電力制御方法、電力制御装置、および画像形成装置
【課題】交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給する際のスルーアップ制御に要する時間の短縮および突入電流の抑制を図ることを目的とする。
【解決手段】交流電源からの交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、交流電源と負荷との間に設けられたスイッチング手段と、スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、交流電力の各半サイクルにおいて、スイッチング手段のオンオフによって電圧を負荷に２回印加し、１回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、交流電力の半サイクルごとに、電圧の印加時間を順次増加させるように、スイッチング手段を制御する。
【解決手段】交流電源からの交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、交流電源と負荷との間に設けられたスイッチング手段と、スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、交流電力の各半サイクルにおいて、スイッチング手段のオンオフによって電圧を負荷に２回印加し、１回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、交流電力の半サイクルごとに、電圧の印加時間を順次増加させるように、スイッチング手段を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力制御方法、電力制御装置、および画像形成装置に関する。本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ装置、およびこれらの複合機などの電子写真方式の画像形成装置などの電力制御に利用される。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式を用いた画像形成装置は、通常、用紙上に形成されたトナー像を熱で溶融して定着させるためにヒーターを備える。近年においては、画像形成装置におけるショートウォームアップの要望にこたえるためヒーターが大電力化する傾向にある。ヒーターが大電力化すると、通電開始時の突入電流が大きくなり、これにより電源電圧が低下して同じ電源系統内の蛍光灯にちらつきが生じるなどの悪影響が発生する。
【０００３】
ところで、従来において、温度調整のために、ヒーターに供給する電力を交流電源の半サイクル単位で間引き制御することが行われている。このような制御において、蛍光灯のちらつきを抑えるために、２本のヒーターに対して間引き制御を行い、かつ交流電圧の欠落が生じないようにヒーターを互い違いにオンすることが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、複数のヒーターに対し、大電力のヒーターにはＰＷＭ制御を行い、小電力のヒーターには位相制御を行うことが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
また、複数のヒーターに対して独立して間引き制御を行い、同時にオンとなる場合にはそれを半サイクル分ずらしてオンすることが提案されている（特許文献３）。
【０００６】
また、突入電流の影響を抑制するために、ヒーターへの通電開始時にスルーアップ制御が行われる。スルーアップ制御では、交流の各サイクルにおいてゼロ点から徐々にオンする区間の間隔を広げる位相制御を行い、最終的に全点灯状態へ遷移する。これによって、突入電流を抑えながら徐々にヒーターを暖めることができる。
【０００７】
図８には、従来のスルーアップ制御におけるタイミングチャートが示されている。
【０００８】
図８において、交流電源の電圧（交流電圧）について、ゼロクロスポイントを検出し、半サイクル（半波）ごとに位相制御を行う。つまり、スイッチング素子を、各半サイクルの適当な位相角でオンし、位相角πでオフする。半サイクルごとにオンの時間を増加させる。スイッチング素子として、非ゼロクロスタイプのフォトトライアックカプラとトライアックが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−４８０９０号公報
【特許文献２】特開２００２−６３９８１号公報
【特許文献３】特開平１１−３３９９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示された従来技術による場合は、半サイクル単位でヒーターのオンオフを制御するので、きめ細かな制御を行うことが難しく、ショートウォームアップと蛍光灯のちらつき抑制の両方を十分に満足させることが困難である。また２本１組みのヒーターを制御対象とするため、設計上の制約が生じる。
【００１１】
特許文献２に示された従来技術は、ヒーターの電力に応じてドライバを最適化して少サイズ化を狙うものであるが、ＰＷＭ制御のための回路が複雑化するという問題がある。
【００１２】
特許文献３に示された従来技術による場合は、特許文献１の場合と同様に、半サイクル単位での制御であるのできめ細かな制御を行うことが難しい。また、設計上の制約がある。
【００１３】
また、図８に示すスルーアップ制御では、半サイクル内において位相制御を行うので、きめ細かな制御を行うことができ、ショートウォームアップと蛍光灯のちらつき抑制の両方をある程度満足させることができる。しかし、上に述べたように、ヒーターが大電力化することによってこれが十分とは言えなくなってきている。
【００１４】
例えば、ヒーターとして１２００ワット程度の大電力のハロゲンヒータを想定した場合に、突入電流を抑えながらスルーアップ制御を行うとすると、半サイクルを１波と数えてスルーアップ制御のために７０波を要することとなる。スルーアップ制御に要する波数は、商用電源ラインにおけるインピーダンス、突入電流による電圧降下分、およびその繰り返し頻度などによって経験的に算出される。
【００１５】
スルーアップ制御の間は、ヒーターを全点灯するのではないため、ヒーターの立ち上がりが遅くなってしまう。例えば、交流電源が５０Ｈｚの場合は、半波７０波のために約０．７秒の立ち上がり時間を要する。したがって、その分だけウォームアップ時間が長くなってしまう。
【００１６】
このように、従来において、ショートウォームアップの要望と突入電流の低減による蛍光灯のちらつき抑制の両方を満足させることはできなかった。
【００１７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給する際のスルーアップ制御に要する時間の短縮および突入電流の抑制を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る電力制御方法は、交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給するための電力制御方法であって、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させる。
【００１９】
本発明に係る電力制御装置は、交流電源からの交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、前記交流電源と前記負荷との間に設けられたスイッチング手段と、前記スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させるように、前記スイッチング手段を制御する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給する際のスルーアップ制御に要する時間の短縮および突入電流の抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る画像形成装置の概略の構成を示す図である。
【図２】画像形成装置の定着部の構成の例を示す図である。
【図３】画像形成装置の電力制御に関係する部分の説明のためのブロック図である。
【図４】電力制御装置の構成の例を説明するためのブロック図である。
【図５】スルーアップ制御におけるタイミングチャートの例を示す図である。
【図６】スルーアップ制御用データの例を示す図である。
【図７】トライアックを用いた場合の電力制御装置の構成の例を示す図である。
【図８】従来のスルーアップ制御におけるタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態に係る電力制御方法を用いた画像形成装置１について説明する。
【００２３】
図１には、一実施形態に係る画像形成装置１の構成の例が示されている。
【００２４】
図１において、画像形成装置１は、タンデム型のプリントエンジンを内蔵した電子写真方式のフルカラー画像形成装置である。画像形成装置１は、一般に複合機またはＭＦＰ（Multi Function Peripherals）と呼ばれる装置であって、コピー、ネットワークプリンティング（ＰＣプリント）、ファックス、およびスキャナなどの機能を集約した装置である 画像形成装置１は、原稿読取り部ＧＡ、画像形成部（プリントエンジン）ＧＢ、給紙部ＧＣ、操作部ＧＤ、および電源部ＧＥなどからなる。
【００２５】
原稿読取り部ＧＡは、原稿読取り装置１２および自動原稿送り装置１２ｂなどを備える。
【００２６】
画像形成部（プリントエンジン）ＧＢは、画像形成光学系１３、画像形成プロセス系１４、定着装置１５、および画像処理部１６などを備える。
【００２７】
給紙部ＧＣは、第１給紙カセット１７ａおよび第２給紙カセット１７ｂなどを備える。操作部ＧＤは、操作パネル１８などを備える。電源部ＧＥは、直流電源回路１９ａおよび電力制御装置１９ｂなどを備える。
【００２８】
画像読取り装置１２は、自動原稿送り装置１２ｂで搬送された原稿、または原稿台ガラス上に直接に載置された原稿の画像を、光学的に読み取ってＲＧＢの三原色の電気信号に変換する。変換された電気信号（画像データ）は、画像処理部１６に転送されて種々のデータ処理が施されるとともに、ＹＭＣＫ（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）の各再現色に変換される。
【００２９】
操作パネル１８は、例えばタッチパネルを有する液晶表示画面を備えている。操作者（ユーザー）は、操作パネル１８を用いて画像形成装置１を操作する。
【００３０】
画像形成プロセス系１４は、図示しないＹＭＣＫの各色のイメージングユニットを備え、画像形成光学系１３からのレーザ光に基づいて各色のトナー画像を形成する。各イメージングユニットは、感光体ドラム、現像ユニット、帯電装置、および残留トナーや残留電荷のクリーニング装置などを含んで構成される。イメージングユニットで形成されたトナー画像は、図示しない中間転写ベルトに一次転写され、さらに用紙に二次転写される。二次転写によって表面にトナー画像が形成された用紙は、定着装置１５によって定着され、排紙トレー１５ｂ上に排出される。
【００３１】
第１給紙カセット１７ａおよび第２給紙カセット１７ｂには、それぞれ異なるサイズの用紙が収納されている。使用される用紙のサイズに応じて、いずれかの給紙カセット１７ａ、１７ｂから用紙が一枚ずつ送り出され、用紙搬送路ＰＡに沿って搬送される。なお、給紙カセット１７ａ、１７ｂからの用紙の取り出しおよび用紙の搬送は図示しない各種のローラーによって行われる。
【００３２】
図２には定着装置１５の構成の例が示されている。
【００３３】
図２において、定着装置１５は、内部にヒーター４２を有する加熱ローラー４１、加圧ローラー４３、クリーニングローラー４４、搬送ローラー４７、分離爪４５，４６、温度センサー４８、およびこれらの部材を収納するケース４９を備える。
【００３４】
ヒーター４２は、例えばハロゲンヒーターであって、加熱ローラー４１の内部に装着され、電源部ＧＥから電力を供給されることで発熱する。ヒーター４２が発熱することにより加熱ローラー４１が加熱される。
【００３５】
加圧ローラー４３は、加熱ローラー４１に対向して配置され、これらにより用紙ＰＰが挟まれて熱圧着され、かつ用紙搬送路ＰＡに沿って前方へ送られる。分離爪４５、４６は、先端部が加熱ローラー４１または加圧ローラー４３の表面に接するように配置され、用紙がこれらのローラーに巻き付くことを防止する。
【００３６】
温度センサー４８は、加熱ローラー４１および加圧ローラー４３の表面の温度を検出するためのものである。温度センサー４８の出力する温度検知信号Ｓｔは、電力制御装置１９ｂに送られる。電力制御装置１９ｂは、温度検知信号Ｓｔをフィードバック信号として用い、後述するようにヒーター４２に供給する電力を制御し、これによって加熱ローラー４１および加圧ローラー４３の表面の温度を制御する。温度センサー４８として、例えば、熱電対、サーミスタ、またはその他の半導体センサーなどが用いられる。
【００３７】
次に、電源部ＧＥについて説明する。
【００３８】
図３には、画像形成装置１の電力制御に関する説明のためのブロック図が、図４には電力制御装置１９ｂの構成の例を説明するためのブロック図が、それぞれ示されている。
【００３９】
図３において、電源部ＧＥには、上に述べたように、直流電源回路１９ａおよび電力制御装置１９ｂが設けられ、これらにより、商用の交流電源ＰＳからの交流電力を元にして画像形成装置１の全体に直流および交流の電力を供給する。
【００４０】
直流電源回路１９ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器（整流回路）、およびＤＣ／ＤＣ変換器などを備え、交流電源ＰＳの交流電力を直流電力に変換する。直流電源回路１９ａとして、コンデンサインプット形の整流回路やスイッチング回路を備えたレギュレータ、その他の種々の方式のものを用いることができる。直流電源回路１９ａからの直流電力は、直流負荷である二次側負荷ＦＫ２に供給される。
【００４１】
二次側負荷ＦＫ２は、例えば、各部に設けられたローラーやファンなどを駆動するためのモーター、ソレノイド、表示装置など、また、画像形成プロセスのための回路、制御回路、その他の電子回路などである。直流電源回路１９ａは、二次側負荷３７の種類に応じて、種々の電圧の直流電力を供給する。
【００４２】
電力制御装置１９ｂは、スイッチング部３１、ゼロクロス検出回路３２、および制御回路３３などを備える。
【００４３】
電力制御装置１９ｂによって、交流電源ＰＳを元にして、交流負荷ＦＫ１に交流電力が供給される。なお、図３においては、交流負荷ＦＫ１として定着装置１５のみが示されているが、図示されていない定着装置１５以外の種々の交流負荷ＦＫ１に交流電力が供給される。
【００４４】
ここでは、電力制御装置１９ｂによって定着装置１５のヒーター４２に供給する交流電力を制御する方法について主に説明する。なお、電力制御装置１９ｂの動作に必要な直流電源は、例えば直流電源回路１９ａから供給される。
【００４５】
スイッチング部３１は、交流電源ＰＳと交流負荷ＦＫ１であるヒーター４２との間に設けられる。スイッチング部３１には、非ゼロクロスタイプのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ）などのスイッチング素子が用いられる。
【００４６】
ＩＧＢＴは、ゼロクロスポイントとは無関係にターンオフを行うことができ、換言すれば自己消弧能力があるので、交流電力の電圧の半サイクル内の任意の位相角でオンオフをコントロールすることができる。
【００４７】
ゼロクロス検出回路３２は、交流電源ＰＳから供給される交流電圧のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス検出信号Ｓｚとして制御回路３３に送る。制御回路３３は、ゼロクロス検出信号Ｓｚに基づいて、スイッチング部３１のオンまたはオフのタイミングを決定し、決定した所定のタイミングでオンオフ動作を行わせるための制御信号Ｓｃをスイッチング部３１に出力する。
【００４８】
図４において、制御回路３３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）３３ａ、ゲート制御回路３３ｂ、および、ＲＡＭまたはＲＯＭなどのメモリ３３ｃなどを備える。ＣＰＵ３３ａおよびメモリ３３ｃには、制御を行うための適当な種々のプログラム（コンピュータプログラム）が格納されている。ＣＰＵ３３ａがプログラムを実行することにより、制御回路３３における機能の一部または全部が実現される。
【００４９】
なお、ＣＰＵ３３ａは複数個であってもよい。ＣＰＵ３３ａに代えてまたはこれとともに、ＤＳＰ（Digital Signal Processor )を用いてもよい。また、制御回路３３は、これらの素子の他、インターフェース回路素子、入出力回路素子、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子、演算素子、論理回路素子、その他の周辺回路素子、ディスクリートな電子回路素子など、種々のハードウエア回路のための素子を備えることもある。
【００５０】
ＣＰＵ３３ａは、ゼロクロス検出回路３２からのゼロクロス検出信号Ｓｚ、およびメモリ３３ｃに記憶されたスルーアップ制御用データＴＤなどに基づいて、スイッチング部３１のオンオフ動作のタイミングを決定し、ゲート制御回路３３ｂに指令信号Ｓｓを出力する。
【００５１】
ゲート制御回路３３ｂは、ＣＰＵ３３ａからの指令信号Ｓｓに基づいて、スイッチング部３１のオンオフ動作を制御するための制御信号Ｓｃ（Ｓｃ１，Ｓｃ２）を生成し、スイッチング部３１に出力する。つまり、スイッチング部３１の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートに対し、オン動作に対応する期間において所定の電圧値を有する制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２を出力する。
【００５２】
メモリ３３ｃは、種々のプログラムおよびデータを格納する。本実施形態においては、特に、スルーアップ制御に関するスルーアップ制御用データＴＤを記憶する。
【００５３】
スイッチング部３１は、ＩＧＢＴである２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備える。２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２による向き合い回路となっており、これにより交流電圧のプラス側とマイナス側の両方向の制御が行われる。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はフリーホイールダイオードを内蔵している。ゲート制御回路３３ｂからの制御信号Ｓｃによって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の各ゲートが制御され、そのオンオフ動作が制御される。
【００５４】
制御回路３３は、ヒーター４２への電力供給の開始時（立ち上がり時）において、突入電流の影響を抑制するためにスルーアップ制御を行う。スルーアップ制御では、ヒーター４２への供給電力を時間の経過とともに徐々に増加させる。つまり、ヒーター４２への電力供給を開始する以前は、ヒーター４２の温度は低く抵抗値も低いので、電力の供給の開始時に流れる電流を制限するために、位相制御を行って供給する電圧を低くする。ヒーター４２の温度が高くなって抵抗値が高くなるにしたがって、供給する電圧を増大させていき、最後には位相制御された所定の電圧、または交流電源ＰＳの全電圧が印加されるようにする。
【００５５】
本実施形態において、スルーアップ制御においては、交流電力の各半サイクルにおいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフによって電圧をヒーター４２に２回印加し、１回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了する。そして、交流電力の半サイクルごとに、電圧の印加時間つまりオン時間を順次増加させるように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。
【００５６】
このように、スルーアップ制御時に、半サイクル内において、交流電圧を２回に渡って印加する。印加する２回の電圧は、互いに同じ電圧値とする。つまり、同一の半サイクル内における１回目と２回目の印加時間が互いに等しくなるように制御する。これによって、印加する電圧の電圧値を大きくすることなく、各半サイクルにおけるヒーター４２への供給電力を増大することができる。ヒーター４２に流れる突入電流は、印加される電圧の大きさに比例するので、突入電流を増大させることなく、大きな電力を短時間で供給することができる。
【００５７】
なお、制御回路３３によるスイッチング部３１のスルーアップ制御において、互いに隣接する半サイクル間における印加時間の増加量が一定となるように制御してもよい。また、互いに隣接する半サイクル間においてヒーター４２に供給される電力量の増加量が一定となるように制御してもよい。
【００５８】
また、スルーアップ制御時の交流電力の各半サイクルにおいて、スイッチング素子のオンオフによって電圧をヒーター４２に複数回印加し、交流電力の半サイクルごとに、ヒーター４２に印加する電圧の最大値を順次増加させるように制御してもよい。
【００５９】
制御回路３３は、スルーアップ制御時以外であってもヒーター４２の電力制御を行う。例えば、定常制御においては、温度検知信号Ｓｔに基づいて、ヒーター４２を所定の温度にするための制御信号Ｓｃを生成する。
【００６０】
また、スルーアップ制御とともに、またはスルーアップ制御を行うことなく、ヒーター４２などの交流負荷ＦＫ１への電力供給を終了する際に、スルーダウン制御を行うこともある。スルーダウン制御では、交流負荷ＦＫ１への供給電力を時間の経過とともに徐々に減少させ、最後に零にする。この場合においても、上に述べたスルーアップ制御と同様に、半サイクル内において交流電圧を２回に渡って印加することができる。これによって、各半サイクルにおける交流負荷ＦＫ１への供給電力の制御が行い易くなるので、スルーダウン制御に要する時間を短縮することが可能である。
【００６１】
なお、スイッチング素子として非ゼロクロスタイプのトライアックを用いた場合の電力制御装置１９ｊの構成の例が図７に示されている。
【００６２】
図７において、電力制御装置１９ｊは、トライアック１３１、ゼロクロス検出回路１３２、ＣＰＵ１３３、およびゲート制御回路１３４などを備える。ゲート制御回路１３４からトライアック１３１に点弧のためのトリガ信号が出力されることによって、トライアック１３１はオンし、ゼロクロスポイントにおいてオフする。
【００６３】
次に、電力制御装置１９ｂによるスルーアップ制御についてさらに詳しく説明する。
【００６４】
図５には本実施形態のスルーアップ制御におけるタイミングチャートの例が示されており、図６にはスルーアップ制御用データＴＤ１，２の例が示されている。図５および図６において、交流電源ＰＳの電圧の半サイクルを１波として示している。スルーアップ制御が開始された最初の半サイクルを第１波とし、順次、第２波、第３波…とする。
【００６５】
なお、図５においては、スルーアップ制御の途中経過が部分的に省略され、スルーアップ制御が行われる波数を少なくして示されている。
【００６６】
図５において、交流電源ＰＳの電圧（交流電圧）について、ゼロクロス検出回路３２によってゼロクロスポイントが検出され、ゼロクロス検出信号Ｓｚが出力される。ＣＰＵ３３ａは、ゼロクロス検出信号Ｓｚに基づいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ動作のタイミングを決定して指令信号Ｓｓを出力する。ゲート制御回路３３ｂは、指令信号Ｓｓに基づいてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２にオンオフ動作を行わせるための制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２を出力する。これによって、交流負荷ＦＫ１であるヒーター４２には、位相制御された交流電圧（ヒーター電圧）Ｖｈが印加される。
【００６７】
スルーアップ制御において、半サイクル内でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を２回オンし、ヒーター４２に２回に渡ってヒーター電圧Ｖｈを印加する。そして、第１波、第２波、第３波…と進むにつれてオン時間Ｔが長くなっていき、これによって、各半サイクル内のヒーター電圧Ｖｈの最大値が、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３…というように増大している。
【００６８】
１つの半サイクル（０〜πラジアン）内において、１回目の電圧の印加は、位相角φ＝０においてオンし、第１オン時間Ｔｆが経過したときの位相角（第１位相角）φｆ（０＜φｆ＜π／２）においてオフする。２回目の電圧の印加は、位相角（第２位相角）φｓ（π／２＜φｓ＜π）においてオンし、第２オン時間Ｔｓが経過したときの位相角πにおいてオフする。
【００６９】
本実施形態では、第１オン時間Ｔｆと第２オン時間Ｔｓとは互いに同じである。
【００７０】
Ｔｆ＝Ｔｓ
したがって、第１位相角φｆと第２位相角φｓとは、次の関係がある。
【００７１】
φｓ＝π−φｆ
そうすると、ヒーター４２に印加される１回目のヒーター電圧Ｖｈの最大値と１回目のヒーター電圧Ｖｈの最大値とは同じとなる。また、ヒーター４２に流れる電流（ヒーター電流）Ｉｈについては、１回目の最大値と２回目の最大値とはほぼ同じとなるが、２回目では１回目と比べてヒーター４２の抵抗値が少し高くなるので、２回目の方が１回目よりもヒーター電流Ｉｈは若干少なくなる。したがって、ヒーター４２に供給される電力量は、１回目と２回目とでほぼ同じであるか、または２回目の方が１回目よりも若干少なくなる。
【００７２】
このように、各半サイクル内において、電圧を２回に分けて印加することにより、半サイクル内においてヒーター４２に流れるヒーター電流Ｉｈの最大値つまり突入電流を増大させることなく、大きな電力を供給することができる。したがって、突入電流を抑制した状態で、ヒーター４２を早く暖めることができ、スルーアップ制御に要する時間、つまりはウォームアップに要する時間を短縮することができる。蛍光灯のちらつきを抑制し、ウォームアップ時間を短縮することができるので、画像形成装置１のユーザの利便性を向上することができる。
【００７３】
例えば、半サイクル内で２回の電圧の印加を行うことができるので、スルーアップ制御に要する波数を、図８に示す１回の場合と比べるとその半分程度に低減して高速に行うことができる。つまり、図８に示す場合に７０波を要し約０．７秒の立ち上がり時間を要するとした場合に、本実施形態では、スルーアップ制御を例えば３５波で行うことができ、これに要する時間を約０．３５秒程度に短縮することが可能である。
【００７４】
また、各半サイクル内における１回目と２回目のオン時間を同じにすることにより、ヒーター電流Ｉｈがほぼ均等に分散され、これによる交流電源ＰＳの電圧の降下分が低減される。したがって、突入電流の影響、つまり、例えば蛍光灯のちらつきをより一層効果的に抑制することができる。
【００７５】
また、交流負荷ＦＫ１であるヒーター４２を単体で制御することができるので、従来のように２本１組みとして制御しなければならないような設計上の制約もない。
【００７６】
なお、上に述べたスルーアップ制御のために、図６（Ａ）（Ｂ）に示すスルーアップ制御用データＴＤ１，２を用いることができる。
【００７７】
図６（Ａ）に示すスルーアップ制御用データＴＤ１は、第ｎ波（ｎ＝１，２，３…）について、第１オン時間Ｔｆおよび第２オン時間Ｔｓを、例えばテーブル形式で示したものである。第１オン時間Ｔｆおよび第２オン時間Ｔｓは、それぞれ具体的な数値によって記録されている。
【００７８】
スルーアップ制御用データＴＤ１は、交流電源ＰＳの周波数に対応して、例えば５０Ｈｚ用、６０Ｈｚ用などとして作成しておけばよい。
【００７９】
例えば、交流電源ＰＳの周波数が５０Ｈｚで、３５波でスルーアップ制御を完了するとし、第１オン時間Ｔｆと第２オン時間Ｔｓとが同じでありかつ半サイクル進むごとの増加分が同じであるとすると、Ｔｆ１、２、３、４…およびＴｓ１、２、３、４…は、０．１４、０．２９、０．４３、０．５７〔ｍｓ〕となる。
【００８０】
スルーアップ制御用データＴＤ１は、上に述べたようにメモリ３３ｃに格納され、ＣＰＵ３３ａにより読み出される。
【００８１】
なお、第１オン時間Ｔｆと第２オン時間Ｔｓとが同じである場合には、いずれか一方を省略することができる。
【００８２】
また、図６（Ｂ）に示すスルーアップ制御用データＴＤ２は、第ｎ波（ｎ＝１，２，３…）について、第１位相角φｆおよび第２位相角φｓを示したものである。第１位相角φｆおよび第２位相角φｓは、それぞれ具体的な数値によって記録される。スルーアップ制御用データＴＤ２は、交流電源ＰＳの周波数に依存しないので、１つのスルーアップ制御用データＴＤ２によって種々の異なる周波数に対応することができる。
【００８３】
スルーアップ制御用データＴＤ２は、例えばメモリ３３ｃに格納され、ＣＰＵ３３ａにより読み出される。読み出された第１位相角φｆ、第２位相角φｓに対し、必要に応じて演算を行い、ゲート制御回路３３ｂに指令信号Ｓｓを出力する。
【００８４】
なお、第１位相角φｆと第２位相角φｓとが、φｓ＝π−φｆの関係にある場合には、いずれか一方を省略し、他方を演算によって算出することができる。
【００８５】
また、スルーアップ制御用データＴＤに代えて、またはこれとともに、演算式をメモリ３３ｃに記憶しておき、演算によって指令信号Ｓｓを出力するようにしてもよい。
【００８６】
上に述べた実施形態においては、同一の半サイクル内における１回目と２回目の印加時間（Ｔｆ、Ｔｓ）を互いに等しくした。しかし、これに限ることなく、１回目と２回目の印加時間を互いに異ならせてもよい。例えば、２回目の印加時間を１回目よりも長くする。また、次の半サイクルの１回目の印加時間を、前の半サイクルの２回目の印加時間よりも長くする。つまり、時間が進むにしたがって印加時間が長くなるようにする。または、半サイクルの２回目の電圧の印加と次の半サイクルの１回目の電圧の印加とが続くので、２回目の電圧の印加時間を１回目よりも短くしてもよい。
【００８７】
また、上に述べた実施形態においては、互いに隣接する半サイクル間における印加時間の増加量を一定とした。しかし、これに限ることなく、互いに隣接する半サイクル間における印加時間の増加量を異ならせてもよい。
【００８８】
また、互いに隣接する半サイクル間において負荷に供給される電力量の増加量を一定とするように制御してもよい。そのためには、例えば、ヒーター電圧Ｖｈを印加することによるヒーター電流Ｉｈの変化、またはヒーター電流Ｉｈを流すことによるヒーター４２の抵抗値変化などを、実験またはコンピュータによるシミュレーションなどによって求めておき、これらから、負荷に供給される電力量の増加量が一定となるように、第１オン時間Ｔｆ、第２オン時間Ｔｓ、第１位相角φｆ、または第２位相角φｓを求めればよい。
【００８９】
上に述べた実施形態においては、半サイクル内において２回に渡って交流負荷ＦＫ１に電圧を印加した。しかし、これに限らず、半サイクル内において３回以上の複数回に渡って交流負荷ＦＫ１に電圧を印加してもよい。また、半サイクル内における交流負荷ＦＫ１への電圧の印加を、任意のタイミングまたは位相角において行ってよい。ＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴなどを用いることにより、任意のタイミングでオンオフを行うことができる。そして、例えば、交流負荷ＦＫ１に印加する電圧の最大値を順次増加させるようにすればよい。
【００９０】
上に述べた実施形態においては、ヒーター４２としてハロゲンヒーターを用いた例を示した。しかしこれ以外に、カーボンヒーター、電熱線、セラミックヒーターまたは誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating ）コイルなどを用いてもよい。また、交流負荷ＦＫ１として、ヒーター４２以外の種々の負荷を用いることができ、本実施形態のスルーアップ制御または電力制御をそれら種々の交流負荷ＦＫ１に対して適用することができる。
【００９１】
その他、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、スイッチング部３１、制御回路３３、電力制御装置１９ｂ、定着装置１５、電源部ＧＥ、または画像形成装置１の全体または各部の構成、構造、形状、寸法、回路、個数、材質、種類、処理の内容または順序またはタイミングなどは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１ 画像形成装置
１９ｂ 電力制御装置
３１ スイッチング部（スイッチング手段）
３２ ゼロクロス検出回路
３３ 制御回路（制御手段）
３３ａ ＣＰＵ
３３ｂ ゲート制御回路（制御手段）
４２ ヒーター（負荷）
ＰＳ 交流電源
ＦＫ１ 交流負荷（負荷）
ＧＥ 電源部
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子（スイッチング手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力制御方法、電力制御装置、および画像形成装置に関する。本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ装置、およびこれらの複合機などの電子写真方式の画像形成装置などの電力制御に利用される。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式を用いた画像形成装置は、通常、用紙上に形成されたトナー像を熱で溶融して定着させるためにヒーターを備える。近年においては、画像形成装置におけるショートウォームアップの要望にこたえるためヒーターが大電力化する傾向にある。ヒーターが大電力化すると、通電開始時の突入電流が大きくなり、これにより電源電圧が低下して同じ電源系統内の蛍光灯にちらつきが生じるなどの悪影響が発生する。
【０００３】
ところで、従来において、温度調整のために、ヒーターに供給する電力を交流電源の半サイクル単位で間引き制御することが行われている。このような制御において、蛍光灯のちらつきを抑えるために、２本のヒーターに対して間引き制御を行い、かつ交流電圧の欠落が生じないようにヒーターを互い違いにオンすることが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
また、複数のヒーターに対し、大電力のヒーターにはＰＷＭ制御を行い、小電力のヒーターには位相制御を行うことが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
また、複数のヒーターに対して独立して間引き制御を行い、同時にオンとなる場合にはそれを半サイクル分ずらしてオンすることが提案されている（特許文献３）。
【０００６】
また、突入電流の影響を抑制するために、ヒーターへの通電開始時にスルーアップ制御が行われる。スルーアップ制御では、交流の各サイクルにおいてゼロ点から徐々にオンする区間の間隔を広げる位相制御を行い、最終的に全点灯状態へ遷移する。これによって、突入電流を抑えながら徐々にヒーターを暖めることができる。
【０００７】
図８には、従来のスルーアップ制御におけるタイミングチャートが示されている。
【０００８】
図８において、交流電源の電圧（交流電圧）について、ゼロクロスポイントを検出し、半サイクル（半波）ごとに位相制御を行う。つまり、スイッチング素子を、各半サイクルの適当な位相角でオンし、位相角πでオフする。半サイクルごとにオンの時間を増加させる。スイッチング素子として、非ゼロクロスタイプのフォトトライアックカプラとトライアックが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−４８０９０号公報
【特許文献２】特開２００２−６３９８１号公報
【特許文献３】特開平１１−３３９９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示された従来技術による場合は、半サイクル単位でヒーターのオンオフを制御するので、きめ細かな制御を行うことが難しく、ショートウォームアップと蛍光灯のちらつき抑制の両方を十分に満足させることが困難である。また２本１組みのヒーターを制御対象とするため、設計上の制約が生じる。
【００１１】
特許文献２に示された従来技術は、ヒーターの電力に応じてドライバを最適化して少サイズ化を狙うものであるが、ＰＷＭ制御のための回路が複雑化するという問題がある。
【００１２】
特許文献３に示された従来技術による場合は、特許文献１の場合と同様に、半サイクル単位での制御であるのできめ細かな制御を行うことが難しい。また、設計上の制約がある。
【００１３】
また、図８に示すスルーアップ制御では、半サイクル内において位相制御を行うので、きめ細かな制御を行うことができ、ショートウォームアップと蛍光灯のちらつき抑制の両方をある程度満足させることができる。しかし、上に述べたように、ヒーターが大電力化することによってこれが十分とは言えなくなってきている。
【００１４】
例えば、ヒーターとして１２００ワット程度の大電力のハロゲンヒータを想定した場合に、突入電流を抑えながらスルーアップ制御を行うとすると、半サイクルを１波と数えてスルーアップ制御のために７０波を要することとなる。スルーアップ制御に要する波数は、商用電源ラインにおけるインピーダンス、突入電流による電圧降下分、およびその繰り返し頻度などによって経験的に算出される。
【００１５】
スルーアップ制御の間は、ヒーターを全点灯するのではないため、ヒーターの立ち上がりが遅くなってしまう。例えば、交流電源が５０Ｈｚの場合は、半波７０波のために約０．７秒の立ち上がり時間を要する。したがって、その分だけウォームアップ時間が長くなってしまう。
【００１６】
このように、従来において、ショートウォームアップの要望と突入電流の低減による蛍光灯のちらつき抑制の両方を満足させることはできなかった。
【００１７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給する際のスルーアップ制御に要する時間の短縮および突入電流の抑制を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る電力制御方法は、交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給するための電力制御方法であって、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させる。
【００１９】
本発明に係る電力制御装置は、交流電源からの交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、前記交流電源と前記負荷との間に設けられたスイッチング手段と、前記スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させるように、前記スイッチング手段を制御する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給する際のスルーアップ制御に要する時間の短縮および突入電流の抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る画像形成装置の概略の構成を示す図である。
【図２】画像形成装置の定着部の構成の例を示す図である。
【図３】画像形成装置の電力制御に関係する部分の説明のためのブロック図である。
【図４】電力制御装置の構成の例を説明するためのブロック図である。
【図５】スルーアップ制御におけるタイミングチャートの例を示す図である。
【図６】スルーアップ制御用データの例を示す図である。
【図７】トライアックを用いた場合の電力制御装置の構成の例を示す図である。
【図８】従来のスルーアップ制御におけるタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態に係る電力制御方法を用いた画像形成装置１について説明する。
【００２３】
図１には、一実施形態に係る画像形成装置１の構成の例が示されている。
【００２４】
図１において、画像形成装置１は、タンデム型のプリントエンジンを内蔵した電子写真方式のフルカラー画像形成装置である。画像形成装置１は、一般に複合機またはＭＦＰ（Multi Function Peripherals）と呼ばれる装置であって、コピー、ネットワークプリンティング（ＰＣプリント）、ファックス、およびスキャナなどの機能を集約した装置である 画像形成装置１は、原稿読取り部ＧＡ、画像形成部（プリントエンジン）ＧＢ、給紙部ＧＣ、操作部ＧＤ、および電源部ＧＥなどからなる。
【００２５】
原稿読取り部ＧＡは、原稿読取り装置１２および自動原稿送り装置１２ｂなどを備える。
【００２６】
画像形成部（プリントエンジン）ＧＢは、画像形成光学系１３、画像形成プロセス系１４、定着装置１５、および画像処理部１６などを備える。
【００２７】
給紙部ＧＣは、第１給紙カセット１７ａおよび第２給紙カセット１７ｂなどを備える。操作部ＧＤは、操作パネル１８などを備える。電源部ＧＥは、直流電源回路１９ａおよび電力制御装置１９ｂなどを備える。
【００２８】
画像読取り装置１２は、自動原稿送り装置１２ｂで搬送された原稿、または原稿台ガラス上に直接に載置された原稿の画像を、光学的に読み取ってＲＧＢの三原色の電気信号に変換する。変換された電気信号（画像データ）は、画像処理部１６に転送されて種々のデータ処理が施されるとともに、ＹＭＣＫ（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）の各再現色に変換される。
【００２９】
操作パネル１８は、例えばタッチパネルを有する液晶表示画面を備えている。操作者（ユーザー）は、操作パネル１８を用いて画像形成装置１を操作する。
【００３０】
画像形成プロセス系１４は、図示しないＹＭＣＫの各色のイメージングユニットを備え、画像形成光学系１３からのレーザ光に基づいて各色のトナー画像を形成する。各イメージングユニットは、感光体ドラム、現像ユニット、帯電装置、および残留トナーや残留電荷のクリーニング装置などを含んで構成される。イメージングユニットで形成されたトナー画像は、図示しない中間転写ベルトに一次転写され、さらに用紙に二次転写される。二次転写によって表面にトナー画像が形成された用紙は、定着装置１５によって定着され、排紙トレー１５ｂ上に排出される。
【００３１】
第１給紙カセット１７ａおよび第２給紙カセット１７ｂには、それぞれ異なるサイズの用紙が収納されている。使用される用紙のサイズに応じて、いずれかの給紙カセット１７ａ、１７ｂから用紙が一枚ずつ送り出され、用紙搬送路ＰＡに沿って搬送される。なお、給紙カセット１７ａ、１７ｂからの用紙の取り出しおよび用紙の搬送は図示しない各種のローラーによって行われる。
【００３２】
図２には定着装置１５の構成の例が示されている。
【００３３】
図２において、定着装置１５は、内部にヒーター４２を有する加熱ローラー４１、加圧ローラー４３、クリーニングローラー４４、搬送ローラー４７、分離爪４５，４６、温度センサー４８、およびこれらの部材を収納するケース４９を備える。
【００３４】
ヒーター４２は、例えばハロゲンヒーターであって、加熱ローラー４１の内部に装着され、電源部ＧＥから電力を供給されることで発熱する。ヒーター４２が発熱することにより加熱ローラー４１が加熱される。
【００３５】
加圧ローラー４３は、加熱ローラー４１に対向して配置され、これらにより用紙ＰＰが挟まれて熱圧着され、かつ用紙搬送路ＰＡに沿って前方へ送られる。分離爪４５、４６は、先端部が加熱ローラー４１または加圧ローラー４３の表面に接するように配置され、用紙がこれらのローラーに巻き付くことを防止する。
【００３６】
温度センサー４８は、加熱ローラー４１および加圧ローラー４３の表面の温度を検出するためのものである。温度センサー４８の出力する温度検知信号Ｓｔは、電力制御装置１９ｂに送られる。電力制御装置１９ｂは、温度検知信号Ｓｔをフィードバック信号として用い、後述するようにヒーター４２に供給する電力を制御し、これによって加熱ローラー４１および加圧ローラー４３の表面の温度を制御する。温度センサー４８として、例えば、熱電対、サーミスタ、またはその他の半導体センサーなどが用いられる。
【００３７】
次に、電源部ＧＥについて説明する。
【００３８】
図３には、画像形成装置１の電力制御に関する説明のためのブロック図が、図４には電力制御装置１９ｂの構成の例を説明するためのブロック図が、それぞれ示されている。
【００３９】
図３において、電源部ＧＥには、上に述べたように、直流電源回路１９ａおよび電力制御装置１９ｂが設けられ、これらにより、商用の交流電源ＰＳからの交流電力を元にして画像形成装置１の全体に直流および交流の電力を供給する。
【００４０】
直流電源回路１９ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器（整流回路）、およびＤＣ／ＤＣ変換器などを備え、交流電源ＰＳの交流電力を直流電力に変換する。直流電源回路１９ａとして、コンデンサインプット形の整流回路やスイッチング回路を備えたレギュレータ、その他の種々の方式のものを用いることができる。直流電源回路１９ａからの直流電力は、直流負荷である二次側負荷ＦＫ２に供給される。
【００４１】
二次側負荷ＦＫ２は、例えば、各部に設けられたローラーやファンなどを駆動するためのモーター、ソレノイド、表示装置など、また、画像形成プロセスのための回路、制御回路、その他の電子回路などである。直流電源回路１９ａは、二次側負荷３７の種類に応じて、種々の電圧の直流電力を供給する。
【００４２】
電力制御装置１９ｂは、スイッチング部３１、ゼロクロス検出回路３２、および制御回路３３などを備える。
【００４３】
電力制御装置１９ｂによって、交流電源ＰＳを元にして、交流負荷ＦＫ１に交流電力が供給される。なお、図３においては、交流負荷ＦＫ１として定着装置１５のみが示されているが、図示されていない定着装置１５以外の種々の交流負荷ＦＫ１に交流電力が供給される。
【００４４】
ここでは、電力制御装置１９ｂによって定着装置１５のヒーター４２に供給する交流電力を制御する方法について主に説明する。なお、電力制御装置１９ｂの動作に必要な直流電源は、例えば直流電源回路１９ａから供給される。
【００４５】
スイッチング部３１は、交流電源ＰＳと交流負荷ＦＫ１であるヒーター４２との間に設けられる。スイッチング部３１には、非ゼロクロスタイプのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ）などのスイッチング素子が用いられる。
【００４６】
ＩＧＢＴは、ゼロクロスポイントとは無関係にターンオフを行うことができ、換言すれば自己消弧能力があるので、交流電力の電圧の半サイクル内の任意の位相角でオンオフをコントロールすることができる。
【００４７】
ゼロクロス検出回路３２は、交流電源ＰＳから供給される交流電圧のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス検出信号Ｓｚとして制御回路３３に送る。制御回路３３は、ゼロクロス検出信号Ｓｚに基づいて、スイッチング部３１のオンまたはオフのタイミングを決定し、決定した所定のタイミングでオンオフ動作を行わせるための制御信号Ｓｃをスイッチング部３１に出力する。
【００４８】
図４において、制御回路３３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）３３ａ、ゲート制御回路３３ｂ、および、ＲＡＭまたはＲＯＭなどのメモリ３３ｃなどを備える。ＣＰＵ３３ａおよびメモリ３３ｃには、制御を行うための適当な種々のプログラム（コンピュータプログラム）が格納されている。ＣＰＵ３３ａがプログラムを実行することにより、制御回路３３における機能の一部または全部が実現される。
【００４９】
なお、ＣＰＵ３３ａは複数個であってもよい。ＣＰＵ３３ａに代えてまたはこれとともに、ＤＳＰ（Digital Signal Processor )を用いてもよい。また、制御回路３３は、これらの素子の他、インターフェース回路素子、入出力回路素子、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子、演算素子、論理回路素子、その他の周辺回路素子、ディスクリートな電子回路素子など、種々のハードウエア回路のための素子を備えることもある。
【００５０】
ＣＰＵ３３ａは、ゼロクロス検出回路３２からのゼロクロス検出信号Ｓｚ、およびメモリ３３ｃに記憶されたスルーアップ制御用データＴＤなどに基づいて、スイッチング部３１のオンオフ動作のタイミングを決定し、ゲート制御回路３３ｂに指令信号Ｓｓを出力する。
【００５１】
ゲート制御回路３３ｂは、ＣＰＵ３３ａからの指令信号Ｓｓに基づいて、スイッチング部３１のオンオフ動作を制御するための制御信号Ｓｃ（Ｓｃ１，Ｓｃ２）を生成し、スイッチング部３１に出力する。つまり、スイッチング部３１の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートに対し、オン動作に対応する期間において所定の電圧値を有する制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２を出力する。
【００５２】
メモリ３３ｃは、種々のプログラムおよびデータを格納する。本実施形態においては、特に、スルーアップ制御に関するスルーアップ制御用データＴＤを記憶する。
【００５３】
スイッチング部３１は、ＩＧＢＴである２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備える。２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２による向き合い回路となっており、これにより交流電圧のプラス側とマイナス側の両方向の制御が行われる。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はフリーホイールダイオードを内蔵している。ゲート制御回路３３ｂからの制御信号Ｓｃによって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の各ゲートが制御され、そのオンオフ動作が制御される。
【００５４】
制御回路３３は、ヒーター４２への電力供給の開始時（立ち上がり時）において、突入電流の影響を抑制するためにスルーアップ制御を行う。スルーアップ制御では、ヒーター４２への供給電力を時間の経過とともに徐々に増加させる。つまり、ヒーター４２への電力供給を開始する以前は、ヒーター４２の温度は低く抵抗値も低いので、電力の供給の開始時に流れる電流を制限するために、位相制御を行って供給する電圧を低くする。ヒーター４２の温度が高くなって抵抗値が高くなるにしたがって、供給する電圧を増大させていき、最後には位相制御された所定の電圧、または交流電源ＰＳの全電圧が印加されるようにする。
【００５５】
本実施形態において、スルーアップ制御においては、交流電力の各半サイクルにおいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフによって電圧をヒーター４２に２回印加し、１回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了する。そして、交流電力の半サイクルごとに、電圧の印加時間つまりオン時間を順次増加させるように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。
【００５６】
このように、スルーアップ制御時に、半サイクル内において、交流電圧を２回に渡って印加する。印加する２回の電圧は、互いに同じ電圧値とする。つまり、同一の半サイクル内における１回目と２回目の印加時間が互いに等しくなるように制御する。これによって、印加する電圧の電圧値を大きくすることなく、各半サイクルにおけるヒーター４２への供給電力を増大することができる。ヒーター４２に流れる突入電流は、印加される電圧の大きさに比例するので、突入電流を増大させることなく、大きな電力を短時間で供給することができる。
【００５７】
なお、制御回路３３によるスイッチング部３１のスルーアップ制御において、互いに隣接する半サイクル間における印加時間の増加量が一定となるように制御してもよい。また、互いに隣接する半サイクル間においてヒーター４２に供給される電力量の増加量が一定となるように制御してもよい。
【００５８】
また、スルーアップ制御時の交流電力の各半サイクルにおいて、スイッチング素子のオンオフによって電圧をヒーター４２に複数回印加し、交流電力の半サイクルごとに、ヒーター４２に印加する電圧の最大値を順次増加させるように制御してもよい。
【００５９】
制御回路３３は、スルーアップ制御時以外であってもヒーター４２の電力制御を行う。例えば、定常制御においては、温度検知信号Ｓｔに基づいて、ヒーター４２を所定の温度にするための制御信号Ｓｃを生成する。
【００６０】
また、スルーアップ制御とともに、またはスルーアップ制御を行うことなく、ヒーター４２などの交流負荷ＦＫ１への電力供給を終了する際に、スルーダウン制御を行うこともある。スルーダウン制御では、交流負荷ＦＫ１への供給電力を時間の経過とともに徐々に減少させ、最後に零にする。この場合においても、上に述べたスルーアップ制御と同様に、半サイクル内において交流電圧を２回に渡って印加することができる。これによって、各半サイクルにおける交流負荷ＦＫ１への供給電力の制御が行い易くなるので、スルーダウン制御に要する時間を短縮することが可能である。
【００６１】
なお、スイッチング素子として非ゼロクロスタイプのトライアックを用いた場合の電力制御装置１９ｊの構成の例が図７に示されている。
【００６２】
図７において、電力制御装置１９ｊは、トライアック１３１、ゼロクロス検出回路１３２、ＣＰＵ１３３、およびゲート制御回路１３４などを備える。ゲート制御回路１３４からトライアック１３１に点弧のためのトリガ信号が出力されることによって、トライアック１３１はオンし、ゼロクロスポイントにおいてオフする。
【００６３】
次に、電力制御装置１９ｂによるスルーアップ制御についてさらに詳しく説明する。
【００６４】
図５には本実施形態のスルーアップ制御におけるタイミングチャートの例が示されており、図６にはスルーアップ制御用データＴＤ１，２の例が示されている。図５および図６において、交流電源ＰＳの電圧の半サイクルを１波として示している。スルーアップ制御が開始された最初の半サイクルを第１波とし、順次、第２波、第３波…とする。
【００６５】
なお、図５においては、スルーアップ制御の途中経過が部分的に省略され、スルーアップ制御が行われる波数を少なくして示されている。
【００６６】
図５において、交流電源ＰＳの電圧（交流電圧）について、ゼロクロス検出回路３２によってゼロクロスポイントが検出され、ゼロクロス検出信号Ｓｚが出力される。ＣＰＵ３３ａは、ゼロクロス検出信号Ｓｚに基づいて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ動作のタイミングを決定して指令信号Ｓｓを出力する。ゲート制御回路３３ｂは、指令信号Ｓｓに基づいてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２にオンオフ動作を行わせるための制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２を出力する。これによって、交流負荷ＦＫ１であるヒーター４２には、位相制御された交流電圧（ヒーター電圧）Ｖｈが印加される。
【００６７】
スルーアップ制御において、半サイクル内でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を２回オンし、ヒーター４２に２回に渡ってヒーター電圧Ｖｈを印加する。そして、第１波、第２波、第３波…と進むにつれてオン時間Ｔが長くなっていき、これによって、各半サイクル内のヒーター電圧Ｖｈの最大値が、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３…というように増大している。
【００６８】
１つの半サイクル（０〜πラジアン）内において、１回目の電圧の印加は、位相角φ＝０においてオンし、第１オン時間Ｔｆが経過したときの位相角（第１位相角）φｆ（０＜φｆ＜π／２）においてオフする。２回目の電圧の印加は、位相角（第２位相角）φｓ（π／２＜φｓ＜π）においてオンし、第２オン時間Ｔｓが経過したときの位相角πにおいてオフする。
【００６９】
本実施形態では、第１オン時間Ｔｆと第２オン時間Ｔｓとは互いに同じである。
【００７０】
Ｔｆ＝Ｔｓ
したがって、第１位相角φｆと第２位相角φｓとは、次の関係がある。
【００７１】
φｓ＝π−φｆ
そうすると、ヒーター４２に印加される１回目のヒーター電圧Ｖｈの最大値と１回目のヒーター電圧Ｖｈの最大値とは同じとなる。また、ヒーター４２に流れる電流（ヒーター電流）Ｉｈについては、１回目の最大値と２回目の最大値とはほぼ同じとなるが、２回目では１回目と比べてヒーター４２の抵抗値が少し高くなるので、２回目の方が１回目よりもヒーター電流Ｉｈは若干少なくなる。したがって、ヒーター４２に供給される電力量は、１回目と２回目とでほぼ同じであるか、または２回目の方が１回目よりも若干少なくなる。
【００７２】
このように、各半サイクル内において、電圧を２回に分けて印加することにより、半サイクル内においてヒーター４２に流れるヒーター電流Ｉｈの最大値つまり突入電流を増大させることなく、大きな電力を供給することができる。したがって、突入電流を抑制した状態で、ヒーター４２を早く暖めることができ、スルーアップ制御に要する時間、つまりはウォームアップに要する時間を短縮することができる。蛍光灯のちらつきを抑制し、ウォームアップ時間を短縮することができるので、画像形成装置１のユーザの利便性を向上することができる。
【００７３】
例えば、半サイクル内で２回の電圧の印加を行うことができるので、スルーアップ制御に要する波数を、図８に示す１回の場合と比べるとその半分程度に低減して高速に行うことができる。つまり、図８に示す場合に７０波を要し約０．７秒の立ち上がり時間を要するとした場合に、本実施形態では、スルーアップ制御を例えば３５波で行うことができ、これに要する時間を約０．３５秒程度に短縮することが可能である。
【００７４】
また、各半サイクル内における１回目と２回目のオン時間を同じにすることにより、ヒーター電流Ｉｈがほぼ均等に分散され、これによる交流電源ＰＳの電圧の降下分が低減される。したがって、突入電流の影響、つまり、例えば蛍光灯のちらつきをより一層効果的に抑制することができる。
【００７５】
また、交流負荷ＦＫ１であるヒーター４２を単体で制御することができるので、従来のように２本１組みとして制御しなければならないような設計上の制約もない。
【００７６】
なお、上に述べたスルーアップ制御のために、図６（Ａ）（Ｂ）に示すスルーアップ制御用データＴＤ１，２を用いることができる。
【００７７】
図６（Ａ）に示すスルーアップ制御用データＴＤ１は、第ｎ波（ｎ＝１，２，３…）について、第１オン時間Ｔｆおよび第２オン時間Ｔｓを、例えばテーブル形式で示したものである。第１オン時間Ｔｆおよび第２オン時間Ｔｓは、それぞれ具体的な数値によって記録されている。
【００７８】
スルーアップ制御用データＴＤ１は、交流電源ＰＳの周波数に対応して、例えば５０Ｈｚ用、６０Ｈｚ用などとして作成しておけばよい。
【００７９】
例えば、交流電源ＰＳの周波数が５０Ｈｚで、３５波でスルーアップ制御を完了するとし、第１オン時間Ｔｆと第２オン時間Ｔｓとが同じでありかつ半サイクル進むごとの増加分が同じであるとすると、Ｔｆ１、２、３、４…およびＴｓ１、２、３、４…は、０．１４、０．２９、０．４３、０．５７〔ｍｓ〕となる。
【００８０】
スルーアップ制御用データＴＤ１は、上に述べたようにメモリ３３ｃに格納され、ＣＰＵ３３ａにより読み出される。
【００８１】
なお、第１オン時間Ｔｆと第２オン時間Ｔｓとが同じである場合には、いずれか一方を省略することができる。
【００８２】
また、図６（Ｂ）に示すスルーアップ制御用データＴＤ２は、第ｎ波（ｎ＝１，２，３…）について、第１位相角φｆおよび第２位相角φｓを示したものである。第１位相角φｆおよび第２位相角φｓは、それぞれ具体的な数値によって記録される。スルーアップ制御用データＴＤ２は、交流電源ＰＳの周波数に依存しないので、１つのスルーアップ制御用データＴＤ２によって種々の異なる周波数に対応することができる。
【００８３】
スルーアップ制御用データＴＤ２は、例えばメモリ３３ｃに格納され、ＣＰＵ３３ａにより読み出される。読み出された第１位相角φｆ、第２位相角φｓに対し、必要に応じて演算を行い、ゲート制御回路３３ｂに指令信号Ｓｓを出力する。
【００８４】
なお、第１位相角φｆと第２位相角φｓとが、φｓ＝π−φｆの関係にある場合には、いずれか一方を省略し、他方を演算によって算出することができる。
【００８５】
また、スルーアップ制御用データＴＤに代えて、またはこれとともに、演算式をメモリ３３ｃに記憶しておき、演算によって指令信号Ｓｓを出力するようにしてもよい。
【００８６】
上に述べた実施形態においては、同一の半サイクル内における１回目と２回目の印加時間（Ｔｆ、Ｔｓ）を互いに等しくした。しかし、これに限ることなく、１回目と２回目の印加時間を互いに異ならせてもよい。例えば、２回目の印加時間を１回目よりも長くする。また、次の半サイクルの１回目の印加時間を、前の半サイクルの２回目の印加時間よりも長くする。つまり、時間が進むにしたがって印加時間が長くなるようにする。または、半サイクルの２回目の電圧の印加と次の半サイクルの１回目の電圧の印加とが続くので、２回目の電圧の印加時間を１回目よりも短くしてもよい。
【００８７】
また、上に述べた実施形態においては、互いに隣接する半サイクル間における印加時間の増加量を一定とした。しかし、これに限ることなく、互いに隣接する半サイクル間における印加時間の増加量を異ならせてもよい。
【００８８】
また、互いに隣接する半サイクル間において負荷に供給される電力量の増加量を一定とするように制御してもよい。そのためには、例えば、ヒーター電圧Ｖｈを印加することによるヒーター電流Ｉｈの変化、またはヒーター電流Ｉｈを流すことによるヒーター４２の抵抗値変化などを、実験またはコンピュータによるシミュレーションなどによって求めておき、これらから、負荷に供給される電力量の増加量が一定となるように、第１オン時間Ｔｆ、第２オン時間Ｔｓ、第１位相角φｆ、または第２位相角φｓを求めればよい。
【００８９】
上に述べた実施形態においては、半サイクル内において２回に渡って交流負荷ＦＫ１に電圧を印加した。しかし、これに限らず、半サイクル内において３回以上の複数回に渡って交流負荷ＦＫ１に電圧を印加してもよい。また、半サイクル内における交流負荷ＦＫ１への電圧の印加を、任意のタイミングまたは位相角において行ってよい。ＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴなどを用いることにより、任意のタイミングでオンオフを行うことができる。そして、例えば、交流負荷ＦＫ１に印加する電圧の最大値を順次増加させるようにすればよい。
【００９０】
上に述べた実施形態においては、ヒーター４２としてハロゲンヒーターを用いた例を示した。しかしこれ以外に、カーボンヒーター、電熱線、セラミックヒーターまたは誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating ）コイルなどを用いてもよい。また、交流負荷ＦＫ１として、ヒーター４２以外の種々の負荷を用いることができ、本実施形態のスルーアップ制御または電力制御をそれら種々の交流負荷ＦＫ１に対して適用することができる。
【００９１】
その他、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、スイッチング部３１、制御回路３３、電力制御装置１９ｂ、定着装置１５、電源部ＧＥ、または画像形成装置１の全体または各部の構成、構造、形状、寸法、回路、個数、材質、種類、処理の内容または順序またはタイミングなどは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１ 画像形成装置
１９ｂ 電力制御装置
３１ スイッチング部（スイッチング手段）
３２ ゼロクロス検出回路
３３ 制御回路（制御手段）
３３ａ ＣＰＵ
３３ｂ ゲート制御回路（制御手段）
４２ ヒーター（負荷）
ＰＳ 交流電源
ＦＫ１ 交流負荷（負荷）
ＧＥ 電源部
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子（スイッチング手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給するための電力制御方法であって、
前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、
１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、
２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、
前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させる、
ことを特徴とする電力制御方法。
【請求項２】
同一の前記半サイクル内における前記１回目と前記２回目の前記印加時間を互いに等しくする、
請求項１記載の電力制御方法。
【請求項３】
互いに隣接する前記半サイクル間における前記印加時間の増加量を一定とする、
請求項２記載の電力制御方法。
【請求項４】
互いに隣接する前記半サイクル間において前記負荷に供給される電力量の増加量を一定とする、
請求項２記載の電力制御方法。
【請求項５】
交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給するための電力制御方法であって、
前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に複数回印加し、
前記交流電力の半サイクルごとに、前記負荷に印加する電圧の最大値を順次増加させる、
ことを特徴とする電力制御方法。
【請求項６】
交流電源からの交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、
前記交流電源と前記負荷との間に設けられたスイッチング手段と、
前記スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させるように、前記スイッチング手段を制御する、
ことを特徴とする電力制御装置。
【請求項７】
同一の前記半サイクル内における前記１回目と前記２回目の前記印加時間が互いに等しい、
請求項６記載の電力制御装置。
【請求項８】
交流電源から交流電力が供給される負荷を備えた画像形成装置であって、
前記交流電源と前記負荷との間に設けられたスイッチング手段と、
前記スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させるように、前記スイッチング手段を制御する、
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
前記負荷は、定着装置に設けられたヒーターである、
請求項８記載の画像形成装置。
【請求項１】
交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給するための電力制御方法であって、
前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、
１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、
２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、
前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させる、
ことを特徴とする電力制御方法。
【請求項２】
同一の前記半サイクル内における前記１回目と前記２回目の前記印加時間を互いに等しくする、
請求項１記載の電力制御方法。
【請求項３】
互いに隣接する前記半サイクル間における前記印加時間の増加量を一定とする、
請求項２記載の電力制御方法。
【請求項４】
互いに隣接する前記半サイクル間において前記負荷に供給される電力量の増加量を一定とする、
請求項２記載の電力制御方法。
【請求項５】
交流電力をスイッチング手段を介して負荷に供給するための電力制御方法であって、
前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に複数回印加し、
前記交流電力の半サイクルごとに、前記負荷に印加する電圧の最大値を順次増加させる、
ことを特徴とする電力制御方法。
【請求項６】
交流電源からの交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、
前記交流電源と前記負荷との間に設けられたスイッチング手段と、
前記スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させるように、前記スイッチング手段を制御する、
ことを特徴とする電力制御装置。
【請求項７】
同一の前記半サイクル内における前記１回目と前記２回目の前記印加時間が互いに等しい、
請求項６記載の電力制御装置。
【請求項８】
交流電源から交流電力が供給される負荷を備えた画像形成装置であって、
前記交流電源と前記負荷との間に設けられたスイッチング手段と、
前記スイッチング手段のオンオフ動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記交流電力の各半サイクルにおいて、前記スイッチング手段のオンオフによって電圧を前記負荷に２回印加し、１回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角０において開始し、２回目の前記電圧の印加を当該半サイクルの位相角πにおいて終了し、前記交流電力の半サイクルごとに、前記電圧の印加時間を順次増加させるように、前記スイッチング手段を制御する、
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
前記負荷は、定着装置に設けられたヒーターである、
請求項８記載の画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６１９００（Ｐ２０１３−６１９００Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０１４０２（Ｐ２０１１−２０１４０２）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（３０３０００３７２）コニカミノルタビジネステクノロジーズ株式会社 (12,802)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（３０３０００３７２）コニカミノルタビジネステクノロジーズ株式会社 (12,802)
【Ｆターム（参考）】
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