JP4386481B2 - 再生装置の負荷、特に固定ユニットへの電源制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー源から負荷へ電力を供給する主電気回路と、制御電極を備えると共に前記主電気回路に配設され、スイッチング信号が該制御電極に付与されるとその状態を変化させるスイッチング手段と、前記主電気回路に存在する周期Ｐの実質的に正弦波の信号のゼロクロスを検出するとゼロクロス検出信号を生成するゼロクロス検出器と、前記スイッチング手段の前記制御電極に接続され、前記スイッチング信号を前記制御電極に付与すると共に、前記ゼロクロス検出器に接続されて前記ゼロクロス検出信号を受け、かつ、負荷へ供給されるべき電力を示す電力制御信号を受ける手段が設けられた制御ユニットとを備える再生装置の負荷、特に固定ユニットへの電源供給を制御する装置、及び、かかる電源供給制御装置を備える再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
再生装置のエネルギー消費低減への要求は増大している。トナー像を熱により担体材料に固定する形式の再生装置において、供給された電力のかなりの部分は固定ユニットにより消費される。固定ユニットは、熱又は熱と圧力との組み合わせによりトナー像が担体材料へしっかりと付着することを保証する。固定ユニットのエネルギー消費は、熱が実際に必要とされる場合、すなわち、トナーが実際に受けシートに固定されなければならない場合にのみ熱を発生することにより低減することができる。この場合、固定装置は高い応答性を有することが要求される。かかる目的には、小さな熱容量を有する高応答固定ユニットが適している。かかる固定装置についての記載は米国特許第４，３５５，２２５号に見られる。しかし、良好な結果を得るには、固定の間、固定ユニットを特定の温度に正確に保持することができなければならない。このため、正確な電力制御が必要となる。かかる正確な制御は、サイリスタ、トライアック、あるいは固体リレー等の電子スイッチング素子により可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる回路の使用に伴う問題は、スイッチング時の急激な電圧変化に起因して高調波が発生し、その結果、主電源を汚染することである。かかる高調波は、電圧がゼロ軸と交差する際にスイッチングを行うことにより排除することができる。この場合、電源は、適当な方法で半周期を通過又は遮断することにより制御され得る。かかる電源制御を実現する請求項前段に係る回路は、米国特許第４，３７７，７３９に詳細に記載されている。しかし、主電源から脈動的に取られる大きな電力、及び、これに対応する大きな脈動電流によって、主電源に電圧変動が生ずる。かかる主電源の電圧変動はフリッカーを生じさせる。フリッカーは、国際規格CEI/IEC 1000-3-3において「輝度又はスペクトル分布が時間と共に変動する光刺激により生ずる視覚上の不安定な印象」として定義されている。フリッカーはユーザを不快にし、再生装置と同じ主電源の相に接続されたランプがフリッカーを開始することで明白となる。上記規格には、フリッカーを特徴付ける２つの量について記載されている。すなわち、「短期間フリッカー指標」Ｐst、及び、 「長期間フリッカー指標」Ｐltである。前者は、短期間（数分）にわたって評価されるフリッカーの強度（激しさ）に関連し、後者は、長期間（数時間）にわたって評価されるフリッカーの強度（激しさ）に関連する。フリッカーは、ゼロクロス時にＳＳＲをスイッチングするのではなく、位相角制御、すなわち、位相遮断を適用することにより低減される。しかしながら、上記したように、これは好ましくない放射を生じさせる。以上の問題は、例えば、紙予熱ユニット等の、主電源から大きな電力を取り入れる再生装置の他の負荷にもあてはまる。
【０００４】
本発明の目的は、即時にスイッチングを行うことができると共に、フリッカーを生じさせる主電源の電圧変動及び高調波に起因する主電源の汚染を共に大幅に低減することが可能な、再生装置の負荷への電源供給制御装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的のため、請求項前段に係る電源供給制御装置は、制御ユニットが主回路に存在する実質的正弦波信号のゼロクロスに対して時間的に変化する位相角でスイッチング信号を発生する手段を備え、時間的に変化する位相角は、電力制御信号により決定された位相角設定点の周りを変化することを特徴とする。
【０００６】
電力は徐々に供給されるので、電圧変動は最小化される。位相角制御は、一定の電力要求に伴って変化するので、高調波は固定位相角の場合と比較して大幅に減少する。本方法は、位相遮断が半周期ごとに正確に同じ位相角で生ずることを防止し、これにより、高調波の高周波数スペクトラムにおける鋭いピークが排除される。
【０００７】
位相角が、２つの極限値の間を時間的に周期的に変化し、一方の極限値に達した際に、その時点で存在するステップ値が次に生成される位相角に対するオフセットとして用いられることにより、更なる改良が得られる。その効果は、各位相遮断信号の位相角が、数周期が経過した後に同じ値を持たないことである。これにより、高調波スペクトラムは更に平坦化される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
図１は、電子写真式再生装置１を示す。この装置は、ドラムである光導電体２を備えている。光導電体２は、帯電装置３、ＬＥＤアレイ４、現像ステーション５、転写ステーション６、及びクリーナ７により囲まれている。更に、紙マガジン８が設けられている。シートは、紙経路９を経て、転写ステーション６に沿って供給され、固定ユニット１０を通って複写トレイ１１に堆積される。中央制御ユニット１２は、上記した各機能が適正な時間に作動することを保証すると共に、ユーザにより操作パネル１３上でなされた調整が実行され、また、接続されたスキャナー及びネットワークとの通信により印刷要求が処理されることを保証する。電源回路１４は、主電源から固定ユニット１０へ電力を供給する。印刷動作の間、光導電体２は矢印で示す方向に回転し、光導電体２の帯電装置３の近傍領域は高い負電圧まで帯電される。次に、この領域はＬＥＤアレイ４を通る。電子型式で使用可能な印刷用の原画像がＬＥＤアレイに供給され、このＬＥＤアレイは画像（黒色書き込み）をライン毎に光導電体へ投影する。光導電体が露光される場所では、局所的に導電化して電荷が流出する。こうして、原画像に応じた帯電像が光導電体上に形成される。現像ステーション５に沿った移動の間、トナーが露光領域に付与される。転写ステーション６において、トナー像は、紙マガジン８から紙経路９を経て長手方向に供給された複写材料シートに静電気的に転写される。クリーナ７は、光導電体から全てのトナーが除去されることを保証する。トナー像が形成された複写材料シートは、固定ユニット１０を通して送られる。ここで、トナーは、軟化して複写材料に付着するような温度にされる。次に、シートは複写トレイ１１に送出され堆積される。
【０００９】
図２は、パワーを即時に送出するよう適合された型式の固定ユニットを示す。固定装置は、水平底部壁３、水平頂部壁４、及び４つの鉛直側壁を備える保護フード２を構成する外壁よりなる管状ハウジング１を備えている。幅が例えば６ｍｍ、長さが例えば９００ｍｍのスロットである開口７及び８は、それぞれ、保護フードの対向する側壁５及び６に設けられ、対応する側壁の高さ方向中央においてそのほぼ全幅にわたって水平に延びている。搬送ローラはハウジング１の外側のスロット８の近傍に配設され、トナー像を備える複写材料シートをハウジング内の搬送経路を経由して搬送する。ハウジング１内の搬送経路は、側壁５及び６の間を、ハウジング１を通るシート搬送方向と鋭角をなす方向に、それぞれ搬送経路の上下に張られたシートガイドワイヤ１３及び１４により構成されている。シートがハウジング１に入るスロット７におけるワイヤ１３及び１４の距離は、シートがハウジングから出るスロット８における距離よりも大きい。シートガイドワイヤ１３及び１４は厚さ０．４ｍｍのステンレス鋼より構成されている。
【００１０】
シート搬送経路の底部を構成するシートガイドワイヤ１３の下方には、放射器を構成する複数の小割板１５が配設されている。小割板１５は、シート搬送方向に対して横断方向に延在している。各小割板１５は、厚さ０．０５ｍｍ、幅９．６ｍｍのステンレス鋼のストリップより構成されている。小割板１５の紙経路に対向する側は、耐熱性黒色ペイントによりスプレー被覆されている。電圧２２０ボルトが接続されると、放射器は２０００Ｗのパワーを送出する。
【００１１】
互いに隣接する２つのストリップ部は、シート搬送方向に部分的に重なり合っている。放射器ストリップには、２つの歯車の間でストリップを引っ張ることにより切り欠きが設けられている。こうして、温度上昇による膨張が生じた際に、ストリップが撓まないように機械的な予圧が得られている。
小割板１５は直列に接続され、２４オームの電気抵抗を生成している。保護フード２の内側は、熱絶縁材料１６により覆われている。放射器の下方には、厚さ１ｍｍの反射アルミニウムよりなる熱反射プレート１７が配設されている。放射器へのエネルギー供給を制御するため、ＮＴＣである温度センサ１８がハウジング１中央の小割板に固定されている。やはりＮＴＣとして構成された第２の温度センサ１９は、固定ユニットの底部に配設され、環境温度を示す。第２の温度センサにより生成される信号は、設定点の補正値として用いられる。
【００１２】
重量７５ｇ／ｍ² の受け材料の場合、通過速度毎分５メートルにおいて、シート温度がトナー像を固定するのに必要な１００℃に達するためには、放射器温度は約３２０℃で十分である。
図３は、本発明に係る電源回路のブロック図である。電源回路は、接続点１を介して、必要な電力を供給する主電源に接続される。この電力は、主回路２を介して接続点３に供給される。図面に参照番号４で示す固定ユニットの放射器小割板は上記接続点３に接続されている。主回路２は、固体リレー５（ＳＳＲ）を含んでいる。このＳＳＲは、制御電極６にスイッチング信号が付与されると、導通状態となる。主回路のスイッチング用ＡＣ電圧がゼロを通過すると、ＳＳＲは開状態に戻る。従って、負荷へ供給されるべき電力は、電源回路のスイッチング信号の半周期の特定の期間、ＳＳＲを導通状態とすることにより制御される。スイッチング信号が制御電極６に付与される位相角は、通過する電力を示す。スイッチング信号が、主回路の電圧の位相に関して常に同じ時点でスイッチングすることができるように、ＡＣ電圧との同期が必要とされる。かかる目的のため、主回路のＡＣ電圧がゼロ軸を横切ったことを検出するゼロクロス検出器７が設けられている。図６（Ｂ）に示すスイッチング信号は、本発明に従って構成された制御ユニット８により生成される。本発明によれば、各半周期に対して再決定されるべき位相角である時間ｔcut は、位相角ｔ0 から得られる。位相角ｔ0 は、後述する如く、その周りで本発明に係る位相遮断が変化される設定点を構成している。負荷に供給されるべき特定の電力に対応し、デューティサイクルとして、すなわち、吸収されるべき電力の最大電力に対するパーセントとして表されるこの設定点ｔ0 は、制御ユニット８Ａにより決定される。制御ユニット８Ａは、ＮＴＣ１８の測定値に基づく放射器小割板の温度、ＮＴＣ１９が検出する環境温度、装置の動作状態、及び選択された担体材料に基づいて、負荷に供給されるべき電力を決定する。装置の動作状態、及び選択された担体材料に関する情報は、中央制御ユニットから供給される。供給されるべき電力は、制御ユニット８Ａにより２００ミリ秒毎に再決定される。従って、ｔ0 の値は２００ミリ秒毎に更新される。
【００１３】
制御ユニット８はマイクロコントローラとして構成されている。このマイクロコントローラに格納されたｔ0 からｔcut を求めるプログラムのフローチャートを図4 及び図５に示す。先ず、図６を参照して、関連する変数について説明する。図６（Ａ）において、信号１は、主回路２の主電源接続点１に現れる正弦波電圧である。制御回路８Ａは、上記した所定の環境条件に基づいて、各時点で固定ユニットへ供給されるべき電力を計算する。この電力は、時刻ｔ0 における位相遮断に対応している。本発明によれば、位相遮断は、時刻t0では行われず、時刻ｔcut に変化されている。ｔcut のｔ0 の周りでの変化は、スイング窓により決定された範囲内で行われる。スイング窓は、ｔ0 のｔ3 の値に対する最大許容偏差により決定され、半周期の限度を超えた場合にクリップされる。ｔcut は、スイング窓内をインデックスｎと共にステップ状に横断する。インデックスｎは、スイング窓の極限値に対応する負の極限値と正の極限値との間で変化する。１つのステップは、各半周期でインデックスｎが１だけ増加され、又は、１だけ減少されるように、各半周期について設定される。各ステップにおいて、ｔcut は、ｔd だけ増加又は減少される。ｔcut のｔ0 に対する位置は、各時点において、ｔcut のt0からの距離であるｔd へのステップ数を示すインデックスｎにより決定される。図６（Ｂ）は、時刻ｔcut において制御電極に付与されるスイッチング信号２を示す。
【００１４】
以下、フローチャートを参照して、本発明に係る電源回路の動作について説明する。図４の開始位置１から開始し、ステップ２において、各変数に初期値が代入される。これは、通常は、再生装置がオンされた際に実行される。これらの初期設定には、スイング窓のスイングｔ3 ；各位相遮断の際の各時点での位相遮断の実際のシフト量であるステップｔd ；設定点ｔ0 ；ｔ0 の前回値であり、ｔ0 に初期化されるｔprev；位相遮断のシフトが上昇しているか下降しているかを示し、値ＵＰに初期化される信号ＦＬＡＧ；及び、値０に初期化されるインデックスｎが含まれる。ステップ３では、ｔ0 の値が読み込まれる。ステップ４では、現在の半周期内で行われなければならない位相遮断の時刻が計算される。ステップ５では、ゼロクロス点が検出された時点でタイマーＴ1 が開始される。このタイマーは、ステップ６において時間ｔcut が経過するまで（肯定判別されるまで）作動する。その時点で、ステップ７において位相遮断信号が制御電極に付与される。そして、ステップ３において、ｔ0 が再び読み込まれる。このサイクルが、電源電圧の各半周期に対して実行される。
【００１５】
図５を参照して、ｔcut の計算について詳細に説明する。開始位置１から開始して、ステップ２において、ｔ0 が変化しないで維持されているか否かが判別される。その結果、変化しているならば（Ｎ）、スイング窓もまた変化していることになる。この場合、ｔcut は新たなスイング窓へステップ状に接近する。この目的のため、ステップ３では、現在のｔcut に関連するが、新たなｔ0 から決定される新たなインデックスｎが計算される。新たな位置が、現在の半周期の終了部のスイング窓の右側、すなわち、位相遷移の右側にあり、クリッピングが必要ならば（ステップ４のＹ）、ステップ５において変数ＦＬＡＧに値ＤＯＷＮが代入される。そうでなければ（ステップ４のＮ）、ステップ６において、新たな位置が、現在の半周期の開始部のスイング窓の左側、すなわち、位相遷移の左側にあるか否かが判別される。その結果、肯定判別されたならば、ステップ７において、変数ＦＬＡＧに値ＵＰが代入される。一方、否定判別されたならば、変数ＦＬＡＧの修正が必要であり、ｎの新たな値のみが新たな状況のために決定される。次に、ステップ８へ進む。また、ステップ２においてｔ0 が変化していない場合も直接ステップ８へ進む。
【００１６】
ステップ８では、変数ＦＬＡＧの値が検査される。加算が必要であれば（Ｙ）、ステップ９においてインデックスｎは１だけ増加される。ステップ１０では、ｔcut がスイング窓の右側、すなわち、現在の半周期の右外側にあるか否かが判別される。その結果、肯定判別されたならば（Ｙ）、ステップ１１において変数ＦＬＡＧに値ＤＯＷＮが代入される。次に、ステップ１２へ進む。
【００１７】
一方、ステップ８において、変数ＦＬＡＧの値がＤＯＷＮであれば（Ｎ）、ステップ１５においてインデックスｎが１だけ減少される。ステップ１６では、ｔcut がスイング窓の左外側、すなわち、現在の半周期の左側にあるか否かが判別される。その結果、肯定判別されれば、変数ＦＬＡＧに値ＵＰが代入される。次に、ステップ１２において、ｔcut が決定される。最後に、ステップ１３において、変数ｔprevに値ｔ0 が代入され、図４のステップ５に戻る。
【００１８】
ｔ3 及びｔd を、ｔ3 がｔd の倍数とならないように選択することで、高調波を抑制することができる。ｔcut がスイング窓を通過する毎に、オフセットが決定される。これは、ｎ＊ｔd −ｔ3 である。ただし、ｎは、限界値ｔ3 を通過する際のインデックスの値である。極限値を通過する際に変化されるこのオフセットは、常にｔcut に加えられる。この効果は、別の周期の間の、スイング窓による位相遮断もまた異なる時間グリッドで生ずることである。
【００１９】
ゼロ点検出器及びタイマの不正確さの影響は、ｔ0 又はｔcut がその領域内にあればスイッチング信号２が抑制されるような、必ずしも対称的でない領域をゼロクロス点の周りに定義することにより例えば４００マイクロ秒まで低減される。
本発明に係る回路での測定により、３３００マイクロ秒のスイング窓（２＊ｔ3 ）及び１６０マイクロ秒のステップ値を用いてフリッカー及び高調波が相当に低減されることがわかった。この場合、電源電圧は２３０Ｖ、５０Ｈｚである。
【００２０】
以上説明した回路は再生装置の固定ユニット用に限定されるものではなく、例えば、紙予熱ユニット等の、電力が位相遮断により制御され、主電源に誘起されるフリッカー及び干渉放射が制限されるべき複写機の任意の場所に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】印刷装置を模式的に示す図である。
【図２】即時にパワーを送出するよう適合された型式の固定ユニットである。
【図３】本発明に係る電源回路のブロック図である。
【図４】本発明に係るＳＳＲ制御の第１のフローチャートである。
【図５】本発明に係るＳＳＲ制御の第２のフローチャートである。
【図６】（Ａ）は、主回路内の交流電圧を示すタイムチャートである。
（Ｂ）は、スイッチング信号のタイムチャートである。
【符号の説明】
２ 主回路
５ 固体リレー（ＳＳＲ）
６ 制御電極
８ 制御ユニット
１０ 固定ユニット
１８ 温度センサ
１９ 第２の温度センサ

Claims (5)

1. エネルギー源から負荷へ電力を供給する主電気回路と、
   制御電極を備えると共に前記主電気回路に配設され、スイッチング信号が前記制御電極に付与されるとその状態を変化させるスイッチング手段と、
   前記主電気回路に存在する周期Ｐの実質的に正弦波の信号のゼロクロスを検出するとゼロクロス検出信号を生成するゼロクロス検出器と、
   前記スイッチング手段の前記制御電極に接続され、前記スイッチング信号を前記制御電極に付与すると共に、前記ゼロクロス検出器に接続されて前記ゼロクロス検出信号を受け、かつ、負荷へ供給されるべき電力を示す電力制御信号を受ける手段が設けられた制御ユニットと、を備える固定ユニットを含む再生装置の負荷への電源制御装置であって、
   前記制御ユニットは、前記主回路に存在する前記実質的に正弦波の信号のゼロクロスに対して時間的に周期的に変化する位相角でスイッチング信号を発生する手段を備え、
   前記時間的に周期的に変化する位相角は、該位相角が２つの極限値の間で半周期が経過する毎に一定のステップでステップ状で変化し、一方の極限値に達すると、その時点で存在するステップ値が、次に生成される位相角に対するオフセットとして用いられるように、前記電力制御信号により決定された位相角設定点の周りを変化することを特徴とする電源制御装置。
2. 前記位相角設定点が第１の値から第２の値に変化すると、前記位相角は、半周期が経過する毎に、位相角が前記第２の値に対応する極限値の範囲に入るまで一定のステップでステップ状に適合されることを特徴とする請求項１記載の電源制御装置。
3. 前記負荷は、担体材料にトナー像を固定する固定ユニットであり、
   当該装置は、前記固定ユニットの温度を示す温度信号を生成する温度センサを備え、
   前記電力制御信号は前記固定ユニットの温度に応じて決定されることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 前記装置は、環境温度を示す信号を生成する第２の温度センサを備え、
   前記制御ユニットは、前記第２の温度センサに接続されて環境温度信号を受け取ると共に、該環境温度信号に基づいて前記位相角設定点を補正する手段を備えることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 固定ユニットと、請求項３又は４記載の固定ユニットへの電源制御装置とを備える再生装置。

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