JPH07199722A - 抵抗変化を利用した温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 抵抗値が温度によって変化する発熱体の印加
電圧と電流とを検出して温度制御を行う温度制御装置を
提供する。 【構成】 温度によって抵抗値が変化する抵抗発熱体１
と電力制御素子２との直列回路に取り付けた電圧検出回
路３の出力する基準電圧Ｖ_S と、前記直列回路に取り付
けた電流検出回路４の出力する温度信号電圧Ｖ_T とを比
較する比較回路５を設け、この比較回路５の出力する比
較信号により電力制御素子２を制御する制御回路６を設
けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、抵抗発熱体の温度によ
る抵抗変化を検出して発熱体の温度を制御する温度制御
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子複写機、ファックス、レーザプリン
ターなどにおいて、加熱溶融性樹脂を含有するトナーで
文字や図形を静電気複写手段により記録紙上に形成させ
た未定着画像を定着させる手段として、従来から熱ロー
ラー方式、フィルム加熱方式などが使用されていること
は知られている。

【０００３】前記熱ローラー方式は、筒状ローラー内に
ハロゲンランプを取り付け、ハロゲンランプによりロー
ラーを加熱し、未定着画像のトナーを記録紙上に溶着さ
せる方式のもので永く実用されているが、前記ローラー
の予熱時間が５〜６分を必要とするという問題がある。
前記フィルム加熱方式は、熱ローラー方式に代わり主流
となって来ているものであり、その概要を図10，11によ
って以下に説明する。即ちフィルム加熱方式は、記録紙
Ｐ上の未定着トナー像ｔを加熱するヒーターＨと、下か
ら記録紙ＰをヒーターＨ側に押し付けながら紙送りする
加圧ローラーＲと、記録紙Ｐと同じ速さで移動しながら
軟化・溶融した未定着トナー像ｔを画像が歪まないよう
に押さえるフィルムＦとからなっている。

【０００４】ヒーターＨは、記録紙Ｐの幅方向（図面と
交差する方向）に延びる細長い形状のものであり、図10
に示すようにアルミナなどのセラミックからなる基板１
ａ上に、窒化タンタル，銀パラジウムなどの電気抵抗体
からなる抵抗発熱体１をスクリーン印刷などでパターン
付けし、絶縁体１ｂを介してハウジング１ｃ内に収納し
たものである。またフィルムＦはポリイミドなどの耐熱
性のフィルムからなり、記録紙Ｐを覆う幅の無端ベルト
状に形成したものであり、駆動ローラー１ｄの紙送り速
さと同じ記録紙Ｐの移動方向に移動している。なお、図
10に示す符号１ｅはテンションローラー、１ｆはヒータ
ーＨを断熱支持すると共にフィルムＦをガイドするホル
ダー、ｓはヒーターＨの温度を検出するサーミスタであ
る。

【０００５】以上説明したフィルム加熱方式による画像
の定着は、静電気画像形成手段（図示せず）により記録
紙Ｐ上に形成された未定着トナー像ｔを、ニップ部Ｎに
おいて加圧ローラーＲによりヒーターＨ側に押し付けら
れて軟化・溶融し、次いでニップ部Ｎを出て冷却・固化
し、記録紙Ｐに定着したトナー像Ｔとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで未定着トナー
は、ヒーター温度が低いとトナーが十分に溶融しないた
めに定着ミスが発生し、また温度が高過ぎるとトナーが
流れるなど画像が不鮮明になるという別の定着ミスが起
こる。したがって従来のフィルム加熱方式は、図８，９
に示すようにサーミスタ４によりヒーター温度を検出し
一定温度となるように自動制御している。しかしなが
ら、図に示したサーミスタ４の取り付け位置では、定着
されるトナーの加熱温度を正確に測定することができな
いという問題があり、種々改善提案がなされている。

【０００７】例えば特開平５−２０５８５１号公報に記
載された提案は、基板１ａ（図９）をアルミナなどのセ
ラミックで形成し、抵抗発熱体１の温度が過昇すると、
熱歪みで容易に割れるように、基板１ａに溝、陥没穴、
貫通穴などを設けたものである。また特開平５−２１７
６６０号公報に記載の提案は、図８において、サーミス
タ４の位置をヒーターＨのニップ部ＮからフィルムＦが
離れる部分に変更し、より正確に定着温度を検出できる
ようにしている。

【０００８】しかしながら、前者の提案は、温度が過昇
するたびにヒーターＨを修理する必要があり保守上好ま
しくないという問題があり、また後者の提案は、ヒータ
ーＨにサーミスタ４を取り付けるスペースを確保する必
要があるという問題と、サーミスタ４の熱容量、熱の逃
散などのため依然として正確、且つ速い測温が困難であ
るという問題がある。

【０００９】本発明は、前記フィルム加熱方式に使用す
る発熱体の抵抗値が発熱体の温度に依存することに着目
してなされたものであり、抵抗値が温度によって変化す
る発熱体において、発熱体の印加電圧と電流とを検出し
て温度制御を行うようにした抵抗変化を利用した温度制
御装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成する本
発明の抵抗変化を利用した温度制御装置の構成は、温度
によって抵抗値が変化する抵抗発熱体と、この抵抗発熱
体の消費電力を制御する電力制御素子とを直列に接続し
て発熱回路を形成し、抵抗発熱体に印加される電圧を検
出し基準電圧を出力する電圧検出回路と、抵抗発熱体に
流れる電流を検出し温度信号電圧を出力する電流検出回
路とを前記発熱回路に接続し、前記基準電圧と温度信号
電圧とを比較する比較回路を設け、この比較回路の出力
する比較信号により前記電力制御素子を制御する制御回
路を設けたものである。

【００１１】前記温度によって抵抗値が変化する抵抗発
熱体は、特に限定はなく、例えばニッケル鉄合金窒化タ
ンタルなど従来から使用される抵抗発熱体であり、温度
−抵抗特性がより直線的に変化し、且つ温度係数がより
大きな抵抗発熱体であれば本発明に用いることができ
る。前記電力制御素子は、ＳＣＲ、トライアックなどの
半導体素子、リレーなどであるがこれに限定されない。
また電力制御素子の制御は、通常はオンオフ制御である
が、抵抗発熱体に与える印加電圧を制御したり、交流電
源の場合の位相制御などによる制御を行うこともでき
る。

【００１２】本発明は、抵抗発熱体にかかる電圧、電流
を測定するのに、電圧、電流のピークは通電率が変化し
ても変わらないということを利用して、前記発熱回路に
交流電源を接続し、前記電圧検出回路を、前記抵抗発熱
体に印加される電圧の分圧回路と、この分圧回路の出力
する電圧を整流しピークホールドする基準電圧発生回路
とによって形成し、前記電流検出回路を、抵抗発熱体に
流れる電流を検出する変成器と、この変成器の２次回路
に発生する電流の電圧変換回路と、変換された電圧を整
流しピークホールドする温度信号電圧発生回路とによっ
て形成し、所定間隔で前記ピークホールド動作に必要な
時間幅で電力制御素子をオンさせる温度信号維持回路を
設け、前記制御回路を、前記温度信号電圧が基準電圧を
越え、且つ温度信号維持回路が電力制御素子をオフする
信号を出力していると電力制御素子をオフし、温度信号
電圧が基準電圧に達していないか、又は温度信号維持回
路が電力制御素子をオンする信号が出力されると電力制
御素子をオンするようにすることにより実施することが
できる。

【００１３】前記温度信号維持回路は、電力制御素子を
オフした場合にも実質的発熱を伴わない僅かな時間抵抗
発熱体に電流を流し、電流検出回路に温度信号を出力さ
せるためのものであるが、本発明はこれに限定されず、
他の手段、例えばタイマー等を用いてオフ時間を決め、
一定時間後に必ず電力制御阻止をオンさせるなど、他の
手段によることもできる。

【００１４】交流電源を使用した場合の基準電圧及び温
度信号電圧として、ピーク電圧を用いるようにした前記
手段はこれに限定されず、例えば発熱体にかかる電圧の
平均値など他の値によることができる。

【００１５】

【作用】温度によって抵抗値が変化する抵抗発熱体の印
加電圧から得た基準電圧と、抵抗発熱体を流れる電流を
電圧に変換した温度信号電圧とを比較し、その結果によ
り電力制御素子を制御する前記手段は、発熱体の温度の
上昇を瞬時に抑制できるので、温度の過昇を的確に防止
し、しかも正確に設定温度範囲に発熱体温度を制御する
ことを可能にする。

【００１６】

【実施例】以下添付の図面を参照して実施例により本発
明を具体的に説明する。図１に示す実施例１の抵抗変化
を利用した温度制御装置は、抵抗発熱体１と電力制御素
子２とを直列に接続した発熱回路に、抵抗発熱体１の両
端に掛かる電圧Ｖを検出する電圧検出回路３と抵抗発熱
体１に流れる電流検出回路４とを接続し、電圧検出回路
３から出力される基準電圧Ｖ_S と電流検出回路４から出
力される温度信号電圧Ｖ_T とを比較回路５に与え、その
比較結果により制御回路６が制御信号を前記電力制御素
子２に与えるように構成したものである。なお図１に示
す符号７は電源回路である。

【００１７】前記制御回路６の動作は、比較回路５が温
度信号電圧Ｖ_T を基準電圧Ｖ_S と比較し、その結果がＶ
_T ＞Ｖ_S であるとその大きさに応じて抵抗発熱体１に流
れる電流を制限する信号を電力制御素子２に与え、Ｖ_T
＜Ｖ_S であると、抵抗発熱体１に電源電圧による最大電
流を流す制御信号を電力制御素子２に与えるようにし
た。実施例１の抵抗変化を利用した温度制御装置は、抵
抗発熱体１自体の温度を検出し、温度信号電圧Ｖ_T が基
準電圧Ｖ_S を越えると発熱量を調節するので抵抗発熱体
１の温度を過昇させることなく、設定温度に正確に温度
制御することができる。なお、前記制御をタイマーを用
いてオフ時間を決め、オフしたのち一定時間後に必ず電
力制御阻止をオンさせるようにしてもよい。したがっ
て、フィルム加熱方式の電子複写機に実施例１を好適に
適用することができる。

【００１８】図２〜６に示す実施例２は電力制御素子２
をオンオフ制御により実施したものであり、基本的回路
構成が図１に示したものと同様で、これに抵抗発熱体１
をオフした場合にも温度信号を出力することができるよ
うに温度信号維持回路８を取り付けたものである。そし
て、電力制御素子２にトライアックを使用し、その点弧
回路としてゼロクロス回路９を設け、また抵抗発熱体１
にＮi-Ｆe 合金を使用し、電源に商用交流電源を使用し
た。なお、図２に示す符号７ａは直流電源回路である。
またＮi-Ｆe 合金の温度−抵抗特性を図３に示した。以
下図２に示す各回路について順次説明する。

【００１９】電圧検出回路３は、電源回路７に並列に接
続した分圧回路３ａの分圧電圧を、更に温度設定抵抗３
ｂを有する分圧回路によって分圧し、この分圧電圧をＯ
Ｐアンプ３ｃの非反転端子に入力し、ＯＰアンプ３ｃの
出力を整流素子３ｄによって半波整流し、抵抗３ｅと電
解コンデンサ３ｆからなるピークホールド回路に与え、
得られたピーク電圧値をボルテージフォロア３ｇの非反
転入力端子に与える。ボルテージフォロア３ｇの出力す
る基準電圧Ｖ_S と、立上り調整抵抗３ｈを有する分圧回
路からなる分圧点に比較回器出力より正帰還回路を設
け、その分圧電圧を立上り基準電圧Ｖ_S0とを比較回路５
に与えるように構成した。なお、温度設定抵抗３ｂは設
定温度を５水準に変化させるように設定し、また立上り
調整抵抗３ｈは、立ち上がり速さを４水準に調整できる
ように構成した。

【００２０】電流検出回路４の電流検出素子10に変成器
（カレントトランス）を使用し、その２次回路に発生す
る電流によって抵抗４ａの両端に電圧を発生させ、この
電圧を室温調節抵抗４ｂを有する分圧回路によって得ら
れた分圧電圧を、ＯＰアンプ４ｃの非反転端子に与え、
ＯＰアンプ４ｃの出力を整流素子４ｄによって整流した
電圧を抵抗４ｅと電解コンデンサ３ｆからなるピークホ
ールド回路に与え、得られたピーク電圧値をボルテージ
フォロア４ｇに与え、その出力を温度信号電圧Ｖ_T とし
て比較回路５に与えるように構成した。

【００２１】ピークホールド回路の動作は図４に示すよ
うに、電圧検出回路３のＯＰアンプ３ｃ、又は電流検出
回路４のＯＰアンプ４ｃの出力電圧（交流）Ｅは、整流
素子３ｄ又は４ｄによって正値整流され、ほぼ一定の直
流電圧からなるファーストアタックのピークホールド電
圧Ｖ（正値）として出力される。このため（ファースト
アタックであるため）温度信号電圧Ｖ_T は、負荷抵抗の
変化に対する追随が速く、電力密度の高い負荷を制御す
る場合に有効である。また負荷抵抗の変化量は小さいの
でピークホールドにおいて、ダイオードの電圧降下の影
響を受けない図に示した回路は有効である。

【００２２】比較回路５は、電源を入れた直後の立ち上
がり時に作動する比較器５ａと、抵抗発熱体１が昇温し
たのち作動する比較器５ｂとからなっている。そして、
前記立上り基準電圧Ｖ_s0を比較器５ａの非反転入力端子
に与え、前記基準電圧Ｖ_s を比較器５ｂの非反転入力端
子に与え、各比較器５ａ，５ｂの反転入力回路には温度
信号電圧Ｖ_T を与えるようにした。

【００２３】比較器５ａの非反転入力端子には、立上り
時には比較器５ｂの非反転入力端子に与えられる基準電
圧Ｖ_S より低い電圧が立上り調整抵抗３ｈを有する分圧
回路から立上り基準電圧Ｖ_S0が与えられている。図５に
示すように、温度信号電圧Ｖ_T が立上り基準電圧Ｖ_S0に
達するまで比較回路５ａの出力端子はロウ出力Ｌ（以下
Ｌ出力という）を出力する。温度信号電圧Ｖ_T が立上り
基準電圧Ｖ_S0に達すると、比較器５ａはハイ出Ｈ（以下
Ｈ出力という）を出力し、その出力により正帰還回路に
より非反転入力端子電圧は基準電圧Ｖ_S より高い電圧に
される。このため温度信号電圧Ｖ_T が基準電圧Ｖ_S と比
較動作している間は、温度信号電圧Ｖ_Tは立上り基準電
圧Ｖ_S0＋αを越えることがないため、比較器５ａはＨ出
力を維持する。そのため、初期立上り時のみ比較器５ａ
の出力により電力制御素子２をオンさせ、抵抗発熱体１
の温度を速く立ち上げることができる。

【００２４】比較器５ｂは、温度信号電圧Ｖ_T が基準電
圧Ｖ_S より高いとＬ出力され、基準電圧Ｖ_S より低いと
Ｈ出力する。温度信号維持回路８は、デューティ比を調
整できるバイブレーターであり、図２に示すＯＰアンプ
８ａ，８ｂと抵抗、コンデンサによりＯＰアンプ８ｃの
出力端子には、図６に示すように一定周波数且つ一定振
幅の三角波が発生する。抵抗の定数をかえることにより
周波数を変更することができる。この三角波を比較器８
ｃの非反転入力端子に入力し、抵抗８ｄ，８ｅによる分
圧回路の分圧電圧を比較器８ｃの非反転端子に入力し、
抵抗８ｄ，８ｅの分圧電圧を調整することにより、Ｈ出
力とＬ出力との割合に調節することができる。ここで、
抵抗負荷容量等が定まっており、周波数とＨ・Ｌのデュ
ーティ比が定まっているときは図７に示す簡単なバイブ
レータ回路とすることもできる。なお、図７の抵抗８ｆ
はＨ出力時間調整用であり、抵抗８ｇはＬ出力時間調整
用である。

【００２５】制御回路６は、トランジスタＱ_1,Ｑ_2,Ｑ₃
（図２）によって構成し、比較器５ａ，５ｂ，８ｃのい
ずれか一つでもＬ出力されているときは、トランジスタ
Ｑ₁がオンし、トランジスタＱ₂ はオフする。このため
ゼロクロス回路９のゼロクロスパルスによってトランジ
スタＱ₃ はオンし、トライアック２にゲート信号を与
え、トライアック２はオンし、抵抗発熱体１に電流が流
れる。

【００２６】また比較器５ａ，５ｂ，８ｃの全てがＨ出
力のとき、トランジスタＱ₁ はオフし、トランジスタＱ
₂ はオンするために、トランジスタＱ₃ はオフする。そ
のためトライアック２のゲート信号が流れないため、ト
ライアック２はオフする。なお、ゼロクロス回路９は、
回路電流を減らし自己ノイズ発生を防ぐためのものであ
り、そのおそれのない場合には省略することができる。

【００２７】次に定常状態に入ったときの温度制御動作
を図６に示すタイムチャートによって説明する。図６の
最上段は商用交流電源電圧の波形を示しており、前記説
明のとおり２段目は比較器５ｂ及び３段目の温度信号維
持回路８のいずれかが出力信号Ｌ（低）のときに、電源
電圧がゼロクロス時点θで電力制御素子２をオンする。
即ちゼロクロス点θ₁ のときは比較器５ｂの出力が既に
時点τ₁ で出力信号Ｌとなっているから、最下段に示す
ように電力制御素子２はオンし、抵抗発熱体１に電流Ｉ
が流れる。次いで時点τ₂ では、抵抗発熱体１の温度が
高くなったため比較器５ｂが出力信号Ｈ（高）となり、
温度信号維持回路８が出力信号Ｈとなっているので、ゼ
ロクロス点θ₂ で、制御回路６は電力制御素子２をオフ
する。次いで時点τ₃ で温度信号維持回路８が出力信号
Ｌとなると、制御回路６はゼロクロス点θ₃ の時点で電
力制御素子２をオンする。次いで時点τ₄ で温度信号維
持回路８が出力信号Ｈとなり、ゼロクロス点θ₄ の時点
で制御回路６は電力制御素子２をオフする。その直後に
たまたま抵抗発熱体１の温度が低下し比較器５ｂが出力
信号Ｌに転ずると、制御回路６は次のゼロクロス点θ₅
で電力制御素子２をオンするように動作する。

【００２８】図７に示す実施例３はトライアック（電力
制御素子）11とリレースイッチ（電力制御素子）12とを
並列に接続し、トライアック11を温度信号維持回路８で
制御し、リレースイッチ12の駆動回路12を比較回路５に
より制御するようにした。その他の回路構成は、図２と
同様にしたので、図１と同様の回路には同じ符号を付し
説明を省略する。

【００２９】実施例３の温度制御装置は、トライアック
11を温度信号電圧Ｖ_T を取り出すためにのみ使用し実行
オン電流を小さくして放熱フィンを小さくし、抵抗発熱
体１の主制御には放熱フィン等を必要としないリレース
イッチ12を使用して回路スペースを小さくし、しかも図
６で説明した実施例２の制御動作と実質的に同様に温度
制御することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の抵抗変化を
利用した温度制御装置は、抵抗発熱体に温度により抵抗
値が変化するものを使用し、この抵抗発熱体に印加され
る電圧と、抵抗発熱体に流れる電流に対応させて得た温
度信号電圧とを比較することにより抵抗発熱体自体の温
度の変化に基づき、抵抗発熱体の消費電力を制御するよ
うにしたので、抵抗発熱体の温度が設定値に達すると直
ちに発熱量を制御することができるので、温度の過昇を
防止できると共に、正確に温度設定値に抵抗発熱体の温
度を制御することができる。したがって、制御温度の過
昇や過降を確実に防止することができるので、電子複写
器の画像定着装置などとして有利に使用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による抵抗変化を利用した温
度制御装置の概要を説明するためのブロック回路図であ
る。

【図２】本発明の実施例２による抵抗変化を利用した温
度制御装置を説明するための回路図である。

【図３】図２に使用した抵抗発熱体の温度−抵抗特性を
示すグラフ図である。

【図４】図２に示すピークホールド回路の動作を説明す
るためのグラフ図である。

【図５】図２に示す比較回路の動作を説明するためのグ
ラフ図である。

【図６】図２に示す温度信号保持回路の動作説明のため
のタイムチャートである。

【図７】温度信号保持回路の別の例による回路図であ
る。

【図８】図２に示す電力制御素子の動作を説明するため
のちタイムチャートである。

【図９】本発明の実施例３による抵抗変化を利用した温
度制御装置を説明するためのブロック回路図である。

【図10】従来例によるフィルム加熱方式による熱融着ト
ナーの定着装置の側面図である。

【図11】図８の要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 抵抗発熱体 ２ 電力制御素
子 ３ 電圧検出回路 ３ａ 分圧回路 ３ｄ 整流素子抵抗３ｅ ３ｆ 電解コンデ
ンサ ４ 電流検出回路 ４ｄ 整流素子 ４ｅ 抵抗 ４ｆ 電解コンデ
ンサ ５ 比較回路 ６ 制御回路 ８ 温度信号維持回路 10 電流検出素
子 11 トライアック（電力制御素子）12 リレースイ
ッチ（電力制御素子） Ｖ_S 基準電圧 Ｖ_s0 立上り基準
電圧 Ｖ_T 温度信号電圧

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度によって抵抗値が変化する抵抗発熱
   体と、この抵抗発熱体の消費電力を制御する電力制御素
   子とを直列に接続して発熱回路を形成し、抵抗発熱体に
   印加される電圧を検出し基準電圧を出力する電圧検出回
   路と、抵抗発熱体に流れる電流を検出し温度信号電圧を
   出力する電流検出回路とを前記発熱回路に接続し、前記
   基準電圧と温度信号電圧とを比較する比較回路を設け、
   この比較回路の出力する比較信号により前記電力制御素
   子を制御する制御回路を設けた温度制御装置。
2. 【請求項２】 前記発熱回路に交流電源を接続し、前記
   電圧検出回路を、前記抵抗発熱体に印加される電圧の分
   圧回路と、この分圧回路の出力する電圧を整流しピーク
   ホールドする基準電圧発生回路とによって形成し、前記
   電流検出回路を、抵抗発熱体に流れる電流を検出する変
   成器と、この変成器の２次回路に発生する電流の電圧変
   換回路と、変換された電圧を整流しピークホールドする
   温度信号電圧発生回路とによって形成し、所定間隔で前
   記ピークホールド動作に必要な時間幅で電力制御素子を
   オンさせる温度信号維持回路を設け、前記制御回路を、
   前記温度信号電圧が基準電圧を越え、且つ温度信号維持
   回路が電力制御素子をオフする信号を出力していると電
   力制御素子をオフし、温度信号電圧が基準電圧に達して
   いないか、又は温度信号維持回路が電力制御素子をオン
   する信号が出力されると電力制御素子をオンするように
   した請求項１の温度制御装置。