JP3347456B2 - 電力制御装置及び定着装置 - Google Patents

電力制御装置及び定着装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、複写機、ファ
クシミリ、レーザビームプリンタ等の画像形成装置の定
着器に供給する電力を、供給電源の波数を変更すること
によって制御する電力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、複写機等の画像形成装置の定着器
は、一般に、ヒータを備え、画像形成部において転写材
（例えば紙）上に転写されたトナーを、ヒータの加熱に
よって転写材上に溶融固着する。
【０００３】このような定着器は、ヒータに対する電力
の供給を制御することによってヒータの温度を所定温度
に維持する電力制御装置を備えている。この電力制御装
置は、例えば商用電源をＯＮ、ＯＦＦするトライアック
を備え、さらにそのトライアックを商用電源のゼロクロ
ス付近でそれに非同期でＯＮ、ＯＦＦするトリガ手段を
備え、このトリガ手段が発するトリガ出力信号のＯＮデ
ューティを適宜に変更することによって電力を制御す
る、いわゆるＰＷＭを行っている。これにより、ヒータ
に供給する波数制御を行い、ヒータの温度をトナー定着
に好適な目標温度に保持するようにしている。
【０００４】図８に、トリガ出力信号のＯＮデューティ
を変更して、電力を制御するＰＷＭ出力パターンを示
す。同図では、所定時間（１４０ｍsec ）内に１回のＯ
Ｎ、ＯＦＦを行うようにし、また最少デューティ幅を１
０ｍsec に設定している。レベル１からレベル１３まで
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。
【０００５】上述の従来例では、特に商用電源のゼロク
ロスに同期するような制御は行っていないが、この他の
電力制御装置として、商用電源のゼロクロスを検知し、
この検知に基づいて位相角を決定する、いわゆる位相制
御を行うことによって、電力を制御するようにしたもの
も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の電力制御装置では、例えば、熱容量の小さい定着
フィルムを利用した定着器の温度制御を良好に行うこと
が困難であった。定着フィルムを備えた定着器を簡単に
説明すると、このものは、耐熱性フィルムをエンドレス
に構成して定着フィルムとし、定着フィルムの内側に配
置したヒータと外側に配置した加圧ローラとの間で定着
フィルムを挟持搬送する。さらに、定着フィルムと加圧
ローラとの間の定着ニップ部に転写材を挿通し、このと
き、ヒータの熱エネルギーを定着フィルムを介して転写
材上のトナーに付与することにより、トナーを溶融し転
写材上に固着させるものである。定着フィルムを利用し
た定着器の特徴は、温度上昇を速やかにおこうために、
加熱体及び定着フィルムの熱容量が小さく（抵抗値が小
さく）設定されていることである。このような定着器に
対する従来の電力制御では、次のような問題点があっ
た。 （１）定着器の熱容量が小さいために、比較的短い時間
（例えば従来は７Ｈｚ程度）で定着器の温度状態をサン
プリングしＰＷＭフィードバック制御しなければなら
ず、上述構成のように加熱体の抵抗値が小さく、しかも
定着器置に接続される商用電源のラインインピーダンス
が高いような場合には、上述のＰＷＭ周期（例えば従来
７Ｈｚ程度）の人間が目視できるフリッカーが発生する
おそれがあった。 （２）トライアックを商用電源のゼロクロスに非同期で
トリガする構成のために、周波数が変動した場合、及び
周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚとの間で変更された場合
に、前述のように、トリガ出力信号の最少デューティ幅
が常に固定されている（上述では１０ｍsec ）と、商用
電源に対する半波のＯＮあるいはＯＦＦが行えない場合
が発生する。 （３）トライアックを商用電源のゼロクロスに非同期で
トリガする構成のために、前述トリガ手段により前述ト
ライアックをトリガできない場合があった。 （４）トリガ出力信号のＯＮデューティを変えて電力を
制御するＰＷＭ構成で定着器温度を目標温度に保持する
ようにしているために、定着器温度にはＰＷＭ周期（上
述では７Ｈｚ程度）の温度リップルが発生し、定着むら
による画質の低下が発生した。 （５）フリッカーレベルを改善するために位相制御を行
うと、端子ノイズ対策手段や、ゼロクロス検出を追加し
なければならず、部品点数が増加するなどして、全体構
成が複雑になる。 （６）一般に、入力電圧変動等の変化が生じたときにの
み、制御結果値の微分量により、そのときに出力する出
力波数を変化させていたので、入力電圧が変動した後、
その変動後の値で固定されてしまうと、制御結果値が不
安定になりハンチングを起こす可能性があった。
【０００７】そこで、本発明は、上述の問題を解決する
ようにした電力制御装置を提供することを目的とするも
のである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
ヒータ（例えば、図１のＲ３）に対する商用電源（例え
ば、図１の１）の供給電力を制御する電力制御装置にお
いて、前記ヒータの温度を検出する温度検出手段（例え
ば、図１のＴＨ）と、所定時間における前記温度検出手
段の検出温度の積分量に基づいてバイアス波数（例え
ば、Ｙ ｂ ）を決定するバイアス波数決定手段（例えば、
図２のＳ９、段落番号００２０の前半）と、前記温度検
出手段によって検出される温度が前記所定温度より大き
く、かつ前記温度検出手段によって検出される温度の変
化量が所定変化量よりも大きいとき、及び前記温度検出
手段によって検出される温度が前記所定温度より小さ
く、かつ前記温度検出手段によって検出される温度の変
化量が所定変化量よりも小さいとき、前記バイアス波数
決定手段によって決定されたバイアス波数を補正して補
正バイアス波数（例えば、Ｙ ｂｎ ）を得るバイアス波数
可変手段（例えば、図２のＳ９、段落番号００２０の後
半）と、前記温度検出手段によって検出される温度と前
記所定温度との差（例えば、ｅ）、及び前記決定された
バイアス波数又は前記補正バイアス波数に基づいて、前
記ヒータに通電すべき交流の波数（例えば、Ｙ ０ ）を決
定する波数決定手段とを有することを特徴とする。 請求
項２に係る発明は、請求項１に記載された電力制御装置
によって制御されるヒータを含む画像形成装置の定着装
置であって、耐熱性フィルムをエンドレスに構成して定
着フィルムとし、定着フィルムの内側に配置した前記ヒ
ータと外側に配置した加圧ローラとの間で定着フィルム
を挟持搬送するとともに、定着フィルムと加圧ローラと
の間の定着ニップ部に転写材を挿通し、このとき、ヒー
タの熱エネルギーを定着フィルムを介して転写材上のト
ナーに付与することにより、トナーを溶融し転写材上に
固着させることを特徴とする定着装置である。
【０００９】
【作用】以上構成に基づき、所定時間内において、例え
ば１回のＯＮデューティを変更するのではなく、ＯＮ、
ＯＦＦを可及的多数回繰り返すので、フリッカーやリッ
プルが発生するレベル以上にＯＮ、ＯＦＦ周波数を上げ
ることができる。
【００１０】また、商用電源の周波数の応答してトリガ
出力最少時間を変更するので、ゼロクロスに同期させる
ことなく商用電源を半波単位で制御することができる。
【００１１】さらに、制御対象の制御目標値と制御結果
値との偏差量によって、トリガ手段の出力開始タイミン
グを、商用電源のゼロクロスタイミングに合わせること
ができる。
【００１２】加えて所定時間毎に、微分量に基づいてバ
イアス波数を変更することにより、入力電圧が変動した
場合であっても、制御結果値を安定させることができ
る。
【００１３】
【実施例】以下、図面に沿って、本発明の実施例につい
て説明する。
【００１４】図１に、本発明に係る電力制御装置の一例
として、電力制御装置を複写機等の定着器の制御装置に
適用した場合のシステム構成図を示す。
【００１５】同図において、商用電源１から入力された
電圧をトランスＴ１により変圧し、この変圧した電圧に
よりダイオードＤ１を介してホールドコンデンサＣ１を
充電する。このホールドコンデンサＣ１電圧をＣＰＵ１
のＡ／Ｄ入力ポートに接続して、前述の商用電源１から
入力される入力商用電源電圧を監視する。スイッチＳＷ
１は、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ切り替えスイッチで、本実施
例ではスイッチＳＷ１をＯＮすることで５０Ｈｚ、また
ＯＦＦすることで６０Ｈｚに対応するようになってい
る。
【００１６】熱定着手段（以下「定着器」という。）２
は、セラミックヒータＲ３によって構成された加熱体を
有し、検出手段としてのサーミスタＴＨによって温度検
出が行われる。サーミスタＴＨは、上述のＣＰＵ１のＡ
／Ｄ入力ポートに接続されており、ＣＰＵ１は、このサ
ーミスタＴＨを介して上述の定着器２の温度状態を監視
する。セラミックヒータＲ３に対する商用電源１からの
電力は、ＦＳＲＤ信号がＨレベルのときに供給開始さ
れ、一方、ＦＳＲＤ信号がＬレベルのときに供給停止さ
れる。すなわち、ＦＳＲＤ信号がＨレベルのときは、Ｃ
ＰＵ１を介してトランジスタＱ１がＯＮされ、そのコレ
クタ出力によりフォトトライアックＰＣ１がＯＮされ、
さらにトライアックＱ２のゲートがＯＮさせて、商用電
源１はゼロクロス付近のタイミングでトリガされてセラ
ミックヒータＲ３に対する商用電力の供給を開始する。
一方、前記ＦＳＲＤ信号がＬレベルのときは、それぞれ
反対に、トランジスタＱ１がＯＦＦ、コレクタ出力によ
りフォトトライアックＰＣ１がＯＦＦ、トライアックＱ
２のゲートがＯＦＦさせて、ゼロクロス付近のタイミン
グでトリガされてセラミックヒータＲ３に対する商用電
力の供給が停止される構成になっている。
【００１７】また、本実施例においては、前述のサーミ
スタＴＨの電圧値ＶTHと制御目標電圧値Ｖ0 との偏差量
ｅ（＝Ｖ0 −ＶTH）に応答して決定される出力波数と、
上述の偏差量ｅの所定時間Ｔi 当たりの積分量ｉ（＝ｅ
×Ｔi ）に応答して決定されるバイアス波数と、上述の
サーミスタＴＨの電圧値ＶTHの時間ＴS 当たりの微分量
ｄ（＝ＶTHn −ＶTH(n-1) ）に応答して決定されるバイ
アス波数との関係をもとに、商用電源１によって所定時
間ＴS 毎にセラミックヒータＲ３（制御対象）に付与す
る商用電源波数を決定し、かつその決定に基づいて前述
のＦＳＲＤ信号のＯＮ及びＯＦＦを行う波数制御は、Ｃ
ＰＵ１によって処理する。なお、以下においては、上述
の偏差量ｅから出力波数を決定する動作を「Ｐ動作」、
積分量ｉからバイアス波数を決定する動作を「Ｉ動
作」、微分量ｄからバイアス波数を決定する動作を「Ｄ
動作」といい、また、これらの動作をまとめて「ＰＩＤ
動作」というものとする。
【００１８】図２に、上述のＰＩＤ動作のフローチャー
トを示し、また、図３に制御結果のサーミスタ電圧値Ｖ
THとサンプリングの関係を示す。
【００１９】本実施例においては、ＰＩＤ動作を１００
Ｖ／１２０Ｖ仕様で行った場合について説明する。Ｓ１
で制御開始の監視を行う。制御停止状態であればＳ１１
に遷移し、後述する制御カウンタＣＴ＿ＣＮＴＲをリセ
ットしＳ１へ戻る。一方、制御開始状態であればＳ２に
遷移し、制御カウンタＣＴ＿ＣＮＴＲのデータを参照す
る。Ｓ２で制御カウンタＣＴ＿ＣＮＴＲのデータが
「０」ならば定着器２立ち上げ初期設定と判断してＳ３
へ、また「１」ならば定着器２立ち上げ制御と判断して
Ｓ５へ、そして「２」ならば定着器２定常制御（ＰＩＤ
動作）と判断してＳ９へ遷移する。Ｓ３では、図１に示
すホールドコンデンサＣ１電圧を参照して、商用電源電
圧が変化しても、セラミックヒータＲ３に与える電力は
一定になるような出力波数レベルＹi を図９の表に示す
ように選択して、Ｓ４で制御カウンタＣＴ＿ＣＮＴＲ＝
１にしてＳ１へ戻る。Ｓ５ではサーミスタ電圧値ＶTHを
監視して、目標電圧値Ｖ0 との関係が、ＶTH＞Ｖ0 なら
ばＳ８へ、ＶTH≦Ｖ0 ならばＳ６へ遷移する。Ｓ８では
定着器２立ち上げ制御を行うために、Ｓ３で選択した出
力波数レベルＹi を前述ＦＳＲＤ信号から出力する。Ｓ
６で定着器２立ち上げ制御を終了したと判断して、定着
器定常制御（ＰＩＤ動作）へ移行するために制御カウン
タＣＴ＿ＣＮＴＲ＝２にしてＳ７へ遷移して、上述のＳ
３でのホールドコンデンサＣ１の電圧値により、商用電
源電圧に対応したバイアス波数レベルＹbを図１０の表
に示すように選択してＳ１へ戻る。Ｓ９では定着器定常
制御（ＰＩＤ動作）を行うために所定時間ＴS 毎にサー
ミスタ電圧値ＶTHを監視してＰ動作、Ｉ動作及びＤ動作
による波数の算出を行う。初めにＩ動作により、前述の
積分量ｉからバイアス波数レベルＹb を以下の式に基づ
いてアップデートする。
【００２０】Ｙb ＝Ｋi ×ｉ×Ｙb(n-1)［ただし、Ｋ
i ：Ｉ動作ゲイン］ 次に、前述の偏差量ｅが、偏差量ｅ≧０で微分量ｄ≦０
のとき、及び偏差量ｅ＜０で微分量ｄ＞０のときに、Ｄ
動作により、微分量ｄから、上述Ｉ動作でアップデート
したバイアス波数レベルＹb を以下の式に基づいてバイ
アス波数可変手段（不図示）によってアップデートす
る。
【００２１】 Ｙbn＝Ｋd ×ｄ×Ｙb ［ただし、Ｋd ：Ｄ動作ゲイン］ 最後にＰ動作により、前述Ｉ動作及びＤ動作で決定され
たバイアス波数レベルＹbnに対して上述の偏差量ｅから
出力波数レベルＹ0 を以下の式に基づいて算出する。
【００２２】Ｙ0 ＝Ｋp ×ｅ×Ｙbn ＝（Ｋp ×ｅ）×（Ｋi ×ｉ）×（Ｋd ×ｄ）×Ｙ
b(n-1) ［ただし、Ｋp ：Ｐ動作ゲイン］ 次にＳ１２では、偏差量ｅが｜ｅ｜≧ｅTHのときは、図
１の商用電源１のゼロクロスタイミング付近のトライア
ックＱ２のトリガタイミングと、ＦＳＲＤ信号のトリガ
タイミングとのずれが発生したと判断して、ＦＳＲＤ信
号の出力開始タイミングをずらしてＦＳＲＤ信号出力位
相を変える。具体的にＣＰＵ１内部のトリガ出力開始タ
イミング可変手段（不図示）のタイマでウエイト時間を
生成してＦＳＲＤ信号の出力開始の位相を遅らせる。
【００２３】これに対し、｜ｅ｜＜ｅTHのときは、トラ
イアックＱ２のトリガタイミングとＦＳＲＤ信号のトリ
ガタイミングとのずれが大きくないと判断して、ＦＳＲ
Ｄ信号出力位相は変えない。ここで、ｅTHの値は、入力
商用電圧一定で、かつトライアックＱ２のトリガタイミ
ングと、ＦＳＲＤ信号のトリガタイミングとがずれてい
ない通常の状態で発生する偏差より大きく設定してい
る。Ｓ１２の関係を図４に示す。Ｓ１０では定着器定常
制御を行うために、Ｓ９で算出した出力波数レベルＹ0
を、Ｓ１２で処理した位相で、ＦＳＲＤ信号から出力す
る。
【００２４】上述の出力波数レベルＹi 、Ｙ0 はＣＰＵ
１内部で、図５、図６、図７に示すパターンに変換して
ＦＳＲＤ信号から出力を行う。図５、図６、図７では５
０Ｈｚ／６０Ｈｚ兼用パターン出力としてトリガ出力最
少時間を９．０９ｍsec にした場合を示した。また、図
１におけるスイッチＳＷ１のＯＮで５０Ｈｚを検知して
トリガ出力最少時間を１０ｍsec とし、そして、スイッ
チＳＷ１のＯＦＦで６０Ｈｚを検知してトリガ出力最少
時間を８．３３ｍsec として、周波数に応じて前記トリ
ガ出力最少時間を変えることも可能である。これを行う
のがトリガ出力最少時間可変手段（不図示）である。さ
らに、出力波数レベルＹi 、Ｙ0 をＬＥＶＥＬ０からＬ
ＥＶＥＬ１４までの１５段階備えており、かつＯＮ／Ｏ
ＦＦの切り替え回数は、例えば本実施例ではリミット値
は８、すべてのＬＥＶＥＬ（ＬＥＶＥＬ０は常時
「Ｌ」、ＬＥＶＥＬ１４は常時「Ｈ」）において８回以
下になるようにトリガ信号出力手段（不図示）によって
設定し、かつＬＥＶＥＬｎ（ｎ＝０〜１４）のときのセ
ラミックヒータＲ３へ付与する単位時間当たりの電力
が、 Ｗ＝｛（商用電源電圧）2 ÷Ｒ３｝×（ｎ／１４） になるようにＯＮ時間を設定している。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
周波数によるトリガ出力最少時間の最適化、出力信号の
位相補正、Ｄ動作によるバイアス波数の操作、そして出
力パターンのＯＮ、ＯＦＦ切り替え回数のリミット値設
定等を行うことにより、以下のような効果がある。 （１）出力パターンを２０Ｈｚから３０Ｈｚ程度に上げ
ることにより、例えば、加熱体の抵抗値が小さく、かつ
商用電源ラインインピーダンスが高いような場合でも、
人間が目視しにくいレベルまでフリッカーを低減でき
る。 （２）トライアック出力信号の位相補正を行うことによ
り、トライアックを商用電源のゼロクロスに非同期トリ
ガする構成でも、精度の高い半波のＯＮ、あるいはＯＦ
Ｆが行える。 （３）トライアック出力信号の位相補正を行うことによ
り、周波数変動が生じても、精度の高い半波のＯＮ、あ
るいはＯＦＦが行える。 （４）出力パターンを２０Ｈｚから３０Ｈｚ程度に上げ
ることにより、温度リップルが低減し、画質品質の向上
を実現できる。 （５）ゼロクロス検知手段を追加することなしに、フリ
ッカーレベルを改善できるため、部品点数増、及びコス
トアップは発生しない。 （６）Ｄ動作によるバイアス波数の操作を行うことによ
り、入力電圧が急変してその状態を保持してしまって
も、制御結果値はハンチングを起こさず安定化させるこ
とができる。 （７）出力パターンを２０Ｈｚから３０Ｈｚ程度に上げ
ても出力パターンの中でＯＮ、ＯＦＦ切り替え回数を規
定することにより、端子ノイズに対しても有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力制御装置のシステム構成を示
す概略図。
【図２】電力制御装置の動作を示すフローチャート。
【図３】サーミスタ電圧とサンプリングとの関係を示す
図。
【図４】サーミスタ電圧とＦＳＲＤ信号と商用電源との
位相ずれについての説明図。
【図５】ＦＳＲＤ信号出力パターン（レベル１からレベ
ル５まで）と商用電源との関係を示す図。
【図６】ＦＳＲＤ信号出力パターン（レベル６からレベ
ル１０まで）と商用電源との関係を示す図。
【図７】ＦＳＲＤ信号出力パターン（レベル１１からレ
ベル１３まで）と商用電源との関係を示す図。
【図８】従来のＦＳＲＤ信号出力パターンを示す図。
【図９】入力商用電源と出力波数レベルＹi との関係を
示す図。
【図１０】入力商用電源とバイアス波数レベルＹb との
関係を示す図。
【符号の説明】
１ 商用電源 ２ 制御対象（熱定着手段、定着器） ３ トリガ手段 ＣＰＵ１ トリガ出力最少時間可変手段、トリガ出力
開始タイミング可変手段、バイアス波数可変手段、トリ
ガ信号出力手段 ｄ 微分量 ｅTH 偏差量 ｉ 積分量 Ｑ2 トライアック Ｔi 所定時間 ＴＨ 検出手段（サーミスタ） Ｖ0 目標電圧値 ＶTH 制御結果値（サーミスタ電圧）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高澤 浩 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 梨子田 安昌 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 南部 朋子 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−295315（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−150279（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−44386（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−38521（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−128516（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05F 1/45 G03G 15/20 G05D 23/19 G03G 21/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ヒータに対する商用電源の供給電力を制
    御する電力制御装置において、 前記ヒータの温度を検出する温度検出手段と、 所定時間における前記温度検出手段の検出温度の積分量
    に基づいてバイアス波数を決定するバイアス波数決定手
    段と、 前記温度検出手段によって検出される温度が前記所定温
    度より大きく、かつ前記温度検出手段によって検出され
    る温度の変化量が所定変化量よりも大きいとき、及び前
    記温度検出手段によって検出される温度が前記所定温度
    より小さく、かつ前記温度検出手段によって検出される
    温度の変化量が所定変化量よりも小さいとき、前記バイ
    アス波数決定手段によって決定されたバイアス波数を補
    正して補正バイアス波数を得るバイアス波数可変手段
    と、 前記温度検出手段によって検出される温度と前記所定温
    度との差、及び前記決定されたバイアス波数又は前記補
    正バイアス波数に基づいて、前記ヒータに通電すべき交
    流の波数を決定する波数決定手段とを有することを特徴
    とする電力制御装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載された電力制御装置によ
    って制御されるヒータを含む画像形成装置の定着装置で
    あって、 耐熱性フィルムをエンドレスに構成して定着フィルムと
    し、定着フィルムの内側に配置した前記ヒータと外側に
    配置した加圧ローラとの間で定着フィルムを挟持搬送す
    るとともに、定着フィルムと加圧ローラとの間の定着ニ
    ップ部に転写材を挿通し、このとき、ヒータの熱エネル
    ギーを定着フィルムを介して転写材上のトナーに付与す
    ることにより、トナーを溶融し転写材上に固着させるこ
    とを特徴とする定着装置。
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