KR101915738B1

KR101915738B1 - 유도 가열 정착 장치 및 화상 형성 장치

Info

Publication number: KR101915738B1
Application number: KR1020120141201A
Authority: KR
Inventors: 타카시 콘도
Original assignee: 에이치피프린팅코리아 유한회사
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2018-11-06
Also published as: AU2012353158A1; KR20130067224A; JP2013125066A

Abstract

본 발명에 의한 유도 가열 정착 장치는, 직렬 공진 회로, 위상 비교부, 위상 제어부, 공진 주파수 추종 발진부, PWM 신호 발생부를 구비한다. 위상 비교부는 PWM 신호 발생부가 출력하는 펄스의 위상과 유도 코일을 흐르는 전류의 위상을 비교하여, 비교한 결과를 위상 제어시는 위상 제어부에 출력하고, PWM 제어시는 공진 주파수 추종 발진부에 출력한다. 위상 제어부는, 위상 비교부의 출력 및 소정의 코일 전류 위상량에 기초하여 소정의 위상값에 대응되는 주파수 제어 신호를 공진 주파수 추종 발진부에 출력한다. 공진 주파수 추종 발진부는, 위상 제어부의 출력을 이용하여 직렬 공진 회로의 구동 주파수를 공진 주파수에 추종시키도록 발진 주파수를 변화시킨다. PWM 신호 발생부는, 공진 주파수 추종 발진부에 의해 변화된 발진 주파수에 기초하여 직렬 공진 회로를 구동시키는 펄스를 발생시킨다. 위상 비교부, 위상 제어부, 공진 주파수 추종 발진부 및 PWM 신호 발생부는 디지털 제어된다.

Description

유도 가열 정착 장치 및 화상 형성 장치{Induction heating fuser unit and image forming apparatus}

본 발명은 유도 가열 정착 장치 및 화상 형성 장치에 관한 것이다.

화상 형성 장치에서는, 기록 매체인 시트 위에 전사된 토너상을 시트에 정착시키기 위한 정착 장치가 구비되어 있다. 이 정착 장치는, 예를 들면 시트 상의 토너를 열 용해시키는 정착 롤러 또는 정착 벨트(가열 롤러)와, 그 정착 롤러 또는 정착 벨트에 압접하여 시트를 가압하는 가압 롤러를 가지고 있다.

상기 정착 롤러 또는 정착 벨트를 가열하기 위해, 그 정착 롤러 또는 정착 벨트의 내부 또는 외부에 유도 가열 코일을 배치하도록 한 유도 가열 방식에 의한 정착 장치가 널리 보급되어 있다. 유도 가열 방식은, 유도 가열 코일에서 발생한 자속을 정착 롤러 또는 정착 벨트의 도체부에 통과시킴으로써 정착 롤러 또는 정착 벨트의 내부에 와전류를 흘려 보내고, 이 와전류에 의한 줄 열로 정착 롤러 또는 정착 벨트를 가열한다는 것이다.

종래의 유도 가열 정착 장치에서의 전력 제어 방식으로서, LCR 공진 회로 구성으로 구동 주파수를 제어하는 방식과, 공진 주파수 f로 공진 회로가 공진하고 있는 상태로 PWM 제어를 실행함으로써 전류량을 제어하는 방식이 행해져 왔다. 종래의 구동 주파수를 제어하여 출력 전력을 변경하는 방식으로서는, 예를 들면 특허문헌 1, 2 등이 있다.

한편, 종래의 공진 주파수 f의 상태로 PWM 제어를 실행함으로써 전류량을 제어하여 전류량을 변경하는 방식의 유도 가열 정착 장치(900)의 인버터 전원의 구성을 도 1에 나타낸다. AC전원(901)으로부터의 출력을 다이오드 브리지(904)에서 전파(全波) 정류한 후, 노이즈 필터(905)를 통과한 것을 하프 브리지 출력 회로(906)에 공급하고 있다. 부호 902는 퓨즈, 부호 903은 서지 전압 보호용 배리스터를 나타내고 있다.

하프 브리지 출력 회로(906)는 스위칭 소자로서 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터; Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(전계 효과 트랜지스터; Field effect transistor) 등이 사용된다.

도 1에 도시된 구성에서는, 하프 브리지 출력 회로(906)는 스위칭 소자로서 IGBT(907, 908)가 이용되고 있다. LC직렬 공진 회로는 저손실 유도 가열용 코일(912), 콘덴서(913, 914)로 이루어지고, LC직렬 공진 회로를 구성하는 리츠선(가는 구리선을 다수 꼰 전선)을 이용한 저손실 유도 가열용 코일(912)에 고주파 전류를 흘려 보냄으로써 자계를 발생시킨다. 저손실 유도 가열용 코일(912)이 발생시킨 자계는, 고투자율 재료로 구성된 정착 롤러 또는 정착 벨트(910) 등에 집중하여 저손실 유도 가열용 코일(912)이 발생시킨 자계에 의해 발열체 표면에 와전류가 흐르고, 정착 롤러 또는 정착 벨트(910)는 자기 발열한다.

IGBT(907, 908)에 의해 하프 브리지 출력에 접속되어 있는, 저손실 유도 가열용 코일(912)의 전류 및 위상차를 검지하기 위한 전류 트랜스(909)의 출력과 IGBT(907, 908)에 의한 하프 브리지 출력의 구동 전압(한쪽)의 위상 비교를 위상 비교기(928)(예를 들면, 범용의 PLL IC(74HC4046 등)를 이용함)를 이용하여 행하고, 위상 비교기(928)의 위상 비교 결과를 RC톱니 발진형 전압 제어 발진기(VCO)(929)에 출력한다. 전류 트랜스(909)의 출력과 하프 브리지 출력의 구동 전압의 위상차가 없어지도록 VCO(929)의 발진 주파수를 피드백 제어한다.

PWM 제어부(919)에서는, 발열부 온도 검지 센서(911)로부터의 정보로부터 CPU(915)에서의 PID제어부(917)에 의한 PID(Proportional, Integral, Differential) 연산으로 산출한 PWM On duty값과, 전류 트랜스(909)의 출력을 정류 회로(923)에서 정류한 것을 에러 앰프(920)에서 증폭하고, 증폭한 값과 VCO(929)로부터의 출력을 비교기(921)에서 비교하여 비교 결과를 PWM 드라이버(922)에 출력함으로써, PWM 드라이버(922)는 PWM 신호를 발광 다이오드 및 포토 트랜지스터(923, 924)에 출력할 수 있다.

종래의 유도 가열 정착 장치에서의 전력 제어 방식으로서 LCR 공진 회로를 갖는 구성으로 구동 주파수를 제어하는 방식에서는, 공진 회로의 공진 주파수가 변동한 경우에 제어 불가능에 빠지는 문제가 있고, 그러한 문제에 대처하기 위해서는, 특허문헌 1에 기재된 발명과 같이 전력이 피크가 되는 주파수를 구하여 그 주파수를 하한 주파수로서 제어할 필요가 있다. 또한, 소전력 제어시에 주파수가 너무 높아져 하프 브리지 출력 소자의 스위칭 손실이 늘어나 효율이 저하되어 버리는 문제가 있고, 특허문헌 2에 기재된 발명과 같이 대전력과 중전력과 소전력으로 전력 제어 방식을 전환할 필요가 있다. 또한, 구동 주파수가 공진 주파수로부터 벗어난 상태에서 하프 브리지 소자를 스위칭하는 경우, 제로 전압 스위칭이 행해지지 않아 소자 손실이 증대하고 발열에 의한 열화나 열 파괴를 초래할 가능성이 있다.

한편, 공진 주파수 f로 공진 회로가 공진하고 있는 상태로 PWM 제어를 실행함으로써 전류량을 제어하여 전류량을 변경하는 방식에서는, 상술한 회로에서의 위상 비교기나 전압 제어 발신기 및 PWM 제어부를 아날로그 회로로 구성하였기 때문에, 부품 상수의 편차나 온도 변동을 고려할 필요가 있거나 공진 주파수 추종(tracking) 범위의 설정 등 사양에 의해 부품 상수를 변경할 필요가 있다. 또한, 특정의 사용이 불가능한 주파수 영역(예를 들면, 특정 무선 주파수나 정착 벨트 등의 정착 장치 기구의 공진 주파수)이 있는 경우에는, 그 주파수 범위를 벗어나서 공진 주파수에 자동 추종하기는 어렵다.

또, PWM 제어만을 이용해도 미소 전류 영역의 제어는 행할 수 없다. 이는 IGBT 등 스위칭 소자의 스위칭 속도가 PWM에 의한 미소 전류 제어가 가능할 정도로는 빠르지 않기 때문이다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 부품 상수의 편차나 온도 변동을 고려하지 않고 공진 주파수에 추종시켜 PWM 제어 및 위상 제어를 실행함으로써 미소 전류 영역까지 제어가 가능한 유도 가열 정착 장치 및 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 어떤 실시형태에 의하면, 유도 코일 및 콘덴서를 갖는 직렬 공진 회로, 위상 비교부, 위상 제어부, 공진 주파수 추종 발진부, PWM(펄스 폭 변조) 신호 발생부를 구비하고, 상기 위상 비교부는 상기 PWM 신호 발생부가 출력하는 펄스의 위상과 상기 유도 코일을 흐르는 전류의 위상을 비교하여, 비교한 결과를 위상 제어시는 상기 위상 제어부에 출력하고, PWM 제어시는 상기 공진 주파수 추종 발진부에 출력하며, 상기 위상 제어부는, 상기 위상 비교부의 출력 및 소정의 코일 전류 위상량에 기초하여 소정의 위상값이 되는 주파수 제어 신호를 상기 공진 주파수 추종 발진부에 출력하고, 상기 공진 주파수 추종 발진부는, 상기 위상 제어부의 출력을 이용하여 상기 직렬 공진 회로의 구동 주파수를 공진 주파수에 추종시키도록 발진 주파수를 변화시키며, 상기 PWM 신호 발생부는, 상기 공진 주파수 추종 발진부에 의한 상기 발진 주파수에 기초하여 상기 직렬 공진 회로를 구동시키는 펄스를 발생시키고, 상기 위상 비교부, 상기 위상 제어부, 상기 공진 주파수 추종 발진부 및 상기 PWM 신호 발생부는 디지털 제어된다.

본 발명의 어떤 실시형태에 의하면, 상기 위상 제어부는, 상기 PWM 신호 발생부가 출력하는 펄스의 위상과 상기 유도 코일을 흐르는 전류의 위상을 비교함으로써, 위상차에 대응하는 신호를 출력하는 상기 위상 비교부의 출력을 카운터에서 계수하고, 코일 전류 위상량 설정값을 뺄셈기로 비교 연산하여, 그 결과에 기초하여 상기 공진 주파수 추종 발진부에 주파수 제어 신호를 출력하며, 상기 공진 주파수 추종 발진부는 상기 위상 제어부가 출력하는 신호에 기초하여 카운터를 업 또는 다운시킴으로써 발진 주파수를 변화시킨다.

본 발명의 어떤 실시형태에 의하면, 상기 전류가 비교적 작은 제1 영역에서 상기 위상 제어가 행해지고, 상기 전류가 비교적 큰 제2 영역에서 상기 PWM 제어가 행해진다.

본 발명의 어떤 실시형태에 의하면, 화상 형성 장치는 유도 가열 정착 장치를 구비한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 부품 상수의 편차나 온도 변동을 고려하지 않고 공진 주파수에 추종시켜 PWM 제어 및 위상 제어를 실행하는 것이 가능한 신규이면서 개량된 유도 가열 정착 장치 및 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 유도 가열 정착 장치의 인버터 전원의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 특정 사용 불가능 주파수 영역 설정시의 업다운 카운터의 카운트 값과 출력 주파수의 관계를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 4는 공진 주파수로 PWM의 ON time의 듀티를 변화시켰을 때의 출력 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 ASIC에서의 위상 비교부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6은 ASIC에서의 공진 주파수 추종 발진부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 ASIC에서의 PWM 신호 발생부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8은 공진 주파수 추종 발진부의 동작 파형을 나타내는 도면이다.
도 9는 공진 주파수 추종 발진부의 동작 파형을 나타내는 도면이다.
도 10은 공진 주파수 추종 발진부의 동작 파형을 나타내는 도면이다.
도 11은 공진 주파수 추종 발진부 및 PWM 신호 발생부의 출력의 상세를 타이밍차트로 나타내는 도면이다.
도 12는 공진 주파수 추종 발진부 및 PWM 신호 발생부의 출력의 상세를 타이밍차트로 나타내는 도면이다.
도 13은 공진 주파수 추종 발진부 및 PWM 신호 발생부의 출력의 상세를 타이밍차트로 나타내는 도면이다.
도 14는 유도 가열 정착 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 15는 유도 가열 정착 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 16은 위상 제어부의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 위상 제어부에서 코일 전류 위상 제어량 설정값을 0에서 X를 거쳐 Y로 바꾸었을 때의 드라이브 전압, 코일 전류 파형 및 주파수 제어 신호의 동작 파형을 나타내는 도면이다.
도 18은 도 16의 위상 제어부에서의 신호의 타이밍도이다.
도 19는 도 16의 위상 제어부에서의 신호의 타이밍도이다.

본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 도면에서 같거나 유사한 기능 또는 구성을 갖는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여된다. 참조 번호의 아래 두 자리가 같은 구성요소는 서로 대응한다.

<본 발명의 일 실시형태>

우선, 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치의 구성에 대해 설명한다. 도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 이하, 도 2를 이용하여 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)의 구성에 대해 설명한다.

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)는, 정착 롤러 또는 정착 벨트를 가열하기 위해, 그 정착 롤러 또는 정착 벨트의 내부 또는 외부에 유도 가열 코일을 배치하도록 한 유도 가열 방식에 의한 정착 장치이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)는 교류 전원(101), 퓨즈(102), 배리스터(103), 다이오드 브리지(104), 노이즈 필터(105), 하프 브리지 출력 회로(106), CPU(115), 정류 회로(120), 리미터 회로(121), ASIC(Application Specific Integrated Circuit)(124)를 포함하여 구성된다. 교류 전원(101)으로부터의 출력을 다이오드 브리지(104)에서 전파 정류한 후, 노이즈 필터(105)를 통과한 것을 하프 브리지 출력 회로(106)에 공급하고 있다.

도 2의 유도 가열 정착 장치(100)는, 공진 주파수에 자동 추종한 공진 상태로 PWM 제어하여 출력 전력을 변경하는 방식이다. 즉, 공진 주파수(f₀)에 자동 추종한 공진 상태로 PWM 제어를 실행함으로써 전류량을 제어하여 전류량을 변경한다.

하프 브리지 출력 회로(106)는 IBGT(107, 108), 전류 트랜스(109), 저손실 유도 가열용 코일(112), 콘덴서(113, 114)를 포함하여 구성된다. 저손실 유도 가열용 코일(112)과 콘덴서(113, 114)에 의해 LC공진 회로가 구성된다.

하프 브리지 출력 회로(106)에서 스위칭 소자로서 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터; Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(전계 효과 트랜지스터; Field effect transistor) 등이 사용된다.

도 2에 도시된 구성에서는, 하프 브리지 출력 회로(106)에는 스위칭 소자로서 IGBT(107, 108)가 이용되고 있다. LC직렬 공진 회로는 저손실 유도 가열용 코일(112)과 콘덴서(113, 114)로 이루어지고, LC직렬 공진 회로를 구성하는 리츠선(가는 구리선을 다수 꼰 전선)을 이용한 저손실 유도 가열용 코일(112)에 고주파 전류를 흘려 보냄으로써 자계를 발생시킨다. 저손실 유도 가열용 코일(112)이 발생시킨 자계는, 고투자율 재료로 구성된 정착 롤러 또는 정착 벨트(110) 등에 집중되어 발열체 표면에 와전류가 흐르고, 정착 롤러 또는 정착 벨트(110)는 자기 발열한다.

CPU(115)는, 고투자율 재료로 구성된 정착 롤러 또는 정착 벨트(110)의 온도의 측정 및 측정한 온도에 기초하여 후술하는 PWM 신호 발생부(127)에서 발생시키는 PWM 신호의 듀티의 제어를 행하는 것으로, AD변환기(ADC)(116, 118)와 PID 제어부(117)와 PWM 듀티 제어부(119)를 포함하여 구성된다.

ASIC(124)는, 저손실 유도 가열용 코일(112)과 콘덴서(113, 114)로 구성되는 LC공진 회로의 공진 주파수에 추종하여 PWM 신호를 발생시키는 것으로, 위상 비교부(125)와 공진 주파수 추종 발진부(126)와 PWM 신호 발생부(127)를 포함하여 구성된다. 본 실시형태에서는, 상기 LC공진 회로의 공진 주파수에 추종하여 PWM 신호를 발생시키는 구성을 디지털 회로로 구성함으로써, CPU(115)를 포함하는 모든 구성을 ASIC(SOC) 내부에 넣는 것이 가능하게 된다.

위상 비교부(125)는, PWM 신호 발생부(127)가 발생시키는 2개의 PWM 신호 중 한쪽의 PWM 신호와, 리미터 회로(121)로부터 출력되는 전류, 즉 전류 트랜스(109)에서 검출한 저손실 유도 가열용 코일(112)을 흐르는 전류의 위상차를 검출하는 것이다. 즉, 위상 비교부(125)는, IGBT(107, 108)에 의해 하프 브리지 출력에 접속되어 있는 저손실 유도 가열용 코일(112)의 전류 및 위상차를 검지하기 위한 전류 트랜스(109)의 출력과, IGBT(107, 108)에 의한 하프 브리지 출력의 구동 전압(한쪽)의 위상 비교를 하고, 위상 비교 결과를 공진 주파수 추종 발진부(126)에 출력한다.

공진 주파수 추종 발진부(126)는, 위상 비교부(125)에 의한 상기 위상차의 검출 결과를 이용하여 PWM 신호 발생부(127)가 발생시키는 PWM 신호의 발진 주파수를 상기 LC공진 회로의 공진 주파수에 추종시키는 처리를 실행하는 것이다. 구체적으로 공진 주파수 추종 발진부(126)는, 위상 비교부(125)의 출력에 따라 PWM 신호의 발진 주파수를 변화시킨다. 예를 들면, 공진 주파수 추종 발진부(126)는, 위상 비교 결과를 기초로 업다운 카운터 값을 상하시켜 위상차가 0(공진 주파수)이 되도록 구동 주파수 제어를 행한다.

PWM 신호 발생부(127)는, 공진 주파수 추종 발진부(126)에 의한, 상기 LC공진 회로의 공진 주파수에 추종시키는 처리에 기초하여 변화하는 발진 주파수로 PWM 신호를 발생시켜 발광 다이오드 및 포토 트랜지스터(128, 129)에 출력하는 것이다. 다시 말하면, PWM 신호 발생부(127)는, 발열부의 온도를 검지하는 온도 센서(111)로부터의 정보로부터 CPU(115) 내의 PID 제어부(117)에 의한 PID(Proportional, Integral, Differential) 연산으로 산출한 PWM On duty값의 PWM 신호를 발광 다이오드 및 포토 트랜지스터(128, 129)에 출력할 수 있다.

정류 회로(120)는, 전류 트랜스(109)의 출력을 정류하는 것이다. 정류 회로(120)는, 전류 트랜스(109)의 출력을 정류한 것을 CPU(115)의 AD변환기(118)에 출력한다. 리미터 회로(121)는, 전류 트랜스(109)의 출력 전압을 소정의 범위 내로 제한하여 출력하는 것이다. 리미터 회로(121)는, 전류 트랜스(109)의 출력 전압을 소정의 범위 내로 제한하여 ASIC(124)의 위상 비교부(125)에 출력한다. 또, 저항(122)은 전류 트랜스(109)로부터 전류를 흘려 보내기 위한 저항이다.

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)는, 교류 전원(101)으로부터의 출력을 다이오드 브리지(104)에서 전파 정류한 후, 노이즈 필터(105)를 통과한 것을 하프 브리지 출력 회로(106)에 공급하고 있다.

하프 브리지 출력 회로(106)에서는, IBGT(107, 108)가 교대로 온/오프를 반복하는 스위칭 동작에 의해 전류 트랜스(109)를 동작시켜 노이즈 필터(105)를 통과한 전류가 저손실 유도 가열용 코일(112)에 흐른다. 저손실 유도 가열용 코일(112)에 고주파 전류를 흘려 보냄으로써, 저손실 유도 가열용 코일(112)로부터 자계를 발생시킬 수 있다. 저손실 유도 가열용 코일(112)이 발생시킨 자계는, 고투자율 재료로 구성된 정착 롤러 또는 정착 벨트(110) 등에 집중된다. 저손실 유도 가열용 코일(112)이 발생시킨 자계에 의해 발열체 표면에 와전류가 흘러 자기 발열한다.

여기서, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)에서 이용되는 LC공진 원리에 대해 설명한다. LC의 저항성분을 포함한 LCR 직렬 공진 회로에 있어서, LCR 직렬 공진 회로의 임피던스 Z는 이하의 수학식 1로 구해진다.

여기서, X=0이 되는 주파수를 ω₀으로 나타내면, 직렬 공진 주파수 f₀는 이하의 수학식 2로 구해진다.

다음에, LCR 직렬 공진 회로의 임피던스 Z를 복소 벡터로 표시하면, 임피던스 Z, 크기 ｜Z｜, 위상 α는 이하의 수학식 3으로 구해진다.

즉, 임피던스의 크기｜Z｜는, 공진 주파수 f₀에서 인덕턴스와 커패시턴스가 제거되어 저항 성분 R만을 취하므로 최소값이 된다.

그리고, 직렬 공진 회로에 전압원 V를 접속했을 때에 흐르는 전류 I, 크기｜I｜, 위상 φ는 이하의 수학식 4로 구해진다.

따라서, 수학식 4로부터 알 수 있는 바와 같이, LCR 직렬 공진 회로를 전압 구동한 경우, 공진 주파수 f₀에서 전류 I는 최대값을 취하고, 전류 I와 전압 V는 같은 위상이 된다. 이상, 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)에서 이용되는 LC공진 원리에 대해 설명하였다.

도 4는, 공진 주파수로 PWM 신호의 ON time(High가 되어 있는 시간)의 듀티를 변화시켰을 때의 LCR 직렬 공진 회로의 전류 출력 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 이와 같이, 공진 주파수를 경계로 하여 전류값(의 절대값)은 변화하는데, PWM 신호의 ON time의 듀티를 변화시킴으로써도 전류값(의 절대값)은 변화하게 된다. 즉, PWM 신호 발생부(127)가 발생시키는 PWM 신호의 ON time이 길어지면, 그만큼 IGBT(107, 108)가 온이 되는 시간도 길어지고 LCR 직렬 공진 회로의 전류값도 증가한다.

이상, 도 2를 이용하여 본 발명의 일 실시형태에 관한 유도 가열 정착 장치(100)의 구성에 대해 설명하였다. 이어서, 도 2에 도시된 ASIC(124)의 각 부의 상세한 구성예에 대해 설명한다. 우선, 위상 비교부(125)의 구성예에 대해 설명한다.

도 5는, 도 2에 도시된 ASIC(124)에서의 위상 비교부(125)의 구성예를 나타내는 도면이다. 이하, 도 5를 이용하여 위상 비교부(125)의 구성예에 대해 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 위상 비교부(125)는 지연 보정부(131)와 JKFF(JK플립플롭)(132, 133)과 NAND 게이트(134)를 포함하여 구성된다.

지연 보정부(131)는, PWM 신호 발생부(127)가 발생하는 드라이브 전압(Drive_V1)에 대해 지연을 일으키는 코일 전류 위상 비교 전압(Coil_ICV)의 지연 보정값을 설정하는 것이다. 지연 보정부(131)에는 드라이브 전압(Drive_V1), 시스템 클록(System_CL) 및 딜레이 클록(Delay_CL)이 입력되고, JKFF(132)에 클록을 출력한다. 또한, JKFF(133)에는, 리미터 회로(121)로부터 출력되는 코일 전류 위상 비교 전압(Coil_ICV)이 공급된다.

JKFF(132, 133)는, 입력 단자 J와 K의 상태의 조합에 대응되는 상태를, 입력받은 클록에 동기화하여 출력 단자 Q 및 그 반전 출력에 출력하는 것이다. JKFF(132)는, PWM 신호 발생부(127)가 발생하는 드라이브 전압(Drive_V1)에 대해 저손실 유도 가열용 코일(112)을 흐르는 전류의 위상이 지연(lagging)되면 Q단자로부터 1(High)을 출력한다. 이에 의해, Count_Up이 High가 된다. 한편, JKFF(133)는, PWM 신호 발생부(127)가 발생하는 드라이브 전압(Drive_V1)에 대해 저손실 유도 가열용 코일(112)을 흐르는 전류의 위상이 선행(leading)되면 Q단자로부터 1(High)을 출력한다. 이에 의해, Count_Down이 High가 된다.

위상 비교부(125)를 도 5에 도시된 바와 같이 구성함으로써, 드라이브 전압(Drive_V1)에 대해 리미터 회로(121)로부터 출력되는 코일 전류 위상 비교 전압(Coil_ICV)이 지연된 경우는 Count_Up이 High가 되고, 드라이브 전압(Drive_V1)에 대해 코일 전류가 선행된 경우는 Count_Down이 High가 된다.

다음에, 공진 주파수 추종 발진부(126)의 구성예에 대해 설명한다. 도 6은, 도 2에 도시된 ASIC(124)에서의 공진 주파수 추종 발진부(126)의 구성예를 나타내는 도면이다. 이하, 도 6을 이용하여 공진 주파수 추종 발진부(126)의 구성예에 대해 설명한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 공진 주파수 추종 발진부(126)는 업다운 카운터(141), 주파수 비교부(142), 피드백 게인 보정부(143), PWM 카운터(144), OSC 컴퍼레이터(145), 1비트 카운터(146), NOT 게이트(147), AND 게이트(148)를 포함하여 구성된다.

업다운 카운터(141)는 위상 비교부(125)의 출력(Count_Up 또는 Count_Down) 및 그 밖의 파라미터가 입력되는 것으로, 위상 비교부(125)의 출력 중에서 Count_Up이 High가 되어 있는 동안은 카운트 업하여 발진 주파수를 낮게 하고, Count_Down이 High가 되어 있는 동안은 카운트 다운하여 발진 주파수를 낮게 하도록 설정되어 있다.

업다운 카운터(141)에 입력되는 파라미터로서는, 그 밖에 주파수 비교부(142)가 출력하는 값(OSC_OUT［N. .1］)의 범위인 Count_Max~Count_Min의 값(도 3 참조), Count_Max에 대응하는 주파수인 f_Min, Count_Min에 대응하는 주파수인 f_Max 및 초기 설정 공진 주파수 f_initial가 있다.

유도 가열 정착 장치에서는, 통신 장치와 같은 엄밀한 성능이 요구되는 것과 비교하여 공진 주파수 추종 특성의 지터 성능이 그만큼 요구되지 않기 때문에, 이와 같이 LCR 직렬 공진 회로의 공진 주파수에 추종시키기 위해 구성이 간단한 업다운 카운터(141)의 이용이 가능하게 된다.

주파수 비교부(142)는, 발진 주파수와 특정의 사용 불가능 주파수 영역(예를 들면, 특정 무선 주파수나, 정착 롤러 또는 정착 벨트(110) 등의 정착 기구에서의 공진 주파수)의 비교를 행하는 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 주파수 비교부(142)는 윈도우 컴퍼레이터(161)와 비교 회로(162)와 래치 회로(163)를 포함하여 구성된다.

윈도우 컴퍼레이터(161)는, 특정의 사용 불가능 주파수 영역(f1_Max~f1_Min, f2_Max~f2_Min, ..., fm_Max~fm_Min,)과 업다운 카운터(141)의 출력 카운터 값의 비교를 행하는 것이다. 윈도우 컴퍼레이터(161)는, 업다운 카운터(141)의 출력 카운터 값이 특정의 사용 불가능 주파수 영역에 대응되는 경우에는 High를 출력한다.

도 3은, 특정의 사용 불가능 주파수 영역이 설정되었을 때의 업다운 카운터(141)의 카운트 값과 출력 주파수의 관계를 그래프로 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 그래프는, 가로축이 주파수, 세로축이 업다운 카운터(141)의 출력(FOUT[N. .1])을 나타내고 있다. 초기 설정의 공진 주파수 f₀에 대응하는 것이 「f_Initial」이고, 하한 주파수 f_Min에 대응하는 것이 「Count_Max」이며, 상한 주파수 f_Max에 대응하는 것이 「Count_Min」이다. 이와 같이, 주파수와 업다운 카운터(141)의 카운트 값은 비례 관계에 있다.

사용 불가능 주파수 영역에 업다운 카운터(141)의 출력값(FOUT［N. .1］)이 들어가면, 래치 회로(163)에서 직전의 주파수 값을 래치함으로써 출력 주파수는 사용 불가능 주파수 영역에 들어가지 않으며, 업다운 카운터(141)의 출력값(FOUT[N. .1])이 변화한다. 그리고, 업다운 카운터(141)의 출력값(FOUT[N..1])이 사용 불가능 주파수 영역으로부터 벗어나면, 래치 회로(163)의 출력(OSC_OUT[N. .1])은 그 사용 불가능 주파수 영역으로부터 벗어난 시점에서의 출력 주파수가 된다.

PWM 카운터(144)는, 시스템 클록(System_CL)에 기초하여 카운터 값(PWM_OUT[N-1. .0])을 출력하는 것이다. OSC 컴퍼레이터(145)는, 주파수 비교부(142)의 출력(OSC_OUT[N. .1])과 PWM 카운터(144)의 출력(PWM_OUT[N-1. .0])을 비교하여 비교 결과(OSC_COMP_OUT)를 출력하는 것이다. 주파수 비교부(142)의 출력(OSC_OUT[N. .1])과 PWM 카운터(144)의 출력(PWM_OUT[N-1. .0])을 비교하여 양자의 값이 일치하면, OSC 컴퍼레이터(145)는 소정의 기간만큼 Low에서 High로 출력을 변화시키고, 공진 주파수의 1주기가 도달하였음을 PWM 신호 발생부(127)에 통지한다.

다음에, PWM 신호 발생부(127)의 구성예에 대해 설명한다. 도 7은, 도 2에 도시된 ASIC(124)에서의 PWM 신호 발생부(127)의 구성예를 나타내는 도면이다. 이하, 도 7을 이용하여 PWM 신호 발생부(127)의 구성예에 대해 설명한다.

도 7에 도시된 바와 같이, PWM 신호 발생부(127)는 곱셈기(151), PWM 컴퍼레이터(152), NOT 게이트(153, 154), AND 게이트(155, 157, 158), DFF(156)를 포함하여 구성된다.

PWM 컴퍼레이터(152)는, PWM 듀티 제어부(119)로부터 보내지는 듀티에 관한 정보(PWM_Duty)와 주파수 비교부(142)의 출력(OSC_OUT[N. .1])을 곱셈기(151)에서 곱셈한 것과 PWM 카운터(144)의 출력(PWM_OUT[N-1. .0])을 비교하고, 비교 결과를 NOT 게이트(154)에 출력하는 것이다.

DFF(156)는, OSC 컴퍼레이터(145)의 출력(OSC_COMP_OUT)의 공급을 받아 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)의 기초가 되는 전압(Drive_V)을 출력하는 것이다. DFF(156)는, Drive_V를 AND 게이트(157, 158)에 출력한다. AND 게이트(157, 158)는, 1비트 카운터(146)가 출력하는 신호(PWM_Select)를 이용하여 각각 드라이브 전압(Drive_V1 및 Drive_V2)을 출력한다.

즉, PWM 신호 발생부(127)는, OSC_COMP_OUT가 High가 되는 타이밍에서 소정의 기간만큼 High가 되는 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)의 기초가 되는 전압(Drive_V)을 출력한다. 이 소정의 기간은 PWM 듀티 제어부(119)가 지시하고, 그 정보는 PWM 컴퍼레이터(152)에 공급되는 PWM_Duty에 해당한다.

도 7에 도시된 바와 같이 PWM 신호 발생부(127)를 구성함으로써, CPU(115)에서 연산된 ON Duty time과 업다운 카운터(141)의 출력 카운터 값으로부터 PWM 타이밍을 산출하고, 산출된 PWM 타이밍을 리셋 카운터를 사용한 PWM 카운터(144)의 출력값(PWM_OUT[N-1. .0])과 DFF(156)에서 비교하여 일치하면 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)의 기초가 되는 전압(Drive_V)을 Low로 한다. 이에 의해, ON Duty time의 기간만큼 High가 되는 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)이 생성되고, 그 High가 되는 기간만큼 발광 다이오드가 High가 되며, 포토 트랜지스터가 ON이 됨으로써 IGBT(107, 108)가 각각 온이 되어 LC직렬 공진 회로에 전류가 흐른다.

이상, 위상 비교부(125)와 공진 주파수 추종 발진부(126)와 PWM 신호 발생부(127)의 구성예에 대해 설명하였다. 다음에, 공진 주파수 추종 발진부(126)의 동작에 대해 설명한다. 도 8~10은 공진 주파수 추종 발진부(126)의 동작 파형을 나타내는 도면이다.

도 8은, 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)의 구동 주파수와 공진 주파수가 일치하여 동작하고 있을 때의 공진 주파수 추종 발진부(126)의 동작 파형을 나타내고 있다. 또한, 도 9는, 드라이브 전압의 구동 주파수가 공진 주파수를 초과할 때의 공진 주파수 추종 발진부(126)의 동작 파형을 나타내고 있다. 그리고, 도 10은, 드라이브 전압의 구동 주파수가 공진 주파수 미만일 때의 공진 주파수 추종 발진부(126)의 동작 파형을 나타내고 있다.

도 8에서는, 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)의 On Duty의 길이에 따라 코일에 흐르는 전류의 피크 값이 변화하는 모양을 나타내고 있다. 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)의 On Duty의 길이는 PWM 듀티 제어부(119)의 제어에 따라 변화한다.

그리고, 도 8에서는, 드라이브 전압의 구동 주파수와 공진 주파수가 일치하여 동작하고 있으므로, 위상 비교부(125)의 출력(Count_Up 또는 Count_Down)은 항상 Low이고, 따라서 업다운 카운터(141)의 출력(UpDown_Count)은 발생되지 않는다.

도 9 및 도 10은, 드라이브 전압 및 코일 전류의 동작 파형으로부터 그 위상차를 검지하고, 업다운 카운터(141)의 값을 증감시켜 구동 주파수가 공진 주파수가 되도록 피드백 제어를 행하고 있는 동작을 나타내고 있다.

우선, 드라이브 전압의 구동 주파수가 공진 주파수를 초과할 때의 공진 주파수 추종 발진부(126)의 동작에 대해 도 9를 참조하면서 설명한다. 드라이브 전압의 구동 주파수가 공진 주파수를 초과할 때는, 코일에 흐르는 전류의 위상이 드라이브 전압에 대해 지연되므로, 위상 비교부(125)의 출력 중에서 Count_Up이 High가 된다. Count_Up이 High가 되는 기간은, 드라이브 전압(Drive_V1)이 Low에서 High로 전환되고 나서 코일 전류의 위상이 0이 될 때까지의 기간이다.

위상 비교부(125)의 출력 중에서 Count_Up이 High가 되면, 그 High가 되는 기간만큼 업다운 카운터(141)는 카운터를 업시켜 출력한다. 이에 의해, 드라이브 전압의 구동 주파수를 공진 주파수에 추종시키는 것이 가능하게 된다.

한편, 드라이브 전압의 구동 주파수가 공진 주파수 미만일 때의 공진 주파수 추종 발진부(126)의 동작에 대해 도 10을 참조하면서 설명한다. 드라이브 전압의 구동 주파수가 공진 주파수 미만일 때는, 코일에 흐르는 전류의 위상이 드라이브 전압에 대해 선행되므로, 위상 비교부(125)의 출력 중에서 Count_Down이 High가 된다. Count_Down이 High가 되는 기간은, 코일 전류의 위상이 0이 되고 나서 드라이브 전압(Drive_V1)이 Low에서 High로 전환될 때까지의 기간이다.

위상 비교부(125)의 출력 중에서 Count_Down이 High가 되면, 그 High가 되는 기간만큼 업다운 카운터(141)는 카운터를 다운시켜 출력한다. 이에 의해, 드라이브 전압(Drive_V1, Drive_V2)의 구동 주파수를 공진 주파수에 추종시키는 것이 가능하게 된다.

다음에, 공진 주파수 추종 발진부(126) 및 PWM 신호 발생부(127)의 동작에 대해 설명한다. 도 11~13은, 공진 주파수 추종 발진부(126) 및 PWM 신호 발생부(127)의 출력의 상세를 타이밍차트로 나타내는 도면이다.

도 11은 유도 가열 정착 장치(100)의 전원이 온이 되고 나서 초기 설정 주파수(=공진 주파수)로 발진하고 있을 때의 타이밍차트이고, 도 12는 초기 설정 주파수보다 공진 주파수가 높아졌을 때의 타이밍차트이며, 도 13은 초기 설정 주파수보다 공진 주파수가 낮아졌을 때의 타이밍차트이다.

우선, 도 11을 참조하여, 유도 가열 정착 장치(100)의 전원이 온이 되고 나서 초기 설정 주파수(=공진 주파수)로 발진하고 있을 때의 공진 주파수 추종 발진부(126) 및 PWM 신호 발생부(127)의 동작에 대해 설명한다. PWM 카운터(144)의 출력(PWM_OUT[N-1. .0])의 값이 f_initial, 즉 초기 설정 주파수에 대응되는 값이 되면, PWM 카운터(144)의 출력은 리셋되고, OSC 컴퍼레이터(145)의 출력(OSC_COMP_OUT)이 Low에서 High로 변화하며, DFF(156)의 출력(Drive_V1)이 Low에서 High로 전환된다. 그리고, DFF(156)의 출력과 1비트 카운터(146)의 출력의 조합에 의해, 드라이브 전압(Drive_V1 및 Drive_V2)이 타이밍을 맞추어 AND 게이트(157, 158)로부터 각각 출력된다.

다음에, 도 12를 참조하여, 초기 설정 주파수보다 공진 주파수가 높아졌을 때의 공진 주파수 추종 발진부(126) 및 PWM 신호 발생부(127)의 동작에 대해 설명한다. 초기 설정 주파수보다 공진 주파수가 높아지면, 위상 비교부(125)의 출력 중에서 Count_Down이 High가 된다. 이에 의해, OSC 컴퍼레이터(145)의 출력(OSC_COMP_OUT)이 Low에서 High로 변화하는 주기가 짧아지고(Initial -> Initial-x -> Initial-y -> Initial-z), DFF(156)의 출력(Drive_V)이 Low에서 High로 전환되는 주기가 변화한다. 이에 의해, 드라이브 전압의 구동 주파수를 공진 주파수에 일치시키는 제어가 행해진다.

마지막으로, 도 13을 참조하여, 초기 설정 주파수보다 공진 주파수가 낮아졌을 때의 공진 주파수 추종 발진부(126) 및 PWM 신호 발생부(127)의 동작에 대해 설명한다. 초기 설정 주파수보다 공진 주파수가 낮아지면, 위상 비교부(125)의 출력 중에서 Count_Up이 High가 된다. 이에 의해, OSC 컴퍼레이터(145)의 출력(OSC_COMP_OUT)이 Low에서 High로 변화하는 주기가 길어지고(Initial -> Initial+x -> Initial+y -> Initial+z), DFF(156)의 출력(Drive_V)이 Low에서 High로 전환되는 주기가 변화한다. 이에 의해, 드라이브 전압의 구동 주파수를 공진 주파수에 일치시키는 제어가 행해진다.

이와 같이, 드라이브 전압 및 코일 전류의 위상차 검지 결과로부터, 업다운 카운터(141)의 값을 증감시켜 드라이브 전압 구동 주파수를 공진 주파수가 되도록 제어하고, 업다운 카운터(141)의 값과, 온도 센서(111)의 출력 데이터 값으로부터 PID 제어부(117)에서의 PID 연산에 의해 구한 PWM Duty 보정값으로 PWM 듀티 제어부(119)에서 PWM Duty값을 산출한다.

PWM 카운터(144)의 출력값이 PWM Duty값과 일치하면 구동 전압을 Low로 하고, 업다운 카운터(141)의 값과 일치하면 구동 전압을 High로 변화시킴으로써, 공진 주파수 PWM 신호(Drive_V)가 만들어진다. 하프 브리지 구동 신호는, 1비트 카운터(146)에서 생성된 반주기마다의 출력 허가 신호와 DFF(156)가 생성하는 공진 주파수 PWM 신호를 AND 게이트(157, 158)에 넣음으로써, Drive_V1와 Drive_V2가 교대로 출력된다.

유도 가열 정착 장치(100)에 의하면, 공진 주파수 f₀에 자동 추종하여 공진 상태로 PWM 제어를 실행함으로써 전류량을 제어하여 전력량을 변경할 수 있다. 그 결과, 유도 가열 정착 장치(100)는 전력 효율이 개선된다는 효과를 가진다.

<변형예>

도 14는, 유도 가열 정착 장치(1400)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 15는, 유도 가열 정착 장치(1400)의 동작을 나타내는 도면이다.

유도 가열 정착 장치(1400)는 ASIC(1424)를 가진다. ASIC(1424)는 위상 비교부(1425), 위상 제어부(1425P), 공진 주파수 추종 발진부(1426), PWM 신호 발생부(1427)를 갖는 점에서 ASIC(124)와는 다르다. CPU(1415)는 ADC(1416), PID 제어부(1417), ADC(1418), PWM 듀티 제어부(1419), 위상 제어량 설정부(1419P)를 포함한다. 도 14의 ADC(1416), PID 제어부(1417), ADC(1418), PWM 듀티 제어부(1419)는 도 2의 ADC(116), PID 제어부(117), ADC(118), PWM 듀티 제어부(119)에 각각 대응한다.

도 16은, 위상 제어부(1425P)의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다. 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)이 0일 때는, 도 2 등을 참조하여 전술한 것과 같은 공진 주파수 추종 제어를 행한다.

도 14의 위상 비교부(1425), 공진 주파수 추종 발진부(1426), PWM 신호 발생부(1427)는 도 2에 나타나는 위상 비교부(125), 공진 주파수 추종 발진부(126), PWM 신호 발생부(127)에 각각 대응한다. 위상 비교부(1425), 공진 주파수 추종 발진부(1426), PWM 신호 발생부(1427)는, 드라이브 전압 및 코일 전류의 위상차를 측정하고, 위상차가 0이 되는 공진 주파수에 자동적으로 추종하는 제어를 행하고 있다. 구체적으로 도 15에 도시된 바와 같이 공진 주파수 f₀는 가변이다.

도 17은, 도 16의 위상 제어부(1425P)에서 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)을 0에서 X를 거쳐 Y로 바꾸었을 때(단, X>Y)의 드라이브 전압, 코일 전류 파형 및 주파수 제어 신호(Count_up, Count_Up2, Count_Down, Count_Down2)의 동작 파형을 나타내는 도면이다.

공진 주파수 제어를 행할 때는, 도 14의 CPU(1415)가 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)을 0으로 설정한다. 이 때, 도 16의 Comp1이 출력하는 Select 신호는 Low가 되어 Selector2 및 Selector3이 A입력을 선택한다. 그 결과, 위상 비교 출력 신호(Count_Up, Count_Down)는 위상 제어부(1425P)를 통과하지 않고 직접 공진 주파수 추종 발진부(1426)에 입력된다. 따라서, 공진 주파수 제어가 행해진다.

코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)을 공진 상태 0에서 X로 바꾸면, 설정값 X에 대응한 주파수 제어 신호(Count_Down2)를 출력하고 주파수를 높게 하여 위상량 설정값 X에 가까워짐에 따라 펄스 폭을 작게 하고, 최종적으로 위상량이 설정값 X가 된 곳에서 주파수 제어 신호(Count_Down2)의 출력을 정지한다.

구체적으로 위상 제어를 행할 때는, 도 14의 CPU(1415)가 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)을 0보다 큰 값으로 설정한다. 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)이 0보다 큰 값으로 설정되면, 도 16의 Comp1의 출력 Select 신호가 High가 되어 Selector2 및 Selector3이 B입력을 선택한다. 그 결과, 위상 비교 출력 신호(Count_Up, Count_Down)는 위상 제어부(1425P)에 입력되어 위상 제어가 이루어지고, 신호(Count_Up2, Count_Down2)가 공진 주파수 추종 발진부(1426)에 입력된다. 따라서, 이 경우는 위상 제어가 행해진다.

코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)을 X에서 Y로 바꾸면(단, X>Y), X와 Y의 차이에 비례한 주파수 제어 신호(Coun_Up2)를 출력하고 주파수를 높게 하여 위상량 설정값 Y에 가까워짐에 따라 펄스 폭을 작게 하고, 최종적으로 위상량이 설정값 Y가 된 곳에서 주파수 제어 신호(Coun_Up2)의 출력을 정지한다.

도 18 및 도 19는, 도 16의 위상 제어부(1425P)에서의 신호의 타이밍도이다. 도 18은, 도 17에서 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)을 0에서 X로 바꾸었을 때의 동작 타이밍을 나타내고 있다. 도 19는, 도 17에서 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)을 X에서 Y로 바꾸었을 때(단, X>Y)의 동작 타이밍을 나타내고 있다.

<작용·효과>

도 2의 유도 가열 정착 장치(100)는 PWM 제어에 의해 온도를 제어한다. 즉, 유도 가열 정착 장치(100)는, 도 4에 나타나는 모든 전류값에 걸쳐 PWM 최적값을 산출함으로써 전력을 제어한다. 다시 말하면, 스위칭 소자는 공진 주파수에서 스위칭되고, 그 펄스 폭이 온도 센서로부터의 신호에 기초하여 바뀐다.

이에 대해 유도 가열 정착 장치(1400)에서는, 코일에 흐르는 전류가 클 때에는 PWM 제어를 행하고, 코일에 흐르는 전류가 작을 때에는 위상 제어를 행한다. 구체적으로 ASIC(1424)는 위상 제어부(1425)를 구비한다. 이 위상 제어부(1425)가 소전류 영역에서 코일 전류의 위상 제어를 실현한다.

온도 콘트롤러의 기능을 갖는 CPU(1415)는, 온도 센서(111)로부터의 신호에 기초하여 PWM 최적값과 코일 전류 위상 최적값을 산출함으로써 2개의 모드로 전력(즉, 온도)을 제어할 수 있다. 코일에 흐르는 전류가 작은 소전류 영역에서는, 위상 제어부(1425P)는 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)에 기초하여 위상 제어를 행하고, 이에 따라 코일 전류를 제어한다. 즉, 추종한 공진 주파수를 기준으로 하여 코일 전류 위상 제어량 설정값(Phase_Delay_Value)에 기초하여 전류의 크기를 제어하고, 이에 따라 온도 제어를 행한다. 그 결과, 미소 전력 영역에서의 온도 제어가 가능하게 된다.

한편, 코일에 흐르는 전류가 큰 대전류 영역에서는, 도 2의 유도 가열 정착 장치(100)와 같이 PWM 제어를 행한다. 이러한 구성에 의해, 본 변형예는 도 15에 도시된 바와 같이 미소 전력 영역까지 코일 전류를 제어하는 것이 가능하고, 그 결과 보다 미세한 온도 제어를 실현할 수 있다.

특히 코일 전류 위상 지연 제어 회로는 간단한 논리 회로(디지털 회로)로 구성하였으므로, 온도 변동이나 상수의 편차 등에 영향을 받지 않고 안정된 온도 제어를 디지털적으로 행하는 것이 가능하다. 모든 제어 회로를 디지털 회로로 구성하였으므로, ASIC에 간단히 내장하는 것이 가능하게 되어 비용 삭감 및 소형화가 가능하다는 효과를 가진다.

또, 본 변형예에서는 소전력시에서의 미소 전류 제어를 위해서만 위상 제어를 행하고 있지만, 이에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 대전력 영역 및 중전력 영역에서도 위상 제어를 이용하여 전력 제어를 행하는 것이 가능하다.

<결론>

본 발명의 다양한 실시형태에 의한 유도 가열 정착 장치는, 업다운 카운터와 PWM 카운터를 이용하여 공진 주파수 추종 발진부, PWM 신호 발생부의 디지털 회로화를 간단하게 할 수 있으므로, 공진 주파수 추종 발진부 및 PWM 신호 발생부를 ASIC(124)의 내부에 넣는 것이 가능하게 된다.

이에 의해, 본 발명의 실시형태에 의한 유도 가열 정착 장치는, 종래의 유도 가열 정착 장치와 비교하여 하드웨어 부품의 삭감이 가능하게 되어 비용 절감이나 조립성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 어떤 실시형태에 의한 유도 가열 정착 장치(1400)는, 디지털 회로로 구성함으로써 부품 상수의 편차나 온도 변동을 고려할 필요도 없고, 설정값을 소프트웨어로 변경함으로써 하드웨어를 변경하지 않고 모든 사양에 대응 가능하게 된다. 이는, 종래의 유도 가열 정착 장치가 아날로그 회로로 구성한 경우는 부품 상수의 편차나 온도 변동을 고려할 필요가 있거나, 공진 주파수 추종 범위의 설정 등 사양에 의해 부품 상수를 변경할 필요가 있는 것과 비교하여 큰 효과이다.

또, 본 발명의 어떤 실시형태에 의한 유도 가열 정착 장치는, 디지털 회로로 제어하기 때문에, 특정 사용 불가능 주파수 영역(특정 무선 주파수나 정착 벨트 등의 정착 장치 기구의 공진 주파수)이 있는 경우에는 그 주파수 범위를 설정함으로써 간단하게 제어 가능하게 된다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상술한 구체적인 실시형태에는 한정되지 않는다. 본 발명이 속한 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자이면, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범위 내에서 각종 변경 또는 수정을 실현할 수 있고, 이들도 본 발명의 기술적 범위에 속한다.

1400 유도 가열 정착 장치
101 교류 전원
102 퓨즈
103 배리스터
104 다이오드 브리지
105 노이즈 필터
106 하프 브리지 출력 회로
107, 108 IBGT
109 전류 트랜스
110 정착 롤러 또는 정착 벨트
111 온도 센서
112 저손실 유도 가열용 코일
113, 114 콘덴서
1415 CPU
1416, 1418 AD변환기(ADC)
1417 PID 제어부
1419 PWM 듀티 제어부
1419P 위상 제어량 설정부
120 정류 회로
121 리미터 회로
1424 ASIC
1425 위상 비교부
1425P 위상 제어부
1426 공진 주파수 추종 발진부
1427 PWM 신호 발생부
128, 129 발광 다이오드 및 포토 트랜지스터

Claims

유도 코일 및 콘덴서를 갖는 직렬 공진 회로, 위상 비교부, 위상 제어부, 공진 주파수 추종 발진부, PWM(펄스 폭 변조) 신호 발생부를 구비하고,
상기 위상 비교부는, 상기 PWM 신호 발생부가 출력하는 펄스의 위상과 상기 유도 코일을 흐르는 전류의 위상을 비교하여, 비교한 결과를
위상 제어시는 상기 위상 제어부에 출력하고,
PWM 제어시는 상기 공진 주파수 추종 발진부에 출력하며,
상기 위상 제어부는, 상기 위상 비교부의 출력 및 소정의 코일 전류 위상량에 기초하여 소정의 위상값에 대응되는 주파수 제어 신호를 상기 공진 주파수 추종 발진부에 출력하고,
상기 공진 주파수 추종 발진부는, 상기 위상 제어부의 출력을 이용하여 상기 직렬 공진 회로의 구동 주파수를 공진 주파수에 추종시키도록 발진 주파수를 변화시키며,
상기 PWM 신호 발생부는, 상기 공진 주파수 추종 발진부에 의해 변화된 상기 발진 주파수에 기초하여 상기 직렬 공진 회로를 구동시키는 펄스를 발생시키고,
상기 위상 비교부, 상기 위상 제어부, 상기 공진 주파수 추종 발진부 및 상기 PWM 신호 발생부는 디지털 제어되는 유도 가열 정착 장치.
제1항에 있어서,
상기 위상 제어부는, 상기 PWM 신호 발생부가 출력하는 펄스의 위상과 상기 유도 코일을 흐르는 전류의 위상을 비교함으로써, 위상차에 대응하는 신호를 출력하는 상기 위상 비교부의 출력을 카운터에서 계산하고, 코일 전류 위상량 설정값을 뺄셈기로 비교 연산하여, 그 결과에 기초하여 상기 공진 주파수 추종 발진부에 주파수 제어 신호를 출력하며,
상기 공진 주파수 추종 발진부는, 상기 위상 제어부가 출력하는 신호에 기초하여 카운터를 업 또는 다운시킴으로써 발진 주파수를 변화시키는 유도 가열 정착 장치.
제1항에 있어서,
상기 전류가 비교적 작은 제1 영역에서 상기 위상 제어가 행해지고, 상기 전류가 비교적 큰 제2 영역에서 상기 PWM 제어가 행해지는 유도 가열 정착 장치.
제1항에 기재된 유도 가열 정착 장치를 구비하는 화상 형성 장치.