JP2009204638A - ヒータ装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズによって発生したゼロクロス割込みを確実に無視してヒータの誤動作を防ぐこと。
【解決手段】ゼロクロス信号の立ち上がりに同期して制御部はヒータ制御信号を出力する。このヒータ制御信号に応答してヒータ駆動回路のスイッチング素子６０５のオン／オフが切り替わるが、切り替え時に交流電源の出力電圧にノイズが発生し、このノイズが原因でゼロクロス信号が発生する。この誤ったゼロクロス信号を受けてヒータが動作することを防ぐために、制御部はヒータ制御信号の立ち上がりから設定時間Ｔの間はゼロクロス信号の立ち上がりを無視する。
【選択図】図６

Description

本発明は、交流電源から出力される交流電圧のゼロクロス点に応答してヒータのオン／オフを切り替えるヒータ装置及びこのようなヒータ装置を有して構成された定着装置を備えた画像形成装置に関するものである。

プリンタ、複写機、ファクシミリやこれらの機能を備えた複合機等の画像形成装置は、用紙の上に形成されたトナー像に定着処理を施すための定着装置を備えている。この定着装置は、一般的に加熱ローラと加圧ローラを有し、二つのローラのニップ部を用紙が通過することによって用紙にトナー像が定着する。

このような定着装置の加熱ローラの内部にはヒータが設けられ、交流電源からヒータへの電力供給がスイッチング素子によって制御される。つまり、スイッチング素子によってヒータへの電力供給のオン／オフが切り替えられることによって、ヒータの温度制御が行われる。また、スイッチング素子のオン／オフ切り替え時にスイッチングノイズが発生することが知られている。このスイッチングノイズの影響を避けるために、交流電源の出力が０になるタイミング（ゼロクロス点）でスイッチング素子のオン／オフを切り替える制御が行われている。

しかし、加熱ローラのヒータのような大きな負荷をスイッチング制御すると、ノイズによって交流電源の出力が変動してしまう。この交流電源の変動によってゼロクロス点が誤検知され、ヒータ制御に支障をきたしていた。

このような現象に対して、特許文献１には、ヒータの温度制御に位相制御を用いた定着装置において、ゼロクロス割込みタイミングとスイッチングタイミングが１対１になるように制御し、ゼロクロス割込みタイミングとスイッチングタイミングの間にノイズによるゼロクロス割込みが入っても無視する制御を行う技術について記載されている。また、特許文献２〜５には、ゼロクロス割込みをトリガとしてゼロクロス割込み無視期間を設け、ノイズによるゼロクロス割込みを無視する制御を行う技術について記載されている。
特許第３６３６２５４号 特開２００２−２７２０８９号公報 特公平５−８７８４４号公報 特公平７−７２８４９号公報 特開平４−１６５９５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術の場合、位相制御に対してのみ有効であって、位相制御を用いずにヒータの温度制御を行う場合には、ノイズによるゼロクロス点の誤検知を無視することができない。

また、特許文献２〜５に記載の技術の場合、ゼロクロス割込みの一定回数毎にデューティ値を決める処理又は多重割込みによる処理が発生した場合、ゼロクロス割込みからのヒータのオン／オフまでの時間がばらつくため、ゼロクロス割込み無視期間内にヒータのオン／オフが発生することは確実ではない。特に位相制御を用いた場合、ヒータのオン／オフのノイズによるゼロクロス割込みがゼロクロス割込み無視期間に入らない可能性がある。

また、ゼロクロス割込み無視期間をゼロクロス間隔とする方法も考えられるが、ゼロクロス割込みの発生する間隔は、商用電源周波数が５０ｋＨｚと６０ｋＨｚの２通りあることから、ゼロクロス割込み無視期間を両者に有効とするためには妥当値を用いなければならない。例えば、ゼロクロス割込みの発生する間隔が５０ｋＨｚで１０ｍｓ、６０ｋＨｚで８．３ｍｓとすると、短い方の８．３ｍｓをゼロクロス割込み無視期間と設定することはできる。しかし、これはチャタリングによる誤動作防止には効果があるが、位相制御を用いた場合にヒータのオン／オフによって発生するノイズによるゼロクロス割込みがゼロクロス割込み無視期間に入らない可能性がある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、ノイズによって発生したゼロクロス割込みを確実に無視して誤動作を防ぐヒータ装置及び画像形成装置を提案することを目的とするものである。

請求項１に記載の発明のヒータ装置は、交流電源から電力を供給されて駆動するヒータと、前記交流電源から前記ヒータへ供給される電力のオン又はオフを切り替えるスイッチング手段と、前記交流電源から出力される交流電圧のゼロクロス点に応答してゼロクロス信号を出力するゼロクロス信号出力手段と、前記ゼロクロス信号に応答して、前記スイッチング手段に前記オン又はオフを切り替えさせる制御を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記スイッチング手段が前記オン又はオフを切り替えてから予め定められた時間以内に出力された前記ゼロクロス信号は無視し、当該ゼロクロス信号に応答して前記スイッチング手段に前記オン又はオフの切り替えを行わせないことを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、スイッチング手段がオン又はオフを切り替えてから予め定められた時間以内に出力されたゼロクロス信号を無視することにより、ヒータの駆動制御が位相制御である・なしに関わらず、スイッチング素子のオン／オフが切り替わることにより発生するノイズが原因で発生したゼロクロス信号を確実に無視することができ、ヒータの誤動作を防ぐことができる。

また請求項２に記載のヒータ装置は、請求項１に記載のヒータ装置であって、前記制御手段は前記ゼロクロス信号に応答して前記スイッチング手段に対して制御信号を出力し、当該制御信号を出力した時から前記予め定められた時間以内に出力された前記ゼロクロス信号を無視するものであり、前記スイッチング手段は前記制御信号に応答して前記オン又はオフを切り替えるものであることを特徴としている。

この請求項２に記載の発明によれば、制御手段が制御信号を出力してから予め定められた時間以内に出力されたゼロクロス信号を無視することにより、スイッチング素子のオン／オフが切り替わることにより発生するノイズが原因で発生したゼロクロス信号を確実に無視することができ、ヒータの誤動作を防ぐことができる。

また、請求項３に記載のヒータ装置は、請求項１に記載のヒータ装置であって、前記スイッチング手段は前記オン又はオフの切り替え時に前記制御信号に対して報知信号を出力するものであり、前記制御手段は前記報知信号を入力した時から前記予め定められた時間以内に出力された前記ゼロクロス信号を無視するものであることを特徴としている。

この請求項３に記載の発明によれば、制御手段がスイッチング手段のオン又はオフが切り替えられたことを示す報知手段を入力してから予め定められた時間以内に出力されたゼロクロス信号を無視することにより、スイッチング素子のオン／オフが切り替わることにより発生するノイズが原因で発生したゼロクロス信号を確実に無視することができ、ヒータの誤動作を防ぐことができる。

また請求項４に記載の発明の画像形成装置は、請求項１〜３の何れか一項に記載のヒータ装置を有して構成された定着装置を備えたことを特徴としている。

この構成によれば、請求項１の効果と同様の効果を奏する。

この発明によれば、スイッチング手段がオン又はオフを切り替えてから予め定められた時間以内に出力されたゼロクロス信号を無視することにより、ヒータの駆動制御が位相制御である・なしに関わらず、スイッチング素子のオン／オフが切り替わることにより発生するノイズが原因で発生したゼロクロス信号を確実に無視することができ、ヒータの誤動作を防ぐことができる。

本発明におけるヒータ装置及び画像形成装置の実施の形態について図面を参照して説明する。尚、本実施の形態では本発明におけるヒータ装置を備えた画像形成装置として複写機を例に説明する。その他に、用紙に形成されたトナー像を加熱することによって定着させる定着装置を備えた電子写真方式の画像形成装置であればよく、スキャナ、ファクシミリ、プリンタ等やこれらの機能を備えた複合機であってもよい。

図１は複合機１の概略断面図である。複合機１は、原稿の画像を読み取る画像読取部１００と、用紙Ｐを貯留し給紙する給紙部２００と、給紙部２００から延びる用紙Ｐの搬送経路２００ｔと、搬送経路２００ｔ上に設けられて搬送される用紙Ｐに対して画像読取部１００において読み取られた画像に基づいたトナー像を形成する画像形成部３００と、画像形成部３００でトナー像が形成された用紙Ｐに対して定着処理を行う定着装置４００と、定着装置４００で定着処理が施された用紙Ｐが排出される排出部２００ｄとを備える。

画像形成部３００は、帯電した感光体ドラムに画像読取部１００で読み取られた画像に基づいた光を照射することによって感光体ドラム上に静電潜像を形成する。この感光体ドラムに現像装置からトナーが供給されてトナー像が顕像化し、このトナー像が用紙Ｐに転写することによって用紙Ｐにトナー像が形成される。

定着装置４００は、加熱ローラ４１と加圧ローラ４２を有する。用紙Ｐが加熱ローラ４１と加圧ローラ４２のニップ部を通過することによって、加熱・加圧処理が施されてトナー像が用紙Ｐに定着する。また、加熱ローラ４１には、交流電源から電力供給を受けて発熱するヒータ４０１が設けられている。

図２は、ヒータ４０１を有するヒータ装置６００の構成を示すブロック図である。ヒータ装置６００は、ヒータ４０１、交流電源５００、ヒータ駆動回路６０１、トランス６０２、ゼロクロス信号発生回路６０３及び制御部６０４を備えて構成される。

交流電源５００は、商用電源よりコンセント等を介して電力を入力することにより複写機１の各機能部へ電力を供給するものである。ヒータ駆動回路６０１は、交流電源５００から供給される交流電力を受けてヒータ４０１を駆動する。このヒータ駆動装置６０１はスイッチング素子６０５を用いて構成されており、スイッチング素子６０５は制御部６０４から出力されるヒータ制御信号に基づいてオン／オフを切り替える。スイッチング素子６０５のオン／オフが切り替えられることによって、交流電源５００からヒータ４０１への電力供給が供給状態と供給停止状態との間で切り替わる。

トランス６０２は、交流電源５００の出力電圧を降圧してゼロクロス信号発生回路６０３へ出力する。ゼロクロス信号発生回路６０３はトランス６０２から出力された出力信号における０［Ｖ］の通過を検知し、ゼロクロス信号を出力する。

制御部６０４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）等によって構成され、入力された指示信号等に応じて記憶されたプログラムを読み出して処理を実行し、各機能部への指示信号の出力、データ転送等を行って複合機１を統括的に制御するものである。特にヒータ装置６００においては、ゼロクロス信号発生回路６０３から出力されたゼロクロス信号に応答してヒータ駆動回路６０１に対してヒータ制御信号を出力する。このヒータ制御信号に応じてヒータ駆動回路６０１のスイッチング素子６０５のオン／オフが切り替えられてヒータ４０１のオン／オフが切り替わる。

図３は、スイッチングによる交流電源の出力へのノイズが発生しなかった（正常動作時）ときのゼロクロス信号とヒータ制御信号のタイミングチャートである。ヒータ制御に信号おいて、ハイレベル時はヒータ駆動回路６０１によってヒータ４０１に電力供給がなされてヒータ４０１はオン状態（発熱状態）であり、ローレベル時はヒータ４０１はオフ状態である。

初期状態において、制御部６０４はゼロクロス割込み要求状態にあり、換言すると制御部６０４がゼロクロス信号の入力に応じた割込み処理の実行を受け付ける状態にある。そして時間ｔ１１におけるゼロクロス信号の立ち上がりに同期して、具体的にはゼロクロス信号の立ち上がりをトリガとして所定時間の間、制御部６０４はゼロクロス割込み要求を一旦解除する。換言すると、制御部６０４はゼロクロス信号が入力してから割込み処理の実行が終わるまでゼロクロス信号の入力を無視（禁止）する。

ゼロクロス信号の立ち上がりに同期して、制御部６０４はゼロクロス割込み要求を一旦解除すると共に、ヒータ駆動回路６０１に対してヒータ制御信号を出力する（時間ｔ１２）。これによりヒータ４０１はオン状態となる。制御部６０４はヒータ制御信号の出力に同期して、再度ゼロクロス割込み要求状態となる。そして時間ｔ１３におけるゼロクロス信号が立ち上がりに同期して、制御部６０４はゼロクロス割込み要求を一旦解除すると共に、ヒータ駆動回路６０１に対してヒータ制御信号を出力する（時間ｔ１４）。これによりヒータ４０１はオフ状態となる。このようにゼロクロス信号の立ち上がりに同期して制御部６０４はヒータ制御信号を出力し、ヒータ駆動回路６０１はこのヒータ制御信号を入力してヒータ４０１のオン／オフを切り替える。

図４は、スイッチングによる交流電源の出力へのノイズが発生したときのゼロクロス信号とヒータ制御信号のタイミングチャートである。図３と同様に、初期状態において、制御部６０４はゼロクロス割込み要求状態（図４中に示す要求Ａ）にある。そして、時間ｔ２１におけるゼロクロス信号の立ち上がりに同期して、制御部６０４はゼロクロス割込み要求を一旦解除する（図４中に示す解除Ｂ）と共に、ヒータ駆動回路６０１に対してヒータ制御信号を出力する（時間ｔ２２）。これによりヒータ４０１はオン状態となる。制御部６０４はヒータ制御信号の出力に同期して、再度ゼロクロス割込み要求状態（要求Ｃ）となる。

しかし、ここでヒータ駆動回路６０１のスイッチング素子６０５によってヒータ４０１がオフからオンへの切り替えられた時に交流電源５００の出力電圧にノイズが発生すると、ゼロクロス信号発生回路６０３がノイズのゼロクロス点を誤検知して、誤ったゼロクロス信号を出力する場合がある。例えば、時間ｔ２２においてヒータ４０１がオン状態となったタイミングで交流電源５００の出力電圧にノイズが発生し、ゼロクロス信号が一旦ローレベルになったとする。そして制御部６０４がゼロクロス割込み要求状態（要求Ｃ）のときにゼロクロス信号が立ち上がる（時間ｔ２３）と、制御部６０４はこのゼロクロス信号の立ち上がりに同期してゼロクロス割込み要求を一旦解除する（解除Ｄ）と共にヒータ駆動回路６０１に対してヒータ制御信号を出力するため（時間ｔ２４）、ヒータ４０１はオフ状態となってしまう。

実際に測定されたグラフを図５に示す。図５（ａ）は実際に測定されたゼロクロス信号及びヒータ制御信号であり、図５（ａ）において、ゼロクロス信号の立ち上がりに同期してヒータ制御信号が立ち上がり、ヒータ４０１がオン状態となる。ここでヒータ４０１がオンからオフへ切り替えられたときに矢印Ｙ１で示すノイズが発生した。図５（ｂ）は、矢印Ｙ１で示したノイズを拡大したグラフである。ヒータ制御信号がオンに切り替わった直後にノイズによってゼロクロス信号は立ち下がり、その後１．６［μｓ］以内で立ち上がった。制御部６０４はこの立ち上がりを入力してゼロクロス割込みが発生したと認識し、ヒータ制御信号をオンからオフへ切り替える処理を行ってしまう。その後発生した矢印Ｙ２で示すノイズに対しては、ノイズレベルが小さかったため、制御部６０４はゼロクロス割込みの発生として認識せず、割込み処理を行わなかった。

電源周波数が５０［ｋＨｚ］である場合、ゼロクロス信号は１０［ｍｓ］間隔で発生するため、ヒータ４０１は長くとも１０［ｍｓ］は連続してオン状態となる。しかし、図４に示したようにノイズによってゼロクロス信号が発生すると、ヒータ４０１のオン状態が１６０［μｓ］程度しか続かなかった。このように、ノイズが発生してゼロクロス点が誤検知された場合は、ヒータ４０１が正常に動作していた場合に比べてヒータ４０１の加熱時間が短くなり、加熱ローラ４１の温度が上がらず、定着不良等を引き起こしてしまう。逆に、正常に動作していた場合に比べてヒータ４０１の加熱時間が長くなると、消費電力の増加や、ヒータ４０１の早期劣化等の不具合を招く。

そこで、本発明では、制御部６０４によるゼロクロス割込み要求の解除状態をゼロクロス信号の入力をトリガとしてその後所定時間の間とせず、ゼロクロス信号が入力されて割込み処理の実行（ヒータ制御信号の出力、又はスイッチング素子６０５のオン／オフの切替時）から予め定められた時間（以下「設定時間Ｔ」という）までの間をゼロクロス割込み要求の解除状態とすることにより、ノイズによって出力されたゼロクロス信号を確実に無視する方法を提案する。

図６を用いて詳しく説明する。図６は本発明を適用した複合機１のヒータ装置６００におけるゼロクロス信号とヒータ制御信号のタイミングチャートである。図３と同様に、初期状態において、制御部６０４はゼロクロス割込み要求状態（図６中に示す要求Ｐ）にある。そして、時間ｔ３１におけるゼロクロス信号の立ち上がりに同期して、制御部６０４はゼロクロス割込み要求を一旦解除する（図６中に示す解除Ｑ）と共に、ヒータ駆動回路６０１に対してヒータ制御信号を出力する（時間ｔ３２）。これによりヒータ４０１はオン状態となる。ここで解除Ｑは、図４に示した解除Ｂの期間と同様に、割込み処理の実行中は割込み信号を受け付けないという制御部６０４に予め仕様として設計されている解除期間である。

従来なら、ヒータ制御信号の出力と同期して解除Ｑの期間が終了し、ゼロクロス信号要求状態となっていたが、制御部６０４はヒータ制御信号の出力から設定時間Ｔの間もゼロクロス割込み要求の解除状態（解除Ｒ）とする。つまり、ヒータ制御信号の出力によってヒータ駆動回路６０１のスイッチング素子６０５のオン／オフが切り替わるため、交流電源５００の出力電圧にノイズが発生する可能性がある。このノイズによる誤ったゼロクロス信号の出力を無視するため、ヒータ制御信号の出力から設定時間Ｔの間はゼロクロス信号の入力を無視する。

そして、ヒータ４０１がオフからオンへの切り替えられたタイミングで交流電源５００の出力電圧にノイズが発生し、時間ｔ３３においてゼロクロス信号が一旦ローレベルになって再び時間ｔ３４においてゼロクロス信号が立ち上がる。しかし、制御部６０４はゼロクロス割込み要求の解除状態（解除Ｒ）であるため、このゼロクロス信号の立ち上がりを受け付けない。従って、制御部６０４は時間ｔ３４におけるゼロクロス信号の立ち上がりに同期してヒータ制御信号の切替を行わないため、ヒータ４０１はオン状態のままとなる。そして、設定時間Ｔが経過後、制御部６０４は再びゼロクロス割込み要求状態（要求Ｓ）となり、次の時間ｔ３５におけるゼロクロス信号の立ち上がりに同期してヒータ４０１はオフ状態となる。

尚、設定時間Ｔの設定方法は、ヒータ制御信号の立ち上がりからどのタイミングでノイズによるゼロクロス信号が発生するかによって決定すればよい。例えば図５に示した実際に測定されたグラフに基づくと、ヒータ制御信号が立ち上がってから１．６［μｓ］後にノイズによってゼロクロス信号が立ち上がっているため、この立ち上がりを無視するために、設定時間Ｔは２．０［μｓ］程度にすればよい。

以上説明したように、ヒータ制御信号の出力タイミングをトリガとしてゼロクロス割込み要求の解除期間を決定することによって、ヒータの駆動制御が位相制御である・なしに関わらず、ヒータ制御信号に応答してスイッチング素子６０５のオン／オフが切り替わることにより発生するノイズが原因で発生したゼロクロス信号を確実に無視することができ、ヒータ４０１の誤動作を防ぐことができる。

尚、本実施の形態では、制御部６０４がヒータ制御信号を出力してから設定時間Ｔ以内はゼロクロス要求の解除期間とすることとしたが、ヒータ駆動回路６０１がヒータ制御信号を受けて実際にスイッチング素子６０５のオン／オフが切り替わるタイミングから設定時間Ｔ以内をゼロクロス要求の解除期間としてもよい。この場合、制御部６０４からヒータ制御信号が出力されてからスイッチング素子６０５のオン／オフが切り替わるまでの時間を予め測定しておき、この測定時間を用いて設定時間Ｔを決定すればよい。または、スイッチング素子６０５のオン／オフが切り替わると同時にヒータ駆動回路６０１から報知信号（図２中の点線）が出力され、この報知信号をトリガとして制御部６０４がゼロクロス要求の解除期間の開始としてもよい。

複写機の概略断面図。 ヒータ装置の電気的構成を示すブロック図。 スイッチングによる交流電源の出力へのノイズが発生しなかったときのゼロクロス信号とヒータ制御信号のタイミングチャート。 スイッチングによる交流電源の出力へのノイズが発生したときのゼロクロス信号とヒータ制御信号のタイミングチャート。 実際に測定されたグラフ。 本発明を適用したときのゼロクロス信号とヒータ制御信号のタイミングチャート

符号の説明

１ 複写機（画像形成装置）
４００ 定着装置
４０１ ヒータ
６００ ヒータ装置
５００ 交流電源
６０１ ヒータ駆動回路（ヒータ駆動手段）
６０２ トランス
６０３ ゼロクロス信号発生回路（ゼロクロス信号出力手段）
６０４ 制御部（制御手段）
６０５ スイッチング素子（スイッチング手段）

Claims (4)

1. 交流電源から電力を供給されて駆動するヒータと、
   前記交流電源から前記ヒータへ供給される電力のオン又はオフを切り替えるスイッチング手段と、
   前記交流電源から出力される交流電圧のゼロクロス点に応答してゼロクロス信号を出力するゼロクロス信号出力手段と、
   前記ゼロクロス信号に応答して、前記スイッチング手段に前記オン又はオフを切り替えさせる制御を行う制御手段と、
   を備え、前記制御手段は、前記スイッチング手段に対して前記オン又はオフを切り替えさせてから予め定められた時間以内に出力された前記ゼロクロス信号は無視し、当該ゼロクロス信号に応答して前記スイッチング手段に前記オン又はオフの切り替えを行わせないことを特徴とするヒータ装置。
2. 前記制御手段は前記ゼロクロス信号に応答して前記スイッチング手段に対して制御信号を出力し、当該制御信号を出力した時から前記予め定められた時間以内に出力された前記ゼロクロス信号を無視するものであり、
   前記スイッチング手段は前記制御信号に応答して前記オン又はオフを切り替えるものであることを特徴とする請求項１に記載のヒータ装置。
3. 前記スイッチング手段は前記オン又はオフの切り替え時に前記制御信号に対して報知信号を出力するものであり、
   前記制御手段は前記報知信号を入力した時から前記予め定められた時間以内に出力された前記ゼロクロス信号を無視するものであることを特徴とする請求項１に記載のヒータ装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のヒータ装置を有して構成された定着装置を備えた画像形成装置。

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