CN102193447B - 感应加热电路和图像形成设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感应加热电路和图像形成设备。图像形成设备包括使用感应加热方法的定影装置，该图像形成设备包括：感应线圈；连接至感应线圈的谐振电容器；切换元件，用于将电力提供至感应线圈；驱动信号生成电路，用于确定用于根据要提供至感应线圈的电力而驱动切换元件的驱动信号的频率，并且生成该驱动信号；设置单元，用于根据加热元件的温度来设置驱动信号的最小频率；以及控制部件，用于根据所述温度检测部件所检测到的温度来调整所述驱动信号的最小频率，以使得驱动信号的频率不小于感应线圈的电感、加热元件的电感和谐振电容器的电容所确定的谐振频率。

Description

感应加热电路和图像形成设备

技术领域

本发明涉及图像形成设备的感应加热类型的定影装置。

背景技术

电子照相类型的图像形成设备通常设置有用于通过施加热和压力对转印至诸如纸薄片等的记录材料的调色剂图像进行定影的定影装置。作为定影装置的配置，传统上很多情况下采用使用陶瓷加热器或者卤素加热器的加热方法。然而，近年来，从具有能够快速生成热等的优点的角度，已经使用电磁感应加热方法。

通过利用脉冲宽度调制(PWM)信号的驱动信号而驱动用于将高频电流供给至在定影装置中所设置的励磁线圈的切换元件，来进行对电磁感应加热类型的定影装置的控制。通过在等于或高于谐振频率(谐振点)的频率范围内改变PWM信号的驱动频率，来进行电力控制，其中，谐振频率是由电源内的谐振电容器的电容和定影装置的励磁线圈的电感确定的。存在可用于如下的技术：通过调整PWM驱动频率来进行电力控制，以使得电力在加热(从电源接通起、直到温度达到温度控制的设置值为止)时为中央处理单元(CPU)所设置的最大值，并且当达到目标温度时，通过改变PWM驱动频率来保持温度恒定(例如，日本特开2000-223253)。

在使用PWM控制的电磁感应加热类型的装置的控制中，电源的输入电力PW根据PWM驱动频率f而变化的关系如图12所示。更具体地，具有如下特征：当驱动频率为谐振频率fpy时供给最大电力PWp，并且当频率改变到以谐振频率fpy为中心的高频侧或者低频侧时电力减小。可以通过利用此特征控制PWM驱动信号的驱动频率f来进行电力控制。

输入电力在谐振频率fpy处达到最大值。确定定影装置中的谐振电容器和线圈的常数以使得谐振频率fpy为15至20KHz。如果定影装置的负载电感值为L1且谐振电容器的电容值为C1，则谐振频率fpy由下式表示。

公式1

$\mathrm{fpy}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{L1\×C1}$

PWM驱动信号的驱动频率的范围通常是20至100KHz，且使用等于或大于谐振频率fpy的频率。存在如下问题：驱动频率在等于或小于20KHz时进入可听声场(audible field)，且感觉如同噪声。因此，最小驱动频率设置为20KHz。另一方面，由于日本无线电法的关系，将最大驱动频率设置为100KHz。在电力控制时，如果要供给至励磁线圈的电力未达到目标电力PWo，则在PWM驱动信号的驱动频率为最小频率的状态下继续驱动PWM驱动信号。

在用作为导电加热元件的定影辊由具有磁导率在低温时大且随温度升高而变小的特性的合金制成的情况下，当定影辊处于高温时负载的电感值变小。因此，当定影辊的温度变高时，定影辊的特性改变，且谐振频率fpy变高。这时，如果驱动频率保持恒定，则驱动频率在波动后将变得低于谐振频率fpy。因此，如图12所示，产生了输入电力减小并且定影辊的温度达到目标温度的时间变长的问题。

另一方面，如果考虑到谐振频率的改变，根据定影辊的温度为低的状态将驱动频率设置为高，则存在当低温时不能向励磁线圈供给目标电力并且直到定影辊达到目标温度为止的时间变长的问题。

发明内容

本发明涉及如下的图像形成设备，在导电加热元件的特性由于温度升高而改变的情况下，该图像形成设备可以尽可能地防止要供给至感应线圈的电力的效率劣化，并且使导电加热元件的温度迅速达到目标温度。

根据本发明的一个方面，一种感应加热电路，包括：导电加热元件，用于使用感应加热方法生成热；感应线圈，用于生成感应加热用的磁场；驱动信号生成部件，用于确定用于将电力提供至所述感应线圈的驱动信号的频率，并且生成所述驱动信号；温度检测部件，用于检测所述导电加热元件的温度；以及控制部件，用于根据所述温度检测部件所检测到的温度来调整所述驱动信号的最小频率，以使得所述驱动信号生成部件所生成的驱动信号的频率等于或大于所述感应加热电路的谐振频率。

根据本发明的另一方面，一种图像形成设备，包括上述的感应加热电路。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征和方面将变得明显。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的典型实施例、特征和方面，并和说明书一起用来解释本发明的原理。

图1是示出图像形成设备的配置的剖面图。

图2是示出定影装置的配置的剖面图。

图3是根据本发明第一典型实施例的温度控制电路的配置图。

图4示出定影辊的温度与负载电感之间的关系。

图5示出当定影辊的温度低时输入电力与驱动频率之间的关系。

图6示出定影辊的温度、输入电力与驱动频率之间的关系。

图7示出定影辊的温度、输入电力与驱动频率之间的关系。

图8是示出定影装置加热时的电力控制的流程图。

图9是示出定影装置的温度控制的流程图。

图10是示出根据第一典型实施例的最小驱动频率的确定处理的流程图。

图11是示出根据第二典型实施例的最小驱动频率的确定处理的流程图。

图12示出驱动频率和供给电力之间的关系。

具体实施方式

以下将参考附图来详细说明本发明的典型实施例、特征和方面。

图1是图像形成设备的示意配置图。在图1中，图像形成设备900包括黄色(y)、品红色(m)、青色(c)和黑色(k)的图像形成单元。将描述黄色的图像形成单元。感光鼓901y(感光构件)沿逆时针方向旋转，且一次充电辊902y对感光鼓901y的表面均匀充电。感光鼓901y的均匀充电后的表面被来自激光单元903y的激光束照射，并且在感光鼓901y的表面形成潜像。显影装置904y利用黄色调色剂对所形成的静电潜像进行显影。接着，通过施加至一次转印辊905y的电压，将在感光鼓901y上显影的黄色调色剂图像转印到中间转印带906的表面上。

以类似的方式，品红色、青色和黑色的调色剂图像被转印到中间转印带906的表面上。由此在中间转印带906上形成由黄色、品红色、青色和黑色调色剂形成的全色调色剂图像。随后，中间转印带906上形成的全色调色剂图像在二次转印辊907和908之间的辊隙部处被转印到从盒910进给的薄片913上。将已经通过二次转印辊907和908的薄片913输送到定影装置911以对薄片913进行加热和加压，从而将全色图像定影在薄片913上。

图2是示出使用电磁感应加热处理的定影装置911的示意配置的剖面图。定影辊92是由厚度为45μm的金属制成的导电加热元件形成的，且定影辊92的表面覆盖有300μm的橡胶层。驱动辊93的旋转经由辊隙部94传递至定影辊92，以使得定影辊92沿箭头所示方向旋转。电磁感应线圈91布置于处于与定影辊92相对的位置的线圈保持件90内，并且电源(未示出)向电磁感应线圈91施加交流(AC)电流以生成磁场，使得定影辊92的导电加热元件自身生成热。作为温度检测部件的热敏电阻器95在定影辊92的加热部的内侧抵接加热部，并检测定影辊92的温度。

图3示出根据第一典型实施例的使用电磁感应加热方法的定影装置的温度控制电路。

电源100包括二极管桥101、平滑电容器102、第一切换元件103和第二切换元件104。电源100对来自AC商用电源500的AC电流进行整流并平滑，再将其供给至切换元件103和104。电源100还包括连同电磁感应线圈91一起形成谐振电路的谐振电容器105，以及为切换元件103和104输出驱动信号的驱动电路112。

电源100还包括检测输入电流Iin的电流检测电路110以及检测输入电压Vin的电压检测电路111。输入电流Iin和输入电压Vin的值对应于供给至电磁感应线圈91的电力。

CPU 10进行图像形成设备900的整体控制，并且设置定影装置911内的定影辊92的目标温度To，且为PWM生成电路20设置与切换电路103和104的驱动频率相对应的PWM信号的最大脉冲宽度(上限值)ton(max)。设置PWM信号的最大脉冲宽度(上限值)ton(max)使得不大于与谐振频率相对应的脉冲宽度。

CPU 10还为PWM生成电路20设置切换元件103和104的驱动信号的最小频率Fmin(最大脉冲宽度)和最大频率Fmax(最小脉冲宽度)以及定影装置911中使用的最大电力。最小频率Fmin可以是谐振频率，但考虑到安全性，最小频率为略高于谐振频率的频率，以使得下文描述的驱动信号的频率不可能减小到低于谐振频率。

使用热敏电阻器95检测到的定影辊92的表面温度的检测值TH、电流检测电路110检测到的电流值Is以及电压检测电路111检测到的电压值Vs经由模拟到数字(AD)转换器30输入至PWM生成电路20。接着，PWM生成电路20基于检测值TH和目标值之间的差来确定与驱动电路112输出的驱动信号121和122的脉冲宽度相对应的信号PWM1和PWM2。

驱动电路112将信号PWM1和PWM2电平转换为驱动信号121和122。换言之，PWM生成电路20和驱动电路112用作驱动信号生成单元。切换元件103和104根据驱动信号121和122交替切换ON和OFF，并将高频电流IL供给至电磁感应线圈91。

驱动信号121和122的脉冲的高电平宽度与低电平宽度相等，且驱动信号121的脉冲的高电平宽度与驱动信号122的脉冲的高电平宽度也设置为相等，因此产生了50％的占空比。因此，当脉冲的高电平宽度增加时，低电平宽度也增加相同的量，由此驱动信号的频率减小。

高频电流IL的增加或减少与所生成的磁场的强度成正比，并且导电加热元件的加热值也随着高频电流IL的增加或减少而增加或减少。由此，PWM生成电路20可以通过调整高频电流IL的频率(脉冲宽度)来控制定影辊92的温度。

操作单元400包括用于接收来自操作者的指示的键或对信息进行显示的显示装置。

在脉冲宽度窄于谐振频率的脉冲宽度的范围内，输入电流Iin随脉冲宽度变宽而增加，且随脉冲宽度变窄而减小，该谐振频率是从电磁感应线圈91和定影辊92的电感值以及谐振电容器105的电容值来确定的。更具体地，在等于或高于最小频率的频率中，输入电流Iin随驱动信号的频率减小而增加，输入电流Iin随驱动信号的频率增大而减小。

流经电磁感应线圈91的高频电流IL类似于输入电流Iin。高频电流IL的增加或减少与生成的磁场的强度成正比，且随着高频电流IL增大或减小，导电加热元件的加热值也增大或减小。由此，PWM生成电路20可通过调整高频电流IL的频率(脉冲宽度)来控制定影辊92的温度。

定影辊92是由具有居里(Curie)温度(例如，230℃)的调磁(magnetic shunt)合金(磁性材料)形成的。调磁合金具有当温度升高且达到居里温度时其磁性急剧减小的特性。居里温度是当磁性材料完全失去磁性时的温度。

在磁性材料中，当温度升高时，低温下沿同一方向排列的原子的磁矩受到热能影响而开始波动。由于这个原因，总磁矩逐渐减少。当温度进一步升高时，磁化急剧减小，并且在等于或高于居里温度的温度时磁矩的方向完全破坏，由此，自发磁化变为零。

当定影辊92的温度变化时，从电源看的定影辊92的负载电感如图4所示变化。当定影辊92的温度低于比居里温度Tc低的温度Th时，由于定影辊92保持其磁性，因此从电源100看的定影辊92的负载电感是15至20μH。

如果定影辊92被加热且温度接近温度Th，则从电源100看的定影辊92的负载电感逐渐减小。接着，从电源100看的定影辊92的负载电感在温度Th附近急剧减小。在定影辊92的温度大于居里温度之后，从电源100看的定影辊92的负载电感收敛至大致恒定的值。

图5示出当定影辊92的温度低于温度Th时输入电力与驱动频率之间的关系。如果频率固定在驱动频率的最小值Fmin1，则此时的谐振频率fpy1变得小于最小频率Fmin1。温度Th低于当定影装置将调色剂图像定影在薄片上时的目标温度。因此，在定影辊92的温度达到定影操作的目标温度的过程中，定影辊92的电感急剧减小。

图6示出当定影辊92的温度等于或高于温度Th时输入电力与驱动频率之间的关系。如图4所示，从电源100看的定影辊92的电感在温度Th附近减小。因此，此时的谐振频率fpy2变得大于驱动频率的最小值Fmin1。

因此，当以最小频率Fmin1驱动第一切换元件103和第二切换元件104时，第一切换元件103和第二切换元件104将以低于高温时的谐振频率fpy2的频率工作。因此，电源100的输入电力减小，由此定影辊92需要更长的时间达到目标温度。

由此，在本典型实施例中，考虑根据热敏电阻器95检测到的温度来改变PWM信号1和PWM信号2的最小频率(见图7)。

将参考图8的流程图来描述在PWM生成电路20加热定影装置时温度控制电路的控制操作。图8示出当控制要供给至电磁感应线圈91的电力时的频率控制。

在步骤S4000中，PWM生成电路20判断热敏电阻器95检测到的温度T是否等于或高于目标温度To。如果检测到的温度T等于或高于目标温度To(步骤S4000中为“是”)，则处理进入下文描述的温度控制。另一方面，如果检测到的温度T小于目标温度To(步骤S4000中为“否”)，则处理进入步骤S4001。在步骤S4001和S4002中，PWM生成电路20比较从电压检测电路111的输出Vs和电流检测电路的输出Is所获得的输入电力PW与目标电力PWo。

如果输入电力PW大于目标电力PWo(步骤S4001中为“是”)，则在步骤S4005中，PWM生成电路20判断通过将PWM信号1和PWM信号2的驱动频率f提高预定值fa所获得的值是否大于最大频率Fmax。如果值f+fa不大于最大频率Fmax(步骤S4005中为“否”)，则在步骤S4008中，将频率提高预定值fa。另一方面，如果值f+fa大于最大频率Fmax(步骤S4005中为“是”)，则在步骤S4009中，PWM生成电路20将驱动频率设置为Fmax。

在步骤S4002中，如果输入电力PW小于目标电力PWo(步骤S4002中为“是”)，则在步骤S4004中，PWM生成电路20判断将驱动频率f减去预定值fb所获得的值是否低于最小频率Fmin。如果值f-fb不小于最小频率Fmin(步骤S4004中为“否”)，则在步骤S4006中，将频率f减去预定值fb。另一方面，如果值f-fb小于最小频率Fmin(步骤S4004中为“是”)，则在步骤S4007中，PWM生成电路20将驱动频率设置为Fmin。

如果输入电力PW等于目标电力PWo(步骤S4001和S4002中为“否”)，则在步骤S4003中，PWM生成电路20保持驱动频率f。在当图像形成设备通电时定影装置加热的情况下，要供给至定影装置的电力变得非常大。因此，在比较电力时确定驱动频率，以使得要供给的电力不大于目标电力。

PWM生成电路20可通过硬件逻辑进行控制，来代替通过软件进行控制。

接着，将参考图9的流程图描述温度控制时的频率控制。在步骤S5001和S5002中，PWM生成电路20比较热敏电阻器95检测到的定影辊92的温度T与目标温度To。

如果温度T大于目标温度To(步骤S5001中为“是”)，则在步骤S5005中，PWM生成电路20判断通过将PWM信号1和PWM信号2的驱动频率f提高预定值fa所获得的值是否大于最大频率Fmax。如果值f+fa不大于最大频率Fmax(步骤S5005中为“否”)，则在步骤S5008中，将频率提高预定值fa。另一方面，如果值f+fa大于最大频率Fmax(步骤S5005中为“是”)，则在步骤S5009中，PWM生成电路20将驱动频率设置为Fmax。

如果温度T小于目标温度To(步骤S5002中为“是”)，则在步骤S5004中，PWM生成电路20判断将驱动频率f减去预定值fb所获得的值是否小于最小频率Fmin。如果值f-fb不小于最小频率Fmin(步骤S5004中为“否”)，则在步骤S5006中，将频率f减去预定值fb。另一方面，如果值f-fb小于最小频率Fmin(步骤S5004中为“是”)，则在步骤S5007中，PWM生成电路20将驱动频率设置为Fmin。

如果温度T等于目标温度To(步骤S5001和S5002中为“否”)，则在步骤S5003中，PWM生成电路20保持驱动频率f。

随后，将参考图10描述改变最小频率Fmin的操作。流程图示出的处理由CPU 10执行。

首先，在步骤S 602中，CPU 10将PWM信号1和PWM信号2的最小频率设置为Fmin1，并将该设置通知给PWM生成电路20。

CPU 10总是通过热敏电阻器95监视定影辊92的温度。在步骤S603中，CPU 10判断定影辊92的温度是否等于或高于预定温度Th。预定温度Th是用于切换最小频率的阈值，且预定温度Th低于目标温度To。

在定影辊92被加热且定影辊92的温度达到预定温度Th之前(步骤S603中为“否”)，在步骤S604中，CPU 10将最小频率保持在Fmin1。

当定影辊92的温度等于或高于预定温度Th时(步骤S603中为“是”)，则在步骤S606中，CPU 10将最小频率变为Fmin2(＞Fmin1)，并将改变后的最小频率通知给PWM生成电路20。PWM生成电路20确定PWM信号1和PWM信号2的频率以使其不低于CPU 10所通知的最小频率。

在这种情况下，将最小频率Fmin2设置为不低于谐振频率fpy的值，谐振频率fpy是由谐振电容器105的电容和当定影辊92的温度为Th时定影辊92的负载电感来确定的。通过随着定影辊92的温度升高来改变PWM信号1和PWM信号2的最小频率Fmin，可以使切换元件103和104在等于或高于谐振频率fpy的频率时进行切换操作。

通过进行上述处理，在感应加热的操作期间驱动信号121和122的驱动频率总是等于或高于谐振频率。因此，即使定影辊92的温度升高且其特性改变，也可以避免电源100的输入电力减小的问题。

在第二典型实施例中，描述了采用温度Th1和Th2两级温度来切换最小频率的情况。由于第二典型实施例除用于切换最小频率的处理之外与第一典型实施例类似，此处将描述用于切换最小频率的操作。

将参考图11描述CPU 10切换最小频率的操作。首先，在步骤S702中，CPU 10将最小频率设置为Fmin1，并将该设置通知给PWM生成电路20。

CPU 10总是监视定影辊92的温度。在步骤S703中，CPU 10判断定影辊92的温度是否等于或高于预定温度Th1。在定影辊92的温度等于或高于预定温度Th1之前(步骤S703中为“否”)，在步骤S704中，CPU 10将PWM信号1和PWM信号2的最小频率的设置值维持在Fmin1。

如果定影辊92的温度等于或高于预定温度Th1(步骤S703中为“是”)，则在步骤S710中，CPU 10判断定影辊92的温度是否等于或高于预定温度Th2。如果定影辊92的温度小于预定温度Th2(步骤S710中为“否”)，则在步骤S711中，CPU 10将最小频率设置为Fmin2(＞Fmin1)，并将该设置通知给PWM生成电路20。如果定影辊92的温度等于或高于预定温度Th2(步骤S710中为“是”)，则在步骤S713中，CPU 10将最小频率设置为Fmin3(＞Fmin2)，并将该设置通知给PWM生成电路20。

在这种情况下，将最小频率Fmin2和Fmin3设置为分别不低于谐振频率fpy1和fpy2的值，谐振频率fpy1是由谐振电容器105的电容和定影辊92在温度Th1时定影辊92的电感来确定的，谐振频率fpy2是由谐振电容器105的电容和定影辊92在温度Th2时定影辊92的电感来确定的。

与第一典型实施例相比，通过提供三级以切换最小频率，可以实现更加精细的电力控制。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims (9)

1.一种感应加热电路，包括：

导电加热元件，用于使用感应加热方法生成热；

感应线圈，用于生成感应加热用的磁场；

驱动信号生成部件，用于确定用于将电力提供至所述感应线圈的驱动信号的频率，并且生成所述驱动信号；

温度检测部件，用于检测所述导电加热元件的温度；以及

控制部件，用于根据所述温度检测部件所检测到的温度来调整所述驱动信号的最小频率，以使得所述驱动信号生成部件所生成的驱动信号的频率等于或大于所述感应加热电路的谐振频率，

其中，所述控制部件将所述温度检测部件所检测到的温度为第二温度的情况下的所述驱动信号的最小频率控制为大于所述温度检测部件所检测到的温度为低于所述第二温度的第一温度的情况下的所述驱动信号的最小频率。

2.根据权利要求1所述的感应加热电路，其特征在于，在所述温度检测部件所检测到的温度等于或高于预定温度的情况下，所述控制部件增大所述驱动信号的最小频率；以及在所述温度检测部件所检测到的温度低于所述预定温度的情况下，所述控制部件维持所述驱动信号的最小频率。

3.根据权利要求1所述的感应加热电路，其特征在于，当所述温度检测部件所检测到的温度高于目标温度时，如果将所述驱动信号的频率值增大预定量所获得的频率值不大于所述驱动信号的最大频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率值增大所述预定量，以及如果将所述驱动信号的频率值增大所述预定量所获得的频率值大于所述驱动信号的最大频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率设置为最大频率。

4.根据权利要求1所述的感应加热电路，其特征在于，当所述温度检测部件所检测到的温度低于目标温度时，如果将所述驱动信号的频率值减小预定量所获得的频率值不小于所述驱动信号的最小频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率值减小所述预定量，以及如果将所述驱动信号的频率值减小所述预定量所获得的频率值小于所述驱动信号的最小频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率设置为最小频率。

5.根据权利要求1所述的感应加热电路，其特征在于，当所述温度检测部件所检测到的温度低于目标温度、并且输入电力大于目标电力时，如果将所述驱动信号的频率值增大预定量所获得的频率值不大于所述驱动信号的最大频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率值增大所述预定量，以及如果将所述驱动信号的频率值增大所述预定量所获得的频率值大于所述驱动信号的最大频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率设置为最大频率。

6.根据权利要求1所述的感应加热电路，其特征在于，当所述温度检测部件所检测到的温度低于目标温度、并且输入电力小于目标电力时，如果将所述驱动信号的频率值减小预定量所获得的频率值不小于所述驱动信号的最小频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率值减小所述预定量，以及如果将所述驱动信号的频率值减小所述预定量所获得的频率值小于所述驱动信号的最小频率，则所述驱动信号生成部件将所述驱动信号的频率设置为最小频率。

7.根据权利要求2所述的感应加热电路，其特征在于，所述导电加热元件由具有当温度高于居里温度时失去磁性的特性的磁性材料制成，并且所述预定温度是低于所述居里温度的温度。

8.根据权利要求2所述的感应加热电路，其特征在于，所述预定温度是低于目标温度的温度。

9.一种图像形成设备，包括根据权利要求1～8中的任一项所述的感应加热电路。

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