(57)【要約】【課題】定着ローラや定着ベルトの薄肉化に対応して立ち上げ時間の短縮も可能にした定着装置を提供する。【解決手段】ヒータ１０により加熱された定着ローラによって転写紙に画像を定着させる定着装置において、ヒータ１０の直流電源と、定着ローラの表面温度を検出する温度検出素子１２と、温度検出素子１２によって検出された温度と予め設定された目標温度とを比較し、その比較結果に応じて前記直流電源の出力電圧の目標値を設定し、前記温度検出手段の応答時間を前記定着手段の熱時定数の１／２以下にし、前記目標温度と検出温度から出力電圧の目標値を制御する周期を最大１ミリ秒（周波数特性１ＫＨｚ以上）になるように制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータにより加熱された定着手段によって転写紙に画像を定着させる定着装置において、
前記ヒータの直流電源と、
前記定着手段の表面温度を検出する温度検出手段と、
該温度検出手段によって検出された温度と予め設定された目標温度とを比較し、その比較結果に応じて前記直流電源の出力電圧の目標値を設定し、前記温度検出手段の応答時間を前記定着手段の熱時定数の１／２以下にし、前記目標温度と検出温度から出力電圧の目標値を制御する周期を最大１ミリ秒で制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記直流電源にはスイッチング素子を備えたチョッパ回路を備え、前記スイッチング素子のオンオフを制御することで、所望の出力を得ることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記温度検出手段は、サーミスタから構成されていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の定着装置と、
記録媒体に可視画像を形成する画像形成手段と、
を備えてい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】
本発明は、転写紙等に転写された画像を熱により定着させる定着装置及びこの定着装置を備えた画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームプリンタ、複写機、ファクシミリなどの画像形成装置においては、像担持体である感光体上のトナー像を転写紙に転写し、定着装置によって転写紙にトナー像を熱定着させている。そして、このような画像形成装置では、装置のメインスイッチをオンにして、定着装置画設定温度に達してから画像形成動作を実行するようになっている。この間の待機時間は、長い装置では５分以上にも達するものがあり、操作性が良くない。
【０００３】
そこで、定着装置の立ち上がり時間を短縮するため従来より種々の提案がなされている。例えば特許文献１では、交流を直流にしてヒータに電力を供給するとともに、点灯時の電圧を高くし、立ち上がり時間を短くすることが提案されている。また、特許文献２では、交流を直流にしてヒータに電力を供給するとともに、所定の時定数で立ち上げ、立ち下げることにより、フリッカーを防止することが提案されている。更に、特許文献３では、交流を直流化してＩＨコイルに電力を供給することで、省エネ時の温度を下げても立ち上げを迅速に行うことが、特許文献４では、直流電圧の増減でヒータ温度を制御することがそれぞれ提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１９４６４８号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１１−３５４２５４号公報
【０００６】
【特許文献３】
特開２００１−２２２３４号公報
【０００７】
【特許文献４】
特開２００２−２７８３５２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来技術では、交流を直流にしてヒータに電力を供給することに立ち上げ時間の短縮を図っているが、一方では定着装置の定着ローラあるいは定着ベルトの薄肉化により立ち上げ時間の短縮化も提案されている。しかしながら、商用交流電源のＯＮ／ＯＦＦあるいは、位相制御では、商用交流５０／６０Ｈｚの正弦波のため、２０／１６ミリ秒（ｍｓ）の半分の周期でしか、温度に対する制御ができず、薄肉化するほど、温度の変動が大きくなってしまう不具合がある。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、定着ローラや定着ベルトの薄肉化に対応して立ち上げ時間の短縮も可能にした定着装置及び画像形成装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、第１の手段は、ヒータにより加熱された定着手段によって転写紙に画像を定着させる定着装置において、前記ヒータの直流電源と、前記定着手段の表面温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された温度と予め設定された目標温度とを比較し、その比較結果に応じて前記直流電源の出力電圧の目標値を設定し、前記温度検出手段の応答時間を前記定着手段の熱時定数の１／２以下にし、前記目標温度と検出温度から出力電圧の目標値を制御する周期を最大１ミリ秒（周波数特性１ＫＨｚ以上）で制御する制御手段とを備えていることを特徴としている。
【００１１】
第２の手段は、第１の手段における前記直流電源にはスイッチング素子を備えたチョッパ回路を備え、前記スイッチング素子のオンオフを制御することで、所望の出力を得ることを特徴としている。
【００１２】
第３の手段は、第１の手段における前記温度検出手段がサーミスタから構成されていることを特徴としている。
【００１３】
第４の手段は、画像形成装置が第１ないし第３の手段による定着装置と、記録媒体に可視画像を形成する画像形成手段とを備えていることを特徴としている。
【００１４】
なお、以下の実施形態において、温度検出手段は温度検出素子１２に、制御手段は制御回路１３にそれぞれ対応している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る画像形成装置の一例を示す概略構成図である。同図に示す画像形成装置はレーザプリンタである。このレーザプリンタ５０は、装置本体の略中央部に像担持体としての感光体ドラム５１を備え。その周囲に、帯電チャージャ５２、現像装置５３、転写チャージャ５４、除電チャージャ５５、およびクリーニング装置５６等が配設されている。装置本体の下部には給紙トレイ５７、この給紙トレイ５７内の転写紙Ｐを給紙する給紙コロ５８、給紙コロ５８によって送られてきた転写紙Ｐをタイミングを取って転写位置に送出するレジストローラ５９等が配設されている。装置本体の上部には、光書込みユニット６０が配設され、クリーニング装置５６の側方には定着装置６１が配設されている。
【００１６】
このレーザプリンタ５０における画像形成手順を簡単に説明すると、帯電チャージャ５２により感光体ドラム５１を一様に帯電させた後、光書込みユニット６０で黒（ＢＫ）の画像信号をスキャンニング露光し、静電潜像を形成する。その静電潜像を黒トナーの現像装置５３ＢＫで現像し、感光体ドラム５１上に黒のトナー像を形成する。そして除電チャージャ５５で感光体ドラム５１をチャージし、感光体ドラム５１上の黒の静電潜像を除電する。つぎに、黒のトナー像を形成した方法と同方法により帯電、露光、現像、除電のプロセスを繰り返し、感光体ドラム５１上にイエロー、マゼンタ、シアンのトナー像を重畳形成する。全てのトナー像が形成された後、予め給紙コロ５８によって搬送され、レジストローラ５９のニップで待機していた転写紙Ｐを感光体ドラム５１とタイミングを計って搬送し、転写チャージャ５４によって感光体ドラム５１上のトナー像を転写紙Ｐ上に静電転写する。その後、転写紙Ｐ上のトナー像を定着装置６１で加熱定着し、排紙ローラ６２によって排紙部６３に排紙する。静電転写後感光体ドラム５１に残留しているトナーはクリーニング装置５６によって除去される。以上でカラー画像形成の１サイクルが完了する。
【００１７】
定着装置６１は、定着手段である定着ローラに内蔵されたヒータに通電することにより定着ローラを加熱し、そこにトナー像が乗った転写紙Ｐを通すことにより、加熱されたトナーが転写紙Ｐに定着されるものであり、従来は商用交流（５０Ｈｚあるいは５０Ｈｚの正弦波交流）を直接ヒータに通電あるいは非通電とし、温度を制御していた。なお、定着手段としては、定着ローラに代えて転写紙Ｐを搬送するエンドレスベルトの内部にヒータを設けた、所謂定着ベルト方式のものでもよい。
【００１８】
上述したように、従来から定着装置６１内の定着ローラあるいは定着ベルトの肉厚を薄くすることにより、温度の立ち上げを早くする事を可能としてきた。しかしながら、これに伴い温度のリプルが大きくなるという不具合が生じてきた。これは、商用交流の半波周期１０ミリ秒あるいは８ミリ秒間隔でしか、ヒータへの電力供給を制御できないことが主要因であることが分かった。
【００１９】
そこで、本発明においては、商用交流を直流に変換して、その直流電圧を制御することによってヒータ温度を制御するようにし、また、この実施の形態においては、現在要求されている定着装置が使えるまでの最大許容時間１０秒を更に短縮して３秒程度にするために、温度制御周期を１ミリ秒（以下、ミリ秒と称する）以下、或いは制御回路の応答周波数１ＫＨｚ以上とした。これは、温度検出手段の応答時間を前記定着手段の熱時定数より小さく、前記薄肉定着ローラあるいは定着ベルトの熱時定数の１／２以下であることが制御上望ましいことから、定着ローラあるいは定着ベルトの時定数を２ミリ秒とすると、制御周期は１ミリ秒以下になり、これ以下の制御周期で制御すると定着ローラあるいは定着ベルトの時定数を勘案した場合に、良好な制御が可能になるからである。
【００２０】
図２は本発明の実施の形態に係る定着装置の電気的な構成を示す回路図、図３は図１の制御回路におけるヒータ制御に関する部分のみを示すブロック図である。図２に示すように、商用交流電源１には、ノイズフィルタ２、安全用リレー３、整流ブリッジ４、平滑用コンデンサ６が接続され、直流に変換される。得られた直流はスイッチ素子５、ダイオード７、チョークコイル８より成るチョッパ回路によって電圧が下げられる。降圧型チョッパについての動作は、電源回路の文献で詳細に説明されているのでここでは省略する。
【００２１】
チョッパ回路の出力電圧は、出力電圧検出回路９で検出される。出力電圧検出回路９の検出信号出力端子は、制御回路１３の検出電圧入力端子１６に接続され、制御回路１３内で目標電圧と比較し、スイッチ素子５のＯＮ／ＯＦＦが制御される。得られた直流出力は定着装置のヒータ１０に供給される。ヒータ１０には温度ヒューズ１１が設けられており、異常時の保護を行う。ヒータ１０の近傍にはサーミスタで構成された温度検出素子１２が設けられており、この温度検出素子１２は制御回路１３の検出温度入力端子１７に接続されている。１４は、安全用リレー３のＯＮ／ＯＦＦ信号の入力端子である。制御回路１３は、いわゆるマイクロコンピュータと周辺素子からなり、ヒータに供給する目標電圧を決めるデジタル回路と、スイッチング素子５を制御するアナログ制御回路からなっている。
【００２２】
ヒータ制御に関する部分は、図３に示すように、予め決められたヒータ１０の目標温度と温度検出素子１２で検出された検出温度を比較して、ヒータ１０に供給する目標電圧を決めるデジタル回路である目標電圧演算回路２１と、出力電圧検出手段９により検出された現在出力されている出力電圧と目標電圧演算回路２１からの目標電圧とを比較して、前記スイッチング素子５を制御するスイッチングＤｕｔｙ（デュティ）演算回路２２と、この演算回路２２からの演算結果によりスイッチ素子５を駆動する駆動回路２３とから構成されている。スイッチング周波数を２０ＫＨｚとすると、その周期は５０μＳであり、５０μＳ毎にＤｕｔｙを制御することが可能である。このアナログ回路の部分は、デジタルの演算とする場合は、その演算周期（Ｄｕｔｙ電圧演算周期）を予め決める必要があり、本実施の形態では、スイッチング周期の１０倍＝０．５ミリ秒とした。デジタル回路の演算に余裕があれば、周期をより小さくすることができる。前記目標温度と検出温度から、ヒータに供給する目標電圧を演算する周期は、目標電圧演算周期として設定する。
【００２３】
図４ないし図６は温度検出素子１２、ここではサーミスタから成る回路と、ヒータ１０の温度、供給電圧の関係を示す図である。すなわち、図５に示すように、所定の直流電圧をヒータ１０に供給すると、ヒータ１０は加熱され、所定の熱時定数で温度上昇する、それに伴い図４に示すように、温度検出素子１２の検出温度入力端子１７に現われる抵抗値が降下する。一方、図６に示すように、出力電圧検出手段９から制御回路１３の検出電圧入力端子１６に現われる電圧は常に一定である。
【００２４】
温度検出素子１２の温度応答特性τ１は、ヒータ１０の熱時定数τ２より小さい必要があり、τ１＜τ２／２とする。従来の温度検出素子の熱時定数τ１は約５ミリ秒／℃であるが、本実施の形態においては約１ミリ秒／℃の素子を用いる。
【００２５】
３Ｓでヒータを２００℃まで立ち上げるとすると、定着装置６１の定着ローラあるいはベルトの加熱時定数はτ２＜１５ミリ秒／℃となる。また定着ローラあるいはベルトの放熱時の放熱時定数は、転写紙の種類、環境等で大きく変動するので、放熱時定数はτ２＜２ミリ秒／℃とみなす。この場合、温度の制御性能を±２℃とすると、余裕を見て、２ミリ秒以下にする必要がある。そこで、温度検出素子１２の熱時定数まで、温度制御の周期を小さくすることで、温度リプルの小さな定着ローラあるいはベルトのヒータ制御を可能としている。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、温度検出手段の時定数を定着手段の熱時定数の１／２以下としているので、温度を正確に測定することができ、ヒータへの電力供給を直流電圧とし、かつ温度制御周期を１ミリ秒以下としているので、定着手段を薄肉化しても、安定した温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像形成装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】定着装置の電気的な構成を示す回路図である。
【図３】制御回路におけるヒータ制御に関する部分のみを示すブロック図である。
【図４】温度検出素子の抵抗値の変化を示すグラフである。
【図５】ヒータの温度変化を示すグラフである。
【図６】制御回路の検出電圧を示すグラフである。
【符号の説明】
１  交流電源
４  整流ブリッジ
５  スイッチ素子
６  平滑用コンデンサ
９  出力電圧検出手段
１０  ヒータ
１２  温度検出素子
１３  制御回路
２１  目標電圧演算回路
２２  スイッチングＤｕｔｙ演算回路
２３  駆動回路
５０  レーザプリンタ
５１  感光体ドラム
５３  現像装置
６０  光書込みユニット
６１  定着装置
【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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