JP2006292994A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定着ヒーター側の電流波形を意図的に歪ませて、本体側のスイッチング電源側に流入する歪電流波形と合成された装置全体としての入力電流波形に含まれる高調波電流を低減することの出来る画像形成装置を提供する。
【解決手段】 印加電圧制限のないカーボンヒーター等の発熱体と、前記ヒーターに印加する電力を調整する整流回路と高周波フィルターを用い電力制御素子にて入力波形をスイッチングしインダクタンスにより平滑した電力を制御対象で有る前記ヒーター負荷に与えるヒーター電力制御回路を用い、前記ヒーター電力制御回路入力電力波形を装置駆動用の電源装置の入力電流波形との差分となるような電力波形生成回路を用いた構成とする事を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子写真装置の交流入力電力を入力し整流、平滑後電力変換し機構系の駆動電力を生成するスイッチング電源等と、前記電子写真装置にてトナーなどの加熱溶融性粉体を用紙に定着させるための加熱装置の発熱源として炭素固体等から構成される加熱源とを用いた前記電子写真装置における装置全体の入力電力を調整して前記加熱源負荷に印加する電力を制御する方法に関するもので、特に画像形成装置に係る。

電子写真装置は、顕画材（以後はトナ−と呼ぶ）により記録紙上に顕画像（以後トナー像と呼ぶ）を形成する画像形成手段を持ち、前記トナー像が形成された記録紙を搬送する紙搬送手段を通じ、図２のＨ１からなるカーボン等を原材料としたヒーターを加熱体とし対向圧接する定着ローラー１００及び加圧ローラー１０１間を介して図３に示す様な前記記録紙を加熱部に密着させる加圧手段によりトナー像を加熱定着する定着手段を用いる事で記録紙上に画像を形成する。

この様な加熱融着手段を用いてトナーを記録紙に定着させるため定着部の熱ローラー部の表面温度は、トナーの融点を越え尚且つ記録紙に悪影響を与えないために、正確にある温度となるように制御される必要がある。

そのための温度調節方法として位相角制御等が使用されている（例えば特許文献１参照。）。

以下、位相角制御を用いた温度制御を図９を用いて説明する。

入力端子間に交流電圧が印加されるとＴ１により絶縁分圧された交流電圧が位相角基準信号発生回路に入力され交流入力のゼロクロス点の位相信号が出力される。

ここで温度検出比較回路の入力に制御電圧Ｖｃが入力されると、比較回路は定着ローラー表面温度を測定しているＴＨ１のサーミスター等の温度検出素子からの温度信号を読取り温度制御値であるＶｃと比較しその差分に比例した電圧を制御信号として位相角制御回路に出力する。

位相角制御回路ではその時の制御信号の値から通電位相角を決定しゼロクロス信号のタイミングから位相角制御分だけ送れたタイミングでＴＲ１のベースに電流を流し込む。ＴＲ１のトランジスタはベース電流が流れ込む事によりオンすると、ＰＳ１のホトカプラもオンし、ＳＣＲ１のトライアックのゲートに電流が流れ込みＳＣＲ１はオンして図１０の様な交流電流がＨ１のヒーターに通電され交流電力が印加される。

ここで入力信号Ｖｃに対してＴＨ１の検出温度が低ければ、制御信号は大きくなり位相角制御回路は通電位相角を広げて、Ｈ１のカーボンヒーターに印加される電力を増加し発熱量を増し、表面温度を上昇させる。

また入力信号Ｖｃに対してＴＨ１の検出温度が大きい時は、制御信号の値が小さくなり位相各制御回路は通電位相角を減少させてＨ１のヒーターに印加する電力量を減少することで発熱量を減少させ、表面温度を低下させる。

以上の働きにより定着ローラーの表面温度を温度調節入力信号Ｖｃに比例した値に制御する事が出来る。
特開平０９−１９７８９６号公報

この様に交流電力を制御する事でヒーター等を一定温度に保つために図９のようなトライアック等の電力制御素子を用いた位相角制御方式は制御性に優れているが、それらの電力制御素子は図１０に示されるように交流入力電力の正弦波の一部を切取る事で電力制御を行うため、ある位相角になると電力制御素子がトリガーされ急激にオフからオンに切換る。

前記トライアック等の電力制御素子がオンした瞬間の電圧や電流波形の急激な立ち上がりにより広い周波数範囲にわたる高調波ノイズを発生してしまう。

このノイズ成分は低周波成分も多く含むためノイズフィルターを用いてもノイズ成分を完全には取り切れずＥＭＣ障害の原因の一つに数えられている。

また当然の事ながら消費電力に対して消費電流の実効値が高いため力率も低下してしまい電源系統の電流容量が増大してしまう問題も発生していた。

その他の方法としてハロゲンヒーター等を用いた温度調整型加熱装置では、交流電力のオン−オフ動作を数秒単位で繰返すオン−オフ制御が使用されているが、こちらはヒーターのオン時とオフ時の機器の電力消費量が大幅に変動してしまうため装置の交流入力電源系統の電圧変動を引起こし、それが原因で蛍光灯等がちらつくフリッカ現象を引き起こし、問題となっている。

本発明は、上述の問題点に着目してなされたものであって、定着ヒーター側の電流波形を意図的に歪ませて、本体側のスイッチング電源側に流入する歪電流波形と合成された装置全体としての入力電流波形に含まれる高調波電流を低減することの出来る画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記問題点を解決するため、カーボンヒーター等の負荷に対する通電制御方法として高周波パルス通電方式とし、且つそのヒーター電流波形を電子写真装置全体を駆動するスイッチング電源等の低力率負荷の入力電流の差分となるように波形制御することで装置全体の入力電流を入力電圧波形に比例させる事で、入力電流中に含まれる高調波電流を減少させたものである。

すなわち本発明は、炭素固体等から構成される加熱源とその熱を受けトナー像を加熱加圧し記録媒体上に固定する定着装置に於いて、前記加熱源を駆動するための可変電力変換装置と、
前記可変電力変換装置に供給する電力印可指令値を指示するシステムコントローラと、
装置の入力電流波形を検知する装置電流波形検知手段と、
装置自身を駆動する電源装置の入力電流波形を検知する電源入力波形検知手段とを備え、
前記システムコントローラからの電力指令値と前記入力電流波形検知手段からの信号に対して、前記電源入力波形検知手段からの検知信号との差分に応じて前記可変電力変換装置に供給する電力波形指示値を生成しその差分信号に応じた電力波形を前記加熱源に印可する事を特徴とする画像形成装置である。

炭素系の固体部材を用いた電力負荷であるヒーターと、前記ヒーターに印可する電力を調整する整流回路と高周波フィルターを用い電力制御素子にて入力波形をスイッチングしインダクタンスにより平滑した電力を制御対象で有る前記ヒーター負荷に与えるヒーター電力制御回路を用い、前記ヒーター電力制御回路入力電力波形を装置駆動用の電源装置の入力電流波形との差分となるような電力波形生成回路を用いるという構成により、装置全体としての入力電流を入力電圧波形に近似させる事が実現でき、入力電流中の高調波分を低減した高力率の電子写真装置が実現できる。

またその制御値をＤＳＰ等の高速演算回路にて演算を行い前記電力スイッチング素子の導通角等を制御する事で高安定な、電力制御装置が実現できる。

以下発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

図１は本発明の一実施例を示す図面であり図６と同一符合は、同一構成部分を示している。

図１においてＴＲ１はスイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴから成る電力スイッチング素子であり、Ｌ１は負荷であるカーボンヒーターＨ１に流す電流の平滑を行うインダクタンスであり、Ｄ５はＬ１に蓄積された電力を回生するフライホイールダイオードである。

Ｈ１は加熱対象である定着ローラーを加熱するカーボンヒーターであり、ＴＨ１の温度検出素子とは図３の様な構造により熱的に結合しておりその出力は１１のコントローラに入力される。

コントローラ１０は、温度設定目標値と温度検出素子の出力を比較しその差分を電力制御信号Ｐ−ｃｏｎとして電流波形生成部１４に入力される。

電流波形生成部１４は、スイッチング電源１２の入力電流を検出するＣＴ１の値を絶対値換算するＩＣ２の波形生成回路の出力とコントローラ１１からの電力指令値Ｐ−ｃｏｎとの差分を発生しＩ＿Ｏｕｔ信号としてＩＣ１によるパルス幅変調（以後はＰＷＭと呼ぶ）発振回路に入力する。

ＰＷＭ発振回路ＩＣ１は制御信号値Ｉ＿Ｏｕｔに見合ったＰＷＭパルスを発生させ電力スイッチング素子ＴＲ１のゲートに出力しＴＲ１をスイッチング駆動する。

Ｄ１からＤ４は、交流の入力電力整流用ダイオードでありＴＲ１等から構成される電力変換部に整流後の脈流電力を供給する。

ＮＦ１とＣ１は、ノイズフィルターを形成しておりＴＲ１のスイッチング周波数に対しては十分な減衰量を確保し、且つ電源周波数に対しては減衰無く通過するような定数に設定してある。

次に動作について説明する。

入力端子に交流入力電圧が印可されるとＤ１からＤ４の整流素子により整流された脈流となりその電圧はＮＦ１を通りＣ１の両端に印加される。

この状態でコントローラ１１は定着ローラー１００を加熱するためにＰｏ＿Ｏｕｔ端子に所定の電力量となるよう図５に示すランプ電力指令値Ｐ＿ｃｏｎを出力する。

電流波形生成部１４では、スイッチング電源１２の入力電流を検出するＣＴ１の交流電流が変換された電圧値を入力としてその電流波形を絶対値変換する波形変換のＩＣ２を通じ、スイッチング電源１２の入力電流ＩＳＲの値を絶対値換算した電圧波形｜ＩＳＲ｜を生成する。

この波形は図５に示されるような波形となりその値が電流波形生成部中のＯＰ１のマイナス入力単子に接続される。

ＯＰ１のプラス側入力には前記コントローラからの電力指令値Ｐ＿ｃｏｎが入力されているため、前記コントローラ１０からの電力指令値Ｐ＿ｃｏｎと前記絶対値ＩＣ２からの出力｜ＩＳＲ｜との差分がＯＰ１の出力となり図５中に示すＩ＿Ｏｕｔ信号を生成する。

この作用により前記スイッチング電源入力電流波形の絶対値波形生成回路ＩＣ２の出力｜ＩＳＲ｜とコントローラ１１からの電力指令値Ｐ−ｃｏｎとの差分を発生しＩ＿Ｏｕｔ信号としてＩＣ１によるパルス幅変調（以後はＰＷＭと呼ぶ）発振回路に入力する。

ＰＷＭ発振回路ＩＣ１は、制御信号値Ｉ＿Ｏｕｔに見合ったパルス幅のＰＷＭ信号を発生する。

本電力変換回路では負荷としてカーボン材料などから構成された抵抗性ヒーターＨ１を用いているためＰＷＭの時比率に応じて電力割合が決定される。

そのため一例としてＰＷＭデューティが５０％に固定であった場合等では前記カーボンヒーターＨ１に流れる電流波形はＰＷＭデューティファクタに正比例するため１００％点灯時のほぼ半分の点灯電力となりヒーターＨ１の電力制御回路入力側から見た見かけ上のヒーター回路消費電流値は半分になる。

なお、この時のＩＣ１から出力されるＰＷＭ波形はＴＲ１のゲート−ソース間に印加されＴＲ１は、ＩＣ１の出力パルスによりスイッチングしてＰＷＭ駆動波形に相似したドレイン電流ＩＤが流れＨ１のカーボンヒーター及びＬ１のインダクタンスに通電する。

Ｌ１はＴＲ１がオンする事で流れた電流を蓄えているため、ＴＲ１がオフした時に逆起電圧を発生しＤ５に順電流を流し、蓄積電流を負荷であるカーボンヒーターＨ１に放出する。

その後再度ＴＲ１がオンするとＬ１及びＨ１に電流が流れＬ１に電流を蓄積する事を繰返すので、負荷のヒーターＨ１とインダクタンスＬ１には有る程度連続した電流が流れる。

ＴＲ１に流れる電流はＣ１が充放電してドレイン電流ＩＤ及びカーボンヒーターＨ１の高周波ＰＷＭ電流波形を平均した上でノイズフィルターＮＦ１により高周波成分が阻止された電流波形が流れる。

整流ダイオードＤ１〜Ｄ４に流れる電流は、ドレイン電流ＩＤ及びカーボンヒーターＨ１の高周波ＰＷＭ電流波形をＣ１及びＮＦ１のノイズフィルターによりフィルタリングされた電流波形となる。

ここで、ＰＷＭ発振回路ＩＣ１の電流指令値Ｉ＿Ｏｕｔは、１４の前記電流波形生成部が電流指示波形を生成しておりその入力としては前記コントローラ１０が定着ローラー１００の温度状況等から判断して電力指令値Ｐ＿ｃｏｎを決定しており、そのＰ＿ｃｏｎに対して装置駆動用のスイッチング電源１２の消費電流波形の絶対値波形を演算した波形が図５のランプ電流波形指示Ｉ＿Ｏｕｔを決定している。

その為カーボンヒーターＨ１への駆動ＰＷＭ波形的には入力電流中スイッチング電源１２の入力電流が増大する期間に関してはその消費電流分ＰＷＭ駆動パルスが絞られた値となり、結果的に図４［Ｂ］の電流波形になる。

このカーボンヒーターＨ１の消費電流波形と前記スイッチング電源１２の入力電流ＩＳＲは装置交流入力端子側で接続されているため、装置全体としての消費電流は図４［Ａ］中のＩＡＣ波形となる。

このため前記交流入力電流波形は交流入力電圧波形に近似した入力電流波形となり、入力電流中に含まれる高調波成分が大幅に減少でき、電子写真装置としての入力電流の力率を大幅に改善できる。

またこの回路中て使用するノイズフィルターであるＮＦ１とＣ１は、ＩＣ１による高周波の発振周波数に対してフィルター効果が発揮される物であれば良くコンデンサーＣ１の容量やＮＦ１のインダクタンス値は小さくできるので小型、軽量化する事ができる。

図６は、本発明の第２の実施例であり、図１に示される入力電流の高調波電流を削減する回路の制御性を向上したものである。

本回路においては、カーボンヒーターＨ１の印加電力制御として高周波ＰＷＭ通電制御方式を用いるときの波形生成方法を高度化した物である。

本実施例では低力率負荷、及び前記低力率負荷を補正する大電力負荷の各々に入力電流波形検出機能を持たせ、低力率負荷の電流波形に応じてヒーター側の入力電流波形の補正を行うものであり以下に説明する。

本回路では図１に対してカーボンヒーター駆動回路側にも入力電流検出機能を付加するためＣＴ２を追加したものであり、その入力である交流入力電流はＣＴ２のトランスでＩＣ３から成るＤＳＰ（デジタル信号処理回路）によるＩＣ３の電流波形生成部のＩ＿Ｍｏｎｉ（２）に入力する。

ＤＳＰのＩＣ３の別の入力端子Ｉ＿Ｍｏｎｉ（１）にはスイッチング電源の入力電流を検出するためのＣＴ１が接続されていて前記スイッチング電源入力交流電流波形も入力されている。

又、ヒーターＨ１への電力指令値Ｐ＿ｃｏｎも入力され、それらの演算結果の出力として、Ｉ＿Ｏｕｔ信号をＩＣ１から成るＰＷＭ信号発信回路に出力する。

本制御方式での電流波形生成部ＩＣ２はスイッチング電源１２の入力電流波形をＣＴ１から検出しディジタルサンプリングし、そのサンプリングしたデータを入力交流波形一周期毎に逐次ＦＦＴ処理を行い、その時の高調波スペクトルを内部演算する。

この高調波スペクトルは図７（ａ）のようになる。

前記高調波スペクトルデータと、コントローラ１０からの電力指令値Ｐ＿ｃｏｎとの値から前記高調波スペクトルと逆位相となる図７（ｂ）に示すスペクトルを持つヒーター電流指令値Ｉ＿Ｏｕｔを演算しＰＷＭ発振制御ＩＣ１に出力する。

こちらでも装置入力端子側では前記スイッチング電源１２の入力と、ヒーター電力制御部の入力が接続されているため、各々の電流波形を合成した結果の入力電流の高調波成分は、図８に示されるようにスイッチング電源側の高調波成分をヒーター駆動回路側の逆位相高調波成分によりうち消され実用上問題ないレベルまで高調波電流が低減できる。

なお本実施例では、ＩＣ２電流波形発生部のＤＳＰ出力はヒーター通電電流電流目標値Ｉ＿Ｏｕｔを出力しているが、ＤＳＰ部の処理方法によりＴＲ１に与えるＰＷＭ波形を直接生成することも可能である。

図１１は、本発明の第３の実施例であり、図１１に示される入力電流の高調波電流を削減する回路の簡便性を向上したものである。

本回路においては、カーボンヒーターＨ１の印加電力制御として高周波ＰＷＭ通電制御方式を用いるときの波形生成方法について簡略化した物である。

本実施例では該低力率負荷、及び前記該低力率負荷の流入電流を補正する大電力負荷に与える電流目標値をシステムコントローラ側より該低力率負荷の負荷電力に応じた入力電流波形発生機能を持たせ、低力率負荷の電流波形に応じてヒーター側の入力電流波形の補正を行う事でものであり以下に説明する。

本回路では図１に対してカーボンヒーター駆動回路側に与えるスイッチング電源１２側の入力電流波形をシステムコントローラ側の動作状態に応じた入力電流発生機能を付加するためシステムコントローラ側から電力消費状態に応じてＩＣ２から成る擬似交流入力波形発生回路ＩＣ３の電流波形生成部のＩ＿ＳＷ Ｐｏｗｅｒに入力する。

ＩＣ２の別の入力端子Ｐ＿ｃｏｎにはヒーターＨ１への電力指令値Ｐ＿ｃｏｎも入力され、それらの演算結果の出力として、Ｉ＿Ｏｕｔ信号をＩＣ１から成るＰＷＭ信号発信回路に出力する。

本制御方式での電流波形生成部ＩＣ２はスイッチング電源１２の入力電流波形をシステムコントーラー側の消費電力Ｉ＿ＳＷ Ｐｏｗｅｒ信号からスイッチング電源１２の入力電流波形を擬似的に生成する。

前記スイッチング電源擬似入力電流データと、コントローラ１０からの電力指令値Ｐ＿ｃｏｎとの値からヒーター電流指令値Ｉ＿Ｏｕｔを演算しＰＷＭ発振制御ＩＣ１に出力する。

こちらでも装置入力端子側では前記スイッチング電源１２の入力と、ヒーター電力制御部の入力が接続されているため、各々の電流波形を合成した結果の入力電流の高調波成分がうち消され実用上問題ないレベルまで高調波電流が低減できる。

本発明のもっとも特徴的な回路図 図１の制御対象のカーボンヒーターと定着ローラーを組合せた図 図２を定着器に組込んだ図 図１の実施例を用いた装置各部の消費電流波形説明図 図１の実施例を用いた装置内部の制御目標波形説明図 本発明の第２の実施例であり、電力波形生成方法を別の演算手法により生成するように構成した説明図 図６の内部演算処理上のスペクトル分布説明図 図６の制御回路を用いた総合的な入力高調波スペクトル分布図 従来の回路例を示す図 図９の回路例の動作波形を示す図 第３の実施例説明図

符号の説明

Ｈ１ 加熱用ヒーター
Ｃ１ 高周波平滑コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４ 電源整流ダイオード
ＴＨ１ 表面温度検出素子
Ｄ５ フライホイールダイオード
Ｌ１ 電流平滑インダクター
ＯＰ１ 演算増幅素子
ＣＴ１ 電源入力電流検出トランス
ＣＴ２ 入力電圧降圧トランス
ＮＦ１ ノイズフィルター用コイル
ＴＲ１ 電力制御素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ，トランジスタ，ＩＧＢＴ）
ＩＣ１ ＰＷＭ発振回路
ＩＣ２ 絶対値波形生成回路
ＩＣ３ 電流波形デジタル演算生成回路

Claims (3)

1. 炭素固体等から構成される加熱源とその熱を受けトナー像を加熱加圧し記録媒体上に固定する定着装置を備えた画像形成装置に於いて、前記加熱源を駆動するための可変電力変換装置と、
   前記可変電力変換装置に供給する電力印可指令値を指示するシステムコントローラと、
   装置の入力電流波形を検知する装置電流波形検知手段と、
   装置自身を駆動する電源装置の入力電流波形を検知する電源入力波形検知手段とを備え、
   前記システムコントローラからの電力指令値と前記入力電流波形検知手段からの信号に対して、前記電源入力波形検知手段からの検知信号との差分に応じて前記可変電力変換装置に供給する電力波形指示値を生成しその差分信号に応じた電力波形を前記加熱源に印可する事を特徴とする画像形成装置。
2. 炭素固体等から構成される加熱源とその熱を受けトナー像を加熱加圧し記録媒体上に固定する定着装置を備えた画像形成装置に於いて、前記加熱源を駆動するための可変電力変換装置と、
   前記可変電力変換装置に供給する電力印可指令値を指示するシステムコントローラと、
   装置の入力電流波形を検知する入力電流波形検知手段と、
   前記システムコントローラからの電力指令値と前記入力電流波形検知手段からの信号に応じて前記可変電力変換装置に供給する電力波形指示値を生成する演算機能とを備え、
   前記演算機能の指示値に応じた電力波形を前記加熱源に印可する事を特徴とする画像形成装置。
3. 画像形成装置の動作状態を決定するシステムコントローラと、前記画像形成装置の動作状態に応じて炭素固体等から構成される加熱源とその熱を受けトナー像を加熱加圧し記録媒体上に固定する定着装置を備えた画像形成装置に於いて、前記加熱源を駆動するための可変電力変換装置と、前記可変電力変換装置に供給する電力印可指令値と装置の動作状態に応じた装置入力電流波形の近似値を発生する擬似入力電流波形発生手段とを備え、
   前記システムコントローラからの電力指令値と前記擬似入力電流波形発生手段からの信号に対応して、前記可変電力変換装置に供給する電力波形指示値を生成しその差分信号に応じた電力波形を前記加熱源に印可する事を特徴とする画像形成装置。