JP2005190765A

JP2005190765A - 加熱装置及び定着装置

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Publication number: JP2005190765A
Application number: JP2003428993A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Ito; 和善伊藤; Koichi Azuma; 恒一東; Yasuhiro Uehara; 康博上原
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】電磁誘導加熱によって被加熱体の温度が急速に上昇する場合であっても、異常高温を迅速に検知し、有効に過加熱を防止する。
【解決手段】インバータ回路２８では、駆動回路４１からのパルス信号によって直流をスイッチングし、高周波電流として励磁コイル２２ｃに供給する。このインバータ回路の電圧及び電流を検知して励磁コイルに供給されている電力値を演算回路３９により演算し、比較制御回路４０でこれを指定電力値と比較して高周波電流のＯＮｄｕｔｙ幅を調整する。これにより励磁コイルへ供給される電力が指定電力値となるように制御される。被加熱体である定着ベルト２１が異常高温となるとインバータ回路の固有抵抗値が上昇するが、ＯＮｄｕｔｙ幅を大きくして供給電力量が指定値となるように制御され、このＯＮｄｕｔｙ幅を異常検知手段４４で検知することによって異常高温が迅速に検知される。
【選択図】図４

Description

本発明は、励磁コイルによって変動磁界を生成し、被加熱体が有する導電性層に発生する渦電流で発熱させる加熱装置、及び静電電位の差による潜像に粉体トナーを付着させることによって形成された可視像を前記加熱装置によって加熱溶融し、記録シート上に定着する定着装置に関する。

一般に、粉状のトナーを用いる画像形成装置においてトナー像を定着する工程は、トナー像を記録媒体上に静電的に転写した後、加熱部材と加圧部材との間に記録媒体を挟み込み、トナー像を加熱溶融して記録媒体に圧着する方法が広く採用されている。

上記加熱部材を加熱する手段として、特開平１０−２５４２６３号公報（特許文献１）、特開平１１-３５２８０４号公報（特許文献２）等には、加熱部材に導電性層を設け、電磁誘導加熱によって導電性層を発熱させるものが記載されている。

電磁誘導加熱は、変動磁界を発生する励磁コイルを導電性層に近接配置し、導電性層に発生する渦電流で発熱するものである。この電磁誘導加熱によれば、加熱部材を直接加熱することができるとともに、高温となる範囲が極めて限られた範囲となり、加熱部材を短い時間で所定の温度まで加熱することができる。このため、加熱源としてハロゲンランプ等の発熱体を用いる場合に比べ、装置のウォーミングアップ時間を短縮することができ、消費電力を低減することができる。

一方、加熱部材（定着部材）は加熱ロールの他、無端状の定着ベルトが一般に用いられており、該無端状ベルトには複数の支持ロールによって張架されたタイプと、内部に押圧部材を有し無張架の状態で周回駆動されるタイプとがある。定着ベルトは薄肉の耐熱性樹脂等を基層とし、加熱ロールに比べ熱容量が小さいため、加熱ロールより短時間でウォーミングアップを行なうことができる。さらに、無張架タイプの定着ベルトは、他の部材との接触する面積を小さくすることができ、他の部材への熱移動が低減される。このため、一層効率の良いウォーミングアップを行なうことができる。

上記のように加熱部材として無端状ベルトを用い、これを電磁誘導加熱する装置では、無端状ベルトが複数のロールによって張架されるときには、特許文献２に記載されているように張架されたベルトの内面又は外面と対向するように励磁コイルが配置される。一方、無端状ベルトが無張架の状態で周回駆動されるものでは、特開２００３−８４５９１号公報（特許文献３）、特開２００３−９１１８５号公報（特許文献４）に記載されているように、無端状ベルトの外周面と近接対向するように励磁コイルが配置される。そして、ベルトを貫通する方向に変動磁界を発生し、その周囲に渦電流が誘導される。

上記励磁コイルへ供給する高周波電流は、一般に直流を高周波でスイッチングすることによって生成され、定電流制御又は定電力制御がなされる。また、励磁コイルへの電力供給は、被加熱体である定着部材の温度を温度センサで検知し、所定の温度が維持されるようにＯＮ／ＯＦＦ制御がなされる。
特開平１０−２５４２６３号公報特開平１１−３５２８０４号公報特開２００３−８４５９１号公報特開２００３−９１１８５号公報

電磁誘導を利用した加熱装置及びこれを利用した定着装置では、上記のように利点を有するものではあるが問題点もあり、その一つに、昇温速度が早いと言う利点のために、被加熱体が異常高温（過加熱）となった場合の安全対策の難しさがある。この異常高温に対する安全対策は、従来のハロゲンランプを用いた定着装置の場合では、サーモスタットや温度ヒューズなどを定着ローラに接触させたり、その近傍に配設し、定着ローラが一定の温度に達した場合に、ハロゲンランプへの電流路を遮断するようにして定着ローラの過加熱を防止している。

しかしながら、サーモスタットや温度ヒューズなどは、その動作にある程度の時間の遅れがある。つまり、被加熱体の実際の温度が遅れて検知され、サーミスタ等が所定の基準温度を検知し動作したときには被加熱体は基準温度より高温となっている。昇温速度の遅いハロゲンランプの場合には、それでも十分に定着ローラの過加熱を防止することができるが、誘導加熱の場合にはその昇温速度が速いために、適切に制御できない場合が生じる。また、被加熱体が熱容量の小さいベルトである場合には、上記問題点は特に顕著となる。

図１０は、被加熱体の温度とこの温度を検知するバイメタル及びヒューズの温度の差の一例を示す概略図である。
被加熱体にバイメタルを直接接触させて用いるサーモスタットの場合でも、被加熱体が異常高温Ｔ0 となり、その温度Ｔ0 を検知するまでに５０〜６０秒程度（ｔ０からｔ１）の時間を要し、温度ヒューズの場合には、直接定着ローラに接触させることができないため、さらに長く約１００秒程度（ｔ０からｔ２）要する。その間に定着ローラは異常温度Ｔ0 からさらに温度Ｔ１、Ｔ２と高くなる。熱容量の低い回転体の場合には、さらに昇温の傾きが大きくなるため、このような熱伝達の遅れの間に上昇する温度（Ｔ１、Ｔ２）に耐え得る高温耐熱部材を用いる必要がある。一方、制御のための基準温度を、被加熱体の異常とする温度Ｔ0より、低い温度（Ｔ3又はＴ4）に設定すると、温度検知の誤差が大きくなり、さらに昇温の傾きが大きいとこの傾向は顕著となる。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁誘導加熱によって被加熱体の温度が急速に上昇する場合であっても、異常高温を迅速に検知し、有効に過加熱を防止することができる加熱装置又はこのような加熱装置を用いた定着装置を提供するものである。

上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、被加熱体が有する導電性層に渦電流を発生させるための励磁コイルと、直流をスイッチングすることによって高周波電流を生成し、前記励磁コイルに供給する高周波発生回路と、前記高周波発生回路に供給される電圧を検知する電圧検知手段と、前記高周波発生回路の電流を検知する電流検知手段と、前記電圧検知手段と前記電流検知手段とから得られた信号に基づいて励磁コイルへ供給される電力値を算出する演算回路と、前記励磁コイルへ供給する電力値を指定する電力値指示手段と、前記電力値指示手段からの出力値と前記演算回路で算出された電力値を比較し、前記励磁コイルへ供給する電力値が前記電力値指示手段の出力値に近づくように、励磁コイルのへ供給する電流の周期又はＯＮｄｕｔｙ幅を設定する信号を出力する比較制御回路と、前記比較制御回路から出力される信号に対応する周期又はＯＮｄｕｔｙ幅の値を、所定の基準上限値と比較し、該基準上限値以上である場合又は該基準上限値を超える場合に、その旨の信号を出力する異常検知手段とを有する加熱装置を提供する。

この加熱装置では、検知された電圧値及び電流値から供給されている電力値が演算され、これが電力値指示手段で設定された指示電力値と比較され留。そして、指示電力値が高周波発生回路に供給されるように定電力制御が行われる。つまり、被加熱体及び励磁コイルが加熱され高温となると励磁コイル及び高周波発生回路の固有抵抗値が上昇し、磁気結合が低下して入力される電力値が低下する傾向となるが、高周波発生回路のスイッチングにより周期又はスイッチングのＯＮｄｕｔｙ幅を調整することによって励磁コイルへ供給される電力値がほぼ一定となるように制御される。したがって、被加熱体の温度が上昇することによって周期又はＯＮｄｕｔｙ幅が大きくなり、この値を予め設定された基準上限値と比較することによって、被加熱体の温度が異常な高温になったときに、これを直ちに検知することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の加熱装置において、前記異常検知手段は、基準上限値として複数の値が設定されており、該加熱装置の使用状態に応じて複数の基準上限値から一の値を選択して用いるものとする。

この定着装置では、被加熱体の初期加熱時のように低温の状態から所定の温度まで加熱するときと、所定の温度に被加熱体を維持するときとで、それぞれ異なる入力電力を設定しておき、これらを切り換えて加熱することができる。これにより、状況に応じて効率の良い加熱が可能になるとともに、異常温度の検知も的確に行うことができる。例えば、この加熱装置をトナー像の定着を行う定着装置に用いるときには、装置の起動時における予備加熱時（ウォーミングアップ時）と定常運転時とで設定を切り換えることにより、予備加熱時には大きな電力を投入して急速に加熱することができ、定常運転時には入力電力を低く抑えて、安定した温度制御を行うことができる。そして、それぞれの状況に応じて適切な異常高温対策が可能となる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の加熱装置において、前記異常検知手段は、前記比較制御回路から出力される信号に対応する周期又はＯＮｄｕｔｙ幅の値が、前記基準上限値以上となったこと又は該基準上限値を超えたことを複数回検知したときに、異常を示す信号を出力するものとする。

異常検知手段が基準上限値を超える値を検知しても、これが突破的なノイズ等による誤信号であった場合には、装置が誤作動となってしまう。しかし、この加熱装置では、周期又はＯＮｄｕｔｙ幅が基準上限値以上となったこと示す信号を複数回検知したときに被加熱体が異常温度となったと判断するものであるため、上記のような誤作動を回避することができる。例えば、あるサンプリング周期で比較制御回路からの信号に基づいて周期又はＯＮｄｕｔｙ幅の値を基準上限値と比較し、異常温度が検出された回数をカウントする。そして、この回数が所定値に達したときに、被加熱体が異常温度になっていると判定して、前記高周波発生回路の動作を停止させ熱暴走を事前に防止することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の加熱装置において、前記異常検知手段は、前記比較制御回路から出力される信号に対応する周期又はＯＮｄｕｔｙ幅の値が、前記基準上限値以上となったこと又は該基準上限値を超えたことを検知し、さらに所定時間経過後に再び前記基準上限値以上となったこと又は該基準上限値を超えたことを検知したときに、異常を示す信号を出力するものとする。

この定着装置では、請求項４に係る発明と同様に、ノイズ等による誤作動を防止するものであり、異常検知手段が基準上限値以上の値を検知し、さらに所定時間の経過後にも基準上限値以上の値を検知した場合には異常状態が続いていると判断し、誤作動を生じることなく前記高周波発生回路の動作を適切に停止させることができる。

請求項５に係る発明は、無端状の周面を有し、粉体トナーによって形成されたトナー像に接触する定着部材と、該定着部材を加熱する加熱装置と、該定着部材に圧接される加圧部材とを有し、前記定着部材に接触して加熱され溶融したトナー像を、前記加圧部材と前記定着部材との間を通過する記録媒体に圧着する定着装置であって、前記加熱装置が、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の加熱装置である定着装置を提供するものである。

この定着装置では、電磁誘導加熱装置によって加熱される定着部材の異常温度を迅速に検知し、適切に加熱を停止することができ、定着部材に薄いベルト等を用いても、ベルトの異常加熱や損傷を確実に防止することができる。

以上説明したように、本願発明に係る加熱装置では、高周波発生回路から励磁コイルに入力される電力を検知し、予め設定された指定電力値と比較する。そして、この比較に基づいて励磁コイルに供給する高周波電流の周期又はＯＮｄｕｔｙ幅を調整するものとなっているので、励磁コイルに所定の電力を供給することができる。また、供給されている高周波電流の周期又はＯＮｄｕｔｙ幅を異常高温時の周期又はＯＮｄｕｔｙ幅に相当する基準上限値と比較することにより、瞬時に異常を検知できる。さらに、基準上限値を複数設定することにより、状況に応じて入力電力の指示値が変更される場合にも、異常高温を的確に検知することができ、異常高温検知の精度が向上する。

以下、本願に係る発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本願発明の一実施形態である加熱装置及び定着装置が用いられる画像形成装置の概略構成図である。
この画像形成装置は、一様帯電後に像光が照射されて表面に静電電位の差による潜像が形成される円筒状の感光体ドラム１を備えており、この感光体ドラム１の周囲に、感光体ドラム１の表面を一様に帯電させる帯電装置２と、感光体ドラム１に像光を照射して表面に潜像を形成する露光装置３と、感光体ドラム上の潜像にトナーを選択的に転移させてトナー像を形成する現像ユニット４と、感光体ドラム１と対向し、周囲が周回可能に支持される無端ベルト状の中間転写体５と、トナー像の転写後に感光体ドラム１に残留するトナーを除去するクリーニング装置６と、感光体ドラム１の表面を除電する除電露光装置７とを備えている。

また、上記中間転写体５の内側には、感光体ドラム上に形成されたトナー像を中間転写体５に一次転写させる転写帯電器８と、２つの支持ロール９a、９ｂと、二次転写を行うための転写対向ロール１０とが配置されており、これらによって中間転写体５が周回可能に張架されている。該転写対向ロール１０と中間転写体５を介して対向する位置には、中間転写体上のトナー像を記録紙に転写する転写ロール１１が配設されており、該転写対向ロール１０と転写ロール１１との圧接部に、用紙トレイ（図示しない）から記録紙Ｐが送り込まれる。また、圧接部の下流側には、記録紙上のトナー像を加熱溶融して記録紙に圧着する定着装置１２と、中間転写体５に沿った位置に、中間転写体上に残留するトナーを除去するクリーニング装置１３とが設けられている。

上記感光体ドラム１は、金属製ドラム表面にSe、a-Si、a-SiC、Cds等の各種無機感光材料、有機感光材料、アモルファスセレン系感光材料、アモルファスシリコン系感光材料等からなる感光体層を形成したものを用いることができる。

上記帯電装置２は、ステンレススチール、アルミニウム等の導電性を有する金属のロールに高抵抗材料のコーティングを施したものであり、感光体ドラム１に当接され、従動回転するようになっている。そして、所定の電圧が印加されることにより、該ロールと感光体ドラム１との接触部近傍における微小間隙内で継続的な放電を生じ、感光体ドラム１の表面をほぼ一様に帯電するものである。

露光装置３は、画像信号に基づいて点滅するレーザー光を発生し、これをポリゴンミラーによって感光体ドラム１の主走査方向にスキャンするものである。これにより感光体ドラム１の表面に静電潜像が形成される。

上記現像ユニット４は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのトナーを収容した４台の現像器４a 〜４dが回転可能に支持されており、順次各現像器４a 〜４dが感光体ドラム１と近接・対向して、各色に対応した潜像に、トナーを転移して可視像を形成するものである。

ベルト状の上記中間転写体５は、ベース層と表面層との２層構造となっており、ベース層には、耐熱性・強度・表面平滑性を考慮して、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド等の耐熱性樹脂や、アルミニウム、ステンレス等の金属を用い、表面層には、耐熱性およびトナーとの離型性の高いシリコーンゴム、フッ素ゴム等を用いている。

上記転写帯電器８は、感光体ドラム１上のトナー像が、効率よく中間転写体５へ転移するように、電圧を印加することによって中間転写体５の裏面に電荷を付与するものである。また、上記転写ロール１１は、導電性もしくは半導電性のロール状部材からなり、転写対向ロール１０との間に電圧を印加することによって、中間転写体５上のトナー像を記録紙Ｐに一括転写するものである。

このような画像形成装置において、トナー像の形成は次のような工程によって行われる。
まず、感光体ドラム１の表面が帯電装置２でほぼ一様に帯電され、つづいて露光装置３から像光が照射されて感光体１の表面に静電電位の差による潜像が形成される。そして、感光体ドラム１の回転により、現像ユニット４の１つの現像器４aと対向する位置に移動し、現像器４aから１色目のトナーが移転され、トナー像が形成される。このトナー像は、感光体ドラム１の周回移動により中間転写体５との対向位置に搬送され、中間転写体上に静電的に一次転写される。一方、一次転写後に感光体ドラム１上に残留するトナーはクリーニング装置６により除去され、感光体ドラム１の表面は除電露光装置７により電位的に初期化され、再び帯電装置２との対向位置に移動する。

以後、現像ユニット４の３つの現像器４ｂ、４ｃ、４ｄが順次、感光体ドラム１と対向する位置に移動し、同様に２色目、３色目、４色目のトナー像が順次形成され、中間転写体５上に重ねて転写される。なお、このとき二次転写のための転写ロール１１は、中間転写体５と接触しない位置に後退している。

中間転写体５上で重ね合わされたトナー像Ｔは、中間転写体５の周回移動により、転写ロール１１と転写対向ロール１０との対向位置に搬送され、用紙トレイから送り込まれた記録紙Ｐに当接される。転写ロール１１と中間転写体５との間には転写用バイアス電圧が印加されており、トナー像Ｔは記録紙上に二次転写される。そして、トナー像Ｔが転写された記録紙Ｐは定着装置１２へと搬送される。

次に、上記定着装置１２の構成を図２に基づいて説明する。
この定着装置１２は、無端状の定着ベルト２１と、定着ベルト２１の周面と対向する位置に支持された電磁誘導加熱装置２２と、定着ベルト２１に圧接される加圧ロール２３と、定着ベルト２１の内側に支持され、加圧ロール２３との間に定着ベルト２１を挟み込む加圧対向部材２４と、加圧ロール２３と定着ベルト２１との圧接部の下流側近傍に支持された剥離部材２６とを有している。また、加圧ロール２３と定着ベルト２１との圧接部の上流側に定着ベルト２１の周面の温度を測定する温度センサ２７が設けられている。そして、高周波電流を生成して上記電磁誘導加熱装置２２に供給するインバータ回路２８と、このインバータ回路２８へ駆動信号を出力し、上記電磁誘導加熱装置の作動を制御する制御装置２９とが設けられており、温度センサ２７の検出信号は、この制御装置２８に入力されるものとなっている。なお、上記制御装置２９は、画像形成装置全体の駆動を制御する機能を備えるものであってもよい。

上記定着ベルト２１は、図３（ａ）に示すように、ポリイミド、ポリイミドアミド等に代表される耐熱性の高いシート状部材を基体層２１ａとし、その上に導電性層２１ｂ、さらにその上に弾性層２１ｃ、表面離型層２１ｄを積層したものである。導電性層２１ｂは、例えば鉄、磁性ステンレス、ニッケルなどの磁性金属、またはこれら主体の合金や、非磁性ステンレス、アルミニウム、銅などの非磁性金属、またはこれら主体の合金を、厚さ５μｍ〜５０μｍで形成したものが用いられ、電磁誘導で十分な発熱が得られるような固有抵抗値となるように材質が選択される。弾性層２１ｃは、記録紙上のトナー像に定着ベルト２１の表面を密着させるものであり、耐熱性を有し、熱伝導率の高いシリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコンゴム等が用いられ、厚さは１０μｍ〜５００μｍ、硬度は６００（ＪＩＳ−ＫＡ型試験機）以下とするのが望ましい。表面離型層２１ｄは、厚さが１μｍ〜１００μｍの、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、等の離型性及び耐熱性の高いものを用いることができる。

なお、上記定着ベルト２１に代えて、図３（ｂ）に示すような定着ベルト１２１を用いても良い。この定着ベルトは、耐熱性樹脂層１２１ａ，１２１ｃが二層に分けて形成され、これらの間に導電性層１２１ｂが形成されている。そして、その表面に弾性層１２１ｄと表面離型層１２１ｅが積層されたものである。この定着ベルトでは、導電性層である金属層を薄く形成しても、繰り返し曲げ変形を受けることによる劣化を抑制することができる。

上記加圧ロール２３は、円形断面を有する金属製の芯金２３aの表面にスポンジやゴムなどの弾性層２３ｂと、表面を被覆する表面層２３ｃとを備えている。この加圧ロール２３は、駆動モータ（図示しない）によって回転駆動され、これにともなって定着ベルト２１が従動回転する。

上記電磁誘導加熱装置２２は、定着ベルト２１の外周面に倣って、この外周面とのギャップが１〜３ｍｍとなるように配置されており、定着ベルト２１の導電性層２１ｂを発熱させるものである。この電磁誘導加熱装置２２は、台座２２aに支持されたフェライト等からなる磁性体コア２２ｂと、この磁性体コア２２ｂの周囲に巻き回された励磁コイル２２ｃとを備えている。

上記加圧対向部材２４は、加圧ロール２３の周面に沿った形に湾曲した当接面を備える弾性部材２４ａと、この弾性部材２４ａを支持し、定着ベルトの幅方向における両端部で固定支持された支持部材２４ｂと、この支持部材２４ｂに支持され、定着ベルト２１の幅方向における両端部で内周面に当接され、定着ベルト２１の位置を規制するベルト走行ガイド（図示しない）によって主要部が構成されている。

剥離部材２6は、先端が定着ベルト２１に近接または接触するように配置されており、圧接部を通過した記録紙Ｐと定着ベルト２１との間に先端部が入り込み、記録紙Ｐを定着ベルト２１から剥離する。

温度センサ２７は定着ベルト２１と対向して配置され、定着ベルト２１の温度を検出するものであり、その検出値を制御装置２９に対して出力するものとなっている。この温度センサ２７は、赤外線により非接触で温度を検出するものであるが、被測定体に接触した状態で温度を測定するものを用いることもできる。例えば、ゼーベック効果を利用した熱電対や、抵抗の温度係数が大きい素子を用いたサーミスタ等を用いることができる。この温度センサ２７は、一箇所で温度検出するものでも良いが、複数の位置で温度検出するように、複数を設けるのが望ましい。

図４は、上記インバータ回路２８と上記制御装置２９とを示す概略構成図である。
高周波発生回路であるインバータ回路２８には、商用電源３１（ＡＣ１００Ｖ）からの交流を整流回路３２によって整流した直流（ＤＣ）が入力されており、スイッチング素子３３により高周波でＯＮ／ＯＦＦして高周波電流とし、励磁コイル２２ｃに供給される。励磁コイル２２ｃは、共振用コンデンサ３４と並列に接続されており、ＬＣ共振回路を形成している。上記スイッチング素子３３は、制御装置２９から出力される駆動信号によって駆動される。

図５は上記インバータ回路２８のスイッチング素子３３がＯＮ／ＯＦＦされたときの各部における電流値及び電圧値を示すものである。
スイッチング素子３３をＯＮ状態とすると励磁コイル２２ｃに電流が生じ、インダクタンスによって電流量は徐々に増加する。スイッチング素子３３がＯＦＦにされると励磁コイル（Ｌ）２２ｃの電流量は徐々に減少し、コンデンサ３４がチャージされる。これにともない図４中のＱ、Ｄにおける電圧値は上昇し、その後低下する。また、励磁コイル２２ｃの電流は逆方向に転じ、スイッチング素子３４と並列に介挿されたダイオード３５に極短時間の回生電流が生じる。そして再びスイッチング素子３４をＯＮとする。このようなスイッチングではＯＦＦ状態とするタイミングからＯＮ状態とするタイミングまでがこのインバータ回路のＬＣによって決定され、スイッチングの１周期を設定することによってスイッチング素子３４をＯＮ状態とする時間すなわちＯＮｄｕｔｙ幅が決まる。そして、ＯＮｄｕｔｙ幅が大きくなると供給電力量が増大することになり、周期又は周波数の設定によって供給電力量が調整されるものとなっている。

上記制御装置２９は、インバータ回路２８に入力される電流値を検知する電流検知手段３６と、インバータ回路２８の電圧値を検出する電圧検出手段３７と、電流検出手段及び電圧検出手段の出力をデジタル量に変換するＡ／Ｄ変換手段３８と、デジタル量とされた電圧値及び電流値とから励磁コイルへの供給電力値を演算する演算回路３９と、被加熱体である定着ベルト２１の検出温度に基づいて励磁コイル２２ｃに供給する電力値を設定する電力値指示手段４２と、電力値指示手段から出力された外部指示電力値と前記演算回路３９で演算された供給電力値と比較し、供給電力値が外部指示電力値に近づくように駆動制御信号を出力する比較制御回路４０と、比較制御回路４０から出力された駆動制御信号に基づいてスイッチング素子３４をＯＮ／ＯＦＦするための駆動信号をパルス信号として出力する駆動回路４１と、温度センサ２７によって検知された定着ベルト２１温度に基づいて温度制御信号を出力する温度制御手段４３と、上記比較制御回路４０から出力された駆動制御信号に基づいて駆動信号の周期又は駆動信号のＯＮｄｕｔｙ幅を所定の基準上限値と比較し、被加熱体である定着ベルト２１の過加熱を検知する異常検知手段４４とを備えるものである。

上記電力値指示手段４２は、温度制御手段４３からの信号が入力され、被加熱体である定着ベルト２１の温度が高いときには励磁コイル２２ｃへ供給する電力の指示値を低減し、記録媒体等に奪われる熱量が多く、定着ベルト２１の温度が低いときには指示電力値を大きく設定する。また、定着ベルト２１の予備加熱時と、定着動作を行っているときとでは、異なる指示電力値が設定されるものとなっている。

上記比較制御回路４０には、図６に示すように周波数と電力値との関係が予め測定値等に基づいて設定されており、これにしたがって励磁コイル２２ｃに供給する高周波電流の周波数を規定する信号すなわち動作周期を規定する信号を出力する。しかし、定着ベルト２１及び励磁コイル２２ｃの温度が変化すると定着ベルト２１及び励磁コイル２２ｃのインピーダンスが変動し、高温になると電圧値が低下する。このため指示電力値と演算回路３９で演算される供給電力値とに差が生じ、これらを比較して、供給電力値が指示電力値となるように図６に示される周波数と電力値との関係を変更する。例えば図６中のＡ曲線からＢ曲線、Ｃ曲線とシフトし、周波数を設定する。これにより出力する駆動制御信号によって規定される周波数は小さくなり、ＯＮｄｕｔｙ幅は大きくなって、実際に供給される電力値は指示電力値に近づく。

上記異常検知手段４４は、上記駆動制御信号によって規定される周期又はＯＮｄｕｔｙ幅を検出し、基準上限値と比較するものであり、基準上限値を超えた場合には、定着ベルト２１及び励磁コイル２２ｃの温度が異常に高温となってインピーダンスが過度に大きくなっている判断する。そして、ノイズや突発的な異常信号による誤作動を防止するために、上記基準上限値を超える値を所定の回数検出したときに異常であることを示す信号を出力するものとなっている。

次に、上記定着装置１２の動作について説明する。
加圧ロール２３が駆動を開始し、定着ベルト２１が従動して周回を開始するのとほぼ同時、あるいは開始直後に、インバータ回路２８から励磁コイル２２ｃに高周波電流が供給される。励磁コイル２２ｃに高周波電流が供給されると、励磁コイル２２ｃの周囲に矢印Ｈで示される磁束が生成消滅を繰り返す。そして、この磁界Ｈが定着ベルト２１の導電性層を横切るとき、その磁界の変化を妨げる磁界を生じるように、導電性層には渦電流が発生し、導電性層の表皮抵抗および導電性層を流れる電流の大きさに比例して発熱する。

上記定着装置に送り込まれた記録紙Ｐは、電磁誘導加熱装置２２によって所定の温度に加熱された定着ベルト２１と、加圧ロール２３とによって加熱押圧され、トナー像Ｔは記録紙Ｐに溶融圧着される。そして、記録紙Ｐは、加圧ロール２３と弾性部材２４ａとの圧接部から送り出されたとき、その剛性によって送り出された方向に直進しようとし、曲げ回される定着ベルト２１から剥離され易い状態となり、さらに、剥離部材２６によって定着ベルト２１から剥離される。

上記定着ベルト２１は、トナー像を定着するために適切な温度が維持されている必要があり、その温度の制御及び異常時における過加熱を防止するための制御は、温度センサ２７の出力等に基づいて次のように行われる。

定着装置１２は、例えば電源スイッチがＯＮ状態とされたときに、初期加熱（ウォーミングアップ）が行われるものとなっており、電力値指示手段４２からの指示電力値に基づいてインバータ回路に供給する高周波電流の周期を規定する信号が比較制御回路４０から出力される。これにより、駆動回路４１から駆動信号が出力されて、励磁コイル２２ｃに高周波電流が供給される。これにより定着ベルト２１の導電性層に渦電流が生じ、発熱する。このとき定着ベルト２１の温度は、温度センサ２７によって検知され、所定の温度に達したときに、励磁コイル２２ｃへの電力供給量は、初期加熱用の設定から定着に適した所定の温度を維持する設定に切り換えられる。

この後、画像形成動作が開始されると、定着ベルト２１は未定着トナー像を担持した記録紙Ｐに圧接され、トナー像を加圧加熱して定着する。これらの工程において、定着ベルト２１の温度は温度センサ２７によって検知されており、これらの出力に基づいて温度制御手段４３は電力値指示手段４２に対して信号を出力し、次のように定着ベルトの温度を制御する。

定着ベルト２１から記録紙Ｐ及びトナー像への熱移動及び放熱により定着ベルト２１の温度が低下し、所定の制御値を下回るときには、電力値指示手段４２から出力される指示電力値をより大きい値に変更する。これにより、インバータ回路に供給される電力量は上昇し、定着ベルト２１の発熱量が増加する。そして、定着ベルト２１の温度が上昇し、制御値より高温になると指示電力値をより小さい値に変更し、定着ベルト２１の発熱量が減少するように制御する。このような制御により、定着ベルト２１の温度は所定の制御値に近い温度に維持される。

このように検知温度に対応して設定された指示電力値に基づいて比較制御回路４０から高周波電流のＯＮｄｕｔｙ幅を規定する信号つまり供給電力値を設定する信号が駆動回路４１に対して出力されており、これに基づいて駆動信号がスイッチング素子３３に出力される。しかし、上記のようにＯＮｄｕｔｙ幅が規定されても、定着ベルト２１及び励磁コイル２２ｃのインピーダンスが変動することによって実際に供給される電力量が変動する。このため、電流検知手段３６、電圧検知手段３７によって検知された値をＡ／Ｄ変換手段３８及び演算回路３９で処理し、演算された供給電力値を比較制御回路４０で指示電力値と比較する。そして、駆動回路４１への駆動制御信号は、演算された実際の供給電力が指示電力値となるように修正され、出力される。

異常検知手段は、上記のように修正される駆動制御信号に基づき、被加熱体である定着ベルトの過加熱を次のように防止する。
導電性層を備える定着ベルト２１は、誘導加熱による温度上昇によって固有抵抗値が上昇する特性を持っている。誘導コイル２２ｃ側を一次側、被加熱体である定着ベルト２１側を二次側とした場合のそれぞれの抵抗分、インダクタンス分をＲ１，Ｌ１、Ｒ２、Ｌ２とし、結合因数をＡとするとき、負荷インピーダンスＺは、
Ｚ＝（Ｒ１＋Ａ²＊Ｒ２）＋ｊω（Ｌ１−Ａ²＊Ｌ２）
ただし、Ａ≒Ｍ／Ｌ２（Ｍは相互インダクタンス）
である。温度上昇により負荷インピーダンスの抵抗分が減少し、インダクタンス分が上昇することから、この現象は結合因数Ａが低くなることにより起こることがわかる。

従って、定着ベルトの温度上昇にともない磁気結合が低下して励磁コイル及び定着ベルトに供給する有効電力が減少してくる。これに対し、電力を一定に保とうとする上記電力制御が働いているため、スイッチング素子３３に印加される駆動信号（パルス信号）のＯＮｄｕｔｙ幅が増加する。

異常検知手段４４は、図７に示すように、上記定電力制御における電圧値・電流位置の計測（ＳＴ１）、供給されている電力値の演算（ＳＴ２）、指示電力値との比較（ＳＴ３）の各工程において、供給電力値Ｐｉｎが指示電力値Ｐｓｅｔより大きくなったときに作動する。そして、このときのＯＮｄｕｔｙ幅を予め定められた基準上限値と比較し（ＳＴ４）、基準上限値を超えているときに、これを示すパルス信号を出力する。このパルス信号をカウンタで数え（ＳＴ５）、所定の数を超えたときに、被加熱体である定着ベルトが異常温度になっていると判定して（ＳＴ６）駆動信号の出力を停止する（ＳＴ７）。これにより、インバータ回路２８の動作が全て停止し、励磁コイル２２ｃへの高周波電流の供給が遮断されて定着ベルト２１の過加熱が防止される。一方、所定の時間にパルス数のカウントが増加しないときには、ノイズ等による誤信号として、インバータ回路への電力供給を継続する。

なお、上記の異常検知工程では、ＯＮｄｕｔｙ幅が基準上限値を超えたことを示すパルス信号をカウントしているが、図８に示すように、基準上限値を超えたこと示すパルス信号の出力が継続する時間を計測し（ＳＴ１１）、この時間が基準時間を超えたときに異常加熱と判定して（ＳＴ１２）、インバータ回路への電力供給を停止しても良い。

上記のように、定着ベルト自体の温度による変動因子に基づいて異常温度を検出することにより、異常温度の検知に時間のずれを生じることがなくなり、迅速な対処が可能となる。したがって、より的確な過加熱に対する防護手段とすることが可能となる。

図９は、本願発明の加熱装置を用いた画像形成装置の他の例を示す概略構成図である。
この画像形成装置は、感光体ドラム５１、帯電装置５２、露光装置５３、現像ユニット５４、クリーニング装置５６、除電露光装置５７、転写装置５８については、図１に示す画像形成装置と、実質的に同じものを備えている。しかしながら、この画像形成装置では、中間転写体５５として、無端状の周面に沿って導電性層を有するものが用いられており、この中間転写体５５上のトナー像を加熱する電磁誘導加熱装置６２と、該中間転写体５５の温度を測定する温度センサ６３とが、中間転写体５５の周面に沿って設けられている。そして、制御装置６４が温度センサ６３の出力に基づいて、電磁誘導加熱装置６２が有するインバータ回路への電力供給を制御するものとなっている。

上記中間転写体５５は、耐熱性の高いシート状部材からなる基層と、その上に積層された導電性層と、最も上層となる表面離型層との３層で構成されており、導電性層は、電磁誘導で十分な発熱が得られるように材質が選択される。また、表面離型層は、離型性の高いシートまたはコート層であることが好ましく、一次転写時のトナー像の静電転写性も考慮して、カーボンブラックなどの導電材料を分散し、抵抗調整を行ったシートを用いてもよい。

また、上記制御装置６４は、図１に示す画像形成装置の定着装置で用いられているものと同じものであり、電磁誘導加熱装置６２も励磁コイルの形態は異なるものの、図４に示すものと同じ構成のインバータ回路を備えている。

この画像形成装置では、感光体ドラム５１から中間転写体５５上に転写され、複数色が重ね合わされたトナー像Ｔは、中間転写体５５の周回移動により、電磁誘導加熱装置６２と対向する加熱領域を通過する。トナー像Ｔは、中間転写体上で加熱されて溶融し、転写対向ロール６０と加圧ロール６１との圧接部に搬送される。この搬送にタイミングを合わせて、記録紙Ｐが用紙トレイ（図示しない）から中間転写体５５と加圧ロール６１との間に送り込まれ、トナー像Ｔが記録紙Ｐに圧着され、転写と定着とが同時に行われる。

このとき、温度センサ６３の検出値によって電磁誘導加熱装置６２に供給する電力量が制御され、中間転写体５の表面温度が所望の温度を維持するようになっている。この電磁誘導装置への電力供給の制御及び被加熱体である中間転写体５５の異常加熱の検知は、図１に示す画像形成装置の定着装置で行われるものと同様に行われる。

本願発明の一実施形態である定着装置及び加熱装置を用いた画像形成装置を示す概略構成図である。図１に示す画像形成装置で用いられる定着装置を示す概略構成図である。図２に示す定着装置で用いられる定着ベルトの拡大断面図である。制御装置とインバータ回路との構成を示す概略図である。図４に示すインバータ回路の各部における電流及び電圧の変化を示すタイミングチャートである。図４に示すインバータ回路に供給される高周波電流の周波数と電力値との関係の一例を示す図である。図４に示す制御装置における異常加熱を防止する動作のフロー図である。図４に示す制御装置における異常加熱を防止する動作の他の例を示すフロー図である。本願発明に係る加熱装置が用いられる画像形成装置の他の例を示す概略構成図である。被加熱体とこれの近くに設けられたバイメタル及び温度ヒューズの温度の変化を時間の経過を追って示す概略図である。

符号の説明

１：感光体ドラム、２：帯電装置、３：露光装置、４：現像ユニット、５：中間転写体、６：クリーニング装置、７：除電露光装置、８：転写帯電器、９：支持ロール、１０：転写対向ロール、１１：転写ロール、１２：定着装置、１３：クリーニング装置、
２１：定着ベルト、２１ａ：基体層、２１ｂ：導電性層、２１ｃ：弾性層、２１ｄ：表面離型層、２２：電磁誘導加熱装置、２３：加圧ロール（加圧部材）、２４：加圧対向部材、２６：剥離部材
２７：温度センサ、２８：インバータ回路、２９：制御装置
３１：商用電源、３２：整流回路、３３：スイッチング素子、３４：コンデンサ、３５：ダイオード、３６：電流検知手段、３７：電圧検知手段、３８：Ａ／Ｄ変換手段、３９：演算回路、４０：比較制御回路、４１：駆動回路、４２：電力値指示手段、４３：温度制御装置、４４：異常検知手段、
５１：感光体ドラム、５２：帯電装置、５３：露光装置、５４：現像ユニット、５５：中間転写体、５６：クリーニング装置、５７：除電露光装置、５８：転写帯電器、５９：支持ロール、６０：転写対向ロール、６１：転写ロール、６２：電誘導加熱装置、６３：温度センサ
１２１：中間転写体、１２１ａ：第１のポリイミド層、１２１ｂ：導電性層、１２１ｃ：第２のポリイミド層、１２１ｄ：弾性層、１２１ｅ：表面離型層

Claims

被加熱体が有する導電性層に渦電流を発生させるための励磁コイルと、
直流をスイッチングすることによって高周波電流を生成し、前記励磁コイルに供給する高周波発生回路と、
前記高周波発生回路に供給される電圧を検知する電圧検知手段と、
前記高周波発生回路の電流を検知する電流検知手段と、
前記電圧検知手段と前記電流検知手段とから得られた信号に基づいて励磁コイルへ供給される電力値を算出する演算回路と、
前記励磁コイルへ供給する電力値を指定する電力値指示手段と、
前記電力値指示手段からの出力値と前記演算回路で算出された電力値を比較し、前記励磁コイルへ供給する電力値が前記電力値指示手段の出力値に近づくように、励磁コイルのへ供給する電流の周期又はＯＮｄｕｔｙ幅を設定する信号を出力する比較制御回路と、
前記比較制御回路から出力される信号に対応する周期又はＯＮｄｕｔｙ幅の値を、所定の基準上限値と比較し、該基準上限値以上である場合又は該基準上限値を超える場合に、その旨の信号を出力する異常検知手段とを有することを特徴とする加熱装置。
前記異常検知手段は、基準上限値として複数の値が設定されており、該加熱装置の使用状態に応じて複数の基準上限値から一の値を選択して用いるものであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
前記異常検知手段は、前記比較制御回路から出力される信号に対応する周期又はＯＮｄｕｔｙ幅の値が、前記基準上限値以上となったこと又は該基準上限値を超えたことを複数回検知したときに、異常を示す信号を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
前記異常検知手段は、前記比較制御回路から出力される信号に対応する周期又はＯＮｄｕｔｙ幅の値が、前記基準上限値以上となったこと又は該基準上限値を超えたことを検知し、さらに所定時間経過後に再び前記基準上限値以上となったこと又は該基準上限値を超えたことを検知したときに、異常を示す信号を出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
無端状の周面を有し、粉体トナーによって形成されたトナー像に接触する定着部材と、
該定着部材を加熱する加熱装置と、
該定着部材に圧接される加圧部材とを有し、
前記定着部材に接触して加熱され溶融したトナー像を、前記加圧部材と前記定着部材との間を通過する記録媒体に圧着する定着装置であって、
前記加熱装置が、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の加熱装置であることを特徴とする定着装置。