JP2008103307A - 昇圧回路と電源装置と画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁誘導加熱時のスイッチング損失を少なくし、波高値を高くして加熱時間を短縮する。
【解決手段】 入力された直流電圧を所定の電圧に昇圧して負荷側へ電磁誘導するインダクタンス成分及び容量成分と電子スイッチを用いた電圧共振手段で構成される電気素子と、加熱速度を容易に速くすることが可能な昇圧機能をもつ加熱コイルを備えた。
【選択図】 図２

Description

この発明は、被加熱体を電磁誘導加熱（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ：ＩＨ）によって加熱する電磁誘導加熱手段へ給電する電圧を昇圧する昇圧回路と、その昇圧回路を備えた電源装置と、その電源装置を備えた用紙に転写された現像剤像を定着させる電子写真定着装置を備えたプリンタ，複写機，ファクシミリ装置，それらの複合機を含む画像形成装置とに関する。

従来、商用交流電圧によって駆動し、雷等のサージ電圧、瞬間的な停電、電圧低下、上昇等が発生した場合でも破壊しないようにした電磁誘導加熱装置（例えば、特許文献１参照）があった。
そのような電磁誘導加熱装置（ＩＨ装置）の電圧共振回路においてはＱ倍の電圧を発生する。
上記クオリティファクター（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ：Ｑ）は、電圧共振回路の良さを示す目安として用いられており、電圧共振回路の周波数ω_０、コイルのインダクタンスＬ、コンデンサの静電容量Ｃ、それらの等価抵抗の抵抗値Ｒとすると、Ｑは、次の（イ）（ロ）の各式による演算処理によって求められる。
（イ）Ｑ＝ω_０Ｌ／Ｒ
（ロ）Ｑ＝１／Ｒ・１／ω_０Ｃ
例えば、直列共振時において、コイル又はコンデンサの電圧が電源電圧のＱ倍になる。

一方、比較的大きな電力のスイッチングを行う電子スイッチとして、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）が多く使われる。

図１４はＩＧＢＴの回路構成を示す図であり、図１５は電磁誘導加熱駆動時にＩＧＢＴへ１２００Ｗの電力を入力した時のＩＧＢＴの各端子の出力波形を示す図である。
図１４に示すように、ＩＧＢＴは、ＭＯＳ型ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）１１０をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタであり、ゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅ間の電圧で駆動し、入力信号によってオンとオフができる自己消弧形であり、大電力のスイッチングが可能な半導体素子である。
入力電圧１１１に対して、図１５に示すように、ゲート端子Ｇの電圧１１２とコレクタ端子Ｃの電圧１１３が変化する。
しかし、ＩＧＢＴは、ＦＥＴと比較すると比較的大きな電力をスイッチングできるが、スイッチング速度は比較的遅い。

例えば、画像形成装置における画像の定着に、電磁誘導加熱（ＩＨ）を用いる場合、耐圧１０００Ｖ、電流６０Ａの大電流スイッチングを行うため、通常のスイッチング電源で用いる電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）では不可能な大電力スイッチングになる。
したがって、上記ＩＧＢＴが多く用いられる。
特開２００４−２６６８９０号公報

従来の電磁誘導加熱装置において加熱時間を短縮する方法として、電磁誘導の誘導起電力を高くするという方法がある。その方法の一つに共振電圧を高くする方法がある。
従来の電磁誘導加熱装置における電磁誘導加熱のためのコイル構成では、共振電圧を高くするには、インダクタンス成分もしくはコンデンサ成分を変えることによってのみ、共振電圧の波高値（「共振波高値」という）を変えられる。
ところで、共振波高値を高くするには共振時間を短くすればよいが、電磁誘導加熱に用いられる電子スイッチのＩＧＢＴは、スイッチング速度の上限に限界があり、素早くスイッチングできないという問題があった。
また、スイッチング速度を無理に早くするとスイッチング損失が大きくなるという問題があった。
さらに、共振波高値、つまりＱの値を高くするということは、波形のせん鋭度も高くなり、少しの周波数変化にもＱが変化して制御が難しくなるという問題があった。

図１６は、電磁誘導加熱駆動時のＩＧＢＴの各端子の出力波形を示す図である。
同図の（ａ）は、共振期間が長く共振が実現していない状態であり、重なりの部分でノイズが発生して損失大の場合の波形例である。
同図の（ｂ）は、共振が実現している状態であり、効率よく駆動する場合の波形例である。
同図の（ｃ）は、共振は実現しているが、共振期間が短い状態であり、共振期間が短く波形のせん鋭度が高く制御が難しい。また、コイルに大きな電圧が掛かって発熱して損失大であり、ＩＧＢＴのボディダイオードへ流れ、電流が大きく損失大の場合の波形例である。

このように、従来の電流誘導加熱装置において、誘導起電力を高めて加熱速度を早くするために、Ｑの値を高くすると共振波形のせん鋭度が高くなり、制御が難しくなるという問題があった。
この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、電磁誘導加熱におけるスイッチング損失を少なくし、且つ共振波高値を高くして被加熱体の加熱時間を短縮することを目的とする。

この発明は上記の目的を達成するため、次の昇圧回路と電源装置と画像形成装置を提供する。
（１）直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成する手段と、その手段によって生成された擬似高周波の交流電圧の印加によって磁力線を発生し、その磁力線に基づいて被加熱体に対して電磁誘導加熱するコイルとを有し、そのコイルに並列に共振用コンデンサを設けており、上記コイルを、電磁誘導用コイルと共振用コイルとを和動接続して構成し、上記電磁誘導用コイルへ上記擬似高周波の交流電圧を印加させる状態と、上記共振用コンデンサへ上記擬似高周波の交流電圧を印加させる状態とを切り換えるスイッチ手段を設けた昇圧回路。

（２）上記のような昇圧回路において、上記電磁結合コイルのインダクタンスのずれを修正する手段を設けた昇圧回路。
（３）上記のような昇圧回路において、上記磁気結合コイルを共振状態にするように上記擬似高周波の値を制御する手段を設けた昇圧回路。
（４）上記のような昇圧回路を備えた電源装置。
（５）上記のような電源装置において、上記直流電圧を交流電圧を整流して生成する整流回路を設けた電源装置。
（６）上記のような電源装置を備えた画像形成装置。

（７）直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、上記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第１のコイルと、その第１のコイルと和動接続された第２のコイルと、上記スイッチに対して上記第１のコイル及び第２のコイルと並列に接続されたコンデンサを備えた昇圧回路。
（８）上記のような昇圧装置において、上記スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタである昇圧回路。
（９）上記のような昇圧装置において、上記第１のコイル及び第２のコイルのインダクタンスのずれを修正する制御部を設けた昇圧回路。
（１０）上記のような昇圧装置において、上記スイッチを上記第１のコイル及び第２のコイルと上記コンデンサの共振周波数近傍の周波数で切換える手段を設けた昇圧回路。

（１１）直流電圧源と昇圧回路とを有し、上記直流電圧源は、直流電圧を発生し、上記昇圧回路は、上記直流電圧源で発生した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、上記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第１のコイルと、その第１のコイルと和動接続された第２のコイルと、上記スイッチに対して上記第１のコイル及び第２のコイルと並列に接続されたコンデンサを有する電源装置。

（１２）整流回路と昇圧回路とを有し、上記整流回路は、交流電圧を整流して直流電圧を生成し、上記昇圧回路は、上記整流回路で生成した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、上記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第１のコイルと、その第１のコイルと和動接続された第２のコイルと、上記スイッチに対して上記第１のコイル及び第２のコイルと並列に接続されたコンデンサとを有する電源装置。
（１３）上記のような電源装置を備え、上記電源装置の被加熱体は、記録媒体上のトナー像を該記録媒体に定着する定着ローラである画像形成装置。

この発明による昇圧回路と電源装置と画像形成装置は、電磁誘導加熱におけるスイッチング損失を少なくし、且つ共振波高値を高くして被加熱体の加熱時間を短縮することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
まず、この発明の実施例の説明の前に、一般的な電磁誘導加熱システムについて説明する。
図１１は、この発明の参考となる一般的な電磁誘導加熱システムの機能構成を示すブロック図である。
この電磁誘導加熱システム９０は、ＩＨクッキングヒーターである。ＩＨクッキングヒーターのトッププレート（図示省略）の下には、加熱コイル９４があり、その加熱コイル９４によって被加熱体の鍋（ここでは、鉄、アルミニュウム、ステンレス等の材料で製造された鍋）９５を電磁誘導加熱せしめて水を温める場合を説明する。

電磁誘導加熱システム９０の電源をＯＮにすると、トッププレートの下の加熱コイル９４に交流電流が流れる。この交流電流は、擬似高周波であり、おおよそ２０ＫＨＺ、高くても数十ｋＨｚである。
この擬似高周波は、インバータ電源である高周波インバータ９３により、商用周波数６０Ｈｚ又は５０ＨｚのＡＣ１００Ｖの商用電源５１から供給される交流電流を整流器９２によって整流して直流電流を作り出し、高周波インバータ９３に供給する。

高周波インバータ９３は、直流電流から高周波の交流電流を作り出して加熱コイル９４に流す。加熱コイル９４に電流が流れると、それによって加熱コイル９４を取り巻くように磁力線が発生する。その磁力線により、加熱コイル９４の近傍の鍋９５にはうず電流と呼ばれる電流が流れる。なお、直流では、うず電流は電源ＯＮの一瞬しか発生しない。
上記うず電流とは、ジュール熱損失のことである。その他にはヒステリシス損もあるが、無視できるレベルである。また、加熱コイル９４の電流と反対の向きのうず電流も発生する。
このようにして、被加熱体の鍋９５の底に発生したうず電流によって鍋底自身が発熱する。これが直接加熱と呼ばれる理由である。その際の発熱量は次式に基づいて求めることができる。

発熱量Ｗ＝Ｉ^２×Ｒ（Ｉ：うず電流、Ｒ：鍋底の電気抵抗率）
この鍋底の自己発熱の熱が、鍋９５の中の水に熱伝達されることにより、鍋９５の中の水は温められ、お湯となる。
また、上述のような電磁誘導加熱システムは、最近ではＯＡ機器でも採用され、例えば、複写機を含む画像形成装置では、トナー定着工程に従来ハロゲンヒーター等が採用されていたが、上述のような電磁誘導加熱システムを使うことにより、細かく温度制御ができ、立ち上げ時間短縮などの省エネにも効果的である。

図１２はこの発明の前提となる電磁誘導加熱装置の機能構成を示すブロック図である。
この電磁誘導加熱装置１′における電磁誘導加熱の基本動作について説明する。
（１）商用電源４のＡＣ１００Ｖ（商用電圧）を整流回路２によってダイレクトで整流してＤＣ１４１Ｖを作る。
（２）ＤＣ１４１Ｖを、電磁誘導加熱制御部（ＩＨ制御部（「マイコン制御部」ともいう））６とドライブ回路７を有するインバータ回路３′によって６００Ｖ_０−ｐ、５０Ａ_０−ｐ、２０ＫＨＺから４０ＫＨＺの擬似高周波電圧に変換する。

（３）インバータ回路３′には、大電力スイッチングができるスイッチング素子のＩＧＢＴ５を用いる。
（４）ＩＨ制御部６がドライブ回路７を介してＩＧＢＴ５をＯＮ・ＯＦＦする。
（５）上記（４）の動作は電圧共振である。
（６）ダイオードＤ１はＩＧＢＴ５のボディーダイオードである。
（７）ＩＨ制御部６がＩＨ制御を行い、共振点追従制御と電流保護と電圧保護を行う。

次に、電磁誘導加熱の現象についてもう少し順を追って詳しく説明する。
図１３は、電磁誘導加熱の原理の説明に供する図である。
（１）コイル１００に対して電源１０１から交流電流を供給すると、コイル１００中に流れるコイル電流によって磁界が発生する。
（２）コイル１００に磁界が発生すると、コイル１００内の被加熱物である金属円柱１０２内にも磁界ができる。
（３）金属円柱１０２内にはこの磁界を打消すような方向に電流（これを「うず電流」という）が流れる。このうず電流は金属円柱１０２の表面に近いほど多く流れる（このように、高周波電流が導体を流れる時、電流密度が導体の表面で高く、表面から離れると低くなる現象のことを、「表皮効果」と呼び、周波数が高くなるほど電流が表面へ集中するので、導体の交流抵抗は高くなる）。

（４）うず電流と金属円柱１０２の電気抵抗によってジュール熱が発生する。その際、金属円柱１０２の表面に近いほど電流が多いので発熱量も多くなる。
（５）金属円柱１０２は表面からどんどん昇温していくが、同時に放熱も始まる。
（６）金属円柱１０２の中心部は、表面近くで発生した熱の伝導を受け、表面より少し遅れて加熱されていく。

〔実施例〕
次に、この発明の画像形成装置の一実施例を説明する。
図２は、この発明の一実施例である電子写真方式の画像形成装置の構成を概念的に示す断面図であり、この発明に係る昇圧装置と電源装置による電磁誘導加熱を用いた定着装置を採用している。
この画像形成装置は主に、原稿を読み取る読み取りユニット１１、画像を形成する画像形成部１２、自動原稿搬送装置（ＡＤＦ）１３、ＡＤＦ１３から送り出される原稿をスタックする原稿排紙トレイ１４、給紙カセット１５〜１８を備える給紙部１９、記録用紙をスタックする排紙部（排紙トレイ２０）から構成されている。

そして、ＡＤＦ１３の原稿台２１上に原稿Ｄをセットし、図示を省略した操作部に対するユーザからの操作、例えば、ユーザがプリントキーの押下操作をすると、最上位の原稿Ｄがピックアップローラ２２の回転により、矢印Ｂ１方向へ送り出され、原稿搬送ベルト２３の回転により、読み取りユニット１１に固定されたコンタクトガラス２４上へ給送され、そこで停止する。
コンタクトガラス２４上に載置された原稿Ｄの画像は、画像形成部１２とコンタクトガラス２４の間に位置する読み取り装置２５によって読み取る。

読み取り装置２５は、コンタクトガラス２４上の原稿Ｄを照明する光源２６、原稿画像を結像する光学系２７、原稿画像を結像させるＣＣＤ等からなる光電変換素子２８等を有している。
画像読み取り終了後、原稿Ｄを原稿搬送ベルト２３の回転により矢印Ｂ２方向へ搬送して排紙トレイ１４上へ排出する。
このように、原稿Ｄを１枚ずつコンタクトガラス１４上へ給送して原稿画像を読み取りユニット１１によって読み取る。

一方、画像形成部１２の内部には、像担持体である感光体３０が配置してある。
感光体３０は、図において時計方向に回転駆動し、帯電装置３１によって表面を所定の電位に帯電させる。
また、書き込みユニット３２からは、読み取り装置２５によって読み取った画像情報に応じて光変調したレーザ光Ｌを照射し、帯電させた感光体３０の表面をこのレーザ光Ｌで露光し、これによって感光体３０の表面に静電潜像を形成する。

この静電潜像は、現像装置３３を通るとき、対向する転写装置３４によって感光体３０と転写装置３４の間に給送された記録媒体Ｐに転写する。トナー像転写後の感光体３０の表面は、クリーニング装置３５によって清掃する。
画像形成部１２の下部に配置した複数の給紙カセット１５〜１８には、紙等の記録媒体Ｐを収容してあり、いずれかの給紙カセット１５〜１８から記録媒体Ｐを矢印Ｂ３方向へ送り出し、その記録媒体Ｐの表面に、上述のように感光体３０の表面に形成したトナー像を転写する。

次に、記録媒体Ｐを矢印Ｂ４で示すように画像形成部１２内の定着装置３６を通し、熱と圧力の作用によって記録媒体Ｐの表面に転写されたトナー像を定着させる。
定着装置３６を通った記録媒体Ｐを排出ローラ対３７によって搬送し、矢印Ｂ５で示すように排紙トレイ２０へ排出し、スタックする。
上記定着装置３６は、電磁誘導加熱装置１の電磁誘導により加熱される発熱ローラの定着ローラ４０と、定着ローラ４０と軸線が平行となるように配置した加圧ローラ４１等から構成されている。

定着ローラ４０は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、あるいはそれらの合金を含む金属製の中空円筒状の磁性金属部材からなるものであり、低熱容量で昇温の速い構成とすることが好ましいのはもちろんである。
また、定着ローラ４０は、例えば、磁性金属製の芯金を、耐熱性を有するシリコーンゴムをソリッド状または発泡状にして被覆して構成する。
一方、加圧ローラ４１は、例えば、熱伝導性の高い銅やアルミを含む金属製の円筒部材からなる芯金の表面に、耐熱性でかつトナー離型性の高い弾性部材を設けて構成する。
上記芯金には、ステンレススチールを含む金属を使用するとよい。
上述した定着ローラ４０と加圧ローラ４１は、それらの回転時における接触部位が未定着のトナーが載った記録媒体を通過させて加圧、加熱するニップ部を形成している。

図１は、図２に示す電磁誘導加熱装置１の内部構成を示す回路図である。
この電磁誘導加熱装置１は、整流回路２とインバータ回路３とからなり、定着装置３６内において、磁気結合コイルＬ１と被加熱体である定着ローラ４０との間にギャップを設けて配置されている。
整流回路２は、商用電源４と、平滑用フィルタコイルＬ２と、ノイズフィルタ用コンデンサＣと、コンデンサＣ２と、カレントトランスＣＴ等からなる。
上記平滑用フィルタコイルＬ２とコンデンサＣ２とにより、ＬＣフィルターを構成している。
平滑用フィルタコイルＬ２とコンデンサＣ２とでローパスフィルタを構成する。
この整流回路２は、商用電源４の１００Ｖ（５０ＨＺ／６０ＨＺ）の交流電圧を約１４１Ｖの直流（ＤＣ）電圧へ変換してインバータ回路３へ供給する。
カレントトランスＣＴは、商用電源４の電流を検知するためのものであり、ここでＡＣ１００Ｖの電流を検知して異常があれば保護回路を働かせる。

インバータ回路３は、電磁誘導用コイルと共振用コイルとを和動接続して構成した磁気結合コイルＬ１と、共振用コンデンサＣ１と、スイッチング素子のＩＧＢＴ５と、そのＩＧＢＴ５のボディダイオード（内蔵ダイオード）Ｄ１とを有し、ＣＰＵ，ＲＯＭ及びＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータによって実現される電磁誘導加熱制御部（ＩＨ制御部）６と、ドライブ回路７を備えている。
磁気結合コイルＬ１は、コイルＬａとコイルＬｂを和動接続しており、コイルＬｂによる加熱用コイルと、コイルＬａとＬｂによる共振用コイルの二役を兼ねている。

共振用コンデンサＣ１は、ＩＧＢＴ５のスイッチングによる共振時のエネルギーは、１／２Ｌｉ＾２＝１／２ＣＶ＾２（＾：べき乗、Ｌ：インダクタンス、ｉ：電流、Ｃ：キャパシタンス、Ｖ：電圧）となる。
ＩＧＢＴ５は、直流電圧を擬似高周波交流電圧に変換するスイッチ手段である。
ＩＨ制御部６は、電磁結合コイルＬ１のインダクタンスのずれを修正する手段の機能を果たし、ＩＨ制御部６とドライブ回路７は、磁気結合コイルＬ１を共振状態にするようにＩＧＢＴ５の擬似高周波の値を制御する手段の機能を果たす。

ＩＨ制御部６は、図示を省略した発振器（タイマー）や保護回路等が含まれており、ＩＧＢＴ５のスイッチングのタイミングをとってドライブ回路７に指示を送る。
ドライブ回路７は、トーテムポール回路が代表される回路であり、ＩＨ制御部６からの指示に基づいてＩＧＢＴ５のスイッチングのＯＮとＯＦＦを切り換える駆動を制御する。
このインバータ回路３は、整流回路２から供給される直流電圧をＩＧＢＴ５によって擬似高周波化（例えば、２０ＫＨＺ〜６０ＫＨＺ）し、ＩＨ制御部６及びドライブ回路７の制御によってＩＧＢＴ５のＯＮとＯＦＦのスイッチングを切り替え、磁気結合コイルＬ１と共振用コンデンサＣ１とに擬似高周波を供給し、磁気結合コイルＬ１の磁界の発生と、共振用コンデンサＣ１の共振とにより、定着ローラ４０を電磁誘導加熱する。
図１に示した磁気結合コイルＬ１と、共振用コンデンサＣ１と、スイッチング素子のＩＧＢＴ５とからなる共振回路の構成によって、定着ローラ４０の加熱を効率よく行う。

この電磁誘導加熱装置１は、ＩＧＢＴ５を、数１に示す共振周波数ｆの近傍でスイッチング動作をさせることにより、Ｑの値の良い共振動作を行って高効率スイッチング動作を行う。まず、ＩＧＢＴ５のＯＮ時には磁気結合コイルＬ１にコイル電流が流れ、ＯＦＦ時には共振用コンデンサＣ１に共振電圧が印加される。
そして、磁気結合コイルＬ１へ電流が流れると、定着ローラ４０に渦電流が流れ、その渦電流と、定着ローラ４０の金属抵抗とによってｉ＾２・Ｒ（Ｒ：抵抗）の電力が発生し、ジュール熱が発生し、定着ローラ４０が加熱する。

この電磁誘導加熱装置１は、磁気結合コイルＬ１の構成に特徴がある。この磁気結合コイルＬ１は、電圧共振用のコイルと、定着ローラ４０の加熱用のコイルの両機能を兼ね備えており、ＡＣ１００Ｖを整流回路２によって整流した後の平滑用フィルタコイルＬ２とは役割が全く異なる。
電磁誘導加熱は、例えば、ＡＣ１００Ｖ、６０Ｈｚ／５０Ｈｚでも可能であるが、より早く加熱するには電圧と周波数を上げることによって実現する。

例えば、入力ＡＣ１００Ｖ、６０ＨＺ／５０ＨＺを６００−１０００Ｖ_０−ｐ、２０ＫＨＺから４０ＫＨＺ程度の出力にあげる。
そのために、インバータ回路３を設けている。
インバータ回路３は、共振兼加熱コイルである磁気結合コイルＬ１と、共振用コンデンサＣ１からなる電圧共振回路（「ＬＣ共振回路」ともいう）により、整流回路２からの直流電圧からＱ倍の共振波形をつくることができる。
この実施例の電磁誘導加熱装置１では、コスト的にも、また共振周波数やＱにも影響のない昇圧手段、和動接続を使ったコイル構成にしている。

このようにして、磁気結合コイルＬ１は加熱コイルと共振コイルの２役をしており、インダクタンス値は大きく変えることはできない。
そこで、インダクタンス値を変えないで昇圧させて定着ローラ４０の渦電流を増やすので、ＩＧＢＴ５のスイッチング損失を少なくし、波高値を高くして加熱時間を短縮することができる。
このように、電磁誘導加熱手段に上記コイル構成を用いることにより、共振周波数を変えることなく容易に短時間で効率良く被加熱物を温めることができる。

次に、上述した和動接続を使った加熱用と共振用の両機能を兼ねたコイルについてさらに説明する。
図３は、複数のコイルを和動接続した加熱コイルの回路図である。
同図の（ａ）は、上述した和動接続を使った加熱用と共振用の両機能を兼ねた磁気結合コイルの構成例であり、同図の（ｂ）は従来の加熱コイルの構成例である。
同図の（ａ）に示す磁気結合コイルにおいて、発熱量はコイル１ターン（１回）当たりの誘導起電力で決定される。
ここで、同図の（ｂ）に示す従来の加熱コイルでは、ｅ＝誘導起電力、Ｎ＝巻き数、Ｌ＝インダクタンス、φ＝磁束、Ｉ＝電流とすると、誘導起電力ｅ＝−Ｎ・Δφ／Δｔ、誘導起電力ｅ＝−Ｌ・ΔＩ／Δｔ、インダクタンスＬ＝Ｎ・Δφ／ΔＩとなり、誘導起電力ｅは巻き数ＮとインダクタンスＬに正比例する。

従って、１回あたりの誘導起電力を増やして発熱量を増やすには、巻き数を増やせばよいが、そうするとインダクタンスまで変わってしまう。
従来の電磁誘導加熱装置は、同図の（ｂ）に示すような加熱コイルとコンデンサの共振回路を設けて駆動しているので、インダクタンスが変わると、上記数１に示したように、周波数が変動してしまう。そして、この共振周波数から著しくずれると駆動効率が著しく低下する。

一方、同図の（ａ）に示す磁気結合コイルでは、Ｍ＝相互インダクタンス、ｋ＝結合係数とすると、数２に示す演算式と、ｅ２＝−Ｍ・ΔＩ／Δｔとから、２つのコイルＬａとＬｂで決まるインダクタンスにより、誘導起電力が巻き数に関係なく決定されるので、効率の低下なく容易に誘電起電力をコントロールすることができる。
また、このようなコイル構成にすれば、インダクタンス値を変えることなくＬａ：Ｌｂのインダクタンス比でｎ倍の昇圧をすることができ、誘導起電力を高めることができる。
さらに、絶縁型トランスのように構造が複雑にならないので、回路を安価に製造することができる。

上述のような電磁誘導加熱装置１によれば、定着ローラ４０を目的の温度まで急速に加熱するので、Ｑ＝５〜７倍程度（１石駆動の場合）になる。
ここで、ＬＣ共振回路はｆ_０近傍で駆動することによって高効率駆動する。
図４は、ＬＣ共振回路におけるインピーダンスとＱの変化例を示す波形図である。
同図の（ａ）が加熱コイルのインピーダンスを、同図の（ｂ）がＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）をそれぞれ示す。
ＬＣ共振回路で一旦ＬＣ定数を決めてしまうと、数１から共振周波数が決まり、駆動周波数が決まる。また、加熱（エネルギー）は電磁束で決まる。さらに、電磁束は金属で流れる電流で決まる。そして、電流はＩＧＢＴのＶ_{ｃｅ０−ｐ}と金属抵抗値で決まる。

ここで、加熱コイルの参考技術を説明する。
図５乃至図７は、この発明の参考技術の加熱コイルの構成を示す図である。
図５は、被加熱体としての定着ローラ４０′を加熱する加熱コイル５０、ＩＧＢＴ５１，５２、共振コンデンサ５３等からなる回路構成を示し、図６は、被加熱体としての定着ローラ４０′を加熱する加熱コイル６０、ＩＧＢＴ６１〜６３、ダイオードＤ２〜Ｄ５、共振コンデンサ６４等からなる回路構成を示し、図７は、被加熱体としての定着ローラ４０′を加熱する加熱コイル７０、ＩＧＢＴ７１、共振コンデンサ７２、ダイオードＤ６からなる回路構成を示している。
上述した各図中の各回路において、それぞれの加熱コイルのインダクタンスＬを大きくし、またはキャパシタンスＣを小さくすれば加熱コイルの金属円柱内に発生した磁界とその磁界を打ち消す方向に流れるうず電流とによってＱの値を上げることができる。

しかし、各加熱コイル中に流れる電流によって発生した磁界によって共振周波数ｆ_０も変化する。その際、ＩＧＢＴの限界速度を越えるとスイッチング時の電力損失も大きくなる。
また、Ｑを高くするというのは、共振波形を鋭くするように制御することから考えれば大変困難なことである。また、周波数が少しでも動けば昇圧比が大きく変わることも考えられる。
さらに、加熱コイルのインダクタンスＬの値を増加させるということはスペースの制限から限度がある。
ここで、Ｑを変えずに共振電圧Ｖ_{ｃｅ０−ｐ}を高くする方法として、共振電圧にＤＣバイアスを掛けて下駄を履かせて共振電圧をあげる方法、例えば、電気二重層コンデンサなどを利用したものがある。しかし、電磁誘導加熱装置に電力を供給する電源の他にもコンデンサへの充放電電源が必要になり、コストが上昇する。

図８は、複数のコイルを和動接続して構成した加熱コイルの一例を示す回路図であり、加熱用コイルＬｃと平滑用フィルタコイルＬｄとを和動接続してなる。
図９は、図８に示す加熱コイルを使って電磁誘導加熱するための回路図である。これは、図８に示した加熱コイルＬｃと平滑用フィルタコイルＬｄとを和動接続し、ＩＧＢＴ８０を設けてなる回路構成である。
図１０は、図８に示す加熱コイルを使って電磁誘導加熱するための回路の他の構成例を示す回路図である。これは、図９に示した回路構成に共振コンデンサ８１を設けている。

図９と図１０にそれぞれ示す回路について、Ｌ０＝Ｌｃ＋Ｌｄ＋２Ｍと、数３の各式において、Ｌｄのインダクタンスを１とすると、Ｌｃのインダクタンスは（１／ｎ）^２、この場合、結合係数Ｍは、数４より１／ｎであり、従ってＬｃ＋Ｌｄ＋２Ｍ＝Ｌ０をＬｄのインダクタンス１として表現すると、（１／ｎ）^２＋１^２＋２×１／ｎ＝（１＋１／ｎ）^２となり、ＬｃとＬｄの値は、Ｌｄ＝Ｌ０×１／（１＋１／ｎ）^２、Ｌｃ＝Ｌ０×１／（１＋１／ｎ）^２×（１／ｎ）^２で求められる。
このコイル構成を用いればインダクタンスＬの値を変えることなくＬｃ：Ｌｄのインダクタンス比でｎ倍の昇圧をすることができる。

この発明による昇圧回路と電源装置と画像形成装置は、被加熱体を加熱する装置全般において適用することができる。

図２に示す電磁誘導加熱装置１の内部構成を示す回路図である。 この発明の一実施例である電子写真方式の画像形成装置の構成を概念的に示す断面図である。 複数のコイルを和動接続した加熱コイルの回路図である。 ＬＣ共振回路におけるインピーダンスとＱの変化例を示す波形図である。 この発明の参考技術の加熱コイルの構成を示す図である。

同じくこの発明の参考技術の加熱コイルの構成を示す図である。 また同じくこの発明の参考技術の加熱コイルの構成を示す図である。 複数のコイルを和動接続して構成した加熱コイルの一例を示す回路図である。 図８に示す加熱コイルを使って電磁誘導加熱するための回路図である。 図８に示す加熱コイルを使って電磁誘導加熱するための回路の他の構成例を示す回路図である。

この発明の参考となる一般的な電磁誘導加熱システムの機能構成を示すブロック図である。 この発明の前提となる電磁誘導加熱装置の機能構成を示すブロック図である。 電磁誘導加熱の原理の説明に供する図である。 ＩＧＢＴの回路構成を示す図である。 電磁誘導加熱駆動時にＩＧＢＴへ１２００Ｗの電力を入力した時のＩＧＢＴの各端子の出力波形を示す図である。 電磁誘導加熱駆動時のＩＧＢＴの各端子の出力波形を示す図である。

符号の説明

１，１′：電磁誘導加熱装置 ２：整流回路 ３，３′：インバータ回路 ４：商用電源 ５：ＩＧＢＴ ６：ＩＨ制御部 ７：ドライブ回路 １１：読み取りユニット １２：画像形成部 １３：ＡＤＦ １４：原稿排紙トレイ １５〜１８：給紙カセット １９：給紙部 ２０：排紙トレイ ２１：原稿台 ２２：ピックアップローラ ２３：原稿搬送ベルト ２４：コンタクトガラス ２５：読み取り装置 ２６：光源 ２７：光学系 ２８：光電変換素子 ３０：感光体 ３１：帯電装置 ３２：書き込みユニット ３３：現像装置 ３４：転写装置 ３５：クリーニング装置 ３６：定着装置 ３７：排出ローラ対 ４０，４０′：定着ローラ ４１：加圧ローラ

Claims (13)

1. 直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成する手段と、該手段によって生成された擬似高周波の交流電圧の印加によって磁力線を発生し、該磁力線に基づいて被加熱体に対して電磁誘導加熱するコイルとを有し、該コイルに並列に共振用コンデンサを設けており、前記コイルを、電磁誘導用コイルと共振用コイルとを和動接続して構成し、前記電磁誘導用コイルへ前記擬似高周波の交流電圧を印加させる状態と、前記共振用コンデンサへ前記擬似高周波の交流電圧を印加させる状態とを切り換えるスイッチ手段を設けたことを特徴とする昇圧回路。
2. 前記電磁結合コイルのインダクタンスのずれを修正する手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の昇圧回路。
3. 前記磁気結合コイルを共振状態にするように前記擬似高周波の値を制御する手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の昇圧回路。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の昇圧回路を備えたことを特徴とする電源装置。
5. 前記直流電圧を交流電圧を整流して生成する整流回路を設けたことを特徴とする請求項４記載の電源装置。
6. 請求項４又は５記載の電源装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
7. 直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、
   前記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第１のコイルと、
   該第１のコイルと和動接続された第２のコイルと、
   前記スイッチに対して前記第１のコイル及び第２のコイルと並列に接続されたコンデンサとを備えたことを特徴とする昇圧回路。
8. 前記スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項７記載の昇圧回路。
9. 前記第１のコイル及び第２のコイルのインダクタンスのずれを修正する制御部を設けたことを特徴とする請求項７又は８記載の昇圧回路。
10. 前記スイッチを前記第１のコイル及び第２のコイルと前記コンデンサの共振周波数近傍の周波数で切換える手段を設けたことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の昇圧回路。
11. 直流電圧源と昇圧回路とを有し、
    前記直流電圧源は、直流電圧を発生し、
    前記昇圧回路は、前記直流電圧源で発生した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、前記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第１のコイルと、該第１のコイルと和動接続された第２のコイルと、前記スイッチに対して前記第１のコイル及び第２のコイルと並列に接続されたコンデンサとを有することを特徴とする電源装置。
12. 整流回路と昇圧回路とを有し、
    前記整流回路は、交流電圧を整流して直流電圧を生成し、
    前記昇圧回路は、前記整流回路で生成した直流電圧から擬似高周波の交流電圧を生成するスイッチと、前記交流電圧の印加による電流の変化によって発生した磁力線に基づいて被加熱体を電磁誘導加熱する第１のコイルと、該第１のコイルと和動接続された第２のコイルと、前記スイッチに対して前記第１のコイル及び第２のコイルと並列に接続されたコンデンサとを有することを特徴とする電源装置。
13. 請求項１１又は１２に記載の電源装置を備え、
    前記電源装置の被加熱体は、記録媒体上のトナー像を該記録媒体に定着する定着ローラであることを特徴とする画像形成装置。

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