JP4376080B2 - 発熱装置、定着装置、及び画像形成装置 - Google Patents

発熱装置、定着装置、及び画像形成装置 Download PDF

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本発明は、蓄電器の充電電力で発熱する発熱部材を備えている発熱装置、及び定着装置、並びにこの定着装置を備えた画像形成装置に関する。
電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置の発熱部材(定着ヒータ)について、商用電源からの電力供給に加えて、電気二重層コンデンサなどのキャパシタを使用した充電可能な補助電源を用いることによって、急速な立ち上がりを可能にすることで省電力効果を高めようとした技術が開示されている。
特開2002−184554公報
このような定着装置において、キャパシタからヒータへの通電は、MOSFETなどのスイッチング素子をオンにして行なう。しかしながら、ヒータの冷感時においてはスイッチング素子をオンにして通電が始まると、ヒータが冷えているために定格以上の大電流となる突入電流が生じる。そして、突入電流が流れている状態で電流をオフするとヒータのインダクタンス成分に起因して逆起電力を生じ、スイッチング素子などの回路に耐圧破壊が生じる恐れがあるという不具合がある。
これに対して、特許文献1においては、補助電源から補助発熱体に電力の供給を開始した時から一定時間経過したときに補助電源から補助発熱体への電力の供給を停止する技術が開示されている。しかし、その目的は、補助電源から補助発熱体に供給している電力量を調整しながら加熱部を加熱することにあり、逆起電力による耐圧破壊の防止を目的として補助電源から補助発熱体への電力の供給を維持しようとする構成ではない。
本発明は、発熱部材の突入電流に起因する逆起電力でスイッチング素子などの回路に耐圧破壊が生じるのを防止することである。
本発明は、蓄電器と、この蓄電器を充電する充電器と、発熱部材と、前記蓄電器の充電電力を前記発熱部材に放電して発熱させるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部からオン信号が出力され前記スイッチング素子オンされたときは、当該スイッチング素子のオンにより前記発熱部材に流れる突入電流による逆起電圧を防止する必要のある間だけ、前記制御部から出力されるオフ信号をキャンセルすることで、当該スイッチング素子をオンに維持する維持手段と、を備えている発熱装置である。
本発明は、トナー画像が形成された媒体を加圧及び加熱して前記トナー画像の定着を行なう定着部材と、商用電源から電力の供給を受けて発熱し前記定着部材を加熱する第1の発熱部材と、蓄電器と、商用電源から電力の供給を受けて前記蓄電器を充電する充電器と、前記蓄電器の充電電力の供給を受けて発熱し前記定着部材を加熱する第2の発熱部材と、前記蓄電器の充電電力を前記第2の発熱部材に放電して発熱させるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部からオン信号が出力され前記前記スイッチング素子オンされたときは、当該スイッチング素子のオンにより前記発熱部材に流れる突入電流による逆起電圧を防止する必要のある間だけ、前記制御部から出力されるオフ信号をキャンセルすることで、当該スイッチング素子をオンに維持する維持手段と、を備えている定着装置である。
本発明によれば、スイッチング素子をオンしたときは、スイッチング素子のオンにより発熱部材に流れる突入電流による逆起電圧を防止する間だけ当該スイッチング素子をオンに維持するので、発熱部材の突入電流に起因する逆起電力の発生を防止し、スイッチング素子などの回路に耐圧破壊が生じるのを防ぐことができる。
本発明を実施するための最良の一形態について説明する。
図1は、本実施の形態のデジタル複写機1の縦断面図である。このデジタル複写機1は、本発明の画像形成装置を実施するもので、いわゆる複合機である。すなわち、このデジタル複写機1は、複写機能と、これ以外の機能、例えば、プリンタ機能、ファクシミリ機能とを備えていて、図示しない操作部のアプリケーション切り替えキーの操作により、複写機能、プリンタ機能、ファクシミリ機能を順次に切り替えて選択することが可能である。これにより、複写機能の選択時には複写モードとなり、プリンタ機能の選択時にはプリントモードとなり、ファクシミリモードの選択時にはファクシミリモードとなる。
次に、このデジタル複写機1の概略構成及び複写モードの際の動作について説明する。図1において、自動原稿送り装置(以下ADFという)101において、原稿台102に画像面を上にして置かれた原稿は、図示しない操作部上のスタートキーが押下されると、給紙ローラ103、給送ベルト104によってコンタクトガラスからなる原稿台102上の所定の位置に給送される。ADF101は、一枚の原稿の給送完了毎に原稿枚数をカウントアップするカウント機能を有する。コンタクトガラス105上の原稿は、画像読取装置106によって画像情報が読み取られた後に、給送ベルト104、排送ローラ107によって排紙台108上に排出される。
原稿セット検知器109で原稿台102上に次の原稿が存在することが検知された場合には、同様に原稿台102上の一番下の原稿が給紙ローラ103、給送ベルト104によってコンタクトガラス105上の所定の位置に給送される。このコンタクトガラス105上の原稿は、画像読取装置106によって画像情報が読み取られた後に、給送ベルト104、排送ローラ107によって排紙台108上に排出される。ここに、給送ローラ3、給送ベルト4及び排送ローラ7は搬送モータによって駆動される。
第1給紙装置110、第2給紙装置111及び第3給紙装置112は、それぞれ選択されたときに、その積載された転写紙を給紙し、この転写紙は縦搬送ユニット116によって感光体117に当接する位置まで搬送される。感光体117は、例えば感光体ドラムが用いられていて、図示しないメインモータにより回転駆動される。
画像読取装置106で原稿から読み取られた画像データは、図示しない画像処理装置で所定の画像処理が施された後、書き込みユニット118によって光情報に変換され、感光体ドラム117には図示しない帯電器により一様に帯電された後に書き込みユニット118からの光情報で露光されて静電潜像が形成される。この感光体ドラム117上の静電潜像は、現像装置119により現像されてトナー像となる。書き込みユニット118、感光体ドラム117、現像装置119や、その他の図示しない感光体ドラム117回りの周知の装置などにより、電子写真方式で用紙などの媒体に画像形成を行なうプリンタエンジンを構成している。
搬送ベルト120は、用紙搬送の手段及び転写の手段を兼ねていて電源から転写バイアスが印加され、縦搬送ユニット116からの転写紙を感光体ドラム117と等速で搬送しながら感光体ドラム117上のトナー像を転写紙に転写する。この転写紙は、定着装置121によりトナー像が定着され、排紙ユニット122により排紙トレイ123に排出される。感光体ドラム117は、トナー像転写後に図示しないクリーニング装置により残存トナーのクリーニングがなされる。
以上の動作は、通常のモードで用紙の片面に画像を複写するときの動作であるが、両面モードで転写紙の両面に画像を複写する場合には、各給紙トレイ113〜115のいずれかより給紙されて表面に上述のように画像が形成された転写紙は、排紙ユニット122により排紙トレイ123側ではなく、両面入紙搬送路124側に切り替えられ、反転ユニット125によりスイッチバックされて表裏が反転され、両面搬送ユニット126へ搬送される。
この両面搬送ユニット126へ搬送された転写紙は、両面搬送ユニット126により縦搬送ユニット116へ搬送され、縦搬送ユニット116により感光体ドラム117に当接する位置まで搬送され、感光体ドラム117上に上述と同様に形成されたトナー像が裏面に転写されて、定着装置121でトナー像が定着されることにより両面コピーとなる。この両面コピーは排紙ユニット122により排紙トレイ123に排出される。
また、転写紙を反転して排出する場合には、反転ユニット125によりスイッチバックされて表裏が反転された転写紙は、両面搬送ユニット126に搬送されずに反転排紙搬送路127を経て排紙ユニット122により排紙トレイ123に排出される。
プリントモードでは、前述の画像処理装置からの画像データの代りに、外部からの画像データが書き込みユニット118に入力されて、前述と同様に転写紙上に画像が形成される。
さらに、ファクシミリモードでは、画像読取装置106からの画像データが図示しないファクシミリ送受信部により相手に送信され、相手からの画像データがファクシミリ送受信部で受信されて前述の画像処理装置からの画像データの代りに書き込みユニット118に入力されることにより、前述と同様に転写紙上に画像が形成される。
また、このデジタル複写機1には、図示しない大量用紙供給装置(以下、LCTという)と、及びソート、穴あけ、ステイプルなどを行なうフィニッシャーと、原稿読み取りのためのモード、複写倍率の設定、給紙段の設定、フィニッシャー12で後処理の設定、オペレータに対する表示などを行なう操作部とを備えている。
次に、定着装置121の構成について図2を参照して説明する。図2に示すように、定着装置121は、本発明の発熱装置、定着装置を実施するもので、被加熱物である定着ローラ301に、シリコンゴム等の弾性部材からなる加圧ローラ302が、図示しない加圧手段により一定の加圧力で押し当てられている。定着部材と加圧部材は、一般的にローラ状である場合が多いが、例えば、いずれか一方又は両方を無端ベルト状に構成するようにしてもよい。この定着装置121には、ヒータHT1,HT2が任意の位置に設けられる。例えば、このヒータHT2,HT1は、定着ローラ301の内部に配置されていて、被加熱物である定着ローラ301を内側から加熱する。
定着ローラ301及び加圧ローラ302は、図示しない駆動機構により回転駆動される。温度センサ(サーミスタなど)TH11は、定着ローラ301の表面に当接され、定着ローラ301の表面温度(定着温度)を検出する。トナー306を担持した転写紙等の媒体であるシート307は、定着ローラ301と加圧ローラ302とのニップ部を通過する際に、定着ローラ301と加圧ローラ302による加熱及び加圧でトナー画像306が定着される。
第1の発熱部材である定着ヒータHT1は、定着ローラ301の基準となる所定の目標温度Ttに達していないときにONにされて、定着ローラ301を加熱する主たるヒータ(主ヒータ)である。第2の発熱部材である定着ヒータHT2は、本複写機1の主電源投入の時や、後述の省エネモードから復帰してコピー可能となるまでの立ち上げ時等、すなわち、定着装置121のウォームアップ時にONにされて、定着ローラ301を加熱する補助的なヒータ(補助ヒータ)である。
図3は、定着装置121を主とした本複写機1の電源制御系の構成を示す図である。図3に示す電源制御系は、AC電源(商用交流電源)PSの供給のON/OFFを行なう主電源SW201と、マイクロコンピュータを備え、電源回路200の各部その他を制御する制御装置となる制御部202と、定着ヒータHTの補助電源である蓄電器となるキャパシタCP1と、このキャパシタCP1を充電するための充電器となるキャパシタ充電器203と、本複写機1のDC電源を生成するDC電源生成回路204と、AC定着ヒータHTにAC電力を供給するACヒータ駆動回路205と、AC電源から入力される入力電流を検出する入力電流検出回路206と、インターロックスイッチ207と、キャパシタCP1の放電を行って、定着ヒータHTにDC電力を供給するキャパシタ充放電回路208と、を備えている。
AC電源PSは、主電源SW201および入力電流検出回路206を介して、ACヒータ駆動回路205と、DC電源生成回路204と、およびキャパシタ充電器203にAC電力を供給する。
制御部202は、主に電源回路200の各部を制御するものであり、キャパシタ充電器203、ACヒータ駆動回路205、およびキャパシタ充放電回路208の動作を制御する。具体的には、制御部202は、キャパシタ充電器203に制御信号S11を送出して、キャパシタ充電器203によるキャパシタCP1の充電動作を制御する。また、制御部202は、キャパシタ充放電回路208に、制御信号S13,S14を送出して、キャパシタ充放電回路208による定着ヒータHTのON/OFF動作を制御する。また、制御部202は、制御信号をACヒータ駆動回路205に送出して、ACヒータ駆動回路205による定着ヒータHTのON/OFF動作を制御する。
DC電源生成回路204は、主電源SW201を介して入力されるAC電源に基づいて、画像形成装置内部で主に制御系で使用される電源Vccと、主に駆動系、中高圧電源に使用される電源Vaaを生成して、各部に出力する。
インターロックスイッチ207は、図示しない本複写機1のカバー類と連動してON/OFFするスイッチであり、複写機1のカバー類が開放されることにより触れることができる駆動部材、中高圧電源印加部材を有する場合には、カバー開時に該駆動部材の動作を停止または該印加部材への電圧印加を停止するよう電源を遮断する構成となっている。インターロックスイッチ207には、DC電源生成回路204で生成された電源Vaaの一部が入力され、このインターロックスイッチ207を介して、キャパシタ充放電回路208およびACヒータ駆動回路205に入力される。
ACヒータ駆動回路205は、制御部202から入力される制御信号に応じて、AC定着ヒータHTのON/OFFを行なう。
キャパシタ充電器203は、キャパシタCP1と接続されており、制御部202から入力される制御信号に基づいて、キャパシタCP1の充電を行なう。
キャパシタCP1は、電気二重層コンデンサ等の大容量のキャパシタで構成されている。キャパシタCP1は、キャパシタ充電器203およびキャパシタ充放電回路208に接続されており、キャパシタ充電器203で充電が行われ、その充電された電力は、キャパシタ充放電回路208のON/OFF制御により定着ヒータHTに供給される。
キャパシタ充放電回路208は、制御部202から入力される制御信号に応じて、キャパシタCP1に蓄積された電力を放電させて、定着ヒータHTをON/OFFさせる。
上記サーミスタTH11は、定着ローラ151の近傍に設けられており、定着ローラ151の表面温度に応じた検出信号S16を制御部202に出力する。サーミスタTH11は、その抵抗値が温度により変化するため、制御部202は、その抵抗値の温度変化を利用して、検出信号から定着ローラ151の表面温度を検出する。
次に、キャパシタ充放電回路208について説明する。図4に示すように、キャパシタ充放電回路208は、安全のためのリレー401を備え、このリレー401を閉じることにより、MOSFETなどで構成されるスイッチング素子FETをオン、オフすることで、キャパシタCP1への通電をオン、オフすることができる。このスイッチング素子FETをオン、オフするオン信号、オフ信号は、制御部202(図3)のマイクロコンピュータから出力される。このオン信号(Hレベル信号)、オフ信号(Lレベル信号)は、本発明の特徴的な手段を実現する駆動回路402を介してスイッチング素子FETに入力する。この駆動回路402は、ヒータHTに流れる電流を検出する電流センサとなる検出抵抗Rがスイッチング素子FETのソースとGNDとの間に介装されている。この検出電流値は、コンパレータ403の非反転入力端子に入力され、所定の基準電圧Vrefと比較される。オン信号、オフ信号は、トランジスタTR1,TR2を介してスイッチング素子FETに入力され、ヒータHTに突入電流が流れて検出抵抗Rで基準電圧Vrefを超える高い電流を検出したときは、コンパレータ403の出力によりトランジスタTR3をオンして、制御部202のマイクロコンピュータから出力されるオフ信号を引き抜いてキャンセルする。
図5は、図4の回路のタイミングチャートである。マイクロコンピュータからオン信号が出力されて、トランジスタTR1,TR2がオンして、スイッチング素子FETがオンする(図5(a)(c)(e))。これにより、ヒータHT2に電流Iが流れて、検出抵抗Rの電圧"I×R"が基準値Vrefを越えるとき(図5(b))、すなわち、突入電流が流れたときは、程なくマイクロコンピュータからオフ信号が出力されても(制御部2は、サーミスタTH11の検出温度のみに基づいてキャパシタ充放電回路208を制御してスイッチング素子FETをオフするので、突入電流が高いタイミングでもオフ信号が出力される場合がある)(図5(a)(c))、トランジスタTR3がオンして(図5(d))オフ信号をキャンセルするので、検出抵抗Rの電圧I×Rが基準値Vrefを越える間はスイッチング素子FETは引き続いてオンの状態を維持し、ヒータHTに通電し続けるので、逆起電力の発生は防止される。
このようにして、スイッチング素子FETをオンしたときは、スイッチング素子FETのオンによりヒータHT2に流れる突入電流による逆起電圧を防止する間だけスイッチング素子FETをオフするオフ信号をキャンセルするので、逆起電圧によるスイッチング素子FETなどの回路の耐圧破壊を防止することができる。
図6は、突入電流が流れているときに電流をオフした場合の逆起電圧が発生している状態(a)と、突入電流がおさまっているときに電流をオフした場合の逆起電圧が発生している状態(b)とを比較するタイミングチャートである。逆起電圧が発生する場合(a)では、キャパシタCP1の放電の開始により、キャパシタCP1の電圧(キャパシタ電圧)が低下し、その放電電流に突入電流Itが発生する。このとき、スイッチング素子FETをオンするオン信号の時間が極短時間(T2)で、すぐにスイッチング素子FETをオフするオフ信号が出力されるときは、逆起電圧(図4のA点の電位)V2が発生する。
これに対し、逆起電圧が防止される場合(b)は、キャパシタCP1の放電の開始により、キャパシタCP1の電圧(キャパシタ電圧)が低下し、その放電電流に突入電流Itが発生する。このとき、スイッチング素子FETをオフするオフ信号がキャンセルされてスイッチング素子FETをオンするオン信号の時間が逆起電圧を防止する時間T1の間維持されると、その後、スイッチング素子FETをオフするオフ信号が出力されるときは、逆起電圧はV1にまで抑制される。
次に、これとは別の構成例について説明する。図7は、この別の構成例におけるキャパシタ充放電回路208の回路図である。図4と同一符号の回路要素などは図4のものと同様であるため、詳細な説明は省略する。図7の回路が図4の回路と相違する点は、駆動回路402が設けられておらず、オン信号、オフ信号は、直接スイッチング素子FETに入力される。この場合は、制御部202のマイクロコンピュータにより、図8のフローチャートに示すような処理が実行される。すなわち、制御部202のマイクロコンピュータは、キャパシタCP1の放電要求があったときは(ステップS1のY)、スイッチング素子FETにオン信号を出力して、キャパシタCP1の放電を開始する(ステップS2)。そして、これと同時に所定のタイマをスタートする(ステップS3)。その後、タイマのカウント時間が逆起電圧を防止する時間T1(図6(b)参照)、この例で100msに達したときは(ステップS4のY)、スイッチング素子FETにオフ信号を出力してキャパシタCP1の放電を停止して(ステップS5)、前述のタイマをクリアする(ステップS6)。
この例では、図4の回路のように突入電流を検出して、その検出中は放電要求がなくても(ステップS1のN)、予め設定された一定時間T1の間はオフ信号を出力することなくオン信号を維持する。すなわち、オン信号の出力開始後一定時間は逆起電圧が発生するものと擬制してオン信号を維持することにより、逆起電力を防止しようとするものである。
このように、図4の構成例も、図6の構成例も、スイッチング素子FETがオンになった時点から逆起電圧を防止する必要のある間だけ、キャパシタCP1の放電要求がなくてもスイッチング素子FETをオンに維持し、逆起電圧の発生を防止することができる。
但し、図4の構成例は突入電流を検出抵抗Rで検出し、突入電流が高いと判断される時点はスイッチング素子FETがオンに維持するので、図6の構成例に比べて信頼性が高い。
これに対し、図6の構成例は、スイッチング素子FETがオンになった時点から予め設定された一定時間の間は逆起電圧を防止する必要があるものと考えてスイッチング素子FETがオンに維持する構成であるが、この場合は駆動回路402を不要とすることができるので、回路構成が図4の構成と比べて簡易であり、製造コストを低減することができる。
本実施の形態のデジタル複写機の縦断面図である。 定着装置の説明図である。 定着装置を主としたデジタル複写機の電源制御系の回路図である。 キャパシタ充放電回路の放電を行なうための回路構成の回路図である。 駆動回路の動作を説明するタイミングチャートである。 キャパシタ充放電回路の放電を行なうための回路構成の作用を説明するタイミングチャートである。 キャパシタ充放電回路の放電を行なうための別の回路構成の回路図である。 図7の回路で実行する処理のフローチャートである。
符号の説明
CP1 蓄電器
HT1 第1の発熱部材
HT2 第2の発熱部材、発熱部材
FET スイッチング素子
1 画像形成装置
121 定着装置、加熱装置
203充電器
208 放電器、充電器

Claims (7)

  1. 蓄電器と、
    この蓄電器を充電する充電器と、
    発熱部材と、
    前記蓄電器の充電電力を前記発熱部材に放電して発熱させるスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部からオン信号が出力され前記スイッチング素子オンされたときは、当該スイッチング素子のオンにより前記発熱部材に流れる突入電流による逆起電圧を防止する必要のある間だけ、前記制御部から出力されるオフ信号をキャンセルすることで、当該スイッチング素子をオンに維持する維持手段と、を備えている発熱装置。
  2. 前記発熱部材に流れる電流を検出する電流検出手段を設け、
    前記維持手段は、前記電流検出手段の検出値が、所定の基準値より高い場合、前記制御部から出力されるオフ信号をキャンセルすることで、前記スイッチング素子をオンに維持する、請求項1に記載の発熱装置。
  3. 前記手段は、前記スイッチング素子をオンしたときからの経過時間をカウントし、そのカウント時間が所定の時間内である間だけ前記スイッチング素子をオンに維持する、請求項1に記載の発熱装置。
  4. トナー画像が形成された媒体を加圧及び加熱して前記トナー画像の定着を行なう定着部材と、
    商用電源から電力の供給を受けて発熱し前記定着部材を加熱する第1の発熱部材と、
    蓄電器と、
    商用電源から電力の供給を受けて前記蓄電器を充電する充電器と、
    前記蓄電器の充電電力の供給を受けて発熱し前記定着部材を加熱する第2の発熱部材と、
    前記蓄電器の充電電力を前記第2の発熱部材に放電して発熱させるスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部からオン信号が出力され前記前記スイッチング素子オンされたときは、当該スイッチング素子のオンにより前記発熱部材に流れる突入電流による逆起電圧を防止する必要のある間だけ、前記制御部から出力されるオフ信号をキャンセルすることで、当該スイッチング素子をオンに維持する維持手段と、
    を備えている定着装置。
  5. 前記発熱部材に流れる電流を検出する電流検出手段を設け、
    前記維持手段は、前記電流検出手段の検出値が、所定の基準値より高い場合、前記制御部から出力されるオフ信号をキャンセルすることで、前記スイッチング素子をオンに維持する、請求項4に記載の定着装置。
  6. 前記手段は、前記スイッチング素子をオンしたときからの経過時間をカウントし、そのカウント時間が所定の時間内である間だけ前記スイッチング素子をオンに維持する、請求項4に記載の定着装置。
  7. 電子写真方式で媒体上に画像形成を行い、定着装置として請求項4〜6のいずれかの一に記載の定着装置を備えている、画像形成装置。
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