(57)【要約】【課題】定着ヒータに接続されているＡＣ電源の入力電流波形に歪みを生じず、かつ電源電圧変動を抑えて、定着ヒータへ最大限の電力を供給すること。【解決手段】定着ヒータ（ＨＴ）と、ヒータに接続されたＡＣ電源１０の周波数のゼロクロスポイントを検出するゼロクロス検出回路６と、ＡＣ電源１０の周波数をＰＷＭ制御することによってヒータの点灯制御し、ゼロクロス検出回路６で検出された隣接するゼロクロスポイント間に相当する半周期に対して、ＡＣ電源１０の周波数のＰＷＭ制御信号デューティ幅を制御して、ＡＣ電源１０の入力電流波形を正弦波に近い波形で振幅を制御する制御部（ＣＮＴ）５と、を備えた。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着装置で使用するヒータと、
該ヒータに接続されたＡＣ電源の周波数のゼロクロスポイントを検出する検出手段と、
前記ＡＣ電源の周波数をＰＷＭ制御することによって前記ヒータの点灯制御し、前記検出手段で検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期に対して、前記ＡＣ電源の周波数のＰＷＭ制御信号デューティ幅を制御して、前記ＡＣ電源の入力電流波形を正弦波に近い波形で振幅を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記ヒータは、１次側最大消費電力からＤＣ負荷で使用する１次側最大消費電力を差し引いた電力より大きい電力容量の定着装置で使用するものであり、
前記制御手段は、さらに、前記１次側最大消費電力を超えないように前記ヒータを点灯制御することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記ＡＣ電源の１次側の電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、さらに、前記電流検出手段によって検出された前記１次側最大消費電力を超えないように前記ヒータを点灯制御することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記制御手段は、さらに前記ヒータを前記ＡＣ電源の周波数よりも高い周波数でＰＷＭ制御することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記ヒータのＰＷＭ制御信号デューティ幅を、前記検出手段によって検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期の間、固定幅となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記ＰＷＭ制御信号デューティ幅を段階的に増加するように制御することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項７】
定着装置で使用するヒータに接続されたＡＣ電源の周波数のゼロクロスポイントを検出する検出工程と、
前記ＡＣ電源の周波数をＰＷＭ制御することによって前記ヒータの点灯制御し、前記検出工程で検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期に対して、前記ＡＣ電源の周波数のＰＷＭ制御信号デューティ幅を制御して、前記ＡＣ電源の入力電流波形を正弦波に近い波形で振幅を制御する制御工程と、
を含むことを特徴とするヒータ制御方法。
【請求項８】
前記制御工程は、さらに、前記１次側最大消費電力を超えないように前記ヒータを点灯制御することを特徴とする請求項７に記載のヒータ制御方法。
【請求項９】
前記ＡＣ電源の１次側の電流を検出する電流検出工程をさらに含み、
前記制御工程は、さらに、前記電流検出工程によって検出された前記１次側最大消費電力を超えないように前記ヒータを点灯制御することを特徴とする請求項８に記載のヒータ制御方法。
【請求項１０】
前記制御工程は、さらに前記ヒータを前記ＡＣ電源の周波数よりも高い周波数でＰＷＭ制御することを特徴とする請求項７に記載のヒータ制御方法。
【請求項１１】
前記制御工程は、前記ヒータのＰＷＭ制御信号デューティ幅を、前記検出手段によって検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期の間、固定幅となるように制御することを特徴とする請求項７に記載のヒータ制御方法。
【請求項１２】
前記制御工程は、前記ＰＷＭ制御信号デューティ幅を段階的に増加するように制御することを特徴とする請求項７に記載のヒータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、定着装置で使用するヒータのＡＣ電源の周波数をＰＷＭ制御することによってヒータの点灯制御を行う画像形成装置およびヒータ制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、画像形成装置のヒータは、不活性ガスとともにタングステンのフィラメントをガラス管に封入したハロゲンヒータが用いられており、それをトライアックなどの半導体素子でＡＣ電源の通電時間を制御することによって、温度制御を行っている。
【０００３】
一般に、ＡＣ電源のゼロクロスポイントからある時間経過後トライアックをＯＮし、その後トライアックの特性から極性が反転するとＯＦＦになり、そのゼロクロスポイントからＯＮさせるまでの時間（位相角）を制御することによって温度制御を行う位相制御と、ＡＣ電源の半周期をＯＮ／ＯＦＦの最小単位として半周期の途中ではヒータのＯＮ／ＯＦＦを行わないＯＮ／ＯＦＦ制御との２種類がある。
【０００４】
また、位相制御の例としては、加熱手段へ電力を投入または切断する際に、温度検知手段によって検知された温度に基づいて供給する交流電力の位相各を指定した位相角に制限することによって、電源投入時および切断時において、突入電源、高調波電流および電源電圧変動による他機器への影響を抑制する電源制御装置がある（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３２１９２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
位相制御においては、精度の高い温度制御を行える可能性があるものの、入力電流が正弦波とはならないために高調波電流を含んだ歪んだ入力電流波形となってしまう。
【０００７】
一方、ＯＮ／ＯＦＦ制御においては、入力電流が流れる場合に入力電流波形は正弦波となるために高調波電流は少ないことが利点としてあげられる。ただし、ＯＮ／ＯＦＦの最小単位がＡＣ電源の半周期のために電源電圧変動が問題となる。
【０００８】
また、大型複写機か高速複写機の場合には、定着ヒータの電力は不足する傾向にあり、システムとして装着されるオプション類が少ない場合や動作的にＤＣ系負荷が少ない場合には、定着ヒータに余裕のある電力を供給することが望ましい。
【０００９】
このため、電流計を実装し、定着装置の電力容量を大きめに設定して位相制御により電力を精度良く制御することも可能であるが、位相制御で行うことになるため従来のトライアックでＯＮ／ＯＦＦする方式では上述したように入力電流波形が歪むなどの問題が発生する。
【００１０】
よって、定着ヒータの電力容量は、ヒータのフル点灯時にもシステムとして規定される電力を超えないように決定されることとなり、定着ヒータの電力は、システムとして規定される電力からＤＣ負荷最大時の一次側電力を差し引いた電力にならざるを得ない。
【００１１】
さらに、定着ヒータに接続されているＡＣ電源を高周波でＰＷＭ制御することによって、入力電流は半周期の中を平均的に流れ、入力波形も正弦波に近い波形となり、高調波、電圧変動ともに解決できることが知られている。
【００１２】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、定着ヒータに接続されているＡＣ電源の入力電流波形に歪みを生じず、かつ電源電圧変動を抑えて、定着ヒータへ最大限の電力を供給することができる画像形成装置およびヒータ制御方法を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、定着装置で使用するヒータと、該ヒータに接続されたＡＣ電源の周波数のゼロクロスポイントを検出する検出手段と、前記ＡＣ電源の周波数をＰＷＭ制御することによって前記ヒータの点灯制御し、前記検出手段で検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期に対して、前記ＡＣ電源の周波数のＰＷＭ制御信号デューティ幅を制御して、前記ＡＣ電源の入力電流波形を正弦波に近い波形で振幅を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、定着装置で使用するヒータに接続されたＡＣ電源の周波数のゼロクロスポイントを検出し、ＡＣ電源の周波数をＰＷＭ制御することによってヒータの点灯制御し、検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期に対して、ＡＣ電源の周波数のＰＷＭ制御信号デューティ幅を制御して、ＡＣ電源の入力電流波形を正弦波に近い波形で振幅を制御することで、ヒータに接続されているＡＣ電源の入力電流は半周期の中を平均的に流れ、入力電流波形に歪みを生じず、かつ電源電圧変動を抑えて、定着ヒータへ最大限の電力を供給することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記発明において、前記制御手段は、前記ヒータのＰＷＭ制御信号デューティ幅を、前記検出手段によって検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期の間、固定幅となるように制御することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、ヒータのＰＷＭ制御信号デューティ幅を、検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期の間、固定幅となるように制御することで、ヒータに接続されているＡＣ電源の入力電流に高調波電流の発生を防止することができる。
【００１７】
また、本発明は、上記発明において、前記制御手段は、前記ＰＷＭ制御信号デューティ幅を段階的に増加するように制御することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を段階的に増加するように制御することで、ヒータに接続されているＡＣ電源の入力電流波形に歪みを生じさせることを防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる画像形成装置およびヒータ制御方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である画像形成装置における定着装置に使用されるヒータ（以下、「定着ヒータ」という、）の点灯制御を行う制御回路の構成を示す回路構成図である。本実施の形態の画像形成装置の定着ヒータの点灯制御回路は、図１に示すように、定着ヒータ（ＨＴ）１３と、定着ヒータのＡＣ電源１０と、ノイズフィルタ（ＮＦ）１、バリスタ（Ｂ）２、アレスタ（ＡＲ）３などのフィルタと、電流検出回路９と、ゼロクロス検出回路６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＤＣ）４と、制御部（ＣＮＴ）５と、サーミスタ（ＴＨ２）１１と、ＰＷＭジェネレータ（ＰＷＭＧ）１２、パワーリレー（ＲＡ）７とを主に備えている。
【００２１】
定着ヒータのＡＣ電源１０は、ノイズフィルタ（ＮＦ）１、バリスタ（Ｂ）２、アレスタ（ＡＲ）３などのフィルタ、保護部品を介して入力される。また、本体で使用される直流電源は、ダイオードブリッジの後のＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＤＣ）４によって定着の温度制御を含む本体制御部（ＣＮＴ）５、不図示の他の制御部などに供給するＶｃｃ電源を出力する。
【００２２】
電流検出回路９は、ＡＣ電源１０の１次側の電流を検出し、検出された１次側電流値を制御部５に入力するものである。
【００２３】
ゼロクロス検出回路６は、ＡＣ入力電圧から定着の温度制御で使用するゼロクロス信号を生成し、制御部５の割り込み入力あるいは入力ポート（ＩＮＴ）に対して出力するものである。
【００２４】
サーミスタ（ＴＨ２）１１は、定着ローラ（不図示）の表面に設けられ、定着ヒータの温度を検出し、検出された温度信号を制御部５に出力するものである。
【００２５】
制御部５は、温度検出サーミスタ（ＴＨ）１１によって温度を監視し、現在の定着ローラ表面温度が予め設定されている目標温度よりも低い場合にはＰＷＭ制御信号のデューティ幅を広げ、目標温度よりも高い場合にはＰＷＭ制御信号のデューティ幅を狭めることによって、定着ヒータ（ＨＴ）１３に流れる電流を制御する。
【００２６】
また、制御部５は、ゼロクロス検出回路６によって検出されたゼロクロス信号を入力し、入力される隣接した２つのゼロクロス信号の間を入力電流の半周期として判断する。そして、制御部５は、入力電流の半周期間はＰＷＭ制御信号デューティ幅を変化させない制御を行うようになっている。
【００２７】
ＰＷＭジェネレータ（ＰＷＭＧ）１２は、制御部５によって決定されたＰＷＭ制御信号デューティ幅に応じたＰＷＭ信号を生成して、生成されたＰＷＭ信号をフォトカプラ（ＰＣ）８に出力し、これによって定着ヒータ（ＨＴ）１３をＯＮ／ＯＦＦする。従って、これによって、定着ヒータの発熱量が制御され、定着ローラ表面の温度が目標温度となる。
【００２８】
パワーリレー（ＲＡ）７は、画像形成装置の異常時に制御部５からの出力信号を遮断するように作動し、定着ヒータ（ＨＴ）１３への電力供給を遮断するものである。フォトカプラ（ＰＣ）８は、制御部５と１次回路間の信号を絶縁するものである。
【００２９】
次に、以上のように構成された本実施の形態の画像形成装置の制御部５による定着ヒータの点灯制御について説明する。図２は、制御部５による定着ヒータの点灯制御の処理手順を示すフローチャートである。
【００３０】
まず、制御部５は、定着ローラの温度（定着温度）をサーミスタ１１によって監視し、定着温度をサーミスタ１１から入力する（ステップＳ２０１）。そして、入力された定着温度が目標温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。
【００３１】
制御部５は、ＡＣ電源１０の１次側電流値を電流検出回路９からの入力によって監視しているが、定着温度が目標温度以下である場合には、１次側電流値を電流検出回路９から入力して（ステップＳ２０３）、１次側電流値が最大電流値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。
【００３２】
そして、１次側電流値が最大電流値以下である場合には、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を広げたデューティ幅信号をＰＷＭジェネレータ１２に出力する（ステップＳ２０５）。これによって、入力電流波形の振幅が高くなる。
【００３３】
ここで、定着ヒータの温度制御は、予め設定された目標温度と、現在の定着サーミスタの抵抗値から算出される現在の定着温度との差から定着ヒータの点灯率であるＰＷＭ制御信号のデューティ幅を決定するが、この決定方法は演算処理やルックアップテーブルを使用する方法などがある。
【００３４】
演算処理としては、以下の式によってＰＷＭ制御信号デューティ幅を決定する方法で一般的である。
【００３５】
（次のＰＷＭ制御信号デューティ幅）＝　［（定着目標温度）−（現在の定着温度）］×制御係数＋（前回のＰＷＭ制御信号デューティ幅）
である。
【００３６】
また、ルックアップテーブルを利用する方法としては、例えば、図６に示すルックアップテーブルを用いることができる。
【００３７】
一方、ステップＳ２０４において、１次側電流値が最大電流値より大きい場合には、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を変化させない。すなわち、現在のデューティ幅信号をＰＷＭジェネレータ１２に出力した状態とする。
【００３８】
ステップＳ２０２において、定着温度が目標温度より大きい場合には、制御部５に入力された定着温度が目標温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。そして、入力された定着温度が目標温度以上である場合には、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を狭めたデューティ幅信号をＰＷＭジェネレータ１２に出力する（ステップＳ２０７）。これによって、入力電流波形の振幅が低くなる。
【００３９】
一方、入力された定着温度が目標温度より小さい場合、すなわち、入力された定着温度が目標温度に等しい場合には、目標温度に既に達しているので、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を変化させない。すなわち、現在のデューティ幅信号をＰＷＭジェネレータ１２に出力した状態とする。
【００４０】
以上説明したステップＳ２０１からＳ２０７までの制御は、ゼロクロス信号の入力時点で行い、入力される隣接した２つのゼロクロス信号の間を入力電流の半周期の間は、デューティ幅を変更しない。
【００４１】
これによって、定着ヒータの発熱量が制御され、定着ローラ表面の温度が目標温度となるように制御される。
【００４２】
図３および図４に、定着の入力電流波形を示す説明図である。図３は、ＰＷＭ信号のＰＷＭ制御信号デューティ幅が広い場合の波形を示し、図４はＰＷＭ信号のＰＷＭ制御信号デューティ幅が狭い場合の波形を示す。図３に示すように、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を広げるように制御した場合には、入力電流波形の振幅が高くなる。図４に示すように、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を狭めるように制御した場合には、入力電流波形の振幅が低くなる。また、図３および４に示すように、ＡＣ入力電流として正弦波に近い電流が流れるため、電源電圧変動および入力電流波形が高調波になることがともに回避することができる。このように、入力電流は半周期の中を平均的に流れ、入力電流波形に歪みを与えることなく定着ヒータへ最大限の電力を供給することが可能となる。
【００４３】
また、ゼロクロスポイントとゼロクロスポイント、つまりＡＣ電源１０の入力電流の半周期の途中でＰＷＭ制御信号のデューティ幅を変化させると、入力電流が歪み高調波電流が発生する。図５は、ＡＣ電源１０の入力電流の半周期の途中でＰＷＭ制御信号のデューティ幅を変化させた場合の電流波形の状態を示す説明図である。図５に示すように、入力電流が歪み高調波電流が発生していることがわかる。
【００４４】
しかし、本実施の形態では、上述したとおり、入力電流の半周期の間はＰＷＭ制御信号のデューティ幅を一定としているので、入力電流波形に歪みが生じることが回避されている。
【００４５】
ゼロクロス周期より十分に短いポーリング周期で監視するか、ゼロクロス信号で割り込みを発生させてゼロクロスポイントごとにＰＷＭ制御信号のデューティ幅を決定して更新し、図７に示すようにＡＣ入力の半周期の中では、ＰＷＭ制御信号のデューティ幅を一定に保持することにより高調波電流を発生させることなく精度の高い温度制御が可能となる。ここで、図７は、ＡＣ電源１０の入力電圧の半周期の間、ＰＷＭ制御信号のデューティ幅を一定に維持させた場合の電圧波形の状態を示す説明図である。
【００４６】
なお、本実施の形態では、電流検出回路９を設けてＡＣ電源１０の１次側電流値を制御部５に入力させているが、電流検出回路９を設けずに、予め複写動作時、印刷動作時などの動作モードごとにに電流値を決定しておき、現在の動作モードに対応した電流値を制御部５に入力するように構成してもよい。
【００４７】
（実施の形態２）
実施の形態２の画像形成装置は、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を半周期ごとに段階的に広げていく制御を行うものである。本実施の形態の制御回路の回路構成は、実施の形態１の制御回路と同様であるため説明を省略する。
【００４８】
定着ヒータ（ＨＴ）１３は、低温時には内部抵抗が低下するため、電源投入時に大きな突入電流が流れることが知られている。上記位相制御方式では、位相角を徐々にあるいは段階的に広げていくソフトスタートが可能となり、大きな突入電流を防ぐことが可能であり、また、位相角を細かく制御することによってさらに精度の高い温度制御を行える可能性がある。位相制御を行うとＡＣの入力電流が正弦波とはならない。図８は、位相制御を行った場合の電流波形の状態を示す説明図である。図８に示すように、位相制御を行った場合、高調波電流を含んだ入力電流波形となってしまう。
【００４９】
本実施の形態の画像形成装置の制御部５によって、半周期ごとにＰＷＭ制御信号のデューティ幅を変更し、段階的にＰＷＭ制御信号デューティ幅を広げていく制御を行っている。図９は、電源投入時に段階的にＰＷＭ制御信号デューティ幅を広げていく制御を行った場合の電流波形の状態を示す説明図である。このような制御を行うことにより、高調波電流が発生せずに波形を歪ませることなく突入電流を抑制することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、画像形成装置の電源投入時に制御部５によって、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を拡げていく制御を行っているが、電源投入時に以外に動作中にもこのようなデューティ幅を段階的に拡げていく制御を行うことが可能である。この場合にも、ＡＣ電源の入力電流波形が高調波電流を含まずに歪みを生じることが回避される。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、定着装置で使用するヒータに接続されたＡＣ電源の周波数のゼロクロスポイントを検出し、ＡＣ電源の周波数をＰＷＭ制御することによってヒータの点灯制御し、検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期に対して、ＡＣ電源の周波数のＰＷＭ制御信号デューティ幅を制御して、ＡＣ電源の入力電流波形を正弦波に近い波形で振幅を制御するので、入力電流は半周期の中を平均的に流れ、入力電流波形に歪みを与えることなく定着ヒータへ最大限の電力を供給することが可能となるという効果を奏する。
【００５２】
また、本発明によれば、ヒータのＰＷＭ制御信号デューティ幅を、検出された隣接する前記ゼロクロスポイント間に相当する半周期の間、固定幅となるように制御するので、ヒータに接続されているＡＣ電源の入力電流に高調波電流の発生を防止することができるという効果を奏する。
【００５３】
また、本発明によれば、ＰＷＭ制御信号デューティ幅を段階的に増加するように制御することで、ヒータに接続されているＡＣ電源の入力電流波形に歪みを生じさせることを防止することができるという効果を奏する。特に、電源投入時にこのような制御を行うことによって、高調波電流を発生させず、入力電流波形に歪みを生じさずに、突入電流を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の画像形成装置における定着ヒータの点灯制御を行う制御回路の構成を示す回路構成図である。
【図２】制御部による定着ヒータの点灯制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】入力電圧波形およびＰＷＭ制御信号のデューティ幅が広い場合の定着入力電流波形の状態を示す説明図である。
【図４】入力電圧波形およびＰＷＭ制御信号のデューティ幅が狭い場合の定着入力電流波形の状態を示す説明図である。
【図５】入力電圧波形およびＡＣ電源の入力電流の半周期の途中でＰＷＭ制御信号デューティ幅を変化させた場合の定着入力電流波形の状態を示す説明図である。
【図６】ルックアップテーブルの一例を示す説明図である。
【図７】ＡＣ電源の入力電流の半周期の間ＰＷＭ制御信号デューティ幅を一定に維持させた場合の電圧波形の状態を示す説明図である。
【図８】入力電圧波形および位相制御を行った場合の電流波形の状態を示す説明図である。
【図９】電源投入時における入力電圧波形および段階的にＰＷＭ制御信号デューティ幅を広げていく制御を行った場合の電流波形の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１　ノイズフィルタ（ＮＦ）
２　バリスタ（Ｂ）
３　アレスタ（ＡＲ）
４　ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＤＣ）
５　制御部（ＣＮＴ）
６　ゼロクロス検出回路
７　パワーリレー（ＲＡ）
８　フォトカプラ（ＰＣ）
９　電流検出回路
１０　ＡＣ電源
１１　サーミスタ（ＴＨ２）
１２　ＰＷＭジェネレータ（ＰＷＭＧ）
１３　定着ヒータ（ＨＴ）
【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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【図８】
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【図９】
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