JP6414750B2 - 電子機器、電子機器の制御方法及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、トナー像を印刷用紙に形成し、印刷用紙に定着させる定着部を有する画像形成装置に関する。

典型的な画像形成装置（たとえばプリンター、多機能プリンター、又は複合機（Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ）は、トナー像を印刷用紙に定着させる定着部を有している。定着部は、画像形成装置において大きな電力を消費する部分であるため制御性能を向上させ、マージンを小さくすることによって無駄な加熱を抑制することが求められている。制御性能の向上には、計測性能を向上させることが一つの手段として考えられる。

特開２００２−３７２８９３号公報

しかし、画像形成装置の内部電源は、負荷変動その他の理由によって電圧が変動しやすいという特質を有している。このため、画像形成装置のように負荷変動が大きな電子機器においては、仮に高精度のセンサを装備したとしてもＡＤ変換といった信号変換処理の過程で電圧変動に起因する誤差が生じてしまい、高精度のセンサの能力が全体として発揮できないという問題があった。この問題は、画像形成装置に限られず、加熱対象の温度を計測して、その温度を制御する構成を有する電子機器に一般的に共通する問題であった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特別に安定かつ高精度の電圧を有する電力の供給を受けることなく、高精度かつ応答性に優れた計測技術を提供することを目的とする。

本発明の電子機器は、加熱対象物と、前記加熱対象物の温度に応じて熱起電力を発生させるセンサと、前記熱起電力を増幅してセンサアナログ出力を生成する増幅回路と、前記センサアナログ出力と前記加熱対象物の温度との間の相互関係を表す温度特性データを格納する特性記憶部と、前記増幅回路に電力を供給し、センサ基準電圧を発生させるセンサ電源とを有するセンサ部と、前記センサ基準電圧をＡＤ変換して基準電位データを生成し、前記センサアナログ出力をＡＤ変換してセンサ出力データを生成するＡＤ変換部を有し、前記基準電位データを使用して前記センサ出力データを補正し、前記補正されたセンサ出力データと前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象物の温度を演算する演算処理部と、前記演算処理部に電力を供給する制御部電源とを有する制御部とを備える。

上記の電子機器であって、さらに、前記センサの周囲温度を計測する周囲温度計測素子を備え、前記増幅回路は、前記周囲温度に応じて周囲温度アナログ出力を生成し、前記ＡＤ変換部は、前記周囲温度アナログ出力をＡＤ変換して周囲温度出力データを生成し、前記演算処理部は、前記基準電位データを使用して前記周囲温度出力データを補正し、前記補正された周囲温度出力データと、前記補正されたセンサ出力データと、前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象の温度を演算するようにしてもよい。

上記の電子機器であって、前記特性記憶部は、前記センサ基準電圧を表すデジタル値であるセンサ電圧特性データを格納し、前記演算処理部は、前記基準電位データと前記センサ電圧特性データとを使用して前記センサ出力データを補正するようにしてもよい。

上記の電子機器であって、前記電子機器は、画像形成装置であり、前記加熱対象物は、前記画像形成装置が有する定着部であってもよい。

本発明の電子機器の制御方法は、加熱対象物と、前記加熱対象物の温度に応じて熱起電力を発生させるセンサと、前記熱起電力を増幅してセンサアナログ出力を生成する増幅回路と、前記センサアナログ出力と前記加熱対象物の温度との間の相互関係を表す温度特性データを格納する特性記憶部と、前記増幅回路に電力を供給し、センサ基準電圧を発生させるセンサ電源とを有するセンサ部とを備える電子機器を準備する工程と、前記センサ基準電圧をＡＤ変換して基準電位データを生成し、前記センサアナログ出力をＡＤ変換してセンサ出力データを生成するＡＤ変換部を有し、前記基準電位データを使用して前記センサ出力データを補正し、前記補正されたセンサ出力データと前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象物の温度を演算する演算処理部と、前記演算処理部に電力を供給する制御部電源とを有する制御工程とを備える。

本発明の制御プログラムは、加熱対象物と、前記加熱対象物の温度に応じて熱起電力を発生させるセンサと、前記熱起電力を増幅してセンサアナログ出力を生成する増幅回路と、前記センサアナログ出力と前記加熱対象物の温度との間の相互関係を表す温度特性データを格納する特性記憶部と、前記増幅回路に電力を供給し、センサ基準電圧を発生させるセンサ電源とを有するセンサ部を備える電子機器を制御するための制御プログラムであって、前記制御プログラムは、前記センサ基準電圧をＡＤ変換して基準電位データを生成し、前記センサアナログ出力をＡＤ変換してセンサ出力データを生成するＡＤ変換部を有し、前記基準電位データを使用して前記センサ出力データを補正し、前記補正されたセンサ出力データと前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象物の温度を演算する演算処理部と、前記演算処理部に電力を供給する制御部電源とを有する制御部として前記電子機器を機能させる。

本発明の画像形成装置や画像形成方法によれば、特別に安定かつ高精度の電圧を有する電力の供給を受けることなく、高精度かつ応答性に優れた計測技術を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置の機能構成を示すブロックダイアグラムである。 一実施形態に係る定着ローラの温度制御の機能構成を示すブロックダイアグラムである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置１の機能構成を示すブロックダイアグラムである。画像形成装置１は、制御部１０と、定着部２０と、記憶部３０とを備えている。定着部２０は、定着ローラ２１０と、センサユニット２２０と、誘導加熱部２３０とを備えている。定着ローラ２１０は、トナー像が転写された印刷用紙を加圧加熱してトナー像を印刷用紙に定着させる。センサユニット２２０は、センサ部とも呼ばれ、定着ローラ２１０の温度を計測する。

制御部１０は、ＲＡＭやＲＯＭ等の主記憶手段、及びＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の制御手段を備えている。また、制御部１０は、各種Ｉ／Ｏ、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）、バス、その他ハードウェア等のインターフェイスに関連するコントローラ機能を備え、画像形成装置１全体を制御する。

記憶部３０は、非一時的な記録媒体であるハードディスクドライブやフラッシュメモリー等からなる記憶装置で、制御部１０が実行する処理の制御プログラムやデータを記憶する。

図２は、一実施形態に係る定着ローラ２１０の温度を制御するための機能構成を示すブロックダイアグラムである。制御部１０は、ＣＰＵを有する演算処理部１２と、演算処理部１２に直流電力（基準電圧）を供給する制御部電源１１とを有している。演算処理部１２は、２つのＡＤコンバータ（第１ＡＤ変換部１２ａ及び第２ＡＤ変換部１２ｂ）を有している。この２つのＡＤコンバータは、単にＡＤ変換部とも呼ばれる。制御部１０は、センサユニット２２０によって計測された温度に基づいて、誘導加熱部２３０に加熱指令信号を送信する。誘導加熱部２３０は、制御部１０からの加熱指令信号に応じて加熱対象物である定着ローラ２１０を予め設定されている所定の温度を目標として制御する。

センサユニット２２０は、特性記憶部２２１と、センサ電源２２２と、増幅回路２２３と、サーモパイル２２４と、サーミスタ２２５とを備える。特性記憶部２２１は、センサユニット２２０の温度特性データを格納している。温度特性データは、たとえばセンサユニット２２０の製品検査の際に特性記憶部２２１に書き込まれる。センサ電源２２２は、特性記憶部２２１と増幅回路２２３とに電力を供給する。サーモパイル２２４は、温度計測の対象物である定着ローラ２１０の温度を非接触で計測する。サーミスタ２２５は、サーモパイル２２４の周囲温度としてセンサユニット２２０の温度を計測する。サーミスタ２２５は、周囲温度計測素子とも呼ばれる。

サーモパイル２２４は、複数の熱電対を直列あるいは並列に接続したものである。サーモパイル２２４は、熱電堆とも呼ばれる熱起電力型のセンサであり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する電気部品である。サーモパイル２２４は、定着ローラ２１０からの熱輻射（赤外線）によって温度が上昇する温接点と、ヒートシンク（図示せず）に熱的に接続されてサーモパイル２２４の周囲温度と同一の温度を維持する冷接点と、の間の温度差に応じて、出力電圧を発生させる。

サーミスタ２２５は、超高精度サーミスタ（ＡＰ Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）である。サーミスタ２２５は、温度変化によって抵抗値が変化する電気部品である。サーミスタ２２５は、サーモパイル２２４の周囲温度としてサーモパイル２２４の冷接点の温度を計測する。

増幅回路２２３は、サーモパイル２２４の出力電圧を増幅してセンサアナログ出力として演算処理部１２に電圧を印加する機能と、サーミスタ２２５の抵抗値変化に応じて周囲温度アナログ出力として演算処理部１２に電圧を印加する機能とを有している。

特性記憶部２２１は、前述のように温度特性データを格納している。温度特性データは、サーモパイル２２４の増幅後の出力電圧（センサアナログ出力）と、サーミスタ２２５の増幅後の出力電圧（周囲温度アナログ出力）と、温度計測の対象物である定着ローラ２１０の温度との相互関係を表すデータを含んでいる。温度特性データは、センサ電源２２２の個体差をも含む実際の出力電圧値であるセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓを表すデジタル値であるセンサ電圧特性データも格納している。

センサ電源２２２は、予め設定されているセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓを制御部１０の演算処理部１２に供給する。センサ基準電圧Ｖｒｅｆｓは、直流の１．６５Ｖ（名目値）であり、演算処理部１２に電力として供給されている制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃ（直流３．３Ｖ）よりも低い電圧に設定されている。

制御部１０は、センサユニット２２０のセンサ電源２２２から供給されるセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓを補正に使用する。この補正は、制御部電源１１が出力する制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃの変動に起因するＡＤ変換誤差を解消するためのものである。

ＡＤ変換誤差は、制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃの変動によって発生する。制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃを出力する制御部電源１１は、定電圧電源ではあるが、画像形成装置１の電力消費に応じて出力インピーダンスが上昇する場合があるからである。

このような場合において、演算処理部１２の消費電力が大きいときには、制御部電源１１への出力電圧が変動（低下）してしまう。具体的には、たとえば画像形成装置１において定着部２０その他に大電流が供給されている状態において、演算処理部１２が負荷の大きな演算を行っている場合が該当する。この場合には、制御部電源１１の供給電圧が制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃ（直流３．３Ｖ）よりも数パーセント程度低い電圧となることも想定される。

演算処理部１２の第１ＡＤ変換部１２ａ及び第２ＡＤ変換部１２ｂは、いずれも制御部電源１１から共通して電力の供給を受けている。第１ＡＤ変換部１２ａ及び第２ＡＤ変換部１２ｂは、いずれも制御部電源１１が出力する制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃが正しいものと仮定してＡＤ変換を実行する。第２ＡＤ変換部１２ｂは、センサアナログ出力や周囲温度アナログ出力の電圧と、制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃとの比を離散化して温度データとして出力する。

サーモパイル２２４の増幅後の出力電圧であるセンサアナログ出力のＡＤ変換の結果は、デジタル値０〜２５６を有するデジタルデータとしてのセンサ出力データとなる。サーミスタ２２５の増幅後の出力電圧である周囲温度アナログ出力のＡＤ変換の結果は、デジタル値０〜２５６を有するデジタルデータとしての周囲温度出力データとなる。

具体的には、たとえば演算処理部１２に正確な制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃ（３．３Ｖ）が供給されている場合を仮定する。この場合において、センサアナログ出力が０．８２５Ｖ（３．３Ｖの四分の一）のときには、演算処理部１２は、デジタル値６４（デジタル値２５６の四分の一）のデータ（センサ出力データ）を生成する。

ところが、仮に極端なケースとして、制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃが半分の１．６５Ｖまで低下してしまっていた場合を想定する。この場合、センサアナログ出力が０．８２５Ｖ（１．６５Ｖの二分の１、あるいは３．３Ｖの四分の一）のときには、演算処理部１２は、デジタル値１２８（デジタル値２５６の二分の一）のデータを生成する。このように、制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃが半分となると、ＡＤ変換の結果であるデジタル値が２倍となってしまう。

演算処理部１２は、センサ電源２２２から供給されるセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓを使用して、この問題を解決することができる。具体的には、演算処理部１２の第１ＡＤ変換部１２ａは、センサ基準電圧ＶｒｅｆｓをＡＤ変換処理して基準電位データＤｒｅｆを生成する。制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃが正確な３．３Ｖである場合には、基準電位データＤｒｅｆは、センサ基準電圧Ｖｒｅｆｓ（１．６５Ｖ）のＡＤ変換の結果なので、デジタル値１２８（１．６５Ｖ／３．３Ｖ×２５６）となる。一方、制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃが半分の１．６５Ｖとなってしまっていた場合には、基準電位データＤｒｅｆは、デジタル値２５６（１．６５Ｖ／１．６５Ｖ×２５６）となる。

演算処理部１２は、特性記憶部２２１からセンサ電圧特性データを読み出すことによって、センサ電源２２２の個体差をも含む実際の出力電圧値（名目値は１．６５Ｖ）が予め分かっている。演算処理部１２は、基準電位データＤｒｅｆがデジタル値２５６となっている場合には、ＡＤ変換の結果が実際の値の２倍となっていることを検知することができる。これにより、演算処理部１２は、自己のＡＤ変換処理の結果と既知である実際の出力電圧値（名目値は１．６５Ｖ）の比から実際の制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃ（制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃの名目値の半分）を推定することができる。

したがって、演算処理部１２は、実際の制御部基準電圧Ｖｒｅｆｃが半分の１．６５Ｖとなってしまっていることを推定することができる。演算処理部１２は、この推定結果を使用して、センサアナログ出力が０．８２５Ｖのときには、デジタル値１２８を補正して半分のデジタル値６４とすることができる。

本実施形態は、センサ電圧特性データによって表されるセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓが正確かつ安定して出力されていることを前提としている。この前提が成立する理由は、以下の通りである。センサ電源２２２は、計測時において、サーモパイル２２４と、サーミスタ２２５とに電力を供給している。サーモパイル２２４は、熱起電力型センサであり、電圧を発生するので、サーモパイル２２４に電流を流すことなく、その出力を増幅することができる。したがって、仮に画像形成装置１の内部で大きな電力が消費され、電源の出力インピーダンスが上昇していても、増幅回路２２３には大きな電流が流れないので、センサ電源２２２の出力電圧には、殆ど影響を与えない。

一方、サーミスタ２２５は、サーミスタ２２５の温度に応じて抵抗値が変動することを利用して計測するので、わずかにではあるが電流が流れることになる。しかしながら、サーミスタ２２５は、ヒートシンクに熱接続されている冷接点の温度を計測するので、常時計測する必要はない。よって、演算処理部１２は、冷接点の温度を計測しているときにだけ、センサ基準電圧Ｖｒｅｆｓの取得を回避すれば、高精度のセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓの利用を実現することができる。本実施形態では、第２ＡＤ変換部１２ｂは、センサアナログ出力と周囲温度アナログ出力とに順次切り替えて入力している。なお、第２ＡＤ変換部１２ｂは、入力毎に電源を共通とする別個のＡＤ変換部を有するようにしてもよい。

このように、本実施形態は、サーモパイル２２４を使用する高精度のセンサユニット２２０を装備しているので、センサ電源２２２は、高精度のセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓを補正用に出力することができる。よって、本実施形態によれば、センサユニット２２０を装備すれば、ＡＤ変換処理を行う演算処理部１２が低出力インピーダンスの高性能の電源回路を有している必要は無く、演算処理部１２が実行するソフトウェアを変更するだけでシステム全体として計測性能を向上させることができる。この計測性能の向上は、定着部２０の温度制御の性能を向上させ、無駄に加熱することなく、小さな熱マージンで定着工程を実現することができる。これにより、無駄な電力消費を削減することができる。

本発明は、上記各実施形態だけでなく、以下のような変形例でも実施することができる。

変形例１：上記実施形態は、サーミスタによる周囲温度の計測時以外のセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓを使用しているが、サーミスタがセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓに与える影響が十分に小さい場合には、サーミスタによる周囲温度の計測時のセンサ基準電圧Ｖｒｅｆｓを使用してもよい。さらに、具体的なハードウェア構成として、たとえばサーモパイルが内蔵する増幅回路にサーミスタを組み込むことも可能である。上記実施形態の構成は、高精度化を実現することができる一方、増幅回路にサーミスタを組み込む構成は回路構成の簡略化を実現することができる。具体的なソフトウェア構成としては、基準電位データＤｒｅｆに対して平滑化処理を行ってサーミスタの影響を減殺した上で使用することも可能である。

変形例２：上記実施形態は、熱起電力を発生させる熱電対を使用したサーモパイルを使用しているが、たとえば光起電力を発生させる素子を使用するようにしてもよい。本発明は、一般に起電力を発生させるセンサに適用することができる。

変形例３：上記実施形態は、画像形成装置に適用されているが、本発明は、何らかの加熱対象の温度を計測して、その温度を制御する構成を有する電子機器にも適用することができる。

１ 画像形成装置
１０ 制御部
１１ 制御部電源
１２ 演算処理部
１２ａ 第１ＡＤ変換部
１２ｂ 第２ＡＤ変換部
２０ 定着部
３０ 記憶部
２２０ センサユニット
２２１ 特性記憶部
２２２ センサ電源
２２３ 増幅回路
２２４ サーモパイル
２２５ サーミスタ
２３０ 誘導加熱部

Claims (6)

1. 電子機器であって、
   加熱対象物と、
   前記加熱対象物の温度に応じて熱起電力を発生させるセンサと、前記熱起電力を増幅してセンサアナログ出力を生成する増幅回路と、前記センサアナログ出力と前記加熱対象物の温度との間の相互関係を表す温度特性データを格納する特性記憶部と、前記増幅回路に電力を供給し、センサ基準電圧を発生させるセンサ電源とを有するセンサ部と、
   前記センサ基準電圧をＡＤ変換して基準電位データを生成する第１ＡＤ変換部と、前記センサアナログ出力をＡＤ変換してセンサ出力データを生成する第２ＡＤ変換部と、前記基準電位データを使用して前記センサ出力データを補正し、前記補正されたセンサ出力データと前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象物の温度を演算する演算処理部と、前記第１ＡＤ変換部と前記第２ＡＤ変換部と前記演算処理部とに制御部基準電圧を有する電力を供給する制御部電源とを有する制御部と、を備え、
   前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部は、前記制御部基準電圧を使用して前記各ＡＤ変換を実行し、
   前記制御部は、前記制御部基準電圧の変動に起因して変動する前記基準電位データを使用して前記補正を実行することによって、前記制御部基準電圧の変動に起因する前記センサ出力データのＡＤ変換誤差を抑制する電子機器。
2. 請求項１記載の電子機器であって、さらに、
   前記センサの周囲温度を計測する周囲温度計測素子を備え、
   前記増幅回路は、前記周囲温度に応じて周囲温度アナログ出力を生成し、
   前記第２ＡＤ変換部は、前記センサアナログ出力と前記周囲温度アナログ出力とを順次切り替えて入力してＡＤ変換し、前記センサ出力データと周囲温度出力データとを生成し、
   前記演算処理部は、前記基準電位データを使用して前記周囲温度出力データを補正し、前記補正された周囲温度出力データと、前記補正されたセンサ出力データと、前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象物の温度を演算する電子機器。
3. 請求項１又は２記載の電子機器であって、
   前記特性記憶部は、前記センサ電源が実際に発生させるセンサ基準電圧を表すデジタル値であるセンサ電圧特性データを格納し、
   前記演算処理部は、前記第１ＡＤ変換部によるＡＤ変換によって生成された前記基準電位データと前記センサ電圧特性データとを使用して前記センサ出力データを補正する電子機器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器であって、
   前記電子機器は、画像形成装置であり、
   前記加熱対象物は、前記画像形成装置が有する定着部である電子機器。
5. 電子機器を制御する方法であって、
   加熱対象物と、前記加熱対象物の温度に応じて熱起電力を発生させるセンサと、前記熱起電力を増幅してセンサアナログ出力を生成する増幅回路と、前記センサアナログ出力と前記加熱対象物の温度との間の相互関係を表す温度特性データを格納する特性記憶部と、前記増幅回路に電力を供給し、センサ基準電圧を発生させるセンサ電源とを有するセンサ部を備える電子機器を準備する工程と、
   前記センサ基準電圧をＡＤ変換して基準電位データを生成する第１ＡＤ変換工程と、前記センサアナログ出力をＡＤ変換してセンサ出力データを生成する第２ＡＤ変換工程と、前記基準電位データを使用して前記センサ出力データを補正し、前記補正されたセンサ出力データと前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象物の温度を演算する演算処理工程と、前記第１ＡＤ変換工程と前記第２ＡＤ変換工程と前記演算処理工程とに制御部基準電圧を有する電力を供給する制御部電源供給工程とを有する制御工程と、を備え、
   前記第１ＡＤ変換工程及び前記第２ＡＤ変換工程は、前記制御部基準電圧を使用して前記各ＡＤ変換を実行する工程を含み、
   前記制御工程は、前記制御部基準電圧の変動に起因して変動する前記基準電位データを使用して前記補正を実行することによって、前記制御部基準電圧の変動に起因する前記センサ出力データのＡＤ変換誤差を抑制する工程を含む電子機器の制御方法。
6. 加熱対象物と、前記加熱対象物の温度に応じて熱起電力を発生させるセンサと、前記熱起電力を増幅してセンサアナログ出力を生成する増幅回路と、前記センサアナログ出力と前記加熱対象物の温度との間の相互関係を表す温度特性データを格納する特性記憶部と、前記増幅回路に電力を供給し、センサ基準電圧を発生させるセンサ電源とを有するセンサ部を備える電子機器を制御するための制御プログラムであって、
   前記センサ基準電圧をＡＤ変換して基準電位データを生成する第１ＡＤ変換部と、前記センサアナログ出力をＡＤ変換してセンサ出力データを生成する第２ＡＤ変換部と、前記基準電位データを使用して前記センサ出力データを補正し、前記補正されたセンサ出力データと前記温度特性データとに基づいて前記加熱対象物の温度を演算する演算処理部と、前記第１ＡＤ変換部と前記第２ＡＤ変換部と前記演算処理部とに制御部基準電圧を有する電力を供給する制御部電源とを有する制御部として前記電子機器を機能させ、
   前記第１ＡＤ変換部及び前記第２ＡＤ変換部は、前記制御部基準電圧を使用して前記各ＡＤ変換を実行し、
   前記制御部は、前記制御部基準電圧の変動に起因して変動する前記基準電位データを使用して前記補正を実行することによって、前記制御部基準電圧の変動に起因する前記センサ出力データのＡＤ変換誤差を抑制する制御プログラム。