JP2004093738A

JP2004093738A - 画像形成装置

Info

Publication number: JP2004093738A
Application number: JP2002252702A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nakazawa; 中澤　良雄
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】定着ヒータの予備加熱制御を効率良く行なう構成とした画像形成装置を提供すること。
【解決手段】交流電源１に接続される定着ヒータ２と、前記定着ヒータ２に直列にされるコンデンサ３と、前記定着ヒータ２およびコンデンサ３の直列回路を前記交流電源１に接続し、または交流電源１から遮断するリレー４と、定着ヒータの制御手段とを備え、前記リレー４を閉じて、定格電流よりも少ない電流を前記定着ヒータ２とコンデンサ３の直列回路に供給して、定着ヒータ２の予備加熱を行う
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、定着ヒータの予備加熱制御を効率良く行なう構成とした画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタや複写機などの電子写真方式による画像形成装置においては、トナー像を転写紙などに熱定着させるために定着器が設けられている。この定着器は加熱ローラを有しており、加熱ローラの熱源としてハロゲンランプなどの定着ヒータが用いられている。
【０００３】
前記定着ヒータは、電源周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用の交流電源に直列に接続されており、スイッチ素子によりオンオフ制御される。このように、定着ヒータをオンオフ制御することにより、定着ヒータの温度が設定温度を維持するようにしている。定着ヒータは温度が上昇すると抵抗値が増加し、温度が下降すると抵抗値が減少する特性を有している。このため、ハロゲンランプをスイッチ素子によりオンオフ制御すると、定着ヒータの温度が下がり抵抗値が減少している場合には、スイッチ素子をオンした際に突入電流が流れる。
【０００４】
ところで、定着ヒータの消費電力は、一般に画像形成装置全体の約８０％程度に達し、定格電流が大きく大電力が消費されている。このため、定着ヒータの温度が低い状態でスイッチ素子をオンしたときには、回路に定格電流を超える２〜１０倍の大きな電流が流れ、この電流と電源インピーダンスによる電圧降下△Ｖが発生する。
【０００５】
電圧降下△Ｖの単位時間当たりの変化率（△Ｖ／ｄｔ）の大きさにより、フリッカが生じて商用電源を共用している照明器具のチラツキなどの問題が発生する。フリッカに関しては、国際電気委員会ＩＥＣ５５５−３のフリッカ規格、欧州フリッカ規格（ＥＮ６１０００−３−３）が規定されている。
【０００６】
これらの規格では、Ｐｓｔ（印字動作中に電圧降下の変化率△Ｖ／ｄｔの積分値を１０分間計測）が規定されている。また、Ｐｌｔ（待機中にＰｓｔを１０分間１２回、すなわち２時間計測し、１２個のＰｓｔ値の３乗平均を求める）が規定されている。このように、画像形成装置においては、定着ヒータのオンオフ制御に伴うフリッカに対して厳しい規制がなされている。これらの規制に対しては、種々の対応策が講じられている。
【０００７】
図７は、定着ヒータのオンオフ制御を行う従来の基本的な構成を示す回路図である（従来例１）。図７において、５１は商用の交流電源（ＡＣ）、５２は交流電源５１に直列に接続された定着ヒータ、５４は、定着ヒータ５２をオンオフ制御するスイッチ素子である。スイッチ素子５４としては、一般に制御効率が良好なトライアックが使用されている。
【０００８】
図１７は、図７の制御回路による制御例を示す特性図であり、時間ｔに対するスイッチ素子５４のオンオフ状態を示している。図１７（ａ）は、待機制御状態を示している。待機時には定着ヒータ５２の温度の上下動が大きく、長時間スイッチ素子５４をオフの状態にしておくと、定着ヒータ５２の温度が低下して、定着ヒータ５２に通電したときに大電流が流れフリッカが発生する。
【０００９】
このため、前記のようにＰｌｔの規制値を満たさなくなる場合があるので、一定時間毎に定着ヒータをオンにして、温度低下、すなわち抵抗値の減少を防止している。この例においては、前記Ｐｌｔについて、Ｐｌｔ＜０．６５となるように、スイッチ素子５４のオンオフ周期を選定している。
【００１０】
図１７（ｂ）は、白黒印字制御状態の特性を示している。この例では、前記Ｐｓｔを、Ｐｓｔ＜１．０となるようにスイッチ素子５４のオンオフ周期を選定している。また、図１７（ｃ）のカラー印字制御状態においても、同様にＰｓｔ＜１．０となるようにスイッチ素子５４のオンオフ周期を選定している。Ｔｘは周期、Ｔｙはスイッチ素子５４のオン時間である。
【００１１】
図８は、特許掲載公報第２８２４８４３号に示されている、定着ヒータと外部抵抗とを併用する例の回路図である（従来例２）。図８においては、定着ヒータ５２と直列に外部抵抗５３を接続する。また、スイッチ素子５４と並列にスイッチ素子５５を接続する。
【００１２】
図８の例では、電源投入時などの突入電流の制限が必要な際には、スイッチ素子５４をオフ、スイッチ素子５５をオンにして、定着ヒータ５２と直列に外部抵抗５３を接続する。このようにして、回路の抵抗値を増大させて突入電流を抑制する。また、定常状態では、スイッチ素子５４をオン、スイッチ素子５５をオフにして、定着ヒータ５２のみを交流電源５１に接続するものである。
【００１３】
図９は、定着ヒータと外部抵抗とを併用する他の例を示す回路図である（従来例３）。図９においては、定着ヒータ５２と直列に第１の外部抵抗５３を接続し、第１の外部抵抗５３と並列に第２の外部抵抗５６を接続する。また、各外部抵抗５３，５６と直列にスイッチ素子５５、５７を接続する。
【００１４】
図９の例では、画像形成装置の立ち上げ時のように定着ヒータ５２の温度が低下している場合には、一方の外部抵抗、例えば第１の外部抵抗５３を定着ヒータ５２と直列に接続する（段階ａ）。この場合には、スイッチ素子５４、５７をオフ、スイッチ素子５５をオンにして、突入電流を抑制する。
【００１５】
定着ヒータ５２が所定温度に昇温すると、スイッチ素子５７をオンにして、定着ヒータ５２と直列に外部抵抗５３、５６の並列回路を接続する（段階ｂ）。この場合には、回路全体の抵抗値は、定着ヒータ５２に第１の外部抵抗５３のみを接続した前記（段階ａ）よりも減少し、回路電流は増大する。
【００１６】
更に、時間が経過して定着ヒータ５２の温度が上昇すると、次に、スイッチ素子５５、５７をオフにして外部抵抗５３，５６を回路から切り離す。また、スイッチ素子５４をオンにして定着ヒータ５２にのみ通電して定着装置を定格電流で動作させる（段階ｃ）。このように、図１１の例では回路全体の抵抗値を三段階に切り替えている。
【００１７】
図１０は、特開平１０−６３１２４号公報に示されている定着ヒータと外部抵抗とを併用する他の例を示す回路図である（従来例４）。図１０においては、図８の回路に、第２の外部抵抗５８、スイッチ素子５９を付加するものである。第２の外部抵抗５８は、第１の外部抵抗５３と直列に接続される構成とされている。図１０の例では、画像形成装置の立上げ時には、スイッチ素子５４、５５をオフ、スイッチ素子５９をオンにする（段階ａ）。したがって、定着ヒータ５２には、第１の外部抵抗５３と第２の外部抵抗５８が直列に接続されて突入電流を抑制する。
【００１８】
次に、スイッチ素子５４、スイッチ素子５９をオフ、スイッチ素子５５をオンにして（段階ｂ）、定着ヒータ５２に第１の外部抵抗５３を直列に接続して回路電流を抑制する。定着ヒータ５２が所定温度に昇温すると、スイッチ素子５５、５９をオフ、スイッチ素子５４をオンにして（段階ｃ）、定着ヒータ５２のみに通電する。図１０の例でも、図９と同様に回路抵抗の大きさを三段階に切り替えている。
【００１９】
図１１は、特開２００１−２２２２０号公報に示されている、定着ヒータをメインヒータ６２とサブヒータ６３とに分割し、それぞれメインスイッチ素子６４、サブスイッチ素子６５を介して交流電源６１に接続する例を示す回路図である（従来例５）。メインスイッチ素子６４，サブスイッチ素子６５を共にオンとした場合には、メインヒータ６２とサブヒータ６３は、交流電源６１に並列に接続される。
【００２０】
図１１の例では、メインヒータ６２の抵抗値をＲｍ、サブヒータ６３の抵抗値をＲｓとすると、Ｒｍ＜Ｒｓに選定している。すなわち、メインヒータ６２の定格電力をサブヒータ６３の定格電力よりも大きく選定し、画像形成装置の立上げ時（待機時）とカラー印字を行う際には、サブスイッチ素子６５をオン、メインスイッチ素子６４をオフとして、サブヒータ６３による大きな抵抗で突入電流を抑制する。
【００２１】
図１２は、特開２０００２−４３０２８号公報に示されている、定着ヒータをメインヒータとサブヒータに分割して制御する他の例を示す回路図である（従来例６）。図１２の例では、メインヒータ６２とサブヒータ６３とを直並列接続するように、スイッチ素子６６、６７、６８を配置している。図１２の例では、メインヒータ６２の抵抗値をＲｍ、サブヒータ６３の抵抗値をＲｓとすると、Ｒｍ＜Ｒｓに選定している。
【００２２】
画像形成装置の立上げ時（待機時）とカラー印字を行う際には、スイッチ素子６６、スイッチ素子６８をオフ、スイッチ素子６７をオンにして、メインヒータ６２とサブヒータ６３を直列に接続し回路の抵抗値を増大させ、突入電流を抑制する。白黒印字を行う際には、スイッチ素子６８をオフ、スイッチ素子６６、スイッチ素子６７をオンにして、メインヒータ６２とサブヒータ６３とを並列に接続する。
【００２３】
また、スイッチ素子６６、スイッチ素子６７をオフ、スイッチ素子６８をオンにして、メインヒータ６２にのみ通電することもできる。更に、スイッチ素子６７をオフ、スイッチ素子６６、６８をオンとしてサブヒータ６３にのみ通電することもできる。
【００２４】
図１３は、定着ヒータをメインヒータとサブヒータに分割して制御する他の例を示す回路図である（従来例７）。図１３において、６１は商用の交流電源、６２は定着ヒータのメインヒータ、６３は定着ヒータのサブヒータである。また、６３はサブスイッチ素子、６４はメインスイッチ素子である。
【００２５】
図１３の構成では、メインスイッチ素子６４をオフ、サブスイッチ素子６５をオンとしてメインヒータ６２とサブヒータ６３とを直列に接続する。また、サブスイッチ素子６５をオン、メインスイッチ素子６４をオンでメインヒータ６２にのみ通電する。このように、メインスイッチ素子６４，サブスイッチ素子６５の動作によりメインヒータ６２を単独で、またはメインヒータ６２とサブヒータ６３とを直列に接続して通電しているが、サブヒータ６３のみには通電しない構成としている。なお、メインヒータ６２の抵抗値をＲｍ、サブヒータ６３の抵抗値をＲｓとしたときに、基本的にはＲｍ＜Ｒｓとなるように抵抗値を選定している。
【００２６】
図１４〜図１６は、前記図７〜図１２の各回路における電流変化の状態を示す特性図である。図１４は、図７の回路図に対応するものである。図１４の例では、画像形成装置の立ち上げ時には突入電流Ｉｘ_１が流れる。時間経過と共に加熱ローラの温度が上昇すると、電流が減少して定格電流Ｉａが流れる。
【００２７】
図１５は、図８、図１１〜図１３の回路図に対応するものである。図１５の例では、抵抗値が大きい初期の段階では電流が制限されて突入電流Ｉｙ_１が流れる。抵抗値を小さい値に切り替えると突入電流Ｉｘ_２が流れ、時間経過と共に加熱ローラの温度が上昇すると抵抗値が増大する。このため、電流が減少して定格電流Ｉａが流れる。このように、図１５の例では、抵抗値の切り替えにより２段階で突入電流を抑制している。
【００２８】
図１６は、図９、図１０の回路図に対応するものである。図１６において、抵抗値が最大値の場合には突入電流Ｉｚが流れる。抵抗値を切り替えて中間の大きさにすると、Ｉｚよりも大きな突入電流Ｉｙ_２が流れる。更に、抵抗値を切り替えて抵抗値を最小にすると、突入電流Ｉｘ_３が流れ、時間経過と共に次第に定格電流Ｉａに収斂する。図１６の例では、抵抗値の切り替えにより３段階で突入電流を抑制している。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
前記図７に示す回路図を用いた従来例１の方式では、近年の印刷速度の高速化に伴う待機時間（ウオームアップ時間）の短縮、それに伴う定着ヒータ電力の大容量化に対応できないという問題があった。すなわち、定着ヒータの電力値が大きくなるので、突入電流が大きくなる。このことは、図１７（ａ）においてスイッチ素子のオンオフ周期を短縮しても突入電流の流れる回数が増加するので、結果として前記規格のＰｌｔに対して余裕がなくなるという問題があることを示している。
【００３０】
また、４サイクルカラーレーザープリンタを用いてカラー印字を行う場合には、図１７（ｃ）に示したスイッチ素子のオンオフ周期Ｔｘが４倍に大きくなる。これは、４色作像のために時間を要し、その間記録紙などの転写材を供給して定着制御することは出来ないためである。すなわち、定着ヒータに通電するスイッチ素子の駆動デューティ（Ｔｙ／Ｔｘ）の値が小さくなる。したがって、定着ヒータに転写材が供給されない非通紙期間が増加するので、スイッチ素子をオフにする時間も増加する。このようにして、冷却時間が通電時間に対して長くなるので定着ヒータの抵抗値が低下する。このため、スイッチ素子をオンしたときに突入電流が抑制されず、フリッカ発生を防止できない、という問題があった。
【００３１】
図８〜図１０のように、定着ヒータに外部抵抗を接続して突入電流を制限する方式においては、外部抵抗による電力消費が大きく電力効率が悪くなるという問題があった。すなわち、交流電源から供給される電力は、本来の画像形成装置の動作のために消費されるのではなく、立ち上げ時に他の用途のために消費されることになるためである。また、外部抵抗は、セメント抵抗などの熱容量の大きな抵抗が用いられているので、放熱に時間がかかる上に、周囲温度が上昇するという問題がある。更に、定着ヒータに対しても外部抵抗の余熱の影響がある場合には、定着ヒータの温度制御が正確に行えなくなるという問題があった。
【００３２】
図１１〜図１２においては、前記のように定着ヒータをメインヒータとサブヒータに分割している。次に、分割された定着ヒータの配置例について説明する。図１８は、分割された定着ヒータの配置例を示す説明図である。図１８において、７６は定着器の加熱ローラ、７７は加圧ローラ、７８は記録紙などの転写材である。この例では、メインヒータ７２とサブヒータ７３を共に加熱ローラ７６に配置する。７９は温度検出器で、加熱ローラ７６の近傍に配置され、定着器の温度を検出する温度検出手段として機能する。
【００３３】
図１９は、定着ヒータの他の配置例を示す説明図である。図１９において、メインヒータ７２は加熱ローラ７６に、サブヒータ７３は加圧ローラ７７に分離して配置する。温度検出器７９は、加熱ローラ７６の近傍に配置する。図１８、図１９に示されているように、定着ヒータをメインヒータとサブヒータに分割する場合には、メインヒータおよびサブヒータを個別に製作し、それぞれを加熱ローラまたは加圧ローラ内に配設する必要がある。このため、コストが高くまた取り付け作業が複雑になるという問題があった。
【００３４】
更に、図１２のように、メインヒータとサブヒータとを直並列に接続を切り替える方式では、直並列切り替え用スイッチ素子の動作タイミングを正確に制御しないと、スイッチ素子がすべて導通状態となってしまい電源ラインを短絡する恐れがある。このため、短絡保護用の抵抗を接続するなどの対応が必要となり、回路構成が複雑になる、という問題があった。
【００３５】
また、図１２の方式を用いた場合にも、前記４サイクルカラーレーザープリンタを用いたカラー印字制御を行う際の特殊性に対応できないという問題があった。すなわち、定着ヒータに対する通電時間に対して、冷却時間の方が長くなるため抵抗値が減少して突入電流の抑制ができないという問題があった。
【００３６】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、定着ヒータの予備加熱制御を効率良く行なう構成とした画像形成装置を提供することである。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明の画像形成装置は、交流電源に接続される定着ヒータと、前記定着ヒータに直列に接続されるリアクタンス素子と、前記定着ヒータおよびリアクタンス素子の直列回路を前記交流電源に接続し、または交流電源から遮断する開閉手段と、定着ヒータの制御手段とを備え、
前記開閉手段を閉じて、定格電流よりも少ない電流を前記定着ヒータとリアクタンス素子の直列回路に供給して、前記定着ヒータの予備加熱を行うことを特徴とする。このため、画像形成装置がモノクロ動作モード、またはカラー画像形成モードのいずれの動作モードで動作する場合にも、突入電流を制限してフリッカを防止することができる。なお、カラー画像形成モードは、４サイクルフルカラーの場合にも対応できる。また、予備加熱時にリアクタンス素子の放熱が少なく、プリンタの放熱設計を容易とすることができる。更に、定着ヒータをメインヒータとサブヒータに分割していないので、定着器に対する定着ヒータの取り付けを簡単に行うことができる。
【００３９】
また、本発明は、前記リアクタンス素子は、コイルであることを特徴とする。このため、コイルを定着ヒータに直列接続する簡単な回路構成で定着ヒータの予備加熱を行うことができる。
【００４０】
また、本発明は、前記リアクタンス素子は、コンデンサであることを特徴とする。このため、コンデンサを定着ヒータに直列接続する簡単な回路構成で定着ヒータの予備加熱を行うことができる。また、コンデンサは例えば３μＦ程度の実用上問題のない大きさのものを用いることができる。
【００４１】
また、本発明は、前記リアクタンス素子と並列に第１のスイッチ素子を接続し、前記第１のスイッチ素子を前記制御手段によりオンオフ制御することを特徴とする。このため、適宜のデューティ比で定着ヒータの通電制御を行うことができる。
【００４２】
また、本発明は、前記定着ヒータの近傍に温度検出手段を設け、前記温度検出手段の検出信号を前記制御手段に入力し、前記定着ヒータの温度制御を行うことを特徴とする。このため、定着ヒータを最適な温度で動作させることができる。
【００４３】
また、本発明は、前記リアクタンス素子と並列に、外部抵抗と第２のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記制御手段により前記第２のスイッチ素子のオンオフ制御を行うことを特徴とする。このため、前記リアクトル素子だけでは突入電流の抑制が不十分な場合にも対応でき、フリッカを防止することができる。
【００４４】
また、本発明は、前記制御手段により、前記第１のスイッチ素子をオフ、第２のスイッチ素子をオンした後に第２のスイッチ素子をオフ、第１のスイッチ素子をオンにする制御を行うことを特徴とする。このため、定着ヒータが温度上昇して抵抗値が増大した状態で外部抵抗を遮断するので、定着ヒータにより突入電流を防止すると共に、無駄な消費電力を抑制し、電力効率を向上させることができる。
【００４５】
また、本発明は、前記第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子は、トライアックを用いたことを特徴とする。このため、スイッチ素子の動作特性を良好にすることができる。
【００４６】
また、本発明は、前記トライアックをフォトトライアックカプラに接続し、前記定着ヒータに供給される交流波形のゼロクロス付近で前記トライアックのオンオフを切り替えることを特徴とする。このため、定着ヒータ負荷投入時における突入電流を防止することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明を説明する。図１は、本発明に係る画像形成装置に適用される定着ヒータを制御する回路の概略構成を示す回路図である。図１において、１は商用電源で例えば交流２３０Ｖ、５０Ｈｚの電力を定着ヒータ２に供給する。３は定着ヒータ２と直列に接続されるコンデンサ、４はコイルＲｃに流す電流のオンオフにより接点Ｒｓを開閉するリレーである。
【００４８】
リレー４は、例えばユーザが画像形成装置のカバーを開放した場合にオフとなるインターロックスイッチを介した２４．５Ｖの電源に接続されている。リレー４のコイルＲｃを電源の電流で励磁して接点Ｒｓをオンにすると、商用電源１、定着ヒータ２、コンデンサ３、リレー４の閉回路が形成される。このようにリレー４は、定着ヒータ２とコンデンサ３の直列回路を商用（交流）電源に接続し、または交流電源から遮断する開閉手段として機能する。
【００４９】
定着ヒータ２は、例えば定格電流が４．３５Ａ、常温の抵抗値が５２．９Ωで定格電力が１０００Ｗの仕様であり、コンデンサ容量は３μＦである。コンデンサ３と並列にスイッチ素子４（第１のスイッチ素子）が接続される。スイッチ素子４は、動作特性が良好なトライアックが使用される。更に、コンデンサ３と並列に温度ヒューズ内蔵のセメント抵抗等を用いた外部抵抗６とスイッチ素子７（第２のスイッチ素子）の直列回路を接続する。
【００５０】
外部抵抗６は、例えば抵抗値が２７Ω、消費電力４０Ｗ程度のものを用いる。スイッチ素子７もトライアックがが使用される。コンデンサ３に代えて、リアクタンスが約３Ｈのコイルを用いても良い。ただし、コンデンサ３の大きさに比べてかなり大きなコイルが必要となる。コンデンサ３は、所定の安全規格に適合したものを使用する。
【００５１】
リレー４は、前記のように図示されないインターロックスイッチを介した電源よりコイルＲｃに電流を流し、接点Ｒｓをオンする。また、定着器の加熱（温度制御）を行なわない際は、コイル電流を遮断し、接点Ｒｓをオフする。このようなリレー４は、ユーザが画像形成装置のカバーを開けた場合と、画像形成装置が省電力モードに切換った場合に、オフとする構成とすることができる。
【００５２】
スイッチ素子３、スイッチ素子７として、前記のようにトライアックが一般に用いられる。図３は、本発明に使用されるトライアックの制御回路の例を示す図である。図３において、１１は信号形成回路、１２はゼロクロス回路、１３はトリガ回路、１４は電源回路である。信号形成回路１１の直流電源ＥとスイッチＳの直列回路の両端の端子ａ、ｂに、入力抵抗Ｒａと発光素子（ＬＥＤ）の直列回路を接続する。スイッチＳがオンすると、ＬＥＤから出力光が放射される。
【００５３】
ゼロクロス回路１２には、フォトトランジスタ（ＰＴｒ）が設けられており、前記ＬＥＤの出力光を受光する。信号形成回路１１の発光素子（ＬＥＤ）と、ゼロクロス回路１２のフォトトランジスタ（ＰＴｒ）は、フォトトライアックカプラを形成する。ゼロクロス回路１２からは、信号形成回路１１からの前記スイッチＳがオンしたタイミングではなく、その後に交流電源の電圧波形が電圧値０となるタイミングでトリガ回路１３に信号を出力する。
【００５４】
トリガ回路１３は、電源回路１４のｃ、ｄ端子に接続されているトライアック（ＴＲ）のゲート（Ｇ）に信号を出力する。電源回路１４は、端子ｃ、ｄに交流電源（ＡＣ）と負荷抵抗Ｒｂの直列回路を接続し、トライアック（ＴＲ）がオンすると、負荷抵抗Ｒｂに所定の交流電力を供給する。
【００５５】
図４は、図３の制御回路の動作を示す説明図である。Ｇはトライアック（ＴＲ）のゲートにトリガ回路から信号が供給されるタイミングを示している。時刻ｔａで信号形成回路１１のスイッチＳがオンしたとする。この際に、交流電圧の波形ＡＣは電圧値がゼロクロスしていないので、ゼロクロス回路１２からトリガ回路１３に信号は送出されない。
【００５６】
時刻ｔｂで交流電圧の波形ＡＣの電圧値がゼロクロスするタイミングで、ゼロクロス回路１２からトリガ回路１３に信号が送出される。このため、トリガ回路１３はトライアック（ＴＲ）のゲートＧに信号を出力し、トライアック（ＴＲ）が導通して負荷抵抗Ｒａに交流電力が供給される。
【００５７】
時刻ｔｃで信号形成回路１１のスイッチＳがオフすると、その後時刻ｔｄで交流電圧の波形ＡＣの電圧値がゼロクロスするタイミングで、ゼロクロス回路１２からトリガ回路１３に信号が送出される。これによって、負荷抵抗Ｒａに対する交流電力の供給が遮断される。図３のようなゼロクロス回路１２を用いることにより、交流波形のゼロクロス付近でトライアック（ＴＲ）を導通させて、負荷に電力を給電する際の突入電流の発生を防止することができる。
【００５８】
本発明においては、図３に示した負荷抵抗Ｒｂとして定着ヒータを用いることにより、スイッチ素子５、７をオンしたときの突入電流を抑制している。また、信号形成回路１１のスイッチＳとして、定着ヒータの近傍に設けられたサーミスタ（温度検出手段）の検出温度に基づき信号形成回路１１をオンオフする構成を用いることができる。このようなサーミスタの検出信号を用いた図３の制御回路、および前記リレー４の開閉制御を行う機構は、定着ヒータ２の制御手段として機能する。
【００５９】
次に、図１の回路の基本的な動作について説明する。図２は、図１の回路の電流、電圧のベクトル関係を示す円線図である。図２において、Ｖｉｎは商用電源ＡＣの出力電圧、すなわち定着ヒータ２の入力電圧、Ｖｃはコンデンサ３の端子電圧、Ｖｒは定着ヒータ２の端子電圧、Ｉｉｎは定着ヒータ２の入力電流、すなわち定着ヒータ２の予備加熱電流である。
【００６０】
スイッチ素子５，７をオフとし、リレー４の接点Ｒｓをオンにする。この際に、コンデンサ３経由の予備加熱電流Ｉｉｎは、定格の定着ヒータ電流４．３５Ａの（１／２０）程度の０．２２Ａに設定する。図１で説明したように、商用電源１は周波数が５０Ｈｚであるから、コンデンサ３の容量が３μＦのときにインピーダンスＺは、Ｚ＝（１／２πｆＣ）＝１０５８Ωとなる。
【００６１】
予備加熱電流Ｉｉｎが小さいので、コンデンサ３は予備加熱の際に発熱しない。このため、放熱設計が容易になる利点がある。また、図２に示されているように、定着ヒータ２に予備加熱電流Ｉｉｎを流した際の電圧降下Ｖｒは小さく、商用電源ＡＣの出力電圧、すなわちＶｉｎのほとんどがコンデンサの両端にかかる電圧Ｖｃとなる。ＶｃはＶｉｎとベクトルがほぼ同相となる。
【００６２】
このため、商用電源ＡＣの出力電圧（Ｖｉｎ）に対し、予備加熱電流Ｉｉｎはベクトル的にＶｉｎから約９０度進んだ位相の電流で示される。定着ヒータ２の予備加熱終了後に温度制御を行う場合には、スイッチ素子５をオンにする。スイッチ素子５に対して、定着ヒータ２の近傍に配置されたサーミスタの検出温度に基づきデューティ制御を行うが、詳細については後述する。
【００６３】
このように、コンデンサ３を定着ヒータ２に直列接続することにより、定着ヒータ２の予備加熱を行い定着器を昇温させて定着ヒータ２の抵抗値を増大させ、突入電流を抑制することができる。しかしながら、定着ヒータ２の温度上昇が少ないため、抵抗値が所定値まで大きくならず、コンデンサ３を介した予備加熱では突入電流の抑制に不十分な場合がある。
【００６４】
このような場合には、定着ヒータ２に直列に外部抵抗６を接続する。すなわち、図１において予備加熱の際にスイッチ素子５をオフ、スイッチ素子７をオンとする。この場合には、定着ヒータ２に直列に外部抵抗６が接続されるので回路の抵抗値が増大し突入電流を抑制することができる。定着ヒータ２の抵抗値が所定値まで増大すれば、スイッチ素子７をオフ、スイッチ素子５をオンにする。
【００６５】
サーミスタからの定着器温度情報に従い、制御回路はスイッチ素子５の駆動デューティを制御する。図６は、スイッチ素子５の駆動デューティの例を示しており、（ａ）は、スイッチ素子５の駆動デューティ比を変える例を示す特性図である。図６（ａ）において、Ｔｘは駆動デューティの周期、Ｔｒは定着器の温度が高い場合のトライアック（ＴＲ）のオン期間、Ｔｓは定着器の温度が低い場合のトライアック（ＴＲ）のオン期間である。
【００６６】
図６（ａ）に示されているように、定着器の温度が下がればデューティ比（Ｔｓ／Ｔｘ）を増し、定着器の温度が上がればデューティ比（Ｔｒ／Ｔｘ）を減らす。これらのアルゴリズムは、Ｐ（比例）制御、ＰＩ（比例積分）制御、ＰＩＤ（比例積分微分）制御等、各種の方法が知られており、そのどの方法を用いても良い。このように、スイッチ素子５のデューティ制御を行うことにより、定着ヒータを最適な温度で制御することができる。
【００６７】
図６（ｂ）は、スイッチ素子７のオン制御と、スイッチ素子５のオン制御の例を示す特性図である。図６（ｂ）に示されているように、スイッチ素子７のオン時間Ｔｙは、スイッチ素子５のオン開始に先行して、毎回、数十ミリ秒〜百数十ミリ秒の時間形成されるように設定すると良い。
【００６８】
この時間は、フリッカの評価値が改善されるように、すなわち、定着ヒータの温度が上昇し、抵抗値が所定値まで増大するように設定する。また、定着器の温度制御の状態に合わせ時間を可変にしても良い。なお、スイッチ素子７のオン時間は外部抵抗６の発熱量に直接影響するので、注意して設定する必要がある。一般に安全対策として、外部抵抗は温度ヒューズ内蔵の物を用いる。スイッチ素子７は、数十ミリ秒〜百数十ミリ秒の時間だけオンとして、その後は外部抵抗を遮断するので無駄な電力消費がなく、電力効率を向上させることができる。
【００６９】
また、定着器が温度制御されながら待機状態にある場合には、定着ヒータの温度を維持するために、スイッチ素子５はデューティ周期Ｔｚの平均５％の時間、すなわちＴｗ＝０．０５Ｔｚの時間オンしているのが望ましい。定着器の温度が上昇しすぎた場合には、図１のリレー４をオフにして安全性を確保する。
【００７０】
外部抵抗は、定着ヒータに流れる突入電流の変化量を、時系列的に分割する効果を有する。次に、この点について図５の特性図により説明する。図５（ａ）に示すように、外部抵抗無で１４Ａの突入電流が流れるとする。これに対して、外部抵抗ありでは図５（ｂ）に示すように、外部抵抗を介して時間Ｔａの間７Ａの突入電流を流す。
【００７１】
続いて、数十ミリ秒〜百数十ミリ秒の時間Ｔａ遅れたタイミングで、１４Ａの突入電流が流れる。これにより、突入電流の変化量は、図５（ａ）では１４Ａｌ回である。他方、図５（ｂ）では突入電流の変化量は、０〜７Ａと、７Ａ〜１４Ａの７Ａ２回に分散される。フリッカの評価値は、７Ａ２回の方が改善される。
【００７２】
定着器の温度制御を行なった際の温度リップルは、定着器の熱容量が大きいので、数十℃程度である。これに対し、定着ヒータとして用いるハロゲンランプは、石英チューブにタングステン線等が封入され希薄なガスが封入されている。タングステン線の温度は電流を流すと１０００℃程度に達し、１０００Ｗヒータの定格の５２．９Ω程度になるが、電流を流さなくなると、１秒程度で百℃程度に下がり、抵抗値も１０Ω程度になってしまう。これは、タングステン線の熱容量が小さく、かつ、抵抗値は正の温度係数を持つ為である。
【００７３】
前記のように、コンデンサ３による定着ヒータ２の予備加熱（リレーがオンでは常時流れる。）では、突入電流自体を１４Ａから１０Ａ程度に低減することができる。これは、コンデンサ３を介した予備加熱電流により、定着ヒータ２においてタングステン線の温度低下を数百℃程度までとし、抵抗値も２０オーム程度までの低下に抑えるからである。コンデンサ３の値は、フリッカ評価値が改善されて定着ヒータ２の予備加熱が行なえる電流を流せるように設定する。また、定着器の自然放熱量を超えない様に設定する。コンデンサ経由の電流は温度制御の対象になっていないので、定着器の温度が上昇しすぎる危険性が有るからである。
【００７４】
前記のように定格電流の１／２０程度の０．２２Ａに定着ヒータ電流を制限するために、定着ヒータ２に抵抗値１０５８Ωの外部抵抗６を定着ヒータ２に直列接続する場合には、外部抵抗６の許容電力値は、（Ｉｉｎ）^２１０５８＝５０Ｗ程度となる。このように、大きな抵抗値の外部抵抗６を定着ヒータ２に接続しても許容電力値が小さいので電力効率が悪く、プリンタの放熱設計も容易ではなくなる。これに対し、前記のようにコンデンサは定着ヒータ２に予備加熱電流Ｉｉｎが流れたときに発熱しないので、電力効率やプリンタの放熱設計の点で有利である。
【００７５】
このように、本発明においては、定着ヒータにコンデンサを直列に接続するという簡単な構成で定着ヒータの予備加熱を行い、突入電流を抑制してフリッカを防止することができる。このような作用は、モノクロ画像形成、カラー画像形成のいずれの動作モードにおいても実現することができる。また、４サイクルのフルカラーで画像形成する際にも対応できる。
【００７６】
また、予備加熱電流によりコンデンサは発熱しないので、画像形成装置の放熱設計が簡単に行える。更に、従来例のように定着ヒータをメインヒータとサブヒータに分割していないので、定着ヒータの取り付けが簡単に行える。
【００７７】
これまでの説明では、定着ヒータにコンデンサを直列に接続して予備加熱を行なう例を対象としている。本発明においては、前記コンデンサに代えてコイルを定着ヒータと直列に接続して予備加熱を行なう構成とすることもできる。この場合にも、定着ヒータの定格電流よりも少ない電流をコイルに供給して、コイルの発熱を小さくしプリンタの放熱設計を容易とすることができる。このように、本発明は定着ヒータにリアクタンス素子を直列に接続して、予備加熱を行なうものである。
【００７８】
以上、本発明の画像形成装置を実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に基づく回路図である。
【図２】図１の円線図である。
【図３】図１のトライアックの制御回路である。
【図４】図３の特性図である。
【図５】突入電流を示す特性図である。
【図６】スイッチ素子のデューティを示す特性図である。
【図７】従来例の回路図である。
【図８】従来例の回路図である。
【図９】従来例の回路図である。
【図１０】従来例の回路図である。
【図１１】従来例の回路図である。
【図１２】従来例の回路図である。
【図１３】従来例の回路図である。
【図１４】定着電流の特性図である。
【図１５】定着電流の特性図である。
【図１６】定着電流の特性図である。
【図１７】従来例の特性図である。
【図１８】従来例の定着ヒータの配置を示す説明図である。
【図１９】従来例の定着ヒータの配置を示す説明図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…定着ヒータ、３…コンデンサ、４…リレー、５…スイッチ素子（第１のスイッチ素子）、６…外部抵抗、７…スイッチ素子（第２のスイッチ素子）、１１…信号形成回路、１２…ゼロクロス回路、１３…トリガ回路、１４…電源回路

Claims

交流電源に接続される定着ヒータと、前記定着ヒータに直列に接続されるリアクタンス素子と、前記定着ヒータおよびリアクタンス素子の直列回路を前記交流電源に接続し、または交流電源から遮断する開閉手段と、定着ヒータの制御手段とを備え、
前記開閉手段を閉じて、定格電流よりも少ない電流を前記定着ヒータとリアクタンス素子の直列回路に供給して、前記定着ヒータの予備加熱を行うことを特徴とする、画像形成装置。
前記リアクタンス素子は、コイルであることを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
前記リアクタンス素子は、コンデンサであることを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
前記リアクタンス素子と並列に第１のスイッチ素子を接続し、前記第１のスイッチ素子を前記制御手段によりオンオフ制御することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の画像形成装置。
前記定着ヒータの近傍に温度検出手段を設け、前記温度検出手段の検出信号を前記制御手段に入力し、前記定着ヒータの温度制御を行うことを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の画像形成装置。
前記リアクタンス素子と並列に、外部抵抗と第２のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記制御手段により前記第２のスイッチ素子のオンオフ制御を行うことを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の画像形成装置。
前記制御手段により、前記第１のスイッチ素子をオフ、第２のスイッチ素子をオンした後に第２のスイッチ素子をオフ、第１のスイッチ素子をオンにする制御を行うことを特徴とする、請求項６に記載の画像形成装置。
前記第１のスイッチ素子および第２のスイッチ素子は、トライアックを用いたことを特徴とする、請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の画像形成装置。
前記トライアックをフォトトライアックカプラに接続し、前記定着ヒータに供給される交流波形のゼロクロス付近で前記トライアックのオンオフを切り替えることを特徴とする、請求項８に記載の画像形成装置。