JP2004240250A - 画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】輻射ヒータによる定着装置を備える構成において、高調波電流や電源電圧変動（フリッカノイズ）を増加させることなく、当該画像形成装置に最適なウォームアップ時間の短縮や定着性の向上を図る。
【解決手段】輻射ヒータ１２へ供給する電圧を直流電源回路２４による直流電圧とし、当該複写機のシステム構成の状況を接続検知ブロック２９の検知情報に基づき検知し、直流電源回路２４の出力電圧値を検知された当該複写機のシステム構成の状況に応じてヒータ温度制御ブロック２８により可変させることにより、システム構成の状況が軽い場合には、ヒータ用電力を大きくして、ウォームアップ時の時間短縮等を図れるようにした。この際、直流電圧の電圧値の可変により、輻射ヒータ１２に供給する電力を可変させるので、トライアック等の電力スイッチ素子により全波出力の位相制御を行う方式に比べて、高調波電流等が増加することもない。
【選択図】 図３
【解決手段】輻射ヒータ１２へ供給する電圧を直流電源回路２４による直流電圧とし、当該複写機のシステム構成の状況を接続検知ブロック２９の検知情報に基づき検知し、直流電源回路２４の出力電圧値を検知された当該複写機のシステム構成の状況に応じてヒータ温度制御ブロック２８により可変させることにより、システム構成の状況が軽い場合には、ヒータ用電力を大きくして、ウォームアップ時の時間短縮等を図れるようにした。この際、直流電圧の電圧値の可変により、輻射ヒータ１２に供給する電力を可変させるので、トライアック等の電力スイッチ素子により全波出力の位相制御を行う方式に比べて、高調波電流等が増加することもない。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、間接加熱方式の熱源として輻射ヒータ内蔵の定着ローラ等の定着部材を用いてトナー像を転写材上に加熱定着する定着装置を備える画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電気機器は省エネルギーが唱えられており、例えば商用交流電源を使用したハロゲンヒータを定着ヒータに使用している複写機、レーザプリンタ、ファクシミリ装置等の画像形成装置では、定着ヒータによる消費電力の占める割合の削減を図るヒータ点灯の効率化、定着温度の上昇時間の短縮、ヒータ電圧制御回路の構成等についての検討が課題となっている。
【０００３】
即ち、この種の画像形成装置では、転写紙にトナー画像をハロゲンヒータ内蔵の定着ローラにより加熱定着させる定着装置を備えたものが一般的である。
【０００４】
ここに、定着ローラ内のヒータはトライアックなどの電力スイッチ素子を介して交流電源に接続され、定着ローラには温度を検出するためのサーミスタ等が配設される。通常、画像形成装置のエンジン制御回路からの制御信号でトライアックなどの電力スイッチ素子を駆動してヒータに電力を供給し、定着ローラが所定の設定温度に達すると電力スイッチ素子をオフさせてヒータに対する電力供給を停止させることで、当該画像形成装置において画像形成が可能となるようにしている。
【０００５】
定着ローラによる加熱定着で転写紙にトナー画像が定着されると、紙種・画像形成速度等の画像形成の状況に応じて定着ローラの温度が低下する。定着ローラの温度はサーミスタで常時検出されているので、温度が低下するとトライアックなどの電力スイッチ素子を駆動してヒータに電力を供給することで、再び、所定の設定温度に達する。トライアックなどの電力スイッチ素子の駆動は、通常、全波整流回路の全波出力のオン／オフ制御、又は、位相制御で駆動させるようにしている。
【０００６】
このような構成の場合、画像形成装置が消費する電力は、当然ではあるが、（ヒータ電力）＋（ヒータ以外の負荷電力）となる。ヒータ以外の最大負荷電力は、画像形成装置がフルシステム構成の状況で、かつ、フル稼働の状況の場合の電力となる。このため、画像形成装置がフルシステム構成でない場合、又は、その時点のシステムの稼働状況が低い場合は、フルシステム構成・フル稼働の状況における最大負荷電力よりも小さくなる。
【０００７】
一方、画像形成装置としては、ウォームアップ時や連続プリント時のように、ウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性の向上を図るために、ヒータ電力ができるだけ大きい方が好ましい場合がある。例えば、画像形成装置がフルシステム構成でない場合、必要な負荷電力はフルシステム構成・フル稼働の状況時よりも小さくなるので、フルシステム構成・フル稼働の状況時の最大負荷電力との差の電力をヒータ電力に供給するようにすれば、ウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性の向上を図れる。
【０００８】
このようなヒータ用電力を向上させる提案例としては、例えば、加熱手段への電力供給を主電源と補助電源とに切り分け、補助電源のコンデンサに蓄積された電力をヒータ立上げ時に供給するようにした提案例（例えば、特許文献１参照）や、定着部を主電源の他に２次電源でも付勢するようにした提案例（例えば、特許文献１参照）がある。
【０００９】
また、間接加熱方式の熱源として輻射ヒータ内蔵の定着装置に関して、その立上り時の熱ロスを低減し、立上り時間の高速化・省電力化を図れるようにした熱応答性に優れた特徴を持つ輻射ヒータに関する提案例もある（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３によれば、フィラメントと少なくとも不活性ガスを含む封入ガスとを密閉したガラス管を有する輻射熱源と、内部に輻射熱源を収納した加熱部材とを備え、輻射熱源により加熱された加熱部材の熱によってシート上に形成されたトナー画像を当該シートに定着する定着装置において、電源投入直後に輻射熱源内のフィラメントとガラス管と封入ガスに滞留される熱量を低減するようにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−３１５５６７公報
【特許文献２】
特開平１０−２８２８２１号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３９９３９公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、全波整流回路の全波出力のオン／オフ制御方式ではヒータ電力を可変することができないために、このようなウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性向上を図ることができない。
【００１２】
一方、位相制御方式を用いれば電力制御が可能になるためウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性向上を図ることが可能になる。しかし、常時、位相制御することになり、高調波電流の増加や電源電圧変動（フリッカノイズ）が大きくなってしまう不具合がある。
【００１３】
さらに、特許文献１，２のような提案例は、主電源の他に補助電源や２次電源を用いる構成であり、電源構成及びその制御が複雑になる等の不具合がある。
【００１４】
また、特許文献３に示されるような熱応答性に優れた輻射ヒータを用いた定着装置では、熱源自体の立上りが早く、従来のハロゲンヒータよりも定常時のオン・オフにおける熱応答時間に優れているため、通紙時の温度リップルは改善される。しかし、逆に、待機時（スタンバイ時）の温度リップルが大きくなってしまう不具合がある。即ち、大抵は、通紙時に転写紙により熱を奪われてしまうため、熱供給率を上げることで改善しているが、実際には、熱応答性がよいために、逆にスタンバイ時の温度制御リップルが大きくなってしまうものである。つまり、従来の交流電源によるハロゲンヒータの制御にはトライアックを使用しており、商用交流電源周波数の５０／６０Ｈｚ仕様のヒータの温度制御周期は遅く、２０ｍｓ／１６．６ｍｓに制限されている現状にあり、このため、特許文献３のような輻射ヒータを用いた定着装置にあってもその熱応答性のよい特徴を活かしきれず、却って、消費電力を大きくしてしまっている。この結果、画像形成装置のように、機械としては、動作時間より圧倒的に待機時間の方が長い場合には、逆に温度リップルが大きいため、必要以上の電力量を消費していることになる。
【００１５】
本発明の目的は、熱応答性に優れた特徴を持つ輻射ヒータを利用した定着装置を備える画像形成装置に関して、高調波電流や電源電圧変動（フリッカノイズ）を増加させることなく、定着立上げ時間を短縮させ得るとともに待機時の温度リップルを最小にし、当該画像形成装置に最適で効率のよいヒータ制御を可能にすることである。
【００１６】
また、本発明の目的は、輻射ヒータに対する通電立上げ時の突入電流を抑え、使用回路部品に対する仕様マージンを上げ、部品寿命の延長又は部品のコストダウンを図ることである。
【００１７】
さらに、本発明は、当該画像形成装置の稼動状況に対応させて輻射ヒータに対する通電制御を行うことで、定着温度までの立上げ時間を短縮させることである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、フィラメントと少なくとも不活性ガスを含む封入ガスとを密閉したガラス管を有する輻射ヒータ内蔵の定着部材を用いてトナー像を転写材上に加熱定着する定着装置を備える画像形成装置において、前記輻射ヒータは、電源投入直後にこれらのフィラメントと封入ガスとガラス管とに滞留する熱量を低減する構成を有し、前記定着部材周りの温度を検出する温度センサと、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して前記輻射ヒータに通電する出力可変の直流電源回路と、当該画像形成装置のシステム構成の状況を検知するシステム構成検知手段と、検知されたシステム構成の状況に基づき前記輻射ヒータで消費する最大電力値及び直流電圧の制御最大電圧値を決定する電力決定手段と、前記温度センサにより検出された定着部材周りの温度と目標温度との差、及び、前記定着部材の温度変化率に基づき前記制御最大電圧値の範囲内での制御電圧値を算出して前記直流電源回路を駆動制御して前記輻射ヒータに割り当てる直流電圧を可変させる出力可変手段と、を備える。
【００１９】
従って、基本的に、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その制御最大電圧値をシステム構成の状況に応じて可変設定するようにしているので、熱応答性に優れた輻射ヒータの特徴を活かしつつ、商用交流電源サイクルによりオン・オフが制限された制御周期をなくして温度制御リップルを小さくすることができ、温度安定性を向上させることができる。また、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その電圧値を当該画像形成装置のシステム構成の状況に応じて可変させることにより、当該画像形成装置のシステム構成の状況が軽い場合、輻射ヒータへ供給するヒータ用電力を大きくすることが可能となり、ウォームアップ時の時間短縮、連続した画像形成により定着ローラの温度が低下した場合の設定温度までの復帰時間の短縮、さらには、低電力モード・オフモードを設けている画像形成装置の場合であればリカバリー時間の短縮が各々可能となる。この際、直流電圧の電圧値を可変させることにより、輻射ヒータに供給する電力を可変させているので、トライアック等の電力スイッチ素子により全波出力の位相制御を行う方式に比べて、高調波電流や電源電圧変動が増加することはない。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の画像形成装置において、当該画像形成装置の稼動状況を検知する稼動状況検知手段を備え、前記電力決定手段は、前記システム構成検知手段により検知されたシステム構成の状況及び前記稼動状況検知手段により検知された稼動状況に応じて前記輻射ヒータに割り当てる制御最大電圧値を可変設定する。
【００２１】
従って、当該画像形成装置のシステム構成の状況だけでなく、その稼動状況も加味して輻射ヒータに割り当てる制御最大電圧値を可変設定しているので、稼動状況が軽い場合には、さらに輻射ヒータに割り当て得る制御最大電圧値を上乗せしてより大きくすることができ、よって、ウォームアップ時の時間等をより一層短縮させることができる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の画像形成装置において、前記出力可変手段は、前記直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の固定周波数方式でオン・オフさせる際のオン・オフデューティ比により直流電圧を可変させる。
【００２３】
従って、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の固定周波数方式でオン・オフさせる際のオン・オフデューティ比により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いることで、請求項１又は２記載の発明を容易に実現できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の画像形成装置において、前記出力可変手段は、前記直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の周波数変調方式でオン・オフさせる際のオン周期又はオフ周期により直流電圧を可変させる。
【００２５】
従って、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の周波数変調方式でオン・オフさせる際のオン周期又はオフ周期により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いることで、請求項１又は２記載の発明を容易に実現できる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の画像形成装置において、前記出力可変手段は、前記輻射ヒータに対する通電立上げ時において当該ヒータの温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、前記輻射ヒータに供給する直流電圧が徐々に増加するように前記直流電源回路を制御する。
【００２７】
請求項１ないし４の何れか一記載の発明においては、輻射ヒータに対する通電立上げ時に定着装置が冷えている場合は、その立上り時間をできるだけ短時間で行わせるために、輻射ヒータが占めるヒータ用電力の割合が最大限となるように割り当てることで、輻射ヒータに供給する直流電圧が大きくなるように可変制御する訳であるが、この場合、通電立上げ時における突入電流値が大きくなり、特に輻射ヒータの場合にはハロゲンヒータ等に比して温度応答性に優れているため突入電流値が大きくなるため、使用回路部品としても部品定格も大きな仕様値の部品が必要となりコストアップや寿命減少の影響を受け、さらには、突入電流が大きいことに起因して他の電子機器や設備に対しても影響を与え、例えば、通電立上げ時の突入電流により、ＣＲＴ画面が歪んだり、蛍光灯がちらついたり等の影響が出たりする懸念がある。この点、本発明においては、輻射ヒータに対する通電立上げ時において当該輻射ヒータの温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、輻射ヒータに供給する直流電圧が徐々に増加するように可変制御しているので、突入電流値を抑えることができ、使用回路部品に対する仕様マージンを上げ、寿命の延長又は部品のコストダウンを図ることが可能となる。
【００２８】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の画像形成において、出力可変手段は、前記輻射ヒータの温度−抵抗値特性に基づき設定されたステップ数とステップ制御時間とに基づき前記輻射ヒータに供給する直流電圧が段階的に増加するように前記直流電源回路を制御する。
【００２９】
従って、輻射ヒータの温度−抵抗値特性に基づき設定されたステップ数とステップ制御時間とに基づき輻射ヒータに供給する直流電圧が段階的に増加するように直流電源回路を制御することにより、請求項５記載の発明を容易に実現できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。本実施の形態は、画像形成装置として、電子写真プロセスを利用した複写機１への適用例を示す。図１は当該複写機１の概略システム構成例を示す正面図である。本実施の形態の複写機１はプリンタエンジン２、スキャナエンジン３、給紙装置４等を備える複写機本体５に対して、例えば、増設給紙ユニット６や両面ユニット７やフィニッシャユニット８がオプションとして任意に増設可能なシステム構成とされている。
【００３１】
ここに、複写機１におけるプリンタエンジン２、スキャナエンジン３等に関しては、周知の任意構成を採り得るため、その構成・作用については説明・図示を省略するが、プリンタエンジン２内においては、例えば図２に示すような定着装置１１が内蔵されている。この定着装置１１は、輻射ヒータ１２内蔵の定着部材である定着ローラ１３と加圧ローラ１４とを押圧接触させ、これらのローラ１３，１４間を搬送される転写紙Ｓに対してトナー像を加熱定着させるものである。
【００３２】
定着ローラ１３は、例えば、金属製なるアルミニウム製の薄肉パイプを基体として構成され、その外周面（表面）には定着後の用紙Ｓの分離性を向上させるためにフッ素系の表面離型層が形成され、加圧ローラ１４は芯金と弾性材料としての発泡シリコンゴム層とにより形成されている。輻射ヒータ１２は、前述の特許文献３中に示されるように熱応答性に優れたヒータであり、タングステンによるフィラメント１２ａをガラス管１２ｂで覆うように構成され、ガラス管１２ｂ内には、少なくとも不活性ガスを含む封入ガスが封入されており、必要に応じてフィラメント１２ａの酸化を防ぐ窒素やヨウ素、臭素、塩素などを含むハロゲン物質等が封入されている。ここに、ガラス管１２ｂ内に封入する不活性ガスとして、クリプトン（Ｋｒ）或いはキセノン（Ｘｅ）を主成分としたものが使用されている。一般に、フィラメントからの放射のうち約１／４がガラス管及封入ガスに吸収されて熱損失となり、これが定着装置の立上り時における立上り時間を遅くする大きな要因の一つとなっていることから、ここでは、その立上り時間を速くするため、ガラス管１２ｂ内の封入ガスの対流による熱伝達に係る熱損失に初めて着目し、その熱損失の低減を図っている。即ち、ガラス管１２ｂ内の封入ガスのうち不活性ガスを対流しにくい物質にして、ガラス管１２ｂ内の封入ガスの対流を抑制することによって、電源投入直後の輻射ヒータ１２内のフィラメント１２ａとガラス管１２ｂと封入ガスに滞留される熱量を低減し、ガラス管１２ｂ及び封入ガスの熱エネルギーロスを極力少なくするように構成されている（より詳細な説明は、特許文献３参照）。また、定着部材に関してもドラム状の定着ローラ１３に限らず、特許文献３に示されるようにローラの周囲に定着ベルトを有するタイプであってもよい。
【００３３】
このような定着ローラ１３の周囲には輻射ヒータ１２により加熱される当該定着ローラ１３の表面温度を検出するための温度センサとしてのサーミスタ１５や、何らかの異常により定着ローラ１３の温度が設定温度よりも高い温度に達した場合に給電回路を遮断させるための温度ヒューズ１６が設けられている。
【００３４】
図３はこのような輻射ヒータ１２に対する通電制御を行う回路構成を示す回路図である。まず、商用交流電源２１に対して、ノイズフィルタ２２、ダイオードブリッジ回路（全波整流回路）２３を介して直流電源回路としての出力可変の昇圧チョッパ回路２４が接続され、この昇圧チョッパ回路２４の出力端子間に輻射ヒータ１２と温度ヒューズ１６との直列回路が接続されている。昇圧チョッパ回路２４は、ダイオードブリッジ回路２３からの電源ラインを断続して輻射ヒータ１２に対する通電を断続させるためのトライアック、サイリスタ等のスイッチ素子Ｑ１と、ダイオードブリッジ回路２３の＋電源ライン側に接続されたインダクタＬと、これらのスイッチ素子Ｑ１・インダクタＬ間の出力側に接続されたトランジスタ、ＦＥＴ、ＧＴＩＢ等によるスイッチング素子Ｑ２と、このスイッチング素子Ｑ２を例えば２０ｋＨｚ以上の高周波でオン・オフ発振動作させる駆動回路２５と、インダクタＬとスイッチング素子Ｑ２との接続点よりも出力側に接続された整流ダイオードＤと、この整流ダイオードＤの出力側と−電源ラインとの間に接続された平滑コンデンサＣと、この平滑コンデンサＣの両端電圧を検出する出力電圧検出回路２６とを備えた構成とされている。
【００３５】
このような昇圧チョッパ回路（直流電源回路）２４に対して、その動作制御を行うエンジン制御回路２７が設けられている。このエンジン制御回路２７は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えて、複写機１全体の制御を受け持つマイクロコンピュータ構成のもので、その中に、輻射ヒータ１２に対する通電制御用の出力可変手段として機能するヒータ温度制御ブロック２８と、当該複写機１のシステム構成として増設可能な増設給紙ユニット６、両面ユニット７、フィニッシャユニット８の接続の有無を検知するシステム構成検知手段として機能する接続検知ブロック２９と、電力決定手段として機能する制御電圧演算ブロック３０とが含まれている。サーミスタ１５による温度検出回路の検出信号や出力電圧検出回路２６による検出電圧はヒータ温度制御ブロック２８に取り込まれる一方、スイッチ素子Ｑ１のオン・オフや駆動回路２５の動作制御はこのヒータ温度制御ブロック２８により行われるように構成されている。また、制御電圧演算ブロック３０とヒータ温度制御ブロック２８との間で制御電圧値等のやり取りが行なわれるように構成されている。
【００３６】
このような構成において、まず、その基本的な動作制御例について説明する。商用交流電源２１から供給される交流電圧はノイズフィルタ２２に供給される。このノイズフィルタ２２は主に昇圧チョッパ回路２４で発生する高周波ノイズを減衰させて商用交流電源２１への流出を防ぐが、商用交流電源２１の高周波ノイズの昇圧チョッパ回路２４側への流入も減衰させる役目も果たす。
【００３７】
次に、スイッチ素子Ｑ２をオンさせると、交流電圧はノイズフィルタ２２を通してダイオードブリッジ回路２３で全波整流され、インダクタＬに印加される。一方、エンジン制御回路２７の中のヒータ温度制御ブロック２８の駆動回路２５に対する出力信号がＨｉｇｈになると駆動回路２５がスイッチング素子Ｑ２をオンさせ、インダクタＬにエネルギーが充電される。この時、整流ダイオードＤ・平滑コンデンサＣには電流は流れない。続いて、ヒータ温度制御ブロック２８の駆動回路２５に対する出力信号がＬｏｗになるとインダクタＬへの充電は停止し、インダクタＬとスイッチング素子Ｑ２との接続点は、インダクタＬの自己インダクタンスにより電圧が上昇し、整流ダイオードＤの順電圧に平滑コンデンサＣの電圧を加えた電圧以上になると整流ダイオードＤが導通して整流し、平滑コンデンサＣに充電されて平滑される。この平滑コンデンサＤの両端間電圧はほぼ直流になる。
【００３８】
この直流電圧の大きさは、負荷インピーダンスが一定の場合、スイッチング素子Ｑ２がヒータ温度制御ブロック２８、駆動回路２５によって固定周波数方式で駆動される場合はそのオン・オフのデューティ比で可変させることができる。また、ヒータ温度制御ブロック２８、駆動回路２５によって周波数変調方式で駆動される場合はそのオン又はオフの周期で可変させることができる。具体的には、固定周波数方式ではオンデューティと出力電圧とが比例し、周波数変調方式ではオフ周期一定の場合であればオン周期と出力電圧が比例し、オン周期一定の場合であればオフ周期と出力電圧が反比例する。
【００３９】
ここに、昇圧チョッパ回路２４の直流電圧は制御電圧演算ブロック３０で演算された値となるように制御される。このような出力可変の昇圧チョッパ回路２４の直流電圧は輻射ヒータ１２と温度ヒューズ１６の直列回路に供給され、輻射ヒータ１２は定着ローラ１３を加熱する。この定着ローラ１３の温度は、サーミスタ１５による温度検出回路で常時検出され、その検出信号はヒータ温度制御ブロック２８に入力される。定着ローラ１３の温度が設定温度になると、ヒータ温度制御ブロック２８は駆動回路２５の発振動作を停止してスイッチング素子Ｑ２をオフさせると共に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせ、ヒータ１２への直流電圧の供給を停止する。
【００４０】
定着ローラ１３の表面温度はサーミスタ１５による温度検出回路で常時検出されており、定着ローラ１３の温度が設定温度よりも下がると、スイッチ素子Ｑ１をオンさせ、昇圧チョッパ回路２４を動作させて、再度、輻射ヒータ１２に直流電圧を供給する。その後は、順次、定着ローラ１３の温度により、昇圧チョッパ回路２４を停止／スイッチ素子Ｑ１をオフ→スイッチ素子Ｑ１をオン／昇圧チョッパ回路２４を駆動→昇圧チョッパ回路２４を停止／スイッチ素子Ｑ１をオフ→…を繰返すことにより、設定温度付近に維持する。
【００４１】
なお、温度ヒューズ１６は、定着ローラ１３の設定温度よりも高い温度で動作するものが用いられ、何らかの異常でその温度になった場合、温度ヒューズ１６が切断することにより、輻射ヒータ１２への電力供給を停止させる。
【００４２】
ここに、本実施の形態では、エンジン制御回路２７の機能の中に含まれている接続検知ブロック２９は、例えば当該複写機１の場合、増設給紙ユニット６、両面ユニット７、フィニッシャユニット８等のオプション接続の有無を検知することで当該複写機１に関するシステム構成の状況を検知するための回路で、通常、画像形成装置には付属されているものである。接続検知ブロック２９で当該複写機１のシステム構成の状況が検知されれば、この接続検知ブロック２９に接続された制御電圧演算ブロック３０において、検知されたシステム構成の状況に応じて輻射ヒータ１２に割り当て得る制御最大電圧値が決定可能となる。
【００４３】
また、制御電圧演算ブロック３０は、検知されたシステム構成の状況に基づき輻射ヒータ１２で消費する最大電力値及び直流電圧の制御最大電圧値を決定するが、その演算方法の一例について説明する。
【００４４】
まず、制御最大電圧は、エンジン制御回路２７の機能の中の接続検知ブロック２９の信号に基づき決定される。例えば、当該複写機１のフルシステム構成での最大電力をＷｓ１、輻射ヒータ電力をＷｈ１、輻射ヒータ１２以外の負荷電力をＷｏ１とすると、
Ｗｓ１＝Ｗｈ１＋Ｗｏ１
になる。輻射ヒータ１２の電力Ｗｈ１が決まれば、輻射ヒータ１２の抵抗値をＺとすると、制御電圧の最大値Ｖｈ１は、
Ｖｈ１＝Ｗｈ１／Ｚ
で決まる。一方、当該複写機１の１つのオプション、例えばフィニッシャユニット８が未接続の場合の輻射ヒータ１２以外の負荷電力をＷｏ２とすると、
Ｗｏ１＞Ｗｏ２
になる。フィニッシャユニット８未接続の場合でも、複写機１全体の電力はＷｓ１まで使用可能なので、このシステム構成での輻射ヒータ１２の電力をＷｈ２とすると、
Ｗｈ２＝Ｗｈ１＋Ｗｏ１−Ｗｏ２
にすることが可能になる。このシステム構成での輻射ヒータ１２の電力Ｗｈ２はフルシステムでの輻射ヒータ１２の電力Ｗｈ１よりも、Ｗｏ１−Ｗｏ２の容量だけ大きいため、輻射ヒータ１２の制御電圧の最大値をＶｈ２とすると、
Ｖｈ２＝Ｗｈ２／Ｚ
で決まり、Ｖｈ２＞Ｖｈ１とすることができ、輻射ヒータ１２の電力を大きくすることが可能になる。
【００４５】
一方、制御設定電圧の演算方法の一例は次のようになる。この制御設定電圧は、輻射ヒータ１２の周囲にあるローラ温度の温度検出回路（サーミスタ）１５で検出された検出温度の値と目標温度とから、以下の（１）〜（３）式で決定される。
【００４６】
Ａ＝Ｂ＋α ……（１）
α＝ａ（ｔａ−１−ｔａ）＋ｂ（２・ｔａ−１−ｔａ−ｔａ−２）＋ｃ（Ｔ−ｔａ）…（２）
Ａ≦Ｖｈｍａｘ ……（３）
ただし、Ｔ：目標温度
ｔａ：測定温度
ｔａ−１：前回検出温度
ｔａ−２：前々回検出温度
ａ／ｂ／ｃ：係数
Ａ：制御設定電圧
Ｂ：初期値
α：増減量
Ｖｈｍａｘ：制御最大電圧（複写機１のシステム構成で決まる値）
ａ／ｂ／ｃの係数は、使用環境温度・ヒータ容量・電源回路の応答時間等で決める。
【００４７】
このような制御設定電圧は任意の時間で設定可能で、例えば（１）〜（３）式で決めた値にした場合、ウォームアップ時には定着ローラ温度のオーバーシュートがほとんどない制御、定着ローラ温度の変化が大きい画像形成時も温度リップルが小さい制御が可能になる。
【００４８】
当該複写機１がフルシステム構成の場合とフルシステムに対してフィニッシャユニット８が未接続の構成の場合の各動作モードにおける輻射ヒータ１２へ印加する制御電圧と制御最大電圧、ローラ温度の関係を図４（ａ）（ｂ）に示す。図４（ａ）に示すフルシステム構成の場合に比して、フルシステム構成でない場合には、図４（ｂ）に示すように、制御最大電圧値が大きくなり、実際の制御電圧も大きくし得ることから、ウォームアップ時間が短縮されていることが判る。ちなみに、従来のトライアックを用いてのオン／オフ制御の場合の各動作モードにおけるトライアックのオン／オフとローラ温度の関係を図５に示す。
【００４９】
また、図４と図５とを対比してみると、この輻射ヒータ１２を直流電圧制御により点灯制御を行うことで、図５のような従来の商用周波数サイクルでオン／オフ制限された制御周期をなくすことが可能となり、温度リップルを最小にし温度安定を向上させ得ることが判る。また、定常的な直流電圧を印加し続けることで電圧変動等の規制に対して優位となる。また、システム構成の状況に応じて輻射ヒータ１２に対する制御最大電圧を変化させることができ、システム構成が軽い場合に輻射ヒータ１２に対する電力を大きくすることが可能であり、ウォームアップ時の時間短縮が可能になる。
【００５０】
また、特に図示しないが、連続した画像形成でローラ温度が低下した場合でも設定温度までの復帰時間短縮になる。また、最近の複写機（画像形成装置）では省エネルギーを目的としてローラ温度を設定温度よりも下げた低電力モード、又は、輻射ヒータ１２への電力供給を停止するオフモードを設けている機種もあるが、この場合、低電力モード、又は、オフモードから画像形成可能モードまでのリカバリー時間の短縮も可能になる。
【００５１】
複写機１（画像形成装置）のシステム構成の状況がフルシステムでない場合にフルシステムとの差の電力を輻射ヒータ１２への電力とすることが可能であるが、この差の電力を全て輻射ヒータ１２に供給するのではなく、輻射ヒータ１２以外の負荷へ供給することもできる。この場合、単位時間当たりの画像形成速度を大きくすることも可能になる。
【００５２】
また、輻射ヒータ１２以外の負荷電力の下限値はオプション接続無のシステム構成の電力であるので、この電力をＷｏ３とすると、この時のヒータ電力Ｗｈ３は、
Ｗｈ３＝Ｗｈ１＋Ｗｏ１−Ｗｏ３
になり、輻射ヒータ１２の制御電圧の最大値をＶｈ３、輻射ヒータ１２の抵抗をＺとすると、
Ｖｈ３＝Ｗｈ３／Ｚ
で決まる。よって、昇圧チョッパ回路２４により輻射ヒータ１２に印加される直流電圧の電圧値（印加制御電圧最大値）の範囲はＶｈ１〜Ｖｈ３になる。
【００５３】
本発明の第二の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。
【００５４】
図６は輻射ヒータ１２に対する通電制御を行う本実施の形態の回路構成を示す回路図である。基本的には、図３の場合と同様であるが、本実施の形態ではモード設定等の各種入力設定操作を行うための操作部３１がエンジン制御回路２７中のヒータ温度制御ブロック２８に接続されている。
【００５５】
このような操作部３１からの入力情報に基づき当該複写機１のシステム稼動状況を検知し、前述のシステム構成の状況とこのシステム稼動状況とに応じて制御電圧演算ブロック３０により輻射ヒータ１２へ供給する直流最大電圧値を決定し、ヒータ温度制御ブロック２８によりその直流最大電圧値の範囲内で制御電圧を可変させることで輻射ヒータ１２に対する電力をコントロールするようにしたものである。即ち、複写機１にあっては、操作部３１からの各種入力情報に基づき動作モード等が設定されて画像形成動作を実行するので、その入力情報に基づきジョブの動作モード（システムの稼動状況）を検知できる。ここに、複写機１で例えばフルシステム構成でフル稼働の場合に最大電力を消費するが、フルシステム構成であっても動作モードによっては稼働しないユニットもある。この場合、稼動状況を認識することで、稼働しないユニットの消費電力をヒータ用電力に上乗せできるので、輻射ヒータ１２に供給する直流電圧を大きくすることができる。
【００５６】
エンジン制御回路２７のマイクロコンピュータ（ヒータ温度制御ブロック２８、制御電圧演算ブロック３０）により実行される本実施の形態の場合のヒータ通電制御に関する動作制御例を図７に示す概略フローチャートを参照して説明する。まず、複写機１の電源スイッチが投入されることにより（ステップＳ１のＹ）、制御が開始される。そして、操作部３１上の各種キーに関するキー操作があるか否かをチェックし（Ｓ２）、キー操作がないまま一定時間が経過したら（Ｓ３のＹ）、待機モードに設定する（Ｓ４）。キー操作があり（Ｓ２のＹ）、又は、待機モードに設定された場合（Ｓ４）、接続検知ブロック２９からの検知情報を取得し、当該複写機１のシステム構成の状況を検知する（Ｓ５）。このステップＳ５の処理がシステム構成検知手段の機能として実行される。さらに、操作部３１からのキー入力情報を取得することにより、設定された動作モードに従い当該複写機１の当該システム構成における稼動状況を検知する（Ｓ６）。このステップＳ６の処理が稼動状況検知手段の機能として実行される。引き続き、検知されたこれらのシステム構成の状況及び稼動状況に応じて制御電圧演算ブロック３０により輻射ヒータ１２で消費する最大電力値及び直流電圧の制御最大電圧値を決定する（Ｓ７）。このステップＳ７の処理が電力決定手段の機能として実行される。さらに、定着ローラ１３の検出温度と目標温度との差、及び、定着ローラ１３の温度変化率に基づき制御最大電圧値の範囲内での制御電圧値を算出し、算出された制御電圧となるように昇圧チョッパ回路２４によって輻射ヒータ１２に印加する直流電圧の電圧値を決定する（Ｓ８）。このステップＳ８の処理が出力可変手段の機能として実行される。
【００５７】
このような決定後、まず、スイッチ素子Ｑ１をオンさせて輻射ヒータ１２に対する通電立上げ可能とする（Ｓ９）。引き続き、駆動回路２５の発振動作を決定された直流電圧の電圧値に応じて駆動制御してスイッチング素子Ｑ２のオン・オフ動作を制御することで、昇圧チョッパ回路２４による輻射ヒータ１２への直流電圧印加による通電を開始させる（Ｓ１０）。このステップＳ１０の処理が、決定されたヒータ用電力に応じて昇圧チョッパ回路２４を駆動回路２５を介して駆動制御して輻射ヒータ１２に供給する直流電圧を可変させる出力可変手段の機能として実行される。この動作において、サーミスタ（温度検出回路）１５により検出される定着ローラ温度を取得するとともに、待機モードであるか否かをチェックし（Ｓ１１）、待機モードでない場合には（Ｓ１１のＮ）、定着ローラ温度が所定の設定温度Ｔ１に達したかを監視し（Ｓ１２）、待機モード時であれば（Ｓ１１のＹ）、定着ローラ温度が待機時用に設定された所定の設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）に達したかを監視する（Ｓ１３）。
【００５８】
定着ローラ温度が所定の設定温度Ｔ１に達した場合（Ｓ１２のＹ）、駆動回路２５を停止させてスイッチング素子Ｑ２をオフさせるとともに（Ｓ１４）、スイッチ素子Ｑ１をオフさせて（Ｓ１５）、昇圧チョッパ回路２４への給電を停止させる。これにより、輻射ヒータ１２への通電も停止される。そして、キー操作に基づき設定された動作モードの処理内容を実行する（Ｓ１６）。この動作においても、サーミスタ（温度検出回路）１５により検出される定着ローラ温度を取得することにより、所定の設定温度Ｔ１より若干低く設定された所定の設定温度Ｔ１′まで低下したか否かをチェックし（Ｓ１７）、所定の設定温度Ｔ１′まで低下した場合には（Ｓ１７のＹ）、ステップＳ９の処理に戻り、ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１４〜Ｓ１７の処理を繰返すことにより、定着ローラ温度を設定温度Ｔ１′〜Ｔ１の範囲内に維持する。
【００５９】
待機時にあっても同様であり、定着ローラ温度が所定の設定温度Ｔ２に達した場合（Ｓ１３のＹ）、駆動回路２５を停止させてスイッチング素子Ｑ２をオフさせるとともに（Ｓ１８）、スイッチ素子Ｑ１をオフさせて（Ｓ１９）、昇圧チョッパ回路２４への給電を停止させる。これにより、輻射ヒータ１２への通電も停止される。この動作においても、サーミスタ（温度検出回路）１５により検出される定着ローラ温度を取得することにより、所定の設定温度Ｔ２より若干低く設定された所定の設定温度Ｔ２′まで低下したか否かをチェックし（Ｓ２０）、所定の設定温度Ｔ２′まで低下した場合には（Ｓ２０のＹ）、ステップＳ９の処理に戻り、ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１８〜Ｓ２０の処理を繰返すことにより、定着ローラ温度を待機時用の設定温度Ｔ２′〜Ｔ２の範囲内に維持する。
【００６０】
なお、ステップＳ１７の処理後は、操作部３１においてキー操作があるか否かをチェックし（Ｓ２１）、キー操作があれば（Ｓ２１のＹ）、そのキー操作に基づく処理動作を実行する（Ｓ１６）。一方、キー操作がなく（Ｓ２１のＮ）、一定の時間が経過した場合には（Ｓ２２のＹ）、待機モードに設定し（Ｓ２３）、ステップＳ２０の処理に移行する。
【００６１】
また、ステップＳ２０の処理後は、操作部３１においてキー操作があるか否かをチェックし（Ｓ２５）、キー操作があれば（Ｓ２５のＹ）、待機モードを解除して（Ｓ２５）、ステップＳ９の処理に戻る。一方、キー操作がない場合には（Ｓ２４のＮ）、ステップＳ２０の処理に戻る。
【００６２】
よって、本実施の形態によれば、システム構成の状況のみを考慮する場合に比べて、その稼動状況も併せて考慮するので、輻射ヒータ１２へ印加する直流電圧をより大きくすることができ、より多くの電力が供給できる。このため、効果は、第一の実施の形態の場合よりも大きくなる。
【００６３】
なお、これらの実施の形態では、輻射ヒータ１２に対する出力可変の直流電源回路として、昇圧チョッパ回路２４の例で説明したが、これに限らず、降圧チョッパ回路や昇降圧チョッパ回路でもよく、或いは、絶縁型のコンバータを用いるようにしてもよい。
【００６４】
本発明の第三の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の第一又は第二の実施の形態に適用されるが、特に、その通電立上げ時の制御に関するものである。
【００６５】
輻射ヒータ１２は温度応答性に優れているため、電源投入時の突入電流値が従来機よりも大きい。また、一般に、輻射ヒータ１２の抵抗値は、朝一などの複写機１の省電力状態の低温時と温度制御時の高温時とでは異なり、ヒータ低温時には抵抗値が小さく、そのために、通電立上げの制御を特に行わずに直に立上げた場合には図９に示すように電源投入時の突入電流値が、待機状態より大きくなる傾向がある。
【００６６】
そこで、本実施の形態では、輻射ヒータ１２に対する通電立上げ時の動作制御として、急激な電圧変動による突入電流を防止するために、図８に示すように、輻射ヒータ１２の温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、昇圧チョッパ回路２４によって輻射ヒータ１２に印加する直流電圧の電圧値を段階的に徐々に上げるように制御するものである。このような直流電圧の電圧値の段階的な可変制御は、昇圧チョッパ回路２４の駆動回路２５の動作を段階的に切換え制御することにより容易に実現できる。このような動作制御は、例えば図７に示したフローチャート中のステップＳ１０の処理の開始時に行わせるようにすればよい。これにより、当該装置の突入電流値を抑えることができる。ここで、輻射ヒータ１２の温度−抵抗値特性により電源投入時の各設定電圧までのステップ数（電圧幅）とステップ制御時間とが決定される。通常の輻射ヒータ１２であれば、約数１００ｍｓ程度の通電立上げ期間内における制御となる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、基本的に、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その制御最大電圧値をシステム構成に応じて可変設定するようにしたので、熱応答性に優れた輻射ヒータの特徴を活かしつつ、商用交流電源サイクルによりオン・オフが制限された制御周期をなくして温度制御リップルを小さくすることができ、温度安定性を向上させることができ、また、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その電圧値を当該画像形成装置のシステム構成の状況に応じて可変させることにより、当該画像形成装置のシステム構成の状況が軽い場合、輻射ヒータへ供給するヒータ用電力を大きくすることが可能となり、ウォームアップ時の時間短縮、連続した画像形成により定着ローラの温度が低下した場合の設定温度までの復帰時間の短縮、さらには、低電力モード・オフモードを設けている画像形成装置の場合であればリカバリー時間の短縮が各々可能となり、この際、直流電圧の電圧値を可変させることにより、輻射ヒータに供給する電力を可変させているので、トライアック等の電力スイッチ素子により全波出力の位相制御を行う方式に比べて、高調波電流や電源電圧変動が増加することも回避することができる。
【００６８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の画像形成装置において、当該画像形成装置のシステム構成の状況だけでなく、その稼動状況も加味して輻射ヒータに割り当てる制御最大電圧値を可変設定するようにしたので、稼動状況が軽い場合には、さらに輻射ヒータに割り当て得る制御最大電圧値を上乗せしてより大きくすることができ、よって、ウォームアップ時の時間等をより一層短縮させることができる。
【００６９】
請求項３記載の発明によれば、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の固定周波数方式でオン・オフさせる際のオン・オフデューティ比により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いるようにしたので、請求項１又は２記載の発明を容易に実現することができる。
【００７０】
請求項４記載の発明によれば、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の周波数変調方式でオン・オフさせる際のオン周期又はオフ周期により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いるようにしたので、請求項１又は２記載の発明を容易に実現することができる。
【００７１】
請求項１ないし４の何れか一記載の発明においては、輻射ヒータに対する通電立上げ時に定着装置が冷えている場合は、その立上り時間をできるだけ短時間で行わせるために、輻射ヒータが占めるヒータ用電力の割合が最大限となるように割り当てることで、輻射ヒータに供給する直流電圧が大きくなるように可変制御する訳であるが、この場合、通電立上げ時における突入電流値が大きくなり、特に輻射ヒータの場合にはハロゲンヒータ等に比して温度応答性に優れているため突入電流値が大きくなるため、使用回路部品としても部品定格も大きな仕様値の部品が必要となりコストアップや寿命減少の影響を受け、さらには、突入電流が大きいことに起因して他の電子機器や設備に対しても影響を与え、例えば、通電立上げ時の突入電流により、ＣＲＴ画面が歪んだり、蛍光灯がちらついたり等の影響が出たりする懸念があるが、請求項５記載の発明によれば、輻射ヒータに対する通電立上げ時において当該輻射ヒータの温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、輻射ヒータに供給する直流電圧が徐々に増加するように可変制御しているので、突入電流値を抑えることができ、使用回路部品に対する仕様マージンを上げ、寿命の延長又は部品のコストダウンを図ることができる。
【００７２】
請求項６記載の発明によれば、輻射ヒータの温度−抵抗値特性に基づき設定されたステップ数とステップ制御時間とに基づき輻射ヒータに供給する直流電圧が段階的に増加するように直流電源回路を制御することにより、請求項５記載の発明を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の複写機の概略システム構成例を示す正面図である。
【図２】その定着装置の構成例を示す概略正面図である。
【図３】ヒータに対する通電制御を行う回路構成を示す回路図である。
【図４】フルシステム構成の場合とフィニッシャユニット未接続の構成の場合の各動作モードにおける輻射ヒータへ印加する制御電圧と制御最大電圧、ローラ温度の関係を示すタイムチャートである。
【図５】参考例として従来の場合の各動作モードにおける輻射ヒータへ印加する制御電圧と制御最大電圧、ローラ温度の関係を示すタイムチャートである。
【図６】本発明の第二の実施の形態のヒータに対する通電制御を行う回路構成を示す回路図である。
【図７】ヒータ通電制御に関する動作制御例を示す概略フローチャートである。
【図８】本発明の第三の実施の形態の電圧、電流制御の波形例を示すタイムチャートである。
【図９】参考例として電圧、電流制御の波形例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１１ 定着装置
１２ 輻射ヒータ
１３ 定着部材
１５ 温度センサ
２１ 交流電源
２４ 直流電源回路
２５ 駆動回路
Ｑ２ スイッチング素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、間接加熱方式の熱源として輻射ヒータ内蔵の定着ローラ等の定着部材を用いてトナー像を転写材上に加熱定着する定着装置を備える画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電気機器は省エネルギーが唱えられており、例えば商用交流電源を使用したハロゲンヒータを定着ヒータに使用している複写機、レーザプリンタ、ファクシミリ装置等の画像形成装置では、定着ヒータによる消費電力の占める割合の削減を図るヒータ点灯の効率化、定着温度の上昇時間の短縮、ヒータ電圧制御回路の構成等についての検討が課題となっている。
【０００３】
即ち、この種の画像形成装置では、転写紙にトナー画像をハロゲンヒータ内蔵の定着ローラにより加熱定着させる定着装置を備えたものが一般的である。
【０００４】
ここに、定着ローラ内のヒータはトライアックなどの電力スイッチ素子を介して交流電源に接続され、定着ローラには温度を検出するためのサーミスタ等が配設される。通常、画像形成装置のエンジン制御回路からの制御信号でトライアックなどの電力スイッチ素子を駆動してヒータに電力を供給し、定着ローラが所定の設定温度に達すると電力スイッチ素子をオフさせてヒータに対する電力供給を停止させることで、当該画像形成装置において画像形成が可能となるようにしている。
【０００５】
定着ローラによる加熱定着で転写紙にトナー画像が定着されると、紙種・画像形成速度等の画像形成の状況に応じて定着ローラの温度が低下する。定着ローラの温度はサーミスタで常時検出されているので、温度が低下するとトライアックなどの電力スイッチ素子を駆動してヒータに電力を供給することで、再び、所定の設定温度に達する。トライアックなどの電力スイッチ素子の駆動は、通常、全波整流回路の全波出力のオン／オフ制御、又は、位相制御で駆動させるようにしている。
【０００６】
このような構成の場合、画像形成装置が消費する電力は、当然ではあるが、（ヒータ電力）＋（ヒータ以外の負荷電力）となる。ヒータ以外の最大負荷電力は、画像形成装置がフルシステム構成の状況で、かつ、フル稼働の状況の場合の電力となる。このため、画像形成装置がフルシステム構成でない場合、又は、その時点のシステムの稼働状況が低い場合は、フルシステム構成・フル稼働の状況における最大負荷電力よりも小さくなる。
【０００７】
一方、画像形成装置としては、ウォームアップ時や連続プリント時のように、ウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性の向上を図るために、ヒータ電力ができるだけ大きい方が好ましい場合がある。例えば、画像形成装置がフルシステム構成でない場合、必要な負荷電力はフルシステム構成・フル稼働の状況時よりも小さくなるので、フルシステム構成・フル稼働の状況時の最大負荷電力との差の電力をヒータ電力に供給するようにすれば、ウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性の向上を図れる。
【０００８】
このようなヒータ用電力を向上させる提案例としては、例えば、加熱手段への電力供給を主電源と補助電源とに切り分け、補助電源のコンデンサに蓄積された電力をヒータ立上げ時に供給するようにした提案例（例えば、特許文献１参照）や、定着部を主電源の他に２次電源でも付勢するようにした提案例（例えば、特許文献１参照）がある。
【０００９】
また、間接加熱方式の熱源として輻射ヒータ内蔵の定着装置に関して、その立上り時の熱ロスを低減し、立上り時間の高速化・省電力化を図れるようにした熱応答性に優れた特徴を持つ輻射ヒータに関する提案例もある（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３によれば、フィラメントと少なくとも不活性ガスを含む封入ガスとを密閉したガラス管を有する輻射熱源と、内部に輻射熱源を収納した加熱部材とを備え、輻射熱源により加熱された加熱部材の熱によってシート上に形成されたトナー画像を当該シートに定着する定着装置において、電源投入直後に輻射熱源内のフィラメントとガラス管と封入ガスに滞留される熱量を低減するようにしている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−３１５５６７公報
【特許文献２】
特開平１０−２８２８２１号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３９９３９公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、全波整流回路の全波出力のオン／オフ制御方式ではヒータ電力を可変することができないために、このようなウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性向上を図ることができない。
【００１２】
一方、位相制御方式を用いれば電力制御が可能になるためウォームアップ時間の短縮や連続プリント時の定着性向上を図ることが可能になる。しかし、常時、位相制御することになり、高調波電流の増加や電源電圧変動（フリッカノイズ）が大きくなってしまう不具合がある。
【００１３】
さらに、特許文献１，２のような提案例は、主電源の他に補助電源や２次電源を用いる構成であり、電源構成及びその制御が複雑になる等の不具合がある。
【００１４】
また、特許文献３に示されるような熱応答性に優れた輻射ヒータを用いた定着装置では、熱源自体の立上りが早く、従来のハロゲンヒータよりも定常時のオン・オフにおける熱応答時間に優れているため、通紙時の温度リップルは改善される。しかし、逆に、待機時（スタンバイ時）の温度リップルが大きくなってしまう不具合がある。即ち、大抵は、通紙時に転写紙により熱を奪われてしまうため、熱供給率を上げることで改善しているが、実際には、熱応答性がよいために、逆にスタンバイ時の温度制御リップルが大きくなってしまうものである。つまり、従来の交流電源によるハロゲンヒータの制御にはトライアックを使用しており、商用交流電源周波数の５０／６０Ｈｚ仕様のヒータの温度制御周期は遅く、２０ｍｓ／１６．６ｍｓに制限されている現状にあり、このため、特許文献３のような輻射ヒータを用いた定着装置にあってもその熱応答性のよい特徴を活かしきれず、却って、消費電力を大きくしてしまっている。この結果、画像形成装置のように、機械としては、動作時間より圧倒的に待機時間の方が長い場合には、逆に温度リップルが大きいため、必要以上の電力量を消費していることになる。
【００１５】
本発明の目的は、熱応答性に優れた特徴を持つ輻射ヒータを利用した定着装置を備える画像形成装置に関して、高調波電流や電源電圧変動（フリッカノイズ）を増加させることなく、定着立上げ時間を短縮させ得るとともに待機時の温度リップルを最小にし、当該画像形成装置に最適で効率のよいヒータ制御を可能にすることである。
【００１６】
また、本発明の目的は、輻射ヒータに対する通電立上げ時の突入電流を抑え、使用回路部品に対する仕様マージンを上げ、部品寿命の延長又は部品のコストダウンを図ることである。
【００１７】
さらに、本発明は、当該画像形成装置の稼動状況に対応させて輻射ヒータに対する通電制御を行うことで、定着温度までの立上げ時間を短縮させることである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、フィラメントと少なくとも不活性ガスを含む封入ガスとを密閉したガラス管を有する輻射ヒータ内蔵の定着部材を用いてトナー像を転写材上に加熱定着する定着装置を備える画像形成装置において、前記輻射ヒータは、電源投入直後にこれらのフィラメントと封入ガスとガラス管とに滞留する熱量を低減する構成を有し、前記定着部材周りの温度を検出する温度センサと、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して前記輻射ヒータに通電する出力可変の直流電源回路と、当該画像形成装置のシステム構成の状況を検知するシステム構成検知手段と、検知されたシステム構成の状況に基づき前記輻射ヒータで消費する最大電力値及び直流電圧の制御最大電圧値を決定する電力決定手段と、前記温度センサにより検出された定着部材周りの温度と目標温度との差、及び、前記定着部材の温度変化率に基づき前記制御最大電圧値の範囲内での制御電圧値を算出して前記直流電源回路を駆動制御して前記輻射ヒータに割り当てる直流電圧を可変させる出力可変手段と、を備える。
【００１９】
従って、基本的に、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その制御最大電圧値をシステム構成の状況に応じて可変設定するようにしているので、熱応答性に優れた輻射ヒータの特徴を活かしつつ、商用交流電源サイクルによりオン・オフが制限された制御周期をなくして温度制御リップルを小さくすることができ、温度安定性を向上させることができる。また、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その電圧値を当該画像形成装置のシステム構成の状況に応じて可変させることにより、当該画像形成装置のシステム構成の状況が軽い場合、輻射ヒータへ供給するヒータ用電力を大きくすることが可能となり、ウォームアップ時の時間短縮、連続した画像形成により定着ローラの温度が低下した場合の設定温度までの復帰時間の短縮、さらには、低電力モード・オフモードを設けている画像形成装置の場合であればリカバリー時間の短縮が各々可能となる。この際、直流電圧の電圧値を可変させることにより、輻射ヒータに供給する電力を可変させているので、トライアック等の電力スイッチ素子により全波出力の位相制御を行う方式に比べて、高調波電流や電源電圧変動が増加することはない。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の画像形成装置において、当該画像形成装置の稼動状況を検知する稼動状況検知手段を備え、前記電力決定手段は、前記システム構成検知手段により検知されたシステム構成の状況及び前記稼動状況検知手段により検知された稼動状況に応じて前記輻射ヒータに割り当てる制御最大電圧値を可変設定する。
【００２１】
従って、当該画像形成装置のシステム構成の状況だけでなく、その稼動状況も加味して輻射ヒータに割り当てる制御最大電圧値を可変設定しているので、稼動状況が軽い場合には、さらに輻射ヒータに割り当て得る制御最大電圧値を上乗せしてより大きくすることができ、よって、ウォームアップ時の時間等をより一層短縮させることができる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の画像形成装置において、前記出力可変手段は、前記直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の固定周波数方式でオン・オフさせる際のオン・オフデューティ比により直流電圧を可変させる。
【００２３】
従って、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の固定周波数方式でオン・オフさせる際のオン・オフデューティ比により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いることで、請求項１又は２記載の発明を容易に実現できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の画像形成装置において、前記出力可変手段は、前記直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の周波数変調方式でオン・オフさせる際のオン周期又はオフ周期により直流電圧を可変させる。
【００２５】
従って、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の周波数変調方式でオン・オフさせる際のオン周期又はオフ周期により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いることで、請求項１又は２記載の発明を容易に実現できる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の画像形成装置において、前記出力可変手段は、前記輻射ヒータに対する通電立上げ時において当該ヒータの温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、前記輻射ヒータに供給する直流電圧が徐々に増加するように前記直流電源回路を制御する。
【００２７】
請求項１ないし４の何れか一記載の発明においては、輻射ヒータに対する通電立上げ時に定着装置が冷えている場合は、その立上り時間をできるだけ短時間で行わせるために、輻射ヒータが占めるヒータ用電力の割合が最大限となるように割り当てることで、輻射ヒータに供給する直流電圧が大きくなるように可変制御する訳であるが、この場合、通電立上げ時における突入電流値が大きくなり、特に輻射ヒータの場合にはハロゲンヒータ等に比して温度応答性に優れているため突入電流値が大きくなるため、使用回路部品としても部品定格も大きな仕様値の部品が必要となりコストアップや寿命減少の影響を受け、さらには、突入電流が大きいことに起因して他の電子機器や設備に対しても影響を与え、例えば、通電立上げ時の突入電流により、ＣＲＴ画面が歪んだり、蛍光灯がちらついたり等の影響が出たりする懸念がある。この点、本発明においては、輻射ヒータに対する通電立上げ時において当該輻射ヒータの温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、輻射ヒータに供給する直流電圧が徐々に増加するように可変制御しているので、突入電流値を抑えることができ、使用回路部品に対する仕様マージンを上げ、寿命の延長又は部品のコストダウンを図ることが可能となる。
【００２８】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の画像形成において、出力可変手段は、前記輻射ヒータの温度−抵抗値特性に基づき設定されたステップ数とステップ制御時間とに基づき前記輻射ヒータに供給する直流電圧が段階的に増加するように前記直流電源回路を制御する。
【００２９】
従って、輻射ヒータの温度−抵抗値特性に基づき設定されたステップ数とステップ制御時間とに基づき輻射ヒータに供給する直流電圧が段階的に増加するように直流電源回路を制御することにより、請求項５記載の発明を容易に実現できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。本実施の形態は、画像形成装置として、電子写真プロセスを利用した複写機１への適用例を示す。図１は当該複写機１の概略システム構成例を示す正面図である。本実施の形態の複写機１はプリンタエンジン２、スキャナエンジン３、給紙装置４等を備える複写機本体５に対して、例えば、増設給紙ユニット６や両面ユニット７やフィニッシャユニット８がオプションとして任意に増設可能なシステム構成とされている。
【００３１】
ここに、複写機１におけるプリンタエンジン２、スキャナエンジン３等に関しては、周知の任意構成を採り得るため、その構成・作用については説明・図示を省略するが、プリンタエンジン２内においては、例えば図２に示すような定着装置１１が内蔵されている。この定着装置１１は、輻射ヒータ１２内蔵の定着部材である定着ローラ１３と加圧ローラ１４とを押圧接触させ、これらのローラ１３，１４間を搬送される転写紙Ｓに対してトナー像を加熱定着させるものである。
【００３２】
定着ローラ１３は、例えば、金属製なるアルミニウム製の薄肉パイプを基体として構成され、その外周面（表面）には定着後の用紙Ｓの分離性を向上させるためにフッ素系の表面離型層が形成され、加圧ローラ１４は芯金と弾性材料としての発泡シリコンゴム層とにより形成されている。輻射ヒータ１２は、前述の特許文献３中に示されるように熱応答性に優れたヒータであり、タングステンによるフィラメント１２ａをガラス管１２ｂで覆うように構成され、ガラス管１２ｂ内には、少なくとも不活性ガスを含む封入ガスが封入されており、必要に応じてフィラメント１２ａの酸化を防ぐ窒素やヨウ素、臭素、塩素などを含むハロゲン物質等が封入されている。ここに、ガラス管１２ｂ内に封入する不活性ガスとして、クリプトン（Ｋｒ）或いはキセノン（Ｘｅ）を主成分としたものが使用されている。一般に、フィラメントからの放射のうち約１／４がガラス管及封入ガスに吸収されて熱損失となり、これが定着装置の立上り時における立上り時間を遅くする大きな要因の一つとなっていることから、ここでは、その立上り時間を速くするため、ガラス管１２ｂ内の封入ガスの対流による熱伝達に係る熱損失に初めて着目し、その熱損失の低減を図っている。即ち、ガラス管１２ｂ内の封入ガスのうち不活性ガスを対流しにくい物質にして、ガラス管１２ｂ内の封入ガスの対流を抑制することによって、電源投入直後の輻射ヒータ１２内のフィラメント１２ａとガラス管１２ｂと封入ガスに滞留される熱量を低減し、ガラス管１２ｂ及び封入ガスの熱エネルギーロスを極力少なくするように構成されている（より詳細な説明は、特許文献３参照）。また、定着部材に関してもドラム状の定着ローラ１３に限らず、特許文献３に示されるようにローラの周囲に定着ベルトを有するタイプであってもよい。
【００３３】
このような定着ローラ１３の周囲には輻射ヒータ１２により加熱される当該定着ローラ１３の表面温度を検出するための温度センサとしてのサーミスタ１５や、何らかの異常により定着ローラ１３の温度が設定温度よりも高い温度に達した場合に給電回路を遮断させるための温度ヒューズ１６が設けられている。
【００３４】
図３はこのような輻射ヒータ１２に対する通電制御を行う回路構成を示す回路図である。まず、商用交流電源２１に対して、ノイズフィルタ２２、ダイオードブリッジ回路（全波整流回路）２３を介して直流電源回路としての出力可変の昇圧チョッパ回路２４が接続され、この昇圧チョッパ回路２４の出力端子間に輻射ヒータ１２と温度ヒューズ１６との直列回路が接続されている。昇圧チョッパ回路２４は、ダイオードブリッジ回路２３からの電源ラインを断続して輻射ヒータ１２に対する通電を断続させるためのトライアック、サイリスタ等のスイッチ素子Ｑ１と、ダイオードブリッジ回路２３の＋電源ライン側に接続されたインダクタＬと、これらのスイッチ素子Ｑ１・インダクタＬ間の出力側に接続されたトランジスタ、ＦＥＴ、ＧＴＩＢ等によるスイッチング素子Ｑ２と、このスイッチング素子Ｑ２を例えば２０ｋＨｚ以上の高周波でオン・オフ発振動作させる駆動回路２５と、インダクタＬとスイッチング素子Ｑ２との接続点よりも出力側に接続された整流ダイオードＤと、この整流ダイオードＤの出力側と−電源ラインとの間に接続された平滑コンデンサＣと、この平滑コンデンサＣの両端電圧を検出する出力電圧検出回路２６とを備えた構成とされている。
【００３５】
このような昇圧チョッパ回路（直流電源回路）２４に対して、その動作制御を行うエンジン制御回路２７が設けられている。このエンジン制御回路２７は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えて、複写機１全体の制御を受け持つマイクロコンピュータ構成のもので、その中に、輻射ヒータ１２に対する通電制御用の出力可変手段として機能するヒータ温度制御ブロック２８と、当該複写機１のシステム構成として増設可能な増設給紙ユニット６、両面ユニット７、フィニッシャユニット８の接続の有無を検知するシステム構成検知手段として機能する接続検知ブロック２９と、電力決定手段として機能する制御電圧演算ブロック３０とが含まれている。サーミスタ１５による温度検出回路の検出信号や出力電圧検出回路２６による検出電圧はヒータ温度制御ブロック２８に取り込まれる一方、スイッチ素子Ｑ１のオン・オフや駆動回路２５の動作制御はこのヒータ温度制御ブロック２８により行われるように構成されている。また、制御電圧演算ブロック３０とヒータ温度制御ブロック２８との間で制御電圧値等のやり取りが行なわれるように構成されている。
【００３６】
このような構成において、まず、その基本的な動作制御例について説明する。商用交流電源２１から供給される交流電圧はノイズフィルタ２２に供給される。このノイズフィルタ２２は主に昇圧チョッパ回路２４で発生する高周波ノイズを減衰させて商用交流電源２１への流出を防ぐが、商用交流電源２１の高周波ノイズの昇圧チョッパ回路２４側への流入も減衰させる役目も果たす。
【００３７】
次に、スイッチ素子Ｑ２をオンさせると、交流電圧はノイズフィルタ２２を通してダイオードブリッジ回路２３で全波整流され、インダクタＬに印加される。一方、エンジン制御回路２７の中のヒータ温度制御ブロック２８の駆動回路２５に対する出力信号がＨｉｇｈになると駆動回路２５がスイッチング素子Ｑ２をオンさせ、インダクタＬにエネルギーが充電される。この時、整流ダイオードＤ・平滑コンデンサＣには電流は流れない。続いて、ヒータ温度制御ブロック２８の駆動回路２５に対する出力信号がＬｏｗになるとインダクタＬへの充電は停止し、インダクタＬとスイッチング素子Ｑ２との接続点は、インダクタＬの自己インダクタンスにより電圧が上昇し、整流ダイオードＤの順電圧に平滑コンデンサＣの電圧を加えた電圧以上になると整流ダイオードＤが導通して整流し、平滑コンデンサＣに充電されて平滑される。この平滑コンデンサＤの両端間電圧はほぼ直流になる。
【００３８】
この直流電圧の大きさは、負荷インピーダンスが一定の場合、スイッチング素子Ｑ２がヒータ温度制御ブロック２８、駆動回路２５によって固定周波数方式で駆動される場合はそのオン・オフのデューティ比で可変させることができる。また、ヒータ温度制御ブロック２８、駆動回路２５によって周波数変調方式で駆動される場合はそのオン又はオフの周期で可変させることができる。具体的には、固定周波数方式ではオンデューティと出力電圧とが比例し、周波数変調方式ではオフ周期一定の場合であればオン周期と出力電圧が比例し、オン周期一定の場合であればオフ周期と出力電圧が反比例する。
【００３９】
ここに、昇圧チョッパ回路２４の直流電圧は制御電圧演算ブロック３０で演算された値となるように制御される。このような出力可変の昇圧チョッパ回路２４の直流電圧は輻射ヒータ１２と温度ヒューズ１６の直列回路に供給され、輻射ヒータ１２は定着ローラ１３を加熱する。この定着ローラ１３の温度は、サーミスタ１５による温度検出回路で常時検出され、その検出信号はヒータ温度制御ブロック２８に入力される。定着ローラ１３の温度が設定温度になると、ヒータ温度制御ブロック２８は駆動回路２５の発振動作を停止してスイッチング素子Ｑ２をオフさせると共に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせ、ヒータ１２への直流電圧の供給を停止する。
【００４０】
定着ローラ１３の表面温度はサーミスタ１５による温度検出回路で常時検出されており、定着ローラ１３の温度が設定温度よりも下がると、スイッチ素子Ｑ１をオンさせ、昇圧チョッパ回路２４を動作させて、再度、輻射ヒータ１２に直流電圧を供給する。その後は、順次、定着ローラ１３の温度により、昇圧チョッパ回路２４を停止／スイッチ素子Ｑ１をオフ→スイッチ素子Ｑ１をオン／昇圧チョッパ回路２４を駆動→昇圧チョッパ回路２４を停止／スイッチ素子Ｑ１をオフ→…を繰返すことにより、設定温度付近に維持する。
【００４１】
なお、温度ヒューズ１６は、定着ローラ１３の設定温度よりも高い温度で動作するものが用いられ、何らかの異常でその温度になった場合、温度ヒューズ１６が切断することにより、輻射ヒータ１２への電力供給を停止させる。
【００４２】
ここに、本実施の形態では、エンジン制御回路２７の機能の中に含まれている接続検知ブロック２９は、例えば当該複写機１の場合、増設給紙ユニット６、両面ユニット７、フィニッシャユニット８等のオプション接続の有無を検知することで当該複写機１に関するシステム構成の状況を検知するための回路で、通常、画像形成装置には付属されているものである。接続検知ブロック２９で当該複写機１のシステム構成の状況が検知されれば、この接続検知ブロック２９に接続された制御電圧演算ブロック３０において、検知されたシステム構成の状況に応じて輻射ヒータ１２に割り当て得る制御最大電圧値が決定可能となる。
【００４３】
また、制御電圧演算ブロック３０は、検知されたシステム構成の状況に基づき輻射ヒータ１２で消費する最大電力値及び直流電圧の制御最大電圧値を決定するが、その演算方法の一例について説明する。
【００４４】
まず、制御最大電圧は、エンジン制御回路２７の機能の中の接続検知ブロック２９の信号に基づき決定される。例えば、当該複写機１のフルシステム構成での最大電力をＷｓ１、輻射ヒータ電力をＷｈ１、輻射ヒータ１２以外の負荷電力をＷｏ１とすると、
Ｗｓ１＝Ｗｈ１＋Ｗｏ１
になる。輻射ヒータ１２の電力Ｗｈ１が決まれば、輻射ヒータ１２の抵抗値をＺとすると、制御電圧の最大値Ｖｈ１は、
Ｖｈ１＝Ｗｈ１／Ｚ
で決まる。一方、当該複写機１の１つのオプション、例えばフィニッシャユニット８が未接続の場合の輻射ヒータ１２以外の負荷電力をＷｏ２とすると、
Ｗｏ１＞Ｗｏ２
になる。フィニッシャユニット８未接続の場合でも、複写機１全体の電力はＷｓ１まで使用可能なので、このシステム構成での輻射ヒータ１２の電力をＷｈ２とすると、
Ｗｈ２＝Ｗｈ１＋Ｗｏ１−Ｗｏ２
にすることが可能になる。このシステム構成での輻射ヒータ１２の電力Ｗｈ２はフルシステムでの輻射ヒータ１２の電力Ｗｈ１よりも、Ｗｏ１−Ｗｏ２の容量だけ大きいため、輻射ヒータ１２の制御電圧の最大値をＶｈ２とすると、
Ｖｈ２＝Ｗｈ２／Ｚ
で決まり、Ｖｈ２＞Ｖｈ１とすることができ、輻射ヒータ１２の電力を大きくすることが可能になる。
【００４５】
一方、制御設定電圧の演算方法の一例は次のようになる。この制御設定電圧は、輻射ヒータ１２の周囲にあるローラ温度の温度検出回路（サーミスタ）１５で検出された検出温度の値と目標温度とから、以下の（１）〜（３）式で決定される。
【００４６】
Ａ＝Ｂ＋α ……（１）
α＝ａ（ｔａ−１−ｔａ）＋ｂ（２・ｔａ−１−ｔａ−ｔａ−２）＋ｃ（Ｔ−ｔａ）…（２）
Ａ≦Ｖｈｍａｘ ……（３）
ただし、Ｔ：目標温度
ｔａ：測定温度
ｔａ−１：前回検出温度
ｔａ−２：前々回検出温度
ａ／ｂ／ｃ：係数
Ａ：制御設定電圧
Ｂ：初期値
α：増減量
Ｖｈｍａｘ：制御最大電圧（複写機１のシステム構成で決まる値）
ａ／ｂ／ｃの係数は、使用環境温度・ヒータ容量・電源回路の応答時間等で決める。
【００４７】
このような制御設定電圧は任意の時間で設定可能で、例えば（１）〜（３）式で決めた値にした場合、ウォームアップ時には定着ローラ温度のオーバーシュートがほとんどない制御、定着ローラ温度の変化が大きい画像形成時も温度リップルが小さい制御が可能になる。
【００４８】
当該複写機１がフルシステム構成の場合とフルシステムに対してフィニッシャユニット８が未接続の構成の場合の各動作モードにおける輻射ヒータ１２へ印加する制御電圧と制御最大電圧、ローラ温度の関係を図４（ａ）（ｂ）に示す。図４（ａ）に示すフルシステム構成の場合に比して、フルシステム構成でない場合には、図４（ｂ）に示すように、制御最大電圧値が大きくなり、実際の制御電圧も大きくし得ることから、ウォームアップ時間が短縮されていることが判る。ちなみに、従来のトライアックを用いてのオン／オフ制御の場合の各動作モードにおけるトライアックのオン／オフとローラ温度の関係を図５に示す。
【００４９】
また、図４と図５とを対比してみると、この輻射ヒータ１２を直流電圧制御により点灯制御を行うことで、図５のような従来の商用周波数サイクルでオン／オフ制限された制御周期をなくすことが可能となり、温度リップルを最小にし温度安定を向上させ得ることが判る。また、定常的な直流電圧を印加し続けることで電圧変動等の規制に対して優位となる。また、システム構成の状況に応じて輻射ヒータ１２に対する制御最大電圧を変化させることができ、システム構成が軽い場合に輻射ヒータ１２に対する電力を大きくすることが可能であり、ウォームアップ時の時間短縮が可能になる。
【００５０】
また、特に図示しないが、連続した画像形成でローラ温度が低下した場合でも設定温度までの復帰時間短縮になる。また、最近の複写機（画像形成装置）では省エネルギーを目的としてローラ温度を設定温度よりも下げた低電力モード、又は、輻射ヒータ１２への電力供給を停止するオフモードを設けている機種もあるが、この場合、低電力モード、又は、オフモードから画像形成可能モードまでのリカバリー時間の短縮も可能になる。
【００５１】
複写機１（画像形成装置）のシステム構成の状況がフルシステムでない場合にフルシステムとの差の電力を輻射ヒータ１２への電力とすることが可能であるが、この差の電力を全て輻射ヒータ１２に供給するのではなく、輻射ヒータ１２以外の負荷へ供給することもできる。この場合、単位時間当たりの画像形成速度を大きくすることも可能になる。
【００５２】
また、輻射ヒータ１２以外の負荷電力の下限値はオプション接続無のシステム構成の電力であるので、この電力をＷｏ３とすると、この時のヒータ電力Ｗｈ３は、
Ｗｈ３＝Ｗｈ１＋Ｗｏ１−Ｗｏ３
になり、輻射ヒータ１２の制御電圧の最大値をＶｈ３、輻射ヒータ１２の抵抗をＺとすると、
Ｖｈ３＝Ｗｈ３／Ｚ
で決まる。よって、昇圧チョッパ回路２４により輻射ヒータ１２に印加される直流電圧の電圧値（印加制御電圧最大値）の範囲はＶｈ１〜Ｖｈ３になる。
【００５３】
本発明の第二の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。
【００５４】
図６は輻射ヒータ１２に対する通電制御を行う本実施の形態の回路構成を示す回路図である。基本的には、図３の場合と同様であるが、本実施の形態ではモード設定等の各種入力設定操作を行うための操作部３１がエンジン制御回路２７中のヒータ温度制御ブロック２８に接続されている。
【００５５】
このような操作部３１からの入力情報に基づき当該複写機１のシステム稼動状況を検知し、前述のシステム構成の状況とこのシステム稼動状況とに応じて制御電圧演算ブロック３０により輻射ヒータ１２へ供給する直流最大電圧値を決定し、ヒータ温度制御ブロック２８によりその直流最大電圧値の範囲内で制御電圧を可変させることで輻射ヒータ１２に対する電力をコントロールするようにしたものである。即ち、複写機１にあっては、操作部３１からの各種入力情報に基づき動作モード等が設定されて画像形成動作を実行するので、その入力情報に基づきジョブの動作モード（システムの稼動状況）を検知できる。ここに、複写機１で例えばフルシステム構成でフル稼働の場合に最大電力を消費するが、フルシステム構成であっても動作モードによっては稼働しないユニットもある。この場合、稼動状況を認識することで、稼働しないユニットの消費電力をヒータ用電力に上乗せできるので、輻射ヒータ１２に供給する直流電圧を大きくすることができる。
【００５６】
エンジン制御回路２７のマイクロコンピュータ（ヒータ温度制御ブロック２８、制御電圧演算ブロック３０）により実行される本実施の形態の場合のヒータ通電制御に関する動作制御例を図７に示す概略フローチャートを参照して説明する。まず、複写機１の電源スイッチが投入されることにより（ステップＳ１のＹ）、制御が開始される。そして、操作部３１上の各種キーに関するキー操作があるか否かをチェックし（Ｓ２）、キー操作がないまま一定時間が経過したら（Ｓ３のＹ）、待機モードに設定する（Ｓ４）。キー操作があり（Ｓ２のＹ）、又は、待機モードに設定された場合（Ｓ４）、接続検知ブロック２９からの検知情報を取得し、当該複写機１のシステム構成の状況を検知する（Ｓ５）。このステップＳ５の処理がシステム構成検知手段の機能として実行される。さらに、操作部３１からのキー入力情報を取得することにより、設定された動作モードに従い当該複写機１の当該システム構成における稼動状況を検知する（Ｓ６）。このステップＳ６の処理が稼動状況検知手段の機能として実行される。引き続き、検知されたこれらのシステム構成の状況及び稼動状況に応じて制御電圧演算ブロック３０により輻射ヒータ１２で消費する最大電力値及び直流電圧の制御最大電圧値を決定する（Ｓ７）。このステップＳ７の処理が電力決定手段の機能として実行される。さらに、定着ローラ１３の検出温度と目標温度との差、及び、定着ローラ１３の温度変化率に基づき制御最大電圧値の範囲内での制御電圧値を算出し、算出された制御電圧となるように昇圧チョッパ回路２４によって輻射ヒータ１２に印加する直流電圧の電圧値を決定する（Ｓ８）。このステップＳ８の処理が出力可変手段の機能として実行される。
【００５７】
このような決定後、まず、スイッチ素子Ｑ１をオンさせて輻射ヒータ１２に対する通電立上げ可能とする（Ｓ９）。引き続き、駆動回路２５の発振動作を決定された直流電圧の電圧値に応じて駆動制御してスイッチング素子Ｑ２のオン・オフ動作を制御することで、昇圧チョッパ回路２４による輻射ヒータ１２への直流電圧印加による通電を開始させる（Ｓ１０）。このステップＳ１０の処理が、決定されたヒータ用電力に応じて昇圧チョッパ回路２４を駆動回路２５を介して駆動制御して輻射ヒータ１２に供給する直流電圧を可変させる出力可変手段の機能として実行される。この動作において、サーミスタ（温度検出回路）１５により検出される定着ローラ温度を取得するとともに、待機モードであるか否かをチェックし（Ｓ１１）、待機モードでない場合には（Ｓ１１のＮ）、定着ローラ温度が所定の設定温度Ｔ１に達したかを監視し（Ｓ１２）、待機モード時であれば（Ｓ１１のＹ）、定着ローラ温度が待機時用に設定された所定の設定温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）に達したかを監視する（Ｓ１３）。
【００５８】
定着ローラ温度が所定の設定温度Ｔ１に達した場合（Ｓ１２のＹ）、駆動回路２５を停止させてスイッチング素子Ｑ２をオフさせるとともに（Ｓ１４）、スイッチ素子Ｑ１をオフさせて（Ｓ１５）、昇圧チョッパ回路２４への給電を停止させる。これにより、輻射ヒータ１２への通電も停止される。そして、キー操作に基づき設定された動作モードの処理内容を実行する（Ｓ１６）。この動作においても、サーミスタ（温度検出回路）１５により検出される定着ローラ温度を取得することにより、所定の設定温度Ｔ１より若干低く設定された所定の設定温度Ｔ１′まで低下したか否かをチェックし（Ｓ１７）、所定の設定温度Ｔ１′まで低下した場合には（Ｓ１７のＹ）、ステップＳ９の処理に戻り、ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１４〜Ｓ１７の処理を繰返すことにより、定着ローラ温度を設定温度Ｔ１′〜Ｔ１の範囲内に維持する。
【００５９】
待機時にあっても同様であり、定着ローラ温度が所定の設定温度Ｔ２に達した場合（Ｓ１３のＹ）、駆動回路２５を停止させてスイッチング素子Ｑ２をオフさせるとともに（Ｓ１８）、スイッチ素子Ｑ１をオフさせて（Ｓ１９）、昇圧チョッパ回路２４への給電を停止させる。これにより、輻射ヒータ１２への通電も停止される。この動作においても、サーミスタ（温度検出回路）１５により検出される定着ローラ温度を取得することにより、所定の設定温度Ｔ２より若干低く設定された所定の設定温度Ｔ２′まで低下したか否かをチェックし（Ｓ２０）、所定の設定温度Ｔ２′まで低下した場合には（Ｓ２０のＹ）、ステップＳ９の処理に戻り、ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１８〜Ｓ２０の処理を繰返すことにより、定着ローラ温度を待機時用の設定温度Ｔ２′〜Ｔ２の範囲内に維持する。
【００６０】
なお、ステップＳ１７の処理後は、操作部３１においてキー操作があるか否かをチェックし（Ｓ２１）、キー操作があれば（Ｓ２１のＹ）、そのキー操作に基づく処理動作を実行する（Ｓ１６）。一方、キー操作がなく（Ｓ２１のＮ）、一定の時間が経過した場合には（Ｓ２２のＹ）、待機モードに設定し（Ｓ２３）、ステップＳ２０の処理に移行する。
【００６１】
また、ステップＳ２０の処理後は、操作部３１においてキー操作があるか否かをチェックし（Ｓ２５）、キー操作があれば（Ｓ２５のＹ）、待機モードを解除して（Ｓ２５）、ステップＳ９の処理に戻る。一方、キー操作がない場合には（Ｓ２４のＮ）、ステップＳ２０の処理に戻る。
【００６２】
よって、本実施の形態によれば、システム構成の状況のみを考慮する場合に比べて、その稼動状況も併せて考慮するので、輻射ヒータ１２へ印加する直流電圧をより大きくすることができ、より多くの電力が供給できる。このため、効果は、第一の実施の形態の場合よりも大きくなる。
【００６３】
なお、これらの実施の形態では、輻射ヒータ１２に対する出力可変の直流電源回路として、昇圧チョッパ回路２４の例で説明したが、これに限らず、降圧チョッパ回路や昇降圧チョッパ回路でもよく、或いは、絶縁型のコンバータを用いるようにしてもよい。
【００６４】
本発明の第三の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の第一又は第二の実施の形態に適用されるが、特に、その通電立上げ時の制御に関するものである。
【００６５】
輻射ヒータ１２は温度応答性に優れているため、電源投入時の突入電流値が従来機よりも大きい。また、一般に、輻射ヒータ１２の抵抗値は、朝一などの複写機１の省電力状態の低温時と温度制御時の高温時とでは異なり、ヒータ低温時には抵抗値が小さく、そのために、通電立上げの制御を特に行わずに直に立上げた場合には図９に示すように電源投入時の突入電流値が、待機状態より大きくなる傾向がある。
【００６６】
そこで、本実施の形態では、輻射ヒータ１２に対する通電立上げ時の動作制御として、急激な電圧変動による突入電流を防止するために、図８に示すように、輻射ヒータ１２の温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、昇圧チョッパ回路２４によって輻射ヒータ１２に印加する直流電圧の電圧値を段階的に徐々に上げるように制御するものである。このような直流電圧の電圧値の段階的な可変制御は、昇圧チョッパ回路２４の駆動回路２５の動作を段階的に切換え制御することにより容易に実現できる。このような動作制御は、例えば図７に示したフローチャート中のステップＳ１０の処理の開始時に行わせるようにすればよい。これにより、当該装置の突入電流値を抑えることができる。ここで、輻射ヒータ１２の温度−抵抗値特性により電源投入時の各設定電圧までのステップ数（電圧幅）とステップ制御時間とが決定される。通常の輻射ヒータ１２であれば、約数１００ｍｓ程度の通電立上げ期間内における制御となる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、基本的に、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その制御最大電圧値をシステム構成に応じて可変設定するようにしたので、熱応答性に優れた輻射ヒータの特徴を活かしつつ、商用交流電源サイクルによりオン・オフが制限された制御周期をなくして温度制御リップルを小さくすることができ、温度安定性を向上させることができ、また、輻射ヒータへ供給する電圧を直流電圧とし、その電圧値を当該画像形成装置のシステム構成の状況に応じて可変させることにより、当該画像形成装置のシステム構成の状況が軽い場合、輻射ヒータへ供給するヒータ用電力を大きくすることが可能となり、ウォームアップ時の時間短縮、連続した画像形成により定着ローラの温度が低下した場合の設定温度までの復帰時間の短縮、さらには、低電力モード・オフモードを設けている画像形成装置の場合であればリカバリー時間の短縮が各々可能となり、この際、直流電圧の電圧値を可変させることにより、輻射ヒータに供給する電力を可変させているので、トライアック等の電力スイッチ素子により全波出力の位相制御を行う方式に比べて、高調波電流や電源電圧変動が増加することも回避することができる。
【００６８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の画像形成装置において、当該画像形成装置のシステム構成の状況だけでなく、その稼動状況も加味して輻射ヒータに割り当てる制御最大電圧値を可変設定するようにしたので、稼動状況が軽い場合には、さらに輻射ヒータに割り当て得る制御最大電圧値を上乗せしてより大きくすることができ、よって、ウォームアップ時の時間等をより一層短縮させることができる。
【００６９】
請求項３記載の発明によれば、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の固定周波数方式でオン・オフさせる際のオン・オフデューティ比により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いるようにしたので、請求項１又は２記載の発明を容易に実現することができる。
【００７０】
請求項４記載の発明によれば、直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の周波数変調方式でオン・オフさせる際のオン周期又はオフ周期により直流電圧を可変させる出力可変手段を用いるようにしたので、請求項１又は２記載の発明を容易に実現することができる。
【００７１】
請求項１ないし４の何れか一記載の発明においては、輻射ヒータに対する通電立上げ時に定着装置が冷えている場合は、その立上り時間をできるだけ短時間で行わせるために、輻射ヒータが占めるヒータ用電力の割合が最大限となるように割り当てることで、輻射ヒータに供給する直流電圧が大きくなるように可変制御する訳であるが、この場合、通電立上げ時における突入電流値が大きくなり、特に輻射ヒータの場合にはハロゲンヒータ等に比して温度応答性に優れているため突入電流値が大きくなるため、使用回路部品としても部品定格も大きな仕様値の部品が必要となりコストアップや寿命減少の影響を受け、さらには、突入電流が大きいことに起因して他の電子機器や設備に対しても影響を与え、例えば、通電立上げ時の突入電流により、ＣＲＴ画面が歪んだり、蛍光灯がちらついたり等の影響が出たりする懸念があるが、請求項５記載の発明によれば、輻射ヒータに対する通電立上げ時において当該輻射ヒータの温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、輻射ヒータに供給する直流電圧が徐々に増加するように可変制御しているので、突入電流値を抑えることができ、使用回路部品に対する仕様マージンを上げ、寿命の延長又は部品のコストダウンを図ることができる。
【００７２】
請求項６記載の発明によれば、輻射ヒータの温度−抵抗値特性に基づき設定されたステップ数とステップ制御時間とに基づき輻射ヒータに供給する直流電圧が段階的に増加するように直流電源回路を制御することにより、請求項５記載の発明を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の複写機の概略システム構成例を示す正面図である。
【図２】その定着装置の構成例を示す概略正面図である。
【図３】ヒータに対する通電制御を行う回路構成を示す回路図である。
【図４】フルシステム構成の場合とフィニッシャユニット未接続の構成の場合の各動作モードにおける輻射ヒータへ印加する制御電圧と制御最大電圧、ローラ温度の関係を示すタイムチャートである。
【図５】参考例として従来の場合の各動作モードにおける輻射ヒータへ印加する制御電圧と制御最大電圧、ローラ温度の関係を示すタイムチャートである。
【図６】本発明の第二の実施の形態のヒータに対する通電制御を行う回路構成を示す回路図である。
【図７】ヒータ通電制御に関する動作制御例を示す概略フローチャートである。
【図８】本発明の第三の実施の形態の電圧、電流制御の波形例を示すタイムチャートである。
【図９】参考例として電圧、電流制御の波形例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１１ 定着装置
１２ 輻射ヒータ
１３ 定着部材
１５ 温度センサ
２１ 交流電源
２４ 直流電源回路
２５ 駆動回路
Ｑ２ スイッチング素子
Claims (6)
- フィラメントと少なくとも不活性ガスを含む封入ガスとを密閉したガラス管を有する輻射ヒータ内蔵の定着部材を用いてトナー像を転写材上に加熱定着する定着装置を備える画像形成装置において、
前記輻射ヒータは、電源投入直後にこれらのフィラメントと封入ガスとガラス管とに滞留する熱量を低減する構成を有し、
前記定着部材周りの温度を検出する温度センサと、
交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換して前記輻射ヒータに通電する出力可変の直流電源回路と、
当該画像形成装置のシステム構成の状況を検知するシステム構成検知手段と、
検知されたシステム構成の状況に基づき前記輻射ヒータで消費する最大電力値及び直流電圧の制御最大電圧値を決定する電力決定手段と、
前記温度センサにより検出された定着部材周りの温度と目標温度との差、及び、前記定着部材の温度変化率に基づき前記制御最大電圧値の範囲内での制御電圧値を算出して前記直流電源回路を駆動制御して前記輻射ヒータに割り当てる直流電圧を可変させる出力可変手段と、
を備えることを特徴とする画像形成装置。 - 当該画像形成装置の稼動状況を検知する稼動状況検知手段を備え、
前記電力決定手段は、前記システム構成検知手段により検知されたシステム構成の状況及び前記稼動状況検知手段により検知された稼動状況に応じて前記輻射ヒータに割り当てる制御最大電圧値を可変設定することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。 - 前記出力可変手段は、前記直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の固定周波数方式でオン・オフさせる際のオン・オフデューティ比により直流電圧を可変させる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の画像形成装置。
- 前記出力可変手段は、前記直流電源回路中に含まれるスイッチング素子を高周波の周波数変調方式でオン・オフさせる際のオン周期又はオフ周期により直流電圧を可変させる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の画像形成装置。
- 前記出力可変手段は、前記輻射ヒータに対する通電立上げ時において当該ヒータの温度抵抗特性が安定するまでの時間内は、前記輻射ヒータに供給する直流電圧が徐々に増加するように前記直流電源回路を制御する、ことを特徴とする請求項１ないし４の何れか一記載の画像形成装置。
- 前記出力可変手段は、前記輻射ヒータの温度−抵抗値特性に基づき設定されたステップ数とステップ制御時間とに基づき前記輻射ヒータに供給する直流電圧が段階的に増加するように前記直流電源回路を制御する、ことを特徴とする請求項５記載の画像形成装置。
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