JP2012083545A

JP2012083545A - 加熱装置及び画像形成装置

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Publication number: JP2012083545A
Application number: JP2010229569A
Authority: JP
Inventors: Takeyuki Suda; 健之須田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-26
Also published as: CN102448206B; CN102448206A; EP2442186B1; US8626007B2; KR101560431B1; US20120087681A1; KR20120037881A; EP2442186A3; EP2442186A2

Abstract

【課題】設計の自由度を高めて、被加熱部材の状態の検知精度を高めると共にコスト低減を容易にする。
【解決手段】定着ベルト１２０は、誘導加熱コイル１０１が発生させる交番磁束の作用により渦電流が流れることで電磁誘導加熱方式によって発熱する。アンテナ１４０は、フェライトコア１０２を挟んで定着ベルト１２０の反対側の領域に配設され、該領域を通る磁束を検知する。誘導加熱コイル１０１が生じさせる磁束は、主にフェライトコア１０２と定着ベルト１２０によって形成される磁路を通る。フェライトコア１０２を通らない磁束１５０の量（密度）はフェライトコア１０２を通る磁束５０に対して一定の割合となっている。ＩＨ電源１８０の駆動期間中に直流化回路１６０の出力が判定用閾値ＴＨを超えた場合は、制御回路１７０は、ベルト異常が発生したと判定し、ＩＨ電源１８０の駆動を緊急停止する。
【選択図】図７

Description

本発明は、電磁誘導によって被加熱部材を発熱させる加熱装置及び画像形成装置に関する。

従来、電磁誘導によって被加熱部材を発熱させる加熱装置が知られている。例えば、複写機やプリンタ等の画像形成装置においては、電磁誘導加熱によって被加熱部材である金属ローラや金属ベルトを加熱し、加熱された被加熱部材の熱を用いて、シート上に形成されたトナー画像を定着させる。

このような画像形成装置として、下記特許文献１に示されるように、被加熱部材である金属ベルトの損傷等の状態の変化を検知するものも知られている。

図９は、特許文献１の画像形成装置における加熱装置としての定着装置の模式図である。この装置では、上流側と下流側とに間隔をあけて入口上ローラ６と出口上ローラ７が配設される。両ローラ６、７間にエンドレスの金属ベルトである定着ベルト２が懸回張設される。定着ベルト２の内側に、用紙に圧力を加えるためのニップパッド８及び温度検知用サーミスタ４が配設される。上流側と下流側とに間隔をあけて入口下ローラ１０と出口下ローラ１１が配設され、両ローラ１０、１１間にエンドレスの加圧ベルト９が懸回張設される。加圧ベルト９の内側にニップパッド１２が配設される。そして、定着ベルト２の内側において、誘導加熱コイル１に対して定着ベルト２を挟んで対向する位置に、磁束を検知するアンテナ３が配置され、アンテナ３は通電禁止手段に接続される。

アンテナ３に入る磁束は定着ベルト２の状態によって変化するため、アンテナ３に入る磁束に応じて定着ベルト２の状態を検知し、ベルトの状態に異常があれば、通電禁止手段が、誘導加熱コイル１の動作を止めるよう構成されている。

特開２００７−３２８１５９号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置では、定着ベルト２の内側にはニップパッド８や温度検知用サーミスタ４が存在することから、アンテナ３の形状や材質に制約があった。また、定着ベルト２の内側は高温環境であるため、アンテナ３には、熱に耐えうる高コストの部材を用いる必要があり、設計の自由度が低かった。

さらに、通常、被加熱部材である定着ベルト２以外の、特に加熱を望まない部品が誘導加熱により発熱するのを抑えるために磁気シールドが設けられる。しかし、磁気シールドの影響がアンテナ３に及ぶことがあるため、アンテナ３が出力する電圧が小さくなり、小さな磁束の検知が困難になる場合があった。

本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、設計の自由度を高めて、被加熱部材の状態の検知精度を高めると共にコスト低減を容易にすることができる加熱装置及び画像形成装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の加熱装置は、磁束を発生させる加熱コイルと、コアと、被加熱部材とを有し、前記加熱コイルが発生させる磁束の作用により、前記コア及び前記被加熱部材によって磁路が形成され、電磁誘導によって前記被加熱部材が発熱するように構成された加熱装置であって、前記コアを挟んで前記被加熱部材の反対側の領域に配設され、該領域を通る磁束を検知する検知手段と、前記検知手段の検知結果に基づいて前記被加熱部材の状態の変化の有無を判定する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、設計の自由度を高めて、被加熱部材の状態の検知精度を高めると共にコスト低減を容易にすることができる。

本発明の一実施の形態に係る加熱装置が適用される画像形成装置の全体構成を示す図である。定着器の構成を示す模式図である。定着器の制御機構のブロック図である。直流化回路の構成を示す回路図である。アンテナ出力の波形、直流化回路出力の波形、直流化波形を示す図である。定着ベルトの正常時、異常時における磁路を示す図である。定着ベルトの正常時、異常時における直流化回路の出力波形を示す図である。定着ベルトの異常判定処理のフローチャートである。特許文献１の画像形成装置における定着装置の模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る加熱装置が適用される画像形成装置の全体構成を示す図である。この画像形成装置９００は、一例として、加熱装置としての定着器９１１を有した電子写真フルカラープリンタとして構成される。

この画像形成装置９００は、図面上左から右にタンデム配置された４色分の画像形成ユニットを有する。各画像形成ユニットはそれぞれレーザ露光方式の電子写真プロセス機構であり、同じ構成とされている。イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックに対応する構成要素には、それぞれ「ｙ」、「ｍ」、「ｃ」、「ｂｋ」の符号が付してある。

イエローについて説明すると、画像形成装置９００において、帯電ローラ９０２ｙは感光ドラム９０１ｙを所定の電位に帯電させ、９０１ｙの電位を平滑化する。感光ドラム９０１ｙは図１の反時計方向に回転しており、レーザーユニット９０３ｙは感光ドラム９０１ｙの表面をレーザでスキャンし感光ドラム９０１ｙの表面に潜像を形成する。

また、中間転写ベルト９０６が、駆動ローラと従動ローラと二次転写ローラ９０７との間に懸回張設され、図１の時計方向に回転駆動される。一次転写帯電ローラ９０５ｙが、中間転写ベルト９０６の裏面側に配置される。潜像が形成された感光ドラム９０１ｙは現像ブレード９０４ｙにより潜像に従ってトナーを乗せられる。このとき、感光ドラム９０１ｙに乗せられたトナー画像は、潜像として描かれた画像と一致しており、このトナー画像は感光ドラム９０１ｙがさらに回転した後、中間転写ベルト９０６に転写される。イエロー以外の色に関する構成については同様であるので説明を省略する。

中間転写ベルト９０６に乗せられた４色分のトナー画像は、二次転写ローラ９０７及び二次転写対向ローラ９０８で、用紙カセット９１０から用紙搬送路９１２ａを通って搬送されてきた記録材である用紙Ｐに転写される。用紙Ｐに転写されずに中間転写ベルト９０６上に残ったトナーは、クリーニングユニット９０９で除去される。

トナー画像を乗せられた用紙Ｐは用紙搬送路９１２ｂを通って定着器９１１に搬送され、熱と圧力によって未定着画像が用紙Ｐに定着される。トナー画像を定着された用紙Ｐは、用紙搬送路９１２ｃを通って排紙され、成果物となる。

次に、定着器９１１の構成について説明する。図２は、定着器９１１の構成を示す模式図である。同図左側が用紙Ｐの流れの下流側である。

定着器９１１において、エンドレスの被加熱部材である上側の定着ベルト１２０が２つの芯金１２３の間に懸回されて張られており、この芯金１２３の回転で定着ベルト１２０が回転する。定着ベルト１２０は金属でできており、誘導加熱コイル１０１が発生させる交番磁束の作用により渦電流が流れることで発熱する、いわゆる電磁誘導加熱方式によって加熱される。すなわち、定着ベルト１２０は金属でできた導電層の表側にゴム層が形成されており、導電層に渦電流が流れると発熱するようになっている。定着ベルト１２０の導電層としては、比透磁率が高く、磁束を通しやすい材料が選定される。

また、エンドレスの加圧ベルトである下側の定着ベルト１２１が２つの芯金１２４の間に懸回されて張られており、この芯金１２４の回転で定着ベルト１２１が回転する。これら２つの定着ベルト１２０、１２１の間に未定着トナー画像を乗せた用紙Ｐが通ることによって未定着画像が定着される。

上下の定着ベルト１２０、１２１の内側にはそれぞれ、用紙Ｐに圧力をかけるための金属板であるニップパッド１３０、１３１が配設され、ベルト内部の空間が狭くなっている。また、上側の定着ベルト１２０の内側にはサーミスタ１３３が配置され、その配線は磁気シールド１３２によって簡易的にシールドされている。このサーミスタ１３３により定着ベルト１２０の温度が測定される。

定着ベルト１２０の上側に近接して加熱コイルユニット１１０が配設される。加熱コイルユニット１１０は、誘導加熱コイル１０１と、磁性体であるフェライトコア１０２と、全体を支えるケース１１１とから構成されている。誘導加熱コイル１０１が生じさせる磁束は、主にフェライトコア１０２と定着ベルト１２０とによって形成される磁路を通るよう設計されている。

加熱コイルユニット１１０の上側（外側）に近接して、検知手段としてのループアンテナ（以下、単に「アンテナ」）１４０が配設される。すなわち、アンテナ１４０は、フェライトコア１０２を挟んで定着ベルト１２０の反対側の領域に配設され、該領域を通る磁束を検知する。アンテナ１４０の配置位置は、誘導加熱コイル１０１を挟んで定着ベルト１２０の反対側の領域でもある。アンテナ１４０は、磁束により電圧または電流を発生させる構成のものであり、本実施の形態では、出力電圧を用いて磁束を検知する。アンテナ１４０の基本構成は、上記特許文献１で示されるものと同様である。アンテナ１４０は、定着ベルト１２０の幅方向（図２の奥行き方向）に延設され、電線が延設方向に往復して延設方向に長い略環状を呈する（ループを形成する）ように配設される。

図３は、定着器９１１の制御機構のブロック図である。アンテナ１４０の出力電圧は、直流化回路１６０を通して制御回路（制御手段）１７０に出力される。制御回路１７０は、ＩＨ電源１８０の動作を制御しており、その起動及び停止が可能である。ＩＨ電源１８０の制御により、誘導加熱コイル１０１の駆動制御がなされる。制御回路１７０は不図示のＣＰＵ、ＡＳＩＣ等から構成され、定着器９１１における全体の動作を制御する。

図４は、直流化回路１６０の構成を示す回路図である。直流化回路１６０の出力はアンテナ１４０の出力電圧に比例しており、直流化回路１６０の出力からアンテナ１４０に生じている電圧の大きさを知ることができる。アンテナ１４０に生じる電圧波形はアンテナ１４０に入る磁束の微分と相似であり、アンテナ１４０に入る磁束は誘導加熱コイル１０１に流れる電流によって発生する。このため、アンテナ１４０に生じる電圧波形の基本周波数は、誘導加熱コイル１０１に流れる交流電流の基本周波数と同じであり、２０ＫＨｚから８０ＫＨｚ程度の周波数である。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、アンテナ出力の波形、直流化回路出力の波形、直流化波形を示す図である。直流化回路１６０の動作と波形について、図４、図５を用いて説明する。

直流化回路１６０は、アンテナ１４０で発生する高周波の交流電圧２００（図５（ａ））を直流電圧２０２（図５（ｃ））に変換して出力するためのものであり、そのために、本実施の形態では倍圧整流回路１６１を採用している。倍圧整流回路１６１には、ダイオード１６３、１６４、コンデンサ１６５、１６６が含まれる（図４）。

図４に示す倍圧整流回路１６１の観測点ＰＡでは、波形２０１（図５（ｂ））となり、出力信号は直流電圧２０２（図５（ｃ））のようになっている。また、倍圧整流回路１６１に放電電流調整用抵抗１６２を設けて直流電圧２０２の降下速度を任意に変更することも可能である。このように、直流化回路１６０の出力信号からアンテナ１４０の出力電圧の大きさ知ることができる。

図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ定着ベルト１２０の正常時、異常時における磁路を示す図である。ここでいう「異常時」とは、定着ベルト１２０に、正常時に対して状態の変化が有った時であり、具体的には定着ベルト１２０の破断やめくれ等の損傷（ベルト異常）があった時を指す。図６では、定着ベルト１２１及び定着ベルト１２０の内側の部品の図示を省略している。

図６（ａ）に示すように、定着ベルト１２０が正常な状態の時には、誘導加熱コイル１０１が生じさせる磁束の多くが、フェライトコア１０２と定着ベルト１２０とによって作られた磁路を通るように流れている。フェライトコア１０２を流れる磁束を磁束５０とする。

定着ベルト１２０においては、渦電流が流れてジュール熱が生じて発熱すると同時に、渦電流によって誘導加熱コイル１０１が作る磁束を打ち消す方向に磁束が発生し、誘導加熱コイル１０１によるものとは逆向きの起磁力が生じている。この時、加熱コイルユニット１１０の周辺には、フェライトコア１０２を通らない磁束１５０が存在しており、磁束１５０の量（密度）はフェライトコア１０２を通る磁束５０の量に対して一定の割合となっている。

よって、加熱コイルユニット１１０の周辺にアンテナ１４０を設置してフェライトコア１０２を通らなかった磁束１５０の量を検知することにより、フェライトコア１０２の中を通る磁束５０の量を推定することができる。

定着ベルト１２０が何らかの理由により破損した場合（図６（ｂ））、定着ベルト１２０に流れる渦電流により生じていた、誘導加熱コイル１０１が生じさせる磁束に対する逆向きの磁束が発生しなくなる。そのため、誘導加熱コイル１０１が作る起磁力と逆向きに生じていた起磁力も発生しなくなる。

この時、空気中よりも透磁率の高い定着ベルト１２０が、損傷部分については存在しないのと同じこととなるため、磁気回路全体の磁気抵抗は上昇するが、渦電流によって生じていた起磁力がなくなる効果が支配的であるため磁束の総量は増加する。これらから、定着ベルト１２０が損傷した時、フェライトコア１０２を通る磁束５０が増加すると共に、結果としてアンテナ１４０を通る磁束１５０の量も増加するため、アンテナ１４０の出力電圧は大きくなる（図６（ｂ））。従って、定着ベルト１２０が損傷すると、正常時に比し直流化回路１６０の出力信号の値が大きくなる。

次に、アンテナ１４０の検知結果に基づく制御回路１７０による定着ベルト１２０における状態の変化の有無の判定手法（定着ベルトの異常判定処理）について説明する。

図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ定着ベルト１２０の正常時、異常時における直流化回路１６０の出力波形を示す図である。

図７（ａ）に示すように、ある時刻において誘導加熱を開始（ＩＨスタート）すると、直流化回路１６０の出力（検知電圧）は立ち上がった後、ほぼ一定で推移し、誘導加熱を停止するまで判定用閾値ＴＨを超えることはない。

次に、誘導加熱の動作中に定着ベルト１２０に何らかの異常が生じ、定着ベルト１２０の一部が破断した場合、直流化回路１６０の出力は、図７（ｂ）に示すように、破断前までは図７（ａ）と同じで、判定用閾値ＴＨを下回っている。しかし、破断が発生した時点から、直流化回路１６０の出力は急激に立ち上がり、判定用閾値ＴＨを超える状態となり、この状態は誘導加熱を停止するまで継続する。

従って、定着ベルト１２０の状態変化の有無は、制御回路１７０が直流化回路１６０の出力を監視し、判定用閾値ＴＨとの比較により判定できる。そして、出力が判定用閾値ＴＨを超えたことをもってベルト異常と判定することができる。

図８は、定着ベルト１２０の異常判定処理のフローチャートである。

画像形成装置９００がプリントジョブを開始すると、定着器９１１において制御回路１７０は定着動作を開始するよう制御する（ステップＳ１０１）。次に、制御回路１７０は、ＩＨ電源１８０の駆動を開始して誘導加熱コイル１０１に交流電流を流すよう制御する（ステップＳ１０２）。すなわち、定着ベルト１２０を印刷に必要な温度（例えば２００°Ｃ）にまで上昇させるため、プリントジョブ中に誘導加熱を行う。

次に、制御回路１７０は、ＩＨ電源１８０の駆動期間中に直流化回路１６０の出力が判定用閾値ＴＨを超えたか否かを判別する（ステップＳ１０３）。すなわち、制御回路１７０は、定着動作のためにＩＨ電源１８０が動作状態である間、直流化回路出力の監視を継続する。そして、定着動作のための誘導加熱が不要となってＩＨ電源１８０の駆動停止がなされるまでの間に、直流化回路１６０の出力が判定用閾値ＴＨを超えたか否かを判別する。

その判別の結果、ＩＨ電源１８０の駆動期間中に直流化回路１６０の出力が判定用閾値ＴＨを超えた場合は、制御回路１７０は、ベルト異常が発生したと判定する（ステップＳ１０４）。この場合、制御回路１７０は、ＩＨ電源１８０の駆動を緊急停止するよう制御する（ステップＳ１０５）。ＩＨ電源１８０の緊急停止により、異常な状態で定着動作を継続することを回避でき、その結果、更なる故障発生を防止して安全性を高めることが可能になる。

一方、ステップＳ１０３で、直流化回路１６０の出力が判定用閾値ＴＨを超えることなくＩＨ電源１８０の駆動が終了した場合は、制御回路１７０は、定着動作を終了させる（ステップＳ１０６）。この場合、ベルト異常の発生は検知されなかったことになる。

本実施の形態によれば、アンテナ１４０を、フェライトコア１０２を挟んで定着ベルト１２０の反対側の領域に配設した。この配設領域は、定着ベルト１２０の狭い内側でなく広い外側であるので、十分な検知信号を得られる条件に設定する上で、アンテナ１４０の形状や材質における制約が少なくなる。上記配設領域は、定着ベルト１２０の内側とは異なり高温環境でないので、アンテナ１４０には高価な高耐熱部材を用いる必要がない。しかも、定着ベルト１２０の外側にあるアンテナ１４０には、磁気シールド１３２（図２）の影響が及ばないので、アンテナ１４０の大きな出力を確保しやすく、小さな磁束の検知も容易になる。よって、設計の自由度を高めて、定着ベルト１２０の状態の検知精度を高めると共にコスト低減を容易にすることができる。

また、ベルト異常が発生した場合は、ＩＨ電源１８０の駆動が強制停止させられるので、無駄な処理を回避すると共に、安全性を高めることができる。

ところで、アンテナ１４０の配設領域は上記した例示に限定されない。すなわち、アンテナ１４０は、フェライトコア１０２及び定着ベルト１２０を通る磁路から漏れ出る磁束を検知できるような領域に配設されればよい。従って、フェライトコア１０２乃至加熱コイルユニット１１０を挟んで定着ベルト１２０の反対側であって、加熱コイルユニット１１０の周辺の任意の位置に配置できる。この点でも装置の設計自由度を高めることに繋がる。

ところで、磁束を検知する「検知手段」の構成としては、アンテナ１４０に限定されるものでなく、ホール素子等を用いた構成であってもよい。

また、状態の変化が判定される対象としての「被加熱部材」は、ベルト定着方式の定着装置における定着ベルトに限定されない。例えば、ローラ定着方式の定着装置における定着ローラ、あるいは、インクジェット方式のプリンタにおける固体インクの支持部材であってもよい。これらに関し、ベルト異常に対応する「状態の変化」には、定着ローラ、支持部材の損傷や歪み等の変形も考えられる。

ところで、本発明の適用対象は、電磁誘導によって被加熱部材が発熱する加熱装置であればよく、画像形成装置の定着装置に限定されない。例えば、薄い材料を貼り合わせて層を形成するラミネート処理用の加熱装置にも応用が可能である。

１０１誘導加熱コイル
１０２フェライトコア
１２０定着ベルト
１４０アンテナ
１７０制御回路
９００画像形成装置
９１１定着器

Claims

磁束を発生させる加熱コイルと、コアと、被加熱部材とを有し、前記加熱コイルが発生させる磁束の作用により、前記コア及び前記被加熱部材によって磁路が形成され、電磁誘導によって前記被加熱部材が発熱するように構成された加熱装置であって、
前記コアを挟んで前記被加熱部材の反対側の領域に配設され、該領域を通る磁束を検知する検知手段と、
前記検知手段の検知結果に基づいて前記被加熱部材の状態の変化の有無を判定する制御手段とを有することを特徴とする加熱装置。
前記制御手段は、前記検知手段の検知結果が判定用閾値を超えた場合に、前記被加熱部材の状態に変化が有ったと判定することを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記制御手段は、前記加熱コイルの駆動を制御し、前記被加熱部材の状態の変化があったことを判定した場合は前記加熱コイルの駆動を停止するよう制御することを特徴とする請求項１または２記載の加熱装置。
前記検知手段は、磁束により電圧または電流を発生させるアンテナで構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱装置を用いて、記録材の未定着画像を定着させることを特徴とする画像形成装置。
前記加熱装置における前記被加熱部材は、定着ベルトであることを特徴とする請求項４記載の画像形成装置。