JP4035146B2 - 加熱定着装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は加熱定着装置に関し、例えば複写機やプリンタ、ファクシミリ等に用いられ、未定着トナーを加熱により定着させる加熱定着装置に適用して好適なものである。
この種の加熱定着装置は、例えば露光装置や転写ローラによって記録紙上に付着されたトナーを加熱及び加圧することにより定着させる。従来、この種の加熱定着装置の一つとして、誘導加熱を用いた加熱定着装置が提案されている。
この誘導加熱を用いた加熱定着装置は、励磁コイルに高周波電流を通電することにより、励磁コイルの近傍に配置した発熱ベルト等の加熱部材を誘電磁界により誘導加熱する。そして誘導加熱した加熱部材を用いて記録紙上のトナーを加熱して定着させるようになっている。誘導加熱を用いた加熱定着装置は、ハロゲンランプを用いた加熱定着装置に比して、発熱体のみを選択的に加熱できるため、発熱効率を高めて加熱定着装置の立ち上がり時間を短くし、装置全体の消費電力を低くしたり高速化を実現することができる。
ところで、加熱定着装置においては、加熱部材の温度を高くしすぎると、加熱部材が変形したり損傷するおそれがあるため、加熱部材の過昇温を防ぐ必要がある。特に、誘導加熱を用いた加熱定着装置においては、加熱部材の温度を急激に上昇させることができるので、過昇温を防ぐための技術が重要となり、従来種々の工夫がなされている。その一例として特許文献１で開示されている加熱定着装置がある。
特許文献１で開示されている加熱定着装置は、図１に示すように、ガイド１に装着された磁性金属フィルム２内部に支持部材３により支持して励磁コイル４を設置し、磁性金属フィルム２に加圧ローラ５を圧接させながら回転させる。この状態で、加圧ローラ５と従動回転する磁性金属フィルム２のニップ部に記録紙６を搬送し、記録紙６上の未定着トナー７を定着させる。このとき励磁コイル４に流れる電流と電圧から磁性金属フィルム２の抵抗率を算出し、算出した抵抗率から温度を検知している。そして、検知温度に応じて励磁コイル４に供給する電源のオンデューティー比を制御することで温度制御を行うようになっている。
このように、特許文献１で開示されている温度制御を行えば、加熱部材の温度変化を追従性良く検出できるので、加熱部材の過昇温を未然に防止できるようになる。また励磁コイルに流れる電流に応じて温度を検知するので、温度センサと比較して実際の加熱部材の温度に近い検知結果を得ることができるので、加熱部材の過昇温を一段と確実に防止できるようになる。
また空間的な制限があって加熱部材の近傍に温度センサを設けることができない場合にも対応できる。すなわち加熱部材から離れた位置に温度センサを設けた場合には、異常事態の発生により発熱部材が回転停止すると温度を検知できないので、加熱部材が過昇温状態となってしまう。特許文献１で開示されている技術を用いれば、これらの問題を良好に解決することができる。
しかしながら、上述した特許文献１の加熱定着装置では、励磁金属フィルムの抵抗率を算出し、算出した抵抗率から温度を検知しているので、演算量が増大したり回路構成が複雑化する問題がある。また励磁金属フィルムにばらつきがあった場合には、検知温度と実際の温度との間に差が生じるため、励磁フィルムの過昇温を確実に防止する点で未だ不十分であった。
さらに励磁コイルが励磁金属フィルムの近傍に配置されているといっても、励磁金属フィルムの熱が励磁コイルに伝わるには、ある程度の時間がかかるため、励磁金属フィルムと励磁コイルの温度は必ずしも同一にはならない。
つまり、励磁金属フィルムは短時間で加熱されるが、励磁コイルは短時間では加熱されない。このため、励磁金属フィルムの温度と励磁コイルの温度が異なる場合が発生する。例えば昇温直後は励磁金属フィルムは所定の定着温度であるが、励磁コイルは室温である。一方、長時間の使用後には、励磁金属フィルムの熱が十分に励磁コイルに伝わるため、励磁金属フィルムと励磁コイルの温度は同様の定着温度となる。
励磁コイルの温度が異なることにより、励磁コイルの電気抵抗が変化する。さらに励磁コイルのコアの透磁率も変化する。このため、励磁コイルの電圧と電流の関係は励磁金属フィルムの温度のみに依存せず、他の要因の影響が大きい。この結果、励磁金属フィルムの温度を正確に測定することは容易ではない。
特開平８−１９０３００号公報
本発明の目的は、昇温直後や連続動作時などの動作モードの違いによらず、簡易な構成により、加熱部材の温度上昇を追従性良く検知して、加熱部材の過昇温を未然に回避することができる加熱定着装置及びその制御方法を提供することである。
本発明の一態様によれば、加熱定着装置は、励磁コイルと、高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有し、前記励磁回路は、前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、前記制御部は、前記ウォームアップ期間において、前記高電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を前記ウォームアップ終了温度まで昇温する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記ウォームアップ期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記ウォームアップ終了温度未満のときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる。
また、本発明の他の態様によれば、加熱定着装置は、励磁コイルと、高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有し、前記励磁回路は、前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、前記制御部は、前記定着動作期間において、前記低電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を定着温度に維持する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記定着動作期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記定着温度であるときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる。
本発明のさらに他の態様によれば、加熱定着装置の制御方法は、励磁コイルと、高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有する加熱定着装置の制御方法において、前記励磁回路が、前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、前記制御部が、前記ウォームアップ期間において、前記高電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を前記ウォームアップ終了温度まで昇温する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記ウォームアップ期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記ウォームアップ終了温度未満のときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる。
本発明のさらに他の態様によれば、加熱定着装置の制御方法は、励磁コイルと、高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有する加熱定着装置の制御方法において、前記励磁回路が、前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、前記制御部が、前記定着動作期間において、前記低電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を定着温度に維持する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記定着動作期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記定着温度であるときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる。
本発明の発明者らは、加熱定着装置には、ウォームアップモードや定着動作モードのように複数の動作モードがあり、各動作モードでは励磁回路から励磁コイルに供給する電力や加熱部材から励磁コイルへの伝熱の程度が異なることに着目し、過昇温の発生を判定するための閾値を動作モード毎に設定し、各モードでそれぞれ一定電力を供給するために変化する励磁回路内の動作状態量又は各部材の温度変化に応じて変化する励磁回路内の動作状態量（例えば、スイッチング周波数又は印加電圧等）を閾値判定して電流供給を停止又は抑制すれば、簡易な構成により加熱部材の過昇温を防止できると考え、本発明に至った。
本発明の骨子は、供給電力値が異なる複数の動作モードのそれぞれに異なる閾値を設定し、電力を一定に維持して励磁コイルに高周波電流を供給した場合に、その電力値に対応する閾値を用いて実際に励磁コイルに供給されている例えば高周波電流の周波数又は印加電圧を閾値判定し、その結果に応じて高周波電流の供給を停止又は抑制することである。
また、好適な供給停止（抑制）制御の一例としては、例えばウォームアップ期間のように昇温速度の速いモード時には、励磁コイルに供給されている高周波電流の周波数又は印加電圧を閾値判定しその結果に応じて高周波電源の供給を遮断し、例えば定着動作期間のように温度変化の緩やかなモード時には、サーモスタットの特性を用いて高周波電流の供給を遮断することが挙げられる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
（１）全体構成
図２に画像形成装置の全体構成を示す。画像形成装置１０は、露光装置１１から画像信号に応じた４本のレーザ光１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｂｋを出力する。これにより、感光体１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｂｋにレーザ光１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｂｋによる潜像が形成される。現像器１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｂｋは、感光体１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｂｋ上の潜像にトナーを付着して顕像化する。この感光体と現像器の組み合わせは、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂｋの４組あり、それぞれの現像器１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｂｋにはイエロー、マゼンタ、シアン、黒の４色のトナーが内包されている。各色の上記部材を示す番号にＹ、Ｍ、Ｃ、Ｂｋを付す。
感光体１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｂｋ上に形成された４色のトナー像１８は、支持軸に保持されて図中矢印の方向に移動される中間転写ベルト１５の表面に重ね合わされる。このトナー像１８は２次転写ローラ１６の位置で記録紙１７に転写される。
２次転写ローラ１６は、中間転写ベルト１５に隣接するように設けられている。また、２次転写ローラ１６は、中間転写ベルト１５への圧接状態で記録紙１７を挟んで電界を印加することにより、中間転写ベルト１５上に重ね合わされたトナー像１８を記録紙１７に転写する。給紙ユニット１９はタイミングを合わせて記録紙１７を送出する。
トナー像１８が転写された記録紙１７は加熱定着装置２０へと送出される。加熱定着装置２０は、トナー像１８が転写された記録紙１７を１７０℃の定着温度で加熱及び加圧することにより、トナー像１８を記録紙１７に定着する。
図３に、この実施の形態による加熱定着装置２０の構成を示す。加熱定着装置２０は、図示しない回転軸により回転可能に支持された発熱ローラ２１と、発熱ローラ２１との間に記録紙１７を挟んで圧接する加圧ローラ２２と、発熱ローラ２１の外周面に沿うように設けられ、内部に発熱ローラ２１の表面に設けられた加熱部材としての発熱ベルト２１ｄを誘導加熱するための励磁コイル２４を有する励磁ユニット２３とにより構成されている。
このようにこの実施の形態の加熱定着装置２０は、発熱ローラ２１の外部に励磁ユニット２３を設け、発熱ローラ２１の発熱ベルト２１ｄを外部の励磁ユニット２３により誘導加熱するように構成されている。
次に発熱ローラ２１、加圧ローラ２２及び励磁ユニット２３の詳細構成について説明する。発熱ローラ２１は、アルミ等からなる中空の芯金２１ａに、絶縁材料からなる磁性層２１ｂと、断熱性と弾性の高いスポンジ層２１ｃが積層されて形成されている。また発熱ローラ２１の表面には発熱ベルト２１ｄが設けられている。発熱ベルト２１ｄは、誘電発熱層としてのアルミ基材上に弾性層と離型層が順次形成されている。そして励磁ユニット２３内に設けられた励磁コイル２４からの誘導磁界により発熱ベルト２１ｄが誘導加熱されるようになっている。
本実施の形態では、発熱層として電気伝導度の大きいアルミを用いていて、後述する磁気回路も良好な特性を有している。このため、発熱層の温度上昇により励磁コイル２４のインピーダンス実数成分は増加する方向に大きく変化する特性を持っている。なお、発熱ベルト２１ｄは、アルミに限らず銅、銀又は金等の電気伝導度の大きい材料を用いてもよい。又は、樹脂等の絶縁材料に電気伝導度の大きい材料を複合させ電気伝導度を改良した材料を用いてもよい。又は、所定の厚み（例えば３０μｍ以上）を持つニッケル等のような中程度の電気伝導度を有する金属材料を用いてもよい。これらのうち任意の材料を用いても、仕様によってアルミと同様の傾向のインピーダンス温度特性を持たせることが可能である。
なお発熱ベルト２１ｄはスポンジ層２１ｃに接着して一体として構成してもよく、又は、スポンジ層２１ｃの外周に嵌め合わせるだけで構成してもよい。また、誘導加熱層をスポンジ層２１ｃ上に直接形成してもよい。
加圧ローラ２２は、芯金２２ａとシリコンゴム層２２ｂとから構成されており、発熱ベルト２１ｄに圧接して定着ニップ部を形成する。加圧ローラ２２は、装置本体の駆動手段（不図示）によって回転駆動される。これにより発熱ローラ２１が従動回転し、発熱ローラ２１と加圧ローラ２２との間に挟まれた記録紙１７が図中の矢印ａの方向に移動される。このとき記録紙１７上のトナー像１８は、発熱ベルト２１ｄにより加熱されると共に発熱ローラ２１と加圧ローラ２２とにより加圧されることにより、定着される。
励磁ユニット２３は、全体としてその断面が円弧状をなす。また、その外周部分には背面コア２５が設けられていると共に、その内周部分にはコイル保持部材２６が設けられており、背面コア２５とコイル保持部材２６との間に励磁コイル２４が設けられている。
励磁コイル２４は、表面を絶縁した導線からなる所定数の線材を束ねて発熱ローラ２１の軸方向に延伸し周回して形成されている。換言すれば、励磁コイル２４は、発熱ベルト２１ｄを覆うように線束を発熱ベルト２１ｄの周方向に沿って互いに密着して周回するように設けられている。励磁コイル２４の端部は線束を重ねることにより盛り上がっており、全体として鞍のような形状をなす。励磁コイル２４は、発熱ベルト２１ｄの外周面から約３ｍｍの間隔をなすように配置される。
このように励磁コイル２４は、発熱ベルト２１ｄの極めて近傍に配設されているので、発熱ベルト２１ｄの温度が上昇すると、それに応じて追従性良く温度が上昇するようになる。
背面コア２５は、主に例えばフェライトからなり、コイル周回の内周に配置された中心コア２５ａと、アーチ形状を有するアーチコア２５ｂと、励磁コイル２４の外周に配置された先端コア２５ｃとからなる。図３の矢印Ｅの方向から見た図５に示すように、所定数（例えば７個）のアーチコア２５ｂが、励磁コイル２４の背面に間隔をあけて配列される。軸方向に連続している中心コア２５ａ、先端コア２５ｃ及びアーチコア２５ｂは、それぞれ複数の部材を組み合わせて構成されている。背面コア２５の材料としては、フェライトの他、パーマロイ等の高透磁率で高抵抗率の材料が望ましい。
コイル保持部材２６は、厚さが１．５ｍｍで、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの耐熱温度の高い樹脂からなり、励磁コイル２４を保持する。
かかる構成に加えて、加熱定着装置２０は、温度センサ２８を有する。温度センサ２８は、発熱ローラ２１が励磁ユニット２３から抜け出た位置に設けられており、誘導加熱後の発熱ベルト２１ｄの温度を検知できるようになっている。
ここで励磁ユニット２３による発熱ベルト２１ｄの誘導加熱動作について、図４及び図５を用いて説明する。
励磁コイル２４には、励磁回路３０（図５）から所定の周波数を有する高周波電流が供給される。この周波数は、発熱ベルト２１ｄの基材の材質に応じて、好ましくは約２０〜１００ｋＨｚの周波数範囲から選択される。例えば、発熱ベルト２１ｄがアルミ基材の場合、約６０ｋＨｚの周波数が選択される。励磁回路３０は、温度センサ２８から得られる温度信号に基づいて励磁コイル２４に供給する高周波電流の電力を制御することにより、発熱ベルト２１ｄ表面の温度を所定の定着温度（例えば摂氏１７０度）となるようにする。
ここで励磁回路３０からの高周波電源により励磁コイル２４が発生させる磁束は、図４中の破線Ｍのように先端コア２５ｃから発熱ベルト２１ｄを貫通して磁性層２１ｂに達する。磁性層２１ｂの磁性のため、磁束Ｍは磁性層２１ｂ内を円周方向に貫通する。そして、再び発熱ベルト２１ｄを貫通して中心コア２５ａを経るループをなす交番磁界を形成する。この磁束の変化により発生する誘導電流が発熱ベルト２１ｄの基材層に流れ、ジュール熱を発生させる。磁性層２１ｂは絶縁性なので誘導加熱されない。
また磁束Ｍは発熱ローラ２１の芯金２１ａに達しないので、芯金２１ａの加熱に誘導加熱エネルギーが直接使われることはない。さらに発熱ベルト２１ｄを断熱性の高いスポンジ層２１ｃで保持しているので、発熱ベルト２１ｄからの熱の流出が小さい。このため加熱される部分の熱容量が小さく、熱伝導も小さいため、発熱ベルト２１ｄを短時間で所望の温度（例えば、定着設定温度）まで昇温させることができる。
（２）励磁回路の構成
図６に、励磁回路３０の構成を示す。励磁回路３０は、商用電源３１を整流素子３２で整流し、平滑化回路３３にて平滑化することにより得た直流電源又は脈流電源をインバータ３４に供給する。インバータ３４は、スイッチング素子３５、３６を駆動することにより高周波電流を発生させ、これを励磁コイル２４に供給する。これにより励磁コイル２４からは高周波磁界、つまり誘導磁界が発生し、発熱ベルト２１ｄが誘導加熱される。
この実施の形態では、励磁コイル２４に直列に共振コンデンサ３７が接続されているので、インバータ３４はＳＥＰＰ（シングル エンデッド プッシュプル）インバータ構成をなす。従って、励磁回路３０は、励磁コイル２４とキャパシタとしての共振コンデンサ３７とを有するＬＣＲ直列共振回路を負荷として交流定電圧電源により駆動する回路になる。この回路は、励磁コイル２４のインピーダンス実数成分が小さい負荷（例えば、２Ω以下）に対してＬＣＲ直列共振回路の共振周波数f0近傍の周波数で駆動することにより大きな入力電力が得られる利点がある。また、入力電力特性は、ＬＣＲ直列共振回路の共振周波数f0をピークとした図７中に実線で示すような共振のＱが大きくなり、周波数に対して急峻に入力電力が変化する特性となる。
ここで、発熱ベルト２１ｄの温度が上昇すると、励磁コイル２４のインピーダンス実数成分が大きくなるので、励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路の共振のＱが小さくなるため、温度変化に応じて図７の点線のように入力電力特性が変化していく。
コントローラ４２は、ウォームアップモード時や定着動作モード時等の各種モードに応じて、電力設定部４１での設定電力を指定する。電力設定部４１は、モードに応じた電力値を設定し、これを周波数制御部４０に送出する。
ここで電力設定部４１は、温度センサ２８により検知された温度に応じて設定電力値を補正する。例えば定着動作モード時の設定電力値が５００Ｗであり、目標とする定着温度が１７０℃であるにも拘わらず、温度センサ２８で測定された温度が１６０℃の場合には、５００Ｗよりも若干大きな補正設定電力値を周波数制御部４０に与える。
周波数制御部４０は、設定電力値と電流検知部３８により検知された電流値とに応じて、スイッチング素子３５、３６のスイッチング周波数を制御することで、励磁コイル２４に供給する電力が設定電力となるようにする。つまり、入力電流値が所定値となるようにスイッチング周波数を制御する。
具体的には、図７に示した入力電力の周波数特性を利用する。すなわち、励磁回路３０の動作点を励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路の共振周波数f0に置くのではなく、共振周波数f0から高周波数側あるいは低周波数側のどちらかにずらした位置に置く。そして、駆動周波数の変化により入力電力が変化する領域において、励磁回路３０を使用する。本実施の形態では、図７中に周波数領域Aまたは周波数領域Bの矢印で示したように、動作点を高周波数側にずらす。そして、電力を大きくする場合にはスイッチング周波数を小さくし、電力を小さくする場合にはスイッチング周波数を大きくする。
なお、図７中に周波数領域Cまたは周波数領域Dの矢印で示したように、励磁回路３０の動作点を共振周波数から低周波数側にずらした場合には、スイッチング周波数の大小と入力電力の大小との関係を逆転させればよい。
また、周波数制御部４０により制御されたスイッチング周波数は、閾値判定部４３に送出される。閾値判定部４３には、閾値設定部４４によって設定電力に応じて設定された閾値が入力される。閾値設定部４４による閾値の設定は、図７に示すように、入力電力と、インバータ３４及び励磁コイル２４との温度周波数特性に基づいて行われる。
具体的には、図７中に実線で示す低温での入力電力の周波数特性が、温度上昇により、図７中に破線で示す高温での入力電力の周波数特性に変化するので、入力電力を一定にする（つまり励磁コイル２４に供給する電力を設定電力に維持する）ために、スイッチング周波数を変化させる必要があることを考慮する。本実施の形態のように、励磁回路３０の動作点を励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路の共振周波数f0から高周波数側にずらした場合、入力電力を一定にする周波数制御部４０の動作は、スイッチング周波数が、
Figure 0004035146
 よりも小さい周波数領域Aと、大きい周波数領域Bとで異なる。周波数領域Aは、大電力入力を必要とするモードで使用し、温度が高くなるほど周波数を低くするように動作させるが、小電力入力を必要とするモードで使用する周波数領域Bでは、温度が高くなるほど周波数を高くするように動作させる。そして、過昇温と認める温度の周波数に相当する閾値を、各モードでの電力毎に設定する。
なお、励磁回路３０の動作点を励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路の共振周波数から低周波数側にずらした場合には、入力電力を一定にする周波数制御部４０の動作は、スイッチング周波数が、
Figure 0004035146
 よりも大きい周波数領域Cと、小さい周波数領域Dとで異なる。周波数領域Cは、大電力入力を必要とするモードで使用し、温度が高くなるほど周波数を高くするように動作させるが、小電力入力を必要とするモードで使用する周波数領域Dでは、温度が高くなるほど周波数を低くするように動作させる。そして、過昇温と認める温度の周波数に相当する閾値を、各モードでの電力毎に設定する。実際上、閾値設定部４４はＲＯＭ（Read Only Memory）テーブルでなり、設定電力に対応付けられた閾値が記憶されている。
また、閾値判定部４３は、周波数制御部４０で制御されているスイッチング周波数と、現在供給されている電力に応じた閾値とを比較する。本実施の形態のように、励磁回路３０の動作点を励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路の共振周波数から高周波数側にずらした場合、大電力入力を必要とする周波数領域Aでの動作ならば、比較の結果としてスイッチング周波数が閾値以下となったとき、周波数制御部４０にスイッチング素子３５、３６をオフ制御することを指示する比較判定信号を送出する。また、小電力入力を必要とする周波数領域Bでの動作ならば、比較の結果としてスイッチング周波数が閾値以上となったとき、周波数制御部４０にスイッチング素子３５、３６をオフ制御することを指示する比較判定信号を送出する。これにより、発熱ベルト２１ｄの過昇温を回避することができる。
なお、励磁回路３０の動作点を励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路から低周波数側にずらした場合、大電力入力を必要とする周波数領域Cでの動作ならば、閾値判定部４３は、比較の結果としてスイッチング周波数が閾値以上となったときに、周波数制御部４０にスイッチング素子３５、３６をオフ制御することを指示する比較判定信号を送出する。また、小電力入力を必要とする周波数領域Dでの動作ならば、比較の結果としてスイッチング周波数が閾値以下となったとき、周波数制御部４０にスイッチング素子３５、３６をオフ制御することを指示する比較判定信号を送出する。
特に発熱ベルト２１ｄの材質としてアルミニウムや銅などの低抵抗の金属を用いる場合のように、励磁コイル２４の誘導抵抗すなわちインピーダンスの実数成分が小さい場合（例えば、１Ω以下）、励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路の共振のＱが大きくなるため、温度変化に伴うQの変化によって急峻に入力電力が変化する。従って、スイッチング周波数の変化を容易に検知することができるので、温度検知の時間遅れが発生せず、発熱ベルト２１ｄの温度変化を追従性良く検知できる。
なお、本実施の形態では、励磁回路３０の動作を停止させるとき、スイッチング素子３５、３６をオフ制御することを指示する比較判定信号を送出する。ただし、動作停止方法はこれだけに限られない。例えば、スイッチング素子３５、３６のドライバ（不図示）への電源供給を停止してもよいし、又は、リレーにより励磁回路３０への商用電源３１の入力又はインバータ回路３４の直流電源入力又はスイッチング素子３５、３６のドライバへの電源供給を遮断してもよい。
次に、図８、図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃを用いて加熱定着装置２０の動作を説明する。
加熱定着装置２０は、ステップＳＴ１で処理を開始すると、ステップＳＴ２で温度センサ２８により温度を測定し、ステップＳＴ３で測定温度が所定温度よりも小さいか否か判断する。測定温度が所定温度よりも小さい場合には、ステップＳＴ４に移って電力設定部４１で最大電力を設定し、続くステップＳＴ５において閾値設定部４４で判定閾値としてこの最大電力に応じた最大閾値ｔｈ１を設定し、ステップＳＴ６に移る。
ステップＳＴ６では、ステップＳＴ５で設定した判定閾値と制御対象量（すなわち、制御の基準となる動作状態量）との閾値判定を行う。実際上、この実施の形態では、制御対象量として周波数制御部４０により発生されるスイッチング周波数を用いているので、ステップＳＴ６では、閾値判定部４３によってスイッチング周波数と判定閾値ｔｈ１との比較を行う。この実施の形態の場合、ステップＳＴ４を経過して最大電力が設定されたモードでは、図7に示した周波数領域Aで動作するので、閾値判定の結果、スイッチング周波数が判定閾値ｔｈ１以下の場合に、ステップＳＴ７（所定時間の経過を待機する処理）を経てステップＳＴ８に移ってステップＳＴ６と同様の処理を行う。
そしてステップＳＴ６及びＳＴ８の両方で肯定結果が得られた場合には、発熱ベルト２１ｄが過昇温状態にあると判断し、ステップＳＴ１３に移って励磁回路３０による励磁コイル２４への電流供給動作を停止する。一方、ステップＳＴ６又はステップＳＴ８のいずれかで判定閾値よりもスイッチング周波数のほうが大きい判定結果が得られた場合には、ステップＳＴ２に戻る。
このように、この実施の形態の加熱定着装置２０においては、高周波電流の周波数が閾値以下となった場合に、即座に励磁コイル２４への高周波電流の供給を停止するのではなく、所定時間（例えば０．１秒）間隔で閾値判定を行い、複数回（例えば２回）の判定に基づいて電流供給を停止させるようになっている。換言すれば、スイッチング周波数が閾値以下となるような判定結果が所定時間にわたり持続してから電流供給を停止させるようになっている。
これにより、発熱ベルト２１ｄに損傷を与えない範囲の過昇温に対して、不必要に電流供給を停止させてしまうといった不都合を有効に回避できるようになる。より具体的には、ノイズの影響により過昇温を誤検出することを防止することができる。また、モード切替時に制御対象量が過渡的に閾値を通過する場合の誤動作も回避できる。さらにこのようにすれば、電源遮断のための閾値を正常動作範囲に近い値に設定しても、誤判定による電源遮断を防止できるようになるので、発熱ベルト２１ｄの過昇温による損傷を一段と確実に防止できるようになる。
加えて、本実施の形態では、閾値判定において最初の肯定結果が得られてから実際に電流供給が停止されるまでに最小の待機期間を設けているので、この期間において、スイッチング周波数が閾値以下となるような判定結果の持続期間と閾値との積、又は、スイッチング周波数の時間積分を算出してもよい。要するに、動作状態量に対して時間の次元が掛け合わされた量（つまり、演算量＝電力×時間）を算出する。すなわち、動作状態量が電力との対応関係を有するのに対して、この演算量は熱量との対応関係を有する。熱量との対応関係を有するならば、温度上昇量との対応関係を有すると言うこともできる。よって、この演算量は、発熱ベルト２１ｄの少なくとも最低温度には対応が取れていることになり、発熱ベルト２１ｄの温度変化をより正確に予測することが可能となる。そして、発熱ベルト２１ｄに所定の熱量が入力され所定温度（例えば、後の実施の形態にて説明するサーモスタットの供給停止温度）になった場合にのみ、電流遮断を実施するように設定することが可能となる。
なお、本実施の形態では、ステップＳＴ１３の最も好適な形態として、電流供給を停止する処理について説明した。ただし、ステップＳＴ１３において電流供給を停止する代わりに、発熱ベルト２１ｄの過昇温による損傷を防止できる程度まで電流供給を抑制する処理を実行してもよい。
ここで、ステップＳＴ２〜ステップＳＴ８の処理ループは、図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃのウォームアップ期間（つまりウォームアップモード）の処理に相当する。つまり、温度センサ２８により発熱ベルト２１ｄの温度を測定しながら、定着温度（例えば１７０℃）よりも低い所定温度（例えば１５０℃）まで、最大電力Ｗ１で誘導加熱を行う。このとき温度上昇によって発熱ベルト２１ｄの発熱層の抵抗率が変化するので、一定の最大電力Ｗ１を供給するためには、周波数ｆを低下させる必要がある。この実施の形態においては、励磁回路３０が温度上昇に応じて周波数ｆを低下させていくことで、最大電力Ｗ１（例えばＷ１＝１０００Ｗ）を維持して発熱ベルト２１ｄを昇温させる。
具体的には、ウォームアップ期間では周波数制御部４０が最大電力Ｗ１を維持するような周波数ｆ１でスイッチング素子３５、３６を駆動し始める。このウォームアップ期間においては、発熱ベルト２１ｄの温度が急激に上昇するが、伝熱速度の関係上、励磁コイル２４の温度上昇速度は発熱ベルト２１ｄよりも遅くなる。周波数制御部４０は、このような状況下で、励磁コイル２４に一定電力を供給するために、発熱ベルト２１ｄのみに起因するインピーダンス変化に対応して高周波電源の周波数を小さくしていく。
因みに、閾値判定部４３がウォームアップ期間で用いる閾値ｔｈ１も発熱ベルト２１ｄのみに起因するインピーダンス変化に対応したものとなっている。
そして図９Ｃに示すように、周波数が電力Ｗ１に対応する閾値ｔｈ１よりも大きい状態のまま所定温度Ｔ１となったときには、時点ｔ１でウォームアップ期間を終了して、すなわちステップＳＴ３で否定結果を得てステップＳＴ９に移る。
一方、図９Ｃに示すように、所定温度Ｔ１になる前の時点ｔＡで周波数が閾値ｔｈ１以下となった場合、このことは発熱ベルト２１ｄの温度が許容温度を超えて過昇温になったことを意味するので、ステップＳＴ８からステップＳＴ１３に移ってインバータ３４の動作を停止させて励磁コイル２４への電力供給を停止する。
このように加熱定着装置２０は、ステップＳＴ２〜ステップＳＴ８でのウォームアップ期間を終了してステップＳＴ９に移ると、定着動作期間（つまり定着動作モード）に入り、温度センサ２８による測定温度に基づくフィードバック制御を行う。これは電力設定部４１が定着動作期間に対応する目標温度Ｔ２と測定温度とを比較し、その差分に応じて定着動作期間での設定電力Ｗ２を微調整して周波数制御部４０に送出することにより行う。
ステップＳＴ１０では、閾値設定部４４が定着動作期間での設定電力Ｗ２に対応する制御対象量（この実施の形態の場合、周波数の判定閾値ｔｈ２）を算出する。またステップＳＴ１１では、さらに動作モード（例えば保温動作モード、薄紙印字モード、普通紙印字モード、厚紙印字モードなど）を判定すると共に環境温度を測定する。この環境温度は、図示しない温度センサにより測定する。ステップＳＴ１２では、環境温度を加味して各動作モードに対応した閾値を設定する。
ここでは、環境温度が低いほど発熱ベルト２１ｄの温度よりも励磁コイル２４の温度が低くなることを考慮する。そして、例えば、環境温度が低いほど電源の供給停止がされやすい閾値を設定する。こうすることによって、発熱ベルト２１ｄの過昇温に応じて一段と的確に電流供給を停止できるようになる。実際には、低温環境時と高温環境時とでは励磁コイル２４に供給する電力値を変えることになるので、これらの電力値に応じて閾値を変えることで、より的確に発熱ベルト２１ｄの過昇温を防止できるようになる。
加熱定着装置２０は、このように定着動作期間中の閾値を設定した後に、ステップＳＴ６に進む。そして、ウォームアップ期間と同様に閾値判定を行うが、この実施の形態では、定着動作期間における設定電力W2は小さいので、温度変化とスイッチング周波数変化の関係は、ウォームアップ期間と逆になることを考慮する。すなわち、一定電力の下でのスイッチング周波数が閾値ｔｈ２以上となったときに、励磁コイル２４への電力供給を停止して発熱ベルト２１ｄの過昇温を防止する。尚、図８のＳＴ６及びＳＴ８に記載の条件式の不等号は、この実施の形態のウォームアップ期間での動作説明に対応して記してあるが、これに限定されるものではなく、制御対象量の特性に応じてＳＴ５及びＳＴ１２における閾値の算出と同時に決定される。すなわち、判定閾値には、判定の際の不等号の方向が含まれる。因みに、定着動作期間においては、励磁コイル２４の温度は発熱ベルト２１ｄの温度と同等となる。周波数制御部４０は、このような状況下で、励磁コイル２４に一定電力を供給するために、発熱ベルト２１ｄとともに励磁コイル２４に起因するインピーダンス変化に対応して高周波電流の周波数を変化させる。
因みに、閾値判定部４３が定着動作期間で用いる閾値ｔｈ２も、ウォームアップ期間で用いられる閾値ｔｈ１とは異なり、発熱ベルト２１ｄとともに励磁コイル２４に起因するインピーダンス変化に対応したものとなっている。
この定着動作期間の設定電力Ｗ２、温度センサ２８による測定温度、スイッチング周波数及び判定閾値ｔｈ２の関係を、図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃに示す。なお図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃでは、簡単化のため、定着動作期間の動作モードは保温動作モード、薄紙印字モード、普通紙印字モード及び厚紙印字モードのうちの一つとし、その動作モードに対応する設定電力がＷ２であり、その設定電力に対応する判定閾値がｔｈ２である場合を示している。
図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃに示すように、時点ｔ２で測定温度が定着動作時の目標温度であるＴ２に達すると、設定電力がＷ２とされ、この電力を維持するようにスイッチング周波数が制御される。この定着動作時において、発熱ローラ２１が正常に回転して励磁ユニット２３の下流側に設けられた温度センサ２８により発熱ベルト２１ｄの温度を検知できる場合は問題ない。ただし、例えば発熱ローラ２１が停止したり、温度センサ２８に埃等が付着した場合には、実際には励磁ユニット２３に対向する部分の発熱ベルト２１ｄが過昇温に達しているにも拘わらず温度センサ２８ではこれを検知できない状態が生じる。
しかし、この実施の形態の加熱定着装置２０においては、このような場合でも、発熱ベルト２１ｄの温度が上昇するとそのごく近傍に設けられた励磁コイル２４の温度もこれに応じて上昇する。このとき、周波数制御部４０は、供給電力を一定値Ｗ２に維持しようとするので、周波数は図９Ｃに示すように上昇していく。やがて、時点ｔＢにおいて、周波数が供給電力Ｗ２に対する閾値ｔｈ２以上となったときに、閾値判定部４３により発熱ベルト２１ｄが過昇温状態であると判断され、周波数制御部４０によりインバータ３４の動作がオフ制御される。これにより、励磁コイル２４への高周波電流の供給が停止される。この結果、発熱ベルト２１ｄの過昇温を確実に防止することができる。
かくして以上の構成によれば、励磁コイル２４に高周波電流を供給する励磁回路３０において、各モードでの供給電力それぞれに対応した複数の閾値を設け、励磁コイル２４に設定電力を供給するのに必要な高周波電流の周波数を対応する閾値と比較することで過昇温を検知して電流供給を停止するようにしたことにより、全モードで加熱部材（発熱ベルト２１ｄ）の過昇温による変形を確実に回避することができる加熱定着装置２０を実現できる。しかも、動作状態量と閾値とを比較するコンパレータを設けるだけの簡単な構成で、上記の効果を実現することができる。
また発熱ローラ２１の表面に設けられた加熱部材としての発熱ベルト２１ｄを、発熱ローラ２１の外周に沿って設けられた励磁ユニット２３の励磁コイル２４により誘導加熱する加熱定着装置２０に本発明を適用したことにより、次のような効果を得ることができる。すなわち、このような加熱定着装置２０では、発熱ベルト２１ｄと励磁ユニット２３との間の距離が非常に小さく、空間的な制限から実際の発熱部分のすぐ近くに温度センサを設けることが困難となるが、発熱ベルト２１ｄのごく近傍に配置された励磁コイル２４に供給される高周波電流の周波数や印加電圧により発熱ベルト２１ｄの過昇温を検知して、高周波電源の供給を停止するようにしているので、発熱ローラ２１の表面に設けられた加熱部材をその外側から励磁コイル２４により加熱する場合に、発熱ベルト２１ｄの過昇温による損傷を有効に回避できるようになる。
（実施の形態２）
図６との対応部分に同一符号を付して示す図１０に、本発明の実施の形態２における励磁回路５０の構成を示す。励磁回路５０は、実施の形態１で説明した加熱定着装置２０において、励磁回路３０の代わりに使用されるものである。
実施の形態１の励磁回路３０では、励磁コイル２４に一定電力を供給するのに必要な高周波電流の周波数の変化を検知して励磁コイル２４への電流供給を停止させる。これに対して本実施の形態の励磁回路５０では、励磁コイル２４に一定電力を供給するのに必要な印加電圧の変化を検知して励磁コイル２４への電流供給を停止させる。すなわち、本実施の形態では、制御の基準となる動作状態量としてスイッチング周波数の代わりに印加電圧を採用する。ただし、印加電圧の変化を検知するための回路構成は、本実施の形態で説明する励磁回路５０に限定されず、他の様々な構成の回路において実施することが可能である。
励磁回路５０は、電圧検出部５１において励磁コイル２４に印加されている電圧を検出し、検出結果を閾値判定部５２に送出する。電力設定部５４は、コントローラ５５から指示された各動作モードに応じた電力値を設定し、これを周波数制御部５６及び閾値設定部５３に送出する。閾値設定部５３は、メモリテーブルにより構成されており、電力値に対応した閾値を閾値判定部５２に送出する。閾値判定部５２の判定結果は、周波数制御部５６に送出される。
周波数制御部５６は、電流検知部３８により得られた電流値に基づいて、励磁コイル２４への供給電力が電力設定部５４で設定された値となるようにインバータ３４のスイッチング周波数を変化させる。
加えて、周波数制御部５６は、閾値判定部５２から検出電圧が閾値以下となったことを示す判定結果が得られたときには、インバータ３４をオフ動作させる。つまりスイッチング素子３５、３６をオフ動作させることにより、励磁コイル２４への電源供給を停止するようになっている。
この実施の形態の加熱定着装置２０の動作について、図１１、図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃを用いて説明する。図１１は、スイッチング周波数と電圧検出部５１に検出される電圧との関係を表した図である。この実施の形態においては、励磁コイル２４と共振コンデンサ３７との直列共振回路を、ほぼ定電圧で駆動しているので、電圧検出部５１で検出される電圧は、温度上昇に伴うインピーダンス実数成分の増加に対して、すべての周波数領域で減少する。ここで、加熱定着装置２０は、ウォームアップ期間では周波数制御部５６が最大電力Ｗ１を維持するような周波数ｆ１でスイッチング素子３５、３６を駆動し始める。このウォームアップ期間において、発熱ベルト２１ｄの温度が急激に上昇するが、伝熱速度の関係上、励磁コイル２４の温度上昇速度は発熱ベルト２１ｄよりも遅くなる。周波数制御部５６は、このような状況下で、励磁コイル２４に一定電力を供給するために、発熱ベルト２１ｄのみに起因するインピーダンス変化に対応して高周波電流の周波数を小さくしていく。このとき、電圧検出部５１で検出される印加電圧は、図１１の矢印A並びに図１２Ｃに示すように、スイッチング周波数が小さくなる場合でも小さくなる。
そして、印加電圧が電力Ｗ１に対応する閾値ｔｈ３よりも大きい状態のまま所定温度Ｔ１になったときには、時点ｔ１でウォームアップ期間を終了する。一方、所定温度Ｔ１になる前の時点ｔＣで印加電圧が閾値ｔｈ３以下となった場合、周波数制御部５６はインバータ３４の動作を停止させて励磁コイル２４への電力供給を停止する。
因みに、閾値判定部５２がウォームアップ期間で用いる閾値ｔｈ３は、発熱ベルト２１ｄのみに起因するインピーダンス変化に対応したものとなっている。
加熱定着装置２０は、温度センサ２８から得られる温度が所定温度Ｔ２になった時点ｔ２から定着動作期間に入り、この時点ｔ２から設定電力をＷ２に切り換える。このとき閾値設定部５３では電力Ｗ２に対応した閾値ｔｈ４を設定し、これを閾値判定部５２に送出する。
因みに、閾値判定部５２が定着動作期間で用いる閾値ｔｈ４は、ウォームアップ期間で用いられる閾値ｔｈ３とは異なり、発熱ベルト２１ｄとともに励磁コイル２４に起因するインピーダンス変化に対応したものとなっている。
閾値判定部５２は定着動作期間において、常時、励磁コイル２４への印加電圧と閾値ｔｈ４とを閾値判定し、印加電圧が閾値ｔｈ４以下となった時点ｔＤで周波数制御部５６にインバータ３４をオフ動作させることを指示する。これにより、定着動作期間における発熱ベルト２１ｄの過昇温による変形を防止することができる。
かくして以上の構成によれば、励磁コイル２４に高周波電流を供給する励磁回路５０において、各モードでの供給電力それぞれに対応した複数の閾値を設け、励磁コイル２４に設定電力値を維持するのに必要な高周波電源を供給したときの励磁コイル２４への印加電圧を対応する閾値と比較することで過昇温を検知して電源供給を停止するようにしたことにより、実施の形態１と同様に、全モードで加熱部材（発熱ベルト２１ｄ）の過昇温による変形を確実に回避することができる加熱定着装置を実現できる。
（実施の形態３）
図６との対応部分に同一符号を付して示す図１３に、本発明の実施の形態３に係る励磁回路３０の構成を示す。励磁回路３０は、実施の形態１で説明した加熱定着装置２０において、励磁回路３０の代わりに使用されるものである。この実施の形態の加熱定着装置２０は、インバータ３４により得た高周波電流をサーモスタット６０を介して励磁コイル２４に供給するようになされている。
この実施の形態の場合、サーモスタット６０は、図３及び図５に示すように、背面コア２５の中心コア２５ａの軸方向の中央部に２個縦続接続されるように取り付けられている。但し、サーモスタット６０の個数及び取付位置はこれに限らず、要は、発熱ベルト２１ｄの過昇温を検知できるような位置であればよい。因みに、この実施の形態の場合、サーモスタット６０は、内蔵された感温部材のバイメタルの温度が、例えば１９０℃になると両端の電流を遮断するようになっている。また、サーモスタット６０の電気回路上の配置位置も、本実施の形態のように励磁コイル２４の直前部に限定されない。要は、励磁回路の動作が停止する位置に配置すればよく、スイッチング素子３５、３６のドライバ（不図示）への電源供給を遮断してもよいし、また、励磁回路３０への商用電源入力又はインバータ回路３４の直流電源入力を遮断してもよい。
閾値設定部４４及び閾値判定部４３は、基本的には実施の形態１と同様に、設定電力毎に、電力供給を遮断するための閾値を設定し、この閾値と周波数制御部４０でのスイッチング周波数とを比較し、スイッチング周波数が所定条件を満たした場合になったときに励磁コイルへ２４の電源供給を停止する。
但し、この実施の形態の場合、実施の形態１とは異なり、閾値設定部４４はウォームアップ時の供給電力Ｗ１（図９Ａ）に対応した閾値ｔｈ１（図９Ｃ）のみを設定すると共に、閾値判定部４３はウォームアップ時にのみこの閾値ｔｈ１とスイッチング周波数とを比較判定するようになっている。
つまり、この実施の形態の加熱定着装置２０では、ウォームアップ期間において、発熱ベルト２１ｄの過昇温を電力一定の下で励磁コイル２４に供給される高周波電流の周波数に基づいて検知し、その閾値判定結果に応じて電源供給を停止する。一方、定着期間においては、発熱ベルト２１ｄの過昇温はサーモスタット６０による断線により防止するようになっている。
かくして、この実施の形態の加熱定着装置においては、発熱ベルト２１ｄの温度が急激に上昇するウォームアップ期間においては、急激な温度上昇に対して追従性良く異常過熱を検知して電源を遮断することができる周波数の閾値判定による過昇温判定及び電源停止処理を適用する。一方、発熱ベルト２１ｄの温度上昇が緩やかな定着動作期間においては、サーモスタット６０による電源停止処理を適用する。これにより、ウォームアップ期間及び定着動作期間のいずれの期間でも発熱ベルト２１ｄの過昇温を確実に防止することができる加熱定着装置を実現できる。
また定着動作期間の過昇温による電流供給停止動作をサーモスタット６０に受け持たせたことにより、閾値判定部４３や周波数制御部４０の処理量を低減させることができ、この分だけ励磁回路３０の構成を簡単化することができるようになる。
（実施の形態４）
図１０との対応部分に同一符号を付して示す図１４に、本発明の実施の形態４に係る励磁回路５０の構成を示す。励磁回路５０は、実施の形態１で説明した加熱定着装置２０において、励磁回路３０の代わりに使用されるものである。励磁回路５０は、インバータ３４により得た高周波電流をサーモスタット７０を介して励磁コイル２４に供給するようになされている。このサーモスタット７０の配置位置及び特性は、実施の形態３のサーモスタット６０と同様である。
閾値設定部５３及び閾値判定部５２は、基本的には実施の形態２と同様に、設定電力毎に、電力供給を遮断するための閾値を設定し、この閾値と電圧検出部５１により検出された励磁コイル２４への印加電圧とを比較する。そして、印加電圧が閾値以下となったときに励磁コイル２４への電流供給を停止する。
但し、この実施の形態の場合、実施の形態２の場合とは異なり、閾値設定部５３はウォームアップの供給電力Ｗ１（図１２Ａ）に対応した閾値ｔｈ３（図１２Ｃ）のみを設定すると共に、閾値判定部５２はウォームアップ時にのみこの閾値ｔｈ３と印加電圧とを比較判定するようになっている。
つまり、この実施の形態の加熱定着装置２０においては、ウォームアップ期間における発熱ベルト２１ｄの過昇温を電力一定の下で励磁コイル２４に印加される電圧に基づいて検知し、その閾値判定結果に応じて電流供給を停止する。一方、定着期間における発熱ベルト２１ｄの過昇温はサーモスタット７０による断線により防止するようになっている。
かくして、この実施の形態の加熱定着装置２０においては、発熱ベルト２１ｄの温度が急激に上昇するウォームアップ期間においては、急激な温度上昇に対して追従性良く異常過熱を検知して電流を遮断することができる印加電圧の閾値判定による過昇温判定及び電源停止処理を適用する。一方、発熱ベルト２１ｄの温度上昇が緩やかな定着動作期間においては、サーモスタット７０による電源停止処理を適用する。これにより、ウォームアップ期間及び定着動作期間のいずれの期間でも発熱ベルト２１ｄの過昇温を確実に防止することができる加熱定着装置を実現できる。
また定着動作期間の過昇温による電流供給停止動作をサーモスタット７０に受け持たせたことにより、閾値判定部５２や周波数制御部５６の処理量を低減させることができ、この分だけ励磁回路５０の構成を簡単化することができるようになる。
（実施の形態５）
上述した実施の形態３、４では、ウォームアップ期間での加熱部材（発熱ベルト２１ｄ）の過昇温を励磁回路３０、５０により防止し、定着動作期間での過昇温をサーモスタット６０、７０により防止する場合について述べた。これに対して、この実施の形態では、ウォームアップ期間及び定着動作期間の過昇温を励磁回路３０、５０により防止すると共に、定着動作期間での過昇温をサーモスタット６０、７０により防止する加熱定着装置を提案する。
具体的には、実施の形態１や実施の形態２で説明したように、励磁回路３０、５０でウォームアップ時及び定着動作時のそれぞれに対応する閾値判定を行うことにより、ウォームアップ期間及び定着動作期間の両方で励磁回路３０、５０により電源を遮断できる構成とする。これに加えて、サーモスタット６０、７０を設けることにより、定着動作期間中はサーモスタット６０、７０でも電源を遮断できる構成とする。
これにより、ウォームアップ期間では励磁回路３０、５０により過昇温を防止でき、定着動作期間では励磁回路３０、５０及びサーモスタット６０、７０の両方により過昇温を防止できるようになる。この結果、実施の形態１〜４と比較して、定着動作期間での過昇温を一段と確実に防止できるようになる。
例えば定着動作期間において、発熱ローラ２１の停止や温度センサ２８への異物の付着などの、何らかの異常により温度センサ２８が加熱された発熱ベルト２１ｄの表面温度を正確に検知できない事態が発生した場合を想定する。この場合には発熱ベルト２１ｄの温度が瞬時に異常高温となって、発熱ベルト２１ｄの表面が変形するおそれがある。このような昇温時には、発熱ベルト２１ｄの温度上昇速度が例えば１５℃／秒と大きい。このため、熱伝導により動作する非接触のサーモスタット６０、７０では、サーモスタット６０、７０のバイメタルが遮断設定温度（例えば２００℃）に達しないために、回路を遮断することができない。
しかし、このように定着動作期間において急激な温度上昇があった場合でも、励磁回路３０、５０により励磁コイル２４への電流供給を停止できるので、発熱ベルト２１ｄの過昇温を未然に防止できるようになる。当然、発熱ベルト２１ｄの温度が緩やかに上昇する場合には、サーモスタット６０、７０により励磁コイル２４への電流供給が停止される。
加えて、この実施の形態の場合、励磁回路３０、５０による電流供給停止温度は、サーモスタット６０、７０による供給停止温度よりも高く設定されている。換言すれば、定着動作期間における閾値は、図１５に示すように、閾値判定の結果として電流供給が停止されるときの発熱ベルト２１ｄの温度Ｋ１がサーモスタット６０、７０の供給停止温度Ｋ２よりも高くなるように設定されている。なお、図１５において、曲線Ｃ１は、動作状態量の制御又は検知の結果として認識される発熱ベルト２１ｄの温度の変化を表すものであり、曲線Ｃ２は、サーモスタット６０、７０の温度の変化を表すものである。
つまり、瞬時の異常高温による発熱ベルト２１ｄ損傷のリスクに対しては励磁回路３０、５０が対処する一方、異常高温より若干低い温度が比較的長い時間にわたり継続することにより発熱ベルト２１ｄ損傷のリスクに対してはサーモスタット６０、７０が対処するようになる。この結果、発熱ベルト２１ｄの実際の過昇温による損傷を加味した電流供給停止処理を実現できるようになる。なお、図１５に示した例では、比較的長い時間にわたり発熱ベルト２１ｄの温度が温度Ｋ２を超過し続けた結果、時点ｔｄでサーモスタット６０、７０が電流供給を遮断する。
また、本実施の形態では、上記の実施の形態と同様に、閾値判定を所定時間間隔で行い、所定回数の判定に基づいて電流遮断を実施する。換言すれば、電流供給停止の実行を肯定するような判定結果が所定時間にわたり持続してから電流供給を停止させるようになっている。例えば、図１５に示すように、時点ｔａでの閾値判定では、電流供給停止の実行を肯定するような判定結果が得られているが、所定時間（Ｔｄｕｒ）経過後の時点ｔｂでの閾値判定では、電流供給停止の実行を肯定するような判定結果が得られていない。したがって、この時点ｔｂでは、電流供給は停止されない。これにより、実際に発熱ベルト２１ｄの損傷の可能性の小さい短時間の過昇温時にも追従性の良い励磁回路３０、５０によって不必要に電源供給が停止されることを回避できるようになる。そして、発熱ベルト２１ｄが損傷を受けるおそれがあるときだけ有効に電流供給を停止できるようになる。
さらに、本実施の形態では、上記の実施の形態と同様に、閾値判定において最初の肯定結果が得られてから実際に電流供給が停止されるまでに最小の待機期間を設けているので、この期間において、スイッチング周波数が閾値以下となるような判定結果の持続期間と閾値との積、又は、スイッチング周波数の時間積分を算出してもよい。要するに、動作状態量に対して時間の次元が掛け合わされた量（つまり、演算量＝電力×時間）を算出する。これにより、発熱ベルト２１ｄの温度変化をより正確に予測することが可能となる。
かくして以上の構成によれば、実施の形態１や実施の形態２の励磁回路３０、５０に加えて、サーモスタット６０、７０を設けたことにより、実施の形態１〜４と比較して、定着動作期間での過昇温を一段と確実に防止できる加熱定着装置を実現できる。
（他の実施の形態）
なお上述した実施の形態では、インバータ３４をいわゆるＳＥＰＰ構成とした場合について述べたが、インバータ３４の回路構成はこれに限らない。
また、上述した実施の形態では、高周波電流の周波数や印加電圧を閾値判定対象の動作状態量としたが、本発明はこれに限られない。以下、どのような動作状態量を閾値判定の対象として採用可能であるかについて、励磁コイル２４及び発熱ベルト２１ｄの温度上昇並びに励磁コイル２４のインピーダンス変化と共に、詳細に説明する。
励磁コイル２４は、発熱ベルト２１ｄの近傍に設けられているが、短時間の発熱ベルト２１ｄの温度上昇時には、励磁コイル２４の温度は急速には上昇しない。このような短時間での温度上昇時には、発熱ベルト２１ｄの温度が上昇し発熱ベルト２１ｄの抵抗値が大きくなるのに対して、励磁コイル２４の直流抵抗値は変化しない。この場合、励磁コイル２４のインピーダンスは、誘導抵抗成分が変化する。例えば、アルミ、銅又は銀等の電気伝導度の大きい材質を用いた発熱ベルト２１ｄの場合、温度上昇に対して、インピーダンスの実数成分が増加する変化を示す。しかし、発熱ベルト２１ｄの材質や仕様によっては減少する場合もある。また、温度変化に対するインピーダンス変化の感度は、励磁コイル２４及び発熱ベルト２１ｄを通過する磁気回路の構成によって変化する。
一方、例えば、連続的に動作する場合には、発熱ベルト２１ｄの温度が高温になると同時に、伝熱により励磁コイル２４の温度も同等に高くなる。このような状態では、励磁コイル２４の直流抵抗が温度上昇と共に増加するので、励磁コイル２４のインピーダンスは、実数成分が増加する。この場合の直流抵抗の増加は、励磁コイル２４の材質及び温度のみで決定され、他の構成要素の影響はほとんど受けない。したがって、発熱ベルト２１ｄの温度変化を推定するには、励磁コイル２４のインピーダンス変化から励磁コイル２４の温度変化による抵抗変化分を差し引く必要がある。
このように、昇温直後と連続動作時との動作モードの違いにより、励磁コイル２４でのインピーダンスの変化の仕方が異なる。昇温直後と連続動作時とで変化の仕方が同様になることは有り得るが、この場合でも変化の原因が異なる。したがって、動作モードによって、インピーダンス変化から発熱ベルト２１ｄの温度変化を推定する手順を切り分けることが必要になる。
励磁コイル２４のインピーダンス変化により、励磁回路３０、５０では、回路の動作状態量が変化する。変化する動作状態量の種類や性質は、励磁回路の構成により異なる。
例えば、定電圧電源にて励磁コイル２４が駆動される場合には、インピーダンスの増加により励磁コイル２４の駆動電流が減少する。よって、励磁コイル２４の駆動電流の最小値を閾値として設定することができる。この場合、入力電力も減少するので、インバータ３４が定電圧駆動される場合にはインバータ３４への供給電流が減少し、インバータ３４が定電流駆動される場合にはインバータ３４への供給電圧が減少する。よって、インバータ３４への供給電流又は供給電圧の最小値を閾値として設定することができる。
また、低電流電源にて励磁コイル２４が駆動される場合には、インピーダンスの増加は励磁コイル２４の駆動電圧の上昇として検出される。よって、励磁コイル２４の駆動電圧の最大値を閾値として設定することができる。この場合、入力電力は増加するので、インバータ３４が定電圧駆動される場合にはインバータ３４への供給電流が増加し、インバータ３４が低電流駆動される場合にはインバータ３４への供給電圧が増加する。よって、インバータ３４への供給電流又は供給電圧の最大値を閾値として設定することができる。
さらに、定電力制御が行われる励磁回路３０、５０では、電力制御に用いる制御パラメータがインピーダンス変化に追従して大きく変化する。よって、制御パラメータを閾値として設定することができる。例えば、インバータ３４のオンデューティー比を用いて定電流制御がかけられる励磁回路３０、５０の場合、インピーダンス増加による負荷電流の減少がオンデューティー比増加で自動的に補われる。よって、オンデューティー比の最大値を閾値として設定することができる。
このように、励磁回路３０、５０の構成に応じた好適な動作状態量を選択した上で閾値を設定し、動作モードに応じて変化する動作状態量を動作モード毎の閾値と比較し、比較結果に応じて励磁コイルへの高周波電流の供給を停止又は抑制する。この結果、全ての動作モードで発熱ベルト２１ｄが異常過熱した場合に容易かつ迅速に発熱ベルト２１ｄへの電流供給を停止又は抑制できる。
さらに上述した実施の形態では、表面に発熱ベルト２１ｄが配置された発熱ローラ２１の外周に励磁ユニット２３を設け、この励磁ユニット２３に内蔵された励磁コイル２４により発熱ベルト２１ｄを誘導加熱する加熱定着装置２０について述べた。ただし、本発明はこれに限られない。例えば、円環状のフィルムやローラの内部に励磁コイルを配置して加熱部材を誘導加熱する他の構成の加熱定着装置に適用した場合でも上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
さらに上述した実施の形態では、閾値判定により過昇温であることを示す判定結果が得られた場合、励磁コイル２４への高周波電源の供給を停止する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばスイッチング素子３５、３６のスイッチング周波数を大きくしたり、オンデューティー比を低くすることにより、高周波電流の供給を抑制するようにしてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、供給電力値が異なるモード間で異なる閾値を設定しておき、励磁コイルに各モードに対応した一定電力を供給するのに必要な高周波電源の周波数又は印加電圧をそのモードに対応した閾値を用いて閾値判定し、その結果に応じて高周波電源の供給を遮断又は抑制するようにしたことにより、簡易な構成により、加熱部材の温度上昇を追従性良く検知して、加熱部材の過昇温を未然に回避することができる加熱定着装置を実現できる。
本明細書は、２００３年２月２０日出願の特願２００３−０４３１２９に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
本発明は、昇温直後や連続動作時などの動作モードの違いによらず、簡易な構成により、加熱部材の温度上昇を追従性良く検知して、加熱部材の過昇温を未然に回避することができる効果を有し、例えば複写機やプリンタ、ファクシミリ等に用いられ、未定着トナーを加熱により定着させる加熱定着装置に適用することができる。
従来の加熱定着装置の構成例を示す図 本発明の加熱定着装置が適用される画像形成装置の全体構成を示す図 実施の形態１の加熱定着装置の構成を示す図 加熱定着装置による誘導加熱の動作の説明に供する図 図３の矢印Ｅの方向から見た加熱定着装置の斜視図 実施の形態１による励磁回路の構成を示す接続図 図６の励磁回路における駆動周波数と入力電力の関係を示す特性曲線図 実施の形態１の動作の説明に供するフローチャート 実施の形態１に係る加熱定着装置の動作に伴う、設定電力の変動を示す図 実施の形態１に係る加熱定着装置の動作に伴う、測定温度の変動を示す図 実施の形態１に係る加熱定着装置の動作に伴う、制御周波数の変動を示す図 実施の形態２による励磁回路の構成を示す接続図 図１０の励磁回路における駆動周波数と検出電圧の関係を示す特性曲線図 実施の形態２に係る加熱定着装置の動作に伴う、設定電力の変動を示す図 実施の形態２に係る加熱定着装置の動作に伴う、測定温度の変動を示す図 実施の形態２に係る加熱定着装置の動作に伴う、検出電圧の変動を示す図 実施の形態３による励磁回路の構成を示す接続図 実施の形態４による励磁回路の構成を示す接続図 実施の形態５に係る加熱定着装置の動作説明に供する図

Claims (6)

  1. 励磁コイルと、
    高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、
    発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、
    前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、
    前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、
    前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有し、
    前記励磁回路は、
    前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、
    前記制御部は、
    前記ウォームアップ期間において、前記高電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を前記ウォームアップ終了温度まで昇温する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記ウォームアップ期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記ウォームアップ終了温度未満のときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる、
    加熱定着装置。
  2. 励磁コイルと、
    高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、
    発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、
    前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、
    前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、
    前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有し、
    前記励磁回路は、
    前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、
    前記制御部は、
    前記定着動作期間において、前記低電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を定着温度に維持する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記定着動作期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記定着温度であるときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる、
    加熱定着装置。
  3. 前記制御部は、
    前記大小関係が逆転した旨の比較結果が得られ且つ持続した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる一方、前記大小関係が逆転した旨の比較結果が得られたが持続しなかった場合は、前記励磁回路の動作を停止させない、
    請求項１又は２に記載の加熱定着装置。
  4. 前記加熱部材の昇温よりも遅く昇温する感温部材を内蔵し、前記加熱部材の昇温により前記感温部材が停止温度まで昇温した場合に、前記励磁回路の動作を停止させるサーモスタットをさらに有し、
    前記定着動作期間の閾値は、前記大小関係が逆転した旨の比較結果が得られるときの前記加熱部材の温度が、前記停止温度よりも高くなるよう設定される、
    請求項３記載の加熱定着装置。
  5. 励磁コイルと、高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有する加熱定着装置の制御方法において、
    前記励磁回路が、前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、
    前記制御部が、前記ウォームアップ期間において、前記高電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を前記ウォームアップ終了温度まで昇温する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記ウォームアップ期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記ウォームアップ終了温度未満のときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる、
    加熱定着装置の制御方法。
  6. 励磁コイルと、高周波電流を生成するインバータ回路を有し、生成した高周波電流により前記励磁コイルに電力供給を行い前記励磁コイルに誘電磁界を発生させる励磁回路と、発生した誘電磁界により誘導加熱されて記録紙上の被加熱像を定着させる加熱部材と、前記加熱部材の温度を測定する温度センサと、前記インバータ回路のスイッチング周波数を、測定した温度がウォームアップ終了温度に到達するまでのウォームアップ期間と、前記ウォームアップ期間後の定着動作期間とにおいてそれぞれ設定された閾値と比較する比較部と、前記比較部の比較結果に応じて前記励磁回路を制御する制御部と、を有する加熱定着装置の制御方法において、
    前記励磁回路が、前記ウォームアップ期間において高電力供給を行い、前記定着動作期間において低電力供給を行い、
    前記制御部が、前記定着動作期間において、前記低電力供給を維持するよう前記スイッチング周波数を制御して前記加熱部材を定着温度に維持する一方、制御した前記スイッチング周波数と前記定着動作期間の閾値との大小関係が、測定した温度が前記定着温度であるときに逆転した場合は、前記励磁回路の動作を停止させる、
    加熱定着装置の制御方法。
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