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技術 画像形成装置

出願人 キヤノン株式会社
発明者 田淵英孝
出願日 2010年3月9日 (10年8ヶ月経過) 出願番号 2010-052023
公開日 2011年9月22日 (9年2ヶ月経過) 公開番号 2011-186233
状態 特許登録済
技術分野 電子写真における定着
主要キーワード 導電性発熱体 PWM発生回路 オフ幅 交流商用電源 コイルホルダ 負荷インダクタ 最大パルス幅 インダクタ値
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (13)

課題

導電性発熱体で構成される定着ローラ92の温度が上昇したときの定着ローラ92のインダクタンスの変化により共進周波数が高い値にシフトした際の、誘導コイルへの電力供給の効率低下を防止する。

解決手段

サーミスタ95で検知した定着ローラ92の温度が所定の温度Th以上になると、CPU10がPWM発生回路20へ設定するスイッチ素子駆動信号最小周波数をより高い周波数Fmin2に変更する。

概要

背景

一般に電子写真方式画像形成装置においては、熱と圧力を加えて紙などの記録材転写されたトナー像定着させるための定着器が備えられている。定着器の構成としては、従来セラミックヒーターハロゲンヒーター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等の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。

電磁誘導加熱方式の制御は、定着器に設けた励磁コイル高周波電流を供給するためのスイッチ素子PWM信号駆動信号で駆動している。電源内の共振コンデンサの容量と定着器の励磁コイルのインダクタンスとから決まる共振周波数共振点)以上の周波数範囲でPWM信号の駆動周波数を変化させることで電力制御を行っている。ウォームアップ時(電源投入時から設定した温調温度に入るまで)はCPUで設定された最大電力になるようにPWM駆動周波数を調整して電力制御を行い、目標温度に達すると、PWM駆動周波数を変化させて一定温度を保つようにする手法が存在する(例えば、特許文献1)。

概要

導電性発熱体で構成される定着ローラ92の温度が上昇したときの定着ローラ92のインダクタンスの変化により共進周波数が高い値にシフトした際の、誘導コイルへの電力供給の効率低下を防止する。サーミスタ95で検知した定着ローラ92の温度が所定の温度Th以上になると、CPU10がPWM発生回路20へ設定するスイッチ素子の駆動信号の最小周波数をより高い周波数Fmin2に変更する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

導電性発熱体誘導加熱方式により発熱させてシート転写されたトナー画像定着する定着装置を有する画像形成装置において、誘導加熱のための磁界を発生させるための誘導コイルと、前記誘導コイルに接続される共振コンデンサと、前記誘導コイルに電力を供給するスイッチ素子と、前記コイルへ供給すべき電力に応じて前記スイッチ素子を駆動するための駆動信号周波数を決定し、前記駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、前記駆動信号発生手段により発生される駆動信号の周波数が、前記誘導コイルと前記導電性発熱体のインダクタンスと前記共振コンデンサの容量とから決まる共振周波数よりも低くならないように、前記駆動信号の最小周波数を設定する設定手段と、前記導電性発熱体の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記設定手段は、前記温度検出手段により検出される温度が所定の温度よりも高い場合の前記駆動信号の最小周波数を、前記温度検出手段により検出される温度が前記所定の温度よりも低い場合の前記駆動信号の最小周波数よりも高く設定することを特徴とする画像形成装置。

請求項2

前記導電性発熱体は、キュリー温度以上で磁性を失う特性を有する磁性体で構成され、前記所定の温度は前記キュリー温度よりも低い温度であることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。

請求項3

前記所定の温度は、前記定着器がシートにトナー画像を定着する際の目標温度よりも低い温度であることを特徴とする請求項2記載の画像形成装置。

請求項4

前記設定手段は、前記温度検出手段により検出される温度が高くなるに応じて少なくとも2段階以上で前記駆動信号の最小周波数を高くすることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。

技術分野

0001

本発明は、画像形成装置誘導加熱方式定着装置に関するものである。

背景技術

0002

一般に電子写真方式の画像形成装置においては、熱と圧力を加えて紙などの記録材転写されたトナー像定着させるための定着器が備えられている。定着器の構成としては、従来セラミックヒーターハロゲンヒーター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等の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。

0003

電磁誘導加熱方式の制御は、定着器に設けた励磁コイル高周波電流を供給するためのスイッチ素子PWM信号駆動信号で駆動している。電源内の共振コンデンサの容量と定着器の励磁コイルのインダクタンスとから決まる共振周波数共振点)以上の周波数範囲でPWM信号の駆動周波数を変化させることで電力制御を行っている。ウォームアップ時(電源投入時から設定した温調温度に入るまで)はCPUで設定された最大電力になるようにPWM駆動周波数を調整して電力制御を行い、目標温度に達すると、PWM駆動周波数を変化させて一定温度を保つようにする手法が存在する(例えば、特許文献1)。

先行技術

0004

特開2000−223253号公報

発明が解決しようとする課題

0005

PWM制御を用いた電磁誘導加熱方式の制御では、PWM駆動周波数fに応じて電源の入力電力PWの関係が図12に示すように変化する。即ち、駆動周波数が共振周波数fpyのときに最大電力PWpを示し、共振周波数fpyを中心として高周波側及び低周波側に対して電力が減少する特性となっている。この特性を利用してPWM駆動信号の駆動周波数fを制御することによって、電力制御が可能となる。

0006

入力電力は共振周波数fpyで最大値を取る。共振周波数fpyが15〜20KHzとなるように共振コンデンサならびに定着器内コイル定数が決定される。定着器の負荷インダクタンス値をL1、共振コンデンサの容量値をC1とすると、共振周波数fpyは次式で表される。

0007

0008

PWM駆動信号の駆動周波数の範囲は一般的に20〜100KHzとされ、かつ共振周波数fpy以上で使われる。20KHz以下では駆動周波数が可聴域に入り騒音として感じられる問題があるため、最小駆動周波数を20KHzとしている。一方で、日本の電波法の関係から最大駆動周波数は100KHzとしている。ここで電力制御時において励磁コイルに供給される電力が目標電力PWoに達しない場合はPWM駆動信号の駆動周波数が最小周波数の状態で駆動し続ける。

0009

ところで、導電性発熱体である定着ローラとして、低温時では透磁率が大きく、温度が高くなると透磁率が小さくなる特性を有する合金を使用している場合、定着ローラが高温のときは負荷インダクタ値が小さくなる。従って、定着ローラが高温になると定着ローラの特性が変化し、共振周波数fpyが高くなる。このとき、駆動周波数を一定のままにしておくと、変動後の共振周波数fpyよりも駆動周波数が低くなってしまう。その結果、図12のように示すように、入力電力が減少してしまい、定着ローラの温度が目標温度に到達するまでの時間が長くなるとい問題が発生する。

0010

一方で、共振周波数の変化を見越して、定着ローラの温度が低い時から駆動周波数を高めにしておくと、低温時に目標電力を励磁コイルに供給することができなくなり、定着ローラが目標温度に達するまでの時間が長くなるという問題がある。

課題を解決するための手段

0011

上記の課題を解決するために、本発明の画像形成装置は、導電性発熱体を誘導加熱方式により発熱させてシートに転写されたトナー画像を定着する定着装置を有する画像形成装置において、誘導加熱のための磁界を発生させるための誘導コイルと、前記誘導コイルに接続される共振コンデンサと、前記誘導コイルに電力を供給するスイッチ素子と、前記コイルへ供給すべき電力に応じて前記スイッチ素子を駆動するための駆動信号の周波数を決定し、前記駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、前記駆動信号発生手段により発生される駆動信号の周波数が、前記誘導コイルと前記導電性発熱体のインダクタンスと前記共振コンデンサの容量とから決まる共振周波数よりも低くならないように、前記駆動信号の最小周波数を設定する設定手段と、前記導電性発熱体の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記設定手段は、前記温度検出手段により検出される温度が所定の温度よりも高い場合の前記駆動信号の最小周波数を、前記温度検出手段により検出される温度が前記所定の温度よりも低い場合の前記駆動信号の最小周波数よりも高く設定することを特徴とする。

発明の効果

0012

本発明によれば、導電性発熱体の温度が上昇して、その特性が変化することにより、共振周波数が高くなったとしても、誘導コイルへ供給する電力の効率の低下を極力防止することができ、導電性発熱体の温度を迅速に目標温度に到達させることができる。

図面の簡単な説明

0013

画像形成装置の構成を示す断面図。
定着器の構成を示す断面図。
第1の実施の形態における温度制御回路の構成図。
定着ローラの温度と負荷インダクタンスの関係を示す図。
定着ローラの温度が低い時の入力電力と駆動周波数の関係を示す図。
定着ローラの温度と入力電力と駆動周波数の関係を示す図。
定着ローラの温度と入力電力と駆動周波数の関係を示す図。
定着器の立上げ時の電力制御を示すフローチャート
定着器の温度制御を示すフローチャート。
第1の実施の形態における最小駆動周波数の決定処理を示すフローチャート。
第2の実施の形態における最小駆動周波数の決定処理を示すフローチャート。
駆動周波数と供給電力の関係を示す図。

実施例

0014

(第1の実施の形態)
図1は画像形成装置の概略構成図である。同図において、画像形成装置900は、イエロー(y)、マゼンタ(m)、シアン(c)、ブラック(k)の画像形成部を有する。イエローの画像形成部について説明する。感光体ドラム901yは反時計回りに回転しており、1次帯電ローラー902yにて感光体ドラム901yの表面を均一に帯電する。均一に帯電された感光体901yの表面にレーザーユニット903yからレーザー照射され、感光体901yの表面に潜像画像が形成される。形成された静電潜像現像器904yによりイエローのトナー現像される。そして感光体901y上で現像されたイエローのトナー画像は1次転写ローラー905yに電圧が加えられることにより、中間転写ベルト906の表面に転写される。

0015

同様にしてマゼンタ、シアン、ブラックのトナー画像が中間転写ベルト906の表面に転写される。こうして中間転写ベルト906には、イエローとマゼンタとシアンとブラックのトナーで形成されたフルカラーのトナー画像が形成される。そして、中間転写ベルト906に形成されたフルカラーのトナー画像は、2次転写ローラー907、908もニップ部において、カセット910から給紙されたシート913に転写される。2次転写ローラー907,908を通過したシート913は定着器911に搬送されて加熱・加圧され、シート913にフルカラー画像が定着される。

0016

図2は、電磁誘導加熱方式を用いた定着器911の概略構成を示す断面図である。定着ベルト92は、厚さ45μmの金属製の導電性発熱体で構成され、その表面は300μmのゴム層で覆われている。定着ベルト92は駆動ローラー93の回転をニップ部94から伝えることによって矢印方向に回転する。また、定着ベルト92に対向して電磁誘導コイル91がコイルホルダ90内に配置され、不図示の電源が電磁誘導コイル91に交流電流を流して磁界を発生させることで、定着ベルト92の導電性発熱体が自己発熱する。温度検出手段としてのサーミスタ95が定着ベルト92の発熱部に内側から当接しており、定着ベルト92の温度を検出している。

0017

図3は、第1の実施形態における電磁誘導加熱方式を用いた定着部の温度制御回路を示す図である。

0018

電源100は、ダイオードブリッジ101と平滑コンデンサ102、第1、第2のスイッチ素子103、104を有し、交流商用電源500からの交流整流平滑し、スイッチ素子103,104へ供給する。電源100は更に、電磁誘導コイル91とともに共振回路を形成する共振コンデンサ105、スイッチ素子103,104の駆動信号を出力する駆動回路112を有する。電源100は更に、入力電流Iinを検出する電流検出回路110、入力電圧Vinを検出する電圧検出回路111を備えている。入力電流Iin及び入力電圧Vinは電磁誘導コイル91に供給される電力に応じた値となる。CPU10は画像形成装置900の全体制御を司るものであり、定着器911内のベルト92の目標温度To及び共振周波数に相当するパルス幅を超えないPWMの最大パルス幅(上限値)ton(max)をPWM発生回路20へ設定する。CPU10は更に、スイッチ素子103、104の駆動信号の最小周波数fmin(最大パルス幅)、最大周波数fmax(最小パルス幅)及び定着器911で使用する最大電力をPWM発生回路20に設定する。この最小周波数Fminは、共振周波数であっても良いが、後述の駆動信号の周波数が共振周波数を下回らないように、安全を見越して、共振周波数よりも若干高い周波数になる。PWM発生回路20はサーミスタ95を用いて検出した定着ベルト92の表面温度検出値TH及び、電流検出回路110の電流検出値Is、電圧検出回路111の検出値VsをADコンバータ30を介して入力する。そして、PWM発生回路20は、検出値THと目標値との差分等に基づいて、駆動回路112が出力する駆動信号121、122のパルス幅に相当するPWM1及びPWM2を決定する。駆動回路112はPWM1及びPWM2の信号を駆動信号121及び122にレベル変換する。即ち、PWM発生回路20及び駆動回路112は、駆動信号発生手段として機能する。スイッチ素子103と104は駆動信号121、122に従って交互にオンオフされ、電磁誘導コイル91に高周波電流ILを供給する。なお、駆動信号121,122のパルスオン幅オフ幅とは等しく、駆動信号121のパルスのオン幅と駆動信号122のパルスのオン幅も等しく設定され、デューティー比は50%となる。従って、パルスのオン幅を広げるとオフ幅も同じだけ広がり、駆動信号の周波数が低くなる。高周波電流ILの増減は発生する磁場の強さに比例し、高周波電流ILが増減すると導電性発熱体の発熱量も増減する。これにより、PWM発生回路20は、高周波電流ILの周波数(パルス幅)を調整することにより定着ベルト92の温度を制御することができる。

0019

操作部400は、操作者の指示を受け付けるためのキーや情報の表示を行う表示器を有している。

0020

PWM信号のパルス幅と入力電流Iin又は電磁誘導コイル91に流れる高周波電流ILの関係を図4に示す。入力電流Iinは、電磁誘導コイル91及び定着ベルト92のインダクタンス値と共振コンデンサ105の容量値から決まる共振周波数のパルス幅よりも狭いパルス幅の範囲で、パルス幅が広がると増加し、狭まると減少する。即ち、最小周波数以上の周波数において、駆動信号の周波数が低くなると入力電流Iinが増加し、周波数が高くなると入力電流Iinが減少する。電磁誘導コイル91に流れる高周波電流ILも同様である。高周波電流ILの増減は発生する磁場の強さに比例し、高周波電流ILが増減すると導電性発熱体の発熱量も増減する。これにより、PWM発生回路20は、高周波電流ILの周波数(パルス幅)を調整することにより定着ベルト92の温度を制御することができる。

0021

定着ローラ92は、キュリー温度(例えば230℃)を有する整磁合金磁性体)で形成されている。整磁合金は温度が上昇し、キュリー温度に達すると急激に磁性が低下する特性を持っている。ここで、キュリー温度とは磁性体が磁性を完全に失う温度である。磁性体において、低温では同一方向に整列していた原子磁気モーメントは、温度を上げると熱エネルギーの影響で方向が揺らぎ始める。そのため、全体の磁気モーメントが少しずつ減少する。さらに温度を上げると磁化の減少が急激に進行し、キュリー温度以上では磁気モーメントの方向が完全にバラバラになり、自発磁化が0となる。定着ローラ92の温度が変化すると、電源から見た定着ローラ92の負荷インダクタンスが図4のように変化する。定着ローラ92の温度がキュリー温度Tcよりも低い温度Th未満の時は定着ローラ92が磁性を保っているため、電源装置100から見た定着ローラ92の負荷インダクタンスは15〜20μHである。定着ローラ92が加熱されて、温度が温度Thに近づくにつれ電源装置100から見た定着ローラ92の負荷インダクタンスは徐々に減少する。そして、温度Th付近で電源装置100から見た定着ローラ92の負荷インダクタンスが急激に下がる。キュリー温度Tcを越えた後は電源装置100から見た定着ローラ92の負荷インダクタンスはほぼ一定の値に収束する。

0022

定着ローラ92の温度が温度Th未満の時の入力電力と駆動周波数の関係を図5に示す。駆動周波数の最小値Fmin1に固定している場合、このときの共振周波数fpy1は最小周波数Fmin1よりも小さくなる。なお、温度Thは、定着器がシートにトナー画像を定着する際の目標温度よりも低い温度である。従って、定着ローラ92の温度が定着のための目標温度に到達する過程で、定着ローラ92のインダクタンスが急激に低下する。

0023

定着ローラ92の温度が温度Th以上のときの入力電力と駆動周波数の関係を図6に示す。図4に示すように温度Th付近では電源装置100から見た定着ローラ92のインダクタンスが低下しているため、このときの共振周波数fpy2は駆動周波数の最小値Fmin1よりも大きくなる。その結果、電源装置100第1、第2のスイッチ素子103,104が最小周波数Fmin1で駆動すると、共振周波数fpy2以下で動作することとなり、電源装置100への入力電力が減少し、定着ローラ92が目標温度に到達する時間が長くなる。

0024

そこで、本実施形態においては、サーミスタ95で検出される温度に応じてPWM信号1,2の最小周波数を変更することを考える(図7)。

0025

PWM発生回路20による定着器の立上げ時の温度制御回路の制御動作図8のフローチャートを用いて説明する。図8は電磁誘導コイル91へ供給する電力を制御する時の周波数制御を表わしている。なお、以下の説明でフローチャートのステップをSで表わす。

0026

PWM発生回路20は、サーミスタ95で検出した温度Tが目標温度To以上か否かを判断し(S4000)、検出温度Tが目標温度To以上であれば、後述の温度制御へ移行する。検出温度Tが目標温度To未満であれば、PWM発生回路20は、電圧検出回路111、電流検出回路110の出力Vs,Isから求められる入力電力PWと目標電力PWoを比較する(S4001、S4002)。PW>PWoの場合、PWM発生回路20は、PWM信号1,2の駆動周波数をある所定の値faだけ上げた値が最大周波数Fmaxを越えるか否かを判断し(S4005)、越えなければ所定値faだけ周波数を高くする(S4008)。一方、最大周波数を超える場合、PWM発生回路20は、駆動周波数をFmaxに設定する(S4009)。PW<PWoの場合、CPU400は、駆動周波数を所定値fbだけ減少させた値が最小周波数Fminよりも低くなるか否かを判断し(S4004)、最小周波数Fminよりも小さくならなければ、所定値fbだけ周波数を下げる(S4006)。一方、最小周波数よりも小さくなる場合、PWM発生回路20は、駆動周波数をFminに設定する(S4007)。PW=PWoの場合、PWM発生回路20は、駆動周波数を維持する(S4003)。画像形成装置の電源オン時等の定着器の立上げ時は、定着器への供給電力が非常に多くなるので、供給目標電力を越えない様に、電力を比較しながら駆動周波数を決定している。

0027

なお、PWM発生回路20は、ソフトウェアによる制御ではなく、ハードウェアロジックによる制御であっても良い。

0028

次に、温度制御時の周波数制御を図9のフローチャートを用いて説明する。PWM発生回路20は、サーミスタ95で検出される定着ベルト92の温度Tと目標温度Toを比較する(S5001、S5002)。T>Toの場合、PWM発生回路20は、PWM信号1,2の駆動周波数をある所定の値faだけ上げた値が最大周波数Fmaxを越えるか否かを判断し(S5005)、越えなければ所定値faだけ周波数を高くする(S5008)。一方、最大周波数を超える場合、PWM発生回路20は、駆動周波数をFmaxに設定する(S5009)。T<Toの場合、PWM発生回路20は、駆動周波数を所定値fbだけ減少させた値が最小周波数Fminよりも低くなるか否かを判断し(S5004)、最小周波数Fminよりも小さくならなければ、所定値fb周波数を下げる(S5006)。一方、最小周波数よりも小さくなる場合、PWM発生回路20は、駆動周波数をFminに設定する(S5007)。T=Toの場合、PWM発生回路20は、駆動周波数を維持する(S5003)。

0029

続いて、最小周波数Fminを変更する動作について図10を用いて説明する。

0030

まず、CPU10は、PWM信号1,2の最小周波数をFmin1に設定し、PWM発生回路20に通知する(S602)。CPU10は、常に定着ベルトの温度をモニタしており、定着ベルト92の温度が所定温度Th以上になったか否かを判断する(S603)。この所定温度Thは、最小周波数を切り替えるための閾値となる温度であり、目標温度Toよりも低い。定着ローラ92が加熱され、定着ローラ92の温度がThになるまでは、CPU10は、最小周波数をFmin1に維持する(S604)。定着ローラ92の温度がTh以上になると、CPU10は、最小周波数をFmin2(>Fmin1)に変更し、変更した最小周波数をPWM発生回路20へ通知する(S606)。PWM発生回路20は。CPU20から通知されている最小周波数よりも低くならないようにPWM信号1,2の周波数を決定する。

0031

ここでFmin2は定着ローラ92の温度がThのときの定着ローラ92の負荷インダクタンスと共振コンデンサ105の容量とから決定される共振周波数fpyを下回らない値に設定される。定着ローラ92の温度上昇に伴い、PWM信号1,2の最小周波数Fminを変化させることで、スイッチ素子103,104を共振周波数fpy以上でスイッチング動作させることが可能となる。

0032

以上のようにすることで、動作中は常に駆動信号121,122の駆動周波数が共振周波数以上となり、定着ベルト92の温度が上昇して特性が変化したとしても、電源装置100の入力電力が減少する問題を回避することができる。

0033

(第2の実施の形態)
第2の実施形態では、最小周波数を切り替える温度をTh1とTh2の2段階にした場合について示す。最小周波数を切り替える処理以外は第1の実施形態と同じなので、ここでは最小周波数を切り替える動作について説明する。

0034

最小周波数を切り替えるCPU10の動作について図11を用いて説明する。まず、CPU10は、最小周波数をFmin1に設定し、PWM発生回路20へ通知する(702)。定着ローラ92が加熱され、CPU10は、常に定着ベルトの温度をモニタしており、定着ベルト92の温度が所定温度Th以上になったか否かを判断する(S703)。CPU10は、定着ベルト92の温度が所定の温度Th1を超えるまではPWM信号1,2の最小周波数の設定値をFmin1に維持する(ステップ704)。定着ベルト92の温度がTh1以上の場合、CPU10は、定着ベルト92の温度がTh2以上か否かを判断する(S710)。定着ベルト92の温度がTh2未満であれば、CPU10は、最小周波数をFmin2(>Fmin1)に設定し、PWM発生回路20へ通知する(S711)。定着ベルト92の温度がTh2以上であれば、CPU10は、最小周波数をFmin3(>Fmin2)に設定し、PWM発生回路20へ通知する(S713)。

0035

ここでFmin2,3はそれぞれ、定着ローラ92の温度がTh1,Th2の時の定着ローラ92のインダクタンスと共振コンデンサ105の容量とから決定される共振周波数fpy1、fpy2を下回らない値に設定される。

0036

最小周波数の切替を3段階としたことにより、第1の実施形態に比べてより細かな電力制御が可能となる。なお、最小周波数の切替の段階は4段階以上であっても良い。

0037

10 CPU
20パルス発生回路
91電磁誘導コイル
92定着ローラ
95サーミスタ
100電源装置
103スイッチ素子
104 スイッチ素子
105 共振コンデンサ

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