(57)【要約】    【課題】  誘導加熱用電源装置においてインバータ出力の最小出力電力以下の小電力の出力を細かく設定でき、しかも、フリッカの発生や高調波電流の発生を抑えることができるようにする。    【解決手段】  商用電源１１は整流回路１３により全波整流される。スイッチング素子１７をオン・オフ制御して誘導加熱用コイル１５および共振用コンデンサ１６からなる共振回路を共振駆動する。電源制御回路２１のオン幅制御部２１ａがスイッチング素子１７のオン幅を制御する。ゼロクロス検出回路１２により商用電源電圧のゼロクロス点を検出される。オン幅制御駆動部２１ｂは、このゼロクロス検出出力に基づいて、半波単位でスイッチング素子１７のオン制御をイネーブルしたり、ディスエーブルしたりして、インバータ出力の波数制御を行う。これにより通常の最低出力電力より低い電力で誘導加熱を行える。【選択図】  図１
2005176485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を全波整流する整流手段と、
誘導加熱用コイルおよび共振用コンデンサからなる共振回路と、
共振回路を駆動するスイッチング素子と、
上記スイッチング素子をオン幅制御するオン幅制御手段と、
交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
上記ゼロクロス検出手段の検出出力および設定電力に基づいて、上記商用電源の所定の半波期間において上記オン幅制御を行い、他の半波期間において上記オン幅制御を行わずその間上記スイッチング素子をオフとするオン幅制御駆動手段とを有することを特徴とする誘導加熱用電源装置。
【請求項２】
交流電源を全波整流する整流手段と、
誘導加熱用コイルおよび共振用コンデンサからなる共振回路と、
共振回路を駆動するスイッチング素子と、
上記スイッチング素子をオン幅制御するオン幅制御手段と、
交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
上記ゼロクロス検出手段の検出出力および設定電力に基づいて、Ｎ個（２以上の整数）の交流電源の半波期間からなる繰り返し期間ごとに、開始時点から継続するｎ個（ｎは０以上、Ｎ以下の整数）の半波期間、または終了時点まで継続するｎ個の半波期間において、上記オン幅制御を行い、他の半波期間において上記オン幅制御を行わずその間オフとするオン幅制御駆動手段とを有することを特徴とする誘導加熱用電源装置。
【請求項３】
上記Ｎは、３以上の奇数とする請求項２記載の誘導加熱用電源装置。
【請求項４】
上記Ｎは、３、５または７とする請求項３記載の誘導加熱用電源装置。
【請求項５】
設定電力が所定電力を上回る場合には、つねにオン幅制御が行われ、所定電力を下回る場合には、表読みによりオン幅およびオン幅制御を行う半波期間を決定する請求項１、２、３または４記載の誘導加熱用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘導加熱装置の電源装置に関し、とくに画像形成装置等の定着装置に採用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
定着装置の加熱方式ひとつに、誘導加熱方式がある。誘導加熱用の電源装置（インバータ）は主に電圧共振や電流共振を利用しており、高効率、高出力である。しかしながら、特に１石インバータは、スイッチング周波数が低出力時に高くなるため、デバイス（ＩＧＢＴ）のスイッチングロス増大に伴う高周波駆動の限界に起因して電力制御範囲が限られしまい、制御できる下限値が、最大出力に対して１／３から１／２程度となってしまう。
【０００３】
現在ウォームアップの短縮、予熱電力のゼロ化が市場要求としてあり、定着装置はロール形状からベルト形状に移っており、薄肉化されたことにより、熱容量が非常に小さくなっている。これらの定着装置に誘導加熱を応用した場合、ウォームアップ時は大きな電力が必要となるが、連続駆動時は熱容量が小さいために、小電力による細かな制御が必要となる。上述のように制御できる範囲が限られた電源を使用して過熱した場合、電源で制御できる下限値以下の電力を実現するために、出力をオン・オフして間欠動作を行っている。しかしながら、間欠動作をすると、周期によってフリッカ（電圧変動）の悪化が懸念され、またフリッカの発生を抑えるために、オン・オフ周期を長くすると、定着装置の熱容量が小さいために定着器の温度リップルが大きくなり、温度むらの発生による定着不良などのおそれがあった。また、周期を早くして、フリッカの発生を抑えようとすると、入力電流の高調波成分やコンダクションノイズが増大するおそれがあった。
【０００４】
なお、本発明と関連する先行技術としては以下のものがある。
【０００５】
特許文献１は、誘導加熱装置の電源回路の商用電源を、小電力の範囲でトライアックを用いて位相制御するすることを開示している。
【０００６】
特許文献２は、１石のインバータに出力調整用スイッチング素子を備えた２石式インバータによる誘導加熱装置を開示している。
【０００７】
特許文献３は、導通比率を時定数回路を介して変化させてフリッカを抑制することを開示している。
【０００８】
特許文献４は、基準電圧を徐々に上げてソフトスタートさせてフリッカを抑制することを開示している。
【０００９】
特許文献５は、１石インバータによる誘導加熱装置において、通常はスイッチング素子のオン幅制御を行い、小電力駆動時には、最小電力のオン幅に固定し、さらにスイッチング素子のオン−オフ制御を行なうことを開示している。
【特許文献１】特開平１１−１９１４８４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１９６５８公報
【特許文献３】特開平１０−２７４９０１号公報
【特許文献４】特開平９−１２０２２２号公報
【特許文献５】特開２００２−２３１４２７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、以上の事情を考慮してなされたものであり、インバータ出力の最小出力電力以下の小電力の出力を細かく設定でき、しかも、フリッカの発生や高調波電流の発生を抑えることができる誘導加熱用電源装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によれば、上述の目的を達成するために、特許請求の範囲に記載のとおりの構成を採用している。
【００１２】
まず、この発明の原理的な構成を説明する。この発明の誘導加熱用電源回路を用いた誘導加熱方式の定着器においては、励磁コイルに電力を供給する電源の入力段に商用電源のゼロクロス検出手段を設ける。この定着器の温度制御は、当該定着器の温度検出手段の出力から、誘導コイルに供給する電力を算出し、その結果に基いて上記電源の出力を制御することによって行われる。電源が可変可能な範囲においては、通常どおり、オン幅制御により電源出力を制御し、可変範囲の下限値以下は、商用電源の半波サイクルを１単位とした波数を制御して出力を制御する。電源出力の下限値以下の制御は、例えば、このような波数の制御と、電源出力自体の制御との双方を行ってもよい。波数制御は、例えば、３波を１周期として、１波のみオン、２波のみオン、３波ともオンの３通りで行うことができる。３波にかぎらず、ｎ数（ｎは３以上の奇数）を１周期として制御してもよい。
【００１３】
さらに、この発明を説明する。ここでは、発明を詳細に説明するのに先だって、特許請求の範囲の記載について補充的に説明を行なっておく。
【００１４】
すなわち、この発明の一側面によれば、上述の目的を達成するために、誘導加熱用電源装置に：交流電源例えば商用電源を全波整流する整流手段と；誘導加熱用コイルおよび共振用コンデンサからなる共振回路と；共振回路を駆動するスイッチング素子と；上記スイッチング素子をオン幅制御するオン幅制御手段と；交流電源のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と；上記ゼロクロス検出手段の検出出力および設定電力に基づいて、上記商用電源の所定の半波期間において上記オン幅制御を行い、他の半波期間において上記オン幅制御を行わずその間上記スイッチング素子をオフとするオン幅制御駆動手段とを設けるようにしている。
【００１５】
上記オン幅制御駆動手段は、例えば、上記ゼロクロス検出手段の検出出力および設定電力に基づいて、Ｎ個（２以上の整数）の交流電源の半波期間からなる繰り返し期間ごとに、開始時点から継続するｎ個（ｎは０以上、Ｎ以下の整数）の半波期間において、上記オン幅制御を行い、他の半波期間において上記オン幅制御を行わずその間オフとするものである。または、上記オン幅制御駆動手段は、例えば、上記ゼロクロス検出手段の検出出力および設定電力に基づいて、Ｎ個（２以上の整数）の交流電源の半波期間からなる繰り返し期間ごとに、終了時点まで継続するｎ個の半波期間において、上記オン幅制御を行い、他の半波期間において上記オン幅制御を行わずその間オフとするものである。この場合、オン・オフの繰り返し周期は、商用周波数例えば５０Ｈｚの２／Ｎ倍であり、Ｎが３の場合は、３３.３Ｈｚであり、人が最も不快になるフリッカ周波数の８．５Ｈｚ前後から大幅にはずれていている。Ｎが５、７の場合、２０、１４．３Ｈｚであり、この場合も上記クリティカルなフリッカ周波数からはずれている。また、Ｎが奇数の場合には、前後する繰り返しパターンが正・負に関して逆になるので、高調波成分を打ち消しあう。
【００１６】
この構成においては、例えば、１石の電圧共振インバータを使った誘導加熱方式の定着器で、インバータ出力の最小出力電力以下の小電力の出力を細かく設定できるため、熱容量の小さな定着器でも温度リプルの小さい制御が可能となる。また制御は商用電源の半波に同期した波数制御で行うため、フリッカの発生や高調波電流の発生を抑えることが可能となり、かつインバータのオン開始は入力電圧の低い位相から始まるために、電源の素子へのストレスも小さいため、信頼性も向上する。
【００１７】
また、この構成において、設定電力が所定電力を上回る場合には、つねにオン幅制御が行われ、所定電力を下回る場合には、表読みによりオン幅およびオン幅制御を行う半波期間を決定するようにするようにしてもよい。もちろん、これに限定されない。
【００１８】
この発明の上述の側面および他の側面は特許請求の範囲に記載され以下実施例を用いて詳述される。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、例えば、１石の電圧共振インバータを使った誘導加熱方式の定着器で、インバータ出力の最小出力電力以下の小電力の出力を細かく設定できるため、熱容量の小さな定着器でも温度リプルの小さい制御が可能となる。また制御は商用電源の半波に同期した波数制御で行うため、フリッカの発生や高調波電流の発生を抑えることができ、かつインバータのオン開始は入力電圧の低い位相から始まるために、電源の素子へのストレスも小さいため、信頼性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明を誘導加熱定着装置用の電源回路に適用した実施例について説明する。
【００２１】
図１はこの実施例の基本回路を示しており、この図において、誘導加熱定着装置用電源回路は、商用電源１１、ゼロクロス検出回路１２、整流回路１３、LCフィルタ回路１４、誘導加熱用コイル１５、共振用コンデンサ１６、スイッチング素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等）１７、フライバック・ダイオード１８、温度検出回路１９、温度制御回路２０、電源制御回路２１等を含んで構成されている。電源制御回路２１は、オン幅制御部２１ａおよびオン幅制御駆動部２１ｂ等からなる。
【００２２】
商用電源１１は整流回路１３により全波整流される。スイッチング素子１７をオン・オフ制御して誘導加熱用コイル１５および共振用コンデンサ１６からなる共振回路を共振駆動する。スイッチング素子１７のオン幅を制御することにより通常の誘導加熱定着装置用電源回路と同様に加熱制御が行われる。このオン幅制御は電源制御回路２１のオン幅制御部２１ａにより行われる。
【００２３】
電源制御回路２１は、上述のオン幅制御に加え、商用電源電圧の半周期ごとにオン・オフを制御して商用電源１１の波数制御を行う。この波数制御はオン幅制御駆動部２１ｂにより行なわれる。すなわち、ゼロクロス検出回路１２により商用電源電圧のゼロクロス点を検出される。オン幅制御駆動部２１ｂは、このゼロクロス検出出力に基づいて、半波単位でスイッチング素子１７のオン制御をイネーブルしたり、ディスエーブルしたりする。これにより通常の最低出力電力より低い電力で誘導加熱を行える。たとえば、Ｎ個の連続した半波の繰り返しで制御を行うと、オン幅制御のみの場合に比べて１／Ｎ〜Ｎ／Ｎの可変電力出力が可能となる。
【００２４】
所定電力、たとえば、最大出力の半分以下で波数制御を行うとする。商用電源電圧の半周期単位で出力をオン・オフ制御して波数制御を行い、これによって電力をコントロールする。例えば、図３に示すように、半周期の３波分を１サイクル（繰り返し周期）として第１波のみオンとして最大出力の半分のさらに１／３の出力を得、第１波および第２波をオンとし第３波をオフとして最大出力の半分のさらに２／３の出力を得、第１波、第２波、第３波ともにオンのときには最大電力の半分がそのまま出力される。すなわち、最大出力の半分の更に１／３および２／３の電力、つまり最大出力の１／６および２／６の出力を実現できる。
【００２５】
半周期の３波分を１サイクルとしてオン・オフしているため、オン・オフ繰り返し周期は商用周波数５０Ｈｚのときに約３３Ｈｚとなる。フリッカはオン・オフ繰り返し周期が８．５Ｈｚ前後のときに最も人が不快に感じやすく、周波数がこれより高くなると不快に感じにくくなる。上述の例ではオン・オフ繰り返し周期が３３Ｈｚ以上でかつ商用周波数と同期しているため、フリッカと高調波の発生を共に抑制できる。また、オン・オフは電源電圧のゼロクロスを起点とするので、電源装置内の部品へのストレスが小さく信頼性も向上できる。制御電力を更に細かく行いたい場合は、インバータ出力を増減すればよい。
【００２６】
例えば電源の下限制御値を６００Ｗとするとオン・オフ制御により２００Ｗ、３００Ｗ出力が可能となり、電源出力を７００Ｗとすればオン・オフ制御により２３３Ｗ、３５０Ｗ出力、８００Ｗならば２６６Ｗ、４００Ｗ出力、９００Ｗならば３００Ｗ、４５０Ｗ出力が可能となる。したがって２００Ｗ、２３３Ｗ、２６６W、３００Ｗ、３５０Ｗ、４００Ｗ、４５０Ｗ出力と細かな制御が可能となる。
図２は、出力電力の制御の態様を模式的に示している。この例では、最小出力を超える範囲では通常どおりオン幅制御により連続的な制御を行い、それを下回る場合には、テーブルを表読みして、所望の波数とオン幅を決定してステップ状に制御を行うようにしている。もちろん、これは一例であり、これに限定されない。たとえば、最小出力を下回る範囲でも、オンの波数を減らした上でオン幅を連続的に制御して連続的に出力を変化させるようにしてもよい。また、最小出力を超える範囲でも、波数制御を行ってもよいし、またテーブルを表読みしてステップ状に変化させるようにしてもよい。
【００２７】
つぎに、上述実施例の電源制御回路２１をより具体的に示す構成例を説明する。図４はこの構成例を示すものであり、この図において、図１の各部と対応する箇所には対応する符号を付した。この構成例では、図１の電源制御回路２１が、ＣＰＵ２１１、メモリ２１２、電圧検出回路２１３、駆動回路２１４等を含んで構成されている。
【００２８】
図４において、この誘導加熱定着装置は、金属製の定着ローラまたは誘導発熱層を含んだ回転体である被加熱体（図示しない）の近傍に、該被加熱体に誘導電流を発生されるための誘導加熱用コイル１５が配設されており、該誘導加熱用コイル１５には、商用電源１１の交流が整流回路１３によって直流（ＤＣ）に整流され、高周波電源回路であるインバータ回路１００で高周波に変換して印加されている。誘導加熱用コイル１５への高周波電流（交番電流）は、整流回路１３により商用電源１１がＤＣに整流されて、ＬＣ共振回路１０１を構成する誘導加熱用コイル１５と共振用コンデンサ１６に印加され、そして、整流回路１３とＬＣ共振回路１０１に対して直列に接続された、例えばトランジスタ、ＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどからなるスイッチング素子１７を駆動回路２１４によりスイッチングすることで供給される。
【００２９】
スイッチング素子１７のオン・タイミングは電圧検出回路２１３により決められ、スイッチのオフ・タイミングは出力したい電力により決定されるオン幅によって決定される。スイッチング素子１７のオン・タイミングは、誘導加熱用コイル１５と共振用コンデンサ１６の共振により発生する電圧がある一定の電圧値以下、ここでは０Ｖに達したことを電圧検出回路２１３が検出してＣＰＵ２１１が駆動回路２１４へ信号を出力し、その信号により駆動回路２１４がスイッチング素子１７をオンにする。一方、スイッチのオフ・タイミングは、制御したい出力電力に対応したオン幅になると、ＣＰＵ２１１が信号を発生させ、この信号により駆動回路２１４がスイッチング素子１７をオフにする。この様なスイッチング動作により誘導加熱用コイル１５に高周波が印加されて、被加熱体に誘導電流が生じて発熱する。
【００３０】
温度制御回路２０は、加熱出力制御手段であり、被加熱体に接触または直近に配設されているサーミスタなどの温度検知手段（図示しない）により検出した温度から被加熱体の温度が定着に必要な温度となるようにインバータ回路１００に出力する電力を指示する。指示された電力が、インバータ回路１００が通常出力可能な電力より小さい場合は、電源制御回路２１が、スイッチング素子のオン幅と、インバータ出力のオンオフ間隔を各々選択的に決定し制御する。具体的にはメモリなどに電力値に対する、オン幅及びオンオフ間隔をテーブル化しておき、指示電力によりそのテーブルから設定値を選択して制御する。この電力制御テーブルとしては図５に示すようなものを用いることができる。図５の表中の「〜」で示す間はリニアな値に選択可能なことを示している。
【００３１】
インバータ回路１００のオンオフ間隔は入力段に設けたゼロクロス検出回路１２の信号により入力電圧のゼロクロスのタイミングにてオン・オフを実施する。具体的にはオフ期間はＣＰＵ２１１から駆動回路２１４へ信号が出力されずインバータ回路１００として休止状態となる。このオン・オフ間隔は商用周波数の半分の周期となるため、オン期間にＣＰＵ２１１が駆動回路２１４にてオン・オフするスイッチング周期と比較すると非常に長い周期である。よってオン期間の電流は整流後のＬＣフィルタをとおして、ほぼ正弦波となり高調波成分を含まない電流波形となる。さらに、この実施例では、波数制御しても正または負の一方の半波のみがオンとされるのでなく、正の半波と負の半波がオンとされるので、正の半波と負の半波との間で高調波成分が打ち消しあい、高調波ノイズを一層鰓素ことができる。継続する、Ｎ個（Ｎは３以上の奇数）の半波により繰り返し周期を構成し、その中の半波をオン・オフ制御すれば、正の半波と負の半波がオンとされる。
【００３２】
なお、この発明は上述の実施例に限定されるものではなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば、高調波成分を無視できる場合には、正、または負の半波のみを用いても良い。また、上述例ではオン期間は継続してオンとしてオンの波数を増加するようにしたが、飛び飛びにオンにすることも可能である。また、上述の例では、オン幅制御駆動部２１ｂにより波数の制御を行なっているが、要するにインバータ出力を波数単位で制御できればよく、これに限定されない。また、フリッカの問題がクリティカルな環境で用いられる誘導加熱用電源装置であればこの発明を適用でき、その用途も画像形成装置の定着装置用に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】上述実施例の電力制御の態様を説明する図である。
【図３】上述実施例のインバータ出力の波数制御を説明する図である。
【図４】上述実施例の構成例を示すブロック図である。
【図５】上述構成例で用いる電力制御テーブルの例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１      商用電源
１２      ゼロクロス検出回路
１３      整流回路
１４      LCフィルタ回路
１５      誘導加熱用コイル
１６      共振用コンデンサ
１７      スイッチング素子
１８      フライバック・ダイオード
１９      温度検出回路
２０      温度制御回路
２１      電源制御回路
２１ａ      オン幅制御部
２１ｂ      オン幅制御部駆動部
１００      インバータ回路
１０１      共振回路
２１１      ＣＰＵ
２１２      メモリ
２１３      電圧検出回路
２１４      駆動回路
【図１】
2005176485.tif 000003
【図２】
2005176485.tif 000004
【図３】
2005176485.tif 000005
【図４】
2005176485.tif 000006
【図５】
2005176485.tif 000007