JP5370930B2 - ヒータ装置、画像形成装置、ヒータ制御方法、プログラム及び記録媒体 - Google Patents
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Description
低温状態でより大きくなる突入電流により起きることが知られているこのフリッカは、例えば、トナー画像を用紙に加熱定着させる際の定着用のヒータとして用いるMFP(複合機)、コピー機、プリンタ等の画像形成装置においては、定着温度へ影響を及ぼすほか、電源を共通にする照明ランプ等のデバイスに悪影響を及ぼす場合がある。
画像形成装置では、動作モードによって定着用のヒータの消費電流値が違うために、動作モードを変更すると上記基準電圧値も変わってくる。従って、消費電流の大きい動作時には、電源電圧のドロップ量が大きく、平均電源電圧値は低くなり、消費電流の小さい動作時には、電源電圧のドロップ量は小さく、平均電源電圧値は大きくなる傾向がある。
画像形成装置では、定着用のヒータで生じるフリッカの値が規定値以下になるように、主に定着ヒータの点灯制御を中心に装置の電源システムに対して様々な対策を講じることで、フリッカ基準電圧値に対して電圧変動を小さく抑えるようにしている。
本発明の目的は、AC電源からの給電のON/OFFにより点灯が制御されるヒータにおいて、ヒータの電源ラインの電圧変動により生じるフリッカを低減するための上記従来技術よりも有効にフリッカを低減することにある。
本発明は、AC電源、前記AC電源からの給電によって点灯されるヒータ及び前記ヒータへの給電を制御する点灯制御手段を有するヒータ装置におけるヒータ制御方法であって、前記ヒータへの入力電圧を検知する電圧検知工程と、前記電圧検知工程で検知した検知電圧をもとに前記ヒータの点灯時に無負荷時の電源電圧からの降下分に当たる電圧ドロップ量を所定期間計測する電圧ドロップ計測工程と、前記電圧ドロップ計測工程で得られる計測値の平均値に基づいてフリッカ評価用基準電圧を生成する基準電圧生成工程と、前記基準電圧生成工程で生成されたフリッカ評価用基準電圧を目標値として前記ヒータへの給電を制御する工程とを有することを特徴とする。
以下には、画像形成装置に用いられる、トナー画像を用紙に加熱定着させる定着用のヒータ装置(以下「定着ヒータ」という)を実施形態とする例を示す。
そこで、先ず、実施形態として示す画像形成装置の概略を説明する。
図1は、本発明のヒータ装置を定着ヒータとして搭載する画像形成装置の1例を示す概略図である。同図を参照して画像形成装置200の概略を以下に説明する。なお、後記で詳述する定着ヒータに係る構成を除く画像形成装置200の構成要素は、既存の要素を用いて構成することにより実施することができる。
画像形成装置200は、原稿を読み取る読み取りユニット120、画像を形成する画像形成部130、自動原稿搬送装置(以下、「ADF」という)150、ADF150から送り出される原稿を積載する原稿排紙トレイ163、給紙カセット135〜138を備える給紙部140、記録用紙(記録部材)9を積載する排紙部(排紙トレイ)133を有する。
読み取りユニット120は、コンタクトガラス164上の原稿Dを照明する露光ランプ131、原稿画像を結像する光学系160等を有し、光学系160は、第1ミラー171、原稿画像を結像させるレンズ172、CCD161等を有している。
画像読み取り終了後、原稿Dは、原稿搬送ベルト165の回転により矢印B2方向へ搬送して原稿排紙トレイ163上へ排出される。このように、原稿Dは、1枚ずつコンタクトガラス164上へ給送して原稿画像が読み取りユニット120によって読み取られる。
読み取りユニット120の図示しない画像処理部は、CCD161が出力するアナログ画像信号をもとにデジタル画像データを生成する。この画像処理は、アナログ画像信号をA/Dコンバータによりデジタルの画像データに変換し、さらにシェーディング補正、MTF補正、ガンマ補正等を画像データに施す。これらの処理が施された画像データは、一旦図示しないHDD(Hard Disk Drive)等に記憶される。
レーザ光Lは、副走査(回転)される帯電させた感光体144の表面をライン単位で周期的に主走査露光し、これによって感光体144の表面に静電潜像を形成する。この静電潜像は、現像装置142を通るときトナーを吸着することで現像され、現像されたトナー画像は、対向する転写装置145によって感光体144と転写装置145の間に給送された記録用紙9に転写される。トナー画像を転写した後の感光体144表面は、クリーニング装置148によって清掃する。
トナー画像が転写された記録用紙9は、次にトナー画像を用紙へ定着するために、図中矢印B4で示すように定着ユニット110に通される。このとき、定着ユニット110では、定着ヒータとしてのハロゲンヒータ(後記、図2、参照)によって温められる定着ローラ110rが記録用紙9に圧接し、熱と圧力の作用によって記録用紙9の表面に転写されたトナー像の定着を行う。
定着ユニット110を通った記録用紙9は、排出ローラ対134によって搬送され、図中矢印B5で示すように排紙トレイ133へ排出、積載される。
また、図示した画像形成装置200は、画像形成装置の1態様として複写機を例にしたが、本発明のヒータ装置を定着ヒータとして搭載するプリンタ、ファクシミリ或いはプリンタ、ファクシミリ、スキャナ等の機能を複合させたMFP(Multifunction Peripheral)等の画像形成装置においても同様に実施することができる。
図1に例示したような画像形成装置の定着ユニット110で用いる定着ヒータの点灯用の電源には、普通AC電源が用いられる。AC電源からの給電のON/OFFにより点灯が制御される定着ヒータとしてのハロゲンヒータにおいて、ヒータの電源ラインの電圧変動により生じるフリッカを点灯制御により低減するため、従来では、例えば実機評価で得た1つのフリッカ基準電圧値を固定の目標値として、この目標値から許容される所定電圧ドロップ量の範囲に電圧変動を抑える方法によっていた(上記[発明が解決しようとする課題]、参照)。従って、機器の動作モードの変更で定着ヒータの電力が変わり、入力電源ラインに生じる平均電圧が変化すると、この変化に適応し切れずにフリッカが発生する問題が生じてしまう。
上記の制御方法を実施するために、基本的には次の(1)〜(4)の過程を必要とする。
(1)定着ヒータへの入力電圧を検知する過程
(2)上記(1)で検知された入力電圧をもとに、定着ヒータの点灯時に無負荷時の電源電圧からの降下分に当たる電圧ドロップ量ΔVを所定期間計測する過程
(3)上記(2)で得られる電圧ドロップ量の計測値ΔVの平均値ΔVrefに基づいてフリッカ評価用基準電圧Vrefを生成する過程
(4)上記(3)で生成されたフリッカ評価用基準電圧を目標値としてソフトスタートにより点灯電力を制御する過程
ただ、上記(1)〜(4)の過程を経て、電源ラインの電圧が安定するまでに数分程度の時間を要するような機器条件であれば、ユーザーが処理を要求して行う操作時に行わずに、電源ON時における初期化に合わせるか、或いは省電力モードの動作を行う機器においては省電力モードからの復帰時等のタイミングで実行してもよい。
また、上記のいずれかのタイミングで実行する場合にも、電源ラインの入力電圧を検知する手段(後記、図2の電圧検知回路55、参照)を有しているので、定着ヒータの点灯中に実際にこの電圧を検知し、検知結果にフリッカ評価用基準電圧の再設定が必要な変化が認められる場合だけ、上記(1)〜(4)の過程を行わせるようにすることができる。
図2は、定着ヒータとその制御回路に係るハードウェア構成を示すブロック図である。
同図に示すように、画像形成装置(図1、参照)の定着ユニット110は、定着ヒータとしてハロゲンヒータ111を有する。
ハロゲンヒータ111へ電力を供給する電源は、AC電源70で商用電源を用いることができる。AC電源70からの電源は、フィルタ51を介して定着ユニット110と制御基板10に供給する。
定着ユニット110のハロゲンヒータ111への電源ラインには、電磁リレー53とトライアック115を設ける。
トライアック115は、AC電源70から供給される電源を制御基板10の後述するCPU11からの制御信号によってON/OFFし、ハロゲンヒータ111を点灯する電力を制御する。なお、電磁リレー53は、画像形成装置の筐体に設けたドアの開閉に応動するスイッチ65によってハロゲンヒータ111への電源ラインを断続する、即ち、ドアを開くとハロゲンヒータ111への電源供給を切断する動作を行う。
また、リレー及びトライアックは、定着温度を保つためにもON/OFF制御される。トナー画像を形成した記録用紙は、ハロゲンヒータ111によって温められる定着ローラ110r(図1、参照)を介して加熱されるので、定着ローラの温度をサーミスタ113やサーモパイル等の温度検知素子を用いて温度を検知し、この定着温度の検知信号をCPU11に入力する。
DDC57のVcc端子からの出力は、制御基板10のCPU11に入力する。
CPU11は、この画像形成装置の各部の制御を行うコントローラとして機能する。制御基板10には、図示しないが、CPU11がコントローラとして機能するために必要なプログラムやデータ等を記憶するためのROM(Read Only Memory)、処理を実行する際にワークエリア等として用いるRAM(Random Access Memory)などを実装している。
CPU11は、RAMをワークメモリとして用いることにより、ROM等に格納されたソフトウェア(プログラム)を動作させ、これらの要素で構成するコンピュータをコントローラとして機能させる。このコンピュータは、本実施形態では、フリッカ評価用基準電圧Vrefの生成に係る処理及びVrefを目標値とする点灯制御を実行するためのプログラムを動作させることにより、これらの処理・制御手段として機能する。
〈ソフトウェア構成〉
図3は、この実施形態における定着ヒータの制御システムのソフトウェア構成を示すブロック図である。
CPU11は、フリッカの発生を抑制するための制御方法を実施するための基本的な過程として示した上記(2)〜(4)の過程を実行するためのソフトウェアを用意し、そのソフトウェアを動作させて所期の定着ヒータの点灯制御を実行する。
即ち、この定着ヒータの点灯制御システムは、図3に示すように、フリッカ評価用基準電圧生成部13と、ソフトスタート制御部15と、メモリ機能17の各要素をCPU11の制御下においてこの制御システムを構成する。
フリッカ評価用基準電圧生成部13は、ヒータ点灯時における所定時間計測された、電源ラインに発生する入力電圧からの電圧ドロップ分の計測値をもとにフリッカ評価用基準電圧Vrefを生成する過程を実行する。ソフトスタート制御部15は、生成されたフリッカ評価用基準電圧Vrefを目標値としてソフトスタートにより点灯を制御する過程を実行する。また、メモリ機能17は、前記フリッカ評価用基準電圧生成部13でVrefの生成に用い、又前記ソフトスタート制御部15でソフトスタート制御に用いる各種のデータを保存、管理する。
同図に示すように、メモリ機能17は、フリッカ評価用基準電圧Vref18としてVrefの生成用のデータ(例えば、後述する図9の点灯係数、図10の温度係数など)や生成されたVref、及びソフトスタート19としてソフトスタート制御の設定に必要なデータ(例えば、後述する図13のソフトスタート制御の設定用データなど)等の保存、管理機能を持つ。
図3の制御システムが実行するソフトスタート制御のフローの概略を図5のフロー図を参照して説明する。
図5の制御フローによると、まず、CPU11は、ハロゲンヒータ111の点灯時に電源ラインに発生する入力電圧として現時点で検知した電圧をもとに無負荷時の電源電圧からの降下分に当たる電圧ドロップ量ΔVを所定期間計測し、得られる計測値の平均値に基づいてフリッカ評価用基準電圧Vrefをフリッカ評価用基準電圧生成部13によって生成する(ステップS101)。なお、Vrefを生成するフリッカ評価用基準電圧生成部13の処理は、下記「フリッカ評価用基準電圧Vref生成例」において、具体例に基づいて詳細に説明する。
次に、ステップS101で生成されたフリッカ評価用基準電圧Vrefをメモリ機能17によって保存、管理する(ステップS102)。
ソフトスタート制御部15によるソフトスタート制御を実行し、この制御フローを終了する。
ソフトスタート制御システム(図4)のフリッカ評価用基準電圧生成部13が生成するフリッカ評価用基準電圧Vrefの生成過程について、具体例を挙げて詳細に説明する。
以下には、電力値800Wのハロゲンヒータ1本が制御周期100ms、60%デューティー(以下「Duty」と記す)の設定で点灯する場合を例に挙げる。
図6は、ハロゲンヒータへの電源ラインの入力電流波形(A)と入力電圧波形(B)を説明する図である。
ハロゲンヒータの点灯電力の制御に関しては、サイクル制御、位相制御、ON/OFF制御といった複数の制御方法が知られている。以下に示す実施例では、AC電源の10半波を制御周期とし、半波毎にON/OFFするヒータ制御を例にしている。制御周期に対する点灯割合を変えることで、供給電力量を可変している。
ヒータON時には、ハロゲンヒータには突入電流が流れ、その電流によって、供給電源ラインに電圧ドロップが発生する。図6(B)に示す入力電圧の波形図中に電圧ドロップ量ΔVと記されているように、波高値に高低があることを示している。電圧波形(B)において波高値の高い部分は、電流波形(A)においてヒータOFFとなった部分に当たり、ここでは電圧ドロップが生じないが、他方波高値の高い部分は、電流波形(A)においてヒータONとなった部分に当たり、ここでは電圧ドロップが生じる。なお、電圧波形(B)において波高値の高い部分は、無負荷時の電源電圧である。
よって、ヒータ電力値(W数)が大きくなるにつれて電圧ドロップ量ΔVも大きくなる。
図8は、定着ヒータ電力(W数)と電圧ドロップ量(V)の上記の関係を量的に示す表である。
図9は、点灯Duty(%)と点灯係数の関係を量的に示す表である。点灯係数は、点灯Duty100%で計測した電圧ドロップ量ΔVを点灯Duty(%)によって補正をするための係数である。従って、図9の表では、点灯Duty100%のときに点灯係数を1.00とし、点灯Dutyが小さくなるほど点灯係数を大きくしている。
図10は、ハロゲンヒータにおける雰囲気温度T(℃)と温度係数の関係を量的に示す表である。温度係数は、常温(0℃<T<30℃)で計測した電圧ドロップ量ΔVを常温以外の雰囲気温度によって補正をするための係数である。従って、図10の表では、常温のときに温度係数を1.00とし、常温以下(T≦0℃)のときは1.1、常温以上(T≧30℃)のときは0.9と温度係数を定めている。なお、図10の表中のデータは、あるハロゲンヒータの例を示したもので、ハロゲンヒータのガラス管に注入されるガスや構成部品等により変わってくるので、使用するハロゲンヒータの特性値に合わせる必要がある。
フリッカ評価用基準電圧Vrefを生成するための処理過程の初期のステップでは、上記図6(B)に示した電圧波形に生じる電圧ドロップ量ΔVをヒータの制御周期(同図の例では10半波分が単位周期)ごとに計測する。
図7は、図6(B)に示した電圧波形の1制御周期分の波形と、電圧波形をもとに生成する平均基準電圧(フリッカ評価用基準電圧)Vrefを説明する図である。図7の電圧波形において、波高値の高い部分は、点灯OFFで無負荷である時の電圧、つまり電源電圧を示し、波高値の低い部分は、点灯ONで負荷がかかったときの電圧を示す。なお、電圧ドロップ量ΔVは、電圧波形のピーク値の差分によって表し、この差分を制御周期単位で計測することになるので、この量の計測に用いるのは、制御周期を表す信号(ゼロクロス信号)と、半波ごとの電圧波形のピーク値を表す信号であるから、電圧検知回路55は、これらの信号を検知信号として出力すればよい。
この例では、電力値800Wのハロゲンヒータであり、ヒータ点灯時に電圧検知回路55によって検知される電源ラインの入力電圧から、半波ごとに電圧のドロップを求める。なお、このときの点灯制御条件は100%Dutyである。
この条件でヒータ点灯を行ったときに生じた電圧ドロップ量ΔVが、“3.1V”であったとする(図8、参照)。
この後、実際の使用条件は60%Dutyであるから、先に100%Dutyで求めた電圧ドロップ量ΔVに点灯係数を“1.20”とした補正をかける(図9、参照)。さらに、得られる電圧ドロップ量ΔVに温度補正をかける(図10、参照)。ここでは、常温での使用であるから、補正温度係数は“1.0”であり、無補正となる。
検知される電圧ドロップ量ΔV×点灯係数×温度係数=3.1V×1.2×1.0
=3.72V・・・式(1)
本例では、60%Dutyの点灯であり、各半波の点灯が図6(A)の電流波形に示すように制御されるので、1制御周期内の10の半波期間における電圧ドロップ量ΔVは、それぞれ図11に示す量となる。なお、半波期間の4箇所では点灯されないので、電圧ドロップは0である。
次に、この制御周期における平均電圧ドロップ量ΔVrefを求める。
制御周期100ms(10半波)における平均電圧ドロップ量ΔVrefは、60%Dutyの点灯であるから、6/10回に対して、“3.72V”の電圧ドロップが発生するという計算になるので、下記式(2)により、この制御周期における平均電圧ドロップ量ΔVrefを求める。
3.72V×6回÷10回=2.232V・・・式(2)
この制御周期における平均電圧ドロップ量ΔVrefは、図11の表中に“計”の量とし、又図7中に矢印とともに記されている。
この例では、平均電圧ドロップ量ΔVrefを制御周期100msごとに式(2)に従い計測しているので、この計測により得た最新の600回分の値を平均値化した値が、1分間の電圧ドロップ量であり、この平均値を算出し、算出した1分間の平均電圧ドロップ量をもとに下記式(3)により、フリッカ評価用基準電圧Vrefを求める。
フリッカ評価用基準電圧Vref=無負荷時電源電圧値−1分間の平均電圧ドロップ量・・・式(3)
このフリッカ評価用基準電圧Vrefは、図6(B)の電圧波形中に矢印とともに記されている。
図3の制御システムのソフトスタート制御部15がフリッカ評価用基準電圧Vrefに基づいてソフトスタートで点灯制御を行う過程について、具体例を挙げて詳細に説明する。
本例は、AC電源の電源電圧を100V・50Hzとし、生成されたフリッカ評価用基準電圧Vref=98V、ソフトスタート期間を300msとする。また電源電圧よりフリッカ評価用基準電圧Vrefを目標値としてソフトスタート制御を行う際の動作は、10msを1回の制御動作単位として電圧を徐々に目標値であるVrefに低下させる点灯制御を行うための設定を行う。
図12は、本例の仕様に従う動作特性の1例を示す線図であり、動作特性を示すカーブは、ソフトスタート期間の制御目標電圧を表す。
ソフトスタートの電圧ドロップ設定(V)=(電源電圧−フリッカ評価用基準電圧Vref)×ソフトスタート回数に対する係数・・・式(4)
上記式(4)中の“電源電圧−フリッカ評価用基準電圧Vref”は、電圧ドロップΔV(2V)である。
つまり、ソフトスタート期間300msの1/3期間は、10の半波期間よりなる点灯制御周期100msに当たり、この制御期問の各半波に対し、図12の動作特性カーブに従う設定で点灯制御を行うことにより、意図する動作を行わせることができる。このソフトスタートの点灯制御は、制御期間の各半波に対しトライアックによる位相制御を適用することによって実施できる。
ソフトスタート制御が再起動されたときには、新たにフリッカ評価用基準電圧Vrefが生成される。このとき、フリッカ評価用基準電圧Vrefが変更されても、図13の表に示されたソフトスタート回数に対する係数は固定でよく、変更されるフリッカ評価用基準電圧Vrefに対応して設定されるソフトスタートの電圧ドロップが上記式(4)により改めて算出され、設定値に用いられる。
図13の例ではソフトスタート1回目に対するこの係数は、0.4であるため、ソフトスタートの電圧ドロップ設定(V)は、上記式(4)に従い
(100−98)×0.4=0.8
と算出され、ソフトスタート1回目では電源電圧100Vから0.8Vドロップさせる。
同様に、ソフトスタート同数が増えるにつれてソフトスタートの電圧ドロップも増え、ソフトスタート10回目にて電圧ドロップ2Vとなり、フリッカ評価用基準電圧Vref=98Vと同じになる。11回目以降は、最後の30回目までフリッカ評価用基準電圧Vrefを維持する設定とする。
そこで、フリッカ評価用基準電圧Vrefとハロゲンヒータの電力量(W数)に適応する特性を得ることを可能とするため、ソフトスタート回数に対する係数として特性カーブを異ならせる複数種類のソフトスタートを用意し、Vrefとハロゲンヒータの電力量に応じてソフトスタートを変更する。なお、ソフトスタートの電圧ドロップ設定の計算方法は上述の方法と同様に行うことができる。
また、従来技術におけるソフトスタートの設定は、実機評価を繰り返して最適な設定値を見つけ出す作業が発生したが、本実施形態では、フリッカ評価用基準電圧Vrefを常に基準とし自動でソフトスタートの目標値を決定するため、評価時間を大幅に低減することができる。
Claims (9)
- AC電源、前記AC電源からの給電によって点灯されるヒータ及び前記ヒータへの給電を制御する点灯制御手段を有するヒータ装置であって、
前記ヒータへの入力電圧を検知する電圧検知手段と、
前記電圧検知手段の検知電圧をもとに前記ヒータの点灯時に無負荷時の電源電圧からの降下分に当たる電圧ドロップ量を所定期間計測する電圧ドロップ計測手段と、
前記電圧ドロップ計測手段によって得られる計測値の平均値に基づいてフリッカ評価用基準電圧を生成する基準電圧生成手段を備え、
前記点灯制御手段は、前記基準電圧生成手段により生成されたフリッカ評価用基準電圧を目標値として前記ヒータへの給電を制御する
ことを特徴とするヒータ装置。 - 請求項1に記載されたヒータ装置において、
前記点灯制御手段が、電源供給をON/OFFすることにより駆動電力を制御する手段であり、
前記基準電圧生成手段は、前記点灯制御手段による給電のON/OFFデューティーに応じて電圧ドロップ量の計測値を補正することを特徴とするヒータ装置。 - 請求項1又は2に記載されたヒータ装置において、
前記基準電圧生成手段は、雰囲気温度に応じて電圧ドロップ量の計測値を補正することを特徴とするヒータ装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載されたヒータ装置において、
前記点灯制御手段は、ソフトスタートによる制御を行うことを特徴とするヒータ装置。 - 請求項4に記載されたヒータ装置において、
前記駆動電力の制御に用いるソフトスタートの特性カーブとしてヒータの電力量の違いにそれぞれ適応する特性カーブを用意し、
前記点灯制御手段は、用意されたソフトスタートの特性カーブの中からフリッカ評価用基準電圧及びヒータの電力量に適応する特性カーブを選択し前記ソフトスタートに用いることを特徴とするヒータ装置。 - コンピュータを請求項1乃至5のいずれかに記載されたヒータ装置が有する前記電圧ドロップ計測手段、前記基準電圧生成手段、前記点灯制御手段の各手段として機能させるためのプログラム。
- 請求項6に記載されたプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体。
- 記録用紙上に記録材によって画像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段によって画像が形成された記録用紙を請求項1乃至5のいずれかに記載されたヒータ装置によって加熱し、定着する定着手段と
を有することを特徴とする画像形成装置。 - AC電源、前記AC電源からの給電によって点灯されるヒータ及び前記ヒータへの給電を制御する点灯制御手段を有するヒータ装置におけるヒータ制御方法であって、
前記ヒータへの入力電圧を検知する電圧検知工程と、
前記電圧検知工程で検知した検知電圧をもとに前記ヒータの点灯時に無負荷時の電源電圧からの降下分に当たる電圧ドロップ量を所定期間計測する電圧ドロップ計測工程と、
前記電圧ドロップ計測工程で得られる計測値の平均値に基づいてフリッカ評価用基準電圧を生成する基準電圧生成工程と、
前記基準電圧生成工程で生成されたフリッカ評価用基準電圧を目標値として前記ヒータへの給電を制御する工程と
を有することを特徴とするヒータ制御方法。
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