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発明の名称 画像形成装置、画像形成方法および画像形成手順を記憶した記憶媒体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平11−73057
公開日 平成11年(1999)3月16日
出願番号 特願平9−232707
出願日 平成9年(1997)8月28日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】谷 義一 (外1名)
発明者 鈴木 英樹
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 被記録材上に着色材を定着する定着手段としてヒータを備えた画像形成装置において、前記ヒータとして用いる複数の発熱体と、前記発熱体の温度を検出する検出手段と、前記検出手段の検出出力に応答して、前記発熱体のそれぞれに流れる電流を個別的にPWM駆動する制御手段とを具備したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項2】 記録媒体に現像材を定着する定着手段として複数のヒータを備えた画像形成装置であって、並列接続された前記ヒータに流す電流を各ヒータ毎に制御する複数の電流制御手段を具備したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項3】 請求項1または2において、前記各ヒータに流す電流が重ならないように制御することを特徴とする画像形成装置。
【請求項4】 請求項1または2において、前記ヒータの本数が2本の場合には、それぞれのヒータを制御する信号の位相を半周期ずらして制御することを特徴とする画像形成装置。
【請求項5】 請求項1または2において、前記ヒータの本数が3本の場合には、それぞれのヒータを制御する信号の位相を3分の1周期ずつずらして制御することを特徴とする画像形成装置。
【請求項6】 請求項1または2において、前記ヒータの本数が2本の場合には、第1のヒータにおける制御信号のONタイミングと、第2のヒータにおける制御信号のOFFタイミングを同時に行うように制御を行うことを特徴とする画像形成装置。
【請求項7】 請求項1または2において、前記ヒータの本数が2本の場合には、第1のヒータにおける制御信号のONタイミングの開始と、第2のヒータにおける制御信号のOFFタイミングの開始を同じタイミングにし、かつ、該第1のヒータにおける制御信号のOFFタイミングの終了と、該第2のヒータにおける制御信号のOFFタイミングの終了を同じタイミングになるよう制御を行うことを特徴とする画像形成装置。
【請求項8】 請求項1または2において、前記ヒータのそれぞれの発熱量が等しくなるように制御することを特徴とする画像形成装置。
【請求項9】 請求項1または2において、前記定着手段の温度を室温から定着可能な温度に上げるときには前記複数のヒータに流す電流を重ねるように制御し、前記定着手段が定着可能な温度に達してから前記被記録材または前記記録媒体の定着制御を行うときには前記複数のヒータの電流が重ならないように制御することを特徴とする画像形成装置。
【請求項10】 複数のヒータを備えた定着器を用いて、記録媒体に現像剤を定着するにあたり、前記複数のヒータを備えたヒータに流れる電流を個別的にPWM制御することを特徴とする画像形成方法。
【請求項11】 複数のヒータを備えた定着器を用いて、記録媒体に現像剤を定着するにあたり、前記複数のヒータを備えたヒータに流れる電流を個別的にPWM制御する手順をプログラムの形態で記憶したことを特徴とする画像形成手順を記憶した記憶媒体。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、画像形成装置、画像形成方法および画像形成手順を記憶した記憶媒体に関するものである。
【0002】更に詳述すると本発明は、電子写真プロセスを用いて画像形成を行う際に定着用ヒータへの通電制御を適切に行うようにした画像形成装置、画像形成方法および画像形成手順を記憶した記憶媒体に関するものである。
【0003】
【従来の技術】図15は、この種の画像形成装置の一例を示す断面構成図であり、例えばレーザビームプリンタの場合を示す。本図において、100はコントローラ部であり、図示しないホストコンピュータから入力されたコードデータである電気信号をビデオコントローラ103で、ドットイメージに展開し、ビデオコントローラ内部のメモリに格納した後、エンジン部202にビデオ信号として返送する。
【0004】エンジン部202の各要素は、エンジンコントローラ205により制御され、コントローラ部100とのビデオ信号のやり取りもエンジンコントローラ205を介して行われる。エンジンコントローラ205のビデオインタフェース部(図示しない)に入力されたビデオ信号は、レーザドライバ106に送出され、ここで半導体レーザ107のON/OFFが制御される。この半導体レーザ107から出射されたレーザ光110はポリゴンミラー108により偏向されて感光ドラム112の長手方向の走査光となり、ミラー109を介して感光ドラム112上に投影される。感光ドラム112は、矢印方向に回転し、一次帯電器111により一次帯電された後、レーザ光のON/OFFに応じた露光を受け、感光ドラム表面に静電潜像が形成される。そして、現像器113により着色荷電粒子(以後、トナーと称する)が付与され、顕像が得られた後、転写帯電器114により給紙カセット120から給紙ローラ121によって一枚ずつ取り出された記録媒体に上記顕像が移しとられる。転写残りトナーは、感光ドラム112の表面よりクリーニング器115により払い拭われ、感光ドラム112は次の画像形成工程に備える。
【0005】一方、未定着トナー像が載った記録媒体は、定着器116に挿通され、永久定着像が得られた後、最終プリントとして記録媒体は図中矢印方向に従って機外に排出される。なお、図中の矢印は、給紙カセット120から取り出されて搬送される記録媒体の給送軌跡を示す。定着器116は中空の定着ローラ117にヒータ(定着ヒータ)219を有しておりヒータ219に通電することで定着ローラ117が過熱され、定着ローラ117の表面温度を検知するセンサ(図示しない)の出力が温度コントローラ(図示しない)に入力され、ヒータ219がON/OFFされて、所定の表面温度が維持される。加圧ローラ118は付勢手段(図示しない)により定着ローラ117に押圧され、記録媒体に載った状態の未定着トナーは定着ローラ117と加圧ローラ118のなすニップ内で記録媒体とともに加熱、加圧され永久定着される。
【0006】エンジンコントローラ205は、定着器116の定着ローラ117に接して取り付けられた温度センサ5(図16)により定着器116の温度を判断し、図16に示すフューザ制御部300を用いて定着ヒータ219を制御し、定着器116の温度制御を行う。
【0007】図16においては、フューザ制御部300の他に、温度センサ5とCPU(エンジンコントローラ)205も図示してある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来例では、ヒータの制御において画像形成装置の消費する電流の変動が大きく、装置外の電源設備に対して電圧変動などの影響を与えてしまうという問題点があった。
【0009】よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、定着器に複数のヒータを含ませ、個々のヒータを電流スイッチング素子を用いてスイッチングし、ヒータに流す電流をPWM制御することにより全ヒータの発熱量を所望の値に制御すると共に、各ヒータを制御するPWM制御信号のONタイミングをヒータ毎に制御することにより、装置全体の消費する電流の変動を少なくして装置外の電源設備に対する影響を低減するようにした画像形成装置、画像形成方法および画像形成手順を記憶した記憶媒体を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するために、本発明では、定着器のヒータ制御において制御するヒータを複数にし、個々のヒータを電流スイッチング素子を用いて高周波でスイッチングして、ヒータに流す電流をPWM制御することにより各ヒータの発熱量を所望の値に制御すると共に、ヒータを制御するPWM制御信号のONタイミングをヒータ毎に制御する。
【0011】すなわち、本発明は、被記録材上に着色材を定着する定着手段としてヒータを備えた画像形成装置において、前記ヒータとして用いる複数の発熱体と、前記発熱体の温度を検出する検出手段と、前記検出手段の検出出力に応答して、前記発熱体のそれぞれに流れる電流を個別的にPWM駆動する制御手段とを具備したものである。
【0012】その他の本発明は、記録媒体に現像材を定着する定着手段として複数のヒータを備えた画像形成装置であって、並列接続された前記ヒータに流す電流を各ヒータ毎に制御する複数の電流制御手段を具備したものである。
【0013】これらの発明において、前記各ヒータに流す電流が重ならないように制御することが可能である。また、前記ヒータの本数が2本の場合には、それぞれのヒータを制御する信号の位相を半周期ずらして制御することが可能である。さらに、前記ヒータの本数が3本の場合には、それぞれのヒータを制御する信号の位相を3分の1周期ずつずらして制御することが可能である。また、前記ヒータの本数が2本の場合には、第1のヒータにおける制御信号のONタイミングと、第2のヒータにおける制御信号のOFFタイミングを同時に行うように制御を行うことが可能である。さらに、前記ヒータの本数が2本の場合には、第1のヒータにおける制御信号のONタイミングの開始と、第2のヒータにおける制御信号のOFFタイミングの開始を同じタイミングにし、かつ、該第1のヒータにおける制御信号のOFFタイミングの終了と、該第2のヒータにおける制御信号のOFFタイミングの終了を同じタイミングになるよう制御を行うことが可能である。さらに、前記ヒータのそれぞれの発熱量が等しくなるように制御することが可能である。また、前記定着手段の温度を室温から定着可能な温度に上げるときには前記複数のヒータに流す電流を重ねるように制御し、前記定着手段が定着可能な温度に達してから前記被記録材または前記記録媒体の定着制御を行うときには前記複数のヒータの電流が重ならないように制御することが可能である。
【0014】また、本発明に係る画像形成方法では、複数のヒータを備えた定着器を用いて、記録媒体に現像剤を定着するにあたり、前記複数のヒータを備えたヒータに流れる電流を個別的にPWM制御する。
【0015】さらに、複数のヒータを備えた定着器を用いて、記録媒体に現像剤を定着するにあたり、前記複数のヒータを備えたヒータに流れる電流を個別的にPWM制御する手順をプログラムの形態で記憶した記憶媒体を構成することも可能である。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0017】(実施の形態1)図2は、本発明を適用したレーザビームプリンタの電気的構成を示すためのブロック図である。本図において、1は、電源スイッチであり、画像形成装置の電源をON/OFFするために用いる。2は、ノイズフィルタで画像形成装置が発生するノイズをACラインに伝搬しないようにノイズを低減するものである。3はフューザ制御部であり、熱定着を行うための熱源となる定着ヒータ119を温度センサ5により温度を検出し、エンジンコントローラ105が温度を一定になるようにON/OFF制御を行うために用いる。
【0018】また、4は低電圧電源ユニット、5は温度センサ、6はファン、7はファンモータドライバ、8は受光素子、9はBD回路、10は高電圧電源、11はスキャナモータ、12はスキャナモータドライバ、13はメインモータ、14はメインモータドライバ、15は紙サイズセンサ、16は紙有無センサ、17はドアセンサ、18は給紙センサ、19は排紙センサ、20はカートリッジセンサ、21はビデオI/F回路、100はビデオコントローラ部、101はホストI/F回路、103はビデオコントローラ、103aはCPU、103bはRAM、103cはROM、103dはバッファ、103fは不揮発性記憶媒体、104は操作パネル、105はエンジンコントローラ、105aはCPU、105bはRAM、105cはROM(制御手順を記憶してある)、106はレーザドライバ、107はレーザダイオード、111は一次帯電器、112は感光ドラム、113は現像器、114は転写帯電器、116は定着器、119は定着ヒータである。
【0019】図1は、本発明を適用したフューザ制御部の回路ブロック図である。ここでは、ヒータの温度を温度センサ5で検知し、温度に応じてスイッチング素子をONする時間を変化することでヒータに流す電流を制御する。ヒータは、2本並列に接続し各々のヒータ(A)および(B)に通電する電流を制御するためのスイッチング素子に接続されている。従って、CPU105aはスイッチング素子(A)および(B)を制御するための信号としてヒータ制御信号(A)および(B)を出力する。
【0020】図3は、電源電圧とヒータの電流波形の関係を示した図である。CPU内のプログラムが温度センサ5で検知した温度情報によりヒータの通電量を計算する。プログラムは、計算した通電量によりヒータ制御信号(A)および(B)を出力する。フューザ制御部のスイッチング素子は、ヒータ制御信号が“high”レベルのときにヒータに通電する電流を流すように制御する。ヒータ制御信号(A)はスイッチング素子(A)の制御を行いヒータ(A)に通電する電流を制御し、ヒータ制御信号(B)はスイッチング素子(B)の制御を行いヒータ(B)に通電する電流を制御する。両方のヒータに通電する電流は、図3に示すようにヒータ(A)に通電する電流とヒータ(B)に通電する電流を加えた波形になる。
【0021】図4は、ヒータ制御信号とヒータにかかる電圧と電流の関係を狭い時間で拡大してよりわかりやすく関係を示した図で、図5はヒータ制御信号(A),(B)の関係を示した図である。図5においてヒータ制御信号(A)とヒータ制御信号(B)は同時タイミングでONしないように制御する。すなわち、ヒータ制御信号(A)のTA−OFF期間中にヒータ制御信号(B)をONし、ヒータ制御信号(B)のTB−OFF期間中にヒータ制御信号(A)をONするように制御する。このため図4に示すようにヒータ(A),ヒータ(B)の個々の電流のリプルは大きいが、この二つの電流を合成したヒータ(A)+(B)の電流のリプルは小さくなる。従って、商用電源から画像形成装置に供給される電流は、この両方のヒータに通電する電流波形になる。
【0022】ヒータ制御信号のスイッチング周波数を充分高い周波数にしてインダクタとヒータのインピーダンスを調整することにより、図3に示すように電流波形はサイン波に近くなる。また、周波数を高くすることができるので、インダクタの容量を低く設定できる。
【0023】(実施の形態2)実施の形態1では、ヒータ制御信号(A)とヒータ制御信号(B)が重ならないように制御していたが、図6に示すようにヒータ制御信号(A)と(B)の位相を半周期(TA/2)にする。このときの電流波形は、図7に示すようになる。図8に示すようにヒータの制御信号(A),(B)が重なったタイミングでの電流波形は図9に示すように、ヒータA+Bに流れる電流は、各ヒータ(A),(B)をスイッチングする周波数の2倍の周波数でスイッチングしている波形になる。
【0024】(実施の形態3)図10は、第3の実施の形態を示すヒータ制御信号のタイミングを示した図である。同図において、ヒータ制御信号(A)をONするタイミング(tA−ON)を、ヒータ制御信号(B)をOFFするタイミング(tB−OFF)と同時に行うように制御する。ヒータ制御信号(A)をOFFするタイミング(tA−OFF)とヒータ制御信号(B)をONするタイミング(tB−ON)は、ヒータの温度を検出し、その温度から通電量を計算してヒータをONする時間とOFFする時間により決定される。スイッチング周波数は、一定にして制御するので周期Tは一定とする。
【0025】図11は、ヒータの通電を増やしたときのヒータ制御信号の波形を示した図である。
【0026】この実施の形態3では、ヒータ制御信号(A)と(B)のそれぞれのタイマと、ヒータ制御信号(A)と(B)の位相差を制御するもう一つのタイマを持つ。ヒータ制御信号(A)のタイマにtA−ON,tA−OFF,Tのタイミングを設定し、ヒータ制御信号(A)を制御する。同様に、ヒータ制御信号(B)のタイマでヒータ制御信号(B)を制御する。そして、ヒータ制御信号(A)をONしてからヒータ制御信号(B)をONするまでのタイミングを、位相差を制御するタイマで制御する。この位相差は、周期(T)から信号をONしている期間を引いた値、すなわち(T)−(tA−ONからtA−OFF)で計算される。
【0027】(実施の形態4)図12は、第4の実施の形態を示すヒータ制御信号のタイミング図である。同図においてヒータ制御信号(A)は、Ton期間でヒータをONし、Toff期間でヒータをOFFする。同様にヒータ制御信号(B)もTon期間でヒータをONし、Toff期間でヒータをOFFする。ヒータをON/OFFするタイミングのTon,Toffはヒータの温度を検出してその温度から発熱量を計算して設定される。制御信号は、この計算値を基にタイマにより信号が制御される。
【0028】ヒータ(A),(B)を同じタイミングでON/OFFさせないように制御し、タイミングの計算を省略するために以下のように制御信号を設定する。ヒータ制御信号(A)をTon期間ONするためにヒータ制御信号(A)を生成するためのタイマ(A)にTonの時間をセットする。同時にヒータ制御信号(B)をToff期間OFFするためにヒータ制御信号(B)を生成するためのタイマ(B)にToffの時間をセットする。図に示されるように時間t1ではヒータ制御信号(A)がONしヒータ制御信号(B)がOFFする。次に時間t2ではヒータ制御信号(A)のON時間のタイマ(A)が停止したら信号をOFFする。ヒータ制御信号(A)のタイマ(A)にToffの時間をセットする。
【0029】次に時間t3ではヒータ制御信号(B)のOFF時間のタイマ(B)が停止したら信号をONする。ヒータ制御信号(B)のタイマ(B)にTonの時間をセットする。
【0030】次に時間t4では周期T=Ton+Toffなので、ヒータ制御信号(A)のOFF時間がセットされているタイマ(A)が停止し、ヒータ制御信号(B)のON時間がセットされているタイマ(B)が停止する。再度時間t1の時と同じようにタイマ(A)にON時間をセットし、タイマ(B)にOFF時間をセットする。ヒータ制御信号(A)をONし、ヒータ制御信号(B)をOFFする。さらにこの制御を繰り返す。
【0031】また、図13は、上記説明においてタイミングt2より先にt3が生じる場合について示した例であり、制御方法は上記説明と同様になる。
【0032】上述した実施の形態4においては、t1からt4のタイミングを予め計算して、一つのタイマに次々に設定して制御を行うようにしたものである。
【0033】既述の実施の形態3では、3個のタイマが必要となるが、制御は簡単になる。一方、この実施の形態4では、タイマが一つで済むが制御は実施の形態3の場合より複雑になる。
【0034】(実施の形態5)図14は、第5の実施の形態を示すヒータ制御信号のタイミング図である。複数のヒータを組み合わせて発熱量を制御する場合にヒータの抵抗差によりヒータの発熱量に差が生じる。抵抗のみのヒータを考えた場合は、電圧V、ヒータ抵抗R1,R2として図1のように抵抗が並列に接続されて制御された場合の消費電力をWを計算すると、【0035】
【数1】
W=V×V/(R1×R1/(R1+R2)) …(1)
となり、個々のヒータの発熱量は、【0036】
【数2】
W1=V×V/R1,W2=V×V/R2 …(2)
となる。ヒータは並列に接続されているため電源電圧はどちらのヒータでも同じになる。ヒータの抵抗は、R1=R2にならないので発熱量は異なる。
【0037】
【数3】
W1≠W2(但し、R1≠R2) …(3)
したがって、ヒータの発熱量に差が生じる。
【0038】複数のヒータを同時に制御する場合に生じる発熱量の違いを吸収するために、図14に示すようにヒータをONするためのヒータ制御信号のON期間をヒータ制御信号(A),(B)で調整して発熱量を一定にする。同図では、ヒータ(B)の抵抗はヒータ(A)の抵抗よりも大きいため、ヒータ(B)の発熱量は小さい例を示した。従って、ヒータ(A)を制御するヒータ制御信号(A)のON時間TA−ONよりもヒータ制御信号(B)のON時間TB−ONを長くしてヒータ(B)の発熱量が多くなるように調整している。
【0039】個々の発熱量を検出する手段は、(イ)工場出荷時にヒータの抵抗を測定して不揮発性の記憶媒体に記憶しておき制御するときにCPUのプログラムが情報を読み出してON時間を計算する方法。
【0040】(ロ)装置起動時や印刷開始時に片方ずつのヒータにある一定のONデューティで通電して温度検出手段により温度の変化時間を測定して個々のヒータの発熱量の偏差を検出する方法。
【0041】(ハ)ヒータ個々の温度が測定できるように温度検出手段を複数設けて個々のヒータの温度を検出して温度が一定になるようにヒータ制御信号のONデューティを調整する方法。
【0042】などで行う。
【0043】(実施の形態6)実施の形態5のヒータ制御信号は、実施の形態1の如く制御していたが、実施の形態2,3,4の形態で制御しても良い。
【0044】(実施の形態7)実施の形態1,2,3,4,5,6では、2本のヒータについて制御例を示したが、3本以上のヒータを制御するときにも同様に適用できる。
【0045】(実施の形態8)実施の形態2において、ヒータ電流が50%未満の時は、ヒータ制御信号(A),ヒータ制御信号(B)は互いに重なり合うことはなくヒータの電流も重なり合うことがない。従って、電流の変動は少ない。このヒータ電流が50%未満になる状態で、記録媒体の定着制御を行えるようにヒータの抵抗値を設定し、発熱量がより必要な制御の定着器の温度が室温から定着可能な温度まで暖める制御では、ヒータ電流が50%を超えた状態で制御する。
【0046】(実施の形態9)実施の形態8では、簡略化するためヒータ電流が50%未満まではヒータ制御信号(A)とヒータ制御信号(B)が重ならない状態を説明したが、記録媒体の定着制御を行う際に各ヒータ制御信号が同じタイミングで同時にONしないように制御し、室温から定着可能な温度までに立ち上げは、同時にON状態で制御しても良いので、50%と固定しなくても良い。
【0047】なお、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、1つの機器からなる装置に適用しても良い。また、本発明はシステム或は装置にプログラムを供給することによって達成される場合にも適用できることは言うまでもない。この場合、本発明を達成するためのソフトウエアによって表されるプログラムを格納した記憶媒体を該システム或は装置に読み出すことによって、そのシステム或は装置が、本発明の効果を享受することが可能となる。
【0048】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、定着器のヒータ制御時において制御するヒータを複数にし、個々のヒータを電流スイッチング素子を用いて高周波でスイッチングし、各ヒータに流す電流をPWM制御することによりヒータ全体の発熱量を所望の値に制御すると共に、各ヒータを制御するPWM制御信号のONタイミングをヒータ毎に制御することにより、装置全体の消費する電流の変動を少なくして装置外の電源設備に対する影響を低減することができる。
【0049】また、実施の形態2に示したように、個々のヒータ制御信号の位相を2分の1周期ずらすことによりヒータ全体の電流のスイッチング周波数を2倍にすることができるので、入力の電流リプルを低減できると共に、入力のインダクタの容量を低減できる。
【0050】さらに、実施の形態5に示したように、各ヒータの発熱量を一定に制御することにより、定着ニップ内の温度勾配を低減できるため、画質の向上が図れる。
【0051】また、実施の形態8および9に示したように、記録媒体の定着制御時には、各ヒータの電流が重ならないようにヒータの勾配を設定することにより、プリント動作時には電流の変動を少なくすることができる。




 

 


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