(57)【要約】【課題】制御系設計において制御系構成要素のばらつきを考慮しなくてすむ定着制御装置を提供する。【解決手段】温度検出素子２の検出温度に応じて一定の制御時間内で定着ユニット１のヒータ３の点灯デューティを可変して適正なヒータ出力を得る定着制御装置において、温度検出素子２のある決められた条件下での温度−時間特性を、機械組み付け前に求めておき、その傾きに合わせ点灯デューティを補正する制御を行う制御手段５を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度検出素子の検出温度に応じて一定の制御時間内で定着ユニットのヒータの点灯デューティを可変して適正なヒータ出力を得る定着制御装置において、温度検出素子のある決められた条件下での温度−時間特性を、機械組み付け前に求めておき、その傾きに合わせ点灯デューティを補正する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする定着制御装置。
【請求項２】
温度検出素子の検出温度に応じて一定の制御時間内で定着ユニットのヒータの点灯デューティを可変して適正なヒータ出力を得る定着制御装置において、ヒータのある決められた条件下での温度−時間特性を、機械組付前、もしくは機械組み付け後の工場出荷前の調整工程で求めておき、その傾きに合わせ点灯デューティを補正する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする定着制御装置。
【請求項３】
温度検出素子の検出温度に応じて一定の制御時間内で定着ユニットのヒータの点灯デューティを可変して適正なヒータ出力を得る定着制御装置において、ある決められた条件下での温度−時間特性を、機械のユーザ設置時もしくは電源オン時に求めておき、その傾きに合わせて点灯デューティを補正する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする定着制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置に用いられる定着ユニットのヒータを通電制御する定着制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヒータを用いた定着ユニットを有する電子写真式の画像形成装置において、ある定められた制御時間内のヒータの点灯時間（点灯デューティ）を可変とすることで適正なヒータ出力を得るという制御方法が一般的に用いられている。
例えば、定着ユニット内の温度検出素子が取り付けられている位置の温度があらかじめ定められた設定温度となるようヒータ点灯を制御する場合、設定温度と現在温度との差分量から比例定数を掛けた量で点灯時間を決めるＰ（比例）制御、温度推移も考慮するＰＩ（比例・積分）制御、時間応答も考慮するＰＩＤ（比例・積分・微分）制御など、一般的な公知の自動制御の技術を適用した例が多々ある。
しかしながらこれらの制御では、制御系を構成する要素毎のばらつきは考慮されていないため、商品として設計する場合、ばらつき公差を考慮した余裕度の高い制御系を設計するか、ばらつきを検知して補正する制御系を設計するかのどちらかが採用される。後者の場合、種々様々な検討が行われており、多くの技術が発表されている。
【０００３】
例えば、特許第２８６７７６６号（第１の従来例）には、通電開始から制御温度までの温度上昇率を算出し、あらかじめ用意された制御パターンを選択することで、ヒータ抵抗値のばらつきを補正する技術が提案されている。
また特開平１０−１６１４６６号公報（第２の従来例）には、サーミスタ出力の時間遅れ対策のために昇温勾配を測定して、サーミスタ出力を補正していることを前提とし、その昇温勾配により入力電圧の変動を検知し、ヒータのオン／オフデューティを補正する技術が提案されている。
さらに特開２０００−１４７９４２公報（第３の従来例）には、所定時間内におけるヒータ点灯時間と温度上昇データから温度制御方式を求め、これにより、熱定着装置の熱伝導性などの特性ばらつきに対し、適正な温度制御が可能となり、熱定着装置が交換されても常に最適な温度制御が実現できる技術が提案されている。
【特許文献１】特許第２８６７７６６号
【特許文献２】特開平１０−１６１４６６号公報
【特許文献３】特開２０００−１４７９４２公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来例は、ばらつき補正目的の対象がヒータ抵抗値のみであり、これでは他の制御系要素のばらつきを考慮できない。
第２の従来例は、テーブル方式の補正であるため、ばらつき量に追従した正確な制御が不可能である。
第３の従来例は、複雑な演算処理（最小自乗法）により補正を行っており、そのため制御を行うマイコンの負荷が非常に重いという問題がある。
また従来の定着制御装置では、電源事情のばらつきに対して、定格入力（日本国内であればＡＣ１００Ｖ）の±何％と規定して設計しても、ユーザのあらゆる条件を網羅しきれるものではなく、場合によっては狙いのヒータ出力が得られないという不具合が生じる。
本発明は、制御系設計において制御系構成要素のばらつきを考慮しなくてすむ定着制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、温度検出素子の検出温度に応じて一定の制御時間内で定着ユニットのヒータの点灯デューティを可変して適正なヒータ出力を得る定着制御装置において、温度検出素子のある決められた条件下での温度−時間特性を、機械組み付け前に求めておき、その傾きに合わせ点灯デューティを補正する制御を行う制御手段を備えた定着制御装置を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明は、温度検出素子の検出温度に応じて一定の制御時間内で定着ユニットのヒータの点灯デューティを可変して適正なヒータ出力を得る定着制御装置において、ヒータのある決められた条件下での温度−時間特性を、機械組付前、もしくは機械組み付け後の工場出荷前の調整工程で求めておき、その傾きに合わせ点灯デューティを補正する制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする定着制御装置を最も主要な特徴とする。
請求項３記載の発明は、温度検出素子の検出温度に応じて一定の制御時間内で定着ユニットのヒータの点灯デューティを可変して適正なヒータ出力を得る定着制御装置において、ある決められた条件下での温度−時間特性を、機械のユーザ設置時もしくは電源オン時に求めておき、その傾きに合わせて点灯デューティを補正する制御を行う制御手段を備えた定着制御装置を最も主要な特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る定着制御装置のブロック図である。本定着制御装置は、温度検出素子２と制御対象であるヒータ３を有する定着ユニット１、ＣＰＵ５を搭載したベースエンジンコントロールユニット（ＢＣＵ）４、双方向スイッチング素子７を有するＡＣ制御板６を備えている。
ヒータ３はトライアックのような双方向スイッチング素子７、図示していないが安全回路としての電流検知ヒューズ等を介し、商用交流電源８に接続されている。スイッチング素子７のドライブには入出力の絶縁されたフォトカプラ等がよく用いられ、２次側電源で動作するＣＰＵ５によりオン／オフＦ制御させる。
温度検出素子２は、図示しないローラ表面（ベルト表面）近傍に配置されており、一般的には安価なサーミスタが用いられている。以後サーミスタを例に説明する。サーミスタ２は検出温度により抵抗値が変化する特性を有しており、サーミスタ２よって温度が電圧に変換され、この電圧がＢＣＵ４に搭載されたＣＰＵ５のＡ／Ｄ入力に取り込まれ温度として検知される。
以上のような制御系の構成により、定着ユニット１のローラ（ベルト）表面温度があらかじめ決められた設定温度に推移できるよう、または保持できるよう、ＣＰＵ５がヒータオン／オフの制御を行う。
【０００７】
以下、具体的な制御について説明する。基本制御方法としては前述したように公知の自動制御技術であり、例えばＰ制御を例にすると、まずサーミスタ２によって温度を検知し、その検知温度と設定目標温度との差分を求め、その差分に比例定数Ｋｐを掛けた値によりヒータ３の点灯デューティ（時間）を決定することになる。
図２を用いて説明すると、ある制御単位時間ｔ０ごとにサーミスタ温度を検知し、ｔ０サイクル中の何％の時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、…・）を点灯させるかの値を算出、オン／オフ制御することになる。このとき、設定温度との差が大きいほど点灯時間は長くなり、設定温度との差が小さいほど点灯時間は短くなる。なお制御単位時間は、ＣＰＵ性能、点灯時間の必要設定分解能から決まることになる。
以上は、基本制御をＰ制御とした場合であるが、制御系をそのままで、マイコンにより温度推移、温度変化率も考慮して点灯デューティを決めれば、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御となる。
これらは従来の技術として確立されたものであるが、それぞれの制御の定数Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄの設計としては、制御系を構成する要素の持つ公差（ばらつき）を考慮してなされるのが一般的である。しかしながら、その考慮により発生するばらつきは、制御操作の対象に掛かってくることになり、すなわち本制御系ではヒータ点灯時間（供給するヒータ熱量）が装置ごとにばらつくことになる。
本発明では、上記のような制御系要素のばらつきが制御操作量に影響ないよう補正するものであり、本発明第１の実施例では、制御系要素の一つである温度検知素子のばらつき（公差）によってヒータ出力（ヒータ熱量）の変動が発生しないようよう補正するものである。
【０００８】
以下、図３を用いて補正のための制御を説明する。本発明では、その使用環境での最適な制御を実現するため、ヒータ点灯デューティに補正処理を行うのだが、その補正処理のための事前データ収集を行う治具を用意している。基本的な構成は図１と変わらないが、ヒータ３の出力が標準（公差±０％）品であること、商用交流電源８が定格入力（±０％）であることが規定されており、また、データ収集をするためだけの治具であるので、取り外しの利便性を考慮した構造となっている。なお、この治具内でのサーミスタ２への熱伝導性は、正規定着ユニットとのそれと同等なものでなければならない。
図３はデータ収集時のサーミスタの検知温度−時間特性を示す図である。動作としてはまずヒータ３をオンさせ、サーミスタ検知温度がある温度からある温度に到達するまでの時間をカウントし、ヒータ３をオフさせている。図３の例では、５０℃から１００℃までの温度推移時間を計測しており、ヒータオン後、サーミスタ検知温度をＣＰＵ５が監視しており、５０℃を検知後ＣＰＵ５内のタイマをスタートさせ、１００℃検知でタイマストップ、ヒータオフとしている。その計測された時間としてはｔ１＝ｂ−ａとなる。
なお、この調整モードでのヒータ出力は固定のデューティとしておく必要があり、そのデューティとしては、サーミスタ２の検知温度の推移が図３のような１次直線となるデューティを選択する。また、図３中５０℃−１００℃間の時間を測定しているが、サーミスタ２の特性として、温度―電圧の特性がリニアで誤差の少ない区間であれば問題ない。
【０００９】
このような設定下で計測された時間ｔ１は、あらかじめ測定しておいたサーミスタ２の公差±０品：ｒ０での温度推移時間ｔ０より、サーミスタ２の公差ｄ［％］が、下式より求まる。
ｄ＝ａ・（ｔ０／ｔ１）      （１）
ここで、ａは任意定数となっているが、サーミスタ２のばらつきによる上式の特性をあらかじめ測定しておくことで、その制御系固有の値として求めておくことができる。これより、ヒータ点灯デューティの補正係数αは、下式となる。
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本発明では、通常のヒータデューティ制御に対し、（２）式で得られたαを乗算することになる。なお、データ収集の実施タイミングとしては、ばらつき補正の対象が部品特有のばらつきであること、上記治具の条件を正規定着ユニットでは作り出せないこと等により、機械組付前に実施しておくことになる。
またそのデータから求められた（２）式の値は、機械自体に記憶させておき、通常制御中の点灯デューティに乗算することになるので、工場での機械組付後の火入れ時の調整工程などでデータ入力してメモリに保存しておくことになる。なお、ばらつきを発生するのは機械というよりは、機械に使われているサーミスタ２という部品であるのでその部品交換時、もしくは定着ユニット１の交換時には、工場出荷時と同様な調整が必要となる
また本発明のマイコン負荷を考えると、（２）式の演算は機械稼働時には行わないもので、通常制御中は（２）式で求められたαを点灯デューティに乗算するのみであるので、マイコン負荷としても非常に少ないものとなっている。
以上より、サーミスタ２の（許容公差内での）ばらつきに影響されることなく、公差±０品サーミスタと同等な検知が得られることになるので、制御系設計も部品ばらつきを考慮しなくてもすむので非常により容易なものとなる。また、結果として得られる温度制御もより正確なものとなり、定着温度を設定温度に素早くかつ不必要なオーバーシュートを生じずに、到達・維持させることが可能となる。
【００１０】
次に、本発明第２の実施例について以下に説明する。制御系要素の一つであるヒータ出力のばらつき（公差）によって、ヒータ熱量が変動しないよう補正するものである。以下、図３を用いて補正のための制御を説明する。本発明では、その使用環境での最適な制御を実現するため、ヒータ点灯デューティに補正処理を行うのだが、その補正処理のための事前データ収集を行う調整モードを用意している。
図３は、前述したようにその調整モード時の定着ユニット１内のサーミスタ２の検知温度−時間特性を示しており、動作としては、本発明の第１の実施例と同様、まずヒータ３をオンさせ、サーミスタ検知温度がある温度からある温度に到達するまでの時間をカウントし、ヒータ３をオフさせている。
図３の例では、５０℃から１００℃までの温度推移時間を計測しており、ヒータオン後、サーミスタ検知温度をＣＰＵ５が監視しており、５０℃を検知後ＣＰＵ５内のタイマをスタートさせ、１００℃検知でタイマストップ、ヒータオフとしている。その計測された時間としてはｔ２＝ｂ−ａとなる。なお、この調整モードでのヒータ出力は固定のデューティとしておく必要があり、そのデューティとしては、サーミスタ２の検知温度の推移が図３のような１次直線となるデューティを選択する。
また、図３中５０℃−１００℃間の時間を測定しているが、サーミスタ２の特性として、温度―電圧の特性がリニアで誤差の少ない区間であれば問題ない。このような設定下で計測された時間ｔ２は、あらかじめ測定しておいたヒータ出力公差±０品：Ｗ０での温度推移時間ｔ０より、公差を含んだヒータでの出力Ｗが、下式より求まる。
Ｗ＝ａ・（ｔ０／ｔ２）・Ｗ０      （３）
ここで、ａは任意定数となっているが、ヒータ出力のばらつきによる上式の特性をあらかじめ測定しておくことで、その制御系固有の値として求めておくことができる。これより、ヒータ点灯デューティの補正係数βは、下式となる。
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【００１１】
本発明では、通常のヒータデューティ制御に対し、（４）式で得られたβを乗算することになる。なお、本発明の第１の実施例と合わせると、ヒータ点灯のデューティとしては（５）式で得られた値を乗算することになる。
α・β＝（１＋ａ・（ｔ０／ｔ１））・（１／（ａ・（ｔ０／ｔ２）））    （５）なお、調整モードの実施タイミングとしては、ばらつき補正の対象がその機械特有のばらつきであり、部品であるヒータ自体の出力ばらつきだけでなく、定着ユニット自体の熱伝導ばらつきを考えると、定着ユニット組付後の調整工程とするのが望ましい。もちろん定着ユニット自体の熱伝導ばらつきが少ない場合は、本発明の第１の実施例で示したように、治具を用いて部品単体でデータ収集するのでも構わない。但し、電源が定格入力（±０％）でのデータ収集が絶対条件である。
また、このデータ収集から求められた（４）式もしくは（５）式の値は、機械自体に記憶させておき、通常制御中の点灯デューティに乗算することになるので、工場での機械組付後の火入れ時の調整工程などでデータ入力してメモリに保存しておくことになる。なお、ばらつきを発生するのは機械というよりは、機械に使われているヒータ３という部品、もしくは定着ユニット１であるので、その部品交換時、もしくは定着ユニット１の交換時には、工場出荷時と同様な調整が必要となる。
また本発明のマイコン負荷を考えると、（２）式の演算は機械稼働時には行わないもので、通常制御中は（２）式で求められたβもしくは、α・βを点灯デューティに乗算するのみであるので、マイコン負荷としても非常に少ないものとなっている。
以上により、ヒータ３の（許容公差内での）ばらつきに影響されることなく、公差±０品ヒータ出力と同等な出力が得られることになるので、制御系設計も部品ばらつきを考慮しなくてもすむのでより容易なものとなる。また、結果として得られる温度制御もより正確なものとなり、定着温度を設定温度に素早くかつ不必要なオーバーシュートを生じずに、到達・維持させることが可能となる。
以上により、温度検知素子２、ヒータ３といった制御系要素ばらつきの補正がなされたのだが、これらは部品仕様として管理されているものであるため、これらの補正が行われなくても、設計の容易性、制御の追従性等を問わなければ、出力仕様からはずれることはない。
【００１２】
しかしながら、残る要素して電源事情が挙げられ、定格入力（日本国内であればＡＣ１００Ｖ）の±何％と規定して設計しても、ユーザのあらゆる条件を網羅しきれるものではなく、場合によっては狙いのヒータ出力が得られないという不具合（制御不能）が生じる。
本発明の第３の実施例はこれを補正するもので、以下、図３を用いて補正のための制御を説明する。第３の実施例では、第１、２の実施例と同様、その使用環境での最適な制御を実現するため、ヒータ点灯デューティに補正処理を行うのだが、その補正処理のための事前データ収集を行う調整モードを用意している。
図３は、前述した通り、その調整モード時の定着ユニット１内のサーミスタ２検知温度−時間特性を示しており、動作としてはまずヒータ３をオンさせ、サーミスタ検知温度がある温度からある温度に到達するまでの時間をカウントし、ヒータ３をオフさせている。
図３の例では、５０℃から１００℃までの温度推移時間を計測しており、ヒータオン後、サーミスタ検知温度をＣＰＵ５が監視しており、５０℃を検知後ＣＰＵ５内のタイマをスタートさせ、１００℃検知でタイマストップ、ヒータオフとしている。その計測された時間としてはｔ３＝ｂ−ａとなる。
なお、この調整モードでのヒータ出力は固定のデューティとしておく必要があり、そのデューティとしては、サーミスタ２の検知温度の推移が図３のような１次直線となるデューティを選択する。また、図３中５０℃−１００℃間の時間を測定しているが、サーミスタ２の特性として、温度―電圧の特性がリニアで誤差の少ない区間であれば問題ない。
【００１３】
このような設定下で計測された時間ｔ３は、あらかじめ測定しておいた定格電源電圧Ｖ０（国内であれば１００［Ｖ］）での温度推移時間ｔ０より、その環境下での電源電圧が、下式より求まる。
Ｖ＝ａ・（ｔ０／ｔ３）・Ｖ０      （６）
ここで、ａは任意定数となっているが、電源電圧のばらつきによる上式の特性をあらかじめ測定しておくことで、その制御系固有の値として求めておくことができる。電源電圧が求まると、その環境下でのヒータ出力を求めることが可能であり、定格入力でのヒータ出力をＷ０、その環境下でのヒータ出力をＷとすると、下式が成り立つ。
Ｗ＝（Ｖ／Ｖ０）ｂ・Ｗ０      （７）
ここで、ｂはヒータ製品固有の値（ヒータメーカよりデータの入手可能）
（６）（７）より、ヒータ点灯デューティの補正係数γは、下式となる。
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本発明では、通常のヒータデューティ制御に対し、（８）式で得られたγを乗算することになる。なお、本発明の第１の実施例と合わせると、ヒータ点灯のデューティとしては（９）式で得られた値を乗算することになる。
α・β・γ＝（１＋ａ・（ｔ０／ｔ１））・（１／（ａ・（ｔ０／ｔ２）））・（１／（ａ・（ｔ０／ｔ３））ｂ）      （９）
これにより、装置が設置された場所の電源事情（入力電圧）に影響されることなく、定格入力でのヒータ出力と同等な出力が得られ、素早くかつ不必要なオーバーシュートを生じずに温度を設定温度に到達・維持させることが可能となる。なお、調整モードの実施タイミングとしては、ばらつき補正の対象がその機械の使用される電源事情（入力電圧）にあるため、工場出荷時での調整は必要なく、機械設置時に最低限行われる必要がある。
機械設置時のみであれば、通常制御中は（８）式もしくは（９）式で求められたγ、もしくはα・β・γを点灯デューティに乗算するのみであるのでマイコン負荷も少なく、時々刻々と電圧事情が変化する環境であれば、より頻繁に（電源オン時毎などに）補正のためのデータ収集を行い、γを更新することで対応が可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、定着ユニットの温度制御において、その制御系を構成する温度検知素子、ヒータ、電源事情などの特性ばらつきを補正することにより、構成要素のばらつきを考慮するが故の設計の困難度合いを低くすることができ、また構成要素が予測したばらつきを越えた時の制御不能状態といった不具合を解消することができる。その結果、温度制御もより正確になり、定着温度を設定温度に素早くかつ不必要なオーバーシュートを生じずに到達させ、これを維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る定着制御装置のブロック図である。
【図２】ヒータの点灯デューティを示す図である。
【図３】データ収集時のサーミスタの検知温度−時間特性を示す図である。
【符号の説明】
１  定着ユニット
２  温度検出素子（サーミスタ）
３  ヒータ
５  ＣＰＵ（制御手段）
【図１】
2004177430.tif 000006
【図２】
2004177430.tif 000007
【図３】
2004177430.tif 000008