JP5389393B2 - 画像形成装置およびゼロクロス検出制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真複写機や電子写真プリンタ等の画像記録装置に関する。特に、電力供給対象に交流電圧の位相に応じて電力を供給する交流位相電力供給部を備えた画像形成装置に関する。

従来、プリンタや複写機などの電子写真技術を使用する記録装置においては、感光体上に現像されたトナーを用紙に転写し、定着器にて所定の温度と圧力により熱定着させていた。この定着器は、熱源としてハロゲンヒータを使用したものやセラミックヒータなどを用いたものがある。一般にヒータには、トライアック等のスイッチング素子を介して交流電源から電力が供給される。

ヒータに対しては、たとえばサーミスタのような温度検出素子が設けられている。この温度検出素子によりヒータの温度が検出される。この検出温度に基づいて定着制御回路がスイッチング素子をオンオフさせることによりヒータへの電力供給をオンオフ制御し、ヒータの温度が一定温度となるように制御される。

一般的に、電源コンセントの外側から商用ＡＣ電源ラインを見た場合、比較的小さなラインインピーダンスが存在する。このため、プリンタなどの定着器に使用されているヒータなどの高電力部品の電流が流れると商用ＡＣ電源ラインにラインインピーダンスによる電圧降下が生じる。この電圧降下は、同じラインに接続されている電灯などのちらつきや他の装置の誤作動を誘発する原因になっている。

このような理由により、定着ヒータの点灯電力制御においては、全波点灯による波数制御ではなく、位相波形を用いた緩やかな電力制御を行うことにより急峻な電流変化をなくすことで電源電圧変動に対応している。

位相波形を用いた電力制御を行う場合、所定の位相角にて点弧させるため、ＡＣ入力のゼロクロスを検出し、そのゼロクロス信号をトリガとし所定の時間ｔ（ｍｓ）後に点弧信号を出力することで位相制御を行っている。
特開２００５−０８４５４６号公報

しかしながら、工場などで多く見られるように近くで大電力を消費する機器が動作している場合や、同じ交流電源ラインに冷蔵庫やエアコンなどのように大電力でスイッチングするような機器が接続されている場合において、スパイクノイズなどのノイズ成分が交流電源ラインに重畳する場合がある。このような場合、電源波形が必ずしも正弦波であるとは限らず、歪んだ波形となってしまう可能性がある。

このような電源波形のゆがみによりゼロクロス信号も異常波形となってしまう。ＣＰＵでは、通常、ゼロクロス信号のエッジにてトリガをかけ、次のパルスのエッジまでの時間間隔にて電源周波数を検出している。このため、交流波形のゼロクロス付近でノイズが重畳してしまうと、電源周波数を正確に検出することが不可能になってしまう。

特許文献１には、ゼロクロス信号が正確に取れないようになった時点で、電源周波数に関係なく定着ヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御する技術が提案されている。この制御では、ヒータの温調リップルが大きくなりきめこまやかな制御が出来ず定着温度が不足して、定着不良などの出力紙への品質に大きな影響が出てしまうおそれがある。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、交流波形の歪みに起因するゼロクロス信号の誤検知を抑制し、交流波形の歪みが発生したときの定着ヒータの電力制御による温調リップルの悪化を防ぐことができる画像形成装置およびゼロクロス検出制御方法を提供しようとするものである。

本発明による画像形成装置は、電力供給対象に交流電圧の位相に応じて電力を供給する画像形成装置において、前記交流電圧と閾値とを比較することによりゼロクロス信号を生成するゼロクロス生成手段と、前記ゼロクロス信号に応じて、前記電力供給対象を駆動するための信号を生成する信号生成手段と、前記ゼロクロス生成手段により生成される前記ゼロクロス信号の周期を検出し、検出される前記周期が所定の範囲内でないときは、前記周期が所定の範囲内になるように繰り返し前記閾値を変更する制御手段とを備えたことを特徴とする。

「検出される前記周期が所定の範囲内」でないとは、交流電圧の入力波形にノイズが重畳しゼロクロス信号が多数出力されてしまう状況に相当する。そこで、検出される前記周期が所定の範囲内となる閾値で前記ゼロクロス生成手段を動作させることにより、ノイズが検出されることが回避される。

前記制御手段は、前記閾値を変化させるとともに、前記電力供給対象を駆動するための信号のパルス幅を広げるようにしてもよい。これにより、駆動しようとしている半波の一つ手前の半波を点弧する（微小電力点灯）などの誤点弧を防止することができる。

画像形成装置は、前記電力供給対象を駆動する駆動手段を備え、前記駆動手段は前記電力供給対象を駆動するための信号に基づいて前記電力供給対象を所定の位相で駆動するものであって、前記制御手段は、前記電力供給対象を駆動する位相に応じて前記電力供給対象を駆動するための信号のパルス幅を変更するようにしてもよい。これにより、誤点弧が防止される。

本発明によるゼロクロス検出制御方法は、ゼロクロス生成手段を用いて、前記交流電圧と閾値とを比較することによりゼロクロス信号を生成するステップと、前記ゼロクロス信号に応じて、前記電力供給対象を駆動するための信号を生成するステップと、生成される前記ゼロクロス信号の周期を検出し、検出される前記周期が所定の範囲でないときは、前記周期が所定の範囲内になるように繰り返し前記閾値を変更するステップとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、交流電源の入力波形にノイズが重畳しゼロクロス信号が多数出力されてしまう状況においても、ゼロクロス検出回路の閾値を変えることにより、ゼロクロス付近のノイズ成分を吸収できる。これにより、電源周波数エラーを検出することによる印刷ジョブの停止を回避可能である。

また、これに合わせて定着ヒータの点弧パルス幅も可変とすることにより、点弧不良による温調不良おこさずに電力供給対象の電力制御が可能である。その結果、誤点弧を防ぎ、温調リップの悪化及び過昇温の防止が可能となる。

また、所定の位相角以上の位相角で点弧信号を出力したときにおいて、広げていたパルス幅を狭くすることにより、点弧パルスが真のゼロクロスをまたぐことがなくなる。結果として、点弧する位相角に制限をかけずに交流波形の半波の位相角をフルに点弧可能となる。

また、ノイズ重畳が有る無しにかかわらず電力制御パターンを変える必要がなくなるので、温調リップルの悪化を招くことなくきめこまやかな電力供給対象の電力制御が可能となる。

図１は、本発明が適用される画像形成装置の概略構成を示す断面図である。

感光ドラム１０１は、矢印の方向に回転し、帯電手段としての帯電ローラ１０２により感光ドラム１０１の外周面を所定の極性、電位に一様に帯電処理する。レーザスキャナ１０３は、画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応して変調したレーザ光Ｌを出力して、回転する感光ドラム１０１の一様帯電処理面を走査露光する。これにより感光ドラム面には潜像が形成される。現像器１０４は、感光ドラム面の静電潜像をトナー画像として現像する。

転写手段としての転写ローラ１０５は、感光ドラム１０１に対して所定の押圧力で接触して転写ニップ部Ｔを形成している。この転写ニップ部Ｔに不図示の給紙部から記録紙Ｐが、所定の制御タイミングにて給紙搬送される。転写ローラ１０５は、所定の制御タイミングにて所定の転写バイアスが印加される。これにより転写ニップ部Ｔにて記録紙Ｐに感光ドラム面上のトナー画像が順次静電転写される。

転写ニップ部Ｔを出た記録紙Ｐは、感光ドラム１０１面から分離されて定着器１００に導入される。定着器１００は、搬送された記録紙Ｐ上の未定着トナー画像を固着画像として加熱定着し、記録紙Ｐを排出搬送する。感光ドラムクリーニング部１０６は、記録材分離後の感光ドラム１０１上の転写残トナーを除去する。これにより、転写残トナーが除去されて感光ドラム１０１が清掃される。

図２は、本実施の形態における電力供給対象である定着器１００の発熱体に交流電圧の位相に応じて電力を供給する交流位相電力供給部２７のブロック図である。画像形成装置本体に接続する交流電源２１は、電力を発熱体であるヒータ２６に供給することにより熱を発生させる。このヒータ２６への電力供給については、トライアック２８によって供給、遮断される。抵抗３２、３３はそれぞれトライアックのバイアス抵抗であり、トライアック２８のゲート電流を設定している。フォトトライアック３１は、１次と２次の絶縁を確保するために使用されている。ＣＰＵ３６からの点弧信号によりフォトトライアック３１内部のＬＥＤが光り、これによりフォトトライアック３１内部のトライアックが駆動される。さらに、トライアック２８のゲートにバイアス電流が流れ、これによりトライアック２８が駆動（点弧）される。

交流電源ライン上にはゼロクロス検出回路２３が設けられている。電源電圧の交流波形のゼロクロスを検出しゼロクロス信号としてＣＰＵ３６に入力している。ＣＰＵ３６では、このゼロクロス信号に基づいて電源周波数を検出している。

なお、ＣＰＵ３６が実行するプログラムや固定的なデータは不揮発性のメモリであるＲＯＭ３７に記憶されている。また、ＲＡＭ３８は、ＣＰＵ３６の作業領域およびデータの一時保存領域を提供するメモリである。

ＣＰＵ３６は、本発明における種々の手段（点弧信号生成手段、駆動手段、制御手段、等）を構成するとともに、後述するタイマーの機能も有するものとする。

図２の点線枠内が交流位相電力供給部でありＣＰＵ３６からの点弧信号により所定の電力比率テーブルに沿って位相波形を所定の割合で間引くことで発熱体の電力比率（発熱比率）を変化させる。

図３は、図２の交流位相電力供給部２７の制御波形を示している。ゼロクロス信号ＺＥＲＯＸを起点（トリガ）とし、所定の時間ｔ（ｍｓ）後に点弧信号を生成することにより発熱体の位相電力制御を行っている。

また、発熱体２６の温度検出センサ２４の検出温度に基づいて、発熱体温度が所定の温度にて推移するように、ＣＰＵ３６は、ＲＯＭ３７に記憶されている発熱体の電力制御比率テーブル（図示せず）にしたがってヒータ２６の位相電力制御を行う。

図４は、本実施の形態におけるゼロクロス検出回路２３の構成例を示した回路図である。

交流波形入力の電源電圧は絶縁トランスＴ１にて降圧される。この降圧された交流波形を整流器４１で全波整流した後、この全波整流された波形を比較器４２にて基準電圧Ｖ１と比較することにより、２値データに変換する。この２値データはゼロクロス信号を含み、ＣＰＵ３６への割り込み信号として入力される。

図５は図４内に示した比較器の閾値の初期値（低い電圧値Ｖ１）の説明図であり、両波形は図４内のＡ点とＢ点のそれぞれの信号の波形を示している。図５に示すように通常時は、できるだけ交流波形の真のゼロクロスに近いタイミングでゼロクロス信号が発生するように、比較器４２の閾値は低い電圧値Ｖ１に設定されている。後述する所定の条件で、この閾値をより高い電圧Ｖ２に変化させる。

図６に示すような歪んだ交流波形が入力されてしまったときは、閾値がＶ１のままであると、各ゼロクロス付近でゼロクロス信号が多数出力されてしまう。現状、図６に示すようなゼロクロス信号がＣＰＵ３６に入力されてしまうと、交流電源周波数異常と判断しエラー信号を出して印刷ジョブを停止させてしまう。このため本発明では、ゼロクロス割り込みが所定の時間内に多数検出された場合において、ゼロクロス検出回路２３内の比較器４２の閾値を、比較器４２において交流波形に重畳したノイズ成分を吸収する様に可変する。具体的には、ＣＰＵ３６にてゼロクロス信号の周期を検出し、ゼロクロス信号が所定の周期で入力されていないときにおいて、図７に示すように、ゼロクロス検出回路２３の比較器４２の閾値をＶ１からＶ２に切替える。このように検出された周期が所定の範囲内でないとき、ノイズが閾値に達しないレベルにまで閾値を初期値から変化させることにより、交流波形の真のゼロクロス付近に重畳したノイズ成分を吸収することが可能となる。その結果、歪んだ交流波形の入力に対しても電源周波数の異常とならず印刷ジョブの停止の回避が可能となる。

また、点弧パルスはゼロクロス信号を起点として生成される一方、閾値を可変したことによりゼロクロス信号のパルス幅が広がる。このため、点弧パルスと交流波形の真のゼロクロス点との時間的な誤差が大きくなる。その結果として、誤点弧を起こしやすくなる。特に、全半波点灯しようとして点弧信号を通常どおりのタイミングで出力してしまうと、図８に示すように、点灯しようとしている半波の一つ手前の半波内の位相角（微小電力）を点弧してしまい、目標とした電力制御ができない可能性があった。

このような弊害に対して、ゼロクロス検出回路の閾値を可変するのと併せて、図９に示すように、定着ヒータ駆動回路へ与える点弧パルスの幅を所定の時間幅より広げることにより対処が可能である。

このように、閾値の切替と同期して点弧信号のパルス幅も合わせて広げることにより、図８に示すように閾値を変えたことによる弊害（目標位相で点弧できない）を回避できる。その結果、発熱体への電力供給不足による装置の温調エラーを発生させることなく印刷ジョブを継続することが可能となる。

また、パルス幅を拡大した点弧信号については、図１０に示すように、点弧信号が真のゼロクロス点をまたぐことによる誤点弧のおそれが生じる。すなわち、図示のように、真のゼロクロス点の直前の時点で点弧した場合、本来は次のゼロクロス点で通電が終了すべきところ、点弧信号が当該ゼロクロス点を超えて継続するために、誤って次の半波を全点灯してしまうことになる。

このような弊害を防止するために、点弧信号のパルス幅に対して位相角に応じた制限を設ける。例えば、ゼロクロス割り込みの時点から点弧信号の前縁までの時間Ｘ（位相角に相当）が所定値未満であれば、点弧信号のパルス幅を拡大したものをそのまま用い、ゼロクロス割り込みの時点から点弧信号の前縁までの時間Ｘ（位相角に相当）が所定値以上であれば（すなわち所定の位相角を越えて点弧信号を出力するとき）パルス幅を広げていた点弧信号のパルス幅を狭くする。この例では、初期のパルス幅に戻している。この様子を図１１の点弧１→点弧２に示す。このような点弧パルス幅の制御により、真のゼロクロスを点弧信号がまたぐことを回避可能となる。また、微小電力にて点弧可能となり、ノイズ重畳があるなしにかかわらず電力制御パターンを大幅に変える必要がなくなる。その結果、ノイズが重畳したとしても温調制御の応答性の悪化を招くことなくきめこまやかな発熱体の電力制御が可能である。

なお、実際の制御の必要上許容されるならば、点弧する位相角に制限を加える（例えば０〜９０°に制限する）ようにしてもよい。これによっても、点弧信号が真のゼロクロスをまたぐことによる誤点弧を防ぐことが可能となる。

以下、本発明のゼロクロス検出制御方法の処理について説明する。まず、図１２に、本実施の形態における基本的な閾値設定動作を行う処理例を示す。この処理はＣＰＵ３６がＲＯＭ３７内のプログラムを読み出して実行することにより実現される。本例では、印刷ジョブ中の前回転時に閾値の設定動作を行い、ジョブ中は閾値を固定とし、閾値設定動作はジョブ開始毎に行うこととする。但し、本発明はジョブ中に閾値を変更することを妨げるものではない。

まず、装置が印刷ジョブを受け付け前回転を開始する。そのとき、ゼロクロス検知回路の閾値を初期値Ｖ１に設定する（Ｓ１１）。ついで、ゼロクロス信号の検出を行い、その周期が適正か確認する（Ｓ１２）。適正と判断された場合は、閾値の設定を確定し、通常制御にて印刷ジョブを開始する。

ステップＳ１２においてゼロクロス周期が適正でない（ＮＧ）と判断された場合は、閾値をＶ１より大きいＶ２に切り替える（Ｓ１３）。この例では、Ｖ２は予め定められた固定値ＶＨとする。

図１２の処理により、検出されたゼロクロス信号の周期が適正か否かに応じて比較器の閾値を切り替えることができる。

図１３は、本実施の形態において閾値設定動作を行う他の処理例を示す。図１２の処理では、閾値Ｖ２を固定値ＶＨとしたが、本処理ではＶ２を可変設定する。閾値Ｖ２の可変制御については、基準電圧源を用いる代わりに、ＣＰＵのＤ／Ａ（デジタル・アナログ）出力ポートを使用することができる。あるいは、ＣＰＵからのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を使用することも可能である。また、ＰＷＭ信号でなく一定周波数に出力されたパルスにてＤＵＴＹ比可変にて閾値の可変を行うことも可能である。

図１２の処理と同様、まず、ゼロクロス検知回路の閾値を初期値Ｖ１に設定する（Ｓ２１）。ついで、ゼロクロス信号の検出を行い、周期が適正か確認する（Ｓ２２）。適正と判断された場合は、閾値の設定を確定し、通常制御にて印刷ジョブを開始する。

ステップＳ２２においてゼロクロス周期がＮＧと判断された場合は、閾値Ｖ２として、閾値Ｖ１を単位量ｎだけ増加させる（Ｓ２３）。再度、ゼロクロス信号の検出を行い、周期が適正か確認する（Ｓ２４）。ＯＫの場合は、閾値の設定を確定し、通常制御にて印刷ジョブを開始する。すなわち、このゼロクロス周期の値と閾値の値よりトライアックの点弧パルスの幅を確定する。

ゼロクロス周期がＮＧの場合は、現在の閾値がある所定の値（上限値ｍ）を越えたかを判断する（Ｓ２５）。上限値ｍを越えていなければ、ステップＳ２３に戻り更に閾値を増加させる。

閾値が上限値ｍを超えた場合は、閾値をその値まで可変してもゼロクロス周期が異常な場合である。このような場合、波形のゆがみが甚大にて制御不能としてエラーと判断して印刷ジョブを停止し（Ｓ２６）、本処理を終了する。

図１３の処理により、Ｖ２の値を適正に設定することができる。すなわち、必要以上にＶ２を大きくして、ゼロクロス信号のパルス幅を拡大する必要がなくなる。

図１４、図１５は、本実施の形態において閾値設定動作を行うさらに他の処理例を示す。図１４において図１３に示したと同様のステップには同じ参照番号を付して、重複した説明を省略する。

図１２，図１３の処理では点弧パルスの幅は固定としたが、本処理では上述したように、ヒータを点弧させる位相角の範囲に応じて点弧信号のパルス幅を可変とする。

ステップＳ２４においてゼロクロス信号の周期が範囲内であると判断されたら、閾値Ｖ１＋ｎ及びゼロクロス周期に対応する点弧パルス幅を設定する（Ｓ２７）。

ついで、図１５により、閾値確定後の印刷動作時の点弧パルス設定について説明する。

まず、ゼロクロス割り込みが入ってから点弧信号を出力するときにおいてタイマー設定値がｎｓｅｃ以内の場合は、ゼロクロス検知回路の閾値確定時の点弧パルス幅にて出力する。

ゼロクロス割り込みからのタイマー値Ｔがｎｓｅｃ以上の場合は（Ｓ２８，Ｎｏ）、点弧パルス幅を閾値ｖ１時の幅に戻して出力する（Ｓ２９）。これは上述したように、微小電力点灯時の誤点弧を防ぐためである。

タイマー値Ｔがｎ未満であれば（Ｓ２８，Ｙｅｓ）、現在の点弧パルス幅をそのまま維持する（Ｓ３０）。

印字動作が継続する間、ステップＳ２８〜Ｓ３０を繰り返す。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。例えば、閾値の設定処理は前回転時に行うことを想定したが、紙間が広く検知時間を取れるものについては、用紙毎にゼロクロス検知回路の閾値可変を行うことも可能である。

本発明が適用される画像形成装置の概略構成を示す断面図である。 図１の画像形成装置の定着器の発熱体の交流位相電力供給部のブロック図である。 図２の交流位相電力供給部の制御波形を示す図である。 本発明の実施の形態におけるゼロクロス検出回路の構成例を示した回路図である。 図４内に示した比較器の閾値の初期値（低い電圧値Ｖ１）の説明図である。 歪んだ交流波形が入力される場合の問題点の説明図である。 歪んだ交流波形が入力された場合の閾値の切替の説明図である。 閾値の切替に伴う弊害の説明図である。 図８で説明した弊害を解決するための点弧パルスの幅の拡大の説明図である。 点弧信号のパルス幅拡大に伴う弊害の説明図である。 図１０で説明した弊害を解決するための点弧パルスの幅の可変制御の説明図である。 本発明の実施の形態における基本的な閾値設定動作を行う処理例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において閾値設定動作を行う他の処理例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において閾値設定動作を行うさらに他の処理例を示すフローチャートである。 図１４に続く処理のフローチャートである。

符号の説明

２１…交流電源
２３…ゼロクロス検出回路
２４…温度検出センサ
２６…ヒータ（発熱体）
２８…トライアック
３１…フォトトライアック
３２…抵抗
４１…整流器
４２…比較器
１００…定着器
１０１…感光ドラム
１０２…帯電ローラ
１０３…レーザスキャナ
１０４…現像器
１０５…転写ローラ
１０６…感光ドラムクリーニング部

Claims (4)

1. 電力供給対象に交流電圧の位相に応じて電力を供給する画像形成装置において、
   前記交流電圧と閾値とを比較することによりゼロクロス信号を生成するゼロクロス生成手段と、
   前記ゼロクロス信号に応じて、前記電力供給対象を駆動するための信号を生成する信号生成手段と、
   前記ゼロクロス生成手段により生成される前記ゼロクロス信号の周期を検出し、検出される前記周期が所定の範囲内でないときは、前記周期が所定の範囲内になるように繰り返し前記閾値を変更する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記制御手段は、更に前記閾値に応じて前記電力供給対象を駆動するための信号生成手段を制御して、前記電力供給対象を駆動するための信号のパルス幅を変更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. 前記電力供給対象を駆動する駆動手段を備え、
   前記駆動手段は前記電力供給対象を駆動するための信号に基づいて前記電力供給対象を所定の位相で駆動するものであって、
   前記制御手段は、前記電力供給対象を駆動する位相に応じて前記電力供給対象を駆動するための信号のパルス幅を変更することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 電力供給対象に交流電圧の位相に応じて電力を供給する画像形成装置におけるゼロクロス検出制御方法であって、
   ゼロクロス生成手段を用いて、前記交流電圧と閾値とを比較することによりゼロクロス信号を生成するステップと、
   前記ゼロクロス信号に応じて、前記電力供給対象を駆動するための信号を生成するステップと、
   生成される前記ゼロクロス信号の周期を検出し、検出される前記周期が所定の範囲でないときは、前記周期が所定の範囲内になるように繰り返し前記閾値を変更するステップと
   を備えたことを特徴とするゼロクロス検出制御方法。