JP2020134862A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリッカを改善した画像形成装置を提供すること。【解決手段】記録材に画像を形成する画像形成部と、ヒータを備え、前記ヒータの熱を利用して前記画像を加熱する像加熱部と、前記ヒータの温度を検知する温度検知素子と、前記温度検知素子が検知した前記温度が、目標温度となるように、ＰＩＤ制御を用いて前記ヒータに供給する電力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、温度検知素子が検知した温度と、目標温度と、の差分が所定の閾値を下回ったタイミングで前記ＰＩＤ制御の制御ゲインを、第１の制御ゲインから前記第１の制御ゲインよりも小さい第２の制御ゲインへ切り替える。【選択図】図３

Description

本発明は、電子写真方式のプリンタ、複写機等の画像形成装置に関するもので、特に定着器の温度をＰＩＤ制御で制御する画像形成装置に関する。

画像形成装置において、複数枚の記録材に連続して画像形成を行う場合、この期間中に、定着器が記録材を加熱する期間と、定着器が記録材と記録材の間になる期間が交互に発生する。記録材を加熱する期間では、記録材に定着器の熱が奪われるのでヒータには多くの電力が供給される。一方、定着器が記録材と記録材の間になる期間では、ヒータに供給される電力は少ない。そのため、供給する電力の変動が発生し、電源電圧変動が発生する。電源電圧変動の発生に伴い、画像形成装置が設置された室内の蛍光灯などの照明機器にフリッカと呼ばれるちらつきを生じさせてしまう。定着器の温度制御としてＰＩＤ制御を用いている場合、フリッカを改善するために、記録材が定着器に到達したタイミングから、記録材が定着器を通過し終わるまでの期間、ＰＩＤ制御の制御ゲインを低く設定している。ＰＩＤ制御の制御ゲインを低く設定する期間は、記録材が定着器の所定距離手前に到達したタイミングから定着器を通過し終わるまでの期間であってもよい。一般的に、ＰＩＤ制御の制御ゲインが低い値となっている状態においてフリッカ値は良くなるものの、定着器の目標温度への追従性が悪化する（特許文献１）。

特開２００２−２９６９５４号公報

しかしながら、上述のように一定期間ＰＩＤ制御のゲインを低く設定する場合、例えば制御ゲインを低く変更するタイミングよりも前に定着器の温度が目標温度近辺に到達した場合、定着器に入力する電力が大きく変動してしまう。その結果、フリッカが悪化してしまうという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＰＩＤ制御の制御ゲインを低くするタイミングをプリント状況に応じて可変にすることで、フリッカを改善した画像形成装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明における画像形成装置は、
記録材に画像を形成する画像形成部と、
ヒータを備え、前記ヒータの熱を利用して記録材に形成された画像を記録材に定着する定着部と、
前記定着部の温度を検知する温度検知素子と、
前記温度検知素子が検知した前記温度が目標温度となるようにＰＩＤ制御を用いて前記ヒータに供給する電力を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、記録材が前記定着部へ向かって搬送されている時、前記温度検知素子が検知した前記温度と、前記目標温度と、の差分が所定の閾値を下回ったタイミングで前記ＰＩＤ制御の制御ゲインを第１の制御ゲインから前記第１の制御ゲインよりも小さい第２の制御ゲインへ切り替えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、ＰＩＤ制御の制御ゲイン値を制限するタイミングを適切なタイミングに設定することができ、結果としてフリッカの悪化を低減することが可能な画像形成装置を提供することができる。

実施例１の構成図 実施例１のブロック図 実施例１のタイミングチャート 実施例２のタイミングチャート 実施例２における、印字率とＰＩＤゲイン制限閾値の関係 実施例３のタイミングチャート 定着器の断面図

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨のものではない。

本発明に基づく実施例１について説明する。図１は本実施例における画像形成装置１０１の概略を示す断面図である。１０４は感光ドラムである。この感光ドラム１０４は、帯電ローラ１０５によりその周面が所定の極性、電位に一様に帯電される。そして、その帯電面に、レーザスキャナユニット１０８から画像情報に対応して変調（オン／オフ変換）されたレーザ光が照射される。レーザ光が照射されることにより、感光ドラム１０４の表面に画像情報に対応した静電潜像が形成される。静電潜像は、現像器１０６から供給されるトナーによって現像される。

感光ドラム１０４にトナー像が形成されるのと同期して、給紙カセット１０３から記録材が給紙ローラ１０２により給紙される。記録材は、その後、搬送路Ｌ１上を進み、感光ドラム１０４と転写ローラ１０７で形成されている転写ニップ部で感光ドラム１０４側からトナー像が転写される。このようにトナー像の転写を受けた記録材は、感光ドラム１０４から分離されて定着部としての定着器１１０へ送り込まれ、ヒータ１１１の熱を利用することによってトナー像が記録材に定着される。定着済みの記録材は、ＦＤ（ｆａｃｅ ｄｏｗｎ）ローラ１１２により搬送され排紙トレイ１１３に排出される。この一連の画像形成プロセスにおける、定着器１１０を除く構成が、本実施例における画像形成部に相当する。

図７に定着器１１０の断面図を示す。定着器１１０は、筒状のフィルム１と、フィルム１の内面に接触するヒータ１１１と、ヒータ１１１を保持するヒータホルダ３、ヒータホルダ３を補強するステー４を有する。更に、フィルム１を介してヒータ１１１と共に定着ニップ部Ｎを形成する加圧ローラ６を有する。フィルム１は、ポリイミド等の耐熱樹脂や、ステンレス等の金属、をベースとしたフィルムである。ヒータ１１１はセラミック基板上に発熱抵抗体を印刷したものである。アルミニウムのような金属を基板として、その上にガラス層のような絶縁層を設け、その上に発熱抵抗体を印刷したような構造でも良い。ヒータホルダ３は液晶ポリマーのような耐熱樹脂で形成されている。ステー４はヒータホルダ３を補強するため、鉄のような金属で形成されている。加圧ローラ６は、芯金の周りにシリコーンゴム層を設けた構成である。なお、ヒータ１１１はサーミスタ５で温度検知
されている。加圧ローラ６が回転することでフィルム１が従動回転する。画像形成部でトナー像が形成された記録材は、定着ニップ部Ｎで挟持搬送されつつ熱及び圧力を受ける。これにより、記録材上のトナー像が記録材に定着される。

制御ブロック図を図２に示す。画像形成装置１０１は制御部２０２を有し、制御部２０２は定着器１１０を制御する制御部２０３を有する。制御部２０３は定着器１１０（定着部）に搭載されているヒータを駆動する駆動部２０５を制御するための駆動信号２０９を定着器１１０に対して出力する。定着器１１０への投入電力、すなわちヒータ１１１に供給される電力はＰＩＤ制御を用いてコントロールされる。定着器１１０の温度は定着器１１０の内部に設けられたサーミスタ５などの温度検知素子（不図示）により検知される。温度検知部２０４は、温度検知素子が出力する温度情報４０８を検知する。制御部２０３は、定着器１１０の温度（温度検知部２０４の検知温度）がトナーの定着に適した目標温度となるよう、駆動部２０５を制御する。この時、制御部２０３はコントローラ２１３から送信された不図示の画像形成条件などに基づき目標温度を決定する。さらに制御部２０３は、目標温度の決定とともに、温度検知部２０４が検知した定着器１１０の現在温度に基づいて駆動部２０５が定着器１１０を（正確にはヒータ１１１を）どの程度発熱させるかを決定する。ここで、コントローラ２１３は前述のとおり画像形成条件を指示すると共に、印字率情報２１０を画像形成装置２０１に送信する。制御部２０２は送受信部２０６で印字率情報２１０を受信する。さらに、制御部２０２は、記録材の先端がレジストレーションセンサ２１４を通過した時に出力される紙有無情報２１１をセンサ検知部２０７が検知したタイミング、を基準として記録材の位置を把握することができる。

本実施例の画像形成装置１０１は、定着器１１０に内包されるヒータ１１１が目標温度になるよう制御する時、ＰＩＤ制御を用いている。図３を用いて、本実施例におけるＰＩＤ制御のゲイン変更のタイミングについて説明する。ここで、図３は２枚の記録材をプリントする動作を示している。

図３（ａ）に比較例のタイミングチャートを示す。プリントを開始すると定着器１１０の目標温度は通紙前温度に設定され、その後、定着器１１０の温度がある程度まで上昇した時点で記録材が給紙される。給紙された１枚目の記録材は搬送部により搬送され、記録材の先端がレジストレーションセンサ（以下、レジセンサ）Ｓ１に到達（ｔ１）し、その時点で目標温度は通紙前温度から１枚目の通紙時温度に変更される。さらに１枚目の記録材は搬送され、定着器１１０に到達したタイミング（ｔ２）でＰＩＤ制御の制御ゲインが、制限されていない状態の第１の制御ゲインから制限された状態の第２の制御ゲインに切り替わる（ゲインの値としては小さくなる）。目標温度が１枚目の通紙時温度に制御されている定着器１１０に記録材が突入すると、一時的に定着器の熱が記録材に奪われて定着器の温度が低下する。この温度低下を温度検知素子５が検知することでヒータ１１１へ供給される電力が増加し、ヒータ１１１の温度が１枚目の通紙時温度に戻るように制御される。ヒータ１１１へ供給される電力が増加する時の制御ゲインが制限状態（第２の制御ゲイン）に切り替わっているため、制御ゲインが制限されていない状態（第１の制御ゲインの状態）と比較するとヒータ１１１へ急激に大きな電力が供給されることはない。ここで一般的に、定着器への投入電力（ヒータへの供給電力）が急激に変化するとフリッカ値が悪化する。そのため、ｔ２のタイミングで制御ゲインを第２の制御ゲインに切り替えて制限することで投入電力の変化を緩やかにし、フリッカ値の悪化を低減している。さらにその後、１枚目の記録材の後端がレジセンサＳ１を通過（ｔ３）し、続いて給紙搬送された２枚目の記録材の先端がレジセンサＳ１に到達した（ｔ４）時点で目標温度は２枚目の通紙時温度に変更される。２枚目の記録材の先端は（ｔ５）のタイミングで定着器に到達し、（ｔ６）のタイミングで後端がレジセンサＳ１を通過する。記録材の後端が定着器を通過したタイミング（センサＳ２を通過したタイミング）（ｔ７）でヒータ１１１の制御はＯＦＦになりプリントは完了する。
比較例の制御の場合、制御ゲインを低い値に変更した後に定着器の温度がトナー像の定着に適した目標温度に到達すれば、フリッカを抑えられる。しかしながら、定着器の温度がトナー像の定着に適した目標温度に到達するタイミングは必ずしも一定ではない。比較例の制御では、制御ゲインを変更するタイミングｔ２が固定されているので、制御ゲインを低い値に変更するタイミングｔ２よりも前に定着器の温度が目標温度近辺に到達する可能性が有る。この場合、制御ゲインが高い状態であるにも拘らず定着器に入力する電力が大きく変動する可能性がある期間が生じる。その結果、フリッカが悪化してしまう。

図３（ｂ）に実施例１のタイミングチャートを示す。プリントを開始すると、定着部としての定着器１１０の目標温度は通紙前温度に設定され、その後、定着器１１０の温度がある程度まで上昇した時点で記録材が給紙される。給紙された記録材は搬送部により搬送され、記録材の先端がレジセンサＳ１に到達（ｔ１０）し、その時点で目標温度は通紙前温度から１枚目の通紙時温度に変更される。ここまでは比較例と同じである。本実施例では、所定の条件が成立した段階、具体的には、一枚目の通紙時温度（目標温度）と定着器の現在温度の差分をΔＴとし、ΔＴが所定の閾値Ｔｔｈを下回った段階で制御ゲインを第２の制御ゲインに切り替えるようにする。これにより、第１の制御ゲインから第２の制御ゲインに切り替わるタイミングが可変になり、制御ゲインを低い値に変更するタイミングよりも前に定着器の温度が目標温度近辺に到達する状況をなくすことができる。図３（ｂ）に示したケースにおいては、図３（ａ）のケースよりも長い期間、制御ゲインが制限された状態を確保することができる。その結果として比較例よりもフリッカ値の悪化をより低減することが可能となる。なお、上述のＰＩＤ制御の制御ゲインを制限することとは、Ｐ，Ｉ，Ｄ制御それぞれの制御ゲインについて、少なくとも１つを制限するものとする。

以上説明したように、実施例１では、ＰＩＤ制御の制御ゲインを制限状態にするタイミングを目標温度と、定着器の現在温度との関係から決定することで、制限ゲインを制限するタイミングを可変にしている。これによりフリッカ値の悪化を低減することが可能となる。

実施例２は、実施例１に加えて、コントローラが画像形成装置に対して指定する、記録材に形成する画像の印字率の情報に応じて、制御ゲインの制限を開始するタイミングを変更する例である。
制御ブロックについて実施例１と同じ図２を用い、実施例２で行われる制御や判断について説明する。画像形成を行う際、コントローラ２１３は、ユーザがドライバソフト上で選択した画像サイズや記録材のタイプ（厚さや表面性など）に基づき画像形成装置１０１の制御部２０２へ記録材情報を送信する。さらにコントローラ２１３は、ユーザが画像形成開始を確定させたことをもって、ユーザが画像形成しようとする画像に基づき、印字率情報２１０を制御部２０２へ送信する。本実施例の画像形成装置はモノクロ機なので、コントローラ２１３は印字率情報２１０として、０〜１００％の中の何れかを指定する。カラー機であれば、０〜４００％の中の何れかを指定する（但し、ＹＭＣＫ各々は最大１００％）。制御部２０２は送信された記録材情報に基づいて通紙前温度や通紙時温度、給紙タイミングを決定するが、さらに印字率情報２１０に基づき、定着器の目標温度や給紙タイミングを適切に調整することがある。

図４を用いて、実施例２における制御や判断のタイミングについて説明する。コントローラ２１３は画像形成を開始する前に、記録材情報を画像形成装置１０１に送信する。画像形成装置１０１は送信された記録材情報に基づき目標温度として通紙前温度（前回転温度）を設定し、画像形成を開始する（ｔ２０）。前回転とは、記録材が定着器へ到達するまでの、ヒータ１１１を発熱させた状態のフィルム１や加圧ローラ６の回転のことである。画像形成開始時点でのＰＩＤ制御の制御ゲインは制限なし状態で、実施例１と同様に第
１の制御ゲインとする。画像形成開始後、定着器の温度が前回転中の目標温度（＜通紙時温度）に到達（ｔ２１）した以降は、レーザスキャナユニット１０８などの他のデバイスの準備状況に応じて給紙可能となる。ここではｔ２２のタイミングで給紙を行うものとする。ここで、コントローラは画像形成装置１０１に対し、給紙タイミングｔ２２までに印字率情報を送信する。画像形成装置１０１は記録材がレジセンサＳ１に到達し、目標温度を１枚目の通紙時温度に設定する（ｔ２３）までに、送信された印字率情報に基づいて高印字、中印字、低印字のいずれかの印字率モードを内部的に決定する。さらに印字率モードに基づいて１枚目の通紙時温度を調整するか否かを決定しておく。その後、一枚目の通紙時（定着処理時）の目標温度と定着器の現在温度との差分ΔＴが所定の閾値Ｔｔｈを下回った段階（ｔ２４）で制御ゲインを前述の第１の制御ゲインから制限された値である第２の制御ゲインに切り替える。

この時、所定の閾値Ｔｔｈは送信された印字率情報に基づいて決定される。印字率情報と、閾値Ｔｔｈの関係を図５に示す。具体的には、印字率が高いほど定着器の温度がより目標温度に近づいてからＰＩＤ制御のゲインを制限状態に設定するように閾値Ｔｔｈを決めている。従って、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３という関係になっている。すなわち、記録材に形成された画像の印字率が高いほど、所定の閾値Ｔｔｈが低く設定されていることになる。なお、このように設定する理由は、記録材に形成された画像の印字率が高いほど記録材が定着器に突入した際の定着器の温度変動が大きくなるからである。このように設定することにより、印字率モードに応じた適切なタイミングで制御ゲインを変更できる。印字率モードに応じたタイミングでの制御ゲインの切り替え以降は実施例１と同様であり、１枚目、２枚目のプリントを実施し、プリントが終了する（ｔ２５〜ｔ２８）。

ここで、印字率の指定方法としては、上述の方法ではなく、コントローラが印字率情報を送信する際に予め決めておいたアルゴリズムに従い自ら印字率モードの判定を行って、印字率モードを画像形成装置に送信する方法を用いても良い。

実施例３は、実施例１に加えて、画像の印字率に基づいて制御ゲインの制限量を変更する例である。なお、２枚の記録材に連続的に印字率が異なる画像を形成する場合を想定して説明する。

図６を用いて、実施例３における制御や判断のタイミングについて説明する。コントローラは画像形成を開始する前に、記録材情報を画像形成装置１０１に送信する。画像形成装置１０１は送信された記録材情報に基づき目標温度として通紙前温度を設定し、画像形成を開始する。画像形成開始時点でのＰＩＤ制御の制御ゲインは制限なし状態で、実施例１と同様に第１の制御ゲインとする。ここで、コントローラは画像形成装置１０１に対し、給紙タイミングまでに第１の記録材に対応した第１の印字率情報を送信する。画像形成装置は１枚目の第１の記録材がレジセンサＳ１に到達し、目標温度を１枚目の通紙時温度（第１目標温度）に設定する（ｔ３０）までに、送信された第１の印字率情報に基づいて高印字、中印字、低印字のいずれかの印字率モードを内部的に決定する。

その後、目標温度と定着器の現在温度との差分ΔＴが閾値Ｔｔｈを下回った段階（ｔ３１）で制御ゲインを制限された値に切り替える。この時、制御ゲインは第１の制御ゲインから制限状態１としての後述の第３の制御ゲインに変更される。第１の制御ゲインをＫｒｅｆとすると、制限状態１で使用される第３の制御ゲインは１枚目の記録材の印字率モードに応じて決定された制御ゲインＫ１である。その後、２枚目の第２の記録材がレジセンサＳ１に到達するタイミング（ｔ３３）までに、コントローラは２枚目の記録材に対する第２の印字率情報を送信する。そして、１枚目と同様に画像形成装置は、目標温度を２枚目の通紙時温度（第２目標温度）を設定する（ｔ３４）までに、送信された第２の印字率
情報に基づいて印字率モードを内部的に決定する。なお、印字率モードは、高印字、中印字、低印字の３種類のモードの中から選択する。その後、制御ゲインは制限状態１の第３の制御ゲインから制限状態２としての後述の第４の制御ゲインに変更される。制限状態２で使用される第４の制御ゲインは２枚目の記録材の印字率モードに応じて決定された制御ゲインＫ２である。ここで、Ｋ１およびＫ２は印字率モードによって決まり、Ｋｒｅｆよりは小さい値となるものの、印字率が高いほど大きい値に設定される。これは、印字率が高い画像の方が定着に要する熱量が大きいため定着器の熱を奪い、結果として温度変動が大きくなることに対応するためである。これによりコントローラから画像形成装置に送信された印字率情報に応じて適切な制限時のＰＩＤ制御ゲインを設定することができる。

２枚目の通紙時温度が１枚目の通紙時温度と同じ場合、すなわち、第１の記録材が定着器を通過した後も、第２の記録材に形成された画像を加熱するために必要な温度が維持されている場合は、制御ゲインを切り替えるタイミングを、以下のようにしてもよい。すなわち、定着器の現在温度によらず、２枚目の記録材が定着器に到達するタイミング（ｔ３４）の時点で制御ゲインを第３の制御ゲインから第４の制御ゲインに切り替えて、制限状態１から制限状態２に切り替えても良い。しかし、２枚目の通紙時温度が１枚目の通紙時温度と異なる場合は前述したのと同様に、目標温度と定着器の現在温度の差分ΔＴが閾値Ｔｔｈを下回った段階で制御ゲインを制限状態１から制限状態２に切り替えるようにする。
尚、これまでの実施例１〜３においてＰＩＤ制御のゲイン制限のタイミング、ゲイン制限の量について述べた。これらは単独で適用しても、複合して適用しても良いものとする。

以上説明したように、実施例３では、ＰＩＤゲインの制限状態において使用される制御ゲインの値を印字率情報から決定することで、フリッカ値の悪化を低減することが可能となる。
なお、上述した実施例１〜３では、ヒータ１１１の温度を定着器１１０の温度と見なしているが、フィルム１の温度を定着器１１０の温度と見なしてもよい。

１０１…画像形成装置、１０４…感光ドラム、１０５…帯電ローラ、１０６…現像器、１０７…転写ローラ、１０８…レーザスキャナユニット、１１０…定着器、１１１…ヒータ

Claims (5)

1. 記録材に画像を形成する画像形成部と、
   ヒータを備え、前記ヒータの熱を利用して記録材に形成された画像を記録材に定着する定着部と、
   前記定着部の温度を検知する温度検知素子と、
   前記温度検知素子が検知した前記温度が目標温度となるようにＰＩＤ制御を用いて前記ヒータに供給する電力を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、記録材が前記定着部へ向かって搬送されている時、前記温度検知素子が検知した前記温度と、前記目標温度と、の差分が所定の閾値を下回ったタイミングで前記ＰＩＤ制御の制御ゲインを第１の制御ゲインから前記第１の制御ゲインよりも小さい第２の制御ゲインへ切り替えることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記所定の閾値は、記録材に形成する画像の印字率が高いほど、低く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記制御ゲインは、記録材に形成する画像の印字率が高いほど、高く設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 前記定着部は、筒状のフィルムを有し、前記ヒータは前記フィルムの内面に接触していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
5. 前記温度検知素子は前記ヒータの温度を検知していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像形成装置。

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