JP5116137B2 - 画像形成装置における定着装置の温度制御方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置における定着装置の温度制御方法と装置に係り、特に定着ローラや定着ベルトを用い、熱と圧力とにより被記録材上に形成されたトナー画像を定着する定着装置における、連続画像形成による温度変動などをＰＩＤ制御により対処できるようにした、画像形成装置における定着装置の温度制御方法と装置に関するものである。

電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置においては、感光体上に形成されて被記録材に転写されたトナー画像を定着するため、一般的に定着ローラや定着ベルトを用いて被記録材を加圧しながら熱を加えてトナー画像を溶融し、定着することが行われている。

このような定着装置においては、ヒータの配熱分布の設定にもよるが、連続画像形成を行うと被記録材に熱が奪われて定着ローラや定着ベルトにおける中央部の温度が低下し、定着不良が発生しやすくなる。これは、特に、定着ローラや定着ベルトの幅に対して狭い幅の被記録材を定着した場合に顕著となる。

そこで、定着ローラや定着ベルトの通紙領域外にサーミスタなどの温度検出センサを設置して温度を測定すると共に、測定結果に基づいてＰＩＤ制御（比例積分微分制御：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）を用い、定着に必要な温度となるようにした画像形成装置が提案されている。しかしながら、一般的にＰＩＤ制御を用いた場合、図９に示したように、制御の応答性を上げる（応答性大）と目標温度に対してのオーバーシュート及びアンダーシュートが大きくなり、応答性を下げる（応答性小）と目標温度（目標値）に到達するまでに時間がかかってしまうという問題がある。これは、定着装置を構成する定着ローラや定着ベルトの熱容量を大きくし、定着装置の温度への影響が小さくなるように設定した場合も応答性を下げた（応答性小）場合と同様である。

そのため例えば特許文献１には、被記録材が定着装置に達すると、画像形成枚数が定着装置の温度を安定させる枚数かどうかを判断し、安定させる枚数に達している場合はＰ制御を禁止してＩＤ制御で、安定させる枚数に達していない場合はＰＩＤ制御によりヒータに与える波数を選択し、定着温度を制御してフリッカーを改善するようにした画像形成装置及び熱定着装置が示されている。

特開２００４−２１２９０５号公報

すなわち、温度制御にＰＩＤ制御を用いると、この特許文献１にも記載されているように、温度を一定に保持する場合に簡単な制御で急激な消費電流の変化を抑制でき、フリッカーを抑制できるという利点がある。

しかしながら、この特許文献１に示された定着装置の温度制御方法では、画像形成枚数により定着装置の温度が安定しているかどうかを判断し、それによってＰＩＤ制御のパラメータを、最初は或る程度応答性が早くなるように、また、温度が安定したら応答性を鈍くなるようパラメータを変化させ、出力変動を少なくしており、このようにすると、温度が安定して応答性を鈍くした段階で間違って用紙が２枚通ってしまった、など、何らかの影響で定着の温度が急激に下がってしまったとき、必要な温度に戻るのに時間が掛かってコールドオフセットが発生してしまう可能性がある。

すなわち、定着装置を構成する定着ローラや定着ベルトの熱容量を小さく設定し、温度制御の応答性を向上させると、定着装置が目標温度に到達するまでの時間は短くなる。しかしその後、目標温度で安定するまでの間、目標温度に対してのオーバーシュート及びアンダーシュートは大きくなる。このため、定着装置の定着ローラや定着ベルトに被記録材が圧接され、定着装置から熱を吸収することで目標温度で安定していた定着装置の温度が低下したときは、速やかに目標温度に再び到達するが、その後、目標温度で安定するまでの間、目標温度に対してのオーバーシュート及びアンダーシュートが発生し、結果として、前記定着装置により圧接されている被記録材に定着されるトナー画像に、ホットオフセットやコールドオフセットなどの定着不良が発生してしまう。

つまり温度制御にＰＩＤ制御を用いた場合、応答性を上げると熱定着手段の温度は目標温度に比較的短時間で到達するが、目標温度で安定するまでの間は大きなオーバーシュート及びアンダーシュートが発生し、ホットオフセットやコールドオフセットなどの定着不良が生じて良好な画像を得ることが難しい。逆に応答性を下げると、今度はＰＩＤ制御にて算出された出力が実際に必要な最適値と大きくずれていた場合、最適値に達するのに時間がかかってしまい、結果的に目標温度到達するまでの間に大きなオーバーシュート及びアンダーシュートが発生し、ホットオフセットやコールドオフセットなどの定着不良で良好な画像を得ることが難しくなる。

そのため、定着制御にＰＩＤ制御を用いる場合、比較的応答性を下げた状態で、実際に必要な最適値になるべく近い値をＰＩＤ制御の出力の初期値に設定するのが望ましい。

しかしながら、目標温度が一定の場合は特に問題ないが、例えば用紙の通紙枚数に応じて定着温度を変更する場合など、目標温度が変化していく場合にはＰＩＤ制御だけでは不十分であり、目標温度と実際の温度に大きな差が生じる時がある。

そのため本発明においては、上記したＰＩＤ制御の特徴に鑑み、コストをかけることなくＰＩＤ制御の利点を有効に活用すると共に、定着ローラや定着ベルトの温度が実際に必要な目標温度と離れている場合でも、ホットオフセットやコールドオフセット等を発生させることなく短時間で目標温度に到達できるようにし、連続画像形成時の定着性を確保できるようにした、画像形成装置における定着装置の温度制御方法と装置を提供することが課題である。

上記課題を解決するため本発明になる画像形成装置における定着装置の温度制御方法は、
電子写真方式で形成したトナー画像を担持した被記録材を、ヒータが配された定着ローラまたは定着ベルトと加圧部材とで加熱、加圧して定着させる定着装置を備え、
前記定着ローラまたは定着ベルトの測定温度に基づき、ＰＩＤ制御により前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御する画像形成装置における定着装置の温度制御方法において、
予め、前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を記憶したテーブルを用意し、
連続画像形成枚数に対応して段階的に変化させて定めた前記定着ローラまたは定着ベルトの目標温度と、前記定着ローラまたは定着ベルトの測定温度との温度差が、設定された温度差範囲内の場合は前記ＰＩＤ制御に基づき、前記温度差範囲を外れた場合は前記温度差に基づいて直接、前記テーブルから対応する前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を選択し、
該通電時間割合により前記ヒータへ通電して、前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御し、
前記目標温度は所定画像形成枚数を超えた場合に一定温度とし、前記ＰＩＤ制御を実施する前記設定温度差範囲を、目標温度が段階的に変化する前記所定画像形成枚数以下の場合と、一定温度とする前記所定画像形成枚数を超えた場合とで異ならせたことを特徴とする。

また、この定着装置の温度制御方法を実施する温度制御装置は、
電子写真方式で形成したトナー画像を担持した被記録材を、ヒータが配された定着ローラまたは定着ベルトと加圧部材とで加熱、加圧して定着させる定着装置と、
該定着装置における定着温度をＰＩＤ制御を用いて制御する定着温度制御手段と、
前記定着ローラまたは定着ベルトの温度を測定する温度測定手段とを有した画像形成装置における定着装置の温度制御装置において、
前記定着温度制御手段は、
前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合パターンを記憶した第１の記憶手段と、
連続画像形成枚数に対応し、段階的に変化させた前記定着ローラまたは定着ベルトの目標温度と、前記温度測定手段により測定した前記定着ローラまたは定着ベルトの測定温度と前記目標温度との温度差が、予め設定された温度差範囲内の場合は前記ＰＩＤ制御に基づき、設定された温度差範囲を外れた場合は前記温度差に基づいて直接、前記通電時間割合パターンを選択するよう構成された選択方法パターンとを記憶した第２の記憶手段とを有し、
前記温度差と前記選択方法パターンとにより前記第１の記憶手段から選択した前記通電時間割合パターンにより、前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を選択し、前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御し、
前記目標温度を所定画像形成枚数を超えた状態で一定温度とし、前記選択方法パターンは、前記予め設定された温度差範囲を、目標温度が前記段階的に変化する状態と一定温度となった状態とで異ならせて構成したことを特徴とする。

このように、目標温度と測定温度との温度差が、予め設定された温度差範囲内の場合はＰＩＤ制御に基づき、設定された温度差範囲を外れた場合は温度差に基づいて直接、通電時間割合パターンを選択するよう構成することで、目標温度と測定温度との温度差が大きい場合（設定温度差範囲外）は、その温度差をＰＩＤ制御より短時間で縮めることのできる通電時間割合を選択することができる。また、目標温度と測定温度との温度差が小さい場合（設定温度差範囲内）は、ＰＩＤ制御により、オーバーシュートやアンダーシュートを生じることなく目標温度に達することができ、簡単な制御で、フリッカーを抑制しながら急激な消費電流の変化も抑制できるという、ＰＩＤ制御の利点を有効に利用することができる。

さらに、前記目標温度と測定温度との温度差が前記設定された温度差範囲を外れたことにより、直接、単位時間当たりの通電時間割合を選択して温度制御した場合、前記温度差が設定された温度差範囲内に入ったとき、前記ＰＩＤ制御に基づき、前記テーブルから前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を選択して前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御することで、例え目標温度と測定温度との温度差が設定された温度差範囲を外れても、オーバーシュートやアンダーシュートを生じることなく目標温度に達することができ、ＰＩＤ制御の利点をより有効に利用することができる。

そして、前記目標温度は所定画像形成枚数を超えた場合に一定温度とし、前記ＰＩＤ制御を実施する前記設定温度差範囲を、目標温度が段階的に変化する前記所定画像形成枚数以下の場合と、一定温度とする前記所定画像形成枚数を超えた場合とで異ならせ、その方法を実施するため、前記目標温度を所定画像形成枚数を超えた状態で一定温度とし、前記選択方法パターンは、前記予め設定された温度差範囲を、目標温度が前記段階的に変化する状態と一定温度となった状態とで異ならせて構成したことで、目標温度が段階的に変化している状態では、その後の画像形成によってさらに目標温度が変化していく可能性があり、応答性が遅いＰＩＤ制御では、目標温度に達するのに時間が掛かる場合があるが、このように段階的に変化する状態と一定温度となった状態とで温度差範囲を異ならせることで、ＰＩＤ制御でも容易に目標温度に到達させることができる。また、目標温度が一定になれば、逆にＰＩＤ制御のみの方が温度を安定させて制御することが可能である。

そのため、前記ＰＩＤ制御を実施する前記設定温度差範囲は、前記目標温度が段階的に変化する前記所定画像形成枚数以下の場合よりも、一定温度とする前記所定画像形成枚数を超えた場合を広く設定し、その方法を実施するため、前記選択方法パターンにおける前記温度差の設定温度範囲を、前記目標温度が段階的に変化する所定画像形成枚数以下の状態よりも、一定温度とする所定画像形成枚数を超えた状態において広く設定することが、本発明の好適な実施形態である。

また、前記選択された単位時間当たりの通電時間割合による前記ヒータへの通電は、交流における半波毎の単位時間当たりの通電波数を制御することで行い、その方法を実施するため、前記定着温度制御手段は、前記定着ローラまたは定着ベルトのヒータに接続された交流電源と、該交流電源の零クロスを検出する零クロス検出手段と、前記交流電源をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング手段と、前記第１の記憶手段から選択された前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合パターンに従い、前記零クロス検出手段が検出した零クロスのタイミンクで前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチング制御手段とで構成することで、非常に簡単な構成で温度制御方法と装置を提供できる。

そして、前記定着ローラまたは定着ベルトの温度を測定する温度測定手段は、前記定着ローラまたは定着ベルトにおける被記録材の非通過領域に設置することで、定着ローラまたは定着ベルトになんら影響を及ぼすことなく、定着ローラまたは定着ベルトの温度を測定することができる。

以上、説明してきたように本発明によれば、コストをかけることなくＰＩＤ制御の利点を有効に活用し、定着ローラや定着ベルトの温度が実際に必要な目標温度と離れている場合でも、ホットオフセットやコールドオフセット等を発生させることなく短時間で目標温度に到達でき、かつ、印字終了後のオーバーシュートも低く抑えて定着部材の耐久性を向上させることができる画像形成装置における定着装置の温度制御方法と装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

最初に、本発明になる画像形成装置における定着装置の温度制御方法と装置の概略を説明すると、本発明においては、電子写真方式で形成したトナー画像を担持した被記録材を、ヒータが配された定着ローラまたは定着ベルトと加圧部材とで加熱、加圧して定着させる定着装置において、予め、連続画像形成枚数に対応し、定着装置を通過する被記録材に奪われる熱量を補充するため段階的に変化させて定めた定着ローラまたは定着ベルトの目標温度と、画像形成時の定着ローラまたは定着ベルトの測定温度と目標温度との温度差が、設定した温度差範囲内の場合はヒータへの通電割合（デューティ比：ＤＵＴＹ）をＰＩＤ制御で算出するよう指定し、その温度差範囲を外れた場合は前記温度差に対応したヒータへの通電割合を直接指定する選択方法パターンと、こうして指定された通電割合でヒータへ通電するため、ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合パターンを記憶した通電時間割合テーブルとを用意する。

画像形成が開始されると、まず、画像形成枚数を計数してその画像形成枚数に対応した目標温度と、定着ローラまたは定着ベルトの実際の温度とから温度差を算出する。そして前記した選択方法パターンから、その温度差が設定した温度差範囲内の場合はＰＩＤ制御を選択し、ＰＩＤ制御によって通電割合（デューティ比：ＤＵＴＹ）を算出して通電時間割合テーブルから通電割合を選択する。一方、前記温度差が設定した温度差範囲を外れている場合、前記した選択方法パターンに温度差に対応した通電割合が直接指定されているから、その通電割合を通電時間割合テーブルから選択し、それぞれ、選択した通電割合で定着ローラまたは定着ベルトに配されたヒータへ通電して温度制御するものである。

なお、温度差が設定した温度差範囲を外れている場合、その温度差に対応した通電割合でヒータへの通電が行われるが、その通電によって定着ローラまたは定着ベルトの測定温度と目標温度の差が、設定した温度差範囲内に入った場合はＰＩＤ制御を実施し、それによって速やかに定着ローラまたは定着ベルトが目標温度となるようにすると共に、オーバーシュートやアンダーシュートが起きないようにしてある。

また、画像形成枚数に対応した目標温度は、所定の画像形成枚数を超えると被記録材に奪われる熱量が一定となるため一定温度とするが、目標温度が段階的に変化している状態では、その後の画像形成によってはさらに目標温度が変化していく可能性があり、応答性が遅いＰＩＤ制御では目標温度に達するのに時間が掛かる場合がある。そのため、選択方法パターンにおけるＰＩＤ制御とする設定温度差範囲を、このように目標温度が段階的に変化する状態と一定温度となった状態とで異ならせ、段階的に変化する状態よりも一定温度となった状態の場合の設定温度差範囲を広くしてある。

このようにすることで、ＰＩＤ制御でも容易に目標温度に到達させることができるし、目標温度が一定になれば、逆にＰＩＤ制御のみの方が温度を安定させて制御することが可能であるから、定着温度の制御を、定着性を損なうことなく行うことができる。また、指定されたヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を実施するためにはいろいろな方法があるが、交流における半波毎の単位時間当たりの通電波数を制御すると、この制御を容易に、コストを掛けずに実施することができる。

以上が本発明になる画像形成装置における定着装置の温度制御方法の概略であるが、続いて、本発明になる定着装置の温度制御装置を適用した、画像形成装置の一例としてのデジタル複写機について説明する。

本発明になる定着装置の温度制御装置を適用したデジタル複写機は、図７に示したように、原稿の画像データを読み取る画像読取部１と、画像読取部１により読み取られた原稿画像データに所定の処理を施して出力画像データを生成する画像処理部２と、画像処理部２からの出力画像データに基づいて被記録材１０に画像を形成して出力する画像出力部３と、当該デジタル複写機による各種ジョブの動作モードを設定するモード設定キーや設定されたジョブを起動するプリントスイッチなどが配置され、前記モード設定キーによる設定情報などが表示されるタッチパネル式の液晶表示部を備えた操作部４などを備えて構成されている。

前記画像読取部１は、原稿が載置される原稿トレイ１２と、原稿トレイ１２に載置された原稿を給紙する原稿給紙部（図示せず）と、原稿給紙部により給紙された原稿の画像を読み取るＣＣＤリニアセンサ（図示せず）などを備えて構成されている。

前記画像出力部３は、前記出力画像データに基づいて感光体６０にトナー画像を形成する画像形成部６と、形成されたトナー画像が転写される被記録材１０を搬送する搬送部７と、前記被記録材１０を、加圧ローラ８ｂと所定温度に加熱された定着装置としての定着ローラ８ａとで圧接搬送することにより、転写された被記録材１０上のトナー画像を加熱溶融して前記被記録材１０に定着させる定着部８、などを備えて構成されている。尚、前記定着ローラ８ａの内部には、当該定着ローラ８ａを加熱するためのヒータが、また、前記定着ローラ８ａの所定の表面部における被記録材の非通過領域には、当該定着ローラ８ａの温度を検出するサーミスタ素子が設置されている。

前記画像形成部６は、感光体６０と、感光体６０の周囲に順に配置され、表面を均一にコロナ帯電する帯電チャージャー６１と、帯電された感光体６０を露光して静電潜像を形成するプリントヘッド６２と、形成された静電潜像にトナーを静電付着させて顕像化する現像部６３と、トナー画像を被記録材１０に転写する転写部（図示せず）と、転写後に残存するトナーを除去するクリーニング部６４と、感光体表面の残留電位を落して均一にする除電ランプ６５とを備えて構成され、現像部６３には、例えばカラー画像を生成可能にシアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色の現像ブロックが配置してある。

前記搬送部７は、夫々サイズの異なる被記録材１０が収容された一般給紙カセット１１ａ、或いは任意に異なるサイズの被記録材１０が設置される手差しカセット１１ｂから、被記録材１０を１枚ずつ搬送する給紙搬送部７ａと、給紙された被記録材１０を転写部に搬送し、トナー画像が転写された被記録材１０を定着部８に向けて搬送する転写搬送部７ｂと、定着部８を通過した被記録材１０をフェースアップで排紙トレイ９に排紙する第一排紙部７ｃと、フェイスダウン方式で排出する第二排紙部７ｄと、前記第二排紙部７ｄを経由して前記画像読取部１に搬送する第三排紙部７ｅと、両面プリント用の再搬送部７ｆなどを備えて構成してあり、夫々に搬送用のローラが設けられている。

上述したデジタル複写機の制御部は、図８に示すように、前記画像読取部１による原稿の読取動作を制御する画像読取制御部１Ａと、前記画像処理部２と、前記画像出力部３を制御する画像出力制御部３Ａと、前記操作部４の入出力信号を制御する操作制御部４Ａと、上述の各制御ブロック１Ａ、２、３Ａ、４Ａのタイミングを制御して複写動作などの実行を管理するシステム制御部５とを備えて構成してあり、各制御ブロック１Ａ、２、３Ａ、４Ａ、５には、夫々ＣＰＵ及びＣＰＵによる動作プログラムが格納されたＲＯＭなどが設けられている。

前記画像読取制御部１Ａは、原稿給紙部１０１を駆動して原稿トレイ１２に載置された原稿を給紙するとともに、ＣＣＤリニアセンサ１０２により読み取られた原稿画像に対応するアナログ信号を、Ａ／Ｄ変換手段１０３によってデジタルデータに変換し、所定の変換テーブルが設けられた入力画像処理手段１０４によりシェーディング補正して、Ｙ補正するように構成してある。

前記画像処理部２は、入力画像処理手段１０４から出力された画像データに対して空間フィルタ処理、中間調処理、拡縮処理などを施して出力画像データを生成する画像処理手段２０１と、画像処理手段２０１からの出力画像データを、プリントヘッド６２に対する駆動信号に変換するデータ変換手段２０２などを備えて構成され、変換された駆動信号がプリントヘッド６２の駆動回路に出力されるように構成されている。

上述のデジタル複写機では、原稿トレイ１２に原稿を載置し、操作部４に複写枚数、被記録材サイズ、複写倍率などのモード設定キーを適切に設定操作した後にプリントスイッチを押圧操作することにより複写動作が開始される。即ち、システム制御部５は、画像読取制御部１Ａに原稿画像の読取りコマンドを出力して、画像処理部２に読取られた画像データに基づいた出力画像の生成コマンドを出力し、画像出力制御部３Ａに画像出カコマンドを出力する。画像出力制御部３Ａは、搬送部７を駆動して一般給紙カセット１１ａ或いは手差しカセット１１ｂから被記録材１０を搬送させた後に、所定のタイミングで画像出力制御部３Ａに画像データ出力コマンドを出力してプリントヘッド６２を駆動する。プリントヘッド６２により露光された感光体６０に、現像部６３によりトナー画像が形成されると、そのトナー画像は被記録材１０に転写されて定着部８で定着処理された後、機外に排出される。

なお、ここに示したデジタル複写機は画像形成装置の一例であり、前記したように画像形成装置には、プリンタ、ファクシミリ、それらや複写機との複合機など、種々の形態があり、また、以上説明してきたカラー画像形成装置だけでなく、モノクロの画像形成装置などもあって、いずれの形態の画像形成装置にも本発明を適用できることは自明である。

このように構成されたデジタル複写機において、被記録材１０上に形成されたトナー画像を熱定着する定着装置８は、図１に概略断面図と制御ブロック図を示したように、内部に熱源としてのハロゲンヒータ８ｃを備えた定着ローラ８ａと、図示していない加圧手段により定着ローラ８ａに圧接された加圧ローラ８ｂとで構成されている。そして定着ローラ８ａの表面温度は、定着ローラ８ａの非通紙領域に配された温度検出手段であるサーミスタ素子８１で検出され、温度制御装置８０がこの検出した温度とゼロクロス検出器８５からの信号に基づき、スイッチング制御装置８２によってスイッチング素子８３を制御して、交流電源８４のハロゲンヒータ８ｃへの通電割合を制御することで定着ローラ８ａの表面温度を制御するようになっている。

なお、以下の説明では、定着装置８として、内部に熱源としてのハロゲンヒータ８ｃを備えた定着ローラ８ａと加圧ローラ８ｂを備えた場合を例に説明するが、定着ベルトやその他のヒータを用いた定着装置においても全く同様に本発明を適用できる。

スイッチング制御装置８２は、後述する温度制御装置８０からの制御信号を受け、スイッチング素子８３に対して交流電源８４からの交流電力の供給をＯＮ／ＯＦＦする信号を出力する。スイッチング素子８３は、ハロゲンヒータ８ｃへの交流電力の供給を切り替えるトライアック等からなるものであり、スイッチング制御装置８２から出力されたＯＮ／ＯＦＦ信号を受信することにより、ハロゲンヒータ８ｃへの交流電力の供給のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

ゼロクロス検出器８５は、ハロゲンヒータ８ｃと交流電源８４とを接続する電源ケーブル上に配置されており、交流電源８４から供給される交流電力のゼロクロスを検出して、検出されたゼロクロス検出信号を後述する温度制御装置８０へ出力する。サーミスタ素子８１は、定着ローラ８ａの表面温度を検出する温度センサーであり、検出された温度検出信号を後述する温度制御装置８０へ出力する。

図２は、図１に示した温度制御装置８０のブロック図である。温度制御装置８０は、連続画像形成時間を測定するタイマー２６が接続された温度制御のためのＣＰＵ２０と、そのＣＰＵ２０にバス２７により通信可能に接続された、ハロゲンヒータ８ｃへの通電割合である電力出力パターンが記憶されたパターンメモリ２１、サーミスタ素子８１が検出した温度や、ハロゲンヒータ８ｃへの電力供給のために算出したデューティ比、画像形成枚数に対する定着ローラや定着ベルトの目標温度、目標温度と検知温度との差、後記する表１乃至３に示された通電割合の選択方法パターンなどが記憶されたデータメモリ２２、サーミスタ素子８１からの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２３、ＰＩＤ温度制御プログラム（後記する数式）が格納されているプログラムメモリ２５、インターフェイス（Ｉ／Ｆ）２４などで構成されている。さらに温度制御装置８０は、インターフェイス２４を介してゼロクロス検出器８５、スイッチング制御装置８２と通信可能に接続されている。

パターンメモリ２１には、一例を図４に示したように、ハロゲンヒータ８ｃに対して電力を供給するための供給信号（「１」で示されている）、及び電力を遮断するための遮断信号（「０」で示されている）が所定の信号総数の下で配列された、ハロゲンヒータ８ｃへの通電割合である電力出力パターンが記憶されている。

この図４の例の電力出力パターンは、ハロゲンヒータ８ｃに５％刻みのデューティ比（ＤＵＴＹ）で電力を供給できるよう、交流電力１０周期（交流半波２０周期分、５０Ｈｚの場合２００ｍｓｅｃ）をそれぞれ該当するデューティ比となるようパターン化したものである。図中、最も左側の列のローマ数字はパターン番号、ＤＵＴＹはデューティ比、点灯回数は交流電力１０周期中におけるハロゲンヒータ８ｃへの通電回数、点灯パターンは「１」が点灯（通電）、「０」が遮断を表していて、点灯が周期的に行われるよう構成されている。

再度図２に戻って、データメモリ２２には、定められた時間毎にサーミスタ素子８１により検出され、Ａ／Ｄ変換器２３によりアナログ／デジタル変換された定着ローラ８ａの温度が、時系列に複数個（少なくとも今回、前回、前々回の３つ）と、前回のデューティ（ＤＵＴＹ）比、今回、前回、前々回における目標温度と検知温度との差に対するデューティ比などの各固定値が記憶されている。

本発明においては、前記したように定着ローラ８ａの目標温度Ｔ_ｍは連続画像形成枚数に対応し、被記録材に奪われる熱量を補充するため図５に示したように段階的に変化させているが、ある目標温度に達すると、被記録材が奪っていく熱量とハロゲンヒータ８ｃにより供給する熱量が釣り合うため、それ以後は目標とする温度Ｔ_ｍも一定温度としている。なお、この図５において、横軸は時間（画像形成枚数）、縦軸は目標温度Ｔ_ｍであり、「Ｒｅａｄｙ制御」は画像形成前、または画像形成後の画像形成がなされていないときであり、時間（画像形成枚数）の経過により、段階的に上昇した目標温度Ｔ_ｍが、所定時間（画像形成枚数）経過後は一定温度となっている。

また、この目標温度Ｔ_ｍと、サーミスタ素子８１が検出した定着ローラ８ａの温度Ｔとの温度差に相当する熱量補充のため、図４に示した電力出力パターンによって、ハロゲンヒータ８ｃに通電するわけであるが、この電力出力パターンにおけるどの通電割合（ＤＵＴＹ）を選択するかは、前記したように上記温度差によって選択方法を異ならせている。

すなわち、目標温度Ｔ_ｍと、サーミスタ素子８１が検出した定着ローラ８ａの温度Ｔとの温度差が、設定した温度差範囲内の場合はＰＩＤ制御により通電割合（ＤＵＴＹ）を算出し、その算出したＤＵＴＹによって図４に示した電力出力パターンから対応するＤＵＴＹの電力出力パターンを選択する。それに対し、その温度差範囲を外れた場合は、温度差に対応した通電割合（ＤＵＴＹ）が直接指定され、その指定された通電割合（ＤＵＴＹ）によって図４に示した電力出力パターンから、対応するＤＵＴＹの電力出力パターンが選択される。

これを行うための例を示したのが表１乃至３の選択方法パターンである。この表１乃至３に示した表において、Ｔはサーミスタ素子８１により検出した定着ローラ８ａの温度、Ｔ_ｍは目標温度である。表の最左欄は、この検出温度Ｔが目標温度Ｔ_ｍに対して有する温度差の範囲を表し、「目標温度変化中」とした欄は、前記図５における画像形成枚数に対して段階的に目標温度Ｔ_ｍが変化している場合に、前記図４に示した電力出力パターンからＤＵＴＹ（通電割合）を選択する方法を示し、「目標温度一定後」とした欄は、同じく前記図５における画像形成枚数に対して目標温度Ｔ_ｍが一定となった場合に、前記図４に示した電力出力パターンからＤＵＴＹ（通電割合）を選択する方法を示している。

まず表１であるが、この表１の場合は、「目標温度変化中」は目標温度Ｔ_ｍに対して定着ローラ８ａの温度Ｔがある一定以上高くても低くても固定値を出力するようにしており、最上段における（Ｔ＜Ｔ_ｍ−１０℃）は、サーミスタ素子８１により検出した定着ローラ８ａの温度Ｔが目標温度Ｔ_ｍより１０℃以上小さい場合で、この場合は、「目標温度変化中」は図４における「i」のＤＵＴＹ（通電割合）１００％が選択され、「目標温度一定後」も同じく図４における「i」のＤＵＴＹ（通電割合）１００％が選択される。

次段の（Ｔ_ｍ−１０℃≦Ｔ＜Ｔ_ｍ−５℃）では、サーミスタ素子８１により検出した定着ローラ８ａの温度Ｔが、目標温度Ｔ_ｍに対して５℃以上小さく１０℃以上大きい場合で、「目標温度変化中」は図４における「v」のＤＵＴＹ（通電割合）８０％の点灯回数１６回が選択され、「目標温度一定後」も同じく図４における「v」のＤＵＴＹ（通電割合）８０％の点灯回数１６回が選択されているが、次の３段目の（Ｔ_ｍ−５℃≦Ｔ＜Ｔ_ｍ−２℃）では、温度差の範囲が狭いため、「目標温度変化中」は図４における「ix」のＤＵＴＹ（通電割合）６０％の点灯回数１２回が選択され、「目標温度一定後」は、ＰＩＤ制御が選択されている。

そのためこの場合は、「目標温度変化中」は図４における「ix」のＤＵＴＹ（通電割合）６０％の点灯回数１２回が直接選択されるが、「目標温度一定後」は、ＰＩＤ制御により必要なＤＵＴＹ（通電割合）が算出され、その算出結果に基づいて図４から対応するＤＵＴＹが選択される。

以下、４段目の（Ｔ_ｍ−２℃≦Ｔ＜Ｔ_ｍ＋３℃）では、さらに温度差の範囲が狭いため、「目標温度変化中」も「目標温度一定後」もＰＩＤ制御が選択され、また５段目の（Ｔ_ｍ＋３℃≦Ｔ）では、「目標温度変化中」はＤＵＴＹ０％が選択されて通電が全くされず、「目標温度一定後」のみ、ＰＩＤ制御が選択されており、このように、「目標温度一定後」は、「目標温度一定後」よりも広い温度差の範囲でＰＩＤ制御が選択されるようになっている。

次の表２、表３も全く同様に目標温度Ｔ_ｍと定着ローラ８ａの温度Ｔとの温度差に基づいてＤＵＴＹを直接、またはＰＩＤ制御で選択しているが、表２では、「目標温度変化中」は、目標温度Ｔ_ｍに対して定着ローラ８ａの温度Ｔがある一定以上低い場合にのみ固定値を出力するようにしており、また表３においては、一定値になった後は全温度差領域でＰＩＤ制御によりＤＵＴＹを算出して選択するようにしている。

再度図２に戻って、ＰＩＤ温度制御プログラムが格納されているプログラムメモリ２５には、ＣＰＵ２０によって読み出され、演算処理されることにより温度制御を実現するための下記式からなるＰＩＤ温度制御プログラムが格納されている。今、例えば２００ｍｓｅｃ毎に定着ローラ８ａの温度がサーミスタ素子８１により測定され、Ａ／Ｄ変換器２３を介してその検知温度が送られて来るとして、目標温度とこの検知温度を
Ｔ_ｍ ： 目標温度
Ｔ_ｎ ： 今回の検知温度
Ｔ_ｎ−１ ： 前回の検知温度
Ｔ_ｎ−２ ： 前々回の検知温度
とし、
Ｅ_ｎ ： 今回の偏差
Ｅ_ｎ−１ ： 前回の偏差
Ｅ_ｎ−２ ： 前々回の偏差
とすると
Ｅ_ｎ＝Ｔ_ｍ−Ｔ_ｎ ………………………………（１）
Ｅ_ｎ−１＝Ｔ_ｍ−Ｔ_ｎ−１ ………………………………（２）
Ｅ_ｎ−２＝Ｔ_ｍ−Ｔ_ｎ−２ ………………………………（３）
である。

そこで、
Ｋ_ｐ ： ＰＩＤ演算の比例定数
Ｋ_ｉ ： ＰＩＤ演算の積分定数
Ｋ_ｄ ： ＰＩＤ演算の微分定数
ΔＭＶ ： 今回のＤＵＴＹ変更差分
とし、前記（１）、（２）、（３）式を用いて今回のＤＵＴＹ変更差分ΔＭＶを算出する式は下記（４）式となる。
ΔＭＶ＝Ｋ_ｐ＊（Ｅ_ｎ−Ｅ_ｎ−１）＋Ｋ_ｉ＊Ｅ_ｎ＋Ｋ_ｄ＊｛（Ｅ_ｎ−Ｅ_ｎ−１）−（Ｅ_ｎ−１−Ｅ_ｎ−２）｝
………………………………（４）

そのため、
Ｉ_ｎ ： 今回のＤＵＴＹ
Ｉ_ｎ−１ ： 前回のＤＵＴＹ
とすると、今回のＤＵＴＹは、次の（５）式で算出できる。
Ｉ_ｎ＝Ｉ_ｎ−１＋ΔＭＶ［％］ ………………………………（５）
従ってこの（５）式を用い、前記表１乃至表３においてＰＩＤ制御として示した部分のＤＵＴＹを算出するわけである。

このようにしてＰＩＤ制御により算出するか、あるいは表１乃至表３において直接指定して、前記図４の電力出力パターンから通電割合（ＤＵＴＹ）が選択されるが、この選択した通電割合（ＤＵＴＹ）によるハロゲンヒータ８ｃへの通電割合制御につき、図１、図２、図６を用いて説明する。

図６における（ａ）は、交流電流における１デューティの波形とゼロクロスポイント、及び交流半波を説明するための図で、（ｂ）は一例としてデューティ比５０％のときに出力される交流電流波形を示した図である。すなわち本発明においては、図１または図２におけるゼロクロス検出器８５がこのゼロクロスポイントＰｚを検出し、例えばデューティ比５０％のときは図６（ｂ）に示したように、交流半波Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５、……、Ｗ１７、Ｗ１９をハロゲンヒータ８ｃに出力し（ＯＮ）、交流半波Ｗ２、Ｗ４、……、Ｗ１８、Ｗ２０は出力しない（ＯＦＦ）ようにすることで、５０％のデューティ比を得るわけである。

図２におけるＣＰＵ２０は定着装置の全体を統括的に制御し、温度制御装置８０の中枢的役割を果たす。そしてＣＰＵ２０は、サーミスタ素子８１、Ａ／Ｄ変換器２３を介して時系列に検出された定着ローラ８ａの複数の表面温度（検出温度）と、前回算出された通電割合、及び目標温度から算出された通電割合により、プログラムメモリ２５に格納されたＰＩＤ温度制御プログラムに従い、あるいは表１乃至３の選択方法パターンに指定された電力出力パターンを図４に示した電力出力パターンから選択する。

そしてＣＰＵ２０は、バス１７、インターフェイス２４を介してゼロクロス検出器８５から送られるゼロクロスポイントＰｚの検出結果により、インターフェイス２４、バス１７を介してスイッチング制御装置８２に指示し、前記したＰＩＤ制御により算出するか、あるいは表１乃至表３において直接指定して選択された、前記図４の電力出力パターンにおける供給信号「１」と遮断信号「０」に従い、対応するゼロクロスポイントＰｚ毎にトライアックなどで構成されたスイッチング素子８３をＯＮ／ＯＦＦさせ、交流電流における所定の周期、例えば１０周期分（交流半波に換算すると２０周期分、５０Ｈｚの場合２００ｍｓｅｃ）を１デューティとし、所定の交流半波数をハロゲンヒータ８ｃに出力するよう制御する。

このようにして定着ローラ８ａに内蔵されたハロゲンヒータ８ｃが制御されるわけであるが、次にこの図２を参酌しながら図３に示したフロー図により、本発明になる画像形成装置における定着装置の温度制御方法をさらに詳細に説明する。

いま、図３におけるステップＳ１１でＣＰＵ２０により画像形成が開始されると、ステップＳ１２で画像形成枚数のカウントが開始される。そしてステップＳ１３でこのカウント値がＣＰＵ２０に取得され、ステップＳ１４でＣＰＵ２０がデータメモリ１１に予め記録されている目標温度（定着温度）Ｔ_ｍを読み出し、画像形成枚数と共に目標温度（定着温度）を変化させ、最終的に一定値となるように制御する。

そして読み出された目標温度Ｔ_ｍは、次のステップＳ１５でサーミスタ素子８１により測定されてＡ／Ｄ変換器２３を介して送られてきた、定着ローラ温度Ｔとの差分がステップＳ１６で算出され、次のステップＳ１７で先に取得した画像形成枚数が、目標温度Ｔ_ｍを一定温度とする枚数かどうかが判断される。

そして、この判断で目標温度Ｔ_ｍを一定温度とする画像形成枚数の場合は、ステップＳ１６で算出された目標温度Ｔ_ｍと定着ローラ温度Ｔとの差に対応する、前記データメモリ２２に格納されている前記通電割合選択方法パターン表１乃至表３の「目標温度一定後」の通電割合選択方法が取得される。また、目標温度Ｔ_ｍが一定温度となっていない画像形成枚数の場合は、ステップＳ１６で算出された目標温度Ｔ_ｍと定着ローラ温度Ｔとの差に対応する、前記データメモリ２２に格納されている前記通電割合選択方法パターンの表１乃至表３の「目標温度変化中」の通電割合選択方法が取得される。

そして次のステップＳ２０で、デューティ比選択がＰＩＤ制御によるか否かが判断され、ＰＩＤ制御による場合はステップＳ２１に進んで前記（４）、（５）式によるＰＩＤ制御でのデューティ比算出が行われ、ＰＩＤ制御によらない場合は直接ステップＳ２２に進み、通電割合パターンメモリ２１からステップＳ２１で算出されたか、通電割合選択方法パターンで指定されたデューティ比の電力出力パターンが選択され、ステップＳ２３で選択されたデューティ比の電力出力パターンによる温度制御が行われる。

そして、ステップＳ２４で画像形成が続けられるか否かが判断され、続けられる場合はステップＳ１２に戻り、続けない場合はステップＳ２５に進んで処理を終了する。

このようにして、目標温度と測定温度との温度差が予め設定された温度差範囲内の場合はＰＩＤ制御に基づき、設定された温度差範囲を外れた場合は温度差に基づいて直接、通電時間割合パターンを選択してハロゲンヒータ８ｃを加熱することで、目標温度と測定温度との温度差が大きい場合（設定温度差範囲外）は、その温度差をＰＩＤ制御より短時間で縮めることのできる通電時間割合を選択することができる。また、目標温度と測定温度との温度差が小さい場合（設定温度差範囲内）は、ＰＩＤ制御によってオーバーシュートやアンダーシュートを生じることなく目標温度に達することができ、簡単な制御で、フリッカーを抑制しながら急激な消費電流の変化も抑制できるという、ＰＩＤ制御の利点を有効に利用することができる。

本発明によれば、定着ローラまたは定着ベルトの温度を、ホットオフセットやコールドオフセット等を発生させることなく短時間で、コストを掛けることなく制御することができ、常に問題のない定着画像を提供できる画像形成装置を提供することができる。

本発明になる温度制御装置を適用した画像形成装置における定着装置の概略断面図と制御ブロック図である。 温度制御装置のブロック図である。 画像形成装置における定着装置の温度制御方法のフロー図である。 温度制御のための通電割合を示す電力出力パターンである。 画像形成枚数と定着ローラや定着ベルトの目標温度との関係を示したグラフである。 （ａ）は交流電流における１デューティの波形と、ゼロクロスポイント、及び交流半波を説明するための図で、（ｂ）は一例としてデューティ比５０％のときに出力される交流電流波形を示した図である。 本発明になる温度制御装置を適用した画像形成装置の一例の概略断面図である。 本発明になる温度制御装置を適用した画像形成装置の一例の回路ブロック図である。 定着装置の定着ローラや定着ベルトの温度制御をＰＩＤ制御を用いて行った場合に、制御の応答性によって目標温度（目標値）に到達するまでにかかる時間を説明するための図である。

符号の説明

２０ ＣＰＵ
２１ パターンメモリ
２２ データメモリ
２３ Ａ／Ｄ変換器
２４ インターフェイス
２５ プログラムメモリ
２６ タイマー
２７ バス
８０ 温度制御装置
８１ サーミスタ素子
８２ スイッチング制御装置
８３ スイッチング素子
８４ 交流電源
８５ ゼロクロス検出器

Claims (8)

1. 電子写真方式で形成したトナー画像を担持した被記録材を、ヒータが配された定着ローラまたは定着ベルトと加圧部材とで加熱、加圧して定着させる定着装置を備え、
   前記定着ローラまたは定着ベルトの測定温度に基づき、ＰＩＤ制御により前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御する画像形成装置における定着装置の温度制御方法において、
   予め、前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を記憶したテーブルを用意し、
   連続画像形成枚数に対応して段階的に変化させて定めた前記定着ローラまたは定着ベルトの目標温度と、前記定着ローラまたは定着ベルトの測定温度との温度差が、設定された温度差範囲内の場合は前記ＰＩＤ制御に基づき、前記温度差範囲を外れた場合は前記温度差に基づいて直接、前記テーブルから対応する前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を選択し、
   該通電時間割合により前記ヒータへ通電して、前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御し、
   前記目標温度は所定画像形成枚数を超えた場合に一定温度とし、前記ＰＩＤ制御を実施する前記設定温度差範囲を、目標温度が段階的に変化する前記所定画像形成枚数以下の場合と、一定温度とする前記所定画像形成枚数を超えた場合とで異ならせたことを特徴とする画像形成装置における定着装置の温度制御方法。
2. 前記目標温度と測定温度との温度差が前記設定された温度差範囲を外れたことにより、直接、単位時間当たりの通電時間割合を選択して温度制御した場合、前記温度差が設定された温度差範囲内に入ったとき、前記ＰＩＤ制御に基づき、前記テーブルから前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を選択して前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御することを特徴とする請求項１に記載した画像形成装置における定着装置の温度制御方法。
3. 前記ＰＩＤ制御を実施する前記設定温度差範囲は、前記目標温度が段階的に変化する前記所定画像形成枚数以下の場合よりも、一定温度とする前記所定画像形成枚数を超えた場合を広く設定したことを特徴とする請求項１に記載した画像形成装置における定着装置の温度制御方法。
4. 前記選択された単位時間当たりの通電時間割合による前記ヒータへの通電は、交流における半波毎の単位時間当たりの通電波数を制御することで行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載した画像形成装置における定着装置の温度制御方法。
5. 電子写真方式で形成したトナー画像を担持した被記録材を、ヒータが配された定着ローラまたは定着ベルトと加圧部材とで加熱、加圧して定着させる定着装置と、
   該定着装置における定着温度をＰＩＤ制御を用いて制御する定着温度制御手段と、
   前記定着ローラまたは定着ベルトの温度を測定する温度測定手段とを有した画像形成装置における定着装置の温度制御装置において、
   前記定着温度制御手段は、
   前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合パターンを記憶した第１の記憶手段と、
   連続画像形成枚数に対応し、段階的に変化させた前記定着ローラまたは定着ベルトの目標温度と、前記温度測定手段により測定した前記定着ローラまたは定着ベルトの測定温度と前記目標温度との温度差が、予め設定された温度差範囲内の場合は前記ＰＩＤ制御に基づき、設定された温度差範囲を外れた場合は前記温度差に基づいて直接、前記通電時間割合パターンを選択するよう構成された選択方法パターンとを記憶した第２の記憶手段とを有し、
   前記温度差と前記選択方法パターンとにより前記第１の記憶手段から選択した前記通電時間割合パターンにより、前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合を選択し、前記定着ローラまたは定着ベルトを目標温度となるよう制御し、
   前記目標温度を所定画像形成枚数を超えた状態で一定温度とし、前記選択方法パターンは、前記予め設定された温度差範囲を、目標温度が前記段階的に変化する状態と一定温度となった状態とで異ならせて構成したことを特徴とする画像形成装置における定着装置の温度制御装置。
6. 前記選択方法パターンにおける前記温度差の設定温度範囲を、前記目標温度が段階的に変化する所定画像形成枚数以下の状態よりも、一定温度とする所定画像形成枚数を超えた状態において広く設定したことを特徴とする請求項５に記載した画像形成装置における定着装置の温度制御装置。
7. 前記定着温度制御手段は、前記定着ローラまたは定着ベルトのヒータに接続された交流電源と、該交流電源の零クロスを検出する零クロス検出手段と、前記交流電源をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング手段と、前記第１の記憶手段から選択された前記ヒータへの単位時間当たりの通電時間割合パターンに従い、前記零クロス検出手段が検出した零クロスのタイミンクで前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦさせるスイッチング制御手段とで構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載した画像形成装置における定着装置の温度制御装置。
8. 前記定着ローラまたは定着ベルトの温度を測定する温度測定手段は、前記定着ローラまたは定着ベルトにおける被記録材の非通過領域に設置することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載した画像形成装置における定着装置の温度制御装置。

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