定影设备和用于感应加热元件的电源电路 【技术领域】
本发明涉及定影设备和用于感应加热元件的电源电路。感应加热类型的定影设备可以包含在图像形成设备中，并且该电源电路可以用于向该定影设备中的感应加热元件供电。
背景技术
图像形成设备通常包含用于对转印到记录材料的调色剂图像进行定影的定影装置。作为定影装置，使用陶瓷加热器或卤素加热器的加热型装置已传统上在很多情况下得到使用。近来，已开始使用电磁感应加热型装置(参考日本专利申请特开2000-223253号公报)。
图12示出向感应加热类型的定影装置供电的电源单元的电力控制时所采用的简单频率控制方法。在步骤4001和4002中，将检测到的电力P与目标电力Po进行比较。在P＞Po的情况下，则在步骤4005中，将频率增大预定值fa。在P＜Po的情况下，则在步骤4004中，将频率减小预定值fb。在P＝Po的情况下，则在步骤4003中，频率保持不变。其中，Po表示目标电力，P表示检测到的电力，f表示驱动频率，fmin表示最小频率。
图13示出定影装置的温度控制时所采用的简单频率控制方法。在步骤5001和5002中，将检测到的温度T与目标温度To进行比较。在T＞To的情况下，则在步骤5005中，将频率增大预定值fa。在T＜To的情况下，则在步骤5004中，将频率减小预定值fb。在T＝To的情况下，则在步骤5003中，频率保持不变。其中，To表示目标温度，T表示检测到的温度，f表示驱动频率，fmin表示最小频率。
图14示出驱动频率f和电力P之间的关系。如图14所示，以谐振频率(resonance frequency)f1向线圈提供最大电力Pmax。特征在于，当频率向着相对于谐振频率f1而言的高频侧或低频侧改变时，减少所提供的电力。因此，可以通过在大于谐振频率f1的频率范围fh内控制驱动频率f，来实现电力控制，其中在该频率范围fh中电力-频率特性具有斜坡(slope)。还可以通过在谐振频率f1以下的频率范围f1内控制驱动频率f，来控制电力。
更具体地，在频率控制系统中，为了减少电力，将用于向线圈供电的开关元件的驱动频率设置为高于谐振频率。然而，当驱动频率高于谐振频率时，开关元件的开关损耗可能增加。当在驱动频率偏离于谐振频率的状态下进行大电力动作时，损耗尤其显著。
此外，在用于仅基于向开关元件提供的DC电压中的变化控制电力的DC电压控制系统中，需要升压电路(boosting circuit)和降压电路(de-boosting circuit)两者，从而导致产品成本和电路尺寸的大幅增加。
【发明内容】
期望提供一种能够在大电力动作期间减少开关元件的损耗同时抑制电路的成本和尺寸的增加的电源电路。
根据本发明的一方面，一种定影设备，包括：感应加热线圈，用于使包括导电发热元件的热生成构件产生热；升压电路，用于对通过整流交流电源而获得的直流电压进行升压；开关元件，用于输入由所述升压电路升压后的直流电压，并向所述感应加热线圈提供交流电流；驱动电路，用于驱动所述开关元件；温度检测单元，用于检测所述热生成构件的温度；以及控制单元，用于通过控制所述升压电路的升压比和所述驱动电路对所述开关元件的驱动频率，对提供至所述感应加热线圈的电力进行控制，以使得由所述温度检测单元检测到的温度达到目标温度，其中，所述控制单元被配置为选择性地执行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式用于通过在等于或高于预定频率的频率范围内改变所述开关元件的所述驱动频率来控制提供至所述感应加热线圈的电力，所述第二控制模式用于通过在等于或高于预定升压比的升压比范围内改变所述升压电路的升压比来控制提供至所述感应加热线圈的电力。
根据本发明的另一方面，一种用于向感应加热元件供电的电源电路，所述电源电路包括：驱动信号生成单元，用于生成要提供至所述感应加热元件的驱动信号；温度检测单元，用于检测由所述感应加热元件加热的对象的温度；控制单元，用于根据检测到的温度来控制所述驱动信号的电压(Vo)和频率以将所述对象保持在目标温度，所述控制单元能够在所述驱动信号的电压保持基本不变并且改变所述驱动信号的频率的第一控制模式和所述驱动信号的频率保持基本不变并且改变所述驱动信号地电压的第二控制模式之间进行切换。
通过以下参考附图对典型实施例的详细说明，本发明的其它特征和方面将变得明显。
【附图说明】
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的典型实施例、特征和方面，并和说明书一起用来解释本发明的原理。
图1是示出根据本发明典型实施例的图像形成设备的结构的截面图。
图2是示出定影装置的结构的截面图。
图3是示出定影装置的电源单元的结构的电路图。
图4示出线圈的驱动频率和电力之间的关系。
图5示出升压电路的输出电压和电力之间的关系。
图6是根据本发明第一典型实施例的定影装置的控制流程图。
图7是根据本发明第二典型实施例的定影装置的控制流程图。
图8示出根据第二典型实施例的驱动频率、升压电路的输出电压和电力之间的关系。
图9是示出根据本发明第三典型实施例的电力、升压电路的输出电压和驱动频率之间的关系的表。
图10示出根据第三典型实施例的升压电路的输出电压和驱动频率之间的变化关系。
图11是根据第三典型实施例的定影装置的控制流程图。
图12是基于传统定影装置的频率控制的电力控制流程图。
图13是基于传统定影装置的频率控制的温度控制流程图。
图14示出线圈的驱动频率和电力之间的关系。
【具体实施方式】
下面将参考附图详细说明本发明的各种典型实施例、特征和方面。
图1是示出根据本发明第一典型实施例的彩色图像形成设备的结构的截面图。该设备是使用电子照相处理的图像形成设备。
在一次充电单元2a～2d对感光构件1a～1d进行均匀充电之后，曝光单元3a～3d利用根据图像信号调制的激光束照射感光构件1a～1d，以在感光构件1a～1d上形成静电潜像。然后，显影单元4a～4d显影调色剂图像。一次转印单元53a～53d以叠加方式将四个感光构件1a～1d上的调色剂图像转印至中间转印带51。然后，二次转印单元56和57将调色剂图像转印至记录纸张P。清洁器6a～6d收集在感光构件1a～1d上留下的未转印的调色剂。中间转印带清洁器55收集在中间转印带51上留下的未转印的调色剂。定影装置7对转印至记录纸张P的调色剂图像进行定影，从而获得彩色图像。定影装置7具有电磁感应加热类型的结构。
图2是示出电磁感应加热类型的定影装置的结构的截面图。包括导电发热元件的定影带72是用作的加热构件的金属带，且其表面覆盖有300μm的橡胶层。定影带72沿所示的箭头方向绕辊73和74旋转。定影带75沿所示的箭头方向绕辊76和77旋转。感应加热线圈71位于与包括感应加热元件的定影带72相对的线圈保持器70中。AC电流流过线圈71以生成磁场，从而带72的导电发热元件自身生热。热敏电阻器78a、78b和78c位于在深度方向上与带72的中央、后侧和前侧的接触处，以检测带72的温度。热敏电阻器78a、78b和78c是呈现出温度越低则阻值越高的电阻器。在定影装置7中，增大或减小流过线圈71的AC电流，以使得由中央热敏电阻器78a检测到的温度达到作为目标温度的190℃。上层垫90和下层垫91在带72和75上施加约40kg重的压力。
图3是示出向感应加热类型的定影装置7供电的电源单元100的结构的框图。AC电源500向电源单元100供电。通过二极管桥101对来自AC电源500的AC电压进行整流，并通过滤波电容器102平滑整流后的电压。谐振电容器105与线圈71一起构成谐振电路。升压电路108对由二极管桥101整流后的DC电压进行升压，并且其升压比是可变的。例如，升压比在1～3的范围内改变。第一开关元件103和第二开关元件104对向线圈71提供的电力进行控制。开关驱动电路112利用开关驱动信号121和122来驱动开关元件103和104。升压电路108、开关元件103和104、开关驱动电路112以及电容器105构成了向线圈71提供线圈驱动信号的驱动信号生成器的一部分。控制单元113控制升压电路108和开关驱动电路112。电力检测电路111检测从AC电源500输入的电力。温度检测电路114基于来自热敏电阻器78a～78c的信号来检测带72的温度。控制单元113基于来自电力检测电路111的检测结果和温度检测电路114的检测结果来确定要提供至线圈71的电力，并确定从开关驱动电路112输出的开关驱动信号121和122的驱动频率以及升压电路108的升压比，以使得提供至线圈71的电力达到确定出的电力。根据开关驱动信号121和122交替地接通/断开(ON/OFF)开关元件103和104，以向线圈71提供线圈驱动信号(高频电流)。
利用上述结构，在使用升压电路108以升压比为1即Vo＝Vi进行动作的第一电力范围时，电源单元100在频率控制模式下进行动作，并且在使用高于第一电力范围的第二电力范围时，电源单元100在电压控制模式下进行动作。
图4示出从开关驱动电路112输出的开关元件103和104的开关驱动信号121和122的频率和提供至线圈71的电力之间的关系。
在当升压电路108的升压比保持为1即Vo＝Vi时的特性曲线中，当驱动信号的频率f为谐振频率f1时，将提供至线圈71的电力P设置为等于基准电力Pr(P＝Pr)。当驱动信号的频率f从f1增大到f2时，将电力P设置为比基准电力Pr低的P4。当驱动信号的频率越来越大时，电力P可以降得更低。为了增加电力P使其比基准电力Pr大，在驱动信号的频率f保持在f1的同时增加升压电路108的升压比。换句话说，将升压比顺序增大为Vo＝V3、V2和V1(V3＜V2＜V1)导致了提供至线圈71的电力增大为P3、P2和P1。因此，可以在不增加开关损耗的情况下增加电力P。
图5示出当驱动信号121和122的频率f等于谐振频率f1时电力P和升压电路108的输出电压Vo之间的关系。
因而，在本典型实施例中，设置了两种电力控制模式，即频率控制模式和电压控制模式，并且选择性地执行每个控制模式。具体地，频率控制模式是用于在将升压电路108的升压比保持在预定升压比的状态下通过在等于或高于预定频率的频率范围内改变开关元件的驱动频率来控制要提供的电力的模式(第一控制模式)。电压控制模式是用于在将开关元件的驱动频率保持在预定频率的状态下通过在等于或高于预定升压比的范围内改变升压电路108的升压比来控制要提供的电力的模式(第二控制模式)。
图6是示出由控制单元113执行的定影装置7的电力控制的流程图。在本典型实施例中，假定将热敏电阻器78a所处的带72的中央的温度T控制为目标温度To。另外，在图6中，To表示目标温度，T表示检测到的温度，f表示驱动频率，Vi表示升压电路输入电压，Vo表示升压电路输出电压。
首先，在步骤999中，控制单元113在开始动作时将电力控制的模式初始设置为频率控制模式。将模式初始设置为频率控制模式的目的在于在开始控制时从低电力状态逐渐增大电力，以增大带72的温度。在步骤1000中，控制单元113判断此时的控制模式是否为电压控制模式。当判断为该模式是频率控制模式时，则在步骤1001和1002中，控制单元113将基于热敏电阻器78a的输出的检测到的温度T与目标温度To进行比较。在T＞To的情况下，则在步骤1007中，为了减小带72的温度，控制单元113将频率增大预定值fb。然后，处理返回至步骤1000。在T＜To的情况下，控制单元113需要增大带72的温度。则在步骤1003中，控制单元113判断通过将频率减小预定值fa所获得的值是否高于谐振频率f1，换句话说，该值是否满足“f-fa≥f1”。在f-fa≥f1的情况下，则在步骤1006中，为了增大带72的温度，控制单元113将频率减小预定值fa。然后，处理返回至步骤1000。如果f-fa≥f1不成立，则在步骤1005中，控制单元113将频率设置为f1。在步骤1008中，控制单元113将电力控制的模式从频率控制模式切换为电压控制模式。然后，处理返回至步骤1000。在步骤1001和1002中，在T＝To的情况下，控制单元113保持所设置的频率f。
当在步骤1000中判断为此时的电力控制的模式是电压控制模式时，则在步骤1011和1012中，控制单元113将基于热敏电阻器78a的输出的检测到的温度T与目标温度To进行比较。在T＜To的情况下，控制单元113需要增大带72的温度。则在步骤1017中，控制单元113判断提供至线圈71的电力P是否小于上限电力Pmax。如果P＜Pmax不成立，则控制单元113按原样保持升压电路108的输出电压Vo。然后，处理返回至步骤1000。在P＜Pmax的情况下，则在步骤1019中，控制单元113设置升压比，以将升压电路108的输出电压Vo增大预定值Vb。然后，处理返回至步骤1000。在T＞To的情况下，则在步骤1013中，控制单元113判断通过将升压电路108的输出电压Vo减小预定值Va所获得的值是否大于或等于升压电路108的输入电压Vi，换句话说，该值是否满足“Vo-Va≥Vi”。在Vo-Va≥Vi的情况下，则在步骤1016中，控制单元113设置升压比，以将升压电路108的输出电压Vo减小预定值Va。然后，处理返回至步骤1000。如果Vo-Va＜Vi成立，则在步骤1015中，控制单元113设置为Vo＝Vi(升压比为1)。然后，在步骤1018中，控制单元113将电力控制的模式从电压控制模式切换为频率控制模式。然后，处理返回至步骤1000。在T＝To的情况下，控制单元113按原样保持升压电路108的输出电压Vo。然后，处理返回至步骤1000。
例如，假定定影装置7的电感为40μH并且谐振电容器105的电容为1μF，则谐振频率f1约为25kHz。当商用电源500的电压为100V时，在本典型实施例的结构中，电压Vi约为140V并且此时的基准电力Pr为500W。因此，在提供大于500W的电力时，电源单元100在驱动频率保持在25kHz的情况下以电压控制模式进行动作，并且在提供小于500W的电力时，电源单元100在升压电路108的输出电压保持在140V的情况下以频率控制模式(驱动频率是25kHz或更高)进行动作。
如上所述，当提供需要高效率的相对大的电力(＞500W)时，在以谐振频率驱动开关元件的同时改变升压比使得能够减少开关元件的损耗。当提供相对小的电力(≤500W)时，改变开关元件的驱动频率使得能够在不需要任何降压电路的情况下进行电力控制。
根据本发明第二典型实施例的图像形成设备和电源单元的结构类似于第一典型实施例的结构。图7是示出在第二典型实施例中由控制单元113执行的电力控制的流程图。在第二典型实施例中，如在第一典型实施例的情况那样，假定将热敏电阻器78a所处的带72的中央的温度T控制为目标温度To。此外，使用在升压电路108的升压比被设置为预定升压比(升压比1)且开关元件的驱动频率被设置为预定频率(谐振频率f1)时所提供的电力，作为基准电力Pr。其中，在图7中，To表示目标温度，T表示检测到的温度，f表示驱动频率，Vi表示升压电路输入电压，Vo表示升压电路输出电压。
首先，在步骤1997中，控制单元113检测商用电源500的电压。在步骤1998中，控制单元113设置用作用于根据电压检测值在电压控制模式和频率控制模式之间进行切换的基准的电力Pa和电力Pb。换句话说，将电力Pa设置为小于基准电力Pr的第一预定电力。将电力Pb设置为大于基准电力Pr的第二预定电力。如图8所示，Pa、Pb和Pr之间的关系为Pa＜Pr＜Pb。接着，在步骤1999中，控制单元113将电力控制的模式初始设置为频率控制模式。将模式初始设置为频率控制模式的目的在于在开始控制时从低电力逐渐增大电力。在步骤2000中，控制单元113判断此时的电力控制的模式是否是电压控制模式。当判断为该模式不是电压控制模式而是频率控制模式时，则在步骤2001和2002中，控制单元113将检测到的温度T与目标温度To进行比较。在T＞To的情况下，则在步骤2007中，控制单元113将频率增大预定值fb。然后，处理返回至步骤2000。在T＜To的情况下，则在步骤2003中，控制单元113将提供至线圈71的电力P与所设置的值Pa进行比较。在P＜Pa的情况下，则在步骤2006中，控制单元113将频率减小预定值fa。然后，处理返回至步骤2000。在P≥Pa的情况下，则在步骤2005中，控制单元113将频率设置为f＝f1。在步骤2008中，控制单元113将电力控制的模式切换为电压控制模式。在步骤2002中，如果T＜To不成立，换句话说，在T＝To的情况下，控制单元113按原样保持所设置的频率f。然后，处理返回至步骤2000。
另一方面，当在步骤2000中判断为此时的电力控制的模式是电压控制模式时，则在步骤2011和2012中，控制单元113将检测到的温度T与目标温度To进行比较。在T＜To的情况下，则在步骤2017中，控制单元113判断电力P是否小于上限电力Pmax。如果P＜Pmax不成立，则控制单元113保持升压电路108的输出电压Vo。然后，处理返回至步骤2000。在P＜Pmax的情况下，则在步骤2019中，控制单元113将升压电路108的输出电压Vo增大预定值Vb。然后，处理返回至步骤2000。在T＞To的情况下，则在步骤2013中，控制单元113将电力P与所设置的值Pb进行比较。在P＞Pb的情况下，则在步骤2016中，控制单元113将升压电路108的输出电压Vo减小预定值Va。然后，处理返回至步骤2000。在P≤Pb的情况下，则在步骤2015中，控制单元113设置为Vo＝Vi。在步骤2018中，控制单元113将电力控制的模式切换为频率控制模式。如果在步骤2012中的T＞To不成立，换句话说，T＝To，则控制单元113保持升压电路108的输出电压Vo。然后，处理返回至步骤2000。
例如，假定定影装置7的电感为40μH并且谐振电容器105的电容为1μF，则谐振频率f1约为25kHz。当商用电源500的电压为100V时，在根据本典型实施例的定影装置7的结构中，电压Vi约为140V且此时的电力Pr为500W。在这种情况下，将电力Pa设置为470W，并将电力Pb设置为530W。
当商用电源500的电压为120V时，电力Pr为720W。在这种情况下，将电力Pa设置为690W，并将电力Pb设置为750W。
根据本发明第三典型实施例的图像形成设备和电源单元的结构类似于第一典型实施例和第二典型实施例的结构。
在第三典型实施例中，控制单元113具有如图9所示的存储数据的表。将所存储的数据划分为从1到8进行编号的多组数据。每组数据与不同的电力P(P1～P7或0)相对应，并且表示可在相应电力处应用的升压电路108的输出电压Vo和驱动频率f之间的关系。控制单元113根据定影装置7的目标温度和检测到的温度之间的差来选择表中的数据组(输出电压Vo(升压比)和驱动频率f的组合)的其中之一。图10是图9所示的表中所示的关系的图示代表。
通过表中编号为1～3的数据组即电力P1～P3，控制单元113在将频率保持在f＝f1并改变电压Vo的电压控制模式下进行控制。在数据组编号4即电力Pr中，控制单元113将驱动频率保持在f＝f1且电压Vo＝Vi。通过编号为5～7的数据组即电力P5～P7，控制单元113在保持电压Vo＝Vi并改变驱动频率f的频率控制模式下进行控制。换句话说，利用被设置为边界的电力Pr，当需要高于Pr的电力时，控制单元113选择电压控制模式，而当需要低于Pr的电力时，控制单元113选择频率控制模式。在本典型实施例中，存在八种Vo和f的组合。然而，可以在数据组编号1和8之间应用更多的细分。
图11是示出根据第三典型实施例的由控制单元113执行的电力控制的流程图。在第三典型实施例中，如在第一典型实施例和第二典型实施例的情况那样，假定将热敏电阻器78a所处的导电发热元件72的中央的温度T控制为目标温度To。其中，在图11中，To表示目标温度，T表示检测到的温度，X表示当前数据组编号。
当开始进行控制时，在步骤2997中，控制单元113检测商用电源500的电压。在步骤2998中，控制单元113设置如图9所示的升压电路的输出电压Vo和驱动频率f的组合的表。更具体地，控制单元113判断商用AC电源是100V系统还是200V系统。在100V系统的情况下，控制单元113设置100V的表，而在200V系统的情况下，控制单元113设置200V的表。控制单元113可以根据安装图像形成设备的国家或地区来设置不同表。接着，在步骤2999中，控制单元113将表示升压电路的输出电压Vo和驱动频率f的组合的数据组编号设置为8。数据组编号8表示电力停止状态。在步骤3000中，控制单元113将检测到的温度T与目标温度To进行比较。在T＞To的情况下，则在步骤3006中，控制单元113判断此时所设置的数据组编号X(下文中称之为当前数据组编号)是否是8，换句话说，是否为停止状态。如果该数据组编号为8，则控制单元113按原样保持数据组编号X。然后，处理返回至步骤3000。如果数据组编号不是8，则处理进入步骤3007。为了减小要提供至感应加热线圈71的电力，控制单元113将组合改变为由比当前数据组编号X大1的编号所设置的Vo和f的组合。因此，当定影装置7超过目标温度时，控制单元113可以通过重复步骤3000、3006、3007、3000、...来顺序地增大数据组编号X，甚至可以设置为X＝8(电力停止状态)。
如果在步骤3000中T＞To不成立，则处理进入步骤3001。如果在步骤3001中T＜To，则在步骤3002中，控制单元113判断当前数据组编号X是否是1，换句话说，是否是最大电力设置。如果数据组编号X为1，则控制单元113按原样保持数据组编号。然后，处理返回至步骤3000。如果在步骤3002中数据组编号X不是1，则处理进入步骤3004。在步骤3004中，为了增大要提供至感应加热线圈71的电力，控制单元113将组合改变为由比当前数据组编号X小1的编号所设置的Vo和f的组合。因此，在接通电力时等的定影装置7冷的情况下，控制单元113可以通过重复步骤3000、3001、3002、3004、3000、...来顺序地减小数据组编号X，直至达到X＝1为止。如果在步骤3001中T＜To不成立，则控制单元113按原样保持数据组编号X。然后，处理返回至步骤3000。
如上所述，当提供需要高效率的相对大的电力时，在以谐振频率驱动开关元件的同时改变升压比使得能够改变电力，同时减少了开关元件的损耗。当提供相对小的电力时，改变开关元件的驱动频率使得能够在不需要任何降压电路的情况下进行电力控制。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。