JP5629566B2

JP5629566B2 - 画像形成装置

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Publication number: JP5629566B2
Application number: JP2010278397A
Authority: JP
Inventors: 英孝田淵
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: US9615406B2; US20120145692A1; JP2012128105A

Description

本発明は、形成した画像を定着させるために電磁誘導加熱方式の定着器を有する画像形成装置に関する。

一般に、電子写真方式の画像形成装置は、熱及び圧力を加えて、記録材に転写されたトナー像を紙などに定着させるための定着器を有している。従来、定着器にはセラミックヒーター等による加熱方式が多く用いられていたが、近年では急速な発熱が可能といった利点から電磁誘導加熱方式が用いられるようになっている。

画像形成装置において、小さいサイズの用紙で画像形成を行っている場合、定着器の定着ローラの端部の非通紙領域では、熱が用紙に奪われないため、温度が必要以上に上昇するという問題がある。このため、特許文献１には、キュリー材を定着ローラに使用し、非通紙領域での温度上昇を抑える構成が記載されている。キュリー材とは、キュリー温度に達した際に磁性が急激に低下する特性を持つ整磁合金である。磁性が低下した領域では、誘導加熱が行われにくくなるため、発熱が少なくなる。

また、電磁誘導加熱のためのコイルにショートなどの異常が発生すると、スイッチング素子を介してコイルに大電流が流れ、電源装置が故障する可能性がある。これを防止するため、特許文献２には、コイルへ流れる出力電流を検出し、出力電流が過電流状態となった場合には異常と判断して動作を停止させる構成が記載されている。

特開２００４−３２５６７８号公報特開２０００−２２３２５３号公報

キュリー材を用いた定着器のインピーダンスは、キュリー温度付近で急激に変化するという特性がある。なお、定着器の温度がキュリー温度より低い領域においてインピーダンスは大きく、キュリー温度より高い領域においてインピーダンスは小さくなる。このため、定着器への出力電力が一定の場合、定着器に流れる電流は、その温度がキュリー温度を超えたときに、急激に増加することになる。

定着器への出力電流異常を検出する閾値を、キュリー温度以上における出力電流により決定すると、キュリー温度以下での異常時に、定着器への出力電力は過大になりすぎるという問題がある。出力電力が過大にならないように電源装置に過電力検知回路をつけることも可能であるが、複雑なハードウェア回路が必要となり、回路面積の増加や基板コストの増大を招いてしまうという問題がある。

したがって、本発明は、温度の変化に拘わらず定着器への出力電流の異常を正確に、かつ、簡易な回路の追加により判定できる画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明による画像形成装置によれば、
磁束を発生する磁束発生手段と、磁性材料を含んでおり、前記磁束発生手段からの磁束により発熱する発熱体を有し、記録材にトナー像を定着する定着手段と、前記磁束発生手段に電流を供給する電源手段と、前記磁束発生手段に供給される電流の値を検出する電流検出手段と、前記発熱体の温度を検出する温度センサと、前記電流検出手段により検出される電流の値と閾値とを比較することで前記電流の異常を検出する過電流検出手段と、を備えており、前記過電流検出手段は、前記温度センサが検出する温度が、前記磁性材料のキュリー温度を超えている場合に、前記閾値を増加させることを特徴とする。

温度の変化に拘わらず定着器への出力電流の異常を正確に、かつ、簡易な回路の追加により判定することができる。

本発明の画像形成装置の概略的な構成図である。定着器の構成図である。定着器及び電源装置の機能ブロック図である。電源装置における駆動周波数と電力の関係を示す図である。制御部における処理のフローチャートである。定着ローラの温度が変化したときの、電源装置から見た負荷インダクタンス、負荷抵抗、出力電流の変化を示す図である。出力過電流検出部の構成図である。ウォームアップ時の各部の波形を示す図である。キュリー温度未満の場合において、出力電流が過電流状態となったときの各部の状態を示す図である。キュリー温度未満の場合において、電源装置への入力電力が過電力状態となったときの各部の状態を示す図である。キュリー温度以上の場合において、出力電流が過電流状態となったときの各部の状態を示す図である。キュリー温度以上の場合において、電源装置への入力電力が過電力状態となったときの各部の状態を示す図である。

本発明を実施するための形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

まず、本発明による画像形成装置について説明する。図１において、帯電部２a〜２ｄによって感光体１ａ〜１ｄが一様に帯電された後、画像信号に応じた露光が露光部３a〜３ｄによって行われる。これにより、感光体１ａ〜１ｄ上に静電潜像が形成される。その後、現像部４ａ〜４ｄによってトナー像が現像され、４個の感光体１ａ〜１ｄ上のトナー像は一次転写部５３ａ〜５３ｄによって中間転写ベルト５１に多重転写される。中間転写ベルト５１上のトナー像は、更に、二次転写部５６及び５７によって、記録材６０に転写される。感光体１ａ〜１ｄ上に残った転写残トナーはクリーナー６a〜６ｄにより回収される。同様に、中間転写ベルト５１に残った転写残トナーは中間転写ベルトクリーナー５５によって回収される。記録材６０上に転写されたトナー像は定着器９によって定着されることにより、カラー画像を得る。本実施形態において定着器９は電磁誘導加熱方式を用いている。

図２に示す定着器９は、導電性発熱体の表面をゴム層で覆った定着ローラ９２を有している。定着ローラ９２の導電性発熱体の厚さは、例えば、４５μｍであり、表面のゴム層の厚さは、例えば、３００μｍである。また、定着ローラ９２は、駆動ローラ９３と共に、ニップ部９４を形成し、定着ローラ９２は、ニップ部９４を介して伝わる駆動ローラ９３の回転により、図中の矢印の方向に回転する。また、定着ローラ９２に対向して、磁束発生部であるコイル９１がコイルホルダ９０内に配置されている。コイル９１に交流電流を流して磁束を発生させることにより、定着ローラ９２は、渦電流により自己発熱する。また、定着ローラ９２の導電性発熱体の内側には、例えば、サーミスタといった温度センサ９５が設けられており、定着ローラ９２の温度を検出している。

図３に示す様に、定着器９に電力供給する電源装置３００は、商用電源５００に接続されている。商用電源５００は、ダイオードブリッジ３０１及びフィルタコンデンサ３０２で直流に変換される。電圧検出部３１５及び電流検出部３１６は、それぞれ商用電源５００から供給される入力電圧及び入力電流を検出し、その検出値を制御部４００へ出力する。制御部４００は、画像形成装置の一連の動作を制御するものである。制御部４００は、電圧検出部３１５、電流検出部３１６、出力過電流検出部３１８及び温度センサ９５の検出値から、駆動部３１２に、第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２を出力する。

駆動部３１２は、第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２を増幅して、第一制御信号３２１及び第二制御信号３２２を出力する。第一スイッチング素子３０３及び第二スイッチング素子３０４は、第一制御信号３２１及び第二制御信号３２２により交互にＯＮ/ＯＦＦされ、コイル９１に高周波電流を供給する。コイル９１に高周波電流を流すと、コイル９１が発生する交流磁界により渦電流が誘導されてジュール熱が発生し、定着ローラ９２は加熱される。なお、電源装置３００には、コイル９１との共振回路を形成するために共振コンデンサ３０７が設けられている。また、第一スイッチング素子３０３及び第二スイッチング素子３０４の損失を抑えるためコンデンサ３０５が設けられている。

電源装置３００の駆動信号の周波数と入力電力の関係は、図４に示す様に、共振周波数ｆｐｙで最大電力ＰＷｐｅａｋとなるカーブを描く。図４に示すカーブのスロープを用いて第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２の駆動周波数ｆを制御することによって、定着器９へ供給される電力の制御が可能となる。

続いて、制御部４００が実行する、電源装置３００の定着器９への出力電力の制御処理を、図５を用いて説明する。制御部４００は、動作を開始すると、Ｓ２０２において、第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２の出力を開始する。続いて、制御部４００は、Ｓ２０３において、出力過電流検出部３１８が定着器９への出力電流異常を示す信号を出力しているか否かを判断する。出力過電流検出部３１８の詳細については後述する。出力過電流検出部３１８が異常を示す信号を出力している場合、制御部４００は、Ｓ２０７において、第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２の出力を停止する。出力過電流検出部３１８が異常を示す信号を出力していない場合、制御部４００は、Ｓ２０４において、定着器９への出力電力が目標値であるか否かを、電源装置３００の入力電力が目標値であるか否かにより判定する。なお、入力電力は、電圧検出部３１５及び電流検出部３１６が通知する値から計算する。制御部４００は、入力電力が目標値ではない場合、Ｓ２０５において、目標値となる様に、第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２のパルス幅を変更する。具体的には、入力電力が目標値より大きい場合には第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２のパルス幅を増加させ、小さい場合には減少させる。なお、入力電力が目標値である場合にはパルス幅を変更しない。また、Ｓ２０６において、電源スイッチ５１０がＯＦＦとなった場合にも、第一駆動信号３３１及び第二駆動信号３３２の送出を停止する。

図３に戻り、定着ローラ９２は、磁性材料、より詳しくは、キュリー温度（例えば２３０℃）を有する整磁合金で形成されている。整磁合金は、キュリー温度に達すると自発磁化が０となる。従って、図６（ａ），（ｂ）に示す様に、定着器９の負荷インダクタンスＬ及び負荷抵抗Ｒは、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満であるか否かにより、急激に変化する。具体的には、キュリー温度を超えたときに、定着器９の負荷インダクタンスＬ及び負荷抵抗Ｒが急激に減少する。

また、定着器９への出力電流Ｉｏｕｔ、出力電力Ｐｏｕｔ及び負荷抵抗Ｒには以下の関係があるため、
Ｉｏｕｔ＝√（Ｐｏｕｔ／Ｒ）
図６（ｃ）に示す様に、キュリー温度を越えたときに、出力電流Ｉｏｕｔは急激に増加することになる。

続いて、本発明において定着器９への出力電流異常を検出する出力過電流検出部３１８について説明する。図７は、図３の出力過電流検出部３１８の構成図である。図７において、第一比較器３００１の一方の入力には、温度センサ９５が検出した定着ローラ９２の温度に対応する温度検出電圧Ｖｔを入力する。また、第一比較器３００１の他方の入力には、基準電圧Ｖｒａを入力する。なお、基準電圧Ｖｒａは、電圧ＶＡを抵抗により分圧して生成し、
Ｖｒａ＝（ＲＢ・ＶＡ）／（ＲＡ＋ＲＢ）
である。ここで、Ｖｒａは、キュリー温度において温度センサ９５が出力する温度検出電圧Ｖｔと等しくなるように設定する。なお、本実施形態において、温度センサ９５は検出温度の上昇に伴い、温度検出電圧Ｖｔを減少させるものとする。

したがって、定着ローラ９２の温度がキュリー温度以下の場合、温度検出電圧Ｖｔは、Ｖｒａより大きく、第一比較器３００１の出力は「Ｈ」となる。これにより、第三スイッチング素子３５１は、「ＯＮ」状態となる。逆に、定着ローラ９２の温度がキュリー温度以上の場合、温度検出電圧Ｖｔは、Ｖｒａより小さく、第一比較器３００１の出力は「Ｌ」となる。これにより、第三スイッチング素子３５１は、「ＯＦＦ」状態となる。つまり、第一比較器３００１は、温度検出電圧Ｖｔに基づき第三スイッチング素子３５１のオン・オフ状態の制御を行う。

第二比較器３００２の一方の入力には、出力電流検出部３１７が検出した定着器９への出力電流に対応する出力電流検出電圧Ｖｉｏｕｔを入力する。また、第二比較器３００２の他方の入力には、閾値である基準電圧を入力する。なお、第二比較器３００２に入力する閾値、つまり、基準電圧は、複数の抵抗及び第三スイッチング素子３５１を含む回路網への印加電圧ＶＢを抵抗により分圧して生成する。このとき、第三スイッチング素子３５１は、例えば、図７に示す様に、その状態により、第二比較器３００２へ出力する基準電圧を変化させる様に配置する。よって、第二比較器３００２への閾値は、温度センサ９５が検出する定着ローラ９２の温度がキュリー温度以上であるか否かにより異なる。なお、出力電流検出部３１７は、出力電流の上昇に伴い、出力電流検出電圧Ｖｉｏｕｔを増加させるものとする。

具体的には、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満の時に、第二比較器３００２に入力される閾値ＶｒｂＬは、
ＶｒｂＬ＝（ＲＤ・ＲＥ・ＶＢ）／（ＲＣ・ＲＤ＋ＲＤ・ＲＥ＋ＲＣ・ＲＥ）
となる。

また、定着ローラ９２の温度がキュリー温度以上の時は、第二比較器３００２に入力される閾値ＶｒｂＨは、
ＶｒｂＨ＝（ＲＥ・ＶＢ）／（ＲＣ＋ＲＥ）
となる。

本実施形態において、閾値ＶｒｂＬは、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満のときの出力電流により設定し、閾値ＶｒｂＨは、定着ローラ９２の温度がキュリー温度以上のときの出力電流により設定する。つまり、閾値ＶｒｂＨは閾値ＶｒｂＬより大きくする。なお、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満であるか否かに拘わらず、閾値判定により異常を検出する時点における定着器９のコイル９１への出力電力が同じとなる様に閾値ＶｒｂＬ及び閾値ＶｒｂＨを決定することが好ましい。つまり、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満のときに閾値ＶｒｂＬに相当する電流が流れたときの出力電力値と、キュリー温度以上のときに閾値ＶｒｂＨに相当する電流が流れたときの出力電力値を等しくする。

第二比較器３００２は、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満の時は、出力電流検出部３１７が検出する出力電流が正常であるか否かを閾値ＶｒｂＬにより判定する。一方、キュリー温度以上のときは閾値ＶｒｂＨにより判定する。第二比較器３００２は、判定結果を制御部４００に出力する。

図８に示す様に、電源装置３００の電源スイッチ５１０をＯＮとすると、定着ローラ９２が加熱されて定着ローラ９２の温度が上昇する。これにより、温度検出電圧Ｖｔが減少し、時刻ｔａにおいてキュリー温度に達した時に、第一比較器３００１の出力が「Ｈ」から「Ｌ」変化する。また、それに伴い、第三スイッチング素子３５１の出力が「ＯＮ」から「ＯＦＦ」に変化する。これにより、第二比較器３００２に入力される閾値がＶｒｂＬからＶｒｂＨに変更される。定着ローラ９２は、その後も加熱されて時刻ｔｂで温調温度Ｔｘに達する。制御部４００は、定着ローラ９２の温度が温調温度Ｔｘに達すると、スタンバイ状態に遷移し、定着ローラ９２を温調温度Ｔｘに保つように電源装置３００を制御する。

続いて、異常が発生した時の電源装置３００及び制御部４００の動作について説明する。図９においては、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満であるものとする。したがって、既に説明した様に、第三スイッチング素子３５１はＯＮであり、第二比較器３００２に入力される閾値はＶｒｂＬとなる。コイル９１に異常が発生して過電流状態となると、出力電流検出部３１７から第二比較器３００２に入力される出力電流検出値Ｖｉｏｕｔが増加する。そして、出力電流検出値ＶｉｏｕｔがＶｒｂＬを超えると、第二比較器３００２の出力は「Ｌ」から「Ｈ」となり、異常を示す「Ｈ」が制御部４００に入力される。制御部４００は、図５を用いて説明した様に、電源装置３００の動作を停止させる。

図１０においては、定着ローラ９２の温度がキュリー温度未満であるものとする。したがって、既に説明した様に、第三スイッチング素子３５１はＯＮであり、第二比較器３００２に入力される閾値はＶｒｂＬとなる。入力電力が過電力状態となるとコイル９１に流れる電流も増加し、出力電流検出部３１７から第二比較器３００２に入力される出力電流検出値Ｖｉｏｕｔが増加する。そして、出力電流検出値ＶｉｏｕｔがＶｒｂＬを超えると、第二比較器３００２の出力は「Ｌ」から「Ｈ」となり、異常を示す「Ｈ」が制御部４００に入力される。制御部４００は、図５を用いて説明した様に、電源装置３００の動作を停止させる。

図１１においては、定着ローラ９２の温度がキュリー温度以上であるものとする。したがって、既に説明した様に、第三スイッチング素子３５１はＯＦＦであり、第二比較器３００２に入力される閾値はＶｒｂＨとなる。コイル９１に異常が発生して過電流状態となると、出力電流検出部３１７から第二比較器３００２に入力される出力電流検出値Ｖｉｏｕｔが増加する。そして、出力電流検出値ＶｉｏｕｔがＶｒｂＨを超えると、第二比較器３００２の出力は「Ｌ」から「Ｈ」となり、異常を示す「Ｈ」が制御部４００に入力される。制御部４００は、図５を用いて説明した様に、電源装置３００の動作を停止させる。

図１２においては、定着ローラ９２の温度がキュリー温度以上であるものとする。したがって、既に説明した様に、第三スイッチング素子３５１はＯＦＦであり、第二比較器３００２に入力される閾値はＶｒｂＨとなる。入力電力が過電力状態となるとコイル９１に流れる電流も増加し、出力電流検出部３１７から第二比較器３００２に入力される出力電流検出値Ｖｉｏｕｔが増加する。そして、出力電流検出値ＶｉｏｕｔがＶｒｂＨを超えると、第二比較器３００２の出力は「Ｌ」から「Ｈ」となり、異常を示す「Ｈ」が制御部４００に入力される。制御部４００は、図５を用いて説明した様に、電源装置３００の動作を停止させる。

以上、出力過電流検出部３１８が出力電流の異常を判定するために使用する閾値を、定着ローラの温度により変更することで、定着ローラ９２の温度に拘わらず、適切に異常を検出することが可能になる。また、各閾値の選択により、定着ローラ９２の温度に拘わらず、ほぼ一定の基準電力を超えた場合に電源装置を停止する構成とすることができる。

Claims

磁束を発生する磁束発生手段と、
磁性材料を含んでおり、前記磁束発生手段からの磁束により発熱する発熱体を有し、記録材にトナー像を定着する定着手段と、
前記磁束発生手段に電流を供給する電源手段と、
前記磁束発生手段に供給される電流の値を検出する電流検出手段と、
前記発熱体の温度を検出する温度センサと、
前記電流検出手段により検出される電流の値と閾値とを比較することで前記電流の異常を検出する過電流検出手段と、を備えており、
前記過電流検出手段は、前記温度センサが検出する温度が、前記磁性材料のキュリー温度を超えている場合に、前記閾値を増加させることを特徴とする画像形成装置。
前記過電流検出手段が電流の異常を検出するときに前記電源手段が前記磁束発生手段に供給している電力が一定となる様に、前記温度センサが検出する温度が前記キュリー温度を超えているときの閾値と超えていないときの閾値が決定されていることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記過電流検出手段は、所定電圧を複数の抵抗により分圧した電圧を出力する出力回路を含み、前記温度センサが検出する温度が前記キュリー温度を超えているか否かにより前記出力回路の分圧状態が切り替わることにより前記閾値が変更されることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
前記出力回路は、スイッチング素子を含み、印加電圧を前記複数の抵抗により分圧した電圧を閾値として出力し、前記温度センサが検出する温度が前記磁性材料のキュリー温度を超えているか否かにより前記スイッチング素子のオン・オフ状態を制御し、前記閾値は、前記分圧した電圧が前記スイッチング素子の状態により変化することで変更されることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。