(57)【要約】【課題】シングルエンド形式の共振形高周波インバータを用いて、消費電力が小さい領域においても、加熱コイルの消費電力を安定して制御することのできる、誘導加熱制御装置を提供する。【解決手段】交流を直流に変換する電源としての整流平滑回路11と、交流のゼロクロスを検知するゼロクロス検知手段13と、単一のスイッチング素子７からなるスイッチング手段と、スイッチング素子７のオン・オフ動作により直流が印加される加熱手段としての加熱コイル５と、ゼロクロス検知手段13により検知された交流のゼロクロスに同期させてスイッチング素子７のオン・オフ動作を制御し、交流の半周期毎に直流の通電率制御を行う制御手段12とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を直流に変換する電源と、前記交流のゼロクロスを検知するゼロクロス検知手段と、単一のスイッチング素子からなるスイッチング手段と、前記スイッチング手段のオン・オフ動作により前記直流が印加される加熱手段と、前記ゼロクロス検知手段により検知された前記交流のゼロクロスに同期させて前記スイッチング手段のオン・オフ動作を制御し、前記交流の半周期毎に前記直流の通電率制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記交流のゼロクロスのタイミングで前記直流の通電を開始することを特徴とする請求項１記載の電磁誘導加熱装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記直流の通電を停止するときに、前記スイッチング手段のオン・オフ動作による前記直流のパルスの幅を前記交流の半周期内で徐々に狭くすることを特徴とする請求項１又は２記載の電磁誘導加熱装置。
【請求項４】
前記加熱手段の消費電力を検出する電力検出手段を備え、前記制御手段は、前記電力検出手段により検出される前記加熱手段の消費電力が所定の値になるように前記直流の通電率制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電磁誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘導加熱装置は、加熱手段である加熱コイルからの交番磁界によって被加熱体を加熱する。従来の電磁誘導加熱装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００３】
従来の電磁誘導加熱装置を示す図３において、１は電磁誘導加熱装置に電力を供給する例えば商用電源などの交流電源であり、11はダイオードブリッジ２と、チョークコイル３と、平滑コンデンサ４とからなる整流平滑回路である。交流電源１から供給される交流は整流平滑回路11により整流平滑されるため、この交流電源１に接続される整流平滑回路11は、直流を供給する直流電源とみなすことができる。５は被加熱体、すなわち被加熱負荷を交番磁界により誘導加熱するための加熱コイルであり、ＬＣ共振回路を形成するため共振コンデンサ６が並列に接続される。７はフライホイールダイオードを内蔵したＩＧＢＴからなるスイッチング素子であり、12は加熱コイル５に交番磁界を発生させるためにスイッチング素子７をオン・オフ動作させるマイクロコンピュータからなる制御手段である。この制御手段12は、予め記憶された制御シーケンスや外部入力信号などに従い、スイッチング素子７をオン動作させる所定の周期及び幅のパルス信号を与え、スイッチング素子７のオン・オフ動作を制御する。そして、スイッチング素子７のオン期間中に加熱コイル５に電流が流れ、交番磁界が発生する。
【０００４】
この従来の電磁誘導加熱装置は、加熱コイル５へ電源供給するために、回路構成が簡単で部品点数の少ないシングルエンド形式の共振形高周波インバータを用いたものである。なお、シングルエンド形式の共振形高周波インバータは、単一のスイッチング素子７を使用したものであり、コストが安いことから多用されている。
【特許文献１】特開２００３−３３９１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
シングルエンド形式の共振形高周波インバータは、加熱コイル５の消費電力が比較的大きい領域では、スイッチング素子７をオン動作させるパルス信号の幅が十分に広いため、スイッチング素子７のエミッタ−コレクタ間の電圧は、パルス信号がベースに印加されると一旦上昇し、その後、自由振動曲線を描いて低下し、あるタイミングでゼロ値になる。そして、このエミッタ−コレクタ間の電圧がゼロ値になったタイミングでつぎのパルス信号を印加することで、パルス信号の印加時にスイッチング素子７のエミッタ−コレクタ間に過大な電流が流れることを防止することができる。
【０００６】
しかし、加熱コイル５の消費電力が小さい領域では、スイッチング素子７をオン動作させるパルス信号の幅が狭いため、スイッチング素子７のエミッタ−コレクタ間の電圧は、パルス信号がベースに印加された後に一旦上昇し、その後、自由振動曲線を描いて低下するが、パルス信号が印加されたときの上昇が不十分なために、ゼロ値まで低下しない場合がある。この場合には、エミッタ−コレクタ間に電圧が印加された状態でつぎのパルス信号をスイッチング素子７に与えることになり、エミッタ−コレクタ間に過大な電流が流れてしまう。
【０００７】
このため、シングルエンド形式の共振形高周波インバータにおいては、消費電力が小さい領域での制御が難しく、加熱コイル５の消費電力の設定範囲の下限を広げるには限度があった。したがって、シングルエンド形式の共振形高周波インバータを備えた従来の電磁誘導加熱装置を、例えば、複写機のトナー定着用の熱源として用いた場合には、消費電力が小さい領域における消費電力の制御が難しいためにトナーを定着した画像にムラが生じることとなり不都合であった。
【０００８】
一方、ハーフブリッジ形式のインバータは、小さな消費電力においても安定した制御が可能であるが、複数のスイッチング素子を用いるためにコストが高くなるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、シングルエンド形式の共振形高周波インバータを用いて、消費電力が小さい領域においても、加熱コイルの消費電力を安定して制御することのできる、誘導加熱制御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】
【００１０】
本発明の請求項１では、交流のゼロクロスに同期させてスイッチング手段のオン・オフ動作を制御し、交流の半周期毎に直流の通電率制御を行うため、ハーフブリッジ形式のインバータのように小電力で連続通電しているのと等価にすることが可能となり、シングルエンド形式の共振形高周波インバータを用いて、消費電力が小さい領域においても、加熱コイルへの供給電力を安定して制御することが可能となる。
【００１１】
本発明の請求項２では、交流のゼロクロスのタイミングで直流の通電を開始するため、スイッチング手段のオン・オフ動作の開始時における短絡エネルギーを減少させ、騒音及びスイッチング損失を低減することが可能になる。
【００１２】
本発明の請求項３では、直流の通電を停止するときに、スイッチング手段のオン・オフ動作によるパルスの幅を交流の半周期内で徐々に狭くするため、通電の停止時の騒音を防止し、かつ、スイッチング素子を保護することが可能となる。
【００１３】
本発明の請求項４では、加熱手段の消費電力が所定の値になるように直流の通電率制御を行うため、消費電力が小さい領域においても、消費電力を所定の値に維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１における電磁誘導加熱装置によれば、ハーフブリッジ形式のインバータのように小電力で連続通電している場合と等価にすることが可能となり、シングルエンド形式の共振形高周波インバータを用いて、消費電力が小さい領域においても、加熱コイルへの供給電力を安定して制御することが可能となる。
【００１５】
本発明の請求項２における電磁誘導加熱装置によれば、スイッチング手段のオン・オフ動作の開始時における短絡エネルギーを減少させ、騒音及びスイッチング損失を低減することが可能になる。
【００１６】
本発明の請求項３における電磁誘導加熱装置によれば、通電の停止時の騒音を防止し、かつ、スイッチング素子を保護することが可能となる。
【００１７】
本発明の請求項４における電磁誘導加熱装置によれば、消費電力が小さい領域においても、消費電力を所定の値に維持することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明における電磁誘導加熱装置の一実施例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、従来例として図３に示した部分と同一の部分には同一符号を付し、共通する部分の説明は省略する。
【実施例１】
【００１９】
図１において、本実施例の電磁誘導加熱装置を構成するインバータ回路はシングルエンド形式のものであり、電磁誘導加熱装置に電力を供給する交流電源１、交流電源１から供給される交流電圧を整流平滑する電源としての整流平滑回路11、被加熱体を誘導加熱するための加熱手段としての加熱コイル５、加熱コイル５とともに共振回路を構成する共振コンデンサ６、スイッチング手段を構成する単一のスイッチング素子７、及びスイッチング素子７をオン・オフ動作させる制御手段12については、従来例と同様である。制御手段12は、従来例で示したマイクロコンピュータのほか、所定の制御シーケンスを組み込んだＡＳＩＣにより構成してもよい。
【００２０】
13は、交流電源１から供給される交流電圧の値がゼロとなるゼロクロスを検知するゼロクロス検知手段であり、交流電源１に電圧降下用の抵抗器８を介して接続され交流電源１の交流電圧を全波整流するダイオードブリッジ９と、ダイオードブリッジ９で全波整流された交流電圧がゼロになるタイミング、すなわち、ゼロクロスのタイミングを制御手段12に伝達するフォトカプラ10とから構成されている。
【００２１】
14は、加熱コイル５の消費電力を検出する電力検出手段であり、電源の入力電圧と入力電流を検知し、これらを掛け算して得た値から消費電力を検出するように構成されている。
【００２２】
つぎに、動作について説明する。
【００２３】
図２に、電源11が５０Ｈｚの商用電源のときにおける電源11の電圧波形（電源）と、整流平滑回路11で整流平滑された後の電圧波形（整流後）と、電磁誘導加熱のオン・オフ信号（ＩＨ）と、制御手段12からスイッチング素子７に印加される電圧波形（ＩＧＢＴ）の時間変化を示す。なお、この場合の電源11の半周期は１０ミリ秒である。
【００２４】
ゼロクロス検知手段13により、電源11から供給される交流電圧のゼロクロスのタイミングがパルス信号として制御手段12に入力される。すなわち、交流電圧がゼロでないときはフォトカプラ10の受光素子に電流が流れているのでフォトカプラ10の受光素子の両端子間の電圧は低いが、交流電圧がゼロになった瞬間はフォトカプラ10の受光素子に電流が流れないのでフォトカプラ10の受光素子の両端子間の電圧が一瞬高くなる。そして、この瞬間の電圧がゼロクロスを検出したタイミングパルス信号として制御手段12に入力される。
【００２５】
制御手段12は、ゼロクロス検知手段13からのタイミングパルス信号を受けて、電磁誘導加熱のオン・オフ信号がオンであれば、このタイミングパルスのタイミングに合せてスイッチング素子７へのパルス信号の出力を開始することで、加熱コイル５を含む共振回路の発振を開始させる。すなわち、スイッチング素子７へのパルス信号の出力が開始されることで、パルス信号と同じタイミングで整流平滑回路11により交流から変換された直流がパルスとして加熱コイル５へ印加される。
【００２６】
スイッチング素子７のオン・オフ動作開始タイミングは、スイッチング素子７のターンオン時の短絡エネルギーが最小となる電源11の交流電圧のゼロクロスとなるため、スイッチング素子７のオン・オフ動作開始時における騒音を低減し、スイッチング損失を低減することができる。すなわち、ゼロクロスのタイミング以外でパルス信号の出力を開始した場合は、スイッチング素子７の動作前に平滑コンデンサ４に蓄えられた電荷と電源11からの電力とが同時に印加されてスイッチング素子７に大きな電流が流れるため、騒音やスイッチング損失が大きく、スイッチング素子７を破損する可能性もあるが、ゼロクロスのタイミングでパルス信号の出力を開始した場合はそのようなことはない。
【００２７】
なお、スイッチング素子７へのパルス信号の出力開始時にパルス信号の幅を通常時より狭い２．５マイクロ秒程度とし、その後、通常時の５マイクロ秒程度まで徐々に広くする、いわゆるソフトスタートと組み合わせることにより、さらに効果的にスイッチング素子７のオン・オフ動作開始タイミングにおけるノイズを低減し、スイッチング損失を低減することができる。
【００２８】
そして、加熱コイル５への供給電力は、制御手段12によって、ゼロクロスに同期して、電源11からの交流電圧の半周期ごとに制御される。具体的には、加熱コイル５への供給電力は、スイッチング素子７へ印加されるパルス信号の通電率、すなわち、スイッチング素子７へ印加されるパルス信号と同期して加熱コイル５へ印加されるパルスの通電率を、電源11からの交流電圧の半周期ごとに制御することによって調節される。
【００２９】
ここで、パルスの通電率とは、交流電圧の半周期に対する加熱コイル５へパルスを送る時間の割合をいう。例えば、交流が５０Ｈｚのときは交流電圧の半周期は１０ミリ秒であるので、パルスの通電率を５０％とすると、加熱コイル５へパルスを送る時間は、交流電圧の半周期ごとに５ミリ秒となる。したがって、交流電圧の半周期の全範囲にわたってパルス信号を送ったとき、すなわち通電率１００％のときに加熱コイル５への供給電力が６００Ｗとなる場合に、通電率を５０％とすると、ゼロクロスから５ミリ秒の間だけパルス信号が送られ、加熱コイル５への供給電力は３００Ｗとなる。
【００３０】
なお、図２はスイッチング素子７へ印加されるパルス信号の通電率が３分の２の場合を示しており、パルス信号の通電時間帯Ａの長さは、交流電圧の半周期の長さの３分の２である。このとき、加熱コイル５への供給電力は約４００Ｗとなる。
【００３１】
前述したように、従来技術においては、加熱コイル５への供給電力を調節するためにスイッチング素子７をオン動作させるパルス信号の幅を狭くすると、ベースに印加されたパルス信号がＬｏｗになった後のエミッタ−コレクタ間の電圧がゼロ値まで低下しない場合があり、この場合には、エミッタ−コレクタ間に電圧が印加された状態でつぎのパルス信号をスイッチング素子７に与えることになり、エミッタ−コレクタ間に過大な電流が流れてしまうという問題があった。
【００３２】
しかし、本実施例においては、交流電圧の半周期ごとに通電率を制御することで加熱コイル５への供給電力が調節されるため、加熱コイル５への供給電力を小さくする際に、スイッチング素子７をオン動作させるパルス信号の幅を狭くする必要がない。したがって、スイッチング素子７のエミッタ−コレクタ間の電圧がゼロ値になったタイミングで確実につぎのパルス信号を印加することができ、パルス信号の印加時にスイッチング素子７のエミッタ−コレクタ間に過大な電流が流れることが防止される。
【００３３】
このように、交流電圧の半周期ごとという非常に短いサイクルで通電率を制御することで加熱コイル５への供給電力が調節され、通電率を小さくした場合には、あたかもハーフブリッジ形式のインバータのごとく小電力で連続通電している場合と等価になる。したがって、シングルエンド形式の共振形高周波インバータを用いているにもかかわらず、消費電力が小さい領域においても、加熱コイル５への供給電力を安定して制御することが可能となる。
【００３４】
また、加熱コイル５への供給電力は、電力検出手段14により検出された電力に基づいて、制御手段12によりフィードバック制御されることによって、目標値に保たれる。供給電力は、上述のとおり、スイッチング素子７へ印加されるパルス信号の通電率を調節することによって制御される。
【００３５】
電磁誘導加熱装置の停止時には、スイッチング素子７へ印加されるパルス信号をいきなり止めるのではなく、制御手段12によって、交流電圧の半周期のうち、通電時間帯Ａを除いた非通電時間帯Ｂにおいて、パルス信号の幅を徐々に狭くすることによって停止する。これにより、停止時の騒音が防止され、スイッチング素子７の破損が防止される。
【００３６】
以上のように本実施例では、交流を直流に変換する電源としての整流平滑回路11と、前記交流のゼロクロスを検知するゼロクロス検知手段13と、単一のスイッチング素子７からなるスイッチング手段と、前記スイッチング素子７のオン・オフ動作により前記直流が印加される加熱手段としての加熱コイル５と、前記ゼロクロス検知手段13により検知された前記交流のゼロクロスに同期させて前記スイッチング素子７のオン・オフ動作を制御し、前記交流の半周期毎に前記直流の通電率制御を行う制御手段12とを備えている。
【００３７】
このようにすると、ハーフブリッジ形式のインバータのように小電力で連続通電している場合と等価にすることが可能となり、シングルエンド形式の共振形高周波インバータを用いて、消費電力が小さい領域においても、加熱コイル５への供給電力を安定して制御することが可能となる。
【００３８】
また、前記制御手段12は、前記交流のゼロクロスのタイミングで前記直流の通電を開始する。
【００３９】
このようにすると、スイッチング素子７のオン・オフ動作の開始時における短絡エネルギーを減少させ、騒音及びスイッチング損失を低減することが可能になる。
【００４０】
また、前記制御手段12は、前記直流の通電を停止するときに、前記スイッチング素子７のオン・オフ動作による前記直流のパルスの幅を前記交流の半周期内で徐々に狭くする。
【００４１】
このようにすると、通電の停止時の騒音を防止し、かつ、スイッチング素子７を保護することが可能となる。
【００４２】
さらに、前記加熱コイル５の消費電力を検出する電力検出手段14を備え、前記制御手段12は、前記電力検出手段14により検出される前記加熱コイル５の消費電力が所定の値になるように前記直流の通電率制御を行う。
【００４３】
このようにすると、消費電力が小さい領域においても、消費電力を所定の値に維持することが可能となる。
【００４４】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施例における電磁誘導加熱装置の回路図である。
【図２】同上、電磁誘導加熱装置の動作を示した各部の波形図である。
【図３】従来の電磁誘導加熱装置の回路図である。
【符号の説明】
【００４６】
７  スイッチング素子（スイッチング手段）
５  加熱コイル（加熱手段）
11  整流平滑回路（電源）
12  制御手段
13  ゼロクロス検知手段
14  電力検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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