(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱方式の定着装置であって、
発熱部材と、
前記発熱部材に近接して配置され、当該発熱部材に誘導電流を発生させる電磁誘導コイルと、
前記電磁誘導コイルと共振コンデンサとを有する共振回路と、
直流電力を高周波電力に変換して前記電磁誘導コイルに供給するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオン状態およびオフ状態を、予め設定された駆動周波数範囲内に属する所定の駆動周波数で切り替えるスイッチング駆動部と、
前記スイッチング駆動部による駆動により想定される前記スイッチング素子の動作と、前記スイッチング素子の現実の動作との不一致を検知する異常検知部と、
前記異常検知部が前記不一致を検知した場合、前記スイッチング駆動部に設定された駆動周波数範囲の下限値を高くする、駆動周波数範囲変更部と、
を備える定着装置。
【請求項２】
前記異常検知部は、オン状態とオフ状態とで電位が変動する前記スイッチング素子の出力端子の電位に基づいて前記不一致を検知する、請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記駆動周波数範囲変更部は、前記駆動周波数範囲の下限値を段階的に高くする、請求項１または２記載の定着装置。
【請求項４】
前記発熱部材が予め指定された温度に到達したとき、あるいは、前記異常検知部により前記不一致が検出されない状態で前記スイッチング駆動部によるスイッチング素子の駆動が予め指定された期間継続したときに、前記駆動周波数範囲変更部は、変更した駆動周波数範囲の下限値を変更前の値に変更する、請求項１から３のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項５】
電源電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
前記駆動周波数範囲変更部は、前記電圧検出部が電源電圧の低下を検知した場合、前記スイッチング駆動部に設定された駆動周波数範囲の下限値を高くする、請求項１から４のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の定着装置を備える、画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱方式の定着装置および画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プリンタ、複写機、複合機（ＭＦＰ：Multi Function Peripheral）等の、電子写真方式により画像データを用紙上に印刷する画像形成装置において使用される定着装置として、誘導加熱方式の定着装置が採用されている。当該定着装置は、用紙上に転写されたトナー像を加熱して溶融させるとともに用紙上に圧着する。
【０００３】
誘導加熱方式の定着装置は、電磁誘導コイルと共振コンデンサとを有する共振回路と、当該共振回路に接続されたスイッチング素子とを備える。スイッチング素子は、オン状態とオフ状態とを切り替えるスイッチング動作を繰り返すことで直流電力から擬似高周波を生成し、当該擬似高周波を共振回路に供給する。当該擬似高周波に応じて電磁誘導コイルが交番磁場を生成し、当該交番磁場によって導電性の発熱部材に渦電流が流れる。当該渦電流により発生するジュール熱により発熱部材が加熱される。共振回路およびスイッチング素子に供給される直流電力は、商用交流電源を整流することにより生成される。
【０００４】
このような誘導加熱方式の定着装置は、電磁誘導コイルへの電力供給および電力供給停止を切り替えることにより、用紙に熱を与える定着ローラの温度を適正範囲内に保持することができる。この種の定着装置では、安定した温度制御を実現するための種々の技術が提案されている。
【０００５】
例えば、後掲の特許文献１は、発熱部材の表面温度を検出する温度検出手段の検出温度に基づいて、電磁誘導コイルに供給する高周波電流を制御する制御手段を備える誘導加熱定着装置を開示している。特許文献１は、この構成により、発熱部材の表面温度の上昇に伴って発熱部材の抵抗が増加しても、発熱部材の表面温度に基づいて、高周波電流の周波数、インバータ回路への入力電圧を制御することで、電磁誘導コイルへの供給電力を一定に保持できるようにしている。
【０００６】
また、後掲の特許文献２は、電磁誘導コイルと共振用コイルとを和動接続して構成したコイルに共振コンデンサを並列接続した共振回路を備える構成を開示している。この構成により、共振回路のＱ値（Quality factor）を大きくしてスイッチング素子におけるスイッチング損失を少なし、発熱部材の加熱時間を短縮できるようにしている。
【０００７】
さらに、後掲の特許文献３は、両波整流ブリッジによって平滑化された直流電圧の電圧変動を検知し、予め指定された変動量を超える電圧変動を検出した場合は、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、停止後は、スイッチング素子の通電電圧を徐々に上昇させて復帰させる技術を開示している。この構成により、商用交流電源に雷サージの重畳や瞬間停電による電圧変動が発生しても、スイッチング素子の破壊を回避できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−０６１６５０号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３３０７号公報
【特許文献３】特開２００４−２６６８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電磁誘導コイルと共振コンデンサとを有する共振回路と、当該共振回路に接続されたスイッチング素子とを備える定着装置では、スイッチング素子のオン状態とオフ状態とを切り替える周波数（以下、駆動周波数という。）を、共振回路の共振周波数の近傍設定した場合に効率よく電磁誘導コイルに電力を投入することができる。
【００１０】
また、発熱部材の発熱量は渦電流の２乗に比例し、渦電流は電磁誘導コイルに流れる高周波電流に比例する。そのため、電磁誘導コイルにより多くの高周波電流を流すと、発熱部材の発熱量は大きくなる。インダクタンス値Ｌを有する電磁誘導コイルに流れる高周波電流Ｉ（周波数ｆ）は、誘導性リアクタンスＸL（＝２πｆＬ）に反比例する。そのため、駆動周波数を低くして誘導性リアクタンスＸLを小さくすることで電磁誘導コイルにより多くの高周波電流Ｉを流すことができる。すなわち、駆動周波数が低いほど、発熱部材の発熱に使用される電力が大きくなる。
【００１１】
以上のことから、誘導加熱方式の定着装置では、共振回路の共振周波数は、駆動周波数の可変範囲の低周波数側に設定され、発熱部材の発熱量を小さくする場合には、共振回路の共振周波数から高周波数側に離れた駆動周波数によりスイッチング素子を駆動する制御が行われる。また、発熱部材の発熱量を大きくする場合は駆動周波数を低下させて共振回路の共振周波数近傍の駆動周波数によりスイッチング素子を駆動する制御が行われる。
【００１２】
一方、画像形成装置は、摂氏０度等の低温環境下においても動作することが求められている。このような低温環境下において、画像形成装置を短時間で使用可能な状態にするには、定着装置の発熱部材を所定温度まで速やかに昇温することが必要になる。この場合、低い駆動周波数によりスイッチング素子を駆動し、電磁誘導コイルにより多くの高周波電流を流す制御が行われることになる。
【００１３】
しかしながら、電磁誘導コイルのインダクタンスＬは温度依存性を有しており、低温環境下では低インダクタンスになる。そのため、低温環境下では常温環境下に比べて電磁誘導コイルの誘導性リアクタンスＸLが小さくなり、より多くの高周波電流Ｉが流れることになる一方、インダクタンスＬの低下により共振回路の共振周波数ｆ0＝１／２π（ＬＣ）1/2は大きくなる。すなわち、低温環境下において、発熱部材の発熱量を大きくすることを目的としてスイッチング素子の駆動周波数を低下させる制御を行うと、駆動周波数が共振回路の共振周波数ｆ0よりも低くなる状況が発生し得る。この場合、スイッチング素子の駆動周波数を低下させる制御は、共振周波数ｆ0から離れた駆動周波数でスイッチング素子を駆動する制御になる。当該状態では、スイッチング素子の電圧と電流のスイッチング損失が大きくなる状態（いわゆる、ハードスイッチング動作状態）になることが避けられない場合がしばしば発生する。駆動周波数が低く共振回路に大きな高周波電流が流れる状況下でこのようなスイッチング損失が発生すると、スイッチング損失に起因して発生するジュール熱によりスイッチング素子が破壊に至ってしまう。
【００１４】
また、スイッチング素子が擬似高周波を生成する際に使用される直流電圧が低下した場合にも同様の問題が発生する。図８は、発熱部材における発熱（シュール熱の発生）に使用される高周波電力の駆動周波数依存性の一例を示す図である。図８では、スイッチング素子が擬似高周波を生成する際にスイッチング素子に印加される直流電圧をパラメータとして変化させている。なお、図８において、横軸は駆動周波数に対応し、縦軸は高周波電力に対応する。
【００１５】
図８から理解できるように、同一の駆動周波数において直流電圧が低下すると、発熱部材に供給される電力が著しく小さくなる。このとき、発熱部材に供給する電力を維持するためには、駆動周波数をより小さくする制御が必要になる。例えば、直流電圧１００Ｖの場合、駆動周波数ｆ2において出力電力Ｐ0が得られるとする。この場合、直流電圧が９５Ｖに低下すると、駆動周波数をｆ1（ｆ1＜ｆ2）にしなければ、同一の出力電力Ｐ0は得られない。このような制御が、例えば、低温環境下で発生すると、スイッチング素子の破壊がより発生しやすくなる。
【００１６】
このようなスイッチング素子の破壊は、例えば、駆動周波数が共振周波数よりも低い周波数に設定されないように駆動周波数の可変範囲に下限値を設定することで防止できるかもしれない。しかしながら、このような下限値は共振周波数の温度依存性や装置ごとの特性ばらつきを考慮したマージンを設けて設定する必要がある。すなわち、低温環境下における共振周波数よりもかなり高い周波数を下限値としなければならない。このような設定では、例えば、高温環境下において、電磁誘導コイルが高インダクタンスになり共振周波数が低下した状況下では、駆動周波数は、その共振周波数から大きく離れたところに設定されてしまう。つまり、共振系が発熱部材により大きな電力を投入できる能力を有しているにもかかわらず、小さな電力しか投入しない非効率な状態になる上、使用することのない過大な電力を出力できる能力を有する共振系を設けなければならないため、コスト高になるという問題がある。
【００１７】
また、上述の特許文献１、２が開示する技術では、電磁誘導コイルへの安定した電力供給が可能になったり、加熱時間の短縮が可能になったりするかもしれないが、低温環境下あるいは電圧低下時に、上述の現象が発生した場合のスイッチング素子の破壊を回避することはできない。また、特許文献３が開示する技術では、電圧低下時には、スイッチング素子の破壊を防止することは可能であるが、低温環境下において、電源電圧が安定している場合には、上述の現象が発生した場合のスイッチング素子の破壊を回避することはできない。また、電源にノイズが頻繁に重畳する環境下では、頻繁にスイッチング動作が停止するため、安定した動作を実現することができないという問題も有している。
【００１８】
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、低温環境下等におけるスイッチング素子の破壊を確実に防止することができ、低温環境下でも安定して速やかに使用可能状態にできる、定着装置および画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述の目的を達成するために、本発明に係る定着装置は以下の技術的手段を採用している。本発明は、誘導加熱方式の定着装置であって、発熱部材、共振回路、スイッチング素子、スイッチング駆動部、異常検知部および駆動周波数範囲変更部を備える。共振回路は、電磁誘導コイルと共振コンデンサとを有する。この電磁誘導コイルは、発熱部材に近接して配置され、発熱部材に誘導電流を発生させる。スイッチング素子は、直流電力を高周波電力に変換して電磁誘導コイルに供給する。スイッチング駆動部は、スイッチング素子のオン状態（導通状態）およびオフ状態（遮断状態）を、予め設定された駆動周波数範囲内に属する所定の駆動周波数で切り替える。異常検知部は、スイッチング駆動部による駆動により想定されるスイッチング素子の動作と、スイッチング素子の現実の動作との不一致を検知する。駆動周波数範囲変更部は、異常検知部が上記不一致を検知した場合、スイッチング駆動部に設定された駆動周波数範囲の下限値を高くする。
【００２０】
この定着装置によれば、低温環境下等において、スイッチング駆動部による駆動により想定されるスイッチング素子の動作と、スイッチング素子の現実の動作との不一致が検知されると、スイッチング駆動部に設定された駆動周波数範囲の下限値が自動的に高くなる。これにより、スイッチング素子の破壊を確実に防止することができる。また、本構成では、スイッチング素子が破壊する可能性のある場合のみ、駆動周波数範囲の下限値を高くして電力投入能力を抑制する構成であるため、常温環境下や高温環境下などでは、電力投入能力を抑制することなく発熱部材に電力を供給することができる。その結果、周囲の温度環境に関わらず、安定して動作させることができる。
【００２１】
上記定着装置において、異常検知部は、例えば、オン状態とオフ状態とで電位が変動する前記スイッチング素子の出力端子の電位に基づいて上記不一致を検知する構成を採用することができる。また、駆動周波数範囲変更部は、駆動周波数範囲の下限値を段階的に高くする構成であってもよい。
【００２２】
さらに、発熱部材が予め指定された温度に到達したとき、あるいは、異常検知部により上記不一致が検出されない状態でスイッチング駆動部によるスイッチング素子の駆動が予め指定された期間継続したときに、駆動周波数範囲変更部は、変更した駆動周波数範囲の下限値を変更前の値に変更する構成を採用することもできる。これにより、発熱部材による発熱により周囲温度が上昇して、共振回路の共振周波数が低下した場合に、自動的に電力投入能力の抑制を解除することができる。
【００２３】
また、上記定着装置において、電源電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、電圧検出部が電源電圧の低下を検知した場合、駆動周波数範囲変更部が、スイッチング駆動部に設定された駆動周波数範囲の下限値を高くする構成を採用することもできる。この構成では、電源電圧の低下により、スイッチング駆動部による駆動により想定されるスイッチング素子の動作と、スイッチング素子の現実の動作とが不一致を発生することが予測される場合に、その発生を防止することができる。
【００２４】
なお、他の観点では、本発明は上述の定着装置を備える画像形成装置を提供することもできる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、低温環境下等におけるスイッチング素子の破壊を確実に防止することができ、低温環境下においても、安定して速やかに使用可能状態にできる定着装置および画像形成装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態における複合機の全体構成を示す概略構成図
【図２】本発明の一実施形態における定着装置を示す概略構成図
【図３】本発明の一実施形態における複合機のハードウェア構成を示す図
【図４】本発明の一実施形態における定着装置の定着駆動部を示す概略図
【図５】本発明の一実施形態における定着装置が備える異常検知部の動作を説明する図
【図６】本発明の一実施形態における定着装置が備える異常検知部の動作を説明する図
【図７】本発明の一実施形態における定着装置の昇温過程を示す図
【図８】発熱部材の発熱量とスイッチング素子の駆動周波数との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。以下では、デジタル複合機および当該デジタル複合機が備える定着装置として本発明を具体化する。
【００２８】
図１は本実施形態におけるデジタル複合機の全体構成の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、複合機１００は、画像読取部１２０および画像形成部１４０を含む本体１０１と、本体１０１の上方に取り付けられたプラテンカバー１０２とを備える。本体１０１の上面には原稿台１０３が設けられており、原稿台１０３はプラテンカバー１０２によって開閉されるようになっている。また、プラテンカバー１０２は、原稿搬送装置１１０を備えている。
【００２９】
原稿台１０３の下方には、画像読取部１２０が設けられている。画像読取部１２０は、走査光学系１２１により原稿の画像を読み取りその画像のデジタルデータ（画像データ）を生成する。原稿は、原稿台１０３や原稿搬送装置１１０に載置することができる。走査光学系１２１は、第１キャリッジ１２２や第２キャリッジ１２３、集光レンズ１２４を備える。第１キャリッジ１２２には線状の光源１３１およびミラー１３２が設けられ、第２キャリッジ１２３にはミラー１３３および１３４が設けられている。光源１３１は原稿を照明する。ミラー１３２、１３３、１３４は、原稿からの反射光を集光レンズ１２４に導き、集光レンズ１２４はその光像をラインイメージセンサ１２５の受光面に結像する。この走査光学系１２１において、第１キャリッジ１２２および第２キャリッジ１２３は、副走査方向１３５に往復動可能に設けられている。第１キャリッジ１２２および第２キャリッジ１２３を副走査方向１３５に移動することによって、原稿台１０３に載置された原稿の画像をイメージセンサ１２５で読み取ることができる。原稿搬送装置１１０にセットされた原稿の画像を読み取る場合、画像読取部１２０は、第１キャリッジ１２２および第２キャリッジ１２３を画像読取位置に合わせて一時的に固定し、画像読取位置を通過する原稿の画像をイメージセンサ１２５で読み取る。イメージセンサ１２５は、受光面に入射した光像から、例えば、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の各色に対応する原稿の画像データを生成する。
【００３０】
画像形成部１４０は、画像読取部１２０で得た画像データや、ネットワーク１６２に接続された他の機器（図示せず）からネットワークアダプタ１６１を介して受信した画像データを用紙に印刷する。
【００３１】
画像形成部１４０は、感光体ドラム１４１を備える。感光体ドラム１４１は一定速度で一方向に回転する。感光体ドラム１４１の周囲には、回転方向の上流側から順に、帯電器１４２、露光器１４３、現像器１４４、中間転写ベルト１４５が配置されている。帯電器１４２は、感光体ドラム１４１表面を一様に帯電させる。露光器１４３は、一様に帯電した感光体ドラム１４１の表面に、画像データに応じて光を照射し、感光体ドラム１４１上に静電潜像を形成する。現像器１４４は、感光体ドラム１４１に形成された静電潜像にトナーを付着させ、感光体ドラム１４１上にトナー像を形成する。中間転写ベルト１４５は、感光体ドラム１４１上のトナー像を用紙に転写する。画像データがカラー画像である場合、中間転写ベルト１４５は、各色のトナー像を同一の用紙に転写する。なお、ＲＧＢ形式のカラー画像は、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｋ（ブラック）形式の画像データに変換され、各色の画像データが露光器１４３に入力される。
【００３２】
画像形成部１４０は、手差しトレイ１５１、給紙カセット１５２、１５３、１５４等から、中間転写ベルト１４５と転写ローラ１４６との間の転写部に用紙を給送する。手差しトレイ１５１や各給紙カセット１５２、１５３、１５４には、様々なサイズの用紙を載置または収容することができる。画像形成部１４０は、ユーザの指定した用紙や、自動検知した原稿のサイズに応じた用紙を選択し、選択した用紙を給送ローラ１５５により手差しトレイ１５１やカセット１５２、１５３、１５４から引き出す。引き出した用紙は搬送ローラ１５６やレジストローラ１５７で転写部に送り込む。トナー像を転写した用紙は、搬送ベルト１４７により定着装置２００に搬送される。定着装置２００は、ヒータを内蔵した定着ローラ２１０および加圧ローラ２２０を有しており、熱と押圧力によってトナー像を用紙に定着する。画像形成部１４０は、定着装置２００を通過した用紙を排紙トレイ１４８へ排紙する。
【００３３】
ユーザは、本体上部正面に設けられた操作パネル１７０を用いて、上述のような複合機１００に複写開始やその他の指示を与えたり、複合機１００の状態や設定を確認したりすることができる。
【００３４】
図２は、本実施形態における定着装置を示す概略構成図である。図２に示すように、定着装置２００は、互いに平行な回転軸を有する円柱状の、定着ローラ２１０と加圧ローラ２２０とが対向して配置された構成を有する。また、加圧ローラ２２０の反対側では、定着ローラ２１０に近接して誘導加熱部２３０が配置されている。
【００３５】
定着ローラ２１０の回転軸は、図示しない駆動手段により、一定速度で一方向（図２に示す矢印の方向）に回転駆動される。加圧ローラ２２０の回転軸は、図示しない付勢手段により定着ローラ２１０の回転軸の方向に付勢されており、定着ローラ２１０の回転に伴って加圧ローラ２２０も回転する構成になっている。
【００３６】
定着ローラ２１０は、内包ローラ２１１と当該内包ローラ２１１の外周面に配置された定着ベルト２１２とを備える。特に限定されないが、本実施形態では、シリコーンゴムを発泡させたスポンジローラを内包ローラ２１１として使用している。定着ベルト２１２は、誘導加熱部２３０が生成する交番磁場により渦電流（誘導電流）が発生する導電層２１３上に、トナー像の離型性を高めるとともにカラー画像の定着性を向上させるための弾性層２１４が配置された構造を有する。発熱部材として機能する導電層２１３には、渦電流により発熱可能な材料であれば任意の材料を使用することができるが、ここでは、膜厚が４０μｍ程度のニッケルを使用している。また、弾性層２１４の材質も特に限定されないが、ここでは、２００〜３００μｍ程度の厚さを有するシリコーンゴムを使用している。
【００３７】
加圧ローラ２２０は、熱伝導性の小さい弾性材料を外周面に備える。特に限定されないが、本実施形態では、厚さ３．５ｍｍ程度のシリコーンゴムからなる弾性層２２１を備える外径３５ｍｍのローラを加圧ローラ２２０として使用している。弾性層２２１は、上記付勢力によって定着ローラ２１０に圧接し、ニップ部２４０を形成している。トナー像２４２が形成された用紙２４１が当該ニップ部２４０に搬入されると、定着ローラ２１０による加熱と、定着ローラ２１０および加圧ローラ２２０による加圧とによってトナー像２４２が用紙２４１に定着される。
【００３８】
また、誘導加熱部２３０は、電磁誘導コイル２３１およびフェライトコア２３３がケーシング２３２に収容された構造を有する。ケーシング２３２は、半円筒状の形状を有し、定着ローラ２１０の表面を覆う状態で配置される。電磁誘導コイル２３１は、定着ローラ２１０の回転軸方向の全幅にわたって渦巻状に配置されおり、後述の定着駆動部の駆動により時間的に変動する交番磁場を生成し、導電層２１３を発熱させる。導電層２１３の発熱量は、定着ローラ２１０の表面温度に応じて、定着駆動部により制御される。定着ローラ２１０の表面温度は、ニップ部２４０直前の上流側に配置された温度センサ２５０により検出されるようになっている。フェライトコア２３３は、電磁誘導コイル２３１周辺に発生する磁束を効率的に定着ローラ２１０に向けて誘導する磁路を構成する状態に配置されている。図示を省略しているが、誘導加熱部２３０の、定着ローラ２１０と反対側の面にも半円筒状のフェライトコアが、ケーシング２３２の表面を覆う状態で配置されている。
【００３９】
図３は、複合機における制御系のハードウェア構成図である。本実施形態の複合機１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０１、ＲＡＭ（Random Access Memory）３０２、ＲＯＭ（Read Only Memory）３０３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）３０４および原稿搬送装置１１０、画像読取部１２０、画像形成部１４０における各動作駆動部に対応するドライバ３０５が内部バス３０６を介して接続されている。ＲＯＭ３０３やＨＤＤ３０４等は制御プログラムを格納しており、ＣＰＵ３０１はその制御プログラムの指令にしたがって複合機１００を制御する。例えば、ＣＰＵ３０１はＲＡＭ３０２を作業領域として利用し、ドライバ３０５とデータや命令を授受することにより上記各動作駆動部の動作を制御する。また、ＨＤＤ３０４は、画像読取部１２０により得られた画像データや、ネットワークアダプタ１６１を通じて受信した画像データの蓄積にも用いられる。
【００４０】
内部バス３０６には、操作パネル１７０や各種のセンサ３０７も接続されている。操作パネル１７０は、ユーザの操作を受け付け、その操作に基づく信号をＣＰＵ３０１に供給する。また、センサ３０７は、プラテンカバー１０２の開閉検知センサや原稿台１０３上の原稿検知センサ、定着装置２００の温度センサ、搬送される用紙または原稿の検知センサ、電源電圧の変動を検知するセンサなど各種のセンサを含む。ＣＰＵ３０１は、例えばＲＯＭ３０３に格納されたプログラムを実行することで、複合機１００の各機能を実現するとともに、これらセンサからの信号に応じて複合機１００の動作を制御する。また、ＣＰＵ３０１は、例えばＲＯＭ３０３に格納されたプログラムを実行することで、後述の各手段（機能ブロック）を実現する。
【００４１】
図４は、本実施形態の定着装置が備える定着駆動部を示す概略図である。図４に示すように、当該定着駆動部４００は、２石式のインバータ回路４０１および整流回路４０２を含む。整流回路４０２は、商用交流電源４０３から供給される交流電力の電源ノイズを除去して整流し、直流電力に変換する。インバータ回路４０１は、整流回路４０２から出力された直流電力を高周波電力に変換して電磁誘導コイル２３１に供給する。
【００４２】
インバータ回路４０１は、整流回路４０２から出力される直流電力に対して、直列に接続された１対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２にそれぞれ並列に接続された共振コンデンサＣ１、Ｃ２を備える。また、共振コンデンサＣ１、Ｃ２は、互いに直列に接続されている。共振コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量は、略同一である。電磁誘導コイル２３１（インダクタＬ１）は、Ｌｏｗ側のスイッチング素子Ｑ２（共振コンデンサＣ２）と並列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２には、入力信号に応じてオン状態とオフ状態とが切り替わる任意の素子を使用することが可能であるが、本実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）をスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２として採用している。
【００４３】
なお、共振コンデンサＣ１、Ｃ２は、各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング時に、電磁誘導コイル２３１のインダクタンス成分と共振し、各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の両端に印加される電位差がゼロの状態でのスイッチング動作（ソフトスイッチング動作）を実現するスナバコンデンサとして機能する。つまり、共振コンデンサＣ１、Ｃ２およびインダクタＬが共振回路４１１を構成している。
【００４４】
スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の入力端子（駆動信号が入力される端子：ここでは、ゲート端子）には、スイッチング駆動部４２１から駆動信号が入力される。当該駆動信号は、スイッチング素子のオン状態とオフ状態とを所定の駆動周波数で切り替えるための信号であり、スイッチング駆動部４２１は各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に対して独立に駆動信号を入力する。当該駆動周波数は、予め指定された駆動周波数範囲内で変更可能に構成されている。なお、スイッチング駆動部４２１は、温度センサ２５０により取得される定着ローラ２１０の表面温度等に基づいて駆動周波数（電磁誘導コイル２３１に投入する電力）を決定する構成になっている。
【００４５】
スイッチング駆動部４２１は、スイッチング素子Ｑ１がオン状態であるときスイッチング素子Ｑ２がオフ状態となるようにし、スイッチング素子Ｑ２がオン状態であるときスイッチング素子Ｑ１がオフ状態となるように駆動信号を出力する。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がともにオン状態になることを確実に避けるため、いずれかのスイッチング素子をオン状態にする直前には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がともにオフ状態になる短絡防止期間（デッドタイム）が設けられている。
【００４６】
また、本実施形態の定着装置２００は、異常検知部４２２を備える。異常検知部４２２は、スイッチング駆動部４２１による駆動により想定されるスイッチング素子の動作と、スイッチング素子の現実の動作との不一致を検知する。特に限定されないが、ここでは、異常検知部４２２は、以下で詳述するように、Ｈｉｇｈ側スイッチング素子Ｑ１のエミッタ端子とＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ２のコレクタ端子との接続部Ｓにおける電位Ｖｓをモニタすることにより、上記不一致を検出する。なお、接続部Ｓは、スイッチング素子Ｑ１において、オン状態とオフ状態とで電位が変動する出力端子（エミッタ端子）であり、かつスイッチング素子Ｑ２において、オン状態とオフ状態とで電位が変動する出力端子（コレクタ端子）である。
【００４７】
さらに、定着装置２００は、駆動周波数範囲変更部４２３を備える。駆動周波数範囲変更部４２３は、異常検知部４２２が上記不一致を検知した場合、スイッチング駆動部４２１に設定された駆動周波数範囲の下限値を高くする。
【００４８】
なお、スイッチング駆動部４２１、異常検知部４２２および駆動周波数範囲変更部４２３は、例えば、上述のＣＰＵ３０１が、ＲＯＭ３０３やＨＤＤ３０４に格納されたプログラムを実行することにより実現される。
【００４９】
続いて、異常検知部４２２による異常検知動作について説明する。図５は、スイッチング駆動部４２１の駆動により想定されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の動作と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の現実の動作とが一致している状態、すなわち、ソフトスイッチング動作が正常に実施されている状態（以下、適宜、正常状態という。）を示すタイムチャートである。図５では、スイッチング素子Ｑ１のゲート信号（ゲート端子の電位）、スイッチング素子Ｑ２のゲート信号（ゲート端子の電位）、接続点Ｓの電位Ｖｓ、電磁誘導コイル２３１を流れる電流を模式的に示している。なお、スイッチング素子をオン状態にするゲート信号が「ｈｉｇｈ（高電位）」であり、オフ状態にする駆動信号が「ｌｏｗ（低電位）」である。
【００５０】
図５に示すように、Ｈｉｇｈ側スイッチング素子Ｑ１およびＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ２には、デッドタイムｔdを挟んで交互に「ｈｉｇｈ」信号が入力されている。「ｈｉｇｈ」信号が入力されている時間（オン時間）ｔonとデッドタイムｔdとの和を２倍した値の逆数は、スイッチング駆動部４２１による駆動周波数に対応することになる。
【００５１】
スイッチング素子Ｑ１がオン状態にあり、スイッチング素子Ｑ２がオフ状態にある場合、整流回路４０２から出力された直流電圧は接続点Ｓに印加される。すなわち、接続点Ｓの電位Ｖｓは、「ｈｉｇｈレベル（高電位状態）」になる。また、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態にあり、スイッチング素子Ｑ２がオン状態にある場合、接続点Ｓは整流回路４０２の低電位側（ここでは、接地電位）と導通状態になる。すなわち、接続点Ｓの電位Ｖｓは「ｌｏｗレベル（低電位状態）」になる。
【００５２】
また、スイッチング素子Ｑ１がオン状態からオフ状態に切り替わる場合、接続点Ｓの電位Ｖｓは、共振コンデンサＣ２の放電（コンデンサＣ２とインダクタＬ１との共振）に伴って低下し、スイッチング素子Ｑ２に「ｈｉｇｈ」信号が入力されるまでに、接続点Ｓの電位Ｖｓが「ｌｏｗレベル」に低下している。すなわち、スイッチング素子Ｑ２がオフ状態からオン状態に切り替わるとき、スイッチング素子Ｑ２のエミッタ−コレクタ間の電位差はゼロになっている。
【００５３】
さらに、スイッチング素子Ｑ２がオン状態からオフ状態に切り替わる場合、接続点Ｓの電位Ｖｓは、共振コンデンサＣ１の放電（コンデンサＣ１とインダクタＬ１との共振）に伴って上昇し、スイッチング素子Ｑ１に「ｈｉｇｈ」信号が入力されるまでに、接続点Ｓの電位Ｖｓが「ｈｉｇｈレベル」に上昇している。すなわち、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態からオン状態に切り替わるとき、スイッチング素子Ｑ１のエミッタ−コレクタ間の電位差はゼロになっている。
【００５４】
以上の動作が繰り返されることにより、電磁誘導コイル２３１に駆動周波数に応じた高周波電力が印加され、駆動周波数に応じた高周波電流（コイル電流）が流れる。
【００５５】
一方、図６は、スイッチング駆動部４２１の駆動により想定されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の動作と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の現実の動作とが一致していない状態、すなわち、ソフトスイッチング動作が正常に実施されていない状態（以下、適宜、異常状態という。）を示すタイムチャートである。図５と同様に、図６においても、スイッチング素子Ｑ１のゲート信号、スイッチング素子Ｑ２のゲート信号、接続点Ｓの電位Ｖｓ、電磁誘導コイル２３１を流れる電流を模式的に示している。当該状態は、低温環境下において、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の駆動周波数を低下させる制御を行い、駆動周波数が共振回路の共振周波数ｆ0よりも低くなった状態に相当する。
【００５６】
図５と同様に、Ｈｉｇｈ側スイッチング素子Ｑ１およびＬｏｗ側スイッチング素子Ｑ２には、デッドタイムｔdを挟んで交互に「ｈｉｇｈ」信号が入力されている。しかしながら、図６では、スイッチング素子Ｑ１がオン状態からオフ状態に切り替わる場合、スイッチング素子Ｑ２に「ｈｉｇｈ」信号が入力されるまでに、接続点Ｓの電位Ｖｓが「ｌｏｗレベル」に低下していないことが理解できる（図６矢指部Ａ）。これは、スイッチング素子Ｑ２がオフ状態からオン状態に切り替わるとき、スイッチング素子Ｑ２のエミッタ−コレクタ間に電位差があることを示している。同様に、スイッチング素子Ｑ２がオン状態からオフ状態に切り替わる場合、スイッチング素子Ｑ１に「ｈｉｇｈ」信号が入力されるまでに、接続点Ｓの電位Ｖｓが「ｈｉｇｈレベル」に上昇していないことが理解できる（図６矢指部Ｂ）。これは、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態からオン状態に切り替わるとき、スイッチング素子Ｑ１のエミッタ−コレクタ間に電位差があることを示している。
【００５７】
すなわち、矢指部Ａ、Ｂでは、ソフトスイッチング動作ではなく、スイッチング素子のエミッタ−コレクタ間に電位差がある状態でのスイッチング動作（ハードスイッチング動作）が発生している。このようなハードスイッチング動作が、駆動周波数が低く大きな高周波電流が流れる状況下で発生すると、スイッチング素子において大きなスイッチング損失（電流×電圧）が発生し、スイッチング素子の破壊に至ってしまう。
【００５８】
そこで、本実施形態では、異常検知部４２２が電位Ｖｓをモニタすることにより、上述の異常状態であるか否かを検知するようにしている。
【００５９】
例えば、異常検知部４２２は、スイッチング素子Ｑ２がオフ状態からオン状態に切り変わる立ち上がり（図６の矢指部Ａ）において、電位Ｖｓが「ｌｏｗレベル」であるか否かを確認する。この場合、異常検知部４２２は、電位Ｖｓが「ｌｏｗレベル」である場合は正常状態と判断し、電位Ｖｓが「ｌｏｗレベル」でない場合は異常状態と判断する。なお、電位Ｖｓが「ｌｏｗレベル」であるか否かは、例えば、予め設定された閾値以上であるか否かにより容易に判断可能である。
【００６０】
また、異常検知部４２２は、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態からオン状態に切り変わる立ち上がり（図６の矢指部Ｂ）において、電位Ｖｓが「ｈｉｇｈレベル」であるか否かを確認することで、異常状態であるか否かを判断することもできる。この場合、異常検知部４２２は、例えば、予め設定された閾値を超えていれば正常状態と判断し、閾値以下であれば異常状態と判断する。
【００６１】
なお、異常検知部４２２は、上記の２つの判断を併用して異常状態であるか否かを判断してもよい。さらに、異常検知部４２２は、各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の、オフ状態からオン状態に切り替わる立ち上がりにおいて、エミッタ−コレクタ間の電位差の有無により、異常状態であるか否かを判断することもできる。この場合、異常検知部４２２は、例えば、エミッタ−コレクタ間に予め設定された閾値以上の電位差がなければ正常状態であると判断し、エミッタ−コレクタ間に予め設定された閾値以上の電位差があれば異常状態であると判断する。
【００６２】
異常検知部４２２は、異常状態であることを検知した場合、駆動周波数範囲変更部４２３にその旨を通知する。当該通知を受けた駆動周波数範囲変更部４２３は、スイッチング駆動部４２１に予め指定されている駆動周波数範囲の下限値をより高い値に変更する。例えば、スイッチング駆動部４２１に予め指定されている駆動周波数範囲の下限値が３５ｋＨｚであるとすると、駆動周波数範囲変更部４２３は当該下限値を、例えば、５００Ｈｚ高い値に設定する。なお、特に限定されないが、本実施形態では、駆動周波数範囲変更部４２３が駆動周波数範囲を変更する間（例えば、５００μｓｅｃ程度）、スイッチング駆動部４２１はスイッチング動作を停止する構成になっている。
【００６３】
このとき、スイッチング駆動部４２１が、駆動周波数範囲の変更後の下限値より小さい駆動周波数でスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を駆動していた場合、駆動周波数は、強制的に変更後の下限駆動周波数まで上昇する。これにより、異常検知部４２２が異常状態の解消（すなわち、正常状態であること）を検知すると、スイッチング駆動部４２１は駆動周波数範囲変更部４２３により変更された駆動周波数範囲においてスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を駆動する。
【００６４】
一方、異常検知部４２２が異常状態を検知したときに、スイッチング駆動部４２１が、駆動周波数範囲の変更後の下限値より高い駆動周波数でスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を駆動していた場合、異常状態は解消されず、異常検知部４２２は異常状態を検知し続けることになる。この場合、駆動周波数範囲変更部４２３は駆動周波数範囲の下限値をさらに所定量（例えば、５００Ｈｚ）高い値に設定する。すなわち、異常検知部４２２が正常状態であることを検知するまで、駆動周波数範囲変更部４２３は、スイッチング駆動部４２１の駆動周波数範囲の下限値を高くする。なお、下限値の上昇量は、異常検知部４２２の検知回数に応じて可変にしてもよいし、異常状態が確実に解消されるように、１回の上昇量を大きく設定してもよい。なお、特に限定されないが、本実施形態では、駆動周波数範囲変更部４２３は、駆動周波数範囲の下限値を３段階（例えば、５００Ｈｚを３回）高めたにも関わらず、異常検知部４２２が異常状態を検知し続ける場合は、スイッチング駆動部４２１にスイッチング動作の停止を指示する構成になっている。この構成では、電磁誘導コイル２３１の破損等、他の原因でハードスイッチングが発生している場合に、駆動周波数範囲の下限値を高める動作が無制限に繰り返され、当該動作を繰り返す間にスイッチング素子の破壊が発生することを防止できる。
【００６５】
以上の構成によれば、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の異常状態が検知されたときに、駆動周波数範囲の下限値が変更される。したがって、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の破壊を確実に防止することができる。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の異常状態が検知されたときにのみ駆動周波数範囲の下限値が変更されるため、駆動周波数が共振周波数よりも低い周波数に設定されないように駆動周波数範囲に大きなマージンを含む下限値に設定することが不要であり、共振系（共振回路）のパフォーマンスを最大限に発揮することができる。そのため、常温環境下や高温環境下などでは、電力投入能力を抑制することなく発熱部材に電力を供給することができる。その結果、周囲の温度環境に関わらず、安定して動作させることができる。
【００６６】
ところで、上述の駆動周波数範囲の変更は、電源電圧（商用交流電源４０３の電圧または整流回路４０２の出力電圧）の低下が発生した場合に実施してもよい。上述したように、電源電圧が低下すると、電磁誘導コイル２３１から定着ローラ２１０に供給される交番磁場が著しく小さくなる。このとき、定着ローラ２１０に供給する交番磁場を維持するために、スイッチング駆動部４２１は、駆動周波数を駆動周波数範囲内でより小さくする。このような制御が発生すると、上述した異常状態が突発的に発生する可能性がある。そこで、定着装置２００は、電源電圧（ここでは、整流回路４０２の出力電圧）を検出する電圧検出部４２４が電源電圧の低下を検知した場合、駆動周波数範囲変更部４２３が、スイッチング駆動部４２１に設定された駆動周波数範囲の下限値を高くする。
【００６７】
例えば、整流回路４０２の出力電圧が正常時に１００Ｖであり、スイッチング駆動部４２１に予め指定されている駆動周波数範囲の下限値が３５ｋＨｚであるとする。この場合、整流回路４０２の出力電圧が９０Ｖになると、駆動周波数範囲変更部４２３は駆動周波数範囲の下限値を、例えば、３５．５ｋＨｚに設定する。また、整流回路４０２の出力電圧が８５Ｖになると、駆動周波数範囲変更部４２３は駆動周波数範囲の下限値を、例えば、３６ｋＨｚに設定する。さらに、整流回路４０２の出力電圧が８０Ｖになると、駆動周波数範囲変更部４２３は駆動周波数範囲下限値を、例えば、３６．５ｋＨｚに設定する。
【００６８】
この構成では、電源電圧の低下が検出された場合、電圧低下量に応じて、駆動周波数範囲の下限値が変更される。そのため、スイッチング駆動部４２１による駆動により想定されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の動作と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の現実の動作とが突発的に不一致になることが予測される場合に、速やかに反応してその発生を防止することができる。
【００６９】
なお、以上では、駆動周波数範囲変更部４２３による駆動周波数範囲下限値の変更について説明したが、当該下限値が変更された状態は、インバータ回路４０１から電磁誘導コイル２３１への出力電力が抑制されている状態である。したがって、下限値変更の必要がなくなった場合には、速やかに変更前の下限値に復帰させることが好ましい。そこで、定着装置２００では、定着ローラ２１０が予め指定された温度に到達したとき、あるいは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の正常状態での駆動が予め指定された期間継続したことを異常検知部４２２が検知したときに、駆動周波数範囲変更部４２３は、変更した駆動周波数範囲の下限値を変更前の値に変更する。これにより、例えば、定着ローラ２１０による発熱により周囲温度が上昇して共振回路４１１の共振周波数が低下し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が異常状態になる可能性がなくなった場合（あるいは、異常状態になる可能性がなくなったと予測できる場合）に、自動的に電力投入能力の抑制を解除することができる。ここでは、温度センサ２５０が１００℃を検知した場合、あるいは、正常状態でのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の駆動が１０秒間継続した場合に、駆動周波数範囲変更部４２３がスイッチング駆動部４２１に設定されている駆動周波数範囲の下限値を当初の駆動周波数範囲下限値に復帰させるようになっている。また、上述の電源電圧低下に起因して、駆動周波数範囲下限値が変更されている場合は、電圧検出部４２４が正常な電圧を検出したときに、駆動周波数範囲変更部４２３が当初の駆動周波数範囲下限値に復帰させればよい。
【００７０】
図７は、上述した定着装置２００における定着ローラ２１０の昇温過程を示す図である。図７では、スイッチング駆動部４２１による駆動により現実に電磁誘導コイル２３１へ出力された電力を破線で示すとともに、要求出力電力を点線で示している。また、定着ローラ２１０の表面温度を実線で示している。なお、図７において横軸は時間に対応する。また、左縦軸は表面温度に対応し、右縦軸が出力電力に対応する。なお、周囲環境は、気温１０℃、湿度１５％である。
【００７１】
図７から理解できるように、定着装置２００が起動されたとき（図７中の「８秒」の時点）、１０００Ｗの出力が要求されている。これに対し、定着装置２００は、駆動周波数範囲の下限値を高くして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が異常状態になることを防止している。その結果、現実の出力電力が１０００Ｗよりも小さい値に抑制されている。その後、１０秒が経過すると、正常状態が１０秒間継続したので、駆動周波数範囲変更部４２３が駆動周波数範囲の下限値を当初設定値に復帰させている。その結果、図７において、「１８秒」の時点以降は、要求どおりの出力電力である１０００Ｗが出力されていることが理解できる。これにより、低温環境下において、定着装置２００の速やかな起動が実現されている。なお、図７において、「８秒」から「１８秒」の間に、出力電力が徐々に上昇しているが、これは、定着ローラ２１０の発熱による周囲温度の上昇に伴い、共振回路４１１の共振周波数が徐々に低下していることに起因する。
【００７２】
また、下記の表１は、気温１０℃、湿度１５％において、電源電圧を故意に低下させた場合の定着装置２００の起動状態を、表面温度が１６０℃に到達する時間を起動時間として評価した結果である。また、比較のため、表中に、駆動周波数範囲の下限値を変更しない場合の起動時間を比較例として併記している。なお、比較例の８０Ｖでは、起動開始直後のハードスイッチング動作が顕著であり、スイッチング素子が破壊する可能性があったため起動不能と判断している。
【００７３】
【表１】
0005450489.tif 000002
【００７４】
表１に示すように、本実施形態の定着装置２００では、いずれの電源電圧においても、従来構成を用いて測定した比較例と比べて起動時間が短くなっている。これは、比較例では、顕著なハードスイッチング動作が発生しなかったため、スイッチング素子の破壊を招くことなく起動が一応可能であったが、駆動周波数と共振周波数との乖離が大きくなっていたことに起因すると考えられる。すなわち、低駆動周波数で駆動はできているが、スイッチング損失が大きいために電磁誘導コイル２３１に印加する電力が低下した状態が長く継続した結果、起動時間が長くなっていると考えられる。
【００７５】
これに対し、本実施形態の定着装置２００では、顕著でなくとも、異常検知部４２２がハードスイッチング動作を検知した場合には駆動周波数下限値を高い値に変更する。そのため、比較例に比べて高い駆動周波数での駆動ではあるが、スイッチング損失が小さいために電磁誘導コイル２３１に印加する電力の低下が抑制された結果、比較例に比べて温度上昇の立ち上がりが早くなることと、温度上昇に伴う共振周波数の低下に起因する発熱効率の向上との相乗効果により、短時間で起動できていると考えられる。
【００７６】
以上説明したように、本発明によれば、低温環境下等におけるスイッチング素子の破壊を確実に防止することができ、低温環境下でも安定して速やかに使用可能状態にできる定着装置および画像形成装置を実現することができる。
【００７７】
なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、インバータ回路は、本発明の技術的思想が適用可能である限り、任意の回路構成を採用することができる。
【００７８】
また、上述の実施形態では、デジタル複合機として本発明を具体化したが、デジタル複合機に限らず、上述の定着装置を有するプリンタ、複写機等の、任意の画像処理装置に本発明を適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明によれば、低温環境下等におけるスイッチング素子の破壊を確実に防止できるとともに、低温環境下でも安定して速やかに使用可能状態にでき、定着装置および画像形成装置として有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１００  複合機
２００  定着装置
２１０  定着ローラ
２１３  導電層（発熱部材）
２２０  加圧ローラ
２３０  誘導加熱部
２３１  電磁誘導コイル
２５０  温度センサ
４００  定着駆動部
４０１  インバータ回路
４１１  共振回路
４２１  スイッチング駆動部
４２２  異常検知部
４２３  周波数範囲変更部
４２４  電圧検出部
Ｑ１、Ｑ２  スイッチング素子
Ｃ１、Ｃ２  共振コンデンサ
Ｌ１  インタクタ（電磁誘導コイル２３１）
【図１】
0005450489.tif 000003
【図２】
0005450489.tif 000004
【図３】
0005450489.tif 000005
【図４】
0005450489.tif 000006
【図５】
0005450489.tif 000007
【図６】
0005450489.tif 000008
【図７】
0005450489.tif 000009
【図８】
0005450489.tif 000010