JP4632854B2

JP4632854B2 - 加熱装置、定着装置及び画像形成装置

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Publication number: JP4632854B2
Application number: JP2005141199A
Authority: JP
Inventors: 二郎大内; 三郎佐々木; 真一庄子; 進白内; 恵一菅井
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: JP2006318799A

Description

本発明は加熱装置、定着装置、及び複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関する。

補助電源としてキャパシタを用いた定着装置は、特許文献１に記載されているように、画像形成装置の定着装置として開発されたが、省エネルギーに大きな効果があるばかりでなく、画像形成装置の立ち上げ速度が速いために使い勝手が良く、連続通紙時の定着ローラ等の定着部材の温度低下を防止でき、画像品質も良好な優れた省エネルギー技術として開発され、実際に実用化されている。

このような定着装置においては、更に図７に示すようにキャパシタ１５を複数個のキャパシタセル１５ａ、１５ｂにしたり、図８に示すように複数個のキャパシタセルを用いた補助電源２５の放電電力を昇圧手段３５で昇圧した後に補助発熱部材１１ｂに加えたりする定着装置が特許文献２に記載されている。ここに、図７に示す回路構成の定着装置において、１４は主電源、１６は充電器、１７は補助電源１５の充放電を切替える充放電切替手段としてのスイッチ、１８は定着ローラ１１の温度（表面温度）を検知する温度検知手段としての温度センサ、１９は構成切替手段、２０は発熱部材１１ａの通電制御を行う通電制御用スイッチである。定着ローラ１１は内部に発熱部材１１ａ、１１ｂを有しており、発熱部材１１ａは主電源１４から通電制御用スイッチ２０を介して供給される電力により発熱して定着ローラ１１を加熱する。

主電源１４は当該画像形成装置の設置場所に備えられているコンセントなどに接続されることで商用電源からの交流電力を出力するものであり、主電源１４から通電制御用スイッチ２０を介して発熱部材１１ａに電力が供給されるとともに、発熱部材１１ｂにも補助電源１５からスイッチ１７を介して電力が供給される。補助電源１５が十分に充電されていない場合には、比較的電力を消費しない待機時などに図示しない制御手段によりスイッチ１７が充電器１６側に切替えられ、充電器１６が主電源１４からの交流電力を直流電力に変換してスイッチ１７を介して補助電源１５に印加することにより、補助電源１５が充電される。定着ローラ１１の温度を室温から作動温度（定着可能な温度）まで急激に上昇させたい立ち上がり時など、定着ローラ１１が多量の電力を必要とする時には、制御手段によりスイッチ１７が発熱部材１１ｂ側に切替えられて補助電源１５からスイッチ１７を介して発熱部材１１ｂへ電力が供給される。

図示しない制御手段は、温度センサ１８からの検知信号に基づいて、定着ローラ１１の表面温度が定着可能な設定温度以下の時には通電制御用スイッチ２０をオンさせて主電源１４から発熱部材１１ａへ電力を供給させるが、定着ローラ１１の表面温度が定着可能な設定温度を超えた時には通電制御用スイッチ２０をオフさせて主電源１４から発熱部材１１ａへの電力供給をオフさせることで、定着ローラ１１の表面温度を一定の温度に制御する。

補助電源１５は少なくとも２つ以上のキャパシタセル１５ａ、１５ｂからなり、この複数のキャパシタセル１５ａ、１５ｂのつなぎ方を電力供給時に変えることが可能である。また、複数のキャパシタセル１５ａ、１５ｂからなる補助電源１５の構成は少なくとも放電時に変更することが可能である。構成切替手段１９は、温度センサ１８からの検知信号に基づいて、定着ローラ１１の温度が高くなるに従って発熱部材１１ｂへの供給電力が低くなるようにキャパシタセル１５ａ、１５ｂの接続を切替える。

例えば、構成切替手段１９は、定着ローラ１１の温度が低くて所定の温度に達しない初期加熱時のような状態では、キャパシタセル１５ａ、１５ｂを直列につないで発熱部材１１ｂへの印加電圧を高電圧とし、発熱部材１１ｂに対して大電力を供給させる。その後、構成切替手段１９は、定着ローラ１１の温度が高くなって所定の温度以上になったときには、キャパシタセル１５ａ、１５ｂを並列につないで発熱部材１１ｂへの印加電圧を下げ、発熱部材１１ｂに対する電力供給を小さくする。これにより、主電源１４及び補助電源１５から発熱部材１１ａ、１１ｂへの電力供給のオン／オフ制御でも定着ローラ１１の温度変化が緩やかになるため、定着ローラ１１の時間的な温度変動が小さくなり、転写紙Ｐ上に形成した画像の加熱ムラが小さくなって高品質な画像形成が可能になる。

図８に示す回路構成の定着装置では、図７に示す回路構成の定着装置において、補助電源２５の放電電力が昇圧手段３５で昇圧された後に補助発熱部材１１ｂに加えられる。図８において、２４は本定着装置を有する画像形成装置の設置場所に備えられているコンセントなどに接続されることで商用電源からの交流電力を出力する主電源、２５は補助電源、２６は充電器、２７は補助電源２５の充放電を切替える充放電切替手段、２８は主電源２４から主発熱部材１１ａへの電力供給を制御する主電力制御手段である。

主発熱部材１１ａは、主電源２４から主電力制御手段２８を介して電力が供給されて発熱する。主電力制御手段２８は、定着ローラ１１の表面温度を検知する温度検知手段の出力信号に基づいて定着ローラ１１の表面温度が設定温度になるように主電源２４から主発熱部材１１ａへの供給電力を制御する。補助発熱部材１１ｂは補助電源２５から充放電切替手段２７及び昇圧手段３５を介して電力が供給されることにより発熱する。充電器２６が主電源２４からの交流電力を直流電力に変換して充放電切替手段２７を介して補助電源２５に印加することにより、補助電源２５が充電され、充放電切換手段２７が充電器２６側から補助発熱部材１１ｂ側に切り替えられることにより、補助電源２５から充放電切替手段２７及び昇圧手段３５を介して補助発熱部材１１ｂへ電力が供給される。

加熱部としての定着ローラ１１は発熱部材１１ａ、１１ｂを有している。発熱部材１１ａ、１１ｂとしては、ハロゲンヒータや、セラミック基盤上に形成された発熱体が電力供給によって発熱するセラミックヒータ、金属抵抗薄膜などを基体状に形成した薄膜抵抗体などが用いられる。発熱部材１１ａ、１１ｂの発熱により温度が上がる加熱部としての定着ローラ１１と、図８に示す回路は、被加熱体としての転写紙上のトナー像を加熱する加熱装置を構成している。

本定着装置は、主電源部２４から主電力制御手段２８を介して供給される電力により発熱する主発熱部材１１ａ、及び補助電源２５から充放電切替手段２７及び昇圧手段３５を介して供給される電力により発熱する補助発熱部材１１ｂを有し、加熱ローラ１の表面温度を所定温度まで上昇させることができる。主電源２４は、本定着装置を有する画像形成装置の設置場所付近に備えられているコンセントなどとつながれて商用電源からの交流電力を出力するものであり、日本では商用電源として１００Ｖの電圧電源が通常多く用いられる。さらに、主電源２４は、１回路が１５Ａ程度の電流容量でブレーカが落ちることが多く、最大で１５００Ｗという電力の上限がある。主電源２４は、単純に主電力制御手段２８を介して発熱部材１１ａと接続するだけでなく、加熱部材１１ａに応じた電圧の調整及び交流と直流の整流や電圧の安定化などの機能を有していてもよい。

補助電源２５は充放電可能な電源であり、本定着装置では補助電源２５に大容量コンデンサである電気二重層キャパシタを用いている。大容量のコンデンサは、短時間で放電して電力を使い切ることができ、電圧も放電量に応じて徐々に低下していく。本定着装置では、５００Ｆ、２.５Ｖのキャパシタセルを複数個直列につないで補助電源２５として補助発熱部材１１ｂへの電力供給に用いている。これにより、補助電源２５は、補助発熱部材１１ｂへ電力を数秒から数十秒供給するのに十分な容量を備えていることを確認している。また、補助電源２５は、電気二重層キャパシタ以外にもレドックスキャパシタやシュードキャパシタなどの名称で呼ばれている大容量キャパシタを用いてもかまわない。

本定着装置では、主電源２４から主電力制御手段２８を介して発熱部材１１ａへ電力が供給されるとともに、発熱部材１１ｂに対しても補助電源２５から充放電切替手段２７及び昇圧手段３５を介して電力を供給することが可能である。主電源２４及び補助電源２５の両方から電力を同時に加熱ローラ１１内の発熱部材１１ａ、１１ｂに供給することで、主電源２４による供給電力を上回る大量の電力を加熱ローラ１１内の発熱部材１１ａ、１１ｂに供給することができる。

補助電源２５が十分に充電されていない時、例えば朝一番に本定着装置を有する画像形成装置の電源を投入するケースの昇温時には、主電源２４からのみ加熱部材１１ａへ電力を供給する。そして、加熱部材１１ａの温度を高くする必要がない待機時は、充放電切替手段２７が充電器２６側に切換接続されて主電源２４から充電器２６及び充放電切替手段２７を介して補助電源２５へ電力を供給して補助電源２５を充電しておく。

次に、加熱ローラ１１の温度を昇温する時など、多量の電力を必要とするときには、充放電切替手段２７が昇圧手段３５側に切換接続されて主電源２４及び補助電源２５から主電力制御手段２８及び充放電切替手段２７を介して同時に発熱部材１１ａ、１１ｂへ電力が供給され、発熱部材１１ａ、１１ｂに投入されるトータルの電力が主電源２４だけの電力供給時よりも多く供給されることで、短時間で加熱ローラ１１の温度が上昇する。

図８に示す回路構成の定着装置では、図９に示すように、加熱ローラ１１の温度を上昇させる際には、加熱ローラ１１の温度が上がるにつれて補助電源２５からの電力が消費されて発熱部材１１ｂへの供給電圧が減るため、商用電源からの供給電力も含めた発熱部材１１ａ、１１ｂ全体への供給電力を徐々に減らすことができる。これにより、発熱部材１１ａ、１１ｂへの電力給電開始直後で加熱ローラ１１が低温である状態では、発熱部材１１ａ、１１ｂへフルに電力を供給できる一方、補助電源２５の放電が進んで加熱ローラ１１の温度が高くなってくると、補助電源２５の電圧が低下して補助電源２５の供給電力が自然に減ってくる。

図１０は、昇圧手段３５の入力電圧Ｖinが１３Ｖまで低下するにつれて昇圧の倍率を上げていくような制御を行う制御手段を設けた場合における昇圧手段３５へ入力される入力電圧Ｖinと、補助発熱部材１１ｂに昇圧手段３５から出力される出力電圧Ｖoutの時間的な変化と、加熱ローラ１１の温度の時間的な変化の例を示す。
特許文献３には、電源装置として燃料電池を用い、この燃料電池の電力だけで全ての動作を行えるようにした画像形成装置が記載されている。

特開２００２−２８０１４６特願２００３−２９７５２６特願２００４−２８１３３２特願２００１−２６８９００

上記特許文献２に記載されている定着装置では、図８に示すように複数個のキャパシタセルを用いた補助電源２５の放電電力を昇圧手段３５で昇圧した後に補助発熱部材１１ｂに加えることにより、図９、図１０に示すように定着ローラの温度のオーバーシュートを低減したり、定着ローラの加熱時間を短縮したりできるなどの効果が得られる。

しかし、図８に示す回路構成の定着装置では、キャパシタセル２５を充電する充電回路（充電器２６）の他、昇圧手段３５が必要になり、これらの充電回路及び昇圧手段３５のサイズが大きくなったり、損失が多く発生するようになるため、キャパシタセル数の低減効果が減少する恐れがある。また、キャパシタ２５を充電するための充電用電源（充電器２６）と、キャパシタ２５から放電するエネルギーを可変する放電用電源（昇圧手段３５）との２系統の電源が必要となるため、これらの制御が複雑になりコストも高くなるという問題があった。

また、上記定着装置を有する画像形成装置では、頻繁に使用される場合にはキャパシタの充電電力が不足し、キャパシタを用いた定着装置（以下キャパシタ定着装置という）としての優れた効果がなくなる場合もあった。
図１２は、キャパシタ定着装置を採用した画像形成装置と、キャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置との使用電力の差を表すものである。キャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置にあっては、暫く使用していなかった場合の再立ち上げに数分以上の時間がかかる。この時間を短縮するには、定着ローラをすぐに立ち上げることができるように加熱する必要があり、図１２に示すように画像形成装置を画像形成可能な状態で使用せずに待機している待機時であっても若干の電力（図１２中の低電力モードの電力）を発熱部材に与えておく必要がある。このため、発熱部材に与える電力は、その低電力モードの電力以下にすることはできない。
このことから、キャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置にあっては、待機時間にも無駄な電力を消費していた。

キャパシタ定着装置を採用した画像形成装置では、キャパシタ定着装置の採用により画像形成装置の立ち上げ速度を１０秒以下にできるため、使用していない時に電力を殆ど消費しない図１２に示すようなオフモードとすることができるので、従来のキャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置よりも省エネルギーの装置にできる。しかし、オフモードは、使用していない時に電力を非常に少なくするモードであるため、使用していない時にキャパシタの充電は行えない。このため、キャパシタの充電は、画像形成装置の復帰時や画像形成時などの短い時間に合わせて行う必要があるので、制御が非常に難しいものとなる。

また、このような制御の場合、商用電源は１５００Ｗ以下の制限があるので、キャパシタの充電電力も１５００Ｗ以上の電力でキャパシタを充電することはできなかった。また、画像形成装置の使用状態によっては、殆どキャパシタの充電が行われなくなることもあり、この場合はキャパシタ定着装置の効果が得られなくなり問題であった。

本発明の目的は、小型で低コストにできる加熱装置、定着装置及び画像形成装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、キャパシタのエネルギーが不足するような場合でも安定なエネルギーを発熱部材に供給でき、キャパシタの充放電制御を簡単にできる加熱装置、定着装置及び画像形成装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、キャパシタのエネルギーが不足するような場合でも安定なエネルギーを発熱部材に供給でき、キャパシタの充放電制御を簡単にでき、更に簡単に構成できる加熱装置、定着装置及び画像形成装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、省エネルギーにでき、高速の立ち上げと微妙なキャパシタの充放電制御ができる加熱装置、定着装置及び画像形成装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、一層の小型化と低コスト化を図ることができる加熱装置、定着装置及び画像形成装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、装置全体の小型化、低コスト化を図ることができる加熱装置、定着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、請求項１に係る発明は、発熱部材の発熱により温度が上がる加熱部と、商用電源が用いられて前記発熱部材に電力を供給する主電源と、商用電源からの電力により充電回路で充電され前記発熱部材に電力を供給する補助電源としてのキャパシタとを有し、このキャパシタの充電エネルギーを放電時に放電回路により可変する加熱装置において、前記充電回路と前記放電回路を双方向型電源回路で構成するとともに、前記キャパシタを前記双方向型電源回路を介して商用電源により充電させるか、前記発熱部材へ前記燃料電池より電力を供給するかを選択する第一の選択手段と、前記キャパシタの放電エネルギーと前記燃料電池の出力エネルギーとのいずれかを選択する第二の選択手段とを有し、前記第一の選択手段と前記第二の選択手段とにより選択された前記燃料電池から供給される電力、または、前記キャパシタの放電エネルギーと前記燃料電池の出力エネルギーとのいずれかを前記双方向型電源回路を介して前記発熱部材へ与えるものである。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の加熱装置において、前記双方向型電源回路から電力が供給される誘導加熱装置を有し、前記発熱部材は前記誘導加熱装置により昇温させるものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の加熱装置において、前記双方向型電源回路は、それぞれ２つの双方向性スイッチ素子が縦続接続された２つのカスケード回路と、この２つのカスケード回路の間に設けられたインダクタンス素子とを有し、前記２つのカスケード回路のうちの一方の入力側を前記双方向型電源回路の入力側とし、前記２つのカスケード回路のうちの他方の出力側を前記双方向型電源回路の出力側としたものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の加熱装置において、前記双方向型電源回路は、２つの双方向性スイッチ素子が縦続接続されたカスケード回路と、このカスケード回路の入力側に設けられたインダクタンス素子とを有し、前記カスケード回路の出力側を前記双方向型電源回路の入力側とし、前記インダクタンス素子の入力側を前記双方向型電源回路の入力側としたものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１つに記載の加熱装置を備えたものである。

請求項６に係る発明は、請求項５記載の定着装置を備えたものである。

本発明によれば、小型で低コストにできる。
本発明によれば、キャパシタのエネルギーが不足するような場合でも安定なエネルギーを発熱部材に供給でき、キャパシタの充放電制御を簡単にできる。
本発明によれば、キャパシタのエネルギーが不足するような場合でも安定なエネルギーを発熱部材に供給でき、キャパシタの充放電制御を簡単にでき、更に簡単に構成できる。

本発明によれば、省エネルギーにでき、高速の立ち上げと微妙なキャパシタの充放電制御ができる。
本発明によれば、一層の小型化と低コスト化を図ることができる。
本発明によれば、装置全体の小型化、低コスト化を図ることができる。

図１３は本発明の参考形態１の概略を示す。この参考形態１は、定着装置を有する電子写真方式の画像形成装置の一実施形態である。回転体からなる像担持体は、例えばドラム形状の感光体１が用いられ、図示しない駆動部により回転駆動される。この感光体１の周りには、矢印で示す回転方向へ順次に、帯電手段としての帯電装置２、露光手段の一部を構成するミラー３、現像手段として現像装置４、シート状被加熱体である記録媒体としての転写紙Ｐ（ＯＨＰ紙などでもよい）に感光体１上の未定着トナー像を転写する転写手段としての転写装置５、クリーニング手段としてのクリーニング装置６などが配置されている。

ここに、帯電装置２は高圧電源から帯電バイアスが印加される帯電ローラからなり、現像装置４は高圧電源から現像バイアスが印加される現像ローラ４ａを有する現像装置からなる。クリーニング装置６は感光体１の外周面に摺接するブレード６ａを有する。
感光体１は帯電装置２と現像ローラ４ａとの間で露光手段によりミラー３を介して露光光Ｌbで走査されるようになっており、感光体１上の露光光Ｌbが照射される位置を露光部７と呼ぶ。転写装置５は感光体１の下面と対向しており、感光体１上の転写装置５と対向する位置を転写部８と呼ぶ。

転写部８より転写紙搬送方向上流側の位置には一対のレジストローラ９が設けられ、このレジストローラ９に向けて図示しない給紙トレイから転写紙Ｐが給紙コロ１０により送り出される。この転写紙Ｐは図示しない搬送ガイドにより案内されてレジストローラ９で一旦停止する。転写部８より転写紙搬送方向下流側の位置には加熱部を構成する加熱ローラ１１を有する定着装置１２が配置されている。

この画像形成装置においては、次のように画像形成が行われる。使用時には感光体１が回転を始め、この感光体１の回転中に感光体１が暗中において帯電装置２により均一に帯電され、露光手段によりミラー３を介して露光光Ｌbが感光体１の露光部７に照射されて感光体１が走査されることにより、形成すべき画像に対応した静電潜像が形成される。この感光体１上の静電潜像は、感光体１の回転により現像装置４のところに移動してきて、ここで現像装置４によりトナーで可視像化されてトナー像が形成される。

一方、給紙コロ１０により給紙トレイから転写紙Ｐの給送が開始され、この転写紙Ｐは破線で示す搬送経路を経て一対のレジストローラ９の位置で一旦停止して感光体１上のトナー像と転写部８で合致するような送り出しのタイミングを待つ。この送り出しのタイミングが到来すると、レジストローラ９の位置で停止していた転写紙Ｐはレジストローラ９により送り出されて転写部８に向けて搬送される。

感光体１上のトナー像と転写紙Ｐとは転写部８で合致し、転写装置５による電界により感光体１上のトナー像が転写紙Ｐに転写される。従って、感光体１、帯電装置２、露光手段、現像手段４、転写装置５は、転写紙Ｐ上に未定着のトナー像からなる未定着画像を形成する像形成手段を構成する。転写紙Ｐは、転写されたトナー像を担持し、定着装置１２に向けて搬送される。この転写紙Ｐは、定着装置１２を通過する間にトナー像が定着され、図示しない排紙部に排紙される。

また、転写部８で転写されずに感光体１上に残った残留トナーは、感光体１の回転と共にクリーニング装置６に至り、このクリーニング装置６を通過する間にブレード６ａで清掃されて次の画像形成に備える。

図１４は上記定着装置１２を示す。定着装置１２は、加熱部としての定着ローラ１１と、この定着ローラ１１に圧接される加圧部材としての加圧ローラ１３とを有する。定着ローラ１１及び加圧ローラ１３は図示しない駆動部により回転駆動され、定着ローラ１１は主発熱部材１１ａ、補助発熱部材１１ｂの発熱により加熱されて温度が上がる。この発熱部材１１ａ、１１ｂは、ハロゲンヒータが用いられているが、特にハロゲンヒータに限られず、その他抵抗発熱体などの発熱部材を用いてもかまわない。
未定着のトナー像ｔを担持する転写紙Ｐは、定着ローラ１１及び加圧ローラ１３のニップ部を通過する間に定着ローラ１１及び加圧ローラ１３による加熱及び加圧によりトナー像ｔが定着される。

図１は上記定着装置１２の回路構成の一部（補助発熱部材１１ｂに電力を供給する部分）を示す。本参考形態１では、発熱部材１１ａ、１１ｂに電力を供給する回路は、上記図８に示す回路において、キャパシタ２５を充電する充電器２６と、昇圧手段３５である電源回路の代りに、充電回路と放電回路の機能を併せ持つ双方向型電源回路３６を用いてキャパシタ２５の充電及び放電の制御を行うように構成している。

双方向型電源回路３６としては、例えば特許文献４に記載されている図１１に示す回路構成で実現できるが、これ以外でも双方向型の電源回路であればどのようなものであってもよい。例えば、図１１に示す双方向型電源回路以外で特許文献４に記載されている双方向型電源回路であればどの双方向型電源回路であってもよい。

図１１に示す双方向型電源回路３６では、第１のスイッチング回路Ｓ₁と第２のスイッチング回路Ｓ₂とを縦続接続して第１のカスコード回路Ｋ₁とし、第３のスイッチング回路Ｓ₃と第４のスイッチング回路Ｓ₄とを縦続接続して第２のカスコード回路Ｋ₂とする。各スイッチング回路Ｓ₁〜Ｓ₄は、それぞれ、スイッチング素子である絶縁形バイポーラトランジスタとフライホイールダイオードを並列に接続したもので、バイポーラトランジスタのエミッタとフライホイールダイオードのアノードが接続されてバイポーラトランジスタのコレクタとフライホイールダイオードのカソードが接続される。

第１のカスコード回路Ｋ₁の入力端子（第１のスイッチング回路Ｓ₁のバイポーラトランジスタのコレクタとフライホイールダイオードのカソードが接続された点）は双方向型電源回路３６の入力端子Ｐ₁に接続され、第１のカスコード回路Ｋ₁の出力端子（第１のスイッチング回路Ｓ₁のバイポーラトランジスタのエミッタとフライホイールダイオードのアノードが接続された点と、第２のスイッチング回路Ｓ₂のバイポーラトランジスタのコレクタとフライホイールダイオードのカソードが接続された点との接続点）はインダクタンス素子Ｌの一端に接続され、第２のスイッチング回路Ｓ₂におけるバイポーラトランジスタのエミッタとフライホイールダイオードのアノードが接続された点が共通端子ＧＮＤに接続される。

第２のカスコード回路Ｋ₂の入力端子（第３のスイッチング回路Ｓ₃のバイポーラトランジスタのコレクタとフライホイールダイオードのカソードが接続された点と、第４のスイッチング回路Ｓ₄のバイポーラトランジスタのエミッタとフライホイールダイオードのアノードが接続された点との接続点）はインダクタンス素子Ｌの他の一端に接続され、第３のスイッチング回路Ｓ₃におけるバイポーラトランジスタのエミッタとフライホイールダイオードのアノードが接続された点が共通端子ＧＮＤに接続される。第４のスイッチング回路Ｓ₄の出力側（バイポーラトランジスタのコレクタとフライホイールダイオードのカソードが接続された点）は双方向型電源回路３６の出力端子Ｐ₂に接続され、入力端子Ｐ₁と共通端子ＧＮＤとの間にコンデンサＣ₁が接続されて出力端子Ｐ₂と共通端子ＧＮＤとの間にコンデンサＣ₂が接続される。

各スイッチング回路Ｓ₁〜Ｓ₄は、それぞれ双方向性スイッチ素子を構成し、バイポーラトランジスタの制御端子（又はゲート）に制御手段としての制御回路３７（図１参照）からの制御信号が入力されることによりバイポーラトランジスタがオン／オフ制御（ＰＷＭ（パルス幅変調））されてデューティ比率α、（１―α）、β、（１―β）でスイッチングを行う。入力端子Ｐ₁に入力された入力電圧は、スイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂を通してインダクタンス素子Ｌがスイッチングされ、スイッチング回路Ｓ₃、Ｓ₄を通して出力端子Ｐ₂から変換された電圧が出力される。また、出力端子Ｐ₂から入力された入力電圧は、スイッチング回路Ｓ₄、Ｓ₃を通してインダクタンス素子Ｌで平滑され、スイッチング回路Ｓ₂、Ｓ₁を通して入力端子Ｐ₁から出力される。各スイッチング回路Ｓ₁〜Ｓ₄は、バイポーラトランジスタの制御端子（又はゲート）に制御回路３７から制御信号が入力されることにより入力電圧をＰＷＭして出力する。

本参考形態１では、図１に示すように、制御回路３７は、切換手段としてのスイッチＳＷ１を制御し、キャパシタ２５を充電する時、例えば加熱部材１１ａの温度を高くする必要がない時には、スイッチＳＷ１を商用電源側ａに切換える。このため、商用電源３８から供給される交流電力は、交流直流変換手段としての整流回路３９で整流されて直流電力（電圧約１２０〜１４０Ｖ）に変換され、図示しない平滑手段により平滑され、スイッチＳＷ１を経由して双方向型電源回路３６に入力され、制御回路３７による双方向型電源回路３６のＰＷＭ制御でキャパシタ２５の充電に最適となるような電圧（約４０〜４５Ｖ程度、但しキャパシタ２５のキャパシタセルにより異なる）に調整されてキャパシタ２５に印加され、キャパシタ２５が充電される。

制御回路３７は、キャパシタ２５を放電する時、例えば加熱ローラ１１の温度を昇温する時など多量の電力を必要とする時には、スイッチＳＷ１を補助発熱部材（ヒータ）１１ｂ側ｂに切換える。このため、キャパシタ２５に充電されたエネルギーは、双方向型電源回路３６に入力され、制御回路３７による双方向型電源回路３６のＰＷＭ制御で補助発熱部材１１ｂの駆動に最適となる電圧に調整（昇圧）されて補助発熱部材１１ｂに印加される。

この参考形態１によれば、商用電源３８からの電力によりキャパシタ２５を充電する充電回路としての充電器２６と、キャパシタ２５の充電エネルギーを放電時に可変する放電回路としての昇圧手段３５とを双方向型電源回路３６で構成したので、キャパシタ２５を充電するための充電用電源（充電器２６）と、キャパシタ２５から放電するエネルギーを可変する放電用電源（昇圧手段３５）との２系統の電源の代りに、充電回路と放電回路の機能を併せ持つ双方向型電源回路1個を用いることができ、特許文献２記載のものの特徴を活かしながら、小型で低コストの装置を実現できる。

図２は本発明の参考形態２における定着装置の回路構成の一部（補助発熱部材１１ｂに電力を供給する部分）を示す。本参考形態２は、上記参考形態１とは以下の点が異なり、その他の点が上記参考形態１と同様である。制御回路３７は、切換手段としてのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を制御することで、キャパシタ２５の充放電を基本的に上記参考形態１と同様に制御するが、キャパシタ２５の充電を行う時に商用電源３８から整流回路３９、スイッチＳＷ２、ＳＷ１、ＳＷ３を介して双方向型電源回路３６に加えられる電力が不足する際には、スイッチＳＷ２を燃料電池４０側に切り換えることにより、燃料電池４０からの電力をスイッチＳＷ２、ＳＷ１、ＳＷ３及び双方向型電源回路３６を介してキャパシタ２５に加えてキャパシタ２５を充電させる。

すなわち、制御回路３７は、商用電源３８から整流回路３９を介して入力される電力が停電やその他の理由で商用電源３８から電力が供給されない時には、商用電源３８から電力が供給されないことを検知する電力検知手段からの検知信号に基づいてスイッチＳＷ２を燃料電池４０側ｂに切り換えることにより、燃料電池４０からの電力をスイッチＳＷ２、ＳＷ１、ＳＷ３及び双方向型電源回路３６を介してキャパシタ２５に加えてキャパシタ２５を充電させる。

また、制御回路３７は、キャパシタ２５の電力が所定の要求放電電力量より少なかったりキャパシタ２５の充電量が不足したりすることを検知する手段からの検知信号により、キャパシタ２５の電力が所定の要求放電電力量より少なかったりキャパシタ２５の充電量が不足したりする時にスイッチＳＷ１、ＳＷ２を発熱部材１１ｂ側ｂに切り換え、燃料電池４０からの電力をスイッチＳＷ１、ＳＷ２を介して発熱部材１１ｂに加える。

なお、制御回路３７は、発熱部材１１ｂの温度を随時検知する温度検知手段からの温度検知信号、本参考形態２の使用電力を随時検知する使用電力検知手段からの使用電力検知信号、キャパシタ２５の残量電力（キャパシタ２５を現在の電圧から最適電圧まで充電するのに必要な電力）を随時検知する残量電力検知手段からの残量電力検知信号などを取り込み、これらの温度検知信号、使用電力検知信号、残量電力検知信号などに基づいてキャパシタ２５を最適な電圧に充電するのに必要な電力を演算し、その演算結果によりキャパシタ２５の充電不足時にスイッチＳＷ１を燃料電池４０側ｂに切り換えて燃料電池４０からの電力をスイッチＳＷ２、ＳＷ１、ＳＷ３及び双方向型電源回路３６を介してキャパシタ２５に加えてキャパシタ２５にその充電不足分を充電させるようにしてもよい。

この参考形態２によれば、キャパシタ２５を双方向型電源回路３６を介して燃料電池４０により充電させるか、発熱部材１１ｂへ燃料電池４０より電力を供給するかを選択する選択手段としてのスイッチＳＷ２を備えたので、本参考形態２の使用状態にかかわらず、キャパシタ２５のエネルギーが不足するような場合でも、安定なエネルギーを発熱部材１１ｂに供給することができる。

図１２は、キャパシタ定着装置を採用した画像形成装置と、キャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置との使用電力の差を表すものである。前述したように、キャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置にあっては、暫く使用していなかった場合の再立ち上げに数分以上の時間がかかる。この時間を短縮するには、定着ローラをすぐに立ち上げることができるように加熱する必要があり、図１２に示すように画像形成装置の待機時であっても若干の電力（図１２中の低電力モードの電力）を発熱部材に与えておく必要がある。このため、発熱部材に与える電力は、その低電力モードの電力以下にすることはできない。
このことから、キャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置にあっては、待機時間にも無駄な電力を消費していた。

キャパシタ定着装置を採用した画像形成装置では、キャパシタ定着装置の採用により画像形成装置の立ち上げ速度を１０秒以下にできるため、使用していない時の電力を殆ど消費しない図１２に示すようなオフモードとすることができるので、従来のキャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置よりも省エネルギーの装置にできる。しかし、オフモードは、使用していない時の電力を非常に少なくするモードであるため、使用していない時にキャパシタの充電は行えない。このため、キャパシタの充電は、画像形成装置の復帰時や画像形成時などの短い時間に合わせて行う必要があるので、制御が非常に難しいものとなる。

また、このような制御の場合、商用電源は１５００Ｗ以下の制限があるので、キャパシタの充電電力も１５００Ｗ以上の電力でキャパシタを充電することはできなかった。また、画像形成装置の使用状態によっては、殆どキャパシタの充電が行われなくなることもあり、この場合はキャパシタ定着装置の効果が得られなくなり問題であった。
本参考形態２では、そのような場合でも、燃料電池４０からの電力によりキャパシタ２５のエネルギーが不足することがないようにでき、キャパシタ２５の充放電制御も非常に簡単なものにできる。

図３は本発明の実施形態１における定着装置の回路構成の一部（補助発熱部材１１ｂに電力を供給する部分）を示す。本実施形態１は、上記参考形態１に加えて、燃料電池４１と、この燃料電池４１とキャパシタ２５とを双方向型電源回路３６の入力側に切換接続する切換手段としてのスイッチ４２とが設けられ、スイッチ４２が制御回路３７により制御されてキャパシタ２５の充電不足分を補うように燃料電池４１を双方向型電源回路３６の入力側に切換接続することにより燃料電池４１の電力が双方向型電源回路３６、スイッチＳＷ１を介して発熱部材１１ｂに加えられる。

即ち、制御回路３７は、スイッチ４２を制御して通常はキャパシタ２５側ｂに接続しておき、上記参考形態２と同様にキャパシタ２５の電力が不足する場合にスイッチ４２を燃料電池４１側ａに切換接続することで燃料電池４１からの電力を双方向型電源回路３６で調整（昇圧）してスイッチＳＷ１を介して発熱部材１１ｂに加える。つまり、制御回路３７は、商用電源３８から整流回路３９を介して入力される電力が停電やその他の理由で商用電源３８から電力が供給されない時には、商用電源３８から電力が供給されないことを検知する電力検知手段からの検知信号に基づいてスイッチ４２を燃料電池４１側に切り換えることにより、燃料電池４１からの電力を双方向型電源回路３６で調整（昇圧）してスイッチＳＷ１を介して発熱部材１１ｂに加える。

また、制御回路３７は、キャパシタ２５の電力が所定の要求放電電力量より少なかったりキャパシタ２５の充電量が不足したりすることを検知する手段からの検知信号により、キャパシタ２５の電力が所定の要求放電電力量より少なかったりキャパシタ２５の充電量が不足したりする時にスイッチ４２を燃料電池４１側に切り換えることにより、燃料電池４１からの電力を双方向型電源回路３６で調整（昇圧）してスイッチＳＷ１を介して発熱部材１１ｂに加える。

なお、制御回路３７は、発熱部材１１ｂの温度を随時検知する温度検知手段からの温度検知信号、本実施形態１の使用電力を随時検知する使用電力検知手段からの使用電力検知信号、キャパシタ２５の残量電力（キャパシタ２５を現在の電圧から最適電圧まで充電するのに必要な電力）を随時検知する残量電力検知手段からの残量電力検知信号などを取り込み、これらの温度検知信号、使用電力検知信号、残量電力検知信号などに基づいてキャパシタ２５を最適な電圧に充電するのに必要な電力を演算し、その演算結果によりキャパシタ２５の充電不足時にスイッチ４２を燃料電池４１側に切り換えて燃料電池４１からの電力を双方向型電源回路３６で調整（昇圧）してスイッチＳＷ１を介して発熱部材１１ｂに加えるようにしてもよい。

燃料電池４１は、出力インピーダンスが高くて急激な電力の供給が苦手であるため、上記のように双方向型電源回路３６を介して電力を供給することで、より効果的な発熱部材１１ｂの加熱が行える。
図４は本発明の参考形態３における定着装置の回路構成の一部（補助発熱部材１１ｂに電力を供給する部分）を示す。本参考形態３は、上記実施形態１に加えて、スイッチ４２の代りにダイオード４３を設けたものであり、燃料電池４１はダイオード４３を介してキャパシタ２５と並列に接続される。キャパシタ２５は、充電不足時に燃料電池４１からの電力で充電される。

上記実施形態１及び参考形態３によれば、キャパシタ２５の放電エネルギーと燃料電池４１の出力エネルギーとを選択する選択手段としてスイッチ４２またはダイオード４３を有し、この選択手段により選択されたエネルギーを双方向型電源回路３６を介して発熱部材１１ｂへ与えるので、キャパシタ２５の放電エネルギーまたは燃料電池４１の出力エネルギーを双方向型電源回路３６で昇圧させた後に発熱部材１１ｂへ与えることになり、上記参考形態２の効果を奏する他、燃料電池４１の電圧が低い場合でも安定した電力を発熱部材１１ｂに供給できる。また、参考形態２では、切換手段４２がなく、簡単な回路でも構成できる。

図５は本発明の実施形態２における定着装置の回路構成の一部（補助発熱部材１１ｂに電力を供給する部分）を示す。本実施形態２は、上記実施形態１に加えて、双方向型電源回路３６で昇圧し安定化した電圧でスイッチＳＷ１を介して誘導加加熱装置としての誘導加熱回路４４を駆動し、この誘導加熱回路４４により発熱部材１１ｂを昇温させる。誘導加熱回路４４の電源は、安定な電源である必要があるが、キャパシタ２５の電圧を双方向型電源回路３６で安定化させるため、本実施形態２の構成が実現可能である。この場合、発熱部材１１ｂは、誘導加熱のための電磁コイルが用いられ、定着ローラ１１を加熱する。このような誘導加熱方式により、発熱部材１１ｂへ電力供給を定着装置１２の定着状況に応じてきめ細かく制御することができる。

なお、制御回路３７は、上記実施形態１と同様に、発熱部材１１ｂの温度を随時検知する温度検知手段からの温度検知信号、本実施形態２の使用電力を随時検知する使用電力検知手段からの使用電力検知信号、キャパシタ２５の残量電力（キャパシタ２５を現在の電圧から最適電圧まで充電するのに必要な電力）を随時検知する残量電力検知手段からの残量電力検知信号などを取り込み、これらの温度検知信号、使用電力検知信号、残量電力検知信号などに基づいてキャパシタ２５を最適な電圧に充電するのに必要な電力を演算し、その演算結果によりキャパシタ２５の充電不足時にスイッチ４２を燃料電池４１側に切り換えて燃料電池４１からの電力を双方向型電源回路３６で調整（昇圧）してスイッチＳＷ１を介して発熱部材１１ｂに加えるようにしてもよい。

この実施形態２では、キャパシタ２５の電圧を双方向型電源回路３６で安定化させた後に誘導加熱装置としての誘導加熱回路４４により発熱部材１１ｂに供給している。誘導加熱方式は、調理器や炊飯器などに採用されている加熱方式であるが、最近になり、高速の加熱が行えて省エネルギーになることから、画像形成装置の定着装置にも採用されるようになってきている。本実施形態２では、誘導加熱回路４４を双方向型電源回路３６の後に配置している。このため、更に省エネルギーとなり、高速の立ち上げと微妙な制御が制御回路３７による双方向型電源回路３６の制御により行える。

図１１に示す双方向型電源回路３６は入出力の電圧関係が上下いずれの状態にあっても双方向型の動作ができるものであるが、上記参考形態１では、入出力の電圧関係は、キャパシタ２５の充電時、放電時の電圧の高低が決まっており、このような場合には、双方向型電源回路３６は図１１に示す双方向型電源回路でなくてもよく、図６に示す回路構成でも実現できる。
なお、上記参考形態１、２において、上記実施形態２と同様にキャパシタ２５の電圧を双方向型電源回路３６で安定化させた後に誘導加熱装置としての誘導加熱回路４４により発熱部材１１ｂに供給し、発熱部材１１ｂとして誘導加熱のための電磁コイルを用いるようにしてもよい。

本発明の実施形態３では、上記参考形態１において、双方向型電源回路３６の代りに図６に示す双方向型電源回路を用いている。この双方向型電源回路では、双方向性スイッチ素子としてのスイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂からなるカスコード回路Ｋ₁とインダクタンス素子Ｌとからなる最小の素子で構成され、スイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂はそれぞれバイポーラトランジスタとダイオードとを並列に接続したものである。すなわち、この双方向型電源回路は、図１１に示す双方向型電源回路においてカスコード回路Ｋ₂が省略されている。

上記参考形態１〜３、実施形態１、２における双方向型電源回路３６では、キャパシタ２５の充電時はキャパシタ２５の電圧の方がキャパシタ２５を充電する電圧よりも低く、その逆になるケースは少ない。又、キャパシタ２５の放電時は双方向型で昇圧するケースの場合の方が多い。

図６に示す双方向型電源回路では、制御回路３７は、キャパシタ２５の放電時には、スイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂のバイポーラトランジスタを制御してスイッチング回路Ｓ₁をヒータ側に電流が流れる方向のダイオード素子として動作させるとともにスイッチング回路Ｓ₂を昇圧用のスイッチング素子として動作させることにより、昇圧用コンバータとして動作させ、ヒータへの放電を行わせる。また、制御回路３７は、キャパシタ２５の充電時には、スイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂のバイポーラトランジスタを制御してスイッチング回路Ｓ₁をスイッチング素子として動作させるとともにスイッチング回路Ｓ₂をインダクタンス素子Ｌ側に電流が流れるダイオード素子として動作させることにより降圧コンバータとして動作させる。但し、この場合、スイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂は、特許文献４にも記載されているように、ダイオード素子ではなくスイッチング素子として動作させることも可能であり、必要に応じてスイッチング素子の動作をさせてもよい。

この実施形態３によれば、双方向型電源回路３６には、双方向性スイッチ素子としてのスイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂とインダクタンス素子Ｌとからなる最小の素子で構成された双方向型電源回路を用いたので、図１１に示す双方向型電源回路３６を用いた場合よりも一層の小型化を図ることができ、低コストにすることができる。

本発明の他の各実施形態では、上記実施形態１、２において、それぞれ双方向型電源回路３６の代りに上記図６に示す双方向型電源回路を用いたものである。これらの実施形態では、キャパシタ２５の充電時は、キャパシタ２５の電圧の方がキャパシタ２５を充電する電圧よりも低く、その逆になるケースは少なく、キャパシタ２５の放電時は、電源回路で昇圧するケースが多いので、上記図６に示すような簡素な双方向型電源回路でも十分に機能を果たすことができる。

又、特許文献１における図７に示すようなキャパシタセルユニットを２個設け、構成切替手段でキャパシタセルの直並列回路の切り替えも不要となるため、信頼性が高く、低コストの装置が実現できる。例えば図７の昇圧手段を昇降圧手段としてもよい。

これらの実施形態では、双方向性スイッチ素子としてのスイッチング回路Ｓ₁、Ｓ₂とインダクタンス素子Ｌとからなる最小の素子で構成された双方向型電源回路を用いたので、装置全体の小型化、低コスト化を図ることができる。

本発明の参考形態１における定着装置の回路構成の一部を示すブロック図である。本発明の参考形態２における定着装置の回路構成の一部を示すブロック図である。本発明の実施形態１における定着装置の回路構成の一部を示すブロック図である。本発明の参考形態３における定着装置の回路構成の一部を示すブロック図である。本発明の実施形態２における定着装置の回路構成の一部を示すブロック図である。本発明の実施形態３における双方向型電源回路を示すブロック図である。従来の定着装置の回路構成の一部を示すブロック図である。従来の他の定着装置の回路構成の一部を示すブロック図である。図８に示す回路構成の定着装置における昇圧手段の入力電圧Ｖinと、昇圧手段の出力電圧Ｖoutの時間的な変化と、加熱ローラの温度の時間的な変化の例を示す図である。図８に示す回路構成の定着装置において昇圧手段の入力電圧Ｖinが１３Ｖまで低下するにつれて昇圧の倍率を上げていくような制御を行う制御手段を設けた場合における昇圧手段の入力電圧Ｖinと、昇圧手段の出力電圧Ｖoutの時間的な変化と、加熱ローラの温度の時間的な変化の例を示す図である。特許文献４記載の双方向型電源回路を示す回路図である。キャパシタ定着装置を採用した画像形成装置と、キャパシタ定着装置を採用していない画像形成装置との使用電力の差を表す図である。上記参考形態１を示す概略図である。上記参考形態１の定着装置を示す断面図である。

符号の説明

１１ｂ発熱部材
２５キャパシタ
３８商用電源
３９整流回路
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、４２スイッチ
４０、４１燃料電池
４３ダイオード
４４誘導加熱回路

Claims

発熱部材の発熱により温度が上がる加熱部と、
商用電源が用いられて前記発熱部材に電力を供給する主電源と、
商用電源からの電力により充電回路で充電され前記発熱部材に電力を供給する補助電源としてのキャパシタとを有し、
このキャパシタの充電エネルギーを放電時に放電回路により可変する加熱装置において、
前記充電回路と前記放電回路を双方向型電源回路で構成するとともに、
前記キャパシタを前記双方向型電源回路を介して商用電源により充電させるか、前記発熱部材へ前記燃料電池より電力を供給するかを選択する第一の選択手段と、前記キャパシタの放電エネルギーと前記燃料電池の出力エネルギーとのいずれかを選択する第二の選択手段とを有し、
前記第一の選択手段と前記第二の選択手段とにより選択された前記燃料電池から供給される電力、または、前記キャパシタの放電エネルギーと前記燃料電池の出力エネルギーとのいずれかを前記双方向型電源回路を介して前記発熱部材へ与えることを特徴とする加熱装置。
請求項１記載の加熱装置において、前記双方向型電源回路から電力が供給される誘導加熱装置を有し、前記発熱部材は前記誘導加熱装置により昇温させることを特徴とする加熱装置。
請求項１または２に記載の加熱装置において、前記双方向型電源回路は、それぞれ２つの双方向性スイッチ素子が縦続接続された２つのカスケード回路と、この２つのカスケード回路の間に設けられたインダクタンス素子とを有し、前記２つのカスケード回路のうちの一方の入力側を前記双方向型電源回路の入力側とし、前記２つのカスケード回路のうちの他方の出力側を前記双方向型電源回路の出力側としたことを特徴とする加熱装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の加熱装置において、前記双方向型電源回路は、２つの双方向性スイッチ素子が縦続接続されたカスケード回路と、このカスケード回路の入力側に設けられたインダクタンス素子とを有し、前記カスケード回路の出力側を前記双方向型電源回路の入力側とし、前記インダクタンス素子の入力側を前記双方向型電源回路の入力側としたことを特徴とする加熱装置。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の加熱装置を備えたことを特徴とする定着装置。
請求項５記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。