JP5465092B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、トナー像を記録紙上に定着させる定着装置及び画像形成装置に関し、特に定着装置のヒータ制御方法に関する。
従来、複写機やレーザビームプリンタ等の画像形成装置では、記録紙上に形成されたトナー像を加熱して定着させる定着装置として、熱ローラ式の熱定着装置やフィルム加熱式の熱定着装置が用いられる。熱ローラ式の熱定着装置はハロゲンヒータを熱源とするもので、フィルム加熱式の熱定着装置はセラミックヒータを熱源とするものである。一般に、ヒータは双方向サイリスタ(以下、トライアックという)等のスイッチング素子を介して交流電源に接続され、この交流電源によりヒータに電力が供給される。定着装置は例えばサーミスタ感温素子等の温度検出素子を有する。この温度検出素子により検出された定着装置の温度情報に基づきCPUがスイッチング素子をオン/オフ制御することでヒータへの電力供給をオン/オフし、定着装置の温度が目標の温度になるよう温度制御される。ヒータへの電力供給のオン/オフ制御は位相制御又は波数制御により行われる。位相制御は交流電源の1半波内の任意の位相角でヒータをオンすることでヒータに電力を供給する方式である。一方、波数制御はヒータのオン/オフを交流電源の半波単位で行う電力制御方式である。ヒータの制御をどちらか一方に固定せずに、位相制御と波数制御を組み合わせた方式(以下、位相波数組み合わせ制御という)を用いるものもある。例えば特許文献1では、複数半波を一制御周期とするうちの一部の半波を位相制御し、残りを波数制御している。これにより、位相制御だけの場合に対して高調波電流やスイッチングノイズの発生を抑えることができ、波数制御だけの場合に対してフリッカを低減することができ、ヒータへの電力制御をより多段階に制御可能としている。
また、ヒータ、電源、温度検出素子、電力制御手段の何れか1つでも正常に機能しない場合には、定着装置が正常に動作しなくなる。例えば、電力制御手段として、制御基板のファームウェアによって電力制御を行う場合、ファームウェアの暴走によってヒータの通電暴走が生じると、過熱により定着装置が損傷するおそれがある。そのため、定着装置にハードウェア回路で構成される安全回路を備えることで、ファームウェア暴走時にも過熱等が生じるおそれを回避している。例えば特許文献2では、ヒータに対向して配置された回転体である加圧ローラの回転状況に応じて、ヒータへの投入電力をハードウェア回路によって制限する安全回路が提案されている。
特開2003−123941号公報 特開2008−275900号公報
昨今のプリント速度の高速化によりヒータに供給される電力は増加の一途を辿っており、定着装置の電流値も増える傾向にあり、規格上限値を超えないが規格上限値に近い値で制御を行う場合もある。また、画像形成装置の高速化に伴い、搬送速度が速くなり定着装置の加熱温度の高温化又は加熱温度の精度の厳密化も求められる。そのため、より細かな電力制御を行う必要性が高まり、前述した位相波数組み合わせ制御を採用することが多い。さらに、高調波抑制を目的とするイミュニティ規格IEC61000−3−2の6.1項“非対称制御の禁止”という要請がある。この規格を満たすために、一制御周期単位内での正半波の通電量と負半波の通電量を同じにするように通電パターンを設定することが必要とされる。
このように、波数制御や位相波数組み合わせ制御において一制御周期の単位で非対称制御をしないような通電パターンで電力制御をした場合に、前述したハードウェア回路による安全回路を搭載すると、次のような課題が生じる。すなわち、非対称制御にならないような通電パターンとなる一制御周期の単位内に、ハードウェア回路による安全回路が働いて一制御周期単位内の一部が通電されない場合に、対称制御の通電パターンが崩れてしまう。このため、安全回路が解除されたあとも、そのまま非対称制御になってしまうという課題が生じる。
本発明は、このような状況の下でなされたもので、ハードウェア回路による安全回路が動作した場合でも、一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御することを目的とする。
前述の課題を解決するために、本発明は以下の構成を備える。
(1)トナー像を加熱する発熱体を有する加熱手段と、交流電源から前記発熱体に供給する電力を制御する制御手段と、ハードウェア回路により前記交流電源から前記発熱体への電力の供給を制限する制限手段と、を備え、前記制御手段が、前記交流電源の複数のN半波(N:整数)からなる一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御する定着装置であって、前記制御手段は、前記一制御周期内のM半波目(M:整数)に前記制限手段により前記交流電源から前記発熱体への電力の供給が制限された場合に、前記制限手段による電力の供給の制限が解除されたのちに、M半波目からN半波目までの(N−M+1)半波分の電力を供給するよう制御することを特徴とする定着装置。
(2)前記(1)に記載の定着装置を備え、前記定着装置により記録材上のトナー像を定着させることを特徴とする画像形成装置。
本発明によれば、ハードウェア回路による安全回路が動作した場合でも、一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御することができる。
実施例1〜5の定着器を備えるプリンタの概略図とブロック図 実施例1、2、4の定着器及びヒータを説明する構成図 実施例1、4の定着器の回路構成図 実施例1〜5のヒータ電力制御方式の制御説明図 実施例1の安全回路の動作説明図 実施例1のヒータ通電制御の説明図 実施例1〜3の一制御周期単位のヒータ通電制御を示すフローチャート 実施例2の定着器の回路構成図 実施例2の安全回路の動作及びヒータ通電制御の説明図 実施例3、5の定着器及びヒータを説明する構成図 実施例3、5の定着器の回路構成図 実施例3の安全回路の動作説明図 実施例3のヒータ通電制御の説明図 実施例4の安全回路の動作及びヒータ通電制御の説明図 実施例4の一制御周期単位のヒータ通電制御を示すフローチャート 実施例5の安全回路の動作説明図 実施例5のヒータ通電制御の説明図 実施例5の一制御周期単位のヒータ通電制御を示すフローチャート
以下、本発明を実施するための形態を、実施例により図面を参照しながら詳しく説明する。
[画像形成装置の構成]
図1(a)は、実施例1の定着器(定着装置)を備えるプリンタ(画像形成装置)の構成を示す概略図である。プリンタ100は、プリンタ100に着脱可能なトナーカートリッジ101を備える。またプリンタ100は、静電担持体である感光ドラム102、感光ドラム102上を走査するレーザビーム106を発射する光源としての半導体レーザ103、スキャナモータ104により回転する回転多面鏡105を備える。帯電ローラ107は感光ドラム102上を一様に帯電する。現像器108は感光ドラム102上に形成された静電潜像をトナーにより現像する。転写ローラ109は現像器108により現像されたトナー像を所定の記録用紙(以下、単に用紙という)Sに転写する。定着装置である定着器110の定着ヒータ111は用紙Sに転写されたトナーを熱で融着する。定着フィルム123と加圧ローラ124は、用紙Sを搬送しながら用紙S上(記録材上)のトナーを用紙Sに加熱加圧定着させる。給紙カセット112は用紙Sを格納し、矢印Aの方向からプリンタ100に装着する。給紙ローラ113は1回転することにより、給紙カセット112から用紙Sを給紙し、搬送路に送り出す。フィードローラ114、リタードローラ115は給紙ローラ113によりピックアップされた用紙Sが用紙束である場合に用紙Sを1枚に分離して搬送路に送り出すためのローラ対である。フィードリタードローラ対116は給紙カセット112から給紙された用紙Sを画像形成部へ搬送する。転写前ローラ117は搬送された用紙Sを感光ドラム102へ送り込む。トップセンサ118は給紙された用紙Sに対し、感光ドラム102への画像書き込み(記録/印字)と用紙搬送の同期をとるとともに、給紙された用紙Sの搬送方向の長さを測定する。定着センサ119は定着後の用紙Sの有無を検出する。搬送ローラ120は定着後の用紙Sを排紙搬送路へ排出する。排紙ローラ121は排紙用紙を積載する排紙トレイ122へ用紙Sを排出する。
[回路構成]
図1(b)は、本実施例の回路構成のブロック図である。プリンタコントローラ201は、不図示のホストコンピュータ等の外部機器から送られる画像コードデータをプリンタの印字に必要なビットデータに展開するとともに、プリンタ内部情報を読み取りそれを表示する。エンジンコントローラ202はプリンタ100の各部をプリンタコントローラ201の指示に従ってプリント動作制御するとともに、プリンタコントローラ201へプリンタ内部情報を報知する。エンジンコントローラ202は、CPU202a及びASIC回路202bから構成され(図3参照)、CPU202aにはファームウェアを搭載している。高圧制御部203は帯電、現像、転写等各工程における各高圧出力制御をエンジンコントローラ202の指示に従って行う。光学系制御部204はスキャナモータ104の駆動/停止、レーザビーム106の点灯をエンジンコントローラ202の指示に従って制御する。定着器制御部205は定着ヒータ111への通電の駆動/停止をエンジンコントローラ202の指示に従って行う。センサ入力部206は、トップセンサ118、定着センサ119、不図示の紙面位置センサの紙有無状態、後述する温度検出素子により検出される温度状態をエンジンコントローラ202へ報知する。用紙搬送制御部207は、エンジンコントローラ202の指示にしたがい、用紙搬送のためにモータ/ローラ等の駆動/停止を行う。用紙搬送制御部207は、給紙ローラ113、フィードリタードローラ対116、転写前ローラ117、感光ドラム102、定着フィルム123、加圧ローラ124、搬送ローラ120、排紙ローラ121の駆動/停止の制御も行う。
[定着器とヒータの構成]
図2(a)は、本実施例の定着器110の断面模型図である。定着器110は例えば特開平04−044075号公報等に記載のエンドレスフィルム(円筒状フィルム)を用いた加圧ローラ駆動タイプのフィルム加熱方式の加熱装置である。定着器110は、加熱手段としての定着ヒータ111、定着ヒータ111を固定保持させた半円弧状樋型の耐熱性・剛性を有するヒータホルダ303を備える。また、定着器110は、定着ヒータ111を取り付けたヒータホルダ303にルーズに外嵌した円筒状の薄耐熱フィルム(以下、定着フィルム)123を備える。さらに、定着器110は、定着フィルム123を挟んで定着ヒータ111と相互圧接して定着ニップ部Nを形成する回転自在な加圧体としての加圧ローラ124等を備える。加圧ローラ124は駆動手段である不図示のモータにより矢印の反時計方向に所定の周速度で回転駆動される。加圧ローラ124の回転による加圧ローラ124の外面と定着フィルム123との、定着ニップ部Nにおける圧接摩擦力により円筒状の定着フィルム123に回転力が作用する。そして、定着フィルム123が、その内面が定着ヒータ111の下向き面に密着して摺動しながらヒータホルダ303の外回りを矢印の時計方向に従動回転状態になる。定着フィルム123と定着ヒータ111との界面に摺動性のグリースを塗布してもよい。定着ヒータ111はセラミックヒータ(セラミック面発ヒータ)である。この定着ヒータ111については後述する。加圧ローラ124が回転駆動され、それに伴って円筒状の定着フィルム123が従動回転状態になる。また定着ヒータ111に通電がなされ、定着ヒータ111が昇温して所定の温度に立ち上り温度制御された状態において、定着ニップ部Nの定着フィルム123と加圧ローラ124との間に未定着トナー像Tを担持した用紙Sが導入される。定着ニップ部Nにおいて用紙Sのトナー像担持面側が定着フィルム123の外面に密着して定着フィルム123と一緒に定着ニップ部Nを挟持搬送されていく。この挟持搬送過程において、定着ヒータ111の熱が定着フィルム123を介して用紙Sに付与され、用紙S上の未定着トナー像Tが用紙S上に加熱及び加圧されて溶融定着される。定着ニップ部Nを通過した用紙Sは定着フィルム123から曲率分離される。
図2(b)は定着ヒータ111の拡大断面模型図、図2(c)は定着ヒータ111の平面模型図である。定着ヒータ111は、裏面加熱型のセラミック面発ヒータである。絶縁基板305は、電気絶縁性・良熱伝導性・低熱容量のセラミック系絶縁基板である。絶縁基板305の裏面側に形成した通電発熱体(発熱体)(以下、ヒータと記す)301は、ヒータ301に対する給電用電極部(以下、電極部と記す)306、308から導電部材により接続される。保護層300は、ヒータ301と導電部材を覆わせて形成したガラス等の保護層である。図2(c)のBは用紙Sの中央搬送基準線、Lは通紙可能な最大サイズ紙の通紙幅領域である。尚、幅とは用紙Sの搬送方向に垂直な方向の用紙Sの長さをいう。給電用コネクタであるコネクタ309、310のうち、コネクタ309は定着ヒータ111の電極部306側に装着されて、電極部306とヒータの駆動制御回路(ヒータ駆動回路ともいう)側とを電気的に連絡する。コネクタ310は定着ヒータ111の電極部308側に装着されて、電極部308とヒータ駆動回路側とを電気的に連絡する。保護層300上の中央部に、定着ヒータ111の中央温度を検知する温度検知素子311と、例えばヒューズやサーモスタット等の過昇温防止手段である過昇温防止素子304が、用紙Sの中央搬送基準線Bに対して、左右対称な位置に配設される。定着ヒータ111は、絶縁基板305のヒータ301を設けた側とは反対面側を表面側(定着フィルム摺動面側)として、この表面側を図2(a)のように下向きにして外部に露呈させてヒータホルダ303の下面に固定支持させて配設される。また、図2(a)のように、過昇温防止素子304が定着ヒータ111の保護層300面上に当接され、ヒータホルダ303に位置を矯正され、過昇温防止素子304の感熱面が定着ヒータ111の面上にバネで当接される。図示はしていないものの、温度検知素子311も同様に定着ヒータ111の保護層300面上に当接されている。尚、用紙Sは図2(b)、図2(c)に示すように定着ニップ部Nを上流側から下流側に搬送される。
[定着ヒータ111の駆動制御回路]
図3は、定着ヒータ111の駆動制御回路図である。プリンタ100の交流電源401からACフィルタ402、リレー418を介して定着器110の定着ヒータ111のヒータ301へ電力供給することにより、ヒータ301は発熱する。ヒータ301への電力の供給は、トライアック403の通電、遮断により制御を行う。抵抗404、405はトライアック403のためのバイアス抵抗でフォトトライアックカプラ406は、一次、二次間の沿面距離を確保するためのデバイスである。フォトトライアックカプラ406の発光ダイオードに通電することによりトライアック403をオンする。抵抗407はフォトトライアックカプラ406の電流を制限するための抵抗であり、トランジスタ408によりフォトトライアックカプラ406をオン/オフする。トランジスタ408は抵抗409を介してエンジンコントローラ202からのON信号に従って動作する。また、ACフィルタ402を介して交流電源401は、ゼロクロス検出回路417に入力される。ゼロクロス検出回路417では、商用電源電圧がある閾値以下の電圧になっていることをエンジンコントローラ202に対してパルス信号(以下、ZEROX信号という)として送出する。エンジンコントローラ202はZEROX信号のパルスのエッジを検知し、位相制御又は波数制御によりトライアック403をオン/オフする。
定着ヒータ111の温度を検知するための温度検知素子311(例えば、サーミスタ感温素子)は、定着ヒータ111上にヒータ301に対して絶縁距離を確保できるように絶縁耐圧を有する保護層300を介して配置される。温度検知素子311によって検出される温度は、抵抗423と、温度検知素子311との分圧として検出され、エンジンコントローラ202にTH信号としてA/D入力される。定着ヒータ111の温度は、TH信号としてエンジンコントローラ202において監視される。エンジンコントローラ202のCPU202aは、温度検知素子311により検知された定着ヒータ111の温度とエンジンコントローラ202の内部で設定されている定着ヒータ111の設定温度とを比較することによりヒータ301に供給するべき電力を算出する。そして、算出した供給するべき電力に対応した位相角(位相制御)又は波数(波数制御)に換算し、その制御条件によりエンジンコントローラ202がトランジスタ408にON信号を送出する。
温度検知素子311やトライアック403等が故障して、エンジンコントローラ202が温度検出又はヒータ駆動回路の故障と判断した場合は、RLD信号をオフしリレー418をオフし、ヒータ301への通電を遮断する。リレー418はトランジスタ419によりオン/オフする。トランジスタ419は抵抗420を介してエンジンコントローラ202からのRLD信号に従って動作する。抵抗421はトランジスタ419を保護するための抵抗である。ダイオード422は、リレー418のオフ時に発生する逆起電圧を吸収するための素子である。通常、リレー418は、エンジンコントローラ202からのON信号でヒータ301への電力制御を開始する前にRLD信号によりオン状態にし、ヒータ301への電力供給の制御を終了させた後にRLD信号によりオフ状態に制御している。
過昇温防止素子304は、例えば温度ヒューズやサーモスイッチであり、ヒータ301に電力を供給しており、制御する手段が故障し、ヒータ301が熱暴走に至った場合、過昇温を防止する最終手段の役目を果たす。電力供給を制御する手段の故障により、ヒータ301が熱暴走に至り過昇温防止素子304が所定の温度以上になると、過昇温防止素子304がオープンになり、ヒータ301への通電が断たれる。過昇温防止素子304には、電極部308を介して、交流電源401のホット側端子が接続される。電極部306はヒータ301を制御するトライアック403に接続され、交流電源401のニュートラル端子に接続される。
[安全回路]
次に、ハードウェア回路による安全回路について説明する。過昇温防止素子304もハードウェア回路による安全回路の1つであるが、これは最終手段であり、一度作動すると、その後に正常動作させることができない。そのため、最終手段より前に働くよう、別途安全回路を設けている。例えば、最終手段としての過昇温防止素子304のサーモスイッチが250℃で作動するのに対して、200℃に到達したことをもって通電を50%に制限するといった安全回路を設けて、250℃への到達を防止する。200℃の温度閾値への到達を検出する手段として、コンパレータ429の反転入力に温度検知素子311からの電圧を入力し、非反転入力に200℃に相当する基準電圧Verrを入力させ、比較結果をTHERR信号として出力する。抵抗428は電流制限抵抗である。温度検知素子311をNTC(Negative Temperature coefficient)サーミスタとした場合、温度が200℃より高ければTHERR信号がハイレベルとなる。温度が200℃より低ければTHERR信号がローレベルとなる。このTHERR信号をエンジンコントローラ202のASIC回路202bへ入力する。
一方、ASIC回路202bには、ZEROX信号を分周回路202cによって2分周した信号も入力する。そして、ASIC回路202bは、THERR信号がローレベル(200℃より低い)であればMASK信号を常にローレベルにする。一方ASIC回路202bは、THERR信号がハイレベル(200℃より高い)であればMASK信号をZEROX信号の2分周の信号(デューティ(Duty)50%パルス信号)として出力する。この切り替え判断は、ZEROX信号の2分周の立ち上りエッジで確定させる。トランジスタ426は抵抗427を介してASIC回路202bからのMASK信号に従って動作する。MASK信号がローレベルである場合トランジスタ426がオンになり、CPU202aが出力するON信号によって制御される。MASK信号がハイレベルである場合、トランジスタ426がオフになり、ON信号とは無関係に、ヒータ301への通電をオフする。よって、THERR信号がハイレベルであれば、MASK信号がデューティ50%パルスになり、ON信号で100%通電しようとしても、ヒータ301への通電が50%に制限される。この安全回路によって、温度検知素子311により検知した温度が200℃を超えた場合、通電を50%に制限する。
[位相制御、波数制御及び位相波数組合わせ制御]
図4(a)に交流電源401の電源波形、ZEROX信号及び一制御周期の8半波に番号を付した半波番号(以下、半波Noとする)を示す。図4(b)〜(d)は、このような状況におけるヒータ301の電力制御方式である位相制御、波数制御及び位相波数組み合わせ制御についての制御説明図である。従来からある制御方法を補足説明する図でもある。本実施例では、一制御周期を8半波とし、ヒータ301に投入電力75%で通電する場合の制御例を示す。表1のように、出力したい75%の投入電力に対して、8半波ごとに投入電力を決定し、一制御周期8半波全体の平均として75%電力を出力する。同じ投入電力でも制御方式によって半波ごとの投入電力の制御が異なるため、それぞれ、図を用いて説明する。
Figure 0005465092
図4(b)は、位相制御の場合の例である。ZEROX信号は交流電源401の正から負又は負から正に切り替わるエッジ(以下、ゼロクロスポイントという)で論理が切り替わる。ZEROX信号のエッジの立ち上り及び立ち下がりエッジから所定時間後にヒータ駆動信号(図中、ON信号)をオンすると、その時点からヒータ301が通電し図4(b)の斜線で示した部分で電流(図中ヒータ電流と記す)が流れ電力が供給される。尚、ヒータ301をオンした後、次のゼロクロスポイントでヒータ301への通電はオフされるので、再びZEROX信号のエッジから所定時間後にヒータ駆動信号をオンすることにより、次の半波でもヒータ301に同じ電力が供給される。このヒータ駆動信号をオンする時間(位相角とも言い換えられる)を変化させるとヒータ301への通電時間が変わるため、ヒータ301への供給電力を制御することができる。本実施例では、例えば、表2のような投入電力と位相角の変換データをエンジンコントローラ202内のCPU202aに有している。CPU202aに搭載するファームウェアは、制御表に基づき位相角を決定し、ZEROX信号を監視しながらON信号にて電力制御を行う。表1及び図4(b)では、投入電力75%なので位相角66.17°で通電した例である。位相制御では、どの8半波も75%投入電力するため、一制御周期8半波の平均も75%である。また、エンジンコントローラ202は、定着させる目標温度になるように、TH信号すなわち温度検知素子311により検知した温度に基づきPI制御によってヒータ301への投入電力を決定する。
Figure 0005465092
図4(c)は、波数制御の場合の例である。波数制御では交流電源の半波単位でオン/オフ制御を行う。ヒータ301に通電する場合には、ZEROX信号のエッジとともにヒータ駆動信号(ON信号)をオンし、この半波は100%供給となる(例えば、半波No.1)。通電しない場合には、ヒータ駆動信号をオフしたままとし、この半波は0%となる(例えば、半波No.4)。表1と図4(c)で示した波数制御の例としては、半波ごとに100%、100%、100%、0%、100%、100%、0%、100%と投入し、平均としては75%となる。図4(d)は、位相波数組み合わせ制御の例である。図4(d)では、例えば一制御周期内で、一部の半波を位相制御に一部の半波を波数制御に組み合わせた制御にしており、半波ごとに55%、100%、100%、45%、100%、55%、45%、100%と投入し、平均としては75%となる。この位相波数組み合わせ制御方式では、位相制御が毎半波行われなくなるので流れる高調波電流を低減させることができ、波数制御に比べて制御周期を短くできるので電流の変動周期が短くなり、フリッカの低減ができる。図4(b)〜(d)のいずれも、奇数番目の正半波と偶数番目の負半波で、一制御周期内に同じ投入電力が対になるようにパターン化したことによって、正負対称になっており、非対称制御の禁止という要請を満たす。
[安全回路の動作]
図5は、ハードウェア回路による安全回路の動作について説明する図である。ここで従来の問題点についても補足説明する。THERR信号は、図3で説明したように温度検知素子311により検知した温度が200℃より高い(温度が高く通電制限が必要な場合)とハイレベル、200℃より低いとローレベルとなる。また、分周回路202cによって、ZEROX信号の2分周信号(デューティ(Duty)50%)を作成する。そして、THERR信号とZEROX信号の2分周信号をエンジンコントローラ202のASIC回路202bによりMASK信号に加工して出力する。具体的には、ZEROX信号の2分周信号の立ち上りエッジにて、THERR信号がハイレベルであればMASK信号をハイレベルとして出力し、THERR信号がローレベルであればMASK信号をローレベルとして出力する。また、ZEROX信号の2分周信号の立ち下りエッジにて、THERR信号に無関係にMASK信号をローレベルとして出力する。図3でMASK信号がハイレベルである場合には、ヒータ301への通電を行わないため、温度が高い場合には、ZEROX信号の2分周単位で、デューティ50%にハードウェア的に通電制限する。このため、図4(d)で示した位相波数組み合わせ制御による75%電力制御時には、エンジンコントローラ202のCPU202aに搭載したファームウェアがON信号にて通電しようとしても、安全回路によって通電が遮断される。すなわち、図5に示すように、3半波目(電源波形C〜D区間(半波No.3))と4半波目(電源波形D〜E区間(半波No.4))は、CPU202aがON信号を出力してもMASK信号による安全回路によって通電が遮断される。8半波全体の一制御周期単位で見ると、3半波目と4半波目が通電されないため、奇数番目の正半波と偶数番目の負半波にて同じ投入電力が対にならなくなり、正負対称にならない。
このため、イミュニティ規格の非対称制御の禁止という要請を満たせなくなる。尚、このように温度が高くなって安全回路が働く場合には、ファームウェア暴走や温度検知素子の故障や通電回路の故障などの異常時もあるが、通常のプリント時にも働くことがある。例えば、厚紙で定着目標温度が高いときに、200℃をわずかに超えてしまう場合や、ノイズによって温度検知素子311の温度が200℃を超えたと誤検知してしまう場合がある。また、プリント終了時に加圧ローラ124の回転が停止してヒータ301の熱が加圧ローラ124に逃げにくくなり200℃を超えてしまう場合もある。また、用紙Sの搬送で用紙が重送されたために非通紙部で定着フィルム123と加圧ローラ124が密着せずにヒータ301の熱が加圧ローラ124に逃げにくくなり200℃を超えてしまう場合もある。尚、用紙の重送とは、複数枚の用紙が分離されずに重なって搬送された状態をいう。さらに、用紙Sが給紙カセット112の中央基準の中央部に格納されずに端の方に片寄せして格納されたことで、用紙Sが温度検知素子311の位置を通過しなくなり、用紙Sが熱を奪わないことで200℃を超えてしまう場合もある。
[本実施例の安全回路動作時における制御]
図6は、本実施例において安全回路が動作した場合でも正負対称となる制御方法を説明する図である。図5で安全回路が動作したときの条件を、本実施例の制御によって正負対称となるようにしたものが図6である。エンジンコントローラ202のCPU202aにMASK信号を入力しておき、CPU202aに搭載したファームウェアは、ゼロクロスポイントにてMASK信号のレベルを確認する。CPU202aは、MASK信号がローレベルであるならば安全回路が働いていないので半波の通電パターンをON信号に出力する。一方、MASK信号がハイレベルであるならば安全回路が働いているのでON信号をオフのままにして通電しない。ゼロクロスポイントにて、MASK信号のハイレベルが解除されてローレベルになってから続きの半波の通電パターンをON信号に出力し、一制御周期を伸ばす。図6に示すように、MASK信号がハイレベルになっている3半波目(電源波形C〜D区間で「×印」を記載した部分)と4半波目(電源波形D〜E区間で「×印」を記載した部分)ではON信号をオフして通電させない。そして、MASK信号がローレベルに解除された5半波目(電源波形E〜F区間(半波No.3))からを、2半波目(半波No.2)の続きとなる3半波目のパターンからの出力再開とする。すなわち、このケースでは一制御周期を10半波に伸ばして全8半波パターンを出力する。この結果、新しい10半波の一制御周期単位では、正負対称制御になっており、非対称制御の禁止という要請を満たすことができる。本実施例では、図4(d)の位相波数組み合わせ制御の例で示したが、図4(c)の波数制御においても、図5のように一制御周期内の3半波目と4半波目に安全回路の通電制限が入ると正負対称制御にならなくなる。このため、図4(c)の波数制御においても図6のように制御することで正負対称制御にでき、本実施例の制御は波数制御でも有効である。
[本実施例のヒータ通電制御]
図7は、エンジンコントローラ202における一制御周期単位のヒータ通電制御を示すフローチャートである。エンジンコントローラ202のCPU202aは印刷を開始すると、ステップ(以下、Sとする)801で定着目標温度と温度検知素子311により検知された検知温度の出力であるTH信号とに基づきPI制御によって投入電力を決定する。S802でCPU202aは、一制御周期内の全8半波の出力パターンの、どの番号の半波を出力させるかを意味する半波カウンタNを1(1半波目(半波No.1))に設定する(Nに1を代入する)。S803でCPU202aは、ゼロクロス検出回路417により出力されたZEROX信号によりゼロクロスポイントを待つ。S803でCPU202aはゼロクロスポイントになったと判断したら、S804でASIC回路202bにより出力された安全回路のMASK信号がハイレベルかどうかを判断する。S804でCPU202aは、MASK信号がローレベルであると判断すると、S805で1半波目の通電パターンをON信号にて通電する。S806でCPU202aは、一制御周期の全8半波の出力が終了していない、すなわちN=8でないと判断すると、S807で次の半波を出力できるように半波カウンタNに1を加算する(N=N+1)。そしてCPU202aは再びS803の処理に戻り、次のゼロクロスポイントを待つ。
一方、S804でCPU202aは、安全回路のMASK信号がハイレベルであると判断すると、S808でこの半波はON信号をオフのままにして通電させずに、S803の処理に戻り次のゼロクロスポイントを待つ。この場合、半波カウンタNを加算していないので、ゼロクロスポイントでMASK信号がローレベルになるまで待ってから、続きの半波出力を行うことになる。S806でCPU202aは一制御周期である全8半波の出力を終了したと判断したら、S809で印刷が終了したと判断するまで、S801に戻って一制御周期単位で定着器110の温度制御を行う。S809でCPU202aは印刷が終了したと判断するとこの制御を終了する。本実施例では、一制御周期内で安全回路が働くMASK信号がハイレベルである期間に、半波カウンタNを進めずに通電を停止して、MASK信号がローレベルに解除されたことをもって続きの半波カウンタから出力する例とした。他の実施例として例えば、MASK信号がハイレベルの期間でも半波カウンタNを進め、そのかわり出力できなかった半波番号を記憶手段である例えばROM等に記憶しておく方法がある。この場合、一制御周期である8半波出力後に出力できなかったと記憶した半波番号の半波を出力していくことにより、同様の効果を得ることができる。
尚、本実施例では一制御周期を8半波とし、3半波目でMASK信号により電力が遮断され、遮断が解除されたあとに残りの6半波分を供給する例を説明した。ここで、一制御周期をN半波(N:整数)とし、M半波目(M:整数)でMASK信号により電力が遮断されたとすると、遮断が解除されたあとに、(M−1)半波目に続く残りの(N−M+1)半波分を通電すればよい。
以上説明したように、本実施例によれば、温度検知に基づきハードウェア回路による通電制限を行う安全回路によって、故障といった異常時以外の通常プリント時に安全回路が働いた場合でも正負対称制御を行うことができる。すなわち、ハードウェア回路による安全回路が動作した場合でも、一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御することができる。
実施例2の定着器を備えるプリンタを説明する。ヒータ301の発熱は定着フィルム123を通して、加圧ローラ124又は定着ニップ部Nを通過する用紙Sに供給される。しかし、加圧ローラ124が回転していない場合には、加圧ローラ124の周方向にて同じ位置がヒータ301と接しているため、回転している場合に比べると加圧ローラ124へ熱が伝わりにくい。そのため、加圧ローラ124の周方向の一部分のみ過熱してしまったり、ヒータ301の熱も逃げにくかったりし、定着器の損傷の原因となるおそれがある。そのため、本実施例は、加圧ローラ124が回転していない場合に、ヒータ301への通電を75%に制限するといった安全回路を設けた例としている。尚、図1、図2、図4、図7は、実施例1と同様であるため説明を省略し同じ符号を用いて以下説明する。
[定着ヒータ111の駆動制御回路]
図8は、本実施例の定着ヒータ111の駆動制御回路図である。実施例1の図3と同じ回路の部分については説明を省略し、実施例1と異なるハードウェア回路による安全回路について説明する。実施例1では、温度検知素子311の検知結果であるTH信号(温度信号)と基準温度に相当する基準電圧とをコンパレータ429で比較することにより、THERR信号をエンジンコントローラ202に出力し、安全回路による通電遮断の制御を行った。本実施例では回転数検知手段として加圧ローラ124の回転信号(以下に説明するFG信号)によって加圧ローラ124が回転しているかどうかを示すMTRSTOP信号を出力し、これにより安全回路による通電遮断の制御を行う。定着モータ430は、加圧ローラ124を回転させており、回転に伴いモータ回転検知FG信号(以下、単にFG信号という)を出力する。定着モータ430が出力するFG信号を、Dフリップフロップ431に入力して1/2に分周し、FET432のゲートに供給する。FET432のスイッチング動作により、コンデンサ434に矩形波Vaが印加される。本実施例では矩形波Vaは24V振幅を有する。矩形波Vaはダイオード435を介して、オペアンプ441の反転入力に供給される。オペアンプ441と抵抗439とコンデンサ440とで積分回路を構成し、供給された矩形波は直流信号に変換されて、オペアンプ441から出力される。オペアンプ441の出力電圧Vbは、オペアンプ441の非反転入力電圧をVc(抵抗437と抵抗438で決まる)、コンデンサ434の静電容量をC434、抵抗439の抵抗値をR439、FG信号の周波数をfとすると、次式のようになる。
Vb=Vc−(24−Vc)×C434×R439×f/2
この式より、Vbは、FG信号の周波数に依存し、FG信号の周波数が高くなるほど、低くなる。さらに、オペアンプ441の出力電圧Vbは、コンパレータ444の非反転入力へ入力される。コンパレータ444にて、抵抗442と抵抗443で決まる基準電圧VdとVbを比較する。尚、抵抗433、445は電流制限抵抗、ダイオード436は逆起電圧を吸収するための素子である。従って、コンパレータ444の出力であるMTRSTOP信号は、FG信号の周波数が所定値以上ならローレベルとなり、所定値以下ならハイレベルとなる。つまり、定着モータ430が所定回転数以上で回転していればローレベルで、所定回転数に達していない又は回転停止していればハイレベルとなる。尚、定着モータ430の回転判断検知については、ASIC回路202bにFG信号を入力して、ASIC回路202b内で検知する構成でもよい。また、加圧ローラ124の回転検知として定着モータ430のFG信号を用いたが、加圧ローラ124に回転エンコーダを設けてエンコーダの回転信号を用いてもよい。
コンパレータ444から出力されたMTRSTOP信号をエンジンコントローラ202のASIC回路202bへ入力する。一方、ASIC回路202bには、ZEROX信号を分周回路202cによって2分周した信号と4分周した信号を入力する。そして、2分周信号と4分周信号の論理積をとった負論理デューティ(Duty)75%信号を作成する。ASIC回路202bは、MTRSTOP信号がローレベル(定着モータ430が所定回転数以上で回転)であればMASK信号を常にローレベルにする。一方ASIC回路202bは、MTRSTOP信号がハイレベル(定着モータ430が所定回転数以下又は回転停止)であればMASK信号を負論理デューティ75%パルス信号として出力する。この切り替え判断は、負論理デューティ75%パルス信号の立ち上りエッジで確定させる。よって、MTRSTOP信号がハイレベルであれば、MASK信号が負論理デューティ75%パルスになり、CPU202aがON信号で100%通電しようとしても、ヒータ301への通電が75%に制限される。この安全回路によって、加圧ローラ124が所定回転数以下又は回転していない場合、通電を75%に制限する。
[安全回路の動作と本実施例の安全回路動作時における制御]
図9は、ハードウェア回路による安全回路の動作と正負対称となる制御方法を説明する図である。この図により従来からの問題も補足説明する。MTRSTOP信号は、図8で説明したように定着モータ430が所定回転数以下又は回転停止(通電制限が必要な状態)である場合ハイレベル、所定回転数以上で回転していればローレベルである。前述したように、分周回路202cによりZEROX信号の2分周信号、4分周信号及びこれらの論理積である負論理デューティ75%信号を出力する。MTRSTOP信号と負論理デューティ75%信号を、エンジンコントローラ202のASIC回路202bによりMASK信号に加工して出力する。具体的には、負論理デューティ75%信号の立ち上りエッジにて、MTRSTOP信号がハイレベルであればMASK信号をハイレベルとして出力し、MTRSTOP信号がローレベルであればMASK信号をローレベルとして出力する。また、負論理デューティ75%信号の立ち下りエッジにて、MTRSTOP信号に無関係に、MASK信号をローレベルとして出力する。MASK信号がハイレベルの場合には、ヒータ301への通電を行わないため、定着モータ430が所定回転数以下又は回転停止の場合には、デューティ75%にハードウェア的に通電制限する。このため、実施例1で説明した図4(c)の位相波数組み合わせ制御による75%電力制御時には、図9のヒータ電流に示すようになる。すなわち、エンジンコントローラ202のCPU202aに搭載したファームウェアがON信号にて通電しようとしても、7半波目(電源波形G〜H区間の×印)と8半波目(電源波形H〜I区間の×印)はMASK信号による安全回路によって通電が遮断される。このままでは、一制御周期単位である8半波全体で見ると、7半波目と8半波目が通電されないため、奇数番目の正半波と偶数番目の負半波にて同じ投入電力が対にならなくなり、正負対称にならない。このため、非対称制御の禁止という要請を満たせなくなる。
そこで、本実施例では、エンジンコントローラ202のCPU202aにMASK信号を入力する。CPU202aに搭載したファームウェアは、ゼロクロスポイントにてMASK信号のレベルを確認する。そしてCPU202aは、MASK信号がローレベルならば安全回路が働いていないので半波の通電パターンをON信号に出力し、ハイレベルならば安全回路が働いているのでON信号をオフのままにして通電しない。ゼロクロスポイントにて、MASK信号のハイレベルが解除されてローレベルになってから続きの半波の通電パターンをON信号に出力し、一制御周期を伸ばす。図9に示すように、CPU202aは、MASK信号がハイレベルになっている7半波目(電源波形G〜H区間で「×印」を記載した部分)と8半波目(電源波形H〜I区間で「×印」を記載した部分)ではON信号をオフして通電を遮断する。CPU202aは、MASK信号がローレベルに解除された9半波目(電源波形I〜J区間)から続きとなる7半波目(半波No.7)のパターンから出力(通電)再開し、このケースでは一制御周期を10半波に伸ばして全8半波パターンを出力する。この結果、一制御周期を10半波とする新しい制御周期単位では、正負対称制御になっており、非対称制御の禁止という要請を満たすことができる。本実施例では、図4(c)の位相波数組み合わせ制御の例で示したが、実施例1と同様に、図4(b)の波数制御においても有効である。
尚、このように定着モータ430が所定回転数以下又は回転せずに安全回路が働く場合には、ファームウェアの暴走や温度検知素子の故障や通電回路の故障などの異常時もあるが、通常のプリント時にも働くことがある。例えば、プリント開始のためヒータ301を目標温度になるよう温度制御しながら定着モータ430を回転し始めて回転が所定回転数に到達するまでの期間に、回転数が所定回転数以下となる場合がある。また、プリント終了のため目標温度をプリント温度からスタンバイ温度に下げて温度制御しながら定着モータ430を回転停止し始めて回転数が所定回転数以下になっていく場合がある。また、加圧ローラ124に付着したトナーをクリーニングする際には、プリントのための温度制御を行いながら、用紙を定着フィルム123と加圧ローラ124間で挟持しつつ、加圧ローラ124を回転させたり停止させたりを繰返し行っている。このような場合にも、加圧ローラ124の回転停止時に安全回路が働くことがある。
以上説明したように、加圧ローラの回転(定着モータ回転)検知に基づきハードウェア回路による通電制限を行う安全回路によって、故障といった異常時以外の通常プリント時に安全回路が働いたとしても、本実施例によって正負対称制御を行うことができる。すなわち、本実施例によれば、ハードウェア回路による安全回路が動作した場合でも、一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御することができる。
尚、実施例1の温度検知及び本実施例の回転検知を組み合わせて、ハードウェア回路による通電制限の条件を次のように応用してもよい。すなわち、定着モータの回転数が所定回転数以下又は回転停止の場合は、ヒータの温度検知素子による検知温度が200℃を超えた場合に通電制限を行い、所定回転数以上の場合は検知温度が225℃を超えた場合に通電制限を行うとしてもよい。また、電源電圧の違いや、ヒータに流れる電流値の大きさによって通電制限を行ってもよい。また、通電制限も、検知条件に応じて、50%、75%のほか、自由に設定してよい。
実施例3の定着器を備えるプリンタを説明する。本実施例では、ヒータを複数個として例えば2個にした例である。実施例1や実施例2はヒータ1本でA4サイズプリンタの例としたが、本実施例ではヒータ2本で中央部と端部に分けてA4サイズよりも広いサイズの用紙(幅広)まで対応可能としたA3サイズプリンタの例である。図1、図4は、実施例1と同様であり説明を省略し同じ符号を用いて説明する。
[定着器とヒータの構成]
図10は、本実施例の定着器の構成図である。実施例1、2における図2の構成図と異なる部分を説明する。実施例1では定着ヒータ111が一つのヒータ301を有する構成であったが、本実施例の定着ヒータ111はヒータ301(メインヒータとも称する)とヒータ302(サブヒータとも称する)の2個のヒータを有する構成である。図10(c)で、L1は通紙可能な最大サイズ紙の通紙幅領域、L2は通紙可能な最小サイズ紙の通紙幅領域である。コネクタ309は定着ヒータ111の電極部306、307側に装着され、電極部306、307とヒータ駆動回路側とを電気的に連絡する。コネクタ310は定着ヒータ111の電極部308側に装着され、電極部308とヒータ駆動回路側とを電気的に連絡する。電極部308は2本のヒータ301、302に対する共通電極であり、ヒータ301、302の各一端部に対してそれぞれ分岐導電部材を介して導通させてある。定着器110は、保護層300上の中央部に、定着ヒータ111の中央部の温度を検知する温度検知素子311と過昇温防止素子304を備える。温度検知素子311と過昇温防止素子304は、用紙Sの中央搬送基準線Bに対して左右対称な位置であり、かつ通紙可能な最小サイズ紙の通紙幅領域L2よりも内側の位置に配設される。また、保護層300上の端部に、定着ヒータ111の端部の温度を検知する温度検知素子312、313を備える。温度検知素子312、313は、用紙Sの中央搬送基準Bに対して、左右対称な位置であり、かつ通紙可能な最大サイズ紙の通紙幅領域L1よりも内側の位置に配設される。
図10(c)に示すように、メインヒータ301は主に用紙Sの中央部を加熱するために用い、サブヒータ302は主に用紙Sの端部を加熱するために用いる。用紙Sの紙幅に応じて、例えば通紙幅領域L2の最小幅の用紙Sであればメインヒータ301のみ通電する(メインヒータ301とサブヒータ302の通電比率をメイン100:サブ0とする)。一方、通紙幅領域L1の最大幅の用紙Sであればメインヒータ301とサブヒータ302を同等に通電する(メインヒータ301とサブヒータ302の通電比率をメイン100:サブ100とする)。このように、用紙Sの紙幅に応じて、メインヒータ301とサブヒータ302の通電比率を変える。本実施例は、定型サイズは用紙サイズ(紙幅)に応じて、具体的には、例えば表3のようにメインサブ通電比を決めた例とする。紙サイズに応じて、さらに細かくメインサブ通電比を設定してもよい。また、非定型サイズではユーザから指定される紙幅の値又は図示しない例えば紙幅検知センサ等の紙幅検知手段で測定した紙幅の値に応じて、メインサブ通電比を設定してもよい。
Figure 0005465092
[定着ヒータ111の駆動制御回路]
図11は、本実施例の定着ヒータ111の駆動制御回路図である。実施例1の図3と同じ回路の部分については説明を省略し、実施例1と異なるハードウェア回路による安全回路について説明する。本実施例ではヒータが2個となったため、実施例1のヒータ301を本実施例のメインヒータ301に置換えてON1信号で駆動するとともに、追加されたサブヒータ302に対しても同様のヒータ駆動回路(符号410〜416)を追加してON2信号にて駆動する。尚、メインヒータ301の駆動回路とサブヒータ302の駆動回路との違いは、MASK信号によるハードウェア回路の安全回路が働くのがメインヒータ301のみになっている点である。また、温度検出素子が実施例1では1個であったのに対して、本実施例では3個になっている。中央部の温度を測定する温度検知素子311の検知結果が実施例1と同様にエンジンコントローラ202へTH1信号として入力され、同様に端部の温度を測定する温度検知素子312及び313の検知結果がTH2及びTH3信号として入力される。尚、温度検知素子312、313によって検出される温度は、それぞれ抵抗424、425と、温度検知素子312、313との分圧として検出される。
定着ヒータ111の温度は、TH1、TH2、TH3信号としてエンジンコントローラ202において監視される。CPU202aは、エンジンコントローラ202の内部で設定されている定着ヒータ111の設定温度の情報とTH1、TH2、TH3信号の情報とを比較することにより、ヒータ301、302に供給するべき電力を算出する。CPU202aは、算出した供給するべき電力に対応した位相角(位相制御)又は波数(波数制御)に換算し、その制御条件によりエンジンコントローラ202がトランジスタ408にON1信号又はトランジスタ415にON2信号を出力する。また、エンジンコントローラ202は、温度検知素子311により検知した中央部の温度情報であるTH1信号、温度検知素子312、313により検知した端部の温度情報であるTH2信号、TH3信号とを比較する。エンジンコントローラ202は、この比較の結果、これらの温度差が所定温度(例えば10℃)の範囲内であればプリントをそのまま継続する。一方、エンジンコントローラ202は、温度差が所定温度の範囲外になった場合には紙間(搬送間隔)を広げる制御を行いスループットを落とし、中央部と端部の温度を均すような制御を行う。
[安全回路の動作]
次に、ハードウェア回路による安全回路について説明する。実施例1では温度検出素子が1個であったため、コンパレータ429により閾値温度200℃を超えた場合にTHERR信号をハイレベルとする構成とした。一方本実施例では温度検出素子が3個であり、それぞれの温度が1つでも閾値温度200℃を超えた場合にTHERR信号をハイレベルにするように、論理和回路450を備える構成とする。本実施例では、それぞれの温度閾値を200℃と同じにしてあるが、コンパレータ429、447、449の基準電圧Verrを温度検出素子ごとに変えることも可能である。尚、抵抗446、448は電流制限抵抗である。このTHERR信号をエンジンコントローラ202のASIC回路202bへ入力する。ASIC回路202bは、ZEROX信号の2分周信号に基づき、THERR信号がローレベル(200℃より低い)であればMASK信号を常にローレベルとして出力する。一方ASIC回路202bは、THERR信号がハイレベル(200℃より高い)であればMASK信号をZEROX信号の2分周信号(デューティ50%パルス信号)として出力する。よって、THERR信号がハイレベルであれば、MASK信号がデューティ50%パルスになり、ON1信号で100%通電しようとしても、メインヒータ301への通電が50%に制限される。この安全回路によって、いずれかの温度検知素子が200℃を超えた場合、メインヒータ301のみ通電を50%に制限する。本実施例では、例えばメインヒータ301を100%駆動したときに700W、サブヒータ302を100%駆動したときに300Wの電力とし、電力供給量が大きいメインヒータ301のみ50%に制限するだけで安全が確保できる例としている。もちろん、メインヒータ301とサブヒータ302を同時に、50%制限する構成でもよい。
図12は、ハードウェア回路による安全回路の動作について説明する安全回路動作説明図である。この図で従来からの問題についても補足説明する。まず、メインヒータ301とサブヒータ302の電力制御を説明する。位相波数組み合わせ制御でメインヒータ301とサブヒータ302の両方に電力投入する場合の制御例である。投入電力は、表4に示すように、メインサブ通電比がメイン100:サブ50の比率で、メインヒータ301に75%、サブヒータ302に半分の37.5%を供給する例とする。エンジンコントローラ202は、用紙サイズに応じてメインサブ比率を選択し(この例ではメイン100:サブ50)、定着させる目標温度になるように、TH1〜TH3信号の温度情報に基づきPI制御によって投入電力を制御する。
Figure 0005465092
表4及び図12の例では、表4のように、半波ごとにメインヒータ301とサブヒータ302を位相波数組み合わせ制御にて出力する。そして、奇数番目の正半波組み合わせと、偶数番目の負半波組み合わせで、一制御周期内に同じ投入電力が対になるようにパターン化する。これにより、メインヒータ301とサブヒータ302の合成電流として正負対称になっており、非対称制御の禁止という要請を満たす。
THERR信号は、上述したように温度検知素子311、312、313のいずれかが200℃より高い(通電制限が必要な場合)とハイレベル、200℃より低いとローレベルである。また、分周回路202cによりZEROX信号の2分周信号(デューティ50%)を作成する。そして、THERR信号とZEROX信号の2分周信号をエンジンコントローラ202のASIC回路202bによりMASK信号に加工しCPU202aに出力する。具体的には、ZEROX信号の2分周信号の立ち上りエッジにてTHERR信号がハイレベルであればMASK信号をハイレベルで出力し、THERR信号がローレベルであればMASK信号をローレベルで出力する。また、ASIC回路202bは、ZEROX信号の2分周信号の立ち下りエッジにて、THERR信号に無関係にMASK信号をローレベルで出力する。図11で説明したようにMASK信号がハイレベルの場合には、メインヒータ301への通電を行わないため、温度が高い場合には、ZEROX信号の2分周単位で、デューティ50%にハードウェア的に通電制限する。このため、表4で示した位相波数組み合わせ制御によるメイン75%でサブ37.5%の電力制御時には、CPU202aに搭載したファームウェアがON1及びON2信号で通電しようとしても、次のようになる。すなわち、図12に示したように3半波目(電源波形C〜D区間)と4半波目(電源波形D〜E区間)はMASK信号による安全回路によってメインヒータ301のみ通電されない。一制御周期単位である8半波全体で見ると、3半波目と4半波目のメインヒータ301のみが通電されないため、奇数番目の正半波組み合わせと偶数番目の負半波組み合わせにて同じ合成投入電力が対にならなくなり、正負対称にならない。このため、非対称制御の禁止という要請を満たせなくなる。
尚、このように温度が高くなって安全回路が働く場合には、ファームウェア暴走や温度検知素子の故障や通電回路の故障などの異常時もあるが、通常のプリント時にも働くことがある。実施例1で説明した厚紙、ノイズ、プリント終了時、重送、片寄せの例がある。さらにこれらの例に加えて、A3サイズプリンタでは幅の狭い紙をプリントするときに定着器110の中央部分のみ用紙Sが通過して熱を奪うものの非通紙部は用紙Sが熱を奪わずに端部の温度が上昇して端部温度が200℃を超えてしまうような場合もある。
また別の問題として、安全回路が動作した場合、一制御周期である8半波全体で見ると、メインヒータ301の平均電力は56.875%で、サブヒータ302の平均電力は37.5%となり、メインサブ比率がメイン100:サブ65.9となってしまう。これにより用紙サイズに応じて選択した通電比率であるメイン100:サブ50に比べて、サブヒータ302の比率が高くなってしまう。サブヒータ302の比率が大きくなることで、端部の温度が中央部の温度に比べて1〜3℃上昇することが実験的に知られている。前述したように、中央部と端部の温度差が10℃を超えると、紙間を広げてスループットを落とすことになるため、この1〜3℃の温度差拡大は、スループット低下を発生させるおそれがある。
[本実施例の安全回路動作時における制御]
図13は、本実施例において安全回路が動作した場合でも正負対称となる制御方法を説明する図である。図12で安全回路が動作したときの条件を、本実施例の制御によって正負対称にしたものが図13である。エンジンコントローラ202のCPU202aにMASK信号を入力し、CPU202aに搭載したファームウェアは、ゼロクロスポイントにてMASK信号のレベルを確認する。CPU202aは、MASK信号がローレベルであると判断すると安全回路が働いていないので半波の通電パターンをON1信号及びON2信号に出力する。一方、CPU202aは、MASK信号がハイレベルであると判断すると安全回路が働いているのでON1及びON2信号をオフのままにして通電しない。上述したとおりMASK信号はメインヒータ301のみ通電制限しており、サブヒータ302はON2信号で通電可能であるが、あえて、ここではメインヒータ301もサブヒータ302もオフにして通電させない。ゼロクロスポイントにて、MASK信号のハイレベルが解除されてローレベルになってから続きの半波の通電パターンをON1及びON2信号に出力し、一制御周期を伸ばす。図13に示したように、CPU202aは、MASK信号がハイレベルになっている3半波目(電源波形C〜D区間で「×印」を記載した部分)と4半波目(電源波形D〜E区間で「×印」を記載した部分)ではON1及びON2信号をオフして通電させない。CPU202aは、MASK信号がローレベルに解除された5半波目(電源波形E〜F区間(半波No.3))から続きとなる3半波目のパターンから出力再開し、このケースでは一制御周期の単位を8半波から10半波に伸ばして、全8半波パターンを出力する。この結果、一制御周期を10半波とする新しい一制御周期単位では、通電パターンが正負対称制御になっており、非対称制御の禁止という要請を満たすことができる。また、新しい10半波の一制御周期単位全体として、メインヒータ301の平均電力は60%で、サブヒータ302の平均電力は30%で、メインサブ比率はメイン100:サブ50の比率を満たしている。このため、前述したような端部昇温によるスループットダウンといった問題も解決できる。
[本実施例のヒータ通電制御]
一制御周期単位のヒータ通電制御を示すフローチャートは、実施例1や2と同じ図7で説明できる。S801に相当するステップでは、CPU202aは定着目標温度と検知温度TH1、TH2、TH3信号とに基づきPI制御によって投入電力を決定するとともに、用紙サイズからメインサブ比率を決定する。また、S805に相当するステップでは、N半波目の投入パターンでメインヒータ301とサブヒータ302をそれぞれ通電出力する。S808に相当するステップではメインヒータ301とサブヒータ302ともに通電しない。
本実施例では、ヒータを2個とした例としているが、3個以上の複数ヒータにしてもよい。この場合、複数ヒータのうち1個でもハードウェア回路による安全回路が働いた場合に各ヒータの通電をオフとし、全てのヒータが通電可能な場合に各ヒータの通電を行うように制御を行う。また、安全回路の条件は、温度検知だけでなく、実施例2のように加圧ローラ回転検知との組み合わせでもよい。
以上説明したように、本実施例によれば、複数ヒータの構成においても、ハードウェア回路による通電制限を行う安全回路によって、故障といった異常時以外の通常プリント時に安全回路が働いたとしても、正負対称制御を行うことができる。すなわち、ハードウェア回路による安全回路が動作した場合でも、一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御することができる。さらに、複数ヒータの通電比率を保持する効果も得られる。
実施例4の定着器及びこれを用いたプリンタを説明する。実施例1の構成でヒータ通電制御を変えた例である。実施例1では、ハードウェア回路による安全回路が働いた場合に、一制御周期単位を変えて正負対称制御にしたのに対し、本実施例では通電パターンを工夫することで一制御周期単位を変えずに正負対称制御を行う。図1〜図4は、実施例1と同様であり説明を省略して同じ符号を用いて説明する。
[本実施例の安全回路動作時における制御]
図14は、ハードウェア回路による安全回路の動作と正負対称となる制御方法を説明する図である。実施例1で説明したように、本実施例でも、温度が高い場合には、MASK信号がハイレベルとなり、デューティ50%にハードウェア的に通電制限する。実施例1では、ZEROX信号の2分周信号デューティ50%信号をMASK信号としていたのに対し、本実施例ではZEROX信号の4分周信号デューティ50%信号をMASK信号とした点が異なる。図14は、投入電力75%の位相波数組み合わせ制御の投入例で、表1の位相波数組み合わせ制御に対して、表5のように改善を行った例である。
Figure 0005465092
一制御周期内で、一部の半波を位相制御で一部の半波を波数制御に組み合わせた制御にしており、半波ごとに55%、100%、100%、55%、100%、45%、45%、100%と投入し、平均としては75%となる。表1に対して工夫したところは、前半の4半波で正負対称にした通電パターンで、後半の4半波も正負対称にした通電パターンとした点である。MASK信号は前述したようにZEROX信号の4分周信号で4半波ごとにハイレベルとローレベルを繰返すようにし、この4半波に合わせて正負対称の通電パターンを4半波単位にした。図14は、表5の通電パターンで通電した図であり、安全回路による制限が無い場合には、中央に記載した「ヒータ電流(制限無し)」のように電力投入される。
次に、安全回路が働いた場合の制御方法を説明する。エンジンコントローラ202のCPU202aに、MASK信号とともに、ZEROX信号の4分周信号を入力しておく。図3はCPU202aにMASK信号しか入力していない回路図であるが、本実施例では分周回路202cからZEROX信号の4分周信号も入力する構成とする。CPU202aに搭載したファームウェアは、ゼロクロスポイントにてZEROX信号の4分周信号のレベルを確認し、ハイレベルからローレベルへの立ち下りを、一制御周期8半波の1半波目になるように同期取りを行う。CPU202aは、この同期取りを行ったら、ゼロクロスポイントごとに8半波の通電パターンを出力する。ここで、図14の下方に記載した「ヒータ電流(制限有り)」に示すように、MASK信号がハイレベルになっている5半波目から8半波目(電源波形E〜I区間)では安全回路によって通電されず、出力が0%となる。この結果、全8半波の一制御周期単位で見ると、正負対称制御になっており、非対称制御の禁止という要請を満たす。一制御周期の全8半波のうち、前半4半波単位及び後半4半波単位が正負対称とした通電パターンにして、安全回路による通電制限を4半波単位で働くようにして同期取りを行う。これにより一制御周期単位を伸ばすことなく一制御周期単位で正負対称の制御が実現できる。CPU202aのファームウェアは、MASK信号のレベルを検知して、通電するか否かの判断を行うことも不要である。
[本実施例のヒータ通電制御]
図15は、エンジンコントローラ202における制御周期単位のヒータ通電制御を示すフローチャートである。S1601〜S1603の処理は図7のS801〜S803と同じであるので説明を省略する。S1604でCPU202aは、分周回路202cから入力されたZEROX信号の4分周信号の立ち下りエッジかどうかを判断する。S1604でCPU202aは、ZEROX信号の4分周信号の立ち下りエッジでないと判断すると、S1605で通電をせずに次のゼロクロスポイントを待って、安全回路との同期がとれるのを待つ。S1604でCPU202aは、ZEROX信号の4分周信号の立ち下がりエッジであると判断し、立ち下りエッジで安全回路との同期がとれれば、S1606で1半波目の通電パターンをON信号にて通電する。通常、この同期取りは1回同期をとっておけばよい。S1607でCPU202aは、全8半波の出力が終了していないと判断すると、S1608で次の半波を出力できるように半波カウンタNに1を加算する。S1609でCPU202aは、ゼロクロスポイントごとにS1606の処理に戻る。すなわち、CPU202aは、MASK信号のレベルによらずゼロクロスポイントごとにON信号を出力する。ここで、安全回路が作動していれば通電は安全回路により遮断される。このように本実施例では、実施例1の図7のS804でCPU202aがMASK信号の信号レベルを判断していた処理を行わない点で異なる。S1610は図7のS809と同じである。
本実施例では、正負対称となる通電パターンを4半波、MASK信号も4半波で構成させ、一制御周期をこの4半波の2倍となる8半波で構成した例である。例えば、一制御周期を、4倍の16半波で構成してもよい。あるいは、通電パターンとMASKパターンを6半波で構成させ、一制御周期を2倍の12半波で構成するなど応用してもよい。すなわち、MASK信号をA半波単位(A:4以上の偶数=4,6,8・・・)で構成させてヒータ301への電力供給を制限し、一制御周期をこのA半波のB倍(B:2以上の整数=2,3,4・・・)となる(A×B)半波で構成してもよい。
以上説明したように、温度検知に基づきハードウェア回路による通電制限を行う安全回路によって、故障といった異常時以外の通常プリント時に安全回路が働いたとしても、一制御周期単位を変えることなく正負対称制御を行うことができる。すなわち、本実施例によれば、ハードウェア回路による安全回路が動作した場合でも、一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御することができる。
実施例5の定着器を備えるプリンタを説明する。複数ヒータを有する実施例3の構成でヒータ通電制御を変えた例である。実施例3では、ハードウェア回路による安全回路が働いた場合に、一制御周期単位を変えて正負対称制御にしたのに対し、本実施例では通電パターンを工夫することで一制御周期単位を変えずに正負対称制御を行う。図1、図4、図10、図11は、実施例3と同様であり説明を省略し、同じ符号を用いて説明する。
[安全回路の動作]
図16は、ハードウェア回路による安全回路の動作を説明する図である。実施例3で説明したように、本実施例でも温度が高い場合には、MASK信号がハイレベルとなり、デューティ50%にハード的に通電制限する。実施例3では、ZEROX信号の2分周信号デューティ50%信号をMASK信号としていたのに対し、本実施例ではZEROX信号の4分周信号デューティ50%信号をMASK信号とした点が異なる。本実施例での図16は、投入電力75%の位相波数組み合わせ制御の投入例で、表4の位相波数組み合わせ制御に対して、表6のように改善を行った例である。メインヒータ301とサブヒータ302、303の比率は、メイン100:サブ50である。
Figure 0005465092
一制御周期内で、一部の半波を位相制御に一部の半波を波数制御に組み合わせた制御にしており、メインヒータ301は半波ごとに55%、100%、100%、55%、100%、45%、45%、100%と投入し、平均としては75%となる。サブヒータ302、303は半波ごとに、27.5%、50%、50%、27.5%、12.5%、60%、60%、12.5%と投入し、平均としてメインヒータ301の半分の37.5%である。表4に対して工夫したところは、メインとサブを組み合わせた合成電流として、前半の4半波を正負対称にした通電パターンとし、後半の4半波も正負対称にした通電パターンとした点である。さらに、この4半波単位で、メインサブ比率がメイン100:サブ50になるように工夫してある。MASK信号は前述したようにZEROX信号の4分周信号で4半波ごとにハイレベルとローレベルを繰返すようにし、この4半波に合わせてメインサブ組み合わせた正負対称かつ通電比率固定の通電パターンを4半波単位にした。図16は、表6の通電パターンで通電した図であり、安全回路による制限が無い場合には、中央に記載した「メインヒータ電流(制限無し)」及び「サブヒータ電流(制限無し)」のように電力投入される。次に、温度が高く安全回路が働いた場合を説明する。安全回路によるMASK信号は、メインヒータ301のみに動作する。図16の下方に記載したように、MASK信号が後半5半波目から8半波目(電源波形E〜I区間)でハイレベルになって安全回路が働いた場合は次のようになる。すなわち、メインヒータ301のみ後半が通電されずに、「メインヒータ電流(制限有り)」及び「サブヒータ電流(制限受けず)」のように電力投入される。一制御周期8半波全体で見ると、正負対称制御にはできるものの、メインサブ比率はメイン100:サブ96.8となってしまう。目標の通電比率であるメイン100:サブ50に対して、サブヒータ302、303への投入電力が大きくなってしまい、実施例3で説明したように端部が昇温してスループットを落とすおそれがある。
[本実施例の安全回路動作時における制御]
図17は、安全回路が働いた場合の制御方法を説明する。エンジンコントローラ202のCPU202aに、MASK信号とともに、ZEROX信号の4分周信号を入力しておく。図11はCPU202aにMASK信号のみ入力する回路図だが、本実施例では分周回路202cからZEROX信号の4分周信号も接続するように変更する。CPU202aに搭載したファームウェアは、ゼロクロスポイントにてZEROX信号の4分周信号のレベルを確認し、ハイレベルからローレベルへの立ち下りを、一制御周期8半波の最初になるように同期取りを行う。CPU202aは、同期取りを行ったら、ゼロクロスポイントごとに8半波の通電パターンを出力する。但し、半波ごとの通電パターンを出力する際に、MASK信号を確認して、MASK信号がローレベルで安全回路が働いていない場合には通電パターンをON1信号及びON2信号で出力する。しかし、MASK信号がハイレベルで安全回路が働いている場合にはON1信号及びON2信号をオフにして通電をしないように制御する。図17に記載したように、MASK信号がハイレベルになっている5半波目から8半波目(電源波形E〜I区間)で安全回路によって通電されない場合には、次のようにする。すなわち、ON1信号及びON2信号をオフにして、メインヒータ301にもサブヒータ302、303にも通電させない。この結果、全8半波の一制御周期単位で見ると、正負対称制御になっているだけでなく、メインサブの通電比率もメイン100:サブ50にできる。
[本実施例のヒータ通電制御]
図18は、エンジンコントローラ202における一制御周期単位のヒータ通電制御を示すフローチャートである。実施例4の図15に対してS1901及びS1902を追加した点が異なる。S1601からS1605までは実施例4と同じであるので説明を省略する。S1901でCPU202aは、MASK信号のレベルを確認して、MASK信号がローレベルであると判断すると、S1606で1半波目の通電パターンをON1信号及びON2信号にて通電する。S1901でCPU202aは、MASK信号がハイレベルであると判断すると、S1902でON1信号及びON2信号とも通電しない。以降、S1607〜S1610までは実施例4と同じであるので、説明を省略する。
本実施例では、正負対称かつ複数ヒータ通電比率固定となる通電パターンを4半波、MASK信号も4半波で構成させ、一制御周期をこの4半波の2倍となる8半波で構成したが、例えば、一制御周期を、4倍の16半波で構成してもよい。あるいは、通電パターンとMASKパターンを6半波で構成させ、一制御周期を2倍の12半波で構成するなど応用してもよい。
以上説明したように、複数ヒータを備える場合でもハードウェア回路による通電制限を行う安全回路により故障といった異常時以外の通常プリント時に安全回路が働いたとしても一制御周期単位を変えることなく正負対称制御が行える。すなわち、本実施例によれば、ハードウェア回路による安全回路が動作した場合でも、一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御することができる。さらに、複数ヒータの通電比率を保つことができる。
100 画像形成装置
110 定着器
111 定着ヒータ
202 エンジンコントローラ
301 ヒータ

Claims (6)

  1. トナー像を加熱する発熱体を有する加熱手段と、交流電源から前記発熱体に供給する電力を制御する制御手段と、ハードウェア回路により前記交流電源から前記発熱体への電力の供給を制限する制限手段と、を備え、前記制御手段が、前記交流電源の複数のN半波(N:整数)からなる一制御周期内において正半波と負半波で供給する電力が対称となるよう制御する定着装置であって、
    前記制御手段は、前記一制御周期内のM半波目(M:整数)に前記制限手段により前記交流電源から前記発熱体への電力の供給が制限された場合に、前記制限手段による電力の供給の制限が解除されたのちに、M半波目からN半波目までの(N−M+1)半波分の電力を供給するよう制御することを特徴とする定着装置。
  2. 前記発熱体の温度を検知する温度検知手段を備え、
    前記制限手段は、前記温度検知手段により前記発熱体の温度が所定温度を超えたことを検知した場合に、前記交流電源から前記発熱体への電力の供給を制限することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  3. 前記加熱手段と圧接してニップ部を形成する加圧手段と、前記加圧手段の回転数を検知する回転数検知手段と、を備え、
    前記制限手段は、前記回転数検知手段により前記加圧手段の回転数が所定回転数以下であることを検知した場合に、前記交流電源から前記発熱体への電力の供給を制限することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  4. 前記制御手段は、前記一制御周期内において、波数制御により電力の供給を制御することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  5. 前記制御手段は、前記一制御周期内において、位相制御と波数制御の組み合わせにより電力の供給を制御することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  6. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の定着装置を備え、
    前記定着装置により記録材上のトナー像を定着させることを特徴とする画像形成装置。
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