(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層を有する筒状の回転体と、前記回転体の内部に配置され螺旋軸が前記回転体の母線方向と略平行であるコイルと、共振コンデンサと、を有する共振回路と、
前記共振回路を駆動する第１のコンバータと、
を有し、前記コイルにより発生する磁束により前記導電層を電磁誘導発熱させ、前記回転体の熱により記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置において、
前記第１のコンバータに供給する電力を制御するための第２のコンバータと、
記録材のサイズと前記回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて前記第１のコンバータの駆動周波数を設定する周波数設定部と、
前記回転体の通紙部の温度と前記駆動周波数に応じて前記第２のコンバータを制御し、前記第２のコンバータから前記第１のコンバータに供給する電力を制御する電力制御部と、
を有することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記電力制御部は、前記回転体の通紙部の温度が目標温度を維持するように前記第２のコンバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記共振回路は、電流共振回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
【請求項４】
前記第２のコンバータは降圧型コンバータであることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の定着装置。
【請求項５】
前記コイルの螺旋形状部の中には、磁束を誘導するためのコアを有し、前記導電層には前記回転体の周方向に流れる誘導電流が発生することを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の定着装置。
【請求項６】
前記コアは有端形状であることを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置は、加熱回転体と、それに接触する加圧ローラと、で形成されたニップ部で未定着トナー像を担持した記録材を搬送しながら加熱してトナー像を記録材に定着するものが一般的である。
【０００３】
近年、加熱回転体の導電層を発熱させることができる電磁誘導加熱方式の定着装置が開発され実用化されている。電磁誘導加熱方式の定着装置は、ウォームアップ時間が短いという利点がある。
【０００４】
特許文献１には、導電層の厚みや導電層の材質の制約が小さい定着装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−０２６２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された定着装置においても、小サイズの記録材を定着処理する際の非通紙部昇温が課題となる。また、定着ユニットで発生する温度リップルを抑える必要もある。
【０００７】
本発明は、小サイズの記録材を定着処理する際の非通紙部昇温を抑えつつ、定着ユニットで発生する温度リップルを抑えられる定着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】
【０００８】
上述の課題を解決するための本発明は、導電層を有する筒状の回転体と、前記回転体の内部に配置され螺旋軸が前記回転体の母線方向と略平行であるコイルと、共振コンデンサと、を有する共振回路と、前記共振回路を駆動する第１のコンバータと、を有し、前記コイルにより発生する磁束により前記導電層を電磁誘導発熱させ、前記回転体の熱により記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置において、前記第１のコンバータに供給する電力を制御するための第２のコンバータと、記録材のサイズと前記回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて前記第１のコンバータの駆動周波数を設定する周波数設定部と、前記回転体の通紙部の温度と前記駆動周波数に応じて前記第２のコンバータを制御し、前記第２のコンバータから前記第１のコンバータに供給する電力を制御する電力制御部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
小サイズの記録材を定着処理する際の非通紙部昇温を抑えつつ、定着ユニットで発生する温度リップルを抑えられる定着装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】画像形成装置の概略断面図
【図２】定着ユニットの断面図
【図３】定着ユニットの正面図
【図４】定着ユニットに設けたコイルユニットの斜視図及び駆動回路のブロック図
【図５】駆動回路図
【図６】駆動周波数と定着スリーブの温度分布との関係を示す図
【図７】第１のコンバータの動作を表す図
【図８】駆動周波数を切換えた場合の第１のコンバータの動作を表す図
【図９】第２のコンバータの動作を表す図
【図１０】第２のコンバータ内のスイッチ素子のＯＮデューティ比を切換えた場合の第２のコンバータの動作を表す図
【図１１】第２のコンバータ内のスイッチ素子のＯＮデューティ比を切換えた場合の回転体の発熱量の違いを表す図
【図１２】ＯＮデューティ比と投入電力デューティ比の関係を示す図
【図１３】駆動周波数と投入電力の関係、及び投入電力デューティ比の変更状態を表す図
【図１４】実施例１を説明するフローチャート
【図１５】実施例２を説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨のものではない。
【００１２】
（実施例１）
図１は本実施例に従う画像形成装置１００の概略構成図である。本実施例の画像形成装置１００は、電子写真プロセス利用のレーザビームプリンタである。
【００１３】
３１は画像形成装置の制御部であるコントローラであり、ＲＯＭ３２ａ、ＲＡＭ３２ｂ、タイマ３２ｃ等を具備したＣＰＵ（中央演算処理装置）３２、及び各種入出力制御回路（不図示）等で構成されている。１０１は像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体（以下、感光体ドラムと記す）であり、矢示の時計方向に所定の周速度にて回転駆動される。感光体ドラム１０１はその回転過程で接触帯電ローラ１０２により所定の極性・電位に一様に帯電処理される。１０３はレーザビームスキャナであり、不図示のイメージスキャナやコンピュータ等の外部機器から入力する画像情報に対応してオン／オフ変調したレーザ光Ｌを出力する。このレーザ光Ｌにより感光体ドラム１０１の帯電処理面が露光され、感光体ドラム１０１表面に画像情報に対応した静電潜像が形成される。１０４は現像装置であり、現像ローラ１０４ａから感光体ドラム１０１表面に現像剤（トナー）を供給し感光体ドラム１０１表面の静電潜像をトナー像として現像する。１０５は給紙カセットであり、記録材Ｐが収納させている。１０７はレジストローラであり、感光体ドラムに形成されたトナー像の先端と記録材の所定位置が合うように記録材Ｐを搬送するものである。給紙スタート信号が入力すると給紙ローラ１０６が駆動され、給紙カセット１０５内の記録材Ｐを一枚ずつ給紙する。給紙された記録材は、レジストローラ１０７で搬送タイミングを調整された後、感光体ドラム１０１と転写ローラ１０８とが当接する転写部位１０８Ｔに導入される。転写部位１０８Ｔで記録材Ｐを挟持搬送する間、転写ローラ８には不図示の電源から転写バイアスが印加される。転写ローラ１０８に、トナーの帯電極性と逆極性の転写バイアスが印加されることで、感光体ドラム１０１上のトナー像が記録材Ｐに転写される。その後、トナー像が転写された記録材Ｐは、感光体ドラム１０１表面から分離され、搬送ガイド１０９を通って定着ユニットＡに導入される。記録材上のトナー像は定着ユニットで加熱され記録材に定着される。定着ユニットを通過した記録材Ｐは、排紙口１１１を介して排紙トレイ１１２上に排出される。一方、記録材Ｐが分離した後の感光体ドラム１０１表面はクリーニング部１１０でクリーニングされる。
【００１４】
定着ユニットＡは電磁誘導加熱方式の定着装置である。具体的には、コイルにより発生する磁束により回転体の導電層を電磁誘導発熱させ、回転体の熱により記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置である。図２は定着ユニットの断面図、図３は定着ユニットの正面図、図４は定着ユニットに設けたコイルユニットの斜視図である。定着ユニットＡは、後述する定着スリーブ１やコイルユニットを有する加熱ユニットと、加圧部材８を有し、加熱ユニットと加圧部材の間に未定着トナー像を担持する記録材Ｐを挟持搬送する定着ニップ部Ｎを形成している。
【００１５】
加圧部材としての加圧ローラ８は、芯金８ａと、シリコーンゴム等で形成された弾性層８ｂと、フッ素樹脂等で形成された離型層８ｃを有する。芯金８ａの両端部は、定着ユニットの不図示の装置シャーシ間に軸受けを介して回転自由に保持されている。また、図３に示す加圧用ステイ（金属製の補強部材）５の両端部と装置シャーシ側のバネ受け部材１８ａ、１８ｂとの間にそれぞれ加圧バネ（本例では圧縮バネ）１７ａ、１７ｂを設けることで加圧用ステイ５に押し下げ力を作用させている。なお、本実施例の定着ユニットＡでは、総圧約１００Ｎ〜２５０Ｎ（約１０ｋｇｆ〜約２５ｋｇｆ）の押圧力を与えている。これにより、耐熱性樹脂（ＰＰＳ等）で構成されたスリーブガイド部材６の下面と加圧ローラ８とが定着スリーブ１を挟んで圧接して定着ニップ部Ｎが形成される。加圧ローラ８は不図示の駆動手段により矢示の方向に駆動されており、定着スリーブ１は加圧ローラの回転に従動して回転する。１２ａ、１２ｂは定着スリーブの回転に従動して回転するフランジ部材である。フランジ部材は、スリーブガイド６の長手方向端部に回転自在に配置されている。定着スリーブが回転中に母線方向に寄り移動するとフランジ部材に突き当たり、定着スリーブに押されたフランジ部材は規制部材１３ａ（１３ｂ）に突き当たる。これにより、定着スリーブの寄り移動が規制部材によって規制される。フランジ部材は、ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｐｏｌｙｍｅｒ：液晶ポリマー）等の耐熱性の良い材料で形成されている。
【００１６】
回転可能な筒状回転体としての定着スリーブ１は直径１０〜５０ｍｍが好ましく、基層となる発熱層（導電層）１ａと、その外面に積層した弾性層１ｂと、スリーブ表面の離型層１ｃを有する。発熱層１ａは金属フィルム（本例のスリーブの材質はステンレス）であり、膜厚は１０〜５０μｍが好ましい。弾性層１ｂはシリコーンゴムで形成されており、硬度２０度（ＪＩＳ−Ａ、１ｋｇ加重）程度、厚みは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍが好ましい。離型層はフッ素樹脂のチューブであり、厚みは１０〜５０μｍが好ましい。発熱層１ａには後述する交番磁束の作用で誘導電流が発生する。この誘導電流で発熱層が発熱し、この熱が弾性層１ｂ及び離型層１ｃに伝達し、定着スリーブ１の周方向全体が加熱される。尚、定着スリーブの温度を検出する温度検出素子９、１０、１１については後述する。
【００１７】
次に、発熱層１ａに誘導電流を発生させる機構について詳述する。図４は加熱ユニットに設けたコイルユニットの斜視図である。コイルユニットは、回転体（定着スリーブ）の内部に配置され螺旋軸が回転体の母線方向と略平行である螺旋形状部を有し、回転体の導電層を電磁誘導発熱させるための交番磁界を形成するコイル３を有する。更に、螺旋形状部の中に配置され、磁束を誘導するためのコア２を備えている。磁性芯材としての磁性コア２は、不図示の固定手段で定着スリーブ１の中空部を貫通して配置させてある。ＮＰ及びＳＰはコア２の磁極を示している。コア２は回転体の外側でループを形成していない形状（即ち、有端形状）であり、コイルにより発生する磁束は開磁路を形成する。コアの材質は、ヒステリシス損が小さく比透磁率の高い材料、例えば、焼成フェライト、フェライト樹脂、非晶質合金（アモルファス合金）、パーマロイ等の高透磁率の酸化物、合金等、で構成される強磁性体が好ましい。本例においては、比透磁率１８００の焼成フェライトを用いている。本例のコアは円柱形状であり、直径は５〜３０ｍｍが好ましい。Ａ４プリンタに搭載する定着装置である場合、コアの長さは２４０ｍｍ程度が好ましい。なお、コイル３を巻いたコア２は樹脂製のカバー４で覆われている。
【００１８】
励磁コイル３は、単一導線を定着スリーブ１の中空部において、磁性コア２に螺旋状に巻き回して形成される。その際、コア中央部よりも端部において間隔が密になるように巻かれている。長手寸法２４０ｍｍの磁性コア２に対し、励磁コイル３は１８回巻きつけている。その巻間隔は端部において１０ｍｍ、中央部において２０ｍｍ、その中間において１５ｍｍとなっている。このように、コイルはコアの軸線Ｘに交差する方向に巻き回されている。
【００１９】
給電接点部３ａ、３ｂを介して高周波コンバータにより励磁コイル３に高周波電流を流すと、磁束が発生する。本例の装置は、コア２の端部から出る磁束の殆ど（７０％以上、好ましくは９０％以上、更に好ましくは９４％以上）が、定着スリーブの発熱層よりも外を通ってコアの他端に戻るように設計されている。このため、スリーブの外を通る磁束を打ち消す磁束が発生するように、定着スリーブの発熱層には周方向に流れる誘導電流が発生する。これにより、発熱層の周方向全体が発熱する。このように、定着スリーブの周方向に誘導電流が流れる構成にすると、定着スリーブの周方向全域が発熱するので、定着装置を定着可能な温度までウォームアップする時間を短くできるというメリットがある。また、コア２を有端形状とし、開磁路により、磁束の殆どが発熱層の外を通るように構成している。このため、コアをループ形状として閉磁路を形成する構成の装置よりも小型化できるというメリットもある。
【００２０】
定着ユニットＡの温度検出素子９、１０、１１は、図２に示すように定着ニップ部Ｎよりも定着スリーブ回転方向上流側に配置され、定着スリーブの表面温度を検出する。また、定着ユニット長手方向において、図３に示すように、定着スリーブの中央および両端部の温度を検出する。温度検出素子９、１０、１１はサーミスタ等によって構成される。中央部の温度検出素子９の検出温度が定着に適した制御目標温度を維持するように、コイルへの給電が制御される。また、定着スリーブ１の端部付近に配設された温度検出素子１０、１１は、小サイズ記録材Ｐを連続プリントした時の定着スリーブの非通紙域の昇温具合を検知することができる。尚、温度検出素子１０及び１１は、加圧ローラ８の軸方向端部に配置し、小サイズ記録材Ｐを連続プリントした時の加圧ローラの非通紙域の昇温具合を検知してもよい。
【００２１】
図４には、プリンタ制御を行なう制御部であるＣＰＵ３２、プリンタコントローラ４１、及びホストコンピュータ４２の関係を示すブロック図も示してある。プリンタコントローラ４１はホストコンピュータ４２との間で通信と画像データの受信、及び受け取った画像データを画像形成装置１００が印字可能な情報に展開する。更に、エンジン制御部１２１との間で信号のやり取り及びシリアル通信を行う。エンジン制御部１２１はプリンタコントローラ４１との間で信号のやり取りを行い、さらに、シリアル通信を介して画像形成装置１００の各ユニットの制御を行う。エンジン制御部１２１は温度検出素子９、１０、１１によって検出された温度を基に定着ユニットＡの温度制御を行うと共に、定着ユニットＡの異常検出等を行う。
【００２２】
ところで、スリーブの導電層に、スリーブ周方向に流れる誘導電流が発生するように、コアの端部から出る磁束の殆どが定着スリーブの発熱層よりも外を通ってコアの他端に戻るように設計した定着装置では、以下に示すような課題があることが判明した。
【００２３】
一般的な電磁誘導方式の定着装置では、コイルを含む共振回路を駆動する高周波コンバータが設けられる。そして、コイルにより発生する磁束を回転体の導電層に結合させ、導電層に渦電流を発生させて発熱させる方式の定着装置では、スリーブの温度を一定に保つため、高周波コンバータの駆動周波数を調整し、発熱量を調整する。
【００２４】
しかしながら、本例のような、スリーブ周方向に流れる誘導電流が発生する定着装置では、高周波コンバータの駆動周波数を変えると、スリーブの母線方向における発熱分布が変化してしまうことが判明した。図６は、回転体（スリーブ）の母線方向（長手方向）中央が２００℃を維持するように高周波コンバータの駆動周波数を２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲で変化させた場合のスリーブの温度分布を示している。駆動周波数を下げるほどスリーブ両端の発熱量が低下していることが判る。したがって、例えば、中央部の温度を２００℃に保つために駆動周波数を２０ｋＨｚに設定しなければならないケースでは、スリーブ両端の発熱量が不足する。その結果、スリーブ両端部に対応する記録材上の画像は定着不足が生じる。
【００２５】
そこで本実施例では、図４及び図５に示すように、共振回路１９１を駆動する高周波コンバータ１６（第１のコンバータ）以外に、第１のコンバータに供給する電力を制御するための第２のコンバータ１５を設けている。共振回路１９１は、導電層を有する筒状の回転体と、回転体の内部に配置され螺旋軸が回転体の母線方向と略平行であるコイルと、共振コンデンサ１１１３を有する。図５に示すＲは定着ユニットＡの等価抵抗、Ｌは定着ユニットＡの等価インダクタンスである。本例の共振回路１９１は電流共振回路である。また、記録材のサイズと回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて第１のコンバータ１６の駆動周波数を設定する周波数設定部１２０を設けている。更に、回転体の通紙部の温度に応じて第２のコンバータを制御し、第２のコンバータから第１のコンバータに供給する電力を制御する電力制御部１１９を設けている。
【００２６】
詳述すると、周波数設定部１２０は、小サイズ紙の非通紙部となる領域の回転体温度が高くなり過ぎないように温度検出素子１０、１１の検出温度に応じてコンバータ１６の駆動周波数を設定する。電力制御部１１９は、回転体の通紙部の温度（温度検出素子９の検出温度）が定着可能温度である制御目標温度を維持するように第２のコンバータ１５の出力電圧を制御する。なお、コンバータ１６の駆動周波数は、記録材のサイズ情報に応じて設定してもよい。
【００２７】
次に、図５に示す駆動回路を詳細に説明する。５０は、画像形成装置１００を接続する商用電源（交流電源）であり、画像形成装置１００に交流電力を供給する。商用電源５０の波形は、横軸を時間、縦軸を電圧としたとき波形１のような波形である。商用電源５０から入力された電力は、ＡＣフィルタ１１０１を介してダイオードブリッジ１１０２に入力され、全波整流される。整流された電圧は、コンデンサ１１０３に充電された後、横軸を時間、縦軸を電圧とした時、波形２のような電圧波形になる。
【００２８】
７１は、直流電圧を生成する電源部であり、不図示の二次側の負荷（モータやＣＰＵ等）に所定の電圧を出力している。
【００２９】
初めに、第１のコンバータ１６について説明する。後述するが、第１のコンバータ１６は、第２のコンバータ１５の出力に接続されている。スイッチ素子１１０８、１１０９で第１のコンバータ１６のハーフブリッジ回路を構成している。１１１０は電圧共振コンデンサであり、本実施例ではスイッチ素子１１０９のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間（スイッチ素子がＩＧＢＴの場合、コレクタ−エミッタ間）に接続している。１１１８はスイッチ素子１１０８及び１１０９の駆動回路である。なお、１９１は、等価インダクタンスＬ、等価抵抗Ｒ、電流共振コンデンサ１１１３により構成された直列共振（電流共振）回路である。等価抵抗Ｒは、回転体１及び励磁コイル３の抵抗分を、励磁コイル３から見た直列等価抵抗として表現した抵抗である。
【００３０】
図７にスイッチ素子１１０８のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間電圧、スイッチ素子１１０９のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間電圧、スイッチ素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧、コイル３の電流、及びコンデンサ１１１３の電圧を示す。電流共振回路を用いているので、スイッチ素子１１０８、１１０９は、いずれも、期間１＋期間２＋期間３＋期間４においてデューティ比約５０％で交互に駆動される。具体的には、スイッチ素子１１０８のＯＮ期間は期間１であり、（期間１／（期間１＋期間２＋期間３＋期間４））≒５０％である。スイッチ素子１１０９のＯＮ期間は期間３であり、（期間３／（期間１＋期間２＋期間３＋期間４））≒５０％である。デューティ比５０％で駆動する理由は、第１のコンバータ１６に入力する電圧の１／２の電圧が電流共振コンデンサ１１１３にチャージされている必要があるためである。デューティ比５０％で駆動しない場合、電流共振コンデンサ１１１３に許容できる電圧振幅が低下してしまい、コイル３へ出力できる電力が小さくなってしまう。また、スイッチ素子１１０８、１１０９の両方の導通を避けるためスイッチ素子１１０８、１１０９を同時にターンオフしている期間としてデッドタイムを必ず設けている（図７の期間２及び期間４）。
【００３１】
スイッチ素子１１０９のドレイン（Ｄ）ソース（Ｓ）端子間には電圧共振コンデンサ１１１０を接続している。スイッチ素子１１０８がターンオンしてコンデンサ１１０７から電流が流れると、コンデンサ１１１０の電圧がコンデンサ１１０７と略同じとなり、その後、定着ユニットＡ内の励磁コイル３と、コンデンサ１１１３に電流が流れ始める（図７の期間１）。コイル３及びコンデンサ１１１３に流れる電流は正弦波状になる。コイル３の電流がコンデンサ１１１３を充電している期間内にスイッチ素子１１０９をターンオフする。励磁コイル３には引き続き電流が流れ続けようとする為、電流は、コンデンサ１１１３、スイッチ素子１１０９に備わっている不図示の逆導通ダイオードに流れる（図７の期間２）。
【００３２】
スイッチ素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧はソース（Ｓ）電圧よりも逆導通ダイオードの順方向電圧だけ低くなる。図７の期間２の中でスイッチ素子１１０９の逆導通ダイオードが導通している期間に、周波数設定部１２０はスイッチ素子駆動回路１１１８を介してスイッチ素子１１０９をターンオンする。励磁コイル３に流れていた電流は、時間とともに減少していく。コンデンサ１１１３に蓄えた電圧は最も高電圧となり、この後、逆方向に電流が流れ始める（図７の期間３）。
【００３３】
次に、逆方向に流れている電流が０Ａになる前にスイッチ素子１１０９をターンオフする。すると、流れていた電流はコンデンサ１１１０を充電し始め、スイッチ素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧が上昇していく（図７の期間４）。スイッチ素子１１０９のドレイン（Ｄ）電圧がコンデンサ１１０７の電圧よりも高くなると、スイッチ素子１１０８に備わっている不図示の逆導通ダイオードに電流が流れ始める。
【００３４】
コンデンサ１１１０の電圧は、コンデンサ１１０７の電圧とスイッチ素子１１０９に備わっている不図示の逆導通ダイオードの順方向電圧の和となる。スイッチ素子１１０８の逆導通ダイオードに通電している期間に周波数設定回路１２０はスイッチ素子駆動回路１１１８を通じてスイッチ素子１１０８をターンオンする（図７の期間１）。以降、前述した期間１から期間４のスイッチ制御を繰り返す。
【００３５】
以上のように、電圧共振コンデンサ１１１０の容量と、ターンオフ時の電流と、デッドタイム時間（期間２及び期間４）を適切に設定することによりスイッチ素子１１０８、１１０９はソフトスイッチ動作となり、高い効率を保つ事が可能となっている。
【００３６】
ところで、電流共振回路１９１のスイッチ周波数（駆動周波数）は、周波数設定部１２０により制御される。周波数設定部１２０は、回転体１の記録材Ｐが通過しない領域（非通紙領域）に設けた温度検出素子１０又は１１の検出温度により共振回路１９１の駆動周波数を制御する。非通紙領域とは、装置で利用可能な最大サイズの記録材は通過するが最大サイズより小さなサイズの記録材は通過しない領域のことである。例えば、温度検出素子１０や１１の検出温度が所定の上限温度に達すると、共振回路１９１の駆動周波数を低下させて、回転体の非通紙部の発熱を抑え、非通紙部の温度上昇を制限している。このようにして、記録材のサイズに合った発熱分布を形成している。図８に駆動周波数を３６ｋＨｚと５０ｋＨｚに設定した場合のスイッチ素子１１０８とスイッチ素子１１０９のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間電圧波形を示す。いずれの周波数でも、スイッチ素子１１０８のＯＮデューティ比とスイッチ素子１１０９のＯＮデューティ比は約５０％である。このように、第１のコンバータの駆動周波数を切換えることにより、図６に示したような、記録材のサイズに合った発熱分布を形成できる。なお、本実施例は、温度検出素子１０や１１の検出温度が上限温度を超えないように駆動周波数を制御しているので、一枚の記録材を定着処理する期間中に駆動周波数は変動することもある。一方、温度検出素子１０や１１を設けずに、記録材のサイズ情報に応じて共振回路の駆動周波数を設定する場合、記録材サイズ毎に所定の駆動周波数を設定すればよい。
【００３７】
次に、第２のコンバータ１５の動作について説明する。第２のコンバータ１５は第１のコンバータ１６に供給する電力を制御するために設けられており、記録材サイズに拘らず記録材が通過する回転体の通紙部の温度（温度検出素子９の検出温度）に応じて第１のコンバータに供給する電力を制御する。具体的には、電力制御部１１９は、温度検出素子９の検出温度に応じて駆動回路１１１７に信号を送り、スイッチ素子１１０４のＯＮデューティ比を制御する。これにより、第１のコンバータ１６に供給する電力（第２のコンバータ１５の出力電圧）が制御される。
【００３８】
第２のコンバータ１５は、スイッチ素子１１０４、ダイオード１１０５、コイル１１０６、コンデンサ１１０７等で構成されており、降圧型コンバータである。スイッチ素子１１０４のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間に電圧が印加され、スイッチ素子１１０４がターンオンすると、コイル１１０６に電圧が印加される。コイル１１０６の両端にはコンデンサ１１０３とコンデンサ１１０７の電圧の差分が印加される。コイル１１０６に流れる電流の傾きはコイル１１０６のインダクタンスとコイル１１０６に印加された電圧により決まる。
【００３９】
コイル１１０６に流れた電流は、コンデンサ１１０７を充電する。コンデンサ１１０７の電圧が上昇してくると、スイッチ素子１１０４をターンオンしてもコイル１１０６に印加される電圧が小さくなる。このようにコイル１１０６に印加される電圧によりコイル１１０６に流れる電流は変化するものの、コンデンサ１１０７の電圧上昇が遅ければコイル１１０６に流れる電流はほぼ直線的に上昇していく。この期間が、図９の期間１である。
【００４０】
スイッチ素子１１０４がターンオフすると、ダイオード１１０５を通ってコイル１１０６に電流が継続して流れる状態になる。コイル１１０６に磁界の形で蓄積された電力により、コンデンサ１１０７は充電される。コンデンサ１１０７の容量が充分に大きければ、コイル１１０６の電流は略線形特性により低下していく。スイッチ素子１１０４がＯＮする際に、コイル１１０６に電流が流れている場合には、その電流値がスイッチ素子１１０４をターンオンした時の初期値となる。以上の様な一連の動作を繰り返して第２のコンバータ１５は動作している。
【００４１】
スイッチ素子１１０４の駆動方法にはＰＷＭ制御が用いられている。回転体の通紙部の温度を制御目標温度に維持するため、第２のコンバータ１５の出力電力を大きくしたい時は、ＰＷＭのＯＮ時間比率、即ちＯＮデューティ比（図９の期間１／（期間１＋期間２））を大きくする。逆に第２のコンバータ１５の出力電力を小さくしたい時はＯＮデューティ比を小さくする。
【００４２】
ＰＷＭ制御ではコイル１１０６に流れる電流が０になることがない。図９にＰＷＭ制御を行った際のコイル１１０６の電流と、ダイオード１１０５のＫ端子の電圧を示す。このようにスイッチ素子１１０４は電流が流れている状態でターンオン、ターンオフ動作を行うハードスイッチ動作となる。なお、図９のコンデンサ１１０７の電圧が第２のコンバータの出力電圧となる。
【００４３】
図１０は、ＯＮデューティ比を８０％と５０％に設定した場合の比較図である。図１０に示すように、ＯＮデューティ比が変化するとコンデンサ１１０７の電圧が変化し、第２のコンバータの出力電圧が変化する。これにより、第１のコンバータ１６への供給電力が変化する。
【００４４】
尚、スイッチ素子１１０４のＯＮ、ＯＦＦタイミングによってはノイズが発生する場合がある。このような場合には、スイッチ素子１１０４のＯＦＦ期間中にコイル１１０６に流れる電流が０Ａになるまでスイッチ素子１１０４をＯＦＦし続ける臨界モードを用いてもよい。
【００４５】
スイッチ素子１１０４のソース（Ｓ）端子はコイル１１０６及びダイオード１１０５との接点となる為、ターンオフした時には電圧がコンデンサ１１０３のマイナス側端子電圧と同等の電圧なる。ターンオン時はコンデンサ１１０３のプラス側端子電圧と同等の電圧となる。このように、スイッチ素子１１０４はソース（Ｓ）電圧が大きく変動する為、スイッチ素子１１０４のゲート（Ｇ）−ソース（Ｓ）間に電圧を与え続けるには、トランス結合により駆動するか不図示のブートストラップ回路を用いる必要がある。
【００４６】
なお、スイッチ素子１１０４は商用交流電源５０に絶縁されずに接続されている。本実施例では安全規格で絶縁を要求される装置に適用する為、一例として駆動回路１１１７、１１１８で絶縁を確保するよう構成している。
【００４７】
以上のように、電力制御部１１９は温度検出素子９の検出温度に基づいて、前述したＰＷＭ制御のＯＮデューティ比を制御している。制御手法としてはＰＩ制御、またはＰＩＤ制御などを用いている。そして、温度検出素子９の検出温度が定着可能温度である制御目標温度を維持するように、電力制御部１１９は駆動回路１１１７を駆動し、スイッチ素子１１０４のＯＮデューティ比を制御する。スイッチ素子１１０４のＯＮデューティ比を変化させるとコンデンサ１１０７の電圧が変化し、第１のコンバータ１６に供給される電力が変化する。
【００４８】
このように、通紙領域の温度（温度検出素子９の検出温度）を制御目標温度に保つため、第１のコンバータ１６の駆動周波数を制御するのではなく、第２のコンバータの出力電圧を制御する。
【００４９】
図１１は、第２のコンバータ１５のスイッチ素子１１０４のＯＮデューティ比を８０％に設定した場合と、５０％に設定した場合の、回転体の発熱量を比較した図である。上述したように、回転体の母線方向の発熱分布は、回転体の非通紙領域の温度を検出する温度検出素子１０又は１１の検出温度に応じて、周波数設定部１２０が第１のコンバータ１６の駆動周波数を設定することにより調整される。そして、通紙部の温度を検出する温度検出素子９の検出温度に応じて、電力制御部１１９が第２のコンバータ１５の出力電圧を制御することにより通紙部の温度を一定に保つ制御が実行される。第２のコンバータ１５のＯＮデューティ比を８０％に設定した場合と５０％に設定した場合では、図１１に示すように、コンデンサ１１１３の電圧が異なる。この電圧の違いを利用して回転体の発熱量を調整している。
【００５０】
以上のように、本例では、回転体の非通紙部の温度に応じて第１のコンバータ１６の駆動周波数を設定し、回転体の通紙部の温度に応じて第２のコンバータ１５の出力電圧を制御する。これにより、回転体の発熱分布を記録材のサイズに応じた発熱分布に保ったまま、通紙部の温度を制御目標温度に保つことができる。
【００５１】
なお、非通紙部の温度に応じて第１のコンバータの駆動周波数を設定する代わりに、記録材Ｐのサイズに応じて第１のコンバータ１６の駆動周波数を設定しても構わない。記録材のサイズと回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて第１のコンバータ１６の駆動周波数を設定すればよい。
【００５２】
また、第２のコンバータを設けず、ダイオードブリッジ１１０２の入力側にトライアック等のスイッチ素子を配置し、この素子を位相制御や波数制御することによって第１のコンバータ１６に入力する電圧の実効値を調整してもよい。また、ダイオードブリッジ１１０２の出力側にＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチ素子を配置し、この素子を位相制御や波数制御することによって第１のコンバータ１６に入力する電圧の実効値を調整してもよい。
【００５３】
本実施例においては、第２のコンバータ１５のスイッチ素子１１０４のＯＮデューティ比に応じて、以下の式１のような関係で第２のコンバータ１５から電圧が出力される。
出力電圧＝入力電圧×ＯＮデューティ比  ・・・（式１）
【００５４】
また、本例の装置では、第１のコンバータ１６への投入電力デューティ比と第２のコンバータ１５のスイッチ素子１１０４のＯＮデューティ比は、図１２のような関係になる。
【００５５】
ところで、上述したように、記録材のサイズと回転体の非通紙部の温度の少なくとも一方に応じて第１のコンバータ１６の駆動周波数を変化させるが、第１のコンバータ１６の駆動周波数が変化すると、定着ユニットＡへの投入電力が変化してしまう。例えば、複数枚の記録材に連続してプリントすると非通紙部の温度が上昇するので、連続プリントの途中で第１のコンバータ１６の駆動周波数を変化させる必要が生じるケースも有り得る。しかしながら、連続プリントの途中で駆動周波数を変化させると定着ユニットＡへの投入電力が変化してしまうので、定着ユニットの温度が不安定になり、画像の定着性に影響を与えてしまう。
【００５６】
図１３（ａ）は、第１のコンバータ１６の駆動周波数と、定着ユニットＡへの投入電力の関係を示している。この図は、第１のコンバータ１６に一定の電圧（投入電力デューティ比１００％の場合）を入力した場合を示しており、横軸は第１のコンバータ１６の駆動周波数、縦軸は定着ユニットＡへの投入電力を示している。図１３（ａ）に示した特性は、以下の式２から導くことができる。Ｐは定着ユニットＡへの投入電力、Ｖは第１のコンバータ１６への入力電圧、Ｒは定着ユニットＡの等価抵抗（図５参照）の抵抗値、ｆは第１のコンバータ１６の駆動周波数、Ｌは定着ユニットＡの等価インダクタンス、Ｃは共振コンデンサ１１１３の容量を示している。
【００５７】
【数１】
0006362491.tif 000002
【００５８】
図１３（ａ）に示すように、第１のコンバータ１６に入力する電圧が同じであっても、第１のコンバータ１６の駆動周波数が異なると定着ユニットＡへの投入電力が異なることが分かる。図１３（ｂ）に示すように、第１のコンバータ１６の駆動周波数を５０ｋＨｚ、第２のコンバータ１５の投入電力デューティ比を８０％とすると定着ユニットＡには９００Ｗ×８０％＝７２０Ｗの電力が投入される。この状態から、投入電力デューティ比を変えずに第１のコンバータ１６の駆動周波数を３２ｋＨｚに切り替えると、定着ユニットＡへの投入電力は１２５０Ｗ×８０％＝１０００Ｗになってしまう。従って、第１のコンバータ１６の駆動周波数を変えて発熱分布を変化させる場合の定着ユニットＡの温度変動（回転体１の温度変動）を抑えるには、定着ユニットＡに投入する電力の変化を抑える工夫が必要になる。
【００５９】
そこで、本例の電力制御部１１９は、回転体１の通紙部の温度と第１のコンバータ１６の駆動周波数に応じて第２のコンバータ１５を制御し、第２のコンバータ１５から第１のコンバータ１６に供給する電力を制御する。具体的には、エンジン制御部１２１により第１のコンバータ１６の駆動周波数を切り替えた場合、式（２）の特性を元にして、定着ユニットＡに投入する電力を補正する（投入電力デューティ比を補正する）ものである。投入電力（投入電力デューティ比）の変更は、図１２に示したように、第２のコンバータ１５のＯＮデューティ比を変更することにより行われる。以下、定着ユニットＡに投入する電力の補正方法について説明する。
【００６０】
第１のコンバータ１６を駆動周波数変更前の駆動周波数で駆動した時の投入電力をＰｐｒｅとする。一方、第１のコンバータ１６を駆動周波数変更後の駆動周波数で駆動した時の投入電力をＰａｆとする。Ｐｐｒｅ及びＰａｆは、図１３（ａ）における各駆動周波数における投入電力を示している。第１のコンバータ１６の駆動周波数を変更する前の投入電力デューティ比をＤｐｒｅ、第１のコンバータ１６の駆動周波数を変更する前と投入電力が同じになるようにした場合の、駆動周波数変更後の投入電力デューティ比をＤａｆとする。駆動周波数変更後の投入電力デューティ比Ｄａｆは（式３）で表すことができる。
Ｄａｆ＝Ｐｐｒｅ／Ｐａｆ＊Ｄｐｒｅ  ・・・（式３）
【００６１】
Ｄｐｒｅはエンジン制御部１２１が把握しており、Ｐｐｒｅ及びＰａｆは、エンジン制御部１２１が（式２）から算出することができる。図１３（ｃ）に、駆動周波数を変更した際に投入電力も補正した例を示す。図１３（ｃ）の場合、Ｄｐｒｅは８０％であり、駆動周波数５０ｋＨｚの時のＰｒｅ及び駆動周波数が３２ｋＨｚの時のＰａｆを算出し、式（３）にあてはめると、Ｄａｆは５８％と求められる。従って、第１のコンバータ１６の駆動周波数を５０ｋＨｚから３２ｋＨｚに切り替えた場合においても、定着ユニットＡに対する投入電力を７２０Ｗに保つことができる。
【００６２】
尚、本実施例では、Ｐｐｒｅ及びＰａｆを（式２）のような数式から算出しているが、予め図１３（ａ）のような駆動周波数毎の投入電力テーブルをエンジン制御部１２１に用意して、テーブルを用いてＤａｆを取得しても良い。
【００６３】
図１４に、本例の投入電力デューティ比の補正を採用した電力投入シーケンスのフローチャートを示す。初期設定１として、Ｓ１０１で駆動周波数をｆ１＝５０ｋＨｚ（以降、ｆ１を切換え変更後の駆動周波数として説明する）に仮設定する。初期設定２として、Ｓ１０２にて仮設定したｆ１＝５０ｋＨｚをｆ０（以降、ｆ０を切換え変更前の駆動周波数として説明する）に置き換える。Ｓ１０３にて温度検出素子９の検出温度と目標温度からＰＩＤ制御等により定着ユニットＡの温度を目標温度に保つための、第１のコンバータ１６の駆動周波数ｆ０における第２のコンバータ１５からの投入電力デューティ比Ｄｐｒｅを決定する。これにより、第１のコンバータ１６の駆動周波数がｆ０の場合の、定着ユニットＡの温度を目標温度に保つために必要な電力を明確にすることができる。
【００６４】
次にＳ１０４では、記録材Ｐのサイズや温度検出素子１０の検出温度に応じて変更後駆動周波数ｆ１を決定する。続いてＳ１０５にて、駆動周波数ｆ０とｆ１を比較して第１のコンバータ１６における駆動周波数変更の必要性を判断する。ｆ０≠ｆ１となり駆動周波数を変更する必要がある場合にはＳ１０６進む。Ｓ１０６では、（式２）からＰｐｒｅ及びＰａｆを算出する。Ｓ１０７では、変更後投入電力デューティ比Ｄａｆを算出する。Ｓ１０６、Ｓ１０７では、Ｓ１０３で算出した投入電力デューティ比Ｄｐｒｅの時の投入電力と同じ投入電力となるように、駆動周波数がｆ１の場合における投入電力デューティ比Ｄａｆを算出している。
【００６５】
一方、Ｓ１０５における比較により、ｆ０＝ｆ１だった場合には駆動周波数を変更しないと判断し、Ｓ１０８にてＤａｆをＤｐｒｅに置き換える。Ｓ１０９では、第２のコンバータ１５の投入電力デューティ比をＤａｆ、第１のコンバータの駆動周波数をｆ１として電力投入を開始する。電力制御部は、電力デューティ比Ｄａｆに応じて第２のコンバータ１５のスイッチ素子１１０４を駆動し、第１のコンバータ１６に入力される実効電圧を調整する。なお、本例の電力投入シーケンスでは、商用電源５０の交流波形（周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の１サイクル周期（制御周期、更新周期）毎に、温度検出素子９の検知温度に応じて投入電力を更新している。また、投入電力を更新するタイミングに達したか否かを、商用電源の交流波形の半波（＝１／２サイクル）の数をカウンタでカウントして判断している。Ｓ１１０では、そのカウンタｔのリセットを行い、Ｓ１１１でカウンタｔが制御周期（デューティ比Ｄａｆの更新周期）Ｔに達していなければ、Ｓ１１２にてカウンタｔをインクリメントする。Ｓ１１１において、カウンタｔが制御周期Ｔ以上になり、Ｓ１１３にて電力投入を継続する場合には、次の制御周期ＴにおけるＤａｆ及びｆ１を算出し電力投入を続ける。Ｓ１１３において、電力投入が終了すると本シーケンスは終了となる。なお、電力の制御周期Ｔについては、商用電源の交流波形の１サイクルに限らず、２サイクル以上でも構わない。
【００６６】
以上のように第１のコンバータ１６の駆動周波数を切り替えるタイミングで、第２のコンバータ１５による投入電力デューティ比をＤｐｒｅからＤａｆに変更する。これにより、小サイズの記録材を定着処理する際の非通紙部昇温を抑えつつ、定着ユニットで発生する温度リップルを抑えられる。
【００６７】
（実施例２）
実施例１では、駆動周波数を変えた後の投入電力が駆動周波数を変える前の投入電力と略等しくなるように電力投入デューティ比Ｄａｆを算出した。
【００６８】
本実施例では、駆動周波数に拘らず、投入電力が一定となるように電力投入デューティ比Ｄａｆを設定するものである。これにより、第１のコンバータ１６の駆動周波数を変更しても投入電力の変動を抑える。基準（目標）となる投入電力に対応する駆動周波数を基準駆動周波数ｆｋとし、基準駆動周波数ｆｋにおける投入電力と、実際に動作させる駆動周波数ｆ１における投入電力と、から駆動周波数ｆ１における投入電力デューティ比Ｄａｆを算出する。
【００６９】
駆動周波数ｆｋにおける電力をＰｋ、駆動周波数ｆ１における電力をＰとする。基準駆動周波数ｆｋにおける電力投入デューティ比をＤｋ、電力がＰｋとなるように算出される駆動周波数ｆ１における電力投入デューティ比をＤａｆとする。Ｄａｆは（式４）で表すことができる。なお、Ｐｋ及びＰは（式２）から求められる。
Ｄａｆ＝Ｐｋ／Ｐ＊Ｄｋ  ・・・（式４）
【００７０】
図１５に、本例の投入電力デューティ比の補正を採用した電力投入シーケンスのフローチャートを示す。図１４と同じところは説明を省略する。電力投入シーケンスの開始後、初期設定としてはＳ２０１だけであり、基準駆動周波数ｆｋ（本例では図１３（ａ）に示す４０ｋＨｚ）が設定される。Ｓ２０２で、温度検出素子９の検出温度と目標温度から、第１のコンバータ１６を基準周波数ｆｋで動作させた場合の第２のコンバータ１５による投入電力デューティ比Ｄｋを決定する。続いて図１４と同様にして駆動周波数ｆ１と、Ｐｋ及びＰが算出される。Ｓ２０５で、（式４）を用いて投入電力デューティ比Ｄａｆを決定する。以降のシーケンスは図１４と同様である。
【００７１】
本例は、駆動周波数ｆ１に拘らず、目標とする電力を基準駆動周波数に対応する所定の電力に定めているので、駆動周波数を変更しても定着ユニットＡへの投入電力の変動及び定着ユニットの温度リップルを抑えることが可能になる。
【００７２】
尚、本実施例１及び実施例２では、第１のコンバータ１６の駆動周波数を切り替えると同時に、第２のコンバータ１５の投入電力デューティ比を切り替えた。しかしながら、駆動周波数を切り替える所定時間前や所定時間後にデューティ比を切り替えてもよい。ここでの所定時間とは、数ｍｓから数十ｍｓが好ましい。
【００７３】
上述した実施例１及び２は、回転体（定着スリーブ）としてフィルム状のものを用いていた。しかしながら、本発明は、コア及びコイルを内部に配置する回転体として、可撓性がほとんどない固い回転体を用いた定着装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１  回転体
２  磁性コア
３  励磁コイル
１６  第１のコンバータ
１５  第２のコンバータ
【図１】
0006362491.tif 000003
【図２】
0006362491.tif 000004
【図３】
0006362491.tif 000005
【図４】
0006362491.tif 000006
【図５】
0006362491.tif 000007
【図６】
0006362491.tif 000008
【図７】
0006362491.tif 000009
【図８】
0006362491.tif 000010
【図９】
0006362491.tif 000011
【図１０】
0006362491.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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