(57)【要約】【課題】ヒータに流れる突入電流を小さくすると共に突入電流発生時間も短くする。【解決手段】交流電源６からの交流電圧をヒータオンオフ回路３の双方向スイッチ素子３１を介し、その導通位相角を制御してヒータ１に印加する。制御回路２によって、交流電源の投入直後からゼロクロス検出回路４によって検出されるゼロクロス検出信号Ｓｚを入力して、そのゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号Ｓｃを発生し、その各制御信号Ｓｃのパルス幅を最小値から交流電圧Ｖｉの半周期に対する比率を漸増するように増加させ、その制御信号Ｓｃによって双方向スイッチ素子３１の導通位相角を制御する。【選択図】        図１
2004214024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からの交流電圧を双方向スイッチ素子を介し、その導通位相角を制御してヒータに印加するヒータ制御方法であって、
前記交流電源の投入直後から、前記交流電圧の時間軸上でゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号を発生し、その各制御信号のパルス幅を最小値から前記交流電圧の半周期に対する比率を漸増するように増加させ、該制御信号によって前記双方向スイッチ素子の導通位相角を制御することを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のヒータ制御方法において、前記ゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号を構成する該ゼロクロス点の前と後の制御信号のパルス幅を同じにすることを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項３】
請求項１記載のヒータ制御方法において、前記ゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号を構成する該ゼロクロス点の後の制御信号のパルス幅を前の制御信号のパルス幅より大きくすることを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項４】
交流電源からの交流電圧を双方向スイッチ素子を介し、その導通位相角を制御してヒータに印加するヒータ制御方法であって、
前記交流電源の投入直後から、前記交流電圧の時間軸上でゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号を発生し、その制御信号のパルス幅を最小値から前記交流電圧の周期に対する比率を漸増させるように増加させ、該制御信号によって前記双方向スイッチ素子の導通位相角を制御することを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項５】
請求項４記載のヒータ制御方法において、前記ゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号のパルス幅の比率を該ゼロクロス点の前の部分と後の部分で同じにすることを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項６】
請求項４記載のヒータ制御方法において、前記ゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号のパルス幅の比率を該ゼロクロス点の前の部分より後の部分の方を大きくすることを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のヒータ制御方法において、前記制御信号を複数のゼロクロス点で同じパルス幅で発生した後、そのパルス幅を増加させることを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項８】
交流電源からの交流電圧を双方向スイッチ素子を介し、その導通位相角を制御してヒータに印加するヒータ制御回路であって、
前記交流電源による交流電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路と、前記交流電源の投入直後から、前記交流電圧の時間軸上で前記ゼロクロス検出回路によって検出されるゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号を発生し、その各制御信号のパルス幅を最小値から前記交流電圧の半周期に対する比率を漸増するように増加させる制御回路とを設け、
該制御回路が発生する前記制御信号によって前記双方向スイッチ素子の導通位相角を制御するようにしたことを特徴とするヒータ制御回路。
【請求項９】
交流電源からの交流電圧を双方向スイッチ素子を介し、その導通位相角を制御してヒータに印加するヒータ制御回路であって、
前記交流電源による交流電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路と、前記交流電源の投入直後から、前記交流電圧の時間軸上で前記ゼロクロス検出回路によって検出されるゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号を発生し、その制御信号のパルス幅を最小値から前記交流電圧の周期に対する比率を漸増するように増加させる制御回路とを設け、
該制御回路が発生する前記制御信号によって前記双方向スイッチ素子の導通位相角を制御するようにしたことを特徴とするヒータ制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒータの突入電流を制限するヒータ制御方法およびヒータ制御回路に関し、特に複写機，プリンタ，ファクシミリ等の画像形成装置に搭載する定着装置および文字消去ローラ装置などの熱源として使用するハロゲンヒータ等のヒータを制御するヒータ制御方法およびヒータ制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電子写真方式の複写機，プリンタ，ファクシミリ等の画像形成装置では、定着装置および文字消去ローラ装置などの熱源として、ハロゲンランプ（ハロゲンヒータとも云う）などのヒータを用いている。
例えば、用紙上に転写した未定着のトナー画像を加熱および加圧して定着させる定着装置では、定着ローラにヒータを内設して加熱している。このような定着装置の場合、ヒータを断続的に動作させて定着ローラを加熱したり自然冷却したりして定着ローラの温度がトナー像の定着に適した一定の温度になるように調整することが多い。
【０００３】
ところで、ヒータを動作させるために交流電圧を印加（オン）すると、印加直後にヒータに突入電流が流れてしまう。図６の（ａ）はヒータに印加する交流電圧の波形を示すタイミングチャートであり、図６の（ｂ）はヒータに流れる電流（以下「ＡＣ負荷電流」と云う）の波形を示すタイミングチャートである。なお、図６ではヒータの温度が電圧印加前後で変化しないと仮定した場合の例を示す。
交流の入力電圧１００を印加したときにヒータに流れるＡＣ負荷電流１０１は、図６の（ｂ）に太線で示すように電圧印加直後に振幅が大きくなる。これが突入電流１０１ａである。しかし、ヒータの温度が一定であれば、ＡＣ負荷電流１０１の振幅は図６に示すように数周期で通常の大きさになる。つまり、突入電流が発生する時間（以下、単に「突入電流発生時間」と云う）Ｔ１は、ヒータの種類やヒータに接続する回路などによって多少異なるが比較的短い。
【０００４】
しかし、実際にはヒータの温度は交流電圧を印加していない状態（オフ）のときには冷却されて下がり、オンの状態のときには発熱して上がる。図７はこのようにヒータの温度が変化する場合にヒータに流れる電流（ＡＣ負荷電流１０２）の変化を示す。なお、図７では突入電流の変化を判り易く図示するため、図６に示したタイミングチャートよりも時間軸（タイムスケール）を縮めて示している。
ヒータは温度が低いときにその抵抗値が小さく、温度が高くなるとその抵抗値が大きくなる。したがって、ヒータをオフからオンに切り換えるときは、ヒータの温度が低く抵抗値が小さいため、その分過大な突入電流１０２ａが流れる。その後、突入電流１０２ａは、ヒータの温度が上昇するにつれて次第に小さくなるものの、ヒータの温度が所定の温度に到達して抵抗値がある程度大きくなるまで流れ続けてしまう。
つまり、実際の突入電流発生時間Ｔ２は、ヒータの種類やヒータに接続する回路に加えてヒータの熱応答性にも影響を受けるので比較的長い。
【０００５】
このように長時間の突入電流が発生すると、ヒータが劣化したり破壊したりする恐れがあるだけではなく、ヒータを接続した電源ラインの一時的な電圧降下を招いて、その電源ラインに接続した他の周辺機器に悪影響を及ぼす可能性もある。例えば、ヒータ内蔵の画像形成装置を設置した場所の照明が一時的に暗くなったり、パーソナルコンピュータのディスプレイの画面が歪んだりする問題が発生する。
そこで、例えば特許文献１に見られるように、ヒータに交流電圧を印加するたびに、必ず低く制限した電流をヒータの温度制御に影響を及ぼすことのない一定時間ヒータに流し、ヒータの温度がある程度上昇した後にそのヒータに流れる電流の制限を解除することにより、大きな突入電流が流れるのを防止するヒータ制御方法が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２８２１９９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されているような従来のヒータ制御方法では、制限電流供給用の回路を設ける必要があるため、回路部品が増えてコスト高を招き、実装スペースも大きくなってしまうという問題があった。
しかも、ヒータに通常よりも長時間通電する必要があるので、部品の信頼性が低下してヒータの寿命が短くなるだけではなく、待機電力（スタンバイ時の消費電力）が増加してしまうという問題もあった。
近年、地球温暖化などの地球環境問題に対応してエネルギー効率の高い製品の開発および導入が促進されており、米国環境保護庁（ＥＰＡ）で認可されている国際エネルギースタープログラムの基準であるエナジスターでは、待機電力の基準を３０Ｗ以下としている。従来のヒータ制御方法ではこの基準に準拠できなくなる可能性がある。
【０００８】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ヒータに接続する回路部品を大幅に増やしたり、ヒータの待機電力を増加させたりすることなく、突入電流を小さくすると共に突入電流発生時間も短くすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明によるヒータ制御方法は、交流電源からの交流電圧を双方向スイッチ素子を介し、その導通位相角を制御してヒータに印加するヒータ制御方法であって、上記の目的を達成するため、交流電源の投入直後から交流電圧の時間軸上でゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号を発生し、その各制御信号のパルス幅を最小値から交流電圧の半周期に対する比率を漸増するように増加させ、その制御信号によって双方向スイッチ素子の導通位相角を制御するようにしたものである。
このとき、ゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号を構成する該ゼロクロス点の前と後の制御信号のパルス幅を同じにするとよい。
あるいは、ゼロクロス点を挟んで前後対の制御信号を構成する該ゼロクロス点の後の制御信号のパルス幅を前の制御信号のパルス幅より大きくしてもよい。
【００１０】
また、交流電源の投入直後から交流電圧の時間軸上でゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号を発生し、その制御信号のパルス幅を最小値から交流電圧の周期に対する比率を漸増させるように増加させ、その制御信号によって双方向スイッチ素子の導通位相角を制御するとなおよい。
このとき、ゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号のパルス幅の比率を該ゼロクロス点の前の部分と後の部分で同じにするとよい。
あるいは、ゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号のパルス幅の比率を該ゼロクロス点の前の部分より後の部分の方を大きくしてもよい。
または、制御信号を複数のゼロクロス点で同じパルス幅で発生した後、そのパルス幅を増加させるようにしてもよい。
【００１１】
また、この発明によるヒータ制御回路は、交流電源からの交流電圧を双方向スイッチ素子を介し、その導通位相角を制御してヒータに印加するヒータ制御回路であって、交流電源による交流電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路と、交流電源の投入直後から、交流電圧の時間軸上でゼロクロス検出回路によって検出されるゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号を発生し、その各制御信号のパルス幅を最小値から交流電圧の半周期に対する比率を漸増するように増加させる制御回路とを設け、その制御回路が発生する制御信号によって双方向スイッチ素子の導通位相角を制御するようにしたものである。
【００１２】
または、上記制御回路に代えて、交流電源の投入直後から、交流電圧の時間軸上でゼロクロス検出回路によって検出されるゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号を発生し、その制御信号のパルス幅を最小値から交流電圧の周期に対する比率を漸増するように増加させる制御回路を設け、その制御回路が発生する制御信号によって双方向スイッチ素子の導通位相角を制御するようにしてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔ヒータ制御回路の実施形態〕
まず、この発明によるヒータ制御回路（この発明によるヒータ制御方法を実施する回路）の実施形態について説明する。図１はそのヒータ制御回路の一実施形態を示す回路図である。
図１において、ヒータ１は電源ライン１１および１２を介して交流電源６に接続する。その電源ライン１２における交流電源６とヒータ１との間にはヒータオンオフ回路３を直列に介挿している。そのヒータオンオフ回路３は、後述する制御信号Ｓｃに応じてヒータ１への給電をオン・オフする。
【００１４】
また、電源ライン１２は、ヒータオンオフ回路３と交流電源６との間で電源ライン１４を分岐している。同様に、電源ライン１１は交流電源６とヒータ１との間で電源ライン１３を分岐している。これらの分岐した電源ライン１３，１４は、それぞれゼロクロス検出回路４に接続している。
ゼロクロス検出回路４は、交流電圧が０Ｖになるタイミング（以下、「ゼロクロス点」と云う）を検出してゼロクロス検出信号Ｓｚを出力する回路であり、ゼロクロス検出信号出力線１５によって制御回路２にそれを入力させる。
【００１５】
制御回路２はＣＰＵとメモリ（ＲＯＭおよびＲＡＭ）等からなるマイクロコンピュータを備えており、ゼロクロス検出信号Ｓｚを入力してヒータ１に印加される交流電圧の周期を算出し、交流電源の投入直後からその交流電圧の時間軸上でゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号Ｓｃを発生し、その各制御信号のパルス幅を最小値から交流電圧の半周期に対する比率を漸増するように増加させ、その制御信号Ｓｃによってヒータオンオフ回路３の双方向スイッチ素子であるトライアック３１の導通位相角を制御する。
あるいは、交流電圧の時間軸上でゼロクロス検出回路によって検出されるゼロクロス点を挟んで前後に連続する制御信号Ｓｃを発生し、その制御信号のパルス幅を最小値から交流電圧の周期に対する比率を漸増するように増加させるようにしてもよい。
この制御回路２は、交流電源６から入力される交流電圧Ｖｉを降圧して整流・平滑する図示しない直流電源回路によって発生される直流電圧によって動作する。
【００１６】
次に、このヒータ制御回路におけるヒータオンオフ回路およびゼロクロス検出回路等について詳細に説明する。
交流電源６は一般的な商用周波数の交流電圧を供給する電源である。ヒータオンオフ回路３は、チョークコイル（インダクタ）Ｌ４と、双方向スイッチ素子であるトライアック３１とを電源ライン１２に直列に介挿している。そのトライアックのＴ１端子とＴ２端子の間にコンデンサＣ１５と抵抗Ｒ３を直列回路に接続し、Ｔ１端子とＧ（ゲート）端子の間に抵抗Ｒ２を接続し、Ｇ端子とＴ２端子間に直列にフォトカプラ３２の受光部であるフォトトライアック３２ａと抵抗Ｒ４とを直列に接続している。
【００１７】
そして、フォトカプラ３２の発光部である発光ダイオード（ＬＥＤ）３２ｂのアノードに制御回路２から所定の直流電圧Ｖｃが直流給電線１７および抵抗Ｒ５を介して印加され、そのカソードはトランジスタ５１のコレクタ・エミッタ間を介して間グランドに接続（接地）される。
そのトランジスタ５１のエミッタとベース間には抵抗Ｒ６が接続され、ベースには制御回路２から前述した制御信号Ｓｃが制御信号出力線１６および抵抗Ｒ１６を介して印加される。
【００１８】
ヒータオンオフ回路３のチョークコイルＬ４はフィルタであり、回路のピーク電流を抑えて力率を改善する。また、コンデンサＣ１５と抵抗Ｒ３はスナバー回路を形成しており、トライアック３１がオン・オフするときのサージ電圧を吸収し、トライアック３１を破壊から保護する。
また、トライアック３１とフォトカプラ３２と抵抗Ｒ２およびＲ４はスイッチ回路を構成している。フォトカプラ３２の発光部であるＬＥＤ３２ｂに電流が流れて発光すると、受光部であるフォトトライアック３２ａがそれを受光して導通し、抵抗Ｒ４，Ｒ２に電流が流れる。それによってトライアック３１のＧ端子とＴ１端子およびＴ２端子間にそれぞれ電位差が発生するため、トライアック３１は導通（オン）して交流電源６とヒータ１とを接続し、ヒータ１に交流電圧を印加する。一方、フォトカプラ３２のＬＥＤ３２ｂが発光しないときは、フォトトライアック３２ａが非導通になるため、抵抗Ｒ４，Ｒ２に電流が流れず、トライアック３１のＧ端子に電圧が印加されないため、トライアック３１はオフになり、交流電源６からヒータ１への給電回路を遮断する。
【００１９】
ところで、制御回路２からハイレベルＨの制御信号Ｓｃが出力されると、それがトランジスタ５１のベースに印加されるためトランジスタ５１がオンになり、そのコレクタ・エミッタ間が導通するため、フォトカプラ３２の発光部であるＬＥＤ３２ｂに電流が流れて発光する。
一方、制御回路２からの制御信号ＳｃがローレベルＬになると、トランジスタ５１がオフになるのでフォトカプラ３２のＬＥＤ３２ｂに電流が流れず、発光しなくなる。
したがって、制御回路２からハイレベルＨの制御信号Ｓｃが出力されているときだけ、フォトカプラ３２のＬＥＤ３２ｂが発光してフォトトライアック３２ａが導通し、トライアック３１をオン状態にしてヒータ１に交流電圧を印加し、ヒータ１をオンにする。すなわち、制御信号Ｓｃによってトライアック３１の導通位相角を制御して、ヒータ１へ供給する交流電圧Ｖｈの実効値を制御する。
このようにして、ヒータオンオフ回路３は交流電源６からヒータ１への給電回路をオン・オフするスイッチ動作を行い、ヒータ１への給電をオン・オフする。
【００２０】
続いて、ゼロクロス検出回路４について説明する。このゼロクロス検出回路４は、ダイオードブリッジ４１、フォトカプラ４２、トランジスタ４３、反転回路（インバータ）４４、および抵抗Ｒ１１〜Ｒ１５とコンデンサＣ１からなる。
上述した電源ライン１１から分岐した電源ライン１３はダイオードブリッジ４１の一方の入力端子ａに接続し、電源ライン１２から分岐した電源ライン１４は直列に接続した抵抗Ｒ１２とＲ１３を介してダイオードブリッジ４１の他方の入力端子ｂに接続している。さらに、抵抗Ｒ１２とＲ１３との接続点と電源ライン１３との間にコンデンサＣ１を接続している。この抵抗Ｒ１２，Ｒ１３はフォトカプラ４２のＬＥＤ４２ａに流れる電流を制御するもので、コンデンサＣ１はラインノイズを防止するため、抵抗Ｒ１２，Ｒ１３に流れる電流を平滑するフィルタの役目をする。
【００２１】
このダイオードブリッジ４１は全波整流回路であり、交流電源６からの交流電圧を全波整流して出力端子ｃ，ｄ間に全波整流電圧を出力して、フォトカプラ４２の発光部であるＬＥＤ４２ａに印加する。
このフォトカプラ４２の受光部であるフォトトランジスタ４２ｂは、そのコレクタをトランジスタ４３のベースに接続し、エミッタをトランジスタ４３のエミッタと共に接地している。そして、制御回路２からの直流電圧Ｖｃを抵抗Ｒ１４とＲ１５によって分圧した電圧をトランジスタ４３のベースに印加し、また抵抗Ｒ１１を介して同じトランジスタ４３のコレクタに印加している。
【００２２】
そして、フォトカプラ４２のＬＥＤ４２ａが発光しているときは、フォトトランジスタ４２ｂがその光を受光して導通状態になり、抵抗Ｒ１５の両端を略短絡しているため、トランジスタ４３のベース・エミッタ間に電圧が印加されず、トランジスタ４３はオフ状態になり、そのコレクタは直流電圧Ｖｃによってハイレベルになる。それを反転回路４４を通して反転してゼロクロス検出信号Ｓｚとして出力するので、ゼロクロス検出信号Ｓｚはローレベルになっている。
フォトカプラ４２のＬＥＤ４２ａに殆ど電圧が印加されなくなるとＬＥＤが発光しなくなり、フォトトランジスタ４２ｂが非導通状態になるため、抵抗Ｒ１５の両端の電圧がトランジスタ４３のベース・エミッタ間に印加され、トランジスタ４３がオン状態になり、そのコレクタは略接地電位のローレベルになる。それを反転回路４４を通して反転したゼロクロス検出信号Ｓｚはハイレベルになる。このときがゼロクロス点である。このゼロクロス検出信号Ｓｚが制御回路２に入力される。
【００２３】
この実施形態では、ヒータオンオフ回路３にフォトカプラ３２を設け、ゼロクロス検出回路４にもフォトカプラ４２を設けているが、その理由は、交流電圧が印加されるスイッチング回路側あるいは整流回路側と、制御回路２からの直流電圧で動作する回路側とを電気的に分離して、回路の安全性を高めるためである。しかし、これは本願に必須のことではないので、装置の使用条件などによって回路が充分に安全であると保証できる場合には、フォトカプラ３２，４２を省略して回路を構成することもできる。
【００２４】
〔ヒータ制御方法の実施例〕
次に、図１とともに図２のタイミングチャートを参照して、上記ヒータ制御回路を使用して実施するこの発明によるヒータ制御方法の第１実施例を説明する。この図２において、（ａ）は交流電源６から入力する交流電圧Ｖｉの波形を、（ｂ）はゼロクロス検出回路４によるゼロクロス検出信号Ｓｚの波形を、（ｃ）は制御回路２から出力される制御信号Ｓｃの波形を、（ｄ）はヒータ１に印加される交流電圧Ｖｈの波形をそれぞれ示している。
【００２５】
図１に示した交流電源６から図２の（ａ）に示す波形の交流電圧Ｖｉが入力すると、ゼロクロス検出回路４のダイオードブリッジ４１の出力端子ｃ，ｄから全波整流した電圧（図４の（ｂ）の波形を参照）が出力し、フォトカプラ４２の発光部であるＬＥＤ４２ａに電流が流れる。
それによってＬＥＤ４２ａが発光している間は、前述のようにフォトカプラ４２の受光部であるフォトトランジスタ４２ｂが導通状態になるため、トランジスタ４３がオフ状態になり、そのコレクタ電圧を反転回路４４で反転したゼロクロス検出信号Ｓｚはローレベルになっている。
【００２６】
しかし、交流電圧Ｖｉがゼロクロス近傍になると、それを全波整流した電圧も極めて小さくなり、フォトカプラ４２のＬＥＤ４２ａに流れる電流もそれに応じて小さくなるため、ＬＥＤ４２ａが発光しなくなる。それによってトランジスタ４３がオン状態になり、ローレベルになったコレクタ電圧を反転回路４４で反転したゼロクロス検出信号Ｓｚがハイレベルになる。
したがって、ゼロクロス検出回路４から出力されるゼロクロス検出信号Ｓｚは、図１の（ｂ）に示すように、交流電圧Ｖｉの半周期ごとのゼロクロス点を中心とする短いパルス幅のパルス信号となる。
【００２７】
制御回路２は、交流電源の投入直後からこのゼロクロス検出信号Ｓｚを入力して、複数のゼロクロス検出信号Ｓｚの入力間隔から交流の１／２周期を算出する。それによって次のゼロクロス点を正確に予測することができる。
そこで、予めメモリに格納してある各回ごとの制御信号のパルス幅データ、あるいは初回の制御信号のパルス幅とその後の増加率のデータによって、図１の（ｃ）に示すように交流電圧の時間軸上で各ゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号Ｓｃを発生し、その各制御信号のパルス幅を最小値から交流電圧Ｖｉの半周期に対する比率を漸増するように増加させる。図１は最初の制御信号（片側だけ）Ｓｃを発生したゼロクロス点以降の波形を図示している。
【００２８】
この図１の（ｃ）に示すとおり、対の制御信号Ｓｃは交流電圧の時間軸上のゼロクロス点を境にしてその前後に出力する。つまり、ゼロクロス検出信号Ｓｚの立上り前と立下り後に同じパルス幅で出力する。立上り前の制御信号Ｓｃは、予測される次のゼロクロス信号の立上り時点より所定のパルス幅（例えばｔ２）だけ早い時点から発生して、ゼロクロス検出信号の立上り時点で停止すればよい。ゼロクロス検出信号Ｓｚの立下がり後の制御信号Ｓｃは、その立下がり時点から所定のパルス幅（例えばｔ２）だけ出力すればよい。
制御回路２は、ゼロクロス検出信号Ｓｚを入力し、それによって交流電圧Ｖｉの周期を算出し、少なくとも次のゼロクロス点の半周期前までに誤差を修正して、制御信号の出力タイミング及びそのパルス幅を決定することができる。
【００２９】
そして、各ゼロクロス点を挟む対の制御信号のパルス幅は、最小値ｔ１からｔ３，ｔ４と、交流電圧の半周期に対する比率を順次増加してｔ９となり、その後は、ゼロクロス検出信号Ｓｚの発生期間を除く１００％になる。したがって、各制御信号Ｓｃのパルス幅ｔ１〜ｔ９は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４＜ｔ５＜ｔ６＜ｔ７＜ｔ８＜ｔ９の関係になる。
この制御信号Ｓｃが図１における制御回路２から出力して、抵抗Ｒ１６を介してトランジスタ５１のベースに印加される。そして、前述したように、この制御信号Ｓｃがハイレベルの期間だけ、トランジスタ５１及びヒータオンオフ回路３のフォトカプラ３２を介して、双方向スイッチ素子であるトライアック３１を導通状態にして交流電圧Ｖｉをヒータ１に印加させる。
【００３０】
従って、ヒータ１には制御信号Ｓｃがハイレベルの期間だけ交流電圧Ｖｉが印加されるので、その交流電圧Ｖｈの波形は、図２の（ｄ）に示すようになる。すなわち、交流電源の投入直後からトライアック３１の導通位相角がゼロクロス点の両側に順次増加し、それに伴ってヒータ１への印加電圧の波形および波高値も次第に大きくなる。
この交流電圧Ｖｈの波高値が小さいときは、オームの法則によりヒータ１に流れる電流のピーク値も小さくなる。よって、上述したように交流電源６の投入直後には制御信号Ｓｃのパルス幅を小さくして、ヒータに印加する交流電圧Ｖｈの波形および波高値を小さくすれば、ヒータ１に流れる突入電流を抑制することができる。
【００３１】
そして、ヒータ１は交流電圧を印加すると加熱して温度が上昇し、徐々にその抵抗値が大きくなる。よって、図１に示すようにヒータ１への印加電圧のオン時間幅を制御し、ヒータ１に印加する交流電圧の波形及び波高値を次第に大きくしていけば、その間にヒータ１の温度が上昇して抵抗値が次第に大きくなるため、ヒータ１に過大な突入電流が流れてしまうことを防止できる。
なお、図１に示すように、交流電圧のゼロクロス点を挟んでその前後の波高値が極めて小さいところから両側に徐々にその導通位相角（オン時間幅）を広げていくので、従来の位相制御のようにゼロクロス点の片側で交流電圧の半周期ごとの導通位相角（オン時間幅）を制御するのに比べて波高値の上昇を抑え、より緩やかなソフトスタートを行うことができ、突入電流の低減に極めて有効である。
【００３２】
すなわち、従来の位相制御では、ヒータに印加する交流電圧の導通位相角が５０％を越えると、その交流電圧波形は正弦波であるからその波高値は最大となり、それ以後は導通位相角が５０〜１００％までの波高値は全て最大で１００％のときと同じことになる。
これに対して、この発明の制御方法によれば、ゼロクロス点の両側で対称的に導通位相角を制御するため、導通位相角が両方合わせて５０％を越えてもヒータに印加する交流電圧の波高値は最高値にならず、１００％になるまで最高値より低く抑えられる。
【００３３】
したがって、ヒータに印加する交流電圧の実効値が増加しても波高値の増加を抑え、ピーク電流を低くすることができる。
また、この第１実施例では、ゼロクロス点の前の制御信号Ｓｃのパルス幅と、ゼロクロス点の後の制御信号Ｓｃのパルス幅を同じにしているので、交流電圧の正の部分と負の部分とをバランス良くヒータ１に印加することができるという利点がある。さらに、２回同じパルス幅の制御信号を出力するので、制御が容易になるという利点もある。
なお、この実施例では、ヒータ１に印加する交流電圧の位相制御中（ソフトスタート中）は、各ゼロクロス点ごとに制御信号のパルス幅を増加しているが、交流電圧の数周期など複数回のゼロクロス点に関して同じパルス幅の制御信号を繰り返し出力しながら、徐々にそのパルス幅を増加するようにしてもよい。
【００３４】
次に、この発明によるヒータ制御方法の第２実施例を図３に示すタイミングチャートによって説明する。この図３の（ａ）〜（ｄ）は図１の（ａ）〜（ｄ）と同様に、入力する交流電圧Ｖｉ、ゼロクロス検出信号Ｓｚ、制御信号Ｓｃ、およびヒータ１に印加される交流電圧Ｖｈの各波形をそれぞれ示している。
この第２実施例において前述の第１実施例と相違する点は、図３の（ｃ）に示すように、交流電圧Ｖｉの時間軸上でゼロクロス点を挟んで前後に対の制御信号Ｓｃを構成する２つの制御信号のパルス幅を異ならせ、ゼロクロス点の後の制御信号のパルス幅（例えばｔ３）を前の制御信号のパルス幅（例えばｔ２）より大きくしている点である。
【００３５】
このような制御信号Ｓｃを図１に示した制御回路２によって発生させて、ヒータオンオフ回路のトライアック３１の導通位相角を制御すると、ヒータ１には図３の（ｄ）に示す波形の交流電圧Ｖｈが印加される。
この波形が示すように、ヒータ１にはゼロクロス点の前と後のタイミングで交流電圧が印加されるが、その印加時間（オン時間幅）はゼロクロス点の前よりゼロクロス点の後の方が長く、且つゼロクロス点ごとにそのオン時間幅が次第に増加する。よって、ヒータ１に印加する交流電圧の波高値は、ゼロクロス点の前波形より後の波形の方が大きくなりながら徐々に大きくなる。
【００３６】
従って、この第２実施例によれば、図１によって説明した第１実施例の場合と比較して、よりスムーズにヒータ１をソフトスタートできるという利点がある。なお、図３の（ｃ）に示す制御信号Ｓｃは、あるゼロクロス点の後の信号のパルス幅と次のゼロクロス点の前の信号のパルス幅を同じにして、同じパルス幅の制御信号Ｓｃを２回ずつ出力しているが、これに限るものではない。すなわち、制御信号Ｓｃを構成する各パルス信号のパルス幅を全て異ならせて、徐々に増加させるようにしてもよいことは勿論である。そうすれば、より一層スムーズにヒータ１をソフトスタートできる。
【００３７】
次に、この発明によるヒータ制御方法の第３の実施例を図４に示すタイミングチャートによって説明する。図４の（ａ）および（ｃ），（ｄ）は図１の（ａ）および（ｃ），（ｄ）と同じく、入力する交流電圧Ｖｉ、制御信号Ｓｃ、およびヒータ１に印加される交流電圧Ｖｈの各波形をそれぞれ示している。しかし、同図の（ｂ）は、ゼロクロス検出信号Ｓｚに代えて、交流電圧Ｖｉの全波整流電圧Ｖｄの波形と、基準電圧Ｖｒのレベル変化を示している。
この基準電圧Ｖｒは、ヒータ１の電圧印加時間と温度との関係（温度特性）を近似した一次関数（単調に増加する直線）になるべく近似するように設定した交流電圧Ｖｉの半周期ごとに階段状にレベルを変化させた電圧である。
【００３８】
この基準電圧Ｖｒは、ヒータ１の温度特性を実測して求めるか、またはヒータ１の発熱量などから計算して求め、そのデータを予め図１に示した制御回路２のメモリに記憶させておく。そして、制御回路２は、ヒータ１が所定温度（ヒータ１の抵抗値が大きくなって過大な電流が流れなくなる温度）に到達したときに交流電圧波形の略１００％がヒータ１に印加されるように基準電圧Ｖｒと全波整流電圧Ｖｄとを比較し、Ｖｄ＜Ｖｒの期間だけ制御信号Ｓｃとしてパルス信号を出力する。
【００３９】
この制御信号Ｓｃを図４の（ｃ）に示す。この制御信号Ｓｃは、交流電圧Ｖｉの時間軸上のゼロクロス点（図４では一点鎖線で示す）を挟んで前後に連続するパルス信号として出力される。また、そのパルス幅（ｓ１＋ｓ′１〜ｓ７＋ｓ′７）は交流電圧Ｖｉの投入直後は最小値とし、その後、ヒータ１の温度特性に応じてヒータ１の温度上昇に対応するように増加し、ヒータ１が所定温度に到達したときに交流電圧の半周期に対する比率が１００％になる。
図４の（ｄ）にこの制御信号Ｓｃによって図１に示したヒータオンオフ回路３のトライアック３１の導通位相角を制御したときのヒータ１に印加される交流電圧Ｖｈの波形を示す。すなわち、ヒータ１には交流電圧Ｖｉの各ゼロクロス点を中心に制御信号Ｓｃのパルス幅の時間だけ交流電圧が印加される。よって、ヒータ１に印加される交流電圧の波高値は、そのときのヒータ１の温度に応じた適正な大きさになる。
【００４０】
つまり、この第３実施例によってもヒータに過大な突入電流が流れるのを確実に防止することができる。さらに、ヒータ１を温度特性に合わせてスムーズにソフトスタートすることができる。
なお、交流電源の投入後、その交流電圧の各ゼロクロス点で出力する制御信号Ｓｃのパルス幅は、基準電圧Ｖｒと全波整流電圧Ｖｄとをリアルタイムで比較して求めるのではなく、予め求めてそのデータを制御回路２のメモリに記憶しておき、制御回路２がそのパルス幅データに基いて各ゼロクロス点を中心としてその前後に連続するパルス幅の制御信号Ｓｃを出力するようにすることもできる。
【００４１】
前述した第１および第２実施例では、ゼロクロス点の前後で不連続の制御信号に応じてヒータ１に交流電圧を印加するため、ヒータオンオフ回路３は一つのゼロクロス点に関して２回オン・オフ動作する必要があった。
それに対し、この第３実施例では、ゼロクロス点の前後で連続した制御信号に応じてオン・オフ動作するため（但しゼロクロス点ではヒータ１に電圧は印加されない）、一つのゼロクロス点に関して１回オン・オフ動作するだけでよい。
つまり、第３実施例によれば、第１および第２実施例と比較してヒータオンオフ回路３のドライブの負担を１／２にすることができる。それよって、誤動作の原因となる不要輻射や雑音端子電圧を低減することができる。
【００４２】
また、図４の（ｃ）に示すように制御信号のパルス幅の比率をゼロクロス点の前の部分（ｓ１〜ｓ７）と後の部分（ｓ′１〜ｓ′７）とで同じにすれば、同図の（ｄ）に示すようにヒータ１に交流電圧の正の部分と負の部分とをバランスよく印加でき、しかも制御が比較的容易になる。
【００４３】
次に、この発明によるヒータ制御方法の第４実施例について図５によって説明する。図５の（ａ）〜（ｄ）は図４の（ａ）〜（ｄ）と同じく入力する交流電圧Ｖｉ、その全波整流電圧Ｖｄと基準電圧Ｖｒ、制御信号Ｓｃ、およびヒータに印加される交流電圧Ｖｈの各波形をそれぞれ示している。
この実施例における基準電圧Ｖｒは、ヒータ起動時のＣＲ時定数による略直線的に増加する電圧である。なお、この基準電圧Ｖｒも、図４の（ｂ）に示した基準電圧Ｖｒと同様に、ヒータ１の温度特性を近似した１次関数になるべく近くなるように設定する。
【００４４】
この第４実施例における制御信号Ｓｃは、第３実施例の場合と同様に基準電圧Ｖｒと全波整流電圧Ｖｄとを比較して、Ｖｄ＜Ｖｒのときだけパルス信号を出力する。
しかし、第３実施例では階段状の基準電圧Ｖｒを用いたのに対し、この第４実施例では単調に増加する直線状の基準電圧Ｖｒを用いるので、制御信号のパルス幅の比率はゼロクロス点の前の部分（ｓ８，ｓ１０，ｓ１２，ｓ１４，ｓ１６，ｓ１８，ｓ２０）よりも後の部分（ｓ９，ｓ１１，ｓ１３，ｓ１５，ｓ１７，ｓ１９，ｓ２１）の方が各々大きくなる。
【００４５】
この制御信号Ｓｃによって、図１に示したヒータオンオフ回路３のトライアック３１の導通位相角を制御することにより、ヒータ１には交流電圧Ｖｉのゼロクロス点の前から後にかけて連続する波形の交流電圧が印加される。また、その印加幅は、ゼロクロス点の前よりも後の方が長くなり、常にヒータ１の温度特性に応じた割合で増加する。よって、ヒータ１に印加する交流電圧の波高値も、ヒータ１が温度が上昇するのに従って徐々に増加する。
従って、この第４実施例によれば、ヒータ１に過大な突入電流が流れるのを確実に防止でき、ヒータの温度特性に合わせてスムースにソフトスタートすることができるうえ、その制御時間を短縮することができる。
【００４６】
ここで、この発明の実施例ではないが、ヒータへの通電開始時に流れる突入電流を抑制する他のヒータ制御方法について説明する。
図示はしないが、交流電源からヒータへの給電ラインに抵抗を介挿し、その抵抗に並列にトライアックやスイッチ等のスイッチ素子を接続し、予めヒータの抵抗値が突入電流を生じない値に到達するまでの時間を、タイマや遅延回路あるいは時定数回路等によって設定する。そして、ヒータへの給電開始時にはスイッチ素子をオフにして抵抗を介して通電することによって突入電流を抑制し、設定時間が経過するとスイッチ素子をオンにして、そのスイッチ素子を通してヒータに直接給電するようにするとよい。
この場合、ヒータの温度上昇を予め把握して、それに応じて設定した時間だけ交流電圧を抵抗を介してヒータに給電するので、その時間は、５００Ｗのハロゲンヒータで、供給電圧１００Ｖ・ＡＣ、設定温度１６０℃の場合で、多くても０．５秒程度であり、抵抗による電力損失を比較的小さくすることができる。そして、簡単な回路構成で、ヒータへの突入電流を確実に防止することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明によるヒータ制御回路およびヒータ制御方法によれば、ヒータに接続する回路部品を大幅に増やしたり、ヒータの待機電力を増加させたりすることなく、突入電流を小さくすると共に突入電流発生時間も短くすることができ、ヒータをスムーズにソフトスタートさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるヒータ制御方法を実施するためのヒータ制御回路の一実施形態を示す回路図である。
【図２】この発明によるヒータ制御方法の第１実施例を説明するためのタイミングチャート図である。
【図３】この発明によるヒータ制御方法の第２実施例を説明するためのタイミングチャート図である。
【図４】この発明によるヒータ制御方法の第３実施例を説明するためのタイミングチャート図である。
【図５】この発明によるヒータ制御方法の第４実施例を説明するためのタイミングチャート図である。
【図６】ヒータに印加する交流電圧とヒータに流れる電流との関係をヒータの温度が変化しないと仮定して示すタイミングチャート図である。
【図７】実際のヒータに流れる電流の変化を時間軸を縮めて示すタイミングチャート図である。
【符号の説明】
１：ヒータ    ２：制御回路
３：ヒータオンオフ回路
４：ゼロクロス検出回路
６：交流電源    １１，１２：電源ライン
１３，１４：分岐した電源ライン
１５：ゼロクロス検出信号出力線
１６：制御信号出力線    １７：直流給電線
３１：トライアック（双方向スイッチ素子）
３２，４２：フォトカプラ
４１：ダイオードブリッジ
４３，５１：トランジスタ    ４４：反転回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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