JP2016109993A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、定着手段に設けられるヒータへの電力供給時の制御において、フリッカ、高調波電流歪及び画像の光沢ムラを低減できる画像形成装置を提供する。【解決手段】 シートＰに形成された未定着トナー像を搬送しながら該シートＰに定着する定着装置15は、交流電源17から供給される電力によって発熱するヒータ７を有し、シートＰを搬送方向の単位長さで分割した単位領域がヒータ７と対面する位置にあるときに該ヒータ７がＯＮになっている前記単位領域あたりの積算回数が、搬送される一枚のシートＰにおいて一の領域と他の領域において所定範囲内になるようにヒータ７のＯＮタイミングを制御するコントローラ50を有する。【選択図】 図３

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ装置、或いは、これらの複数の機能を備えた複合機等の画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式、静電記録方式等の作像プロセスを用いた複写機、プリンタ、ファクシミリ装置等の画像形成装置が提供されている。これらの画像形成装置においては、紙等の記録材が使用される。これらの記録材に形成した未定着トナー像を加熱によりトナーを溶融して記録材に定着させる定着加熱部が設けられている。

この定着加熱部として、例えばハロゲンヒータを熱源とする熱ローラ式の熱定着装置やセラミックヒータを熱源とするフィルム定着式の熱定着装置が用いられている。また、定着加熱部としては、その他に、ＩＨ（Induction Heating；電磁誘導加熱）定着方式、フラッシュ加熱方式、オーブン加熱方式等の多様な方式及び構成を有するものが実用化されている。

熱容量が極めて小さなフィルムを無端ベルト状に成形した円筒の内側から加熱するフィルム定着方式の定着加熱部は、エネルギー効率が高位。更に、昇温速度が速いため電源ＯＮから印字可能状態になるまでの時間が短く、プリント待機時の消費電力も大幅に抑えられる。

ここで、定着加熱部のヒータはトライアック等のスイッチング素子を介して交流電源に接続されており、この交流電源により電力が供給される。例えば、セラミックヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御は、交流電源の位相制御（例えば、特許文献１参照）、波数制御（例えば、特許文献２参照）により加熱ムラを防止する技術が提案されている。或いは、位相制御と波数制御とを組み合わせた制御（例えば、特許文献３参照）により加熱ムラを防止する技術が提案されている。

定着加熱部には、サーミスタ等の温度検知素子が設けられている。この温度検知素子により定着加熱部の温度が検知され、検知された温度情報に基づいてエンジンコントローラによってスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦが制御される。これにより、ヒータへの電力供給がＯＮ／ＯＦＦされ、定着加熱部の温度が目標の温度に調整される。

ここで、上記した位相制御は、交流電源からの入力電圧における各々の半波内の任意の位相角でヒータをＯＮすることでヒータに電力を供給する制御である。また、波数制御は、複数の半波からなる期間を一回の制御周期とし、ヒータのＯＮ／ＯＦＦを交流電源の半波単位で行う制御である。

位相制御を選択する目的としては、照明機器のちらつき、所謂、フリッカや、定着加熱部の温度リップルを抑制することが挙げられる。ここで、フリッカとは、交流電源の電圧の急激な変動により、同一の交流電源に接続されている周辺機器、例えば、照明機器がちらついてしまう現象である。

位相制御においては半波内の任意の位相角でヒータをＯＮすることで電流の変化量及び変化周期が小さく、フリッカの発生を抑制することができる。また、半波毎に電力を制御できるため定着加熱部の温度制御の応答性が高く、定着加熱部の温度リップルを低減することができる。

位相制御においては、交流電源を各々の半波内の任意の位相角でヒータをＯＮするためヒータをＯＮする際に急激な電流変動が生じる可能性がある。急激な電流変動が生じると、交流電源の基本周波数（例えば、５０Ｈｚや６０Ｈｚ）の逓倍周波数成分による高調波電流歪を多く含む電流波形となる。そして、この高調波電流歪により電子機器間の誤動作が発生し、または交流電源の電圧波形に歪が発生する場合がある。

波数制御においては、高調波電流歪の抑制が挙げられる。これは、波数制御においてはヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御を必ず電源電圧が０Ｖ近傍（ゼロクロスポイント）で行うため急激な電流変動が少なく、電圧波形の半波の途中でヒータがＯＮする位相制御と比較して高調波電流歪が発生し難いことによる。しかし、波数制御は、高調波電流歪の抑制には効果があるものの半波毎の負荷電流の変動が大きいため交流電源の電圧変動が大きくなり、フリッカが発生し易い。

ここで、高調波電流歪の大きさは、使用する交流電源の電圧が高い方が、より大きくなる傾向がある。このことから、従来では、画像形成装置が使用される地域の交流電源の電圧に応じて、ヒータの制御を位相制御または波数制御の何れかに固定することが一般的であった。

例えば、交流電源電圧が１００Ｖ〜１２７Ｖの地域向けにはフリッカに有利な位相制御を採用し、交流電源電圧が２２０Ｖ〜２４０Ｖの地域向けには高調波電流歪に有利な波数制御を採用することが考えられる。

しかしながら、近年の画像形成装置の高速化による定着加熱部のヒータ電力の増大に伴い、位相制御のみでは高調波電流歪を十分に抑制することが困難となり、また、波数制御のみではフリッカを十分に抑制することが困難となる場合があった。波数制御で制御すると温度リップルが大きくなり、光沢ムラが発生し易くなる場合があった。

特開２００１−２３７０４８号公報 特開２０００−２２８２６９号公報 特開２０１３−０３７０８４号公報

しかしながら、近年の画像形成装置においては、プリント速度の高速化及び高画質化、ファーストプリントアウトタイム（プリント待機状態から最初の記録材が排出されるまでの時間）の短縮が要求されている。

そのため、定着加熱部のヒータの発熱量を上げるためにヒータ電力は増大する傾向にある。このヒータ電力の増大傾向は、換言すると、ヒータの抵抗値が減少する傾向にある。このヒータの抵抗値の減少によりヒータに電力を供給する際の交流電源の電流が増大し、結果として高調波電流歪とフリッカが増大する傾向が顕著になっている。

また、記録材が定着加熱部を通過する間は定着加熱部は記録材に対してトナー画像を定着できる温度に制御されている。しかし、プリント速度の高速化に伴って、定着加熱部の温度リップルが画像の光沢ムラとして現れ易くなってきている。このため、温度リップルをこれまで以上に抑制することが要求されている。

このため特許文献３のように、位相制御と波数制御とを組み合わせたヒータ制御を用いただけでは、高調波電流歪、フリッカ、光沢ムラ（温度リップル）の全てを十分に抑制することが困難になっている。

本発明は前記課題を解決するものであり、その目的とするところは、定着手段に設けられるヒータへの電力供給時の制御において、フリッカ、高調波電流歪及び画像の光沢ムラを低減できる画像形成装置を提供するものである。

前記目的を達成するための本発明に係る画像形成装置の代表的な構成は、記録材に形成された未定着トナー像を搬送しながら該記録材に定着する定着手段を備え、前記定着手段は、電源から供給される電力によって発熱するヒータを有し、記録材を搬送方向の単位長さで分割した単位領域が前記ヒータと対面する位置にあるときに該ヒータがＯＮになっている前記単位領域あたりの積算回数が、搬送される一枚の記録材において一の領域と他の領域において所定範囲内になるように前記ヒータのＯＮタイミングを制御する制御手段を有することを特徴とする。

上記構成によれば、定着手段に設けられるヒータへの電力供給時の制御において、フリッカ、高調波電流歪及び画像の光沢ムラを低減できる。

（ａ）は本発明に係る画像形成装置の構成を示す断面説明図、（ｂ）は定着手段の構成を示す断面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の制御系の構成を示すブロック図である。 ヒータの駆動タイミングを補正する様子を説明するフローチャートである。 （ａ），（ｂ）はヒータの駆動タイミングを補正する前のヒータの出力波形と記録材面の熱量の総和を示す図である。 （ａ），（ｂ）はヒータの駆動タイミングを補正した後のヒータの出力波形と記録材面の熱量の総和を示す図である。

図により本発明に係る画像形成装置の一実施形態を具体的に説明する。図１（ａ）は本実施形態の画像形成装置100の構成を示す断面説明図である。図１（ｂ）は定着手段となる定着装置15の構成を示す断面説明図である。

図１（ａ）に示す画像形成装置100は、画像形成手段を構成する像担持体となる感光ドラム21の表面に担持されたトナー像が転写手段となる転写ローラ22により記録材となるシートＰに転写する。本実施形態では、感光ドラム21と転写ローラ22とにより未定着トナー像が形成された記録材となるシートＰを搬送する搬送手段が構成される。

そして、図１（ｂ）に示す定着手段となる定着装置15に設けられた定着フィルム11と加圧ローラ12との定着ニップ部Ｎからなる圧接部においてシートＰ上に形成された未定着トナー像を搬送しながら熱と圧力によってシートＰ上に加熱定着する。定着装置15は、搬送手段となる感光ドラム21と転写ローラ22とにより挟持搬送される記録材となるシートＰに形成された未定着トナー像を該シートＰに定着する。

定着フィルム11を回転可能に支持するステイホルダ９には、図２に示す交流電源17から供給される電力によって発熱するヒータ７を有する定着加熱部が設けられる。制御手段となるＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算装置）18は交流電源17を介してヒータ７に供給する電力制御を行う。

本実施形態の画像形成装置100は電子写真画像形成プロセスを利用した画像形成装置である。図１（ａ）に示すように、画像形成装置100は装置本体100Ａ内部に感光ドラム21を有する。更に、図示しない帯電手段となる帯電ローラ、図示しない像露光手段となるレーザスキャナ、図示しない現像手段となる現像装置、転写ローラ22、定着装置15、搬送手段となる搬送ローラ23、シート収容部24等が配置されている。

シート収容部24の内部にはシートＰが収容されている。また、制御手段となるコントローラ50は、装置本体100Ａの各種の内部機器の駆動を制御する。更に、装置本体100Ａの内部には、該装置本体100Ａ内部の環境温度を検知する環境温度検知手段となる環境温度センサ８が設けられている。

図１（ｂ）に示す定着装置15は、定着フィルム11と、加圧ローラ12とを有する。定着部材となる定着フィルム11の内部には、ステイホルダ９に取り付けられた発熱体となるヒータ７が設けられている。加圧部材となる加圧ローラ12は、定着フィルム11に対向して配置され、該定着フィルム11と共に定着ニップ部Ｎを形成する。加圧ローラ12は図２に示す定着モータ６により回転駆動され、定着フィルム11は加圧ローラ12に当接してステイホルダ９を中心に従動回転する。

定着フィルム11の内部には、ステイホルダ９に取り付けられ、該定着フィルム11に熱を付与するヒータ７と、該ヒータ７の表面温度を検知することで定着手段の温度を検知する温度検知手段となるサーミスタ５とが設けられている。サーミスタ５は、ヒータ７の表面に接触して該ヒータ７の温度を検知する。

図２はコントローラ50の構成を示すブロック図である。図２に示されるように、コントローラ50は、ＣＰＵ18と、ＲＯＭ（Read Only Memory；リードオンリメモリ）19と、ＲＡＭ（Randam AccessMemory；ランダムアクセスメモリ）３とを有する。

このコントローラ50には、定着フィルム11と加圧ローラ12との定着ニップ部Ｎの圧接解除を検知する圧力解除センサ４が接続されている。更に、サーミスタ５と、加圧ローラ12を回転駆動する定着モータ６と、ヒータ７を駆動する交流電源17と、環境温度センサ８とが接続されている。

定着フィルム11と加圧ローラ12との定着ニップ部Ｎの圧接解除は以下の構成により行なわれる。図１（ｂ）に示すように、付勢手段となる加圧バネ10により常時、図１（ｂ）の左方向に付勢されているアーム14に対して回転駆動されるカム13の突出部13ａと平坦部13ｂとが交互に当接する。カム13の突出部13ａが加圧バネ10の付勢力に抗してアーム14を図１（ｂ）の右方向に付勢することで定着フィルム11が加圧ローラ12から離間する。

カム13の平坦部13ｂがアーム14に対面する場合には、加圧バネ10の付勢力により定着フィルム11が加圧ローラ12に圧接される。圧力解除センサ４はアーム14の位置変動を検知することで定着フィルム11と加圧ローラ12との定着ニップ部Ｎの圧接解除を検知することが出来る。16はステイホルダ９に設けられた当接部材であり、アーム14が当接部材16に当接してステイホルダ９が移動し、定着フィルム11が加圧ローラ12に対して圧接、解除される。

ＣＰＵ18は、画像形成装置100全体の動作を制御する。ＲＯＭ19は、画像形成装置100を制御するためのファームウェアプログラムや、該ファームウェアプログラムを制御するためのブートプログラムが記憶されており、ＣＰＵ18によって使用される。ＲＡＭ３は、ＣＰＵ18の作業領域やデータの一時記憶領域である。

図３は、ヒータ７の駆動タイミングを補正する動作を説明するフローチャートである。図３のステップＳ１において、ヒータ７の温度を目標温度に制御するために現在のヒータ７の表面の温度をサーミスタ５により検知する。次に、ステップＳ２において、コントローラ50は、前記ステップＳ１において、サーミスタ５により検知した現在のヒータ７の表面温度と、予め設定された目標温度との差分を計算する。そして、ステップＳ３において、前記ステップＳ２で計算した差分結果に基づいて、ヒータ７の出力を決定する。

次に、ステップＳ４において、前記ステップＳ３で決定したヒータ７の出力から前回のヒータ７の出力パターンと、今回のヒータ７の出力パターンとを取得する。次に、ステップＳ５において、コントローラ50は、前回のヒータ７の出力と、今回のヒータ７の出力とが終了するまでの時間Ｔを、ゼロクロス周期Ｔ_０と、ヒータ７の出力回数Ｂとを用いて以下の数１式により計算する。

［数１］
Ｔ＝Ｔ_０×Ｂ

次にステップＳ６において、コントローラ50は、前記数１式で求めた時間Ｔと、シートＰの搬送速度Ｖとを用いて以下の数２式によりヒータ７の出力中におけるシートＰの移動距離Ｌを計算する。

［数２］
Ｌ＝Ｔ×Ｖ

次にステップＳ７において、コントローラ50は、ヒータ７の出力中におけるシートＰのシート面をＸ個の領域に分割する。

次にステップＳ８において、コントローラ50は、シートＰのシート面の所定の分割領域がヒータ７上を通過する時間Ｙ（秒）毎に以下の制御を行なう。Ｘ個の領域に分割したシートＰのシート面と、ヒータ７がＯＮしているときに該ヒータ７に接触していれば、ヒータ７の出力中におけるシートＰのシート面の分割領域数Ｘを以下の数３式で示すように１個づつ加算する。

［数３］
Ｘ＝Ｘｎ＋１

即ち、算出手段を兼ねるコントローラ50は、記録材となるシートＰをシート搬送方向の単位長さで分割した単位領域がシートＰの搬送に伴ってヒータ７のシートＰの搬送方向の全域を通過する際に以下の制御を行なう。前記単位領域がヒータ７に対面する位置にあるときに該ヒータ７がＯＮになっている前記単位領域あたりの積算回数を算出する。

次にステップＳ９において、コントローラ50は、ヒータ７の出力パターンの出力時間分の計算が終了したか否かを判断する。前記ステップＳ９において、ヒータ７の出力パターンの出力時間分の計算が終了するまで、前記ステップＳ８、Ｓ９を繰り返す。

前記ステップＳ９において、ヒータ７の出力パターンの出力時間分の計算が終了すると、ステップＳ10に進む。前記ステップＳ10において、コントローラ50は、ヒータ７の出力中におけるシートＰのシート面の分割領域のうち、熱量が最も高い分割領域面Ｘａと、熱量が最も低い分割領域面Ｘｂと、を算出する。

次にステップＳ11において、コントローラ50は、熱量が高いときのヒータ７のＯＮと、熱量が低いときのヒータ７のＯＦＦとを入れ替える。次にステップＳ12において、コントローラ50は、ヒータ７の駆動タイミングの補正回数Ｃを以下の数４式で示すように１回加算する。

［数４］
Ｃ＝Ｃｎ＋１

即ち、制御手段となるコントローラ50は、以下の制御を行なう。記録材となるシートＰのシート搬送方向の単位長さで分割した単位領域毎にコントローラ50により積算された積算回数が搬送される一枚の記録材となるシートＰにおいて一の領域と他の領域において所定範囲内になるようにヒータ７のＯＮタイミングを制御する。これによりシートＰのシート搬送方向の単位長さで分割した単位領域毎の積算回数を平均化する。

次にステップＳ13において、コントローラ50は、ヒータ７の出力回数Ｂと、ヒータ７の駆動タイミングの補正回数Ｃに１を加算した値とを比較する。前記ステップＳ13において、以下の数５式が成り立っていれば、ステップＳ14に進む。

［数５］
Ｂ＜Ｃ＋１

前記ステップＳ14において、コントローラ50は、補正されたヒータ７の出力パターンを記憶手段となるＲＡＭ３に保存し、ステップＳ15において、ヒータ７の駆動出力を行なう。

前記ステップＳ13において、前記数５式が成り立っていなければ、ステップＳ16に進んで、コントローラ50は、補正したヒータ７の出力パターンに上書きした後、前記ステップＳ５に戻る。

図４（ａ）はヒータ７の駆動タイミングの補正を実施する前のヒータ７の出力パターンを示す。図４（ｂ）はヒータ７の駆動タイミングの補正を実施する前のシートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和を示す図である。図４（ｂ）に示すように、ヒータ７の駆動タイミングの補正を実施する前では、シートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和の差が大きいところがあることを確認できる。

図５（ａ）はヒータ７の駆動タイミングの補正を実施した後のヒータ７の出力パターンを示す。図５（ａ）に示すように、コントローラ50は、交流電源17から供給される電力波形における連続する所定数（本実施形態では１０個）の半波を一制御周期（本実施形態では制御周期１と制御周期２）とする。そして、サーミスタ５により検知される検知温度に応じて、一制御周期（本実施形態では制御周期１と制御周期２）毎に交流電源17からヒータ７へ供給する電力を更新する制御手段をコントローラ50が兼ねる。ＲＡＭ３は、図５に示す一制御周期（本実施形態では制御周期１と制御周期２）の複数のヒータ７ａ，７ｂの駆動タイミングを記憶する記憶手段を兼ねる。

図５（ｂ）はヒータ７の駆動タイミングの補正を実施した後のシートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和を示す図である。図５（ｂ）に示すように、ヒータ７の駆動タイミングの補正を実施した後では、シートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和の差（温度分布の差）が小さくなっていることが、図４（ｂ）との比較により分かる。

本実施形態では、補正手段となるコントローラ50により以下の補正を行なう。図５（ｂ）に示すように、シートＰのシート面の分割領域面に対して与えられる熱量の総和がより均等になるように複数のヒータ７ａ，７ｂのそれぞれの駆動（ＯＮ）タイミングを補正する。

本実施形態では、シートＰのシート面の分割領域面に対して与えられる熱量の総和をより均等にする補正手段として、シートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和が大きい部分のヒータ７の出力がＯＮであれば、ＯＦＦとする。そして、シートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和が小さい部分のヒータ７の出力がＯＦＦであればＯＮに変更して補正を行っている。

尚、シートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和をある程度均等化できれば、他の種々の補正手段が適用出来る。例えば、他の補正手段としては、交流電源17から供給される電力波形における連続する所定数の半波の熱量を計算した値が一制御周期分の熱量の総和の平均から求まる上限値よりも大きい場合は、半波分をＯＦＦに変更する。また、一制御周期分の熱量の総和の平均から求まる下限値よりも小さい場合は、半波分をＯＮに変更することもできる。

このように、制御手段となるコントローラ50は、予測した予測結果に基づいて、シートＰのシート面の分割領域面に対して与えられる熱量の総和がより均等になるようにヒータ７の駆動タイミングを補正する。

コントローラ50によるヒータ７の駆動タイミングの補正は以下の通り行なう。複数設けられたヒータ７ａ，７ｂに対してＲＡＭ３に記憶された一制御周期前から該一制御周期後までの期間で複数のヒータ７ａ，７ｂ間（ヒータ間）でのそれぞれのヒータ７ａ，７ｂの駆動タイミングを入れ替える。そして、各ヒータ７ａ，７ｂの駆動回数（ＯＮの回数）の増減数を所定の範囲内に設定する。

尚、本実施形態のコントローラ50は、ヒータ７のＯＮタイミングを有効にするか否かを選択する。また、コントローラ50によるヒータ７のＯＮタイミングの制御は、シートＰに印字する所定の印字率よりも高い印字率のトナー像を定着するときにヒータ７のＯＮタイミングを制御する。

本実施形態によれば、印刷のときにシートＰが定着装置15の定着ニップ部Ｎを通過している際のシートＰのシート面の分割領域面毎の熱量の総和を求めて、熱量の総和が平均になるように補正する。これにより温度ムラに起因する光沢ムラを軽減することが出来る。

また、各ヒータ７ａ，７ｂの駆動回数の増減数を所定の範囲内にすることで、ヒータ７の駆動タイミングの補正後もフリッカや高調波電流歪を防ぐことが出来る。

また、ヒータ７のＯＮタイミングの補正を有効にするか否かを選択可能としたことで、ユーザが求める他の機能を優先させることが出来、ユーザ満足度の向上が出来る。

また、印字率が所定の印字率よりも高い印刷を行うときにヒータ７のＯＮタイミングの補正制御を実行することで、光沢ムラ等の画像弊害が発生し易い高印字率の印刷を行なう場合のみに限定することで低印字率の印刷では最適な定着制御を行なうことが出来る。

尚、本実施形態では、波数制御について説明したが、位相制御においても実施可能であり、更に両者を組み合わせた位相制御と波数制御との組み合わせ制御に関しても同様に適用可能である。

Ｐ …シート(記録材)
７，７ａ，７ｂ …ヒータ
15 …定着装置(定着手段)
17 …交流電源
50 …コントローラ(制御手段)

Claims (3)

1. 記録材に形成された未定着トナー像を搬送しながら該記録材に定着する定着手段を備え、
   前記定着手段は、電源から供給される電力によって発熱するヒータを有し、
   記録材を搬送方向の単位長さで分割した単位領域が前記ヒータと対面する位置にあるときに該ヒータがＯＮになっている前記単位領域あたりの積算回数が、搬送される一枚の記録材において一の領域と他の領域において所定範囲内になるように前記ヒータのＯＮタイミングを制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記制御手段は、前記ヒータのＯＮタイミングを有効にするか否かを選択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. 前記制御手段は、所定の印字率よりも高い印字率のトナー像を定着するときに前記ヒータのＯＮタイミングを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像形成装置。

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