JP5860672B2 - 定着器アセンブリの電力を制御する方法 - Google Patents

Description

本開示は、定着器加熱部材の電力を制御するための方法、装置およびシステムに関する。本開示はさらに、ピーク突入電流を最小限に抑えかつ定着器アセンブリの温度制御を提供するように定着器ランプの電力を制御することに関する。

関連技術の定着器アセンブリ温度制御は、典型的には、セットポイントおよびデッドバンドを基礎とする伝統的なＯＮ／ＯＦＦランプ制御によって実行される。ランプのＯＮ／ＯＦＦサイクルは、特定の時間にアセンブリへ送出される電力量を制限することによって制御され得る。より優れた温度制御は、ランプのＯＮ／ＯＦＦサイクルをより頻繁にすることによって達成され得る。定着器アセンブリへ送出される電力量を制御する関連技術方法は、ＰＷＭ
ＡＣチョッパ、サイクルスティーリングおよび位相制御を含む。

関連技術による電力制御方法およびシステムは、典型的には、納得のいくフリッカおよび高調波対策を効率的に行っていない。例えば、サイクルスティーリングは低高調波に対応するが、フリッカに繋がる可能性のある高いピーク突入電流に悩まされる。位相角制御は低いフリッカに対応し得るが、コスト高でありかつ高調波要件を満たさない場合がある。ＰＷＭ ＡＣチョッパ方法はフリッカおよび高調波要件に対処し得るが、このような方法は追加のコンポーネントを必要としてコスト高になる可能性がある。

本明細書に開示する方法、装置およびシステムは、追加コストを最小限に抑えながらピーク突入電流を低下し、かつ低減された温度変動に対応する。コストの低減は、例えば定着器ランプのターンオン時間遅延を動的に変えて定着器へ向けられる平均電力量を制御することにより達成され得る。ランプのターンオン時間遅延は、温度誤差に依存して、比例積分微分（「ＰＩＤ」）コントローラの関数として、または予め設定された遅延時間の関数として変更されてもよい。これは、例えば複数のランプからの特定数のランプの作動をコントローラ出力の関数として制御することにより達成され得る。

ベルトロール定着器の段階的電力制御方法の実施形態において、ベルトロール定着器アセンブリは、第１の定着器加熱部材と、第２の定着器加熱部材と、第３の定着器加熱部材とを有してもよい。定着器加熱部材は、石英灯または加熱ロッドであってもよい。定着器の合計電力は、ベルトロール定着器アセンブリへ割り当てられてもよい。本方法は、総割当電力の３分の１に略等しい、またはこれを超える電力信号に応答して第１の定着器加熱部材へ電力を印加することと、総割当電力の３分の２に略等しい、またはこれを超える電力信号に応答して第２の定着器加熱部材へ電力を印加することと、総割当電力に略等しい電力信号に応答して第３の定着器加熱部材へ電力を印加することを含んでもよい。

実施形態において、離散電力レベルを用いて定着器アセンブリの電力を制御するための段階的定着器電力制御方法は、コントローラによって出力される第１の電力レベル信号に応答して第１の定着器加熱部材をオンにすることと、第２の電力レベル信号に応答して第２の定着器加熱部材をオンにすることを含んでもよい。さらなる実施形態は、コントローラによって出力される第３の電力レベル信号を基礎として第３の定着器加熱部材をオンにすることを含んでもよい。

システムおよび装置の実施形態は、定着器アセンブリのコントローラを含んでもよい。このコントローラはＰＩＤコントローラであっても、既知の、または今後開発される他の適切なコントローラであってもよい。コントローラは、定着器アセンブリの１コンポーネントの温度を検出するセンサからの検出された温度データまたは上記検出された温度データを基礎とする温度誤差等の入力を受信してもよい。コントローラは、１つ以上の電力レベルに相当する電力信号を出力してもよい。

定着器アセンブリは、各々が離散的に制御されるように配置される少なくとも２つの定着器加熱部材を含んでもよい。コントローラは、２つの定着器加熱部材の各々を独立して制御するために電力制御信号を定着器アセンブリへ伝達するように構成されてもよい。電力制御信号は、検出された定着器アセンブリの温度誤差および媒体タイプのうちの少なくとも一方の関数として出力される。

代替実施形態において、各々が電力レベル信号を出力するコントローラへ接続されている少なくとも１つの第１の定着器加熱部材と、第２の定着器加熱部材と、第３の定着器加熱部材とを有する定着器アセンブリを制御する場合の方法は、予め規定された、または標的定着器コンポーネント温度を実際の定着器アセンブリコンポーネント温度と比較することによって温度誤差を決定することと、決定された温度誤差が第１の温度しきい値未満である場合には電力レベル信号を出力しないことと、決定された温度誤差が第１の温度しきい値に略等しい、またはこれより大きくかつ第２の温度しきい値未満である場合には第１の電力レベル信号を出力することと、決定された温度誤差が第２の温度しきい値に略等しい、またはこれより大きくかつ第３の温度しきい値未満である場合には第２の電力レベル信号を出力することと、決定された温度誤差が第３の温度しきい値に略等しい、またはこれより大きい場合には第３の電力レベル信号を出力することを含んでもよい。さらなる実施形態は、温度変動を最小限に抑えかつ／または定着器平均電力を制御するために上記温度データの入力および電力制御信号の出力を繰り返すことを含んでもよい。

さらなる実施形態における方法は、第１の電力レベル信号に応答して定着器加熱部材をオンにしないことと、第２の電力レベル信号に応答して第１、第２および第３の定着器加熱部材のうちの１つをオンにすることと、第３の電力レベル信号に応答して第１、第２および第３の定着器加熱部材のうちの２つをオンにすることと、第４の電力レベル信号に応答して第１、第２および第３の定着器加熱部材のうちの３つをオンにすることを含んでもよい。

例示的な一実施形態によるシステムの定着器アセンブリにおけるベルトロール定着器ランプの例示的なデルタ接続配置を示す図である。 ランプが１００ｍｓの遅延でオンになるときの線電流を時間の関数として示すグラフである。 ランプが２００ｍｓの遅延でオンになるときの線電流を時間の関数として示すグラフである。 ランプが３００ｍｓの遅延でオンになるときの線電流を時間の関数として示すグラフである。 例示的な一実施形態に従って構成されたコントローラへ接続される定着器アセンブリを示す図である。 例示的な一実施形態による電力制御のパフォーマンスを示すグラフである 例示的な一実施形態による温度制御を用いる場合の定着器ベルトの温度変動を示す図である。 ランプスイッチの回数を達成された温度変動の関数として示すグラフである。 ランプスイッチおよび定常状態の温度変動を温度センサ時定数の関数として示すグラフである。 力率制御、ＯＮ／ＯＦＦ制御およびデッドバンドによるＯＮ／ＯＦＦについて、温度変動を温度センサ時定数の関数として示すグラフである。 フリッカ感度を示すグラフである。

例示的な実施形態は、全ての代替例、修正および同等物を本明細書に開示される方法、装置およびシステムの精神および範囲に含まれ得るものとして包含するものとする。

以下、諸図面を参照して、温度誤差を低減しかつ高調波およびフリッカ要件を満たすために定着器アセンブリ電力を制御する方法、装置およびシステムの理解を図る。諸図面を通じて、類似の参照数字は類似の、または同一のエレメントを示すために用いられる。これらの図面は、定着器アセンブリの電力を制御するための例示的な方法、装置およびシステムの様々な実施形態および実施形態関連データを示している。

ベルトロール定着器は、１つ以上の定着器加熱部材を含んでもよい。定着器加熱部材は、例えば、石英灯および／または加熱ロッドであってもよい。あるいは、定着器加熱部材は画像を基材へ定着することに適する別のシステムまたはデバイスであってもよい。

ベルトロール定着器アセンブリ等の定着器アセンブリは、例えばランプである３つの定着器加熱部材を含んでもよい。定着器加熱部材は各々、離散的に制御されてもよい。例えば、３つのランプを有する定着器アセンブリにおいて、各ランプは互いに独立してオンまたはオフにされてもよい。これらのランプは、図１に示されているように、３相のデルタ接続で配置されてもよい。

ランプは、例えば線間電圧が６０Ｈｚで１８７ＶＡＣである３相のデルタ接続で配置されてもよい。このような配置では、３つの定着器加熱部材が同時に冷態起動からオンにされる場合、図１の線Ａ、ＢまたはＣにおける線突入電流は約８５アンペアであってもよい。しかしながら、これらのランプが遅延してオンにされれば、線突入電流は著しく低減され得る。例えば、少なくとも１００ｍｓの遅延の場合、線突入電流は約６４アンペアになり得るが、これは、３つの定着器加熱部材の全てが略同時に冷態起動からオンにされる場合に達成される線突入電流の約２５％減である。ターンオン遅延の優位点は、図２に示されている例示的なシミュレーション結果によって証明される。具体的には、図２は、ターンオン遅延０ｍｓに対するターンオン遅延１００ｍｓの効果を示し、即ち、この遅延が最大線電流の低減に対応し得ることを示している。

さらに、定着器加熱部材またはランプのターンオン遅延が１００ｍｓを超えて２００ｍｓまで増大されれば、最大線電流のより大幅な縮小が達成され得ることが観察される場合もある。例えば、図３は、線電流を時間の関数として示している。その結果は、ランプが遅延２００ｍｓでオンにされるシミュレーションからもたらされている。図３に示されているように、遅延２００ｍｓの場合の最大線電流は約６１アンペアであり得る。

同様に、図４は、定着器加熱部材のターンオン遅延３００ｍｓが最大線電流をさらに低減し得ることを示している。具体的には、図４は、ランプが遅延３００ｍｓでオンにされた場合の線電流を時間の関数として示している。遅延３００ｍｓの最大線電流は、約５９アンペアであり得る。概して、最大線電流の低減は、下記の表１に示されているように、定着器加熱部材ターンオン遅延の関数であり得る。
表１は、ランプターンオン遅延が２００ｍｓを超えるまで増大されると、電気応力がさらに低減され得ることを示している。例えば、６００ｍｓのターンオン遅延を適用すれば、約５８アンペアの突入電流が達成され得る。

定着器加熱部材の離散的制御は、定着器のターンオン遅延をコントローラ出力の関数として制御することによって達成されてもよい。遅延は、定着器アセンブリの定着器加熱部材へ印加される電力を制御することによって提供されてもよい。具体的には、定着器アセンブリはコントローラへ接続されてもよい。コントローラは、定着器アセンブリの定着器加熱部材がいつオンおよび／またはオフにされるかを制御するように構成されてもよい。例えば、３つの定着器加熱部材、例えばランプまたは加熱ロールを有するアセンブリにおいて、コントローラは、予め設定された遅延を基礎として、または温度誤差および／または媒体タイプの関数として１つ以上のランプのターンオンを、電力信号を出力することによって遅延してもよい。電力信号は、１つ以上の定着器加熱部材へ割り当てられる既定値または値範囲であり得る離散電力レベルに対応するものであってもよい。

実施形態において、定着器アセンブリの定着器加熱部材は、コントローラ出力の関数として制御されてもよい。コントローラとしては、ＰＩＤコントローラ等の任意の適切なものが実装されてもよい。コントローラは温度センサにも接続されてもよく、かつ温度誤差を決定または受信するように構成されてもよい。例えば、温度センサは、定着器アセンブリコンポーネントの温度を検出するように構成されてもよい。監視される定着器アセンブリコンポーネントは、例えば定着器ベルトであってもよい。検出される温度または実際の温度は、温度誤差の値または値範囲を生み出すために、予め設定された、または標的温度値または値範囲と比較されてもよい。コントローラは、温度誤差を基礎として１つ以上の定着器加熱部材を制御するために電力レベル信号を出力してもよい。このプロセスは、例えば温度誤差を低減するために、または低減された温度誤差を保持するために連続的に繰り返されてもよい。

ある実施形態において、ベルトロール定着器は、図５に示されているように３つの定着器加熱部材を有してもよい。ベルトロール定着器の段階的電力制御システム５００では、ランプ５０１、５０５および５０８がコントローラ５１５へ接続されてもよい。コントローラ５１５はＰＩＤコントローラであっても、他の適切な任意のコントローラであってもよい。コントローラ５１５は、電力信号をランプ５０１、５０５および５０８のうちの１つまたはそれ以上へ伝達するように構成されてもよい。コントローラ５１５は、例えば定着器システム５１２の定着器アセンブリコンポーネントの温度等のパラメータを基礎とする誤差入力を受信するように構成されてもよい。誤差入力は、コントローラ５１５が制御信号を送信するかどうか、またはコントローラ５１５がランプ５０１、５０５および５０８へどのタイプの制御信号を送信するかを決定するために用いられてもよい。

コントローラ５１５によって送信される制御信号のタイプは、コントローラ５１５によってランプ５０１、５０５および５０８の制御信号として出力される電力範囲または電力量に対応する離散的な電力レベルであってもよい。例えば、ランプ５０１、５０５および５０８の各々は定着器総電力の３分の１を割り当てられてもよい。定着器アセンブリが必要とする電力が定着器総電力の３分の１のみであれば、制御システム５００は、熱制御または他の任意の機能を危うくすることなく３つのランプ５０１、５０５および５０８のうちの任意の１つを作動してもよい。同様に、定着器アセンブリは、ランプ５０１、５０５および５０８のうちの任意の２つを用いて、割り当てられる定着器総電力の３分の２で動作してもよい。定着器総電力が必要であれば、定着器アセンブリの総割当電力の１００％を印加することによって３つのランプ５０１、５０５および５０８の全てがオンにされてもよい。

従って、使用される定着器電力は、例えば離散的な４レベル、即ち０％、３３．３％、６６．６％および１００％で制御されてもよい。さらに、定着器の平均電力は連続式に制御されてもよい。例えば、図５に示されているベルトロール定着器の制御システム５００は、温度誤差入力をコントローラ５１５へ連続的に供給するように構成されてもよい。誤差入力は、温度センサ５１７から受信されてもよく、または温度センサ５１７から受信されるデータを基礎とするものであってもよい。温度センサ５１７は、生データまたは操作されたデータを生成しかつ送信するように構成されてもよい。温度センサ５１７は、定着器システム５１２のコンポーネントの監視に関するデータを監視し、受信し、操作しかつ／または収集するように構成されてもよい。コントローラ５１５は、受信される誤差入力に関連する電力制御信号を出力するように構成されてもよい。ランプ５０１、５０５および５０８は、出力される電力制御信号に依存して各々が離散的にターンオンするように構成されてもよい。例えば、０％である第１の電力レベルにおいて、制御出力が約３３．３％未満であれば、使用される定着器総電力はゼロである可能性があり、よってどのランプもオンにならない。制御出力が約３３．３％でありかつ６６％未満であれば、第２の電力レベルにおいて定着器電力の３３％が使用され、よってランプ５０１、５０５および５０８のうちの１つがオンにされてもよい。約６６．６％および１００％未満の制御出力に応答して電力の６６．６％が使用される第３の電力レベルでは、ランプ５０１、５０５および５０８のうちの２つがオンにされてもよい。約１００％またはこれを超える制御出力に応答して定着器総割当電力の約１００％が使用される第４の電力レベルでは、３つのランプ５０１、５０５および５０８の全てが作動されてもよい。本システムは、開示される実施形態の精神および範囲を逸脱することなく、より多いランプを包含しかつ適宜修正されるように拡大されてもよい。

図５に示されている実施形態による方法およびシステムを試験した。図６に示す結果は、ランプ５０１、５０５および５０８へ接続されているコントローラ５１５が電力傾向に従って各ランプの遅延およびデューティサイクルの双方を動的に制御するように構成され得ることを示している。定着器電力は、コントローラが要求する電力出力の関数として効果的に制御され得る。

コントローラおよびシステムは、温度誤差が受容可能な温度変動でほぼ定常状態へ収束するように構成されてもよい。例えば、図７は、例えば図５の例えばベルトロール定着器の段階的電力制御によって極めて厳密な温度制御が達成され得ることを示している。具体的には、図７は、本明細書に開示されている実施形態によるシステムを使用する場合の定着器ベルトの温度変動を示している。

実施形態において、コントローラおよび段階的電力制御を有するシステムは、低減された回数のランプスイッチで低い温度変動を達成し得る。図８は、電力１００％のＰＩＤコントローラを実装するシステムと段階的電力を有するＰＩＤコントローラを実装するシステムとの試験結果を比較して示している。図８は、段階的電力のアプローチが５回未満のスイッチ使用により温度変動を摂氏１度未満に減らし得ることを示している。１００％電力のアプローチは、摂氏１度の温度変動をかろうじて達成するのに１００秒間に３０回を超えるランプスイッチを必要とする。

さらに、ＰＩＤ段階的電力制御のアプローチは、図９のグラフに描かれているシミュレーション結果が示すように、３．５秒までの温度センサ時定数に対して著しく不感受性である。例えば、ベルトロール定着器には、温度センサとして時定数３．５秒を有する一方と、時定数１５秒を有する他方との２つの選択肢が存在し得る。より速い３．５秒センサは、摂氏約１度以下の温度変動を生み出し得る。遅い方のセンサは、摂氏約３．５度の温度変動を生み出し得る。

図１０に示されているように、例示的な実施形態に従って構成されるＰＩＤコントローラ等のコントローラを有するシステムは、力率制御を用いる場合よりも優れたパフォーマンスを達成し得る。温度制御が厳密であるという優位点とは別に、ＰＩＤ段階的電力制御は、サイクルスティーリングまたは他の電力制御方法を用いて達成される、総電力の低減を許容する追加的なハードウェアを必要としない。

実施形態において、電力制御は、接続されるコントローラの電力信号出力により伝達される電力レベルに依存して１つ、２つまたは３つのランプを作動することにより、３つの離散的な電力レベルを用いて対応されてもよい。３つのランプは互いに独立して使用されることが可能であることから、これらのランプは、例えば３３．３％の電力、６６．６％の電力および１００％の電力を用いて制御されてもよい。０％である第４の電力レベルでは、どのランプも作動されない。電力制御は、例えば温度誤差の関数としてのこのような電力レベルに従ってもよい。温度誤差は、定着器アセンブリコンポーネントの設定温度とセンサを用いて入手され得るコンポーネントの実際温度との差であってもよい。

ランプターンオン遅延を有するＰＩＤ段階的電力制御は、フリッカ制御のためのより好ましい態様を可能にし得る。フリッカは、突入電流の量が制限されることを必要とする。突入電流は、線間電圧を降下させ、かつ図１１に示されているように、システムが例えば１Ｈｚから３５Ｈｚまでの周波数範囲以外で理想的に動作することを必要とする場合がある。例示的な一実施形態による電力制御は、１００秒間に付き５回のスイッチを包含してもよく、これは、コスト高の電力制御ハードウェアを必要とすることなく、１Ｈｚ未満の周波数を生み出し、かつ突入電流を制限し得る。

定着器アセンブリの電力を制御するための方法、装置およびシステムを例示的な実施形態に関連して説明しているが、当業者には、多くの代替例、修正および変形例が明らかとなるであろう。従って、本明細書に記述された方法、装置およびシステムの実施形態は例示を目的とするものであって、限定を意図するものではない。これらの例示的な実施形態の精神および範囲を逸脱することなく実行され得る変更は存在する。

これまでに開示した、および他の様々な特徴および機能またはこれらの代替例が、望ましくは他の多くの異なるシステムまたはアプリケーションへと組み合わされてもよいことを理解されたい。また、この場合、現時点で不測である、または予期されていない様々な代替例、修正、変形例または改良も引き続き当業者によって行うことも可能である。

Claims (5)

1. ベルトロール定着器アセンブリの段階的電力制御方法であって、前記ベルトロール定着器アセンブリは第１の定着器加熱部材と、第２の定着器加熱部材と、第３の定着器加熱部材とを有し、前記ベルトロール定着器アセンブリへは定着器総電力が割り当てられ、前記方法は、
   前記総割当電力の３分の１に等しい、またはこれを超える電力信号に応答して前記第１の定着器加熱部材へ電力を印加するとともに前記第２の定着器加熱部材および前記第３の定着器加熱部材に電力を印加しないことと、
   前記総割当電力の３分の２に等しい、またはこれを超える電力信号に応答して前記第１の定着器加熱部材および前記第２の定着器加熱部材へ電力を印加するとともに前記第３の定着器加熱部材へ電力を印加しないことと、
   前記総割当電力に略等しい電力信号に応答して前記第１〜前記第３の定着器加熱部材へ電力を印加することと、を含み、
   前記第２の定着器加熱部材への電力の印加は、前記第１の定着器加熱部材に対する電力の印加から予め決められた第１の時間遅延経過後に行われ、
   前記第３の定着器加熱部材への電力の印加は、前記第２の定着器加熱部材に対する電力の印加後さらに予め決められた第２の時間遅延が経過してから行われ、
   前記第１の時間遅延は６００ｍｓであり、前記第２の時間遅延は６００ｍｓである、
   方法。
2. 前記予め決められた第１の時間遅延および予め決められた第２の時間遅延のうちの少なくとも一方は温度誤差および媒体タイプのうちの少なくとも一方の関数である、請求項１に記載の方法。
3. 離散的な電力レベルを用いて定着器アセンブリの電力を制御するための段階的定着器電力制御方法であって、
   コントローラによって出力される第１の電力レベル信号に応答して第１の定着器加熱部材をオンにすることと、
   第２の電力レベル信号に応答して前記第１の定着器加熱部材をオンにするとともに、予め決められた第１の時間遅延経過後に第２の定着器加熱部材をオンにすることと、
   前記コントローラによって出力される第３の電力レベル信号を基礎として前記第１の定着器加熱部材をオンにするとともに、前記第１の定着器加熱部材をオンにしてから前記予め決められた第１の時間遅延経過後に前記第２の定着器加熱部材をオンにし、前記第２の定着器加熱部材をオンにして予め決められた第２の時間遅延経過後に第３の定着器加熱部材をオンにすることと、
   第２または第１の電力レベル信号に応答して前記第３の定着器加熱部材をオフにすることと、
   第１の電力レベル信号に応答して前記第２の定着器加熱部材をオフにすることと、
   電力レベル信号が出力されなければ、前記第１の定着器加熱部材、前記第２の定着器加熱部材および前記第３の定着器加熱部材をオフにすることと、を含み、
   前記第１の時間遅延は６００ｍｓであり、前記第２の時間遅延は６００ｍｓである、段階的定着器電力制御方法。
4. 定着器アセンブリコンポーネントの実際温度を決定することと、
   前記決定された実際温度を標的温度と比較して温度誤差を決定することと、
   前記決定された温度誤差を基礎として、第１の電力レベル信号、第２の電力レベル信号および第３の電力レベル信号のうちの少なくとも１つを出力することと、をさらに含む、請求項３に記載の段階的定着器電力制御方法。
5. 定着器アセンブリの温度制御方法であって、前記定着器アセンブリは、各々が電力レベル信号を出力するコントローラへ接続されている少なくとも１つの第１の定着器加熱部材と、第２の定着器加熱部材と、第３の定着器加熱部材とを有し、前記方法は、
   標的定着器コンポーネント温度を実際の定着器アセンブリコンポーネント温度と比較することによって温度誤差を決定することと、
   前記決定された温度誤差が第１の温度しきい値に略等しい、またはこれより大きくかつ第２の温度しきい値未満である場合には第１の電力レベル信号を出力することと、
   前記決定された温度誤差が第２の温度しきい値に略等しい、またはこれより大きくかつ第３の温度しきい値未満である場合には第２の電力レベル信号を出力することと、
   前記決定された温度誤差が第３の温度しきい値に略等しい、またはこれより大きい場合には第３の電力レベル信号を出力することと、を含み、
   前記第１の電力レベル信号に応答して前記第１、第２および第３の定着器加熱部材のうちの１つをオンにすることと、前記第２の電力レベル信号に応答して前記第１、第２および第３の定着器加熱部材のうち２つについて一方をオンにしてから予め決められた第１の時間遅延経過後に他方をオンにすることと、前記第３の電力レベル信号に応答して前記第１、第２および第３の定着器加熱部材のうちいずれか１つをオンにしてから予め決められた前記第１の時間遅延経過後に他の１つをオンにするとともに、前記他の１つをオンにしてから予め決められた第２の時間遅延経過後に残りの１つをオンにすることをさらに含み、
   前記第１の時間遅延は６００ｍｓであり、前記第２の時間遅延は６００ｍｓである、方法。