(57)【要約】【課題】直流給電対応の画像形成装置における定着用ヒータの多様化を図る。【解決手段】ヒータに交流電力を供給するヒータ駆動装置は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、スイッチング回路の出力電流を検出する電流検出回路と、スイッチング回路のスイッチング動作を制御するコントローラとを備える。コントローラは、電流検出回路によって検出される電流に基づいて、スイッチング回路に接続された負荷が予め決められた２種類のヒータのいずれであるかを判別し、判別の結果に応じて、予め当該ヒータの種類ごとに定められた周波数の電力を出力するようにスイッチング回路を制御する。【選択図】図４
2011096605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータに交流電力を供給するヒータ駆動装置であって、
直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路の出力電流を検出する電流検出回路と、
前記スイッチング回路のスイッチング動作を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記電流検出回路によって検出される電流に基づいて、前記スイッチング回路に接続された負荷が予め決められた２種類のヒータのいずれであるかを判別し、判別の結果に応じて、予め当該ヒータの種類ごとに定められた周波数の電力を出力するように前記スイッチング回路を制御する
ことを特徴とするヒータ駆動装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記スイッチング回路による前記負荷への通電の開始から予め定められた一定時間が経過した時点の電流値の大きさによって前記負荷の種類を判別する
請求項１記載のヒータ駆動装置。
【請求項３】
記録媒体上に画像を形成する画像形成装置であって、
色材を加熱する定着用ヒータとして誘導加熱型ヒータまたはランプ型ヒータが装着され、当該誘導加熱型ヒータとランプ型ヒータとの相互の入れ替えが可能なヒータ装着部と、
直流電源に接続される電源入力端子と、
前記電源入力端子に供給される直流電力を、前記ヒータ装着部に装着された定着用ヒータに供給する交流電力に変換するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路の出力電流を検出する電流検出回路と、
前記スイッチング回路のスイッチング動作を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記電流検出回路によって検出される電流に基づいて、前記ヒータ装着部に装着された定着用ヒータが前記誘導加熱型ヒータおよび前記ランプ型ヒータのいずれであるかを判別し、判別の結果に応じて、予め当該定着用ヒータの種類ごとに定められた周波数の電力を出力するように前記スイッチング回路を制御する
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記スイッチング回路による前記負荷への通電の開始から前記誘導加熱型ヒータの過渡特性に基づいて決められた一定時間が経過した時点の電流値が、前記ランプ型ヒータの飽和電流に相当する閾値よりも大きい場合に、前記ヒータ装着部に装着された定着用ヒータを前記ランプ型ヒータと判別し、前記電流値が前記閾値よりも小さい場合に、前記ヒータ装着部に装着された定着用ヒータを前記誘導加熱型ヒータと判別する
請求項３記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記コントローラは、前記ヒータ装着部に装着された定着用ヒータを前記ランプ型ヒータと判別した後において、スイッチング回路に対して通電開始時の電流変化を緩やかにするソフトスタート制御を行う
請求項３または４記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータに交流電力を供給するヒータ駆動装置および定着用ヒータを備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真法によって用紙上に画像を形成する画像形成装置は、トナー像が転写された用紙を加熱する定着用ヒータを有する。加熱によって色材であるトナーが溶融して用紙に定着する。定着用ヒータとしてハロゲンランプが広く用いられている。また、誘導加熱（Induction Heating：ＩＨ）によって発熱するヒータを備えた画像形成装置もある。誘導加熱型ヒータはハロゲンランプと比べて高価であるが、発熱の効率および応答性に優れており、画像形成を高速化するのに有用である。
【０００３】
ハロゲンランプの駆動に関しては、商用交流を整流した後にスイッチング手段によって断続させてハロゲンランプに供給する技術がある。スイッチング制御によって、供給電圧の平均値を大略一定にすることができる。この技術を用いたＡＣ制御装置について、負荷電流を検出し、負荷電流が所定値以上の時には導通比率を制限することが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
誘導加熱型ヒータの駆動に関しては、損失の周波数特性が互いに異なる複数のコアをコイルの近傍に配設した誘導加熱方式の定着装置において、転写紙の幅寸法に応じてコイルに供給する交流電力の周波数を変更する技術がある。これによれば、転写紙の幅寸法に最適なコアを交流磁界の発生に寄与させ、転写紙のサイズに関係なく定着用のローラの温度分布を均一なものにすることができる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２１８７２０号公報
【特許文献２】特開２００２−４０８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
省エネルギー化が望まれる中、一般家庭、オフィス、工場、店舗などの屋内の給電を直流化する直流給電が注目されている。定着用ヒータを有する画像形成装置を直流給電に適合させるには、直流電源から供給される電力によって定着用ヒータを駆動するヒータ駆動装置が必要である。数ｋＨｚ以下の比較的に低い周波数の交流電力が適したハロゲンランプのようなランプ型ヒータと数十ｋＨｚ程度の比較的に高い周波数の交流電力が適した誘導加熱型ヒータとのいずれをも駆動可能なヒータ駆動装置があれば、普及型や高速型といった複数種の画像形成装置の製造に際して、ヒータ駆動装置の共通化による製造コストの低減を図ることができる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされ、直流給電対応の画像形成装置における定着用ヒータの多様化を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するヒータ駆動装置は、ヒータに交流電力を供給するヒータ駆動装置であって、直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の出力電流を検出する電流検出回路と、前記スイッチング回路のスイッチング動作を制御するコントローラとを備える。当該ヒータ駆動装置において、前記コントローラは、前記電流検出回路によって検出される電流に基づいて、前記スイッチング回路に接続された負荷が予め決められた２種類のヒータのいずれであるかを判別し、判別の結果に応じて、予め当該ヒータの種類ごとに定められた周波数の電力を出力するように前記スイッチング回路を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１または２記載の発明によれば、直流給電対応の画像形成装置における定着用ヒータの多様化に有用なヒータ駆動装置を提供することができる。
【００１０】
請求項３ないし５記載の発明によれば、ヒータ駆動装置を入れ替えることなく、誘導加熱型ヒータとランプ型ヒータとの相互の入れ替えが可能な直流給電対応の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】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るヒータ駆動装置の構成を示す図である。
【図２】スイッチング制御の概要を示す信号波形図である。
【図３】ヒータ駆動装置が実行するヒータ判別処理のフローチャートである。
【図４】ランプ型ヒータおよび誘導加熱型ヒータの通電開始時の電流特性を示すグラフである。
【図５】ソフトスタート制御におけるスイッチング信号および出力電流の変化を示す波形図である。
【図６】画像形成装置の構成の一例を示す図である。
【図７】ヒータ駆動装置のスイッチング回路の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態に係るヒータ駆動装置は、直流給電対応の電子写真式の画像形成装置に組み込まれ、定着用ヒータを駆動する。
【００１３】
図１のように、ヒータ駆動装置１は、直流電源６からの供給される例えば４００ボルトの直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路２と、スイッチング回路２の出力電流を検出する電流検出回路３と、スイッチング回路２のスイッチング動作を制御するコントローラ４とを備える。ヒータ駆動装置１の電源入力端子１１，１２には直流電源６と電源スイッチ７とヒューズ８との直列回路が接続され、出力端子１３，１４には定着ユニット９０に組み込まれた定着用ヒータ９が負荷として接続される。
【００１４】
スイッチング回路２は、電源入力端子１１，１２の間に直列接続された２個のスイッチング素子２１，２２を有する。スイッチング素子２１，２２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）、または他の電圧制御型の素子である。スイッチング素子２１，２２の連結点（中点）が一方の出力端子１３に接続されている。正極性側の電源入力端子１１に接続されたスイッチング素子２１がオン状態のとき、直流電源６から電源スイッチ７、ヒューズ８、電源入力端子１１、スイッチング素子２１、および出力端子１３を通って定着用ヒータ９へ電流が流れる。スイッチング素子２１がオフ状態のとき、直流電源６から定着用ヒータ９への通電は停止する。スイッチング素子２１がオフ状態で他方のスイッチング素子２２がオン状態のとき、定着用ヒータ９のインダクタンス成分により生じる電流の流れるループが形成される。
【００１５】
電流検出回路３は、電源入力端子１２と出力端子１４との間に挿入された電流検出用の抵抗（シャント抵抗）３１と、出力端子１４とコントローラ４とを結ぶ導電路３２とから構成される。電流検出回路３によって出力端子１４の電位がコントローラ４に伝わる。抵抗３１内を電流が流れるとき、基準電位（例えば接地電位）である電源入力端子１２の電位と出力端子１４の電位との間に抵抗３１の電圧降下分の電位差が生じる。この電位差、すなわち抵抗３１の端子間電圧は、定着用ヒータ９に供給される電力の電流値に相当する。
【００１６】
コントローラ４は、スイッチング素子２１，２２のオンオフ状態を決めるスイッチング信号Ｓ２１，Ｓ２２を出力する。スイッチング信号Ｓ２１，Ｓ２２は基本的には図２に示すように所定の周期でパルスが出現する電圧パルス列信号である。スイッチング信号Ｓ２１，Ｓ２２がローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）に切り替わるとき、対応するスイッチング素子２１，２２はオフ状態からオン状態へ状態遷移する。逆にスイッチング信号Ｓ２１，Ｓ２２がハイレベル（Ｈ）からローレベル（Ｌ）に切り替わるとき、対応するスイッチング素子２１，２２はオン状態からオフ状態へ状態遷移する。スイッチング信号Ｓ２１とスイッチング信号Ｓ２２とは交互にハイレベルになる。電源入力端子１１，１２間の短絡を防ぐため、スイッチング信号Ｓ２１のハイレベル期間とスイッチング信号Ｓ２２のハイレベル期間との間には、両信号Ｓ２１，Ｓ２２が共にローベルとなるデットタイムが設けられる。
【００１７】
スイッチング信号Ｓ２１，Ｓ２２で決まる駆動周波数（定着用ヒータ９に供給する交流電力の周波数）は、出力端子１３，１４に接続される定着用ヒータ９の種類に応じて切り替えられる。本実施形態では、ハロゲンランプに代表されるランプ型ヒータと誘導加熱型ヒータとの２種類のヒータの一方が出力端子１３，１４に接続される。ランプ型ヒータが接続されている場合、駆動周波数は０．１〜１ｋＨｚ程度の値とされる。一方、誘導加熱型ヒータが接続されている場合、駆動周波数は数十ｋＨｚ程度の値とされる。
【００１８】
駆動周波数を決めるため、コントローラ４は定着用ヒータ９の種類を自動判別する。この動作のための電流測定部４１およびヒータ判別部４２をコントローラ４は備えている。電流測定部４１およびヒータ判別部４２は、コントローラ４が内部のメモリに格納されたプログラムに従って、図３のフローチャートが示すヒート判別処理を実行することによって実現される機能要素である。
【００１９】
図３のヒート判別処理は、例えば電源スイッチ７のオンによる画像形成装置への電源投入に呼応する初期設定処理の一部として実行される。ヒート判別処理が起動されると、コントローラ４の電流測定部４１は、正極性側のスイッチング素子２１をオン状態にする（＃１）。このとき、出力端子１３，１４に特定のランプ型ヒータまたは特定の誘導加熱型ヒータが適正に接続されているならば、出力端子１４に所定の電流が流れる。スイッチング素子２１をオンから後述する一定時間が経過した時点で、電流測定部４１は電流検出回路３の抵抗３１の端子間電圧を測定する（＃２、＃３）。この測定は実質的に出力電流の測定である。ヒータ判別部４２は、出力電流の値に対応する電流測定部４１による測定値と予め決められた閾値とを比較することによって、定着用ヒータ９の種類を判別する（４）。測定値が閾値以上である場合、ヒータ判別部４２は、接続されている定着用ヒータ９をランプ型ヒータであると判別し（＃５）、ヒータ駆動装置１の出力モードをランプ型ヒータの駆動に適した「低周波出力」に設定する（＃６）。これに対して、測定値が閾値以上でない場合には、ヒータ判別部４２は、接続されている定着用ヒータ９を誘導加熱型ヒータであると判別し（＃７）、ヒータ駆動装置１の出力モードを誘導加熱型ヒータの駆動に適した「高周波出力」に設定する（＃８）。
【００２０】
定着用ヒータ９の種類の自動判別には、図４に示されるランプ型ヒータと誘導加熱型ヒータとにおける電流の立ち上り特性（通電開始時の過渡特性）の差異が利用される。ランプ型ヒータの場合には、図４中の曲線Ａ１が示すオーバーシュート波形を描くように電流値が推移する。一方、誘導加熱型ヒータの場合には、図４中の曲線Ａ２が示す前縁の緩やかな鈍波型の波形を描くように電流値が推移する。そこで、ランプ型ヒータにおける電流値がピーク値まで上昇した後に降下して飽和レベルになるまでの時間Ｔ２よりも短い時間Ｔ１が経過した時点ｔ１で電流を測定する。そして、適切に設定しておいた閾値Ｃ１と測定値とを比較すれば、定着用ヒータ９の種類を判別することができる。時間Ｔ１として、誘導加熱型ヒータのコイルのインダクタンス（Ｌ）と抵抗（Ｒ）とにより決まる時定数τ（τ＝Ｌ／Ｒ）またはその付近の値を設定することにより、Ｌ成分の飽和による誤検知を防ぐことができる。例えばＬ値が２７μＨでＲ値が１．２Ωである場合、時間Ｔ１を２２μｓとすればよい。また、閾値Ｃ１としては、誘導加熱型ヒータの定格ピーク電流の約３／４の値に設定することができる。例えば、定格ピーク電流が６０Ａであれば、閾値Ｃ１を４５Ａとする。
【００２１】
このような自動判別によって定着用ヒータ９がランプ型ヒータと判別された場合、コントローラ４はその後の定着用ヒータ９の駆動においてスロースタート制御を行う。スロースタート制御は、ハロゲンランプにみられる冷抵抗が小さいことに起因する過大な突入電流を抑制する。スイッチング素子２１をオフに保つ休止動作から所定の周期でスイッチング素子２１をオンオフする通電動作へ移行する通電開始時において、スイッチング信号Ｓ２１としてのパルス列信号の最初のパルスの立ち上がり（前縁）を図５（Ａ）のように緩やかにする。スイッチング素子２１を能動領域で動作させることで図５（Ｂ）のように定着用ヒータ９に供給する出力電流の推移を緩やかにする。
【００２２】
以上のヒータ駆動装置１は、図６に例示される画像形成装置１００に組み込まれる。
【００２３】
図６のように、画像形成装置１００は、直流電源６に接続される電源回路８０を有した直流給電対応のカラープリンタである。画像形成装置１００の構成は、直流給電対応であることおよび定着用ヒータ９の種類の変更を可能にするヒータ装着部１０を有することを除いて、基本的に交流給電対応の電子写真式のプリンタと同様である。
【００２４】
ヒータ装着部１０は、定着ユニット９０のユニット交換によって誘導加熱型ヒータとランプ型ヒータとの相互の入れ替えが可能な構成となっている。定着ユニット９０は、加熱ローラ９１の加圧ローラ９２とを備えたローラ式の定着装置である。定着用ヒータ９は加熱ローラ９１の内部に取り付けられる。
【００２５】
画像形成装置１００の動作の概要は次のとおりである。図示しないコンピュータや他のホスト機器から画像のプリントが画像形成装置１００に指示されると、給紙トレイ４０に格納から記録媒体（用紙）が１枚ずつ給紙ローラ７１により取り出され、搬送ローラ７３，７４により上方へ搬送される。この給紙と並行して、レーザユニット５０が帯電された４個の感光体５１，５２，５３，５４を画像データに基づいて露光し、４個の現像ユニット５５，５６，５７，５８のそれぞれがそれに対応する一つの感光体に１色のトナーを付着させる。現像された４個の感光体上のトナー画像は、電圧を印加することで中間転写ベルト６６上に順に重ねて転写される。次に転写ローラ７５に電圧を印加することで、中間転写ベルト６６上のトナー画像が記録媒体に転写される。記録媒体上に形成されたトナー画像は熱と圧力とを加える定着ユニット９０を通過することで記録媒体に定着される。トナー画像が定着した記録媒体は、排紙ローラ７６により排紙トレイに排出される。
【００２６】
画像形成により現像ユニット５５，５６，５７，５８内のトナーが少なくなると、トナーボトル６１，６２，６３，６４内に収納されているトナーが現像ユニット５５，５６，５７，５８に補給される。
【００２７】
給紙ローラ７１、搬送ローラ７４、中間転写ベルト６６および黒の像形成に係る感光体５４は、メインモータ８１によって駆動される。定着ユニット９０の加熱ローラ９１および加圧ローラ９２は定着モータ８５によって駆動される。黒の像形成に係る現像ユニット５８は黒現像モータ８２によって駆動される。イエロー、マゼンタおよびシアンのそれぞれの像形成に係る現像ユニット５５，５６，５７は、カラー現像モータ８３によって駆動される。イエロー、マゼンタおよびシアンのそれぞれの像形成に係る感光体５１，５２，５３はカラー感光体モータ８４によって駆動される。
【００２８】
以上の実施形態によれば、装着されている定着用ヒータ９が自動判別されるので、例えばランプ型ヒータに代えて効率の良い誘導加熱型ヒータを装着するユニット交換を行う場合に、動作設定のための特別の作業を行う必要がない。したがって、サービスマンに限らず、画像形成装置１００のユーザも容易にユニット交換をすることができる。
【００２９】
ヒータ駆動装置１の回路構成の変形として、図７に示すヒータ駆動装置１ｂのスイッチング回路２ｂがある。図７のスイッチング回路２ｂは、図１のスイッチング回路２におけるスイッチング素子２２の被制御端子間（ＩＧＢＴである場合にはコレクタエミッタ間）に並列に共振コンデンサＣ１を配置したものである。負荷のインダクタンス成分が関与するＬＣ共振回路を形成することにより、定着用ヒータ９が誘導加熱型である場合に、電力の変換効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１    ヒータ駆動装置
２，２ｂ    スイッチング回路
３    電流検出回路
４    コントローラ
６    直流電源
９    定着用ヒータ（ヒータ）
１０    ヒータ装着部
１１，１２    電源入力端子
１００    画像形成装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011096605.tif 000008
【図７】
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