JP6562599B2 - Fixing device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a fixing device mounted on an image forming apparatus such as an electrophotographic copying machine or a printer.
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。 A fixing device mounted on an image forming apparatus such as an electrophotographic copying machine or a printer is a recording material that carries an unfixed toner image at a nip formed by a heating rotator and a pressure roller that contacts the heating rotator. In general, a toner image is fixed on a recording material by heating while conveying the toner.
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。 In recent years, an electromagnetic induction heating type fixing device capable of generating heat in a conductive layer of a heating rotator has been developed and put into practical use. The electromagnetic induction heating type fixing device has an advantage that the warm-up time is short.
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。
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。 Also in the fixing device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-133620, the temperature rise of the non-sheet passing portion when fixing a small size recording material becomes a problem.
本発明は、記録材のサイズに応じた発熱分布を形成しつつ、回転体の記録材が通過する領域の温度制御が容易な定着装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fixing device that can easily control the temperature of a region through which a recording material of a rotating body passes while forming a heat generation distribution according to the size of the recording material.
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、前記回転体の内部に配置されたコイルは一つであり、前記導電層は、前記母線方向における一端から他端まで同じ材料で同じ厚さに形成されており、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変える周波数設定部と、前記回転体の通紙部の温度に応じて前記第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、を有し、前記周波数設定部が前記駆動周波数を変えると前記母線方向における前記回転体の発熱分布が変わることを特徴とする。
The present invention for solving the above-described problems includes a cylindrical rotating body having a conductive layer, a coil disposed inside the rotating body and having a helical axis substantially parallel to the generatrix direction of the rotating body, and a resonant capacitor And a first converter that drives the resonance circuit, and the conductive layer is heated by electromagnetic induction by the magnetic flux generated by the coil, and is formed on the recording material by the heat of the rotating body. In the fixing device for fixing the recorded image to the recording material, there is one coil disposed inside the rotating body, and the conductive layer has the same material and thickness from one end to the other end in the busbar direction. A second converter configured to control power supplied to the first converter, and the first converter according to at least one of a size of a recording material and a temperature of a non-sheet passing portion of the rotating body. Converter A frequency setting unit that changes a dynamic frequency, and a power control that controls the second converter according to the temperature of the sheet passing portion of the rotating body and controls the power supplied from the second converter to the first converter And when the frequency setting unit changes the driving frequency, the heat generation distribution of the rotating body in the bus direction changes.
記録材のサイズに応じた発熱分布を形成しつつ、回転体の記録材が通過する領域の温度制御が容易な定着装置を提供できる。 It is possible to provide a fixing device that can easily control the temperature of a region through which a recording material of a rotating body passes while forming a heat generation distribution according to the size of the recording material.
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。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be exemplarily described in detail with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, and relative arrangements of the components described in this embodiment should be appropriately changed according to the configuration of the apparatus to which the invention is applied and various conditions. That is, it is not intended to limit the scope of the present invention to the following embodiments.
(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。
Example 1
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
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。
A
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。
The fixing unit A is an electromagnetic induction heating type fixing device. Specifically, the fixing device fixes the image formed on the recording material to the recording material by the electromagnetic induction heat generation of the conductive layer of the rotating material by the magnetic flux generated by the coil. 2 is a cross-sectional view of the fixing unit, FIG. 3 is a front view of the fixing unit, and FIG. 4 is a perspective view of a coil unit provided in the fixing unit. The fixing unit A includes a heating unit having a
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。
The
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。
The
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。
Next, a mechanism for generating an induced current in the
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。
The
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。
When a high frequency current is passed through the
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
FIG. 4 is a block diagram showing the relationship among the
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。 By the way, in order to generate an induced current flowing in the sleeve circumferential direction in the conductive layer of the sleeve, most of the magnetic flux emitted from the end of the core passes outside the heat generation layer of the fixing sleeve and returns to the other end of the core. The designed fixing device has been found to have the following problems.
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。 A general electromagnetic induction type fixing device is provided with a high-frequency converter that drives a resonance circuit including a coil. Then, in the fixing device that couples the magnetic flux generated by the coil to the conductive layer of the rotating body and generates heat by generating an eddy current in the conductive layer, the drive frequency of the high-frequency converter is adjusted to keep the sleeve temperature constant. Adjust the heat generation.
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。 However, in a fixing device that generates an induced current that flows in the circumferential direction of the sleeve as in this example, it has been found that when the drive frequency of the high-frequency converter is changed, the heat generation distribution in the direction of the bus of the sleeve changes. FIG. 6 shows the temperature distribution of the sleeve when the drive frequency of the high-frequency converter is changed in the range of 20 kHz to 50 kHz so that the center of the rotor body (sleeve) in the busbar direction (longitudinal direction) is maintained at 200 ° C. . It can be seen that the lower the drive frequency, the lower the amount of heat generated at both ends of the sleeve. Therefore, for example, in a case where the drive frequency must be set to 20 kHz in order to keep the temperature of the central portion at 200 ° C., the amount of heat generated at both ends of the sleeve is insufficient. As a result, the image on the recording material corresponding to both ends of the sleeve is insufficiently fixed.
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。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, in addition to the high-frequency converter 16 (first converter) that drives the
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。
More specifically, the
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。
Next, the drive circuit shown in FIG. 5 will be described in detail. A commercial power source (AC power supply) 50 connects the
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。
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。
First, the
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)。
FIG. 7 shows the voltage between the gate (G) and the source (S) of the
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)。
A voltage
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)。
The drain (D) voltage of the
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。
Next, the
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。
The voltage of the
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。
As described above, by appropriately setting the capacitance of the
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。このことは実施例2で説明する。
By the way, the switch frequency (drive frequency) of the
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。
Next, the operation of the
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。
The
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。
The current flowing through the
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。
When the
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。
PWM control is used as a driving method of the
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。
In the PWM control, the current flowing through the
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。
FIG. 10 is a comparison diagram when the ON duty ratio is set to 80% and 50%. As shown in FIG. 10, when the ON duty ratio changes, the voltage of the
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。
Note that noise may occur depending on the ON / OFF timing of the
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。
Since the source (S) terminal of the
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。
The
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。
As described above, the
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。
Thus, in order to keep the temperature of the sheet passing area (the detected temperature of the temperature detecting element 9) at the control target temperature, the output voltage of the second converter is controlled rather than controlling the drive frequency of the
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。
FIG. 11 is a diagram comparing the amount of heat generated by the rotating body when the ON duty ratio of the
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。
As described above, in this example, the driving frequency of the
(実施例2)
実施例1が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したのに対して、本実施例は、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するものである。
(Example 2)
Whereas in the first embodiment, the driving frequency of the first converter is set according to the temperature of the non-sheet passing portion, the present embodiment sets the driving frequency of the
前述したように、第1のコンバータ16の駆動周波数を低くするに従って回転体の長手方向端部の発熱量は中央部に比べて小さくなる。本実施例ではこの性質を利用して記録材Pの幅(搬送方向に対して直交する方向の幅)が狭くなるに従って第1のコンバータ16の駆動周波数を低く設定する。表1に記録材サイズ毎の駆動周波数を示す。
As described above, as the driving frequency of the
本実施例では、ユーザがホストコンピュータ42を介して指定した記録材Pのサイズ情報に応じて周波数設定手段120が駆動周波数を設定する。
In this embodiment, the frequency setting means 120 sets the drive frequency according to the size information of the recording material P designated by the user via the
なお、一つのサイズの記録材を定着処理する際に使用する駆動周波数を、第1の駆動周波数と第2の周波数より低い第2の駆動周波数を交互に切り替えてもよい。図12に、駆動周波数20kHzでの駆動期間と、50kHzでの駆動期間と、の単位時間当たりの比率を変えた場合の回転体1の回転軸方向の温度分布を示す。例えば、A5サイズの場合、20kHz:50kHzの駆動時間比率を10:0とする。B5サイズの場合、20kHz:50kHzの駆動時間比率を5:5とする。A4サイズの場合、20kHz:50kHzの駆動時間比率を1:9、レターサイズの場合、20kHz:50kHzの駆動時間比率を0:10とする。
Note that the driving frequency used when fixing the recording material of one size may be switched alternately between the first driving frequency and the second driving frequency lower than the second frequency. FIG. 12 shows the temperature distribution in the rotation axis direction of the
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。 In Examples 1 and 2 described above, a rotating body (fixing sleeve) was used as a film. However, the present invention can also be applied to a fixing device using a hard rotating body having little flexibility as a rotating body in which the core and the coil are arranged.
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
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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、
前記回転体の内部に配置されたコイルは一つであり、
前記導電層は、前記母線方向における一端から他端まで同じ材料で同じ厚さに形成されており、
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変える周波数設定部と、
前記回転体の通紙部の温度に応じて前記第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、
を有し、前記周波数設定部が前記駆動周波数を変えると前記母線方向における前記回転体の発熱分布が変わることを特徴とする定着装置。 A resonant circuit comprising: a cylindrical rotating body having a conductive layer; a coil disposed inside the rotating body and having a helical axis substantially parallel to a generatrix direction of the rotating body; and a resonant capacitor;
A first converter for driving the resonant circuit;
In the fixing device for causing the conductive layer to generate electromagnetic induction heat by the magnetic flux generated by the coil and fixing the image formed on the recording material by the heat of the rotating body on the recording material,
The coil disposed inside the rotating body is one,
The conductive layer is formed in the same thickness with the same material from one end to the other end in the busbar direction,
A second converter for controlling the power supplied to the first converter;
A frequency setting unit that changes the drive frequency of the first converter according to at least one of the size of the recording material and the temperature of the non-sheet passing portion of the rotating body;
A power control unit that controls the second converter according to the temperature of the sheet passing portion of the rotating body, and that controls the power supplied from the second converter to the first converter;
The fixing device is characterized in that when the frequency setting unit changes the driving frequency, a heat generation distribution of the rotating body in the bus direction changes.
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