JP4873702B2

JP4873702B2 - 定着装置

Info

Publication number: JP4873702B2
Application number: JP2006189400A
Authority: JP
Inventors: 宏樹村田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: JP2008015431A

Description

本発明は、画像形成装置における定着装置に関する。

複写機・プリンタ等の画像形成装置における定着装置は、未定着画像であるトナー画像を記録材に加熱定着する装置である。記録材の種類としては、転写材シート・エレクトロファックスシート・静電記録紙・ＯＨＰシート・印刷用紙・フォーマット紙等がある。

定着装置は、例えば、電子写真プロセス部、静電記録プロセス部、磁気記録プロセス部等の画像形成プロセス部を備える。定着装置は、記録材に形成担持されたトナー画像を記録材に永久固着画像として加熱定着させる。定着装置の種類としては、例えば、熱ローラ方式の定着装置又は電磁誘導加熱方式の定着装置がある。

電磁誘導加熱方式の定着装置として、磁束により円筒状の定着スリーブに電流を誘導し、ジュール熱によって定着スリーブを発熱させる定着装置が特許文献１に開示されている。定着スリーブは、金属の薄膜をゴムで薄く覆ったものでできており、スリーブ中にコイルを設置し、コイルに高周波電流を流すことで薄膜金属に熱を発生させる。電磁誘導加熱方式の定着装置では、定着時に記録紙上のトナーに接触するスリーブ自体が発熱するため、熱の伝わりが速く、熱源としてハロゲンランプを用いる熱ローラ方式の定着装置よりも速く加熱定着を行える。したがって、複写機等のウォーミングアップタイムをほぼゼロにするクイックスタートを達成できる。さらに、定着スリーブは小熱容量であるため、通常使用時において従来の定着ローラに比べて省エネルギーの効果もある。

しかし、電磁誘導加熱方式の定着装置は、励磁コイルから出る交番磁界のエネルギーを定着スリーブ全体の温度を上昇させるために用いるため、放熱損失が大きく熱効率が低いという課題があった。つまり、投入エネルギーに対する定着エネルギーの密度が低いため熱効率が低いという課題があった。そこで、定着に必要なエネルギーを高密度で得るために、励磁コイルを発熱体である定着スリーブに接近させること、又は、励磁コイルの交番磁界分布を定着ニップ部近傍に集中させることによって熱効率を高めた電磁誘導加熱方式の定着装置が開発された。

図２は、電磁誘導加熱方式の定着装置の概略図である。

図２によると、定着装置１は、円筒状の定着スリーブ（電磁誘導発熱性スリーブ）１０、電磁誘導発熱層１１、ホルダ１２、磁性コア１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、励磁コイル１４、サーモスイッチ１５、サーミスタ１６、加圧ローラ１７を備える。また、Ｎは定着ニップ部、Ｐは記録材、tは未定着トナー画像である。

磁性コア１３ａ、１３ｂ、１３ｃと励磁コイル１４は磁場を発生する。磁性コア１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、高透磁率の部材であり、フェライトやパーマロイ等といったトランスのコアに用いられる材料が適している。特に、１００ｋＨｚ以上の高周波数電流が流れても渦電流損失が少ないフェライトが適している。

励磁コイル１４は、束線を複数回巻くことによって形成される。束線は、絶縁被覆された銅製の細線を複数本束ねたものである。例えば、束線を１０回巻いて励磁コイル１４を形成する。絶縁被覆は、定着スリーブ１０の発熱による熱伝導を考慮し、耐熱性を有する被覆であるのが望ましい。例えば、絶縁被膜としては、アミドイミドやポリイミド等の被覆が望ましい。励磁コイル１４に対して外部から圧力を加えることによってその密集度を向上させてもよい。励磁コイル１４の形状は、発熱層の曲面に沿う。

図３は、定着装置１と励磁回路１８の接続関係を示す図である。

図３によると、励磁コイル１４は、給電部１４ａ、１４ｂを介して励磁回路１８に接続される。励磁回路１８は、スイッチング電源を用いて２０ｋＨｚから５００ｋＨｚの高周波電流を発生する。励磁コイル１４は、励磁回路１８から供給される高周波電流を受け、交番磁界を発生する。

図４（ａ）は、励磁コイル１４が発生する交番磁界の様子を模式的に表した図である。

Ｃは、交番磁界の一部である。磁性コア１３ａ、１３ｂ、１３ｃに導かれた交番磁界Ｃは、磁性コア１３ａと磁性コア１３ｂの間および磁性コア１３ａと磁性コア１３ｃの間に渦電流を発生させる。つまり、交番磁界Ｃは、定着スリーブ１０の電磁誘導発熱層１１に渦電流を発生させる。この渦電流と電磁誘導発熱層１１の固有抵抗によって電磁誘導発熱層１１にはジュール熱（渦電流損）が発生する。このジュール熱の発熱量Ｑは、電磁誘導発熱層１１を通る磁束の密度によって決まる。

図４（ｂ）は、電磁誘導発熱層１１の発熱量Ｑの分布を表すグラフである。

グラフの縦軸は、定着スリーブ１０の円周方向の位置を示す。この位置は、磁性コア１３ａの中心を０とした角度θで表される。グラフの横軸は、電磁誘導発熱層１１における発熱量Ｑを示す。ここで、発熱域Ｈを、最大発熱量をＱとした場合、発熱量がＱ／ｅ以上の領域と定義する。発熱域Ｈは、トナー画像を定着させるのに必要な発熱量が得られる領域である。

温度検知機能を備える温度調節部は、励磁回路１８から励磁コイル１４に供給される高周波電流を制御する。この制御によって、定着ニップ部Ｎの温度が所定の温度に保たれる。図２に示すサーミスタ１６は、定着スリーブ１０の温度を検知する温度センサである。温度調節部は、サーミスタ１６が検知した定着スリーブ１０の温度に基づいて、定着ニップ部Ｎの温度を制御する。定着スリーブ１０が回転し、励磁回路１８から励磁コイル１４へ給電が行われると、定着スリーブ１０に電磁誘導による発熱が生じ、定着ニップ部Ｎの温度が上昇するが、温度調節部は、定着ニップ部Ｎの温度を所定の温度に保つ。定着ニップ部Ｎの温度が所定の温度に保たれているときに、未定着トナー画像ｔが形成担持された記録材Ｐは、定着スリーブ１０と加圧ローラ１７との間の定着ニップ部Ｎに未定着トナー画像面が上向きになるように搬送される。記録材Ｐは、定着ニップ部Ｎにおいて未定着トナー画像面が定着スリーブ１０の外面に密着した状態で定着スリーブ１０と共に搬送される。記録材Ｐが搬送されていく過程で、定着スリーブ１０に発生した電磁誘導発熱によって記録材Ｐ上の未定着トナー画像ｔが加熱定着される。次いで、記録材Ｐは、定着スリーブ１０の外部に排出搬送される。その後、加熱定着されたトナー画像は冷却され、永久固着画像となる。

図５は、定着装置の異常時に機能する安全回路を説明するための図である。

図において、１４は励磁コイル、１５はサーモスイッチ（温度検知素子）、１８は励磁回路、１９はリレースイッチである。サーモスイッチ１５と、＋２４ＶのＤＣ電源と、リレースイッチ１９は直列に接続されている。サーモスイッチ１５は、定着スリーブ１０の発熱域Ｈ（図４参照）の対向位置の温度が予め設定された温度以上（例えば、２２０℃以上）になるとリレースイッチ１９をＯＦＦにする。リレースイッチ１９がＯＦＦになると、励磁回路１８への給電が遮断され、それによって、励磁コイル１４への給電も停止する。一方、サーモスイッチ１５は、定着スリーブ１０の発熱域Ｈに対向した場所に定着スリーブ１０とは非接触に設置される。例えば、サーモスイッチ１５を定着スリーブ１０から約２ｍｍ離れた場所に設置する。サーモスイッチ１５と定着スリーブ１０は被接触であるため、サーモスイッチ１５が定着スリーブ１０を傷つけることがない。したがって、定着スリーブ１０の傷に起因して定着画像が劣化することを防ぐことができる。この安全回路によれば、定着ニップ部Ｎに記録紙が挟まった状態で定着装置が異常停止したにもかかわらず励磁コイル１４に給電が行われ定着スリーブ１０が異常に発熱すると、サーモスイッチ１５が励磁回路１８への給電を遮断する。つまり、励磁コイル１４への給電が停止するため、定着ニップ部Ｎの発熱は止まり、記録紙が加熱され続けることはない。

尚、発熱量が多い発熱域Ｈには、温度検知素子として、サーモスイッチ１５のほかに温度ヒューズを設置してもよい。また、低軟化物質を含有させていないトナーを使用した場合にはオイル塗布機構を設けてもよい。低軟化物質を含有させたトナーを使用した場合であっても、オイル塗布機構や冷却分離機構を設けてもよい。

次に、定着装置１に対する温度制御について説明する。

定着装置１上に配置されたサーミスタ１６は、検出抵抗と基準電圧と直列接続している。サーミスタ１６は、温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体である。この現象を利用し、温度を測定するセンサとして利用される。温度変化によって電気抵抗が変化するサーミスタは、電気抵抗の変化を電圧情報に変換し、電圧情報を画像形成装置の全体制御部であるＣＰＵに送る。ＣＰＵは、受け取った電圧情報から定着装置１の温度変化を把握して、定着装置１へ供給する電力を制御する。例えば、ＣＰＵは、定着スリーブ１０の温度が通常動作時の温度よりも異常に高いと判断すると、定着装置１へ供給する電力を抑える。これは、ソフトウェア制御によって行われる。さらに、定着装置１の保護を強化するために、温度ヒューズ等のハードウェアを用いた保護回路を設けてもよい。

特許文献２には、低熱伝導性基材と導電層を有する定着スリーブを備えた像加熱装置が開示されている。導電層は、低熱伝導性基材よりも外側に設けられた１００℃〜２５０℃のキュリー点を有する磁性体からなる。キュリー点を有する磁性体は、Ｎｉ−Ｆｅ合金からなる磁性体であり、Ｎｉの含有量を変更することにより、任意にキュリー点を設定することができる。

特開平８−２２０９１２号公報特開平７−１１４２７６号公報

上述した従来の温度制御回路では、サーミスタは、端部昇温防止等の理由により必要であり、かつ、安全回路の役割を果たしていた。電磁誘導加熱方式の定着装置では、定着スリーブに電磁誘導発熱性部材を用いると定着スリーブ自体が発熱するため、定着スリーブにサーミスタを当接、摺動させる必要があり、サーミスタの取り付け位置に制約があった。すなわち、サーミスタを画像に現れない位置に配置するか、もしくは画像に影響を及ぼさない当接方式を用いる必要があり、そのため、装置構成が複雑となり装置のコストも高くなった。さらに、サーミスタの寿命を、定着装置の寿命と同じ程度の長さにする必要があった。

本発明に係る定着装置は、磁性材を用いた定着スリーブと、前記定着スリーブに渦電流を発生させて発熱させるための磁束を発生する励磁コイルと、前記励磁コイルと共に共振回路を構成するコンデンサと、前記励磁コイルへの電力供給路に設けられたスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動するスイッチング制御回路と、を有し、前記定着スリーブで発生する熱を利用して記録材上のトナー像を記録材に加熱定着する定着装置において、前記励磁コイルに流れる電流又は前記励磁コイル両端に掛る電圧を検出する検出回路と、前記スイッチング制御回路による前記スイッチング素子をオンする時間であるＯＮ幅とオフする時間であるＯＦＦ幅のうち前記ＯＮ幅を設定する制御回路と、を有し、前記制御回路は、前記検出回路が検出する前記共振回路の共振電流又は共振電圧の周期又はピーク値に応じて前記ＯＮ幅を変化させることにより前記定着スリーブが所定の設定温度を保つように制御することを特徴とする。

本発明によれば、定着スリーブの温度を検知するサーミスタを用いないため、低コスト・小型の定着装置を提供することができる。また、本発明によれば、高温となる部分に接触するサーミスタを用いないため、定着スリーブの温度検知回路を長寿命化できる。さらに、本発明によれば、定着スリーブと相関の高い温度情報を検出可能であるためサーミスタを用いた構成よりも短時間で定着スリーブの温度変化を検出することができる。

本発明の各種の実施形態の構成、動作等を、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施例の全体構成を示す回路図である。

図１において、１０は定着スリーブ、１００はサーモスイッチ、１０１はリレーコイル、１０２はブリッジダイオード、１０３はフィルタ回路、１０４は励磁コイル、１０６はＣＰＵを備える制御回路である。また、１０７はスイッチング素子、１０８は共振コンデンサ、１０９は逆導通ダイオード、１１０はカレントトランスである。また、１１２は電流検出回路、１１３はフィルタ回路、１１４は時間計測回路、１１７はスイッチング制御回路である。スイッチング制御回路１１７は、フリップフロップ１１７０、ＯＮ幅決定回路１１７２、ＯＦＦ幅決定回路１１７４を備える。

画像形成装置の電源が投入されると、画像形成装置のＤＣ電源回路（図示せず）が動作して２４ＶのＤＣ電圧１１８が画像形成装置に供給され、サーモスイッチ１００を介してリレーコイル１０１に電流が流れる。リレーコイル１０１に電流が流れると、リレー接点がＯＮになり、ＡＣ電源ラインからＡＣ電圧が回路に供給される。ブリッジダイオード１０２は、ＡＣ電圧を全波整流して脈流化ＤＣ電圧とし、フィルタ回路１０３は、脈流化ＤＣ電圧を波形整形する。

画像形成装置が定着動作を開始すると、スイッチング制御回路１１７は、スイッチング素子１０７の制御を開始する。スイッチング制御回路１１７がスイッチング素子１０７をＯＮにすると、フィルタ回路１０３、励磁コイル１０４、スイッチング素子１０７、カレントトランス１１０より構成される回路に電流が流れる。励磁コイル１０４に流れる電流は時間が経過するにつれて大きくなる。スイッチング素子１０７に過大電流が流れるとスイッチング素子１０７が破損する可能性があるため、電流検出回路１１２は、過電流保護回路を制御することによって、スイッチング素子１０７に過大電流が流れないようにする。一方、スイッチング制御回路１１７がスイッチング素子１０７をＯＦＦにすると、フィルタ回路１０３、励磁コイル１０４、共振コンデンサ１０８より構成される共振回路が共振動作を開始する。

スイッチング制御回路１１７内のＯＮ幅決定回路１１７２は、予め定めた時間のＯＮ幅をもったパルス信号を出力し、ＯＦＦ幅決定回路１１７４は、予め定めた時間のＯＦＦ幅をもったパルス信号を出力する。スイッチング制御回路１１７内のフリップフロップ（Ｆ／Ｆ）１１７０は、ＯＮ幅決定回路１１７２とＯＦＦ幅決定回路１１７４が出力するパルス信号によりトリガされ、スイッチング素子１０７をＯＮ・ＯＦＦするための信号を出力する。

カレントトランス１１０は、励磁コイル１０４に流れる電流を電圧に変換する。フィルタ１１３は、電流検出回路１１２を介して当該電圧を受け、当該電圧を波形整形して時間計測回路１１３に出力する。時間計測回路１１４は、波形整形された電圧から得られた温度情報と、制御回路１０６から入力した電圧に基づく温度情報とを比較し、その比較結果に基づきスイッチング素子２１２のＯＮ・ＯＦＦを制御する。そして、スイッチング素子２１２は、スイッチング素子１０７のＯＮ・ＯＦＦの切り替えを行う。スイッチング素子１０７がＯＮ・ＯＦＦすると、励磁コイル１０４に高周波電流が流れ、励磁コイル１０４は高周波電磁界を発生する。定着スリーブ１０は、この高周波電磁界を受けることによって発熱する。

次に、定着装置の温度制御回路として２つの例を挙げて説明する。

（１）ＯＮ・ＯＦＦ制御を用いたキュリー点検知方式の温度制御回路
所望の定着温度よりもマージンをもったキュリー点（１００°Ｃ〜２５０°Ｃ）を有する磁性材を用いた定着スリーブ１０を備えた定着装置における、ＯＮ・ＯＦＦ制御によるキュリー点検知方式の温度制御を図６〜図８を参照して説明する。尚、キュリー点とは磁性体の自発磁化が０となる温度である。磁性体において、低温では同一方向に整列していた原子の磁気モーメントは、温度を上げると熱エネルギーの影響で方向が揺らぎ始める。そのため、全体の磁気モーメントが少しずつ減少する。さらに温度を上げると磁化の減少が急激に進行しある温度以上では磁気モーメントの方向が完全にバラバラになり、自発磁化が０となる。この温度をキュリー点とよぶ。

通常の印刷動作時には、定着スリーブ１０の温度は、印刷温度調節時の目標温度になるように制御される。このような場合には定着スリーブ１０は磁性を保っており、励磁コイル１０４から見た負荷インダクタンスは２０μＨから５０μＨである。

キュリー点を有する磁性材で定着スリーブ１０を構成した場合、定着スリーブ１０の温度が上昇してその温度がキュリー点に近づくと、定着スリーブ１０の透磁率は低下する。そのため、励磁コイル１０４から見た負荷インダクタンスは小さくなり、励磁コイル１０４に流れる電流は図６（ａ）、（ｂ）に示すように変化する。

図６は、定着スリーブ１０の温度変化に伴い励磁コイル１０４に流れる電流の波形が変化する様子をグラフで表した図である。グラフの縦軸は電流軸（Ｉ）、横軸は時間軸（ｔ）である。

図６（ａ）は、通紙時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示し、図６（ｂ）は、定着スリーブ１０の温度が磁性材のキュリー点を超えた時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示す。定着スリーブ１０の温度が磁性材のキュリー点以上になると、整流回路に電力を回生する方向に流れる共振電流の周期が短くなる。キュリー点付近では、共振電流の周期は温度に依存するため、共振電流の周期から定着スリーブ１０の温度を推定することができる。

図７は、励磁コイル１０４に流れる共振電流に基づいて温度制御を行う回路の一例である。

カレントトランス１１０に流れる電流は、電流検出回路（検出抵抗）１１２により電圧に変換され、フィルタ回路１１３によりノイズ成分が取り除かれる。次いで、フィルタ回路１１３の出力は、ダイオード２０１によって整流され、負方向電圧分が検波される。この電流は、励磁コイル１０４と共振コンデンサ１０８からなる共振回路から整流回路への回生期間の電流である。

図８（ａ）は、スイッチング素子１０７のゲート電圧の波形を表す。スイッチング素子１０７は、ゲート電圧が高いとＯＮになり、ゲート電圧が０ＶでＯＦＦになる。図８（ｂ）は、電流検出回路１１２にて変換された電圧Ｖ１の波形を表す。これは、励磁コイルに流れる電流と逆の極性の電圧波形である。図８（ｃ）は、電圧Ｖ１がダイオード２０１により整流された後の電圧Ｖ２の波形を表す。図８（ｄ）は、電圧Ｖ２を所定の基準電圧２０２によって設定された閾値電圧Ｖｓをコンパレータ２０３が比較することによって得られた、負方向電圧の時間幅を有する電圧Ｖ３のパルス波形を表す。また、コンデンサ２０６に定電流源２０５から電流を充電可能な構成をとり、電圧Ｖ３が０Ｖの時にコンデンサ２０６を充電し、電圧Ｖ３がハイレベルを出力している時にコンデンサ２０６を放電する。図８（ｅ）のＶ４は、コンデンサ２０６の端子間電圧を表す。また、Ｖ５は、ダイオード２０７とコンデンサ２０８とから成るピークホールド回路により検出された端子間電圧Ｖ４のピーク値を示すＤＣ電圧である。定着スリーブ１０の温度がキュリー点に近づくと、定着スリーブ１０の透磁率μが低下するため、励磁コイル１０４のインダクタンスが低下し、図８（ｂ）に示すＶ１の波形の周期は、図６（ｂ）に示す電流波形の周期と同様に短くなる。これに伴い電圧Ｖ５は低下する。次いで、電圧Ｖ５は、コンパレータ２１０によって、制御回路１０６に予め設定されている定着スリーブ設定温度に対応する電圧Ｖｓ２と比較される。

電圧Ｖ５が電圧Ｖｓ２を下回ると、定着スリーブ１０の温度がキュリー点以上になったことになる。つまり、定着スリーブ１０の温度が所定の定着スリーブ設定温度以上になったことになる。この場合、スイッチング素子２１２が作動してフリップフロップ１１７０の出力信号はＧＮＤに落ち、スイッチング素子１０７（図１参照）のＯＮ・ＯＦＦ動作が停止する。スイッチング素子１０７のＯＮ・ＯＦＦ動作が停止すると、励磁コイル１０４への高周波電流の供給が停止し、その結果、定着スリーブ１０の発熱が停止する。これに対して、電圧Ｖ５が電圧Ｖｓ２を超えると、定着スリーブ温度がキュリー点を下回ったことになる。つまり、定着スリーブの温度が所定の定着スリーブ設定温度を下回ったことになる。この場合、スイッチング素子２１２が停止し、フリップフロップ１１７のＯＮ・ＯＦＦ信号がスイッチング素子１０７に伝わり、スイッチング素子１０７がＯＮ・ＯＦＦする。スイッチング素子１０７がＯＮ・ＯＦＦすると、励磁コイル１０４に高周波電流が供給され、励磁コイル１０４が発生する高周波電磁界によって定着スリーブ１０が発熱する。

以上説明したように、電圧Ｖ５が、制御回路１０６に設定された所定の定着スリーブ設定温度に対応する電圧とほぼ等しくなるように制御することで、定着スリーブ１０の温度制御を実現できる。

尚、本例では電圧共振回路を用いたが、電流共振回路を用いてもよい。

（２）ＰＩＤ制御を用いた温度制御
所望の定着温度よりもマージンをもったキュリー点を有する磁性材を用いた定着スリーブ１０を備えた定着装置における、ＰＩＤ制御による温度制御を図９、図１０を参照して説明する。定着スリーブ温度の検出は、前述のＯＮ・ＯＦＦ制御を用いたキュリー点検知方式の温度制御回路と同様の回路で行う。図１０は、図９における温度制御回路の回路図を示す。前述の例と同様に、電圧Ｖ５は、定着スリーブ１０の温度がキュリー点に近づくにつれて低下する。電圧Ｖ５を出力させるまでの回路は、図７と同様であるため説明は省略する。

図９によると、時間計測回路１１４は、電圧値Ｖ５を制御回路１０６にフィードバックする。制御回路１０６は、電圧値Ｖ５をＡ／Ｄ変換し、電圧−温度変換テーブルを用いて電圧情報を温度情報に変換する。次いで、制御回路１０６は、当該温度と目標温度との差を検出し、次に出力すべき電力を算出する。これは、一般的にＰＩＤ制御と呼ばれる手法である。ＰＩＤ制御では、目標温度と現在の温度の温度差に比例する比例項により決定されるパラメータと、これまでの誤差の積分値に比例する積分項により決定されるパラメータと、今回の変化量に比例する微分パラメータと、サンプリング間隔とから出力量を決定する。尚、本例では、ＰＩＤ制御の代わりにＰＩ制御としてもよい。

Ａ／Ｄコンバータのサンプリング周期を、ＰＩＤの演算サンプリング周期より短くし、サンプリングデータの平均をＰＩＤ演算用のサンプリングデータとしてもよい。例えば、ＰＩＤの演算サンプリング周期を２０ｍｓとする一方、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング周期を１ｍｓとする。次いで、Ａ／Ｄコンバータがサンプリングした１０個のサンプリングデータから最大値と最小値を除いた８つのサンプリングデータの平均をとり、その平均値をＰＩＤ演算用のサンプリングデータとする。これにより、本体各部の動作や電源に重畳されたスパイク電圧等の影響を効果的に排除することができる。

制御回路１０６は、スイッチング素子１０７をＯＮにする時間に対応する電圧値を演算し、スイッチング制御回路１１７内のＯＮ幅決定回路１１７２にＯＮ時間に対応する電圧値を指示する。スイッチング制御回路１１７は、指示されたＯＮ時間が経過すると、スイッチング素子１０７をＯＦＦにする。ＯＦＦ幅決定回路１１７４は、所定のＯＦＦ幅を出力する。フリップフロップ１１７０は、スイッチング素子１０７を交互にＯＮ・ＯＦＦするように構成されている。スイッチング素子１０７をＯＮ・ＯＦＦさせることにより励磁コイル１０４に高周波電流が流れ、励磁コイル１０４が発生する高周波電磁界により定着スリーブ１０が発熱する。

以上説明したように、時間計測回路１１４が電圧値Ｖ５を制御回路１０６にフィードバックすることにより、定着スリーブ１０の温度制御を実現できる。

次に、第２の実施例を、図面を用いて説明する。

図１１は、第２の実施例の全体構成を示す回路図である。

第１の実施例と大きく異なる点は、キュリー点での励磁コイルの電圧波形を検出する電圧検出回路１２０を備え、当該電圧に基づき温度制御を行う点にある。

以下、第１の実施例で示したＯＮ・ＯＦＦ制御によるキュリー点検知方式の温度制御回路を用いて説明する。

所望の定着温度よりもマージンをもったキュリー点を有する磁性材を用いて定着スリーブ１０を構成した場合、定着スリーブ１０の温度が上昇してその温度がキュリー点に近づくと、定着スリーブ１０の透磁率は低下する。そのため、励磁コイル１０４の両端から見たインダクタンスは小さくなり、励磁コイル１０４の両端の共振電圧は図１２に示すように変化する。

図１２は、定着スリーブ１０の温度変化に伴い励磁コイル１０４の両端の共振電圧の波形が変化する様子をグラフで表した図である。グラフの縦軸は電圧軸（Ｖ）、横軸は時間軸（ｔ）である。

図１２（ａ）は、通紙時の励磁コイル１０４の両端の電圧波形を示し、図１２（ｂ）は、定着スリーブ１０の温度が磁性体のキュリー点を超えた時の励磁コイル１０４の両端の電圧波形を示す。定着スリーブ１０の温度が磁性体のキュリー点以上になると、励磁コイルの両端の共振電圧の周期が短くなる。共振電圧の周期は温度に依存するため、共振電圧の周期から定着スリーブ１０の温度を推定することができる。

図１３は、励磁コイル１０４の両端の共振電圧に基づいて温度制御を行う回路の一例である。

図１３によると、励磁コイル１０４の両端電圧は、電圧検出回路１２０内にあるトランス１２２により検出される。さらに、励磁コイル１０４の両端の電圧は、フィルタ回路１１３によりノイズ成分が取り除かれ、次いで、ダイオード２０１によって整流され、負方向電圧分が検波される。この電流は、励磁コイル１０４と共振コンデンサ１０８からなる共振回路から整流回路への回生期間の電流である。

図１４（ａ）は、スイッチング素子１０７のゲート電圧の波形を表す。スイッチング素子１０７は、ゲート電圧が高いとＯＮになり、ゲート電圧が０ＶでＯＦＦになる。図１４（ｂ）は、電圧検出回路１２０が検出した電圧Ｖ１の波形を表す。これは、コイル電流と逆の極性で表される電圧波形となる。図１４（ｃ）は、電圧Ｖ１が整流ダイオード２０１により整流された後の電圧Ｖ２の波形を表す。図１４（ｄ）は、電圧Ｖ２を所定の基準電圧２０２によって設定された閾値電圧Ｖｓと比較することによって得られた、負方向電圧の時間幅に応じた電圧Ｖ３のパルス波形を表す。また、コンデンサ２０６に定電流源２０５からの電流を充電可能な構成をとり、電圧Ｖ３が０Ｖの時にコンデンサ２０６を充電し、電圧Ｖ３がハイレベルを出力している時にコンデンサ２０６を放電する。図１４（ｅ）のＶ４は、コンデンサ２０６の端子間電圧を表す。また、Ｖ５は、ダイオード２０７とコンデンサ２０８より成るピークホールド回路により検出された端子間電圧Ｖ４のピーク値を示すＤＣ電圧である。定着スリーブ１０の温度がキュリー点に近づくと定着スリーブ１０の透磁率μが低下するため、励磁コイル１０４のインダクタンスが低下し、図１４（ｂ）に示すＶ１の波形の周期は、図１２（ｂ）に示す励磁コイルの両端の電圧波形の周期と同様に短くなる。これに伴い電圧Ｖ５は低下する。次いで、電圧Ｖ５は、制御回路１０６に予め設定されている定着スリーブ設定温度に対応する電圧値Ｖｓ２と比較される。

電圧Ｖ５の電圧がＶｓ２を下回ると、定着スリーブ１０の温度がキュリー点以上になったことになる。つまり、定着スリーブ１０の温度が所定の定着スリーブ設定温度以上になったことになる。この場合、スイッチング素子２１２が作動してフリップフロップ１１７０の出力信号はＧＮＤに落ち、スイッチング素子１０７（図１参照）のＯＮ・ＯＦＦ動作が停止する。スイッチング素子１０７のＯＮ、ＯＦＦ動作が停止すると、励磁コイル１０４への高周波電流の供給が停止し、その結果、定着スリーブ１０の発熱が停止する。これに対して、電圧Ｖ５が電圧Ｖｓ２を超えると、定着スリーブ温度がキュリー点を下回ったことになる。つまり、定着スリーブの温度が所定の定着スリープ設定温度を下回ったことになる。この場合、スイッチング素子２１２が停止し、フリップフロップ１１７のＯＮ・ＯＦＦ信号がスイッチング素子１０７に伝わり、スイッチング素子１０７がＯＮ・ＯＦＦする。スイッチング素子２１２がＯＮ・ＯＦＦすると、励磁コイル１０４に高周波電流が供給され、励磁コイル１０４が発生する高周波電磁界によって定着スリーブ１０が発熱する。

以上説明したように、電圧Ｖ５の電圧が、制御回路１０６に設定された所定の定着スリーブ設定温度に対応する電圧とほぼ等しい電圧となるように制御することで、定着スリーブ１０の温度制御を実現できる。

尚、本例では電圧共振回路を用いたが、電流共振回路を用いてもよい。また、本例は、第１の実施例のＯＮ・ＯＦＦ制御によるキュリー点検知方式の温度制御回路を用いたものであるが、ＰＩＤ制御による温度制御回路を用いてもよい。

次に、第３の実施例を、図面を用いて説明する。

図１５、図１７は、第３の実施例の構成を示す回路図である。

第３の実施例は、キュリー点での励磁コイルの電流波形を検出する方法が第１の実施例とは異なる。

図１５、図１７において、１１０はカレントトランス、３００は電流検出回路、３０１はフィルタ回路、３０２は整流回路、３０３はピークホールド回路、３０４は整流回路、３０５はピークホールド回路、３０６はコンパレータである。

所望の定着温度よりもマージンをもったキュリー点を有する磁性体を用いて定着スリーブ１０を構成した場合、定着スリーブ１０の温度が上昇してその温度がキュリー点に近づくと、定着スリーブ１０の透磁率が低下する。そのため、励磁コイル１０４から見た定着スリーブ１０を含む回路の等価インダクタンスが小さくなり、励磁コイル１０４に流れる電流は図１６（ａ）、（ｂ）に示すように変化する。

図１６（ａ）は、通紙時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示し、図１６（ｂ）は、定着スリーブ１０の温度が磁性材のキュリー点に近づいた時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示す。定着スリーブ１０の温度が磁性材のキュリー点に近づくと、ＧＮＤの０Ｖを中心に、正方向電流に比べ負方向電流が大きくなる。電流検出回路３００は、この変化を検出し、検出した電流に基づく温度情報を制御回路１０６にフィードバックする。制御回路１０６は、その温度情報を所定の定着スリーブ設定温度に対応する温度情報と比較することによって、定着加熱装置に供給すべき電力を算出し、スイッチング制御回路１１７が出力する信号のＯＮ幅を決定する。すなわち、制御回路１０６は、所定の定着スリーブ温度になるようスイッチング素子１０７をＯＮ、ＯＦＦする。スイッチング素子１０７がＯＮ、ＯＦＦさせることにより励磁コイル１０４に高周波電流が流れ、励磁コイル１０４が発生する高周波電磁界により定着スリーブ１０が発熱する。したがって、制御回路１０６がスイッチング素子１０７のＯＮ、ＯＦＦを制御することによって、定着スリープ１０の温度制御を実現できる。

図１７は、励磁コイル１０４の電流検出による温度制御回路の回路図を示す。以後の説明では、ＡＣ全波整流回路から共振回路へ流れる電流は正方向電流とする。また、回生方向の電流は負方向電流とする。電流検出回路３００が共振回路に流れる電流を検出し電圧値に変換した後、フィルタ回路３０１はノイズを除去する。その後、整流回路３０２は負方向電流を検出し、ピークホールド回路３０３は、負方向電流のピーク値を検出する。一方、整流回路３０４は共振回路に流れる電流を整流し、正方向電流に相当する電圧を得て、ピークホールド回路３０５は正方向電流のピーク値を検出する。コンパレータ３０６は、正方向電流の値を抵抗で分圧した電圧値を基準電圧値とし、当該基準電圧値と負方向電流ピーク値を比較する。定着スリーブ１０の温度がキュリー点に近づいて、基準電圧値と負方向電流ピーク値の差が所定値を超えたら、定着スリーブ１０の温度がキュリー点に近づいたことになるため、共振電流波形から温度を推定できる。

本実施例では、一例として温度制御をデジタルＰＩＤ制御により行う場合を例に挙げて説明する。

図１５に示すピークホールド回路３０３・３０５は、温度情報に対応する電圧を制御回路１０６にフィードバックする。制御回路１０６は、当該電圧をＡ／Ｄ変換し、所定の電圧−温度変換テーブルを用いて電圧を温度に変換し、当該温度と目標温度の差を検出する。制御回路１０６は、この差に基づいて、次に出力すべき電力を算出する。計算の手法は一般的にＰＩＤ制御と呼ばれる手法に基づいている。すなわち、目標温度と現在の温度の差に比例する比例項により決定されるパラメータと、これまでの誤差の積分値に比例する積分項により決定されるパラメータと、今回の変化量に比例する微分パラメータと、サンプリング間隔により出力すべき電力量を決定する。ＰＩＤ演算に拠らず、ＰＩ制御としてもよい。Ａ／Ｄコンバータのサンプリング周期を、ＰＩＤの演算サンプリング周期より短くし、サンプリングデータの平均をＰＩＤ演算用のサンプリングデータとしてもよい。例えば、ＰＩＤの演算サンプリング周期は２０ｍｓとする一方、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング周期を１ｍｓとする。次いで、Ａ／Ｄコンバータがサンプリングした１０個回のサンプリングデータから最大値と最小値を除いた８つのサンプリングデータの平均をとり、その平均値をＰＩＤ演算用のサンプリングデータとする。これにより、本体各部の動作や電源に重畳されたスパイク電圧等の影響を効果的に排除することができる。

制御回路１０６は、スイッチング制御回路１１７内のＯＮ幅決定回路１１７２にＯＮ時間に相当する電圧を指示する。スイッチング制御回路１１７は、指示されたＯＮ時間が経過すると、スイッチング素子１０７をＯＦＦにする。ＯＦＦ幅決定回路１１７４は、所定の時間のＯＦＦ幅を出力する。フリップフロップ１１７０は、スイッチング素子１０７を交互にＯＮ・ＯＦＦする。スイッチング素子１０７をＯＮ・ＯＦＦさせることにより励磁コイル１０４に高周波電流が流れ、励磁コイル１０４が発生する高周波電磁界により定着スリーブ１０が発熱する。

以上説明したように、ピークホールド回路３０３・３０５が温度情報に対応する電圧値を制御回路１０６にフィードバックすることにより、定着スリーブ１０の温度制御を実現できる。

第１の実施例の構成を示す回路図である。電磁誘導加熱方式の定着装置の概略図である。定着装置１と励磁回路１８の接続関係を示す図である。（ａ）は、励磁コイル１４が発生する交番磁界の様子を模式的に表した図であり、（ｂ）は、電磁誘導発熱層１１の発熱量Ｑの分布を表すグラフである。定着装置の異常時に機能する安全回路を説明するための図である。（ａ）は、通紙時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示す図であり、（ｂ）は、定着スリーブ１０の温度が磁性材のキュリー点を超えた時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示す図である。励磁コイル１０４に流れる共振電流に基づいて温度制御を行う回路の一例である。（ａ）は、スイッチング素子１０７のゲート電圧の波形を表す図である。（ｂ）は、検出抵抗１１２にて変換された電圧Ｖ１の波形を表す図である。（ｃ）は、電圧Ｖ１がダイオード２０１により整流された後の電圧Ｖ２の波形を表す図である。（ｄ）は、電圧Ｖ２を所定の基準電圧２０２によって設定された閾値電圧Ｖｓと比較することによって得られた、負方向電圧の時間幅に応じた電圧Ｖ３のパルス波形を表す図である。（ｅ）は、コンデンサ２０６の端子間電圧を表す図である。第１の実施例の別の構成を示す回路図である。励磁コイル１０４に流れる共振電流に基づいて温度制御を行う回路の一例である。第２の実施例の構成を示す回路図である。（ａ）は、通紙時の励磁コイル１０４の両端の電圧波形を示す図であり、（ｂ）は、定着スリーブ１０の温度が磁性体のキュリー点を超えた時の励磁コイル１０４の両端の電圧波形を示す図である。励磁コイル１０４の両端の共振電圧に基づいて温度制御を行う回路の一例である。（ａ）は、スイッチング素子１０７のゲート電圧の波形を表す図である。（ｂ）は、電圧検出回路１２０が検出した電圧Ｖ１の波形を表す図である。（ｃ）は、電圧Ｖ１が整流ダイオード２０１により整流された後の電圧Ｖ２の波形を表す図である。（ｄ）は、電圧Ｖ２を所定の基準電圧２０２によって設定された閾値電圧Ｖｓと比較することによって得られた、負方向電圧の時間幅に応じた電圧Ｖ３のパルス波形を表す図である。（ｅ）は、コンデンサ２０６の端子間電圧を表す図である。第３の実施例の構成を示す回路図である。（ａ）は、通紙時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示す図であり、（ｂ）は、定着スリーブ１０の温度が磁性材のキュリー点に近づいた時に励磁コイル１０４に流れる電流の波形を示す図である。励磁コイル１０４に流れる電流に基づいて温度制御を行う回路の一例である。

符号の説明

１０定着スリーブ
１００サーモスイッチ
１０１リレーコイル
１０２ブリッジダイオード
１０３フィルタ回路
１０４励磁コイル
１０６制御回路
１０７スイッチング素子
１０８共振コンデンサ
１０９逆導通ダイオード
１１０カレントトランス
１１２電流検出回路
１１３フィルタ回路
１１４時間計測回路
１１７スイッチング制御回路

Claims

磁性材を用いた定着スリーブと、前記定着スリーブに渦電流を発生させて発熱させるための磁束を発生する励磁コイルと、前記励磁コイルと共に共振回路を構成するコンデンサと、前記励磁コイルへの電力供給路に設けられたスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動するスイッチング制御回路と、を有し、前記定着スリーブで発生する熱を利用して記録材上のトナー像を記録材に加熱定着する定着装置において、
前記励磁コイルに流れる電流又は前記励磁コイル両端に掛る電圧を検出する検出回路と、前記スイッチング制御回路による前記スイッチング素子をオンする時間であるＯＮ幅とオフする時間であるＯＦＦ幅のうち前記ＯＮ幅を設定する制御回路と、を有し、前記制御回路は、前記検出回路が検出する前記共振回路の共振電流又は共振電圧の周期又はピーク値に応じて前記ＯＮ幅を変化させることにより前記定着スリーブが所定の設定温度を保つように制御することを特徴とする定着装置。