Stärke einer durchschnittlichen Stromänderung zu verringern, die aufgrund des Schaltens zwischen den beiden Heizelementen auftritt. Darüber hinaus beginnt der Heizelementstrom ohne Verwendung der Phasensteuerung an einer Nullpunktkreuzung zu fließen, und der größte Teil der auf der Stromleitung erzeugten Stromoberwellen wird mit einem relativ einfachen Steuer-Hardware-Aufbau verringert.
Vorzugsweise erfolgt in der ersten und der zweiten Zeitspanne die Verflachungssteuerung so, dass mehrere Zyklen von Halbwellen sowohl an das erste als auch an das zweite Heizelement angelegt werden, während die Anzahl der verflachten Halbwellen von einem großen Wert auf einen niedrigen geändert wird.
In der ersten und der zweiten Zeitspanne kann die Verflachungssteuerung zum Beispiel bei einem Zyklus von drei Halbwellen so ausgeführt werden, dass mehrere Zyklen von drei Halbwellen sowohl an das erste als auch an das zweite Heizelement angelegt werden, wobei die Anzahl der verflachten Halbwellen „2" beträgt. Weiter können in der ersten und der zweiten Zeitspanne nach dem Anlegen der mehreren Zyklen von drei Halbwellen mit der Anzahl von „2" verflachten Halbwellen mehrere andere Zyklen von drei Halbwellen an das erste und das zweite Heizelement angelegt werden, wobei die Anzahl der verflachten Halbwellen „1" beträgt.
In der dritten Zeitspanne wird vorzugsweise bei einem Zyklus von drei aufeinander folgenden Halbwellen das erste Heizelement durch Verflachen von einer oder zwei Halbwellen der drei Halbwellen eines Zyklus betrieben, während das zweite Heizelement nur mit den Halbwellen betrieben wird, die bezüglich des ersten Heizelements verflacht werden. Weiter erfolgt in der dritten Zeitspanne vorzugsweise ein abwechselndes Umschalten zwischen einem ersten Betriebsmuster, das an das erste und das zweite Heizelement angelegt wird, und einem zweiten Betriebsmuster, in dem die Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Heizelement verglichen zu dem ersten Betriebsmuster umgekehrt ist.
Im Einzelnen wird die folgende Steuerung bei einem Zyklus von drei aufeinander folgenden Halbwellen durchgeführt, die im Wesentlichen mit der Steuerung übereinstimmt, bei der Nm aufeinander folgende Halbwellen an das erste Heiz element und Ns aufeinander folgende Halbwellen an das zweite Heizelement abwechselnd und wiederholt angelegt werden.
(a) Für den Fall 2Nm > Ns und 2Ns > Nm:
In der ersten Unter-Zeitspanne der dritten Zeitspanne werden das erste und das zweite Heizelement durch 2Ns – Nm Halbwellen mit dem ersten Betriebsmuster betrieben, in dem zwei Halbwellen aus einem Zyklus von drei Halbwellen für das erste Heizelement verflacht werden, während das zweite Heizelement mit den zwei Halbwellen betrieben wird, die für das erste Heizelement verflacht werden, und
in der zweiten Unter-Zeitspanne werden das erste und das zweite Heizelement durch 2Nm – Ns Halbwellen mit dem zweiten Betriebsmuster betrieben, in dem eine Halbwelle aus einem Zyklus von drei Halbwellen für das erste Heizelement verflacht wird, während das zweite Heizelement mit der einen Halbwelle betrieben wird, die für das erste Heizelement verflacht wird.
(b) Für den Fall 2Nm ≤ Ns:
In der ersten Unter-Zeitspanne werden das erste und das zweite Heizelement durch 3Nm Halbwellen mit dem ersten Betriebsmuster betrieben, und
in der zweiten Unter-Zeitspanne wird statt des zweiten Betriebsmusters nur das zweite Heizelement durch Ns – 2Nm Halbwellen ohne verflachte Halbwellen betrieben.
(c) Für den Fall 2Ns ≤ Nm:
In der ersten Unter-Zeitspanne werden das erste und das zweite Heizelement durch 3Ns Halbwellen mit dem zweiten Betriebsmuster betrieben, und
in der zweiten Unter-Zeitspanne wird statt des zweiten Betriebsmusters nur das erste Heizelement durch Nm – 2Ns Halbwellen ohne verflachte Halbwellen betrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Fixiereinheit unter Anwendung der vorliegenden Erfindung.
2A, B und C zeigen Kurven der thermischen Intensitätsverteilungen der Haupt- und Nebenheizelemente der in 1 gezeigten Fixiereinheit.
3 zeigt ein Zeitablaufdiagramm mit einem Beispiel der Betriebszustände für die Haupt- und Nebenheizelemente der in 1 gezeigten Fixiereinheit.
4 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Heizelemente mit der Phasensteuerung.
5 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung der Spannungsschwankung aufgrund der Stromänderung eines Geräts.
6 zeigt Stromwellenformen für ein Beispiel der Wellenanzahlsteuerung zum Zeitpunkt des Einschaltens der Heizelemente nach einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt Stromwellenformen für die Betriebsmuster, die verwendet werden, wenn die Haupt- und Nebenheizelemente nach der Ausführungsform der Erfindung geschaltet werden.
8 zeigt ein Diagramm zur Erklärung, wie die Haupt- und Nebenheizelemente nach dem Stand der Technik geschaltet werden.
9 zeigt ein Diagramm zur Erklärung, wie die Haupt- und Nebenheizelemente nach der Ausführungsform im Gegensatz zu 8 geschaltet werden.
10 zeigt ein Diagramm für eine Modifizierung der in 9 gezeigten Betriebszustände für die Haupt- und Nebenheizelemente.
11 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung zum Ausführen der Betriebszustände der Haupt- und Nebenheizelemente nach der Ausführungsform der Erfindung.
12 zeigt ein Diagramm für ein bestimmtes Beispiel der durch die Schaltung in 11 ausgeführten Steuerung.
13 zeigt ein Diagramm zur Erklärung der Nullpunktkreuzungsimpulse einer Versorgungsspannung, die von der Schaltung in 11 erfasst werden.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Beispiel einer Unterbrechungsverarbeitung, die von der in 11 gezeigten Zentraleinheit ausgeführt wird.
15(a) bis (d) zeigen Wellenformen für verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt ein Blockdiagramm des allgemeinen Aufbaus des Hauptteils einer Bilderzeugungsvorrichtung nach einem für das Verständnis der Erfindung nützlichen Beispiel.
17(a), (b) und (c) zeigen Zeitablaufdiagramme für die Heizelementsteuerung nach dem Beispiel.
18 zeigt eine Stromwellenform, wie sie in einer Stromversorgung nach dem Beispiel auftritt.
19 zeigt ein Blockdiagramm des allgemeinen Aufbaus des Hauptteils einer Bilderzeugungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
20(a) bis (f) zeigen Zeitablaufdiagramme der Heizelementsteuerung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
21 zeigt eine Stromwellenform, wie sie in einer Stromversorgung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung auftritt.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Steuerung der Heizelementtemperatur nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden ausführlich beschrieben. Der allgemeine Aufbau einer Fixiereinheit unter Anwendung der vorliegenden Erfindung entspricht der vorstehenden Beschreibung anhand von 1 sowie 2A, B und C. Das bedeutet, zwei Heizelemente, das heißt das Hauptheizelement 2 und das Nebenheizelement 3, als die Fixier-Heizelemente werden grundsätzlich abwechselnd ein- und ausgeschaltet, während die Einschaltdauer jedes Heizelements angepasst wird, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Heizrolle zu erzielen.
In 3 ist das gezeigte Betriebsmuster der beiden Heizelemente nicht das in der vorliegenden Erfindung vorge sehene Muster, sondern dient zur Erklärung der Bedeutung des Betriebs mit zwei Heizelementen.
In einem Standby-Zustand, in dem kein Blatt Papier durch die Fixiereinheit läuft, werden die beiden Heizelemente abwechselnd eingeschaltet, wie in 3 gezeigt, so dass die Einschaltdauer des Hauptheizelements 2 kürzer als die des Nebenheizelements 3 ist. Wird ein Blatt Papier durchgeführt und hat dieses ein kleines Format, geht die latente Wärme im Bereich der Mitte der Heizrolle verloren, weshalb die Einschaltdauer des Hauptheizelements 2 verlängert wird. Daher wird die abwechselnde Einschaltdauer auf der Grundlage des Betriebsmodus wie Standby oder Kopieren geändert, damit die Wärmeverteilung auf der Heizrolle gleichmäßig ist. Insbesondere bei Blättern mit kleinerem Format wird verhindert, dass die Temperatur in bestimmten Bereichen auf der Heizrolle (zum Beispiel nahe den beiden Enden), über die das Blatt nicht läuft, übermäßig ansteigt, um die Lager der Heizrolle oder die Antriebsräder vor Schäden durch hohe Temperatur zu schützen.
Die vorliegende Ausführungsform zielt darauf ab, das gleiche Ergebnis wie diese Steuerung für die beiden Heizelemente zu erzielen und dabei abrupte Änderungen im durchschnittlichen Strom zu unterdrücken.
6 zeigt ein Beispiel für eine „Wellenanzahlsteuerung" nach der vorliegenden Erfindung. Diese wird auf Stromstoßabschnitte der Halogen-Heizelemente angewendet. Ein Stromstoßabschnitt befindet sich auf der Anstiegsflanke unmittelbar nach dem Einschalten des Heizelements, wobei der durchschnittliche Strom vorzugsweise langsam ansteigen soll. Zu diesem Zweck ist bei dieser Ausführungsform eine erste Zeitspanne vorgesehen, in der nur das Hauptheizelement betrieben wird, und nach der ersten Zeitspanne eine zweite Zeitspanne, in der nur das Nebenheizelement betrieben wird. Die erste Zeitspanne ist in die Unter-Zeitspannen a und b unterteilt, und die zweite Zeitspanne ist in die Unter-Zeitspannen c und d unterteilt.
Zunächst wird in der Unter-Zeitspanne a in der ersten Zeitspanne das Hauptheizelement zyklisch durch eine Halbwelle aus drei aufeinander folgenden Halbwellen betrieben (dies wird als „1/3-Halbwellensteuerung" bezeichnet). Danach wird in der Unter-Zeitspanne b das Hauptheizelement durch zwei Halbwellen aus den drei Halbwellen betrieben (dies wird als „2/3-Halbwellensteuerung" bezeichnet). Anschließend kann das Hauptheizelement durch volle Halbwellen für eine erforderliche Zeitspanne betrieben werden (dies wird als „Vollperiodensteuerung" bezeichnet und ist nicht gezeigt).
Danach bleibt in der zweiten Zeitspanne das Hauptheizelement 2 aus und nur das Nebenheizelement 3 wird ähnlich wie oben so gesteuert, dass zuerst die Unter-Zeitspanne c der „1/3-Halbwellensteuerung" kommt, gefolgt von der Unter-Zeitspanne d der „2/3-Halbwellensteuerung". Darauf folgt weiter eine Zeitspanne e (dritte Zeitspanne) der „Vollperiodensteuerung", in der keine Halbwellen verflacht oder ausgelassen werden. Weiter unten wird beschrieben, wie die Heizelemente im Einzelnen in der dritten Zeitspanne betrieben werden.
Die in 6 gezeigte Steuerung lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass der durchschnittliche Strom beim Starten des Heizelementbetriebs stufenweise (hier in drei Stufen) von einem niedrigen Pegel auf einen höheren geschaltet wird, um schließlich zu der „Vollperiodensteuerung" zu gelangen. Mit anderen Worten, zunächst werden zu Beginn des Heizelementbetriebs zwei Halbwellen aus den drei Halbwellen ausgelassen (in der Zeitspanne a oder c), und danach, nachdem das Heizelement sich bis auf ein bestimmtes Maß erwärmt hat, wodurch der Stromstoß verringert wird, wird die Steuerung auf die eine aus den drei Halbwellen (in der Zeitspanne b oder d) ausgelassene Halbwelle umgeschaltet. Schließlich wird die Steuerung auf die „Vollperiodensteuerung" ohne Auslassung von Halbwellen umgeschaltet.
Nachstehend wird erläutert, weshalb vorzugsweise das Auslassen von Wellen mit einem Grundzyklus von drei Halbwellen angewandt wird. Betrachtet man zum Beispiel den Fall, bei dem zwei Halbwellen (das heißt normalerweise ein Zyklus) als der Grundzyklus verwendet werden, bewirkt das Auslassen einer Halbwelle aus diesem Zyklus eine DC- oder Gleichstromkomponente, die dieselbe wie bei der Halbwellengleichrichtung ist. Dieser DC-Betrieb wird für das Halogen-Heizelement nicht empfohlen. Bei einem längeren Grundzyklus als drei Halbwellen wird das Auslassen von Halbwellen für das menschliche Auge stärker als Flackern wahrnehmbar, was die Eigenschaften des Flackerns einer Lampe angeht. Dies führt dazu, dass es am sinnvollsten ist, den kürzesten Zyklus außer dem Zwei-Halbwellen-Zyklus, das heißt den Drei-Halbwellen-Zyklus zu benutzen. In der Tat war praktisch kein Flackern wahrnehmbar, als der Drei-Halbwellen-Zyklus probeweise benutzt wurde, um das Flackern einer an die Stromleitung angeschlossenen Lampe zu überwachen.
Das Auslassen von Halbwellen in längeren Zyklen als dem Drei-Halbwellen-Zyklus ist jedoch im Vergleich zur bisherigen Technik immer noch wirksam, so dass die vorliegende Erfindung dies nicht ausschließt, wie nachstehend beschrieben.
Als Nächstes wird ein Verfahren zur Verringerung der Stromänderungen (Abschnitte P3 und P4 in 3) beim Umschalten zwischen den zwei Halogen-Heizelementen in der dritten Zeitspanne von dem Hauptheizelement 2 auf das Nebenheizelement 3 und umgekehrt beschrieben.
Die herkömmliche Zyklusumschaltung zwischen den zwei Heizelementen erfolgte, wie in 3 gezeigt, von dem einen auf das andere in einer relativ großen Zeitspanne (mehrere Hundert Millisekunden bis mehrere Sekunden). Der Erfindungsgedanke ist der, dieses Umschalten schnell bis zu einem extremen Ende vorzunehmen.
7 zeigt die Art und Weise des Umschaltens bei dieser Ausführungsform. Zunächst wird im Zustand M1 das Haupt heizelement 2 für eine Zeitspanne von einer Halbwelle betrieben, und danach wird, wie in Zustand S2 gezeigt, das Nebenheizelement 3 allein für eine Zeitspanne von zwei Halbwellen nach dem Betrieb des Hauptheizelements betrieben, und diese Steuerung wird wiederholt. Der Summenstrom ist in Zustand M1 + S2 gezeigt, in dem die Stromänderung aufgrund des Schattens zwischen den beiden Heizelementen in Form kleiner Unterteilungen in jedem Zyklus mit drei Halbwellen gezeigt ist. Die Änderung der Versorgungsspannung aufgrund des Drei-Halbwellen-Zyklus erfolgt in sehr kleinen Abständen und ist nicht als Flackern der Lampe wahrnehmbar. Wenn das herkömmliche Schalten der zwei Heizelemente wie in 8 gezeigt erfolgt, bei dem das Hauptheizelement 2 durch Nm aufeinander folgende Halbwellen betrieben wird (M3), gefolgt vom Betrieb des Nebenheizelements 3 durch Ns aufeinander folgende Halbwellen (S3), und diese Steuerung wiederholt wird, kann so gesehen ein gleichwertiges Schalten der Heizelemente bei dem Drei-Halbwellen-Zyklus nach dem in 9 gezeigten Muster durchgeführt werden. Dieses Muster in 9 kombiniert den Ein-Halbwellen-Betrieb des Hauptheizelements 2 aus den drei Halbwellen (Zustand M1 in 7) mit dem Zwei-Halbwellen-Betrieb des Nebenheizelements 3 aus den drei Halbwellen (Zustand S2 in 7), wodurch sich ein erstes Betriebsmuster ergibt, das in 7 als der Zustand M1 + S2 gezeigt ist. Dieses Betriebsmuster dauert 2Ns – Nm Halbwellen (Abschnitt A in 9) in der ersten Unter-Zeitspanne der dritten Zeitspanne. In diesem Fall wird angenommen, dass 2Ns > Nm und 2Nm > Ns.
Danach werden in der zweiten Unter-Zeitspanne der dritten Zeitspanne 2Nm – Ns Halbwellen (Abschnitt B in 9) durch ein kombiniertes Muster des Zwei-Halbwellen-Betriebs des Hauptheizelements 2 (Zustand M2 in 7) und des Ein-Halbwellen-Betriebs des Nebenheizelements 3 (Zustand S1 in 7) angelegt, das heißt ein zweites Betriebsmuster, das in 7 als der Zustand M2 + S1 gezeigt ist. Diese Wiederholung der Abschnitte A und B in 9 entspricht dem in
8 gezeigten Schaltmuster nach dem bisherigen Stand der Technik. Die Gründe hierfür sind wie folgt:

(1) Der sich wiederholende Zyklus der Abschnitte A und B, wobei A und B als ein Zyklus angesehen werden, umfasst Nm + Ns Halbwellen und ist daher identisch mit dem herkömmlichen Muster (8).
(2) In den Abschnitten A und B in 9 beträgt die Gesamtzahl der Betriebshalbwellen für das Hauptheizelement 2 Nm und für das Nebenheizelement 3 Ns, was der Anzahl der Betriebshalbwellen in einem Zyklus des herkömmlichen Musters entspricht.
(3) Die vorstehend genannten Punkte (1) und (2) zeigen, dass der Betrag der von jedem Heizelement erzeugten Wärme, über einen ganzen Zyklus gesehen, anscheinend gleich dem Wärmebetrag in dem herkömmlichen Muster ist.

Bei weiterer Überlegung könnte der Unterschied im durchschnittlichen Strom in den Abschnitten A und B in 9 ein Problem sein, obwohl untersucht worden ist, dass die Stromänderung in dem Drei-Halbwellen-Zyklus nicht problematisch ist. Die Untersuchung des Unterschiedsbetrags ergibt jedoch, dass der durchschnittliche Strom in Abschnitt A (1/3)Im + (2/3)Is und der durchschnittliche Strom in Abschnitt B (2/3)Im + (1/3)Is beträgt. Daher beträgt der Unterschied im durchschnittlichen Strom zwischen den Abschnitten A und B: ((1/3)Im + (2/3)Is) – ((2/3)Im + (1/3)Is) = (1/3)(Is – Im)
Es ist zu erkennen, dass dies ein Drittel der Größe des Unterschieds nach der bisherigen Technik ist. (Hier ist Im ein Wert des statischen Stroms, der fließt, wenn das Hauptheizelement 2 über einen vollen Zyklus betrieben wird, und Is ist der für das Nebenheizelement 3.)
Als Nächstes wird ein Sonderfall mit 2Nm ≤ Ns betrachtet. In diesem Fall würde die Anzahl der Halbwellen in Abschnitt B in 9 negativ werden. Dann wird das Nebenheizelement 3, wie in 10 gezeigt, für 3Nm Halbwellen in dem Zu stand S2 betrieben, während das Hauptheizelement 2 in dem Zustand M1 betrieben wird, und danach wird das Nebenheizelement 3 allein für (Ns – 2Nm) Halbwellen in dem Zustand S3 betrieben. Auch in diesem Fall ist der sich wiederholende Zyklus T = Nm + Ns (die Anzahl der Halbwellen). Die Anzahl der Halbwellen, mit denen das Hauptheizelement 2 während der Zeitspanne T betrieben wird, ist Nm, und die für das Nebenheizelement ist Ns, was der bisherigen Technik entspricht. Außerdem beträgt der Unterschied im durchschnittlichen Strom zwischen den Abschnitten A' und B': ((1/3)Im + (2/3)Is) – Is = (1/3)(Im – Is)
Dies zeigt, dass der Unterschied ein Drittel der Größe nach der bisherigen Technik beträgt (8).
Der Fall mit 2Ns ≤ Nm kann in gleicher Weise betrachtet werden. Das heißt, obwohl nicht gezeigt, die Abschnitte A' und B' werden als im Zustand S1 + M2 bzw. im Zustand M3 befindlich betrachtet. In diesem Fall beträgt die Anzahl der Halbwellen für die Abschnitte A' und B' 3Ns bzw. Nm – 2Ns. Der Unterschied im durchschnittlichen Strom zwischen den beiden Abschnitten A' und B' ist: ((1/3)Is + (2/3)Im) – Im = –(1/3)(Im – Is)
Trotz des im Vergleich zum vorherigen Fall umgekehrten Vorzeichens ist zu erkennen, dass der Absolutwert des Stromunterschieds immer noch ein Drittel der Größe nach der bisherigen Technik beträgt.
Zusammenfassend werden bei dieser Ausführungsform zu Beginn des Betriebs der Heizelemente (während der ersten und der zweiten Zeitspanne) Halbwellen verflacht, um den durchschnittlichen Strom mit einem niedrigen Pegel zu beginnen, und beim Umschalten zwischen den Heizelementen (während der dritten Zeitspanne) werden die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 in einem Verhältnis von einer Halbwelle zu zwei Halbwellen in dem Drei-Halbwellen-Zyklus geschaltet, wodurch die durch den Unterschied im Strom zwischen den Heizelementen verursachte Stromschwankungsfrequenz erhöht wird, so dass für das menschliche Auge kein Flackern in Bezug auf die an die Stromleitung angeschlossene Lampe wahrnehmbar ist.
11 zeigt ein Schaltbild zur Implementierung der vorstehend genannten „Wellenanzahlsteuerung".
In diesem Schaltbild bezeichnet TH einen Temperatursensor (4 in 1) wie zum Beispiel einen Thermistor zum Messen der Temperatur der Heizrolle (1 in 1). Der Thermistor TH ist an einen Widerstand R1 angeschlossen, und das geteilte Spannungspotenzial wird an einen analogen Eingang A/D der Zentraleinheit (CPU) angelegt. Das an den A/D-Eingang angelegte Signal wird in ein Digitalsignal umgesetzt und in der CPU verarbeitet. Ein INT-Eingang der CPU erhält ein Nullpunktkreuzungs-Impulssignal (siehe 13), das Nullpunktkreuzungen in der Wechselstromspannung angibt. Das Nullpunktkreuzungs-Impulssignal wird auf der Grundlage der Wechselstrom-Eingangsspannung von der Stromversorgung durch einen Optokoppler PC1 und einen Komparator COM erzeugt.
Jede Abstiegsflanke des Nullpunktkreuzungsimpulses aktiviert eine Unterbrechungsroutine (nachstehend beschrieben) für die CPU, so dass das Signal OUT1 oder OUT2 erzeugt wird, um das Hauptheizelement 2 bzw. die Nebenheizelemente 3 zu vorbestimmten Zeitpunkten nach jeder Abstiegsflanke der Nullpunktkreuzungsimpulse einzuschalten. Wenn zum Beispiel das Signal OUT1 einen hohen Pegel (H) hat, ist ein Transistor TR1 in seinem ausgeschalteten Zustand, wodurch das Licht emittierende Element des Phototriacs PT1 aus bleibt. Die Licht empfangende Seite des Phototriacs befindet sich ebenfalls im AUS-Zustand, so dass kein Strom an das Gate eines Triacs T1 gegeben wird. Danach bleibt der Triac T1 ausgeschaltet, wodurch das Hauptheizelement 2 ausgeschaltet bleibt. Bei dieser Ausführungsform bilden der Transistor TR1, der Phototriac PT1 und der Triac T1 die „Umschalteinrichtung".
Wenn hingegen das Signal OUT1 einen niedrigen Pegel (L) hat, ist der Transistor TR1 eingeschaltet, wodurch die Licht emittierende Diode des Phototriacs PT1 eingeschaltet wird, was wiederum die Licht empfangende Seite des Phototriacs einschaltet. Das Licht empfangende Element von PT1 wird leitend und liefert einen durch die Widerstände R2 und R4 begrenzten Gate-Strom an das Gate des Triacs T1. Dadurch wird der Triac T1 eingeschaltet, um das Hauptheizelement 2 einzuschalten.
Der Widerstand R6 und der Kondensator C1, die mit dem Triac T1 parallel geschaltet sind, bilden eine sog. Dämpfungsschaltung, die verhindert, dass der Triac T1 selbsttätig in Abhängigkeit von einer abrupten Änderung in der Versorgungsspannung aufgrund von externen Störungen oder dergleichen einschaltet. (Dies gilt auch für den Widerstand R7 und den Kondensator C2).
Die Funktion des Ausgangs OUT2, der das Einschalten des Nebenheizelements 3 steuert, entspricht der vorstehenden Beschreibung.
Ein praktisches Beispiel der von der vorstehend beschriebenen Schaltung durchgeführten Steuerung wird im Folgenden erläutert. Hierbei entsprechen die zwei zum Umschalten zwischen den Haupt- und Nebenheizelementen 2 und 3 verwendeten Betriebsmuster den Zuständen A' und B', aber eine andere Kombination der in 9 gezeigten Betriebsmuster kann nach Bedarf für die Anwendungen verwendet werden.
Wenn ein A/D-Eingangssignal zur CPU in 11, das heißt ein Signal, das die Temperatur der Heizrolle angibt, über einer Solltemperatur liegt (die Rollentemperatur ist hoch), sind die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 beide aus, wie in 12 gezeigt. Wenn der A/D-Eingang unter die Solltemperatur sinkt, werden die Heizelemente, wie in 12 gezeigt, in den Zuständen a, b, c, d und e in der genannten Reihenfolge und danach wiederholt in den Zuständen f, e, f, e usw. betrieben, bis die Rollentemperatur die Solltemperatur erreicht. Unter diesen Zuständen ist der Zustand a einer der in 7 gezeigten Zustände, in dem sich das Hauptheizelement 2 in dem Betriebszustand M1 befindet (das heißt, eine Halbwelle in dem Drei-Halbwellen-Zyklus ist ein) und das Nebenheizelement 3 ausgeschaltet ist. In dem Zustand b befindet sich das Hauptheizelement 2 in dem Betriebszustand M2 (Wellenform M2 in 7), und das Nebenheizelement 3 ist aus. In dem Zustand c ist das Hauptheizelement 2 aus, und das Nebenheizelement 3 befindet sich im Zustand S2. In dem Zustand d ist das Hauptheizelement 2 aus, und das Nebenheizelement 3 befindet sich im Zustand S2.
Auf diese Weise dienen in der ersten und der zweiten Zeitspanne die Zustände a, b, c und d zur Vermeidung der Änderung im Strom für die Heizelemente. Dies entspricht der Beschreibung von 6, die bereits erläutert worden ist. Im Hinblick auf die Zustände e und f in der dritten Zeitspanne nach der ersten und der zweiten Zeitspanne befindet sich im Zustand e das Hauptheizelement 2 in seinem ausgeschalteten Zustand und das Nebenheizelement 3 in seinem vollständig eingeschalteten Zustand (S3). Im Zustand f befindet sich das Hauptheizelement 2 im Betriebszustand M1 und das Nebenheizelement 3 im Zustand S2. Dieses Muster ist das gleiche wie in 7 und bereits beschrieben. Zusammenfassend ist dies ein Betrieb zur Verringerung von Stromänderungen, die beim Umschalten zwischen den Haupt- und Nebenheizelementen 2 und 3 auftreten.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Beispiel der Software-Schritte zur Realisierung der vorstehend beschriebenen Steuerung.
Wie bereits erwähnt, weist der Unterbrechungseingang INT der CPU (11) die Nullpunktkreuzungsimpulse auf. Auf der Abstiegsflanke jedes der Nullpunktkreuzungsimpulse wird die interne Verarbeitung in der CPU unterbrochen, um das in 14 gezeigte Verfahren durchzuführen.
Wenn der A/D-Eingangswert größer als der Sollwert ist, bewirkt der Entscheidungsschritt S141, dass die Steuerung über den Zweig „N" (Nein) fortgesetzt wird, in dem die Zähler a, b, c, d, e und f jeweils auf einen Ausgangswert „0" zurückgesetzt werden (S142). Die Ausgänge OUT1 und OUT2 werden auf „1" gesetzt (S143), wodurch die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 ausgeschaltet werden. Die Zähler a, b, c, d, e und f bestimmen die Heizelement-Einschaltdauer für die Zustände a, b, c, d, e bzw. f. Die Dauer wird durch die Anzahl der Nullpunktkreuzungsimpulse oder Halbwellen gesteuert.
Wird der A/D-Eingangswert kleiner als der Sollwert (die Temperatur ist niedrig), was in Schritt S141 bei jeder Unterbrechung kontrolliert wird, wird die Steuerung an den Zweig „J" (Ja) übergeben. Dabei wird ein Verflachungszähler (TO) um „1" erhöht (S144). Der Verflachungszähler TO wird erhöht, um jedes Mal, wenn dieser Teil des Ablaufs für jede Unterbrechung passiert wird, nacheinander die drei Zustände in der Form 0, 1, 2, 0, 1, 2 usw. zu durchlaufen. Erreicht der Zähler in Schritt S145 den Wert „3", wird er auf den Ausgangswert „0" zurückgesetzt. In der anschließenden Verarbeitung dient der Zähler TO als ein Zeiger darauf, wo in dem Drei-Halbwellen-Zyklus sich die vorliegende Halbwelle befindet.
Wenn in Entscheidungsschritt S147 der Zählwert des Zählers a unter einem vorbestimmten Wert A liegt, das heißt in dem Zustand a in 12, wird die Steuerung mit dem Zweig N fortgesetzt und der Zähler um „1" erhöht (S148). Der vorbestimmte Wert A ist durch die Anzahl der Halbwellen in dem Zustand a festgelegt (dies gilt auch für die nachstehend genannten anderen vorbestimmten Werte). Danach wird in Entscheidungsschritt S149 der Zählwert des Verflachungszählers TO kontrolliert. Ist dieser Wert null, wird das Hauptheizelement 2 eingeschaltet (S150); anderenfalls („1" oder „2") werden die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 beide ausgeschaltet (S151).
Ist die Heizelementtemperatur niedriger als die Solltemperatur, wird bei jedem Anlegen der Abstiegsflanke des Nullpunktkreuzungsimpulses an den Eingang INT der Verflachungszähler TO zyklisch erhöht (0, 1, 2, 0 usw.). Ist der Zähler a niedriger als der vorbestimmte Wert A, durchläuft der Ablauf den Entscheidungsschritt S149 und schaltet das Hauptheizelement 2 zyklisch einmal, in jedem Drei-Halbwellen-Zyklus ein. Es ist festzuhalten, dass der Entscheidungsschritt S149 den in 7 gezeigten Betriebszustand M1 realisiert. Erreicht der Zähler a den Wert A, wird der Zustand a in 12 beendet, woraufhin der Zustand b gestartet wird. Im Einzelnen wird der Zähler b in Schritt S152 in dem Ablauf geprüft, so dass der Ablauf, wenn der Zählwert kleiner als der vorbestimmte Wert B ist, mit dem Zweig N fortgesetzt und der Zähler b um „1" erhöht wird (S153). Nur wenn der Zählwert des Verflachungszählers TO „0" oder „1" ist, wird in Entscheidungsschritt S154 das Hauptheizelement 2 eingeschaltet (S155, S156). Damit wird der Betriebszustand M2 wie in 7 realisiert.
In gleicher Weise wird in Entscheidungsschritt S157 geprüft, ob der aktuelle Zustand der Zustand c in 12 ist. Wenn ja, wird der Zähler c in Schritt S158 um „1" erhöht. Der Verflachungszähler TO wird kontrolliert (S159), und wenn der Zählwert „0" ist, wird das Nebenheizelement 3 allein eingeschaltet, wodurch der Zustand S1 (in 7) realisiert wird (S160, S161). Danach findet der Entscheidungsschritt S162 den Zustand d, um den Zähler d zu erhöhen (S163), und der Entscheidungsschritt S164 bewirkt, dass das Nebenheizelement 3 allein im Zustand S2 ist (S165, S166). Weiter findet der Entscheidungsschritt S167 den Zustand e und erhöht den Zählwert des Zählers c um „1" (S168). Danach wird nur das Nebenheizelement 3 zwangsweise in den Zustand S3 geschaltet (S169).
Damit sind die Zustände a bis e abgeschlossen. Das heißt, eine Sequenz der Einschaltschritte wie in 6 gezeigt ist abgeschlossen.
Im nächsten Schritt S170 wird geprüft, ob der aktuelle Zustand der Zustand f in 12 ist. Während der Zähler f kleiner als der vorbestimmte Wert F ist, läuft die Steuerung über den Zweig N weiter und erhöht den Zähler f um „1" (S171). Der Entscheidungsschritt S172 prüft den Verflachungszähler TO, um zu sehen, ob dieser den Zählwert „0" hat, woraufhin nur das Hauptheizelement 2 eingeschaltet wird (S174); anderenfalls wird nur das Nebenheizelement 3 eingeschaltet (S173). Als Ergebnis wird der Betriebszustand M1 + S2 (in 7) realisiert, der den Zustand M1 für das Hauptheizelement und den Zustand S2 für das Nebenheizelement miteinander kombiniert.
Erreicht der Zähler f den Wert F, leitet der Entscheidungsschritt S170 den Ablauf auf den Zweig J, wo die Zähler e und f auf den Ausgangswert „0" zurückgesetzt werden. Weil der Zähler e nach Erreichen des vorbestimmten Werts in Schritt S167 zurückgesetzt worden ist, hat dies zur Folge, dass in dem anschließenden INT-Unterbrechungsprozess wieder der Zustand e aufgerufen wird (Nebenheizelement 3 eingeschaltet in Zustand S3), und die beiden Zustände f und e werden wiederholt.
Damit ist beschrieben worden, dass die in 12 gezeigten Heizelement-Betriebsmuster realisiert werden können.
Alternativ können die Zähler a bis f anfangs auf die vorbestimmten Werte A, B, C, D, E und F eingestellt werden, so dass ihre Zählwerte verringert werden, um sie dahingehend zu prüfen, ob sie null erreichen.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform weist die nachstehenden Vorteile auf:

(1) Die Steuerungs-Hardware ist relativ einfach. Bei dem Phasensteuerungssystem nach dem bisherigen Stand der Technik als allgemeines Mittel zur Unterdrückung des Heizelementstroms wie vorstehend beschrieben war es erforderlich, einen Impuls zu erzeugen, um einen Phasenwinkel (eine kürzere Zeit als eine Halbwellendauer) anzugeben, bei dem das Heizelement eingeschaltet werden soll, indem ein Zeitgeber an einer Nullpunktkreuzung der Versorgungsspannung eingestellt wird. Dies hat die Steuerung selbst komplizierter gemacht und erforderte Hardware wie etwa einen Zeitge bermechanismus. Bei der „Wellenanzahlsteuerung" nach der vorliegenden Erfindung entfällt die Notwendigkeit eines solchen Zeitgebers zur Angabe der Phase, weil die Heizelemente an Nullpunktkreuzungen eingeschaltet werden. Dies verringert auch die Komplexität der Steuerung wie etwa das Einrichten und Aktivieren der Hardware.
(2) Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu der Phasensteuerung ist der, dass die „Wellenanzahlsteuerung" nahezu frei von sog. Stromversorgungsoberwellen ist, das heißt Stromänderungen mit einem Mehrfachen der Netzfrequenz auf der Stromleitung, weil der Heizelementstrom an den Nullpunktkreuzungen angelegt wird. Um solche Stromversorgungsoberwellen zu unterdrücken, wird üblicherweise eine große Induktivität (Drosselspule) mit dem Heizelement in Reihe geschaltet. Aufgrund des zusätzlichen elektrischen Bauteils hat dies jedoch die Kosten der Vorrichtung erhöht, und der zusätzliche Platzbedarf hat eine kompakte Ausführung der Vorrichtung behindert.
(3) Es ist möglich, die Stromänderungen aufgrund des Schaltens der Heizelemente durch die Steuerung des Betriebs der Heizelemente 2 und 3 in relativ kurzen Zeitintervallen zu verkürzen.

Obwohl ein typisches Beispiel für die „Wellenanzahlsteuerung" beschrieben worden ist, sind die folgenden Modifikationen möglich.
6 zeigt ein Beispiel zur Verringerung von Stromstößen. Auf die 1/3-Halbwellensteuerung kann zum Beispiel direkt die Vollperiodensteuerung ohne die Zustände b und d folgen. Dies kann noch eine bestimmte Wirkung zur Verringerung der Stromänderungen haben. In gleicher Weise kann auf die Zustände b und d direkt die Vollperiodensteuerung ohne die Zustände a und c folgen.
Schließlich schließt die vorliegende Erfindung in ihrem Umfang alle Kombinationen mit ein, die die Stärke des Stromstoßes durch Verflachen von einer oder zwei Halbwellen aus dem Drei-Halbwellen-Zyklus zu Beginn des Heizelementbetriebs verringern können.
Im Hinblick auf 9, die ein alternatives Umschalten zwischen den Haupt- und Nebenheizelementen 2 und 3 als eine Form der sog. Flackersteuerung zeigt, schließt die vorliegende Erfindung in ihrem Umfang alle Kombinationen mit ein, bei denen eine oder zwei Halbwellen aus den drei Halbwellen für die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 verflacht werden, wenn sie den Unterschied in den Schaltströmen im Vergleich zu der Vollperiodensteuerung nach dem bisherigen Stand der Technik verringern.
Obwohl vorstehend hauptsächlich ein auf einem Drei-Halbwellen-Zyklus basierendes Schema als Beispiel beschrieben worden ist, ist die Wellenanzahlsteuerung wie in 6 und 7 gezeigt auch mit einem Vier-Halbwellen-Zyklus, Fünf-Halbwellen-Zyklus, Sieben-Halbwellen-Zyklus oder Elf-Halbwellen-Zyklus usw. möglich.
Weiter ist auch bei Verwendung eines einzelnen Heizelements die in 6 gezeigte Steuerung wirksam, die die Anzahl der Halbwellen allmählich erhöht.
Nach der vorliegenden Ausführungsform können die durch die Halogen-Heizelemente bedingten abrupten Stromänderungen ohne Verwendung der Phasensteuerung verringert werden, um dadurch einen relativ einfachen Aufbau der Steuer-Hardware zu ermöglichen. Darüber hinaus werden durch das Anlegen des Stroms an die Heizelemente an Nullpunktkreuzungen die Stromversorgungsoberwellen auf der Stromleitung fast vollständig beseitigt. Weiter wird auch in einer Fixiereinheit mit Haupt- und Nebenheizelementen das Problem in Zusammenhang mit dem Umschalten zwischen den Heizelementen durch die optimale Betriebszeitsteuerung der beiden Heizelemente mit ähnlichen Vorteilen gelöst.
16 zeigt ein Blockdiagramm eines Hauptteils, bezogen auf die Fixiereinheit, einer Bilderzeugungsvorrichtung in einem für das Verständnis der Erfindung nützlichen Bei spiel. Gleiche Elemente in dieser Abbildung wie in 1 und 11 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Diese Fixiereinheit weist eine Fixierrolle 1 auf, in der sich ein Hauptheizelement 2 und ein Nebenheizelement 3 befinden. Für dieses Beispiel wird angenommen, dass der Stromverbrauch des Hauptheizelements 2 größer ist als der des Nebenheizelements 3. Die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 werden mit Wechselstrom aus der Wechselstromversorgung 7 auf der Grundlage des Ein- und Ausschaltens der Schaltelemente 5 bzw. 6 versorgt. Die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 können in der Längsrichtung der Fixierrolle 1 eine unterschiedliche thermische Intensitätsverteilung aufweisen.
In der vorliegenden Beschreibung werden die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 allgemein einfach als „Heizelemente" bezeichnet.
Angrenzend an die Oberfläche der Fixierrolle 1 ist ein Temperatursensor 4 wie zum Beispiel ein Thermistor angebracht. Die Daten von dem Temperatursensor 4 werden mit einem A/D-Wandler 9 in ein Digitalsignal umgesetzt und einer Zentraleinheit oder CPU 8 zugeführt. Die CPU 8 führt einen vorbestimmten Prozess auf der Grundlage der Daten aus, um so über das E/A-Glied 10 die Schaltelemente 5 und 6 zu steuern.
Weiter ist in diesem Beispiel ein Widerstand 13 so vorgesehen, dass er in Reihe mit dem Hauptheizelement 2 mit einem höheren Stromverbrauch geschaltet ist. Dieser Widerstand kann durch Kurzschließen seiner beiden Enden mit dem Schaltelement 14 während einer vorbestimmten Zeitspanne wie nachstehend angegeben aus der Schaltung genommen werden. Die CPU 8 in Verbindung mit dem ROM 11 und dem RAM 12 führt einen vorbestimmten Prozess aus und steuert das Schalten der Schaltelemente 5, 6 und 14 entsprechend dem Steuerprogramm und den vorab im ROM 11 gespeicherten Daten. Natürlich kann die CPU 8 auch andere Komponenten in der Bilder zeugungsvorrichtung steuern. Der RAM 12 dient als Zwischenspeicher für Daten und als Arbeitsbereich für die CPU B.
17(a), (b) und (c) sind Zeitablaufdiagramme, die die Steuerung des Heizelementbetriebs zeigen. Die Heizelementsteuerung erfolgt auf der Grundlage der Temperatur der Fixierrolle 1, die mit dem Temperatursensor 4 erfasst wird, der an der Fixierrolle angebracht ist. Wenn die Temperatur der Fixierrolle 1 unter einen im ROM 11 gespeicherten unteren Grenzwert absinkt, werden in diesem Beispiel die Heizelemente mit der in 17(a) und (b) gezeigten Taktung betrieben. 17(a) zeigt einen Betriebstakt für das Hauptheizelement 2 und 17(b) den für das Nebenheizelement 3. 17(c) zeigt den Ein/Aus-Takt für das mit dem Widerstand 13 zur Verhinderung des Stromstoßes verbundene Schaltelement 14. Das Schaltelement 14 befindet sich normalerweise in seinem Aus-Zustand (niedriger Pegel), während dessen der Widerstand 13 mit dem Hauptheizelement 2 in Reihe geschaltet ist.
In den Zeitablaufdiagrammen in 17(a), (b) und (c) ist der Widerstand 13 für eine Zeit t1 nach dem Einschalten des Widerstands mit dem Hauptheizelement 2 in Reihe geschaltet. Nach Ablauf der Zeit t1 wird das Schaltelement 14 eingeschaltet, wodurch der Widerstand 13 aus der Schaltung herausgenommen wird. Dies bedeutet, dass das Einfügen des Widerstands 13 in Reihe mit dem Hauptheizelement 2 einen größeren Widerstandswert der kombinierten Widerstände in dem System für eine Zeitspanne liefert, während der der Widerstand des Heizelements unmittelbar nach dem Starten des Heizelementbetriebs niedrig ist, wodurch der Stromstoß verringert wird. Nach Ablauf der Zeit t1 erhöht sich der Widerstand des Hauptheizelements 2 aufgrund des Temperaturanstiegs des Hauptheizelements 2 bis zu einem gewissen Maß, so dass das Entfernen des Widerstands 13 in diesem Moment keinen großen Stromstoß verursacht. Die Zeit t1, während der der Widerstand 13 in die Schaltung eingefügt ist, wird vorzugsweise anhand des Stromverbrauchs des Hauptheizele ments 2 und des Widerstandswerts des Widerstands 13 bestimmt. Die Leistungsaufnahme der Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 beträgt in diesem, Beispiel 950 Watt bzw. 300 Watt, der Widerstandswert des Widerstands 13 beträgt 26 Ohm und die Zeit t1 beträgt 500 ms. Dies ist jedoch nur ein Beispiel für eine Umsetzung, und die vorliegende Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Wenn zum Beispiel das Nebenheizelement 3 für eine kurze Zeit vor dem Einschalten des Hauptheizelements 2 eingeschaltet wird, wie nachstehend beschrieben, kann der Widerstand 13 einen Widerstandswert von 15 Ohm aufweisen und die Zeit t1 kann 200 ms betragen.
Obwohl auch das Einfügen des Widerstands 13 allein den Stromstoß verhindern kann, wird bei diesem Beispiel zusätzlich das Nebenheizelement 3 mit einem geringeren Stromverbrauch für eine kurze Zeit (z.B. mehrere 10 Millisekunden) eingeschaltet, unmittelbar bevor das Hauptheizelement 2 eingeschaltet wird, wie in 17(a) und (b) gezeigt. Die Einschaltdauer t3 des Hauptheizelements 2 kann je nach Situation zum Beispiel zwischen 6 und 7 Sekunden variieren. Die kurze Einschaltdauer des Nebenheizelements 3 vor dem Einschalten des Hauptheizelements 2 reicht nicht aus, um die Temperatur des Nebenheizelements 3 um einen nötigen Betrag zu erhöhen, weshalb das Nebenheizelement 3 erneut eingeschaltet werden muss. Dieses Wiedereinschalten des Nebenheizelements erfolgt nach Ablauf einer Zeit t2 nach dem Einschalten des Hauptheizelements, um das Hauptheizelement 2 vollständig zu erwärmen. In diesem Beispiel beträgt die Zeit t2 ca. 1 Sekunde. Eine solche Steuerung verringert die Stärke einer abrupten Stromänderung. Eine ausführliche Beschreibung erfolgt anhand der Wellenform in 18 für einen in der Stromversorgung fließenden Strom.
18 zeigt eine Stromwellenform in der Stromversorgung, die dem Zeitablaufdiagramm in 17(a), (b) und (c) entspricht. Wenn der Temperatursensor 4 das Absinken der Temperatur erfasst, schaltet die CPU 8 zuerst das Nebenheizelement 3 für mehrere 10 Millisekunden sein. Danach wird das Nebenheizelement 3 ausgeschaltet und gleichzeitig wird das Hauptheizelement 2 eingeschaltet. Dies verringert die abrupte Stromänderung, die zu Beginn des Betriebs der Heizelemente auftritt.
Das Prinzip der Verringerung der Stromänderung ist wie folgt. Da die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 voneinander unabhängig sind, fließt ein Strom mit einem Spitzenwert I(m) in dem Moment, in dem das Hauptheizelement 2 eingeschaltet wird, wie in 18 gezeigt. Wenn daher das Nebenheizelement 3 nicht unmittelbar vor dem Einschalten des Hauptheizelements eingeschaltet wird, würde der Strom I(m) in diesem Moment sofort fließen. In dem Moment, in dem das Nebenheizelement 3 eingeschaltet wird, fließt auch ein Strom I(s), aber dieser Strom I(s) stellt kein Problem dar, da der Stromverbrauch niedrig ist. Nun wird angenommen, dass i(s) der Strom ist, der wenige 10 Millisekunden nach dem Einschalten des Nebenheizelements in dem Nebenheizelement 3 fließt. In dem Moment, in dem das Nebenheizelement 3 ausgeschaltet wird, während gleichzeitig das Hauptheizelement 2 eingeschaltet wird, beträgt die Stromänderung in diesem Moment I(m) – i(s), wodurch die Stärke der momentanen Änderung in dem in der Stromversorgung fließenden Strom verringert wird. Deshalb muss die Einschaltdauer des Nebenheizelements 3 kurz genug sein, um sicherzustellen, dass der Strom nicht durch den Temperaturanstieg abgeschwächt wird.
Durch eine solche Steuerung entfällt die Notwendigkeit, die Größenordnung des Stromstoßes selbst zu verringern, der beim Einschalten des Hauptheizelements entsteht. Folglich kann der Widerstandswert des Widerstands 13 relativ niedrig sein. Dieser geringe Widerstand bewirkt eine Erhöhung des in dem Hauptheizelement 2 fließenden Stroms, was die Erwärmung des Heizelements beschleunigt. Daher kann die Zeit, während der der Widerstand 13 mit dem Heizelement in Reihe geschaltet ist, verkürzt werden. Folglich kann die Leistungsaufnahme des Widerstands 13 gesenkt werden, wodurch das dadurch verursachte Problem beseitigt wird. Außerdem erfolgt die Stromänderung stufenlos, was das Flackern der Lampe usw. verringert.
Zu dem Zeitpunkt, an dem das Nebenheizelement 3 wieder eingeschaltet wird, bleibt das Hauptheizelement 2 eingeschaltet, was bedeutet, dass die in beiden Heizelementen fließenden Ströme addiert werden. Das Wiedereinschalten des Nebenheizelements erfolgt jedoch, nachdem das Hauptheizelement 2 ausreichend warm ist, und daher hat der Strom in dem Hauptheizelement 2 abgenommen, so dass die Summe der beiden Ströme klein ist.
Wenn der Betrieb der Heizelemente beendet wird, wird zuerst das Hauptheizelement 2 und nach einer bestimmten Zeitspanne das Nebenheizelement 3 ausgeschaltet. Diese Steuerung berücksichtigt auch die Stärke der abrupten Stromänderung bei der Beendigung des Betriebs der Heizelemente.
Obwohl in diesem Beispiel der Widerstand als eine Stromstoß-Verhinderungseinrichtung benutzt wird, kann auch eine andere Einrichtung wie zum Beispiel die Phasensteuerung, das heißt das bekannte Verfahren ohne Widerstand, oder die Wellenanzahlsteuerung, wie für die erste Ausführungsform beschrieben, benutzt werden. In diesen Fällen ist es auch wirksam, das Nebenheizelement für eine kurze Zeit unmittelbar vor dem Einschalten des Hauptheizelements einzuschalten.
Alternativ kann als Stromstoß-Verhinderungseinrichtung ein Leistungsthermistor wirksam benutzt werden, der eine dem Halogen-Heizelement entgegengesetzte Widerstands-Temperatur-Charakteristik aufweist (das heißt der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab). In diesem Fall wird der Widerstand 13 in 16 durch den Leistungsthermistor ersetzt und das Schaltelement 14 entfernt.
19 zeigt ein Blockdiagramm eines Aufbaus nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 19 sind gleiche Elemente wie in 16 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Unterschiede zu dem Aufbau in 16 sind die, dass der Widerstand 13 und das Schaltelement 14 in 19 entfernt sind und dass das im ROM 11 gespeicherte Steuerprogramm anders ist.
Anhand der Zeitablaufdiagramme in 20(a) bis (f) wird die Steuerung der beiden Heizelemente nach der zweiten Ausführungsform beschrieben. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Steuerung der Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 einen „Normalbetrieb", der ausgeführt wird, wenn die Temperatur sinkt, und einen „intermittierenden Betrieb", der während der anderen Zeitspannen außer während des „Normalbetriebs" ausgeführt wird. Der Normalbetrieb entspricht der in dem Beispiel beschriebenen Steuerung. Das Einfügen des Widerstands 13 ist jedoch nicht wesentlich, und der Widerstand 13 und das Schaltelement 14 sind entfernt, wie in 19 gezeigt. Der „intermittierende Betrieb" soll verhindern, dass die Heizelementtemperatur sinkt, damit es während der anderen Zeitspannen außer während des Normalbetriebs nicht zu einem Absinken des Heizelementwiderstands kommt. Dieses Konzept selbst ist in der Technik bekannt. Bei dieser Ausführungsform ist es durch Anwendung mehrerer Heizelemente mit unterschiedlichem Stromverbrauch und geschickte Kombination ihrer Steuerung möglich, die Stärke der momentanen Stromänderung zu verringern. Damit soll nicht der Spitzenwert des Stroms an sich verringert werden, sondern es dient dazu, das Flackern einer Lampe und Rauschen/Störungen zu verringern.
20(a) und (b) zeigen die Ein-/Ausschaltzeiten für die Haupt- und Nebenheizelemente 2 bzw. 3 im intermittierenden Betrieb. 20(c) und (d) zeigen die Ein-/Ausschaltzeiten für die Haupt- und Nebenheizelemente 2 bzw. 3 im Normalbetrieb. Weiter zeigen 20(e) und (f) zeigen die Ein-/Ausschaltzeiten für das tatsächlich an die Haupt- und Nebenschalter 5 und 6 angelegten Schaltsignal, wobei es sich um eine Kombination des intermittierenden Betriebs und des Normalbetriebs der Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 handelt.
Im Normalbetrieb, wenn die Bilderzeugungsvorrichtung eingeschaltet ist, werden die Heizelemente so lange betrieben, bis die Fixierrolle 1 die im ROM 11 voreingestellte Temperatur erreicht. Danach wird ein Signal von Temperatursensor 4 überwacht, und wenn die Temperatur einen im ROM 11 voreingestellten oberen Grenzwert überschreitet, wird der Betrieb der Heizelemente beendet. Fällt die Temperatur unter einen im ROM 11 voreingestellten unteren Grenzwert, wird der Betrieb wieder gestartet. Diese Betriebszeiten sind in 20(c) und (d) gezeigt und entsprechen der in dem Beispiel beschriebenen Steuerung. Das heißt, durch Einschalten des Nebenheizelements für mehrere Millisekunden unmittelbar vor dem Einschalten des Hauptheizelements wird der Gesamtbetrag der Stromänderung zeitlich verteilt, um die momentane abrupte Stromänderung in der Stromversorgung zu verringern.
Im intermittierenden Betrieb, wie in 20(a) und (b) gezeigt, wird das Hauptheizelement 2 intermittierend in Intervallen für eine vorbestimmte Zeitspanne ein- und ausgeschaltet, während das Nebenheizelement 3 für eine kurze Zeit unmittelbar vorher und nachher entsprechend der Einschaltdauer des Hauptheizelements 2 eingeschaltet wird. Diese intermittierende Steuerung bewirkt jedoch, dass die in 20(a) und (b) gezeigten Signale nur dann auf die Schaltelemente 5 und 6 reflektiert werden, wenn kein von der Fixierrollentemperatur abhängiges Steuersignal ausgegeben wird, das heißt wenn die Signale in 20(c) und (d) beide AUS sind. Somit werden die Ein-/Ausschaltzeiten für die Schaltelemente 5 und 6 entsprechend 20(e) und (f) gesteuert. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Einschaltdauer des Hauptheizelements 2 in 20(a) zum Beispiel 100 bis 200 Millisekunden und die des Nebenheizelements 3 in 20(b) zum Beispiel ca. 60 Millisekunden. Diese Steuerung ermöglicht es, dass die Heizelemente intermittierend leitend werden, auch wenn das von der Fixierrollentemperatur abhängige Steuersignal AUS ist, wodurch verhindert wird, dass der Widerstand des Heizelements sinkt. Dies führt zu einer Verringerung des Stromstoßes zu Beginn des Normalbetriebs.
Die Ein- und Ausschaltdauer der Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 in 20(a) und (b) darf keine Werte annehmen, die die Fixierrollentemperatur aufgrund des intermittierenden Betriebs erhöhen. Durch Anwendung des intermittierenden Betriebs kann die Fixierrollentemperatur langsamer gesenkt werden als ohne diesen.
Im Allgemeinen sind die Haupt- und Nebenheizelemente in der Höhlung der Fixierrolle 1 angeordnet, und ihre Heizwendel und die Fixierrolle unterscheiden sich in ihrer spezifischen Heiz- und Wärmekapazität, weshalb die Temperaturen von Rolle und Heizwendel nicht unbedingt übereinstimmen. Wenn daher die Fixierrollentemperatur unter die Untergrenze fällt, bei der der Normalbetrieb eingeleitet wird, bleibt die Heizwendeltemperatur auf einer bestimmten Höhe, wodurch ein Absinken ihres Widerstands vermieden wird.
21 zeigt die Wellenform für einen in der Stromversorgung 7 fließenden Strom nach der zweiten Ausführungsform. Anhand dieser Abbildung wird die Verringerung der Stromänderung erläutert.
Das Zeitablaufdiagramm unter der Wellenform in 21 zeigt, welche Steuersignale in 20(a) bis (f) diesen Teil der Stromwellenform bilden. Weil die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 voneinander unabhängig sind, fließt ein Strom I(m) in dem Moment, in dem das Hauptheizelement 2 im intermittierenden Betrieb eingeschaltet wird, wie in 21 gezeigt. Das heißt, wenn das Hauptheizelement 2 allein eingeschaltet wird, würde der Strom I(m) sofort fließen. Außerdem fließt, wie in 21 gezeigt, ein Strom I(s) in dem Moment, in dem das Nebenheizelement 3 eingeschaltet wird. Da das Nebenheizelement 3 jedoch einen geringeren Stromverbrauch aufweist, stellt der Strom I(s) kein Problem dar. Nun wird angenommen, dass i(s) der Strom des Nebenheizelements ist, der mehrere 10 Millisekunden nach dem Einschalten des Nebenheizelements 3 fließt. In diesem Moment wird das Nebenheizelement 3 ausgeschaltet und gleichzeitig das Hauptheizelement 2 eingeschaltet, was zu einer Stromänderung von I(m) – i(s) führt. Dadurch wird die momentane Änderung in dem in der Stromversorgung fließenden Strom verringert. Bei dieser zweiten Ausführungsform gibt es keinen Widerstand 13, und daher wird angenommen, dass der Strom I(m) in 21 größer als der in 18 ist. Die Wirkung der Verringerung der Stärke der Stromänderung aufgrund des Unterschieds zwischen den zwei Strömen ist jedoch auch bei der zweiten Ausführung gegeben.
Darüber hinaus ist die Einschaltdauer des Hauptheizelements im intermittierenden Betrieb kurz, und das Heizelement wird nicht vollständig erwärmt. Daher ist der Stromwert des Hauptheizelements 2 in dem Moment, in dem das Hauptheizelement im intermittierenden Betrieb ausgeschaltet wird, größer als der normale Strom im Normalbetrieb, und folglich ist die Stärke der momentanen Stromänderung nicht vernachlässigbar. Dann wird als ein analoges Konzept das Nebenheizelement 3 zur selben Zeit eingeschaltet, an der das Hauptheizelement 2 ausgeschaltet wird, um auf diese Weise eine stufenlose Stromänderung zu ermöglichen, wie in 21 gezeigt. Weil das Nebenheizelement 3 einen niedrigeren Stromverbrauch als das Hauptheizelement 2 hat, ist die Stromänderung beim Ausschalten des Nebenheizelements kleiner.
Wie vorstehend beschrieben, werden durch Verringern der momentanen Stromänderung ein Flackern der Lampe und das Auftreten von Störungen verhindert.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Temperatursteuerung für die Fixierrolle 1 nach der zweiten Ausführungsform.
Zuerst wird beim Einschalten der Stromversorgung für die Bilderzeugungsvorrichtung der Normalbetrieb gestartet (S1). Wie vorstehend beschrieben, wird der Normalbetrieb ausgeführt, um die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3 basierend auf den in 20(c) und (d) gezeigten Zeiten zu betreiben.
Die Temperatur auf der Oberfläche der Fixierrolle wird mit dem Temperatursensor 4 ständig überwacht (S2), so dass der Normalbetrieb fortgesetzt wird, bis die Temperatur einen im ROM 11 voreingestellten Wert T_oben erreicht (S1). Erreicht die Oberflächentemperatur der Fixierrolle den Wert T_oben wird der Normalbetrieb beendet (S3) und der intermittierende Betrieb gestartet (S4). Im intermittierenden Betrieb werden die Haupt- und Nebenheizelemente 2 und 3, wie oben beschrieben, entsprechend den Zeiten in 20(a) und (b) betrieben. Während des intermittierenden Betriebs sinkt die Oberflächentemperatur der Fixierrolle allmählich. Dieser Rückgang der Temperatur der Fixierrolle 1 wird mit dem Temperatursensor 4 überwacht und mit einem im ROM 11 voreingestellten unteren Grenzwert der Temperatur T_unten verglichen (S5). Wenn die Oberflächentemperatur der Fixierrolle unter den Wert T_unten gesunken ist, wird der intermittierende Betrieb beendet (S6) und der Normalbetrieb wieder gestartet (S1).
Während die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist es möglich, diese zu ändern und zu modifizieren, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die bei der ersten Ausführungsform beschriebene intermittierende Betriebssteuerung auf die in dem Beispiel erläuterte Bilderzeugungsvorrichtung mit der Stromstoß-Verhinderungseinrichtung (Widerstand, Phasensteuerung, Leistungsthermistor, Wellenanzahlsteuerung usw.) angewendet werden, wodurch sich weitere Vorteile bei der Verringerung von Flackern und Störungen ergeben. Obwohl beschrieben worden ist, dass das Nebenheizelement vor und nach der Einschaltdauer des Hauptheizelements im intermittierenden Betrieb eingeschaltet wird, kann das Nebenheizelement auch nur davor eingeschaltet werden, wobei der Haupteffekt trotzdem erhalten werden kann.
Obwohl ein Beispiel mit zwei Heizelementen in Form der Haupt- und Nebenheizelemente für die Fixierrolle 1 beschrieben worden ist, kann diese auch ein einzelnes Heizelement aufweisen, zusammen mit einem Element in der Bilderzeugungsvorrichtung, zum Beispiel einer Lampe oder einem Umgebungsheizelement (beide nicht gezeigt), anstelle des Nebenheizelements 3 in der in 16 oder 19 gezeigten Schaltung. Die Lampe oder das Umgebungsheizelement dient in diesem Fall nicht zur Erzeugung von Wärme für das Fixieren, sondern nur zur Steuerung des Stromflusses in der Stromversorgung. Der Betrieb der Lampe für eine kurze Zeit von mehreren 10 Millisekunden ist für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar und stellt somit kein Problem dar. Bei Verwendung des Umgebungsheizelements können mehrere solcher Heizelemente miteinander in Reihe geschaltet werden, um eine gewünschte Leistungsaufnahme zu erzielen.
In der in 16 gezeigten Schaltung kann ein als der Widerstand 13 benutztes spezielles Element auch durch ein vorhandenes Element (zum Beispiel ein Umgebungsheizelement) in der Bilderzeugungsvorrichtung ersetzt werden.
Nach dem Beispiel und der zweiten Ausführungsform wird, wie vorstehend beschrieben, durch Einschalten des Nebenheizelements mit einem niedrigeren Stromverbrauch für eine kurze Zeit unmittelbar vor dem Einschalten des Hauptheizelements mit einem höheren Stromverbrauch eine momentane Stromänderung verringert, um das Flackern der Lampe oder dergleichen zu verhindern.
Auch wenn die Stromstoß-Verhinderungseinrichtung wie zum Beispiel ein Widerstand benutzt wird, ist der Widerstand für das Nebenheizelement wegen seines geringeren Stromverbrauchs nicht nötig, sondern lediglich für das Hauptheizelement.
Außerdem kann, weil die Stromänderung durch das Einschalten des Nebenheizelements für eine kurze Zeit vor dem Einschalten des Hauptheizelements verringert wird, die Forderung zur Verringerung des Stromstoßes durch den Widerstand in gewissem Maße abgeschwächt werden. Folglich ist es möglich, einen Widerstand mit einem niedrigeren Widerstandswert zu benutzen, was zu einer Verringerung der Leistungsaufnahme des Widerstands führt und diesen gleichzeitig kompakt macht und die Sicherheit verbessert.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung eignet sich für die Konstruktion und Herstellung von Bilderzeugungsvorrichtungen wie zum Beispiel elektrostatischen Kopiergeräten, Druckern usw., um das Flackern von Lampen und Störungen zu verringern, die andere elektronische Geräte beeinträchtigen.

Claims

Verfahren zum Betreiben von Fixier-Heizelementen (2, 3) mit einem ersten und einem zweiten Heizelement, wobei in dem Verfahren eine Steuerung zur Verflachung mindestens einer Halbwelle aus jedem Zyklus von wenigstens drei aufeinanderfolgenden Halbwellen einer angelegten AC-Versorgungsspannung verwendet wird, unmittelbar nach dem Anlegen der AC-Versorgungsspannung an die Fixier-Heizelemente (2, 3) eine erste Zeitspanne (a, b), in der nur das erste Heizelement betrieben wird, und nach der ersten Zeitspanne (a, b) eine zweite Zeitspanne (c, d), in der nur das zweite Heizelement betrieben wird, vorgesehen werden, das erste und das zweite Heizelement (2, 3) in der ersten und der zweiten Zeitspanne jeweils verflachungsgesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner nach der zweiten Zeitspanne (c, d) eine dritte Zeitspanne (e) vorgesehen wird, in der das erste und das zweite Heizelement betrieben werden, wobei die dritte Zeitspanne (e) in eine erste und eine zweite Unter-Zeitspanne unterteilt ist, die abwechselnd wiederholt werden, und in der ersten und/oder zweiten Unter-Zeitspanne das erste und das zweite Heizelement verflachungsgesteuert werden und die Beziehung der Verflachungssteuerungen der zwei Heizelemente so gestaltet ist, daß sie zueinander komplementär in der Zeitachse sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der ersten und zweiten Zeitspanne (a bis d) die Verflachungssteuerung so durchgeführt wird, daß mehrere Zyklen von Halbwellen sowohl an das erste als auch an das zweite Heizelement angelegt werden, während die Anzahl der verflachten Halbwellen von einem großen Wert auf einen kleinen geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der ersten und zweiten Zeitspanne (a bis d) die Verflachungssteuerung bei einem Zyklus von drei Halbwellen so ausgeführt wird, daß mehrere Zyklen von Halbwellen sowohl auf das erste als auch auf das zweite Heizelement angelegt werden, wobei die Anzahl der verflachten Halbwellen "2" beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in der ersten und der zweiten Zeitspanne (a bis d) nach dem Anlegen der mehreren Halbwellenzyklen mit der Anzahl "2" von verflachten Halbwellen mehrere andere Halbwellenzyklen an das erste und das zweite Heizelement angelegt werden, wobei die Anzahl der verflachten Halbwellen "1" beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in der dritten Zeitspanne bei einem Zyklus von drei aufeinanderfolgenden Halbwellen das erste Heizelement durch Verflachen von einer oder zwei Halbwellen der drei Halbwellen eines Zyklus betrieben wird, während das zweite Heizelement nur mit den Halbwellen betrieben wird, die bezüglich des ersten Heizelements verflacht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in der dritten Zeitspanne (e) eine abwechselnde Schaltung zwischen einem ersten Betriebsmuster, das an das erste und das zweite Heizelement angelegt wird, und einem zweiten Betriebsmuster, in dem die Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Heizelement verglichen zu dem ersten Betriebsmuster umgekehrt ist, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die folgende Steuerung bei einem Zyklus von drei aufeinanderfolgenden Halbwellen durchgeführt wird, die im wesentlichen mit der Steuerung übereinstimmt, in der Nm aufeinanderfolgende Halbwellen an das erste Heizelement und Ns aufeinanderfolgende Halbwellen auf das zweite Heizelement abwechselnd und wiederholt angelegt werden, (a) für den Fall 2Nm > Ns und 2Ns > Nm: in der ersten Unter-Zeitspanne der dritten Zeitspanne (e) das erste und das zweite Heizelement durch 2Ns – Nm Halbwellen mit dem ersten Betriebsmuster betrieben werden, in dem zwei Halbwellen aus einem Zyklus von drei Halbwellen für das erste Heizelement verflacht werden, während das zweite Heizelement mit den zwei Halbwellen betrieben wird, die für das erste Heizelement verflacht werden, und in der zweiten Unter-Zeitspanne das erste und das zweite Heizelement durch 2Nm – Ns Halbwellen mit dem zweiten Betriebsmuster betrieben werden, in dem eine Halbwelle aus einem Zyklus von drei Halbwellen für das erste Heizelement verflacht wird, während das zweite Heizelement, mit der einen Halbwelle betrieben wird, die für das erste Heizelement verflacht wird, (b) für den Fall 2Nm ≤ Ns: in der ersten Unter-Zeitspanne das erste und das zweite Heizelement durch 3Nm Halbwellen mit dem ersten Betriebsmuster betrieben werden, und in der zweiten Unter-Zeitspanne statt des zweiten Betriebsmusters nur das zweite Heizelement durch Ns – 2Nm Halbwellen ohne verflachte Halbwellen betrieben wird, und (c) für den Fall 2Ns ≤ Nm: in der ersten Unter-Zeitspanne das erste und das zweite Heizelement durch 3Ns Halbwellen mit dem zweiten Betriebsmuster betrieben werden, und in der zweiten Unter-Zeitspanne statt des zweiten Betriebsmusters nur das erste Heizelement durch Nm – 2Ns Halbwellen ohne verflachte Halbwellen betrieben wird.
Bilderzeugungsvorrichtung mit einer Fixiereinheit zum Fixieren eines Tonerbilds auf einem Blatt (23), wobei die Bilderzeugungsvorrichtung aufweist: ein erstes und ein zweites Heizelement als Fixier-Heizelemente (2, 3) für die Fixiereinheit, eine erste und eine zweite Umschalteinrichtung zum unabhängigen Steuern des Anlegens einer AC-Versorgungsspannung an das erste und das zweite Heizelement, eine Temperaturmeßeinrichtung (4) zum Erfassen einer Heizelement-Temperatur der Fixier-Heizelemente, eine Nullpunktkreuzungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Nullpunktkreuzungen der AC-Versorgungsspannung, und eine Steuereinrichtung, um auf Grundlage einer vorbestimmten Prozedur zu entscheiden, wann die durch die Temperaturmeßeinrichtung (4) erfaßte Temperatur niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, und jedesmal wenn eine Nullpunktkreuzung durch die Nullpunktkreuzungs-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, ob das erste oder das zweite Heizelement mit einer Halbwelle der Versorgungsspannung zu betreiben ist oder nicht, und zum Steuern der ersten und der zweiten Umschalteinrichtung auf Grundlage des Entscheidungsergebnisses, eine Steuerung zur Verflachung mindestens einer Halbwelle aus jedem Zyklus von wenigstens drei aufeinanderfolgenden Halbwellen einer angelegten AC-Versorgungsspannung zu verwenden, und unmittelbar nach dem Anlegen der AC-Versorgungsspannung an die Fixier-Heizelemente (2, 3) eine erste Zeitspanne (a, b), in der nur das erste Heizelement betrieben wird, und nach der ersten Zeitspanne (a, b) eine zweite Zeitspanne (c, d), in der nur das zweite Heizelement betrieben wird, bereitzustellen.
Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei ferner nach der zweiten Zeitspanne (c, d) eine dritte Zeitspanne (e) vorgesehen ist, in der das erste und das zweite Heizelement betrieben werden, wobei die dritte Zeitspanne (e) in eine erste und eine zweite Unter-Zeitspanne unterteilt ist, die abwechselnd wiederholt werden, und in der ersten und/oder der zweiten Unter-Zeitspanne das erste und das zweite Heizelement verflachungsgesteuert werden und die Beziehung der Verflachungssteuerungen der zwei Heizelemente so gestaltet ist, daß sie zueinander komplementär in der Zeitachse sind.
Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das erste und das zweite Heizelement vorzugsweise verschiedene Verteilungen in der thermischen Intensität aufweisen.