JP5793944B2

JP5793944B2 - 誘導加熱装置及び画像形成装置

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Publication number: JP5793944B2
Application number: JP2011100240A
Authority: JP
Inventors: 隆浩辻本; 山口　淳; 山口　　淳; 渡辺　裕之; 裕之渡辺; 山本　豊; 豊山本; 誠一切久保; 英紀峰; 雅人石井
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2012230339A

Description

この発明は、画像形成装置に備えられている定着装置の発熱体を加熱するのに用いられる誘導加熱装置、及び該誘導加熱装置を備えた画像形成装置に関する。

例えば、コピー機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置、さらにはこれらの装置の機能を集約したＭＦＰ（Multi Function Peripherals）と称される多機能デジタル画像形成装置等には、回転可能なローラ型の発熱体を備えた定着装置と、前記発熱体を加熱する加熱源としての誘導加熱装置を備えたものがある。

このような誘導加熱装置として、誘導加熱用のコイルへ例えば商用の交流電圧を全波整流し直流に変換して印加するとともに、誘導加熱用のコイルと直列に接続された例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）等からなるスイッチング素子のオン・オフを制御することにより、定着装置の発熱体へ供給する電力を制御する方式のものが従来より用いられている。

一方、定着装置として、画像形成装置に対するウォームアップ時間の短縮や省エネルギ等の要請から、熱容量の小さいものが求められている。この熱容量の小さい定着装置は、急速に加熱できる反面、急速に温度低下してしまう特徴がある。従って、熱容量の小さい定着装置で温度を一定に保つためには、誘導加熱装置の細やかな電力制御が必要となる。

ところで、誘導加熱装置の動作中において、商用の入力交流（５０／６０Ｈｚ）にサージ電圧が入力された場合、誘導加熱用のコイルをスイッチングする前記スイッチング素子に過大な電圧が印加され、スイッチング素子が破壊されることがある。

そこで、上記のようなサージ電圧を検出する回路を設け、サージ電圧が発生した場合は誘導加熱装置の動作を停止することが一般に行われているが、従来では、例えば５秒といったような比較的長い停止時間が確保されていた。

なお、特許文献１には、局所的に加熱されるよう加熱ヒータが配置されるとともに、局所的な加熱箇所の過剰な温度上昇を防止するため、ウォームアップ時に定着ローラを回転させるようにした定着装置が開示されている。

特開２００２−４０８７１号公報

しかしながら、誘導加熱装置の停止時間が長いと、定着装置における発熱体の温度が低下し定着性能に影響を及ぼす恐れがあった。

特に、前述したような昨今の熱容量の小さい定着装置の場合には、誘導加熱装置からの電力供給が停止すると、定着装置の発熱体の温度が瞬間的に低下することから、未定着画像が発生しやすく定着不良となるという問題があった。

なお、このような問題は、前記特許文献１に記載の技術によっては解決することはできなかった。

この発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであって、サージ電圧等の異常電圧を検出した場合の定着装置の発熱体の温度低下を可及的に抑制できる誘導加熱装置、及び該誘導加熱装置を備えた画像形成装置を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の手段によって解決される。
（１）回転可能な発熱体を有する定着装置と、前記発熱体を加熱する誘導加熱装置とを備えた画像形成装置であって、前記誘導加熱装置は、交流電圧を整流した直流の入力電圧を印加されるとともに、前記発熱体の周面の一部を取り巻いてかつ該発熱体の回転方向に一定の広がりを持って前記発熱体に対向配置され、前記発熱体を誘導加熱するためのコイルと、該コイルに直列に接続されたスイッチング素子と、前記交流電圧に入力される異常電圧を検出する異常電圧検出手段と、前記スイッチング素子をオン・オフ制御することにより、前記コイルへの供給電力を制御するとともに、前記異常電圧検出手段により異常電圧が検出されたときは、前記コイルへの電力供給を停止させる電力制御手段と、を備え、前記コイルは発熱体の回転方向の後側における回転方向の長さＬ１を有する後半部と、回転方向の前側における回転方向の長さＬ２を有する前半部とで前後に分離して配置され、前記電力制御手段は、前記異常電圧の検出による前記コイルへの電力供給の停止を、停止時に前記コイルの後半部の長さＬ１の領域に進入した発熱体の周面の部位が、前記コイルの後半部の長さＬ１の領域を通過したあと前記前半部の長さＬ２の領域に進入する前に終了させて前記コイルへの電力供給を再開させることを特徴とする画像形成装置。

前項（１）に記載の発明によれば、コイルは発熱体の回転方向の後側における回転方向の長さＬ１を有する後半部と、回転方向の前側における回転方向の長さＬ２を有する前半部とで前後に分離して配置され、電力制御手段は、異常電圧の検出によるコイルへの電力供給の停止を、停止時にコイルの後半部の長さＬ１の領域に進入した発熱体の周面の部位が、前記コイルの後半部の長さＬ１の領域を通過したあと前記前半部の長さＬ２の領域に進入する前に終了させて前記コイルへの電力供給を再開させるから、電力供給の停止時間による定着装置の発熱体の温度低下を可及的に抑制でき、未定着画像の発生を防止できる。

この発明の一実施形態に係る画像形成装置の構成を示すブロック図である。サージ電圧検出回路の一例を示す回路図である。定着装置の構成を示す断面図である。図３の定着装置の要部を抽出して示した断面図である。サージ電圧検出時の従来の動作を説明するための図である。サージ電圧検出時の本実施形態の動作を説明するための図である。この実施形態に係る画像形成装置で実施されるサージ電圧検出時の電力制御処理を示すフローチャートである。サージ電圧検出時の従来の電力制御処理を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係る画像形成装置の構成を示すブロック図である。

画像形成装置１は、誘導加熱装置１０と、本体制御部２０と、定着装置３０とを備えている。

前記誘導加熱装置１０は、全波整流回路１０２と、誘導加熱用のコイル（インダクタ）１０３と、コンデンサ１０４と、スイッチング素子１０５と、ＩＧＢＴ駆動回路１０６と、電力制御部１０７と、異常電圧検出回路１０８と、入力電圧検出回路１０９と、ゼロクロス検出回路１１０と、入力電流検出回路１１１を備えている。

全波整流回路１２は、５０／６０Ｈｚの１００Ｖの交流電源である商用電源１１の１００Ｖの交流電圧を全波整流して直流に変換するものである。

コイル１３は、前記全波整流回路１２の出力電圧を受領し、磁気的に結合された定着装置の定着ベルト５４（図３に示す）を誘導加熱する。

コンデンサ１０４はコイル１０３と並列に接続され、コイル１０３とで共振回路１１２を形成する。

スイッチング素子１０５はコイル１０３と直列に接続され、商用電源１０１から全波整流回路１２、共振回路１１２、スイッチング素子１０５及び全波整流回路１０２を巡って商用電源１０１へと至る閉ループを形成している。スイッチング素子１０５の種類は限定されないが、この実施形態では、前述した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）が用いられている。

ＩＧＢＴ駆動回路１０６は、電力制御部１０７からの指示に基づいてスイッチング素子１０５をオン・オフすることにより、スイッチング素子１０５を高周波スイッチング駆動するものである。

電力制御部１０７は、ＩＧＢＴ駆動回路１０６を介してスイッチング素子１０５のオン・オフを制御することにより、コイル１０３への供給電力を制御するものであり、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成されている。

サージ電圧検出回路１０８は、商用電源１０１に入力される異常電圧であるサージ電圧を速い応答性で検出するものである。サージ電圧検出回路１０８の構成は限定されないが、例えば図２に示すように、商用電源１０１の交流電圧を抵抗１０８ａ及び１０８ｂで分圧する一方、基準電圧Ｖｃｃを抵抗１０８ｃ及び１０８ｄで分圧して基準電圧値とし、交流電圧に対する分圧電圧と基準電圧値とをオペアンプ１０８ｅで比較する回路を挙げることができる。オペアンプ１０８ｅのプラス端子の基準電圧値以上の電圧がオペアンプ１０８ｅのマイナス端子に印加されると、オペアンプ１０８ｅはＬｏｗ信号を出力するようになっている。

電力制御部１０７は、オペアンプ１０８ｅからの信号がＨｉｇｈ信号であれば、サージ電圧は入力されていないと判断し、スイッチング素子１０５の制御を通常通り行う。オペアンプ１０８ｅからの信号がＬｏｗ信号になると、サージ電圧が入力されたものと判断し、スイッチング素子１０５を直ちにオフし、定着ベルト３４に対する電力供給を停止する。

また、サージ電圧検出回路１０８によるサージ電圧検出信号は本体制御部２０の制御回路２１にも入力される。

入力電圧検出回路１０９は、商用電源１０１から全波整流回路１０２を介してコイル１０３へ入力される電圧を検出し、入力電流検出回路１１１は、同じく入力電流を検出するものであり、電力制御部１０７は、入力電圧検出回路１０９及び入力電流検出回路１１１での検出結果を受けて、コイル１０３への供給電力を安定化させる。

ゼロクロス検出回路１１０は、商用電源１０１の交流電圧のゼロクロスを検出してゼロクロス信号を出力する回路である。

本体制御部２０の制御回路２１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、電力制御部１０７に対して電力供給の開始指示や供給電力量の指示を行う。さらには、制御回路２１は、サージ検出回路１０８からのサージ検出信号を基に定着ベルト３４に対する電力供給の停止時間や、停止終了後の電力供給時間（復帰時間）を算出して電力制御部１０７に通知するが、この点については後述する。

前記電力制御部１０７は、画像形成装置１の本体制御部２０における制御回路２１からの前記指示等を受信して、指示された状態となるように、ＩＧＢＴ駆動回路１０６を介してスイッチング素子１０５のオン・オフを制御する。

図３は定着装置３０の断面図、図４は図３の要部を抽出して示した断面図である。

定着装置３０は、定着ローラ３１と加圧ローラ３７を備えている。

定着ローラ３１は、筒状芯体３２の周面にスポンジ材３３を介して発熱体としてのローラ型の金属製定着ベルト３４が被覆されてなり、図示しない軸に連結されて、図３の矢印Ａで示すように紙面反時計方向に回転可能となされている。

加圧ローラ３７は、筒状芯体３５の表面に弾力性を有するゴム材３６が被覆されてなり、表面のゴム材３６が定着ローラ３１の定着ベルト３４に接触した状態で、図示しない軸に連結されて、図３の紙面時計方向に回転可能となされている。

一方、誘導加熱装置１０の前記コイル１０３は、コイル収容部６０に巻回状態で収容されている。コイル１０３は、定着ローラ３１の定着ベルト３４の周面の一部を取り巻いて、かつ定着ローラ３１の回転方向に定着ベルト３４のほぼ半周分の広がりを持って配置されている。また、この実施形態ではコイル１０３は、定着ローラ３１の中心を含む水平面に存在する中間部材６１を境にして、定着ローラ３１の回転方向の後側に存在する上半部１０３ａと、回転方向の前側に存在する下半部１０３ｂに分離して巻回されている。従って、誘導加熱装置１０による電力出力中は、発熱体としての定着ベルト３４に対して、上半部１０３ａによる加熱領域５１と下半部１０３ｂによる加熱領域５２がそれぞれ形成される。定着ローラ３１の回転に伴って、定着ベルト３４は加熱領域５１、５２を通過する時に誘導加熱されて全体が均一な温度になり、定着ローラ３１と加圧ローラ３７の間を通過する用紙に形成された画像を定着する。

次に、サージ電圧検出時の電力制御動作を説明するが、まず従来の動作を図５を参照して説明する。

電力制御部１０７により設定された供給電力量となるようにスイッチング素子１０５がオンオフ制御される。これにより、定着ローラ３１の定着ベルト３４は、温度特性Ｘ１で示すように、一定の温度（図５では温調温度と記している）に加熱される。

時刻Ｔ１で、商用電源の交流電圧にサージ電圧が印加されると、全波整流された入力電圧Ｖ０にもサージ電圧が印加された状態となる。、交流電圧に印加されたサージ電圧がサージ電圧検出回路１０８で検出されると、電力制御部１０７は直ちにスイッチング素子１０５をオフにし、コイル１０３への電力供給を停止してスイッチング素子１０５の破壊を防止するものとなされている。しかしながら、従来では、停止時間が例えば５秒間といった比較的長時間に設定されており、５秒後の時刻Ｔ２において電力供給を再開していた。このため、その間に定着ベルト３４の温度が低下し、定着不良を引き起こす恐れがあった。

これに対し、この実施形態では、サージ電圧の検出による定着ベルト３４への電力供給の停止時にコイル１０３の上半部１０３ａによる加熱領域５１に進入した定着ベルト３４の周面の部位３４ａ（図４に示す）が、前記加熱領域５１を通過したあとに、電力供給の停止を終了し、コイル１０３の下半部１０３ｂによる加熱領域５２に進入する前の中間部材６１を通過しているときに、定着ベルト３４への電力供給を再開させるものとなされている。ただし、その間に再度のサージ電圧が検出されたときは、再度の停止が行われる。なお、加熱領域５１、５２の定着ベルト回転方向の長さは、この実施形態では図４に示すように、それぞれコイル１０３の上半部１０３ａのベルト回転方向の長さＬ１と、下半部１０３ｂの定着ベルト回転方向の長さＬ２として、電力供給の停止時間等の計算を行っている。この実施形態では、上半部１０３ａの長さＬ１と下半部１０３ｂの長さＬ２はほぼ等しく設定されている。

このように、電力供給の停止の終了タイミングと再開のタイミングを設定することにより、電力供給の停止時間ｔは図６に示すように極めて短時間となり、これにより定着ベルト３４の温度特性Ｘ２に示すように、定着ベルト３４の温度低下を抑制することができ、定着不良の発生を確実に防止することができる。

また、電力供給の停止の終了タイミングと再開のタイミングの設定は固定されていなくても良く、画像形成装置１の動作状態に応じて変更しても良い。たとえば、画像形成装置１を朝一番で立ち上げたときには、停止時間を短く設定したり、また定着ロール３１を通過する記録媒体の秤量（厚紙、薄紙等）に応じて変更しても良い。

なお、電力供給の再開は、図６に示すように、ゼロクロス検出回路１１０で検出された交流電圧のゼロクロスのタイミングＴ３で行うのが望ましい。ゼロクロス時は交流電圧が低い状態にあるため、スイッチング素子１０５を破損することなく電力出力を再開できる。

また、電力供給の停止の終了タイミングと再開のタイミングは上記に限定されるものではなく、電力供給の停止を、停止時にコイル１０３の上半部１０３ａによる加熱領域５１に進入した定着ベルト３４の周面の部位３４ａが、コイル１０３の下半部１０３ｂによる加熱領域５２から退出する前に終了させ、かつ、コイル１０３の下半部１０３ｂによる加熱領域５２から退出する前に、定着ベルト３４への電力供給を再開させる設定となされていればよい。

このように、停止時にコイル１０３の上半部１０３ａによる加熱領域５１に進入した定着ベルト３４の周面の部位３４ａが、コイル１０３の下半部１０３ｂによる加熱領域５２を通過し終える前に、コイル１０３への電力供給を再開させることで、定着ベルト３４への熱補完を確実に行うことができる。

図７は、画像形成装置１のサージ電圧検出時の電力制御動作を示すフローチャートである。

ステップＳ０１では、電力制御部１０７が、画像形成装置１における本体制御部２０の制御回路２１から、供給電力の設定値や制御開始指示を含む電力制御指示を受信し、これに基づいて、電力制御部１０７は、ＩＧＢＴ駆動回路１０６に電力供給（電力出力ともいう）を指示し、スイッチング素子１０５を駆動する。これにより、定着ベルト３４へ電力が供給され、定着ベルト３４は誘導加熱により自己発熱する。

ステップＳ０２では、サージ電圧を検出したかどうかを電力制御部１０７及び本体制御部２０の制御回路２１がサージ電圧検出回路１０８の出力から判断し、検出していなければ（ステップＳ０２でＮＯ）、ステップＳ０１に戻って電力出力を継続させる。サージ電圧を検出すると（ステップＳ０２でＹＥＳ）、ステップＳ０３で、本体制御部２０の制御回路２１が、電力出力の停止時間を、コイル１０３の上半部１０３ａのベルト回転方向の長さ÷システムスピードである定着ローラ３１の回転速度、から算出し、算出結果を電力制御部１０７に送信する。

算出結果を受信した電力制御部１０７は、ステップＳ０４で、ＩＧＢＴ駆動回路１０６に対して電力出力の停止指示を行ったのち、ステップＳ０５で、停止時間が経過したかどうかを判断する。停止時間が経過していなければ（ステップＳ０５でＮＯ）、経過するまで待ち、停止時間が経過すると（ステップＳ０５でＹＥＳ）、ステップＳ０６に進む。つまり、電力出力の停止時にコイル１０３の上半部１０３ａによる加熱領域５１に進入した定着ベルト３４の周面の部位３４ａが、コイル１０３の上半部１０３ａを通過するまで電力出力が停止される。

ステップＳ０６では、本体制御部２０の制御回路２１が、電力出力の復帰時間を、コイル１０３の下半部１０３ｂのベルト回転方向の長さＬ２÷システムスピードである定着ローラ３１の回転速度、から算出し、算出結果を電力制御部１０７に送信する。

算出結果を受信した電力制御部１０７は、ステップＳ０７で、ＩＧＢＴ駆動回路１０６に対して電力出力の再開指示を行う。復帰時間の算出、電力出力の再開指示は、電力出力の停止時にコイル１０３の上半部１０３ａによる加熱領域５１に進入した定着ベルト３４の周面の部位３４ａが、下半部１０３ｂによる加熱領域５２に進入する前に行われる。

次に、ステップＳ０８で、復帰時間が経過したかどうかを判断する。復帰時間が経過していなければ（ステップＳ０８でＮＯ）、復帰するまで待ち、復帰時間が経過すると（ステップＳ０８でＹＥＳ）、ステップＳ０１に戻る。つまり、電力出力の停止時にコイル１０３の上半部１０３ａによる加熱領域５１に進入した定着ベルト３４の周面の部位３４ａが、コイル１０３の下半部１０３ｂによる加熱領域５２に進入し加熱領域５２を通過するまで、電力出力が確実に維持される。

ステップＳ０１に戻った後は、サージ電圧が検出されなければ、そのまま電力出力が継続される。

ちなみに、サージ電圧検出時の従来の電力制御処理を図８に示す。

ステップＳ１１では、電力制御部１０７が、画像形成装置１における本体制御部２０の制御回路２１から、供給電力の設定値や制御開始指示を含む電力制御指示を受信し、これに基づいて、電力制御部１０７は、ＩＧＢＴ駆動回路１０６に電力出力を指示し、スイッチング素子１０５をスイッチング制御する。

ステップＳ１２では、サージ電圧を検出したかどうかを電力制御部１０７がサージ電圧検出回路１０８の出力から判断し、検出していなければ（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ０１に戻って電力出力を継続させる。検出すると（ステップＳ１２でＹＥＳ）、電力制御部１０７は、ステップＳ１３で、ＩＧＢＴ駆動回路１０６に対して電力出力の停止指示を行う。停止時間は例えば５秒に設定される。

次に、ステップＳ１４で、サージ電圧を検出したかどうかを判断し、検出すると（ステップＳ１４でＹＥＳ）、ステップＳ１３で再度停止する。検出しなければ（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ１１に戻り、電力出力を継続する。

１画像形成装置
１０誘導加熱装置
２０本体制御部
２１制御回路
３０定着コイル
３４定着ベルト
３４ａ定着ベルトの周面の部位
５１加熱領域
５２加熱領域
１０１商用電源
１０２全波整流回路
１０３コイル
１０３ａコイルの上半部
１０３ｂコイルの下半部
１０４コンデンサ
１０５スイッチング素子
１０７電力制御部
１０８サージ電圧検出回路
１１０ゼロクロス検出回路

Claims

回転可能な発熱体を有する定着装置と、前記発熱体を加熱する誘導加熱装置とを備えた画像形成装置であって、
前記誘導加熱装置は、
交流電圧を整流した直流の入力電圧を印加されるとともに、前記発熱体の周面の一部を取り巻いてかつ該発熱体の回転方向に一定の広がりを持って前記発熱体に対向配置され、前記発熱体を誘導加熱するためのコイルと、
該コイルに直列に接続されたスイッチング素子と、
前記交流電圧に入力される異常電圧を検出する異常電圧検出手段と、
前記スイッチング素子をオン・オフ制御することにより、前記コイルへの供給電力を制御するとともに、前記異常電圧検出手段により異常電圧が検出されたときは、前記コイルへの電力供給を停止させる電力制御手段と、
を備え、
前記コイルは発熱体の回転方向の後側における回転方向の長さＬ１を有する後半部と、回転方向の前側における回転方向の長さＬ２を有する前半部とで前後に分離して配置され、
前記電力制御手段は、前記異常電圧の検出による前記コイルへの電力供給の停止を、停止時に前記コイルの後半部の長さＬ１の領域に進入した発熱体の周面の部位が、前記コイルの後半部の長さＬ１の領域を通過したあと前記前半部の長さＬ２の領域に進入する前に終了させて前記コイルへの電力供給を再開させることを特徴とする画像形成装置。