KR100887268B1

KR100887268B1 - 승압 회로, 전원 장치 및 화상 형성 장치

Info

Publication number: KR100887268B1
Application number: KR1020070025475A
Authority: KR
Inventors: 야마시타 도모후미
Original assignee: 가부시키가이샤 리코
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2009-03-06
Also published as: US20070230987A1; EP1838138A1; CN101043768A; KR20070095199A; CN101043768B; JP5026826B2; EP1838138B1; US8809752B2; JP2008103307A

Abstract

본 발명은 전자(電磁) 유도 가열 시의 스위칭 손실을 감소시키고 파고 (波高) 값을 향상시킴으로써 가열 시간을 단축시킬 수 있도록 한다.

입력된 직류 전압을 소정의 전압으로 승압하여 부하 측으로 전자 유도하는 인덕턴스 성분 및 용량 성분과 전자 스위치를 이용한 전압 공진 수단으로 구성되는 전기 소자와, 가열 속도를 용이하게 가속시킬 수 있는 승압 기능을 구비한 가열 코일을 포함하여 이루어진다.

전자 유도 가열 장치, 정류 회로, 인버터 회로, IGBT, IH 제어부　　

Description

승압 회로, 전원 장치 및 화상 형성 장치 {BOOSTER CIRCUIT, POWER-SUPPLY UNIT, AND IMAGE FORMING APPARATUS USING THE SAME}

도 1은 IGBT의 회로 구성을 나타내는 도면.

도 2는 전자 유도 가열 구동 시 IGBT로 1200 W의 전력을 입력하였을 때의 IGBT 각 단자의 출력 파형을 나타내는 도면.

도 3a 내지 도 3c는 전자 유도 가열 구동 시의 IGBT 각 단자의 출력 파형을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 참고용인 일반적인 전자 유도 가열 시스템의 기능 구성을 나타내는 블록도.

도 5는 본 발명의 전제가 되는 전자 유도 가열 장치의 기능 구성을 나타내는 블록도.

도 6은 전자 유도 가열의 원리를 설명하기 위한 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예인 전자 사진 방식의 화상 형성 장치의 구성을 개념적으로 나타내는 단면도.

도 8은 도 7에 나타낸 전자 유도 가열 장치(1B)의 내부 구성을 나타내는 회로도.

도 9a 및 도 9b는 복수개의 코일을 화동 접속(和動接續 :cumulative connection)한 가열 코일의 회로도.

도 10a 및 도 10b는 LC 공진 회로에서의 임피던스(impedance)와 Q의 변화예를 나타내는 파형도.

도 11 내지 도 13은 본 발명의 참고 기술인 가열 코일의 구성을 나타내는 도면.

도 14는 복수개의 코일을 화동 접속하여 구성한 가열 코일의 일례를 나타내는 회로도.

도 15는 도 14에 나타낸 가열 코일을 사용하여 전자 유도 가열하기 위한 회로의 일 구성예를 나타내는 회로도.

도 16은 도 14에 나타낸 가열 코일을 사용하여 전자 유도 가열하기 위한 회로의 다른 구성예를 나타내는 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1A, 1B： 전자 유도 가열 장치　　

2： 정류 회로　　

3A, 3B： 인버터 회로　　

4： 상용 전원　　

5： IGBT　　

6： IH 제어부　　

7： 드라이브 회로　　

11： 판독 유닛　　

12： 화상 형성부　　

13： ADF　　

14： 원고 용지 받이　　

15~18： 용지 공급 카세트　　

19： 용지 공급부　　

20： 용지 받이　　

21： 원고대　　

22： 픽업 롤러　　

23： 원고 이송 벨트　　

24： 접촉 유리　　

25： 판독 장치　　

26： 광원　　

27： 광학계　　

28： 광전 변환 소자　　

30： 감광체　　

31： 대전 장치　　

32： 기록 유닛　　

33： 현상 장치　　

34： 전사 장치　　

35： 클리닝 장치　　

36： 정착 장치　　

37： 배출 롤러쌍　　

40, 40a： 정착 롤러　　

41： 가압 롤러

본 발명은 피가열체를 전자 유도 가열(Induction　Heating：IH)에 의해 가열하는 전자 유도 가열 수단으로 공급하는 전압을 승압시키는 승압 회로와, 그 승압 회로를 구비한 전원 장치 및 그 전원 장치를 구비한, 용지에 전사된 현상제 화상을 정착시키는 전자 사진 정착 장치를 구비한 프린터, 복사기, 팩시밀리 장치, 이들의 복합기를 포함한 화상 형성 장치에 관한 것이다.

종래, 상용 교류 전압에 의해 구동되고, 번개 등 서지 전압, 순간적인 정전, 전압 저하, 또는 상승 등이 발생한 경우에도 파괴되지 않도록 한 전자 유도 가열 장치(예컨대, 일본 특허 공개 공보 2004－266890호 참조)가 있었다.

이와 같은 전자 유도 가열 장치(IH 장치)의 전압 공진 회로에서는 Q 배의 전압을 발생시킨다.

상기 선질 계수(Quality　factor：Q)는 전압 공진 회로의 우수성을 나타내는 기준으로 이용되고 있고, 전압 공진 회로의 주파수를 ω₀, 코일의 인덕턴스를 L, 콘덴서의 정전 용량을 C, 이들의 등가 저항의 저항값을 R로 하면, Q는 아래의 (ㄱ),(ㄴ) 각 식의 연산 처리에 의해 구해진다.

(ㄱ) Q = ω₀L/R

(ㄴ) Q = 1/R·1/ω₀C

예컨대, 직렬 공진 시에 있어서, 코일 또는 콘덴서의 전압은 전원 전압의 Q 배가 된다.

한편, 비교적 큰 전력의 스위칭을 수행하는 전자 스위치로서 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(Insulated　Gate　Bipolar　Transistor： IGBT)가 많이 사용된다.

도 1은 IGBT의 회로 구성을 나타내는 도면이며, 도 2는 전자 유도 가열 구동 시에 IGBT로 1200 W의 전력을 입력하였을 때의 IGBT의 각 단자의 출력 파형을 나타내는 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, IGBT는 MOS형 FET(Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor：MOSFET)(110)를 게이트부에 마련한 쌍극 트랜지스터이며, 게이트 단자(G)와 이미터 단자(E) 간의 전압으로 구동되고, 입력 신호에 따라 온, 오프될 수 있는 자기(自己) 소호(消弧: arc-suppressing)형이며, 대전력 스위칭이 가능한 반도체 소자이다.

입력 전압(111)에 대하여, 도 2에 나타낸 바와 같이, 게이트 단자(G)의 전압(112)과 컬렉터 단자(C)의 전압(113)이 변화한다.

그러나, IGBT는 FET와 비교하면 비교적 큰 전력을 스위칭할 수 있지만, 스 위칭 속도는 비교적 늦다.

예컨대, 화상 형성 장치에서의 화상 정착에 전자 유도 가열(IH)을 이용하는 경우, 내압 1000 V, 전류 60 A의 대전류 스위칭을 수행하기 때문에, 통상의 스위칭 전원으로 이용되는 전계 효과 트랜지스터(Field　Effect　Transistor：FET)로서는 불가능한 대전력 스위칭으로 된다.

따라서, 상기 IGBT가 많이 이용된다.

종래의 전자 유도 가열 장치에서 가열 시간을 단축하는 방법으로서 전자 유도의 유도 기전력을 높이는 방법이 있다. 그 방법 중 하나에 공진 전압을 높게 하는 방법이 있다.

종래의 전자 유도 가열 장치의 전자 유도 가열을 위한 코일 구성에서는 공진 전압을 높이기 위하여 인덕턴스 성분 또는 콘덴서 성분을 변화시키는 것에 의해서만, 공진 전압의 파고값[(공진 파고값)이라 함]을 변화시킬 수 있다.

그런데, 공진 파고값을 높이려면 공진 시간을 짧게 하면 되지만, 전자 유도 가열에 이용되는 전자 스위치의 IGBT는 스위칭 속도의 상한에 한계가 있어 신속하게 스위칭할 수 없다는 문제가 있었다.

또, 스위칭 속도를 무리하게 빠르게 하면 스위칭 손실이 커진다는 문제가 있었다.

또한, 공진 파고값, 즉 Q의 값을 높이는 것은 파형의 선예도가 높아져 약간의 주파수 변화에도 Q가 변화하므로 제어가 어려워진다는 문제가 있었다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 전자 유도 가열 구동 시의 IGBT의 각 단자의 출력 파형을 나타내는 도면이다.

도 3a는 공진 기간이 길어 공진이 실현되지 않은 상태이며, 중첩 부분에서 노이즈가 발생하여 손실이 큰 경우의 파형예이다.

도 3b는 공진이 실현된 상태이고, 효율적으로 구동하는 경우의 파형예이다.

도 3c는 공진은 실현되었지만 공진 기간이 짧은 상태이며, 공진 기간이 짧고 파형의 선예도가 높아 제어가 어렵다. 또, 코일에 큰 전압이 걸림으로써 발열하여 손실이 크며, IGBT의 보디 다이오드에 흘러 전류 손실이 큰 경우의 파형예이다.

이와 같이, 종래의 전류 유도 가열 장치에 있어서, 유도 기전력을 높여 가열 속도를 가속시키기 위하여 Q의 값을 높게 하면, 공진 파형의 선예도가 높아져 제어가 어려워진다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 전자 유도 가열 시의 스위칭 손실을 줄이고, 또한 공진 파고값을 높게 하여 피가열체의 가열 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 아래의 (1)~(7)에 기재된 승압 회로와 전원 장치와 화상 형성 장치를 제공한다.

(1) 직류 전압으로부터 유사 고주파 교류 전압을 생성하는 스위치와, 상기 교류 전압 인가로 인한 전류 변화에 따라 발생한 자력선에 근거하여 피가열체를 전자 유도 가열하는 제1 코일과, 상기 제1 코일과 화동(和動) 접속(상호 유도 결합)된 제2 코일과, 상기 스위치에 대하여 상기 제1 코일 및 제2 코일과 병렬로 접속된 콘덴서를 구비하는 것을 특징으로 하는 승압 회로.

(2) 상기 스위치는 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 승압 회로.

(3) 상기 제1 코일 및 제2 코일의 인덕턴스 차이를 수정하는 제어부를 추가로 마련한 것을 특징으로 하는 승압 회로.

(4) 상기 스위치를 상기 제1 코일 및 제2 코일과, 상기 콘덴서의 공진 주파수 근처의 주파수로 전환하는 수단을 마련한 것을 특징으로 하는 승압 회로.

(5) 직류 전압을 발생하는 직류 전압원과, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 승압 회로를 구비하고, 상기 전압원에서 발생한 직류 전압을 상기 승압 회로에 입력하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.

(6) 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류회로와, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 승압 회로를 구비하고, 상기 정류회로에서 정류한 직류 전압을 상기 승압 회로에 입력하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.

(7) 기록 매체 상의 토너상을 상기 기록 매체에 정착하는 정착 롤러와, 상기 (5) 또는 (6)에 기재된 전원 장치를 구비하고, 상기 피가열체는 상기 정착 롤러인 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.

실시예

이하, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 예를 도면에 근거하여 구체적으로 설명한다.

우선, 본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 일반적인 전자 유도 가열 시스템에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 참고가 되는 일반적인 전자 유도 가열 시스템의 기능 구성을 나타내는 블록도이다.

이 전자 유도 가열 시스템(90)은 IH 쿠킹 히터이다. IH 쿠킹 히터의 톱 플레이트(도시 생략) 아래에는 가열 코일(94)이 있고, 그 가열 코일(94)에 의해 피가열체인 냄비(여기에서는 철, 알루미늄, 스테인리스 등 재료로 제조된 냄비)(95)를 전자 유도 가열시켜 물을 끓이는 경우에 대하여 설명한다.

전자 유도 가열 시스템(90)의 전원을 ON으로 하면, 톱 플레이트 아래의 가열 코일(94)에 교류 전류가 흐른다. 이 교류 전류는 유사 고주파이며, 대체로 20 KHZ 내지 수십 KHZ 이다.

이 유사 고주파는 인버터 전원인 고주파 인버터(93)에 의해 상용 주파수 60 Hz 또는 50 Hz의 AC100V의 상용 전원(91)으로부터 공급되는 교류 전류를 정류기(92)에 의해 정류함으로써 직류 전류를 형성하여 고주파 인버터(93)에 공급한다.

고주파 인버터(93)는 직류 전류로부터 고주파 교류 전류를 형성하여 가열 코일(94)에 흘린다. 가열 코일(94)에 전류가 흐르면, 이에 따라 가열 코일(94)을 둘러싸듯이 자력선이 발생한다. 그 자력선에 의해 가열 코일(94) 근처의 냄비(95)에는 맴돌이 전류로 불리는 전류가 흐른다. 또한, 직류에서 맴돌이 전류는 전원 ON 시의 일순간 밖에 발생하지 않는다.

상기 맴돌이 전류는 줄열 손실이다. 그 외에는 히스테리시스 손실도 있지만, 무시할 수 있는 레벨이다. 또, 가열 코일(94)의 전류와 반대 방향의 맴돌이 전류도 발생한다.

이와 같이 피가열체인 냄비(95) 바닥에 발생한 맴돌이 전류에 의해 냄비 바닥 자체가 발열한다. 이것이 직접 가열로 불리는 이유이다. 그 때의 발열량은 다음 식에 근거하여 구할 수 있다.

발열량 W = I² ×R (I：맴돌이 전류, R：냄비 바닥의 전기 저항율)

이 냄비 바닥의 자기 발열의 열이 냄비(95) 내의 물에 열 전달됨으로써, 냄비(95) 내의 물이 끓게 된다.

또, 상술한 바와 같은 전자 유도 가열 시스템은 최근에는 OA 기기에서도 채용되어, 예컨대, 복사기를 포함한 화상 형성 장치에서 종래에는 토너 정착 공정에 할로겐 히터 등이 채용되었지만, 상술한 바와 같은 전자 유도 가열 시스템을 사용함으로써, 세밀하게 온도 제어를 할 수 있어 온도 상승 시간 단축 등 에너지 절약에도 효과적이다.

도 5는 본 발명의 전제가 되는 전자 유도 가열 장치의 기능 구성을 나타내는 블록도이다.

이 전자 유도 가열 장치(1A)의 전자 유도 가열의 기본 동작에 대하여 설명한다.

(1) 상용 전원(4)의 AC 100V(상용 전압)를 정류 회로(2)에 의해 직접 정류 하여 DC 141V를 형성한다.

(2) DC 141V를 전자 유도 가열 제어부[IH 제어부(마이크로 컴퓨터 제어부)라고도 함](6)와 드라이브 회로(7)를 구비하는 인버터 회로(3A)에 의해 600 V0－p, 50 A0－p, 20 KHZ 내지 40 KHZ의 유사 고주파 전압으로 변환한다.

(3) 인버터 회로(3A)에는 대전력 스위칭을 수행할 수 있는 스위칭 소자 IGBT(5)를 이용한다.

(4) IH 제어부(6)가 드라이브 회로(7)를 통하여 IGBT(5)를 ON 하면, 가열 코일(L1)에 전류가 충전되고, OFF 되면 콘덴서(C1)에 전압이 충전된다.

(5) 상기 (4)의 동작은 전압 공진이다.

(6) 다이오드(D1)는 IGBT(5)의 보디 다이오드이다.

(7) IH 제어부(6)가 IH 제어를 실시하여 공진점 추종 제어와 전류 보호와 전압 보호를 수행한다.

다음에, 전자 유도 가열 현상에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.

도 6은 전자 유도 가열의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

(1) 코일(100)에 대하여 전원(101)으로부터 교류 전류를 공급하면, 코일(100) 중에 흐르는 코일 전류에 의해 자계가 발생한다.

(2) 코일(100)에 자계가 발생하면, 코일(100) 내의 피가열물인 금속 원주(102) 내에도 자계가 발생한다.

(3) 금속 원주(102) 내에는 이 자계를 제거하는 방향으로 전류[이것을 (맴돌이 전류)라 함]가 흐른다. 이 맴돌이 전류는 금속 원주(102)의 표면에 가까울 수 록 많이 흐른다(이와 같이, 고주파 전류가 도체를 흐를 때, 전류 밀도가 도체의 표면에서 높고 표면으로부터 멀어질수록 낮아지는 현상을 [표피(表皮) 효과]라 하며, 주파수가 높아질수록 전류가 표면에 집중하므로, 도체의 교류 저항은 높아진다).

(4) 맴돌이 전류와 금속 원주(102)의 전기 저항에 의해 줄열이 발생한다. 이 때, 금속 원주(102)의 표면에 가까울 수록 전류가 많이 흐르기 때문에 발열량도 많아진다.

(5) 금속 원주(102)는 표면으로부터 점차 승온하게 되지만, 동시에 방열도 시작된다.

(6) 금속 원주(102)의 중심부는 표면 근처에서 발생한 열이 전도됨으로써 표면보다 조금 늦게 가열되어 간다.

다음에, 본 발명에 따른 화상 형성 장치의 일 실시예를 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예인 전자 사진 방식의 화상 형성 장치의 구성을 개념적으로 나타내는 단면도이며, 본 발명에 따른 승압 장치와 전원 장치에 의한 전자 유도 가열을 이용한 정착 장치를 채용한다.

이 화상 형성 장치(10)는 주로 원고를 읽어내는 판독 유닛(11), 화상을 형성하는 화상 형성부(12), 자동 원고 이송 장치(ADF)(13), ADF(13)로부터 송출되는 원고를 적재하는 원고 받이(14), 용지 공급 카세트(15~18)를 구비하는 용지 공급부(19), 기록 용지를 적재하는 용지 배출부[용지 받이(20)]로 구성되어 있다.

그리고, ADF(13)의 원고대(21) 상에 원고(D)를 세트하고, 도시를 생략한 조작부에 대하여 예컨대, 유저가 프린트 키의 누름 조작을 하면, 최상위의 원고(D)가 픽업 롤러(22)의 회전에 따라 화살표 B1 방향으로 송출되고, 원고 이송 벨트(23)의 회전에 따라 판독 유닛(11)에 고정된 접촉 유리(24) 상으로 원고가 공급되어 정지한다.

접촉 유리(24) 상에 재치된 원고(D)의 화상은 화상 형성부(12)와 접촉 유리(24) 사이에 위치하는 판독 장치(25)에 의해 판독된다.

판독 장치(25)는 접촉 유리(24) 상의 원고(D)를 조명하는 광원(26), 원고 화상을 결상하는 광학계(27), CCD 등으로 이루어지는 광전 변환 소자(28) 등을 구비한다.

화상 판독 종료후, 원고(D)를 원고 이송 벨트(23)의 회전에 따라 화살표 B2 방향으로 이송하여 원고 받이(14) 상으로 배출한다.

이와 같이, 원고(D)를 1매씩 접촉 유리(14) 상으로 공급하고, 원고 화상을 판독 유닛(11)에 의해 판독한다.

한편, 화상 형성부(12)의 내부에는 상 담지체인 감광체(30)가 배치된다.

감광체(30)는 도면에서 시계 방향으로 회전 구동하고, 대전 장치(31)에 의해 표면이 소정의 전위로 대전된다.

또, 기록 유닛(32)으로부터 판독 장치(25)에 의해 읽어낸 화상 정보에 따라 광 변조한 레이저광(L)을 조사하고, 대전된 감광체(30)의 표면을 이 레이저광(L)으로 노광하여 감광체(30)의 표면에 정전 잠상을 형성한다.

이 정전 잠상은 현상 장치(33)에 의해 토너상으로 현상되어 대향하는 전사 장치(34)에 의해 감광체(30)와 전사 장치(34) 사이로 공급된 기록 매체(P)에 전사 된다. 토너상 전사 후의 감광체(30) 표면은 클리닝 장치(35)에 의해 클리닝된다.

화상 형성부(12)의 하부에 배치된 복수개의 용지 공급 카세트(15~18)에는 용지 등 기록 매체(P)가 수용되고, 용지 공급 카세트(15~18)로부터 기록 매체(P)를 화살표 B3 방향으로 송출하며, 그 기록 매체(P)의 표면에 위에서 설명한 바와 같이 감광체(30)의 표면에 형성된 토너상을 전사한다.

다음에, 기록 매체(P)를 화살표 B4로 나타낸 바와 같이, 화상 형성부(12) 내의 정착 장치(36)를 통하여 열과 압력의 작용에 의해 기록 매체(P) 표면에 전사된 토너상을 정착시킨다.

정착 장치(36)를 통과한 기록 매체(P)는 배출 롤러쌍 (37)에 의해 이송되어 화살표 B5로 나타낸 바와 같이 용지 받이(20)에 배출되어 적재된다.

상기 정착 장치(36)는 전자 유도 가열 장치(1)의 전자 유도에 의해 가열되는 발열 롤러의 정착 롤러(40)와, 정착 롤러(40)와 축선이 평행되도록 배치한 가압 롤러(41) 등으로 구성된다.

정착 롤러(40)는 예컨대, 철, 코발트, 니켈, 또는 이들의 합금을 포함한 금속제의 중공(中空) 원통형의 자성 금속 부재로 이루어지며, 저열 용량이면서 온도 상승이 빠른 구성으로 하는 것이 바람직하다.

또, 정착 롤러(40)는 예컨대, 자성 금속제의 심금에 내열성을 구비하는 실리콘 고무를 솔리드형 또는 발포형으로 피복하여 구성한다.

한편, 가압 롤러(41)는 예컨대, 열 전도성이 높은 동이나 알루미늄을 포함한 금속제 원통 부재로 이루어지는 심금 표면에 내열성을 구비하고 또한 토너 이형 성이 높은 탄성 부재를 마련하여 구성한다.

상기 심금으로서 스테인리스 스틸을 포함한 금속을 사용하면 좋다.

상술한 정착 롤러(40)와 가압 롤러(41)는 이들의 회전 시에 미정착 토너가 실린 기록 매체를 통과시켜 가압, 가열하는 접촉 부위인 닙부를 형성한다.

도 8은 도 7에 나타낸 전자 유도 가열 장치(1B)의 내부 구성을 나타내는 회로도이다.

이 전자 유도 가열 장치(1B)는 정류 회로(2)와 인버터 회로(3B)로 이루어지고, 정착 장치(36) 내에서 자기 결합 코일(ML)과 피가열체인 정착 롤러(40) 사이에 간격을 두고 배치되어 있다.

정류 회로(2)는 상용 전원(4)과 평활용 필터 코일(L2)과 노이즈 필터용 콘덴서(C)와 콘덴서(C2)와 전류 트랜스(CT) 등으로 구성된다.

상기 평활용 필터 코일(L2)과 콘덴서(C2)에 의해 LC 필터를 구성한다.

평활용 필터 코일(L2)과 콘덴서(C2)는 로우 패스 필터(low pass filter)를 구성한다.

이 정류 회로(2)는 상용 전원(4)인 100 V(50 HZ/60 HZ)의 교류 전압을 약 141 V의 직류(DC) 전압으로 변환하여 인버터 회로(3B)로 공급한다.

전류 트랜스(CT)는 상용 전원(4)의 전류를 검지하기 위한 것으로, 여기서 AC 100V의 전류를 검지하여 이상이 있으면 보호 회로를 동작시킨다.

인버터 회로(3B)는 전자 유도용 코일과 공진용 코일을 화동 접속하여 구성한 자기 결합 코일(ML)과, 공진용 콘덴서(C1)와, 스위칭 소자의 IGBT(5)와, 그 IGBT(5)의 보디 다이오드(내장 다이오드)(D1)를 구비하고, CPU, ROM 및 RAM 등으로 이루어지는 마이크로 컴퓨터에 의해 실현되는 전자 유도 가열 제어부(IH 제어부)(6)와 드라이브 회로(7)를 구비한다.

자기 결합 코일(ML)은 코일(La)과 코일(Lb)을 화동 접속하고, 코일(Lb)에 의한 가열용 코일과, 코일(La)과 코일(Lb)에 의한 공진용 코일의 두 역할을 겸하고 있다.

공진용 콘덴서(C1)는 IGBT(5)의 스위칭에 따른 공진 시의 에너지가 1/2Li＾2 = 1/2CV＾2(＾：누승, L：인덕턴스, i：전류, C：캐패시턴스, V：전압)로 된다.

IGBT(5)는 전자 유도용 코일에 유사 고주파 교류 전압을 인가시키는 상태와 공진용 콘덴서(C1)에 유사 고주파 교류 전압을 인가시키는 상태를 전환하는 스위치 수단이다.

IH 제어부(6)는 전자 결합 코일(L1)의 인덕턴스 차이를 수정하는 수단의 기능을 수행하고, IH 제어부(6)와 드라이브 회로(7)는 자기 결합 코일(ML)을 공진 상태로 하도록 IGBT(5)의 유사 고주파 값을 제어하는 수단의 기능을 수행한다.

IH 제어부(6)는 도시를 생략한 발진기(타이머)나 보호 회로 등이 포함되어 있고, IGBT(5)의 스위칭 타이밍에 맞추어 드라이브 회로(7)에 지시를 보낸다.

드라이브 회로(7)는 토템 폴 회로로 대표되는 회로이며, IH 제어부(6)로부터의 지시에 따라 IGBT(5) 스위칭의 ON, OFF를 전환시키는 구동을 제어한다.

이 인버터 회로(3B)는 정류 회로(2)로부터 공급되는 직류 전압을 IGBT(5)에 의해 유사 고주파화(예컨대, 20 KHZ ~ 60 KHZ)하고, IH 제어부(6) 및 드라이브 회 로(7)의 제어에 따라 IGBT(5)의 ON, OFF 스위칭을 전환하여 자기 결합 코일(ML)과 공진용 콘덴서(C1)에 유사 고주파를 공급하며, 자기 결합 코일(ML)의 자계 발생과 공진용 콘덴서(C1)의 공진에 의해 정착 롤러(40)를 전자 유도 가열한다.

도 8에 나타낸 자기 결합 코일(ML)과 공진용 콘덴서(C1)와 스위칭 소자의 IGBT(5)로 이루어지는 공진 회로 구성에 의해 정착 롤러(40)의 가열을 효율적으로 수행한다.

이 전자 유도 가열 장치(1B)는 IGBT(5)를 아래의 <수학식 1>에 나타내는 공진 주파수(f)의 근처에서 스위칭 동작시킴으로써, Q의 값이 바람직한 공진 동작을 수행하여 고효율 스위칭 동작을 수행하게 된다. 우선, IGBT(5)의 ON 시에는 자기 결합 코일(ML)에 코일 전류가 흐르고, OFF 시에는 공진용 콘덴서(C1)에 공진 전압이 인가된다.

그리고, 자기 결합 코일(ML)에 전류가 흐르면, 정착 롤러(40)에 맴돌이 전류가 흐르고, 그 맴돌이 전류와 정착 롤러(40)의 금속 저항에 의해 i＾2·R(R：저항)의 전력이 발생하고, 줄열이 발생하여 정착 롤러(40)가 가열된다.

이 전자 유도 가열 장치(1B)는 자기 결합 코일(ML)의 구성에 특징이 있다. 이 자기 결합 코일(ML)은 전압 공진용 코일과 정착 롤러(40) 가열용 코일의 양 기능을 겸비하고 있고, AC 100V를 정류 회로(2)에 의해 정류한 후의 평활용 필터 코 일(L2)과는 역할이 완전히 다른 것이다.

전자 유도 가열은 예컨대, AC 100V, 60 Hz/50 Hz에서도 가능하지만, 보다 빠르게 가열하려면 전압과 주파수를 높임으로써 실현된다.

예컨대, 입력 AC 100V, 60 HZ/50 HZ를 600－1000V₀ _－p, 20 KHZ에서 40 KHZ 정도의 출력으로 높인다.

그 때문에 인버터 회로(3B)를 마련하고 있다.

인버터 회로(3B)는 공진 겸 가열 코일인 자기 결합 코일(ML)과, 공진용 콘덴서(C1)로 이루어지는 전압 공진 회로[(LC 공진 회로)라 함]에 의해 정류 회로(2)의 직류 전압으로부터 Q 배의 공진 파형을 만들 수 있다.

본 실시예의 전자 유도 가열 장치(1B)에서는 비용적으로도 또한 공진 주파수나 Q에도 영향이 없는 승압 수단, 화동 접속을 사용한 코일 구성으로 하고 있다.

이와 같이 자기 결합 코일(ML)은 가열 코일과 공진 코일의 역할을 하고 있어 인덕턴스 값을 크게 변화시킬 수 없다.

이에, 인덕턴스 값을 변화시키지 않고 승압시켜 정착 롤러(40)의 맴돌이 전류를 증가시킴으로써, IGBT(5)의 스위칭 손실을 줄이고, 파고값을 높게 하여 가열 시간을 단축시킬 수 있다.

이와 같이, 전자 유도 가열 수단에 상기 코일 구성을 이용함으로써, 공진 주파수를 변경시키지 않고 용이하게 단시간 내에 효율 높게 피가열물을 가열할 수 있다.

다음에, 상술한 화동 접속을 사용한 가열용과 공진용의 양 기능을 겸한 코일에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 9a 및 도 9b는 복수개의 코일을 화동 접속한 가열 코일의 회로도이다.

도 9a는 상술한 화동 접속을 사용한 가열용과 공진용의 양 기능을 겸한 자기 결합 코일의 구성예이며, 도 9b는 종래의 가열 코일의 구성예이다.

도 9a에 나타낸 자기 결합 코일에 있어서, 발열량은 코일 1 턴(1회) 당의 유도 기전력으로 결정된다.

여기서, 도 9b에 나타내는 종래의 가열 코일에서는 e = 유도 기전력, N = 권수, L = 인덕턴스, φ = 자속, I = 전류로 하면, 유도 기전력 e = －N·Δφ／Δt, 유도 기전력 e = －L·ΔI/Δt, 인덕턴스 L = N·Δφ/ΔI로 되고, 유도 기전력 e는 권수 N와 인덕턴스 L에 비례한다.

따라서, 1회당의 유도 기전력을 높여 발열량을 증가시키고자 하면, 권수를 늘리면 되지만, 그렇게 하면 인덕턴스까지 변하게 된다.

종래의 전자 유도 가열 장치는 도 9b에 나타낸 바와 같은 가열 코일과 콘덴서의 공진 회로를 마련하여 구동하므로, 인덕턴스가 변화되면, 상기 <수학식 1>에 나타낸 바와 같이 주파수가 변동하게 된다. 그리고, 이 공진 주파수로부터 현저하게 변동되면 구동 효율이 현저하게 저하된다.

한편, 도 9a에 나타내는 자기 결합 코일에서는 M = 상호 인덕턴스, k = 결합 계수로 하면, 아래의 <수학식 2>에 나타내는 연산식과 e2 = －M·ΔI/Δt로부터 2개의 코일 La와 Lb로 정해지는 인덕턴스에 의해 유도 기전력이 권수에 관계없이 결 정되므로, 효율의 저하 없이 용이하게 유전 기전력을 제어할 수 있다.

또, 이와 같은 코일 구성으로 하면, 인덕턴스 값을 변경시키지 않고 La：Lb의 인덕턴스 비로 n 배 승압시킬 수 있어 유도 기전력을 높일 수 있다.

또한, 절연형 트랜스와 같이 구조가 복잡하게 되지 않기 때문에, 회로를 염가로 제조할 수 있다.

상술한 바와 같은 전자 유도 가열 장치(1B)에 의하면, 정착 롤러(40)를 목적하는 온도까지 급속히 가열하므로, 대개 Q = 5~7배 정도(1 전자 장치 구동의 경우)로 된다.

여기서, LC 공진 회로는 f₀ 근처에서 구동함으로써 고효율로 구동한다.

도 10a 및 도 10b는 LC 공진 회로의 임피던스와 Q의 변화예를 나타내는 파형도이다.

도 10a는 가열 코일의 임피던스(Z)를 나타내고, 도 10b는 Q(Quality　factor)를 나타낸다.

LC 공진 회로에서 일단 LC 정수를 결정하게 되면, 상기 <수학식 1> 으로부터 공진 주파수(f)가 정해지고 또한 구동 주파수가 정해진다. 또, 가열(에너지)은 전자속으로 정해진다. 또한, 전자속은 금속에서 흐르는 전류로 정해진다. 그리고, 전류는 IGBT의 V_ce0 _－p와 금속 저항값으로 정해진다.

여기서, 가열 코일의 참고 기술을 설명한다.

도 11 내지 도 13은 본 발명의 참고 기술인 가열 코일의 구성을 나타내는 도면이다.

도 11은 피가열체로서의 정착 롤러(40a)를 가열하는 가열 코일(50), IGBT(51, 52), 공진 콘덴서(53) 등으로 이루어지는 회로 구성을 나타내고, 도 12는 피가열체로서의 정착 롤러(40a)를 가열하는 가열 코일(60), IGBT(61~63), 다이오드(D2~D5), 공진 콘덴서(64) 등으로 이루어지는 회로 구성을 나타내며, 도 13은 피가열체로서의 정착 롤러(40a)를 가열하는 가열 코일(70), IGBT(71), 공진 콘덴서(72), 다이오드(D6)로 이루어지는 회로 구성을 나타낸다.

상술한 각 도면 중의 각 회로에 있어서, 각 가열 코일의 인덕턴스(L)를 크게 하거나, 또는 캐패시턴스(C)를 작게 하면 가열 코일의 금속 원주 내에 발생한 자계와 그 자계를 제거하는 방향으로 흐르는 맴돌이 전류에 의해 Q 값을 높일 수 있다.

그러나, 각 가열 코일 중에 흐르는 전류에 의해 발생한 자계에 의해 공진 주파수(f₀)도 변화한다. 그 때, IGBT의 한계 속도를 넘으면 스위칭 시의 전력 손실도 커진다.

또, Q를 높게 한다는 것은 공진 파형을 예리하게 제어하는 점에서 볼 때 아주 곤란한 것이다. 또, 주파수가 조금이라도 변하면 승압 비가 크게 변화하는 것도 우려된다.

또한, 가열 코일의 인덕턴스(L) 값을 증가시킨다는 것은 공간의 제한으로 인해 한계가 있다.

여기서, Q를 변경시키지 않고 공진 전압 V_ce0 _－p을 높게 하는 방법으로서 공진 전압에 DC 바이어스를 부여하여 공진 전압을 높이는 방법, 예컨대, 전기 이중층(二重層) 콘덴서 등을 이용한 것이 있다. 그러나, 전자 유도 가열 장치에 전력을 공급하는 전원 외에도 콘덴서에 대한 충전 및 방전을 위한 전원이 필요하게 되어 비용이 상승하게 된다.

도 14는 복수개의 코일을 화동 접속하여 구성한 가열 코일의 일례를 나타내는 회로도이며, 가열용 코일(Lc)과 평활용 필터 코일(Ld)을 화동 접속하여 이루어진다.

도 15는 도 14에 나타낸 가열 코일을 사용하여 전자 유도 가열하기 위한 회로의 일 구성예를 나타내는 회로도이다. 이것은 도 14에 나타낸 가열 코일(Lc)과 평활용 필터 코일(Ld)을 화동 접속하고, IGBT(80)를 마련하여 이루어지는 회로 구성이다.

도 16은 도 14에 나타낸 가열 코일을 사용하여 전자 유도 가열하기 위한 회로의 다른 구성예를 나타내는 회로도이다. 이것은 도 15에 나타낸 회로 구성에 공진 콘덴서(81)를 추가로 마련하여 이루어진 것이다.

도 15와 도 16에 각각 나타내는 회로에 있어서, L0 = Lc＋Ld＋2M로 하고, 아래의 <수학식 3> 에서 Ld의 권수를 1로 하면, Lc의 권수는 1/n, 이 경우, 결합 계수 M은 아래의 <수학식 4> 로부터 1/n이며, 따라서 Lc＋Ld＋2M = L0을 Ld의 권수 1로서 표현하면, (1/n)²＋1²＋2×1/n = (1＋1/n)²로 되고, Lc와 Ld의 값은 Ld = L0×1/(1＋1/n)², Lc = L0×1/(1＋1/n)²×(1/n)²로 구해진다.

이 코일 구성을 이용하면, 인덕턴스(L)의 값을 변경하지 않고 Lc：Ld의 인덕턴스 비로 n 배 승압시킬 수 있다.

본 발명에 따른 승압 회로와 전원 장치 및 이를 이용한 화상 형성 장치는 피가열체를 가열하는 장치 전반에 대하여 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 승압 회로와 전원 장치와 화상 형성 장치는 전자 유도 가열에서의 스위칭 손실을 줄이고, 또한 공진 파고값을 높게 하여 피가열체의 가열 시간을 단축할 수 있다.

Claims

직류 전압으로부터 유사 고주파 교류 전압을 생성하는 스위치와,

상기 교류 전압 인가로 인한 전류 변화에 따라 발생한 자력선에 근거하여 피가열체를 전자 유도 가열하는 제1 코일과,

상기 제1 코일과 상호 유도 결합된 제2 코일과,

상기 스위치에 대하여 상기 제1 코일 및 제2 코일과 병렬로 접속된 콘덴서를 구비하며,

상기 제1 코일과 상기 제2 코일에 의해 정해지는 상호 인덕턴스에 의해 유도 기전력이 제어되는 것을 특징으로 하는 승압 회로.
제1항에 있어서,

상기 스위치는 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는 승압 회로.
제1항에 있어서,

상기 제1 코일 및 제2 코일의 인덕턴스 차이를 수정하는 제어부를 추가로 마련한 것을 특징으로 하는 승압 회로.
제1항에 있어서,

상기 스위치를 상기 제1 코일 및 제2 코일과, 상기 콘덴서의 공진 주파수로 전환하는 수단을 마련한 것을 특징으로 하는 승압 회로.
직류 전압을 발생하는 직류 전압원과,

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 승압 회로를 구비하고,

상기 전압원에서 발생한 직류 전압을 상기 승압 회로에 입력하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류회로와,

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 승압 회로를 구비하고,

상기 정류회로에서 정류한 직류 전압을 상기 승압 회로에 입력하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
기록 매체 상의 토너상을 상기 기록 매체에 정착하는 정착 롤러와,

제5항에 기재된 전원 장치를 구비하고,

상기 피가열체는 상기 정착 롤러인 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
기록 매체 상의 토너상을 상기 기록 매체에 정착하는 정착 롤러와,

제6항에 기재된 전원 장치를 구비하고,

상기 피가열체는 상기 정착 롤러인 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.