JP2008108501A - ヒータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ヒータへ通電される交流電圧の周波数を、ゼロクロス検知回路を特別に設けることなく判断して、ヒータの制御に活用することのできるヒータ制御装置の提供。
【解決手段】ゼロクロス回路を内蔵したトライアックへ、周期10ms,duty1/6の矩形波の信号が出力された後(S11)、ヒータ温度が測定される(S12)。そして、ヒータ温度が上昇していない場合(S13:N)、若しくは、ヒータ温度が上昇し(S13:Y)、かつその上昇が緩やかでない場合は(S16:N)、電源周波数が50Hzであると判断される(S14)。一方、ヒータ温度が緩やかに上昇している場合は(S16:Y)、電源周波数が60Hzであると判断される(S17)。
【選択図】 図3

Description

本発明は、ヒータを制御するヒータ制御装置に関し、詳しくは、ヒータへの通電を電源電圧のゼロクロス点に応じたタイミングでオン・オフするスイッチング素子を備えたヒータ制御装置に関する。
従来より、電源電圧のゼロクロス点に応じたタイミングでオフするトライアックを用いて、交流電源に接続されたヒータの温度制御を行うヒータ制御装置が提案されている。この種のヒータ制御装置では、交流電圧の周波数に応じたタイミングで、トライアックにオン信号またはオフ信号を出力する必要がある。例えば、日本では、50Hzの交流電圧が使用される地域と60Hzの交流電圧が使用される地域とがあるが、交流電圧が50Hzであるにも拘らず60Hzに応じたタイミングでトライアックにオン信号またはオフ信号を出力すると、ヒータへの通電期間が所望の期間と異なり、温度を正確に制御するのが困難になる。
そこで、電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検知回路をヒータへの通電回路に設け、ヒータへの通電開始時に、そのゼロクロス検知回路によって交流電圧の周波数を判断することが提案されている。すなわち、所定時間内の上記ゼロクロス点の検出回数に応じて、ヒータへ通電される交流電圧の周波数を判断するのである(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−146366号公報
ところが、ゼロクロス検知回路を設けると回路構成が複雑化し、装置の製造コストが上昇してしまう。そこで、本発明は、ヒータへ通電される交流電圧の周波数を、ゼロクロス検知回路を特別に設けることなく判断して、ヒータの制御に活用することのできるヒータ制御装置を提供することを目的としてなされた。
上記目的を達するためになされた本発明は、複数の異なる電源周波数のうちいずれの周波数でも動作可能に構成され、ヒータへの通電を電源電圧のゼロクロス点に応じたタイミングでオン・オフするスイッチング素子と、上記複数の電源周波数のうちのいずれかの1つの周波数の整数倍の周波数で、上記スイッチング素子にオン信号またはオフ信号を繰返し出力する信号出力手段と、上記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、上記信号出力手段の上記信号出力中に上記温度検出手段が検出する温度の変化に基づき、上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数を判断する周波数判断手段と、を備えたことを特徴としている。
このように構成された本発明では、信号出力手段は、複数の異なる電源周波数のうちのいずれかの1つの周波数の整数倍の周波数で、スイッチング素子にオン信号またはオフ信号を繰返し出力する。このスイッチング素子は、上記複数の異なる電源周波数のうちいずれの周波数でも動作可能に構成され、ヒータへの通電を電源電圧のゼロクロス点に応じたタイミングでオン・オフする。
このため、上記1つの周波数がヒータへ通電される交流電圧の周波数と一致している場合は、上記ゼロクロス点に応じたタイミングが上記信号出力手段が出力するオン信号またはオフ信号のいずれかの出力タイミングと常に一致する。一方、上記1つの周波数がヒータへ通電される交流電圧の周波数と一致していない場合は、上記ゼロクロス点に応じたタイミングが上記オン信号またはオフ信号の出力タイミングと一致したりしなかったりを周期的に繰り返す。従って、上記1つの周波数がヒータへ通電される交流電圧の周波数と一致しているか否かによってヒータの温度変化が異なる。
そこで、周波数判断手段は、上記信号出力手段の上記信号出力中に温度検出手段が検出するヒータの温度の変化に基づき、上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数を判断する。このため、本発明では、ヒータへ通電される交流電圧の周波数を、ゼロクロス検知回路を特別に設けることなく判断して、その周波数をヒータの制御に活用することができる。従って、回路構成を簡略化して装置の製造コストも低減することができる。
なお、本発明は以下の構成に何ら限定されるものではないが、上記周波数判断手段が上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数と等しいと判断した周波数に基づき、上記交流電圧が上記ヒータへ半波単位で所望期間通電されるように制御する半波制御手段を、更に備えてもよい。この場合、半波制御手段によってヒータへの通電期間を半波単位で制御することができるため、電源電圧の変動によるフリッカの発生やヒータの温度むらの発生を良好に抑制することができる。
また、上記周波数判断手段は、上記温度検出手段が検出する温度が上昇しない場合、上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数が上記1つの周波数と等しいと判断してもよい。すなわち、上記交流電圧の周波数が上記1つの周波数と等しく、上記ゼロクロス点に応じたタイミングには常にオフ信号が出力されていると、スイッチング素子は常時オフとなる。そこで、周波数判断手段は、温度検出手段が検出する温度が上昇しない場合、上記交流電圧の周波数が上記1つの周波数と等しいと判断するのである。この場合、温度検出手段の精度が悪く、ヒータの温度上昇速度の正確な対比が困難な場合でも周波数の検出が可能になる。
そして、この場合、上記信号出力手段は、上記温度検出手段が検出する温度が上昇する場合、上記オン信号とオフ信号両方の出力タイミングを上記オン信号出力時間以上の同一時間ずらし、上記周波数判断手段は、上記出力タイミングがずらされた後に再び上記判断を行ってもよい。
すなわち、上記のように周波数の判断を行う場合、交流電圧の周波数が上記1つの周波数と等しくても、上記ゼロクロス点に応じたタイミングには常にオン信号が出力されていると、ヒータの温度が上昇するため判断が不能となる。ところが、このような場合であっても、上記のようにオン信号とオフ信号両方の出力タイミングが上記オン信号出力時間以上の同一時間ずらされると、上記ゼロクロス点に応じたタイミングには常にオフ信号が出力され、スイッチング素子は常時オフとなる。このため、上記出力タイミングがずらされた後に周波数判断手段が再び上記判断を行うことにより、上記交流電圧の周波数が上記1つの周波数と等しいか否かを、多くとも2回の判断により確実に判断することができる。
また、本発明において、上記温度検出手段が検出する温度の上昇が、上記ヒータへ上記交流電圧の連続通電がなされた場合に比べて緩やかな場合、上記周波数判断手段は、上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数が上記1つの周波数とは異なると判断してもよい。すなわち、前述のように、上記交流電圧の周波数と上記1つの周波数とが異なる場合は、上記ゼロクロス点に応じたタイミングの全てにおいて上記オン信号が出力されることはなく、スイッチング素子は周期的にオフされる。そこで、温度検出手段が検出する温度の上昇が、ヒータへ交流電圧の連続通電がなされた場合に比べて緩やかな場合、周波数検出手段は、ヒータへ通電される交流電圧の周波数が上記1つの周波数とは異なると判断するのである。この場合、信号出力手段がどのようなタイミングでオン信号またはオフ信号を出力した場合でも、上記交流電圧の周波数が上記1つの周波数であるか否かを、1回の判断により迅速に判断することができる。
[ヒータ制御装置の構成]
次に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。図1は、本発明を適用したヒータ制御装置の構成を表す回路図であり、具体的には、ヒータの一例としてのハロゲンランプヒータ103を備えた電子写真式画像形成装置の定着器の駆動回路である。図1に示すように、CPU102は、温度検出手段の一例としてのサーミスタ104が検出した温度に基づいてハロゲンランプヒータ103の温度を所定の温度に上昇、維持するために適当なヒータ駆動信号をトランジスタ106のベースに出力する。
CPU102が駆動信号を出力すると、トランジスタ106を介してスイッチング素子の一例としてのフォトトライアック107の発光側に電流が流れる。フォトトライアック107はゼロクロス回路を内蔵しており、発光中に受光側の両端にかかる電圧が0V近くなるとゲートを開いて受光側に電流を流し、その電流によってトライアック105のゲートが開いてオンする。すると、ハロゲンランプヒータ103に商用のAC電源101から電力が供給されて、ハロゲンランプヒータ103が加熱される。なお、フォトトライアック107は、電源周波数が50Hz,60Hzのいずれの場合でも動作可能に構成されている。
[ヒータ制御装置における制御]
次に、CPU120がROM120に記憶されたプログラムに基づいて実行する処理について説明する。図2は、上記駆動回路の電源投入時にCPU102が実行する初期設定処理を表すフローチャートである。この処理では、先ず、S1にて(Sはステップを表す:以下同様)、AC電源101の電源周波数を判断する周波数判断処理が実行される。
図3は、この周波数判断処理を詳細に表すフローチャートである。図3に示すように、この処理では、先ず、S11にて、トランジスタ106のベースに接続されたポートに、周期10ms,duty1/6の矩形波の信号が出力される。続くS12では、サーミスタ104を介してハロゲンランプヒータ103の温度(以下、単にヒータ温度ともいう)が測定され、S13にて、そのヒータ温度が上昇したか否かが判断される。
ヒータ温度が上昇していない場合は(S13:N)、S14にてAC電源101の電源周波数が50Hzであると判断され、処理は図2のS2へ移行する。また、ヒータ温度が上昇している場合は(S13:Y)、S16にて、その温度上昇が緩やかであるか否かが判断される。そして、緩やかでない場合は(S16:N)、処理は前述のS14へ移行し、緩やかである場合は(S16:Y)、S17にてAC電源101の電源周波数が60Hzであると判断され、処理は図2のS2へ移行する。
ここで、この周波数判断処理(S1)の原理について、図4を用いて説明する。AC電源101の電源周波数が、図4(A)に例示する上記矩形波の信号の周波数の1/2の50Hzである場合、トライアック105のオン/オフ状態は図4(B)または図4(C)に例示すように変化する。すなわち、図4(B)に例示するように、電圧のゼロクロスタイミングで常に上記信号のオン信号が出力されてトライアック105がオンし続けるか、図4(C)に例示するように、電圧のゼロクロスタイミングで常に上記信号のオフ信号が出力されてトライアック105がオフし続けるかの、いずれか一方となる。後者の場合は、ヒータ温度が上昇せず(S13:N)、前者の場合は、ヒータ温度が急激に上昇する(S16:N)。そこで、これらの場合には、S14にて電源周波数が50Hzであると判断することができる。
一方、AC電源101の電源周波数が60Hzである場合は、図4(D)に例示するように、10msと8.3msとの最小公倍数である50msの周期で、トライアック105はオン/オフを繰り返す。前述のようにduty=1/6の場合は、上記矩形波の信号のオン信号が6回に1回の割合でゼロクロスタイミングに一致し、ハロゲンランプヒータ103のパワーは1/6となる。なお、このパワーは上記矩形波の信号のdutyに依存して、表1のように変化する。
Figure 2008108501
このため、ハロゲンランプヒータ103のパワーが100%でも0%でもなく、ヒータ温度の上昇が緩やかな場合は(S16:Y)、S17にて電源周波数が60Hzであると判断することができる。
図2に戻って、続くS2では、上記のようにS1にて判断された周波数に基づき、半波時間T1がタイマにセットされ、更に、次に述べるタイマ割り込み処理が許可される。更に続くS3では、ハロゲンランプヒータ103の目標温度が設定されて、この初期設定処理が終了する。
次に、図5は、半波制御手段の一例としてのタイマ割り込み処理を詳細に表すフローチャートである。なお、この処理は、前述のS2によって許可がなされた後、所定時間毎に割り込みで実行される。図5に示すように、この処理では、先ず、S21にて、サーミスタ104を介してヒータ温度が測定され、続くS22にて、前述のS3で設定された目標温度とS21で測定されたヒータ温度とが比較される。そして、続くS23では、下記の表2に従って、目標温度と測定温度との差に応じたヒータ供給パワーが決定される。
Figure 2008108501
続くS24では、S23で今回決定されたヒータ供給パワーが前回のヒータ供給パワーと同じか否かが判断される。そして、同じである場合は(S24:Y)、S26にて前回出力された信号の続きが上記ポートに出力された後、同じでない場合は(S24:N)、S23で今回決定されたヒータ供給パワーに対応した信号が上記ポートに出力された後、それぞれ処理が終了する。
ここで、ヒータ供給パワーに対応する信号について、図6を用いて説明する。図6(A)に例示するように、半波時間T1の4期間に対して1期間分だけオン信号となり、他はオフ信号となる信号が上記ポートに出力されると、ハロゲンランプヒータ103に供給されるヒータ供給電圧は交流電圧の2周期のうちの半周期分となり、ヒータ供給パワーは25%となる。以下同様に、図6(B)に例示するように、半波時間T1の3期間に対して1期間分だけオン信号となる信号が上記ポートに出力されると、ヒータ供給パワーは33%となり、図6(C)に例示するように、半波時間T1の2期間に対して1期間分だけオン信号となる信号が上記ポートに出力されると、ヒータ供給パワーは50%となる。
更に、図6(D)に例示するように、半波時間T1の3期間に対して2期間分オン信号となる信号が上記ポートに出力されると、ヒータ供給パワーは67%となり、図6(E)に例示するように、半波時間T1の4期間に対して3期間分オン信号となる信号が上記ポートに出力されると、ヒータ供給パワーは75%となる。更に、図6(F)に例示するように、ポートへ出力される信号が常にオン信号であればヒータ供給パワーは100%となり、図示省略したが、ポートへ出力される信号が常にオフ信号であればヒータ供給パワーは0%となる。
本実施の形態では、S1にてAC電源101の電源周波数を正確に判断した上で上記のように半波単位でヒータ供給パワーの制御がなされるので、ハロゲンランプヒータ103の温度むらの発生や電源電圧の変動によるフリッカの発生を良好に抑制することができる。すなわち、上記ヒータ供給パワーを0%または100%のいずれかに制御するのであれば、電源周波数が不明であっても制御可能であるが、電源周波数に基づいて25%,33%,50%,67%,75%等にもヒータ供給パワーを制御することで、ハロゲンランプヒータ103の温度むらの発生や電源電圧の変動によるフリッカの発生を一層良好に抑制することができるのである。
しかも、本実施の形態では、ゼロクロス検知回路を設けることなく電源周波数が判断できるので、回路構成を簡略化して装置の製造コストも低減することができる。なお、上記処理において、S11の処理が信号出力手段に、S12〜S17の処理が周波数判断手段に、それぞれ相当する。
[本発明の他の実施の形態]
また、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、図3のS16の処理は、図7のS115,S116のように変更してもよい。なお、図7の処理は、S16をS115,S116に変更した点以外は図3の処理と同様であるので、相違点についてのみ説明する。
この処理では、S11にて前述のように出力された矩形波の信号により、ヒータ温度が上昇した場合(S13:Y)、S115にて、信号の位相を5msずらした上で再びヒータ温度が測定される。続くS116では、温度上昇が停止したか否かが判断され、停止した場合は(S116:Y)、前述のS14にて電源周波数が50Hzであると判断され、停止しない場合は(S116:N)、前述のS17にて電源周波数が60Hzであると判断される。
すなわち、S11にて前述のように出力された矩形波の信号によりヒータ温度が上昇する場合は(S13:Y)、電源周波数が50Hzであってトライアック105がオンし続けた場合か(図4(B)参照)、若しくは、電源周波数が60Hzの場合である(図4(D)参照)。前者の場合、信号の位相が5ms(すなわち50Hzの交流電圧の1/4波長分)ずらされると、トライアック105はオフし続ける(図4(C)参照)。そこで、本処理では、信号の位相が5msずらされたときに(S115)、ヒータ温度の上昇が停止した場合は(S116:Y)、電源周波数が50Hzであると判断するのである(S14)。
この場合、サーミスタ104の精度が悪く、ヒータ温度の上昇速度の正確な対比が困難な場合でも周波数の検出が可能になる。これに対して、前述の実施の形態のように、温度上昇が緩やかであるか否かを判断する場合は(S16)、1回の判断により迅速に周波数を判断することができる。なお、図7の処理では、S115の処理も信号出力手段に相当し、S116の処理も周波数判断手段に相当する。
更に、上記各実施の形態では、50Hzに対応する周期10msの矩形波の信号を出力しているが(S11)、60Hzに対応する周期8.3msの矩形波の信号を出力しても同様の処理が可能である。
この場合、AC電源101の電源周波数が、図8(A)に例示する上記矩形波の信号の周波数の1/2の60Hzである場合、トライアック105のオン/オフ状態は図8(B)または図8(C)に例示すように変化する。すなわち、図8(B)に例示するように、電圧のゼロクロスタイミングで常に上記信号のオン信号が出力されてトライアック105がオンし続けるか、図8(C)に例示するように、電圧のゼロクロスタイミングで常に上記信号のオフ信号が出力されてトライアック105がオフし続けるかの、いずれか一方となる。前者の場合は、ヒータ温度が上昇せず、後者の場合は、ヒータ温度が急激に上昇する。そこで、これらの場合には、電源周波数が60Hzであると判断することができる。
一方、AC電源101の電源周波数が50Hzである場合は、図8(D)に例示するように、10msと8.3msとの最小公倍数である50msの周期で、トライアック105はオン/オフを繰り返す。例えばduty=1/5の場合は、上記矩形波の信号のオン信号が5回に1回の割合でゼロクロスタイミングに一致し、ハロゲンランプヒータ103のパワーは1/5となる。なお、このパワーは上記矩形波の信号のdutyに依存して、表3のように変化する。このため、ハロゲンランプヒータ103のパワーが100%でも0%でもなく、ヒータ温度の上昇が緩やかな場合は、電源周波数が50Hzであると判断することができる。
Figure 2008108501
このため、図3または図7に示した周波数判断処理は、図9または図10に示すように変形することができる。すなわち、図9に示す周波数判断処理では、S11に代わるS211にて、トランジスタ106のベースに接続されたポートに、周期8.3ms,duty1/5の矩形波の信号が出力される。そして、図3の処理と同様にヒータ温度が測定され(S12)、ヒータ温度が上昇しない場合(S13:N)、またはヒータ温度の上昇が緩やかでない場合は(S16:N)、S14に代わるS214にて、電源周波数が60Hzであると判断される。一方、ヒータ温度が緩やかに上昇する場合は(S16:Y)、S17に代わるS217にて、電源周波数が50Hzであると判断される。
図10に示す周波数判断処理でも、S11に代わるS211にて、周期8.3ms,duty1/5の矩形波の信号が出力される。そして、ヒータ温度が上昇している場合(S13:Y)、S115に代わるS215では位相が4.2msずらされ、温度上昇が停止した場合は(S116:Y)、S214にて電源周波数が60Hzであると判断され、温度上昇が停止しない場合は(S116:N)、S215にて電源周波数が50Hzであると判断される。
このように、図9,図10に示す周波数判断処理でも、図3,図7に示した周波数判断処理と同様に周波数の判断ができる。更に、本発明は、50Hz,60Hz以外の周波数が考えられる場合であっても同様に適用することができる。
本発明を適用したヒータ制御装置の構成を表す回路図である。 そのヒータ制御装置のCPUが実行する初期設定処理を表すフローチャートである。 その初期設定処理における周波数判断処理を表すフローチャートである。 図3,図7の周波数判断処理の原理を表すタイムチャートである。 上記CPUが実行するタイマ割り込み処理を表すフローチャートである。 そのタイマ割り込み処理の動作を表すタイムチャートである。 上記周波数判断処理の変形例を表すフローチャートである。 図9,図10の周波数判断処理の原理を表すタイムチャートである。 上記周波数判断処理の他の変形例を表すフローチャートである。 上記周波数判断処理の更に他の変形例を表すフローチャートである。
符号の説明
101…AC電源 102…CPU 103…ハロゲンランプヒータ
104…サーミスタ 105…トライアック 106…トランジスタ
107…フォトトライアック 120…ROM

Claims (5)

  1. 複数の異なる電源周波数のうちいずれの周波数でも動作可能に構成され、ヒータへの通電を電源電圧のゼロクロス点に応じたタイミングでオン・オフするスイッチング素子と、
    上記複数の電源周波数のうちのいずれかの1つの周波数の整数倍の周波数で、上記スイッチング素子にオン信号またはオフ信号を繰返し出力する信号出力手段と、
    上記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、
    上記信号出力手段の上記信号出力中に上記温度検出手段が検出する温度の変化に基づき、上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数を判断する周波数判断手段と、
    を備えたことを特徴とするヒータ制御装置。
  2. 上記周波数判断手段が上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数と等しいと判断した周波数に基づき、上記交流電圧が上記ヒータへ半波単位で所望期間通電されるように制御する半波制御手段を、
    更に備えたことを特徴とする請求項1記載のヒータ制御装置。
  3. 上記周波数判断手段は、上記温度検出手段が検出する温度が上昇しない場合、上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数が上記1つの周波数と等しいと判断することを特徴とする請求項1または2記載のヒータ制御装置。
  4. 上記信号出力手段は、上記温度検出手段が検出する温度が上昇する場合、上記オン信号とオフ信号両方の出力タイミングを上記オン信号出力時間以上の同一時間ずらし、
    上記周波数判断手段は、上記出力タイミングがずらされた後に再び上記判断を行うことを特徴とする請求項3記載のヒータ制御装置。
  5. 上記温度検出手段が検出する温度の上昇が、上記ヒータへ上記交流電圧の連続通電がなされた場合に比べて緩やかな場合、上記周波数判断手段は、上記ヒータへ通電される交流電圧の周波数が上記1つの周波数とは異なると判断することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のヒータ制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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