JP2004151602A

JP2004151602A - 定着制御装置

Info

Publication number: JP2004151602A
Application number: JP2002319132A
Authority: JP
Inventors: Takashi Watanobe; 隆渡延; Keiichi Matsumura; 圭一松村; Takanobu Saito; 隆亘齋藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】ヒータの（許容公差内での）ばらつきに影響されることなく、適正なヒータ出力が得られる定着制御装置を提供する。
【解決手段】ヒータ３及び温度検出素子２を有する定着ユニット１と、適正なヒータ出力を得るために一定の制御時間内でのヒータの点灯デューティを可変とする制御手段５とを備えた定着制御装置において、制御手段５は、使用環境での最適なヒータ通電制御を実現するため、ヒータ点灯デューティの補正処理を行う。具体的には、ある決められた条件下での温度−時間特性を求め、その傾きに合わせヒータ点灯デューティを補正し、ヒータ３の出力ばらつき（公差）に関わらず常に最適なヒータ出力を得る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置に使用される定着ユニットが有するトナー定着用のヒータを通電制御する定着制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヒータを用いた定着ユニットを有する画像形成装置において、ある定められた制御時間内のヒータの点灯時間（点灯デューティ）を可変とすることで適正なヒータ出力を得る。即ち、素早く且つ不必要なオーバーシュートを生じずヒータを設定温度に到達・維持させるという制御方法が一般的に用いられている。
例えば、定着ユニット内の温度検出素子が取り付けられている位置の温度があらかじめ定められた設定温度となるようヒータ点灯を制御する場合、設定温度と現在温度との差分量から比例定数を掛けた量で点灯時間を決めるＰ（比例）制御、温度推移も考慮するＰＩ（比例・積分）制御、時間応答も考慮するＰＩＤ（比例・積分・微分）制御など、一般的に公知の自動制御の手法を適用した例が多々ある。
しかしながらこれらの制御では、制御系を構成する要素毎のばらつきは考慮されていないため、商品としての設計をする場合、ばらつき公差を考慮した余裕度の高い制御系を設計するか、ばらつきを検知して補正する制御系を設計するかの、どちらかが選択される。後者の場合、種々様々な検討が行われており、多くの技術が発表されている。
定着ヒータ制御に関連して、特開平５−１００７５５号公報（特許第２８６７７６６号）には、通電開始から制御温度までの温度上昇率を算出し、あらかじめ用意された制御パターンを選択することで、ヒータ抵抗値のばらつきを補正する技術が提案されている。この技術では、補正データの収集時は補正制御できないので、例えば、朝一の電源ＯＮ時は補正制御が働かないことになる。
また特開平１０−１６１４６６号公報には、サーミスタ出力の時間遅れ対策のために昇温勾配を測定して、サーミスタ出力を補正していることを前提とし、その昇温勾配により入力電圧の変動を検知し、ヒータのＯＮ／ＯＦＦデューティを補正する技術が提案されている。この技術も補正データの収集時は補正制御できないので、例えば、朝一の電源ＯＮ時は補正制御が働かないことになる。
また特開２０００−１４７９４２公報には、所定時間内におけるヒータ点灯時間と温度上昇データから温度制御方式を求め、これにより、熱定着装置の熱伝導性などの特性ばらつきに対し、適正な温度制御が可能となり、熱定着装置の交換をされても常に最適な温度制御が実現できる技術が提案されている。この技術では制御を行うマイコンの負荷が非常に重い。
【特許文献１】特開平５−１００７５５号公報
【特許文献２】特開平１０−１６１４６６号公報
【特許文献３】特開２０００−１４７９４２公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記点灯デューティを決定する際の定数は通常ヒータの定格出力により定められており、ヒータの（許容公差内での）ばらつきなどによっては狙いのヒータ出力が得られないという不具合が生じる。
本発明では、ヒータの（許容公差内での）ばらつきに影響されることなく、適正なヒータ出力が得られる定着制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ヒータ及び温度検出素子を有する定着ユニットと、適正なヒータ出力を得るために一定の制御時間内でのヒータの点灯デューティを可変とする制御手段とを備えた定着制御装置において、前記制御手段は、使用環境での最適なヒータ通電制御を実現するため、ヒータ点灯デューティの補正処理を行う定着制御装置を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の定着制御装置において、前記制御手段は、ある決められた条件下での温度−時間特性を求め、該温度−時間特性の傾きに合わせヒータ点灯デューティを補正し、ヒータの出力ばらつき（公差）に関わらず常に最適なヒータ出力を得るようにした定着制御装置を主要な特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る定着制御装置の全体構成図である。本定着制御装置は、定着ユニット１、ベースエンジンコントロールユニット（以下ＢＣＵ）４、ＡＣ制御板６を備えている。
定着ユニット１内には制御対象であるヒータ３及び温度検出素子２を備えており、ヒータ３はＡＣ制御板６が有するトライアックのような双方向スイッチング素子７、図示していないが安全回路としての電流検知ヒューズ等を介し、商用交流電源８に接続されている。スイッチング素子７のドライブには入出力の絶縁されたフォトカプラ等がよく用いられ、２次側電源で動作するＣＰＵ５によりＯＮ／ＯＦＦ制御させる。図１中ではＣＰＵ５はＢＣＵ４に搭載されている。
一方温度検出素子２は、定着ユニット１の図示しないローラ表面（ベルト表面）近傍に配置されており、一般的には安価なサーミスタが用いられている。以後サーミスタを例に説明する。サーミスタ２は検出温度により抵抗値が変化する特性を有しており、検出温度を電圧変換する。この電圧値はＢＣＵ４に搭載されたＣＰＵ５のＡ／Ｄ入力に取り込まれ、ＣＰＵ５はこの電圧値からローラ表面（ベルト表面）温度を判断する。
以上のような制御系の構成により、定着ユニット１のローラ（ベルト）表面温度があらかじめ決められた設定温度に推移できるよう、または保持できるよう、ＣＰＵ５がヒータ３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【０００６】
以下、定着制御（ヒータ通電制御）について説明する。基本的には前述したように公知の自動制御技術を用いる。例えばＰ制御を例にすると、まずサーミスタ２によって温度を検知し、その検知温度と設定目標温度との差分を求め、その差分に比例定数Ｋｐを掛けた値によりヒータ３の点灯デューティ（時間）を決定することになる。
図３を用いて説明すると、ある制御単位時間ｔ_０ごとにサーミスタ温度を検知し、ｔ０サイクル中の何％の時間（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、…・）を点灯させるかの値を算出し、ＯＮ／ＯＦＦ制御することになる。このとき、設定温度との差が大きいほど点灯時間は長くなり、設定温度との差が小さいほど点灯時間は短くなる。なお制御単位時間は、ＣＰＵ性能、点灯時間の必要設定分解能から決まることになる。
以上は、基本制御をＰ制御とした場合であるが、制御系はそのままで、マイコンにより温度推移、温度変化率も考慮して点灯デューティを決めれば、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御となる。
これらは従来の技術として確立されたものであるが、それぞれの制御の定数Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄの設計としては、制御系を構成する要素の持つ公差（ばらつき）を考慮してなされるのが一般的である。しかしながら、その考慮により発生するばらつきは、制御操作の対象に掛かってくることになり、すなわち本制御系ではヒータ点灯時間（供給するヒータ熱量）が装置ごとにばらつくことになることは前述した通りである。
本発明では、上記のような制御系要素のばらつきが制御操作量に影響ないよう補正するものであり、具体的には、制御系要素の一つであるヒータ出力のばらつき（公差）によって、ヒータ出力（ヒータ熱量）が変動しないよう補正するものである。以下、図２を用いて補正のための制御を説明する。
【０００７】
本発明では、その使用環境での最適な制御を実現するため、ヒータ点灯デューティに補正処理を行うのだが、その補正処理のための事前データ収集を行う調整モードを用意している。図２は、その調整モード時の定着ユニット１内のサーミスタ２の検知温度−時間特性を示している。動作としてはまずヒータ３をＯＮさせ、サーミスタ検知温度がある温度からある温度に到達するまでの時間をカウントし、ヒータ３をＯＦＦさせている。
図２の例では、５０℃から１００℃までの温度推移時間を計測しており、ヒータＯＮ後、サーミスタ検知温度をＣＰＵ５が監視しており、５０℃を検知後ＣＰＵ５内のタイマをスタートさせ、１００℃検知でタイマストップ、ヒータＯＦＦとしている。その計測された時間としてはｔ＝ｂ−ａとなる。
なお、この調整モードでのヒータ出力は固定のデューティとしておく必要があり、そのデューティとしては、サーミスタ２の検知温度の推移が図２のような１次直線となるデューティを選択する。また、図２中５０℃−１００℃間の時間を測定しているが、サーミスタ２の特性として、温度―電圧の特性がリニアで誤差の少ない区間であれば問題ない。
このような設定下で計測された時間ｔは、あらかじめ測定しておいたヒータ出力公差±０品：Ｗ０での温度推移時間ｔ０より、公差を含んだヒータ３での出力Ｗが、下式より求まる。
Ｗ＝ａ・（ｔ_０／ｔ）・Ｗ_０（１）
ここで、ａは任意定数となっているが、ヒータ出力のばらつきによる上式の特性をあらかじめ測定しておくことで、その制御系固有の値として求めておくことができる。
これより、ヒータ点灯デューティの補正係数αは、下式となる。
α＝Ｗ_０／Ｗ
＝１／（ａ・（ｔ_０／ｔ））（２）
本発明では、通常のヒータデューティ制御に対し、（２）式で得られたαを乗算することになる。これにより、ヒータ３の（許容公差内での）ばらつきに影響されることなく、公差±０品ヒータと同等な出力が得られ、素早く且つ不必要なオーバーシュートを生じずにヒータ３を設定温度に到達・維持することが可能となる。
なお、調整モードの実施タイミングとしては、ばらつき補正の対象がその機械特有の部品ばらつきであるため、工場出荷時に最低限行われる必要がある。工場出荷時のみであれば、通常制御中は（２）式で求められたαを点灯デューティに乗算するのみであるのでマイコン負荷も少なく、時々刻々と環境温度が変化するようであれば、より頻繁に（電源ＯＮ時毎や待機時などに）補正のためのデータ収集を行い、αを更新することで対応が可能である。
但し、ばらつきを発生するのは機械というよりは、機械に使われているヒータという部品であるので、その部品交換時、もしくは定着ユニットの交換時には、工場出荷時と同様な調整が必要となる。
【０００８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、決められた条件下での温度―時間特性を求め、その傾きによりヒータ出力のばらつき（公差）具合を検知、補正しているので、ヒータの（許容公差内での）ばらつきに影響されることなく、適正なヒータ出力が得られ、素早く且つ不必要なオーバーシュートを生じずヒータを設定温度に到達・維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る定着制御装置の全体構成図。
【図２】調整モード時の定着ユニット内のサーミスタの検知温度−時間特性を示す図。
【図３】ヒータの点灯デューティを示す図。
【符号の説明】
１定着ユニット、２温度検出素子（サーミスタ）、３ヒータ、５ＣＰＵ（制御手段）

Claims

ヒータ及び温度検出素子を有する定着ユニットと、適正なヒータ出力を得るために一定の制御時間内でのヒータの点灯デューティを可変とする制御手段と、を備えた定着制御装置において、前記制御手段は、使用環境での最適なヒータ通電制御を実現するため、ヒータ点灯デューティの補正処理を行うことを特徴とする定着制御装置。
請求項１記載の定着制御装置において、前記制御手段は、ある決められた条件下での温度−時間特性を求め、該温度−時間特性の傾きに合わせヒータ点灯デューティを補正し、ヒータの出力ばらつきに関わらず常に最適なヒータ出力を得るようにしたことを特徴とする定着制御装置。