JP2004093738A - 画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【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
【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Ix1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Iy1が流れる。抵抗値を小さい値に切り替えると突入電流Ix2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Iy2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Ix3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 (9)
- 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。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010201627A (ja) * | 2009-02-27 | 2010-09-16 | Fujifilm Corp | 加熱装置及び画像記録装置 |
WO2015130326A1 (en) * | 2014-02-26 | 2015-09-03 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Heating system control |
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2002
- 2002-08-30 JP JP2002252702A patent/JP2004093738A/ja active Pending
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