JP5640103B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、記録媒体上の未定着のトナー画像を発熱体等で加熱して定着させる定着装置および画像形成装置に関する。

従来、ハロゲンランプを用いた定着装置では、ハイレベル時にハロゲンランプオンする制御信号を発生することで、ハロゲンランプを点灯している。しかし、単純にハロゲンランプをオンさせると、ハロゲンランプのオン時の突入電流により電圧が変動し、フリッカ値が悪化する。

そこで、所定期間毎に加熱体の抵抗の変化に応じて、加熱体へ供給している電気量を制御することで、突入電流によるフリッカを防止する対策が行われている。

しかしながら、突入電流によるフリッカを防止のためには、定着モードや待機モード時に複雑な制御信号の生成が必要である。また、加熱体の所定時間毎の抵抗変化を検出する必要があるなどの情報の取得と、取得した情報に基づく制御が必要である。このような突入電流によるフリッカを防止には、複雑な制御信号の生成の必要や発熱体の温度情報の取得の必要が面倒である、という課題があった。

特開２００７−５７７８３号公報

この発明が解決しようとする課題は、ランプオン時の突入電流による電圧変動を小さくし、フリッカの改善を図ることができる定着装置および画像形成装置を提供することである。

実施形態の定着装置は、温度が上がるに連れ内部抵抗値が大きくなる加熱体と、前記加熱体に交流電圧を供給するための交流電源と、前記交流電源のゼロクロス信号を検出するゼロクロス検出部と、ハイレベルとローレベルそれぞれが、前記交流電源の商用周波数において１サイクルにかかる時間の１／５の時間で繰り返す、デューティ比１：１のランプ制御信号を所定時間生成する制御信号発生部と、前記交流電源と前記加熱体の間にあって、前記ゼロクロス信号のタイミングで前記ランプ制御信号がハイレベルのときは、次の前記ゼロクロス信号と前記ランプ制御信号のローレベルがくるまでハイレベルの信号を、前記ゼロクロス信号のタイミングで前記ランプ制御信号がローレベルのときは、次の前記ゼロクロス信号と前記ランプ制御信号のハイレベルがくるまでローレベルの信号を生成し、前記加熱体をオンオフするランプ信号を生成する加熱制御部と、を具備した。

定着装置に関する一実施形態について説明するための模式的な構成図である。 図１の各部の波形図である。 ハロゲンランプの内部抵抗と電流の変化について説明するための図である。 ランプ出力とハロゲンランプのランプ電流の関係を示す図である。 ランプ出力とハロゲンランプに印加するＲＭＳ電圧の関係について示す図である。 画像形成装置に関する一実施形態について説明するための模式的な構成図である。

以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、定着装置に関する一実施形態について説明するための模式的な構成図である。図２は、図１の各部で発生する波形図を示す。

定着装置１００は、交流電源１１、ゼロクロス検出部１２、制御信号発生部１３、加熱制御部１４、定着加熱器１５から構成する。

交流電源１１は、例えば周波数が５０ＨｚでＡＣ１００Ｖの商用電源である。交流電源１１は、定着加熱器１５に接続する。交流電源１１の図２（ａ）に示す商用入力電圧ａは、ゼロクロス検出部１２にも入力する。

ゼロクロス検出部１２は、交流電源１１の商用入力電圧ａを、例えば整流用のダイオードを用いて全波整流した信号に基づいて検出する。検出結果は、図２（ｂ）に示すゼロクロス信号ｂとして出力する。なお、ゼロクロス信号ｂは、その信号周期が交流電源１１の周波数と等しいパルス信号である。

制御信号発生部１３は、交流電源１１の商用周波数の４ｍｓ周期以下でデューティ１：１のＨｉ（ハイレベル）・Ｌｏ（ローレベル）を繰り返す図２（ｃ）に示すランプ制御信号ｃを発生する。なお、ランプ制御信号ｃは、交流電源１１の商用周波数の１／４以下の周期とする。

加熱制御部１４は、定着加熱器１５に商用入力電圧ａを印加するかどうかの制御を行う図２（ｄ）に示すランプ出力ｄを生成する。ランプ出力ｄは、定着加熱器１５を加熱するスイッチングの役目を果たす。加熱制御部１４には、例えばフォトトライアックカプラが用いられ、フォトトライアックカプラがゼロクロス信号検知時にランプ出力ｄをＨｉにするかＬｏにするかの制御を行う。

ランプ出力ｄは、ゼロクロス信号ｂとランプ制御信号ｃがＨｉのタイミングのときに、Ｈｉを出力する。ランプ出力ｄのＨｉの期間は、次のゼロクロス信号ｂの信号がＨｉでランプ制御信号ｃがＬｏとなるタイミングまで継続する。

ランプ出力ｄは、ゼロクロス信号ｂがＨｉで、ランプ制御信号ｃがＬｏのときに、Ｌｏを出力する。ランプ出力ｄのＬｏの期間は、次のゼロクロス信号ｂがＨｉで、ランプ制御信号ｃがＨｉとなるまで継続する。

定着加熱器１５は、デジタル複合機などの記録媒体上に形成された未定着のトナー画像を加熱して画像を記録媒体上に定着する。定着加熱器１５の加熱体としては、温度が上がるに連れ内部抵抗値が大きくなるハロゲンランプ１６を内部に配置した加熱ローラ１５１と、この加熱ローラ１５１を加圧する加圧ローラ１５２から構成する。加熱ローラ１５１と加圧ローラ１５２は、逆方向に回転させ記録媒体を加熱しながら搬出する。

定着加熱器１５の温度を維持するため、ランプ制御信号ｃを発生させる期間は、ハロゲンランプ１６のオン／オフを行う、コピー中、Ｒｅａｄｙ中、予熱中、フォーミングアップ中のランプ点灯から例えば８０ｍｓ間とする。ランプ制御信号ｃは、交流電源１１の商用周波数の１／４以下の時間である例えば４ｍｓ周期のデューティ比１：１でＨｉ／Ｌｏを繰り返す信号とする。

ところで、加熱体としてハロゲンランプ１６を用いた場合は、ハロゲンランプ１６のフィラメントそのものが持っている内部抵抗の値が温度で変化する。ランプ温度が低いときは抵抗値が低く、高くなると抵抗値が高くなる傾向を呈する。これは冷却抵抗特性と言われるものである。

図３は、ハロゲンランプ１６の両端に商用入力電圧ａを印加したときにおける冷却抵抗特性に伴う電流波形の観測例を示す。図３に示すように、ハロゲンランプ１６の点灯時の電流は多く流れる。その電流でハロゲンランプ１６自身が温まるに連れて、内部抵抗が高くなり電流が小さくなり、一定に落ち着いてくる。

図４および図５を参照し、この実施形態のさらに詳しい動作について説明する。図４は、図２（ｄ）に示すランプ出力ｄとハロゲンランプ１６に流れるランプ電流の関係を示す図である。図５は、図２（ｄ）に示すランプ出力ｄとハロゲンランプ１６に印加されるＲＭＳ電圧（実効電圧）の関係について示す図である。

ランプ制御信号ｃは、図２で説明したように商用周波数の４ｍｓ周期以下でデューティ１：１の信号である。ランプ制御信号ｃが図２（ｃ）の場合は、商用入力電圧ａのゼロクロス信号ｂがＨｉのタイミングで、図２（ｃ）のランプ制御信号ｃがＨｉのときのランプ出力ｄは、Ｈｉとなる。ゼロクロス信号ｂがＨｉのタイミングで図２（ｃ）のランプ信号ｃがＬｏのときのランプ信号ｄは、Ｌｏとなる。Ｈｉのランプ信号ｄは、ハロゲンランプ１６へ商用入力電圧ａを供給し、Ｌｏのランプ信号ｄは、ハロゲンランプ１６へ商用入力電圧ａの供給を遮断する。

ところで、ランプ制御信号ｃは、ゼロクロス信号ｂとランプ制御信号ｃとの同期を取った信号ではない、いわゆる非同期信号である。図２（ｃ１）〜（ｃ３）は、異なる発生タイミングのランプ制御信号ｃの例を示す。図２（ｄ１）〜（ｄ３）は、図２（ｃ１）〜（ｃ３）のランプ制御信号ｃに基づきゼロクロス信号ｂのタイミングで生成されるランプ出力ｄを示す。

ランプ制御信号ｃが図２（ｃ１）に示す場合を考える。時間ｔ１でゼロクロスを検出したゼロクロス信号ｂにおける図２（ｃ１）に示すランプ制御信号ｃは、Ｌｏである。このときの、図２（ｄ１）に示すランプ出力ｄはＬｏである。時間ｔ２でゼロクロスを検出したゼロクロス信号ｂにおける図２（ｃ１）に示すランプ制御信号ｃは、Ｈｉである。このときの図２（ｄ１）に示すランプ信号ｄは、ＬｏからＨｉとなる。

さらに、時間ｔ３でゼロクロスを検出したゼロクロス信号ｂのタイミングにおける図２（ｃ１）に示す制御信号ｃは、Ｈｉである。図２（ｄ１）に示すランプ信号ｄは、Ｈｉの状態のままとなる。時間ｔ４でゼロクロスを検出したゼロクロス信号ｂのタイミングにおける図２（ｃ１）に示す制御信号ｃは、Ｌｏである。このときの図２（ｄ１）に示すランプ信号ｄは、ＨｉからＬｏとなる。

時間ｔ５以降も、予め設定された８０ｍｓが経過するまで同様の制御を行う。つまり、ゼロクロスを検出したゼロクロス信号ｂのタイミングにおいて、ランプ制御信号ｃがＨｉのときのランプ信号ｄはＨｉとなり、ランプ制御信号ｃがＬｏのときのランプ信号ｄはＬｏとなる。

以下、ランプ制御信号ｃが図２（ｃ２）あるいは（ｃ３）のタイミングで発生した場合も同じようにしてランプ出力ｄを生成する。

すなわち、商用入力電圧ａのゼロクロスを検出したタイミングで、ランプ制御信号ｃがＨｉのときのランプ出力ｄは、図２（ｄ２），（ｄ３）に示すようにＨｉとなる。ランプ制御信号ｃが図２（ｃ２）あるいは（ｃ３）であった場合、ゼロクロスを検出したタイミングで、ランプ制御信号ｃがＬｏのときのランプ出力ｄは、図２（ｄ２），（ｄ３）に示すようにＬｏとなる。

このように、ランプ制御信号ｃを商用周波数１／４以下の時間でデューティ比を１：１とした場合、ゼロクロス信号ｂとランプ制御信号ｃとの同期がとれなくても、突入電流発生時のランプ出力をランダムに停止させるランプ出力ｄを生成することができる。

ここで、ランプ出力ｄがハロゲンランプ１６を消灯から点灯させる一般的な制御であった場合のランプ電流を考える。点灯時のランプ温度は低くく、ハロゲンランプ１６の内部抵抗は低い。

ランプ出力ｄは、図４（ｄ）に示すように、２０ｍｓの時間だけＨｉとした後、次の２０ｍｓではＬｏ、次の２０ｍｓではＨｉとなる。ランプ出力ｄがＨｉの期間では、ハロゲンランプ１６を点灯する。ランプ出力ｄがＬｏの期間では、ハロゲンランプ１６を消灯する。

ランプ出力ｄが最初のＨｉ期間のランプ電流Ｉは、図４に示すように商用入力電圧ａの正の期間では６０Ａ程度となり、負の期間ではやや減少し５０Ａ程度となる。このランプ電流Ｉと商用入力電圧でハロゲンランプ１６は、点灯する。この点灯によりハロゲンランプ１６のランプ温度は上昇する。上昇に伴いランプの内部抵抗は上昇する。

Ｈｉ期間の２０ｍｓが経過した後のランプ出力ｄは、Ｌｏとなって、ハロゲンランプ１６が消灯し、ランプ電流をゼロにする。このＬｏ期間の経過後にランプ出力ｄは、Ｈｉ期間となる。このときのランプ電流は、ランプ温度の上昇に伴い減少し、図４のＩに示すように６Ａ程度に低下する。

このように、最初のランプ出力ｄがＨｉになった期間のランプ電流と次にＨｉになった期間のランプ電流とでは１／１０程度に減少し、ランプ電流の突入電流を改善を図ることができる。

この制御を、例えば８０ｍｓの間繰り返す過程で、ハロゲンランプ１６のランプ温度も上昇し、徐々にランプ出力ｄがＨｉとなった場合のランプ電流は、ハロゲンランプ１６の定格電流に徐々に落ち着く。定格電流になるまでの時間は、例えば８０ｍｓに設定し、以降のランプ制御信号ｃの出力は停止する。定格電流になるまでの時間は、ハロゲンランプの電力量等によって異なる。従って、定格電流になるまでの時間は、定着加熱器１５の設計により異なる。

ランプ出力ｄがＨｉのときは、商用入力電圧ａをハロゲンランプ１６に印加する。実際には、ハロゲンランプ１６の点灯時のランプ温度との関係から、図５（ａ）に示すＲＭＳ電圧を印加する。突入電流値が大きい期間においてのＲＭＳ電圧は、９５．０Ｖ程度となり、突入電流を小さくできる。ＲＭＳ電圧は、ランプ電流の低下とともに上昇し、定格電圧となる。

図５（ｂ）は、ランプ出力ｄをオン／オフで制御した場合の入力電圧の遷移を示す。図５（ｃ）は、ハロゲンランプ１６点灯時のランプ出力ｄを常時オン状態とした場合における商用入力電圧ａの遷移を示す。

図５に示すように、ランプ出力ｄをオン／オフで制御した場合の電圧降下Ｖｄ１は、５Ｖ程度あり、常時オン状態とした場合の電圧降下Ｖｄ２は、１０Ｖ程度ある。従って、ランプ出力ｄをオン／オフで制御した場合は、常時オンとした場合の電圧降下の差に伴うフリッカの防止にも寄与する。

ところで、ランプ出力ｄは、加熱制御部１４がゼロクロス信号ｂとランプ制御信号ｃがＨｉかＬｏかでランダムに出力の有無が決まる。しかし、商用周波数１／４以下の時間でデューティ比１：１に設定すると、ゼロクロス信号ｂとランプ制御信号ｃの同期が取れない場合でも、フリッカ対策で必要とする突入電流時のランプ出力をランダムに停止させることができ、フリッカに対しては十分な効果を得ることができる。

また、ランプ商用周波数１／４以下の時間でデューティ比１：１のオン／オフ制御はランプの突入電流が発生している期間実行するだけであり、突入電流が治まったランプの定常電流時は不要である。よって、ランプの特性に応じてオン／オフ制御の有効時間を、例えば８０ｍｓと決めることで、温度維持に対しての影響を最小限に抑えることが可能となる。

このような制御を行うことで、交流電圧ゼロクロスとランプ制御信号の同期を取るためのゼロクロス検出回路は不要で、ランプ制御は単純にランプオン時に８０ｍｓ間、４ｍｓデューティ比１：１で出力させることでフリッカ対策を実現できる。

この実施形態では、印刷のランプオン時に、ランプオン／オフ制御を商用周波数の１／４以下の時間、デューティ比１：１でランプオンから一定時間必ず実行する。これにより、ランプオン時のランプ出力をランダムに停止させ、ランプの突入電流を小さくして電圧変動を低減しフリッカ対策の制御を行うことが可能となる。

図６は、定着装置１００を用いた画像形成装置の機能構成を示す図である。図６では、例えば、搬送路などを駆動する駆動系は省略してある。

画像形成装置２００の感光体６０１は、例えばアルミ材の円筒状形態の外周に導電層および感光層を形成したものであり、図６において反時計方向に回転する。感光体６０１は、図示しない読み取り部で読みとられた画像データ等をレーザ光に変換して投光し、画像データに応じた感光を行う。

現像部６０２は、感光体６０１の回転に応じて回転する現像スリーブ６０３を有し、その現像スリーブ６０３を介して感光された画像データをトナー画像化する。

図６では、感光体６０１、現像部６０２および転写器６０４はイェロー（Ｙ）一組を示してある。カラーで画像形成する場合は、他に例えば、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）の分が用意され、これらの４組が一次転写部６０を構成する。

転写ベルト６１は、導電材料を拡散して所定の体積抵抗率にされた無端ベルトであり、感光体６０１とは逆回転している。そして、転写機６０４は、例えばコロナ放電によって、感光体６０１のトナー画像を転写ベルト６１へ転写する。

転写ベルト６１に転写されたトナー画像は、搬送路６２で搬送されてきた記録媒体である用紙（表面）Ｓに、二次転写ローラ６４により転写する。または、先に表面に画像が形成され、反転部６３１で反転されて反転搬送路６３を搬送されてきた用紙（裏面）Ｓに、二次転写ローラ６４により転写する。二次転写ローラ６４は、２つのローラで転写ベルト６１と用紙Ｓを狭持しつつ回転することにより、再転写する。

定着装置１５は、熱源としてハロゲンランプ１６を内蔵した加熱ローラ１５１と加圧ローラ１５２を有し、転写ベルト６１でトナー画像が転写された用紙Ｓを、加熱ローラ１５１と加圧ローラ１５２とで狭持することにより、トナー画像を用紙Ｓへ定着する。定着装置１５から出力される用紙Ｓは、そのまま排出するか、反転搬送路６３へ搬送する。

定着加熱制御部１４は、商用入力電圧ａのゼロクロス信号ｂコピーのランプ点灯から例えば８０ｍｓ間発生するランプ制御信号ｃに基づき、ランプ出力ｄを生成し、ハロゲンランプ１６の点灯を制御する。

印刷スタートのランプ温度の低いランプ点灯時は、ゼロクロス信号ｂの発生タイミングでランプ制御信号ｃをＨｉ／Ｌｏに基づきランプ出力ｄを生成する。突入電流は、ランプ出力ｄのＨｉの期間には上昇するが、次のＬｏの期間にはゼロとなる。ハロゲンランプ１６は、ランプ出力ｄのＨｉの期間にランプ温度が上昇してランプの内部抵抗値が高くなる。次のランプ出力ｄがＨｉの期間の突入電流の値は、低下する。これを８０ｍｓ以内に繰り返すことにより、徐々に定格のランプ電流となる。

定着加熱器１５は、デジタル複合機などの記録媒体上に形成された未定着のトナー画像を加熱して画像を記録媒体上に定着する。定着加熱器１５は、加熱体として例えば内部にハロゲンランプ１６を配置した加熱ローラ１５１とこの加熱ローラ１５１を加圧する加圧ローラ１５２から構成する。加熱ローラ１５１と加圧ローラ１５２は、記録媒体を加熱しながら搬出する。

定着加熱器１５の温度を維持するため、ランプ制御信号ｃを発生させる期間は、ハロゲンランプ１６のオン／オフを行うウォーミングアップ時、Ｒｅａｄｙ時、コピー時、予熱時のランプ点灯から例えば８０ｍｓ間とする。ランプ制御信号ｃは、交流電源１１の商用周波数の１／４以下の時間である例えば４ｍｓ周期のデューティ比１：１でＨｉ／Ｌｏを繰り返す信号とする。

また、定着加熱制御部１４は、定常動作中は、図示しない温度センサーが検出した温度に基づき、加熱ローラ１５１の温度が定着に適切な所定温度範囲に入るような調整制御も行う。温度の調整は、定着加熱制御部１４によって、高周波パルスでハロゲンランプ１６を駆動し、そのオン、オフの時間当たりの回数を制御する、あるいはＰＷＭ制御を行う等の方法により、温度の上げもしくは下げの調整を行う。

画像形成装置２００の印刷スタート時のハロゲンランプ１６は、ランプ温度が低く、内部抵抗値が低い状態にある。加熱制御部１４は、印刷スタート時における突入電流を小さくできるとともに、フリッカの値を改善することができる。

この実施形態にかかる定着装置を、画像形成装置に適用することで、印刷スタート等の定着用のランプ温度が低い場合における突入電流を小さくできるとともに、フリッカを防止することが可能となる。

上記した実施形態に限定されるものではない。例えばランプ制御信号ｃを発生させる期間は、一例として８０ｍｓとしたが、この期間はハロゲンランプの仕様に基づき可変できるようにしてもよい。

また、ランプ制御信号ｃの周波数は、ゼロクロス信号ｂのパルス幅よりも広く設定する。ゼロクロス信号ｂのパルス幅よりも狭くした場合は、ランプ制御信号ｃの発生期間、出力信号ｄがＨｉの状態かＬｏの状態を継続し、この実施形態の効果を享受できないからである。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００ 定着装置
１１ 交流電源
１２ ゼロクロス検出部
１３ 制御信号発生部
１４ 加熱制御部
１５ 定着加熱器
１５１ 加熱ローラ
１５２ 加圧ローラ
１６ ハロゲンランプ
２００ 画像形成装置
６０ 感光体
６１ 転写ベルト
６２ 搬送路
６３ 反転搬送路
６３１ 反転部
６４ 二次転写ローラ

Claims (6)

1. 温度が上がるに連れ内部抵抗値が大きくなる加熱体と、
   前記加熱体に交流電圧を供給するための交流電源と、
   前記交流電源のゼロクロス信号を検出するゼロクロス検出部と、
   ハイレベルとローレベルそれぞれが、前記交流電源の商用周波数において１サイクルにかかる時間の１／５の時間で繰り返す、デューティ比１：１のランプ制御信号を所定時間生成する制御信号発生部と、
   前記交流電源と前記加熱体の間にあって、前記ゼロクロス信号のタイミングで前記ランプ制御信号がハイレベルのときは、次の前記ゼロクロス信号と前記ランプ制御信号のローレベルがくるまでハイレベルの信号を、前記ゼロクロス信号のタイミングで前記ランプ制御信号がローレベルのときは、次の前記ゼロクロス信号と前記ランプ制御信号のハイレベルがくるまでローレベルの信号を生成し、前記加熱体をオンオフするランプ信号を生成する加熱制御部と、を具備した、定着装置。
2. 前記加熱体はハロゲンランプであり、該ハロゲンランプを内部に配置し加熱される加熱ローラと、該加熱ローラを加圧する加圧ローラとから定着加熱器を構成した、請求項１記載の定着装置。
3. 前記ランプ制御信号は、ゼロクロス信号ｂと非同期の関係にある、請求項１または２記載の定着装置。
4. 前記ランプ制御信号の発生時間は、前記加熱体の仕様により可変可能である、請求項１〜３のいずれか一項記載の定着装置。
5. 前記ランプ制御信号の幅は、前記ゼロクロス信号の幅より広くした、請求項１〜４のいずれか一項記載の定着装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項記載の定着装置を備えた、画像形成装置。

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