JPH09308260A - 電圧共振型コンバータ，誘導加熱用電源装置，定着装置および電圧共振型コンバータの起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電圧共振型コンバータ，誘導加熱電源装置等
を安全に立ち上げる。 【解決手段】 起動に先だって、フォトカプラ１４をオ
ンし、フィルタコンデンサ７に並列に接続されているト
ランジスタ１５をオンして、フィルタコンデンサ７の電
圧を低減する。フィルタコンデンサ７の電圧が零近くま
で低下すると、フォトカプラ２１がオフし電圧低下が制
御回路１８に検知される。この検知に応じて制御回路１
８はスイッチング素子１０のゲートへスイッチングパル
スを供給し、スイッチング動作が電源のゼロクロス近く
から安全にスムーズに開始される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子写真プロセス
で形成される現像剤（トナー）像の熱定着装置等で用い
られる電圧共振型コンバータ，磁気誘導加熱装置，定着
装置，電圧共振型コンバータの起動方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子写真プロセスを用いたプリン
タ装置の定着装置は、加熱ローラとそれに圧接する加圧
ローラの一体構成により、両者間に未定着画像を支持し
た記録材を通過させて定着を行うものである。

【０００３】この構成において、通常熱源であるハロゲ
ンヒータの通電電力は、ヒータを発熱発光させて輻射，
対流によって一般にアルミ金属で作られたローラを加熱
する。このアルミ金属ローラは、受けた熱をローラ全体
に温度差の無いように伝動する働きを行う。このように
して一様な温度分布となったローラはその上層にコート
された耐熱ゴムを介して、記録紙上の未定着トナーを加
熱，溶融させて記録紙媒体上に染み込ませ、定着させる
ものである。

【０００４】通常熱源であるハロゲンヒータは、ローラ
中央部の中間部に、ガラス封止した細長い棒状のハロゲ
ンヒータを通し、ハロゲンヒータには通常、交流電源
（ライン入力電源）をスイッチング制御素子を介して、
電流を流しローラ加熱する構成により加熱される。

【０００５】従って、定着ローラ温度制御は、ローラに
近接させて配した温度検出素子、一般に、サーミスタ感
熱素子によりローラ温度を検出し、交流電源とハロゲン
ヒータ間に設けられたスイッチング素子、例えば、トラ
イアック等によってオン／オフ制御を行い、目標の一定
温度が得られるように制御している。

【０００６】このような制御系は、温度が目標温度に到
達した時点でスイッチをオフしたとしても、それまでに
供給した大電力のために目標温度を遥かに越えてオーバ
シュートを発生してしまう。このようなオーバシュート
は前述のような簡素な制御手段を行った場合には、目標
温度の約５％発生してしまうことが報告されている。前
述の定着装置はその構成上、ヒータは熱を伝えたい定着
ローラ金属からかなり離れた中央部に配置されるため、
ローラに到達するまでの熱抵抗、およびローラの有する
熱容量によって、その熱モデルは非常に複雑な構成とな
り、解析も困難となってしまう。少くとも単純な一次伝
達モデルではない。このことはヒータ→ヒータガラス管
→管内空間（放射，対流）→定着ローラ→耐熱ゴムとい
った経路を介して、定着器に熱を導く構成であり、特に
熱の一次蓄熱系が複雑（定着金属ローラ、および耐熱ゴ
ム）に存在していることに起因しているものと考えられ
る。

【０００７】以上の構成で定着ローラ表面の温度検出に
より、温度制御を行った場合、ローラ表面に熱が伝導す
るまでの伝達関数のため、ヒータとローラ表面温度は、
数百℃の温度差を生じながらオン／オフを繰返し、結果
としてローラ表面を一定に保つような制御が行われてい
る。このようなモデルで制御が成立しているのは、一巡
伝達経路 ヒータ→ヒータガラス管→管内空間（放射，
対流）→定着ローラ→耐熱ゴム が充分な時間積分機能
を果たし、その結果として、入力電力を比較的時間レベ
ルで緩慢な制御を行っても、一定な温度が得られるよう
に動作した結果である。

【０００８】ところが、前述のような制御対象について
理想的な温度制御を行うには、通常の通紙していない時
のモデル，通紙中，紙質，周囲温度、その他温度に絡む
様々なファクタによって制御方法をその都度変更する必
要が生じてしまう。即ち、プリント中，スタンバイ中，
紙質制御，周囲温度、といった条件を常にセンシングし
て制御パラメータを操作しながら複雑な制御をしなくて
は高精度な制御を行うことができないといったことがあ
る。

【０００９】ところが、近年、ファーストプリント時間
を短縮すべく、円筒状にしたフィルムを回転させその内
部のセラミック上に酸化金属皮膜抵抗を印刷し、この印
刷抵抗に電流を流すことにより、発熱させ、この温度に
よって、フィルムを介してトナーを溶融し定着させる構
成のものが提案されている。このような構成を行うこと
で、直接トナーに電力を付与することによって、ファー
ストプリントタイムの低減と省エネを実現しているもの
である。但し、この従来方式はモノカラーの定着で良好
に機能するものの、カラーで且つ高速に定着を行う時に
は、そのトナーの挙動から、各色の合成処理を同時に行
える温度および圧力が要求され、ここで、ファーストプ
リントタイムおよび、充分な加圧，温度応答性を考慮し
て考案された方式として、コイルに高周波電流を印加し
てその高周波磁界によって金属表面に発生する表皮電流
による発熱をそのまま、トナーに付与する構成の定着方
式が提案されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、金属フ
ィルムに高周波磁界を印加して加熱する方式を用いて加
熱する誘導加熱（磁気誘導加熱ともいう）定着装置が提
案されており、その誘導加熱に用いられる励磁コイルは
高周波電源により励磁される。高周波磁界を供給する高
周波電源では、その電子写真のスループット（処理量）
に依存はするものの、定着器を立ち上げる際には、１ｋ
ｗに及ぶ電力をスイッチング供給する能力が要求され
る。従って、スイッチング方式は変換効率の高い共振方
式のコンバータを採用するのが一般的である。

【００１１】ところが、共振方式電源では例えば、電圧
共振電源の場合、起動初期には、コイル両端に共振用の
コンデンサが並列接続された構成のため、この共振コン
デンサは０Ｖとなっており、これをいきなりスイッチン
グ素子でオンした場合、スイッチング素子には共振コン
デンサに印加されるステップ電圧のため、低インピーダ
ンスで過大電流が流れ、スイッチング素子の安全動作領
域を越えて破壊に至る。この問題の一般的な解決方法と
しては、スイッチング素子のスイッチングオン幅を微少
幅から徐々に増大させるソフトスタート方式がある。と
ころが、どんなに微少領域のオン幅であっても共振コン
デンサの初期電荷が零の状態からステップ電圧を印加し
た場合、初期の立上りタイミングで一瞬に非線型電流に
よってスイッチング素子に大電流が流れ、破壊してしま
う。

【００１２】以上のように電圧共振型コンバータを安全
に立ち上げるといった課題がある。

【００１３】本発明は、このような状況のもとでなされ
たもので、安全に立ち上げることのできる電圧共振型コ
ンバータ，誘導加熱電源装置，定着装置，電圧共振型コ
ンバータの起動方法を提供することを目的とするもので
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、電圧共振型コンバータを次の（１）の
とおりに、また誘導加熱用電源装置を次の（２），
（３），（４）のとおりに、定着装置を次の（５）のと
おりに、電圧共振型コンバータの起動方法を次の（６）
のとおりに構成する。

【００１５】（１）入力交流を整流する整流手段と、こ
の整流手段の出力側に接続されたフィルタコンデンサ
と、負荷のコイルと並列接続され共振回路を構成する共
振コンデンサと、前記フィルタコンデンサ，前記共振コ
ンデンサと直列接続されたスイッチング素子と、このス
イッチング素子のスイッチング動作に先だって前記フィ
ルタコンデンサの電圧を低減し、続いて前記入力交流の
ゼロクロス付近から前記スイッチング動作を開始させる
制御手段とを備えた電圧共振型コンバータ。

【００１６】（２）入力交流を整流する整流手段と、こ
の整流手段の出力側に接続されたフィルタコンデンサ
と、負荷の励磁コイルと並列接続され共振回路を構成す
る共振コンデンサと、前記フィルタコンデンサ，前記共
振コンデンサと直列接続されたスイッチング素子と、こ
のスイッチング素子のスイッチング動作に先だって前記
フィルタコンデンサの電圧を低減し、続いて前記入力交
流のゼロクロス付近から前記スイッチング動作を開始さ
せる制御手段とを備えた誘導加熱用電源装置。

【００１７】（３）制御手段は、スイッチング素子のス
イッチング動作に先だって、フィルタコンデンサの電圧
を入力交流の電圧波形に相似させて低減するものである
前記（２）記載の誘導加熱用電源装置。

【００１８】（４）制御手段は、スイッチング素子のス
イッチング動作に先だって入力交流をオフし、入力交流
のゼロクロス付近でオンするものである前記（２）記載
の誘導加熱用電源装置。

【００１９】（５）前記（２）記載の誘導加熱用電源装
置により定着ユニットの励磁コイルを付勢する定着装
置。

【００２０】（６）入力交流の整流電圧で充電されるフ
ィルタコンデンサと共振コンデンサとスイッチング素子
が直列接続された電圧共振型コンバータにおいて、前記
スイッチング素子のスイッチング動作に先だって前記フ
ィルタコンデンサの電圧を低減し、続いて前記入力交流
のゼロクロス付近から前記スイッチング素子のスイッチ
ング動作を開始させる電圧共振型コンバータの起動方
法。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下本発明を、電子写真方式のプ
リンタにおける定着ユニットの励磁コイルを付勢する、
“誘導加熱用電源装置”の実施例により詳しく説明す
る。本実施例では前述のように変換効率の点から電圧共
振型コンバータを採用している。

【００２２】（実施例１）以下添付図面に基づき説明す
る。図１は、実施例１である“誘導加熱用電源装置”の
回路図である。

【００２３】図１において、１，２は商用交流入力端、
３は両波整流ブリッジ、４，５は入力交流電圧を整流し
てリップル電圧波形を出力する整流ダイオード、６はフ
ィルタ用のインダクタ、７はフィルタコンデンサ、８は
定着ユニットの励磁コイル９と並列接続されて共振回路
を形成する共振コンデンサ、１０は共振負荷である素子
８と９に電力を供給するスイッチング素子、１１，１
２，１３は両波整流波形から高周波ノイズを除去するフ
ィルタ、１４は制御回路１８から送られてくる起動信号
によって制御されトランジスタ１５のベースに両波整流
波形を供給するフォトカプラ、１６はフォトカプラ１４
の保護ダイオード、１７はベース抵抗、１８は電源装置
全体を制御する制御回路である。フィルタコンデンサ７
に並列に接続された、電流制限抵抗１９，ツェナダイオ
ード２０，フォトカプラ２１の直列回路は、フィルタコ
ンデンサ７の低電圧を検知する回路である。

【００２４】以上の構成における動作を説明する。商用
交流入力が入力端１，２間に印加されると、整流ブリッ
ジ３によって両波整流されフィルタ用インダクタ６を介
してフィルタコンデンサ７を充電する。フィルタコンデ
ンサ７を電圧源として共振負荷（共振コンデンサ８，誘
導加熱用励磁コイル９）に電力を供給すべく接続された
スイッチング素子（ＦＥＴ）１０がオン／オフする。こ
のように構成された回路で通常の電力供給している時の
波形を図２に示す。

【００２５】図２において、時刻ｔ２以降はスイッチン
グ状態にあり、負荷電力を供給しているため、フィルタ
インダクタンス６，コンデンサ７はダンピングされて、
フィルタコンデンサ７の両端波形は、商用交流入力電圧
とほぼ相似な波形を保つ。ところが、プリンタがスタン
バイ状態となった場合、通常省エネの観点から定着ユニ
ットの電力をカットオフするために、スイッチング素子
１０をオフ状態にする。

【００２６】スイッチング素子１０がオフされると、フ
ィルタ回路６，７の負荷が零となり、結果的にフィルタ
コンデンサ７の端子には商用交流入力電圧のピーク電圧
（実効値×１．４１）が充電され図２の時刻ｔ１以前に
示すように常に放電されることなく残存する。

【００２７】また一方回路構成からも分かるように励磁
コイル９に接続された共振コンデンサ８も時間経過と共
に、励磁コイル９によって放電され、電荷零即ち零Ｖに
なっている。

【００２８】この状態から、起動信号が制御回路１８に
入力され突然スイッチング素子１０のゲートにスイッチ
ングパルスを供給すると、初期電荷が零の共振コンデン
サ８に、ピーク充電されたフィルタコンデンサ７の電圧
源化された電圧がステップ電圧として印加されるため非
線型な過大電流が共振コンデンサ８を介してスイッチン
グ素子１０に流れ、この過大電流によってスイッチング
素子１０の安全動作領域を逸脱して破壊に至る。

【００２９】本実施例では前述の破壊を避けるため、起
動時において、以下のシーケンスにより起動させる。

【００３０】起動信号を受けた後フォトカプラ１４を
導通させ制御トランジスタ１５のベースに脈流電圧を供
給する。

【００３１】フィルタコンデンサ７の両端電圧の低下
信号をフォトカプラ２１から得た直後、スイッチングパ
ルスをスイッチング素子１０のゲートに供給する。

【００３２】このシーケンスによって図３に示したごと
く起動時にスイッチング素子１０に過大電流が流れるこ
となく、安全にスムーズに起動する。

【００３３】以上の動作を詳細に説明する。

【００３４】商用交流入力端１，２に接続された整流ダ
イオード４，５から、抵抗１１を介して両波整流電圧が
コンデンサ１３に供給される。コンデンサ１３に並列に
抵抗１２が接続され、コンデンサ１３の電荷は常時放電
される。これにより、コンデンサ１３の両端には、入力
交流の両波整流波形が発生している。

【００３５】前記に示すようにフォトカプラ１４が導
通すると、トランジスタ１５のベースにはベース抵抗１
７を介してコンデンサ１３の前記両波整流波形が印加さ
れる。このためトランジスタ１５は過大電流を流すこと
なくフィルタコンデンサ７を放電し、フィルタコンデン
サ７の電圧は図２の時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、両波
整流ブリッジの出力、即ち入力交流の両波整流波形に沿
って低下する。

【００３６】フィルタコンデンサ７の両端電圧が零近く
まで低下する、即ち入力交流のゼロクロス点（時刻ｔ
２）近くになると、フォトカプラ２１がオフし、制御回
路１８にフィルタコンデンサ７の低電圧が検知され、前
記に示すように、制御回路１８からスイッチングパル
ス信号がスイッチング素子１０のゲートに供給され、ス
イッチング動作が開始される。

【００３７】このように、フィルタコンデンサ７の電圧
が充分低下した状態からスイッチング素子１０がスイッ
チング動作を開始するので、図３に示すように共振コン
デンサ８の電圧が零であってもスイッチング素子１０に
過大電流は流れることがなく、装置は安全にスムーズに
起動する。

【００３８】その後、定着ユニットからの温度情報が制
御回路１８内の基準温度情報と比較され、この比較結果
に応じてスイッチング素子１０のスイッチング動作がオ
ン／オフ制御、即ち間欠制御され、不図示の定着ローラ
の温度は所望の値に制御される。

【００３９】（実施例２）図４は、実施例２である“誘
導加熱用電源装置”の回路図である。

【００４０】本実施例は、実施例１と同様に、スイッチ
ング素子のスイッチング動作に先だって、フィルタコン
デンサの電圧を低減するものであるが、この低減の仕方
が実施例１と異なる。

【００４１】以下実施例１の説明との重複を避け、異な
る点に重点をおいて説明する。

【００４２】図４において、１，２は商用交流入力端、
４１は商用交流入力端１と両波整流ブリッジ３間に接続
されたトライアック、４２は商用交流入力端１とトライ
アック４１のゲート間に接続されたフォトトライアッ
ク、４３はゲート抵抗、４４はフィルタコンデンサ７に
並列接続された高抵抗値の抵抗、４５は制御回路であ
る。

【００４３】本実施例では、スイッチング素子１０の破
壊を避けるため、以下のシーケンスで起動させる。

【００４４】スイッチング素子のゲートにスイッチン
グパルスを供給する。

【００４５】起動信号に同期して入力部に設けたフォ
トトライアックを導通させてトライアックをゼロクロス
オンさせる。

【００４６】このシーケンスにより、図３に示すごとく
起動時にスイッチング素子１０に過大電流が流れること
なく、安全にスムーズに起動する。

【００４７】以上の動作を詳細に説明する。

【００４８】制御回路４５が起動信号を受けていない場
合、制御回路４５はフォトトライアック４２に信号を供
給せず、トライアック４１，４２はオフで、フィルタコ
ンデンサ７の電圧は、抵抗４４で放電され、零電圧に近
い低電圧にある。制御回路４５が起動信号を受けると、
制御回路４５はスイッチング素子１０のゲートにスイッ
チングパルスを供給し、またフォトトライアック４２に
信号を供給する。フォトトライアック４２は商用交流入
力のゼロクロスを検知し、トライアック４１のゲートに
ゲート信号を供給し、トライアック４１はゼロクロスオ
ンし、図３に示すように、フィルタコンデンサ７は両波
整流ブリッジ３により整流波形で充電され、スイッチン
グ素子１０のスイッチング動作が安全にスムーズに開始
される。その後、定着ユニットからの温度情報が制御回
路４５内の基準温度情報と比較され、この比較結果に応
じてスイッチング素子１０のスイッチング動作が間欠制
御され、定着ローラの温度は所望の値に制御される。

【００４９】なお起動の際、スイッチング素子１０への
スイッチングパルスの供給開始は、フォトトライアック
４２への信号の供給開始と同時或はそれ以前とすれば良
い。

【００５０】本実施例の構成では、回路の規模が簡素に
構成でき、タイミングを考慮することなく動作させれる
特徴がある。但し、大電力を取り扱う際には交流電源に
直列接続されたトライアックの電圧降下による損失を考
慮してこの形態をとるか否かを決定すべきである。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
装置を安全にスムーズに起動させることができる。ま
た、スイッチング素子の負担が軽減できるので、スイッ
チング素子の選択幅を拡大することができる。

【００５２】また、一般に電圧共振型コンバータは制御
幅が狭いという問題があるが、本発明によれば、スイッ
チング素子はゼロクロスオンするので電圧共振状態から
逸脱することなくスムーズに動作し、制御幅を増大でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の回路図

【図２】 動作説明図

【図３】 起動後の波形を示す図

【図４】 実施例２の回路図

【符号の説明】

１，２ 商用交流入力端 ３ 両波整流ブリッジ ７ フィルタコンデンサ ８ 共振コンデンサ ９ 定着ユニットの励磁コイル １０ スイッチング素子 １５ トランジスタ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力交流を整流する整流手段と、この整
   流手段の出力側に接続されたフィルタコンデンサと、負
   荷のコイルと並列接続され共振回路を構成する共振コン
   デンサと、前記フィルタコンデンサ，前記共振コンデン
   サと直列接続されたスイッチング素子と、このスイッチ
   ング素子のスイッチング動作に先だって前記フィルタコ
   ンデンサの電圧を低減し、続いて前記入力交流のゼロク
   ロス付近から前記スイッチング動作を開始させる制御手
   段とを備えたことを特徴とする電圧共振型コンバータ。
2. 【請求項２】 入力交流を整流する整流手段と、この整
   流手段の出力側に接続されたフィルタコンデンサと、負
   荷の励磁コイルと並列接続され共振回路を構成する共振
   コンデンサと、前記フィルタコンデンサ，前記共振コン
   デンサと直列接続されたスイッチング素子と、このスイ
   ッチング素子のスイッチング動作に先だって前記フィル
   タコンデンサの電圧を低減し、続いて前記入力交流のゼ
   ロクロス付近から前記スイッチング動作を開始させる制
   御手段とを備えたことを特徴とする誘導加熱用電源装
   置。
3. 【請求項３】 制御手段は、スイッチング素子のスイッ
   チング動作に先だって、フィルタコンデンサの電圧を入
   力交流の電圧波形に相似させて低減するものであること
   を特徴とする請求項２記載の誘導加熱用電源装置。
4. 【請求項４】 制御手段は、スイッチング素子のスイッ
   チング動作に先だって入力交流をオフし、入力交流のゼ
   ロクロス付近でオンするものであることを特徴とする請
   求項２記載の誘導加熱用電源装置。
5. 【請求項５】 請求項２記載の誘導加熱用電源装置によ
   り定着ユニットの励磁コイルを付勢することを特徴とす
   る定着装置。
6. 【請求項６】 入力交流の整流電圧で充電されるフィル
   タコンデンサと共振コンデンサとスイッチング素子が直
   列接続された電圧共振型コンバータにおいて、前記スイ
   ッチング素子のスイッチング動作に先だって前記フィル
   タコンデンサの電圧を低減し、続いて前記入力交流のゼ
   ロクロス付近から前記スイッチング素子のスイッチング
   動作を開始させることを特徴とする電圧共振型コンバー
   タの起動方法。