DE69818335T2

DE69818335T2 - Regelvorrichtung für Heizelement

Info

Publication number: DE69818335T2
Application number: DE69818335T
Authority: DE
Inventors: Ryuta Ohta-ku Mine
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2018-04-29
Also published as: DE69818335D1; JPH1116661A; EP0875804B1; US6157010A; JP3847951B2; EP0875804A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für Heizelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der sich auf einen aus der EP-A-0 420 523 bekannten Regelkreis bezieht.
Bei einem Bilderzeugungsgerät, wie einem Kopiergerät und einem Drucker, bei denen ein elektrofotografisches Aufzeichnungsverfahren Anwendung findet, wird ein auf einer fotoleitfähigen Trommel (einem drehbaren fotoleitenden Körper) ausgebildetes elektrostatisches Ladungsbild in ein (nachstehend als Tonerbild bezeichnetes) sichtbares Bild umgewandelt, indem ein (nachstehend als Toner bezeichnetes) Entwicklungsmittel mit Hilfe einer Entwicklungseinheit aufgebracht wird. Das Tonerbild wird sodann mit Hilfe einer Übertragungseinheit auf ein Blatt Aufzeichnungspapier übertragen, woraufhin das Tonerbild mittels einer Fixiereinheit auf dem Blatt Aufzeichnungspapier fixiert und auf diese Weise auf dem Aufzeichnungspapier ein dauerhaftes Bild ausgebildet wird.
Bei der Fixiereinheit findet üblicherweise ein thermisches Schmelzfixierverfahren Verwendung, bei dem der Toner durch Wärmeenergie zum Schmelzen gebracht wird, die von einer von einem Heizelement als Wärmequelle erwärmten Fixierwalze übertragen wird, sodass der Toner unter dem Druck der Fixierwalze in die Fasern des Aufzeichnungspapiers eingeschmolzen wird.
15 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines bekannten Bilderzeugungsgerätes, durch den die Steuerung der Energiezufuhr bzw. Stromversorgung eines Fixier-Heizelements stattfindet, das als Wärmequelle für eine mit thermischem Schmelzfixieren arbeitende Fixiereinheit dient.
Wie 15 zu entnehmen ist, wird eine Wechselstromleistung über mit einer Wechselstrom-Netzleitung verbundene Eingangsanschlüsse 1 und 2 zugeführt. Mit den Eingangsanschlüssen 1 und 2 ist eine Reihenschaltung aus einem Fixier-Heizelement 3 und einem Schaltelement 4 verbunden, denen die Wechselstromleistung zugeführt wird. Das Fixier-Heizelement 3 ist in einer nicht dargestellten Fixierwalze angeordnet und verläuft in der Axialrichtung der Fixierwalze: Üblicherweise findet als Heizelement eine Halogenlampe mit einer Nennleistung von einigen 100 W bis 1 kW und einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten Verwendung. Für das Schaltelement 4 kann ein Festkörperrelais (SSR) oder eine aus einem Fototriac und einem Triac bestehende isolierte Schalteranordnung Verwendung finden.
Eine dieser Reihenschaltung parallel geschaltete Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 ermittelt die Nulldurchgänge des der Reihenschaltung zwischen den Eingangsanschlüssen 1 und 2 zugeführten Netzstroms. Ein Temperatursensor 5 ist dicht an der Oberfläche der Fixierwalze angeordnet und besteht üblicherweise aus einem Thermistor, der eine Impedanz mit einem bekannten Temperaturkoeffizienten aufweist. Auf diese Weise kann die Temperatur der Oberfläche der Fixierwalze ständig überwacht werden, wobei ein Temperatur-Messsignal einer Temperatur-Einstellschaltung 7 zugeführt wird.
Die Temperatur-Einstellschaltung 7 steuert das Umschalten des Schaltelements 4 in Abhängigkeit von dem Temperatur- Messsignal, wodurch die Einschalt/Abschaltzeiten des Fixier-Heizelements 3 gesteuert werden. Hierbei führt die Temperatur-Einstellschaltung 7 Heizelement-Einschalt/Abschaltsignale für die Temperaturregelung einem Steuerimpulsgenerator 12 zu, um die Temperatur oder Oberfläche der Fixierwalze innerhalb eines vorgegebenen Temperaturregelbereichs zu halten, d. h., die Temperatur-Einstellschaltung 7 gibt ein Abschaltsignal ab, wenn die Oberflächentemperatur der Fixierwalze den oberen Grenzwert des vorgegebenen Temperaturregelbereichs erreicht, und gibt ein Einschaltsignal ab, wenn die Oberflächentemperatur der Fixierwalze auf den unteren Grenzwert des vorgegebenen Temperaturregelbereichs abgefallen ist.
Der mit den Heizelement-Einschalt/Abschaltsignalen und dem Ausgangssignal der Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 beaufschlagte Steuerimpulsgenerator 12 führt dem Schaltelement 4 einen Ansteuerimpuls zur Einregelung der Oberflächentemperatur der Fixierwalze auf den vorgegebenen Temperaturregelbereich zu.
Nachstehend wird näher auf die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß 15 eingegangen.
Wenn die Zuführung des Netzstroms bzw. der Netzleistung über die Eingangsanschlüsse 1 und 2 erfolgt, findet mit Hilfe einer nicht dargestellten Stromversorgungsschaltung eine Gleichrichtung in einen Gleichstrom zur Ansteuerung der vorstehend beschriebenen Bauelemente 4, 6, 7 und 12 statt. Der Temperatursensor 5 erfasst die Oberflächentemperatur der Fixierwalze und führt das Temperatur-Messsignal der Temperatur-Einstellschaltung 7 zu. Die Temperatur-Einstellschaltung 7 führt dem Steuerimpulsgenerator 12 das Einschaltsignal zu, wenn die ermittelte Oberflächentemperatur der Fixierwalze unter den unteren Grenzwert des vorgegebenen Temperaturregelbereiches abfällt, und führt dem Steuerimpulsgenerator 12 das Abschaltsignal zu, wenn beim allmählichen Anstieg der Oberflächentemperatur der Fixierwalze der obere Grenzwert des vorgegebenen Temperaturregelbereiches erreicht wird.
Die Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 überwacht kontinuierlich den Netzstrom bzw. die Netzleistung zur Erfassung der Nulldurchgänge und führt dem Steuerimpulsgenerator 12 ein entsprechendes Nulldurchgangssignal zu.
In Abhängigkeit von dem von der Temperatur-Einstellschaltung 7 zugeführten Einschaltsignal und Abschaltsignal erzeugt der Steuerimpulsgenerator 12 synchron mit dem von der Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 zugeführten Nulldurchgangssignal den Ansteuerimpuls für das Schaltelement 4, wodurch ein Durchschalten und Sperren (Einschalten und Abschalten) des Schaltelements 4 bewirkt und das Schaltelement 4 auf diese Weise gesteuert wird. Durch die Schaltvorgänge des Schaltelements 4 werden intermittierende Einschaltzeiten des Fixier-Heizelements 3 gesteuert.
Der von der Netzstromleitung zu dem Fixier-Heizelement 3 fließende Strom wird derart gesteuert, dass er stets synchron mit einem Nulldurchgang des Netzstroms zu fließen beginnt. Die Fixierwalze wird hierbei derart geregelt, dass ihre Oberflächentemperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturregelbereichs gehalten wird.
In den 16A bis 16C sind Strom- bzw. Signalverläufe dargestellt, die die Beziehung zwischen dem durch das Fixier-Heizelement 3 fließenden Strom und dem Ansteuerimpuls veranschaulichen.
16A zeigt den Verlauf des durch das Fixier-Heizelement 3 fließenden Stroms Lin2, wobei F eine Periode der Wechselstromfrequenz bezeichnet. 16B zeigt den Ansteuerimpuls, bei dessen hohem Pegel (ton) das Schaltelement 4 im Einschaltzustand verbleibt, während es bei einem niedrigen Pegel (toff) abgeschaltet bleibt. 16C zeigt den quadratischen Mittelwert bzw. Effektivwert Lin2rms, in den der Stromverlauf Lin2 bei jeder Halbperiode der Wechselstromfrequenz umgesetzt wird.
Da das Schaltelement während der Zeit toff abgeschaltet bzw. gesperrt bleibt, wird kein Strom zugeführt, sodass das Fixier-Heizelement 3 nicht mit Energie versorgt wird. Das Fixier-Heizelement 3 ist in der Fixierwalze angeordnet. Die Fixierwalze hat somit eine größere thermische Kapazität, während das Fixier-Heizelement 3 eine geringere thermische Kapazität aufweist. Aus diesem Grund fällt die Oberflächentemperatur der Fixierwalze langsam ab, während die Temperatur des Fixier-Heizelements 3 schnell abfällt. Die Temperatur des Fixier-Heizelements 3 fällt während der Zeit toff ab, da während dieser Zeit keine Wärme erzeugt wird und sein Widerstand äußerst gering ist.
Bei abgesunkener Oberflächentemperatur der Fixierwalze geht sodann der Ansteuerimpuls auf einen hohen Pegel über, sodass das Fixier-Heizelement 3 mit dem Netz-Wechselstrom bzw. der Netzleistung beaufschlagt wird, was bedeutet, dass ein äußerst geringer Widerstand mit der Netzleistung beaufschlagt wird. Im Gegensatz zu dem in 16A veranschaulichten stationären Zustand fließt daher bei Beginn der Energiezufuhr ein sehr hoher Spitzenstrom. Wenn der Widerstand während der Zeit ton mit steigender Temperatur des Fixier-Heizelements ansteigt, stabilisiert sich der Strom und geht in den in 16A dargestellten stationären Zustand über.
Der sich aus dem Stromverlauf Lin2 ergebende quadratische Mittelwert bzw. Effektivwert Lin2rms ändert sich hierbei in der in 16C dargestellten Weise. Anders als der im stationären Zustand erhaltene quadratische Mittelwert ST hängt der dem Spitzenstrom entsprechende quadratische Mittelwert RS₃ in erheblichem Maße von dem Temperaturregelbereich der Fixierwalze ab (dem Bereich von einem unteren Temperatur-Grenzwert, oberhalb dessen das Fixier-Heizelement 3 mit Strom versorgt wird, bis zu einem oberen Temperatur-Grenzwert, oberhalb dessen die Stromversorgung des Fixier-Heizelements 3 unterbrochen wird). Der quadratische Mittelwert hängt hierbei in erheblichem Maße von der Dauer des hohen Pegels und der Dauer des niedrigen Pegels des Ansteuerimpulses ab. Eine kürzere Dauer niedrigen Pegels führt zu einem geringeren Strom-Spitzenwert RS₃, während eine längere Dauer niedrigen Pegels zu einem höheren Strom-Spitzenwert RS₃ führt. Wenn die Dauer des niedrigen Pegels eine vorgegebene Dauer überschreitet, findet ein völliger Abfall des Fixier-Heizelements 3 statt, sodass ein Sättigungswert für den Wert RS₃ erhalten wird. Bei dem in den 16A bis 16C veranschaulichten Beispiel nimmt der beim Übergang des Schaltelements 4 vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand auftretende Spitzenwert RS₃ des durch das Fixier-Heizelement 3 fließenden Spitzenstroms den mehrfachen Betrag des stationären quadratischen Mittelwerts bzw. Effektivwerts ST an.
Bei einem Bilderzeugungsgerät wie einem Drucker oder Kopiergerät mit einer solchen Heizelement-Regelschaltung fließt somit der durch RS₃ gegebene Spitzenstrom zum Einschaltzeitpunkt des Netz-Wechselstroms bzw. der Netzleistung. Wenn die Impedanz der internen Leitungsführung für den Netz-Wechselstrom bzw. die Netzleistung keinen ausreichend niedrigen Wert aufweist, tritt auf Grund der Impedanz in der Stromversorgungsleitung sofort ein erheblicher Spannungsabfall auf. Dies kann einen nachteiligen Einfluss auf andere Geräte haben, die mit der gleichen Netzleistung oder dem Netzkabel verbunden sind. Ein solcher sofortiger Spannungsabfall führt z. B. zu einem kurzzeitigen Flackern der Beleuchtungsstärke von Leuchtkörpern. Zur Verhinderung eines solchen Spannungsabfalls kann die Impedanz der Netzleitung verringert oder die Verwendung einer komplexen und aufwändigen Schaltungsanordnung in Betracht gezogen werden.
Obwohl auch die Verwendung von zwei Heizelementen für die Fixiereinheit in Betracht gezogen werden kann, tritt bei einer solchen Fixiereinheit ebenfalls das vorstehend beschriebene Problem auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Regelvorrichtung für Heizelemente anzugeben, bei der das vorstehend beschriebene Problem nicht auftritt.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Regelvorrichtung für Heizelemente anzugeben, bei der eine Begrenzung des quadratischen Mittelwertes bzw. Effektivwertes des beim Einschalten der Stromversorgung eines Heizelements auftretenden Spitzenstroms durch Verwendung einer einfachen und kostengünstigen Anordnung erzielt wird.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Regelvorrichtung für Heizelemente anzugeben, bei der der Spannungsabfall zum Einschaltzeitpunkt der Stromversorgung verringert ist.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Regelvorrichtung für Heizelemente anzugeben, durch die sich ein Flackern von Beleuchtungskörpern verringern oder verhindern lässt.
Diese Aufgaben werden durch eine Regelvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere Aufgaben und Zielsetzungen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, den zugehörigen Zeichnungen sowie den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes,
2A bis 2G zeitabhängige Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 1,
3A bis 3C Strom- und Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 1,
4 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes,
5A bis 5G zeitabhängige Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 4,
6 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgeräts,
7 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes,
8A bis 8E Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 7,
9A bis 9I zeitabhängige Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 7,
10A bis 10F Strom- und Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 7,
11 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes,
12A bis 12I zeitabhängige Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 11,
13 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes,
14 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines siebten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgeräts,
15 ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines bekannten Bilderzeugungsgerätes, und
16A bis 16C Strom- und Signalverläufe bei der Schaltungsanordnung gemäß 15.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes.
Gemäß 1 wird ein Wechselstrom bzw. eine Wechselstromleistung über mit einer Wechselstrom-Netzleitung verbundene Eingangsanschlüsse 1 und 2 zugeführt. Mit den Eingangsanschlüssen 1 und 2 ist eine Reihenschaltung aus einem Fixier-Heizelement 3 und einem Schaltelement 4 verbunden, denen der Netz-Wechselstrom bzw. die Netzleistung zugeführt wird. Das Fixier-Heizelement 3 ist in einer nicht dargestellten Fixierwalze angeordnet und verläuft in der Axialrichtung der Fixierwalze. Üblicherweise findet als Heizelement eine Halogenlampe mit einer Nennleistung von einigen 100 W bis 1 kW und einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten Verwendung. Bei dem Schaltelement 4 kann ein Festkörperrelais (SSR) oder eine aus einem Fototriac und einem Triac bestehende isolierte Schalteranordnung Verwendung finden. Die Fixierwalze fixiert ein auf einen Aufzeichnungsträger übertragenes Tonerbild auf diesem Aufzeichnungsträger.
Eine der Reihenschaltung parallel geschaltete Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 ermittelt die Nulldurchgänge des der zwischen den Eingangsanschlüssen 1 und 2 liegenden Reihenschaltung zugeführten Netz-Wechselstroms bzw. der entsprechenden Netzleistung. Ein Temperatursensor 5 ist dicht an der Oberfläche der Fixierwalze angeordnet und besteht üblicherweise aus einem Thermistor, dessen Impedanz einen bekannten Temperaturkoeffizienten aufweist. Durch diese Anordnung kann die Temperatur der Oberfläche der Fixierwalze ständig überwacht werden, wobei ein Temperatur-Messsignal einer Temperatur-Einstellschaltung 7 zugeführt wird.
Die Temperatur-Einstellschaltung 7 steuert das Umschalten des Schaltelements 4 in Abhängigkeit von dem Temperatur-Messsignal, wodurch die Einschalt/Abschaltzeiten des Fixier-Heizelements 3 gesteuert werden, d. h., die Temperatur-Einstellschaltung 7 gibt ein Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal für die Temperaturregelung ab, um die Temperatur der Oberfläche der Fixierwalze innerhalb eines vorgegebenen Temperaturregelbereiches zu halten. Hierbei führt die Temperatur-Einstellschaltung 7 einer Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9 und einer Wählschaltung 10, die beide einen Steuerimpulsgenerator 11 bilden, ein Signal zu, das auf einen niedrigen Pegel übergeht, wenn die Oberflächentemperatur der Fixierwalze ansteigt und den oberen Grenzwert eines Temperaturregelbereichs erreicht, und auf einen hohen Pegel übergeht, wenn die Oberflächentemperatur der Fixierwalze abfällt und den unteren Grenzwert des Temperaturregelbereiches erreicht. Der Steuerimpulsgenerator 11 umfasst außerdem eine Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8.
Die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9 verzögert das Ausgangssignal der Temperatur-Einstellschaltung 7 um eine vorgegebene Zeitdauer und führt der Wählschaltung 10 das verzögerte Signal als kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltimpuls zu. In Abhängigkeit vom Anstehen des Ausgangssignals der Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 führt die Phasen- Steuerimpulsgeneratorschaltung 8 der Wählschaltung 10 einen Phasensteuerimpuls zu.
Die Wählschaltung 10 wählt das Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal oder den Phasensteuerimpuls oder den kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltimpuls auf der Basis der Ausgangssignale der Temperatur-Einstellschaltung 7 und der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9 aus und führt das ausgewählte Signal als Ansteuerimpuls dem Schaltelement 4 zu, durch den die Schaltbetätigung des Schaltelements 4 gesteuert wird. In Abhängigkeit von der zeitlichen Umschaltsteuerung des Schaltelements 4 fließt ein Strom intermittierend durch das Fixier-Heizelement 3, wodurch die Oberflächentemperatur der Fixierwalze innerhalb des vorgegebenen Temperaturregelbereichs gehalten wird.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Spannungs- und Signalverläufe gemäß den 2A bis 2G näher auf die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß 1 eingegangen.
2A zeigt eine den Eingangsanschlüssen 1 und 2 zugeführte Netz-Wechselspannung ein, wobei F eine Periode der Netz-Wechselspannung bzw. Netzleistung bezeichnet. 2B zeigt die vom Temperatursensor 5 erfasste Messtemperatur Ts, wobei Ta den von der Temperatur-Einstellschaltung 7 vorgegebenen unteren Grenzwert des Regelbereiches der Oberflächentemperatur der Fixierwalze bezeichnet, während Tb den oberen Grenzwert des Regelbereichs bezeichnet. 2C zeigt den Verlauf des von der Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 gemäß 1 abgegebenen Nulldurchgangssignals an einem Punkt a. 2D zeigt den Verlauf des von der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8 gemäß 1 abgegebenen Phasensteuerimpulses an einem Punkt b. 2E zeigt das von der Temperatur- Einstellschaltung 7 gemäß 1 abgegebene Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal an einem Punkt c. 2F zeigt den Verlauf des von der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9 gemäß 1 abgegebenen kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltimpulses an einem Punkt d. 2G zeigt den Verlauf des von der Wählschaltung 10 gemäß 1 abgegebenen Signals an einem Punkt e.
Die den Eingangsanschlüssen 1 und 2 zugeführte Netz-Wechselspannung wird von einer nicht dargestellten Stromversorgungsschaltung gleichgerichtet und in eine Gleichspannung umgesetzt, die den vorstehend beschriebenen Schaltungen 4, 6, 7, 8, 9 und 10 zugeführt wird. Der Temperatursensor 5 erfasst die Oberflächentemperatur der Fixierwalze und führt der Temperatur-Einstellschaltung 7 das Messtemperatursignal Ts zu. Die Temperatur-Einstellschaltung 7 gibt ihrerseits das Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal (2E) ab, das auf einen hohen Pegel übergeht, wenn die erfasste Oberflächentemperatur der Fixierwalze unter den unteren Grenzwert des vorgegebenen Regelbereichs abfällt, und auf einen niedrigen Pegel übergeht, wenn die erfasste Oberflächentemperatur über den oberen Grenzwert des vorgegebenen Regelbereichs ansteigt.
Die Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 überwacht ständig die an den Eingangsanschlüssen 1 und 2 anstehende Netz-Wechselspannung ein (2A) zur Erfassung der Nulldurchgänge der Netz- oder Versorgungsspannung und führt der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8 das Nulldurchgangssignal (2C) zu. In Abhängigkeit von diesem Nulldurchgangssignal gibt die Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8 den Phasensteuerimpuls ab (2D).
In Abhängigkeit von dem Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal der Temperatur-Einstellschaltung 7 gibt die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9 den kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltimpuls ( 2F) ab, der in Bezug auf die Anstiegszeit t₁ (t₄) des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals nach einer festen Verzögerungszeit (P1 in 2F) zur Zeit t₂ (t₅) auf einen hohen Pegel übergeht. Die Abfallzeit des Nennleistungs-Abfallimpulses und des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals sind mit dem Nulldurchgang zur Zeit t₃ synchronisiert.
Die Wählschaltung 10 erhält jeweils das Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal von der Temperatur-Einstellschaltung 7, den Phasensteuerimpuls von der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8 sowie den kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltimpuls von der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9.
Hierbei geht der Ansteuerimpuls (2G) der Wählschaltung 10 während der Dauer niedrigen Pegels des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals zum Sperren des Schaltelements 4 auf einen niedrigen Pegel über, wodurch das Fixier-Heizelement 3 abgeschaltet wird. Während der Dauer hohen Pegels des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals führt die Wählschaltung 10 den Ansteuerimpuls dem Schaltelement 4 zum Einschalten des Fixier-Heizelements 3 zu.
Der Steuerimpulsgenerator 11 gibt den Phasensteuerimpuls während der festen Zeitdauer P1 von der Zeit t₁ bis zu der Zeit t₂ zum jeweiligen Zeitpunkt des Beginns eines leitenden Zustands ab, wobei das Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal auf hohem Pegel verbleibt, und gibt während der restlichen Dauer (von der Zeit t₂ bis zur Zeit t₃) des hohen Pegels des Heizelement- Einschalt/Abschaltsignals den kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltimpuls ab. Der Phasensteuerimpuls verbleibt in Synchronisation mit dem Nulldurchgangssignal während einer kürzeren Dauer als der Periode F der Netz-Wechselspannung auf hohem Pegel. Während der festen Zeitdauer P1 wird das Schaltelement 4 nur während der Dauer hohen Pegels des Phasensteuerimpulses durchgeschaltet. Während der restlichen Zeitdauer des leitenden Zustands ist das Schaltelement 4 kontinuierlich durchgeschaltet.
Durch die auf diese Weise erfolgende Steuerung des Schaltelements 4 wird das Fixier-Heizelement 3 entsprechend mit Energie versorgt. Wenn die Oberflächentemperatur der Fixierwalze abfällt und den unteren Grenzwert Ta erreicht, wird das Fixier-Heizelement 3 in den leitenden Zustand versetzt bzw. eingeschaltet. Wenn die Oberflächentemperatur der Fixierwalze ansteigt und den oberen Grenzwert Tb erreicht, wird das Fixier-Heizelement 3 abgeschaltet. Auf diese Weise wird die Temperatur der Fixierwalze innerhalb des vorgegebenen Temperaturregelbereichs erhalten. Der Begriff "leitender Zustand" bezieht sich auf den Zustand, in dem die Erwärmung des Fixier-Heizelements 3 erfolgt, wobei die Dauer dieses leitenden Zustands die feste Zeitdauer P1 umfasst.
In den 3A bis 3C ist die Beziehung zwischen dem durch das Fixier-Heizelement 3 fließenden Strom und dem von der Wählschaltung 10 zugeführten Ansteuerimpuls in Form von Strom- bzw. Signalverläufen veranschaulicht.
3A zeigt den Verlauf des durch das Fixier-Heizelement 3 fließenden Stroms Lin1, wobei F eine Periode des Netz-Wechselstroms bezeichnet. 3B zeigt den von der Wählschaltung 10 abgegebenen Ansteuerimpuls, durch das Schaltelement 4 während der Dauer seines hohen Pegels (ton) durchgeschaltet und während der Dauer seines niedrigen Pegels (toff) gesperrt wird. 3C zeigt den quadratischen Mittelwert bzw. Effektivwert Lin1rms, in den der Stromverlauf Lin1 bei jeder Halbperiode des Netz-Wechselstroms umgesetzt wird.
Das Fixier-Heizelement 3 wird während der Zeitdauer toff nicht mit Energie versorgt, da auf Grund des kontinuierlichen Sperrens des Schaltelements 4 keine Stromversorgung erfolgt. Die Fixierwalze, in der das Fixier-Heizelement 3 angeordnet ist, besitzt eine relativ größere thermische Kapazität, während das Fixier-Heizelement 3 eine relativ geringere thermische Kapazität aufweist. Die Oberflächentemperatur der Fixierwalze sinkt daher langsam ab, während die Temperatur des Fixier-Heizelements 3 schnell abfällt. Aus diesem Grund erfolgt während der Zeitdauer toff ein Temperaturabfall des Fixier-Heizelements 3 ohne Wärmeabgabe, was zur Folge hat, dass sein Widerstandswert sehr gering wird.
Bei abgesunkener Oberflächentemperatur der Fixierwalze geht der Ansteuerimpuls (3B) nach der Zeit t₁ auf einen hohen Pegel über, sodass der Wechselstrom Lin1 dem Fixier-Heizelement 3 zugeführt wird und der leitende Zustand des Fixier-Heizelements 3 beginnt. Der Ansteuerimpuls wird zu diesem Zeitpunkt von dem Phasensteuerimpuls gebildet, sodass der Strom durch das Fixier-Heizelement 3 phasengesteuert mit einem festen Leitungs- oder Durchlasswinkel fließt. Auch wenn der Strom Lin1 dem Fixier-Heizelement 3 bei Vorliegen eines äußerst niedrigen Widerstandswertes zugeführt wird, stellt der quadratische Mittelwert RS₁, in den der durch das Fixier-Heizelement 3 fließende Spitzenstrom bei jeder Halbperiode des Netz-Wechselstroms umgesetzt wird, somit nur einen Bruchteil des Spitzenstromwertes RS₃ des Standes der Technik gemäß 16 dar (wobei der Betrag dieses Bruchteils von dem Leitungs- oder Durchlasswinkel der Phasensteuerung abhängt).
Während der festen Zeitdauer T1 dient der Phasensteuerimpuls zur Durchführung einer Phasensteuerung mit einem festen Leitungs- oder Durchlasswinkel. Hierbei steigt die Temperatur des Fixier-Heizelements 3 an, wodurch sich sein Widerstandswert allmählich erhöht. Wenn die feste Zeitdauer P1 zur Zeit t₂ abläuft, wird dem Fixier-Heizelement 3 während der Zeitdauer P2 der Nennleistungs-Einschaltimpuls zugeführt, sodass während der Zeitdauer P2 ein ununterbrochener Einschaltvorgang (zur Erzielung eines kontinuierlichen Leuchtvorgangs der Halogenlampe) vorliegt. Der quadratische Mittelwert RS₂, in den ein zur Zeit t₂ durch das Fixier-Heizelement 3 fließender zweiter Spitzenstrom bei jeder Halbperiode der Netz-Wechselspannung umgesetzt wird, ist hierbei kleiner als der Spitzenstromwert RS₃ des Standes der Technik gemäß 16. Der Unterschied zwischen dem quadratischen Mittelwert RS₂ und dem stationären quadratischen Mittelwert ST (RS₂–ST) ist sogar geringer als (RS₃–ST), wie dies 3C zu entnehmen ist.
Bei jedem Übergang des Fixier-Heizelements 3 vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand, der jeweils entsprechend dem in Abhängigkeit von der erfassten Oberflächentemperatur der Fixierwalze erzeugten Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal erfolgt, wird somit die dem Fixier-Heizelement 3 zugeführte elektrische Energie durch eine mit einem festen Phasenwinkel erfolgende Phasensteuerung begrenzt. Durch diese Maßnahme wird der quadratische Mittelwert des Spitzenstroms bei jeder Halbperiode des Wechselstroms zu Beginn des leitenden Zustands verringert.
Auf diese Weise wird ein momentaner Spannungsabfall der Versorgungsspannung eines eine derartige Heizeinrichtung aufweisenden Bilderzeugungsgerätes wie eines Druckers oder eines Kopiergerätes bzw. ein momentaner Spannungsabfall der Versorgungsspannung durch die Impedanz der inneren Leitungsführung bei der Zuführung des Netz-Wechselstroms zu dem vorstehend beschriebenen Heizelement verhindert. Ferner wird auf diese Weise auch die Störwirkung eines solchen momentanen Spannungsabfalls auf andere Geräte verringert, die im Bereich des vorstehend genannten Gerätes an die gleiche Netzleitung bzw. Stromversorgungsleitung angeschlossen sind. So lässt sich z. B. ein Abfallen der Beleuchtungsstärke und damit ein Flackern oder Flimmern von Leuchtkörpern verringern. Im Vergleich zu einer Phasensteuerung mit allmählich ansteigendem Phasenwinkel ermöglicht die mit einem festen Phasenwinkel erfolgende Phasensteuerung einen einfachen Schaltungsaufbau mit geringen Störsignalanteilen.
Zweites Ausführungsbeispiel
4 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes. In 4 sind mit der Schaltungsanordnung gemäß 1 identische Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Die Schaltungsanordnung gemäß 4 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß 1 dahingehend, dass die Dauer der Phasensteuerung in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor 5 ermittelten Oberflächentemperatur der Fixierwalze verändert wird, d. h., eine Temperatur-Einstellschaltung 7a und eine Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a, die in diesem Falle den Steuerimpulsgenerator 11 bilden, weisen in Bezug auf die entsprechenden Schaltungsanordnungen des ersten Ausführungsbeispiels eine unterschiedliche Funktion auf.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf den in den 5A bis 5G dargestellten zeitlichen Verlauf der Signale der Schaltungsanordnung gemäß 4 auf diesen Unterschied näher eingegangen.
Die von einem Temperatursensor 5a gemessene, in 5B dargestellte Temperatur Ts sowie das in 5F dargestellte Ausgangssignal einer Temperatur-Einstellschaltung 7a an einem Punkt c1 und das in 5G dargestellte Ausgangssignal der Wählschaltung an einem Punkt e unterscheiden sich von den entsprechenden zeitlichen Temperatur- bzw. Signalverläufen gemäß den 2B, 2F und 2G, während die anderen Signalverläufe keine Änderungen zeigen.
Gemäß 5B ermittelt die Temperatur-Einstellschaltung 7a nicht nur den oberen Grenzwert Ta und den unteren Grenzwert Tb des Temperaturregelbereichs der Fixierwalze, sondern auch eine zwischen dem oberen Grenzwert Ta und dem unteren Grenzwert Tb liegende vorgegebene Temperatur Tc.
Der Temperatursensor 5 misst die Oberflächentemperatur der Fixierwalze und führt hierbei das Temperatur-Messsignal Ts der Temperatur-Einstellschaltung 7a zu. Wenn die Temperatur-Einstellschaltung 7a zur Zeit t₆ (t₉) feststellt, dass die Oberflächentemperatur der Fixierwalze auf Ta abgefallen ist, geht das von der Temperatur-Einstellschaltung 7a der Wählschaltung 10 zugeführte Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal auf einen hohen Pegel über (5E).
Wenn das Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal der Temperatur-Einstellschaltung 7a auf hohen Pegel übergeht, führt die Wählschaltung 10 dem Schaltelement 4 als Ansteuerimpuls den von der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8 abgegebenen Phasensteuerimpuls (5D) zu. Auf diese Weise wird das Fixier-Heizelement 3 durch Phasensteuerung mit Strom versorgt.
Wenn die Temperatur-Einstellschaltung 7a zur Zeit t₇ (t₁₀) feststellt, dass die Oberflächentemperatur der von dem Fixier-Heizelement 3 erwärmten Fixierwalze angestiegen ist und die vorgegebene Temperatur Tc erreicht hat, geht das Ausgangssignal der Temperatur-Einstellschaltung 7a am Punkt c1 (5F) auf einen hohen Pegel über und wird der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a zugeführt. Die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a gibt dann synchron mit dem Ausgangssignal der Temperatur-Einstellschaltung 7a einen kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltimpuls ab. Wenn die Wählschaltung 10 erfasst, dass der Impuls auf einen hohen Pegel übergegangen ist, führt sie den Nennleistungs-Einschaltimpuls dem Schaltelement 4 als Ansteuerimpuls zu, sodass das Fixier-Heizelement 3 auf diese Weise zur Erzielung eines ununterbrochenen Aufleuchtens (Nennleistung) kontinuierlich mit Strom versorgt wird.
Wenn sodann die Temperatur-Einstellschaltung 7a zur Zeit t₈ feststellt, dass die Oberflächentemperatur Tb der Fixierwalze weiter angestiegen ist und den Wert Tb erreicht hat, gehen das der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a zugeführte Ausgangssignal der Temperatur-Einstellschaltung 7a am Punkt c1 sowie das der Wählschaltung 10 zugeführte Heizelement- Einschalt/Abschaltsignal am Punkt c auf niedrigen Pegel über. Hierdurch geht das Ausgangssignal der Wählschaltung 10 auf niedrigen Pegel über, sodass das Schaltelement 4 gesperrt und dadurch die Stromversorgung des Fixier-Heizelements 3 unterbrochen wird. Die Abfallzeiten des Ausgangssignals am Punkt c1 und des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals sind mit dem Nulldurchgang zur Zeit t₈ synchronisiert.
Wie vorstehend beschrieben, wird somit bei abgeschalteter bzw. unterbrochener Stromversorgung des Fixier-Heizelements 3 und einem dadurch entstehenden Abfall der Oberflächentemperatur der Fixierwalze auf den Wert Ta mit Hilfe des Phasensteuerimpulses das Einsetzen der Stromversorgung durch Phasensteuerung mit einem festen Leitungs- bzw. Durchlasswinkel ermöglicht. Wenn die Oberflächentemperatur der Fixierwalze auf den Wert Tc angestiegen ist, wird das Fixier-Heizelement 3 in einem Nennleistungs-Leuchtzustand (mit einem Zündphasenwinkel von 0, d. h., ohne Phasenanschnittsteuerung) kontinuierlich mit Strom versorgt. Die Stromversorgung des Fixier-Heizelements 3 in Form einer Phasensteuerung mit einem festen Phasenwinkel erfolgt somit, bis die Oberflächentemperatur der Fixierwalze von dem Wert Ta auf den Wert Tc angestiegen ist (was in 5F der Zeitdauer P3 und der Zeitdauer P4 entspricht). Diese Zeiten sind nicht konstant, da sie von Halogen-Heizelementen, der Fixierwalze und der Umgebungstemperatur abhängen. So unterscheidet sich z. B. die Zeitdauer P3 von der Zeitdauer P4.
Da die Oberflächentemperatur der Fixierwalze zu Beginn des kontinuierlichen Einschaltens bzw. Aufleuchtens (ohne Phasenanschnittsteuerung) der konstanten Temperatur Tc entspricht, ist auch der Widerstandswert des Fixier-Heizelements 3 zu diesem Zeitpunkt konstant. Ein zweiter Spitzenstrom zu Beginn des kontinuierlichen Aufleuchtens mit Nennleistung ist daher im wesentlichen konstant, sodass es nicht erforderlich ist, den Nennstrom des Schaltelements 4 zu vergrößern. Durch entsprechende Einstellung der Temperatur Tc kann die zum Zeitpunkt der Umschaltung der Phasensteuerung auf den kontinuierlichen Einschaltvorgang ohne Phasenanschnitt erforderliche Leistung im wesentlichen konstant gehalten werden. Wenn der Wert Tc zur Verhinderung von Flackererscheinungen auf einen optimalen Temperaturwert eingestellt wird, lässt sich ein Abfallen der Beleuchtungsstärke, d. h., ein Flackern von Leuchtkörpern wirksam verringern. Außerdem verringert sich auch die Störwirkung eines Spannungsabfalls auf andere Geräte, die an die gleiche Netzleitung angeschlossen sind.
Drittes Ausführungsbeispiel
6 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes. Hierbei sind vorstehend bereits in Verbindung mit 1 beschriebene Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Die Schaltungsanordnung gemäß 6 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß 1 durch eine im Vergleich zu einem Bereitschaftszustand (Wartezustand) unterschiedliche Dauer der Phasensteuerung während eines Bilderzeugungsbetriebs des Bilderzeugungsgerätes, wie eines Kopiergerätes oder eines Druckers (während eines Kopier- oder Druckbetriebs). Hierbei wird einer Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9b ein externes Kopiersignal oder Drucksignal zugeführt.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß 6 unterscheidet sich von der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß 1 somit nur dann, wenn der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9b das Kopiersignal oder Drucksignal von einer externen Steuerschaltung zugeführt wird, sodass nachstehend nur auf diesen Unterschied näher eingegangen wird.
Während eines Bilderzeugungsvorgangs nimmt das Aufzeichnungspapier beim Hindurchtreten durch die Fixiereinheit Wärme von der Fixierwalze auf. Hierbei gibt die Fixierwalze mehr Wärme ab als im Bereitschaftszustand, sodass die Temperatur entsprechend schneller abfällt. Die Dauer hohen Pegels des Ansteuerimpulses zur Durchschaltung des Schaltelements verlängert sich daher im Vergleich zum Bereitschaftszustand, während sich die Dauer niedrigen Pegels des Ansteuerimpulses verkürzt. Zum Zeitpunkt des Übergangs des Schaltelements 4 vom Sperrzustand zum durchgeschalteten Zustand liegt ein höherer Widerstandswert des Fixier-Heizelements 3 als im Bereitschaftszustand vor.
Während des Bilderzeugungsvorgangs ist eine effiziente Wärmeübertragung auf die Fixierwalze erforderlich, sodass die Dauer der Phasensteuerung vorzugsweise möglichst kurz gehalten wird, solange Flackererscheinungen vermieden oder verringert werden können. Hierbei wird ermittelt, ob die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9b ein Kopiersignal und/oder ein Drucksignal von der externen Steuerschaltung erhält, d. h., die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9b bestimmt bzw. ermittelt, ob ein Bilderzeugungsbetrieb vorliegt. Die Dauer der Phasensteuerung (die Zeitdauer P1 gemäß den 2 und 3) wird während des Bilderzeugungsbetriebs bzw. -vorgangs verkürzt, sodass sich eine größere Wärmeabgabe als im Bereitschaftszustand ergibt, bei dem die Wärmeabgabe gering ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt somit eine unterschiedliche Steuerung der Stromversorgung des Fixier-Heizelements in Abhängigkeit davon, ob ein Bilderzeugungsbetrieb zum Kopieren oder Drucken oder ein Bereitschaftszustand vorliegt. Auf diese Weise erfolgt eine effiziente Wärmeübertragung auf die Fixierwalze, wobei nachteilige Auswirkungen auf andere Geräte, wie Flackererscheinungen, in der gleichen Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verringert werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
7 zeigt ein Blockschaltbild eines wesentlichen Abschnitts eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bilderzeugungsgerätes. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel sind zwei Heizelemente in einer Fixiereinheit vorgesehen.
Gemäß 7 wird mit einer Wechselstrom-Netzleitung verbundenen Eingangsanschlüssen 1 und 2 ein Wechselstrom bzw. eine Wechselstromleistung zugeführt. Mit den Eingangsanschlüssen 1 und 2 ist eine Reihenschaltung aus Heizelementen 3a und 3b sowie Wechselstrom-Schalteinrichtungen 4a und 4b verbunden, der der Netz-Wechselstrom zugeführt wird. Die Heizelemente 3a und 3b sind in einer nicht dargestellten Fixierwalze angeordnet und erstrecken sich in der Axialrichtung der Fixierwalze. Eine Halogenlampe mit einer Nennleistung von einigen 100 W bis 1 kW und einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten findet üblicherweise bei den Heizelementen Verwendung.
Die in der Axialrichtung der Fixierwalze in der in 7 dargestellten Weise angeordneten beiden Heizelemente 3a und 3b dienen zur gleichmäßigen Erwärmung der gesamten Walze, sodass ein großer Bereich von Kopierpapierformaten Verwendung finden kann. Hierbei sind die Heizelemente 3a und 3b derart ausgestaltet, dass sich unterschiedliche Lichtemissionsrichtungen ergeben.
Die Wechselstrom-Schalteinrichtungen 4a und 4b werden jeweils von einem Wechselstromschalter gebildet, der die Wechselstrom-Netzleistung mit einer beliebigen zeitlichen Steuerung überträgt.
Die Fixierwalze fixiert ein auf einen Aufzeichnungsträger übertragenes Tonerbild auf diesem Aufzeichnungsträger.
Ein Temperatursensor 5 ist dicht an der Oberfläche der Fixierwalze angeordnet und besteht üblicherweise aus einem Thermistor, der eine Impedanz mit einem bekannten Temperaturkoeffizienten aufweist. Auf diese Weise kann die Temperatur der Oberfläche der Fixierwalze ständig erfasst und ein Temperatur-Messsignal einer Temperatur-Einstellschaltung 7 zugeführt werden.
Die Temperatur-Einstellschaltung 7 steuert die Schaltvorgänge der Schalteinrichtungen 4a und 4b in Abhängigkeit von dem Temperatur-Messsignal, wodurch die Einschalt/Abschaltzeiten der Heizelemente 3a und 3b gesteuert werden. Zu diesem Zweck gibt die Temperatur-Einstellschaltung 7 ein Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal a ab.
Im einzelnen gibt hierbei die Temperatur-Einstellschaltung 7 ein Abschaltsignal ab, wenn beim Anstieg der Oberflächentemperatur der Fixierwalze der obere Grenzwert eines Temperaturregelbereiches erreicht wird, während ein Einschaltsignal abgegeben wird, wenn bei einem Abschaltzustand die Oberflächentemperatur der Fixierwalze abfällt und den unteren Grenzwert des Temperaturregelbereiches erreicht.
In einer Steuereinrichtung 12 ist eine Vielzahl von Heizelement-Einschaltsteuerprogrammen gespeichert. Auf der Basis der Heizelement-Einschalt/Abschaltsignale der Temperatur-Einstellschaltung 7 und des externen Kopier/Bereitschaftsbetriebssignals bestimmt die Steuereinrichtung 12, ob sich das Gerät im Bereitschaftsbetrieb oder im Kopier/Druckbetrieb befindet, und legt im Kopier/Druckbetrieb des Gerätes das Format des Aufzeichnungspapiers fest. Die Steuereinrichtung 12 führt sodann zur optimalen Steuerung der Einschaltvorgänge der Heizelemente 3a und 3b einer Wählschaltung 10a ein Einschalt/Abschaltsignal b1 und einem Steuerimpulsgenerator 11b ein Einschalt/Abschaltsignal b2 zu.
Eine dieser Reihenschaltung parallel geschaltete Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 ermittelt die Nulldurchgänge des der Reihenschaltung über die Eingangsanschlüsse 1 und 2 zugeführten Netz-Wechselstroms.
In Abhängigkeit vom Ausgangssignal c der Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 erzeugt eine Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8a einen Ansteuerimpuls d1 für eine Phasensteuerung und führt ihn der Wählschaltung 10a als Phasensteuerimpuls zu.
Eine Abschaltzeit/Detektorschaltung 13a überwacht die Abschaltzeit des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal a und führt der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a ein Signal e1 hohen Pegels zu, wenn die Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals a eine vorgegebene Zeitdauer überschreitet. Die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a führt der Wählschaltung 10a ein Phasensteuersignal f1 mit einer vorgegebenen Dauer hohen Pegels zu (Dauer der Phasensteuerung), wenn das Ausgangssignal der Steuereinrichtung 12 auf hohen Pegel übergeht, während sich das Ausgangssignal der Abschalt-Detektorschaltung 13a auf hohem Pegel befindet.
Die Wählschaltung 10a erhält die Ausgangssignale der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8a, der Steuereinrichtung 12 und der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a und gibt einen Ansteuerimpuls 1 (g1) zur Steuerung der Schaltvorgänge der Schalteinrichtung 4a in Abhängigkeit von dem Pegel eines jeden Signals ab.
Ein Steuerimpulsgenerator 11b erhält das Signal der Steuereinrichtung 12 und das Ausgangssignal der Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 und gibt seinerseits einen Ansteuerimpuls 2 (g2) zur Steuerung der Schaltvorgänge der Schalteinrichtung 4b in Abhängigkeit von dem Pegel eines jeden Eingangssignals ab, das dem Steuerimpulsgenerator 11b zugeführt wird.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Strom- und Signalverläufe gemäß den 8A bis 8E sowie unter Bezugnahme auf die zeitabhängigen Signalverläufe gemäß den 9A bis 9I näher auf die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß 7 eingegangen.
Wenn der Netz-Wechselstrom bzw. die Netzspannung (8A) an den Eingangsanschlüssen 1 und 2 ansteht, wird sie von einer nicht dargestellten Stromversorgungsschaltung gleichgerichtet und in einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung zur Erregung der vorstehend beschriebenen Schaltungen 5, 6, 7, 8a, 9a, 10a, 11a, 11b, 12 und 13a umgesetzt.
Der Temperatursensor 5 misst die Oberflächentemperatur der Fixierwalze und führt das Temperatur-Messsignal (8B) der Temperatur-Einstellschaltung 7 zu. Die Temperatur-Einstellschaltung 7 führt der Steuereinrichtung 12 und der Abschaltzeit-Detektorschaltung 13a ein Einschaltsignal zu, wenn die gemessene Oberflächentemperatur der Fixierwalze um 1°C unter den unteren Grenzwert Ta des vorgegebenen Temperaturregelbereiches abgefallen ist, und führt der Steuereinrichtung 12 ein Abschaltsignal zu, wenn beim Anstieg der Oberflächentemperatur der Fixierwalze der obere Grenzwert Tb des vorgegebenen Temperaturregelbereiches erreicht wird (8E und 9A).
Die Abschaltzeit-Detektorschaltung 13a führt der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a ein Signal niedrigen Pegels zu (9F), wenn das von der , Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebene Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal (8E und 9A) eingeschaltet ist (einen hohen Pegel aufweist), während der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a ein Ausgangssignal hohen Pegels zugeführt wird (9F), wenn seit dem Übergang des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals (8E und 9A) vom Einschaltzustand auf den Abschaltzustand (auf einen niedrigen Pegel) eine vorgegebene Zeitdauer (Pe2) verstrichen ist. Hierbei führt die Abschaltzeit-Detektorschaltung 13a der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a ein Signal niedrigen Pegels zu (9F), wenn seit dem Übergang des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals (8E und 9A) vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand eine vorgegebene Zeitdauer (Pe1) verstrichen ist.
Die Steuereinrichtung 12 wählt auf der Basis des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals (8E und 9A) und des externen Kopier/Bereitschaftsbetriebssignals eine für den derzeitigen Betriebszustand eines Kopiergerätes oder Druckers geeignete optimale Heizelement-Einschaltsteuerung aus und führt die Einschalt/Abschaltsignale jeweils der Wählschaltung 10a (9B) und dem Steuerimpulsgenerator 11b (9C) zur Einschaltsteuerung der Heizelemente 3a und 3b zu. In den 9B und 9C sind Beispiele für den zeitlichen Verlauf dieser Steuersignale veranschaulicht, wobei ton1 und ton2 feste Werte sind.
Wenn bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 9B und 9C das von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebene Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal (9A) von einem niedrigen auf einen hohen Pegel übergeht, wird zunächst das Heizelement 3a für eine feste Zeitdauer ton1 eingeschaltet (wobei das Heizelement 3b abgeschaltet ist). Wenn das Heizelement 3a abgeschaltet wird, wird sodann das Heizelement 3b für eine feste Zeitdauer ton2 eingeschaltet (wobei das Heizelement 3a abgeschaltet ist). Wenn sodann das Heizelement 3b abgeschaltet wird, wird das Heizelement 3a erneut für eine feste Zeitdauer ton1 eingeschaltet (wobei das Heizelement 3b abgeschaltet ist). Die Heizelemente 3a und 3b werden somit abwechselnd eingeschaltet. Wenn das Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal (9A) von einem hohen auf einen niedrigen Pegel übergeht, werden beide Heizelemente 3a und 3b abgeschaltet. Hierbei bleiben beide Heizelemente 3a und 3b abgeschaltet, bis das Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal (9A) wieder auf hohen Pegel gesteuert wird.
Wenn das Einschalt/Abschaltsignal (9B) von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel übergeht, während das Ausgangssignal (9F) der Abschaltzeit-Detektorschaltung 13a einen hohen Pegel aufweist, erzeugt die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a ein Phasensteuersignal (9G) das synchron mit dem Ein/Abschaltsignal auf einen hohen Pegel übergeht und nach Aufrechterhaltung des hohen Pegels während einer vorgegebenen Zeitdauer (tp1, einer Dauer der Phasensteuerung) sodann wieder auf einen niedrigen Pegel abfällt. Die Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a führt dieses Phasensteuersignal der Wählschaltung 10a zu (9G).
Die Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 überwacht kontinuierlich die Nulldurchgänge des Netz-Wechselstroms bzw. der Netzspannung und führt das Nulldurchgangssignal (8C und 9D) der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8a und dem Steuerimpulsgenerator 11b zu.
In Abhängigkeit von dem Nulldurchgangssignal (8C und 9D) führt die Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8a der Wählschaltung 10a den Phasensteuerimpuls mit dem festen Phasenwinkel (8D und 9E) als Ansteuerimpuls zum Einschalten und Abschalten der Schalteinrichtung 4a zu, sodass die Stromversorgung der Heizelemente bei jeder Halbperiode des Netz-Wechselstroms begrenzt wird.
Der Wählschaltung 10a werden von der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8a der Phasensteuerimpuls (9E), von der Steuereinrichtung 12 der Einschalt/Abschalt-Ansteuerimpuls (9B) und von der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a das Phasensteuersignal (9G) zugeführt. Wenn der Einschalt/Abschalt-Ansteuerimpuls (9B) auf niedrigem Pegel verbleibt, steuert die Wählschaltung 10a den Ausgangs-Ansteuerimpuls 1 auf einen niedrigen Pegel. Wenn sowohl der Einschalt/Abschalt-Ansteuerimpuls (9B) als auch das Phasensteuersignal (9G) auf hohem Pegel verbleiben, führt die Wählschaltung 10a den Phasensteuerimpuls (9E) als Ansteuerimpuls 1 der Schalteinrichtung 4a zu. Wenn der Einschalt/Abschalt-Ansteuerimpuls (9B) einen hohen Pegel aufweist, während das Phasensteuersignal (9G) einen niedrigen Pegel aufweist, führt die Wählschaltung 10a den Einschalt/Abschalt-Ansteuerimpuls (9B) als Ansteuerimpuls 1 dem Schaltelement 4a zu. Auf diese Weise wird das Schaltelement 4a gesteuert.
In Abhängigkeit von dem von der Steuereinrichtung 12 zugeführten Einschalt/Abschaltsignal (9C) erzeugt der Steuerimpulsgenerator 11b einen Ansteuerimpuls (9I) synchron mit dem von der Nulldurchgangs-Detektorschaltung 6 abgegebenen Nulldurchgangssignal (9D). Der Steuerimpulsgenerator 11b führt den Ansteuerimpuls der Schalteinrichtung 4b zu deren Einschalten und Abschalten zu.
Auf diese Weise erfolgt durch die Schaltvorgänge der Schalteinrichtungen 4a und 4b die zeitliche Steuerung der Stromzufuhr für die Heizelemente 3a und 3b.
Wenn vor dem Beginn einer Stromzufuhr die Abschaltzeit des Heizelements 3a eine vorgegebene Zeitdauer (Pe2 in 9F) überschritten hat, wird ein mit einem festen Leitungs- bzw. Durchlasswinkel gesteuerter Strom während einer vorgegebenen Zeitdauer (tp in 9H) zugeführt. Wenn die Abschaltzeit des Heizelements 3a kürzer als die vorgegebene Zeitdauer (Pe2 in 9F) ist, wird das Fließen eines Stroms synchron mit den Nulldurchgängen des Netz- Wechselstroms ermöglicht. Auf diese Weise wird die Oberflächentemperatur der Fixierwalze auf einen vorgegebenen Regelbereich eingeregelt.
Die 10A bis 10F zeigen Strom- und Signalverläufe, die die Beziehung zwischen den durch die Heizelemente 3a und 3b fließenden Strömen und den Ansteuerimpulsen g1 und g2 veranschaulichen. Hierbei zeigt 10A den Verlauf des durch das Heizelement 3a fließenden Stroms, wobei F eine Periode des Netz-Wechselstroms bezeichnet.
10B zeigt den Ansteuerimpuls 1 (g1). Die dem Heizelement 3a zugeführte Leistung wird während der Dauer tp1 eines hohen Pegels (ton1) begrenzt, während der eine Phasensteuerung mit festem Phasenwinkel erfolgt. Während der Dauer von tp2, während der ein sinusartiger Strom durch das Heizelement 3a fließt, findet keine Begrenzung der zugeführten Leistung statt. Während der Dauer eines niedrigen Pegels (toff1) bleibt die Schalteinrichtung 4a abgeschaltet, sodass kein Strom durch das Heizelement 3a fließen kann. 10C zeigt den quadratischen Mittelwert bzw. Effektivwert IL1rms, in den der Stromverlauf IL1 bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz umgesetzt wird.
10D zeigt den Verlauf eines über das Heizelement 3b fließenden Stroms IL2, wobei F eine Periode des Netz-Wechselstroms bezeichnet. 10E zeigt den Ansteuerimpuls 2 (g2). Während der Dauer hohen Pegels (ton2) ist die Schalteinrichtung 4b eingeschaltet, während im Verlauf einer Dauer niedrigen Pegels (toff2) die Schalteinrichtung 4a abgeschaltet ist. 10F zeigt den quadratischen Mittelwert IL2rms, in den der Strom IL2 bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz umgesetzt wird.
Den Heizelementen 3a und 3b wird während der Zeitdauer taoff gemäß 9A kein Strom zugeführt, da sich die beiden Schalteinrichtungen 4a und 4b im Abschaltzustand bzw. Sperrzustand befinden. Die Heizelemente 3a und 3b sind innerhalb der Fixierwalze angeordnet. Die Fixierwalze besitzt somit eine größere thermische Kapazität, während die Heizelemente 3a und 3b eine geringere thermische Kapazität aufweisen. Die Temperatur der Fixierwalze fällt daher langsamer ab, während die Temperatur des Heizelements 3a schnell abfällt. Da die Heizelemente 3a und 3b während der Zeitdauer taoff keine Wärme erzeugen, fällt ihre Temperatur rasch ab, was zu einem extrem niedrigen Widerstandswert führt.
Bei abgesunkener Oberflächentemperatur der Fixierwalze geht das Ausgangssignal der Temperatur-Einstellschaltung 7 auf einen hohen Pegel über. Der Ansteuerimpuls 1 (g1) geht dann auf einen hohen Pegel über, was zur Folge hat, dass dem Heizelement 3a der Netz-Wechselstrom zugeführt wird. Durch diesen Vorgang kann die Netzleistung einem äußerst geringen Widerstand zugeführt werden. Der Ansteuerimpuls 1 (g1) wird jedoch von dem Phasensteuerimpuls für die mit festem Phasenwinkel erfolgende Regelung gebildet, bei der der über das Heizelement 3a fließende Strom begrenzt ist. Auch wenn dem Heizelement 3a bei extrem niedrigem Widerstand der Strom IL1 zugeführt wird, stellt der quadratische Mittelwert RS1a, in den der über das Heizelement 3a fließende Spitzenstrom bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz umgesetzt wird, lediglich einen (von dem Leitungs- bzw. Durchlasswinkel der Phasensteuerung abhängigen) Bruchteil des quadratischen Mittelwertes RS3 des Spitzenstroms beim Stand der Technik dar.
Diese Phasensteuerung erfolgt durch den Phasensteuerimpuls während der festen Zeitdauer tp1, während der die Temperatur des Heizelements 3a allmählich ansteigt und seinen Widerstand vergrößert. Auch wenn dem Heizelement 3a nach Ablauf der festen Zeitdauer tp1 während der Zeitdauer tp2 die volle Nennleistung (zur Erzielung eines kontinuierlichen Aufleuchtens) zugeführt wird, ist der quadratische Mittelwert RS2, in den ein zweiter Spitzenstrom bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz umgesetzt wird, kleiner als der quadratische Mittelwert RS3 beim Stand der Technik. Die Änderung zwischen den quadratischen Mittelwerten zu Beginn des kontinuierlichen Einschaltvorgangs bzw. Aufleuchtvorgangs (RS2–RS1b) ist hierbei kleiner als die Änderung des quadratischen Mittelwertes RS3 des Spitzenstroms beim Stand der Technik.
Die Heizelemente 3a und 3b werden abwechselnd eingeschaltet. So ist z. B. das Heizelement 3b bereits durch das Heizelement 3a erwärmt, wenn es eingeschaltet wird. Zum Einschaltzeitpunkt des Heizelements 3b fließt somit sogar ^im Vergleich zu dem im stationären Zustand gegebenen Strom ST ein nicht übermäßig großer Spitzenstrom durch das Heizelement 3b. Wenn das Heizelement 3b abgeschaltet und das Heizelement 3a eingeschaltet werden, fließt auch über das Heizelement 3a ein kleiner Spitzenstrom, da das Heizelement 3a bereits erwärmt ist.
Eine durch Phasensteuerung eingeschränkte Leistung kann dem Heizelement 3a nur während der vorgegebenen Zeitdauer nach der Umschaltung von taoff auf taon zugeführt werden. Auch wenn das Heizelement 3a anschließend eingeschaltet und abgeschaltet wird, wird keine Phasensteuerung bei dem Heizelement 3a in der gleichen Zeitdauer taon wiederholt. Bei dem Heizelement 3b erfolgt bei jeder Einschaltzeit überhaupt keine Phasensteuerung.
Wenn das Heizelement 3a nach einer die vorgegebene Zeitdauer überschreitenden Abschaltzeit durch das in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur der Fixierwalze erzeugte Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand umgeschaltet wird, wird die dem Heizelement 3a zugeführte Leistung durch Phasensteuerung während der vorgegebenen Zeitdauer begrenzt. Durch diese Maßnahme wird die bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz auftretende Änderung des quadratischen Mittelwertes des Spitzenstroms der Netz-Wechselspannung verringert.
Auf diese Weise wird ein momentaner Spannungsabfall der Versorgungsspannung eines eine derartige Heizeinrichtung aufweisenden Bilderzeugungsgerätes, wie eines Druckers oder eines Kopiergerätes, oder ein momentaner Spannungsabfall der Versorgungsspannung durch die Impedanz der inneren Leitungsführung bei der Zuführung der Netzleistung zu der vorstehend beschriebenen Heizeinrichtung verhindert. Hierdurch verringert sich auch die durch einen momentanen Spannungsabfall gegebene Störwirkung auf andere Geräte, die im Bereich des Bilderzeugungsgerätes an die gleiche Netz- oder Stromversorgungsleitung angeschlossen sind. Auf diese Weise verringern sich ein Abfallen der Beleuchtungsstärke und damit Flackererscheinungen bei Leuchtkörpern.
Erfindungsgemäß ermittelt die Abschaltzeit-Detektorschaltung 13a die Abschaltzeit des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals. Alternativ kann jedoch auch die Abschaltzeit des von der Wählschaltung 10a abgegebenen Steuerimpulses 1 gleichermaßen verwendet werden.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung der Erfindung wird zwangsläufig die Schalteinrichtung 4a zur Stromversorgung des Heizelements 3a zuerst eingeschaltet, wenn das von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebene Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal von einem niedrigen Pegel (aus) auf einen hohen Pegel (ein) übergeht. Beim Übergang des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals von einem niedrigen auf einen hohen Pegel kann jedoch der Fall eintreten, dass im Rahmen der Regelung nicht bestimmt werden kann, welche der Schalteinrichtungen 4a und 4b zuerst eingeschaltet worden ist, oder es kann der Fall eintreten, dass die Regelung die gemeinsame Einschaltung beider Schalteinrichtungen 4a und 4b zulässt. Auch in einem solchen Falle kann der Steuerimpulsgenerator 11b gemäß 7 den gleichen Aufbau wie der Steuerimpulsgenerator 11a aufweisen, sodass die den beiden Heizelementen 3a und 3b zugeführte Leistung während der vorgegebenen Zeitdauer nach der Einschaltung der Heizelemente begrenzt wird, d. h., der Steuerimpulsgenerator 11b kann aus der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8a, der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 9a, der Wählschaltung 10a und der Abschaltzeit-Detektorschaltung 13a aufgebaut sein.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 11 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. 11 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Heizelement-Regelschaltung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei sind Bauteile, die mit Bauteilen der Schaltungsanordnung gemäß 7 identisch sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 die Phasensteuerung während der festen Zeitdauer tp1 erfolgt, wird bei dem fünften Ausführungsbeispiel gemäß 11 die Impulsdauer des Ausgangssignals einer Phasenregel- Signalgeneratorschaltung 209a verändert, die die Dauer der Phasensteuerung in Abhängigkeit von der Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals bestimmt.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die zeitlichen Signalverläufe gemäß den 12A bis 12I näher auf die Wirkungsweise des fünften Ausführungsbeispiels gemäß 11 eingegangen.
Bei einer Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a gemäß 11 beginnt die Zählung der Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals zu dem Zeitpunkt, bei dem das von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebene Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal in den Abschaltzustand versetzt wird. Die Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a führt der Phasenregel-Signalgeneratorschaltung 209a den in 12F dargestellten Spannungspegel zu, der der Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals proportional ist. Die Phasenregel-Signalgeneratorschaltung 209a verändert die Zeiten tp2 und tp3 des Ausgangsimpulses gemäß 12G in Abhängigkeit von dem Ausgangssignalpegel der Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a zum Zeitpunkt des Übergangs des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand. Wenn die Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals kürzer ist, fällt auch die Dauer der Phasensteuerung entsprechend kürzer aus. Wenn dagegen die Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals länger ist, wird die Dauer der Phasensteuerung verlängert. Auf diese Weise erfolgt eine effiziente Stromzufuhr zu den Heizelementen bei gleichzeitiger Kontrolle von Flackererscheinungen.
Erfindungsgemäß ermittelt die Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a zwar die Abschaltzeit des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals, jedoch kann alternativ auch die Abschaltzeit des von der Wählschaltung 10a abgegebenen Ansteuerimpulses 1 gleichermaßen Verwendung finden.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung der Erfindung wird zwangsläufig die Schalteinrichtung 4a zur Stromversorgung des Heizelements 3a zuerst eingeschaltet, wenn das von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebene Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal von einem niedrigen Pegel (aus) auf einen hohen Pegel (ein) übergeht. Beim Übergang des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel kann jedoch der Fall eintreten, dass im Rahmen der Regelung nicht bestimmt werden kann, welche der Schalteinrichtungen 4a und 4b zuerst eingeschaltet worden ist, oder es kann der Fall eintreten, dass die Regelung die gleichzeitige Einschaltung beider Schalteinrichtungen 4a und 4b zulässt. Auch in einem solchen Fall kann der Steuerimpulsgenerator 11b gemäß 11 den gleichen Aufbau wie der Steuerimpulsgenerator 11a aufweisen, sodass die den beiden Heizelementen 3a und 3b zugeführte Leistung während der vorgegebenen Zeitdauer nach dem Einschalten der Heizelemente begrenzt wird, d. h., der Steuerimpulsgenerator 11b kann aus der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 8a, der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 209a, der Wählschaltung 10a und der Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a bestehen.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 13 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. 13 zeigt den Aufbau einer Heizelement-Regelschaltung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes. Hierbei sind Bauteile, die mit Bauteilen der Ausführungsbeispiele gemäß den 7 und 11 identisch sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 die Phasensteuerung während der festen Zeitdauer tp1 über die gesamte Dauer der Phasensteuerung erfolgt, werden bei dem sechsten Ausführungsbeispiel gemäß 13 die Impulsdauer des Ausgangssignals einer Phasenregel-Signalgeneratorschaltung 209a und die Impulsdauer des Ausgangssignals einer Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 308a in Abhängigkeit von der Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals verändert.
Wie 13 zu entnehmen ist, arbeiten die Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a und die Phasenregel-Signalgeneratorschaltung 209a in der gleichen Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 11 und 12. Die Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a führt jedoch der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 308a einen Spannungspegel zu, der der Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals proportional ist. Die Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 308a stellt den Leitungs- bzw. Durchlasswinkel der Phasensteuerung in Abhängigkeit vom Ausgangspegel der Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a ein (d. h., in Abhängigkeit von der Abschaltzeit des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals). Je länger hierbei die Abschaltzeit ist, umso mehr verkleinert die Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 308a den Leitungs- bzw. Durchlasswinkel der Phasensteuerung, während sie den Leitungs- bzw. Durchlasswinkel der Phasensteuerung umso mehr vergrößert, je kürzer die Abschaltzeit ist.
Bei einer langen Abschaltzeit fallen nämlich die Widerstandswerte der Heizelemente 3a und 3b erheblich ab, sodass der Leitungs- bzw. Durchlasswinkel in einer anschließenden Einschaltperiode klein gehalten wird, um die Änderung des quadratischen Mittelwertes des über das Heizelement 3a fließenden Stroms bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz zu reduzieren. Außerdem wird die Dauer der Phasensteuerung verlängert, um die Änderung des quadratischen Mittelwertes eines zweiten Spitzenstroms beim Übergang von der Phasensteuerung zur kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltung bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz zu reduzieren. Auf diese Weise wird das Auftreten von Flackererscheinungen unter Kontrolle gehalten.
Bei einer kurzen Abschaltzeit tritt kein maßgeblicher Abfall der Widerstandswerte der Heizelemente 3a und 3b auf. Auch wenn der Leitungs- bzw. Durchlasswinkel bei einer anschließenden Einschaltperiode vergrößert wird, führt dies nicht zu einem erheblichen Anstieg der Änderung des quadratischen Mittelwertes des über das Heizelement 3a fließenden Stroms bei jeder Halbperiode des Netzstroms.
Auch bei einer Verkürzung der Dauer der Phasensteuerung tritt kein maßgeblicher Anstieg der Änderung des quadratischen Mittelwertes des zweiten Spitzenstroms beim Übergang von der Phasensteuerung zum kontinuierlichen Nennleistungs-Einschaltzustand bei jeder Halbperiode der Netzfrequenz auf, wobei der Fixierwalze Wärmeenergie für eine kurze Zeitdauer zugeführt wird. Die Fixierwalze wird somit in effizienter Weise mit Wärmeenergie versorgt, während gleichzeitig Flackererscheinungen unter Kontrolle gehalten werden.
Erfindungsgemäß ermittelt die Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a die Abschaltzeit des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals, jedoch kann alternativ auch die Abschaltzeit des von der Wählschaltung 10a abgegebenen Ansteuerimpulses 1 gleichermaßen Verwendung finden. Wie vorstehend beschrieben, werden gleichzeitig die Dauer der Phasensteuerung sowie der Leitungs- bzw. Durchlasswinkel während der Dauer der Phasensteuerung verändert, jedoch kann alternativ auch nur eine Veränderung des Leitungs- bzw. Durchlasswinkels erfolgen.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung der Erfindung wird zwangsläufig die Schalteinrichtung 4a zur Stromversorgung des Heizelements 3a zuerst eingeschaltet, wenn das von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebene Heizelement-Einschalt/Abschaltsignal von einem niedrigen Pegel (aus) auf einen hohen Pegel (ein) übergeht. Beim Übergang des Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals von einem niedrigen auf einen hohen Pegel kann jedoch der Fall eintreten, dass im Rahmen der Regelung nicht bestimmt werden kann, welche der Schalteinrichtungen 4a und 4b zuerst eingeschaltet worden ist, oder es kann der Fall eintreten, dass die Regelung ein gleichzeitiges Einschalten beider Schalteinrichtungen 4a und 4b zulässt. Auch in einem solchen Fall kann der Steuerimpulsgenerator 11b gemäß 13 den gleichen Aufbau wie der Steuerimpulsgenerator 11a aufweisen, sodass die den beiden Heizelementen 3a und 3b zugeführte Leistung während der vorgegebenen Zeitdauer im Einschaltzustand der Heizelemente begrenzt wird, d. h., der Steuerimpulsgenerator 11b kann von der Phasen-Steuerimpulsgeneratorschaltung 308a, der Nennleistungs-Einschaltimpulsgeneratorschaltung 209a, der Wählschaltung 10a und der Abschaltzeit-Detektorschaltung 213a gebildet werden.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 14 ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. 14 zeigt den Aufbau einer Heizelement-Steuerschaltung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes. Dabei sind Bauelemente, die mit den in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen gemäß den 7, 11 und 13 bereits beschriebenen Bauelementen oder Bauteilen identisch sind, mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Während bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 7 die beiden Heizelemente wiederholt leitende und nichtleitende Zustände während der Einschaltdauer (während des hohen Pegels) des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals durchliefen, durchläuft bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 14 ein einzelnes Heizelement 3a wiederholt leitende und nichtleitende Zustände.
Wie 14 zu entnehmen ist, erzeugt ein Steuerimpulsqenerator 411a einen Steuerimpuls für die Schalteinrichtung 4a, die das Heizelement 3a zur Herbeiführung von leitenden und nichtleitenden Zuständen ansteuert. Hierbei weist der Steuerimpulsgenerator 411a den gleichen Aufbau wie im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 7 auf.
Bei dieser Steuerung, bei der die Schalteinrichtung 4a während der Einschaltdauer (während des hohen Pegels) des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals in kurzen Intervallen periodisch eingeschaltet und abgeschaltet wird, tritt in der jeweiligen kurzen Abschaltzeit kein so großer Temperaturabfall (und damit kein so großer Abfall des Widerstandswertes) des Heizelements auf, sodass bei der auf die kurze Abschaltzeit folgenden Einschaltzeit nur ein geringfügiger zweiter Spitzenstrom fließt. Nur wenn der Abschaltzustand des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals für eine vorgegebene Zeitdauer andauert, wird während der Einschaltperiode die dem Heizelement 3a zugeführte Leistung durch Phasensteuerung begrenzt. Auf diese Weise werden Flackererscheinungen unter Kontrolle gehalten.
Wenn der Steuerimpulsgenerator 411a gemäß 14 den gleichen Aufbau wie der Steuerimpulsgenerator 211a gemäß 11 aufweist, kann die Dauer der Phasensteuerung in Abhängigkeit von der Abschaltzeit des detektierten Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals wie im Falle des fünften Ausführungsbeispiels eingestellt werden. Wenn der Steuerimpulsgenerator 411a gemäß 14 den gleichen Aufbau wie der Steuerimpulsgenerator 311a gemäß 13 aufweist, kann der Leitungs- bzw. Durchlasswinkel während der Dauer der Phasensteuerung in Abhängigkeit von der Abschaltzeit des detektierten Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals wie im Falle des sechsten Ausführungsbeispiels eingestellt werden. In diesem Fall kann gleichzeitig die Dauer der Phasensteuerung eingestellt werden, sodass eine effiziente Zuführung von Wärmeenergie zu der Fixierwalze bei gleichzeitiger Kontrolle von Flackererscheinungen erfolgen kann.
Erfindungsgemäß ermittelt die Abschaltzeit-Detektorschaltung 13a die Abschaltzeit des von der Temperatur-Einstellschaltung 7 abgegebenen Heizelement-Einschalt/Abschaltsignals, jedoch kann alternativ zu diesem Zweck auch die Abschaltzeit des von der Wählschaltung 10a abgegebenen Ansteuerimpulses 1 gleichermaßen Verwendung finden.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Änderungen und Modifikationen in Betracht gezogen werden, ohne von dem durch die Patentansprüche gegebenen Schutzumfang abzuweichen.

Claims

Regelvorrichtung für Heizelemente, mit: einem Heizelement (3) zur Erwärmung einer Last, einem Sensor (5) zur Ermittlung der Temperatur der von dem Heizelement erwärmten Last, einem Schaltelement (4) zum Einschalten und Abschalten eines dem Heizelement zugeführten Wechselstroms, einer Ansteuereinrichtung (11) zur Phasensteuerung des Schaltelements, und einer Temperatur-Einstellschaltung (7), die der Ansteuereinrichtung einen Stoppbefehl und einen Startbefehl für die Betätigung des Heizelements derart zuführt, dass das Ausgangssignal des Sensors innerhalb eines Solltemperaturbereichs liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (11) derart ausgestaltet ist, dass das Schaltelement während einer mit dem Beginn der Betätigung des Heizelements einsetzenden Zeitdauer mit einem festen Phasenwinkel phasengesteuert wird und nach Ablauf der Zeitdauer bei jeder Abgabe des Startbefehls der Temperatur-Einstellschaltung zur Betätigung des Heizelements eine Umschaltung von einer phasengesteuerten auf eine ohne Phasensteuerung erfolgende Ansteuerung des Schaltelements erfolgt.
Regelvorrichtung für Heizelemente nach Anspruch 1, bei der eine zweite Sensoreinrichtung (6) zur Erfassung eines Nulldurchgangs des dem Heizelement zugeführten Wechselstroms vorgesehen ist und die Ansteuereinrichtung (11) einen Ansteuerimpuls für die Phasensteuerung derart erzeugt, dass der Ansteuerimpuls und der Zeitpunkt des von der zweiten Sensoreinrichtung ermittelten Nulldurchgangs miteinander synchronisiert sind, wobei jedoch eine vorgegebene Phasendifferenz zwischen ihnen besteht.
Regelvorrichtung für Heizelemente nach Anspruch 1, die eine Bilderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Tonerbildes auf einem Aufzeichnungspapier und eine Fixiereinrichtung zur Fixierung des Tonerbildes auf dem Aufzeichnungspapier durch von dem Heizelement erzeugte Wärme aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung (11) einen Phasenwinkel für die Phasensteuerung während eines Bilderzeugungsvorgangs größer einstellt als einen Phasenwinkel für die Phasensteuerung während eines Vorgangs, bei dem keine Bilderzeugung stattfindet.
Regelvorrichtung für Heizelemente nach Anspruch 1, bei der die Ansteuereinrichtung (11) auf die ohne Phasensteuerung erfolgende Ansteuerung umschaltet, wenn die von dem Sensor (5) ermittelte Temperatur ansteigt und einen vorgegebenen Temperaturwert unterhalb des Grenzwertes des Solltemperaturbereichs erreicht.
Regelvorrichtung für Heizelemente nach Anspruch 1, bei der eine Detektoreinrichtung zur Erfassung einer Abschaltzeit des Heizelements vorgesehen ist und die Ansteuereinrichtung eine Phasensteuerung des Schaltelements mit einem festen Phasenwinkel während einer mit dem Beginn der Betätigung des Heizelementes nach der Abgabe des Startbefehls für die Betätigung des Heizelementes durch die Temperatur-Einstellschaltung einsetzenden zweiten vorgegebenen Zeitdauer durchführt, wenn die von der Detektoreinrichtung ermittelte Abschaltzeit eine erste vorgegebene Zeitdauer überschreitet.
Regelvorrichtung für Heizelemente nach Anspruch 5, bei der die Ansteuereinrichtung das Schaltelement nach der Abgabe des Startbefehls der Temperatur-Einstellschaltung zur Betätigung des Heizelementes ohne Phasensteuerung ansteuert, wenn die von der Detektorschaltung ermittelte Abschaltzeit die erste vorgegebene Zeitdauer noch nicht überschritten hat.
Regelvorrichtung für Heizelemente nach Anspruch 1, bei der ein erstes Heizelement (3a) und ein zweites Heizelement (3b) vorgesehen sind, wobei die Ansteuereinrichtung die Ansteuerung einer mit dem ersten Heizelement verbundenen ersten Schalteinrichtung (4a) in Form einer Phasensteuerung durchführt.