KR20010060295A - 화상 형성 장치용 전원 디바이스, 및 이를 이용한 화상형성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 전압 공진 전원의 단점인 좁은 출력 제어 폭을 넓히고, 스위칭 제어 소자로서 큰 전류를 허용하는 저비용의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용할 경우, IGBT가 FET보다 더 큰 손실을 가짐으로 인한 제어시 스위칭 손실을 최소화하기 위하여 게이트 신호 파형을 최적화하는 전원 디바이스를 제공한다. 전압 공진 컨버터는 전원에 연결된 제1 IGBT(201), 상기 제1 IGBT(201)에 직렬 연결된 제1 공진 커패시터(204), 상기 제1 공진 커패시터(204)에 직렬 연결된 제2 IGBT(202), 상기 제1 공진 커패시터(204)와 상기 IGBT(202)사이의 노드와 전원사이에 연결된 여기된 코일(exciting coil)(18), 상기 IGBT(202)에 병렬 연결된 제2 공진 커패시터(205), 및 상기 IGBT(201, 202)에 각각 병렬 연결된 재생 다이오드(206, 207)를 포함한다. 상기 IGBTs(201, 202)로의 제어 신호는 신뢰성있는 스위칭 동작을 보장하기 위하여 절연된 구동 트랜스포머의 전송 전압(3)으로 부터 형상화된 파형에 의해 스위칭 타이밍 신호가 발생되도록 한다.

Description

화상 형성 장치용 전원 디바이스, 및 이를 이용한 화상 형성 장치{POWER SUPPLY DEVICE FOR IMAGE FORMING APPARATUS, AND IMAGE FORMING APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 전원 디바이스 및 이를 사용한 화상 형성 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 벨트 가열형 가열 디바이스, 화상 형성 장치로서 가열 디바이스를 구비한 전자사진 장치(electrophotographic apparatus) 또는 정전기적 기록 장치와 같은 화상 형성 장치에 바람직하게 사용될 수 있는 전원 디바이스, 및 이를 사용한 화상 형성 장치에 관한 것이다.

종래에는, 화상 형성 장치 등에 탑재된 화상 가열 디바이스가 존재한다. 설명의 편의를 위하여, 종래 기술은 복사기 또는 프린터와 같은 화상 형성 장치내에 탑재되어, 토너 화상을 인쇄 매체로 가열 및 정착(定着, fixing)시키는 화상 가열 디바이스를 예로 들것이다.

화상 형성 장치들은 전자 사진 공정, 정전기 전사 인쇄 공정, 및 자성 전사인쇄 공정과 같은 적절한 화상 형성 공정을 구비한 전사 방법 또는 직접 방법에 의해 인쇄 매체(전사 쉬트, 전자 팩스 쉬트, 정전기 전사 인쇄 용지, OHP 쉬트, 인쇄 용지, 포맷 용지 등)상에 형성 및 운반되는 타겟 화상 정보의 정착되지 않은 화상(토너 화상)을 인쇄 매체의 표면에 영원히 정착된 화상으로 가열 및 정착시키기 위한 정착 디바이스(fixing device)로서 가열된 롤러형 디바이스를 널리 사용한다. 최근에는 빠른 시작과 에너지 절약의 측면에서 벨트 가열형 디바이스가 상업적으로 사용가능하다. 또한, 전자기 유도 가열형 디바이스도 제안된다. 화상 형성 장치내의 다양한 정착 디바이스가 설명될 것이다.

(a) 가열된 롤러형 정착 디바이스

가열된 롤러형 정착 디바이스는 기본적으로 한쌍의 압착 롤러(urging roller), 즉, 정착 롤러(가열 롤러) 및 프레스 롤러로 구성된다. 한쌍의 롤러는 회전하고, 정착될 비정착 토너 화상(unfixed toner image)이 형성 및 운반되는 인쇄 매체가 롤러 쌍사이의 압착 부분으로서의 정착 닙 부분(fixing nip portion)에서 주입, 정착, 및 운반된다. 비정착 토너 화상은 정착 롤러의 열 및 정착 닙 부분에서의 가압에 의해 인쇄 매체의 표면에 융합 및 정착된다.

일반적으로, 정착 롤러는 기본 (코어 금속)으로서 알루미늄 공동 금속 롤러를 사용하고, 가열원으로서 할로겐 램프가 공동부에 삽입된다. 정착 롤러는 할로겐 램프에 의해 발생된 열로 가열되고, 외부 표면을 소정의 정착 온도에서 유지하도록 할로겐 램프의 전력을 제어함으로써 온도를 조정한다. 특히, 최대 4개 층의 토너 화상을 충분히 가열 및 융합하고 컬러를 혼합하는 성능을 가져야 하는 풀-컬러 화상을 형성하기 위한 화상 형성 장치의 정착 디바이스에서는 큰 열용량을 갖는 코어 금속을 포함하고, 상기 코어 금속은 토너 화상을 커버하고 균일하게 융합하기 위한 탄성 고무층으로 덮여있으며, 토너 화상은 탄성 고무층을 통해 가열된다. 또한, 압력 롤러도 가열원을 포함하고, 온도가 조절된다.

그러나, 가열 롤러형 정착 디바이스에서, 정착 디바이스의 가열원으로서의 역할을 하는 할로겐 램프를 동시에 구동하기 위하여 화상 형성 장치의 전원이 켜지더라도, 정착 롤러의 열용량이 크기 때문에, 롤러 등을 낮은 온도 상태로 부터 소정의 정착 가능한 온도로 가열하는데에는 긴 시간이 필요하며, 이것은 빠른 시작을 방해한다. 화상 형성 장치의 대기 상태(화상이 출력되지 않는 상태)에서도 임의의 시간에 화상 형성 동작을 실행하기 위하여 정착 롤러를 소정의 온도-조정된 상태로 유지하도록 할로겐 램프가 구동되어 있어야 하나, 이것은 전력 소모량이 증가된다.

특히, 풀-컬러 화상 형성 장치의 정착 디바이스와 같이 큰 열용량을 갖는 정착 롤러를 사용하는 정착 디바이스에서는, 정착 롤러의 표면상의 온도 증가와 온도 조정사이에 지연이 발생한다. 이것은 정착 불량, 광택 불균일, 및 오프셋과 같은 문제를 발생시킨다.

(b) 필름 가열형 정착 디바이스

필름 가열형 정착 디바이스는 예를 들면, 일본 특개평 번호 63-313182, 2-157878, 4-44075, 및 4-204980에 개시되어 있다.

좀 더 구체적으로, 가열 부재로서 역할을 하는 세라믹 가열기와 가압 부재로서 역할을 하는 프레스 롤러사이의 열저항성 필름(정착 필름)을 정착함으로써 닙부분이 형성된다. 정착될 비정착 토너 화상이 형성 및 운반되는 인쇄 매체는 닙 부분에서 필름과 프레스 롤러사이에 주입되고, 필름과 함께 정착 및 운반된다. 닙 부분에서, 세라믹 가열기의 열은 필름을 통하여 인쇄 매체에 가해지고, 비정착 토너 화상은 닙 부분에 가해지는 압력에 의해 인쇄 매체의 표면에 융합 및 정착된다.

필름 가열형 정착 디바이스는 세라믹 가열기 및 필름과 같은 낮은 열용량 부재를 사용하여 주문형 장치를 구성할 수 있다. 화상 형성 장치가 화상 형성을 실행할 때에만, 가열원으로서의 세라믹 가열기는 소정의 정착 온도를 발생하도록 구동된다. 화상 형성 장치의 전력이 켜짐으로부터 화상 형성 가능한 상태까지의 대기 시간은 짧고(빠른 시작), 대기 상태에서의 전력 소모가 매우 적다(전력 절감). 그러나, 이러한 형태의 정착 디바이스는 풀-컬러 화상 형성 장치 또는 큰 열용량을 요구하는 고속 기계용 정착 디바이스로서의 열용량이 충분하지 않다.

(c) 전자기 유도 가열형 정착 디바이스

일본 실용신안개평제51-109739호는 자속으로 정착 롤러에 전류를 유도하고 주울 열에 의한 열을 발생시키는 유도 가열/정착 디아비스을 개시하고 있다. 정착 롤러는 유도 전류의 발생으로 인해 열을 직접 발생시킬 수 있고, 이러한 정착 디바이스는 열원으로서 할로겐 램프를 사용하는 가열 롤러형 정착 디바이스보다 높은 효율성으로 정착 공정을 수행할 수 있다.

그러나, 자계의 발생 수단으로서의 역할을 하는 여기된 코일(exciting coil)에 의해 발생되는 교호 플럭스(alternating flux)의 에너지가 전체 정착 롤러의 온도 상승에 사용되기 때문에, 열 발산 손실은 크고, 가해진 에너지에 대한 정착 에너지 밀도는 낮아서, 효율이 낮게 된다.

이러한 이유때문에, 열 발생 부재로서의 역할을 하는 정착 롤러 근처에 여기된 코일을 배치하거나 정착시 높은 밀도로 작용하는 에너지를 얻기 위하여 정착 닙 부분의 근처에 여기된 코일의 교호 플럭스의 분포를 집중시킴으로써 고효율 정착 디바이스가 고안된다.

고효율을 얻기 위하여 정착 닙 부분에 여기된 코일의 교호 플럭스의 분포를 집중시키는 전자기 유도 가열형 정착 디바이스의 개략적인 배치가 설명의 편의를 위해 본 발명의 실시예(이후에 설명될 예정임)에 사용된 도 3을 참조로 설명될 것이다.

도 3에서, 참조 번호 10은 전자기 유도 열 발생 층(전도층, 자성층, 및 저항층); 및 단면이 거의 아치형 그루브 형태인 필름 가이드(벨트 가이드) 부재 (16a, 및 16b)를 구비한 전자기 유도 열 발생 회전 부재로서의 역할을 하는 실린더형 정착 필름을 나타낸다. 실린더형 정착 필름(10)은 필름 가이드 부재(16a 및 16b)의 외부 표면에 느슨하게 맞추어져 있다. 여기된 코일(18) 및 E-형상의 자기 코어(코어 부재)(17) - 각각이 필름 가이드 부재(16a 및 16b) 안쪽에 배치됨 - 는 자계 발생 수단; 및 정착 필름(10)을 통해 필름 가이드 부재(16a 및 16b)의 낮은 표면과 함께 소정의 가압으로 소정의 폭을 구비한 정착 닙 부분(N)을 형성하고 필름 가이드 부재(16a 및 16b)에 대해 압착시키는 탄성 프레스 롤러(30)를 포함한다. 자계 발생 수단(15)의 자기 코어(17)는 정착 닙 부분(N)과 대응하도록 배치된다.

프레스 롤러(30)는 화살표로 표시된 반시계방향의 구동 수단(M)에 의해 회전된다. 회전력은 정착 필름(10)에 프레스 롤러(30)의 회전에 의해 발생되는 정착 필름(10)의 외부 표면과 프레스 롤러(30)사이의 마찰력으로 작용한다. 정착 필름(10)의 내부 표면이 정착 닙 부분(N)에서 필름 가이드 부재(16a 및 16b)의 낮은 표면과 밀접하게 접촉하여 활주하는 동안, 정착 필름(10)은 프레스 롤러(30)(프레스 롤러 구동 방법)의 회전 주변 속도에 실질적으로 대응하는 주변 속도로 화살표로 나타낸 시계방향의 필름 가이드 부재(16a 및 16b)의 외부 표면상에서 회전한다.

필름 가이드 부재(16a 및 16b)는 정착 닙 부분(N)을 가압하고, 자계 발생 수단(15)으로서의 역할을 하는 자기 코어(17) 및 여기된 코일(18)을 지지하며, 정착 필름(10)을 지지하고, 회전시 정착 필름(10)의 이동을 안정화시킨다. 필름 가이드 부재(16a 및 16b)는 자속이 투과하지 못하는 절연 부재이고, 무거운 중량을 견딜 수 있는 재료로 제작된다.

여기된 코일(18)은 여기된 전류(도시되지 않음)로부터 공급되는 교류에 의해 교호 플럭스를 발생시킨다. 교호 플럭스는 정착 닙 부분(N)의 위치에 대응하는 E-형태의 자기 코어(17)에 의해 정착 닙 부분(N)에 집중적으로 분포된다. 교호 플럭스는 정착 닙 부분(10)에서 정착 필름(10)의 전자기 유도 열 발생 층내에 에디 전류(eddy current)를 발생시킨다. 에디 전류는 전자기 유도 열 발생층의 고유 저항에 의해 전자기 유도 열 발생층내에 주울 열을 발생시킨다. 정착 필름(10)의 전자기 유도 열 발생은 교호 플럭스가 집중적으로 분포되는 정착 닙 부분(N)에 발생하고, 정착 닙 부분(N)은 고효율로 가열된다. 정착 닙 부분(N)의 온도는 온도 검출수단(도시되지 않음)을 포함하는 온도 조절 시스템에 의해 여기된 코일(18)로의 전류 공급을 제어함으로써 소정 온도을 유지하도록 조절된다.

프레스 롤러(30)가 회전함에 따라, 실린더형 정착 필름(10)은 필름 가이드 부재(16a 및 16b)의 외부 표면상에서 회전한다. 전력은 여기된 회로로부터 여기된 코일(18)로 공급되어 정착 필름(10)의 전자기 유도 열을 발생시킨다. 정착 닙 부분(N)의 온도는 소정의 온도로 상승하여 조절된다. 이 상태에서, 화상 형성 수단(도시되지 않음)으로 부터 이동되어 비정착 토너 화상을 갖는 인쇄 매체(P)는 마주보는, 즉, 정착 필름을 면하는 화상 표면을 구비한 정착 닙 부분(N)에서 정착 필름(10)과 프레스 롤러(30)사이로 주입된다. 화상 표면은 정착 닙 부분(10)에서 정착 필름(10)의 외부 표면과 밀접하게 접촉되고, 인쇄 매체(P)는 정착 닙 부분(N)에서 정착 필름(10)과 함께 클램프되어 이동된다.

인쇄 매체(P)가 정착 닙 부분(N)에서 정착 필름(10)과 함께 클램프되고 이동되는 동안, 인쇄 매체(P)는 정착 필름(10)의 전자기 유도에 의해 발생된 열에 의해 가열되어 인쇄 매체(P)상에 비정착 토너 화상(t)을 가열 및 정착시킨다. 인쇄 매체(P)가 정착 닙 부분(N)을 통과한 후, 인쇄 매체(P)는 회전하는 정착 필름(10)의외부 표면과 분리, 방출, 및 운반된다.

이러한 장치를 구비한 전자기 유도 가열 전원에 사용되는 인버터 회로는 대략 전류 공진형 전원 방법 및 전압 공진형 전원 방법으로 구분된다. 공진 방법은 스위칭시 발생되는 전압 또는 전류의 진동 상태를 확실하게 발생시키는데 사용되고, 전압 또는 전류중의 하나 또는 둘 다 낮은 경우, 비교적 높은 전력에서 전환스위칭 소자의 손실을 저감시키기 위하여 스위칭 소자를 스위칭시키는데 사용된다. 이러한 방법은 큰 전력에서 가장 효과적인 방법인 소프트 스위칭으로 불리워지며, 다양한 방법들이 제안된다.

도 16은 종래 기술로서의 전압 공진형 인버터 회로를 도시한다. 도 16에서, 참조 번호 202는 스위칭 소자; 203은 공진 코일(여기된 코일); 및 205는 공진 커패시터를 나타낸다. 기존의 전압 공진 인버터는 스위칭 소자(202)가 온되어 공진 커패시터(203)에 전력을 축적한 다음, 스위칭 소자를 오프시키고, 공진 코일(203) 및 공진 커패시터(205)의 상수에 의해 결정되는 싸이클에서 공진 아크를 발생시키는 동안 전압은 진동하기 시작한다. 이러한 시간의 상태가 도 17a, 17b, 및 17c에 도시되어 있다.

도 18a 내지 18c는 출력을 좁히기 위하여 게이트 스위칭 신호의 온(ON) 진폭을 감소시킴으로써 전력 전환 동작이 이루어지는 경우의 동작 파형을 도시한다. 출력을 감소시킬 때 스위칭 소자(202)의 전압 파형은 공진 코일(203)의 터미널에 연결된 전원 전압(파선으로 레벨이 표시됨)을 기준으로 공진 및 감쇄되는 사인파를 발생시킨다. 전압의 진동폭은 공진 코일(여기된 코일)(203)에 축적된 여기된 전력, 즉, 스위칭 소자(202)의 온 진폭에 의존한다. 전력 절감시, 진동폭은 작고, 전압은 전원 전압 레벨에서 만족스러울 정도로 낮아지지 못하고 어떠한 제로-교차 점(zero-crossing point)도 얻어지지 않는다.

좀 더 구체적으로, 스위칭 소자(202)는 전원선을 통해 공진 커패시터(205)의 매우 낮은 임피던스의 부하를 스위치하고 스위칭-온 동작시 과도 전류(excessivecurrent)가 흐른다. 이러한 과도 전류가 스위칭 소자(202)를 파괴시키지 않는 범위는 전압 공진 전원의 최대 출력의 약 1/3까지만 낮아질 수 있다. 이것은 설계를 어렵게 만든다.

그러나, 상술한 종래 기술은 다른 문제를 가지고 있다. 즉, 화상 형성 장치내에 탑재된 정착/가열 디바이스에 사용되는 전력 제어 영역의 요구되는 폭의 주류는 1100W 내지 150W이다. 본 출원에서 제안된 간단한 장치로 실현가능한 유도 가열 전원으로서의 전류 공진 방법 및 전압 공진 방법이 보다 대중적이다.

그러나, 종래의 전압 공진 방법내의 전력 제어는 단지 전력을 최대 출력의 약 1/3까지만, 즉, 상기 예에서 350W까지 좁일 수 있다. 전력이 더 이상 좁혀지지 않는다면, 전력은 전압 공진 상태로부터 벗어나고, 스위칭 소자를 통해 큰 전류가 흘러 스위칭 소자를 파괴시킨다.

화상 형성 장치내의 이러한 전원을 사용하여 정착 제어가 이루어 진다면, 계속 인쇄시 온도 포화 상태의 350W에서 전력이 초과되어 회로가 간헐적으로 동작한다.

이러한 간헐적인 동작 제어는 불안정한 온도 동작을 유발한다. 또한, 전압 공진 회로는 공진 커패시터와 코일의 병렬 회로의 부하에 놓여 있어서, 활성화시 과도 전류가 흘러 스위칭 소자에 스트레스를 가한다.

본 발명은 상기 상황을 고려하여 이루어 졌으며, 종래의 전압 공진 전원의 단점인 좁은 출력 제어 진폭을 확장시킬 수 있고, 제어시 스위칭 손실을 최소화하기 위하여 게이트 신호 파형을 최적화 - 스위칭 소자로서, 큰 전류를 허용하나 FET보다 더 큰 손실을 가지는 낮은 가격의 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, Insulated Gate Bipolar Transistor)를 채용하는 경우 특히 적당함 - 할 수 있는 전압 공진 방법 및 전원 디바이스를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화상 형성 장치용 전원 디바이스는 전원에 연결된 제1 IGBT, 상기 제1 IGBT에 직렬로 연결된 제1 전기 축적 수단, 상기 제1 전기 축적 수단에 직렬로 연결된 제2 IGBT, 상기 제1 전기 축적 수단과 상기 제2 IGBT사이의 노드와 전원 사이에 연결된 자계 발생 수단, 상기 제2 IGBT에 병렬 연결된 제2 전기 축적 수단, 상기 제1 IGBT에 병렬 연결된 제1 정류 수단, 상기 제2 IGBT에 병렬 연결된 제2 정류 수단을 구비한 전압 공진 전환 수단, 및 절연 트랜스포머(insulated transformer)의 출력 단자를 통하여 전송된 전송 전압의 파형을 형성하고, 상기 전송 전압을 상기 제1 및 제2 IGBT를 구동하기 위한 구동 전압으로 출력하기 위한 절연 구동 회로 수단을 포함하고, 상기 절연 구동 회로 수단은 미리 설정된 임계 전압을 발생하기 위한 임계 전압 발생 수단, 상기 전송 전압이 떨어질때 상기 전송 전압이 상기 임계 전압보다 낮게되는 것을 검출하기 위한 검출 수단, 및 상기 검출에 응답하여 절연 트랜스포머의 출력 단자를 단락시키기 위한 제1 스위칭 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해 전원 디바이스는 교류 전원; 상기 교류 전원으로부터 발생되는 교류 전류를 정류하기 위한 정류기; 상기 교류 전원의 출력 전압을 검출하기 위한 검출 회로; 상기 정류기의 출력에 의해 스위칭되는 IGBT; 및상기 검출 회로에 의해 검출되는 전압에 기초하여 상기 정류기의 출력을 단락시키기 위한 스위칭 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부된 도면 - 유사한 참조 번호는 도면을 통해 동일하거나 유사한 부분을 나타냄 - 과 함께 기술되는 발명의 상세한 설명으로 부터 분명해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전원 디바이스의 장치를 도시한 회로도.

도 2는 본 발명의 전원 디바이스가 적용되는 화상 형성 장치의 설비를 도시한 도면.

도 3은 도 2에 도시된 화상 형성 장치내의 정착 디바이스(fixing device)의 주요 부분을 도시하는 단면도.

도 4는 도 2에 도시된 화상 형성 장치내의 정착 디바이스의 주요 부분을 도시하는 평면도.

도 5는 도 4의 종단면도.

도 6은 도 2에 도시된 화상 형성 장치내의 정착 디바이스의 벨트 가이드 부재(belt guide member), 여기된 코일(exciting coil) 등을 도시한 투시도.

도 7은 도 2에 도시된 화상 형성 장치내의 정착 디바이스의 정착 벨트 등에서 교호 플럭스(alternating flux)의 발생을 도시하는 예시적인 도면.

도 8은 도 2에 도시된 화상 형성 장치내의 안전 회로의 배치를 도시하는 회로도.

도 9는 도 2에 도시된 화상 형성 장치내의 정착 벨트(정착 필름)의 계층 구조를 도시하는 종단면도.

도 10은 열 발생층의 깊이와 전자기파의 강도사이의 관계를 도시하는 도면.

도 11은 도 2에 도시된 화상 형성 장치내의 정착 벨트(정착 필름)의 다른 계층 구조를 도시한 종단면도.

도 12는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 화상 형성 장치내의 전압 공진형 컨버터를 포함하는 유도 가열 제어 유닛의 전체 장치를 도시하는 블록도.

도 13a 내지 13i는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 형성 장치내의 전압 공진형 컨버터내의 동작 파형을 도시하는 파형 챠트.

도 14a 내지 14c는 본 발명의 제1 실시예와 비교될 종래의 전압 공진 컨버터내의 동작 파형을 도시하는 파형 챠트.

도 15a 내지 15i는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 형성 장치내의 전압 공진형 컨버터에서 전력이 좁혀질 경우 각각의 위치에서의 동작 파형을 도시하는 파형 챠트.

도 16은 종래 기술에 따른 전압 공진형 인버터 회로를 도시하는 회로도.

도 17a 내지 17c는 종래 기술에 따라 공진 코일 및 공진 커패시터의 상수에 의해 결정되는 싸이클내에서 공진 아크를 발생하는 동안 전압이 진동을 시작하는 경우의 파형을 도시하는 파형 챠트.

도 18a 내지 18c는 종래 기술에 따라 출력을 좁히기 위하여 게이트 스위칭신호의 온 폭(ON width)을 감소시킴으로써 전력 전환 동작이 이루어지는 경우의 파형을 도시하는 파형 챠트.

도 19a 내지 19f는 도 1의 회로내 소정의 위치에서의 파형 챠트.

도 20은 도 1의 회로를 좀 더 자세하게 설명하기 위한 회로도.

도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따라 절연 게이트 구동 회로의 장치를 도시하는 회로도.

도 22는 종래의 절연 반도체 구동 회로의 장치를 도시하는 회로도.

본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면에 따라 상세하게 설명될 것이다.

(제1 실시예)

(1) 화상 형성 장치

본 발명에 따른 전원 디바이스가 적용되는 화상 형성 장치의 일례가 설명될 것이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 형성 장치의 설비를 도시한 도면이다. 제1 실시예는 화상 형성 장치로서 전자사진 컬러 프린터를 예로 들 것이나 이것에 한정되는 것은 아니다. 화상 형성 장치는 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100), 감광 드럼(화상 캐리어)(101), 충전 디바이스(102), 4-컬러 현상 디바이스(104), 중간 전사 드럼(105), 전사 롤러(106), 클리너(107), 미러(109), 및 레이저 광학 박스(레이저 스캐너)(110)를 포함한다.

각 부분의 장치는 그 동작과 함께 자세하게 설명될 것이다. 감광 드럼(화상 캐리어)(101)은 유기 감광 재료 또는 비정질 실리콘 감광 재료로 제작되고, 화살표로 나타낸 것과 같이 반시계방향으로 소정의 공정 속도(주변 속도)로 회전한다.회전하는 동안, 감광 드럼(101)은 충전 롤러와 같은 충전 디바이스(102)에 의해 소정 전위의 소정 극성으로 균일하게 대전된다. 그 후, 감광 드럼(101)은 레이저 광학 박스(110)로부터의 레이저 빔 출력(103)에 의해 충전될 표면상에서 타겟 화상 형성의 스캐닝/노출 과정을 거친다. 레이저 광학 박스(110)는 화상 판독 디바이스와 같은 화상 신호 발생 디바이스(도시되지 않음)로부터의 타겟 화상 형성의 타임-시리즈 전기적 디지탈 화소 신호와 따라 변조된 레이저 빔(103)을 출력하고, 회전하는 동안 감광 드럼(101)의 표면을 스캐닝함으로써 노출된 타겟 화상 형성에 대응하는 정전기 잠상(latent image)을 형성한다. 미러(109)는 레이저 광학 박스(110)로부터 감광 드럼(101)상의 노출 위치로 레이저 빔을 굴절시킨다.

풀-컬러 화상을 위하여, 타겟 풀-컬러 화상의 제1 컬러-분리된 성분 화상, 예를 들면, 노란색 성분 화상이 스캐닝 및 노출에 의해 잠상으로 형성된다. 이러한 잠상은 4-컬러 현상 디바이스(104)의 노란색 현상 유닛(104Y)의 동작에 의해 노란색 토너 화상으로 현상된다. 노란색 토너 화상은 감광 드럼(101)과 중간 전사 드럼(105)사이의 접촉 위치(또는 근방 위치)로서의 역할을 하는 제1 전사 위치(T1)에서 중간 전사 드럼(105)의 표면으로 전사된다. 토너 화상이 중간 전사 드럼(105)의 표면으로 전사된 이후에, 전사 이후의 잔류하는 토너와 같은 부착된 잔류물을 클리너(107)로 제거함으로써 회전하는 감광 드럼(101)의 표면이 세척된다.

충전, 스캐닝/노출, 현상, 제1 전사, 및 클리닝의 공정 싸이클이 타겟 풀-컬러 화상의 제2 컬러-분리된 성분 화상(예를 들면, 자홍색 성분 화상; 자홍색 현상유닛(104M)이 동작함), 제3 컬러-분리된 성분 화상(예를 들면, 청색 성분 화상; 청색 현상 유닛(104C)이 동작함), 및 제4 컬러-분리된 성분 화상(예를 들면, 흑색 성분 화상; 흑색 현상 유닛(104BK)이 동작함)에 대해 순차적으로 실행된다. 결과적으로, 노란색 토너 화상, 자홍색 토너 화상, 청색 토너 화상 및 흑색 토너 화상, 즉, 4개 컬러 토너 화상 모두가 순차적으로 중간 전사 드럼(105)의 표면상에 이전 화상위에 전사되며, 그 결과 타겟 풀-컬러 화상에 대응하는 컬러 토너 화상이 합성 및 형성된다.

중간 전사 드럼(105)은 금속 드럼위에 중간-저항 탄성층 및 고-저항 표면층을 구비한다. 중간 전사 드럼(105)은 감광 드럼(101)근처 또는 접촉하여 감광 드럼(101)과 거의 동일한 주변 속도로 화살표로 나타낸 시계방향으로 회전한다. 바이어스 전위(bias potential)가 중간 전사 드럼(105)의 금속 드럼에 가해져서 감광 드럼(101)으로부터의 전위차를 이용하여 감광드럼(101)상의 토너 화상이 중간 전사 드럼(105)의 표면으로 전사된다.

회전하는 중간 전사 드럼(105)의 표면상에 합성 및 형성되는 컬러 토너 화상은 회전하는 중간 전사 드럼(105)과 전사 롤러사이의 콘택 닙 부분로서의 역할을 하는 제2 전사 부분(T2)에서 소정의 타이밍으로 용지 공급 부분(도시되지 않음)으로부터 제2 전사 부분(T2)으로 공급되는 인쇄 매체(P)로 전사된다. 전사 롤러(106)는 인쇄 매체(P)의 후면으로부터 토너의 표면으로 반대 극성의 전하량을 공급함으로써, 합성된 컬러 토너 화상을 동시에 중간 전사 드럼(105)으로 부터 인쇄 매체(P)로 순차적으로 전사한다. 제2 전사 부분(T2)을 통과한 인쇄 매체(P)는중간 전사 드럼(105)의 표면으로부터 분리되고, 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100) - 비정착 토너 화상이 가열 및 정착됨 - 로 주입된다. 그 후, 인쇄 매체(P)는 컬러 화상 인쇄로서 외부의 운반 트레이(도시되지 않음)로 방출된다. 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)는 조항 (2)에서 상세하게 설명될 것이다.

컬러 토너 화상이 인쇄 매체(P)로 전사된 이후에 회전 전사 드럼(105)은 클리너(107)로 전사이후의 토너 잔류물, 용지 먼지 등과 같은 부착된 잔류물을 제거함으로써 상기 방식으로 세척된다. 클리너(107)는 일반적으로 중간 전사 드럼(105)과 접촉되지 않은 채로 유지되고, 중간 전사 드럼(105)으로부터 인쇄 매체(P)로 컬러 토너 화상의 제2 전사 실행 공정동안에 중간 전사 드럼(105)과 접촉된다. 또한, 전사 롤러(106)는 일반적으로 중간 전사 드럼(105)과 접촉되지 않은 상태로 유지되고, 중간 전사 드럼(105)으로부터 인쇄 매체(P)로 컬러 토너 화상의 제2 전사 실행 공정동안에 인쇄 매체(P)를 통해 중간 전사 드럼(105)과 접촉된다.

제1 실시예의 화상 형성 장치는 흑백 화상과 같은 단색 컬러 화상의 인쇄 모드를 실행할 수 있다. 또한, 이러한 장치는 양면 화상 인쇄 모드 또는 다중 화상 인쇄 모드를 실행할 수 있다. 양면 인쇄 모드에서, 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)로부터 출력되어 한쪽 면에 화상을 구비한 인쇄 매체(P)는 재-순환 운반 기구(도시되지 않음)을 통해 뒤집어지고, 다시 다른 면상에 토너 화상이 정착되는 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)내로 주입되고, 양면 화상 인쇄물이 출력된다.

다중 화상 인쇄 모드에서, 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)로부터 출력되고 한쪽 면에 화상을 구비한 인쇄 매체(P)는 재-순환 운반 기구(도시되지 않음)를 통해 인쇄 매체(P)을 뒤집지 않고 다시 제2 전사 부분(T2)으로 공급된다. 제2 토너 화상이 제1 화상이 인쇄된 면상으로 전사된다. 인쇄 매체(P)는 다시 제2 토너 화상이 정착된 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)로 주입되고, 다중 화상 인쇄물이 출력된다.

(2) 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)

화상 형성 장치의 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)가 설명될 것이다. 제1 실시예의 정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)는 실린더형 전자기 유도 가열 발생 벨트를 사용하는 프레스 롤러 구동형/전자기 유도 가열형이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 형성 장치내의 정착 디바이스의 주요 부분을 도시하는 단면도이고, 도 4는 정착 디바이스의 주요 부분을 도시하는 평면도이고, 도 5는 정착 디바이스의 주요 부분을 도시하는 종단면도이다.

정착 디바이스(화상 가열 디바이스)(100)의 개별적인 부분의 장치가 상세히 설명될 것이다. 자속 발생 수단은 자기 코어(17a, 17b, 및 17c) 및 여기된 코일(18)로 이루어진다. 자기 코어(17a, 17b, 및 17c)는 고투자율 재료, 바람직하게는 트랜스포머의 코어에 사용되는 퍼말로이(permalloy) 또는 페라이트(ferrite)와 같은 재료, 좀 더 바람직하게는 100kHz 이상에서도 거의 손실을 보이지 않는 페라이트로 제작된다. 여기된 코일(18)에서, 공급 부분(18a 및 18b)이 여기된 회로(27)(도 6을 참조)로 연결된다. 여기된 회로(27)는 스위칭 전원이 20kHz 내지 500kHz의 고주파수를 발생시킬 수 있다. 여기된 코일(18)은 여기된 회로(27)로 부터 공급되는 교류(고주파수 전류)에 의해 교호 플럭스를 발생시킨다.

참조 번호 16a 및 16b는 단면이 거의 아치 그루브 형태인 벨트 가이드 부재들이다. 벨트 가이드 부재(16a 및 16b)는 서로 마주보는 개구부 측을 구비한 거의 컬럼을 구성한다. 실린더형 전자기 유도 가열 발생 벨트로서의 정착 필름(10)은 컬럼의 외부 표면상에 느슨하게 맞춰진다. 벨트 가이드 부재(16a)는 자계 발생 수단으로서의 역할을 하는 여기된 코일 및 자기 코어(17a, 17b, 및 17c)를 포함한다. 도 5에 도시된 것과 같이, 용지 표면에 수직인 방향의 세로인 양호한 가열 전도 부재(40)는 닙 부분(N)에서 프레스 롤러(30)에 대향하여 위치한 정착 필름(10)내에 배치된다. 제1 실시예에서, 양호한 열전도 부재(40)는 알루미늄으로 만들어진다. 양호한 열 전도 부재(40)는 k = 240 [W_m^-1_K^-1]의 열전도도 및 1[mm]의 두께를 갖는다.

양호한 열전도 부재(40)는, 상기 양호한 열전도 부재(40)상에 자계의 영향을 방지하도록 자계 발생 수단 역할을 하는 자기 코어(17a, 17b, 및 17c) 및 여기된 코일(18)에 의해 발생되는 자계의 바깥에 배치된다. 좀 더 구체적으로, 양호한 열전도 부재(40)는 자기 코어(17c)에 의해 여기된 코일(18)로 부터 분리된 위치에 배치되고, 여기된 코일(18)의 자기 경로밖에 배치됨으로써, 양호한 열전도 부재(40)상에 소정의 영향을 방지한다.

참조 번호 22는 벨트 가이드 부재(16b)의 내부 표면의 편평한 위치와 접촉하는 수평적으로 긴 가압 강체 지주(horizontally elongated pressurizing rigid stay); 19는 자기 코어(17a, 17b, 및 17c)와 여기된 코일(18)사이를 절연하기 위한절연 부재; 및 가압강체 지주(22)를 나타낸다.

플랜지 부재(23a 및 23b)는 벨트 가이드 부재(16a 및 16b)의 조립품의 왼쪽 및 오른쪽, 양쪽에 맞춰지고, 왼쪽 및 오늘쪽이 정착되는 동안 부착된 채로 회전한다. 플랜지 부재(23a 및 23b)는 회전시 정착 필름(10)의 단부를 받아서 정착 필름(10)의 벨트 가이드 부재의 세로 방향으로의 오프셋 이동을 조절한다.

프레스 부재로서의 프레스 롤러(30)는 코어 금속(30)주위의 롤러와 같이 동심원으로 형성되고 실리콘, 고무, 불소 또는 불화플라스틱(fluoroplastic)으로 만들어지는 열-저항성 탄성층(30b) 및 코어 금속(30a)으로 구성된다. 코어 금속(30a)의 2개의단부는 섀시상의 디바이스의 금속 판(도시되지 않음)사이의 베어링에 의해 지지되어 회전한다. 압축 스프링(25a 및 25b)은 가압 강체 지주(22)로 압력을 가하기 위하여 가압 강체 지주(22)의 2개의 단부와 섀시측상의 디바이스의 스프링 베어링 부재(29a 및 29b)사이에서 압축 및 배치된다. 결과적으로, 벨트 가이드 부재(16a)의 하부 표면과 프레스 롤러(30)의 상부 표면이 정착 벨트(10)를 통해 서로 압착함으로써 소정의 폭을 갖는 정착 닙 부분(N)을 형성한다.

프레스 롤러(30)는 화살표로 표시된 반시계방향의 구동 수단(M)에 의해 회전한다. 회전력은 프레스 롤러(30)와 정착 벨트(10)의 외부 표면사이에서 프레스 롤러(30)의 회전에 의해 발생하는 마찰력으로 정착 벨트(10)위에 작용한다. 정착 벨트(10)의 내부 표면이 정착 닙 부분(N)에서 양호한 열전도 부재(40)의 하부 표면과 접촉하면서 미끄러지는 동안, 정착 벨트(10)는 프레스 롤러(30)의 회전 주변 속도에 실질적으로 대응하는 주변 속도로 화살표로 표시한 시계방향의 벨트 가이드 부재(16a 및 16b)의 외부 표면상에서 회전한다.

이로한 경우에, 정착 닙 부분(N)에서 양호한 열전도 부재(40)의 하부 표면과 정착 벨트(10)의 내부 표면사이의 미끄럼 마찰력을 줄이기 위하여 열-저항성 수지와 같은 윤활제가 정착 닙 부분(N)에서 양호한 열전도 부재(40)의 하부 표면과 정착 벨트(10)의 내부 표면사이에 가해진다. 대안으로, 양호한 열전도 부재(40)의 하부 표면이 윤활 부재로 덮여질 수 있다. 이것은 양호한 열전도 부재(40)가 표면이 부드럽지 않거나 마무리가 간단한 알루미늄과 같은 재료로 만들어 지는 경우 미끄러짐 정착 벨트(10)를 스크래칭함으로써 야기되는 정착 벨트(10)의 내구성의 감소를 방지한다. 양호한 열전도 부재(40)는 종방향으로의 열분포를 균일하게 하는 효과를 가진다. 예를 들면, 작은 크기의 용지가 지나갈때, 정착 벨트(10)상에서 용지가 지나가지 않은 부분의 열량은 양호한 열전도 부재(40)의 종방향 열전도에 의해 양호한 열전도 부재(40) 및 작은 크기의 용지가 지나가는 부분으로 전달된다. 따라서, 양호한 열전도 부재(40)는 작은 크기의 용지가 지나갈 경우 전력 소모를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 돌출한 립(projecting ribs)(16e)은 소정의 종방향 간격으로 벨트 가이드 부재(16a)의 외부 표면상에 형성된다. 돌출된 립(16e)은 정착 벨트(10)상의 회전 부하를 감소시키기 위하여 정착 벨트(10)의 내부 표면과 벨트 가이드 부재(16a)의 외부 표면사이의 접촉 미끄러짐 저항성을 감소시킨다.

도 7은 교호 플럭스의 발생을 개략적으로 도시한다. 자속(C)은 발생된 교호 플럭스의 일부분을 나타낸다. 자기 코어(17a, 17b, 및 17c)에 의해 가이드되는 교호 플럭스(C)는 자기 코어 (17a)와 (17b)사이 및 자기 코어 (17a)와 (17c)사이의 정착 벨트(10)의 전자기 유도 열 발생층(1)내에 에디 전류를 발생시킨다. 이러한 에디 전류는 전자기 유도 열 발생층(1)의 고유 저항에 의해 전자기 유도 열 발생층(1)내에 주울 열(과도한 전류 손실)을 발생시킨다.

열량(Q)은 전자기 유도 열 발생층(1)을 통과하는 자속의 밀도에 의해 결정되고, 도 7의 그래프에 도시된 것과 같은 분포를 나타낸다. 도 7의 그래프에서, 세로축은 자기 코어(17a)의 중심을 0으로 사용하여 각 θ로 주어지는 정착 벨트(10)상의 원주 방향상의 위치를 나타내고, 가로축은 정착 벨트(10)의 전자기 유도 열 발생층(1)내의 열량(Q)을 나타낸다. 이러한 경우에, Q가 최대 열량이 되도록 하면, 열 발생 영역(H)은 열량이 Q/e이상 - 정착시 필요한 열량임 - 인 영역으로 정의된다.

정착 닙 부분(N)의 온도는 온도 검출 수단(도시되지 않음)을 포함하는 온도 시스템에 의해 여기된 코일(18)로의 전류 공급을 제어함으로써 소정 온도로 유지된다. 참조 번호 26은 정착 벨트(10)의 온도를 검출하기 위한 서미스터(thermistor)와 같은 온도 센서를 나타낸다. 제1 실시예에서, 정착 닙 부분(N)의 온도는 온도 센서(26)에 의해 측정된 정착 벨트(10)의 온도 정보에 기초하여 제어된다.

정착 벨트(10)는 회전하고, 전력은 여기된 회로(27)로부터 여기된 코일(18)로 공급되어 상술한 바와 같이 정착 벨트(10)의 전자기 유도 열을 발생시킨다. 정착 닙 부분(N)의 온도는 소정의 온도로 증가 및 조정된다. 이러한 상태에서, 화상 형성 수단으로부터 운반되어 비정착 토너 화상을 가지는 인쇄 매체(P)가 화상 표면을 마주보는, 즉, 정착 벨트 표면을 마주보는 정착 닙 부분(N)에서 정착 벨트(10)와 프레스 롤러(30)사이에 주입된다. 화상 표면은 정착 닙 부분(N)에서 정착 벨트(10)의 외부 표면과 밀접하게 접촉하고, 인쇄 매체(P)는 정착 닙 부분(N)에서 정착 벨트(10)와 함께 클램프 및 운반된다.

인쇄 매체(P)가 정착 닙 부분(N)에서 정착 벨트(10)와 함께 클램프 및 운반되는 동안에, 인쇄 매체(P)는 정착 벨트(10)의 전자기 유도에의해 발생된 열로 가열되어 비정착 토너 화상(t)이 인쇄 매체(P)위에 가열 및 정착된다. 인쇄 매체(P)가 정착 닙 부분(N)을 통과한 후, 인쇄 매체(P)는 회전하는 정착 벨트(10)의 외부 표면과 분리되고, 방출 및 운반된다. 정착 닙 부분을 통과한 후, 인쇄 매체(P)에 가열 및 정착된 토너 화상은 영원히 정착된 화상으로 냉각된다.

제1 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 온도 검출 수단으로서의 온도스위치(thermoswitch)(150)는 런에웨이(runaway)시 여기된 코일(18)로의 전력을 차단하기 위하여 정착 벨트(10)의 열 발생 영역(H)(도 7 참조)을 마주보는 위치에 배치된다.

도 8은 제1 실시예에서 사용된 안전 회로를 도시하는 회로도이다. 온도 검출 수단 역할을 하는 온도스위치(150)는 +24V DC 전원 및 중계 스위치(151)에 직렬로 연결된다. 온도스위치(150)가 오프될 때, 중계 스위치(151)로의 전력은 차단되고, 중계 스위치(151)가 여기된 회로(27)로의 전력을 차단하도록 동작함으로써 여기된 코일(18)로의 전력을 차단된다. 온도스위치(150)의 오프 동작 온도는 220℃로 설정된다. 온도스위치(150)는 정착 벨트 (필름)(10)의 열 발생 영역(H)을 마주보도록 정착 벨트(10)의 외부 표면에 접촉되지 않게 배치된다. 온도스위치(150)와 정착 벨트(10)사이의 거리는 약 2mm로 설정된다. 이것은 온도스위치(150)의 접촉에 의해 정착 벨트(10)를 스크래칭함으로써 야기되는 정착 화상의 내구성의 감소를 방지한다.

제1 실시예에 따라, 정착 디바이스(정착 유닛)가 정착 닙 부분(N)에서 용지를 클램프하는 동안 정지할 경우에도 전력은 여기된 코일(18)로 공급되고, 정착 벨트(10)는 열을 계속 발생하며, 디바이스 불량에 의해 야기되는 정착 디바이스의 열폭주(runaway)시 도 3에 도시된 바와 같이 정착 닙 부분(N)에서 열이 발생되는 장치와는 달리 용지가 클램프되는 정착 닙 부분(N)에서는 열이 발생하지 않고 용지가 직접 가열되지 않는다. 온도스위치(150)가 열량이 큰 열 발생 영역(H)에 배치되기 때문에, 온도스위치(150)는 220℃를 검출하고, 오프된다. 이때, 중계 스위치(151)는 여기된 코일(18)로의 전력을 차단한다. 용지의 점화 온도가 약 400℃이기 때문에, 제1 실시예는 정착 벨트(10)의 열 발생을 중단할 수 없다.

주의할 점은 온도스위치 대신에 온도 검출 수단으로서 온도 퓨즈가 사용될 수 있다. 제1 실시예는 토너(t)로서 낮은 연화점(low-softening point) 재료를 포함하는 토너를 사용하여, 정착 디바이스는 임의의 오프셋을 방지하기 위한 소정의 오일 코팅 기구를 사용하지 않는다. 소정의 낮은 연화점 재료가 포함되지 않은 토너가 사용될 경우 정착 디바이스는 오일 코팅 기구를 사용할 수 있다. 또한, 소정의 낮은 연화점 재료가 포함된 토너가 사용될 경우, 오일 코팅 및 냉각 동작이 실행될 수 있다.

정착 디바이스(100)의 여기된 코일(18) 및 정착 벨트(10)는 좀 더 자세하게 설명될 것이다.

(A) 여기된 코일(18)

여기된 코일(18)은 각각이 코일(부하 코일)을 형성하는 전도체(전기 와이어)로서 절연된 다수의 가는 구리 와이어의 번들(번들 와이어(bundle wire))로 형성된다. 번들 와이어는 여기된 코일을 형성하기 위하여 여러번에 걸쳐 감긴다. 상기 실시예에서, 번들 와이어는 10번 감겨 여기된 코일(18)을 형성한다. 절연 커버링(insulation covering)은 바람직하게는 정착 벨트(10)의 열 발생에 의한 열전도가 고려된 열-저항성 커버링이다. 예를 들면, 바람직하게는 아미드-이미드 또는 폴리이미드의 커버링이 사용된다. 여기된 코일(18)의 밀도는 외부에서 압력을 가함으로써 증가될 수 있다.

여기된 코일(18)은 도 3에 도시된 바와 같이, 열 발생층의 굴곡된 표면을 따라 형상화된다. 제1 실시예에서, 정착 벨트(10)의 열 발생층과 여기된 코일(18)사이의 거리는 약 2mm로 설정된다. 여기된 코일 지지 부재(19)의 재료는 절연 및 열적 저항서이 우수한 것이 바람직하다. 예를 들면, 재료는 페놀 수지, 불화플라스틱, 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드-이미드 수지, PEEK 수지, PES 수지, PPS 수지, PFA 수지, PTFE 수지, FEP 수지, 및 LCP 수지중에서 선택된다.

자속 흡수 효율은 자기 코어(17a, 17b 및 17c)와 여기된 코일(18)사이의 거리가 짧을 수록 높아진다. 이 거리가 5mm를 초과하면, 효율은 급격히 감소한다. 따라서, 거리는 5mm이내가 바람직하다. 거리가 5mm이내에 있는 한, 정착 벨트(10)의 열 발생층과 여기된 코일(18)사이의 거리는 일정할 필요가 없다. 와이어, 즉, 여기된 코일(18)의 여긴된 코일 지지 부재(19)로 부터 돌출된 공급 부분 (18a 및 18b)(도 6)에 있어서, 여기된 코일 지지 부재(19)의 외부 번들 와이어는 절연된다.

(B) 정착 벨트(정착 필름)(10)

도 9는 제1 실시예에서의 정착 벨트(정착 필름)(10)의 계층 구조를 도시하는 도면이다. 상기 실시예의 정착 벨트(정착 필름)(10)는 전가기 유도 열 발생 정착 벨트(10)의 베이스로서의 역할을 하는 금속 벨트 등, 열 발생층(1)의 외부 표면상에 쌓여진 탄성층(2), 및 탄성층(2)의 외부 표면상에 쌓여진 몰드 릴리즈층(mold release layer)(3)으로 형성된 열 발생층(1)의 복합 구조를 가진다.

제1 층(도시되지 않음)(Primer layer)이 열 발생층(1)과 탄성층(2)사이 및 탄성층(2)과 몰드 릴리즈층(3)사이를 결합하기 위하여 이러한 층들사이에 형성될 수 있다. 거의 실린더형 정착 벨트(10)에서, 열 발생층(1)은 내부 표면측 역할을 하고, 몰드 릴리즈층(3)은 외부 표면측의 역할을 한다. 상술한 바와 같이, 교호 플럭스는 열 발생층(1)에 작용하여 열 발생층(1)내에 에디 전류를 발생시키고, 열 발생층(1)은 열을 발생한다. 이러한 열은 탄성층(2) 및 몰드 릴리즈층(3)을 통해 정착 벨트(10)를 가열시킨다. 정착 벨트(10)는 정착 닙 부분(N)을 통과하는 가열될 부재로서의 역할을 하는 인쇄 매체(P)를 가열 시킴으로써 토너 화상을 가열 및 정착시킨다.

(a) 열 발생층(1)

열 발생층(1)은 바람직하게 니켈, 철, 강자성 SUS 또는 니켈 코발트 합금과같은 강자성 금속으로 만들어 진다. 열 발생층(1)은 비자성 금속으로 만들어 질 수도 있으나 저속을 강하게 흡수하는 니켈, 철, 자성 스테인레스 스틸 또는 니켈 코발트 합금과 같은 금속으로 만드는 것이 보다 바람직하다. 열 발생층(1)의 두께는 바람직하게는 다음 식에 의해 주어지는 스킨 깊이(skin depth)보다 더 큰 200um이하이다. 스킨 깊이 σ[m]는 여기된 회로(27)의 고유 저항 ρ[Ωm], 주파수 f[Hz], 및 투과율 μ로 주어진다:

σ= 503 x (ρ/f μ)^1/2

이것은 전자기 유도에 사용되는 전자기파의 흡수 깊이를 나타낸다. 깊이가 클수록, 전자기파의 강도는 1/e이하가 된다. 즉, 거의 모든 에너지가 이러한 깊이에 흡수된다(도 10). 도 10은 전자기파의 강도와 열 발생층의 깊이사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 열 발생층(1)의 두께는 바람직하게는 1 내지 100um이다. 열 발생층(1)의 두께가 1um보다 작다면, 거의 모든 전자기파 에너지는 흡수되지 않고, 효율이 낮아진다. 열 발생층(1)의 두께가 100um를 초과한다면, 강성은 지나치게 높고, 유연성이 낮으며, 회전 부재로서의 정착 벨트(10)로 사용하기 어렵다. 그러므로, 열 발생층의 두께는 바람직하게는 1 내지 100um이다.

(b) 탄성층(2)

탄성층(2)은 실리콘 고무, 불화고무(fluororubber), 또는 열저항성 및 열 전도도가 우수한 불화실리콘 고무로 만들어 진다. 탄성층(2)은 정착 화상의 품질을보증할 정도록 두껍다. 컬러 화상을 인쇄할 경우, 특히, 사진 화상의 경우 고형 화상이 인쇄 매체(P)상의 넓은 면적에 형성된다. 이러한 경우, 가열 표면(몰드 릴리즈층(3))이 인쇄 매체 또는 토너층의 3차원 구조를 따라가지 못한다면, 가열 불균일성이 발생하고, 열 전달양이 큰 부분과 열 전달양이 작은 부분사이의 화상에 광택 불균일성이 발생한다.

광택은 열 전달양이 큰 부분에 높고, 열 전달양이 작은 부분에 낮다. 탄성층(2)의 두께가 10um이하일 경우, 가열 표면은 인쇄 매체 또는 토너층의 3차원 구조를 따라가지 못하여, 화상 광택 불균일성을 야기시킬 수 있따. 탄성층(2)의 두께가 1000um 이상일 경우, 탄성층(2)의 열 저항성이 높고, 빠른 시작이 실현되기 어렵다. 탄성층(2)의 두께는 50 내지 500um정도가 좀 더 바람직하다.

탄성층(2)의 두께의 강도가 너무 높다면, 가열 표면은 인쇄 매체 또는 토녀층의 3차원 구조를 따라가지 못할 수 있고, 화상 광택 불균일성이 발생한다. 이것을 방지하기 위하여, 탄성층(2)의 강도는 60˚(JIA-A) 이하, 좀 더 바람직하게는 45˚(JIA-A) 이하이다. 탄성층(2)의 열 전도도 λ는 6 x 10^-4≤ λ≤ 2 x 10^-3[cal/cm_sec_deg.]이다.

열 전도도 λ가 λ≤6 x 10^-4[cal/cm_sec_deg.]일 경우, 열저항성은 높고 정착 벨트(10)의 표면층(몰드 릴리즈층(3))상의 온도증가는 느리다. 열 전도도 λ가 λ> 2 x 10^-4[cal/cm_sec_deg.]일 경우, 탄성층(2)은 너무 경화되거나 영구 압축 세트가 저하된다.

따라서, 열 전도도 λ는 6 x 10^-4≤ λ≤ 2 x 10^-3[cal/cm_sec_deg.]이며, 좀 더 바람직하게는 8 x 10^-4≤ λ≤ 1.5 x 10^-3[cal/cm_sec_deg.]이다.

(c) 몰드 릴리즈층(3)

몰드 릴리즈층(3)은 릴리즈 성질 및 열저항성이 우수한 불화플라스틱, 실리콘 수지, 불화실리콘 고무, 불화고무, 실리콘 고무, PFA, PTFE, 및 FEP중에서 선택될 수 있다. 몰드 릴리즈층(3)의 두께는 바람직하게는 1 내지 10um이다. 몰드 릴리즈층(3)의 두께가 1um보다 작다면, 코팅 필름의 코딩 불균일성에 의한 몰드 릴리즈 특성이 열악한 부분이 형성되거나 내구성이 불충분하게 된다. 몰드 릴리즈층(3)의 두께가 100um를 초과한다면, 열전도를 저하시킨다. 특히, 수지에 기초한 몰드 릴리즈층에 있어서, 경도가 과도하게 높게 되고, 이것은 탄성층(2)의 효과를 저감시킨다.

선택적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 열절연층(4)이 정착 벨트(정착 필름)(10) 구조내의 열발생층(1)의 벨트 가이드 표면(열발생층(1)의 탄성층(2)에 대향하는 표면)위에 형성될 수 있다. 열절연층(4)은 불화플라스틱, 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드-이미드 수지, PEEK 수지, PES 수지, PPS 수지, PFA 수지, PTFE 수지 또는 FEP 수지와 같은 열절연 수지로 형성되는 것이 바람직하다.

열절연층(4)의 두께는 바람직하게는 10 내지 1000um이다. 열절연층(4)의 두께가 10um보다 작을 경우, 열절연 효과는 얻어질 수 없고, 내구성도 불충분해진다.열절연층(4)의 두께가 1000um보다 클 경우, 자기 코어(17a, 17b, 17c)와 여기된 코일(18)로부터 열발생층(1)사이의 거리는 커지게 되고, 자속은 열발생층(1)에 의해 충분히 흡수될 수 없다. 열절연층(4)은 열발생층(1)내에 발생된 열이 정착 벨트(10)의 내측으로 전달되지 않도록 열을 절연시킬 수 있다. 인쇄 매체(P)로의 열공급 효율은 열절연층(4)이 형성되지 않는 경우보다 높게 된다. 따라서, 전력 소비가 억제될 수 없다.

도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따라 화상 형성 장치내의 도1에 도시된 출력 컨버터(이후에 설명될 것임)를 포함하는 유도 열 제어 유닛의 전체 배치를 도시하는 블록도이다. 화상 형성 장치의 유도 열 제어 유닛은 전압 제어 회로(409), 정착 유닛(퓨저(Fuser))(411), 피드백 제어 회로(413), 및 드라이버 회로(414)를 포함한다. 전압 제어 회로(409)는 에디 전류 브레이커(breaker)(402), 중계기(403), 정류 회로(RECT)(404), 절연 게이트 구동 회로(405, 406), 전압 공진 컨버터(407), 및 전류 트랜스포머(408)를 포함한다. 도 12에서, 참조 번호 401은 전원선 입력 터미널; 412는 정착 유닛용 가열 온/오프 신호를 나타낸다.

주요 부분의 배치가 동작과 함께 상세히 설명될 것이다. 에디 전류 브레이커(402)는 에디 전류를 보호한다. 정류 회로(404)는 AC 입력으로부터 전체 파형 정류를 실행하기 위한 풀-브릿지 정류 회로로 만들어 진다. 전압 공진 컨버터(407)는 전류를 스위치한다. 전류 트랜스포머(408)는 전압 공진 컨버터(407)에 의해 스위치되는 스위칭 전류를 검출하고, 정착 유닛(정착 디바이스)의 여기된 코일(18)로 연결된다.

정착 유닉(411)은 전기 구성요소로서 여기된 코일(18), 온도 검출 서미스터(온도 센서)(26), 및 과도한 온도 상승을 검출하기 위한 온도스위치(150)를 구비한다. 정착 유닛용 가열 온/오프 신호(412)가 화상 형성 장치(프린터)(도시되지 않음)의 시퀀스 제어기로부터 송신된다. 피드백 제어 회로(413)는 정착 유닛의 서미스터 온도 검출값에 기초하여 목표 온도와 비교한 제어 변수를 제어한다. 구동 회로(414)는 피드백 제어 회로(413)로부터 피드백 제어 신호를 수신하고, 컨버터의 제어 형식에 적합한 제어를 실행한다.

전원선 입력 터미널(401)로 부터 AC 입력 전력의 수신시 에디 전류 브레이커(402)와 중계기(403)를 통해 AC 전력이 정류 회로(404)에 가해질 경우, 정류 회로(404)의 전체-파형 정류 다이오드는 리플 DC 전력(ripple DC power)을 발생시킨다. 그 후, 절연 게이트 구동 회로(405, 406)가 전압 공진 컨버터(407)에 의해 스위칭 소자를 교호적으로 스위칭시키도록 구동됨으로써, 여기된 코일(18)로 고주파수 전압을 가한다. 여기된 코일(18)을 통해 흐르는 전류는 정착 벨트(정착 필름)(10)을 통해 흐르는 에디 전류를 변동시키도록 제어됨으로써, 열 발생 전력을 제어한다.

도 12를 참조로 하여 동작이 추가로 설명된다. 전원 입력 터미널(401)로 부터 AC 전력을 수신할 때, AC 전력은 에디 전류를 보호하기 위한 에디 전류 브레이커(402)와 중계기(403)사이의 접점을 통해 정류 회로(404)로 들어간다. 중계기(403)의 여기된 와인딩(exciting winding)이 정착 유닛의 벨트(필름) 온도를 검출하고, 벨트(필름) 온도가 소정의 온도를 초과하여 비정상적으로 증가할 경우오프되는 온도스위치(150)의 접점을 통해 여기된다. 정착 유닛의 온도가 비정상적으로 증가하고, 문제가 발생한다고 가정하면, 중계기(403)는 여기된 회로의 전원을 오프시키도록 차단됨으로써, 열폭주시 정착 유닛의 안정을 보장한다.

정류 회로(404)는 정류 브릿지 회로(도시되지 않음)에 의해 AC 전력으로부터 DC 리플을 발생시키고, 전력으로서 DC 리플파(ripple wave)를 LC 필터를 통해 전압 공진 컨버터(407)로 공급한다. 전압 공진 컨버터(407)의 동작이 도 1(이후에 설명될 것임)을 참조로 하여 설명될 것이다.

전류 트랜스포머(전류 검출 트랜스포머)(408), 및 절연 게이트 구동 회로(405, 406)는 트랜스포머의 절연처리를 통해 라이브 전압(live voltage) 회로 및 제2 전압 회로의 이중 절연을 보장한다. 정착 온도는 온도 센서(서미스터)(26)에 의해 검출된다. 정착 유닛의 용지 통과 상태, 용지 품질, 및 정착 온도에 따라 변하는 최적 제어 계수로 주어진 제어 신호는 반도체 스위칭 소자의 게이트 제어를 구동 회로(414)에 의해 전원의 전압 공진 제어에 대응하는 온 폭(ON width) 제어 신호로 실행한다.

전압 공진형 컨버터는 스위칭-온 폭으로 목표 온도로부터의 초과/미달을 제어한다. 배치 및 동작은 도 1 및 도 13a 내지 13i를 참조로 하여 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압 공진형 전원 디바이스의 배치를 도시한 화로도이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 전원 디바이스는 스위칭 IGBT(201)(제1 스위칭 수단), 주 스위칭 IGBT(202)(제2 스위칭 수단), 제1 공진 커패시터(204)(제1 전기 축적 수단), 제2 공진 커패시터(205)(제2 전기 축적 수단), 재생 다이오드(206)(제1 정류 수단), 및 재생 다이오드(207)(제2 정류 슈단), 및 상기 2개의 IGBT(201, 202)를 각각 구동시키기 위한 2개의 게이트 구동 회로(405, 406)(이후에 설명될 것임)로 구성된다.

전압 공진 컨버터(407)가 설명될 것이다. 전원에 연결된 스위칭 IGBT(201)는 제1 공진 커패시터(204)에 직렬로 연결되고, 제1 공진 커패시터(204)는 주 스위칭 IGBT(202)에 직렬로 연결된다. 자기 유도 가열을 위한 여기된 코일(18)은 제1 공진 커패시터(204)와 주 스위칭 IGBT(202)사이의 노드와 전원사이에 연결되고, 주 스위칭 IGBT(202)는 제2 공진 터패시터(205)에 병렬 연결된다. 스위칭 IGBT(201) 및 주 스위칭 IGBT(202)는 각각 재생 다이오드(정류 소자)(206, 207)에 직렬 연결된다.

도 13a 내지 13i는 도 1의 회로 배치내의 동작 파형을 도시하는 파형 챠트이다. 참조 번호 208은 스위칭 IGBT(201)의 게이트 전압 파형; 209는 주 스위칭 IGBT(201)의 게이트 전압 파형; 210은 주 스위칭 IGBT(202)의 전류 파형; 211은 주 스위칭 IGBT(202)의 전압 파형; 212는 제1 공진 커패시터(204)의 전류 파형; 213은 제2 공진 커패시터(205)의 전류 파형; 214는 스위칭 IGBT(201)의 전류 파형; 215는 재생 다이오드(206)의 전류 파형; 및 216은 여기된 코일(18)의 여기된 전류 파형을 나타낸다.

이러한 회로의 동작은 상세히 설명될 것이다. 주 스위칭 IGBT(202)를 온함으로써, 유도 전류 파형(210)이 전원(RECT 304)으로부터 여기된 코일(18)로 흐른다. 스위칭-오프 동작(포인트 A)과 동시에, 여기된 코일(18)은 전류가 유지되는 방향으로 플라이백 전압(flyback voltage)(211)을 발생한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 방법에서, 제1 공진 커패시터(204) 및 제2 공진 커패시터(205)는 잔류 전하의 차이를 가진다(제1 공진 커패시터(204)의 잔류 전하의 영향; 이후에 설명될 것임). 이러한 이유때문에, 주 스위칭 IGBT(202)의 오프 동작직후에, 플라이백 전압(211)이 제2 공진 커패시터(205)와 여기된 코일(18)에 의해 결정되는 공진 싸이클 ω = √(L x C)로 정해진 아크를 발생시킨다. 제2 공진 커패시터(205)가 제1 공진 커패시터(204)의 약 1/10 커패시턴스로 설정된다고 가정하자. 그 결과, 오프 동작직후의 전압은 하이 싸이클(포인트 A와 포인트 B)에서 플라이백 전압을 발생시킨다.

플라이백 전압이 제1 공진 커패시터(204)(포인트 B)의 초기 충전 전압으로 상승할 경우 플라이백 전압의 진동은 재생 다이오드(206)를 온 시킨다. 플라이백 전압(211)은 완만한 정현파로 변환되고 제1 공진 커패시터(204)와 제2 공진 커패시터(205)의 합성 커패시턴스로 상승한다. 참조 번호 212는 이 때의 제1 공진 커패시터(204)의 전류 파형; 215는 재생 다이오드(206)의 전류 파형; 및 213은 제2 공진 커패시터(205)의 전류 파형을 나타낸다.

전압이 시간에 대해 증가하고 ω/4가 통과될 경우, 전압은 최대점(포인트 C)에 도달한다. 반대로, 전류 파형(212)은 전압 파형의 미분 파형에 대응하는 코싸인파로 흐르는 결과로서 최대 전압점(포인트 C)에서 최소 전류값을 가지는 제로-교차 파형이 된다. 제로-교차점 이후에 재생 다이오드(206)가 오프되기 때문에, 스위칭 IGBT(201)의 게이트는 온 되어 전류(포인트 C와 포인트 D사이의 주기)를 재생산한다. 참조 번호(214)는 이때의 스위칭 IGBT(201)의 전류 파형을 나타낸다. 스위칭 IGBT(201)가 오프(포인트 D)될 경우, 제1 공진 커패시터(204)는 절연되고, 커패시턴스가 보다 작은 제2 공진 커패시터(205) 공진되며, 전류 파형(214)은 높은-싸이클 아크(포인트 D와 포인트 E사이의 주기)를 발생시킨다. 제1 실시예의 특징인 포인트 D와 포인트 E사이의 주기는 좀 더 자세하게 설명될 것이다.

제2 공진 커패시터(205)는 포인트 D에서 제1 공진 커패시터(204)를 통해 흐르는 모든 방전 전류에 의해 로드된다. 이러한 상태는 회로의 진동에 기여하는 값, 즉, C가 감소하고 감폭 인자(damping factor)가 C의 감소에 비례하여 증가하는 감폭(damping)의 변화 = √(L/C)로서 검증되며, 그 결과 강한 짧은 싸이클을 갖는 진동이 얻어진다. 이러한 높은 진동 전압은 전압 공진에 가장 중요한 인자이고, 전압 진동에 의한 플라이백 전압 파형에서의 제로-교차 포인트, 즉, 전압 파형(211)내의 포인트 E를 발생시킨다.

포인트 E에서, 전류와 전압 모두 낮고, 스위칭 소자를 스위칭할 경우 스위칭 손실이 최소화될 수 있다. 또한,재생된 전류를 스위칭한 스위칭 IGBT(201)는 전압이 전원 전압쯤으로 비교적 낮고 여기된 부하에 의해 감폭되는 작은 전류값(포인트 B)에서 스위칭 동작을 실행한다. 이로부터, 스위칭 IGBT(201) 및 주 스위칭 IGBT(202)는 매우 작은 손실로 스위칭을 실행할 수 있다. 이러한 배치에서, 제1 공진 커패시터(204)에 연결된 스위칭 IGBT(201)는 인버터의 활성화시에도 오프 상태로 부터 활성화될 수 있다. 이것은 공진 전원을 활성화시킬 경우 발생하는 일시적인 부담을 상당히 감소시킨다.

도 14a 내지 14c는 도 16에 도시된 종래의 전압 공진 컨버터내의 동작 파형을 도시한 것이다. 도 15a 내지 15i는 본 발명의 제1 실시예의 동시 충전 전압 공진형 컨버터에서 전력이 감소될 경우 각각의 부분에서의 파형을 도시한다.

도 14a 내지 14c의 종래의 전압 공진형 컨버터에서, 공진은 게이트 제어가 중단된 직후 공진 커패시터와 여기된 코일에 의해 결정되는 상수로 시작한다. 도 14b는 응답 파형(211)을 도시한다. 회로 배치에서 자명한 것과 같이, 전압 진동은 전원 전압(Vcc)(도 14b에서의 파선)상의 중심에 있는 오실레이션 파형 응답이다. 출력이 좁혀지기 때문에, 전류 파형은 파형(211)로 나타낸 것과 같이 삼각파의 작은 최대 전류를 나타내고, 그 결과 공진 회로내에 축적된 전력은 작다. 이러한 이유 때문에, 전압 진동은 전원 전압 Vcc로부터 충분히 감소되지 않고, 파형(211)의 전압(Vf)은 잔류한다. 이러한 잔류 전압은 공진 커패시터에 의해 매우 낮은 임피던스를 갖는 전압까지 감소된다. 스위칭 소자가 이러한 상태에서 온 된다면, 과도 전류는 스위칭 소자를 통해 흘러 손상을 일으킨다. 이러한 상태는 도 14c의 스위칭 소자의 전류 파형(210)으로 표시된다.

반대로, 전력이 유사하게 좁혀질 경우에도, 본 발명의 제1 실시예의 동시 충전 전압 공진형 컨버터의 전력을 좁힐 때 각각의 부분에서의 파형은 포인트 D와 E사이의 주기에 대한 작은 커패시턴스의 제2 공진 커패시터(205)의 스위칭 동작에서 야기된 높은 감폭 동작에 의해 만족스러운 전압 진폭을 갖는 전압의 제로-교차점들을 얻는다. 주 스위칭 IGBT(202)의 온 타이밍(포인트 E)에서 전압 및 전류 모두에대해 최소화 조건이 설정된다. 그러므로, 스위칭에 의한 어떠한 과도 전류도 발생하지 않고, 작은-손실의 스위칭이 실현될 수 있다.

상술한 스위칭 소자는 매우 큰 스위칭 전류를 흘리며, 전자기 요리기 등에 최근 인기있으며 미래에는 그 제품의 영역을 넓히는 IGBT를 사용한 전력 스위칭 소자이다. IGBT는 FET보다 낮은 가격에서 높은 전류를 실현할 수 있다.

IGBT가 큰 전류를 스위칭하기 위한 요구에 만족할 지라도, 스위칭 속도는 FET와 같은 고속 스위칭 소자보다 느리다. 왜냐하면, 스위칭 부분이 NPN 접합 트랜지스터 구조를 가지기 때문이다. 그 결과 IGBT를 효과적으로 동작시키는 방법이 생산품 비용을 결정한다.

간단히 IGBT는 트랜지스터의 컬렉터 및 이미터, 및 제어될 MOS 게이트 구조의 제어 터미널을 구비한다. 제어 신호는 게이트 터미널에 전압을 인가함으로써 필드 동작을 실행한다. 게이트는 게이트와 이미터사이에 비교적 큰 정전기 커패시턴스을 가진다. 따라서, 게이트 커패시턴스를 충전/방전하는 법 및 게이트 전압 파형을 고속으로 적절히 가하는 법은 중요하다.

도 1에 도시된 전원 디바이스내의 구동 회로(405, 406)가 설명될 것이다. 주의할 점은 게이트 구동 회로(405, 406)는 동일한 배치를 가지므로, 게이트 구동 회로(406)가 기술될 것이다.

도 1의 전압 공진 컨버터내에 포함된 스위칭 소자 IGBTs(202, 201)의 동작은 위에서 설명되었고, 전력 변환을 실현하기 위하여 교호 스위칭 동작이 이루어진다.

스위칭 소자(201, 202)의 기준점 역할을 하는 이미터 전위는 코일(203)의 플라이백 전압과 동일한 전위로 매우 높은 전압의 AC 파형에 의해 발생된다. 이미터에 대한 게이트 전압은 절연되는 동안, 스위칭 IGBT(201, 202)가 구동된다.

이러한 절연된 구동방법을 구현하기 위한 회로에 있어서, 트랜스포머를 사용하는 절연 구동 방법이 가장 효과적이다. 이것은 이 방법에 따른 절연 트랜스포머가 제2 회로에 의해 발생된 스위칭 펄스 전압 파형을 절연된 트랜스포머를 통해 제1 회로로 전송하고, 게이트 회로내의 다른 전원을 사용하지 않고 전송된 파형을 형상화함으로써 게이트를 구동 가능하게 하는 파형을 얻을 수 있기 때문이다.

도 22는 종래의 절연 구동 회로의 실시예를 도시한 회로도이다. 도 22에서, 참조 번호(301)는 신호를 스위칭 소자(201, 202)로 전송하고 그 게이트가 펄스 폭-변조 신호에 의해 구동되는 구동 스위칭 소자; (302)는 마주보는 와인딩(303)으로부터 절연되고, 와이어를 커버링하는 절연 또는 절연 거리에 의해 이중 절연 구조를 실현하는 트랜스포머의 여기된 와인딩; (304)는 정류 소자; (305)는 저항기; (306)은 전력 스위칭 반도체 소자 게이트로 오프 신호를 공급하기 위한 스위칭 소자; (307)은 각각의 전력 스위칭 소자에 대해 정의된 게이트 저항기; (309)는 여기(excitation) 이후에 전류를 재생산하기 위하여 와인딩(302)의 재생 와인딩으로 접속된 재생 다이오드; 및 (310)은 전원 터미널을 나타낸다.

이러한 절연 구동 회로는 종종 펄스 트랜스포머를 사용한다. 펄스 트랜스 포머는 전압 파형 및 동반되는 전류, 즉, 구동력 그 자체를 유리하게 전송 및 출력할 수 있다. 대조적으로, 포토커플러(photocoupler) 등에 의한 전송은 전송후 DC 전원을 필요로 하는데, 이는 비용의 측면에서 불리하다.

그러나, 트랜스포머에 의해 전송된 전압 파형은 지연(슬루 레이트의 감소), 언더슈트(undershoot), 및 트랜스포머의 구조에 의해 발생되는 자속의 유도 누설 전류에 의한 전압 진동 또는 와인딩사이의 상호 커패시턴스에 의해 야기된 전압 진동 현상을 경험한다. 전압 파형은 전력 스위칭 반도체용 구동 신호로서 직접 사용될 수 없다.

이러한 이유때문에, 종래의 회로에서는, 펄스 트랜스포머가 여기된 상태인 동안 전력 스위칭 반도체를 온하고, 펄스 트랜스포머가 여기되지 않는 상태인 동안에는 전력 스위칭 반도체를 오프하기 위하여, IGBT(201, 202)는 정류 소자(304) 및 게이트 저항기(307)를 통해 구동된다. 동시에, 트랜스포머의 플라이백 전압은 트랜지스터(306)의 동작에 의해 소스 전압으로의 전력 스위칭 반도체(308)의 게이트 전압을 단절하기 위하여 여기되지 않은 상태에서 사용되며, 이로써 스위칭-오프 동작이 실행된다.

그러나, 상술한 바와 같이, 트랜스포머는 단지 트랜스포머 그 자체의 특성에 의한 트레일링 파형(trailing waveform)내에서 특별히 와인딩의 기생 커패시턴스 및 누설전류 인덕턴스에 의해 구동된 트랜지스터(301)의 스위칭 파형보다 훨씬 더 완화된 스위칭-오프 신호를 전송할 수 있다. 전력 스위칭 반도체의 스위칭 손실은 열손실를 증가시키는데, 이는 디바이스의 열을 고려한 설계(thermal design)를 어렵게 만든다.

이것을 방지하기 위하여, 도 1에 도시된 전원 디바이스내에 절연 게이트 구동 회로(405 또는 406)는 상기 문제를 해결하기 위한 회로를 구현하기 위하여 임계값 설정 회로(50) 및 스위칭 회로(51)를 사용한다.

도 19a 내지 19f는 절연 구동형 게이트 구동 회로(306)내의 소정의 위치에서 동작 파형을 도시하는 파형 챠트이다. 도 19a는 스위칭 소자(301)의 기본 구동 신호(펄스 폭-변조 신호)를 도시하고, 도 19b는 소자(301)의 컬렉터 전류를 도시하고, 도 19c는 소자(301)의 컬렉터 전압 파형을 도시하고, 도 19d는 트랜스포머의 전송 와인딩(303)으로 유도된 전압 파형을 도시하고, 도 19e는 스위칭 IGBT의 게이트 구동 전압 파형을 도시한다.

구동 회로(314)가 DC 전압을 전원 터미널(310)에 가하여 도 19a에 도시된 펄스 폭-변조된 신호를 공급할 경우, 스위칭 소자(301)는 스위칭 동작을 실행한다. 결과적으로, 도 19b에 도시된 스위칭 전류는 여기된 와인딩(302)을 통해 흐른다.

도 19c에 도시된 것과 같이, 이 때의 스위칭 소자(301)의 컬렉터 전압 파형은 전류 파형(도 19b)을 미분하여 구비된다. 도 19d에 도시된 유도된 전압은 트랜스포머의 전송 와인딩(303)내에서 발생된다.

유도된 전압은 정류 소자(304)에 의해 정류되어 도 19e에 도시된 파형을 구비한 전압 신호를 얻는다.

도 19f는 도 19e의 하나의 펄스 파형을 확대한 파형이다. 이 파형에서, 전압이 갑자기 떨어지는 부분(30)은 전송 와인딩(303)내에 발생된 전압의 드롭 전압(drop voltage)에 대해 임계값 설정 회로(50)에 의해 설정된 전압값에 따라 스위칭 회로(51)을 온함으로써 얻어진다. 전력 스위칭 IGBT의 게이트는 게이트 저항기(307)에 의해 단절되어 게이트 오프 동작을 낮은 임피던스로 실현시킨다.

도 20은 도 1의 스위칭 회로(51) 및 임계값 설정 회로(50)의 상세한 배치를도시하는 회로도이다. 도 22와 같은 참조 번호가 동일한 부분을 나타내고, 그 설명은 생략될 것이다. 도 20에서, 임계값 설정 회로(50)는 트랜스포머의 임계값 설정 회로(50), 다이오드(312), 임계값 결정 저항기(313, 314), 임계 전압 샘플링 커패시터(315), CR 회로(319), 및 에지 신호 발생 회로(30)로 구성된다. 스위칭 회로(51)는 스위칭 소자(21)로 구성된다.

다이오드(312)는 임계 전압 결정 저항기 역할을 하는 저항기(313, 314)를 통해 전력 스위칭 IGBT의 온 전압을 분할함으로써 샘플링 커패시터(315)를 충전시킨다. 상술한 바와 같이, 도 19d에 도시된 파형을 구비한 전압은 전송 와인딩(303)내에 유도된다. 펄스 상승 상태에서, 트랜지스터(318)의 전압은 베이스의 트리거 저항(trigger resistance)으로 인해 갑자기 상승하며, 그의 이미터는 임계값 결정 저항기(313, 314)에 의해 감쇄되는 속도로 상승한다. 결과적으로, 트랜지스터(318)의 베이스 및 이미터는 반대 방향으로 바이어스되고, 상승하는 동안 유지된다.

파형의 트레일링 에지에서의 동작, 즉, 도 19f의 시간에서의 동작이 설명될 것이다. 전송 와인딩(303)내에 유도된 전압의 선도 파형(leading waveform)에서, 유도된 전압이 CR 회로(319)로부터 가해지기 때문에 트랜지스터(318)의 베이스는 동일한 전위로 동작한다. 이미터에 접속된 샘플링 커패시터(315)는 임계값 결정 저항기(313, 314)에 의해 게이트의 온 전압이 분할됨으로써 구비된 전압을 축적한다. 전송 와인딩(303)의 유도 전압이 샘플링 커패시터(315)의 전압보다 낮을 경우, 트랜지스터(318)의 베이스 및 이미터는 순방향으로 바이어스된다. 그 후, 샘플링 커패시터(315)는 트랜지스터(318)를 온하여 베이스가 트랜지스터(318)의 컬렉터에 연결된 스위칭 소자(21)를 온 시킨다.

따라서, 전송 와인딩(303)의 출력 터미널은 단락된다. 전력 스위칭 IGBT의 게이트는 게이트 저항기에 의해 단절되어 게이트를 방전하고 IGBT를 오프한다. 이것은 도 19f에 도시된 게이트 전압 파형을 실현시킨다.

전력 스위칭 IGBT는 유도 부하를 스위칭하는데 특별히 발생된 전류 응답을 결정하고, 플라이백 전압 응답은 전력 스위칭 IGBT를 오프시키는데 큰 전류를 결정하고, 높은 전압 진동은 소자의 ASO(안전 동작 영역, Area of Safe Operation)를 결정한다. 그러므로, 상술한 바와 같이 게이트 신호를 발생하는 것은 스위칭 소자의 열적 상태를 감소시켜 고효율의 인버터 디바이스를 제공하는 것이다.

임계값 결정 회로(50)내에 설정된 전압은 전력 스위칭 IGBT의 게이트 오프 전압의 상한치와 동일하거나 더 커야 한다.

예를 들면, 전력 스위칭 소자가 FET일 경우, 일반적으로 온 동작은 4V의 게이트 전압 부근에서 시작하고, 충분한 스위칭 성능을 나타내는 온 상태는 약 8V에서 얻어진다.

트랜스포머의 회전수의 비는 16V의 온 전압 값을 설정하도록 결정되고, 임계값 결정 회로(313, 314)의 비는 임계 전압이 8V로 설정되도록 설정된다. 이러한 설정과 함께, 정상 온 상태의 게이트 전압, 즉, 16V는 충분히 게이트를 온 시킬 수 있고, 잡음 마진도 충분히 보장될 수 있다. IGBT를 빨리 오프할 경우 8V의 임계값으로 부터 갑자기 떨어지는 게이트 전위는 전력 스위칭 IGBT를 오프 상태로 이동시킨다. 결과적으로, 매우 작은 손실을 갖는 전력 스위칭 소자가 구현될 수 있다.

(제2 실시예)

도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따라 전원 디바이스내의 절연 게이트 구동 회로(406)의 배치를 도시하는 회로도이다. 도 21에서, 도 20과 동일한 참조 번호가 사용되고, 그 설명은 생략될 것이다. 제2 실시예에서, 전력 공진 컨버터(407)의 회로 배치는 제1 실시예와 동일하고, 그 설명은 생략될 것이다.

제2 실시예에 따른 회로는 저항(305) 및 스위칭 소자가 추가된다는 점에서 도 1에 도시된 제1 실시예에 따른 회로와 다르다.

전력 스위칭 IGBT가 오프될 경우, 스위칭 소자(320)는 전송 와인딩(303)내에 발생된 플라이백 전압(도 19d의 파형에서 음 전압 영역)을 사용하고, 전력 스위칭 IGBT를 오프로 유지하는 동안 스위칭 소자(306)를 온하도록 추가된 스위칭 소자(306)의 베이스 전압을 순방향으로 바이어스한다. 이러한 배치는 보다 이상적인 게이트 펄스를 발생시킨다.

상술한 실시예들은 전력 스위칭 IGBT 소자가 구동될 소자로 사용되는 경우만을 예시로 한 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 절연 게이트 구동 회로는 임의의 스위칭 소자를 구동하는데 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 전원 디바이스에 따르면, 전압 공진 컨버터는 전원에 연결된 스위칭 IGBT(201), 스위칭 IGBT(201)에 직렬 연결된 제1 공진 커패시터, 제1 공진 커패시터(204)에 직렬 연결된 주 스위칭 IGBT(202), 제1 공진 커패시터(204)와 주 스위칭 IGBT(202)사이의 노드와 전원사이에 연결된 여기된 코일(18), 주 스위칭 IGBT(202)에 병렬 연결된 제2 공진 커패시터(205), 및 각각 스위칭 IGBT(201) 및 주 스위칭 IGBT(202)에 병렬 연결된 재생 다이오드(206, 207)를 포함한다. 이러한 전원 디바이스는 다음의 동작 및 효과를 가진다.

자기 유도 가열/정착 방법에 의한 정착 벨트(정착 필름)을 가열하는 정착 요구를 실현하기 위하여, 전압 공진 전원이 고주파 전원으로 사용된다. 또한, 스위칭 소자는 전압 공진 커패시터에 직렬 연결되고, 스위칭 소자 및 주 스위칭 IGBT가 선택적으로 스위칭된다. 이것은 종래의 전압 공진 전원의 단점인 좁은 출력 제어 폭을 해결할 수 있고, 제어시 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.

좀 더 구체적으로, 자기 유도 가열/정착 방법에 의해 정착 벨트(정착 필름)을 가열하기 위한 자기 유도 가열/정착 장치에 사용되는 전압 공진형 전원은 전원내에 탑재된 반도체에 임의의 부담없이도 최대 출력값으로부터의 출력 전력을 0까지 변화시킬 수 있는 소프트 스위칭 배치를 실현할 수 있다. 정착 전력의 제어 폭을 넓힘으로써, 온도 제어 정확도 및 입력 전압 범위에 대한 마진이 보장된다. 종래의 전압 공진 커패시터에서 공진 싸이클의 엄격한 관리와 비교하면, 소자 선택은비교적 넓은 폭을 갖는 전원 장치를 구현할 수 있다. 이것은 항목별로 다음과 같이 요약될 것이다.

(1) 요청되는 정착시 정착 디바이스의 열적 시간이 낮게 억제될 수 있다. 전력 제어 선형성 및 제어 응답은 열적 응답의 속도에 매우 중요하다. 출력 제어폭이 거의 0에서 최대 출력으로 연속적으로 변화될 수 있기 때문에, 정착 디바이스의 실제 가치는 피드백 제어용으로 실제하는 PID(Proportional plus Integral plus Derivative) 제어 등의 사용으로 증명된다.

(2) 전원은 상술한 동작의 내용으로 2개의 공진 상태(저주파수 공진 및 고주파수 공진)의 조합을 사용함으로써, 전압 파형이 정현파와 사각파사이의 중간 파형으로 설정될 수 있다. 종래의 전압 공진 파형(반 정현파)과 비교하면, 유효 전압값에 대한 최대값의 파형 비가 감소될 수 있어 스위칭 소자의 항복 전압을 낮게 억제할 수 있다.

(3) 상기 회로 방법의 요지는 스위칭시 짧은 시간내에 높은 감폭 계수를 갖는 공진 진동에 의해 야기되는 손실을 감소시키는 것이다. 허용 가능한 스위칭 타이밍 범위가 넓고, 성분의 조합에 의한 변화가 유연하게 대처할 수 있고, 실현성 및 생산성이 증가할 수 있다.

(4) 공진 방법의 사용은 스위칭 손실 및 스위칭 잡음을 큰 전력을 사용하는 것에 상관없이 작게 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전원 디바이스는 구동 전압 펄스, 미리 설정된 전압으로 스위칭-오프 동작할 경우 게이트 오프 전압을 비교하고, 전압이 설정된 전압에 도달할 경우 전압을 갑자기 떨어지게 만드는 절연 게이트 구동 회로(405, 406)를 사용하는 스위칭 소자를 구동시킨다. 이로부터, 전원 디바이스는 다음의 효과를 얻는다.

1. 게이트가 임계값 이하에서 갑자기 방전되기 때문에, 게이트 전류가 최소한의 게이트 일시적인 전류로 억제되고, 구동될 스위칭 소자가 손상되지 않는다.

2. 구동될 스위칭 소자의 게이트에 축적된 전하가 빨리 제거될 수 있고, 이러한 방전은 제어 신호로서의 펄스 폭-변조 신호에 대해 충실히 응답한다. 따라서, 최종 출력으로서의 전력 제어 선형성이 용이하게 보장될 수 있다.

3. 고속 오프 스위칭이 작은 손실로 실현 가능하기 때문에, 열을 고려한 설계가 간단히 될 수 있고, 이는 제1 회로 및 이중 절연 구조가 요구되는 프린터 장치와 같은 장치에 매우 효과적이다.

본 발명은 다수의 디바이스로 구성된 시스템 또는 하나의 디바이스로 구성된 장치에 적용될 수 있음을 명심하라. 본 발명의 제1 및 제2 실시예는 본 발명의 전원 디바이스가 화상 형성 장치 역할을 하는 컬러 프린터내에 탑재된 경우를 예시로 한것이다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고 본 발명의 전원 디바이스를 사용하는 정착 디바이스를 탑재한 화상 형성 장치에도 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 다수의 유닛 또는 단일 유닛을 포함하는 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명은 본 시스템 또는 발명에 정의된 공정을 실행하는 프로그램을 공급함으로써 얻어질 수 있는 경우에도 당연히 적용될 수 있다.

본 발명의 명백히 많은 넓은 상이한 실시예들이 본 발명의 사상 및 그의 범주를 벗어나지 않고 이루어 질 수 있고, 본원 발명이 첨부된 청구범위내에 정의된 것이외의 그의 특정 실시예에 한정되지 않는다는 것은 자명하다.

Claims (9)

1. 화상 형성 장치에 사용되는 전원 디바이스에 있어서,

   전원에 연결된 제1 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor);

   상기 제1 IGBT에 직렬 연결된 제1 전기 축적 수단;

   상기 제1 전기 축적 수단에 직렬 연결된 제2 IGBT;

   상기 제1 전기 축적 수단과 상기 제2 IGBT사이의 노드와 전원사이에 연결된 자계 발생 수단;

   상기 제2 IGBT에 병렬 연결된 제2 전기 축적 수단;

   상기 제1 IGBT에 병렬 연결된 제1 정류 수단;

   상기 제2 IGBT에 병렬 연결된 제2 정류 수단을 구비한 전압 공진 컨버터 수단; 및

   절연 트랜스포머(insulated transformer)의 출력 터미널을 통해 전송된 전송 전압의 파형을 형상화하고, 상기 제1 및 제2 IGBTs의 게이트를 구동하기 위한 구동 전압으로서 상기 전송 전압을 출력하기 위한 절연 구동 회로 수단

   을 포함하고,

   상기 절연 구동 회로 수단은:

   미리 설정된 임계 전압을 발생하기 위한 임계 전압 발생 수단;

   상기 전송 전압이 떨어질 경우, 상기 전송 전압이 상기 임계 전압보다 낮게 되는지를 검출하기 위한 검출 수단; 및

   상기 검출에 응답하여 상기 절연 트랜스포머의 출력 터미널을 단락시키기 위한 제1 스위칭 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 디바이스.
2. 제1항에 있어서,

   상기 임계 전압 발생 수단은 상기 전송 전압을 사용하는 상기 임계 전압을 발생하는 것을 특징으로 하는 전원 디바이스.
3. 제2항에 있어서,

   상기 검출 수단은,

   상기 임계 전압에 의해 충전되는 커패시터 수단, 및

   상기 전송 전압이 상기 커패시터 수단의 전압보다 낮게 되는 경우 상기 제1 스위칭 수단을 작동시키는 신호를 발생하기 위한 제어 신호 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 디바이스.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 출력 터미널들을 단락시키기 위해 절연 트랜스포머의 플라이백 전압(flyback voltage)에 의해 작동되는 제2 스위칭 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 디바이스.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1 IGBT 및 상기 제2 IGBT가 선택적으로 스위칭을 실행하는 것을 특징으로 하는 전원 디바이스.
6. 화상 형성 장치에 있어서,

   제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 정의된 화상 형성 장치용 전원 디바이스를 사용하는

   것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
7. 화상 형성 장치에 있어서,

   전자사진 방법(electrophotographic method)을 사용하고,

   정착 디바이스(fixing device)의 전원 디바이스로서 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 정의된 화상 형성 장치용 전원 디바이스를 사용하는

   것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
8. 화상 형성 장치의 정착 디바이스에 있어서,

   제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 정의된 화상 형성 장치용 전원 디바이스를 사용하는

   것을 특징으로 하는 화상 형성 장치의 정착 디바이스.
9. 전원 디바이스에 있어서,

   교류 전원;

   상기 교류 전원으로부터 발생된 교류 전류를 정류하기 위한 정류기;

   상기 교류 전원의 출력 전압을 검출하기 위한 검출 회로;

   상기 정류기의 출력에 의해 스위칭하는 IGBT; 및

   상기 검출 회로에 의해 검출되는 전압에 기초하여 상기 정류기의 출력을 단락시키기 위한 스위칭 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 디바이스.