JP4981999B2 - 定着装置、画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置及び画像形成装置に係り、特に電子写真方式であり、熱を用いて定着を行う定着装置及び画像形成装置に関する。

従来、用紙に形成されたトナー像を加熱溶融することにより、画像を定着させる定着装置を用いたプリンタ、複写機、ファクシミリ等の画像形成装置が知られている。一般的にトナー像として形成された電子写真画像を用紙へ定着する定着装置は、ヒータに電力を供給して定着装置内のローラ等を発熱させ、この熱でトナー像を加熱溶融して用紙に定着する処理を行う。

このような定着装置は、電子写真画像を用紙へ定着している間の定着温度を一定にするために、前記ヒータに電力を供給し、所定の温度に昇温させて定着可能状態とし、この所定定着温度を維持しつつ定着装置へ用紙を通過させるという構成になっている。

ここで、ヒータのパワー駆動（加熱制御）はヒータへの供給電力を制御することにより行うものとしている。一般にヒータへの供給電力の制御方法としては、定着装置に設けられたサーモパイル、サーミスタ等の温度センサにより温度を検出し、目標制御温度との差に応じて、検出温度が目標制御温度よりも低いときはヒータへの通電をＯＮし、目標制御温度より高いときはＯＦＦするというＯＮ−ＯＦＦ制御法がある。

しかし、ＯＮ-ＯＦＦ制御法による温度制御では、目標制御温度に対して温度リップルが大きく発生し、定着ローラ表面温度の変化に応じて定着画像の画質が変化し良好な画像の定着が行えなくなるという問題点がある。

これを低減するために、例えば定着装置内で加熱される定着ローラ対の芯金厚や表層厚を増加させ、定着ローラ対の熱容量を大きく設定することが考えられる。しかし、このように定着ローラ対の熱容量を大きく設定すると、温度リップルを低減できるものの、目標制御温度に昇温するためのウォームアップ時間が長くなるといった問題が新たに生じる。

このウォームアップ時間の増加を解決するために、画像形成装置が休止しているときは定着装置を高温に保つということも考えられるが、それでは、画像形成装置の消費電力が大きくなるという弊害が生じる。故に昨今では、これらを包括的に解決するために、比較的熱容量の小さいローラ、もしくはシームレスベルト等を熱媒体として、比較的発熱量の大きなヒータを熱源として用いかつ、大きな温度オーバーシュートや、温度リップルを生じさせることなく制御する手法が必要となってきた。

上述したＯＮ-ＯＦＦ制御にかわる制御アルゴリズムとしてＰＩＤ制御がある。ＰＩＤ制御は、Ｐ：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｎａｌ（比例）、Ｉ：Ｉｎｔｅｇｒａｌ（積分）、Ｄ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ（微分）の３つの組み合わせで制御するものであり、目標値と現在値の偏差に応じ、複数のパラメータを最適化することにより制御を行うものである。

このＰＩＤ制御は、ＯＮ-ＯＦＦ制御に比較してリップルの低減を図ることができるが、制御パラメータの最適化には対象のモデルを必要とし、モデル化が困難であるシステムに対してはそのパラメータ設定を現場の技術者の裁量に任せるところが多い。またモデル化を行う場合においても、最も発生しやすい状況を仮定したノミナルモデルを作成し制御パラメータを決定している。

しかしながら画像形成装置が動作する環境は一様ではなく、環境の温度やユーザの使用状況による構成部品の劣化のばらつきなどにより内部モデルは大きく変化する。このため設計段階で決定したコントローラの制御パラメータが実際に使用する場所では必ずしも最適ではなく、全ての状況を想定し設計段階から考慮に入れコントローラを設計するのは非常に困難である。

上述した問題に対して特許文献１には、加熱ヒータへの通電開始から制御温度までの温度上昇率を算出し、予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ものが記載されている。

また、特許文献２には、サーミスタ出力の昇温勾配により入力電圧のばらつきを検知し、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ ＤＵＴＹを補正するものが記載されている。

また、特許文献1、特許文献２は、ともに電源投入時から待機状態に至るまでのウォームアップ時の温度上昇率データを基にばらつきの補正を行うものとしている。

さらに、特許文献３では省エネモードに着目し、電源投入時の温度より印刷時の温度に近い状態からの温度上昇率を基に補正を行っている。また、ばらつきに対する補正については、上記記載の特許文献１のような「制御パターン」や、特許文献２のような「テーブル方式」での補正ではなく、演算式による補正のためより正確な制御が可能であるとしている。
特許第２８６７７６６号 特開平１０−１６１４６６号公報 特開２００５−３３８６３４号公報

しかしながら、特許文献１のものは、ばらつきに対して「制御パターン」を選択しているため、ばらつき量に追従した正確な制御はできないという問題がある。また、特許文献２のものは、ＯＮ／ＯＦＦ ＤＵＴＹを、「テーブル方式」で補正するため、特許文献１と同様、ばらつき量に追従した正確な制御はできないという問題がある。

さらに、特許文献１及び特許文献２のものは、ウォームアップ時、待機時、印刷時（通紙時）といった、電子写真装置が動作するステップごとで制御対象の特性は大きく異なるため、ウォームアップ時の温度上昇率データによるばらつきの補正結果が、最も高精度な制御が要求される印刷時（通紙時）で同様に使用できるとは限らないという問題がある。

また、特許文献３のものは、省エネモードからのウォームアップ時の温度上昇率と、印刷時における温度変化率では、ウォームアップ時が用紙により奪われる熱量がないのに対し、印刷時では当然のことながら紙により奪われる熱量が発生するため、両者を同じモードとして扱うのは難しいという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、温度リップルの低減を図れ、目標制御温度に追従できるような最適な熱量を供給することにより消費電力を低減することができる定着装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、
熱源を備えた定着部材と、該定着部材との間で用紙を加熱、加圧する加圧部材と、前記熱源からの熱入力を検出する熱入力検知手段と、前記定着部材の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段の温度検知結果に基づいて前記定着部材の温度を目標制御温度に維持させるコントローラと、
前記熱入力検知手段が検出した熱入力と、前記温度検知手段が検出した前記定着部材の温度に基づいてパラメータを求めるシステム同定器とを備え、
前記システム同定器により求められたパラメータに基づいて前記コントローラのパラメータを最適化する定着装置において、
前記パラメータは、むだ時間、時定数、ゲイン定数であり、
前記コントローラは、ＰＩＤコントローラであり、用紙が搬送されてくるときに前記定着部材の温度を予め決定しておいたＰＩＤパラメータを用いて目標制御温度となるようにＰＩＤ制御し、
前記定着部材に用紙が到達し、前記定着部材と前記加圧部材との間で定着が開始された時刻から、前記定着部材の温度ｙ及び前記熱源のある時間あたりの点灯時間の割合ｕをあるサンプリング時間ごとに時系列データとして蓄え、
ジョブが要求する全ての用紙Ｐが前記定着部材と前記加圧部材との間を通り終えるまでにｋ回のサンプリングが行われ、該ｋ回のサンプリングで得られた前記定着部材の温度の時系列データｙ（ｋ）と、前記熱源のある時間あたりの点灯時間の割合の時系列データｕ（ｋ）を、前記システム同定器にて線形差分式
ｙ（ｋ）＝ａ１ｙ（ｋ−１）＋ｂ１ｕ（ｋ−Ｌ）
（ただし、ａ１、ｂ１は二乗誤差が最小になるパラメータ、Ｌはむだ時間）
を基に一括処理して最小二乗誤法により、二乗誤差が最小になる前記パラメータａ１、ｂ１、及びむだ時間Ｌを推定し、
前記線形差分式を離散時間伝達関数表現で
Ｙ（ｚ）＝ｚ−Ｌ＊ｂ１ｚ／（ｚ−ａ１）Ｕ（ｚ）
と表し、
該式を連続時間伝達関数表現に書き換え、前記ＰＩＤコントローラのパラメータを更新するのに必要な時定数Ｔ、ゲイン定数Ｋを、
Ｔ＝−Ｔｓ／ｌｏｇ（ａ１）
Ｋ＝ｂ１／（１−ａ１）
として推定し、
これら推定したむだ時間Ｌ、時定数Ｔ及びゲイン定数Ｋを基に、ジーグラ・ニコルスのステップ応答法を用いて最適なＰＩＤパラメータを求め、
前記ＰＩＤコントローラのＰＩＤパラメータを更新する、
ことを特徴とする定着装置である。

請求項２の発明は、請求項１記載の定着装置において、前記定着部材は、内部に熱源を有するローラもしくはローラ対であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の定着装置において、前記ＰＩＤコントローラのパラメータを、ジーグラ・ニコルスのステップ応答法に代えてＣＨＲ法により決定することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の定着装置において、用紙をスタックする給紙装置を備え、前記給紙装置を開閉した際に前記システム同定器が、同定モデルを作成する同定モードへ移行をすることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の定着装置を具備したことを特徴とする画像形成装置である。

本発明によれば、熱入力検知手段により熱入力を検知し、温度検知手段より得られる温度情報を基に、印刷時（通紙時）においてシステム同定により使用環境に応じたモデルを作成し、モデルから得られた時定数、むだ時間及びゲイン定数を基に制御パラメータを自動的に最適化することにより、環境に応じた適応制御を行うことで、温度リップルの低減を図り、目標制御温度に追従させるような最適な熱量を供給することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、図に示す実施例を参照して説明する。

本発明の実施例を図１ないし図９に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一例を示す断面図である。この画像形成装置１０は、電子写真方式を採用するものであり、画像入力装置１と感光体２と、現像装置３と
、転写装置４と、給紙装置５と、定着装置６とを備える。

本例に係る画像形成装置１０では、画像入力装置１から光によって原稿像が感光体２に照射され、この感光体２に形成された潜像は、現像装置３によってトナー像として現像された後、転写装置４において、給紙装置５から給紙された用紙Ｐに転写され、ついで定着装置６で定着されて排出されるようになっている。

本例では、上記定着装置６は加圧ローラ７と定着ローラ８とから構成され、この両ローラ７，８のうち一方のローラの回転軸は固定され、他方のローラの回転軸が接離方向に移動自在に、かつ接触方向にばねで付勢されている。そして定着ローラ８内には加熱ヒータ９が配置され、この加熱ヒータ９ヒータで定着ローラ８が加熱されるようになっている。また、本例では、熱入力検知手段および温度検知手段として、定着ローラ８には、定着ローラ８の温度を測定するサーミスタ等の温度検知手段１１を備え、定着ローラ８の温度を測定する。なお、本例に係る加熱ヒータ９はハロゲンヒータを使用する。

本例に係る画像形成装置１０では、そのウォームアップ時、待機時、印刷時（通紙時）において、制御回路２０により、熱入力検知手段と、温度検知手段としての温度検知手段１１で測定した定着ローラ８の温度に基づいて加熱ヒータ９をＰＩＤ制御し定着ローラ８が最適の温度になるよう制御する。

次に、本例に係る制御回路２０について説明する。図２は制御回路を示すブロック図である。本例に係る制御回路２０は、ＰＩＤコントローラ２１と、ＰＷＭ駆動回路２２とを備え定着ローラ８の加熱ヒータ９への印加電力を制御する。

本例では、制御回路２０は、予め指定された目標制御温度と温度検知手段１１により検知された定着ローラ８の温度偏差の情報を基にＰＩＤコントローラ２１が演算を行う。この演算結果はある時間あたりに点灯するヒータの点灯時間の割合（以下ＤＵＴＹ）となっており、計算されたＤＵＴＹを基にＰＷＭ駆動回路２２を通じて加熱ヒータ９を点灯する。本例ではハロゲンヒータの両端に、ある時間あたりの定格交流電圧を印加する割合を制御することになる。

次にＰＩＤコントローラ２１による加熱ヒータ９の制御例について説明する。図３は、制御回路による制御の一例を示すグラフである。同図では、ＰＩＤコントローラ２１により制御されている際の、目標制御温度、ＤＵＴＹと定着ローラ温度の関係を示す。図３に示すように、通紙中は用紙Ｐが定着ローラ８からトナー像の定着に必要な熱量を奪うため温度リップルが大きくなる。

本発明は印刷時（通紙時）のＰＩＤコントローラ２１の制御パラメータを、システム同定器によりモデル化した情報を基に自動で最適化する。なお本例では、チューニングするＰＩＤコントローラ２１の制御パラメータとして比例ゲインＫＰ、積分時間ＫＩ、微分時間ＴＤを使用している。

次にＰＩＤコントローラ２１の最適化について説明する。図４はＰＩＤコントローラのチューニングを示すフローチャートである。

はじめにコピー開始ボタンがユーザにより押され（スイッチオン：Ｓ１）、コピージョブが入った時点で、システム同定モードと通常モードのいずれかが選択される（Ｓ２）。このモードの選択はユーザ自身が選択してもよいし、数千回に１回など定期的にシステム同定モードが選択されてもよい。また給紙装置５が開閉された場合に同定モードへ移行するようにすれば、ユーザが用紙Ｐの種類を変更した際に同定モードへ移行することで、用紙Ｐの種類に応じてモデルを変化させ、用紙Ｐに合わせた最適制御パラメータを決定することができる。

ここで通常モードが選択された場合は、ジョブ終了まで通常の印刷が行われる。以下はシステム同定モードが選択された場合を説明する。なお、同定モードが選択されない場合には、ＰＩＤコントローラ２１により予め設定された状態で印刷を行い（Ｓ９）、ジョブを終了する（Ｓ１０）。

はじめにジョブの情報を基に用紙Ｐが搬送され、定着装置６に紙が到達する（Ｓ３）。このとき定着ローラ温度は予め決定しておいたＰＩＤパラメータを用いて目標制御温度となるようにＰＩＤ制御されている。ジョブが要求する用紙全てが加圧ローラ７と定着ローラ８の間を通過し終えるまで、定着ローラ温度及び、ＤＵＴＹをあるサンプリング時間Ｔｓごとに検知しメモリに蓄える（Ｓ４，ＳＴ５）。通紙が全て終了した後、システム同定器によりＤＵＴＹと定着ローラ温度の伝達関数を「一時遅れ系＋むだ時間」で表現し、むだ時間Ｌと時定数Ｔ及びゲイン定数Ｋを推定する（Ｓ４，Ｓ６）。

次にむだ時間Ｌと時定数Ｔ及びゲイン定数Ｋの推定の方法について説明する。図５は印刷時に得られた時系列データを示す表である。定着装置６に用紙Ｐが到達し、定着が開始された時刻をゼロとする。定着開始より例えばサンプリング時間１００［ｍｓｅｃ］ごとにＤＵＴＹ及び定着ローラ温度を蓄える。今ｋ回目に蓄えられたＤＵＴＹをｕ（ｋ）、ｋ回目に蓄えられた定着ローラ温度をｙ（ｋ）とし、仮に１０秒後にジョブが要求する全ての用紙Ｐが定着装置を通り終えた場合、図５で示す時系列データが得られる。システム同定器ではメモリに蓄えられたｕ（ｋ）、ｙ（ｋ）を以下の線形差分式で最適化する。

ｙ（ｋ） ＝ａ１ｙ（ｋ−１）＋ｂ１ｕ（ｋ−Ｌ）・・・・・（１） 式（１）の最適化の方法であるが、メモリに蓄えられたｕ（ｋ）、ｙ（ｋ）を基に一括処理して最小二乗誤法により、二乗誤差が最小になるパラメータａ１ 、ｂ１、Ｌを決定する。以上よりむだ時間Ｌが求まる。

次に（１）式を離散時間伝達関数表現で表すと Ｙ（ｚ）＝ｚ−Ｌ＊ｂ１ｚ／（ｚ−ａ１）Ｕ（ｚ）・・（２）となり（２）式を連続時間伝達関数表現に書き換えることで時定数Ｔ、ゲイン定数Ｋが以下の式でそれぞれ求まる。 Ｔ＝−Ｔｓ／ｌｏｇ（ａ１）・・・・・・・・・・・・・・・（３） Ｋ＝ｂ１／（１−ａ１）・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）

以上からコントローラのパラメータを更新するのに必要なむだ時間Ｌと時定数Ｔ及びゲイン定数Ｋが求まる。

なお、一般に制御対象の時定数、むだ時間及びゲイン定数を求めるには、図６に示すようなステップ入力を制御対象に印加し、応答波形から直接求めるが、本発明を用いると制御対象に実際にステップ入力を印加することなく、印刷時の制御中の入力データ（上記例ではＤＵＴＹ）と出力データ（上記例では定着ローラ温度）から時定数とむだ時間及びゲイン定数を推定できるので、許容温度を超えてしまうがために安全性などの面からステップ入力を印加できないシステムにも本発明を適用することができる。

次に、推定されたむだ時間Ｌと時定数Ｔ及びゲイン定数Ｋを基に、図７に示すジーグラ・ニコルスのステップ応答法を用いて最適なＰＩＤパラメータを求め、ＰＩＤコントローラ２１のＰＩＤパラメータを更新し、待機状態に戻る（Ｓ８）。

以上から使用環境に応じてパラメータをチューニングし制御を行うことで、図９に示すように、温度リップルを低減することができる。またこれは消費電力を低減することに他ならない。

以上説明したように、本例に係る画像形成装置によれば、定着装置を使用環境に応じた最適な制御パラメータを用いて制御を行っているので、温度リップルならびに消費電力を低減することができる。

なお、Ｄコントローラを使用すると不安定になるシステムの場合ＰＩコントローラが使われるが、ジーグラ・ニコルスのステップ応答法を用いればＰＩコントローラのチューニングを行うことができる。

また温度制御をはじめとしたプロセス系の制御ではＰＩＤコントローラを目的に応じてその構成を変化させたＩ−ＰＤコントローラ、Ｉ−Ｐコントローラ、あるいはＰＩ−Ｄコントローラなどがよく用いられるが、ジーグラ・ニコルスのステップ応答法によるコントローラのチューニングはそれらに対しても同様に適用できる。

また、本発明では外乱抑制を最適化したい場合、あるいは目標追従を最適化したい場合など、異なる制御要求に対しても図８に示すＣＨＲ法を使用しパラメータを最適化することで容易に拡張でき、温度リップルならびに消費電力を低減することができる。

また、本発明の定着装置はフィードフォワード制御を併用して制御を行い、結果として通紙直後などの急激な温度の落ち込みを低減することができる。熱量のフィードフォワード量は、前記システム同定により決定されたＰＩＤパラメータとは相関なく前もって定着ローラ温度が発散しない値を決定しておく。

また、本発明によれば、給紙装置が開閉した際に同定モードへ移行することで、ユーザが用紙の種類を変更した際に同定モードへ移行することができ、結果として用紙の種類に応じた制御対象のモデルを作成し、最適な制御パラメータにより温度制御を行うことができ、温度リップルならびに消費電力を低減することができる。

実施例に係る画像形成装置の概略構成示す断面図である。 実施例に係る画像形成装置の制御回路を示すブロック図である。 実施例に係る画像形成装置のＰＩＤ制御時の定着ローラの温度と加熱ヒータのＤＵＴＹの状態とを示すグラフである。 実施例に係る画像形成装置のＰＩＤ制御の状態を示すフローチャートである。 実施例に係る画像形成装置の印刷時に得られる時系列データの一例を示す表である。 （ａ），（ｂ）はステップ応答によるモデル化を示すグラフである。 ジーグラ・ニコルスのステップ応答法によるＰＩＤパラメータ制御を示す表である。 ＣＨＲ法によるＰＩＤパラメータ制御を示す表である。 実施例に係る画像形成装置のパラメータチューニングによる温度リップルの低減状態を示すグラフである。

符号の説明

１ 画像入力装置２ 感光体３ 現像装置４ 転写装置５ 給紙装置６ 定着装置７ 加圧ローラ８ 定着ローラ９ 加熱ヒータ１０ 画像形成装置１１ 温度検知手段２０ 制御回路２１ ＰＩＤコントローラ２２ ＰＷＭ駆動回路

Claims (5)

1. 熱源を備えた定着部材と、該定着部材との間で用紙を加熱、加圧する加圧部材と、前記熱源からの熱入力を検出する熱入力検知手段と、前記定着部材の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段の温度検知結果に基づいて前記定着部材の温度を目標制御温度に維持させるコントローラと、
   前記熱入力検知手段が検出した熱入力と、前記温度検知手段が検出した前記定着部材の温度に基づいてパラメータを求めるシステム同定器とを備え、
   前記システム同定器により求められたパラメータに基づいて前記コントローラのパラメータを最適化する定着装置において、
   前記パラメータは、むだ時間、時定数、ゲイン定数であり、
   前記コントローラは、ＰＩＤコントローラであり、用紙が搬送されてくるときに前記定着部材の温度を予め決定しておいたＰＩＤパラメータを用いて目標制御温度となるようにＰＩＤ制御し、
   前記定着部材に用紙が到達し、前記定着部材と前記加圧部材との間で定着が開始された時刻から、前記定着部材の温度ｙ及び前記熱源のある時間あたりの点灯時間の割合ｕをあるサンプリング時間ごとに時系列データとして蓄え、
   ジョブが要求する全ての用紙Ｐが前記定着部材と前記加圧部材との間を通り終えるまでにｋ回のサンプリングが行われ、該ｋ回のサンプリングで得られた前記定着部材の温度の時系列データｙ（ｋ）と、前記熱源のある時間あたりの点灯時間の割合の時系列データｕ（ｋ）を、前記システム同定器にて線形差分式
   ｙ（ｋ）＝ａ１ｙ（ｋ−１）＋ｂ１ｕ（ｋ−Ｌ）
   （ただし、ａ１、ｂ１は二乗誤差が最小になるパラメータ、Ｌはむだ時間）
   を基に一括処理して最小二乗誤法により、二乗誤差が最小になる前記パラメータａ１、ｂ１、及びむだ時間Ｌを推定し、
   前記線形差分式を離散時間伝達関数表現で
   Ｙ（ｚ）＝ｚ−Ｌ＊ｂ１ｚ／（ｚ−ａ１）Ｕ（ｚ）
   と表し、
   該式を連続時間伝達関数表現に書き換え、前記ＰＩＤコントローラのパラメータを更新するのに必要な時定数Ｔ、ゲイン定数Ｋを、
   Ｔ＝−Ｔｓ／ｌｏｇ（ａ１）
   Ｋ＝ｂ１／（１−ａ１）
   として推定し、
   これら推定したむだ時間Ｌ、時定数Ｔ及びゲイン定数Ｋを基に、ジーグラ・ニコルスのステップ応答法を用いて最適なＰＩＤパラメータを求め、
   前記ＰＩＤコントローラのＰＩＤパラメータを更新する、
   ことを特徴とする定着装置。
2. 前記定着部材は、内部に熱源を有するローラもしくはローラ対であることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記ＰＩＤコントローラのパラメータを、ジーグラ・ニコルスのステップ応答法に代えてＣＨＲ法により決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 用紙をスタックする給紙装置を備え、
   前記給紙装置を開閉した際に前記システム同定器が、同定モデルを作成する同定モードへ移行をすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の定着装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の定着装置を具備したことを特徴とする画像形成装置。