JP2007206511A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着装置について高精度な温度制御を行うことのできる画像形成装置を提供する。
【解決手段】電子写真プロセス技術を用いて像担持体上に形成したトナー像を記録媒体上に転写した後、定着装置の加熱手段により前記トナー像を前記記録媒体に加熱定着する画像形成装置において、加熱手段に商用交流電源の電力を位相制御して供給する電力供給手段と、温度設定手段の設定情報と温度検知手段の検知情報と周波数測定手段の測定情報に基づいて前記電力供給手段による電力供給をオンする位相を制御する制御手段と、周波数測定手段で測定した周波数が予め設定された周波数に対して所定の変動幅以上変動しているか否か判断する判断手段とを備え、制御手段は、画像形成装置の状態に応じて前記所定の変動幅を変更し、また判断手段が変動していると判断したとき周波数測定手段による周波数の再測定を行うように制御する画像形成装置により前記課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関し、特にその定着装置の温度制御に関するものである。

従来の電子写真方式を用いた画像形成装置について説明する。
電子写真方式の画像形成装置における定着装置は、画像形成部により転写紙（記録紙）上に形成された未定着画像（トナー像）を転写紙上に定着させるものである。例えばハロゲンヒータを熱源とする熱ローラ式の定着装置や、セラミックヒータを熱源とするフィルム加熱式の定着装置が用いられている。

一般的に、これらの熱源はトライアック等のスイッチング素子を介して商用交流電源に接続されており、この商用電源から電力が供給される。また、定着装置には温度検出素子、例えばサーミスタ感温素子が設けられており、この温度検出素子により定着装置の温度が検出される。その検出温度情報を基に、画像形成装置の制御を司るＣＰＵがスイッチング素子をオン／オフ制御することによって、熱源であるヒータへの電力供給をオン／オフする。これにより定着装置の温度が目標の温度になるように温度制御される。ヒータのオン／オフ制御は、位相制御により行われる。

位相制御とは、温度検出素子により得られた温度情報から、ヒータに供給すべき電力をＣＰＵが算出し、以下に述べるゼロクロス信号をトリガにして、そのトリガから所定時間（位相）後にヒータをオンすることで、ヒータへの供給電力を制御する方式である。

ゼロクロス信号とは、商用電源が正から負または負から正に切り替わるゼロクロスポイントを報知する信号である。ゼロクロス信号の立ち下がりあるいは立ち上がりを０°とし、ヒータをオンするときの角度を位相角と呼ぶ。ＣＰＵは１波ごとにヒータに供給すべき電力を計算し、その供給電力に対応した位相角でヒータをオンすることで位相制御を行う。

商用電源１波当たりのヒータへの供給可能電力は商用電源電圧が一定であれば、周波数に依存する。しかし、商用電源の周波数は変動することがある。周波数が変動すると、同じ位相角であってもヒータに供給される電力は異なるため、高精度なヒータ供給電力の制御が行えなくなってしまう。そうすると、定着装置の温度制御の精度が低下し、温度リップルが大きくなって最悪の場合は画像不良が発生してしまう。そのため、高精度なヒータ供給電力制御を行うには商用電源周波数を正確に把握する必要がある。そこで例えば特許文献１では、ゼロクロス信号の周期をＣＰＵで測定することで商用電源の周波数の把握を行っている。具体的には、ゼロクロス信号の周期測定を数波分行い、その平均値を商用電源周波数として、位相制御の修正に使用している。
特開２００４−０１３６６８号公報

しかしながら前述の従来例では、周波数測定後に商用電源の周波数が変動すると高精度なヒータ供給電力制御が行えなくなってしまう。そこで商用電源周波数を常時監視し、ある所定の変動幅以上に周波数が変動したら再び周波数測定を行うような制御を行う必要がある。このような場合、より高精度な電力制御を行うには、周波数が変動したと判断する変動幅をできる限り小さくすればよい。しかし実際には、商用電源のラインインピーダンスによってヒータオン時にゼロクロスポイントがずれたり、プリント動作によるゼロクロス信号へのノイズの重畳等、画像形成装置自体の動作によってゼロクロス信号が変化する。すなわち、実際の商用電源周波数は変動していなくても、まるで周波数が変動しているようにゼロクロス信号が変化する場合がある。

このような場合、変動幅の設定値が小さいと、これらの現象を周波数変動と誤検知し、周波数再測定を頻繁に行うようなことになってしまう。また逆に、変動幅の設定値を大きくすると、実際に周波数の変動が起きてもそれを検知できず、高精度な電力制御を行えなくなってしまう。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、定着装置について、周波数の誤検知を防止しながら高精度な温度制御を行うことのできる画像形成装置を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、商用電源の周波数が変動したと判断する基準を画像形成装置の状態によって切り替えることで、前記課題を解決する。

詳しくは、画像形成装置を次の（１）のとおりに構成する。
（１）電子写真プロセス技術を用いて像担持体上に形成したトナー像を記録媒体上に転写した後、定着装置の加熱手段により前記トナー像を前記記録媒体に加熱定着する画像形成装置において、
前記加熱手段に商用交流電源の電力を位相制御して供給する電力供給手段と、
前記商用交流電源のゼロクロスを検知するゼロクロス検知手段と、
前記ゼロクロス検知手段の検知情報にもとづいて前記商用交流電源の周波数を測定する周波数測定手段と、
前記加熱手段の目標とする温度を設定する温度設定手段と、
前記加熱手段の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度設定手段の設定情報と前記温度検知手段の検知情報と前記周波数測定手段の測定情報に基づいて前記電力供給手段による電力供給をオンする位相を制御する制御手段と、
前記周波数測定手段で測定した周波数が予め設定された周波数に対して変動しているか否か判断する判断手段と、
前記判断手段により周波数が変動していると判断する基準となる複数の周波数変動幅を設定する変動幅設定手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記画像形成装置の状態に応じて前記複数の周波数変動幅から１つの変動幅を選択し、また前記判断手段が変動していると判断したとき前記周波数測定手段による周波数の再測定を行うように制御する画像形成装置。

本発明によれば、定着装置について、周波数の誤検知を防止しながら高精度な温度制御を行うことのできる画像形成装置を提供することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を画像形成装置の実施例により詳しく説明する。

図１に実施例１である“画像形成装置”の概略構成を示す。給紙カセット１に積載された転写紙はピックアップローラ２によって１枚だけ給紙カセット１から送出され、給紙ローラ３によってレジストローラ４に向けて搬送される。さらに転写紙はレジストローラ４によって所定のタイミングでプロセスカートリッジ５へ搬送される。プロセスカートリッジ５は、帯電器６、現像ローラ７、クリーナ８、および感光体ドラム９で一体的に構成されており、公知である電子写真プロセスの一連の処理によって未定着トナー像が転写紙上に形成される。

感光体ドラム９は帯電器６によって表面を一様に帯電された後、像露光部材であるスキャナユニット１１により画像信号に基づいた像露光が行なわれる。スキャナユニット１１内のレーザダイオード１２から出射されるレーザ光は、回転するポリゴンミラー１３および反射ミラー１４を経て主走査方向に、感光体ドラム９の回転により副走査方向に走査される。これにより感光体ドラム９の表面上に２次元の潜像が形成される。感光体ドラム９の潜像は現像ローラ７によってトナー像として可視化され、トナー像は転写ローラ１０によって、レジストローラ４から搬送されてきた転写紙上に転写される。ここまでの各ローラはメインモータ（不図示）によってギアを介して駆動されている。

続いて、トナー像が転写された転写紙は定着装置１５に搬送される。定着装置１５には、加熱部材であるヒータを内蔵する定着ローラ１６と、定着ローラ１６に圧接している加圧ローラ１７が設けられる。これら定着ローラ１６、加圧ローラ１７とのニップを通過することにより転写紙は加熱加圧処理され、転写紙上の未定着トナー像が転写紙に定着される。

転写紙はさらに中間排紙ローラ１８、排紙ローラ１９によって画像形成装置本体外に排出され、一連のプリント動作を終える。なお、加圧ローラ１６、中間排紙ローラ１８、排紙ローラ１９の各ローラは、メインモータとは別に設けられた定着モータ（不図示）によりギアを介して駆動されている。

図２は本実施例における定着装置の回路構成を示す図であり、ヒータの駆動回路及び制御回路を示している。同図中、２０は画像形成装置に接続される商用の交流電源で、画像形成装置は交流電源２０からの入力電圧をＡＣフィルタ２１を介してヒータ３０へ供給することにより、ヒータ３０を発熱させる。

前記ヒータ３０への電力の供給は、トライアック２２の通電／遮断により行われる。抵抗２３、２４はトライアック２２のためのバイアス抵抗で、フォトトライアックカプラ２５は一次・二次間の沿面距離を確保するためのデバイスである。そして、フォトトライアックカプラ２５の発光ダイオード２５ｂに通電することによりトライアック２２をオンさせる。抵抗２６は、フォトトライアックカプラ２５の電流を制限するための抵抗であり、トランジスタ２７によりフォトトライアックカプラ２５をオン／オフする。トランジスタ２７は、抵抗２８を介してＣＰＵ２９からのヒータ駆動信号に従って動作する。

また、ヒータ３０への電力の供給は、リレー等から構成される安全回路３１によっても通電／遮断が行われる。ヒータ３０へ電力を供給する際には安全回路３１内のリレーをオンするリレーオン信号をＣＰＵ２９は出力し、ヒータ３０へ通電可能とする必要がある。また、安全回路３１はヒータの過電流や異常高温等の異常検知機能を有しており、このような異常を検知すると自動的にリレーをオフし、ヒータ３０への通電を遮断する。

ＡＣフィルタ２１を介した交流電源２０からの入力電源電圧は、電圧検出器であるゼロクロス検知回路３２にも入力される。ゼロクロス検知回路３２は入力電源電圧のゼロクロスポイントを検知してゼロクロス信号（パルス信号）をＣＰＵ２９に出力する。

図３にこのゼロクロス検知回路３２の詳細を示す。交流電源２０からの交流電圧は、ＡＣフィルタ２１を介して図３のゼロクロス検知回路３２に入力され、整流器３５、３６により半波整流される。本回路においては、Ｎｅｕｔｒａｌ側が整流されている。この半波整流された交流電圧は、抵抗３７、コンデンサ３８、抵抗３９、４０を介して、トランジスタ４１のベースに入力される。これにより、Ｎｅｕｔｒａｌ側の電位がＨｏｔ側の電位よりも高い場合にトランジスタ４１はオンとなり、Ｎｅｕｔｒａｌ側の電位がＨｏｔ側の電位よりも低くなるとトランジスタ４１はオフとなる。

フォトカプラ４３は、一次・二次間の沿面距離を確保するためのデバイスであり、抵抗４２、４４は、フォトカプラ４３に流れる電流を制限するための抵抗である。Ｎｅｕｔｒａｌ側の電位がＨｏｔ側の電位より高くなるとトランジスタ４１はオンする。これによりフォトカプラ４３内の発光ダイオード４３ａは消灯し、フォトトランジスタ４３ｂはオフしてフォトカプラ４３の出力電圧はＨｉｇｈとなる。

一方、Ｎｅｕｔｒａｌ側の電位がＨｏｔ側の電位より低くなるとトランジスタ４１はオフするのでフォトカプラ４３内の発光ダイオード４３ａが発光し、フォトトランジスタ４３ｂはオンしてフォトカプラ４３の出力電圧はＬｏｗとなる。このフォトカプラの出力が抵抗４６を介してゼロクロス（ＺＥＲＯＸ）信号としてＣＰＵ２９に報知される。

前記のゼロクロス信号は、その信号周期が商用交流電源の周波数と等しいパルス信号であり、商用交流電源の電位極性に応じて信号レベルが変化する。ＣＰＵ２９はこのゼロクロス信号の立ち上がり及び立ち下がりのエッジを検知し、このエッジをトリガにして位相制御に基づいてある位相角でトライアック２２をオン／オフする。これによりヒータへ電力を供給する。

また図２中、３３はヒータ３０の温度を検知するための温度検出素子で、例えばサーミスタ感温素子がヒータ近傍に設けられている。前記温度検出素子３３によって検出される温度は、抵抗３４と該温度検出素子３３により分圧された電圧として検出され、この電圧がＣＰＵ２９にＴＨ信号としてＡ／Ｄポートに入力される。ＣＰＵ２９はＴＨ信号により検出したヒータ３０の検出温度と、その時のターゲット（制御の目標となる）温度とを比較することによって、１波ごとにヒータ３０に供給すべき電力を算出し、その供給電力に対応した位相角に換算してヒータ駆動信号を送出する。

図９に、本実施例における制御系の概略構成を示す。制御系は、ＣＰＵ２９、制御プログラムが書き込まれたＲＯＭ８０２、ＣＰＵ２９が各種処理を行うためのワーク領域を提供するＲＡＭ８０３などを有し、画像形成動作を制御し、また、図２に示す安全回路３１のオン，オフ処理を行う。図９の他の部分は、本実施例の要部に直接関係がないので、その説明を省略する。

ところで、前述のような位相制御の場合、商用交流電源１波当たりのヒータへ供給可能な電力は、商用電源電圧が一定であれば周波数に依存する。つまり、ヒータへの供給電力のある値に対応する位相角は商用電源周波数によって異なる。そこで、ＣＰＵ２９はゼロクロス信号の立ち上がりもしくは立ち下がりエッジの周期を常時監視することで、商用電源周波数の把握を行う。周波数測定は例えばゼロクロス信号８波分の周期を測定し、その平均値を商用電源の周波数であるとして、これを元に位相角の決定を行う。

図４に周波数測定の制御フローチャートを示す。このフローチャートに示す処理は、ＣＰＵ２９により行われる。まず１波の周期測定を行うため、タイマをクリアし（ステップＳ４０２）、ゼロクロス信号の立ち下がりエッジを待つ（ステップＳ４０３）。立ち下がりエッジを検知したらタイマＴｎをスタートし（ステップＳ４０４）、周期の測定を開始する。そして次の立ち下がりエッジを待ち（ステップＳ４０５）、立ち下がりエッジを検知したらタイマＴｎをストップして（ステップＳ４０６）、１波の周期Ｔｎをメモリに記憶する（ステップＳ４０７）。これを８回繰り返し、Ｔ１〜Ｔ８の８波分の周期が揃ったら（ステップＳ４０８）、その平均値Ｔｓを算出し（ステップＳ４０９）、それを商用電源周波数の周期Ｔｓとする。なお、この周波数測定は例えば画像形成装置の電源オン直後に行う。

しかし、電源周波数は一定ではなく変動する。高精度なヒータ電力制御を行うには、正確な電源周波数の把握が重要であるため、常時電源周波数の監視を行う必要がある。そこで、ある変動幅φを設定し、ＣＰＵ２９が毎波ごと監視しているゼロクロス信号の周期Ｔが、すでに測定済みの商用電源周波数Ｔｓに対してこの変動幅φ以上に変動していたら、商用電源周波数Ｔｓの再測定を行い、値を更新する。

図５に周波数監視の制御のフローチャートを示す。このフローチャートはＣＰＵ２９で行う。まずゼロクロス信号１波の周期Ｔを測定する（ステップＳ５０１〜Ｓ５０５）。測定した周期Ｔが事前に周波数測定で確定している電源周波数の周期Ｔｓに対して、変動幅φ以上ずれているかどうかを判断する（ステップＳ５０６）。もし変動幅φ以上ずれていたら再び図４で示した周波数測定を行い、商用電源周波数Ｔｓを新たに更新する（ステップＳ５０７）。もし変動幅φ内であれば、商用電源周波数Ｔｓは更新せずそのままとする。

図６は位相制御をしている場合のタイムチャートであり、商用電源電圧とゼロクロス信号、ヒータ駆動信号の関係を示す。ゼロクロス信号の立ち下がりを位相角０°とし、位相角θおよびθ＋１８０°でヒータ駆動信号をオンするとヒータへの通電が開始する。なお、ここでは１波内の正半波と負半波のヒータオンの位相角は同じ値θとしている。

この場合、商用電源のラインインピーダンス、特にそのインダクタンス分が大きいと、ヒータオン時に商用電源の電圧波形が歪み、ゼロクロスポイントがわずかにずれる。周波数変動の判断基準である変動幅φが小さいと、このずれを周波数変動と判断し、周波数の再測定を行ってしまう。そうすると、ヒータがオンするたびに周波数変動と判断して周波数の再測定となり、制御が成り立たなくなってしまう。

そこで、本実施例では、前記周波数変動の判断基準となる変動幅φの値を、ヒータをオンしているときとオフしているときで切り替え、さらにヒータオン時の変動幅をオフ時の変動幅より大きくすることを特徴とする。

再び図６において、ヒータオフ時の商用電源の電圧波形を点線、ヒータオン時の商用電源の電圧波形を実線で示している。ヒータオフ時のゼロクロス信号の周期は、事前に確定した電源周波数Ｔｓと同様である。一方、ヒータオン時のゼロクロス信号の周期Ｔはラインインピーダンスによる電圧波形の歪みによってＴｓに対してΔＴほどわずかに異なる。

このヒータオンによって生じるＴとＴｓとの差ΔＴを周波数変動と判断しないようにする必要がある。

そこで、ヒータオフ時の周波数変動の判断基準となる変動幅をφｏｆｆ、ヒータオン時の変動幅をφｏｎとし、ヒータのオン／オフの状態によって変動幅の値を切り替える。これら変動幅はφｏｆｆ＜ΔＴ＜φｏｎの関係になるような値に設定され、例えばφｏｆｆ＝±１％、φｏｎ＝±５％とする。つまり、通常時は変動幅を小さく設定して商用電源周波数を正確に測定し制御の高精度化を図り、ヒータオンによって商用電源周波数（＝ゼロクロス信号）への影響が考えられる時は変動幅を大きく設定することで、周波数変動の誤検知を防止するようにしている。

図７に本実施例における制御のフローチャートを示す。このフローチャートの処理はＣＰＵ２９で行う。まずヒータがオンしているかどうか判断し（ステップＳ７０１）、オンしていれば周波数変動の判断基準の変動幅φをφｏｎに設定する（ステップＳ７０２）。ヒータがオフであれば、φｏｆｆに設定する（ステップＳ７０３）。そしてそれぞれ設定された変動幅で図５の周波数監視の制御を行う（ステップＳ７０４）。

以上説明したように、商用電源周波数の変動を判断する基準の変動幅を、ヒータがオンしている時とオフしている時で切り替え、さらにヒータオン時の変動幅をオフ時の変動幅より大きく設定することで、商用電源周波数測定の高精度化と、ヒータオンが原因による周波数変動の誤検知の防止を行うことが可能となる。これにより、定着装置の温度制御を高精度で行うことができる。

実施例２である“画像形成装置”について説明する。本実施例における画像形成装置の全体構成は実施例１と同様であり、その説明は省略する。

画像形成装置内には多くの信号線を始めとして様々なノイズ源が存在する。特に電子写真プロセスでは高電圧源を使用するため、放電によるノイズの発生もある。例えば、転写紙に高電圧が印加され、転写紙と搬送路との間で放電すると、ランダムにスパイク状のノイズが発生することがある。これらノイズがゼロクロス信号に重畳すると、ゼロクロス信号の誤検知となってしまう。

そこで、例えば特許文献１では、ゼロクロス信号のエッジからある所定時間はゼロクロス信号のエッジ検知を行わないような制御を行っている。本実施例においても同様の制御を行う。

さらに本実施例では、画像形成装置のプリント時とそれ以外の非プリント時とで、商用電源周波数変動の判断基準となる変動幅の値を切り替え、さらに、プリント時の変動幅を非プリント時の変動幅より大きく設定することを特徴とする。これによって、プリント時に発生するノイズがゼロクロス信号に重畳し、商用電源周波数が変動したと誤検知してしまうことを防止する。

図８に本実施例における制御のフローチャートを示す。ＣＰＵ２９はプリント状態であるかどうかを判断する（ステップＳ８０１）。プリント状態であれば、周波数変動の判断基準である変動幅の設定値をφｐにする（ステップＳ８０２）。一方、プリント状態でなければ、変動幅の設定値をφｓとする（ステップＳ８０３）。そしてそれぞれで設定された変動幅で図５の周波数監視の制御を行う（ステップＳ８０４）。なお、ここでφｐ＞φｓとする。

以上説明したように、商用電源周波数の変動を判断する基準の変動幅の値を、プリント時とそれ以外の状態の時で切り替え、さらにプリント時の変動幅をそれ以外の状態時の変動幅より大きく設定する。これにより、商用電源周波数測定の高精度化と、プリント動作時のノイズのゼロクロス信号への重畳による商用電源周波数の誤検知防止を行うことが可能となり、定着装置の温度制御を高精度で行うことができる。

なお、ここではプリント時と非プリント時の二つの状態で変動幅の設定を切り替えているが、切り替え数を２に限定するものではなく、例えば、プリント時とスタンバイ時とスリープ時というように３以上の状態に応じて変動幅を切り替えるようにしてもよい。

実施例１の画像形成装置の構成を示す図 ヒータ駆動回路および制御回路の構成を示す図 ゼロクロス検知回路の構成を示す図 商用電源周波数測定の処理を示すフローチャート 商用電源周波数監視の処理を示すフローチャート 実施例１における位相制御のタイムチャート 実施例１の動作を示すフローチャート 実施例２の動作を示すフローチャート 制御系の構成を示すブロック図

符号の説明

１５ 定着装置
２０ 商用交流電源
２２ トライアック
２９ ＣＰＵ
３０ ヒータ
３２ ゼロクロス検知回路
３３ 温度検出素子

Claims (4)

1. 電子写真プロセス技術を用いて像担持体上に形成したトナー像を記録媒体上に転写した後、定着装置の加熱手段により前記トナー像を前記記録媒体に加熱定着する画像形成装置において、
   前記加熱手段に商用交流電源の電力を位相制御して供給する電力供給手段と、
   前記商用交流電源のゼロクロスを検知するゼロクロス検知手段と、
   前記ゼロクロス検知手段の検知情報にもとづいて前記商用交流電源の周波数を測定する周波数測定手段と、
   前記加熱手段の目標とする温度を設定する温度設定手段と、
   前記加熱手段の温度を検知する温度検知手段と、
   前記温度設定手段の設定情報と前記温度検知手段の検知情報と前記周波数測定手段の測定情報に基づいて前記電力供給手段による電力供給をオンする位相を制御する制御手段と、
   前記周波数測定手段で測定した周波数が予め設定された周波数に対して変動しているか否か判断する判断手段と、
   前記判断手段により周波数が変動していると判断する基準となる複数の周波数変動幅を設定する変動幅設定手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記画像形成装置の状態に応じて前記複数の周波数変動幅から１つの変動幅を選択し、また前記判断手段が変動していると判断したとき前記周波数測定手段による周波数の再測定を行うように制御することを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記画像形成装置の状態は、前記加熱手段への電力供給の有無であり、前記変動幅設定手段の設定する周波数変動幅は、前記電力供給の有りのときの方が前記電力供給の無しのときより大きいことを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記画像形成装置の状態は、プリント状態か否かであり、前記変動幅設定手段の設定する周波数変動幅は、前記プリント状態のときの方が前記プリント状態でないときより大きいことを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の画像形成装置において、
   前記周波数測定手段の測定情報は、前記周波数測定手段による複数回の測定結果の平均値であることを特徴とする画像形成装置。

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