JP7532142B2 - 像加熱装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、像加熱装置及び画像形成装置に関し、特に、像加熱装置を画像定着手段として具備した画像形成装置に関する。

画像形成装置の像加熱装置は、電子写真プロセスなどの画像形成手段により転写紙上に形成された未定着の画像（トナー像）を転写紙上に定着させるものであり、例えばセラミックヒータを代表とするヒータを熱源とするフィルム加熱式が知られている。一般的に、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ており、この交流電源により電力が供給される。高出力のヒータに電力を供給し温度制御を行う際には、制御の応答性を早くするために位相制御を行う場合が多い。一方、高出力、つまり、抵抗値の低いヒータを位相制御する場合、高調波電流が大きくなる。この対策として、高調波電流が大きくなる原因となっている、単位時間当たりの急峻な電流変化を緩やかにする方法が考えられており、例えば特許文献１で提案されている。

特開２０１８－０７３０４８号公報

しかしながら、従来のように、急峻な電流変化を緩やかにすると、スイッチング素子が発熱するおそれがある。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、スイッチング素子への影響を抑制しつつ、高調波電流を低減することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、以下の構成を備える。

（１）未定着のトナー画像を記録材に定着するための像加熱装置であって、ヒータと、交流電源からの電力を前記ヒータに供給する導通状態、又は、前記ヒータへの電力の供給を遮断する非導通状態となるスイッチング素子と、前記交流電源の交流の周期に応じた一制御周期毎に前記スイッチング素子の前記導通状態又は前記非導通状態を切り替えて前記ヒータに供給する電力を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記交流の半周期内における前記ヒータに電力を供給する期間を少なくとも２つに分割して前記ヒータに電力を供給するように前記スイッチング素子の前記導通状態又は前記非導通状態を制御するものであり、前記ヒータに電力を供給する期間を、第１の期間と前記第１の期間よりも長い第２の期間とに分割し、前記第１の期間を前記交流電源の１周期の１／６０００から１／４０の間の長さとすることを特徴とする像加熱装置。
（２）記録材に未定着のトナー画像を形成する画像形成手段と、前記（１）に記載の像加熱装置と、を備えることを特徴とする画像形成装置。

本発明によれば、スイッチング素子への影響を抑制しつつ、高調波電流を低減することができる。

実施例１～３の画像形成装置の説明図 実施例１～３の像加熱装置の断面図 実施例１のＦＥＴを用いたヒータ制御回路の構成図 実施例１のヒータ電流波形と制御信号を示す図 実施例１のヒータ電流波形と制御信号を示す図 実施例１を実施しなかった場合のヒータ電流波形と制御信号を示す図 実施例１の高調波電流の測定結果を示すグラフ 実施例２の電源装置の構成図 実施例２のヒータ電流波形と制御信号を示す図、高調波電流の測定結果を示すグラフ 実施例３のトライアックを用いたヒータ制御回路の構成図 実施例３のヒータ電流波形と制御信号を示す図

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。なお、以下に示す実施例は一例であって、この発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［画像形成装置］
図１は電子写真記録技術を用いた画像形成装置１００の断面図である。プリント信号が発生すると、画像情報に応じて変調されたレーザ光をスキャナユニット２１が出射し、帯電ローラ１６によって所定の極性に帯電された感光ドラム１９を走査する。これにより感光ドラム１９には静電潜像が形成される。この静電潜像に対して現像器１７からトナーが供給され、感光ドラム１９上に画像情報に応じたトナー画像が形成される。一方、給紙カセット１１に積載された記録紙Ｐは、ピックアップローラ１２によって一枚ずつ給紙され、ローラ１３によってレジストレーションローラ（以下、レジストローラという）１４に向けて搬送される。さらに記録紙Ｐは、感光ドラム１９上のトナー画像が感光ドラム１９と転写ローラ２０とで形成される転写位置に到達するタイミングに合わせて、レジストローラ１４から転写位置へ搬送される。記録紙Ｐが転写位置を通過する過程で感光ドラム１９上のトナー画像は記録紙Ｐに転写される。

その後、記録紙Ｐは像加熱装置２００にあるヒータ２０１で加熱されて未定着のトナー画像が記録紙Ｐに加熱定着される。定着済みのトナー画像を担持する記録紙Ｐは、ローラ２６、２７によって画像形成装置１００上部のトレイに排出される。なお、クリーナ１８は感光ドラム１９を清掃する。給紙トレイ（手差しトレイ）２８は記録紙Ｐのサイズに応じて幅の調整が可能な一対の記録紙規制板（不図示）を有するトレイである。なお、幅とは、記録紙Ｐの搬送方向に略直交する方向の長さをいう。給紙トレイ２８は定型サイズ以外のサイズの記録紙Ｐにも対応するために設けられている。ピックアップローラ２９は給紙トレイ２８から記録紙Ｐを給紙するローラである。モータ３０は像加熱装置２００等を駆動するモータである。商用の交流電源３０１に接続された電源回路３０２は、モータ３０へ電力を供給している。像加熱装置２００内のヒータ２０１には、交流電源３０１に接続された制御回路３０３の制御によって、電力が供給されている。上述した、感光ドラム１９、帯電ローラ１６、スキャナユニット２１、現像器１７、転写ローラ２０が、記録紙Ｐに未定着のトナー画像を形成する画像形成部（画像形成手段）を構成している。なお、像加熱装置２００、交流電源３０１、電源回路３０２、制御回路３０３を以降、周辺部３００ともいう。

［像加熱装置］
図２は実施例１の像加熱装置２００の断面図である。像加熱装置２００は、フィルム２０３、ヒータ２０１、加圧ローラ２０８、サーミスタ２０２を有する。フィルム２０３は、筒状のフィルムがエンドレスベルトとして構成されている。ヒータ２０１は、フィルム２０３の内面に接触する。ニップ部形成部材である加圧ローラ２０８は、フィルム２０３を介してヒータ２０１と共に定着ニップ部Ｎを形成する。温度検知手段であるサーミスタ２０２は、ヒータ２０１の温度を検出するための温度検出素子である。

フィルム２０３のベース層の材質は、例えばポリイミド等の耐熱樹脂又はステンレス等の金属である。また、フィルム２０３の表層には耐熱ゴム等の弾性層を設けてもよい。加圧ローラ２０８は、例えば鉄やアルミニウム等の材質の芯金２０９と、シリコーンゴム等の材質の弾性層２１０を有する。ヒータ２０１は耐熱樹脂製の保持部材２０５に保持されている。保持部材２０５はフィルム２０３の回転を案内するガイド機能も有している。ステー２０４は、保持部材２０５にバネ（不図示）の圧力を加えるための金属製のステーである。加圧ローラ２０８はモータ（不図示）から動力を受けて矢印方向（反時計回り方向）に回転する。加圧ローラ２０８が回転することによって、フィルム２０３が従動して矢印方向（時計回り方向）に回転する。未定着のトナー画像を担持した記録紙Ｐは、定着ニップ部Ｎで挟持搬送されつつ加熱されて定着処理される。図２では、記録材Ｐは右側（上流側でもある）から左側（下流側でもある）に搬送されており、この方向を以下、搬送方向ともいう。

［ヒータ駆動回路］
図３に、実施例１のヒータ２０１の制御回路３０３及びその周辺部３００の例を示す。周辺部３００は、交流電源３０１から供給される電力を、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴとする）３０５及びＦＥＴ３０６を導通（以下、ＯＮとする）することで、リレー３０４を介してヒータ２０１の発熱体Ｈ１に供給する回路を示している。

発熱体Ｈ１に直列に接続されたスイッチング素子であるＦＥＴ３０５及びＦＥＴ３０６の導通状態／非導通状態（以下、ＯＮ／ＯＦＦとする）の制御により、発熱体Ｈ１への電力の供給（以下、通電とする）／電力の遮断を行う。ＦＥＴ３０５及びＦＥＴ３０６のＯＮ／ＯＦＦは、ＦＥＴ３０５及びＦＥＴ３０６のゲート端子に印加する電圧を制御することによって行われる。まず、交流電源３０１から供給された電圧は、並列に接続された電源回路３０２と制御回路３０３とに供給される。電源回路３０２は、モータ３０等を駆動する電源装置３０７、ゼロクロス点を検知しゼロクロス信号（ＺＥＲＯＸと図示）を出力するゼロクロス検知手段であるゼロクロス検知回路３０８を有している。

制御回路３０３に供給された電圧は、ダイオード３０９、ダイオード３１０によって整流される。整流された電圧は抵抗３１１、抵抗３１２によって分圧され、分圧された電圧はダイオード３１３を介して電解コンデンサ３１４に供給され、直流電圧Ｖｃｃ（以下、電源電圧Ｖｃｃともいう）が生成される。次に、電解コンデンサ３１４にチャージされた電源電圧Ｖｃｃは、抵抗３１５とフォトカプラ３１６を介してトランジスタ３１７のベース端子に電流を供給する。

後述する制御手段であるＣＰＵ３２４の動作によって出力された、ヒータ２０１の駆動信号ＯＮ１が抵抗３１９を介して、トランジスタ３２１のベース端子に電流を流す。これにより、３．３Ｖの電源から抵抗３２２を介した電流がフォトカプラ３１６の発光ダイオード３１６ｄに供給される。フォトカプラ３１６の発光ダイオード３１６ｄに電流が供給されると、フォトカプラ３１６のフォトトランジスタ３１６ｔがオンする。駆動信号ＯＮ１（以下、ＯＮ１信号ともいう）は抵抗３２０を介してグランド（以下、ＧＮＤとする）に接続される。以上により、駆動信号ＯＮ１のスイッチングに合わせた電流が、トランジスタ３１７のベース端子に供給される。

トランジスタ３１７のベース端子には駆動信号ＯＮ１にあわせて電解コンデンサ３１４から電流が供給される。電流が供給される時間においてはトランジスタ３１７がオンし、電解コンデンサ３１４からＦＥＴ３０５、ＦＥＴ３０６のゲート端子に電圧が供給される。そうすると、ＦＥＴ３０５とＦＥＴ３０６に共通のゲート－ソース間の抵抗３４１によって、ＦＥＴ３０５、ＦＥＴ３０６それぞれのゲート－ソース間に電位差が生じ、ＦＥＴ３０５、ＦＥＴ３０６がオンする。これにより、ヒータ２０１の発熱体Ｈ１に電流が流れる。なお、電解コンデンサ３１４への直流電圧Ｖｃｃの供給は、例えば、外部電源からの供給でもよく、電源装置３０７のスイッチングトランス（不図示）から生成してもよい。

［ＣＰＵ３２４の説明］
制御回路３０３が有するＣＰＵ３２４は、ヒータ２０１を駆動させるＯＮ１信号を制御回路３０３に出力する。ＣＰＵ３２４は、リレー３０４の接続状態又は非接続状態を制御するために、リレー３０４にＲＬＯＮ信号を出力する。ＣＰＵ３２４には、サーミスタ２０２による検知結果であるヒータ２０１の温度を表したＴＨ信号と、ゼロクロス検知回路３０８から出力されたＺＥＲＯＸ信号とが入力される。ＣＰＵ３２４では、入力されたＴＨ信号に基づき求められたヒータ２０１の実温度と、ＣＰＵ３２４内部で設定されているヒータ２０１の目標温度とを比較する。ＣＰＵ３２４は、比較した結果、ヒータ２０１が目標温度に達するために必要である、制御周期毎の投入デューティーを決定する。ここで、制御周期は、例えばゼロクロス周期の整数倍である。また、投入デューティーとは、ヒータ２０１が目標温度に到達するために制御周期内で供給されるべき電力の割合（電力比でもある）をいい、以下、第１の電力という。ＣＰＵ３２４は、ＴＨ信号に基づき決定した第１の電力と、タイミング信号となるＺＥＲＯＸ信号とに基づいて、ヒータ２０１を駆動させる駆動信号ＯＮ１を出力する。

［ヒータ電流の制御方法］
実施例１のプリント動作時のヒータ電流の制御方法を以下に説明する。実施例１では、位相制御を行い、交流電源３０１の半周期内、言い換えれば交流電圧の１半波内において複数回に分けてヒータ２０１を点灯することを特徴とする。以下の説明において、交流電源３０１の周波数は例えば５０Ｈｚとし、１周期は２０ｍｓ（１半波は１０ｍｓ）とする。このとき、１半波内において１００％の電力を投入する場合には、通電する時間（以下、通電時間という）は１０ｍｓとなる。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、実施例１のヒータ電流の波形（以下、ヒータ電流波形という）と制御信号であるＯＮ１信号の波形を示している。各グラフには、左から、投入電力（％）、後述する第１の電力投入期間の通電期間における通電期間（ｍｓ）、第１の電力投入期間における通電の回数（以下、通電回数という）、ヒータ電流波形、ＯＮ１信号の波形をそれぞれ記載している。いずれも１制御周期において供給される電力（以下、投入電力という）が、１００％（以下、フル通電という）である場合に対して５０％の場合を示している。なお、ｔ１～ｔ１８は時刻（又はタイミング）を示し、以下、ｔ１等と表記するときは時刻ｔ１（又はタイミングｔ１）等を意味するものとする。また、例えばｔ１～ｔ２等と表記するときは時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間（又は期間）を意味するものとする。

図４（ａ）では、交流電圧の１半波中、ｔ１～ｔ２、ｔ３～ｔ４の期間でヒータ２０１に電流が印加されており、この制御が繰り返し実行されている。なお、ＣＰＵ３２４は、例えばゼロクロス検知回路３０８から入力されたＺＥＲＯＸ信号の立ち上がり（又は立ち下がり）を基準として、内部に有するタイマ（不図示）等を参照し、ｔ１又はｔ３でＯＮ１信号をハイレベルとするような制御を行うものとする。更にＣＰＵ３２４は、例えばゼロクロス検知回路３０８から入力されたＺＥＲＯＸ信号の立ち上がり（又は立ち下がり）を基準として、タイマ（不図示）等を参照し、ｔ２又はｔ４でＯＮ１信号をローレベルとするような制御を行うものとする。以下の説明においても、ＣＰＵ３２４は同様の制御を行い、ＯＮ１信号及びヒータ電流の制御を行うものとする。

（各期間の定義）
ここで、ｔ１～ｔ２の期間は、交流電源３０１の所定の周波数における１周期の時間（例えば２０ｍｓ）の１／４０倍（例えば０．５ｍｓ）から１／６０００倍（例えば０．００３ｍｓ）以内の通電の期間が含まれる時間に設定している。ｔ１～ｔ２の期間を、以下、第１の電力投入期間又は第１の通電期間という。なお、第１の通電期間は、第１の電力投入期間内における通電期間をいい、図４（ａ）では、第１の通電期間はｔ１～ｔ２の１回であるため、第１の通電期間が第１の電力投入期間と同じ期間となっている。一方、ｔ３～ｔ４の期間は、「ＣＰＵで決定した第１の電力」と「第１の電力投入期間で投入した電力」との差分の電力を投入するように設定する。ｔ３～ｔ４の期間を、以下、第２の電力投入期間という。また、ｔ２～ｔ３の期間は、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内に設定している。ｔ２～ｔ３の期間は、第１の電力投入期間と第２の電力投入期間との間の期間であり、以下、電力投入中断期間という。その結果、１半波中における通電回数は２回となっている。

図４（ａ）は、投入電力５０％の場合であり、第１の電力投入期間ｔ１～ｔ２、第１の電力投入期間と第２の電力投入期間との間の期間である電力投入中断期間ｔ２～ｔ３は、それぞれ０．１ｍｓとした。第２の電力投入期間ｔ３～ｔ４は４．９ｍｓとした。すなわち、第１の電力投入期間ｔ１～ｔ２は、第２の電力投入期間ｔ３～ｔ４よりも短い時間とする。電力投入中断期間ｔ２～ｔ３は、第１の電力投入期間ｔ１～ｔ２と略同じ時間とし、第２の電力投入期間ｔ３～ｔ４よりも短い時間とする。

（通電期間の回数の変化）
図４（ｂ）では、ｔ５～ｔ６、ｔ７～ｔ８、ｔ９～ｔ１０の期間でヒータ２０１に電流を印加している。図４（ｂ）は、図４（ａ）と比較して、周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の第１の通電期間の回数を変化させた場合のヒータ電流波形と制御信号の波形を示している。図４（ｂ）において第１の電力投入期間はｔ５～ｔ８であり、第２の電力投入期間はｔ９～ｔ１０である。第１の電力投入期間ｔ５～ｔ８において、ｔ５～ｔ６は第１の通電期間であり、ｔ７～ｔ８は第２の通電期間である。ｔ５～ｔ６、ｔ６～ｔ７、ｔ７～ｔ８、ｔ８～ｔ９の期間はそれぞれ０．１ｍｓとした。ｔ９～ｔ１０の期間は４．８ｍｓとした。その結果、通電回数は３回となっている。

図４（ｃ）では、ｔ１１～ｔ１２、ｔ１３～ｔ１４、ｔ１５～ｔ１６、ｔ１７～ｔ１８の期間でヒータ２０１に電流を印加している。図４（ｃ）は、図４（ａ）、図４（ｂ）と比較して、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数を変化させた場合のヒータ電流波形と制御信号の波形を示している。図４（ｃ）において第１の電力投入期間はｔ１１～ｔ１６であり、第２の電力投入期間はｔ１７～ｔ１８である。第１の電力投入期間ｔ１１～ｔ１６において、ｔ１１～ｔ１２は第１の通電期間であり、ｔ１３～ｔ１４は第２の通電期間であり、ｔ１５～ｔ１６は第３の通電期間である。ｔ１１～ｔ１２、ｔ１２～ｔ１３、ｔ１３～ｔ１４、ｔ１４～ｔ１５、ｔ１５～ｔ１６、ｔ１６～ｔ１７の期間はそれぞれ０．１ｍｓとした。ｔ１７～ｔ１８の期間は４．７ｍｓとした。その結果、通電回数は４回となっている。ここまでは、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数を変化させた場合の波形について説明した。図４では、ＣＰＵ３２４は、第１の電力投入期間において、ＦＥＴ３０５、３０６を第１の時間である例えば０．１ｍｓ導通状態（第１の時間前記導通状態）とする制御を１回以上実施する。

図４に示すように、ＣＰＵ３２４は、１半波におけるヒータ２０１に電力を供給する期間を少なくとも２つに分割してヒータ２０１に電力を供給するようにＦＥＴ３０５、３０６の導通状態又は非導通状態を制御する。そしてＣＰＵ３２４は、ヒータ２０１に電力を供給する期間を、第１の期間である第１の電力投入期間と第１の期間よりも長い第２の期間である第２の電力投入期間とに分割する。また、ＣＰＵ３２４は、第１の電力投入期間を交流電源３０１の１周期の１／６０００から１／４０の間の長さとする。

［通電期間の変化の説明］
次に、通電回数を固定して通電期間を変化させた場合の波形を説明する。図４の場合と同じく、フル通電に対して５０％の投入電力を供給する場合を示している。図５は図４と同様の構成のグラフである。図５の制御では、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数を１回と固定する。このため、図５の制御では、第１の電力投入期間における通電期間は第１の通電期間のみとなる。また、１半波における通電回数は２回に固定となる。そして、第１の通電期間（すなわち第１の電力投入期間）と第１の電力投入期間と第２の電力投入期間との間の電力投入中断期間を変化させる。

図５（ａ）の第１の電力投入期間言い換えれば第１の通電期間はｔ１～ｔ２であり、第２の電力投入期間はｔ３～ｔ４である。図５（ａ）の第１の通電期間ｔ１～ｔ２、電力投入中断期間ｔ２～ｔ３はそれぞれ０．１０７ｍｓとした。第２の電力投入期間ｔ３～ｔ４は４．８９３ｍｓとした。通電回数は上述したように２回である。

図５（ｂ）の第１の電力投入期間言い換えれば第１の通電期間はｔ５～ｔ６であり、第２の電力投入期間はｔ７～ｔ８である。図５（ｂ）の第１の通電期間ｔ５～ｔ６、電力投入中断期間ｔ６～ｔ７はそれぞれ０．１１５ｍｓとした。第２の電力投入期間ｔ７～ｔ８は４．８８５ｍｓとした。通電回数は上述したように２回である。

図５（ｃ）の第１の電力投入期間言い換えれば第１の通電期間はｔ９～ｔ１０であり、第２の電力投入期間はｔ１１～ｔ１２である。図５（ｃ）の第１の通電期間ｔ９～ｔ１０、電力投入中断期間ｔ１０～ｔ１１はそれぞれ０．１２３ｍｓとした。第２の電力投入期間ｔ１１～ｔ１２は４．８７７ｍｓとした。通電回数は上述したように２回である。ここまでは、第１の通電期間と、第１の電力投入期間と第２の電力投入期間との間の期間を変化させた場合の波形の変化について説明した。図５では、ＣＰＵ３２４は、第１の電力投入期間において、ＦＥＴ３０５、３０６を導通状態とする第１の時間を変化させる。

（高調波電流の削減効果１）
図６は、実施例１の制御を行っていない場合の５０％電力を投入したときのヒータ電流波形及びＯＮ１信号の波形を示す図であり、図４、図５等と同様の構成のグラフである。実施例１の制御を行わない場合、ｔ１からｔ２に期間で電力が供給され、通電回数は１回となる。図６は以下で実施例１の制御との比較検討を行うため示した。図７（ａ）は、図４と図６のそれぞれのヒータ電流波形でヒータ２０１を制御したときの、それぞれの高調波電流の測定結果を表したグラフである。横軸が高調波電流の各次数、縦軸が各次数の高調波電流の大きさの各次数の高調波電流の規格値に対する割合（電流値／規格値）である。規格値とはＩＥＣ ６１０００－６－３のＣｌａｓｓＡの機器で規定される値である。実施例１の図４（ａ）の制御を実施した場合を●と破線で表し、図４（ｂ）の制御を実施した場合を■と点線で示し、図４（ｃ）の制御を実施した場合を三角と実線で示す。また、実施例１の制御を行わなかった図６の場合を×と実線で示す。

実施例１の制御を実施した場合（図４（通電回数を変化）の波形）の結果が、実施例１の制御を実施していない結果（図６の波形）より高調波電流が削減されていることがわかる。これは、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の存在により、強調される高調波電流の次数が、４０次以上の高次側にシフトしたためである。また、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）の結果を見ると、高調波電流の次数によって、高調波電流の削減効果が違うことがわかる。例えば、図４（ａ）（通電回数が１回）では、３０次近傍において５０％以下となっており、図４（ｂ）（通電回数が２回）では、２０次近傍において５０％以下となっており、図４（ｃ）（通電回数が３回）では、１０次近傍において５０％以下となっている。これは、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数の違いにより、強調される高調波電流の次数が変化するため、削減される高調波電流の次数が変化することを表している。削減したい高調波電流の次数に応じて、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数を変化させる必要がある。

なお、図４では、第１の電力投入期間にある、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間と、各通電期間の間、及び電力投入中断期間の長さをすべて０．１ｍｓと同じにした。しかし、削減したい高調波電流の次数によって、第１の電力投入期間にある、交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間と、各通電期間の間、及び電力投入中断期間の長さは、変えてもよい。

（高調波電流の削減効果２）
図７（ｂ）は、図５と図６のヒータ電流波形の高調波電流の測定結果を表したグラフである。横軸が高調波電流の各次数、縦軸が各次数の高調波電流の大きさの各次数の高調波電流の規格値に対する割合（電流値／規格値）である。実施例１の図５（ａ）の制御を実施した場合を●と破線で表し、図５（ｂ）の制御を実施した場合を■と点線で示し、図５（ｃ）の制御を実施した場合を▲と実線で示す。また、実施例１の制御を行わなかった図６の場合を×と実線で示す。

実施例１の制御を実施した場合（図５の波形）の結果が、実施例１の制御を実施していない結果（図６の波形）に比較して高調波電流が削減されていることがわかる。これは、第１の通電期間によって、強調される高調波電流の次数が、４０次以上の高次側にシフトしたためである。また、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）の結果を見ると、高調波電流の次数によって、高調波電流の削減効果が違うことがわかる。例えば、図５（ａ）（通電期間が０．１０７ｍｓ）では、３５次近傍において４０％以下となっている。また、図５（ｂ）（通電期間が０．１１５ｍｓ）では、３０次近傍において２０％以下となっており、図５（ｃ）（通電期間が０．１２３ｍｓ）では、２５次近傍において２０％以下となっている。これは、第１の通電期間、又は電力投入中断期間の長さ違いによって、強調される高調波電流の次数が変化するため、高調波電流の削減効果が違うことを表している。

このため、削減したい高調波電流の次数に応じて、第１の通電期間、又は電力投入中断期間の長さを変化させる必要がある。図５では、第１の通電期間と電力投入中断期間とを同じにした。ここで、図５（ａ）では０．１０７ｍｓ、図５（ｂ）では０．１１５ｍｓ、図５（ｃ）では０．１２３ｍｓとした。しかし、削減したい高調波電流の次数によって、第１の通電期間と電力投入中断期間の長さは変えてもよい。

実施例１では、第１の電力を５０％に限定して説明した。しかし、第１の電力は５０％に限定することはなく、第１の電力がその他の値となっても、実施例１の適用が可能である。第１の電力が変化した場合、第１の通電期間、又は交流電源３０１の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数、又は電力投入中断期間の長さは、実施例１に限定しない。これらの回数又は期間は、投入デューティーによって変化する。さらに、第２の電力投入期間を１つとしたが、第２の電力投入期間を２以上の期間に分割してもよい。実施例１で説明したように、高調波電流が生じる次数を高次側にシフトさせることで、３次から３９次の高調波電流を削減することができる。

以上、実施例１によれば、スイッチング素子への影響を抑制しつつ、高調波電流を低減することができる。

（電源回路の説明）
図８は、像加熱装置２００を制御する制御回路３０３に並列に接続されている電源装置３０７（電源）の回路構成を示した図である。交流電源３０１の交流電圧はダイオードブリッジ９０１に入力される。交流電圧はダイオードブリッジ９０１により全波整流され、平滑コンデンサ９０２により平滑される。平滑された電圧は、ＤＣ－ＤＣコンバータであるスイッチング電源９０３に入力され、スイッチング電源９０３が２次側電圧を出力する。スイッチング電源９０３には、１次、２次間の絶縁を確保するために絶縁型のトランス９０３ｔが使用されている。平滑コンデンサ９０４はスイッチング電源９０３の２次側電圧を出力するためのコンデンサである。交流電源３０１から流れる電流Ｉｔは、電源装置３０７に流れる電流Ｉｃと、制御回路３０３を介して像加熱装置２００に流れる電流Ｉｈとに分岐する。

（制御方法の説明）
図９（ａ）（ｂ）は、電源装置３０７に流れる電流Ｉｃと制御回路３０３の制御によって像加熱装置２００に流れる電流Ｉｈとを示した図である。点線で示した電流が電源装置３０７に流れる電流Ｉｃ、実線で示した電流が像加熱装置２００に流れる電流Ｉｈを示している。図９（ａ）は実施例２の制御を実施しなかった場合の波形である。電流Ｉｃと電流Ｉｈは位相角が９０°付近で時間的に重なっていることがわかる。このように電流Ｉｃと電流Ｉｈとが時間的に重なっている場合、電流Ｉｃと電流Ｉｈとの合成電流の高調波電流の影響が増大する。

一方、図９（ｂ）は実施例２の制御を実施した場合の波形である。図９（ｂ）の電流Ｉｈの総電流量は図９（ａ）の電流Ｉｈの総電流量と変わらない。実施例２では、ＣＰＵ３２４は電流Ｉｃと電流Ｉｈとが時間的に重ならないように電流Ｉｈを制御する。かつ、ＣＰＵ３２４は、実施例１で説明したように、第１の電力投入期間と第２の電力投入期間を持つ制御を行う。ここで、第１の電力投入期間は交流電圧の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間が含まれる期間である。第２の電力投入期間は、「ＣＰＵ３２４で決定した第１の電力」と「第１の電力投入期間で投入した電力」との差分の電力を投入する期間である。

より詳細には、図９（ｂ）において、第１の電力投入期間はｔ３～ｔ８であり、具体的には、第１の通電期間がｔ３～ｔ４、第２の通電期間がｔ５～ｔ６、第３の通電期間がｔ７～ｔ８である。第１の電力投入期間における各通電期間の間の通電を行わない期間であるｔ４～ｔ５、ｔ６～ｔ７は、それぞれ異なる時間に設定されている。また、第２の電力投入期間はｔ１～ｔ２、ｔ９～ｔ１０であり、実施例２では第２の電力投入期間が２つに分割されている。このため、電力投入中断期間もｔ２～ｔ３、ｔ８～ｔ９と２つあり、２つの電力投入中断期間の長さは同じ長さとしても異なる長さとしてもよい。これにより、図９（ｂ）では、電源装置３０７の電流Ｉｃと時間的に重ならないように、電流Ｉｈの第２の電力投入期間を時間的（又は位相的に）に配置している。このように、１半波中において各期間をどのような順番でどのような長さで制御するかを、電源装置３０７の電流Ｉｃに応じて設定すればよい。

以上により、ＣＰＵ３２４は、電流Ｉｃと電流Ｉｈとを時間的に重ならないようにさせ、像加熱装置２００に流れる電流Ｉｈに実施例２の制御を実施する。これにより、図９（ａ）の電流Ｉｃと電流Ｉｈとの合成電流の高調波電流より、図９（ｂ）の電流Ｉｃと電流Ｉｈとの合成電流の高調波電流を削減する。

（高調波電流削減効果の確認）
図９（ｃ）に図９（ａ）の高調波電流の測定結果と図９（ｂ）の高調波電流の測定結果を示す。横軸が高調波電流の各次数、縦軸が各次数の高調波電流の大きさの各次数の高調波電流の規格値に対する割合（電流値／規格値）である。図９（ａ）の制御を実施した場合を●と実線で表し、図９（ｂ）の制御を実施した場合を▲と破線で示す。

図９（ａ）の結果を確認すると、電源装置３０７起因の高調波電流が３次・５次で発生していることがわかる。ここで、実施例２の削減したい高調波電流の次数を３次・５次と定める。また、最適な第１の電力投入期間、最適な交流電圧の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数、電力投入中断期間を設定する。以上のように設定し、第１の電力を図９（ａ）の波形と同じ電力にした図９（ｂ）の波形を作成した。

図９（ｂ）の波形は、第１の電力投入期間はｔ３～ｔ８、第２の電力投入期間はｔ１～ｔ２及びｔ９～ｔ１０である。ｔ１～ｔ２の期間は２．２６３１ｍｓとした。ｔ２～ｔ３及びｔ３～ｔ４の期間はそれぞれ０．１０１ｍｓとした。ｔ４～ｔ５の期間は２．６８４９ｍｓとした。ｔ５～ｔ６、ｔ６～ｔ７、ｔ７～ｔ８、ｔ８～ｔ９の期間はそれぞれ０．１１７６ｍｓとした。ｔ９～ｔ１０の期間は４．３７９６ｍｓとした。なお、第２の電力投入期間は、交流電流量が小さい位相角０°（１８０°）近傍となるように制御（配置）される。このため、上述した値の秒数で制御することで、図１０（ｂ）の電流Ｉｈの総電流量を、図１０（ａ）の総電流量と略同じに制御することが可能となる。また、実施例１では第２の電力投入期間は交流電圧の周波数の１周期内の時間内に１回であったが、実施例２では、第１の電力を満足するために２回に分割している。図９（ｃ）の結果を確認すると、実施例２の制御を実施した図９（ｂ）の波形の結果が、実施例２の制御を実施していない図９（ａ）の波形の結果より高調波電流が削減されていることが確認できる。具体的には、図９（ｂ）では、３次・５次において４０％以下となっている。

第１の電力が変化した場合、第１の通電期間、又は交流電圧の周波数の１周期の時間の１／４０倍から１／６０００倍以内の通電期間の回数は、実施例２に限定されることなく変化する。また、第１の電力投入期間の通電と隣り合う通電期間との間の期間、又は第２の電力投入期間の分割回数は、実施例２に限定されることなく変化する。実施例２で説明したように、高調波電流が生じる次数を高次側にシフトさせることで、スイッチング電源の入力コンデンサへの充電電流の合成電流を考慮した場合でも、高調波電流を削減することができる。

以上、実施例２によれば、スイッチング素子への影響を抑制しつつ、高調波電流を低減することができる。

（トライアック２つを並列接続させた回路構成の説明）
図１０に、実施例３のヒータ２０１の制御回路３０３及びその周辺部３００の例を示す。発熱体Ｈ１への電力の供給は、実施例１ではＦＥＴ（ＦＥＴ３０５、３０６）を使用していた。実施例３では、スイッチング素子として双方向サイリスタ（以下、トライアックという）１２０１及びトライアック１２０２のＯＮ／ＯＦＦ制御により通電／遮断する。第１の双方向サイリスタであるトライアック１２０１のＯＮ／ＯＦＦは、フォトトライアックカプラ１２０３の発光ダイオード１２０３ｄに流れる電流を制御することによって行う。トライアック１２０１はヒータ２０１に直列に接続されている。トライアック１２０１には、コンデンサ１２０６が直列に接続されている。第２の双方向サイリスタであるトライアック１２０２のＯＮ／ＯＦＦは、フォトトライアックカプラ１２０４の発光ダイオード１２０４ｄに流れる電流を制御することによって行う。トライアック１２０２は、直列に接続されたトライアック１２０１及びコンデンサ１２０６に並列に接続されている。

まず、交流電源３０１から制御回路３０３に供給された電圧は、コンデンサＣ６００とインダクタ１２０５を経由した後、コンデンサ１２０６とトライアック１２０２に供給される。コンデンサ１２０６の充電電流は、トライアック１２０１がＯＮしたときにあわせて、発熱体Ｈ１に電力を供給する。トライアック１２０１のゲート端子には、フォトトライアックカプラ１２０３がＯＮしたとき、抵抗１２１０を介した電流が流れる。抵抗１２１０を介した電流は、抵抗１２１１を介して、発熱体Ｈ１に流れる。フォトトライアックカプラ１２０３がＯＮすることにより、トライアック１２０１はＯＮする。フォトトライアックカプラ１２０３は発光ダイオード１２０３ｄが通電することによりＯＮする。フォトトライアックカプラ１２０３の発光ダイオード１２０３ｄのカソード端子には、トランジスタ１２０７のベース電流に同期して、３．３Ｖ電源から抵抗１２１９を経由した電流が流れる。トランジスタ１２０７のベース電流のスイッチングは、抵抗１２０８を経由した制御信号ＯＮ２（以下、ＯＮ２信号ともいう）と同期する。制御信号ＯＮ２は抵抗１２０９を介してＧＮＤに接続される。制御信号ＯＮ２はＣＰＵ３２４から出力される。以上により、制御信号ＯＮ２によってトライアック１２０１がＯＮする。

トライアック１２０１による発熱体Ｈ１への電力の供給は、コンデンサ１２０６に充電された電荷量だけ行われる。コンデンサ１２０６に充電される電荷量は、発熱体Ｈ１に供給される全電力に比較すると、小さい値に設定することができる。よって、コンデンサ１２０６に充電される電荷量によって、実施例１の第１の電力投入期間を構成することができる。コンデンサ１２０６の充電時間に合わせて、制御信号ＯＮ２をＯＦＦにする。充電は終わっているので、トライアック１２０１をＯＦＦできる。

トライアック１２０２に供給された電圧は、前述したトライアック１２０１の制御と同様に、ＣＰＵ３２４から出力された制御信号ＯＮ３（以下、ＯＮ３信号ともいう）により、トライアック１２０２がＯＮ／ＯＦＦされ、発熱体Ｈ１に電力を供給する。トライアック１２０２のゲート端子には、フォトトライアックカプラ１２０４がＯＮしたとき、抵抗１２１６を介した電流が流れる。抵抗１２１６を介した電流は、抵抗１２１７を介して、発熱体Ｈ１に流れる。フォトトライアックカプラ１２０４がＯＮすることにより、トライアック１２０２はＯＮする。フォトトライアックカプラ１２０４は発光ダイオード１２０４ｄが通電することによりＯＮする。フォトトライアックカプラ１２０４の発光ダイオード１２０４ｄには、トランジスタ１２１５のベース電流に同期して、３．３Ｖ電源から抵抗１２１２を経由した電流が流れる。トランジスタ１２１５のベース電流のスイッチングは、抵抗１２１３を経由した制御信号ＯＮ３と同期する。制御信号ＯＮ３は抵抗１２１４を介してＧＮＤに接続される。以上により、制御信号ＯＮ３によってトライアック１２０２がＯＮする。トライアック１２０２による発熱体Ｈ１への電力の供給は、発熱体Ｈ１に供給される全電力のなかで支配的な割合となるため、実施例１の第２の電力投入期間を構成することができる。その他の構成は図３と同様であり説明を省略する。

［実施例３の制御］
図１１に、図１０の回路における、ヒータ電流波形、ＯＮ２信号、ＯＮ３信号の波形をそれぞれ示す。フル通電に対して、５０％の投入電力を供給する場合を示している。ヒータ電流波形において、トライアック１２０１のＯＮによって構成された波形は点線で示した部分であり、実施例１の第１の電力投入期間を構成する。トライアック１２０２のＯＮによって構成された波形は実線であり、実施例１の第２の電力投入期間を構成する。通電回数は２回となる。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。

実施例３では、２つのトライアック１２０１、１２０２を並列に接続させ、１つのトライアック１２０１には１つのコンデンサ１２０６を接続させ、実施例１の第１の電力投入期間を構成する。一方、もう１つのトライアック１２０２は、実施例１の第２の電力投入期間を構成することで、実施例１に記載の制御を実現することが可能であることを示した。なお、実施例１の図４（ｂ）、（ｃ）、図５、図９（ｂ）のような制御を行う際にも、第１の電力投入期間でコンデンサ１２０６に直列に接続されたトライアック１２０１をＯＮし、第２の電力投入期間でトライアック１２０２をＯＮすればよい。

以上、実施例３によれば、スイッチング素子への影響を抑制しつつ、高調波電流を低減することができる。
なお、以上の実施例においては、１つの発熱体Ｈ１を有する像加熱装置２００について説明したが、発熱体が２以上の場合についても実施例の制御を適用することができ、同様の効果を奏する。

２０１ ヒータ
３０５、３０６ ＦＥＴ
３２４ ＣＰＵ

Claims (11)

1. 未定着のトナー画像を記録材に定着するための像加熱装置であって、
   ヒータと、
   交流電源からの電力を前記ヒータに供給する導通状態、又は、前記ヒータへの電力の供給を遮断する非導通状態となるスイッチング素子と、
   前記交流電源の交流の周期に応じた一制御周期毎に前記スイッチング素子の前記導通状態又は前記非導通状態を切り替えて前記ヒータに供給する電力を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記交流の半周期内における前記ヒータに電力を供給する期間を少なくとも２つに分割して前記ヒータに電力を供給するように前記スイッチング素子の前記導通状態又は前記非導通状態を制御するものであり、前記ヒータに電力を供給する期間を、第１の期間と前記第１の期間よりも長い第２の期間とに分割し、前記第１の期間を前記交流電源の１周期の１／６０００から１／４０の間の長さとすることを特徴とする像加熱装置。
2. 前記制御手段は、前記第１の期間において、前記スイッチング素子を第１の時間前記導通状態とする制御を１回以上実施することを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
3. 前記制御手段は、前記第１の期間において、前記スイッチング素子を前記導通状態とする第１の時間を変化させることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
4. 前記ヒータの温度を検知する温度検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記温度検知手段の検知結果に基づいて前記ヒータに供給する第１の電力を求め、求めた前記第１の電力と前記第１の期間に供給される電力とに基づいて前記第２の期間を決定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の像加熱装置。
5. 前記交流電源のゼロクロス点を検知するゼロクロス検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記ゼロクロス検知手段の検知結果に基づいて前記第１の期間及び前記第２の期間を制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の像加熱装置。
6. 前記スイッチング素子は、前記ヒータに直列に接続された電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の像加熱装置。
7. 前記スイッチング素子は、双方向サイリスタであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の像加熱装置。
8. 前記ヒータに直列に接続された第１の双方向サイリスタと、
   前記第１の双方向サイリスタに直列に接続されたコンデンサと、
   直列に接続された前記第１の双方向サイリスタ及び前記コンデンサに並列に接続された第２の双方向サイリスタと、
   を備え、
   前記制御手段は、前記第１の期間において前記ヒータに電力を供給する際には前記第１の双方向サイリスタを用いて制御し、前記第２の期間において前記ヒータに電力を供給する際には前記第２の双方向サイリスタを用いて制御することを特徴とする請求項７に記載の像加熱装置。
9. 前記交流電源に接続された電源を備え、
   前記制御手段は、前記第２の期間が前記電源に電流が流れる期間と重ならないように前記スイッチング素子を制御することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の像加熱装置。
10. 前記像加熱装置は、前記ヒータが内部空間に配置される筒状のフィルムと、前記フィルムの外周面に接触しており前記フィルムを介して前記ヒータと共に記録材を挟持搬送するニップ部を形成する加圧ローラと、を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の像加熱装置。
11. 記録材に未定着のトナー画像を形成する画像形成手段と、
    請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の像加熱装置と、
    を備えることを特徴とする画像形成装置。

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