JP2006017956A - 電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定着器などのような抵抗値の小さい制御対象へ位相制御を行う位相角（ＯＮデューティー）が浅い場合も深い場合においても高調波歪みを低減すること。
【解決手段】 サーミスタ３０８によるヒータ３０６の温度検出結果と制御目標温度の偏差量に基づいてＣＰＵ２０５により求めた所望のＯＮデューティーに基づくＯＮタイミングＯＮタイミングに対して、ＯＮタイミング制御手段４０７により、プラスまたはマイナス方向にＯＮタイミングをずらす量（振り量）を可変し、これを循環的に繰り返す。振り量を少なくとも２種類設定することによって、電子回路等に適用する低圧電源波形がヒータ波形で覆われる程度まで設定することができ、これら低圧電源波形とヒータ波形の合成波形の歪みを効果的に抑制することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、位相制御を行う電力制御装置であって、特に、複写機、ファクシミリ、レーザービームプリンタなどの画像形成装置の定着器用に好適な電力制御装置に関するものである。

複写機，レーザープリンタなどの画像形成装置の定着器は、一般にヒータを備え、画像形成部で紙などの転写材上に転写されたトナーをヒータ加熱によって転写材上に融解、固着させるものである。この定着器は、商用電源（交流電源）からヒータに対する電力の供給を制御することによって、ヒータの温度を所定温度に維持する電力制御装置を備えている。この電力制御装置による通電制御方法は、波数制御と位相制御とに大別される。位相制御は、一半波のうちＯＮ領域の面積により通電制御するものである。すなわち、ゼロクロスからある時間経過後にＯＮされる。以下に、位相制御により従来の電力制御装置を使用する場合を例にあげて詳しく述べるものとする。

位相制御を行う定着器に備えられた電力制御装置は、例えば電源からヒータに供給される電力をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング手段と、このスイッチング手段をＯＮするトリガ手段と、ヒータの制御結果値を検出する制御結果値検出手段と、電源波形のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、ヒータの制御目標値と制御結果値との偏差量に基づいて電源のＯＮデューティを所定時間ごとに決定すると共に前記決定に基づいてゼロクロスから所定時間経過後に設定したＯＮタイミングにトリガ手段のＯＮを行う位相制御手段とを有している。そして、制御結果値検出手段により検出した制御結果値に基づいて、トリガ手段が発するトリガ出力信号のＯＮデューティを最適値に変更することによってヒータに供給する電力制御を行っている。これによって、ヒータの温度をトナー定着に好適な目標温度に保持するようにしている。ゼロクロスを検出して、このゼロクロスからの位相角によって電力を制御しているときの波形を図８（Ａ）に示す。また、制御パターンを図８（Ｂ）に表す。図８（Ｂ）では、半波分１０ｍｓｅｃ（ここでは、５０Ｈｚとする）内に、１回のＯＮ／ＯＦＦを行うようにしている。設定出力０％から１００％まで５％刻みに設け、そのレベルに応じてＯＮデューティを長くすることにより、ヒータに対する電力の供給量を制御する。

このような電力制御装置に用いる例えば、熱容量の小さい定着フィルムを備えた定着器については、温度上昇を速やかに行うために、ヒータ及び定着フィルムの熱容量が小さく設定されている。これは、ヒータの抵抗値が小さいということでもある。この定着フィルムを備えた定着器に対して従来の電力制御を行う場合には、定着器の熱容量が小さいため、比較的短い時間(例えば従来７Ｈｚ程度)で定着器の温度状態をサンプリングし、フィードバックして制御を行う必要がある。これを位相制御で行うと、ゼロクロスからある時間経過後ＯＮされるので半波のうち比較的高電位のところでＯＮされることが多いため、端子ノイズの発生を引き起こすことになる。

従来このような端子ノイズ対策方法として、目標値が得られるように必要な電力制御を定着器に対して行った時、最適なＯＮデューティに所定量をプラス及びマイナスしたＯＮタイミングを交流電源の正負対象になるように繰り返して複数の波をＯＮし、実質的に前記ＯＮデューティと等価になるように構成しているものがある（例えば、特許文献１参照）。
以下、この従来の方法について説明する。

ここで述べている定着器として、定着フィルムを備えたものを例として説明する。この定着フィルムを備えた定着器は、耐熱性フィルムからなる定着フィルムと、定着フィルムを内側に配置したヒータと、定着フィルムの外側に配置した加圧部材とを備えている。この定着器の電力制御装置は、制御対象であるヒータに商用電源から供給される電力をＯＮ/ＯＦＦするスイッチング手段であるトライアックと、このトライアックをＯＮするトリガ手段を構成するトランジスタ及びフォトトライアックと、ヒータの制御結果値（温度）を検出する制御結果検出手段であるサーミスタと、商用電源からの供給電力のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段を構成しその他商用電源の電圧を監視するトランス、ダイオードおよびホールドコンデンサと、ヒータの制御目標値を維持するため位相制御方式により通電制御するＣＰＵ２０５とを備えている。

ＣＰＵの制御内容は、次のとおりである。まず、ヒータの制御目標値（制御目標温度）と制御結果値（制御結果温度）との間の偏差量に基づいて商用電源のＯＮデューティを所定時間ごと決定する。次いで、このＯＮデューティの決定に基づいてゼロクロスから所定時間経過後のＯＮタイミングにトリガ手段（トランジスタおよびフォトトランジスタ）のＯＮを行う。このトリガ手段のＯＮは、ＣＰＵがＦＳＲＤ（フォトトライアック４１０をＯＮするトランジスタ４０９の駆動信号）信号をトランジスタ４０９に供給することにより行われる。

これに端子ノイズ対策として、次のようなＯＮタイミング制御手段による機能を備えている。サーミスタによるヒータの温度検出結果と制御目標温度との間の偏差量による所望のＯＮデューティＡに対して、例えば図９に示すようにＡ＋α％，Ａ＋α％，Ａ−α％，Ａ−α％・・・のような形での＋あるいは−を繰り返しＦＳＲＤ信号をＯＮしていく。このように、所望のＯＮデューティに対して必ずしも各１半波のＯＮタイミングが一意的に確定することがないように制御することにより、端子ノイズの低減を図っている。

特開平１０−１１５９９７号公報

しかしながら、所望のＯＮデューティに＋，−を繰りかえすだけでは端子ノイズの低減としては効果を得られるが、位相制御を行う位相角（ＯＮデューティ）が深い所で制御されている場合に、例えば画像形成装置等に使用されている電子回路に定電圧を供給するための低圧電源と、ヒータへの交流（例えば商用交流電源から直接的に供給される交流）との合成波形の歪みが大きくなり、高調波歪みを抑制するのが非常に困難であり規格を満足することができない。

そこで本発明の目的は、例えば、定着フィルムを備えた定着器などのような抵抗値の小さい制御対象へ位相制御により通電制御を行う際、位相制御を行う位相角（ＯＮデューティ）が浅い場合も深い場合においても高調波歪みを低減し、高調波歪み対策手段を不要とすることにより低コストで、全体構成が簡素化された電力制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によれば、交流電源から制御対象に供給される電力をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング手段と、該スイッチング手段をＯＮするトリガ信号を当該スイッチング手段に供給するトリガ手段と、前記制御対象の制御結果値を検出する制御結果値検出手段と、前記交流電源から前記制御対象に供給される電力のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、前記制御対象の制御目標値と前記制御結果値検出手段によって得られた制御結果値との間の偏差量に基づいて、前記制御対象に供給する交流電源のゼロクロスを基準とするＯＮデューティを決定し、前記決定したＯＮデューティに応答するＯＮタイミングで前記トリガ手段からトリガ信号を供給するように当該トリガ手段を制御する位相制御手段とを具え、前記位相制御手段は、前記交流電源からの交流の少なくとも１波ごとに前記決定したＯＮデューティに応答するＯＮタイミングをプラス方向またはマイナス方向に交互にずらし、且つ、当該ずらす時間幅を少なくとも２種類適用することを特徴とする。

本発明によれば、高調波ノイズを効果的に抑制することができる。
さらに、本発明によれば、電源電圧に応じて問題となる次数の高調波を効果的に抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照して説明する。
（実施例１）
本実施例では、特に電子写真記録装置に用いられる加熱定着装置（以後定着器と表記する）を有する画像形成装置について説明する。特に、画像形成装置のうちプリンタを例にとって説明する。プリンタは図１のごとき機構を有している。図１において、１０１は静電担持体である感光体ドラム、１０２は光源としての半導体レーザ、１０３はスキャナモータ１０４にて回転する回転多面鏡、１０５は半導体レーザ１０２から発射され、感光体ドラム１０１上を走査するレーザビームである。１０６は感光体ドラム１０１上を一様に帯電するための帯電ローラ、１０７は感光体ドラム１０１上に形成された静電潜像をトナーにて現像するための現像器である。１０８は現像器１０７にて現像されたトナー像を所定の記録用紙に転写するための転写ローラ、１０９は記録用紙に転写されたトナーを熱にて融着するための定着器である。１１０は記録用紙のサイズを識別する機能を有し、用紙を格納する給紙カセット、１１１は１回転することにより、前記給紙カセット１１０から用紙を給紙し、搬送路に送り出すカセット給紙ローラ、１１２はカセットから給紙された記録用紙を搬送する搬送ローラである。１１３は給紙された用紙の先端と後端を検出するためのプレフィードセンサ、１１４は搬送された用紙を感光体ドラム１０１へ送り込む転写前ローラ、１１５は給紙された用紙に対し、感光体ドラム１０１への画像書き込み（記録／印字）と用紙搬送の同期を取るとともに、給紙された用紙の搬送方向の長さを測定するためのトップセンサである。１１６は定着後の用紙の有無を検出するための排紙センサ、１１７は定着後の用紙を排紙トレイ１１８へ搬送するための排出ローラ、１１９は排出ローラから搬送された用紙を排紙トレイ１１８へ排出するための排紙ローラである。

このような機構部を制御する制御系の回路構成のブロック図を図２に示す。図２において、２０１は不図示のホストコンピュータ等の外部機器から送られる画像コードデータをプリンタの印字に必要なビットデータに展開するとともに、プリンタ内部情報を読み取りそれを表示するためのプリンタコントローラである。２０２はプリンタエンジンの各部をプリンタコントローラ２０１の指示にしたがってプリント動作制御するとともに、プリンタコントローラ２０１へプリンタ内部情報を報知するためのプリンタエンジン制御部である。２０３は帯電、現像、転写等各工程における各高圧出力制御をプリンタエンジン制御部２０２の指示にしたがっておこなう高圧制御部である。２０４はスキャナモータ１０４の駆動／停止、レーザビームの点灯をエンジン制御部２０２の指示にしたがって制御する光学系制御部である。２０５は定着ヒータへの通電の駆動／停止をプリンタエンジン制御部２０２の指示にしたがって行う定着器制御部である。２０６はプレフィードセンサ１１４、トップセンサ１１６排紙センサ１１７の紙有無状態とをエンジン制御部２０２へ報知するセンサ入力部、２０７はプリンタエンジン制御部２０２の指示にしたがい、記録用紙搬送のためにモータ／ローラ等の駆動／停止を行う用紙搬送制御部で、図1の給紙ローラ１１１、搬送ローラ１１２、転写前ローラ１１４、定着器１０９のローラ、排紙ローラ１１９の駆動／停止の制御をつかさどるものである。

図３に本実施例における定着器１０９の概略断面模型図を示す。３０１は加熱用回転体としての、厚みが２０〜１５０μｍの薄肉の可撓性エンドレスベルト状定着フィルムであり、表層には離型層を形成してある。このエンドレスベルト状の定着フィルム３０１は半円弧状のフィルムガイド部材（ステイ）３０２に対して周長に余裕を持たせた形で外嵌している。フィルム３０１は熱容量を小さくしてクイックスタート性を向上させている。

３０３は加圧用回転体としての加圧ローラであり、鉄、アルミニウム等の芯金の上にシリコーンゴム層の上に離型層としてＰＦＡチューブ層を有する。フィルム３０１は加圧ローラ３０３の回転駆動により、少なくとも画像定着実行時は矢示の時計方向に加熱体（加熱用ヒータ）３０４面に密着して該加熱体面を摺動しながら所定の周速度、即ち不図示の画像形成部側から搬送されてくる未定着トナー画像を担持した転写材３０５の搬送速度と略同一周速度でシワなく回転駆動される。３０６は加熱体としてのヒータであり、例えばセラミックヒータからなる。このヒータ３０６は、電力供給により発熱する発熱源としての通電発熱体（抵抗発熱体）３０４を含み、該通電発熱体３０４の発熱により昇温する。通電発熱体３０４に対する電力供給によりヒータ３０６が加熱され、またフィルム３０１が回転駆動されている状態において、加圧ローラ３０３の弾性層の変形によって生じる弾性力により該ヒータ３０６との間に形成された圧接ニップ部Ｎ（定着ニップ部）に転写材３０５が導入されることで、該転写材３０５がフィルム３０１に密着してフィルムと一緒の重なり状態で定着ニップ部Ｎを通過していく。この転写材３０５の定着ニップ部通過過程でヒータ３０６からフィルム３０１を介して転写材３０５に熱エネルギーが付与されて転写材３０５上の未定着トナー画像が加熱溶融定着され、転写材３０５は定着ニップ部通過後フィルム３０１から分離して排出される。ヒータ３０６は基板にアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用い、基板上に銀・パラジウムからなる抵抗体を厚膜印刷し所望の抵抗値を有する発熱体パターンを形成する。更に発熱体上に保護層・定着フィルムとの摺動層としてのガラス層３０７を形成する。発熱体形成面の裏側には温度検知素子であるサーミスタ３０８を接着固定しヒータ温度をモニタする。

図４は、本実施例における電力制御装置のブロック図である。この電力制御装置では、制御対象であるヒータ３０６に商用電源４０１から供給される電力をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング手段であるトライアック４１１と、このトライアック４１１をＯＮするトリガ手段４１２を構成するトランジスタ４０９およびフォトトライアック４１０と、ヒータ３０６の制御結果値（温度）を検出する制御結果値検出手段であるサーミスタ３０８と、商用電源４０１からの供給電力のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段を構成しその他商用電源４０１の電圧を監視するトランス４０２、ダイオード４０３およびホールドコンデンサ４０４と、ヒータ３０６の制御目標値を維持するため位相制御方式によりヒータ３０６の通電を制御する位相制御を、内蔵のメモリ内のプログラムに従って実行する機能を有するＣＰＵ２０５とを備えている。

ここで、ＣＰＵ２０５の制御内容は次のとおりである。まず、ヒータ３０６の制御目標値（制御温度）と制御結果値（制御結果温度）との偏差量に基づいて商用電源４０１のＯＮデューティを周期的（所定時間ごと。例えば１／７Ｈｚごと）に決定する。次に、このＯＮデューティの決定に基づいてゼロクロスから所定時間経過後のＯＮタイミングにトリガ手段４１２（トランジスタ４０９，フォトトライアック４１０）のＯＮを行う。このトリガ手段４１２のＯＮは、ＣＰＵ２０５がＦＳＲＤ信号をトランジスタ４０９に供給することにより行われる。また、商用電源４０１からヒータ３０６への電力は、ＦＳＲＤ信号がＯＮ（Ｈレベル）のとき供給開始され、一方、ＦＳＲＤ信号がＯＦＦ（Ｌレベル）のとき供給停止される。

本実施例では、前記位相制御に加えて、ＣＰＵ２０５の機能によって実現されるＯＮタイミング制御手段４０７による次のような制御が行われる（図５(Ａ)(Ｂ)参照）。サーミスタ３０８によるヒータ３０６の温度検出結果と制御目標温度の偏差量に基づいてＣＰＵ２０５により求めた所望のＯＮデューティに基づくＯＮタイミングは、図５（Ａ）のヒータ波形のようになる。このＯＮタイミングに対して、ＯＮタイミング制御手段４０７により、図５（Ｂ）のように半波ごとに、図５（Ａ）のＯＮタイミングに対して、＋α，＋α，−α，−α，＋β，＋β，−β，−β（α≠β）というようにプラスまたはマイナス方向にＯＮタイミングをずらす量（振り量）を可変し、これを循環的に繰り返す。このように、振り量を少なくとも２種類設定することによって、電子回路等に適用する低圧電源（図５中に図示）波形がヒータ波形で覆われる程度まで設定することができ、これら低圧電源波形とヒータ波形の合成波形の歪みを効果的に抑制することができる。この振り量の可変は、必ず正負波形が対称となるように設定する。上記は２種類の振り量を例にしているが、正負波形が対称となれば振り量は何種類になってもかまわないし、どのような組み合わせでも良い。

また、ここではヒータ１本をトライアック１つと、トリガ手段１つで駆動を行っているが、これらが複数となっても同様の方法を用いることも可能である。

（実施例２）
前記実施例１では、所望のＯＮデューティに対して＋α，＋α，−α，−α，＋β，＋β，−β，−βというように振り量を変化させた。しかし、電源電圧に応じた振り量を設定することもできる。そこで、本実施例では、電源電圧に応じて振り方及び振り量を切替えることを特徴とする。このようにすることによって、電源電圧に応じて問題となる次数の高調波を効果的に抑制することができる。

本実施例のハードウエア構成は実施例１と同様であり、前記実施例１と重複する個所については、説明を省略する。

図６は、本実施例のフローチャートであり、ここに示した制御手順はＣＰＵ２０５が内蔵のメモリ内のプログラムに従って実行するものである。プリンタの電源がONされると、最初に入力電源電圧が１００Ｖ系か、２００Ｖ系かの識別を行う（７０３）。そして、１００Ｖ系と判断した時には１００Ｖ用の振り制御を行い、２００Ｖ系と判断した時には２００Ｖ用の振り制御をする（７０４，７０５）。そして、スタンバイ状態になる（７０６）。上記の電源電圧に対応する振り制御方法としては、例えば図５であり、図７であるが、実施例１と同様に、これにかぎらない。図７中、γ≠α≠βである。

この図５，図７のように規定値に対して変化させる量は、必ず正負波形が対象となるように設定すれば、変化量は何種類になってもかまわない。

また、ここではヒータ１本をトライアック１つと、トリガ手段１つで駆動を行っているが、これらが複数となっても同様の方法を用いることも可能である。

本発明の第１の実施例と第２の実施例に係るプリンタの構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施例と第２の実施例に係る回路ブロック図である。 本発明の第１の実施例と第２の実施例に係る定着器概略断面図である。 電力制御装置のブロック図である。 位相制御のＯＮタイミングパターンを示す図である。 本発明の第２の実施例のフローチャートである。 位相制御のその他のＯＮタイミングパターンを示す図である。 従来例の位相角図である。 従来例の位相制御図である。

符号の説明

２０１ プリンタコントローラ
２０２ エンジン制御部
２０３ 高圧制御部
２０４ 光学系制御部
２０５ 定着温調制御部
２０６ センサ入力部
２０７ 用紙搬送制御部
３０６ ヒータ
３０８ サーミスタ
４０１ 商用電源
４０２ トランス
４０３ ダイオード
４０４ ホールドコンデンサ
４０９ トランジスタ
４１０ フォトトライアック
４１１ トライアック

Claims (2)

1. 交流電源から制御対象に供給される電力をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング手段と、
   該スイッチング手段をＯＮするトリガ信号を当該スイッチング手段に供給するトリガ手段と、
   前記制御対象の制御結果値を検出する制御結果値検出手段と、
   前記交流電源から前記制御対象に供給される電力のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
   前記制御対象の制御目標値と前記制御結果値検出手段によって得られた制御結果値との間の偏差量に基づいて、前記制御対象に供給する交流電源のゼロクロスを基準とするＯＮデューティを決定し、前記決定したＯＮデューティに応答するＯＮタイミングで前記トリガ手段からトリガ信号を供給するように当該トリガ手段を制御する位相制御手段とを具え、
   前記位相制御手段は、前記交流電源からの交流の少なくとも１波ごとに前記決定したＯＮデューティに応答するＯＮタイミングをプラス方向またはマイナス方向に交互にずらし、且つ、当該ずらす時間幅を少なくとも２種類適用することを特徴とする電力制御装置。
2. 前記制御手段は、前記ずらす時間幅を前記交流電源の電圧に応じて決定することを特徴とする請求項1に記載の電力制御装置。
   

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