JP2016029460A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録材のサイズに応じた発熱分布を形成しつつ、定着処理に必要な電力を供給できるようにする。
【解決手段】 記録材のサイズと前記回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて前記共振インバータの駆動周波数を設定し、設定された前記駆動周波数に応じて前記共振回路の共振周波数を切り替える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置に関する。

電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置は、加熱回転体と、それに接触する加圧ローラと、で形成されたニップ部で未定着トナー像を担持した記録材を搬送しながら加熱してトナー像を記録材に定着するものが一般的である。

近年、加熱回転体の導電層を発熱させることができる電磁誘導加熱方式の定着装置が開発され実用化されている。電磁誘導加熱方式の定着装置は、ウォームアップ時間が短いという利点がある。

特許文献１には、導電層の厚みや導電層の材質の制約が小さい定着装置が開示されている。

特開２０１４−０２６２６７号公報

特許文献１に開示された定着装置においても、小サイズの記録材を定着処理する際の非通紙部昇温が課題となる。

本発明は、記録材のサイズに応じた発熱分布を形成しつつ、発熱に必要な電力を供給できる定着装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための本発明の好適な実施態様の一つ目は、導電層を有する筒状の回転体と、前記回転体の内部に設けられ、螺旋軸が前記回転体の母線方向に沿った方向である螺旋状のコイルと、共振コンデンサを有し、前記回転体と前記コイルと共に形成される共振回路；前記共振回路を制御する共振インバータと、前記共振インバータに供給する電力を制御する制御部と、を備え、前記コイルにより発生する磁束によって前記導電層を電磁誘導発熱させ、前記回転体の熱により記録材に形成された前記画像を記録材に定着する定着装置において、前記制御部は、記録材のサイズと前記回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて前記共振インバータの駆動周波数を設定し、設定された前記駆動周波数に応じて前記共振回路の共振周波数を切り替えることを特徴とする。

本発明の好適な実施態様の２つ目は、導電層を有する筒状の回転体と、前記回転体の内部に設けられ、螺旋軸が前記回転体の母線方向に沿った方向である螺旋状のコイルと、共振コンデンサを有し、前記回転体と前記コイルと共に形成される共振回路と、前記共振回路を制御する共振インバータと、前記共振インバータに供給する電力を制御する制御部と、を備え、前記コイルにより発生する磁束によって前記導電層を電磁誘導発熱させ、前記回転体の熱により記録材に形成された前記画像を記録材に定着する定着装置において、前記制御部は、記録材のサイズと前記回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて前記共振インバータの駆動周波数を設定し、定着処理に必要な電力に応じて前記共振回路の共振周波数を切り替えることを特徴とする。

記録材のサイズに応じた発熱分布を形成しつつ、定着処理に必要な電力を供給できる定着装置を提供できる。

画像形成装置の概略断面図 定着ユニットの断面図 定着ユニットの正面図 定着ユニットに設けたコイルユニットの斜視図 コイルユニット駆動回路図 駆動周波数と定着スリーブの発熱分布との関係を示す図 駆動周波数と等価インダクタンス、等価抵抗の関係を示す図 駆動周波数と投入電力の関係を示す図 駆動周波数と投入電力の関係を示す図 共振コンデンサの容量を切り替えた時の波形を説明する図 実施例１を説明するフローチャート 実施例２を説明するフローチャート 共振コンデンサの容量を切り替えた時の波形を説明する図 実施例３を説明するフローチャート

以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は本実施例に従う画像形成装置１００の概略構成図である。本実施例の画像形成装置１００は、電子写真プロセス利用のレーザビームプリンタである。

３１は画像形成装置の制御部であるコントローラであり、ＲＯＭ３２ａ、ＲＡＭ３２ｂ、タイマ３２ｃ等を具備したＣＰＵ（中央演算処理装置）３２、及び各種入出力制御回路（不図示）等で構成されている。１０１は像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体（以下、感光体ドラムと記す）であり、矢示の時計方向に所定の周速度にて回転駆動される。感光体ドラム１０１はその回転過程で接触帯電ローラ１０２により所定の極性・電位に一様に帯電処理される。１０３はレーザビームスキャナであり、不図示のイメージスキャナやコンピュータ等の外部機器から入力する画像情報に対応してオン／オフ変調したレーザ光Ｌを出力する。このレーザ光Ｌにより感光体ドラム１０１の帯電処理面が露光され、感光体ドラム１０１表面に画像情報に対応した静電潜像が形成される。１０４は現像装置であり、現像ローラ１０４ａから感光体ドラム１０１表面に現像剤（トナー）を供給し感光体ドラム１０１表面の静電潜像をトナー像として現像する。１０５は給紙カセットであり、記録材Ｐが収納させている。１０７はレジストローラであり、感光体ドラムに形成されたトナー像の先端と記録材の所定位置が合うように記録材Ｐを搬送するものである。給紙スタート信号が入力すると給紙ローラ１０６が駆動され、給紙カセット１０５内の記録材Ｐを一枚ずつ給紙する。給紙された記録材は、レジストローラ１０７で搬送タイミングを調整された後、感光体ドラム１０１と転写ローラ１０８とが当接する転写部位１０８Ｔに導入される。転写部位１０８Ｔで記録材Ｐを挟持搬送する間、転写ローラ８には不図示の電源から転写バイアスが印加される。転写ローラ１０８に、トナーの帯電極性と逆極性の転写バイアスが印加されることで、感光体ドラム１０１上のトナー像が記録材Ｐに転写される。その後、トナー像が転写された記録材Ｐは、感光体ドラム１０１表面から分離され、搬送ガイド１０９を通って定着ユニットＡに導入される。記録材上のトナー像は定着ユニットで加熱され記録材に定着される。定着ユニットを通過した記録材Ｐは、排紙口１１１を介して排紙トレイ１１２上に排出される。一方、記録材Ｐが分離した後の感光体ドラム１０１表面はクリーニング部１１０でクリーニングされる。

定着ユニットＡは電磁誘導加熱方式の定着装置である。具体的には、螺旋状のコイルにより発生する磁束により回転体の導電層を電磁誘導発熱させ、回転体の熱により記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置である。螺旋状のコイルによって発生する磁束は、回転体の母線方向に沿った方向である。図２は定着ユニットの断面図、図３は定着ユニットの正面図、図４は定着ユニットに設けたコイルユニットの斜視図である。定着ユニットＡは、後述する定着スリーブ１やコイルユニットを有する加熱ユニットと、加圧部材８を有し、加熱ユニットと加圧部材の間に未定着トナー像を担持する記録材Ｐを挟持搬送する定着ニップ部Ｎを形成している。

加圧部材としての加圧ローラ８は、芯金８ａと、シリコーンゴム等で形成された弾性層８ｂと、フッ素樹脂等で形成された離型層８ｃを有する。芯金８ａの両端部は、定着ユニットの不図示の装置シャーシ間に軸受けを介して回転自由に保持されている。また、図３に示す加圧用ステイ（金属製の補強部材）５の両端部と装置シャーシ側のバネ受け部材１８ａ、１８ｂとの間にそれぞれ加圧バネ（本例では圧縮バネ）１７ａ、１７ｂを設けることで加圧用ステイ５に押し下げ力を作用させている。なお、本実施例の定着ユニットＡでは、総圧約１００Ｎ〜２５０Ｎ（約１０ｋｇｆ〜約２５ｋｇｆ）の押圧力を与えている。これにより、耐熱性樹脂（ＰＰＳ等）で構成されたスリーブガイド部材６の下面と加圧ローラ８とが定着スリーブ１を挟んで圧接して定着ニップ部Ｎが形成される。加圧ローラ８は不図示の駆動手段により矢示の方向に駆動されており、定着スリーブ１は加圧ローラの回転に従動して回転する。１２ａ、１２ｂは定着スリーブの回転に従動して回転するフランジ部材である。フランジ部材は、スリーブガイド６の長手方向端部に回転自在に配置されている。定着スリーブが回転中に母線方向に寄り移動するとフランジ部材に突き当たり、定着スリーブに押されたフランジ部材は規制部材１３ａ（１３ｂ）に突き当たる。これにより、定着スリーブの寄り移動が規制部材によって規制される。フランジ部材は、ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ：液晶ポリマー）等の耐熱性の良い材料で形成されている。

回転可能な筒状回転体としての定着スリーブ１は直径１０〜５０ｍｍが好ましく、基層となる発熱層（導電層）１ａと、その外面に積層した弾性層１ｂと、スリーブ表面の離型層１ｃを有する。発熱層１ａは金属フィルム（本例のスリーブの材質はステンレス）であり、膜厚は１０〜５０μｍが好ましい。弾性層１ｂはシリコーンゴムで形成されており、硬度２０度（ＪＩＳ−Ａ、１ｋｇ加重）程度、厚みは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍが好ましい。離型層はフッ素樹脂のチューブであり、厚みは１０〜５０μｍが好ましい。発熱層１ａには後述する交番磁束の作用で誘導電流が発生する。この誘導電流で発熱層が発熱し、この熱が弾性層１ｂ及び離型層１ｃに伝達し、定着スリーブ１の周方向全体が加熱される。尚、定着スリーブの温度を検出する温度検出素子９、１０、１１については後述する。

次に、発熱層１ａに誘導電流を発生させる機構について詳述する。図４は加熱ユニットに設けたコイルユニットの斜視図である。コイルユニットは、回転体（定着スリーブ）の内部に配置され螺旋軸が回転体の母線方向と略平行である螺旋形状部を有し、回転体の導電層を電磁誘導発熱させるための交番磁界を形成するコイル３を有する。定着ユニットＡが回転体の内部に有しているコイルはコイル３のみである。更に、螺旋形状部の中に配置され、磁束を誘導するためのコア２を備えている。磁性芯材としての磁性コア２は、不図示の固定手段で定着スリーブ１の中空部を貫通して配置させてある。ＮＰ及びＳＰはコア２の磁極を示している。コア２は有端形状であり、コイルにより発生する磁束は開磁路を形成する。コアの材質は、ヒステリシス損が小さく比透磁率の高い材料、例えば、焼成フェライト、フェライト樹脂、非晶質合金（アモルファス合金）、パーマロイ等の高透磁率の酸化物、合金等、で構成される強磁性体が好ましい。本例においては、比透磁率１８００の焼成フェライトを用いている。本例のコアは円柱形状であり、直径は５〜３０ｍｍが好ましい。Ａ４プリンタに搭載する定着装置である場合、コアの長さは２４０ｍｍ程度が好ましい。なお、コイル３を巻いたコア２は樹脂製のカバー４で覆われている。

励磁コイル３は、単一導線を定着スリーブ１の中空部において、磁性コア２に螺旋状に巻き回して形成される。その際、コア中央部よりも端部において間隔が密になるように巻かれている。長手寸法２４０ｍｍの磁性コア２に対し、励磁コイル３は１８回巻きつけている。その巻間隔は端部において１０ｍｍ、中央部において２０ｍｍ、その中間において１５ｍｍとなっている。このように、コイルはコアの軸線Ｘに交差する方向に巻き回されている。

給電接点部３ａ、３ｂを介して高周波コンバータにより励磁コイル３に高周波電流を流すと、磁束が発生する。本例の装置は、コア２の端部から出る磁束の殆ど（７０％以上、好ましくは９０％以上、更に好ましくは９４％以上）が、定着スリーブの発熱層よりも外を通ってコアの他端に戻るように設計されている。このため、スリーブの外を通る磁束を打ち消す磁束が発生するように、定着スリーブの発熱層には周方向に流れる誘導電流が発生する。これにより、発熱層の周方向全体が発熱する。そして、本実施例の発熱層は、発熱層の周方向に流れる誘導電流を主に利用して発熱する。このように、定着スリーブの発熱層の周方向に誘導電流が流れる構成にすると、定着スリーブの周方向全域が発熱するので、定着装置を定着可能な温度までウォームアップする時間を短くできるというメリットがある。また、コア２を有端形状とし、開磁路により、磁束の殆どが発熱層の外を通るように構成している。このため、コアをループ形状として閉磁路を形成する構成の装置よりも小型化できるというメリットもある。

定着ユニットＡの温度検出素子９、１０、１１は、図２に示すように定着ニップ部Ｎよりも定着スリーブ回転方向上流側に配置され、定着スリーブの表面温度を検出する。また、定着ユニット長手方向において、図３に示すように、定着スリーブの中央および両端部の温度を検出する。温度検出素子９、１０、１１はサーミスタ等によって構成される。中央部の温度検出素子９の検出温度が定着に適した制御目標温度を維持するように、コイルへの給電が制御される。また、定着スリーブ１の端部付近に配設された温度検出素子１０、１１は、小サイズ記録材Ｐを連続プリントした時の定着スリーブの非通紙域の昇温具合を検知することができる。尚、温度検出素子１０及び１１は、加圧ローラ８の軸方向端部に配置し、小サイズ記録材Ｐを連続プリントした時の加圧ローラの非通紙域の昇温具合を検知してもよい。

図４はプリンタ制御を行なう制御手段であるＣＰＵ３２、プリンタコントローラ４１、及びホストコンピュータの関係を示すブロック図である。プリンタコントローラ４１は後述するホストコンピュータ４２との間で通信と画像データの受信、及び受け取った画像データを画像形成装置１００が印字可能な情報に展開する。更に、エンジン制御部４３との間で信号のやり取り及びシリアル通信を行う。エンジン制御部４３はプリンタコントローラ４１との間で信号のやり取りを行い、さらに、シリアル通信を介して画像形成装置１００の各ユニット４４〜４６の制御を行う。定着温度制御部４４は温度検出素子９、１０、１１によって検出された温度を基に定着ユニットＡの温度制御を行うと共に、定着ユニットＡの異常検出等を行う。周波数制御手段としての周波数制御部４５は高周波コンバータ１６の駆動周波数の制御を、電力制御部４６は、高周波コンバータ１６の駆動をＯＮ・ＯＦＦして高周波コンバータ１６の電力の制御を行う。具体的は、温度検出素子９の検出温度が制御目標温度を維持するように高周波コンバータ１６の駆動をＯＮ・ＯＦＦする。ホストコンピュータ４２はプリンタコントローラ４１に画像データを転送したり、ユーザからの要求に応じてプリンタコントローラ４１に記録材Ｐのサイズ等、様々なプリント条件を設定する。

図５は、本実施例における高周波コンバータ１６を含む駆動回路を説明するための回路図である。商用電源５０は、画像形成装置１００を接続する商用電源（交流電源）であり、インレット５１を介して画像形成装置１００に交流電力を供給する。本回路は、商用電源５０と直接接続された一次側と、商用電源５０と非接触に接続された二次側とで構成されている。商用電源５０の波形は、横軸を時間、縦軸を電圧としたとき波形１のような波形である。商用電源５０から入力された電力は、インレット５１、ＡＣフィルタ５２を介してダイオードブリッジ５３〜５６に入力され、全波整流される。整流された電圧は、コンデンサ５７に充電された後、横軸を時間、縦軸を電圧とした時、波形２のような電圧波形になる。この波形は、ＦＥＴ５８、５９と電圧共振用コンデンサ６０から成る電流共振制御回路９０（図４の高周波コンバータ１６に相当）に入力される。これにより、定着ユニットＡの等価インダクタンスＬ及び等価抵抗Ｒ、共振コンデンサ６１、６２から成る共振回路９１に電力供給される。尚、電流共振制御回路９０（高周波インバータ１６）は、狭義には共振インバータである。

７１は、電源装置（電源部）であり、商用電源５０の電力がＡＣフィルタ５２を介して入力され、不図示の二次側の負荷（モータ等）に所定の電圧を出力している。また、ＣＰＵ３２は、電流共振制御回路９０の動作にも使用され、各入出力ポートとＲＯＭ３２ａ及びＲＡＭ３２ｂなどから構成される。高周波コンバータ１６、共振回路９１、及び二次側に電力を供給するための電源装置（電源部）７１内のトランスの一次巻線より手前は、商用電源５０と直接接続されており、電気的に一次側回路となっている。また、電源装置７１内のトランスの二次巻線以降、例えば、感光体ドラム１０１を回転させる不図示のモータ、レーザスキャナ１０３、等の画像形成時に動作するモータやユニットは、商用電源５０と非接触に接続されており、電気的に二次側回路となっている。

一方、商用電源５０の電力は、ＡＣフィルタ５２を介してＺＥＲＯＸ生成回路７５に入力される。ＺＥＲＯＸ生成回路７５は、商用電源電圧が０Ｖ近辺のある閾値電圧以下の電圧になっているときにＨｉｇｈレベル（又はＬｏｗレベル）の信号を出力し、それ以外の場合にＬｏｗレベル（又はＨｉｇｈレベル）の信号を出力する構成となっている。そして、ＣＰＵ３２の入力ポートＰＡ１には、抵抗７６を介して商用電源電圧の周期とほぼ等しい周期のパルス信号が入力される。ＣＰＵ３２は、ＺＥＲＯＸ信号のＨｉｇｈ→ＬｏｗまたはＬｏｗ→Ｈｉｇｈに変化するエッジを検出し、これを電流共振制御回路９０の駆動のトリガとして利用する。

次に、電流共振制御回路９０について説明する。ＣＰＵ３２が出力ポートＰＡ２から後述する周波数のパルス信号をＨｉ−ｇａｔｅ駆動回路７７に向けて出力すると、Ｈｉ−ｇａｔｅ駆動回路７７はスイッチング素子５８に向けてゲート波形を出力する。スイッチング素子５８は、ゲート波形がＨｉの期間、ドレインソース間をＯＮし、Ｌｏの期間ＯＦＦする。同様にして、Ｈｉ−ｇａｔｅ駆動回路７７へのパルス信号と同じ周波数のパルス信号をＣＰＵ３２が出力ポートＰＡ３からＬｏ−ｇａｔｅ駆動回路７８に向けて出力すると、Ｌｏ−ｇａｔｅ駆動回路７８はスイッチング素子５９に向けてゲート波形を出力する。スイッチング素子５９は、ゲート波形がＨｉの期間、ドレインソース間をＯＮし、Ｌｏの期間ＯＦＦする。スイッチング素子５８とスイッチング素子５９はパルス信号の周波数で交互にＯＮし、共振回路９１に方形波を供給する。これにより、定着ユニットＡの等価インダクタンスＬと共振コンデンサ６１が共振し、定着ユニットＡの回転体１が発熱する。なお、Ｈｉ−ｇａｔｅ駆動回路７７へのパルス信号のＯＮデューティ比（パルス信号１サイクルあたりのＯＮ時間比率）と、Ｌｏ−ｇａｔｅ駆動回路７８へのパルス信号のＯＮデューティ比は、パルス信号の周波数に拘らず約５０％に設定されている。また、後述する切り換え手段である共振周波数切り替え手段６３（以後共振コンデンサ切り替え素子６３と記す）が導通状態にあれば共振コンデンサ６１及び共振コンデンサ６２が共振する。スイッチング素子５８とスイッチング素子５９へのパルス信号が停止すると定着ユニットＡの発熱は停止される。

定着ユニットＡに配置された温度検出素子９は、一端をグランド、他端を抵抗７３を介して電源Ｖｃｃ１に接続されており、さらに抵抗７４を介してＣＰＵ３２のアナログ入力ポートＡＮ０に接続されている。なお、定着ユニットの端部の温度を検出する温度検出素子１０、１１の出力も、温度検出素子９と同様に、ＣＰＵ３２のアナログ入力ポートに入力している（図５では不図示）。温度検出素子９として使用されているサーミスタは高温になると抵抗値が低下する特性を持っている。ＣＰＵ３２は、固定抵抗７３との分圧電圧を、予め設定された温度テーブル（不図示）によって温度に変換することにより、定着ユニットＡの温度（正確には定着スリーブの温度）を検出する。また、ＣＰＵ３２は、定着処理中、定着ユニットＡの温度が所定の温度（制御目標温度）を維持するように、ＺＥＲＯＸ信号をトリガとして、スイッチング素子５８、スイッチング素子５９の駆動を制御する。

小サイズの記録材を定着処理すると、小サイズの記録材の非通紙部の温度を検出する温度検出素子１０や１１の検出温度が上昇する。この検出温度が基準温度を超えると、ＣＰＵ３２は、スイッチング素子５８とスイッチング素子５９の駆動周波数を切換える。また、ＣＰＵ３２が出力ポートＰＡ４から共振コンデンサ切り替え回路７９に向けて信号を出力する。ＣＰＵ３２が出力ポートＰＡ４から共振コンデンサ切り替え回路７９に向けて信号を出力すると、共振コンデンサ切り替え回路７９は、コンデンサ切り替え素子６３をＯＮし、共振コンデンサ６１と並列に共振コンデンサ６２が接続される。切り替え回路７９によって共振コンデンサ６２の有無を切り替えることで、定着ユニットＡの等価インダクタンスＬと共振コンデンサ６１で決定される共振周波数ｆ（式１）が切り替わる。なお。本例では温度検出素子１０や１１の検出温度に応じて駆動周波数を切り替えている。しかしながら、記録材のサイズ情報に応じて切り替えてもよく、記録材のサイズと、定着スリーブの非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて駆動周波数を設定すればよい。

ところで、コイルに発生する磁束の７０％以上が定着スリーブの導電層の外側を通る装置は、スイッチング素子５８、５９をＯＮ−ＯＦＦする周波数（以下駆動周波数ｆｋと呼ぶ）に応じて、図６に示すように定着スリーブ１の発熱分布が変わる。そこで、この特性を利用して、記録材Ｐの紙サイズや定着スリーブ１の端部における昇温具合に応じて駆動周波数ｆｋを変えている。これにより、定着スリーブ１の発熱分布を切り替えて、端部昇温を抑制する事ができる。

しかしながら、定着スリーブ１の発熱分布を変えるために駆動周波数ｆｋを変えた場合、トナー像の定着に必要な電力を得られなくなってしまう。この課題について、以下説明する。

図７は、駆動周波数ｆｋと定着ユニットＡの等価抵抗Ｒの関係、及び駆動周波数ｆｋと等価インダクタンスＬの関係を表した図である。図７によると駆動周波数ｆｋが大きくなるにつれて等価抵抗Ｒは大きくなり、等価インダクタンスＬは小さくなるという特性がある。

図８は、共振コンデンサ切り替え素子６３をＯＮ状態として、共振コンデンサ６１と共振コンデンサ６２の並列合成容量を８μＦとした場合の、駆動周波数ｆｋと定着ユニットＡへの投入電力の関係を表した図である。定着ユニットＡへの投入電力は、共振コンデンサ６１及び６２と、定着ユニットＡの等価抵抗Ｒと等価インダクタンスＬからなるＲＬＣ直列共振回路における、等価抵抗Ｒで消費する電力であり、以下の式２で算出する事ができる。

図８によると、小サイズ紙の幅に適した発熱分布を形成する時、即ち、駆動周波数ｆｋが２０ｋＨｚのように低い周波数の時は、１６００Ｗ程の電力を投入する事が可能である。しかしながら、大サイズ紙に適した発熱分布を形成する時、即ち、５０ｋＨｚ等の高い駆動周波数の時は、９００Ｗ程度の電力しか投入する事が出来ない。つまり、図６に示したように、スリーブの長手方向全体を発熱させるために駆動周波数ｆｋを５０ｋＨｚに設定すると、投入可能な電力の上限は９００Ｗ程度になってしまうということである。

図９は、共振コンデンサ切り替え素子６３をＯＦＦ状態として、共振コンデンサ６１のみで容量を４μＦとした場合の、駆動周波数ｆｋと定着ユニットＡへの投入電力の関係を表した図である。定着ユニットＡへの投入電力は、図８と同様、式２で算出する事ができる。図９の場合は、駆動周波数ｆｋが５０ｋＨｚの場合にも１０５０Ｗ以上の電力を供給する事が可能になる。しかしながら、共振回路においては、駆動周波数ｆｋが共振周波数ｆを下回った場合、共振外れという現象を起こし、スイッチング素子５８、スイッチング素子５９にダメージを与えてしまう。従って共振コンデンサ切り替え素子６３がＯＦＦ状態においては、図９に記載の共振周波数ｆ＞駆動周波数ｆｋの領域は使用する事ができない。

そこで本実施例では、常に駆動周波数ｆｋが共振周波数ｆ以上になるように、共振コンデンサ切り替え素子６３のＯＮ−ＯＦＦを制御することで、共振外れを起こすことなく十分な電力を供給する事を可能としている。

図１０は、大サイズ紙に適した発熱分布から小サイズ紙に適した発熱分布に切り替える際の、駆動周波数と共振コンデンサの容量との関係、及び切り替えタイミングを示した図である。図１０には、商用電源電圧１００１、ＺＥＲＯＸ信号波形１００２、スイッチング素子５８のゲート波形１００３、スイッチング素子５９のゲート波形１００４、共振コンデンサ切り替え信号１００５が、それぞれ横軸を時間として表記されている。共振コンデンサの容量を切り替える際には、ゲート波形１００３及びゲート波形１００４のように、ＺＥＲＯＸ信号の立下りタイミングに同期して通電を停止し、立ち上がりエッジで共振コンデンサの容量を４μＦから８μＦに切り替える。次のＺＥＲＯＸ信号の立下りエッジで、ゲート波形１００３及びゲート波形１００４の駆動を開始する。この時、共振周波数ｆ≦駆動周波数ｆｋとなるような周波数で駆動する。駆動周波数を共振周波数以上とするとすることでスイッチング素子５８、スイッチング素子５９にダメージを与えないようにしている。また、スイッチング素子５８と５９の駆動をオフした後に共振コンデンサの容量を切り替えることによっても、スイッチング素子５８、スイッチング素子５９へのダメージを抑えている。

以上のようにコンデンサ切り替え動作をすることで、共振外れを起こすことなく且つ駆動周波数ｆｋによらず十分な電力を供給することが可能になる。本実施例では、ＺＥＲＯＸ信号に同期して、スイッチング素子５８及びスイッチング素子５９の駆動の停止と開始、共振コンデンサの切り替えを行なっている。しかしながら、これらのスイッチング素子５８及びスイッチング素子５９の駆動の停止と開始、共振コンデンサの切り替えのタイミングは、本実施例に限定されるものではない。又、本実施例では、共振コンデンサを切り替える例について説明している。しかしながら、定着ユニットＡに直列に不図示のインダクタンス及びインダクタンス切り替え回路を設け、インダクタンスを切り替えることで共振周波数ｆを切り替えるなどでもよい。共振周波数ｆを切り替える構成であれば本実施例に限定されるものではない。すなわち、コンデンサやインダクタンス等とで構成される共振部材の形態は様々な構成が考えられる。

ここからは、本実施例のコンデンサ切り替えを含む電力投入シーケンスにおけるＣＰＵ３２によるフローチャートについて図１１を用いて説明する。まず電力投入シーケンスが開始されるとＳ１０１にて初期設定としてコンデンサ切り替え状態、駆動周波数ｆｋを５０ｋＨｚ、基準周波数ｆｓを３５ｋＨｚに設定する。尚、基準周波数ｆｓはＣＰＵ３２の記憶部に予め記憶されているものである。本例では、基準周波数を共振コンデンサの容量を４μＦとした時の共振周波数とほぼ同じ周波数に設定してある。ここでのコンデンサ切り替え状態は、共振コンデンサ切り替え素子６３がＯＮのときをＣ＝１、共振コンデンサ切り替え素子６３がＯＦＦのときをＣ＝０と表現する。ここでの基準周波数ｆｓとは、コンデンサ切り替えの要否を判断するためのものであり、共振コンデンサ切り替え信号がＣ＝０のときの共振周波数ｆよりも高い周波数で設定される。本実施例の場合を例にすると、図９に示す共振周波数ｆよりも高い周波数領域における所定の値のことである。続いて、Ｓ１０２にて電力投入を開始し、紙サイズや定着器の端部昇温具合から駆動周波数ｆｋを決定する（Ｓ１０３）。Ｓ１０４にて現在のコンデンサ切り替え状態を確認し、Ｓ１０５、Ｓ１０７で現在設定されている共振コンデンサの状態と駆動周波数ｆｋの整合を確認しコンデンサ切り替えの要否を判断している。具体的には、現在の共振コンデンサ切り替え信号がＣ＝１の時は、低い周波数に対応したコンデンサが接続されている。低い周波数に対応したコンデンサが共振コンデンサとして設定されている場合には、基準周波数ｆｓよりも低い駆動周波数ｆｋで動作する必要がある。反対に現在の共振コンデンサ切り替え信号がＣ＝０の時は、高い周波数に対応したコンデンサが接続されている。高い周波数に対応したコンデンサが共振コンデンサとして設定されている場合には、基準周波数ｆｓ以上の駆動周波数ｆｋで動作する必要がある。Ｓ１０５、Ｓ１０７で共振周波数ｆと駆動周波数ｆｋの整合性を確認した上でコンデンサ切り替えの要否を判断し、要と判断した際には、Ｓ１０６、Ｓ１０８で共振コンデンサの切り替え設定を変更した上でその後のコンデンサ切り替えフローに移る。続いてＳ１０９にてＺＥＲＯＸ信号の立下りエッジを検出するまで待機し、ＺＥＲＯＸ信号の立下りエッジを検出したタイミングでスイッチング素子５８、スイッチング素子５９の駆動を停止する（Ｓ１１０）。Ｓ１１１にてＺＥＲＯＸ信号の立ち上がりエッジを検出するまで待機し、ＺＥＲＯＸ信号の立上がりエッジを検出したタイミングで共振コンデンサ切り替え信号を切り替える（Ｓ１１２）。次に、Ｓ１１３にてＺＥＲＯＸ信号の立下りエッジを検出するまで待機し、ＺＥＲＯＸ信号の立下りエッジを検出したタイミングで決定した駆動周波数ｆｋでスイッチング素子５８、スイッチング素子５９の駆動を開始する（Ｓ１１４）。Ｓ１０５、Ｓ１０７にて共振コンデンサ切り替えは不要と判断後、又はＳ１０９からＳ１１４を経て共振コンデンサの切り替えが終了後にＳ１１５に進む。Ｓ１１５で電力投入を継続すると判断されている場合には、Ｓ１１６にてサーミスタ温度から投入電力Ｐを更新し本フローを繰り返し電力投入を継続する。Ｓ１１５にて電力投入の終了を確認すると本電力投入シーケンスは終了となる。

以上のように、制御部は、記録材のサイズと回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて共振制御回路の駆動周波数を設定する。また、共振回路に必要な供給電力に応じて共振回路の共振周波数を設定する。これにより、記録材のサイズに応じた発熱分布を形成しつつ、発熱に必要な電力を供給できる。

（実施例２）
実施例１では、記録材Ｐの紙サイズや定着スリーブ１の端部における昇温具合から決定された駆動周波数ｆｋに応じて共振コンデンサを切り替える例について説明した。通常、立ち上げ時やプリント時等で投入電力は異なるため投入電力によっては共振コンデンサの切り替えを行なわなくても良いケースがある。本実施例では、駆動周波数ｆｋと必要電力に応じて共振コンデンサの切り替えを行なう例について説明する。以下では、本実施例について、実施例１と異なる点を主として説明し、共通する構成については、同一符号を付けて説明を省略する。

実施例１で説明したように、共振コンデンサ切り替え素子６３がＯＮ、共振コンデンサ６１と共振コンデンサ６２の並列合成容量が８ｕＦの状態において、駆動周波数ｆｋ＝５０ｋＨｚ時の供給可能電力は９００Ｗである。反対に、共振コンデンサ切り替え素子６３がＯＦＦ、共振コンデンサ６１が４ｕＦの状態における駆動周波数ｆｋ＝５０ｋＨｚ時の供給可能電力は１０５０Ｗである。つまり投入電力が９００Ｗよりも低くて良い場合には、共振コンデンサ切り替え素子６３ＯＮにし、共振コンデンサ６１と共振コンデンサ６２を並列にして合成容量を８ｕＦの状態にすることにより９００Ｗ以上の電力を供給できる。従って、９００Ｗ以上の投入電力が必要な場合のみ共振コンデンサ切り替え素子６３をＯＮにし、共振コンデンサ６１と共振コンデンサ６２を並列にして合成容量を８μＦの状態に切り替えることで共振コンデンサを切り替える回数を極力減らすことができる。通常、ＦＰＯＴ（ファーストプリントアウトタイム）を早くするために、立ち上げ時の必要電力がプリント時の必要電力に比べて大きくなる傾向にある。例えば、立ち上げ時の必要電力が１０００Ｗプリント時の必要電力が８００Ｗの場合、立ち上げ時のみ共振コンデンサ切り替え素子６３をＯＦＦ状態にする。一方、プリント時は、共振コンデンサ切り替え素子６３をＯＮ状態にするようにして、コンデンサ切り替えの回数を減らすことができる。

本実施例の共振コンデンサの切り替えを含む電力投入シーケンスにおけるＣＰＵ３２によるフローチャートについて図１２を用いて説明する。図１１と機能が同じところは、同一符号を付けて説明を省略する。電力投入シーケンスが開始すると、Ｓ２０１にて初期設定としてコンデンサ切り替え状態、駆動周波数ｆｋを５０ｋＨｚ、基準周波数ｆｓを３５ｋＨｚ、投入電力Ｐ＝１０００Ｗ、閾値電力Ｐｓ＝９００Ｗに設定する。ここでの閾値電力とは、コンデンサ切り替えの要否を判断するためのものであり、共振コンデンサ切り替え信号がＣ＝１のときの供給可能電力から設定される。本実施例においては、閾値電力は、周波数によらず固定値であるが、周波数によって異なるなど本実施例に限定されるものではない。ＣＰＵ３２は、Ｓ２０２にて共振コンデンサ切り替え状態がＣ＝１の状態且つｆｓ≦ｆｋの状態において投入電力Ｐが閾値電力Ｐｓよりも大きいと判断した場合、Ｓ１０６〜Ｓ１１４にて共振コンデンサ切り替え動作を行なう。Ｓ２０２にて投入電力Ｐが閾値電力Ｐｓ以下の場合には、共振コンデンサの切り替えは行なわない。最後にＣＰＵ３２は、Ｓ１１５にて電力投入の終了を判断すると本電力投入シーケンスは終了となる。以上のように、本実施例では、駆動周波数ｆｋと投入電力Ｐから共振コンデンサの切り替え要否を判断しているところが実施例１に対して特徴のある点である。尚、共振コンデンサの切り換え要否は、立ち上げやプリント等のモード毎に決めてもよく、本実施例に限定されるものではない。

以上のようにコンデンサ切り替え動作をすることで、共振外れを起こすことなく周波数によらず十分な電力を供給することが可能にしつつコンデンサ切り替えの回数を減らすことができる。

（実施例３）
図１３は、本実施例における共振コンデンサを切り替える際の波形を示した図である。波形１００３はスイッチング素子５８のゲート駆動波形、波形１００４はスイッチング素子５９のゲート駆動波形である。波形１００３、波形１００４ともに、駆動波形がＨレベルであるときにオン、Ｌレベルであるときにオフであるとする。波形２００１はスイッチング素子５８に流れる電流波形、波形２００２はスイッチング素子５９に流れる電流波形、波形１００５は共振コンデンサの切り替え信号である。共振コンデンサが４ｕＦのときの期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及び共振コンデンサが８ｕＦのときの期間Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの動作について説明する。スイッチング素子５８に備わる不図示のボディダイオードをＤ１、ローサイドＦＥＴに備わる不図示のボディダイオードをＤ２と表記する。

まず、期間Ａ（スイッチング素子５８はオン、スイッチング素子５９はオフ）において、電流はスイッチング素子５８→定着ユニットＡのインダクタンス→共振コンデンサ６１の経路で流れる。定着ユニットＡのインダクタンスを介して共振コンデンサ６１にエネルギーが蓄えられ、共振コンデンサ６１の電圧は上昇する。次に、デッドタイム期間Ｂ（スイッチング素子５８、スイッチング素子５９ともにオフ）において、電流はボディダイオードＤ２→定着ユニットＡのインダクタンス→共振コンデンサ６１の経路で流れる。ボディダイオードＤ２のダイオードに電流が流れている状態で、スイッチング素子５９をオンすることでソフトスイッチングを実現している。次に、期間Ｃ（スイッチング素子５８はオフ、スイッチング素子５９はオン）において、共振コンデンサ６１への充電が継続し、定着ユニットＡのインダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出し終わると、共振電流の向きが変わる。これにより、共振コンデンサ６１→定着ユニットＡのインダクタンス→スイッチング素子５９の経路で電流が流れる。このとき共振コンデンサ６１の電圧は下降する。次に、デッドタイム期間Ｄ（スイッチング素子５８、スイッチング素子５９ともにオフ）において、電流は共振コンデンサ６１→定着ユニットＡのインダクタンス→ボディダイオードＤ１の経路で電流が流れる。ボディダイオードＤ１に電流が流れている状態で、スイッチング素子５８をオンすることでソフトスイッチングを実現している。

続いてスイッチング素子５８のオンタイミングで、共振コンデンサの切り替え信号を切り替えると同時にスイッチング素子５８及びスイッチング素子５９の駆動周波数ｆｋを変更する。ボディダイオードＤ１に電流が流れている状態でスイッチング素子５９をオンし、それと同時に共振コンデンサの切り替えと駆動周波数ｆｋの変更を同時にすることで、共振外れの発生を防止する事ができる。続いて期間Ｅ（スイッチング素子５８はオン、スイッチング素子５９はオフ）において、電流はスイッチング素子５８→定着ユニットＡのインダクタンス→共振コンデンサ６１及び６２の経路で流れる。定着ユニットＡのインダクタンスを介して共振コンデンサ６１及び６２にエネルギーが蓄えられ、共振コンデンサ６１の電圧は上昇する。次に、デッドタイム期間Ｆ（スイッチング素子５８、スイッチング素子５９ともにオフ）において、電流はボディダイオードＤ２→定着ユニットＡのインダクタンス→共振コンデンサ６１及び６２の経路で流れる。ボディダイオードＤ２のダイオードに電流が流れている状態で、スイッチング素子５９をオンすることでソフトスイッチングを実現している。次に、期間Ｇ（スイッチング素子５８はオフ、スイッチング素子５９はオン）において、共振コンデンサ６１及び６２への充電が継続する。定着ユニットＡのインダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出し終わると、共振電流の向きが変わり、共振コンデンサ６１及び６２→定着ユニットＡのインダクタンス→スイッチング素子５９の経路で電流が流れる。このとき共振コンデンサ６１及び６２の電圧は下降する。次に、デッドタイム期間Ｈ（スイッチング素子５８、スイッチング素子５９ともにオフ）において、電流は共振コンデンサ６１及び６２→定着ユニットＡのインダクタンス→ボディダイオードＤ１の経路で電流が流れる。ボディダイオードＤ１に電流が流れている状態で、スイッチング素子５８をオンすることでソフトスイッチングを実現している。

以上の制御により共振コンデンサの切り替え時の共振外れの発生を防止しつつ、短い時間で共振コンデンサの切り替えを行なう事ができる。本実施例では、共振コンデンサを切り替える例について説明している。しかしながら、定着ユニットＡの直列にインダクタンス及びインダクタンス切り替え回路を設け、インダクタンスを切り替えることで共振周波数ｆを切り替えるなどでもよい。共振周波数ｆを切り替える構成であれば本実施例に限定されるものではない。続いて本実施例の共振コンデンサ切り替えを含む電力投入シーケンスにおけるＣＰＵ３２によるフフローチャートについて図１４を用いて説明する。図１２と機能が同じところは、同一符号を付けて説明を省略する。

図１１のフローチャートに対し変更した機能は、Ｓ１０９〜Ｓ１１４の工程がＳ３０１〜Ｓ３０３で置き換えられているところである。共振コンデンサ切り替えの要否が決定した後、Ｓ３０１にてスイッチング素子５９のゲートをオフした後、所定のデッドタイム経過するまで待機する。そして、スイッチング素子５８立ち上がりエッジタイミング（Ｓ３０１）で共振コンデンサの切り替え信号を切り替え（Ｓ３０２）、共振周波数ｆを切り替える。同時にＳ３０３でスイッチング素子５８、スイッチング素子５９の駆動周波数をｆｋに切り替える。以上のようにすることで、共振周波数ｆの変更を行う場合に、共振外れを防止しつつ通電を停止せずに実現する事が可能になる。本実施例では、高い共振周波数ｆから低い共振周波数ｆに切り替える例について説明したが、低い共振周波数ｆから高い共振周波数ｆへ変更する場合にでも同じように切り替えるものとする。又、本実施例では、スイッチング素子５８の立ち上がりエッジに同期させて共振周波数ｆの切り替え及び駆動周波数ｆｋの切り替えを行なう例について説明した。しかしながら、スイッチング素子５９の立ち上がりエッジに同期させて共振周波数ｆの切り替え及び駆動周波数ｆｋの切り替えを行なう例など本実施例に限定されるものではない。

尚、実施例１及び２では、ＺＥＲＯＸ信号に同期して共振コンデンサ切り替え動作を行なっており、本実施例では、ＺＥＲＯＸ信号に同期せずに共振コンデンサ切り替え動作を行なっている。しかしながら実施例１及び２においては、ＺＥＲＯＸ信号に同期していなくても共振コンデンサを切り替え時にスイッチングを停止していればよく実施例に限定されるものではい。本実施例においては、ＺＥＲＯＸ信号に同期していても、スイッチング素子５８又はスイッチング素子５９の立ち上がりエッジに同期して共振周波数ｆ及び駆動周波数ｆｋの切り替えを行なっていればよく本実施例に限定されるものではない。

３２ ＣＰＵ
５８、５９ スイッチング素子
６１、６２ 共振コンデンサ
５０ 商用電源
６３ 共振周波数切り替え手段
７１ 電源装置
１００ 画像形成装置
１０３ 画像形成手段
１０７ 記録材搬送手段
Ａ 定着ユニット
Ｐ 記録材

Claims (12)

1. 導電層を有する筒状の回転体と、
   前記回転体の内部に設けられ、螺旋軸が前記回転体の母線方向に沿った方向である螺旋状のコイルと、
   共振コンデンサを有し、前記回転体と前記コイルと共に形成される共振回路；
   前記共振回路を制御する共振インバータと、
   前記共振インバータに供給する電力を制御する制御部と、
   を備え、前記コイルにより発生する磁束によって前記導電層を電磁誘導発熱させ、前記回転体の熱により記録材に形成された前記画像を記録材に定着する定着装置において、
   前記制御部は、記録材のサイズと前記回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて前記共振インバータの駆動周波数を設定し、設定された前記駆動周波数に応じて前記共振回路の共振周波数を切り替えることを特徴とする定着装置。
2. 前記制御部は、前記共振コンデンサの容量を切り替えることによって前記共振周波数を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記制御部は、前記共振インバータの駆動をオフした後に前記共振周波数を切換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記導電層は、前記導電層の周方向に流れる誘導電流を主に利用して発熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記コイルにより発生する磁束の７０％以上は前記導電層の外を通ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 前記回転体は、フィルムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 前記コイルは一つのみ設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の定着装置。
8. 導電層を有する筒状の回転体と、
   前記回転体の内部に設けられ、螺旋軸が前記回転体の母線方向に沿った方向である螺旋状のコイルと、
   共振コンデンサを有し、前記回転体と前記コイルと共に形成される共振回路と、
   前記共振回路を制御する共振インバータと、
   前記共振インバータに供給する電力を制御する制御部と、
   を備え、前記コイルにより発生する磁束によって前記導電層を電磁誘導発熱させ、前記回転体の熱により記録材に形成された前記画像を記録材に定着する定着装置において、
   前記制御部は、記録材のサイズと前記回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて前記共振インバータの駆動周波数を設定し、定着処理に必要な電力に応じて前記共振回路の共振周波数を切り替えることを特徴とする定着装置。
9. 前記制御部は、前記共振コンデンサの容量を切り替えることによって前記共振周波数を切り替えることを特徴とする請求項８に記載の定着装置。
10. 前記制御部は、前記共振インバータの駆動をオフした後に前記共振周波数を切換えることを特徴とする請求項８又は９に記載の定着装置。
11. 前記導電層は、前記導電層の周方向に流れる誘導電流を主に利用して発熱することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の定着装置。
12. 前記コイルは１つのみ設けられていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の定着装置。

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