JP2020030382A - 画像加熱装置及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁誘導加熱方式の装置において、円筒状の回転体の破損の有無を簡便に判断できる画像加熱装置及びこれを用いた画像形成装置を提供する。【解決手段】導電層を有する円筒状の回転体と、長手方向に配置された磁性芯材と、磁性芯材の長手方向に沿って磁性芯材に巻かれた励磁コイルと、回転体と共にニップ部を形成する対向体と、ニップ部を加熱するために交流電源に接続され、回転体、磁性芯材および励磁コイルを備え、励磁コイルに高周波電流を流す加熱ユニットと、交流電源の電圧を検知する電圧検知手段と、電圧検知手段の出力と、加熱ユニットの等価インダクタンス値および等価抵抗値とに基づき、加熱ユニットに投入する予定電力を取得する第１の取得手段と、加熱ユニットに供給した電力を取得する第２の取得手段と、第１の取得手段と第２の取得手段の出力を比較する比較手段と、を有する。【選択図】図１１

Description

本発明は、例えば電子写真方式を採用した複写機やプリンタ、あるいはファクシミリ等、記録材上に画像形成可能な画像形成装置に用いられる電磁誘導加熱方式の画像加熱装置及びこれを用いた画像形成装置に関する。

プリンタや複写機等の電子写真方式の画像形成装置では、画像データに対応したトナー像を記録紙やＯＨＰシート等の記録材に転写した後、記録材に転写されたトナー像を、画像加熱装置としての定着装置で加熱および加圧して記録材に定着している。様々な方式の定着装置がある中で、電流が流れることによって発熱する抵抗発熱層が、周回移動方向の全周に渡って設けられた発熱定着フィルムを用いる構成が提案されている（特許文献１）。

特開２０１４−２６２６７２号公報

ここで、抵抗発熱層が周回移動方向の全周に渡って設けられた、円筒状の回転体としての定着フィルム上に、流れる電流の向きと垂直な方向に破損が発生した場合、これを検知して破損端部の温度上昇を回避することが望まれていた。

本発明の目的は、電磁誘導加熱方式の装置において、円筒状の回転体の破損の有無を簡便に判断できる画像加熱装置及びこれを用いた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、本発明に係る画像加熱装置は、導電層を有する回転可能な円筒状の回転体と、前記回転体の中空部に挿通され、前記回転体の長手方向に沿って配置された磁性芯材と、前記回転体の中空部に挿通され、前記磁性芯材の長手方向に沿って前記磁性芯材に巻かれた励磁コイルと、前記回転体に対向し、前記回転体と共にトナー画像を担持した記録材を挟持搬送するニップ部を形成する対向体と、前記ニップ部を加熱するために交流電源に接続され、前記回転体、前記磁性芯材および前記励磁コイルを備え、前記励磁コイルに高周波電流を流す加熱ユニットと、前記交流電源の電圧を検知する電圧検知手段と、前記電圧検知手段の出力と、前記加熱ユニットの等価インダクタンス値情報および等価抵抗値情報とに基づき、前記加熱ユニットに投入する予定電力を取得する第１の取得手段と、前記加熱ユニットに供給した電力を取得する第２の取得手段と、前記第１の取得手段と前記第２の取得手段の出力を比較する比較手段と、を有し、前記比較手段の出力に基づき、前記回転体の破損の有無を判断可能としたことを特徴とする。

また、本発明に係る画像形成装置は、記録材にトナー画像を形成する画像形成部と、導電層を有する回転可能な円筒状の回転体と、前記回転体の中空部に挿通され、前記回転体の長手方向に沿って配置された磁性芯材と、前記回転体の中空部に挿通され、前記磁性芯材の長手方向に沿って前記磁性芯材に巻かれた励磁コイルと、前記回転体に対向し、前記回転体と共に前記トナー画像を担持した記録材を挟持搬送するニップ部を形成する対向体と、前記ニップ部を加熱するために交流電源に接続され、前記回転体、前記磁性芯材および前記励磁コイルを備え、前記励磁コイルに高周波電流を流す加熱ユニットと、前記交流電源の電圧を検知する電圧検知手段と、前記電圧検知手段の出力と、前記加熱ユニットの等価インダクタンス値情報および等価抵抗値情報とに基づき、前記加熱ユニットに投入する予定電力を取得する第１の取得手段と、前記加熱ユニットに供給した電力を取得する第２の取得手段と、前記第１の取得手段と前記第２の取得手段の出力を比較する比較手段と、を有し、前記比較手段の出力に基づき、前記回転体の破損の有無を判断可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、電磁誘導加熱方式の装置において、円筒状の回転体の破損の有無を簡便に判断できる画像加熱装置及びこれを用いた画像形成装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る画像加熱装置としての定着装置を搭載した画像形成装置の概略断面図 第１の実施形態における定着装置の横断側面模型図 第１の実施形態における定着装置の正面模型図 第１の実施形態における定着装置の斜視投影図と接続回路ブロック図 （ａ）は第１の実施形態における定着駆動回路図、（ｂ）は４全波に関する説明図 第１の実施形態における第一のコンバータの動作を表す図 第１の実施形態における駆動周波数違いの第一のコンバータの動作を表す図 第１の実施形態における第二のコンバータの動作を表す図 第１の実施形態における定着フィルム破損幅と等価インダクタンスＬｓ−等価抵抗Ｒｓの関係を示すグラフ 第１の実施形態における定着フィルム破損幅と定着ユニットＡへの投入電力の関係を示すグラフ 第１の実施形態における定着フィルム破損検知制御を説明するフローチャート 第２の実施形態における定着フィルム破損検知制御を説明するフローチャート

以下、本発明の好ましい実施の形態を図に基づいて説明する。

《第１の実施形態》
（画像形成装置）
図１は、本実施形態に従う画像形成装置１００の概略構成図である。本実施形態の画像形成装置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。

図１で、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、感光ドラム）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により感光ドラム１０１の帯電処理面が露光され、感光ドラム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から感光ドラム１０１の表面に現像剤（トナー）を供給し感光ドラム１０１の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、感光ドラム１０１に形成されたトナー像の先端と記録材Ｐ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。

画像形成部としての転写部位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Ａで加熱され記録材Ｐに定着される。

定着ユニットＡ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ドラム１０１の表面は、クリーニング部１１０でクリーニングされる。

上述したＣＰＵ３２に関連して、図４には、プリンタ制御を行なう制御部であるＣＰＵ３２、プリンタコントローラ４１、及びホストコンピュータ４２の関係を示すブロック図を示している。プリンタコントローラ４１は、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１２１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１２１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の各ユニットの制御を行う。また、エンジン制御部１２１は、図５に示すように、温度取得手段としての温度検出素子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。温度検出素子９、１０、１１については、以下の画像加熱装置に関して後に詳述する。

（画像加熱装置）
図２に示すように、画像加熱装置としての定着装置を構成する定着ユニットＡは、加熱ユニットＡ１と加圧部材としての加圧ローラ８を備える電磁誘導加熱方式の定着装置である。そして、加熱ユニットＡ１は、導電層を有する回転可能な円筒状回転体（以下、回転体）１を構成する定着フィルムと、定着フィルムを発熱させるコイルユニットを備える。このような定着ユニットＡにおいて、加熱ユニットＡ１とこれに対向する対向体としての加圧ローラ８の間には、未定着トナー画像を担持する記録材Ｐを挟持搬送する定着ニップ部（ニップ部）Ｎが形成されている。

ここで、定着ユニットＡを構成する部材に関し、長手方向とは、記録材の搬送方向および記録材の厚さ方向に直交する方向である。

１）回転体
図２で、回転体１を構成する定着フィルムは、直径１０〜５０ｍｍが好ましく、長手方向に直交する断面内で、径方向に基層となる発熱層（導電層）１ａと、その外面に積層した弾性層１ｂと、更にその外面に積層した離型層１ｃを有する。発熱層１ａは金属フィルム（本実施形態のフィルム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１ｃ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、定着フィルム１の周方向全体が加熱される。尚、定着フィルム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。

２）加圧部材および加圧機構
図２で、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の長手方向の両端部は、定着ユニットＡ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、本実施形態の定着ユニット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）で構成されたフィルムガイド部材６（図２）の下面と、加圧ローラ８とが、定着フィルムを挟んで圧接した状態で定着ニップ部Ｎを形成している。

加圧ローラ８は、不図示の駆動手段により図２に示す矢印方向に駆動されており、回転体１を構成する定着フィルムは、加圧ローラ８の回転に従動して回転する。図３に示す１２ａ、１２ｂは、定着フィルム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１２ａ、１２ｂは、フィルムガイド６の長手方向の端部に回転自在に配置されている。そして、定着フィルムが回転中に長手方向（母線方向）に寄り移動すると、フランジ部材１２ａ、１２ｂに突き当たり、定着フィルムに押されたフランジ部材１２ａ、１２ｂは規制部材１３ａ、１３ｂに突き当たる。

これにより、定着フィルムの寄り移動が規制部材１３ａ、１３ｂによって規制される。フランジ部材１２ａ、１２ｂ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。

３）誘導電流発生機構
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。本実施形態では、励磁コイル（以下、コイル）３により発生する磁束により回転体１の導電層を電磁誘導発熱させる。図４は、加熱ユニットＡ１に設けたコイルユニットの斜視図である。

図４に示すコイルユニットは、回転体１を構成する定着フィルムの内部に螺旋軸が長手方向と略平行である螺旋形状部を有し、前記回転体１の導電層１ａ（図２）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。更に、回転体１の中空部に挿通され、かつ螺旋形状部の中に配置され、磁束を誘導するための磁性コア（以下、コア）２を備えている。磁性芯材としてのコア２は、不図示の固定手段で回転体１を構成する定着フィルムの中空部を貫通して配置させてある。図４で、ＮＰ及びＳＰはコア２の磁極を示している。

コア２は、回転体１の外側でループを形成しない形状、即ち有端形状であり、コイル３により発生する磁束は開磁路を形成する。コア２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。

本実施形態においては、コア２として比透磁率１８００の焼成フェライトを用いている。そして、コア２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２の長手方向の長さは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。

コイル３は、単一導線を、回転体１を構成する定着フィルムの中空部において、コア２に螺旋状に巻き回して形成されている。その際、コア２の長手方向の中央部よりも端部において、単一導線の間隔が密になるように巻かれている。長手方向の寸法２４０ｍｍのコア２に対し、コイル３を１８回巻きつけている。その巻間隔は、長手方向の端部において１０ｍｍ、中央部において２０ｍｍ、その中間において１５ｍｍとなっている。このようにして、コイル３はコア２の軸線Ｘに交差する方向に巻き回されている。

図４に示す給電接点部３ａ、３ｂを介して、高周波コンバータである第一のコンバータ１６により、コイル３に高周波電流を流すと、磁束が発生する。本実施形態では、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、回転体１を構成する定着フィルムの発熱層１ａよりも外を通ってコア２の他端に戻るように設計されている。このため、定着フィルムの発熱層１ａよりも外を通る磁束を打ち消す磁束が発生するように、定着フィルムの発熱層１ａには周方向に流れる誘導電流が発生する。

これにより、定着フィルムの発熱層１ａの周方向全体が発熱する。このように、定着フィルムの周方向に誘導電流が流れる構成にすると、定着フィルム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１ａの外を通るように構成しているため、コア２をループ形状として閉磁路を形成する構成の装置と比較して、小型化できるというメリットもある。

更に本実施形態では、図４及び図５に示すように、共振回路１９１（図５）を駆動する高周波コンバータである第一のコンバータ１６以外に、第一のコンバータ１６に供給する電力を制御するための第二のコンバータ１５を設けている。共振回路１９１は、導電層を有する筒状の回転体１と、回転体１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コイル３と、共振コンデンサ１１１３を有する。

ここで、図３、図４に示す定着ユニットＡの温度検出素子９、１０、１１は、図４に示すようにニップ部Ｎよりも定着フィルムの回転方向で上流側に配置され、定着フィルムの表面温度を検出する。また、定着ユニットＡの長手方向において、定着フィルムの中央部および両端部の温度を検出（取得）する。これらの温度検出素子９、１０、１１は、サーミスタ等によって構成される。そして、長手方向におけ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３への給電が制御される。

また、定着フィルムの長手方向の両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フィルム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の長手方向の両端部に配置し、小サイズ記録材Ｐを連続プリントしたとき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５に示すＲｓは定着ユニットＡの等価抵抗（等価抵抗値情報）、Ｌｓは定着ユニットＡの等価インダクタンス（等価インダクタンス値情報）である。本実施形態の共振回路１９１は、電流共振回路である。また、記録材Ｐのサイズと回転体１の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて、第一のコンバータ１６の駆動周波数を設定する周波数設定部１２０を設けている。更に、回転体１の通紙部の温度に応じて第二のコンバータ１５を制御し、第二のコンバータ１５から第一のコンバータ１６に供給する電力を制御する電力制御部１１９を設けている。

詳述すると、周波数設定部１２０は、小サイズ紙の非通紙部となる領域の回転体１の温度が高くなり過ぎないように温度検出素子１０、１１の検出温度に応じて第一のコンバータ１６の駆動周波数を設定する。電力制御部１１９は、回転体１の通紙部の温度（温度検出素子９の検出温度）が定着可能温度である制御目標温度を維持するように、第二のコンバータ１５の出力電圧を制御する。なお、第一のコンバータ１６の駆動周波数は、記録材のサイズ情報に応じて設定してもよい。

次に、図５（ａ）に示す駆動回路を詳細に説明する。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、画像形成装置１００に交流電力を供給する。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、ＡＣフィルタ１１０１を介してダイオードブリッジ１１０２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１１０３に充電された後、横軸を時間、縦軸を電圧としたとき、波形２のような電圧波形になる。

７１は、直流電圧を生成する電源部であり、不図示の二次側の負荷（モータやＣＰＵ等）に所定の電圧を出力している。７２は商用電源電圧を検知するための商用電源電圧検知手段、７３は定着ユニットＡに流れる電流を検知するための定着電流検知手段である。７４は、商用電源電圧検知手段７２で検知した電圧波形から商用電源の電圧実効値を算出する電圧検知手段としての電圧実効値算出手段であり、算出した商用電源の電圧実効値をエンジン制御部１２１に伝達している。

また、７５は、商用電源電圧検知手段７２で検知した電圧波形と定着電流検知手段７３で検知した定着ユニットＡに流れる電流波形から、定着ユニットＡに供給された有効電力を算出する有効電力算出手段である。そして、算出した有効電力値をエンジン制御部１２１に伝達している。

続いて、第一のコンバータ１６について説明する。第一のコンバータ１６は、第二のコンバータ１５の出力に接続されている。スイッチング素子１１０８、１１０９で、第一のコンバータ１６のハーフブリッジ回路を構成している。１１１０は電圧共振コンデンサであり、本実施形態ではスイッチング素子１１０９のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間（スイッチング素子がＩＧＢＴの場合、コレクタ−エミッタ間）に接続している。１１１８は、スイッチング素子１１０８及び１１０９の駆動回路である。

なお、１９１は、等価インダクタンスＬｓ、等価抵抗Ｒｓ、電流共振コンデンサ１１１３により構成された直列共振（電流共振）回路である。等価抵抗Ｒｓは、回転体１及びコイル３の抵抗分を、コイル３から見た直列等価抵抗として表現した抵抗である。

図６に、スイッチング素子１１０８のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間電圧、スイッチング素子１１０９のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間電圧、スイッチング素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧、コイル３の電流、及びコンデンサ１１１３の電圧を示す。電流共振回路を用いているので、スイッチング素子１１０８、１１０９は、いずれも、期間１＋期間２＋期間３＋期間４においてデューティ比約５０％で交互に駆動される。

具体的には、スイッチング素子１１０８のＯＮ期間は期間１であり、（期間１／（期間１＋期間２＋期間３＋期間４））≒５０％である。スイッチング素子１１０９のＯＮ期間は期間３であり、（期間３／（期間１＋期間２＋期間３＋期間４））≒５０％である。デューティ比５０％で駆動する理由は、第一のコンバータ１６に入力する電圧の１／２の電圧が電流共振コンデンサ１１１３にチャージするためである。デューティ比５０％で駆動しない場合、電流共振コンデンサ１１１３に許容できる電圧振幅が低下してしまい、コイル３へ出力できる電力が小さくなってしまう。

また、スイッチング素子１１０８、１１０９の両方の導通を避けるため、スイッチング素子１１０８、１１０９を同時にターンオフしている期間としてデッドタイムを必ず設けている（図６の期間２及び期間４）。

スイッチング素子１１０９のドレイン（Ｄ）ソース（Ｓ）端子間には、電圧共振コンデンサ１１１０を接続している。スイッチング素子１１０８がターンオンしてコンデンサ１１０７から電流が流れると、コンデンサ１１１０の電圧がコンデンサ１１０７と略同じとなり、その後、定着ユニットＡ内のコイル３と、コンデンサ１１１３に電流が流れ始める（図６の期間１）。コイル３及びコンデンサ１１１３に流れる電流は、正弦波状になる。コイル３の電流がコンデンサ１１１３を充電している期間内に、スイッチング素子１１０９をターンオフする。

コイル３には引き続き電流が流れ続けようとする為、電流は、コンデンサ１１１３、スイッチング素子１１０９に備わっている不図示の逆導通ダイオードに流れる（図６の期間２）。

スイッチング素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧は、ソース（Ｓ）電圧よりも逆導通ダイオードの順方向電圧だけ低くなる。図６の期間２の中でスイッチング素子１１０９の逆導通ダイオードが導通している期間に、周波数設定部１２０はスイッチング素子駆動回路１１１８を介してスイッチング素子１１０９をターンオンする。コイル３に流れていた電流は、時間とともに減少していく。コンデンサ１１１３に蓄えた電圧は最も高電圧となり、この後、逆方向に電流が流れ始める（図６の期間３）。

次に、逆方向に流れている電流が０Ａになる前に、スイッチング素子１１０９をターンオフする。すると、流れていた電流はコンデンサ１１１０を充電し始め、スイッチング素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧が上昇していく（図６の期間４）。スイッチング素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧がコンデンサ１１０７の電圧よりも高くなると、スイッチング素子１１０８に備わっている不図示の逆導通ダイオードに電流が流れ始める。

コンデンサ１１１０の電圧は、コンデンサ１１０７の電圧とスイッチング素子１１０９に備わっている不図示の逆導通ダイオードの順方向電圧の和となる。スイッチング素子１１０８の逆導通ダイオードに通電している期間に、周波数設定回路１２０はスイッチング素子駆動回路１１１８を通じてスイッチング素子１１０８をターンオンする（図６の期間１）。以降、前述した期間１から期間４のスイッチ制御を繰り返す。

以上のように、電圧共振コンデンサ１１１０の容量と、ターンオフ時の電流と、デッドタイム時間（期間２及び期間４）を適切に設定することにより、スイッチング素子１１０８、１１０９はソフトスイッチ動作となり、高い効率を保つことが可能となっている。

ところで、電流共振回路１９１のスイッチ周波数（駆動周波数）は、周波数設定部１２０により制御される。周波数設定部１２０は、回転体１の記録材Ｐが通過しない領域（非通紙領域）に設けた温度検出素子１０又は１１の検出温度により、共振回路１９１の駆動周波数を制御する。非通紙領域とは、装置で利用可能な最大サイズの記録材は通過するが最大サイズより小さなサイズの記録材は通過しない領域のことである。例えば、温度検出素子１０や１１の検出温度が所定の上限温度に達すると、共振回路１９１の駆動周波数を低下させて、回転体の非通紙部の発熱を抑え、非通紙部の温度上昇を制限している。

このようにして、記録材のサイズに合った発熱分布を形成している。図７（ａ）（ｂ）に駆動周波数をそれぞれ３６ｋＨｚと５０ｋＨｚに設定した場合のスイッチング素子１１０８とスイッチング素子１１０９のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間電圧波形を示す。いずれの周波数でも、スイッチング素子１１０８のＯＮデューティ比とスイッチング素子１１０９のＯＮデューティ比は約５０％である。

このように、第一のコンバータ１６の駆動周波数を切換えることにより、記録材のサイズに合った発熱分布を形成できる。なお、本実施形態は、温度検出素子１０や１１の検出温度が上限温度を超えないように駆動周波数を制御しているので、一枚の記録材を定着処理する期間中に駆動周波数は変動することもある。一方、温度検出素子１０や１１を設けずに、記録材のサイズ情報に応じて共振回路の駆動周波数を設定する場合、記録材サイズ毎に所定の駆動周波数を設定すればよい。

次に、第二のコンバータ１５の動作について説明する。第二のコンバータ１５は、第一のコンバータ１６に供給する電力を制御するために設けられており、記録材サイズに拘らず記録材が通過する回転体１の通紙部の温度（温度検出素子９の検出温度）に応じて第一のコンバータ１６に供給する電力を制御する。具体的には、電力制御部１１９は、温度検出素子９の検出温度に応じて駆動回路１１１７に信号を送り、スイッチング素子１１０４のＯＮデューティ比を制御する。これにより、第一のコンバータ１６に供給する電力（第二のコンバータ１５の出力電圧）が制御される。

第二のコンバータ１５は、スイッチング素子１１０４、ダイオード１１０５、コイル１１０６、コンデンサ１１０７等で構成された、降圧型コンバータである。スイッチング素子１１０４のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間に電圧が印加され、スイッチング素子１１０４がターンオンすると、コイル１１０６に電圧が印加される。コイル１１０６の両端にはコンデンサ１１０３とコンデンサ１１０７の電圧の差分が印加される。コイル１１０６に流れる電流の傾きはコイル１１０６のインダクタンスとコイル１１０６に印加された電圧により決まる。

コイル１１０６に流れた電流は、コンデンサ１１０７を充電する。コンデンサ１１０７の電圧が上昇してくると、スイッチング素子１１０４をターンオンしてもコイル１１０６に印加される電圧が小さくなる。このようにコイル１１０６に印加される電圧によりコイル１１０６に流れる電流は変化するものの、コンデンサ１１０７の電圧上昇が遅ければコイル１１０６に流れる電流はほぼ直線的に上昇していく。この期間が、図８の期間１である。

スイッチング素子１１０４がターンオフすると、ダイオード１１０５を通ってコイル１１０６に電流が継続して流れる状態になる。コイル１１０６に磁界の形で蓄積された電力により、コンデンサ１１０７は充電される。コンデンサ１１０７の容量が充分に大きければ、コイル１１０６の電流は略線形特性により低下していく。スイッチング素子１１０４がＯＮする際に、コイル１１０６に電流が流れている場合には、その電流値がスイッチング素子１１０４をターンオンした時の初期値となる。以上の様な一連の動作を繰り返して、第二のコンバータ１５は動作している。

スイッチング素子１１０４の駆動方法には、ＰＷＭ制御が用いられている。回転体１の通紙部の温度を制御目標温度に維持するため、第二のコンバータ１５の出力電力を大きくしたいときは、ＰＷＭのＯＮ時間比率、即ちＯＮデューティ比（図８の期間１／（期間１＋期間２））を大きくする。逆に、第二のコンバータ１５の出力電力を小さくしたいときは、ＯＮデューティ比を小さくする。

ＰＷＭ制御では、コイル１１０６に流れる電流が０になることがない。図８に、ＰＷＭ制御を行った際のコイル１１０６の電流と、ダイオード１１０５のＫ端子の電圧を示す。このように、スイッチング素子１１０４は、電流が流れている状態でターンオン、ターンオフ動作を行うハードスイッチ動作となる。なお、図８のコンデンサ１１０７の電圧が第二のコンバータ１５の出力電圧となる。

なお、スイッチング素子１１０４は、商用交流電源５０に絶縁されずに接続されている。本実施形態では、国際規格で絶縁を要求される装置に適用する為、一例として駆動回路１１１７、１１１８で絶縁を確保するよう構成している。

以上のように、電力制御部１１９は、温度検出素子９の検出温度に基づいて、前述したＰＷＭ制御のＯＮデューティ比を制御している。制御手法としては、ＰＩ制御、またはＰＩＤ制御などを用いている。そして、温度検出素子９の検出温度が定着可能温度である制御目標温度を維持するように、電力制御部１１９は駆動回路１１１７を駆動し、スイッチング素子１１０４のＯＮデューティ比を制御する。スイッチング素子１１０４のＯＮデューティ比を変化させるとコンデンサ１１０７の電圧が変化し、第一のコンバータ１６に供給される電力が変化する。

このように、通紙領域の温度（温度検出素子９の検出温度）を制御目標温度に保つため、第一のコンバータ１６の駆動周波数を制御するのではなく、第二のコンバータの出力電圧を制御する。

なお、非通紙部の温度に応じて第一のコンバータの駆動周波数を設定する代わりに、記録材Ｐのサイズに応じて第一のコンバータ１６の駆動周波数を設定しても構わない。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、第一のコンバータ１６の駆動周波数を設定すればよい。

また、ダイオードブリッジ１１０２の入力側にトライアック等のスイッチング素子を配置し、この素子を位相制御や波数制御することによって第一のコンバータ１６に入力する電圧の実効値を調整してもよい。また、ダイオードブリッジ１１０２の出力側にＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子を配置し、この素子を位相制御や波数制御することによって第一のコンバータ１６に入力する電圧の実効値を調整してもよい。

また、第二のコンバータ１５を設けずに、ＰＷＭコンバータ方式や位相シフトフルブリッジ方式などのように、周波数を固定して、通電するデューティを調整することで投入電力を調整するような構成にしてもよい。すなわち、定着ユニットＡ（加熱ユニットＡ１）は、コンバータとして一つのコンバータから成り、周波数を固定して、通電するデューティを調整することで、定着ユニットＡ（加熱ユニットＡ１）への予定電力を調整するようにしても良い。

（定着フィルムの破損検知）
続いて、本発明の特徴的な部分である、定着フィルムの破損検知について説明する。図９は、回転体１を構成する定着フィルムの長手方向の破損幅に対する、そのときの定着ユニットＡの等価インダクタンスＬｓ、等価抵抗Ｒｓの関係を示す図である。コア２に螺旋状に巻きつけられたコイル３に対して高周波電流を流した際に、定着フィルムに周回電流が流れ、コイル３と定着フィルムが磁気的に結合することで等価インダクタンスＬｓと等価抵抗Ｒｓが形成される。

図９の横軸は定着フィルムにおける長手方向の破損幅、縦軸は等価インダクタンスＬｓと等価抵抗Ｒｓである。定着フィルムの破損幅が広くなればなるほど、破損している部分には電流が流れなくなるため、破損している部分でのコイル３と定着フィルムの結合はなくなり、等価インダクタンスＬｓと等価抵抗Ｒｓは大きくなる。

続いて図１０は、定着フィルムの破損幅と、所定デューティで電力投入を行った場合の定着ユニットＡへの投入電力との関係を示す図である。この図は、第一のコンバータ１６に一定の電圧（投入電力デューティ比１００％の場合）を入力した場合を示しており、横軸は定着フィルムにおける長手方向の破損幅、縦軸は定着ユニットＡへの投入電力を示している。

定着ユニットＡへの投入電力Ｐは、以下の式１から導くことができる。Ｖは定着ユニットＡへの入力電圧、Ｒｓは定着ユニットＡの等価抵抗値、ｆは第一のコンバータ１６の駆動周波数、Ｌｓは定着ユニットＡの等価インダクタンス値、Ｃは共振コンデンサ１１１３の容量を示している。

図１０に示すように、定着フィルムの破損幅が広がれば広がるほど、定着ユニットＡへの投入電力は低くなっていく。例えば、定着フィルムの破損がない場合の投入電力が約１２８０Ｗであるのに対して、４０ｍｍ程度定着フィルムに破損があった場合には、投入電力は約１０００Ｗになる。そして、８０ｍｍ程度定着フィルムに破損があった場合には、投入電力は約５６０Ｗになる。これは、図９に示すように定着ユニットＡの等価インダクタンスＬｓと等価抵抗Ｒｓが、定着フィルムの破損により上昇することが原因である。

図１１は、本実施形態の定着フィルムの破損検知シーケンスのフローチャートである。先ずＳ１０１にて、電圧実効値算出手段において商用電源電圧Ｖａｃを算出する。続いて、Ｓ１０２にて、第二のコンバータ１５のデューティＤを決定する。第一のコンバータ１６に入力される電圧は、以下の式２により表すことができる。式２が示すように、第一のコンバータ１６に入力される電圧Ｖ１は、商用電源電圧Ｖａｃと第二のコンバータ１５のデューティＤによって決まる。このため、第一のコンバータ１６に入力される電圧が所定の電圧になるように、第二のコンバータ１５のデューティを決めればよい。

次に、Ｓ１０３にて、定着ユニットＡ（加熱ユニットＡ１）への投入予定電力（想定電力）Ｐｒｅｆをエンジン制御部１２１内の第１の取得手段１２１ａで取得（算出）する。定着ユニットＡに印加される電圧Ｖは、以下の式３で表すことができる。

ここで、式３と式１から、式４を導出することができ、式４から定着ユニットＡへの投入予定電力Ｐｒｅｆを算出することができる。Ｒｓは定着ユニットＡの等価抵抗値、ｆは第一のコンバータ１６の駆動周波数、Ｌｓは定着ユニットＡの等価インダクタンス値、Ｃは共振コンデンサ１１１３の容量である。

定着ユニットＡの等価抵抗値Ｒｓや定着ユニットＡの等価インダクタンス値Ｌｓは、予め用意された値を使用しても良いし、定着ユニット内のメモリ１３０に記憶（格納）された値を使用しても良い。共振コンデンサ１１１３の容量に関しても、予め用意された値を使用しても良いし、駆動回路内の不図示のメモリに記憶された値を使用しても良い。

続いて、比較手段としてのエンジン制御部１２１で、第１の取得手段１２１ａで取得された投入予定電力（想定電力）Ｐｒｅｆと比較する。すなわち、定着ユニットＡ（加熱ユニットＡ１）に供給した電力を第２の取得手段としての有効電力算出手段７５で取得（検出）し、投入予定電力（想定電力）Ｐｒｅｆと比較する。

具体的には、Ｓ１０４で４全波通電（図５（ｂ））を開始し、Ｓ１０５でカウンタの初期設定を行い、Ｓ１０６でゼロクロス（ＺＥＲＯＸ）の立下りエッジを検出したタイミングで、Ｓ１０７にて有効電力算出手段により１全波分の有効電力をＰｔとして取得する。Ｓ１０８にてカウンタをインクリメントし、Ｓ１０９にて４全波分の通電が終了したところで、Ｓ１０７にて取得したＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３において取得した４全波分の電力検知結果からＳ１１０にて４全波の検知電力の平均値Ｐｋを算出する。

次に、Ｓ１１１において、定着ユニットＡ（加熱ユニットＡ１）への投入予定電力Ｐｒｅｆにばらつきなどの変動要因も加味して所定の定数（本実施形態においては０．８）を掛けた値と検知電力値Ｐｋを比較する。そして、Ｐｋの方が小さい場合には、Ｓ１１２において定着フィルム破損と判断し、Ｓ１１３において定着装置の電力投入を禁止する。そして、最後にＳ１１４において、画像形成動作の停止及び故障を報知し、定着フィルム破損検知制御は終了となる。

又、Ｓ１１１、Ｓ１１５において、定着フィルム破損なしと判断された場合も定着フィルム破損検知制御は終了となり、通常の電力制御に移行する。

以上のようなシーケンスにより、定着フィルムに破損が発生した場合に検知することが可能となり、結果的に局所的な温度上昇を回避することが可能となる。

《第２の実施形態》
第１の実施形態では、通電前に定着フィルム破損検知シーケンスを行い、通電前に定着フィルムの破損を検知する例について説明した。本実施形態では、通電中に定着フィルムの破損が発生することを想定し、通電中も常時定着フィルムの破損を検知する例について説明する。以下では、本実施形態について、第１の実施形態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。

通電中に定着フィルムの破損が発生することを想定する場合、通電と同時に定着フィルム破損検知をする必要がある。通電中は、サーミスタ９の検知温度と目標温度の差分から第二のコンバータ１５のデューティＤを決定することで、定着フィルムの温調制御を行う。通電時に常時定着フィルムの破損検知をするためには、常に第二のコンバータ１５のデューティから４全波おきに定着ユニットＡ投入予定電力Ｐｒｅｆを算出し、検知電力と比較をする必要がある。

図１２は、本実施形態の定着フィルムの通電時における破損検知シーケンスのフローチャートである。Ｓ１０１〜Ｓ１１０までの動きは、第１の実施形態と同様である。Ｓ１１１、Ｓ１１５において定着フィルム破損なしと判断された場合、Ｓ２０１にてサーミスタ９の検知温度と目標温度から、次の４全波における第二のコンバータ１５のデューティＤを決定する。

決定した第二のコンバータ１５のデューティＤを用いて、Ｓ１０３にて定着ユニットＡ投入予定電力Ｐｒｅｆを算出する。そして、Ｓ１１１において、定着ユニットＡ（加熱ユニットＡ１）への投入予定電力Ｐｒｅｆにばらつきなどの変動要因も加味して所定の定数（本実施形態においては０．８）を掛けた値と検知電力値Ｐｋを比較する。そして、Ｓ１１５において定着フィルム破損なしと判断し、Ｓ２０２において通電終了と判断したタイミングで、通電時における定着フィルム破損検知制御は終了となる。

以上のようなシーケンスにより、定着フィルムに破損が発生した場合に常時、検知することが可能となり、結果的に局所的な温度上昇を回避することが可能となる。

以上、本発明によれば、抵抗発熱層が周回移動方向の全周にわたって設けられた定着装置において、定着フィルム破損が発生した場合に高速に応答検知し、破損端部での発熱集中による局所的な温度上昇を防止することができる。具体的には、定着フィルムに所定の電力ＤＵＴＹで電力投入を行った際の想定電力値と実際の電力検知結果を比較することで、定着フィルムの破損の有無を判断可能である。そして、定着フィルムの破損の有無を検知して、定着装置への電力投入禁止とし、破損端部の温度上昇を回避することができる。

上述した実施形態では、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の範囲内で種々の変形が可能である。上述した実施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。

１・・回転体、１ａ・・発熱層（導電層）、２‥‥磁性コア、３‥‥励磁コイル、８・・加圧ローラ、５０・・交流電源、７４・・電圧検知手段、７５・・第２の取得手段、１２１・・比較手段、１２１ａ・・第１の取得手段、Ａ１・・加熱ユニット

Claims (8)

1. 導電層を有する回転可能な円筒状の回転体と、
   前記回転体の中空部に挿通され、前記回転体の長手方向に沿って配置された磁性芯材と、
   前記回転体の中空部に挿通され、前記磁性芯材の長手方向に沿って前記磁性芯材に巻かれた励磁コイルと、
   前記回転体に対向し、前記回転体と共にトナー画像を担持した記録材を挟持搬送するニップ部を形成する対向体と、
   前記ニップ部を加熱するために交流電源に接続され、前記回転体、前記磁性芯材および前記励磁コイルを備え、前記励磁コイルに高周波電流を流す加熱ユニットと、
   前記交流電源の電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記電圧検知手段の出力と、前記加熱ユニットの等価インダクタンス値情報および等価抵抗値情報とに基づき、前記加熱ユニットに投入する予定電力を取得する第１の取得手段と、
   前記加熱ユニットに供給した電力を取得する第２の取得手段と、
   前記第１の取得手段と前記第２の取得手段の出力を比較する比較手段と、
   を有し、
   前記比較手段の出力に基づき、前記回転体の破損の有無を判断可能としたことを特徴とする画像加熱装置。
2. 前記加熱ユニットは、共振回路から成る第一のコンバータと、前記第一のコンバータに入力する電圧を調整する第二のコンバータを有し、
   前記第二のコンバータによって前記第一のコンバータに入力する電圧を調整することで、前記加熱ユニットへの予定電力を調整することを特徴とする請求項１に記載の画像加熱装置。
3. 前記第二のコンバータの通電するデューティを調整することで、前記第一のコンバータに入力する電圧を調整し、前記加熱ユニットへの予定電力を調整することを特徴とする請求項２に記載の画像加熱装置。
4. 前記回転体の温度を取得する温度取得手段を有し、
   前記温度取得手段の出力に基づいて前記第二のコンバータのデューティを調整することを特徴とする請求項３に記載の画像加熱装置。
5. 前記加熱ユニットは、コンバータとして一つのコンバータから成り、周波数を固定して、通電するデューティを調整することで、前記加熱ユニットへの予定電力を調整することを特徴とする請求項１に記載の画像加熱装置。
6. 前記等価インダクタンス値情報および前記等価抵抗値情報は、記憶手段に格納されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像加熱装置。
7. 記回転体がフィルムで形成されており、前記対向体は加圧ローラであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の画像加熱装置。
8. 記録材にトナー画像を形成する画像形成部と、
   導電層を有する回転可能な円筒状の回転体と、
   前記回転体の中空部に挿通され、前記回転体の長手方向に沿って配置された磁性芯材と、
   前記回転体の中空部に挿通され、前記磁性芯材の長手方向に沿って前記磁性芯材に巻かれた励磁コイルと、
   前記回転体に対向し、前記回転体と共に前記トナー画像を担持した記録材を挟持搬送するニップ部を形成する対向体と、
   前記ニップ部を加熱するために交流電源に接続され、前記回転体、前記磁性芯材および前記励磁コイルを備え、前記励磁コイルに高周波電流を流す加熱ユニットと、
   前記交流電源の電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記電圧検知手段の出力と、前記加熱ユニットの等価インダクタンス値情報および等価抵抗値情報とに基づき、前記加熱ユニットに投入する予定電力を取得する第１の取得手段と、
   前記加熱ユニットに供給した電力を取得する第２の取得手段と、
   前記第１の取得手段と前記第２の取得手段の出力を比較する比較手段と、
   を有し、
   前記比較手段の出力に基づき、前記回転体の破損の有無を判断可能としたことを特徴とする画像形成装置。