JP2012137914A - ゼロクロス検知回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像形成装置において、商用交流電圧のゼロクロス検知回路で消費される無駄な電力を削減し、通電位相角制御を行うこと。
【解決手段】 商用交流電源の電圧位相が、零度となるタイミングを検出するゼロクロス検知回路と、電力が供給されると発熱する発熱体を包含する加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する電力供給手段と、前記電力供給手段を制御し、前記加熱手段に供給する電力をＯＮ／ＯＦＦする電力供給制御手段とを備えた画像形成装置において、前記ゼロクロス検知回路は、前記商用交流電源の電圧端子からコンデンサを介し抵抗を接続したものであり、前記コンデンサは強化絶縁機能を有し、電圧を検知するための電圧検出手段を有し、前記抵抗の両端に発生する電圧を前記電圧検出手段へ入力し、前記電圧検出手段で検出した検出信号から前記商用交流電源の電圧位相を検知し、前記検知した電圧位相を用いて発熱体への電力供給制御を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１（ａ）

Description

本発明は、電子写真方式を用いて画像を形成する、画像形成装置に係わる。特に、商用交流電源の電圧位相が、略零度となるタイミングを検出するゼロクロス検知回路を有する画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真方式の画像形成装置において、定着装置内のヒータ（発熱体）への電力供給は、ゼロクロス検知回路で検出された信号を基に制御されている。

図４は、画像形成装置における、商用交流電源を用いた従来のゼロクロス検知回路４００及び付随する整流平滑回路、定着電源４２０及び定着装置４３０を示す図である。

商用交流電源４０１から商用交流電圧が、ダイオードブリッジ４０２に供給される。ダイオードブリッジ４０２は商用交流電圧を全波整流し、後段の一次平滑コンデンサ４０３に供給する。

ゼロクロス検知回路４００は、ダイオードブリッジ４０２と、抵抗４０５、４０7と、フォトカプラ４０８から構成されている。その出力信号ＺＥＲＯＸは中央演算処理装置４１０（以下、ＣＰＵと記す）に供給される。

商用交流電圧Ｖａｃが正極性の場合、フォトカプラ４０８内ＬＥＤが発光する。したがって、ＺＥＲＯＸ信号は、Ｌレベルとなる。商用交流電圧Ｖａｃが負極性の場合、フォトカプラ４０８内ＬＥＤが消灯する。これにより、ＺＥＲＯＸ信号は、Ｈレベルとなる。すなわち、ＺＥＲＯＸ信号の立ち下がりエッジが商用交流電源電圧の位相略０°をあらわし、立上がりエッジが商用交流電源電圧の位相略１８０°をあらわす。

定着電源４２０は、商用交流電圧を定着装置４３０へ供給する。

商用交流のＬ１相は、ヒータ４３２に直接結線され、ヒータ４３２の他端は、トライアック４２１のＴ２端子に接続される。トライアック４２１のＴ１端子は、商用交流のＬ２相に接続される。トライアック４２１のＴ２−Ｇ端子間には、抵抗４２４、およびフォトトライアックカプラ４２３が接続される。フォトトライアックカプラ４２３のＬＥＤ側には、トランジスタ４２５が接続される。トランジスタ４２５のベースには、抵抗４２６を介して、ＣＰＵ４１０よりヒータ駆動信号ＦＳＲＤが供給される。
以上の回路でＣＰＵ４１０がＦＳＲＤ信号をＨレベルにした場合、トランジスタ４２５がＯＮし、フォトトライアックカプラ４２３のＬＥＤが発光、フォトトライアックカプラ４２３がＯＮする。

すると、抵抗４２２,４２４によって分圧された電圧がトライアック４２１のＧ端子に印加され、トライアック４２１がＯＮする。これにより、ヒータ４３２に商用交流電圧が印加される。

逆にＣＰＵ４１０がＦＳＲＤ信号をＬレベルにした場合、フォトトライアックカプラ４２３がＯＦＦし、トライアック４２１のＧ端子が抵抗４２２によってＴ１端子にプルダウンされる。しかし、トライアック４２１はサイリスタ素子であるため、一度ＯＮすると、電流が流れている間はＯＦＦできない。商用交流電圧の位相が０°付近となり、電流が略零（保持電流値以下）となったタイミングでＯＦＦする。これにより、ヒータ４３２への通電が停止される。

定着装置４３０内には、対向した２本の定着ローラ４３１、４３３が配置されており、定着ローラ４３１内には、抵抗体であるヒータ４３２、および定着ローラ４３１の温度を検出する温度センサ(不図示)が配置される。温度センサの出力信号は、ＣＰＵ４１０に供給される。ＣＰＵ４１０は、温度センサの出力信号に基づいて、定着ローラ４３１の温度を一定にすべく、定着電源４２０のＯＮ時間を調整する。

具体的には、ヒータ４３２へのオン／オフ制御を、位相角制御または波数制御で行う。位相角制御の場合、ヒータ４３２に供給する商用交流電圧の位相角を制御する（この制御を一般に、『通電位相角制御』という）。通電位相角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４３２に供給すべき電力をＣＰＵ４１０が算出し、ＺＥＲＯＸ信号をトリガにして、所定時間（位相）経過後にヒータ４３２に電力を通電し始めることで、ヒータ４３２への供給電力を制御する方法である。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５（Ａ）に示している。また、周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚの場合の制御パターンを、図５（Ｂ）に表している。図５（Ｂ）では、半波分（５０Ｈｚの場合、１０ｍｓｅｃ。６０Ｈｚの場合、８．３３ｍｓｅｃ。）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調整するようにしている。ＣＰＵ４１０は１波ごとにヒータ４３２に供給すべき電力を計算する。そして、商用交流電源の周波数（５０Ｈｚ、もしくは６０Ｈｚ）に対応した制御パターンを用いて、その供給電力に対応した位相角で電力を供給し位相角制御を行う。

紙面上に転写されたトナー画像は、定着ローラ４３１、４３３の対向圧力と熱によって融解され、紙面上に定着される。

また、電気カーペットや電気毛布等の採暖物の温度を調節する為の採暖用温度調節装置、すなわち、発熱線と温度検知巻線が一体構造となった線条が配設されてなる採暖物の温度を調整する装置における、前記発熱線に供給する電流の制御方法について説明する。前記発熱線に印加される交流電源の交流波形の位相に対し、交流電源からコンデンサ入力により約９０°進んだ位相の疑似方形波で温度検知部の前記温度検知巻線が駆動される。前記温度検知巻線が駆動されることによって得られる前記温度検知部の出力信号と同期した疑似ゼロクロス信号によって前記発熱線の電流が制御されることを特徴とするものがある（特許文献２参照）。

特開２００６−２８４４３６号公報 特開２００２−３７３７６２号公報

ところで、近年、あらゆる電気機器の省エネルギー化が一段と進んでいる。画像形成装置においても省エネルギー化のため、さまざまな施策がとられている。

ところが、従来のゼロクロス検知回路４００においては、抵抗４０７での電力消費が常時発生する。抵抗４０７には、商用交流電源の半波電圧が常に印加される。商用交流電圧は、比較的高電圧である。よって、抵抗４０７での電力消費も比較的大きい。

例えば欧州の商用交流電圧はＡＣ２４０Ｖｒｍｓ程度であり、抵抗４０７に２００ｋΩ前後の素子が用いられた場合、抵抗４０７で、半波毎に約０．３Ｗ程度の電力が消費されることとなる。

また、前記採暖用温度調節装置においては、サイリスタのゲートに発熱線の電流の制御信号として疑似ゼロクロス信号を入力している為、通電位相角制御など複雑な制御ができない。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、画像形成装置において、商用交流電圧のゼロクロス検知回路で消費される無駄な電力を削減し、通電位相角制御を行うことである。

上記課題を解決するため、本出願に係る第１の発明は、商用交流電源の電圧位相が、略零度となるタイミングを検出するゼロクロス検知回路と、電力が供給されると発熱する発熱体を包含する加熱手段と、
前記加熱手段に電力を供給する電力供給手段と、前記電力供給手段を制御し、前記加熱手段に供給する電力をＯＮ／ＯＦＦする電力供給制御手段とを備えた画像形成装置において、
前記ゼロクロス検知回路は、前記商用交流電源の電圧端子からコンデンサを介し抵抗を接続したものであり、前記コンデンサは強化絶縁機能を有し、電圧を検知するための電圧検出手段を有し、前記抵抗の両端に発生する電圧を前記電圧検出手段へ入力し、前記電圧検出手段で検出した検出信号から前記商用交流電源の電圧位相を検知し、前記検知した電圧位相を用いて発熱体への電力供給制御を行うことを特徴とする。

また、本出願に係る第２の発明は、前記ゼロクロス検知回路により検出した検出信号から、商用交流電源の電源周波数を検知することを特徴とする。

また、本出願に係る第３の発明は、検知した前記電圧位相及び前記電源周波数から、前記発熱体に供給する商用交流電圧を位相角で制御することを特徴とする。

以上説明したように、本出願に係る第１の発明によれば、商用交流電源の電圧位相が、略零度となるタイミングを検出するゼロクロス検知回路と、電力が供給されると発熱する発熱体を包含する加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する電力供給手段と、前記電力供給手段を制御し、前記加熱手段に供給する電力をＯＮ／ＯＦＦする電力供給制御手段とを備えた画像形成装置において、
前記ゼロクロス検知回路は、前記商用交流電源の電圧端子からコンデンサを介し抵抗を接続したものであり、前記コンデンサは強化絶縁機能を有し、電圧を検知するための電圧検出手段を有し、前記抵抗の両端に発生する電圧を前記電圧検出手段へ入力し、前記電圧検出手段で検出した検出信号から前記商用交流電源の電圧位相を検知し、前記検知した電圧位相を用いて発熱体への電力供給制御を行うことにより、
ゼロクロス検知回路で消費される無駄な電力を削減することができ、電圧位相を用いた通電位相角制御を行うことができる。

本発明の実施例１における、ゼロクロス検知回路の回路図及び出力波形。 本発明の実施例１における、ゼロクロス検知回路の回路図及び出力波形。 本発明の実施例１における、ゼロクロス検知回路の回路図及び出力波形。 本発明の実施形態における画像形成装置を示す図。 本発明の実施例２における、ゼロクロス検知回路の回路図。 本発明の実施例２における、ゼロクロス検知回路の回路図。 従来のゼロクロス検知回路を備えた画像形成装置を示す図。 従来例の位相角図。 実施例１において保護ダイオードを示す図。

［実施例１］
図２は本発明の実施形態の１例として、本発明で提案するゼロクロス検知回路を用いた画像形成装置の概略構成を示した図であり、例えばレーザビームプリンタの場合を示している。

レーザビームプリンタ本体２０１（以下、本体２０１）は、記録紙Ｓを収納するカセット２０２を有し、カセット２０２の記録紙Ｓの有無を検知するカセット有無センサ２０３、カセット２０２の記録紙Ｓのサイズを検知するカセットサイズセンサ２０４（複数個のマイクロスイッチで構成される）、カセット２０２から記録紙Ｓを繰り出す給紙ローラ２０５等が設けられている。そして、給紙ローラ２０５の下流には記録紙Ｓを同期搬送するレジストローラ対２０６が設けられている。また、レジストローラ対２０６の下流にはレーザスキャナ部２０７からのレーザ光に基づいて記録紙Ｓ上にトナー像を形成する画像形成部２０８が設けられている。さらに、画像形成部２０８の下流には記録紙Ｓ上に形成されたトナー像を熱定着する定着器２０９が設けられており、定着器２０９の上流には給紙した紙を検知するトップセンサ２５０、定着器２０９の下流には排紙部の搬送状態を検知する排紙センサ２１０、記録紙Ｓを排紙する排紙ローラ２１１、記録の完了した記録紙Ｓを積載する積載トレイ２１２が設けられている。

また、前記レーザスキャナ２０７は、後述する外部装置２３１から送出される画像信号（画像信号ＶＤＯ）に基づいて変調されたレーザ光を発光するレーザユニット２１３、このレーザユニット２１３からのレーザ光を後述する感光ドラム２１７上に走査するためのポリゴンモータ２１４、結像レンズ２１５、折り返しミラー２１６等により構成されている。

そして、画像形成部２０８は公知の電子写真プロセスに必要な、感光ドラム２１７、１次帯電ローラ２１９、現像器２２０、転写ローラ２２１、クリーナ２２２等から構成されている。

定着器２０９は定着フィルム２０９ａ、加圧ローラ２０９ｂ、定着フィルム内部に設けられた発熱体を備えたセラミックヒータ２０９ｃ等から構成されている。

また、メインモータ２２３は、給紙ローラ２０５には給紙ソレノイド２２４を介して、レジストローラ対２０６にはレジクラッチ２２５を介して、搬送ローラ対２４０には搬送クラッチ２４３を介して駆動力を与えており、更に感光ドラム２１７を含む画像形成部２０８の各ユニット、定着器２０９、排紙ローラ２１１にも駆動力を与えている。

そして２２６は電源回路、高圧回路、ＣＰＵ及び周辺回路が実装されたエンジンパワーユニット２２６であり、レーザスキャナ部２０７、高圧回路部（画像形成部２０８）の制御、定着器２０９による電子写真プロセスの制御、前記本体２０１内の記録紙の搬送制御を行なっている。

そして、２２７はビデオコントローラであり、パーソナルコンピュータ等の外部装置２３１と汎用のインタフェース（ＵＳＢ等）２３０で接続されており、この汎用インタフェースから送られてくる画像情報をビットデータに展開し、そのビットデータをＶＤＯ信号として、エンジンパワーユニット２２６へ送出している。

次に、本発明で提案するゼロクロス検知回路及び制御部を図１を用いて説明する。

ゼロクロス検知回路１００は、コンデンサ１０４と抵抗１０５とダイオード１０７とコンパレータ１０８から構成されている。なお、１次ー２次間の絶縁を確保する為に、コンデンサ１０４は強化絶縁機能を有する。

抵抗１０５は、一方をＧＮＤに他方をコンデンサ１０４を介して商用交流Ｌ１相に接続されている。コンパレータ１０８は片電源動作とし、非反転入力端子には、抵抗１０５のＧＮＤ側、反転入力端子には抵抗１０５のコンデンサ１０４との接続側を接続する。また、ダイオード１０７で、コンパレータ１０８の非反転入力端子入力側をクランプする。

商用交流電源１０１のL１ラインに接続されたコンデンサ１０４を流れるリアクタンス分の電流は、抵抗１０５を通ってグランドに流れ、抵抗１０５の両端に電位差が発生する。この電位差をコンパレータ１０８へ入力することにより、商用交流電源電圧の位相を検知する。

コンデンサ１０４を流れる電流は、商用交流電源電圧の位相より９０°進んでいる。

商用交流電圧Ｖａｃが負極性から正極性への変化時に通過する０Ｖの場合、コンデンサ１０４には商用交流電源電圧の位相より９０°進んだ電流が流れる。

すなわち、ＺＥＲＯＸ信号の立ち下がりエッジが商用交流電源電圧の位相略２７０°をあらわし、立上がりエッジが商用交流電源電圧の位相略９０°をあらわす（図１（ｂ）参照）。

コンパレータの出力信号ＺＥＲＯＸはＣＰＵ１０９に入力され、ＣＰＵ１０９は一定時間（少なくとも３４ｍｓより長い時間）、ＺＥＲＯＸ信号の立上り、もしくは、立下りエッジの回数を測定する。時間内に測定された立上り、もしくは、立下りエッジの回数により、商用交流電源の周波数を判断する。また、ＺＥＲＯＸ信号の立上り、もしくは、立下りから電圧位相を判断する。ＣＰＵ１０９は定着器１４０内に配置されたサーミスタ（不図示）によるセラミックヒータ１４０ｃの温度検出結果と制御目標温度の偏差量と前記周波数条件から所望のＯＮデューティーを算出する。ＣＰＵ１０９はセラミックヒータ１４０ｃへの供給電力が所望のＯＮデューティになるように、ＺＥＲＯＸ信号の立下り／立上りエッジからＦＳＲＤ信号をＯＮさせるまでの時間Ｔ１を算出し、ＺＥＲＯＸ信号の立下り／立上りエッジからＴ１時間後にＦＳＲＤ信号をＯＮにする。ＦＳＲＤ信号がＯＮされると、定着電源１３０はセラミックヒータ１４０ｃに電力を供給する（図１（ｃ）参照）。

また、コンデンサ１０４に２２００ｐＦ、抵抗１０５に２４ｋΩ前後の素子を用いた場合、欧州の商用交流電圧ＡＣ２４０Ｖｒｍｓ程度において、抵抗１０５の消費電力は半波毎に約０．０００４Ｗ程度と従来に比べて非常に小さい。

図６に商用交流電源に印加されたサージ電圧を吸収するための保護ダイオード１１４を追加した例を示す。これはツェナーダイオードを組み合わせたもので、ツェナー電圧とダイオード順方向電圧の合計値以上のサージ電圧が加わった場合にこの保護ダイオード１１４でクランプし過大電圧がコンパレ−タ１０８の入力に加わることを防ぐ。

なお、上記実施例は本発明の一例を示すものであり、本発明の適用範囲を限定するものではない。商用交流電源の周波数や位相を用いた他の制御へも適用可能である。また、本実施例では電位差検出手段としてコンパレータを用いた回路構成としたが、本発明では同じ機能を実現するものであれば上記の回路構成に限定したものではない。

［実施例２］
図３は、本発明第２の実施例を適応したゼロクロス検知回路の構成及び制御タイミングを示す図である。なお、実施例１で説明した項目には、同様の符号を付し、説明を省略する。

本実施例において、ゼロクロス検知回路１００は、コンデンサ１０４と抵抗１０５と抵抗１１０とダイオード１０７とトランジスタ１１２から構成されている。実施例１と同様に抵抗１０５に発生する電圧を、トランジスタ１１２のベースへ入力し、トランジスタ１１２をＯＮ／ＯＦＦさせる。トランジスタ１１２のコレクタ（ＺＥＲＯＸ信号）は、トランジスタ１１２がＯＮするとＬレベルとなり、トランジスタ１１２がＯＦＦするとＨレベルとなる。ＺＥＲＯＸ信号をＣＰＵ１０９へ入力し、ＣＰＵ１０９はＺＥＲＯＸ信号から、商用交流電源の周波数及び電圧位相を判断する。ＣＰＵ１０９は定着器１４０内に配置されたサーミスタ（不図示）によるセラミックヒータ１４０ｃの温度検出結果と制御目標温度の偏差量と周波数条件から所望のＯＮデューティーを算出する。ＣＰＵ１０９はセラミックヒータ１４０ｃへの供給電力が所望のＯＮデューティになるように、ＺＥＲＯＸ信号の立上りエッジからＦＳＲＤ信号をＯＮさせるまでの時間Ｔ２を算出し、ＺＥＲＯＸ信号の立上りエッジからＴ２時間後にＦＳＲＤ信号をＯＮにする。また、ＺＥＲＯＸ信号の立下りエッジからＦＳＲＤ信号をＯＮさせるまでの時間Ｔ３を算出し、ＺＥＲＯＸ信号の立上りエッジからＴ３時間後にＦＳＲＤ信号をＯＮにする。ＦＳＲＤ信号がＯＮされると、定着電源１３０はセラミックヒータ１４０ｃに電力を供給する。（図３（ｂ）参照）。

１００‥‥ゼロクロス検知回路
１０４‥‥コンデンサ
１０８‥‥コンパレータ
１０９‥‥ＣＰＵ
２０１‥‥画像形成装置
２０８‥‥ＣＲＧ
２０９‥‥定着器
４２０‥‥定着電源
４３０‥‥定着装置
４３２‥‥ヒータ

Claims (3)

1. 商用交流電源の電圧位相が、零度となるタイミングを検出するゼロクロス検知回路と、
   電力が供給されると発熱する発熱体を包含する加熱手段と、
   前記加熱手段に電力を供給する電力供給手段と、
   前記電力供給手段を制御し、前記加熱手段に供給する電力をＯＮ／ＯＦＦする電力供給制御手段と、を備えた画像形成装置において、
   前記ゼロクロス検知回路は、前記商用交流電源の電圧端子からコンデンサを介し抵抗を接続したものであり、前記コンデンサは強化絶縁機能を有し、電圧を検知するための電圧検出手段を有し、前記抵抗の両端に発生する電圧を前記電圧検出手段へ入力し、前記電圧検出手段で検出した検出信号から前記商用交流電源の電圧位相を検知し、前記検知した電圧位相を用いて発熱体への電力供給制御を行うことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記ゼロクロス検知回路により検出した検出信号から、商用交流電源の電源周波数を検知することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 検知した前記電圧位相及び前記電源周波数から、前記発熱体に供給する商用交流電圧を位相角で制御することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。