JP2010217786A - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリッカおよび高調波電流の発生を抑制しながら、立ち上がり時間を短くすることのできる定着装置および画像形成装置を提供すること。
【解決手段】定着ヒータ１０と、定着ヒータ１０の温度を検出する温度検出センサ１１と、定着ヒータ１０の駆動をトライアック方式で行うトライアック駆動回路１６とインバータ方式で行うインバータ駆動回路１７とを有し、定着ヒータ１０を駆動する定着ヒータ駆動回路１２と、定着ヒータ駆動回路１２を制御する定着ヒータ温度制御部１３と、を備え、定着ヒータ温度制御部１３は、前記温度検出センサ１１が検出した定着ヒータ１０の温度に基づいて、トライアック駆動回路１６とインバータ駆動回路１７のいずれかを制御して定着ヒータ１０を駆動する。
【選択図】図３

Description

本発明は、定着装置および画像形成装置に関する。

電子写真式プロセスを用いたプリンタ、複写機、あるいはファクシミリ装置等の画像形成装置では、記録媒体（普通紙、ＯＨＰ等を含む）上に形成されたトナー像を熱で溶かし、加圧する定着装置が使用されている。定着装置に要求される性能には、目標温度に達するまでの立ち上がり時間の短縮や、画像形成時に目標温度に対して温度変動が小さいこと（温度リップルの低減）などが挙げられる。

一般に、定着装置の加熱手段として、ハロゲンヒータが多く用いられている。ハロゲンヒータは、低温時に抵抗値が低く、高温になるにつれて抵抗値が増加する特性を有する。このため、ハロゲンヒータを点灯する際に、ハロゲンヒータの抵抗値が小さいことにより大きな電流（突入電流）が流れ、急激な電流変化が生じる。外部電源ラインにインピーダンスを有する場合は、そのインピーダンスと急激な電流変化とにより電源変動が発生し、この電源変動により同じ電源を共有している外部照明機器等にフリッカが生じるという問題がある。

この問題に対して、スイッチング素子としてトライアックを使った位相制御により、入力する交流電源のゼロクロスに同期して通電を行うトライアック方式が、定着ヒータ（ハロゲンヒータ）の通電制御（電力制御）方式に用いられている。しかし、位相制御を行うことにより高調波電流が発生し、交流電源に電圧波形歪みを発生させてしまうという問題がある。

これらの問題に対して、定着ヒータの通電制御方式としてインバータ方式を用いることにより、フリッカ／高調波電流の発生を抑制する方法が既に知られている。例えば、特許文献１には、定着装置の温度制御を効果的に行う目的で、定着装置にインバータ方式による電力制御を行うヒータを用いる方法が開示されている。

しかしながら、インバータ方式の定着ヒータ駆動回路は、従来のトライアックを用いた定着ヒータ駆動回路に比べ、スイッチング素子やフィルタ素子が増加するため電力損失が大きくなる。電力損失が大きいと、定着ヒータに最大電力を供給することとなる定着ヒータ立ち上げ時に、電力損失分定着ヒータに供給される電力が小さくなるため、インバータ方式の定着ヒータ駆動回路は、従来のトライアックを用いた定着ヒータ駆動回路に比べ、定着ヒータの立ち上がり時間が長くなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フリッカおよび高調波電流の発生を抑制しながら、立ち上がり時間を短くすることのできる定着装置および画像形成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、定着ヒータと、前記定着ヒータの温度を検出する温度検出センサと、前記定着ヒータの駆動をトライアック方式で行うトライアック駆動回路とインバータ方式で行うインバータ駆動回路とを有し、前記定着ヒータを駆動する定着ヒータ駆動回路と、前記定着ヒータ駆動回路を制御する定着ヒータ温度制御部と、を備え、前記定着ヒータ温度制御部は、前記温度検出センサが検出した前記定着ヒータの温度に基づいて、前記トライアック駆動回路と前記インバータ駆動回路のいずれかを制御して前記定着ヒータを駆動すること、を特徴とする。

本発明によれば、定着ヒータ温度制御部が、温度検出センサが検出した定着ヒータの温度に基づいて、トライアック駆動回路とインバータ駆動回路のいずれかを制御して定着ヒータを駆動することができるので、フリッカおよび高調波電流の発生を抑制しながら、立ち上がり時間を短くするという効果を奏する。

図１は、本実施の形態にかかる画像形成装置の構成を示す図である。 図２は、画像形成装置における定着装置の構成を示す図である。 図３は、定着ヒータ駆動回路および定着ヒータ温度制御部の回路構成を示す図である。 図４は、トライアック駆動回路が定着ヒータに接続された状態における定着ヒータ温度制御部による制御の仕組みを示す図である。 図５は、トライアック駆動回路による位相制御を説明する図である。 図６は、インバータ駆動回路が定着ヒータに接続された状態における定着ヒータ温度制御部による制御の仕組みを示す図である。 図７は、インバータ駆動回路による波高値制御を説明する図である。 図８は、トライアック駆動方式とインバータ駆動方式の特徴についてまとめた図である。 図９は、本実施の形態にかかる画像形成装置において、各動作モードに対して行われる定着ヒータの通電制御方式について説明する図である。 図１０は、定着ヒータ温度制御部による定着ヒータの立ち上げ方法を示すフローチャートである。 図１１は、定着ヒータの立ち上げ時におけるヒータ駆動制御とヒータ供給電力の関係について説明する図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる定着装置および画像形成装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる画像形成装置の構成を示す図であり、図２は、画像形成装置における定着装置の構成を示す図である。本実施の形態にかかる画像形成装置は、画像を読み取るためのスキャナ部１と、スキャナ部１で読み取った画像について所定の処理を施し、処理を施した後の画像に応じたトナー像９を記録紙８に転写するエンジン部２と、記録紙８を格納するための給紙トレイ３と、エンジン部２で記録紙８に転写されたトナー像９を定着させるための定着装置４とから構成されている。

スキャナ部１では、原稿をスキャン露光することで、原稿にかかる文書情報を画像信号に変換し、当該画像信号をエンジン部２に出力する。スキャナ部１から画像信号が出力されると、エンジン部２では、スキャナ部１から出力された画像信号に対して、色変換、階調補正などの画像処理を施す。そして、エンジン部２では、画像処理を施した画像に応じて静電潜像を像担持体（図示なし）に作像し、作像した静電潜像にトナーを付着してトナー像９を形成し、形成したトナー像９を給紙トレイ３から搬送路５を介して搬送された記録紙８に転写し、記録紙８を定着装置４に向けて送り出す。

定着装置４は、内部に例えばハロゲンヒータからなる定着ヒータ１０を有する円筒状の定着ローラ６と、定着ローラ６に押圧した加圧ローラ７と、例えばサーミスタからなる温度検出センサ１１と、定着ヒータ１０と電気的に接続する定着ヒータ駆動回路１２と、温度検出センサ１１および定着ヒータ駆動回路１２と電気的に接続する定着ヒータ温度制御部１３とを備えている。トナー像９が転写された記録紙８がエンジン部２から搬送路５を介して定着装置４に送り出されると、定着装置４では、定着ローラ６による熱と加圧ローラ７による圧力により、記録紙８に転写されているトナー像９を定着させ、排紙トレイ（図示なし）に向けて排紙する。

図３は、定着ヒータ駆動回路１２および定着ヒータ温度制御部１３の回路構成を示す図である。定着ヒータ駆動回路１２は、定着ヒータ１０を駆動する回路である。定着ヒータ駆動回路１２は、パワーリレー１４、ゼロクロス検出回路１５、トライアック駆動回路１６、インバータ駆動回路１７、および、切替スイッチ１８から構成されている。

パワーリレー１４は、交流電源１９の電力を定着ヒータ駆動回路１２へ伝達する。ゼロクロス検出回路１５は、交流電源１９から供給される交流電圧の信号が０Ｖを交差するタイミングを検知し、ゼロクロス信号として定着ヒータ温度制御部１３へ送信する。トライアック駆動回路１６は、定着ヒータ１０への通電制御を、スイッチング素子としてトライアックを使った位相制御により、ゼロクロス信号に同期して通電を行うトライアック方式で行う回路である。インバータ駆動回路１７は、定着ヒータ１０への通電制御を、ＰＷＭ信号のデューティ制御により、ＰＷＭ信号のデューティの増減に応じて通電を行うインバータ方式で行う回路である。切替スイッチ１８は、定着ヒータ１０への電力をトライアック駆動回路１６により供給するか、インバータ駆動回路１７により供給するかを切り換えるスイッチである。

交流電源１９から定着ヒータ駆動回路１２に入力した交流電流は、パワーリレー１４、ゼロクロス検出回路１５を介して分岐され、切替スイッチ１８の状態により、トライアック駆動回路１６、または、インバータ駆動回路１７に供給される。また、定着ヒータ駆動回路１２の出力部には、定着ヒータ１０が接続される。

定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ駆動回路１２を制御することにより、定着ヒータ１０の温度を制御する。具体的には、定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ１０の温度を制御するヒータ温度制御信号をトライアック駆動回路１６、または、インバータ駆動回路１７に送ることにより、トライアック駆動回路１６によるヒータ温度制御、または、インバータ駆動回路１７によるヒータ温度制御を行う。

定着ローラ１１（定着ヒータ１０）の近傍に設けられた温度検出センサ１１により、定着ローラ６（定着ヒータ１０）の温度を表す温度検出信号が定着ヒータ温度制御部１３へ送られ、定着ヒータ温度制御部１３は、この温度検出信号からヒータ温度制御信号をトライアック駆動回路１６、または、インバータ駆動回路１７のどちらに送るかを判断する。そして、使用を決定した駆動回路が定着ヒータ１０へ電力供給するように切替スイッチ１８を切り替え、使用を決定した駆動回路にヒータ温度制御信号を送り、定着ヒータ１０の立ち上げ処理を行う。

従って、本実施の形態にかかる画像形成装置は、定着ヒータ１０の立ち上げ時に際して、定着ヒータ駆動回路１２による定着ヒータ１０の駆動をトライアック方式かインバータ方式に切り替えることのできる構成となっている。このため、定着ヒータ１０の温度が突入電流の発生しない温度に達するまでは、インバータ方式で定着ヒータ１０を駆動し、ヒータ温度が突入電流の発生しない温度に達した後、定着ヒータ１０の駆動方式をトライアック方式に切り換えることが可能となっている。

図４は、トライアック駆動回路１６が定着ヒータ１０に接続された状態における定着ヒータ温度制御部１３による制御の仕組みを示す図である。図では、切替スイッチ１８がトライアック駆動回路１６と接続されており、交流電源１９からの交流電流は、トライアック駆動回路１６に供給された後、定着ヒータ１０へ供給されている。また、定着ヒータ温度制御部１３は、トライアック駆動回路１６に対して制御を行っていることがわかる。さらに、定着ヒータ温度制御部１３と切替スイッチ１８の間で、スイッチの切替状態を表すスイッチ状態信号と、スイッチの切替えを指示するスイッチ切替信号がやり取りされる構成となっている。

定着ヒータ１０に使用するヒータとして、一般にハロゲンヒータが多く用いられている。ハロゲンヒータは、低温時に抵抗値が低く、高温になるにつれて抵抗値が増加する特性を有する。このため、ハロゲンヒータを点灯する際に、ハロゲンヒータの抵抗値が小さいことにより大きな電流（突入電流）が流れ、急激な電流変化が生じる。外部電源ラインにインピーダンスを有する場合はそのインピーダンスと急激な電流変化とにより電源変動が発生し、この電源変動により同じ電源を共有している外部照明機器等にフリッカが生じる。

これに対して、トライアック駆動回路１６では、定着ヒータ１０（ハロゲンヒータ）の駆動に、トライアック方式を使用することにより、位相制御によって入力する交流電源のゼロクロス信号に同期して通電を行っている。従って、トライアック駆動回路１６は、定着ヒータ１０の通電率を徐々に増加させるような制御を行うことができるので、急激な電流変化を抑え、フリッカの発生を抑制することができる。図５は、トライアック駆動回路１６による位相制御を説明する図である。

図６は、インバータ駆動回路１７が定着ヒータ１０に接続された状態における定着ヒータ温度制御部１３による制御の仕組みを示す図である。図では、切替スイッチ１８がインバータ駆動回路１７と接続されており、交流電源１９からの交流電流は、インバータ駆動回路１７に供給された後、定着ヒータ１０へ供給されている。また、定着ヒータ温度制御部１３は、インバータ駆動回路１７に対して制御を行っていることがわかる。さらに、定着ヒータ温度制御部１３と切替スイッチ１８の間で、スイッチの切替状態を表すスイッチ状態信号と、スイッチの切替えを指示するスイッチ切替信号がやり取りされる構成となっている。

前述したように、トライアック駆動回路１６では、位相制御を行うことにより急激な電流変化を抑え、フリッカの発生を抑制することができる。しかし、位相制御を行うことにより高調波電流が発生し、交流電源１９に電圧波形歪みを発生させてしまう。

これに対して、インバータ駆動回路１７による定着ヒータ１０の通電制御は、ＰＷＭ信号のデューティ制御によって行われる。入力ＰＷＭ信号のデューティの増減に応じて入力交流電流を全波整流した電流の振幅が増減し、これが定着ヒータ１０に供給されることによって、通電制御が行われる。従って、インバータ駆動回路１７は、商用電源周波数と比較し高周波でスイッチングを行うことになるので、高調波電流を抑制することができる。さらに、インバータ駆動回路１７は、高調波電流を抑制しながら、定着ヒータ１０へ多段階の通電制御が可能なため、フリッカ発生の抑制にも有効である。図７は、インバータ駆動回路１６による波高値制御を説明する図である。

図８は、トライアック駆動方式とインバータ駆動方式の特徴についてまとめた図である。トライアック駆動方式では、高調波電流の抑制とフリッカの抑制を両立させることが難しい。これに対して、インバータ駆動方式では、高調波電流を抑制しながらフリッカを抑制することが可能である。また、インバータ駆動方式は高調波電流の発生を抑えながら自由度の高い通電制御を行うことができるという特徴を持っている。

一方、インバータ駆動回路１７はトライアック駆動回路１６に比べ、回路素子の増加やスイッチングを行う構成となっているため、回路損失が大きい。

図９は、本実施の形態にかかる画像形成装置において、各動作モードに対して行われる定着ヒータ１０の通電制御方式について説明する図である。定着ヒータ１０が冷めた状態からトナー像を記録紙に定着させることが可能な温度に到達させる定着ヒータ１０の立ち上げ時は、短時間で定着可能な温度まで上昇させたいため、定着ヒータ１０には定着ヒータ駆動回路における最大出力電力を供給する。そのため、入力電力に対する出力電力の損失が少ないことが望まれる。

従って、本実施の形態にかかる画像形成装置では、定着ヒータ１０の立ち上げ時には、トライアック駆動回路１６とインバータ駆動回路１７の両回路を、適宜切り替えながらヒータ駆動を行う。こうすることにより、定着ヒータ１０の立ち上げ時に高調波電流／フリッカの発生を抑えながら、効率的な電力消費で定着ヒータ１０を望みの温度まで上昇させることが可能となる。

一方、画像形成装置が通常の画像形成を行う画像形成時では、定着ヒータ１０の温度は目標温度に対する変動が少ないことが望まれる。画像形成時において、定着ヒータ１０の温度が目標温度に対して変動が大きいと定着後の画像の発色にムラが現れるためである。また、待機時／画像形成時は、定着ヒータ１０の立ち上げ時のように定着ヒータ１０に最大出力電力を供給する必要が無い。そのため、トライアック駆動回路１６の損失量と、インバータ駆動回路１７の損失量の差程度であれば問題とならない。よって、待機時／画像形成時は通電制御の自由度が高いインバータ駆動回路１７のみを用いる。こうすることにより、高調波電流／フリッカの発生を抑えながら目標温度に対する変動を抑えた温度制御が可能となる。

次に、定着ヒータ温度制御部１３による定着ヒータ１０の立ち上げ方法について説明する。図１０は、定着ヒータ温度制御部１３による定着ヒータ１０の立ち上げ方法を示すフローチャートである。

初めに、定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ１０の立ち上げ要求を制御部（図示せず）から受けると、温度検出センサ１１から温度検出信号を受け取る（ステップＳ１）。

次に、定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ１０の温度Ｔが、定着ヒータ１０に突入電流が発生しない温度である温度Ｔ１より小さいか否かを判断する（ステップＳ２）。なお、温度Ｔ１はあらかじめ設定された値である。

定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ１０の温度Ｔが温度Ｔ１より小さいと判断した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、切替スイッチ１８にスイッチ切替信号を送り、定着ヒータ１０への電力をインバータ駆動回路１７により供給するように切替スイッチ１８を切り替える（ステップＳ３）。

次に、定着ヒータ温度制御部１３は、切替スイッチ１８よりスイッチに切り替えが終了した旨を表すスイッチ状態信号を受け取ると、インバータ駆動回路１７へヒータ温度制御信号を送り、インバータ駆動回路１７を使用したヒータ温度制御を開始し（ステップＳ４）、再びステップＳ１へ戻る。

一方、ステップＳ２で、定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ１０の温度Ｔが温度Ｔ１より小さくないと判断した場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、切替スイッチ１８にスイッチ切替信号を送り、定着ヒータ１０への電力をトライアック駆動回路１６により供給するように切替スイッチ１８を切り替える（ステップＳ５）。

次に、定着ヒータ温度制御部１３は、切替スイッチ１８よりスイッチ状態信号を受け取ると、トライアック駆動回路１６へヒータ温度制御信号を送り、トライアック駆動回路１６を使用したヒータ温度制御を開始する（ステップＳ６）。

次に、定着ヒータ温度制御部１３は、温度検出センサ１１から再び温度検出信号を受け取り（ステップＳ７）、定着ヒータ１０の温度Ｔが、定着ヒータ１０の立ち上げが終了したと判断する温度Ｔ２より大きいか否かを判断する（ステップＳ８）。なお、温度Ｔ２はあらかじめ設定された値である。

定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ１０の温度Ｔが温度Ｔ２より大きいと判断した場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、立ち上げ処理を終了し画像形成時の温度制御モードへ移行する（ステップＳ９）。

一方、定着ヒータ温度制御部１３は、定着ヒータ１０の温度Ｔが温度Ｔ２より大きくないと判断した場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、ステップＳ７へ戻り、以下のステップを繰り返す。このようにして、定着ヒータ１０の立ち上げ処理が実行される。

図１１は、定着ヒータ１０の立ち上げ時におけるヒータ駆動制御とヒータ供給電力の関係について説明する図である。図をみると、立ち上げ開始にはインバータ駆動によるヒータ温度制御が行われ、定着ヒータ１０の温度Ｔが温度Ｔ１より大きくなった段階で切替え処理が開始され、切替え処理が終了するとトライアック駆動によるヒータ温度制御が行われることがわかる。

このように、本実施の形態にかかる画像形成装置によれば、定着装置において、定着ヒータ温度制御部が、温度検出センサが検出した定着ヒータの温度に基づいて、トライアック駆動回路とインバータ駆動回路のいずれかを制御して定着ヒータを駆動することができるので、フリッカおよび高調波電流の発生を抑制しながら、立ち上がり時間を短くすることができる。

なお、上記実施の形態では、本発明の画像形成装置を、コピー機能、プリンタ機能、スキャナ機能およびファクシミリ機能のうち少なくとも２つの機能を有する複合機に適用した例を挙げて説明するが、複写機、プリンタ、スキャナ装置、ファクシミリ装置等の画像形成装置であればいずれにも適用することができる。

１ スキャナ部
２ エンジン部
３ 給紙トレイ
４ 定着装置
５ 搬送路
６ 定着ローラ
７ 加圧ローラ
８ 記録紙
９ トナー像
１０ 定着ヒータ
１１ 温度検出センサ
１２ 定着ヒータ駆動回路
１３ 定着ヒータ温度制御部
１４ パワーリレー
１５ ゼロクロス検出回路
１６ トライアック駆動回路
１７ インバータ駆動回路
１８ 切替スイッチ
１９ 交流電源

特開２００８−０７６５４９号公報

Claims (5)

1. 定着ヒータと、
   前記定着ヒータの温度を検出する温度検出センサと、
   前記定着ヒータの駆動をトライアック方式で行うトライアック駆動回路とインバータ方式で行うインバータ駆動回路とを有し、前記定着ヒータを駆動する定着ヒータ駆動回路と、
   前記定着ヒータ駆動回路を制御する定着ヒータ温度制御部と、を備え、
   前記定着ヒータ温度制御部は、
   前記温度検出センサが検出した前記定着ヒータの温度に基づいて、前記トライアック駆動回路と前記インバータ駆動回路のいずれかを制御して前記定着ヒータを駆動すること、
   を特徴とする定着装置。
2. 前記定着ヒータ温度制御部は、前記定着ヒータの温度が、前記定着ヒータに突入電流が発生しない所定の温度より小さい場合、前記インバータ駆動回路を制御して前記定着ヒータを駆動すること、
   を特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記定着ヒータ温度制御部は、前記定着ヒータの温度が、前記定着ヒータに突入電流が発生しない所定の温度以上の場合、前記トライアック駆動回路を制御して前記定着ヒータを駆動すること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の定着装置。
4. 前記定着ヒータ駆動回路は、前記定着ヒータ温度制御部からの指示により、前記定着ヒータへ前記トライアック駆動回路と前記インバータ駆動回路のいずれかとの接続を切替える切替スイッチをさらに備えたこと、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の定着装置を備えたこと、を特徴とする画像形成装置。

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