電源装置、定着装置、画像形成装置
【課題】低コストで適切な温度制御を行うことが可能な電源装置、定着装置、画像形成装置を提供する。
【解決手段】入力された直流電圧を所定の電圧として負荷側へ出力する出力コイルＬ１と、共振コンデンサＣ１とから構成される電圧共振回路と、出力コイルへの通電制御を行うスイッチング素子１１とを有する電源装置において、出力コイルＬ１に並列に補助共振回路４５を接続することにより、スイッチング制御を行う電源制御回路を用いずにスイッチング損失を低減させる。
【解決手段】入力された直流電圧を所定の電圧として負荷側へ出力する出力コイルＬ１と、共振コンデンサＣ１とから構成される電圧共振回路と、出力コイルへの通電制御を行うスイッチング素子１１とを有する電源装置において、出力コイルＬ１に並列に補助共振回路４５を接続することにより、スイッチング制御を行う電源制御回路を用いずにスイッチング損失を低減させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して負荷側へ出力する出力コイルと、前記出力コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路を有する電源装置、定着装置、画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電圧共振回路を有する電源装置では、電圧共振回路を構成する出力コイルを加熱コイルとして用いることで、電磁誘導により負荷に渦電流を発生させ、負荷自身を発熱させて加熱する電磁誘導加熱電源装置がある。
【０００３】
図１は、従来の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。
【０００４】
電磁誘導加熱電源装置１０は、整流回路２０、インバータ回路３０、電源制御回路４０、ドライブ回路５０を有する。
【０００５】
整流回路２０は、商用電源（ＡＣ１００Ｖ）より供給される交流電圧の電源ノイズを除去して整流し、さらに平滑化した直流電圧をインバータ回路３０へ提供する。
【０００６】
インバータ回路３０は、加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１を有し、スイッチング素子１１のスイッチングにより整流回路２０から提供される電圧を擬似高周波電圧へ変換する。インバータ回路３０では、スイッチング素子１１がオンのとき加熱コイルＬ１に電流がチャージされ、スイッチング素子１１がオフのとき共振コンデンサＣ１に電圧がチャージされる。電磁誘導加熱電源装置１０は、加熱コイルＬ１に電流を流すことで加熱コイルＬ１の近傍に配置された負荷６０に渦電流を発生させ、負荷６０自身を発熱させて加熱する。尚負荷６０は金属であり、渦電流により発熱する発熱体である。具体的には例えば、金属製の鍋などであっても良い。
【０００７】
電源制御回路４０は、インバータ回路３０により変換される擬似高周波電圧のゼロ地点を検出し、検出されたゼロ地点でスイッチング素子１１がスイッチングされるように制御する。また電源制御回路４０は、電磁誘導加熱電源装置１０が搭載された本体装置を制御する本体制御回路７０と接続されている。本体制御回路７０は、負荷６０の近傍に設けられた温度センサ８０により負荷６０の温度を検出する。本体制御回路７０は、検出された温度に基づき負荷６０を所望の温度にすべく、スイッチング素子１１の制御信号を電源制御回路４０へ出力する。
【０００８】
したがって電源制御回路４０は、擬似高周波電圧のゼロ地点でスイッチングしてスイッチング損失を低減しつつ、本体制御回路７０からの制御信号に基づき負荷６０の温度制御を行っている。ドライブ回路５０は、電源制御回路４０からの制御信号に基づきスイッチング素子１１を動作させる。
【０００９】
このような電磁誘導加熱電源装置に関する技術として、例えば特許文献１には、加熱対象の直近に配置した電気コイルおよびそれに接続した共振用コンデンサを含む共振回路に、スイッチング素子のオン／オフの繰返しにより、交流を整流した直流をチョッピング通電する誘導加熱方法、装置、定着装置及び画像形成装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２３７３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら上記従来の電磁誘導加熱を行う電源装置では、電源装置内にスイッチング素子のスイッチング制御を行う電源制御回路が必要となる。電源制御回路は通常マイクロコンピュータなどにより実現されるものであり、高コストである。
【００１１】
また温度制御の対象となる負荷の温度が急激に変化する場合、マイクロコンピュータを用いた制御では、温度変化に間に合うようにスイッチング制御を行うために複雑な制御が必要となる。このため負荷の適切な温度制御を行う際にさらなる高コスト化が予想される。
【００１２】
本発明は、上記事情を鑑みてこれを解決すべくなされたものであり、低コストで適切な温度制御を行うことが可能な電源装置、定着装置、画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。
【００１４】
本発明の電源装置は、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して負荷側へ出力する出力コイルと、前記出力コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、前記出力コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、前記出力コイルと並列に接続された補助共振回路とを有する構成とした。
【００１５】
また前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されても良い。
【００１６】
また前記負荷は、前記出力コイルの近傍に配置されており、前記出力コイルは、前記負荷に前記昇圧された電圧に基づく電磁誘導により渦電流を発生させて前記負荷を加熱する構成としても良い。
【００１７】
また前記スイッチング手段は、前記負荷の温度に基づきオン／オフが制御される構成としても良い。
【００１８】
また前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されても良い。
【００１９】
本発明は、トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体へ定着させる定着装置において、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有する構成とした。
【００２０】
本発明は、トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体に定着させて画像を形成する画像形成装置において、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有する構成とした。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低コストで適切な温度制御を行うことが可能な電源装置、定着装置、画像形成装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の電源装置では、入力された直流電圧を所定の電圧として負荷側へ出力する出力コイルと、共振コンデンサとから構成された電圧共振回路の出力コイルに、並列に接続された補助共振回路を有する。
【００２３】
以下の説明では、出力コイルを加熱コイルとし、負荷を電磁誘導により加熱する電磁誘導加熱方式に本発明の電源装置を適用した場合について説明する。尚電磁誘導加熱方式に適用された本発明の電源装置を以下の説明では電磁誘導加熱電源装置と呼ぶ。本発明の電磁誘導加熱電源装置は、コイルとコンデンサとが直列接続された補助共振回路を有する構成により、スイッチング制御を行う電源制御回路を用いずに適切な温度制御を行いつつスイッチング損失を低減する。
【００２４】
以下に、本発明の実施形態の説明に先立ち、図１で説明した電磁誘導加熱電源装置１０で行われるスイッチング制御についてさらに説明する。
【００２５】
電磁誘導加熱電源装置１０は、例えば電磁誘導加熱方式のクッキングシステム等に用いられる電源装置である。電磁誘導加熱電源装置１０は、負荷６０（例えば金属製の鍋等の調理器具）を加熱するための加熱コイルＬ１を備え、加熱コイルＬ１に電流を流すことで負荷６０に渦電流を発生させ、この渦電流により負荷６０自身を発熱させて加熱する。よって負荷６０の温度は、加熱コイルＬ１を流れる電流に依存する。そこで電磁誘導加熱電源装置１０は、負荷６０の温度検出を行う本体制御回路７０からの制御信号に基づき出力電力を制御して、加熱コイルＬ１に流す電流を制御する。
【００２６】
電磁誘導加熱電源装置１０の出力電力は、加熱コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とから構成される電圧共振回路の駆動周波数を共振周波数近傍から離すことにより、昇圧比を変化させて制御することができる。しかしながら駆動周波数を変化させて電力制御を行う場合、電圧共振回路のＱ（Quality factor）が下がりスイッチング損失が大きくなる。
【００２７】
そこで電磁誘導加熱電源装置１０では、電力制御を行う際に、電源制御回路４０を用いてスイッチング損失を低減させるスイッチング制御を行っている。以下に、電源制御回路４０によるスイッチング制御について説明する。
【００２８】
電磁誘導加熱電源装置１０では、比較的大きな電力を取り扱うため、スイッチング素子１１には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が使用される。図２は、スイッチング素子１１の構成を示す図である。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタである。ＩＧＢＴは、ゲート・エミッタ間の電圧で駆動され、入力信号によりオン／オフできる自己消弧形であり、大電力のスイッチングが可能な半導体素子である。ＩＧＢＴは、ＦＥＴ（Field effect transistor）と比較して大きな電力をスイッチングすることができる。
【００２９】
図３は、スイッチング素子１１のスイッチングを説明する図である。
【００３０】
電磁誘導加熱電源装置１０において電源制御回路４０は、スイッチング素子１１のコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃを監視し、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０となるタイミングを検出する。電源制御回路４０は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０のときスイッチング素子１１のオン／オフを切り替える。この状態でスイッチングを行えば、電流と電圧の過渡交差は発生せず、スイッチング損失のない動作を行うことができる。
【００３１】
図３（Ａ）は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０になる前にスイッチング素子１１がオフからオンへ切り替えられた場合の波形図の一例である。図３（Ａ）に示す例では、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが重なる部分が生じるため、スイッチングの際に損失が生じる。スイッチングの際に損失が生じると、スイッチング素子１１が発熱し、破損する虞がある。
【００３２】
図３（Ｂ）は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０になった状態でスイッチングされた場合の波形図の一例である。図３（Ｂ）に示す例では、スイッチングの際に損失が発生しない。図３（Ｃ）は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０になってもスイッチングされない場合の波形図の一例である。この場合、スイッチング素子１１の寄生ダイオードＤ１に逆方向の電流が流れ、損失となる。
【００３３】
電源制御回路４０は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０になるタイミングを検出し、検出したタイミングでスイッチングすることにより、スイッチング損失をなくす制御を行っている。すなわち電磁誘導加熱電源装置１０のスイッチング素子１１は、図３（Ｂ）に示される波形となるようにオン／オフが制御される。
【００３４】
本発明では、以上に説明したような電源制御回路４０によるスイッチング制御を行わなくてもスイッチング損失が発生しない電源装置を提供することができる。
（第一の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図４は、第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。図４において、図１で説明した電磁誘導加熱電源装置と同様の構成を有するものには図１の説明で用いた符号と同様の符号を付与する。
【００３５】
電磁誘導加熱電源装置１００は、整流回路２０、インバータ回路３５、ドライブ回路５０を有する。本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００は、電源制御回路４０の代わりに、インバータ回路３５内に補助共振回路４５を有する。
【００３６】
整流回路２０は、商用電源（ＡＣ１００Ｖ）より供給される交流電圧の電源ノイズを除去して整流し、さらに平滑化した直流電圧をインバータ回路３５へ提供する。
【００３７】
インバータ回路３５は、加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１、補助共振回路４５を有する。加熱コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とは並列に接続されており、電圧共振回路を構成する。スイッチング素子１１は、加熱コイルＬ１への通電を制御する。補助共振回路４５は、加熱コイルＬ１と並列に接続されており、コイルＬ２及びコンデンサＣ２が直列に接続されて構成されている。加熱コイルＬ１の近傍には、加熱コイルＬ１により加熱対象される負荷６０が設けられている。
【００３８】
スイッチング素子１１はＩＧＢＴであり、ドライブ回路５０によりドライブされる。Ｄ１はスイッチング素子１１の寄生ダイオードである。ドライブ回路５０は、後述する本体制御回路７０と接続されており、本体制御回路７０からの制御信号に基づきスイッチング素子１１を動作させる。
【００３９】
本体制御回路７０は、電磁誘導加熱電源装置１００が搭載された本体装置（図示せず）を制御する。また本体制御回路７０は、負荷６０の近傍に設けられた温度センサ８０により負荷６０の温度検出を行う。本体制御回路７０は、検出された負荷６０の温度に基づきドライブ回路５０へスイッチング素子１１の制御信号を出力し、負荷６０を所望の温度にする制御を行う。
【００４０】
本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、補助共振回路４５を有する構成により、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０になるタイミングでスイッチング素子１１のオン／オフを行うことができる。
【００４１】
以下に、図５を参照して本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチングについて説明する。図５は、第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチングを説明する図である。
【００４２】
本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、補助共振回路４５のコイルＬ１のインダクタンスにより、スイッチング素子１１のコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅの波形のピーク値を高くすることができる。したがって本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、スイッチング時の電圧波形と電流波形の重なる部分を低減させてスイッチング損失を低減することができる。
【００４３】
図５に示すコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅの波形Ｈ１は、補助共振回路４５がない場合の電圧波形である。補助共振回路４５がない場合、スイッチング素子１１は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０になる前にオンになるため、波形Ｈ１とコレクタ電流Ｉｃの電流波形とが重なり、スイッチング損失が発生している。
【００４４】
これに対しコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅの波形Ｈ２は、補助共振回路４５を設けた本実施形態の電圧波形である。本実施形態では、補助共振回路４５を設けることにより、波形Ｈ２のピーク値Ｐ２を波形Ｈ１のピーク値Ｐ１よりも高くする。よって波形Ｈ２は、波形Ｈ１よりもせん鋭度の高い波形となり、波形Ｈ１と比べてコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅがゼロのなるタイミングが早くなる。このため本実施形態では、波形Ｈ２と電流波形の重なる部分を低減、或いはなくすことができる。
【００４５】
本実施形態の補助共振回路４５は、電磁誘導加熱電源装置１００の加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１の特性に合わせて設計される。例えば本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００において、補助共振回路４５が設けられる前の電圧波形が波形Ｈ１であれば、補助共振回路４５を設けたときに電圧波形が波形Ｈ２となるように、補助共振回路４５を設計すれば良い。
【００４６】
補助共振回路４５の設計は、例えば設計シミュレーションプログラムなどを用いて行っても良い。図６は、電磁誘導加熱電源装置１００をシミュレーションプログラムにより設計した場合のシミュレーション回路の波形を示す図である。
【００４７】
図６に示す波形では、電圧波形と電流波形との重なりがなく、スイッチング損失が発生していないことがわかる。尚本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０となってからゲート電圧Ｖｇがハイレベル（スイッチング素子１１がオン）になるまでに、期間Ｔ１を設けるように補助共振回路４５を設計している。
【００４８】
本実施形態の補助共振回路４５では、この期間Ｔ１が加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１の特性に対して適切な期間となるように設計されることが好ましい。
【００４９】
以下に、適切な期間Ｔ１について説明する。
【００５０】
本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、負荷６０の温度を所望の温度に加熱する温度制御を行う。負荷の温度制御は、電磁誘導加熱電源装置１００が搭載された本体装置を制御する本体制御回路７０により行われる。尚本体装置とは、例えば電磁誘導加熱電源装置１００を搭載したクッキングシステム装置や、電磁誘導加熱方式による画像の定着を行う画像形成装置などである。
【００５１】
本体制御回路７０は、負荷６０の温度に基づき電磁誘導加熱電源装置１００の電力制御を行うことで、負荷６０の温度制御を行う。本体制御回路７０による電力制御は、スイッチング素子１１のオン／オフのデューティを変化させることにより行う。ここで本実施形態において、電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチング制御が電圧波形が０になった時点でスイッチングする制御となっていた場合、デューティを変化させて電力制御を行うと電圧波形と電流波形が重なることが予測できる。
【００５２】
例えば電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチング素子１１が、図３（Ｂ）に示す波形となるように制御されていた場合、スイッチング素子１１のオン時間を長くするようにデューティを変化させると、電圧波形と電流波形が重なりスイッチング損失が発生する。
【００５３】
そこで本実施形態の補助共振回路４５は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０となってからゲート電圧Ｖｇがハイレベルになるまでの期間Ｔ１を設けるように設計した。本実施形態では、この期間Ｔ１を有することにより、デューティの変化による電力制御を行った場合にも電圧波形と電流波形との重なりを低減させる、或いはなくすことができる。尚本実施形態の期間Ｔ１は、スイッチング素子１１の寄生ダイオードＤ１に流れる逆電流による損失が無視できる範囲となるように設計されるものとした。
【００５４】
このように、本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００によれば、補助共振回路４５を設けることにより、電源制御回路を使用せずにスイッチング損失を低減させることができる。また本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、補助共振回路４５により電圧共振回路のリアクタンス成分を調整することでスイッチング損失を低減させている。このため、スイッチング時にコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０となる点を検出する必要がない。よって本実施形態では、負荷６０の温度が急激に変化する場合でも、特別な制御を必要とせずにスイッチング損失を低減させる、或いはなくすことができる。このように本実施形態によれば、低コストで適切な温度制御を行うことが可能な電源装置を提供することができる。
（第二の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。本発明の第二の実施形態では、第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００が搭載された定着装置を有する画像形成装置について説明する。
【００５５】
図７は、電磁誘導加熱電源装置が適用された画像形成装置ＧＫの断面図である。尚電磁誘導加熱電源装置１００が適用される画像形成装置は、図７に示すタイプの装置には限定されない。例えば電磁誘導加熱電源装置１００は、単一色画像を作成するものだけに適用されても良く、カラー画像を形成するものだけに適用されても良い。また電磁誘導加熱電源装置１００は、更には、画像形成装置以外の各種装置にも適用可能である。
【００５６】
図７に示す画像形成装置ＧＫは、像担持体の一例であってドラム形状を有する回転体である電子写真感光体（以下、単に感光体という）１７１を備え、この感光体１７１の周りに、図中に矢印で示す回転方向に順次、帯電ローラからなる帯電装置１７２、露光手段の一部を構成するミラー１７３、現像ローラ１７４ａを備えた現像手段１７４、転写紙、記録紙等のシート状の記録材Ｐに現像された画像（トナー像）を転写する転写部材１７８、感光体１７１の周面に摺接するブレード１７６ａを具備したクリーニング手段１７６等が配置してある。そして、帯電装置１７２と現像ローラ１７４ａとの間において、感光体１７１にはミラー１７３を介して露光光Ｌｂを露光照射して走査するようになっている。この露光光Ｌｂの照射位置を露光部１８１と称する。
【００５７】
転写部材１７８が感光体１７１の下面と対向する部位は、記録材Ｐにトナー像が転写される公知の転写部１７７となっており、この転写部１７７より給紙方向上流側には一対のレジストローラ１７９が設けてある。これらレジストローラ１７９には、何れかの給紙トレイ１８２に収納した転写紙等のシート状の記録材Ｐが、給紙コロ群１８３のコロによって送り出され、搬送ガイドおよび搬送ローラ群（符号を付していない）に案内されながら搬送されてくる。また、転写部１７７より給紙方向下流の位置には、定着装置２００が配置されており、定着装置２００より給紙方向下流側には両面記録実行時に転写紙の表裏を反転させ記録済みの紙面を下向きにして転写部１７７に再給紙する自動両面装置１８４が配置されている。
【００５８】
次に画像形成装置ＧＫによる画像形成について説明する。まず装置上部側では、感光体１７１が回転を始める。この回転中に感光体１７１が暗中において帯電装置１７２により均一に帯電され、作成すべき画像に対応する露光光Ｌｂが露光部１８１により照射および走査されて、作成すべき画像に対応した潜像が感光体１７１上に形成される。この潜像は感光体１７１の回転により現像装置１７４に近接したとき、ここでトナーにより可視像（顕像）化されて、感光体１７１に担持されたトナー像となる。
【００５９】
一方、装置下部側では、何れかの給紙トレイ１８２の給紙コロ群１８３により、複数の給紙トレイ１８２のうちいずれか一つから記録材Ｐを呼び出し、例えば図中に破線で示すような所定の搬送経路を経て一対のレジストローラ１７９の位置まで搬送する。そして記録材Ｐの搬送を一旦停止させ、感光体１７１上のトナー像が転写部１７７で記録材Ｐの所定位置に対向するようなタイミングで送り出す。すなわち、好適なタイミングが到来すると、レジストローラ１７９の位置で停止していた記録材Ｐをレジストローラ１７９で送り出し、転写部１７７に向けて搬送する。
【００６０】
感光体１７１上のトナー像とこのトナー像が転写されるべき記録材Ｐの所定位置とは、その位置が転写部１７７で合致し、転写部材１７８による電界により、トナー像は記録材Ｐ上に吸引され転写される。こうして感光体１７１周りの画像形成部でトナー像を転写され担持した記録材Ｐは、定着装置２００に向けて送り出される。そして、記録材Ｐ上のトナー像が、定着装置２００を通過する間に加熱、加圧されて記録材Ｐに定着された後、記録材Ｐは排紙部に排紙される。
【００６１】
また、記録材Ｐの両面に画像形成をする場合、図示しない分岐爪により自動両面装置１８４に排紙された記録材Ｐが、自動両面装置１８４でスイッチバック反転され、レジストローラ１７９の手前の搬送経路に搬送される。なお、転写部１７７で転写されずに感光体１７１上に残った残留トナーは、感光体１７１の回転と共にクリーニング装置１７６に至り、このクリーニング装置１７６を通過する間に感光体１７１上から清掃・除去され、次の画像形成に移行可能となる。
【００６２】
次に、定着装置２００について説明する。定着装置２００は、一対のローラを採用した定着方式を採用した構成である。このため定着装置２００には、定着ローラを加熱するための熱源を備え、この定着ローラに加圧ローラが当接、押圧している。本実施形態の定着装置２００には、定着ローラを加熱するための熱源として第一の実施形態で説明した電磁誘導加熱電源装置１００が搭載されている。
【００６３】
図８は、画像形成装置ＧＫに用いるローラ方式の定着装置２００の概念的構成の断面図である。
【００６４】
定着装置２００は、磁束発生部２１０、定着ローラ２２０、加圧ローラ２３０を有する。定着ローラ２２０は熱源により加熱される発熱回転体であり、加圧ローラ２３０は加圧回転体である。また図８に示すＰは記録材、Ｔは記録材Ｐ上に載ったトナーである。
【００６５】
磁束発生部２１０では、コイル２１１が加熱コイルとして、電磁誘導加熱電源装置１００の有するインバータ回路（図示せず）により高周波駆動される。定着装置２００では、この高周波磁界により主に金属性の定着ローラ２２０に渦電流を発生させてローラ温度を上昇させている。図中、２１２は足コア、２１３はセンターコア、２１４はアーチコアであり、コイル２１１はアーチコア２１４と定着ローラ２２０の間に位置している。
【００６６】
図９は、定着ローラ２２０の一部を拡大した断面図である。定着ローラ２２０は、直径が例えば４０ｍｍで、最も内側に消磁層（芯金）２２０Ａを備え、その外側に、矢印で示すように記録材Ｐの画像面側に向かって、空気による断熱層２２０Ｂ、整磁層２２０Ｃ、酸化防止層２２０Ｄ１、発熱層２２０Ｅ、酸化防止層２２０Ｄ２、弾性層２２０Ｆ、そして表層である離型層２２０Ｇから構成される。
【００６７】
消磁層２２０Ａは、例えばアルミニウムまたはその合金、空気による断熱層２２０Ｂは例えば５ｍｍ程度の間隙とする。整磁層２２０Ｃには公知かつ適宜の整磁合金（例えば厚さ５０μｍ）、酸化防止層２２０Ｄ１、２２０Ｄ２にはニッケルストライクメッキ（例えば厚さ１μｍ以下）、発熱層２２０ＥにはＣｕメッキ（例えば厚さ１５μｍ）、弾性層２２０Ｆにはシリコーンゴム（例えば厚さ１５０μｍ）、そして、離型層２２０ＧにはＰＦＡ（厚さ３０μｍ）が用いられる。すなわち、整磁層２２０Ｃから離型層２２０Ｇの表面までの厚さは例えば２００〜２５０μである。尚これらはすべて一例である。
【００６８】
消整磁層２２０Ｃは、キュリー点が例えば１００〜３００℃になるように形成された磁性体（例えば鉄、ニッケルを含む整磁合金材料）からなり、加圧ローラ２３０の押圧により変形しニップを形成するように構成してある。この整磁層２２０Ｃの存在により、発熱層２２０Ｅ等の過熱が防止される。また、定着ローラ２２０側が凹形状となるニップを形成しやすいため、記録材Ｐの分離性を優れたものとし得る。なお、もちろん、加圧ローラ２３０の押圧により変形するのは、図示の例では芯金２２０Ａ以外の、整磁層２２０Ｃ〜離型層２２０Ｇである。
【００６９】
図１０は、加熱された定着ローラ２２０の断面図である。図１０（Ａ）は、太目の実線の矢印はコイル２１１からの誘導磁束、細目の実線の矢印は渦電流を示す（図１０（Ｃ）参照）。図１０（Ａ）では、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金層の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ未満のため、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金が磁性体のままの状態となっている。よって、電磁誘導加熱電源装置１００によりコイル２１１を駆動して定着ローラ２２０に発生させた誘導磁束が整磁層２２０Ｃを非透過あるいは断熱層２２０Ｂを非透過となっている。すなわち、キュリー点未満で整磁層２２０Ｃが磁束を透過させず、誘導磁束が芯金３Ａに届いていない状態となっている。
【００７０】
一方、図１０（Ｂ）は、誘導磁束が整磁層２２０Ｃ、断熱層２２０Ｂを透過して消磁層（芯金）２２０Ａに届いている状態を示している。図中点線の矢印は、アルミニウムまたはその合金製の消磁層２２０Ａからの誘導磁束である（図１０（Ｃ）参照）。図１０（Ｂ）では、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金層の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃより高いため、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金の磁性が失われて非磁性体となり、断熱層２２０Ｂの存在にもかかわらず、誘導磁束が消磁層（芯金）２２０Ａに届いている状態となっている。
【００７１】
すなわち磁性体（上述した発熱層の機能をも含む）である整磁層２２０Ｃは、キュリー点に達するまではほぼ瞬時に昇温し、キュリー点に達すると磁性を失い昇温しなくなり、一定の温度を保持する。よって整磁層２２０Ｃをなす素材のキュリー点が、この種の定着装置において現れる温度である１００〜３００℃になるように形成した磁性体で構成しておけば、定着ローラ２２０の発熱層２２０Ｅや消磁層（芯金）２２０Ａが過熱することが無くなり、定着温度に保持できるようになる。
【００７２】
そこで定着装置２００に搭載された電磁誘導加熱電源装置１００は、整磁層２２０Ｃが定着温度を保持するように温度制御を行う。すなわち電磁誘導加熱電源装置１００は、画像形成装置ＧＫ本体を制御する本体制御回路（図示せず）により、定着ローラ２２０の近傍に配置された温度センサ（図示せず）から定着ローラ２２０の温度を検出し、検出した温度に基づきスイッチング素子１１のオン／オフのデューティを制御する。
【００７３】
尚本実施形態の定着装置２００では、定着ローラ２２０の温度が例えば１６０℃〜１８０℃となるように、定着ローラ２２０の温度制御を行っている。このとき電磁誘導加熱電源装置１００は、画像形成装置ＧＫ本体を制御する本体制御回路からの信号に基づきスイッチング素子１１のオン／オフのデューティを変化させる制御のみを行えば良い。
【００７４】
このように本実施形態の画像形成装置ＧＫでは、定着装置２００の有する定着ローラ２２０の加熱源として電磁誘導加熱電源装置１００を用いることにより、画像形成装置ＧＫの有する本体制御回路によるスイッチング素子１１のオン／オフのデューティ制御のみで定着ローラ２２０の温度制御を適切に行うことができる。したがって画像形成装置ＧＫは、電磁誘導加熱電源装置１００を制御するための電源制御回路を必要としない。また本実施形態の画像形成装置ＧＫでは、定着装置２００のコイル２１１等の仕様を変更せずにスイッチング素子１１のスイッチング損失を低減させることができる。
【００７５】
このように本実施形態によれば、低コストで適切な温度制御を行うことができる。
【００７６】
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】従来の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。
【図２】スイッチング素子１１の構成を示す図である。
【図３】スイッチング素子１１のスイッチングを説明する図である。
【図４】第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。
【図５】第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチングを説明する図である。
【図６】電磁誘導加熱電源装置１００をシミュレーションプログラムにより設計した場合のシミュレーション回路の波形を示す図である。
【図７】電磁誘導加熱電源装置が適用される画像形成装置ＧＫを示す断面図である。
【図８】画像形成装置ＧＫに用いるローラ方式の定着装置２００の概念的構成の断面図である。
【図９】定着ローラ２２０の一部を拡大した断面図である。
【図１０】加熱された定着ローラ２２０の断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、１００ 電磁誘導加熱電源装置
１１ スイッチング素子
２０ 整流回路
３０、３５ インバータ回路
４０ 電源制御回路
４５ 補助共振回路
５０ ドライブ回路
６０ 負荷
７０ 本体制御回路
８０ 温度センサ
２００ 定着装置
２１０ 磁束発生部
２２０ 定着ローラ
２３０ 加圧ローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して負荷側へ出力する出力コイルと、前記出力コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路を有する電源装置、定着装置、画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電圧共振回路を有する電源装置では、電圧共振回路を構成する出力コイルを加熱コイルとして用いることで、電磁誘導により負荷に渦電流を発生させ、負荷自身を発熱させて加熱する電磁誘導加熱電源装置がある。
【０００３】
図１は、従来の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。
【０００４】
電磁誘導加熱電源装置１０は、整流回路２０、インバータ回路３０、電源制御回路４０、ドライブ回路５０を有する。
【０００５】
整流回路２０は、商用電源（ＡＣ１００Ｖ）より供給される交流電圧の電源ノイズを除去して整流し、さらに平滑化した直流電圧をインバータ回路３０へ提供する。
【０００６】
インバータ回路３０は、加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１を有し、スイッチング素子１１のスイッチングにより整流回路２０から提供される電圧を擬似高周波電圧へ変換する。インバータ回路３０では、スイッチング素子１１がオンのとき加熱コイルＬ１に電流がチャージされ、スイッチング素子１１がオフのとき共振コンデンサＣ１に電圧がチャージされる。電磁誘導加熱電源装置１０は、加熱コイルＬ１に電流を流すことで加熱コイルＬ１の近傍に配置された負荷６０に渦電流を発生させ、負荷６０自身を発熱させて加熱する。尚負荷６０は金属であり、渦電流により発熱する発熱体である。具体的には例えば、金属製の鍋などであっても良い。
【０００７】
電源制御回路４０は、インバータ回路３０により変換される擬似高周波電圧のゼロ地点を検出し、検出されたゼロ地点でスイッチング素子１１がスイッチングされるように制御する。また電源制御回路４０は、電磁誘導加熱電源装置１０が搭載された本体装置を制御する本体制御回路７０と接続されている。本体制御回路７０は、負荷６０の近傍に設けられた温度センサ８０により負荷６０の温度を検出する。本体制御回路７０は、検出された温度に基づき負荷６０を所望の温度にすべく、スイッチング素子１１の制御信号を電源制御回路４０へ出力する。
【０００８】
したがって電源制御回路４０は、擬似高周波電圧のゼロ地点でスイッチングしてスイッチング損失を低減しつつ、本体制御回路７０からの制御信号に基づき負荷６０の温度制御を行っている。ドライブ回路５０は、電源制御回路４０からの制御信号に基づきスイッチング素子１１を動作させる。
【０００９】
このような電磁誘導加熱電源装置に関する技術として、例えば特許文献１には、加熱対象の直近に配置した電気コイルおよびそれに接続した共振用コンデンサを含む共振回路に、スイッチング素子のオン／オフの繰返しにより、交流を整流した直流をチョッピング通電する誘導加熱方法、装置、定着装置及び画像形成装置が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２３７３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら上記従来の電磁誘導加熱を行う電源装置では、電源装置内にスイッチング素子のスイッチング制御を行う電源制御回路が必要となる。電源制御回路は通常マイクロコンピュータなどにより実現されるものであり、高コストである。
【００１１】
また温度制御の対象となる負荷の温度が急激に変化する場合、マイクロコンピュータを用いた制御では、温度変化に間に合うようにスイッチング制御を行うために複雑な制御が必要となる。このため負荷の適切な温度制御を行う際にさらなる高コスト化が予想される。
【００１２】
本発明は、上記事情を鑑みてこれを解決すべくなされたものであり、低コストで適切な温度制御を行うことが可能な電源装置、定着装置、画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。
【００１４】
本発明の電源装置は、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して負荷側へ出力する出力コイルと、前記出力コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、前記出力コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、前記出力コイルと並列に接続された補助共振回路とを有する構成とした。
【００１５】
また前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されても良い。
【００１６】
また前記負荷は、前記出力コイルの近傍に配置されており、前記出力コイルは、前記負荷に前記昇圧された電圧に基づく電磁誘導により渦電流を発生させて前記負荷を加熱する構成としても良い。
【００１７】
また前記スイッチング手段は、前記負荷の温度に基づきオン／オフが制御される構成としても良い。
【００１８】
また前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されても良い。
【００１９】
本発明は、トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体へ定着させる定着装置において、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有する構成とした。
【００２０】
本発明は、トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体に定着させて画像を形成する画像形成装置において、入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有する構成とした。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低コストで適切な温度制御を行うことが可能な電源装置、定着装置、画像形成装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の電源装置では、入力された直流電圧を所定の電圧として負荷側へ出力する出力コイルと、共振コンデンサとから構成された電圧共振回路の出力コイルに、並列に接続された補助共振回路を有する。
【００２３】
以下の説明では、出力コイルを加熱コイルとし、負荷を電磁誘導により加熱する電磁誘導加熱方式に本発明の電源装置を適用した場合について説明する。尚電磁誘導加熱方式に適用された本発明の電源装置を以下の説明では電磁誘導加熱電源装置と呼ぶ。本発明の電磁誘導加熱電源装置は、コイルとコンデンサとが直列接続された補助共振回路を有する構成により、スイッチング制御を行う電源制御回路を用いずに適切な温度制御を行いつつスイッチング損失を低減する。
【００２４】
以下に、本発明の実施形態の説明に先立ち、図１で説明した電磁誘導加熱電源装置１０で行われるスイッチング制御についてさらに説明する。
【００２５】
電磁誘導加熱電源装置１０は、例えば電磁誘導加熱方式のクッキングシステム等に用いられる電源装置である。電磁誘導加熱電源装置１０は、負荷６０（例えば金属製の鍋等の調理器具）を加熱するための加熱コイルＬ１を備え、加熱コイルＬ１に電流を流すことで負荷６０に渦電流を発生させ、この渦電流により負荷６０自身を発熱させて加熱する。よって負荷６０の温度は、加熱コイルＬ１を流れる電流に依存する。そこで電磁誘導加熱電源装置１０は、負荷６０の温度検出を行う本体制御回路７０からの制御信号に基づき出力電力を制御して、加熱コイルＬ１に流す電流を制御する。
【００２６】
電磁誘導加熱電源装置１０の出力電力は、加熱コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とから構成される電圧共振回路の駆動周波数を共振周波数近傍から離すことにより、昇圧比を変化させて制御することができる。しかしながら駆動周波数を変化させて電力制御を行う場合、電圧共振回路のＱ（Quality factor）が下がりスイッチング損失が大きくなる。
【００２７】
そこで電磁誘導加熱電源装置１０では、電力制御を行う際に、電源制御回路４０を用いてスイッチング損失を低減させるスイッチング制御を行っている。以下に、電源制御回路４０によるスイッチング制御について説明する。
【００２８】
電磁誘導加熱電源装置１０では、比較的大きな電力を取り扱うため、スイッチング素子１１には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が使用される。図２は、スイッチング素子１１の構成を示す図である。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタである。ＩＧＢＴは、ゲート・エミッタ間の電圧で駆動され、入力信号によりオン／オフできる自己消弧形であり、大電力のスイッチングが可能な半導体素子である。ＩＧＢＴは、ＦＥＴ（Field effect transistor）と比較して大きな電力をスイッチングすることができる。
【００２９】
図３は、スイッチング素子１１のスイッチングを説明する図である。
【００３０】
電磁誘導加熱電源装置１０において電源制御回路４０は、スイッチング素子１１のコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃを監視し、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０となるタイミングを検出する。電源制御回路４０は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０のときスイッチング素子１１のオン／オフを切り替える。この状態でスイッチングを行えば、電流と電圧の過渡交差は発生せず、スイッチング損失のない動作を行うことができる。
【００３１】
図３（Ａ）は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０になる前にスイッチング素子１１がオフからオンへ切り替えられた場合の波形図の一例である。図３（Ａ）に示す例では、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが重なる部分が生じるため、スイッチングの際に損失が生じる。スイッチングの際に損失が生じると、スイッチング素子１１が発熱し、破損する虞がある。
【００３２】
図３（Ｂ）は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０になった状態でスイッチングされた場合の波形図の一例である。図３（Ｂ）に示す例では、スイッチングの際に損失が発生しない。図３（Ｃ）は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０になってもスイッチングされない場合の波形図の一例である。この場合、スイッチング素子１１の寄生ダイオードＤ１に逆方向の電流が流れ、損失となる。
【００３３】
電源制御回路４０は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０になるタイミングを検出し、検出したタイミングでスイッチングすることにより、スイッチング損失をなくす制御を行っている。すなわち電磁誘導加熱電源装置１０のスイッチング素子１１は、図３（Ｂ）に示される波形となるようにオン／オフが制御される。
【００３４】
本発明では、以上に説明したような電源制御回路４０によるスイッチング制御を行わなくてもスイッチング損失が発生しない電源装置を提供することができる。
（第一の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図４は、第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。図４において、図１で説明した電磁誘導加熱電源装置と同様の構成を有するものには図１の説明で用いた符号と同様の符号を付与する。
【００３５】
電磁誘導加熱電源装置１００は、整流回路２０、インバータ回路３５、ドライブ回路５０を有する。本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００は、電源制御回路４０の代わりに、インバータ回路３５内に補助共振回路４５を有する。
【００３６】
整流回路２０は、商用電源（ＡＣ１００Ｖ）より供給される交流電圧の電源ノイズを除去して整流し、さらに平滑化した直流電圧をインバータ回路３５へ提供する。
【００３７】
インバータ回路３５は、加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１、補助共振回路４５を有する。加熱コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とは並列に接続されており、電圧共振回路を構成する。スイッチング素子１１は、加熱コイルＬ１への通電を制御する。補助共振回路４５は、加熱コイルＬ１と並列に接続されており、コイルＬ２及びコンデンサＣ２が直列に接続されて構成されている。加熱コイルＬ１の近傍には、加熱コイルＬ１により加熱対象される負荷６０が設けられている。
【００３８】
スイッチング素子１１はＩＧＢＴであり、ドライブ回路５０によりドライブされる。Ｄ１はスイッチング素子１１の寄生ダイオードである。ドライブ回路５０は、後述する本体制御回路７０と接続されており、本体制御回路７０からの制御信号に基づきスイッチング素子１１を動作させる。
【００３９】
本体制御回路７０は、電磁誘導加熱電源装置１００が搭載された本体装置（図示せず）を制御する。また本体制御回路７０は、負荷６０の近傍に設けられた温度センサ８０により負荷６０の温度検出を行う。本体制御回路７０は、検出された負荷６０の温度に基づきドライブ回路５０へスイッチング素子１１の制御信号を出力し、負荷６０を所望の温度にする制御を行う。
【００４０】
本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、補助共振回路４５を有する構成により、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０になるタイミングでスイッチング素子１１のオン／オフを行うことができる。
【００４１】
以下に、図５を参照して本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチングについて説明する。図５は、第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチングを説明する図である。
【００４２】
本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、補助共振回路４５のコイルＬ１のインダクタンスにより、スイッチング素子１１のコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅの波形のピーク値を高くすることができる。したがって本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、スイッチング時の電圧波形と電流波形の重なる部分を低減させてスイッチング損失を低減することができる。
【００４３】
図５に示すコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅの波形Ｈ１は、補助共振回路４５がない場合の電圧波形である。補助共振回路４５がない場合、スイッチング素子１１は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０になる前にオンになるため、波形Ｈ１とコレクタ電流Ｉｃの電流波形とが重なり、スイッチング損失が発生している。
【００４４】
これに対しコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅの波形Ｈ２は、補助共振回路４５を設けた本実施形態の電圧波形である。本実施形態では、補助共振回路４５を設けることにより、波形Ｈ２のピーク値Ｐ２を波形Ｈ１のピーク値Ｐ１よりも高くする。よって波形Ｈ２は、波形Ｈ１よりもせん鋭度の高い波形となり、波形Ｈ１と比べてコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅがゼロのなるタイミングが早くなる。このため本実施形態では、波形Ｈ２と電流波形の重なる部分を低減、或いはなくすことができる。
【００４５】
本実施形態の補助共振回路４５は、電磁誘導加熱電源装置１００の加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１の特性に合わせて設計される。例えば本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００において、補助共振回路４５が設けられる前の電圧波形が波形Ｈ１であれば、補助共振回路４５を設けたときに電圧波形が波形Ｈ２となるように、補助共振回路４５を設計すれば良い。
【００４６】
補助共振回路４５の設計は、例えば設計シミュレーションプログラムなどを用いて行っても良い。図６は、電磁誘導加熱電源装置１００をシミュレーションプログラムにより設計した場合のシミュレーション回路の波形を示す図である。
【００４７】
図６に示す波形では、電圧波形と電流波形との重なりがなく、スイッチング損失が発生していないことがわかる。尚本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０となってからゲート電圧Ｖｇがハイレベル（スイッチング素子１１がオン）になるまでに、期間Ｔ１を設けるように補助共振回路４５を設計している。
【００４８】
本実施形態の補助共振回路４５では、この期間Ｔ１が加熱コイルＬ１、共振コンデンサＣ１、スイッチング素子１１の特性に対して適切な期間となるように設計されることが好ましい。
【００４９】
以下に、適切な期間Ｔ１について説明する。
【００５０】
本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、負荷６０の温度を所望の温度に加熱する温度制御を行う。負荷の温度制御は、電磁誘導加熱電源装置１００が搭載された本体装置を制御する本体制御回路７０により行われる。尚本体装置とは、例えば電磁誘導加熱電源装置１００を搭載したクッキングシステム装置や、電磁誘導加熱方式による画像の定着を行う画像形成装置などである。
【００５１】
本体制御回路７０は、負荷６０の温度に基づき電磁誘導加熱電源装置１００の電力制御を行うことで、負荷６０の温度制御を行う。本体制御回路７０による電力制御は、スイッチング素子１１のオン／オフのデューティを変化させることにより行う。ここで本実施形態において、電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチング制御が電圧波形が０になった時点でスイッチングする制御となっていた場合、デューティを変化させて電力制御を行うと電圧波形と電流波形が重なることが予測できる。
【００５２】
例えば電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチング素子１１が、図３（Ｂ）に示す波形となるように制御されていた場合、スイッチング素子１１のオン時間を長くするようにデューティを変化させると、電圧波形と電流波形が重なりスイッチング損失が発生する。
【００５３】
そこで本実施形態の補助共振回路４５は、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅが０となってからゲート電圧Ｖｇがハイレベルになるまでの期間Ｔ１を設けるように設計した。本実施形態では、この期間Ｔ１を有することにより、デューティの変化による電力制御を行った場合にも電圧波形と電流波形との重なりを低減させる、或いはなくすことができる。尚本実施形態の期間Ｔ１は、スイッチング素子１１の寄生ダイオードＤ１に流れる逆電流による損失が無視できる範囲となるように設計されるものとした。
【００５４】
このように、本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００によれば、補助共振回路４５を設けることにより、電源制御回路を使用せずにスイッチング損失を低減させることができる。また本実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００では、補助共振回路４５により電圧共振回路のリアクタンス成分を調整することでスイッチング損失を低減させている。このため、スイッチング時にコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃが０となる点を検出する必要がない。よって本実施形態では、負荷６０の温度が急激に変化する場合でも、特別な制御を必要とせずにスイッチング損失を低減させる、或いはなくすことができる。このように本実施形態によれば、低コストで適切な温度制御を行うことが可能な電源装置を提供することができる。
（第二の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。本発明の第二の実施形態では、第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００が搭載された定着装置を有する画像形成装置について説明する。
【００５５】
図７は、電磁誘導加熱電源装置が適用された画像形成装置ＧＫの断面図である。尚電磁誘導加熱電源装置１００が適用される画像形成装置は、図７に示すタイプの装置には限定されない。例えば電磁誘導加熱電源装置１００は、単一色画像を作成するものだけに適用されても良く、カラー画像を形成するものだけに適用されても良い。また電磁誘導加熱電源装置１００は、更には、画像形成装置以外の各種装置にも適用可能である。
【００５６】
図７に示す画像形成装置ＧＫは、像担持体の一例であってドラム形状を有する回転体である電子写真感光体（以下、単に感光体という）１７１を備え、この感光体１７１の周りに、図中に矢印で示す回転方向に順次、帯電ローラからなる帯電装置１７２、露光手段の一部を構成するミラー１７３、現像ローラ１７４ａを備えた現像手段１７４、転写紙、記録紙等のシート状の記録材Ｐに現像された画像（トナー像）を転写する転写部材１７８、感光体１７１の周面に摺接するブレード１７６ａを具備したクリーニング手段１７６等が配置してある。そして、帯電装置１７２と現像ローラ１７４ａとの間において、感光体１７１にはミラー１７３を介して露光光Ｌｂを露光照射して走査するようになっている。この露光光Ｌｂの照射位置を露光部１８１と称する。
【００５７】
転写部材１７８が感光体１７１の下面と対向する部位は、記録材Ｐにトナー像が転写される公知の転写部１７７となっており、この転写部１７７より給紙方向上流側には一対のレジストローラ１７９が設けてある。これらレジストローラ１７９には、何れかの給紙トレイ１８２に収納した転写紙等のシート状の記録材Ｐが、給紙コロ群１８３のコロによって送り出され、搬送ガイドおよび搬送ローラ群（符号を付していない）に案内されながら搬送されてくる。また、転写部１７７より給紙方向下流の位置には、定着装置２００が配置されており、定着装置２００より給紙方向下流側には両面記録実行時に転写紙の表裏を反転させ記録済みの紙面を下向きにして転写部１７７に再給紙する自動両面装置１８４が配置されている。
【００５８】
次に画像形成装置ＧＫによる画像形成について説明する。まず装置上部側では、感光体１７１が回転を始める。この回転中に感光体１７１が暗中において帯電装置１７２により均一に帯電され、作成すべき画像に対応する露光光Ｌｂが露光部１８１により照射および走査されて、作成すべき画像に対応した潜像が感光体１７１上に形成される。この潜像は感光体１７１の回転により現像装置１７４に近接したとき、ここでトナーにより可視像（顕像）化されて、感光体１７１に担持されたトナー像となる。
【００５９】
一方、装置下部側では、何れかの給紙トレイ１８２の給紙コロ群１８３により、複数の給紙トレイ１８２のうちいずれか一つから記録材Ｐを呼び出し、例えば図中に破線で示すような所定の搬送経路を経て一対のレジストローラ１７９の位置まで搬送する。そして記録材Ｐの搬送を一旦停止させ、感光体１７１上のトナー像が転写部１７７で記録材Ｐの所定位置に対向するようなタイミングで送り出す。すなわち、好適なタイミングが到来すると、レジストローラ１７９の位置で停止していた記録材Ｐをレジストローラ１７９で送り出し、転写部１７７に向けて搬送する。
【００６０】
感光体１７１上のトナー像とこのトナー像が転写されるべき記録材Ｐの所定位置とは、その位置が転写部１７７で合致し、転写部材１７８による電界により、トナー像は記録材Ｐ上に吸引され転写される。こうして感光体１７１周りの画像形成部でトナー像を転写され担持した記録材Ｐは、定着装置２００に向けて送り出される。そして、記録材Ｐ上のトナー像が、定着装置２００を通過する間に加熱、加圧されて記録材Ｐに定着された後、記録材Ｐは排紙部に排紙される。
【００６１】
また、記録材Ｐの両面に画像形成をする場合、図示しない分岐爪により自動両面装置１８４に排紙された記録材Ｐが、自動両面装置１８４でスイッチバック反転され、レジストローラ１７９の手前の搬送経路に搬送される。なお、転写部１７７で転写されずに感光体１７１上に残った残留トナーは、感光体１７１の回転と共にクリーニング装置１７６に至り、このクリーニング装置１７６を通過する間に感光体１７１上から清掃・除去され、次の画像形成に移行可能となる。
【００６２】
次に、定着装置２００について説明する。定着装置２００は、一対のローラを採用した定着方式を採用した構成である。このため定着装置２００には、定着ローラを加熱するための熱源を備え、この定着ローラに加圧ローラが当接、押圧している。本実施形態の定着装置２００には、定着ローラを加熱するための熱源として第一の実施形態で説明した電磁誘導加熱電源装置１００が搭載されている。
【００６３】
図８は、画像形成装置ＧＫに用いるローラ方式の定着装置２００の概念的構成の断面図である。
【００６４】
定着装置２００は、磁束発生部２１０、定着ローラ２２０、加圧ローラ２３０を有する。定着ローラ２２０は熱源により加熱される発熱回転体であり、加圧ローラ２３０は加圧回転体である。また図８に示すＰは記録材、Ｔは記録材Ｐ上に載ったトナーである。
【００６５】
磁束発生部２１０では、コイル２１１が加熱コイルとして、電磁誘導加熱電源装置１００の有するインバータ回路（図示せず）により高周波駆動される。定着装置２００では、この高周波磁界により主に金属性の定着ローラ２２０に渦電流を発生させてローラ温度を上昇させている。図中、２１２は足コア、２１３はセンターコア、２１４はアーチコアであり、コイル２１１はアーチコア２１４と定着ローラ２２０の間に位置している。
【００６６】
図９は、定着ローラ２２０の一部を拡大した断面図である。定着ローラ２２０は、直径が例えば４０ｍｍで、最も内側に消磁層（芯金）２２０Ａを備え、その外側に、矢印で示すように記録材Ｐの画像面側に向かって、空気による断熱層２２０Ｂ、整磁層２２０Ｃ、酸化防止層２２０Ｄ１、発熱層２２０Ｅ、酸化防止層２２０Ｄ２、弾性層２２０Ｆ、そして表層である離型層２２０Ｇから構成される。
【００６７】
消磁層２２０Ａは、例えばアルミニウムまたはその合金、空気による断熱層２２０Ｂは例えば５ｍｍ程度の間隙とする。整磁層２２０Ｃには公知かつ適宜の整磁合金（例えば厚さ５０μｍ）、酸化防止層２２０Ｄ１、２２０Ｄ２にはニッケルストライクメッキ（例えば厚さ１μｍ以下）、発熱層２２０ＥにはＣｕメッキ（例えば厚さ１５μｍ）、弾性層２２０Ｆにはシリコーンゴム（例えば厚さ１５０μｍ）、そして、離型層２２０ＧにはＰＦＡ（厚さ３０μｍ）が用いられる。すなわち、整磁層２２０Ｃから離型層２２０Ｇの表面までの厚さは例えば２００〜２５０μである。尚これらはすべて一例である。
【００６８】
消整磁層２２０Ｃは、キュリー点が例えば１００〜３００℃になるように形成された磁性体（例えば鉄、ニッケルを含む整磁合金材料）からなり、加圧ローラ２３０の押圧により変形しニップを形成するように構成してある。この整磁層２２０Ｃの存在により、発熱層２２０Ｅ等の過熱が防止される。また、定着ローラ２２０側が凹形状となるニップを形成しやすいため、記録材Ｐの分離性を優れたものとし得る。なお、もちろん、加圧ローラ２３０の押圧により変形するのは、図示の例では芯金２２０Ａ以外の、整磁層２２０Ｃ〜離型層２２０Ｇである。
【００６９】
図１０は、加熱された定着ローラ２２０の断面図である。図１０（Ａ）は、太目の実線の矢印はコイル２１１からの誘導磁束、細目の実線の矢印は渦電流を示す（図１０（Ｃ）参照）。図１０（Ａ）では、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金層の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ未満のため、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金が磁性体のままの状態となっている。よって、電磁誘導加熱電源装置１００によりコイル２１１を駆動して定着ローラ２２０に発生させた誘導磁束が整磁層２２０Ｃを非透過あるいは断熱層２２０Ｂを非透過となっている。すなわち、キュリー点未満で整磁層２２０Ｃが磁束を透過させず、誘導磁束が芯金３Ａに届いていない状態となっている。
【００７０】
一方、図１０（Ｂ）は、誘導磁束が整磁層２２０Ｃ、断熱層２２０Ｂを透過して消磁層（芯金）２２０Ａに届いている状態を示している。図中点線の矢印は、アルミニウムまたはその合金製の消磁層２２０Ａからの誘導磁束である（図１０（Ｃ）参照）。図１０（Ｂ）では、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金層の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃより高いため、整磁層２２０Ｃを構成する整磁合金の磁性が失われて非磁性体となり、断熱層２２０Ｂの存在にもかかわらず、誘導磁束が消磁層（芯金）２２０Ａに届いている状態となっている。
【００７１】
すなわち磁性体（上述した発熱層の機能をも含む）である整磁層２２０Ｃは、キュリー点に達するまではほぼ瞬時に昇温し、キュリー点に達すると磁性を失い昇温しなくなり、一定の温度を保持する。よって整磁層２２０Ｃをなす素材のキュリー点が、この種の定着装置において現れる温度である１００〜３００℃になるように形成した磁性体で構成しておけば、定着ローラ２２０の発熱層２２０Ｅや消磁層（芯金）２２０Ａが過熱することが無くなり、定着温度に保持できるようになる。
【００７２】
そこで定着装置２００に搭載された電磁誘導加熱電源装置１００は、整磁層２２０Ｃが定着温度を保持するように温度制御を行う。すなわち電磁誘導加熱電源装置１００は、画像形成装置ＧＫ本体を制御する本体制御回路（図示せず）により、定着ローラ２２０の近傍に配置された温度センサ（図示せず）から定着ローラ２２０の温度を検出し、検出した温度に基づきスイッチング素子１１のオン／オフのデューティを制御する。
【００７３】
尚本実施形態の定着装置２００では、定着ローラ２２０の温度が例えば１６０℃〜１８０℃となるように、定着ローラ２２０の温度制御を行っている。このとき電磁誘導加熱電源装置１００は、画像形成装置ＧＫ本体を制御する本体制御回路からの信号に基づきスイッチング素子１１のオン／オフのデューティを変化させる制御のみを行えば良い。
【００７４】
このように本実施形態の画像形成装置ＧＫでは、定着装置２００の有する定着ローラ２２０の加熱源として電磁誘導加熱電源装置１００を用いることにより、画像形成装置ＧＫの有する本体制御回路によるスイッチング素子１１のオン／オフのデューティ制御のみで定着ローラ２２０の温度制御を適切に行うことができる。したがって画像形成装置ＧＫは、電磁誘導加熱電源装置１００を制御するための電源制御回路を必要としない。また本実施形態の画像形成装置ＧＫでは、定着装置２００のコイル２１１等の仕様を変更せずにスイッチング素子１１のスイッチング損失を低減させることができる。
【００７５】
このように本実施形態によれば、低コストで適切な温度制御を行うことができる。
【００７６】
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】従来の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。
【図２】スイッチング素子１１の構成を示す図である。
【図３】スイッチング素子１１のスイッチングを説明する図である。
【図４】第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置の回路図である。
【図５】第一の実施形態の電磁誘導加熱電源装置１００のスイッチングを説明する図である。
【図６】電磁誘導加熱電源装置１００をシミュレーションプログラムにより設計した場合のシミュレーション回路の波形を示す図である。
【図７】電磁誘導加熱電源装置が適用される画像形成装置ＧＫを示す断面図である。
【図８】画像形成装置ＧＫに用いるローラ方式の定着装置２００の概念的構成の断面図である。
【図９】定着ローラ２２０の一部を拡大した断面図である。
【図１０】加熱された定着ローラ２２０の断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、１００ 電磁誘導加熱電源装置
１１ スイッチング素子
２０ 整流回路
３０、３５ インバータ回路
４０ 電源制御回路
４５ 補助共振回路
５０ ドライブ回路
６０ 負荷
７０ 本体制御回路
８０ 温度センサ
２００ 定着装置
２１０ 磁束発生部
２２０ 定着ローラ
２３０ 加圧ローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して負荷側へ出力する出力コイルと、前記出力コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、
前記出力コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、
前記出力コイルと並列に接続された補助共振回路とを有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記負荷は、前記出力コイルの近傍に配置されており、
前記出力コイルは、前記負荷に前記昇圧された電圧に基づく電磁誘導により渦電流を発生させて前記負荷を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記スイッチング手段は、前記負荷の温度に基づきオン／オフが制御されることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の電源装置。
【請求項６】
トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体へ定着させる定着装置において、
入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、
前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、
前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有することを特徴とする定着装置。
【請求項７】
前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されることを特徴とする請求項６記載の定着装置。
【請求項８】
前記定着ローラの温度を検出して当該定着装置の動作を制御する制御手段を有し、
前記スイッチング手段は、前記制御手段により検出された前記定着ローラの温度に基づきオン／オフが制御されることを特徴とする請求項６又は７記載の定着装置。
【請求項９】
前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されることを特徴とする請求項６ないし８の何れか一項に記載の電源装置。
【請求項１０】
トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体に定着させて画像を形成する画像形成装置において、
入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、
前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、
前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１１】
前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されることを特徴とする請求項１０記載の画像形成装置。
【請求項１２】
前記定着ローラの温度を検出して当該画像形成装置の動作を制御する制御手段を有し、
前記スイッチング手段は、前記制御手段により検出された前記定着ローラの温度に基づきオン／オフが制御されることを特徴とする請求項１０又は１１記載の画像形成装置装置。
【請求項１３】
前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されることを特徴とする請求項１０ないし１２の何れか一項に記載の画像形成装置。
【請求項１】
入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して負荷側へ出力する出力コイルと、前記出力コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、
前記出力コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、
前記出力コイルと並列に接続された補助共振回路とを有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記負荷は、前記出力コイルの近傍に配置されており、
前記出力コイルは、前記負荷に前記昇圧された電圧に基づく電磁誘導により渦電流を発生させて前記負荷を加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記スイッチング手段は、前記負荷の温度に基づきオン／オフが制御されることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の電源装置。
【請求項６】
トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体へ定着させる定着装置において、
入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、
前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、
前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有することを特徴とする定着装置。
【請求項７】
前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されることを特徴とする請求項６記載の定着装置。
【請求項８】
前記定着ローラの温度を検出して当該定着装置の動作を制御する制御手段を有し、
前記スイッチング手段は、前記制御手段により検出された前記定着ローラの温度に基づきオン／オフが制御されることを特徴とする請求項６又は７記載の定着装置。
【請求項９】
前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されることを特徴とする請求項６ないし８の何れか一項に記載の電源装置。
【請求項１０】
トナー像が付着した記録媒体を加熱して、前記トナー像を定着ローラにより前記記録媒体に定着させて画像を形成する画像形成装置において、
入力された直流電圧を所定の電圧へ昇圧して前記定着ローラに誘導磁界を発生させて前記定着ローラを加熱するための加熱コイルと、前記加熱コイルに接続されたコンデンサとから構成される電圧共振回路と、
前記加熱コイルへの通電のオン／オフを制御するスイッチング手段と、
前記加熱コイルと並列に接続された補助共振回路とを有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１１】
前記補助共振手段は、補助共振用コイルと補助共振用コンデンサとが直列接続されて構成されることを特徴とする請求項１０記載の画像形成装置。
【請求項１２】
前記定着ローラの温度を検出して当該画像形成装置の動作を制御する制御手段を有し、
前記スイッチング手段は、前記制御手段により検出された前記定着ローラの温度に基づきオン／オフが制御されることを特徴とする請求項１０又は１１記載の画像形成装置装置。
【請求項１３】
前記スイッチング手段は、ＩＧＢＴにより構成されることを特徴とする請求項１０ないし１２の何れか一項に記載の画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−６３８３０（Ｐ２００９−６３８３０Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３１６３７（Ｐ２００７−２３１６３７）
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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