(57)【要約】【課題】加熱効率を向上して定着ローラの立上り時間を短縮する。【解決手段】商用ＡＣ電源２３から供給された電圧を整流して出力する主電源回路２１で補助電源回路２２のキャパシタ３５を充電するとともに、定着ヒータ１２に主電源回路２１から電力を供給するか補助電源回路２２から電力を供給するかを切り替え、定着ユニット７を立ち上げるとき、補助電源回路２２のキャパシタ３５から定着ヒータ１２に電力を供給して、定着ヒータ１２を短時間で所定の温度まで加熱する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電源回路と補助電源回路と加熱部を有し、
主電源回路は商用ＡＣ電源から供給された電圧を整流して出力し、
補助電源回路は導通比率を制御する制御素子と直列に接続された蓄電素子を有し、
加熱部は導通比率を制御する制御素子と直列に接続され、主電源回路の出力端に直接接続されるとともに、開閉動作を行う駆動素子と整流素子の並列回路を介してに補助電源回路に接続され、
主電源回路からの電圧により補助電源回路の蓄電素子を充電するとともに、加熱部に主電源回路から電力を供給するか補助電源回路から電力を供給するかを切り替えることを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
前記加熱部を加熱開始するとき、前記補助電源回路から加熱部に電力を供給する請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】
前記補助電源回路の蓄電素子の充電電圧が商用ＡＣ電源の電圧より高いときに、加熱部に補助電源回路から電力を供給する請求項１又は２記載の加熱装置。
【請求項４】
前記主電源回路に、出力電流を検出する電流検出手段を有し、電流検出手段で検出している出力電流があらかじめ定めた基準値以下のとき、補助電源回路の蓄電素子を充電する請求項１乃至３のいずれかに記載の加熱装置。
【請求項５】
前記補助電源回路に、蓄電手段の充電電圧が所定値以上であることを表示する手段を設けた請求項４記載の加熱装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の加熱装置を有することを特徴とする定着装置。
【請求項７】
請求項６記載の定着装置を有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば各種材料や装置を加熱する加熱装置とそれを使用した定着装置及び電子写真方式の複写機やプリンタ装置，ファクシミリ装置等の画像形成装置、特に立上時間の短縮化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】実開昭６３−１５０９６７号公報
【特許文献２】特開平１０−２８２８２１号公報
【特許文献３】特開２０００−３１５５６７号公報
複写機やプリンタ装置等の画像形成装置は普通紙やＯＨＰ等の記録媒体上に画像を形成する。この画像形成装置は、画像形成の高速性や画像品質，コストなどから電子写真方式が採用されている。電子写真方式は記録媒体上にトナー像を形成し、形成したトナー像を熱と圧力で記録媒体に定着する方法であり、定着方式としては安全性等の面からヒートローラ方式が現在最も多く採用されている。ヒートローラ方式は、ハロゲンヒータなどの発熱部材により加熱される定着ローラと、定着ローラに対向配置される加圧ローラを圧接してニップ部と呼ばれる相互圧接部を形成し、このニップ部にトナー像が転写された記録媒体を通して加熱する方法である。
【０００３】
近年、環境問題が重要となり、複写機やプリンタ装置等の画像形成装置も省エネルギ化が進んでいる。この画像形成装置の省エネルギを考えるに当たって無視できないのは、トナーを記録媒体に定着する定着装置の省電力である。画像形成装置の待機時における定着装置の消費電力の低減としては、待機時には定着ローラの温度を定着温度よりやや低い一定の温度に保つことにより、使用時に直ちに使用可能温度まで立ち上げ、使用者がか定着ローラの昇温を待つことがないようにしている。この場合、定着装置を使用していないときにもある程度の電力を供給して余分なエネルギを消費していた。この待機時の消費エネルギは機器の消費エネルギの約７割から８割に上がるといわれている。
【０００４】
この定着ローラの昇温時間を短くするためには、単位時間の投入エネルギすなわち定格電力を大きくすると良い。実際に、プリント速度の速い高速機には電源電圧を２００Ｖにして対応している装置も多い。しかし、日本国内の一般的なオフィスでは、商用電源は１００Ｖ１５Ａであり、２００Ｖに対応させるには設置場所の電源関連に特別な工事を施す必要があり一般的な解決法とはいえない。また、１００Ｖ１５Ａを２系統用いて全投入電力を上げる製品も実用化されているが、２系統のコンセントが近くにあるところでないと設置することができない。このため定着ローラを短時間で昇温させようとしても、投入エネルギの上限は上げられないのが実状であった。
【０００５】
これを改善するために、発熱部材を内蔵する定着ローラの薄肉化などが行なわれているが、定着ローラを短時間で昇温させことは不充分である。定着ヒータはＡＣ電源からの入力電圧を通電し加熱しているので、定着装置に供給できる電流Ｉｈは、ＡＣ電源から通電する電流Ｉｔのうち、定着装置以外で使う電流Ｉｅを除いた分であり、この電流Ｉｈを上限として定着ヒータの通電電流を制御を行ない、定着ヒータを所定の温度に保つようにしている。この電流Ｉｔと電流Ｉｅの比率は、定着装置以外で使う電流Ｉｅが最も大きな時を基準に設定されている。
【０００６】
この定着ヒータの発熱量はヒータに通電する電流に比例し、電流が多いほど早く定着ローラの温度を立ち上げることができる。そこで例えば、特許文献１や特許文献２に示すように、定着装置の待機時に補助電源である二次電池を充電し、定着装置を立ち上げたときに主電源装置と二次電池や一次電池から電力を供給して立上り時間を短縮するようにしたりしたり、特許文献３に示すように、主電源の他に大容量のコンデンサを使用した補助電源を使用し、待機時に主電源と加熱部の接続を遮断し、主電源と補助電源を接続して補助電源を充電し、待機状態から加熱部を立ち上げるときに主電源と補助電源から加熱部に電力を供給して加熱部の温度を短時間で所定の温度に立ち上げるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら定着ヒータに供給する電力や、補助電源を充電するための電力をリレー等の有接点の駆動素子を用いてオン・オフしているため、商用ＡＣ電源から入力する電流を制御することが困難である。
【０００８】
また、複写動作中は電池やコンデンサを充電することができないため、複写機等のメインスイッチをオンしてから複写動作が連続する場合は、補助電源である電池やコンデンサの充電量が不足し、補助電源から十分な電力を供給することができず、起動時の立上り時間を短縮することできないことが多々ある。
【０００９】
さらに、補助電源からの通電用に専用の定着ヒータを設けなければならず、構成が複雑になり、装置が高価になるという短所がある。
【００１０】
この発明はかかる短所を改善し、加熱効率を向上して立上り時間を短縮することができる加熱装置と定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の加熱装置は、主電源回路と補助電源回路と加熱部を有し、主電源回路は商用ＡＣ電源から供給された電圧を整流して出力し、補助電源回路は導通比率を制御する制御素子と直列に接続された蓄電素子を有し、加熱部は導通比率を制御する制御素子と直列に接続され、主電源回路の出力端に直接接続されるとともに、開閉動作を行う駆動素子と整流素子の並列回路を介してに補助電源回路に接続され、主電源回路からの電圧により補助電源回路の蓄電素子を充電するとともに、加熱部に主電源回路から電力を供給するか補助電源回路から電力を供給するかを切り替えることを特徴とする。
【００１２】
前記加熱部を加熱開始するとき、補助電源回路から加熱部に電力を供給し、加熱部に供給する熱量を多くする。
【００１３】
また、補助電源回路の蓄電素子の充電電圧が商用ＡＣ電源の電圧より高いときに、加熱部に補助電源回路から電力を供給し、加熱部の温度を安定にする。
【００１４】
さらに、主電源回路に、出力電流を検出する電流検出手段を有し、電流検出手段で検出している出力電流があらかじめ定めた基準値以下のとき、補助電源回路の蓄電素子を充電して、蓄電素子を適宜充電する。
【００１５】
また、補助電源回路に、蓄電手段の充電電圧が所定値以上であることを表示する手段を設け、メンテナンス時の感電の危険性を防ぐ。
【００１６】
この発明の定着装置は、前記加熱装置を有し、短時間で所定の温度まで昇温するとともに昇温した温度を安定に保持することを特徴とする。
【００１７】
この定着装置を電子写真方式の画像形成装置に使用し、画像形成装置の立ち上がり時間を短縮する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の複写機の構成図である。図に示すように、例えばカラータンデム複写機１は、原稿自動送り装置２から送られた原稿を露光して原稿からの反射光を光電変換し、信号処理を行うスキャナ部３と、スキャナ部３からの信号によりレーザ光を出射する書込み部４と、転写ベルト５に沿って配置されたシアンＣとイエローＹとマゼンダＭ及びブラックＢｋの画像形成部６Ｃ，６Ｙ，６Ｍ，６Ｂｋと、画像形成部６の下流側に設けられた定着ユニット７及び給紙部８を有する。画像形成部６Ｃ，６Ｙ，６Ｍ，６Ｂｋは、それぞれ書込み部４からのレーザ光により潜像を形成する感光体９と、感光体９の表面を一様に帯電させる帯電部１０と、感光体９に形成された潜像にトナーを付着させて可視化する現像部１１とを有し、転写紙にシアンＣとイエローＹとマゼンダＭ及びブラックＢｋのトナー像を転写する。定着ユニット７は、図２の断面図に示すように、定着ヒータ１２を有する定着ローラ１３と加圧ローラ１４を有し、転写紙１５に転写されたトナー像を加熱，加圧して定着する。
【００１９】
定着ローラ１３の定着ヒータ１２を加熱する加熱装置２０は図３の回路図に示すように、主電源回路２１と補助電源回路２２を有する。主電源回路２１は、商用ＡＣ電源２３から有接点の駆動素子であるパワーリレー２４を介して整流回路２５にＡＣ電圧を入力する。整流回路２５の出力は、入力電流センサ２６と、リアクタンス２７とコンデンサ２８によるローパスフィルタ部を介して定着ヒータ１２と、定着ヒータ１２をデューティ制御するスイッチング素子２９に接続している。定着ローラ１３には表面温度を検知する例えばサーミスタからなる表面温度センサ３０が設けられている。補助電源回路２２は、定着ヒータ１２とスイッチング素子２９とに並列に接続され、有接点の駆動素子であるパワーリレー３１とダイオード３２の並列回路に直列に接続され、スイッチング素子３３によりデューティ制御される例えば電気二重層コンデンサからなるキャパシタ３５と、キャパシタ３５の両端の出力電圧を検出する電圧検出回路３６とを有する。また、各スイッチング素子２９，３３の駆動回路３７，３８と入力電流センサ２６と表面温度センサ３０及び電圧検出回路３６はインバータ制御回路３９に接続している。インバータ制御回路３９には整流回路２５の出力が抵抗４１，４２により分圧して供給される。このインバータ制御回路３９は定着ヒータ１２の点灯制御と定着ローラ１３の温度制御及びキャパシタ３５の充電制御を行ものであり、複写機１の動作状態に応じてエンジン制御部４３から送られる制御信号により、定着ヒータ１２をＡＣ電源２３から送られる電力で通電するか補助電源回路２２のキャパシタ３５の出力電圧で通電するかを切り換える。また、定着ヒータ１２とキャパシタ３５への通電は、各駆動回路３７，３８でスイッチング素子２９，３３の動作を制御して行い、各スイッチング素子２９，３３の導通比率は定着ヒータ１２とキャパシタ３５へ通電する電流値に応じて制御している。
【００２０】
このキャパシタ３５を充電するときはパワーリレー３１を開にしてダイオード３２を介して行い、キャパシタ３５から定着ヒータ１２に通電するときは、パワーリレー３２を閉にしてダイオード３２をバイパスして通電する。
【００２１】
定着ヒータ１２の点灯制御では、複写機１の起動時、すなわち電源投入時または定着ローラ１３の温度を低目に設定している待機モードから復帰する時、定着ローラ１３の温度が目標の温度例えば１８０℃以下であって、キャパシタ３５の電圧がＡＣ電源２３のピーク電圧に近い基準電圧例えば１１０Ｖ以上の場合は、ＡＣ電源系のパワーリレー２４をオフにし、補助電源系のパワーリレー３１をオンにしてキャパシタ３５から定着ヒータ１２に通電する。このキャパシタ３５はＡＣ電源２３のピーク電圧まで直流で充電できるので、ＡＣ電源２３からの通電よりも大きな電流を定着ヒータ１２に流すことができる。そこでインバータ制御回路３９は、ＡＣ電源系のパワーリレー２４をオフにし、補助電源系のパワーリレー３１をオンにしたとき、スイッチング素子２９の導通比率を上げ、スイッチング素子３３の導電比率を１００％にして定着ヒータ１２に大きな電流を流す。すなわちスイッチング素子２９の導通比率と定着ヒータ１２の入力電流は、図４に示すようにほぼ比例しており、スイッチング素子２９の導通比率を上げることにより定着ヒータ１２の入力電流を多くすることができる。この結果、ＡＣ電源２３から定着ヒータ１２に電力を供給する場合よりも大きな電流を定着ヒータ１２に流すことができ、定着ローラ１３に供給する熱量を大幅に高め、電源の投入時や待機モードからの復帰時に、定着ローラ１３の立上がり時間を短縮することができる。
【００２２】
このキャパシタ３５から定着ヒータ１２に電流を供給するとき、スイッチング素子３３をオン状態にしなくても、並列に存在する寄生ダイオードにより、放電を行うことができるが、スイッチング素子３３の導通時の抵抗は、寄生ダイオードの順方向電圧に対し充分低い値となり、例えばスイッチング素子３３のオン抵抗による電圧降下０．２Ｖに対し、寄生ダイオードでの電圧降下は０．７Ｖもあり、電圧降下による損失低減のためスイッチング素子３３を導通させてキャパシタ３５から定着ヒータ１２に効率良く電流を供給するようにしている。
【００２３】
このキャパシタ３５は定着ヒータ１２に通電すると放電により充電電圧が低下する。このため電圧検出回路３６でキャパシタ３５の電圧を検出し、キャパシタ３５の電圧が例えばＡＣ電源２３の電圧である１００Ｖ以下に低下した場合、パワーリレー３１をオフにし、パワーリレー２４をオンにしてＡＣ電源系から定着ヒータ１２に通電するとともに、入力電流センサ２６で検出している入力電流に余裕があるときキャパシタ３５を充電する。このキャパシタ３５を充電するために、あらかじめ充電電流の上限値と、複写機１の動作状態に応じて上限値に対する充電係数を設定しておく。例えば複写機１が動作していないとき主電源回路２１に流す電流の上限を１３Ａとし、複写機１が動作中に主電源回路２１に流す電流の上限を９Ａとした場合、この上限電流と定着ヒータ１２に流す電流を制御するスイッチング素子２９の導通比率に応じてスイッチング素子３３の導通比率を可変してキャパシタ３５を充電する。
【００２４】
このキャパシタ３５を構成する電気二重層コンデンサは化学反応を伴わないため数分程度の急速な充電を行うことができる。このキャパシタ３５を充電しているとき、インバータ制御回路３９は、出力電圧検出回路３６で検出しているキャパシタ３５の充電電圧が所定の充電電圧、例えば１３０Ｖに達するとスイッチング素子３３をオフにして充電を終了する。このように入力電流に余裕があるときや待機時にキャパシタ３５を充電しておくことにより、定着ヒータ１２を立ち上げるときや、複写機１が動作中で必要なときに、キャパシタ３５から定着ヒータ１２に安定して電流を流すことができる。
【００２５】
また、キャパシタ３５を充電することにより、複写機１に電源が入ってない場合でも、キャパシタ３５には電圧が残っている。この状態で複写機１のメンテナンスを行うと感電する危険性がある。そこで、図５の回路図に示すように、キャパシタ３５の充電電圧を検出する電圧検出回路３６に、抵抗４４，４５で充電電圧を分圧し検出信号としてインバータ制御回路３９に入力するとともに、抵抗４４，４５と直列に例えば発光ダイオード等の表示手段４６を設け、キャパシタ３５の充電状態を表示する。このようにキャパシタ３５の充電状態を表示することにより、メンテナンス時にキャパシタ３５の電圧により感電することを防止できる。ここで表示手段４６はキャパシタ３５とスイッチング素子３３の直列回路の両端に接続しても良い。また、スイッチング素子３３のオンオフの影響を少なくするために、スイッチング素子３３のコレクタ電圧を合せて検出しても良い。
【００２６】
また、複写機１が接続された電源から通電できる電流には制限があり、複写機１が連続動作時には、加熱装置２０の主電源回路２１から定着ヒータ１２に割り当てられた上限の電流を流しても、定着ローラ１３の温度を維持できないことがある。特に低温時や厚紙を通紙した場合など定着ローラ１３からの放熱が大きい場合に著しい。そこで主電源回路２１から定着ヒータ１２への通電電流よりも補助電源回路２２からの通電電流の方が多く流せる場合、すなわちキャパシタ３５が十分に充電されている場合、キャパシタ３５から定着ヒータ１２へ通電して、複写機１が動作中に定着ローラ１３の温度が低下することを防ぐ。そこで複写機１が動作中に、インバータ制御回路３９は主電源回路２１に設けた入力電流センサ２６で検出している主電源回路２１の入力電流と電圧検出回路３６で検出しているキャパシタ３５の充電量に応じて定着ヒータ１２に通電可能な電流とを比較し、複写機１の各部の消費電力が大きくなって主電源回路２１の入力電流が制限されて小さくなり、キャパシタ３５の充電量に応じて定着ヒータ１２に通電可能な電流が主電源回路２１の入力電流より大きい場合、キャパシタ３５から定着ヒータ１２に電流を流し、複写機１が動作中に定着ローラ１３の温度を所定の温度に維持する。
【００２７】
例えば、複写機１の全入力電流を１５Ａとした場合、定着ヒータ１２の消費電流は、複写機１が動作していないときは１３Ａ以下とし、複写機１が動作中は約９Ａを上限としている。インバータ制御回路３９は、この電流に相当する導通比率を上限として、表面温度センサ３０で検出している定着ローラ１３の温度が所定の値、例えば１８０℃となるように制御している。このような条件で、定着ヒータ１２の駆動をしているが、複写機１が動作中に、出力電圧検出回路３６で検出したキャパシタ３５の充電電圧が基準電圧、例えば１１０Ｖよりも高い場合、主電源回路２１から定着ヒータ１２に対する通電を遮断し、キャパシタ３５から定着ヒータ１２に電流を流す。このキャパシタ３５から定着ヒータ１２に流れる電流は、図６に示すようにキャパシタ３５の充電電圧に比例し、例えばキャパシタ３５をＡＣ電源２３のピーク電圧に充電したときには、充電電圧は１４０Ｖとなり、定着ヒータ１２には１８Ａの電流を流すことができる。主電源回路２１から流す電流より大幅に増大させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、商用ＡＣ電源から供給された電圧を整流して出力する主電源回路で補助電源回路の蓄電素子を充電するとともに、加熱部に主電源回路から電力を供給するか補助電源回路から電力を供給するかを切り替えるようにしたから、主電源回路に商用ＡＣ電源から供給する電力が少なくなったときに、補助電源回路から加熱部に電力を供給することができ、加熱部を安定して加熱することができる。
【００２９】
また、加熱部を加熱開始するとき、補助電源回路から加熱部に電力を供給し、加熱部に供給する熱量を多くして、加熱部を短時間で所定の温度まで加熱することができる。
【００３０】
さらに、補助電源回路の蓄電素子の充電電圧が商用ＡＣ電源の電圧より高いときに、加熱部に補助電源回路から電力を供給し、加熱部の温度を常に安定に保持することができる。
【００３１】
また、主電源回路に、出力電流を検出する電流検出手段を設け、電流検出手段で検出している出力電流があらかじめ定めた基準値以下のとき、補助電源回路の蓄電素子を充電することによりり、蓄電素子を適宜充電することができ、蓄電素子から大きな電力を加熱部に安定して供給することができる。
【００３２】
また、補助電源回路に、蓄電手段の充電電圧が所定値以上であることを表示する手段を設けることにより、メンテナンス時の感電の危険性を防ぐことができ、安全性を向上することができる。
【００３３】
さらに、この加熱装置を画像形成装置の定着装置に使用することにより、定着装置を短時間で所定の温度まで昇温するとともに昇温した温度を安定に保持することガできる。
【００３４】
この定着装置を電子写真方式の画像形成装置に使用することにより、画像形成装置の立ち上がり時間を短縮するとともに良質な画像を安定して形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の複写機の構成図である。
【図２】定着ユニットの構成を示す断面図である。
【図３】定着ヒータを加熱する加熱装置の構成を示す回路図である。
【図４】導通比率と入力電流に対する出力特性図である。
【図５】電圧検出回路の構成を示す回路図である。
【図６】キャパシタ充電電圧に対する定着ヒータ電流の変化特性図である。
【符号の説明】
１；複写機、２；原稿自動送り装置、３；スキャナ部、４；書込み部、
５；転写ベルト、６；画像形成部、７；定着ユニット、８；給紙部、
９；感光体、１２；定着ヒータ、１３；定着ローラ、１４；加圧ローラ、
２０；加熱装置、２１；主電源回路、２２；補助電源回路、
２３；商用ＡＣ電源、２４；パワーリレー、２５；整流回路、
２６；入力電流センサ、２９，３３；スイッチング素子、
３０；表面温度センサ、３１；パワーリレー、３２；ダイオード、
３５；キャパシタ、３６；電圧検出回路、３７，３８；駆動回路、
３９；インバータ制御回路。
【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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