JP5744637B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
本発明は、加熱式の定着装置を備える画像形成装置に関する。
現在、画像形成装置に用いられる定着装置として、ハロゲンヒータを熱源とする熱ローラ方式やセラミックヒータを熱源とするフィルム加熱方式が広く用いられている。このような定着装置では、異常過熱時における加圧ローラの周囲に配置された部品へのダメージを小さく抑える保護機構が必要となる。
とりわけ、加圧ローラの回転が停止するとヒータで発熱した熱が加圧ローラの一部にしか逃げなくなり、部品の異常加熱が生じやすい。そこで、特許文献1では、加圧ローラの停止が検知されたときは、メインヒータとサブヒータのうちメインヒータへの通電を遮断する発明が記載されている。
一方で、特許文献2では、立ち上げ前に所定位相角分の電流を投入したときに流れる電流値を検知し、検知した電流値を基に投入可能な電流値を算出する回路構成が記載されている。これにより、ヒータの抵抗値と商用交流電源の電圧がばらついても、その状態に応じてヒータに投入可能な電流値を算出でき、15Aの電流規格に対して限界近くまで定着装置を使用できる。
一般に、定着装置の加熱過程は、立ち上げ前段階、プレヒート段階、立ち上げ段階およびPI制御段階を有する。立ち上げ前段階は、ヒータに通電する前の段階である。プレヒート段階は、ヒータを本格的に立ち上げる前に、ヒータを一定温度に加熱する段階である。定着フィルムの内面とヒータとの摺動面には潤滑用グリスが塗布されている。このグリスを馴染ませるためには定着フィルムを回転させる前にヒータを約80℃までプレヒートさせる。立ち上げ段階は、ヒータの温度を目標温度まで立ち上げる段階である。PI制御段階は、ヒータの温度を目標温度に維持する段階である。
ここで、プレヒート段階でサブヒータのみに通電する特許文献1の構成に特許文献2の構成を組み合わせることを考えてみる。この組み合わせでは、プレヒート中にはサブヒータにのみ通電するため、電流検知を行ってもメインヒータの抵抗値のばらつきがわからない。これでは、メインヒータへの投入可能電流を算出することができない。プレヒート段階が終わった後にメインヒータの電流検知を実行すると、それだけ立ち上げ時間が長くなってしまう。
そこで、本発明は、プレヒート中にメインヒータに連続して通電できない定着装置においても、立ち上げ時間の増加を緩和しつつその電流値を推定することを提案する。
本発明は、
複数の発熱手段と、
前記複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段に通電するかまたは前記複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段と残りの発熱手段とを交互に通電する第1制御段階と、前記複数の発熱手段のすべてに継続的に通電する第2制御段階とにしたがって前記複数の発熱手段に通電する通電手段と、
前記第1制御段階において前記発熱手段に通電された電流を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した電流値から、前記複数の発熱手段のすべてに通電されるときの電流値を推定する推定手段と、
前記複数の発熱手段に通電される電流の電流値と前記電流に対応した通電位相角との関係に前記推定手段が推定した電流値を適用して通電位相角を決定する決定手段と
を備え、前記第2制御段階において、前記通電手段は、前記決定手段が決定した通電位相角で前記複数の発熱手段のすべてに通電することを特徴とする定着装置を提供する。
複数の発熱手段と、
前記複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段に通電するかまたは前記複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段と残りの発熱手段とを交互に通電する第1制御段階と、前記複数の発熱手段のすべてに継続的に通電する第2制御段階とにしたがって前記複数の発熱手段に通電する通電手段と、
前記第1制御段階において前記発熱手段に通電された電流を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した電流値から、前記複数の発熱手段のすべてに通電されるときの電流値を推定する推定手段と、
前記複数の発熱手段に通電される電流の電流値と前記電流に対応した通電位相角との関係に前記推定手段が推定した電流値を適用して通電位相角を決定する決定手段と
を備え、前記第2制御段階において、前記通電手段は、前記決定手段が決定した通電位相角で前記複数の発熱手段のすべてに通電することを特徴とする定着装置を提供する。
本発明によれば、複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段に通電するかまたは複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段と残りの発熱手段とを交互に通電する制御段階において、発熱手段に通電された電流が測定される。ここで、一部の発熱手段に通電された電流の値と、複数の発熱手段のすべてに通電されるときの電流値との間には一定の関係が成立する。そこで、この関係から前記複数の発熱手段のすべてに通電されるときの電流値が推定される。電流値と通電位相角との間にも一定の関係が存在するため、この関係と推定された電流値から通電位相角を決定できる。このように、第1制御段階以降において残りの発熱手段の電流を測定する期間を省略できるため、立ち上げ時間の増加を緩和しつつ電流値を推定することができる。
[実施例1]
(1)画像形成装置
図1に、本発明の実施例である画像形成装置の概略構成を示す。画像形成装置100は、電子写真方式を用いて、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの4色のトナー像を重ね合わせることで多色の画像を形成する装置である。画像形成装置100は、イエロー(Y)、マゼンダ(M)、シアン(C)、ブラック(K)に対応した4つのステーションを備えているが、各ステーションの構成は共通している。そのため、1つのステーションについて説明する。
(1)画像形成装置
図1に、本発明の実施例である画像形成装置の概略構成を示す。画像形成装置100は、電子写真方式を用いて、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの4色のトナー像を重ね合わせることで多色の画像を形成する装置である。画像形成装置100は、イエロー(Y)、マゼンダ(M)、シアン(C)、ブラック(K)に対応した4つのステーションを備えているが、各ステーションの構成は共通している。そのため、1つのステーションについて説明する。
オールインワンカートリッジ101は、像担持体としての感光体122、帯電器としての帯電スリーブ123、現像器としての現像スリーブ126などを一体化して構成されている。帯電スリーブ123は感光体122の表面を一様に帯電させる。スキャナ部124は画像情報に対応した露光光を感光体122に照射し、感光体122上に静電潜像を形成する。現像スリーブ126はトナー容器125からのトナーを使って静電潜像を形成し、感光体122上にトナー像を形成する。トナー像は、中間転写体127に一次転写される。それぞれ異なる色のトナー像が順番に一次転写されることで、多色のトナー像が形成される。
給紙部121は給紙ローラ112により記録紙111を搬送路118に給紙する。搬送ローラ113、114、115は記録紙111を狭持しながら搬送路118に沿って記録紙111を搬送する。転写ローラ128は、中間転写体127とともに記録紙111を挟み込むことで、中間転写体127状の多色トナー像を記録紙111に二次転写する。転写ローラ128は、トナー像を記録紙に転写する転写装置として機能する。その後、記録紙111はさらに搬送路118に沿って搬送され、定着装置130に到着する。定着装置130は、記録紙111上の多色トナー像を加熱および加圧して定着させる。記録紙111は最後に排出トレイ131に排出される。クリーナ129は、中間転写体127上に残ったトナーをクリーナ容器132へ回収する。
(2)定着装置
ここでは説明の便宜上、定着装置130がフィルム加熱方式を採用しているものとする。図2に定着装置130の概略構成を示す。ヒータ205はセラミックを基材とした加熱装置である。ステー204はヒータ205を固定支持するための耐熱性および断熱性材質の支持部材である。定着フィルム201は、円筒状の耐熱性フィルム材であり、ヒータ205およびステー204を覆っている。定着フィルム201は、単層フィルムや、ポリイミドおよびポリテトラフルオロエチレンコーティング、ステンレスおよびゴムコーティング等の複合フィルムなどが使われる。
ここでは説明の便宜上、定着装置130がフィルム加熱方式を採用しているものとする。図2に定着装置130の概略構成を示す。ヒータ205はセラミックを基材とした加熱装置である。ステー204はヒータ205を固定支持するための耐熱性および断熱性材質の支持部材である。定着フィルム201は、円筒状の耐熱性フィルム材であり、ヒータ205およびステー204を覆っている。定着フィルム201は、単層フィルムや、ポリイミドおよびポリテトラフルオロエチレンコーティング、ステンレスおよびゴムコーティング等の複合フィルムなどが使われる。
加圧ローラ202は、芯金もしくは金属パイプ203の外周にシリコーンゴム等の耐熱性弾性層208をローラ状に設けた弾性ローラである。この加圧ローラ202とヒータ205とを定着フィルム201を挟んで圧接させる。図2においてNで示した範囲が圧接により形成される定着ニップ部である。加圧ローラ202は駆動モータ(非図示)により矢印Bの方向に所定の周速度で回転駆動される。この加圧ローラ202の回転駆動による、定着ニップ部Nにおける加圧ローラ202と定着フィルム201の外面との摩擦力で定着フィルム201に直接的に回転力が作用し定着フィルム201がヒータ205に圧接摺動しつつ矢印Cの方向に回転駆動される。つまり、加圧ローラ202に従動して定着フィルム201が回転する。このとき、ステー204は、定着フィルム201の内面ガイド部材としても機能して定着フィルム201の回転を容易にする役割も果たしている。
スリーブサーミスタ206は定着フィルム201内面に弾性的に接触しており、定着フィルム201の内面の温度を検出する温度センサである。ヒータ裏サーミスタ207a、207b、207cはヒータ205の裏面に所定の圧で押し当てられており、ヒータ205の裏面の温度を検出する温度センサである。本実施例におけるサーミスタは、以上のとおり計4つである。
図3が示すように、ヒータ裏サーミスタ207a、207bは、ヒータ205の発熱体両端部に配置されている。ヒータ裏サーミスタ207cは発熱体中央部に配置されている。また、スリーブサーミスタ206は発熱体の中央付近に配置されている。
加圧ローラ202の回転による定着フィルム201の回転が定常化し、ヒータ205の温度が所定温度に立ち上がった状態において、ヒータ205と定着フィルム201と加圧ローラ202により形成されたニップ部Nに、多色トナー像が転写された記録紙111が矢印A方向に搬送される。記録紙111は、定着フィルム201と共にニップ部Nに加圧される。定着フィルム21の内側に設けられたヒータ205の熱が定着フィルム201を介して記録紙111に付与され、記録紙111の未定着画像が加熱定着される。
(3)セラミックヒータ
図3にヒータ205の構成とヒータ205の発熱分布を示す。ヒータ205の基板材料としては熱伝導率の高い窒化アルミ(AlN)や酸化アルミ(Al2O3)が用いられている。ヒータ205は、記録紙111の搬送方向に対して直交する方向に延在している。つまり、ヒータ205の長手方向は記録紙111の搬送方向に対して直交している。
図3にヒータ205の構成とヒータ205の発熱分布を示す。ヒータ205の基板材料としては熱伝導率の高い窒化アルミ(AlN)や酸化アルミ(Al2O3)が用いられている。ヒータ205は、記録紙111の搬送方向に対して直交する方向に延在している。つまり、ヒータ205の長手方向は記録紙111の搬送方向に対して直交している。
ヒータ205の表面には、複数の発熱手段であるメインヒータ302aおよびサブヒータ302bとして機能する発熱体パターンが互いに平行に配列されている。メインヒータ302a、サブヒータ302bは電気絶縁層としてのガラス膜(非図示)によって被覆されている。また、ヒータ205の長手両端部には、メインヒータ302a、サブヒータ302bへ電圧を印加するために、電極303a、303b、303cが形成されている。
メインヒータ302aとサブヒータ302bは、それぞれ長手方向に均一な幅で形成されているため、図3が示すように、両者の抵抗値は異なるものの発熱分布は同じ傾向を示す。また、メインヒータ302aとサブヒータ302bとは、長手方向の長さが等しくなるよう形成されている。一方、ヒータ裏サーミスタ207a、207b、207cは、ヒータ205の裏面における図3が示す位置に配置されている。
ここで、ヒータ205の発熱体パターンの作成方法について、以下に説明する。まず、所定の金属合金(例:Ag、Pd等の合金)とガラスをそれぞれ粉末にしたものを混ぜ合わせてペースト状にし、これをスクリーン印刷する。スクリーン印刷は、図4(A)および図4(B)に示すように、ヒータ基板1305上に所望の発熱体パターンをかたどったメタルマスク1302を設置する。図4(A)が示す位置Fにペースト剤1303をたらし、スキジ工具1301を使ってペースト剤1303を矢印Dに向かって延ばす。これにより、ヒータ基板1305の全体にペースト剤1303を均一に塗布することができる。この方法では、図4(B)が示すように、矢印D方向における厚みのばらつきは多少あるものの、矢印D方向と直交する方向における厚みはほとんどばらつかないことが知られている。さらにヒータ205は、たとえば、矢印Dの方向に380mm、矢印Dの方向と直交する方向に8mmと非常に細長い形状をしている。そのため、メインヒータ302aとサブヒータ302bの厚みはほぼ同等であるといってよい。
次に、ペースト剤1303を塗布したヒータ205を数回焼成することで、塗布したペースト剤1303をヒータ基板1305に焼き付ける。最後に、図4(A)が示す4本の点線に沿ってヒータを割ることで、定着装置130に使用するヒータ205が完成する。図4(A)は、一例として、ヒータ基板1305一枚あたりヒータ205が五本得られる場合を示している。ヒータ205の幅を狭くできれば、同一サイズのヒータ基板1305一枚当たりに得られるヒータ205の取り数が増えることになる。
(4)電力制御
図5にヒータ205への電力供給制御回路を示す。以下に詳細を説明する。商用交流電源401から供給された電力は、ヒータ205へ供給されるラインと、ACDCコンバータ402を介してエンジンコントローラ412を含む各負荷403へ供給されるラインとへ分岐される。
図5にヒータ205への電力供給制御回路を示す。以下に詳細を説明する。商用交流電源401から供給された電力は、ヒータ205へ供給されるラインと、ACDCコンバータ402を介してエンジンコントローラ412を含む各負荷403へ供給されるラインとへ分岐される。
ヒータ205へ供給されるラインは、カレントトランス405、リレー407a、リレー407b、サーモスイッチ411、メイントライアック409a、サブトライアック409bを介してメインヒータ302a及びサブヒータ302bへ接続される。
リレー407aは、リレー駆動部408aを介してエンジンコントローラ412によりオン/オフを制御される。リレー407bは、リレー駆動部408bを介してエンジンコントローラ412によりオン/オフを制御される。リレー407aとリレー407bは、ヒータ205に対して片相に一つずつ設置されている。そのため、リレー407aとリレー407bが両方遮断されたときに、ヒータ205は商用交流電源401から物理的に切り離される。サーモスイッチ411は、ヒータ205に接してまたは隣接して配置されており、ヒータ205の温度が異常に高くなったときに電力を遮断する保護素子である。サーモスイッチ411は温度ヒューズであってもよい。
メイントライアック409a、サブトライアック409bは、それぞれメインヒータ302a、サブヒータ302bへの通電のON/OFF制御に使用されるスイッチング素子である。エンジンコントローラ412は、スリーブサーミスタ206、及び、ヒータ裏サーミスタ207a、207b、207cを用いて温度を検出する。エンジンコントローラ412は、各サーミスタにより検出した温度の平均値を求めてもよい。エンジンコントローラ412は、この温度に応じ、メイントライアック駆動部410a、サブトライアック駆動部410bを通じてメイントライアック409a、サブトライアック409bへの通電を制御する。このトライアックのON/OFF制御には、図6(A)、図6(B)および図6(C)に示す位相制御を採用する。
位相制御は、図6(A)が示すように商用交流電源401の1半波を複数に分解して、所定の位相角(以後、通電位相角と呼ぶ)でメイントライアック409a、サブトライアック409bをONすることでヒータ205への通電電力を制御する方法である。商用交流電源401の位相との同期は、ゼロクロス検出部404により検出されるゼロクロスのエッジを用いて行われる。
ヒータ205へ投入される電力(電流値の二乗に比例)と通電位相角は図6(B)のような関係になっている。通電位相角が0°に近いほど投入される電力が大きくなる。一方、通電位相角が180°に近いほど電力が小さくなる。特に、通電位相角が0°のときに最大電力をヒータ205へ供給することになり、通電位相角が180°のときにヒータ205への電力供給はゼロになる。また、ヒータ205の抵抗値(メインヒータ302a、サブヒータ302bの抵抗値)と商用交流電源401の電圧値によって図6(B)が示す関係は変わる。ヒータ205の抵抗値が大きいかまたは商用交流電源401の電圧が小さいほど、ヒータ205に投入される電力は小さくなる。逆に、ヒータ205の抵抗値が小さいか、または、商用交流電源401の電圧が大きいほど、ヒータ205に投入される電力は大きくなる。
制御中の通電パターンの一例を図6(C)に示す。ハッチがかけられている部分は電力を投入していることを示し、ハッチがかけられていない部分は電力を投入していないことを示している。
(5)定着電流検知回路
ヒータ205に通電される電流は、カレントトランス405によって電圧変換され、電流検出部406で実効値に変換され、エンジンコントローラ412のA/Dポートへ入力される。このように電流検出部406は、第1制御段階において発熱手段に通電された電流を測定する測定手段として機能する。エンジンコントローラ412は、入力された信号を基に商用交流電源401の定格電流15Aを超えないようにヒータ205への通電制御を行う。エンジンコントローラ412は、複数の期間において電流検出部406により検出した電流値の平均値を求め、それを制御に使用してもよい。
ヒータ205に通電される電流は、カレントトランス405によって電圧変換され、電流検出部406で実効値に変換され、エンジンコントローラ412のA/Dポートへ入力される。このように電流検出部406は、第1制御段階において発熱手段に通電された電流を測定する測定手段として機能する。エンジンコントローラ412は、入力された信号を基に商用交流電源401の定格電流15Aを超えないようにヒータ205への通電制御を行う。エンジンコントローラ412は、複数の期間において電流検出部406により検出した電流値の平均値を求め、それを制御に使用してもよい。
ここで、電流検出部406で出力される電流値は、商用交流電源401の周波数の半周期分を積分した積分値であるため周波数に依存した値となる。従って、周波数の検知も同時に必要である。エンジンコントローラ412は、ゼロクロス検出部404によって検知されるゼロクロス信号のパルスの立ち下がりのインターバル時間から周波数を算出している。ちなみにこの電流検出の構成は、ヒータ205に異常な電流が流れたときにリレー407a、407bを遮断する保護回路としても使用可能である。
(6)駆動モータ回転/停止検知回路
駆動モータの回転/停止を検知して、メイントライアック409aを強制的にOFFする回路構成について、図7(A)および図7(B)を用いて説明する。なお、説明に必要なメイントライアック409a、サブトライアック409bの動作も併せて説明する。図7(A)がメイントライアック駆動部410aを、図7(B)がサブトライアック駆動部410bを表している。
駆動モータの回転/停止を検知して、メイントライアック409aを強制的にOFFする回路構成について、図7(A)および図7(B)を用いて説明する。なお、説明に必要なメイントライアック409a、サブトライアック409bの動作も併せて説明する。図7(A)がメイントライアック駆動部410aを、図7(B)がサブトライアック駆動部410bを表している。
まず、メインヒータ302aへ電力が供給されるときの回路動作について図7(A)を使って説明する。エンジンコントローラ412からメインヒータ駆動信号(Hiレベル)が出力されると、トランジスタ604aがONしてフォトトライアックカプラ602aのダイオードに電流が流れ、対向するトライアックがONする。すると、メイントライアック409aのゲートに電流が流れ込み(またはゲートから電流が流れ出し)、メイントライアック409aがONし、導電ライン620aを介してメインヒータ302aに電力が供給される。なお、抵抗605a、606aはトランジスタ604aのベース電流を制限する制限抵抗である。抵抗621aはエンジンコントローラ412から出力されるメインヒータ駆動信号の電流を制限する制限抵抗である。抵抗603aはフォトトライアックカプラ602aのダイオード電流を制限する制限抵抗である。抵抗601aはフォトトライアックカプラ602aのトライアック電流及びメイントライアック409aのゲート電流を制限する制限抵抗である。
なお、サブヒータ302bへ電力が供給されるときの回路動作は、図7(B)を使ってここまでと同様に説明できるため省略する。つまり、参照符号のサフィックスaをサフィックスbに置換して上記の説明を読みかえることで、図7(B)に示した回路の動作の説明となる。
DCブラシレスモータである駆動モータ(非図示)が停止しているときは、メイントライアック409aを強制的に駆動できないようにする。図7(A)が示すように、駆動モータが停止しているときはメインヒータ駆動信号からワイヤードORで電流を引くように回路を構成している。
駆動モータが回転するとFG信号にパルスが発生する。このパルスに合わせてFET615がON/OFFする。ここで、駆動モータが回転していないときのFG信号の論理は、Hiの場合とLoの場合と両方ありうるため、それぞれの動作を以下に説明する。
<駆動モータが回転していないときのFG信号の論理がHiの場合>
FG信号がHiからLoに変化すると、FET615がOFFされる。すると抵抗613の電位が上がり、コンデンサ612に充電された電荷がダイオード611を介してVccへ放電される。その間、コンデンサ608に充電された電圧は変わらず、FET607はONしたままである。即ち、メインヒータ駆動信号が強制的にLo(メインヒータ302aが強制的にOFF)である状態が継続する。
FG信号がHiからLoに変化すると、FET615がOFFされる。すると抵抗613の電位が上がり、コンデンサ612に充電された電荷がダイオード611を介してVccへ放電される。その間、コンデンサ608に充電された電圧は変わらず、FET607はONしたままである。即ち、メインヒータ駆動信号が強制的にLo(メインヒータ302aが強制的にOFF)である状態が継続する。
<駆動モータが回転していないときのFG信号の論理がLoの場合>
FG信号がLoからHiに変化すると、FET615がONされる。すると抵抗613の電位が下がり、2つのルートからコンデンサ612に電荷が充電される。1つ目のルートでは、Vccからの電荷が抵抗609とダイオード610を介してコンデンサ612に充電される。2つ目のルートでは、コンデンサ608の電荷がダイオード610を介してコンデンサ612に充電される。コンデンサ608の電荷が抜けると、FET607がOFFする。これにより、メインヒータ302aはメインヒータ駆動信号により駆動される。
FG信号がLoからHiに変化すると、FET615がONされる。すると抵抗613の電位が下がり、2つのルートからコンデンサ612に電荷が充電される。1つ目のルートでは、Vccからの電荷が抵抗609とダイオード610を介してコンデンサ612に充電される。2つ目のルートでは、コンデンサ608の電荷がダイオード610を介してコンデンサ612に充電される。コンデンサ608の電荷が抜けると、FET607がOFFする。これにより、メインヒータ302aはメインヒータ駆動信号により駆動される。
FG信号がHiのまま固定され続けると、やがてコンデンサ612への充電が止まり、Vccから抵抗609を介して流れていた電流はコンデンサ608に流れ込み、コンデンサ608が充電され始める。コンデンサ608の充電電圧がFET607のゲートON電圧を超えるとFET607が再びONし、メインヒータ駆動信号は強制的にLo(メインヒータ302aは強制的にOFF)となる。
以上の説明より、図7(A)に示した回路は、駆動モータが回転してFG信号がパルスを出力し続けなければ、メインヒータ302aは強制的にOFFされるよう構成されている。
(7)立ち上げ時電流制御
図8(A)、図8(B)および図8(C)が示すように、ヒータ205の温度制御段階には4つの段階が存在する。1つ目は、ヒータ205に通電を行わない立ち上げ前段階である。2つ目は、複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段であるサブヒータ302bにだけ通電するプレヒート段階(第1制御段階)である。プレヒート段階では、加圧ローラ202および定着フィルム201が停止している。3つ目は、複数の発熱手段であるサブヒータ302bおよびメインヒータ302aのすべてに継続的に通電して、目標温度まで立ち上げる立ち上げ段階(第2制御段階)である。立ち上げ段階では、加圧ローラ202および定着フィルム201が回転する。4つ目は、ヒータ205の温度を目標温度に維持するPI制御段階である。
図8(A)、図8(B)および図8(C)が示すように、ヒータ205の温度制御段階には4つの段階が存在する。1つ目は、ヒータ205に通電を行わない立ち上げ前段階である。2つ目は、複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段であるサブヒータ302bにだけ通電するプレヒート段階(第1制御段階)である。プレヒート段階では、加圧ローラ202および定着フィルム201が停止している。3つ目は、複数の発熱手段であるサブヒータ302bおよびメインヒータ302aのすべてに継続的に通電して、目標温度まで立ち上げる立ち上げ段階(第2制御段階)である。立ち上げ段階では、加圧ローラ202および定着フィルム201が回転する。4つ目は、ヒータ205の温度を目標温度に維持するPI制御段階である。
図8(A)は電流検出部406を備えない制御ユニットによる制御段階を示している。図8(B)は電流検出部406を備えた制御ユニットによる制御段階を示している。図8(A)と図8(B)を比較すると、電流検出部406を備えることで、PI制御段階に到達する時間をΔτだけ短縮できることが分かる。図8(C)は電流検出部406を備えているものの、プレヒート段階で電流検知できない制御ユニットによる制御段階を示している。上述したように、プレヒート段階でメインヒータ302aに通電しない場合、メインヒータ302aに流れる電流を検知できない。そこで、プレヒート段階が終了した時点でメインヒータ302aに流れる電流を検知する電流検知段階が必要となる。図8(B)と図8(C)を比較すると、図8(C)では電流検知段階が追加されているため、立ち上げ時間が長くなる。よって、プレヒート段階でメインヒータ302aに流れる電流を検知できない回路構成では、立ち上げ時間の短縮化が要求される。
ここでは、「立ち上げ前段階(スタンバイ段階)」からPI制御段階に至る制御の流れを図9のフローチャートで説明する。このフローチャートはエンジンコントローラ412が実行する。
S901で、エンジンコントローラ412は、定着装置130の加熱要求をプリンタコントローラなどから受信したかどうかを判定する。加熱要求を受信すると、S902に進む。
S902で、エンジンコントローラ412は、プレヒート段階へ移行する。つまり、エンジンコントローラ412は、サブヒータ302bへ通電位相角0°(電力最大)で電流の供給を開始する。
S903で、エンジンコントローラ412は電流検出部406を使用して、サブヒータ302bに流れる電流値Isfullを検知する。さらに、エンジンコントローラ412は、メインヒータ302aとサブヒータ302bの両方へ通電位相角0°で通電した場合の電流値Itfullを電流値Isfullから推定する。つまり、エンジンコントローラ412は電流検出部406が測定した電流値から、メインヒータ302aとサブヒータ302bのすべてに通電されるときの電流値を推定する推定手段として機能する。なお、Itfullの算出式の一例を以下に示す。
Itfull=(1+α)・Isfull
ここで、α=Rs/Rmである。Rmは、メインヒータ302aの抵抗値である。Rsはサブヒータ302bの抵抗値である。このように、エンジンコントローラ412は、サブヒータ302bの抵抗値Rsと、メインヒータ302aの抵抗値Rmとの比を、測定した電流値Isfullに乗算することで、Itfullを算出する。
Itfull=(1+α)・Isfull
ここで、α=Rs/Rmである。Rmは、メインヒータ302aの抵抗値である。Rsはサブヒータ302bの抵抗値である。このように、エンジンコントローラ412は、サブヒータ302bの抵抗値Rsと、メインヒータ302aの抵抗値Rmとの比を、測定した電流値Isfullに乗算することで、Itfullを算出する。
この式を算出する上で、(3)セラミックヒータのセクションで説明したように、メインヒータの抵抗値Rmとサブヒータの抵抗値Rs自体は多少ばらつくが、両者の抵抗値比αはほとんど一定である、という物理的関係を利用している。
S904で、エンジンコントローラ412はItfullより、立ち上げ時に15A規制を満足した上での最適な投入電流値Iwuに対応した通電位相角θwuを決定する。この決定には、図6(B)に示した通電位相角と通電電力(検知電流)の関係が利用される。この関係は予め数式化して実装されてもよいし、テーブルにより実装されてもよい。いずれにしてもエンジンコントローラ412はItfullから通電位相角θwuを算出する。このように、エンジンコントローラ412は、メインヒータ302aとサブヒータ302bに通電される電流の電流値と電流に対応した通電位相角θwuとの関係に、推定した電流値Itfullを適用して通電位相角θwuを決定する決定手段として機能する。エンジンコントローラ412は、立ち上げ段階において、通電位相角θwuでメインヒータ302aとサブヒータ302bに通電する。
図10は、S902〜S904のシーケンス時に実際にエンジンコントローラ412が出すトライアック駆動信号とメインヒータ302a、サブヒータ302bに通電される電流波形を示す。図10から、プレヒート段階ではサブヒータ302bにだけ通電されること、および、立ち上げ段階では、通電位相角θwuでサブヒータ302bに通電が実行されることがわかる。
S905で、エンジンコントローラ412は、ヒータ裏サーミスタ207cの温度がプレヒート目標温度(例:80℃)を超えたかどうかを判定する。ヒータ裏サーミスタ207cの温度がプレヒート目標温度に到達すると、S906に進む。
S906で、エンジンコントローラ412は、温度制御段階を「プレヒート段階」から「立ち上げ段階」へ移行させる。
S907で、エンジンコントローラ412は、駆動モータを起動するとともに、メインヒータ302aおよびサブヒータ302bに通電位相角θwu(電流値はIwu)で電力の投入を開始する。
S908で、エンジンコントローラ412は、ヒータ裏サーミスタ207cの温度が立ち上げ目標温度(例:240℃)を超えたかどうかを判定する。ヒータ裏サーミスタ207cの温度が立ち上げ目標温度に到達すると、S909に進む。
S909で、エンジンコントローラ412は、温度制御段階を「立ち上げ段階」から「PI制御段階」へ移行させ、記録紙111の搬送を開始する。
このように本実施例によれば、複数のヒータのうち通電電流を測定できないヒータについて、他のヒータの通電電流の測定値から推定することで、通電電流を測定できないヒータに通電可能な電流値を決定することができる。たとえば、駆動モータが停止しているプレヒート段階においては、定着装置を保護するためにサブヒータ302bにだけ通電し、メインヒータ302aに通電しないことがある。このような定着装置では、プレヒート段階においてサブヒータ302bの通電電流を測定し、その測定値からメインヒータ302aの通電可能電流を推定する。よって、プレヒート段階の後でメインヒータ302aの通電電流を測定する段階が不要になり、立ち上げ時間を短縮できる利点がある。
とりわけ、図4(A)および図4(B)を用いて説明したような製造過程で製造されたメインヒータ302aとサブヒータ302bであれば、図3が示すように発熱分布が類似しており、両者の抵抗値比から精度よくメインヒータ302aの通電電流を推定できる。
[実施例2]
実施例2の基本構成は実施例1と共通しているため、共通していない部分のみ説明する。ちなみに、セクション(1)、(2)、(4)および(5)は共通しているため、(3)、(6)および(7)についてここでは説明する。とりわけ、実施例2では、プレヒート段階において、ヒータ205を構成する複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段であるサブヒータと残りの発熱手段であるメインヒータとが交互に通電される。
実施例2の基本構成は実施例1と共通しているため、共通していない部分のみ説明する。ちなみに、セクション(1)、(2)、(4)および(5)は共通しているため、(3)、(6)および(7)についてここでは説明する。とりわけ、実施例2では、プレヒート段階において、ヒータ205を構成する複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段であるサブヒータと残りの発熱手段であるメインヒータとが交互に通電される。
(3’)セラミックヒータ
図11にヒータ205の構成及びヒータ205の発熱分布を示す。メインヒータ1202a、サブヒータ1202bは、上述したメインヒータ302a、サブヒータ302bと同様の構成であるが、図11が示すように発熱分布が異なっている。メインヒータ1202aでは発熱体の中央部で発熱量が大きいが、サブヒータ1202bでは発熱体の端部で発熱量が大きい。ただし、メインヒータ1202aおよびサブヒータ1202bのトータルの発熱分布は、メインヒータ302aおよびサブヒータ302bのトータルの発熱分布とほぼ同じである。
図11にヒータ205の構成及びヒータ205の発熱分布を示す。メインヒータ1202a、サブヒータ1202bは、上述したメインヒータ302a、サブヒータ302bと同様の構成であるが、図11が示すように発熱分布が異なっている。メインヒータ1202aでは発熱体の中央部で発熱量が大きいが、サブヒータ1202bでは発熱体の端部で発熱量が大きい。ただし、メインヒータ1202aおよびサブヒータ1202bのトータルの発熱分布は、メインヒータ302aおよびサブヒータ302bのトータルの発熱分布とほぼ同じである。
フィルム加熱方式は、紙幅の狭い記録紙111が通紙されるとヒータ205の長手方向における端部が中央部に比べて高温になり、記録紙111の搬送速度の低下を招きやすい。そこで、ヒータ裏サーミスタ207a、207bの双方または一方が所定以上の温度を検出すると、エンジンコントローラ412は、サブヒータ1202bへの通電をメインヒータ1202aに対して弱める。これにより、ヒータ205の端部の過昇温を抑制でき、記録紙111の搬送速度をできるだけ低下させずに搬送し続けることができる。
(6’)駆動モータ回転/停止検知回路
駆動モータの回転/停止を検知して、メイントライアック409aまたはサブトライアック409bのいずれか一方を強制的にOFFする回路構成について、図12を用いて説明する。図12(A)がメイントライアック駆動部410aを、図12(B)がサブトライアック駆動部410bを表している。なお、説明に必要なメイントライアック409a、サブトライアック409bの動作は、実施例1と同様のため省略し、駆動モータ回転検知回路及びゼロクロス分周信号検知回路について説明する。
駆動モータの回転/停止を検知して、メイントライアック409aまたはサブトライアック409bのいずれか一方を強制的にOFFする回路構成について、図12を用いて説明する。図12(A)がメイントライアック駆動部410aを、図12(B)がサブトライアック駆動部410bを表している。なお、説明に必要なメイントライアック409a、サブトライアック409bの動作は、実施例1と同様のため省略し、駆動モータ回転検知回路及びゼロクロス分周信号検知回路について説明する。
まず、ゼロクロス分周信号検知回路について説明する。ゼロクロス検出部404は、商用交流電源401の電圧のゼロクロスに同期したパルス信号であるゼロクロス信号を出力する。分周回路907はゼロクロス信号を分周し(この信号を分周信号と呼ぶ)、FET905a及びFET905bのゲートに入力する。この分周信号に同期して、FET905a及びFET905bがON/OFFする。図12(A)のメイントライアック駆動部410aは、FET905aの後段にさらにトランジスタ906を設けることで、図12(B)が示すサブトライアック駆動部410bと論理を反転させている。
次に、駆動モータ回転検知回路について説明する。駆動モータが回転しFG信号にパルスが発生すると、パルスに合わせてFET915がON/OFFする。ここで、駆動モータが回転していないときのFG信号の論理は、Hiの場合とLoの場合と両方ありうるため、それぞれの動作を以下に説明する。
<駆動モータが回転していないときのFG信号の論理がLoの場合>
FG信号がLoからHiに変化すると、まずFET915がONする。すると抵抗913の電位が下がり、コンデンサ912に充電された電荷が、ダイオード911、抵抗913、FET915を介してGNDへ放電される。その間、コンデンサ908には電荷が充電されていない状態が継続され、FET916a、916bはOFFしたままである。
FG信号がLoからHiに変化すると、まずFET915がONする。すると抵抗913の電位が下がり、コンデンサ912に充電された電荷が、ダイオード911、抵抗913、FET915を介してGNDへ放電される。その間、コンデンサ908には電荷が充電されていない状態が継続され、FET916a、916bはOFFしたままである。
<駆動モータが回転していないときのFG信号の論理がHiの場合>
FG信号がHiからLoに変化すると、FET915がOFFする。すると抵抗913の電位が上がり、Vccから抵抗914と抵抗913を介してコンデンサ912に電荷が充電されると共に、さらにダイオード910を介してコンデンサ908に電荷が充電される。コンデンサ908に電荷が充電されると、FET916a、916bがONする。
FG信号がHiからLoに変化すると、FET915がOFFする。すると抵抗913の電位が上がり、Vccから抵抗914と抵抗913を介してコンデンサ912に電荷が充電されると共に、さらにダイオード910を介してコンデンサ908に電荷が充電される。コンデンサ908に電荷が充電されると、FET916a、916bがONする。
FG信号がLoのまま固定され続けると、やがてコンデンサ912への充電が止まり、同時にコンデンサ908への充電も止まり、コンデンサ908に充電された電荷は抵抗909を介して放電され始める。コンデンサ908の放電電圧がFET916a、916bのゲートOFF電圧を下回るとFET916a、916bが再びOFFする。抵抗902a、903aはトランジスタ901aのベース電流を制限する制限抵抗である。抵抗902b、903bはトランジスタ901bのベース電流を制限する制限抵抗である。
以上の説明より、図12が示す回路は、駆動モータが回転してFG信号がパルスを出力し続ければ、FET916aがONされて、トランジスタ901aは強制的にOFFされるあるいは、FET916bはONされて、トランジスタ901bは強制的にOFFされる。駆動モータが停止してFG信号がパルスを出力し続けなければ、FET916aはOFFされて、トランジスタ901aはトランジスタ906のON/OFF状態に依存することになる。あるいは、FET916bはOFFされて、トランジスタ901bはFET905のON/OFF状態に依存することになる。このように、駆動モータ停止時には、分周信号に応じてメインヒータ1202aおよびサブヒータ1202bのいずれか一方が強制的にOFFされる。
(7’)立ち上げ時電流制御
立ち上げ前段階からPI制御段階までの制御の流れを図13のフローチャートで説明する。当該フローチャートはエンジンコントローラ412が実行する。
立ち上げ前段階からPI制御段階までの制御の流れを図13のフローチャートで説明する。当該フローチャートはエンジンコントローラ412が実行する。
S1301で、エンジンコントローラ412は、加熱要求を受信したかどうかを判定する。加熱要求を受信すると、S1302に進む。S1302で、エンジンコントローラ412は、温度制御段階を「立ち上げ前段階」から「プレヒート段階」へ移行させる。エンジンコントローラ412は、メインヒータ1202aおよびサブヒータ1202bのいずれか一方へ通電位相角0°(電力最大)で通電する。このときの通電は、「(6’)駆動モータ回転/停止検知回路」のセクションで説明した分周信号に同期して、メインヒータ1202aとサブヒータ1202bとが交互に通電される。
S1303で、エンジンコントローラ412は電流検出部406を用いて電流値Imfull及びIsfullを検知し、電流値Imfull及びIsfullから電流値Itfullを推定する。つまり、エンジンコントローラ412は電流検出部406が測定した電流値から、メインヒータ1202aとサブヒータ1202bのすべてに通電されるときの電流値を推定する推定手段として機能する。なお、電流値Itfullは、メインヒータ1202aとサブヒータ1202bの両方へ通電位相角0°で通電した場合のトータルでの電流値である。Itfullの算出式の一例を以下に示す。
Itfull=Imfull+Isfull
このように、エンジンコントローラ412は、サブヒータ1202bに通電した電流の電流値と、メインヒータ1202aに通電した電流の電流値とを加算することで、メインヒータ1202aとサブヒータ1202bのすべてに通電されるときの電流値Itfullを算出する。
Itfull=Imfull+Isfull
このように、エンジンコントローラ412は、サブヒータ1202bに通電した電流の電流値と、メインヒータ1202aに通電した電流の電流値とを加算することで、メインヒータ1202aとサブヒータ1202bのすべてに通電されるときの電流値Itfullを算出する。
S1304で、エンジンコントローラ412は、通電位相角と検知電流の関係を利用して、Itfullから通電位相角θwuを算出する。S1302〜S1304のシーケンス時に実際にエンジンコントローラ412が出すトライアック駆動信号とメインヒータ1202a、サブヒータ1202bに通電される電流波形を図14に示す。図14が示すようにプレヒート段階では、メインヒータ1202aとサブヒータ1202bとに交互に通電される。つまり、メインヒータ1202aおよびサブヒータ1202bが同時に通電されることはない。その後、立ち上げ段階では、双方に通電がなされる。立ち上げ段階でメインヒータ1202aおよびサブヒータ1202bに通電される電流はIwuであり、通電位相角はθwuである。
S1305ないしS1309は、上述したS905ないしS909と同じであるため、説明を省略する。
このように、駆動モータの停止時に二つの発熱体群を交互に通電する構成において、プレヒートシーケンスを行っているときに電流検知を行い、全ての発熱体に通電可能な電流値を推定することで、画像形成動作の立ち上げ時間を短縮することができる。また、ヒータの温度が長手方向に均一になり、全てのグリスが満遍なく溶解できる。
Claims (6)
- 複数の発熱手段と、
前記複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段に通電するかまたは前記複数の発熱手段のうちの一部の発熱手段と残りの発熱手段とを交互に通電する第1制御段階と、前記複数の発熱手段のすべてに継続的に通電する第2制御段階とにしたがって前記複数の発熱手段に通電する通電手段と、
前記第1制御段階において前記発熱手段に通電された電流を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した電流値から、前記複数の発熱手段のすべてに通電されるときの電流値を推定する推定手段と、
前記複数の発熱手段に通電される電流の電流値と前記電流に対応した通電位相角との関係に前記推定手段が推定した電流値を適用して通電位相角を決定する決定手段と
を備え、前記第2制御段階において、前記通電手段は、前記決定手段が決定した通電位相角で前記複数の発熱手段のすべてに通電することを特徴とする定着装置。 - 前記通電手段は、前記第1制御段階において、前記複数の発熱手段のうち一部の発熱手段にのみ通電し、前記複数の発熱手段のうち残りの発熱手段には通電せず、
前記測定手段は、前記一部の発熱手段に通電した電流を測定し、
前記推定手段は、前記一部の発熱手段の抵抗値と、前記残りの発熱手段の抵抗値との比を、前記測定手段が測定した電流値に乗算することで、前記複数の発熱手段のすべてに通電されるときの電流値を算出することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。 - 前記通電手段は、前記第1制御段階において、前記複数の発熱手段のうち一部の発熱手段と、前記複数の発熱手段のうち残りの発熱手段とを交互に通電し、
前記測定手段は、前記一部の発熱手段に通電した電流と、前記残りの発熱手段に通電した電流をそれぞれ測定し、
前記推定手段は、前記一部の発熱手段に通電した電流の電流値と、前記残りの発熱手段に通電した電流の電流値とを加算することで、前記複数の発熱手段のすべてに通電されるときの電流値を算出することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。 - 前記定着装置は、
加圧ローラと、
前記加圧ローラに従動して回転し、その内側に前記複数の発熱手段を備えた定着フィルムと
を備え、
前記第1制御段階では、前記加圧ローラおよび前記定着フィルムが停止しており、
前記第2制御段階では、前記加圧ローラおよび前記定着フィルムが回転することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の定着装置。 - 前記複数の発熱手段は、
各々長手方向に対して幅が均一に配列されており、かつ、互いの長さが等しい発熱体であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の定着装置。 - トナー像を記録紙に転写する転写装置と、
前記記録紙に前記トナー像を定着させる、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の定着装置と
を備えることを特徴とする画像形成装置。
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