JP2010002523A - 電磁誘導加熱装置、定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電力の検出誤差を高めて電磁誘導コイルに供給する電力の調整範囲を広く確保する。
【解決手段】被加熱体である定着ローラ５１に渦電流を発生させるための電磁誘導コイル５３１と、電磁誘導コイル５３に電力を供給するインバータ部１０２と、インバータ部１０２に入力されている入力電圧を検出する電圧検出部１０３と、電磁誘導コイル５３１の温度を検出する温度センサ５３５と、電圧検出部１０３の検出電圧および温度センサ５３５の検出温度に基づいて電磁誘導コイル５３１に供給された電力を求め、電磁誘導コイル５３１に供給する電力を目標電力に近づけるようにインバータ部１０２をフィードバック制御する加熱制御部１０４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電磁誘導加熱装置、電磁誘導加熱方式の定着装置およびそのような定着装置を備えた画像形成装置に関し、特に、電磁誘導コイルに供給された電力の検出精度を向上させる技術に関する。

近年、電磁誘導加熱装置を定着装置のヒータとして適用した電子写真方式の画像形成装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図１１は、従来の画像形成装置に具備された定着装置のシステム構成を示す図である。
インバータ部１０２は、商用電源１０１から商用電力供給路１０５を通じて供給される商用電力を、一旦直流電力に変換してから高周波電力に変換し、高周波電力供給路１０６を通じて電磁誘導コイル５３１に高周波電力を供給する。電磁誘導コイル５３１に高周波電力が供給されれば、被加熱体としての定着ローラ５１に渦電流が発生し、渦電流により生じるジュール熱で定着ローラ５１が加熱される。加熱制御部２０４は、例えばマイコン等から構成されており、定着ローラ５１の近傍に配された温度センサ５３６により検出される温度が目標温度に近づくようにインバータ部１０２をフィードバック制御している。

また加熱制御部２０４は、過大な電力投入によりスイッチング素子が破損するのを防止するため、インバータ部１０２の入力電力を監視し、入力電力がスイッチング素子の絶対最大定格値を超えないように調整している。入力電力は、入力電圧検出部１０３により検出された入力電圧と、カレントトランス１０９および入力電流検出部１１０により検出された入力電流とから求められる。入力電圧検出部１０３は具体的には入力電圧を分圧する分圧回路である。また入力電流検出部１１０はコンデンサおよび抵抗器を具備し、カレントトランス１０９から供給される電流を電圧に変換する回路である。

なお入力電力の検出に誤差が生じるのは不可避であり、検出された入力電力よりも実際の入力電力が誤差の分だけ大きくなる場合があり得る。そのため加熱制御部２０４は、スイッチング素子の絶対最大定格値から一定のマージンを差し引いた電力を、インバータ１０２の入力電力の上限としている。
特開２００２−３２３８２９号

上述の通り、インバータ部の入力電力の検出誤差を見越してある程度のマージンを確保すれば、スイッチング素子の破損を防止することができる。しかしながらマージンを確保することは、その分だけインバータ部の入力電力ひいては電磁誘導コイルに供給する電力の調整範囲を狭めることを意味し、定着ローラを素早く加熱したい場合などに大きな制約となる。

そこで本発明は、従来に比べてより一層、入力電力の検出精度を高めてマージンを小さくすることができ、電磁誘導コイルに供給する電力の調整範囲を広く確保することができる電磁誘導加熱装置、定着装置および画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電磁誘導加熱装置は、被加熱体を電磁誘導加熱方式で加熱する電磁誘導加熱装置であって、前記被加熱体に渦電流を発生させるための電磁誘導コイルと、前記電磁誘導コイルに電力を供給するインバータ部と、前記インバータ部に入力されている入力電圧を検出する電圧検出部と、前記電磁誘導コイルの温度を検出する温度検出部と、前記電圧検出部の検出電圧および前記温度検出部の検出温度に基づいて前記電磁誘導コイルに供給された電力を求め、前記電磁誘導コイルに供給する電力を目標電力に近づけるように前記インバータ部をフィードバック制御する加熱制御部とを備える。

本発明に係る定着装置は、電磁誘導加熱方式の定着装置であって、定着ローラまたは定着ベルトを誘導加熱する手段として上記の電磁誘導加熱装置が用いられている。
本発明に係る画像形成装置は、上記の定着装置を備える。

発明者らの研究により、電磁誘導コイルの温度から電磁誘導コイルに流れた電流を高精度で求められることが判明した。上記構成によれば、電磁誘導コイルに流れた電流は温度検出部の検出温度から求められることになるので、入力電流の検出精度を高めることができる。それに伴い入力電力の検出精度を高めることができ、電磁誘導コイルに供給する電力の調整範囲を広く確保することができる。

以下、本発明に係る画像形成装置の実施の形態を、タンデム型カラーデジタルプリンタに適用した場合を例にして説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置の全体の構成を示す断面概略図である。
同図に示すように、画像形成装置１は、画像プロセス部３、給紙部４、定着装置５および制御部６０を備えており、ネットワーク（例えばＬＡＮ）に接続されて、外部の端末装置からのプリントジョブの実行指示を受け付けると、その指示に基づいてイエロー、マゼンタ、シアンおよびブラックの各色のトナー像を形成し、これらを多重転写してフルカラーの画像形成を実行する。

以下、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの各再現色をＣ、Ｍ、Ｙ、Ｋと表し、各再現色に関連する構成部分の番号にこのＣ、Ｍ、Ｙ、Ｋを添字として付加する。
＜画像プロセス部＞
画像プロセス部３は、作像部３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋ、露光部１０、中間転写ベルト１１などを備えている。

作像部３Ｙは、感光体ドラム３１Ｙと、その周囲に配設された帯電器３２Ｙ、現像器３３Ｙ、一次転写ローラ３４Ｙ、および感光体ドラム３１Ｙを清掃するためのクリーナ３５Ｙなどを備えており、感光体ドラム３１Ｙ上にＹ色のトナー像を作像する。なお、他の作像部３Ｍ〜３Ｋについても、トナーの色が異なる以外は作像部３Ｙと同様、帯電器３２Ｍ〜３２Ｋなどの構成を有するが、図面表記の便宜上、それらの符号の表記を省略している。

中間転写ベルト１１は、無端状のベルトであり、駆動ローラ１２と従動ローラ１３に張架されて矢印方向に周回駆動される。
露光部１０は、レーザダイオードなどの発光素子を備え、制御部６０からの駆動信号によりＹ〜Ｋ色の画像形成のためのレーザ光Ｌを発し、感光体ドラム３１Ｙ〜３１Ｋを露光走査し、帯電器３２Ｙ〜３２Ｋにより帯電された感光体ドラム３１Ｙ〜３１Ｋ上に静電潜像を形成する。

中間転写ベルト１１には、各作像部において作像されたトナー像が多重転写される。
＜給紙部＞
給紙部４は、記録シートとしての用紙Ｓを収容する給紙カセット４１と、給紙カセット４１内の用紙Ｓを搬送路４３上に１枚ずつ繰り出す繰り出しローラ４２と、繰り出された用紙Ｓを二次転写位置４６に送り出すタイミングをとるためのタイミングローラ対４４などを備えている。給紙部４から給送された用紙Ｓには、二次転写位置４６において二次転写ローラ４５による静電力の作用により、中間転写ベルト１１上のトナー像が二次転写される。二次転写位置４６を通過した用紙Ｓは、さらに定着装置５に搬送され、用紙Ｓ上のトナー像（未定着画像）が、定着装置５における加熱・加圧により用紙Ｓに定着された後、排出ローラ対７１を介して排出トレイ７２上に排出される。
＜定着装置の構造＞
図２は、本発明の実施形態に係る定着装置の要部を示す横断面図である。

同図に示すように、定着装置５は、被加熱体としての定着ローラ５１と、加圧ローラ５２と、磁束発生部５３とを備える。
定着ローラ５１は、芯金本体５１２の周面に弾性体層５１３を形成してなり、弾性体層５１３の外周面には、さらに定着ベルト５５０が装着される。定着ベルト５５０は、電磁誘導発熱層５１４、弾性体層５１５、離型層５１６の３層構造となっている。

電磁誘導発熱層５１４は、ニッケルなどからなり、磁束発生部５３から発せられる磁束により発熱する。弾性体層５１５は、耐熱性を有するシリコーンゴムなどからなる弾性部材であり、用紙Ｓと定着ローラ５１の表面との密着性を高める役割を果たす。離型層５１６は、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などからなり、定着ローラの表面の離型性を高める役割をしている。

加圧ローラ５２は、円柱状の芯金５２１の周囲に、弾性体層５２２を介して離型層５２３が積層されてなり、図示しないバネなどを含む押圧手段により定着ローラ５１を押圧して、定着ローラ５１との間に定着ニップを確保する。
磁束発生部５３は、電磁誘導コイル５３１と、コア５３２と、コイルボビン５３３と、カバー５３４とを有し、定着ローラ５１の軸方向に沿うように配置される。

コイルボビン５３３は、定着ローラ５１の表面に対向する部分が定着ローラの周方向に沿って円弧状に湾曲するとともに、定着ローラ５１の周面との間に所定の間隔、例えば、３ｍｍの間隔をあけて固定されている。
電磁誘導コイル５３１は、用紙Ｓの幅方向に沿って長く延びるとともに横断面が円弧状の形状になるようにコイルボビン５３３に巻かれている。電磁誘導コイル５３１に高周波電力を供給すると、磁束が発生し定着ローラ５１の電磁誘導発熱層５１４が発熱される。

コア５３２は、それぞれ高透磁率のフェライトなどからなり、電磁誘導コイル５３１により発生された磁束を定着ローラ５１に効率的に導くものである。
定着ローラ５１の表面に導かれた磁束は、定着ローラ５１の電磁誘導発熱層５１４における、磁束発生部５３に対向する部分を主として通過し、この部分に渦電流を発生させて電磁誘導発熱層５１４を発熱させる。ここで発生した熱は、定着ローラ５１の回転により定着ニップ５５の位置で加圧ローラ５２に伝わることにより定着ニップ５５の温度が昇温される。

なお、定着装置５には、定着ローラ５１の幅方向中央部の表面温度を検出するための温度センサ５３６が配置されており、また、電磁誘導コイル５３１の幅方向中央部の表面温度を検出するための温度センサ５３５が配置されている。
＜定着装置のシステム構成＞
図３は、本発明の実施形態に係る画像形成装置に具備された定着装置のシステム構成を示す図である。

本実施形態に係る定着装置（図３参照）と従来技術の定着装置（図１１参照）とを対比すると、本実施形態の定着装置では、カレントトランス１０９および入力電流検出部１１０に代えて、温度センサ５３５が設けられている。この温度センサ５３５は、図２に示すように電磁誘導コイル５３１の近傍に配されており、電磁誘導コイル５３１の表面温度を検出している。

加熱制御部１０４は、温度センサ５３５の検出温度から電磁誘導コイル５３１を含む負荷のインピーダンスを特定し、特定されたインピーダンスおよび入力電圧検出部１０３の検出電圧に基づいて電磁誘導コイル５３１に供給された電力を求める。検出温度からインピーダンスを特定するには、例えば、図４に示すような検出温度とインピーダンスとを関係付けたテーブルを用いる。このテーブルは予め加熱制御部１０４に内蔵されたメモリに保存されているものとする。なおインピーダンスに周波数依存性がある場合には、周波数ごとにテーブルを用意しておき、高周波電力の周波数に応じたテーブルを選択することとすればよい。
＜定着装置の動作＞
図５は、本発明の実施形態に係る画像形成装置に具備された定着装置の動作を示すフローチャートである。

加熱制御部１０４は、温度センサ５３５の検出温度とインピーダンスとを関係付けたテーブルを予め保存しており（ステップＳ１）、電力制御開始が指示されたときに制御を開始する（ステップＳ２）。
まず加熱制御部１０４は、温度センサ５３６を用いて定着ローラ５１の温度を検出し（ステップＳ３）、検出温度と目標温度との差分に応じて、電磁誘導コイル５３１に供給すべき目標電力を設定する（ステップＳ４）。本実施形態の定着装置では、インバータ部１０２のスイッチング周波数を変化させることにより、すなわち高周波電力の周波数を変化させることにより、電磁誘導コイル５３１に供給される高周波電力の大きさを変化させるものとする。したがって目標電力の設定は、高周波電力の周波数（ｆ値）の設定により実現される。インバータ部１０２は、加熱制御部１０４により設定された周波数の高周波電力を電磁誘導コイル５３１に供給する。

次に加熱制御部１０４は、温度センサ５３５を用いて電磁誘導コイル５３１の温度を検出し（ステップＳ５）、温度センサ５３５の検出温度とインピーダンスとを関係付けたテーブルを参照して、検出温度からインピーダンスを特定する（ステップＳ６）。
次に加熱制御部１０４は、入力電圧検出部１０３を用いてインバータ部１０２の入力電圧を検出し（ステップＳ７）、インピーダンスと入力電圧とに基づいて電磁誘導コイル５３１に流れている電流（入力電流）を算出する（ステップＳ８）。

次に加熱制御部１０４は、電磁誘導コイル５３１に流れている電流（入力電流）と入力電圧とに基づいてインバータ部１０２の入力電力を算出する（ステップＳ９）。
次に加熱制御部１０４は、目標電力と入力電力とを比較して不一致であれば（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ４で設定した高周波電力の周波数（ｆ値）を調整する（ステップＳ１１）。電磁誘導コイル５３１を含むインバータ部１０２の負荷は等価的に直列共振回路を構成しており、固有の共振周波数を有する。本実施形態の定着装置では、共振周波数よりも高周波領域でインバータ部１０２を動作させるため、高周波電力の周波数を高くするほど電磁誘導コイル５３１に供給される電力、ひいては入力電力が小さくなる。そのためｆ値の調整は、入力電力が目標電力よりも小さければ、ｆ値を下げて入力電力が大きくなるようにし、入力電力が目標電力よりも大きければ、ｆ値を上げて入力電力が小さくなるようにする。なおｆ値の変動量は、入力電力と目標電力との差分に応じて決定してもよいし、予め定められた量だけ変動させることとしてもよい。

加熱制御部１０４は、目標電力と入力電力とが一致するまでステップＳ５からステップＳ１０までのループを繰り返し、目標電力と入力電力とが一致したとしても（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、電力制御終了が指示されるまでステップＳ３からステップＳ１２までのループを繰り返す。これにより定着ローラ５１の温度を目標温度に近づけることができる。
＜検証＞
以下に、本発明の実施形態が奏する効果を検証する。

図６は、インバータ部に具備されたスイッチング素子の入力電力範囲を示す図であり、（ａ）に従来技術の場合を示し、（ｂ）に本実施形態の場合を示す。
図６（ａ）に示すように、従来技術では、入力電流の検出精度が悪いことにより、実際の入力電力のばらつきを考慮して絶対最大定格値（１６５０Ｗ）に対して５０Ｗのマージンをとる必要がある。そのため加熱制御部１０４がインバータ部１０２に対して指示可能な電力の上限値は１６００Ｗとなる。

一方、図６（ｂ）に示すように、本実施形態では、入力電流の検出精度が良いことにより、実際の入力電力のばらつきを考慮しても絶対最大定格値（１６５０Ｗ）に対して３．５Ｗのマージンをとればよい。そのため加熱制御部１０４がインバータ部１０２に対して指示可能な電力の上限値は１６４６．５Ｗとなる。
このように本実施形態は従来技術に比べて入力電力の上限値を４６．５Ｗだけ高くすることができ、その分だけ入力電力の調整範囲を広く確保することができる。なお違う見方をすれば、入力電力の上限値を同程度にするならば、本実施形態は従来技術に比べてマージンを小さく設定することができるため、絶対最大定格値の小さなスイッチング素子を採用することができる。したがって、その分だけコストを低減することができる。

図７は、電磁誘導コイルの温度とインピーダンスの関係を示す図である。
同図に示すように、電磁誘導コイルの温度が高くなるに従い、インピーダンスが高くなるという関係がある。このような単調変化の関係があるため、電磁誘導コイルの温度を検出することによりインピーダンスを特定することができる。例えば、電磁誘導コイルの温度が１００℃のとき、インピーダンスは２８．７１７Ωである。

図８は、電磁誘導コイルの温度とインピーダンスの関係のばらつきを示す図である。
電磁誘導コイルの温度を検出する温度センサとしては、例えばサーモパイルを利用するものとする。一般的なサーモパイルの温度検出誤差は±１．５℃程度である。図８を用いて、±１．５℃の温度検出誤差をインピーダンスの誤差に換算すると±０．０１Ω程度になる。電磁誘導コイルの温度とインピーダンスの関係は、図７に示すように少なくとも３０℃から１５０℃までの温度範囲では略直線的なので、この温度範囲においてはどの温度であってもインピーダンスの誤差は同程度となる。

図９は、電磁誘導コイルの温度変化に伴うインピーダンス変化とインダクタンス変化との関係を示す図である。
同図に示すように、少なくとも２７℃から１８０℃までの温度範囲においては、インダクタンスが１μＨ変化するとインピーダンスが０．２Ω変化する関係がある。すなわち図９を用いて、±０．０１Ωのインピーダンスの誤差をインダクタンスの誤差に換算すると±０．０５μＨ程度になる。

図１０は、インバータ部の入力電力と動作周波数との関係を示す図である。
電磁誘導コイルを含むインバータ部の負荷は直列共振回路を構成しており、以下に示す固有の共振周波数ｆ_０を有している。
ｆ_０＝１／｛２π（Ｌ×Ｃ）^１／２｝
本実施形態では、共振周波数ｆ_０よりも高周波領域でインバータ部を動作させるため、図１０に示すように動作周波数が高くなるに従い、インバータ部の入力電力が低くなるという関係がある。また±０．０５μＨのインダクタンスの誤差を共振周波数の誤差に換算すると±５Ｈｚ程度になるものとする。そうすると図１０を用いて、±０．０５μＨのインダクタンスの誤差を入力電力の誤差に換算すれば、±３．５Ｗ程度になる。以上より、サーモパイルの±１．５℃の温度検出誤差は、結果的には±３．５Ｗ程度の入力電力の誤差になることが分かる。

このように本発明の実施形態では、入力電力の検出誤差を高めることができ、電磁誘導コイルに供給する電力の調整範囲を広く確保することができる。
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では、被加熱体として定着ローラを採用しているが、本発明はこれに限らず、定着ベルトを採用することとしてもよい。
（２）実施形態では、加熱制御部１０４は、インバータ部１０２とは別体となっているが、本発明はこれに限られない。例えば加熱制御部１０４がインバータ部１０２に内蔵されていてもよいし、加熱制御部１０４の機能が画像形成装置の全体を制御する制御部に含まれていてもよい。

本発明は、電磁誘導加熱装置を用いる定着装置及びこれを用いる画像形成装置に広く適用することができる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の全体の構成を示す断面概略図 本発明の実施形態に係る定着装置の要部を示す横断面図 本発明の実施形態に係る画像形成装置に具備された定着装置のシステム構成を示す図 温度センサの検出温度とインピーダンスとを関係付けたテーブル 本発明の実施形態に係る画像形成装置に具備された定着装置の動作を示すフローチャート インバータ部に具備されたスイッチング素子の入力電力範囲を示す図 電磁誘導コイルの温度とインピーダンスの関係を示す図 電磁誘導コイルの温度とインピーダンスの関係のばらつきを示す図 電磁誘導コイルの温度変化に伴うインピーダンス変化とインダクタンス変化との関係を示す図 インバータ部の入力電力と動作周波数との関係を示す図 従来の画像形成装置に具備された定着装置のシステム構成を示す図

符号の説明

１ 画像形成装置
３ 画像プロセス部
３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋ 作像部
４ 給紙部
５ 定着装置
１０ 露光部
１１ 中間転写ベルト
１２ 駆動ローラ
１３ 従動ローラ
３１Ｙ 感光体ドラム
３２Ｙ 帯電器
３３Ｙ 現像器
３４ 一次転写ローラ
３５Ｙ クリーナ
４１ 給紙カセット
４２ ローラ
４３ 搬送路
４４ タイミングローラ対
４５ 二次転写ローラ
４６ 二次転写位置
５１ 定着ローラ
５２ 加圧ローラ
５３ 磁束発生部
５５ 定着ニップ
６０ 制御部
７１ 排出ローラ対
７２ 排出トレイ
１０１ 商用電源
１０２ インバータ部
１０３ 入力電圧検出部
１０４，２０４ 加熱制御部
１０５ 商用電力供給路
１０６ 高周波電力供給路
１０７，１０８ 温度検出信号路
１０９ カレントトランス
１１０ 入力電流検出部
５１２ 芯金本体
５１３ 弾性体層
５１４ 電磁誘導発熱層
５１５ 弾性体層
５１６ 離型層
５２１ 芯金
５２２ 弾性体層
５２３ 離型層
５３１ 電磁誘導コイル
５３２ コア
５３３ コイルボビン
５３４ カバー
５３５ 温度センサ
５３６ 温度センサ
５５０ 定着ベルト

Claims (5)

1. 被加熱体を電磁誘導加熱方式で加熱する電磁誘導加熱装置であって、
   前記被加熱体に渦電流を発生させるための電磁誘導コイルと、
   前記電磁誘導コイルに電力を供給するインバータ部と、
   前記インバータ部に入力されている入力電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電磁誘導コイルの温度を検出する温度検出部と、
   前記電圧検出部の検出電圧および前記温度検出部の検出温度に基づいて前記電磁誘導コイルに供給された電力を求め、前記電磁誘導コイルに供給する電力を目標電力に近づけるように前記インバータ部をフィードバック制御する加熱制御部と
   を備えることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
2. 前記加熱制御部は、前記温度検出部の検出温度から前記電磁誘導コイルを含む負荷のインピーダンスを特定し、特定されたインピーダンスおよび前記電圧検出部の検出電圧から前記電磁誘導コイルに供給された電力を求めること
   を特徴とする請求項１に記載の電磁誘導加熱装置。
3. 前記加熱制御部は、前記温度検出部の検出温度と前記負荷のインピーダンスとを関係付けたテーブルを参照して、前記温度検出部の検出温度に応じたインピーダンスを特定すること
   を特徴とする請求項２に記載の電磁誘導加熱装置。
4. 電磁誘導加熱方式の定着装置であって、定着ローラまたは定着ベルトを誘導加熱する手段として請求項１から３のいずれかの電磁誘導加熱装置が用いられていることを特徴とする定着装置。
5. 請求項４に記載の定着装置を備える画像形成装置。

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