JP2015230357A - 制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着用ヒータに供給する電圧をヒータ温度に応じて変更することによって温度リップルを小さくし、所定値以上の電流が回路またはヒータに流れることを防止することが可能な制御装置を提供する。
【解決手段】商用電源７をＤＣに変換して供給するＡＣＤＣコンバータ１と、定着ヒータ３の温度を検知して印加する目標ＤＣ電圧値を演算する演算手段６と、ＡＣＤＣコンバータ１からのＤＣを定着ヒータ３に供給するヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２と、過電流を検知して割り込み端子に割り込み信号を入力する過電流検知手段１８と、ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２の出力が目標ＤＣ電圧となるようにスイッチング時間を演算してスイッチング素子１４を駆動し、過電流検知割り込み時にスイッチング素子１４のスイッチングを停止させ次のスイッチング周期でスイッチングを再開させ、過電流検知割り込み時の次のスイッチング時間は演算を実施せず前回のスイッチング時間から変更を行わない制御手段１０とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、スキャナ等の電子写真式画像形成装置に関し、詳しくは定着用ヒータの制御装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置において、商用電源を整流平滑回路にてＤＣに変換し、ヒータ用ＤＣＤＣコンバータで定着用ヒータに供給するＤＣ電圧を生成し、負荷用ＤＣＤＣコンバータで制御基板のＣＰＵ、ＨＤＤ、モータ等のアクチュエータに供給するＤＣ電圧を生成する電源構成がある。このような電源構成において、定着用ヒータの温度制御、電圧制御、電流制御を実施する制御装置が既に知られている。

このような制御装置として、電源環境への影響低減と立ち上がり時間短縮とを両立させることを第１の目的、定着用ヒータの温度リップルを低減することを第２の目的、定着用ヒータまたはその給電回路の過電流保護を第３の目的、省エネルギを第４の目的とし、ＤＣＤＣコンバータを定温度制御、定電流制御、定電圧制御する電源装置を備えた画像形成装置が知られている（例えば「特許文献１」参照）。

しかし今までの定着ヒータ用電源の電圧制御では、固定の電圧設定値を出力する制御となっており、具体的には１００Ｖである。また温度制御は、所定の温度を超えた場合に定着ヒータ用電源をオフする制御であり、定着ヒータの温度リップルが大きくなるという問題点があった。

また、電流制御は電流値を制御周期で読み込んで制御を行っている。このとき加熱開始時のヒータは温度が低く、インピーダンスが低いために突入電流が流れるが、突入電流の立ち上がりが制御周期よりも早い場合には突入電流を抑制することができず、回路部品に過電流が流れてしまうという問題点がある。

本発明は上述の問題点を解決し、定着用ヒータに供給する電圧をヒータ温度に応じて変更することによって温度リップルを小さくし、所定値以上の電流が回路またはヒータに流れることを防止することが可能な制御装置の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、商用電源をＤＣに変換して供給するＡＣＤＣコンバータと、定着ヒータの温度を検知して印加する目標ＤＣ電圧値を演算する演算手段と、前記ＡＣＤＣコンバータからのＤＣを前記定着ヒータに供給するヒータ用ＤＣＤＣコンバータと、過電流を検知して割り込み端子に割り込み信号を入力する過電流検知手段と、前記ヒータ用ＤＣＤＣコンバータの出力が目標ＤＣ電圧となるようにスイッチング時間を演算してスイッチング素子を駆動し、過電流検知割り込み時に前記スイッチング素子のスイッチングを停止させ次のスイッチング周期でスイッチングを再開させ、過電流検知割り込み時の次のスイッチング時間は演算を実施せず前回のスイッチング時間から変更を行わない制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、温度リップルを小さくでき、所定値以上の電流が回路または定着ヒータに流れることを防止できるので、突入電流の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態に用いられる制御装置の概略ブロック図である。 本発明の一実施形態を適用可能な制御装置の概略ブロック図である。 本発明の一実施形態における温度制御動作を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態に用いられるヒータ用ＤＣＤＣコンバータを説明する概略ブロック図である。 本発明の一実施形態における定電圧制御動作を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態における電流制御動作を説明するフローチャートである。 本発明の効果を確認した結果を示す概略図である。 本発明の一実施形態の変形例に用いられる電流制御値を変更可能な制御装置を説明する概略図である。 本発明の一実施形態が適用可能な画像形成装置を示す概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に用いられる制御装置を示している。この制御装置は、画像形成装置に用いられる定着ヒータにＤＣを供給するための制御装置である。この制御装置は、ＡＣＤＣコンバータ１でＡＣの商用電源７をＤＣに変換し、ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２、負荷用ＤＣＤＣコンバータ４に供給する。ＡＣＤＣコンバータ１は、整流平滑回路、力率改善回路等のスイッチング電源を有している。負荷用ＤＣＤＣコンバータ４は、定着ヒータ３以外の画像形成装置における負荷５に所定の電圧を供給する。具体的には、２４Ｖ、１２Ｖ、５Ｖ、３．３ＶをＣＰＵ、ＨＤＤ、センサ、アクチュエータにそれぞれ供給する。

演算手段であるメインＣＰＵ６は、定着装置の温度センサからの出力をＡＤコンバータで読み取って定着ヒータ３の温度を検知し、温度目標値と検知温度との差分からヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２の目標電圧値を演算する。ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２は、定着ヒータ３に供給する電圧がメインＣＰＵ６から入力された目標電圧となる定電圧制御を実施すると共に、電流が所定の値を超えないように電流制御を実施する。

本発明が適用可能な画像形成装置の構成としては、図２に示すように蓄電池９と電池用ＤＣＤＣコンバータ８とを有する構成でもよい。電池用ＤＣＤＣコンバータ８は、蓄電池９の充放電用電源である。この構成とすることにより、画像形成装置の動作に蓄電池９を使用する場合に、蓄電池９のＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する必要がなくなるため、高効率及び回路規模削減といったメリットがある。蓄電池９としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ナトリウム硫黄電池、鉛電池、キャパシタ等が挙げられる。

次に、メインＣＰＵ６による定着ヒータ３の温度制御動作について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。メインＣＰＵ６は、起動時、余熱時、画像形成時等の画像形成装置のモードや紙種等の画像形成条件から、予め記憶された所定の値を定着ヒータ３の温度目標値に設定する（ＳＴ０１）。次にメインＣＰＵ６は、定着ヒータ３の温度を制御する温度センサの出力値をＡＤコンバータで読み取ることにより、定着ヒータ３の温度を検知する（ＳＴ０２）。そしてメインＣＰＵ６は、検知した定着ヒータ温度と目標値との差分から、定着用ヒータ３に供給する電圧値を演算する。この演算は、差分の比例制御、積分制御、微分制御とその組み合わせの制御方法が挙げられる。

次に、ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２を、図４を用いてダイオード整流バックコンバータ方式を例に説明する。ダイオード整流バックコンバータ方式の構成要素としては、定着ヒータ３、ダイオード１５、コンデンサ１６、インダクタ１７、スイッチング素子１４等が挙げられる。スイッチング素子１４としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等が挙げられる。また、電圧検知手段１１、電流検知手段１２、過電流検知手段１８を有している。ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２の制御はデジタル制御で実施され、演算部として制御手段であるＭＣＵ１０を有している。制御手段としてはＤＳＰ等の他の演算素子でもよく、ＭＣＵ１０はメインＣＰＵ６から目標電圧を入力され、ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２を定電圧制御する。この定電圧制御動作について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。

ＭＣＵ１０が所定の電圧制御周期であると判断すると（ＳＴ１１）、ＭＣＵ１０はＡＤコンバータに入力された電圧検知手段１１の出力値を読み取ることで出力電圧を検知する（ＳＴ１２）。次にＭＣＵ１０は、目標電圧と検出電圧との差分から、スイッチング素子１４のデューティまたはオン時間またはオフ時間を演算する（ＳＴ１３）。演算は、差分の比例制御、積分制御、微分制御とその組み合わせの制御方法が挙げられる。ＭＣＵ１０は、スイッチング素子駆動回路１３を介して所定の周期でスイッチング素子１４を駆動する。スイッチングの周期は、デューティ演算周期の整数分の１が望ましく、具体的には演算周期１０ｋＨｚ、スイッチング周期５０ｋＨｚ等となる。

定着ヒータ３は温度によってインピーダンスが変化するため、電圧供給時に大電流が流れる場合がある。特に定着ヒータ３の加熱開始時はインピーダンスが低く、突入電流が流れる。大電流はスイッチング素子１４やダイオード１５等の回路素子の破損や、商用電源７の電源電圧変動等、電源環境へ影響を与える。そのため本発明のヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２は、過電流を抑える電流制御を電圧制御と同時に実施する。以下、図６に示すフローチャートに基づいて電流制御動作を説明する。

電流検知手段１２は、回路中の電流を検知して検知した電流値に応じた電圧を出力する。具体的には、シャント抵抗、ホール素子を用いた電流センサが挙げられる。また図４ではスイッチング素子１４の電流を検知する位置に電流検知手段１２を配置したが、電流検知手段１２は電流を検知したい所望の位置に配置すればよく、ダイオード１５やインダクタ１７、定着ヒータ３の電流を検知する構成としてもよい。電流検知手段１２の出力は、過電流検知手段１８に入力される。過電流検知手段１８は、電流値が所定の値を超えたことを検知し、ＭＣＵ１０の外部割り込み端子に割り込み信号を出力する（ＳＴ２１）。過電流検知手段１８の構成としては、図４に示したようにコンパレータを使用した構成が考えられ、電流検知手段１２の出力が所定の電圧値Ｖｒｅｆを超えたことで過電流を検知する。

ＭＣＵ１０は、過電流検知手段１８から割り込み信号が入力されるとスイッチングを停止する（ＳＴ２２）。これにより、過電流検知手段１８による検知値以上の電流は流れないように制御することができる。スイッチングが停止している場合は、次のスイッチング周期が認識された場合（ＳＴ２３）にスイッチングを再開する（ＳＴ２４）。スイッチングの再開は、次のデューティ演算周期で実施してもよい。しかしデューティ演算周期がスイッチング周期よりも遅い場合にはスイッチング停止中に出力電圧が低下するため、デューティ演算周期でスイッチングを再開した方が過電流検知時における電圧値の低下が大きくなり、定着ヒータ３の加熱時間が長くなってしまう。ヒータの加熱時間は短いことが望ましいため、スイッチング周期でスイッチングを再開する制御の方が好ましい。

次にステップＳＴ１１に進み、ＭＣＵ１０が所定の電圧制御周期ではないと判断するとステップＳＴ２１に戻る。そして所定の電圧制御周期であると判断すると、デューティ演算周期において前回の制御から過電流検知割り込みが発生しているか否かが判断される（ＳＴ２５）。割り込みが発生している場合には、スイッチングデューティの演算は実施せず前回の演算値から変更しない（ＳＴ２６）。過電流検知時はスイッチングを停止しているため、電圧が上昇せず誤差が大きくなる。そのため演算結果のスイッチングデューティが過度に大きくなり、出力電圧が目標値よりもオーバシュートしてしまう。このオーバシュートの発生を防止するためにスイッチングデューティを変更しないのである。割り込みが発生していない場合には、ステップＳＴ１２からステップＳＴ１３へと進む。

従来技術である特開２０００−１４１４４号公報には、本発明と同様に過電流を検知してスイッチングを停止する技術が開示されている。しかしこの技術では、スイッチングの停止と開始のためにラッチ回路が必要であるが、本発明の構成ではラッチ回路が不要であり、回路の簡素化及び低コスト化を実現することができる。また上記技術では短絡時の過電流保護が目的であるため、過電流検知時におけるスイッチングデューティの演算処理については開示されておらず、出力電圧のオーバシュートの発生を防止することができない。これに対して本発明では、過電流検知時はスイッチングデューティを更新しないことでオーバシュートの発生を防止することができる。

次に、図７に基づきヒータを負荷として本発明の効果を確認した結果を説明する。図７では、電流と電圧とがステップ状に変化していることが確認できる。これは、メインＣＰＵ６がヒータ温度を検知して目標電圧を演算し、出力電圧が目標電圧となるように制御している結果である。ステップの幅は目標電圧の演算周期となる。また、電圧が連続して増加すると共に電流が一定の期間を確認することができる。これは定電流制御の結果である。定着ヒータ３の加熱により定着ヒータ３のインピーダンスが増加するため、電流が一定で電圧が連続して増加する。上述したように本発明では、定着ヒータ３にＤＣを供給する画像形成装置において、定着ヒータ３に供給する電圧をヒータ温度に応じて変更することで温度リップルを小さくし、所定値以上の電流が回路またはヒータに流れない構成とすることができる。

次に、本発明において電流制御値を変更可能な構成を図８に基づいて説明する。ここでは、過電流検知手段１８にスイッチ１９を設け、ＭＣＵ１０によりスイッチ１９を制御することで過電流検出値を変更し、ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２の電流制御値を変更している。スイッチ１９としては、トランジスタやＦＥＴ等が挙げられる。定着ヒータ３は早い温度立ち上がりが要求されるため、ヒータに供給する電流を大きくする必要がある。しかしスイッチング素子１４等の回路素子に流れる電流を常に大きくすると、電流容量の大きな回路素子を使用する必要が生じてコスト高となる。上述の構成では、短時間だけ電流を大きくする場合に回路素子の電流容量を大きくすることなく使用することができる。従って、定着ヒータ３の立ち上がり時に電流制御値を大きくすることにより、素子の電流容量の増加なしに定着ヒータ３の立ち上がりを早めることが可能となる。

次に、本発明の制御装置が適用可能な画像形成装置について説明する。図９は、本発明の一実施形態に用いられる画像形成装置としてのモノクロプリンタ（以下プリンタという）の概略構成図である。プリンタ２０は、装置本体２１、トナーが封入された現像装置を有するプロセスカートリッジ２２、書込装置２３、転写ローラ２４、給紙ユニット２５、定着ユニット２６等を備え、一般的な電子写真方式の作像プロセスに従って画像を形成する。

装置本体２１には、前カバー２７と後カバー２８とがそれぞれ開閉自在に設けられている。プロセスカートリッジ２２、書込装置２３、転写ローラ２４、給紙ユニット２５、定着ユニット２６等の構成部材は基本的には装置本体２１に配置されている。これらプロセスカートリッジ２２、書込装置２３、転写ローラ２４、給紙ユニット２５、定着ユニット２６による画像形成プロセスは、図示しない制御手段によって制御されて行われる。このため、これら構成部材は制御手段と信号線を介して各種情報の送受信が行われている。

装置本体１０１の前面側に設けられた前カバー７の上方には、表示手段としての表示パネル２９が設けられている。表示パネル２９は図示しない制御手段と信号線等を介して接続されていて、様々な情報を表示してユーザに報知するように構成されている。例えば、制御手段はプロセスカートリッジ２２の交換が必要なときはその旨を表示パネル２９に表示する。ユーザは、プロセスカートリッジ２２の交換表示がなされると、装置本体２１の前カバー２７を矢印Ａで示す方向に開放してプロセスカートリッジ２２を取り出して交換する。ユーザは、表示パネル２９に紙詰まり発生情報が表示されると、前カバー２７をＡ方向もしくは前カバー２７と反対側に設けられた後カバー２８を矢印Ｂ方向に開放して記録材となる図示しない用紙を除去する。本発明における制御装置は、定着ユニット２６の動作制御を行う。

上述した構成によれば、定着ヒータ３の温度に応じて定着ヒータ３に供給するＤＣ電圧を変更し、ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２の回路内電流が所定値を超えた場合にヒータ用ＤＣＤＣコンバータ２のスイッチング動作を停止する制御をＭＣＵ１０が行っている。これにより温度リップルを小さくでき、所定値以上の電流が回路または定着ヒータ３に流れることを防止できるので、突入電流の発生を抑制することができる。

また、ＭＣＵ１０が過電流検出値を変更するスイッチ１９を制御するので、電流制御値を簡単に変更することができる。また、ＭＣＵ１０が定着ヒータ３の立ち上がり時に過電流制御値を大きくするので、定着ヒータ３の温度立ち上がりを早めることができる。また、蓄電池９と電池用ＤＣＤＣコンバータ８とを有するので、蓄電池９を搭載した場合に高効率化及び省スペース化を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本発明を適用する画像形成装置は、上述のタイプの画像形成装置に限らず、他のタイプの画像形成装置であってもよい。すなわち、本発明を適用する画像形成装置は、プリンタ、ファクシミリの単体、あるいはこれらの複合機、これらに関するモノクロ機やカラー機等の複合機であってもよい。その他、本発明を適用する画像形成装置は、電気回路形成に用いられる画像形成装置、バイオテクノロジー分野において所定の画像を形成するのに用いられる画像形成装置であってもよい。
本発明の実施の形態に記載された効果は本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ ＡＣＤＣコンバータ
２ ヒータ用ＤＣＤＣコンバータ
３ 定着ヒータ
６ 演算手段（メインＣＰＵ）
７ 商用電源
８ 電池用ＤＣＤＣコンバータ
９ 蓄電池
１０ 制御手段（ＭＣＵ）
１４ スイッチング素子
１８ 過電流検知手段
１９ スイッチ
２０ 画像形成装置（プリンタ）

特許第４８１２１８０号公報

Claims (5)

1. 商用電源をＤＣに変換して供給するＡＣＤＣコンバータと、
   定着ヒータの温度を検知して印加する目標ＤＣ電圧値を演算する演算手段と、
   前記ＡＣＤＣコンバータからのＤＣを前記定着ヒータに供給するヒータ用ＤＣＤＣコンバータと、
   過電流を検知して割り込み端子に割り込み信号を入力する過電流検知手段と、
   前記ヒータ用ＤＣＤＣコンバータの出力が目標ＤＣ電圧となるようにスイッチング時間を演算してスイッチング素子を駆動し、過電流検知割り込み時に前記スイッチング素子のスイッチングを停止させ次のスイッチング周期でスイッチングを再開させ、過電流検知割り込み時の次のスイッチング時間は演算を実施せず前回のスイッチング時間から変更を行わない制御手段とを有する制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   過電流検出値を変更するスイッチを備え、前記制御手段が前記スイッチを制御することを特徴とする制御装置。
3. 請求項１または２記載の制御装置において、
   前記制御手段は前記定着ヒータの立ち上がり時に過電流制御値を大きくすることを特徴とする制御装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一つに記載の制御装置において、
   蓄電池と、前記ＡＣＤＣコンバータと前記蓄電池とに接続された電池用ＤＣＤＣコンバータとを有することを特徴とする制御装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一つに記載の制御装置を有することを特徴とする画像形成装置。

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