JP2001034090A - 誘導加熱定着装置 - Google Patents

誘導加熱定着装置

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JP2001034090A
JP2001034090A JP11202021A JP20202199A JP2001034090A JP 2001034090 A JP2001034090 A JP 2001034090A JP 11202021 A JP11202021 A JP 11202021A JP 20202199 A JP20202199 A JP 20202199A JP 2001034090 A JP2001034090 A JP 2001034090A
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power supply
fixing device
coil
induction coil
closed magnetic
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English (en)
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Takahiro Tsujimoto
隆浩 辻本
Akinori Kimata
明則 木俣
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Minolta Co Ltd
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Minolta Co Ltd
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    • G03G15/2014Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat using contact heat
    • G03G15/2064Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat using contact heat combined with pressure
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 閉磁路鉄心を小さくして小型、軽量化を図る
ことのできる誘導加熱定着装置を提供する。 【解決手段】 閉磁路を形成する閉磁路鉄心と、閉磁路
鉄心に鎖交するように巻回され、導電性部材に周方向に
沿う誘導電流を生じさせる磁束を生成する誘導コイル1
4と、誘導コイル14に交流を供給する電源50と、電
源50の電圧を検出する電圧検出手段7と、検出された
電圧に応じてコイル14へ印加する交流の周波数を可変
する周波数変換手段(第1〜第4SSR51〜54、お
よびCPU5)と、を有することを特徴とする誘導加熱
定着装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電子写真式
の複写機、プリンタおよびファクシミリなどに用いられ
る定着装置に関し、さらに詳しくは、低周波誘導加熱を
利用してトナー像を記録媒体に定着する定着装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】電子写真式の複写機、プリンタおよびフ
ァクシミリなどの画像形成装置には、記録媒体である用
紙ないし転写材などのシート上に保持されたトナー像を
シートに定着させる定着装置が設けられている。
【0003】定着装置には種々の方式があるが、近年の
省エネルギー化の要請に応えるべく、ハロゲンランプを
熱源とする定着装置よりも変換効率の高い誘導加熱方式
の定着装置が提案されている。
【0004】誘導加熱方式の定着装置は、例えば特開平
10−207265号公報に開示されているように、固
定されもしくは移動する中空形状をなす導電性部材と、
この導電性部材の中空部に一部が挿通され、閉磁路を形
成する閉磁路鉄心と、この閉磁路鉄心に巻回された誘導
コイルとを有し、誘導コイルに電流を流すことで、前記
導電性部材に周方向に沿う誘導電流を生じさせる磁束を
生成し、これにより電導性部材を誘導加熱するものであ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
誘導加熱方式の定着装置は、内部に閉磁路鉄心を有する
ため、これを実装するための設置容積を確保しなければ
ならず、装置が大型化してしまうといった問題がある。
また、この閉磁路鉄心は、ハロゲンランプなどと比較し
て重量があるため、これを保持するための部材にこの重
量に耐え得る充分な剛性を確保しなければず、コストア
ップにつながるといった問題もある。
【0006】さらに、ローラ方式の定着装置において
は、閉磁路鉄心の断面積に沿いローラが大径となるた
め、ローラ表面の曲率が大きく、用紙の分離性が悪くな
ってしまうといった問題もある。
【0007】そこで、本発明の目的は、閉磁路鉄心を小
型化することにより、定着装置自体を小型、軽量化する
ことができ、また、ローラ方式の場合の用紙の曲率分離
性を上げることのできる誘導加熱定着装置を提供するこ
とである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、下記す
る手段により達成される。
【0009】(1)固定されもしくは移動する中空形状
をなす導電性部材と、前記導電性部材に、トナーを保持
した記録媒体を直接的もしくは間接的に密着させる加圧
部材と、前記導電性部材内の中空部に一部が挿通され、
閉磁路を形成する閉磁路鉄心と、前記閉磁路鉄心に鎖交
するように巻回され、前記導電性部材に周方向に沿う誘
導電流を生じさせる磁束を生成する誘導コイルと、前記
誘導コイルへ交流を供給する電源と、前記電源から前記
誘導コイルへ供給される交流の周波数を可変する周波数
変換手段と、を有することを特徴とする誘導加熱定着装
置。
【0010】(2)前記周波数変換手段は、前記電源か
ら前記誘導コイルへ供給される交流の電圧を検出する電
圧検出手段を有し、該電圧検出手段が検出した電圧に応
じて、前記電源から前記誘導コイルへ供給される交流の
周波数を可変することを特徴とする。
【0011】(3)前記周波数変換手段は、前記電源か
ら前記誘導コイルへ供給される交流の電流量を検出する
電流検出手段を有し、該電流検出手段が検出した電流量
に応じて、前記電源から前記誘導コイルへ供給される交
流の周波数を可変することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して、
本発明の一実施の形態を説明する。
【0013】図1は、本発明に係る誘導加熱定着装置を
組み込んだ画像形成装置としての複写機を示す概略構成
図である。
【0014】複写機100は、図示するように、原稿を
読み取るイメージスキャナ部101と、信号処理を行う
信号処理部102と、イメージスキャナ部101で読み
取られた原稿画像に対応した画像を記録媒体としての用
紙10にプリント出力するプリンタ部103と、これら
各部を配置ないし収納するケーシング104とを有す
る。
【0015】イメージスキャナ部101において、プラ
テンガラス105上に載置された原稿は、プラテンカバ
ー106で押さえられるが、図示しない自動原稿送り装
置を装着するときには、プラテンカバー106に代えて
自動原稿送り装置が取り付けられる。プラテンガラス1
05上の原稿はランプ107で照明され、原稿で反射し
た光は、ミラー108a、108b、108cおよび集
光レンズ109を経てCCDラインイメージセンサ11
0上に像を結び、イメージ情報に変換されて信号処理部
102に送られる。第1スライダ112および第2スラ
イダ113は、スキャナモータ111を駆動することに
より、ラインイメージセンサ110の電気的走査方向
(主走査方向)に対して垂直方向(副走査方向)に機械
的に動き、原稿全面を走査する。このとき第1スライダ
112は速度vで移動し、第2スライダ113は速度v
/2で移動する。
【0016】信号処理部102は、ラインセンサ109
で読み取った信号を電気的に処理し、プリンタ部103
に送る。
【0017】プリンタ部103は、レーザ発生器115
と、像担持体としての感光体ドラム116と、を備え、
回転する感光体ドラム116の周辺には、帯電装置とし
ての帯電ローラ117と、現像装置118と、転写装置
としての転写ローラ119と、用紙10の除電および分
離装置である除電針120と、感光体ドラム116上の
残留トナーを除去するクリーニング装置121と、が配
置されている。レーザ発生器115は、信号処理部10
2から送られてくる画像信号のレベルに応じて半導体レ
ーザを駆動変調する。レーザ光は、図示しないポリゴン
ミラー、f−θレンズおよび折り返しミラーなどを経由
し、帯電ローラ117と現像装置118との間の位置
で、感光体ドラム116に照射される。感光体ドラム1
16上に形成された静電潜像は、現像装置118におい
てトナーで現像される。
【0018】一方、ケーシング104に着脱自在に取り
付けられる給紙カセット125には、複数枚の用紙10
が積層した状態で収納されている。給紙カセット125
内の用紙10は、給紙ローラ126により1枚ずつ捌か
れて給紙され、タイミングローラ127により所定のタ
イミングで、感光体ドラム116と転写ローラ119と
の間の転写位置に向けて送り込まれる。感光体ドラム1
16上に現像された像は、転写ローラ119によって用
紙10に転写される。転写後の用紙10は、感光体ドラ
ム116から分離され、定着装置128に向けて搬送ベ
ルト129により搬送される。用紙10上に転写された
未定着のトナーが定着装置128において固定され、ト
ナーが定着された用紙10は、排紙トレー129に排紙
される。なお、本実施形態の定着装置128は低周波誘
導加熱方式によるものであり、構成については後述す
る。
【0019】転写ローラ119によって用紙10への転
写が終了すると、感光体ドラム116上は、図示しない
クリーナ前チャージャーでマイナス極性に帯電され、ク
リーニング装置121にて残留トナーが除去され、イレ
ーサによって残留電荷が除電される。その後、感光体ド
ラム116上は、帯電ローラ117によって再度帯電さ
れ、レーザ光による潜像形成を受け、現像装置118に
よって現像され、図示しない転写前イレーサによって非
現像領域の電荷が除電される。
【0020】図2は、誘導加熱定着装置を示す構成図、
図3は、同定着装置の要部を示す断面図である。
【0021】誘導加熱定着装置128は、用紙10上に
保持されたトナー11を加熱溶融して当該用紙10に定
着させるものであり、非回転の状態に固定され中空形状
をなす昇温部材(導電性部材に相当する)12と、トナ
ーを保持した用紙10を昇温部材12に間接的に密着さ
せる加圧ローラ(加圧部材に相当する)13と、固定さ
れた昇温部材12と加圧ローラ13との間に介在されて
用紙10を搬送する搬送ベルト20と、昇温部材12を
誘導加熱する誘導コイル(以下、単にコイルと称する)
14と、を有する。
【0022】搬送ベルト20は、図2中矢印a方向に移
動可能に設けられ、加圧ローラ13は、搬送ベルト20
および用紙10の移動に伴って従動回転する。
【0023】昇温部材12は、導電性の中空パイプであ
り、例えば、炭素鋼管、ステンレス合金管あるいはアル
ミニウム管、鉄などによって形成され、加圧ローラ13
からの圧接力に対して十分な機械的強度を確保できる範
囲内で、かつ、熱容量を確保できる肉厚で形成されてい
る。昇温部材12の両端は、図示しない定着ユニットの
フレームに固定されている。特に、昇温部材12を矩形
形状に形成し、加圧ローラ13に対向する面を平坦部2
1にしてある。この平坦部21により、昇温部材12と
加圧ローラ13との間で用紙10を挟持するニップ幅な
いしニップ領域Nを拡大している。
【0024】加圧ローラ13は、軸芯15と、当該軸芯
15の周囲に形成されたシリコンゴム層16とから構成
されている。シリコンゴム層16は、表面から用紙10
が離れ易い離型性を有すると共に、耐熱性を有するゴム
層である。加圧ローラ13は、図示しないばね材によ
り、昇温部材12に向かう方向に押圧されている。
【0025】搬送ベルト20は、矩形形状の昇温部材1
2の外周面に巻き付けられ、図示しない駆動ローラが当
接している。この駆動ローラに接続されたモータなどの
図示しない駆動源により、搬送ベルト20は、昇温部材
12をガイド盤としながら回転移動する。搬送ベルト2
0は、誘導発熱することがないように、可撓性を有する
耐熱性樹脂などの絶縁物から形成されている。また、搬
送ベルト20の外周表面には、用紙10を分離し易くす
るために、フッ素樹脂をコーティングして、トナーに対
して良好な離型性と耐熱性とを有する離型層が形成され
ている。この誘導加熱定着装置128はさらに、閉磁路
を形成する矩形状のコア17(閉磁路鉄心に相当する)
を有し、このコア17の一部が昇温部材12内の中空部
12aを貫通している。コア17は、通常のトランスな
どに用いられているいわゆる鉄心であり、例えば、珪素
鋼板積層鉄心のように高透磁率のものが好ましい。
【0026】コイル14は、コア17に挿通され、昇温
部材12の内部に配置されている。また、コイル14は
巻線18を螺旋状に巻回して形成されており、巻線18
は表面に融着層と絶縁層を持つ通常の単一導線が用いら
れる。なお、コイル14の中には断熱層22が設けら
れ、昇温部材12やコイル14で生じた熱がコア17に
伝達されないようにしてある。
【0027】このような定着装置の基本的な動作は、ま
ず、電源回路から交流電力がコイル14に印加されて通
電すると、昇温部材12に周方向に沿う誘導電流を生じ
させる磁束がコア17に生成される。これにより、昇温
部材12は定着に適した温度(例えば、150〜200
℃)になるまで、低周波誘導によって加熱される。未定
着のトナー11を保持した用紙10は、図2中矢印bで
示すように右方向から搬送され、昇温部材12と加圧ロ
ーラ13との接触部であるニップ部19に向けて送り込
まれる。用紙10は、加熱された昇温部材12の熱と、
加圧ローラ13から作用する圧力が加えられながら、ニ
ップ部19で挟持されつつ搬送される。これにより、未
定着トナー11が用紙10上に定着される。トナー11
は、用紙10の両面のうち、搬送ベルト20と接触する
側に保持されている。ニップ部19を通過した用紙10
は、用紙自体のコシの強さで搬送ベルト20から自然に
分離し、図2中左方向に搬送される。この用紙10は、
排紙ローラによって搬送され、排紙トレイ129上に排
出される。
【0028】以上のように構成された誘導加熱定着装置
の動作原理はトランスと同様であり、コイル14が入力
側の1次側コイル(N巻き)に相当し、昇温部材12が
出力側の2次側コイル(1巻き)に相当する。そして、
1次側コイル(コイル14)に交流電圧V1を印加する
と、1次側コイルに電流I1が流れる。これにより生じ
た磁束φが閉磁路を形成するコア17に流れ、その磁束
φによって2次側コイル(昇温部材12)に誘導起電力
V2が生じ、昇温部材12の周方向に沿って電流I2が
流れる。コア17によって閉磁路が形成されているため
原理的には漏れ磁束がなく、1次側エネルギーV1×I
1と、2次側エネルギーV2×I2とがほぼ等しくな
る。
【0029】この誘導加熱が行われる系において発熱す
る部分は、一つ目は、1次側コイルの銅線内の銅損によ
るコイルの発熱すなわちコイル14自体の発熱、二つ目
に2次側コイルの銅線内の銅損によるコイルの発熱すな
わち昇温部材12の誘導加熱による発熱、三つ目にコア
内部に生じるジュール熱損とヒステリシス損によるコア
17の発熱である。誘導加熱定着装置は、上記一つ目と
三つ目の発熱がエネルギーロスとなるためこれらの発熱
を極力抑える一方、二つ目の銅損を利用して昇温部材1
2を発熱させるようにしたものである。
【0030】図4は、前記コイル14へ電力を供給する
ための回路構成を示す図面である。
【0031】図示するように、コイル14には、スイッ
チである第1SSR(ソリッドステートリレー)51〜
第4SSR54がブリッジ状に接続されており、この各
SSR51〜54のスイッチング動作によって電源50
からの交流が供給される。また、この回路には、電源5
0から出力される交流の電圧を検出する電圧検出手段7
が設けられている。なお、電源50は商用電源(例えば
交流100V、50Hz)からの電力がそのまま供給さ
れるようになっている。
【0032】各SSR51〜54は、CPU5からの制
御信号によりスイッチングされており、第1SSR51
と第4SSR54、第2SSR52と第3SSR53が
それぞれペアでスイッチングされる。このスイッチング
により、コイル14へ印加される電流の向きが反転す
る。ここで、SSRを用いたのは、コイルに供給する電
力として商用電源からの電力をそのまま用いているた
め、CPUや他の制御系などの電気系統に商用電源から
雑音が入るのを防止し、また、故障の場合などに、商用
電源からの電力が直接他の電気系統に入らないようにす
るためである。なお、SSRに代えて、例えばフォトカ
プラを用いるなど、誘導コイルの電気系統と他の電気系
統とを電気的に分離して制御できるものであれば、どの
様なものを用いても良い。
【0033】電圧検出手段7は、トランス2と、整流回
路3と、電圧レベル検出回路4からなり、電源50から
コイル14へ印加される交流の電圧を間接的に検出す
る。電源50からの交流(100V)は、トランス2に
よって5Vまで降圧され、複数のダイオードによって構
成される単相ブリッジ整流回路3により全波整流され
る。電圧レベル検出回路4は、電圧検出抵抗4aによっ
て設定されている電圧と整流後の電圧値とをオペアンプ
4bにより比較し、整流後の電圧値が一定値以上か否か
により、オン、オフ信号を出力する。ここでは、整流後
の電圧値が一定値以上のときオフ信号を出力し、一定値
未満のときオン信号を出力する。オペアンプ4bから出
力された信号はCPU5に入力される。
【0034】CPU5は、オペアンプ4bからのオン、
オフ信号のエッジを検出し、エッジが検出された時点
で、各SSR51〜54をスイッチングする。このスイ
ッチングは、例えば第1SSR51と第4SSR54が
オンで第2SSR52と第3SSR53がオフであれ
ば、エッジを検出した時点で、これを逆転して、第1S
SR51と第4SSR54をオフ、第2SSR52と第
3SSR53をオンにする。そして次のエッジ検出時点
で、これをまた逆転する。
【0035】図5は、図4に示した回路図中、a,cお
よびdポイントにおける電流波形と、bポイントにおけ
る信号波形を示す図面である。なお、横軸は時間であ
る。
【0036】ポイントaでは、全波整流後の電流が現れ
ている。
【0037】ポイントbでは、電圧検出抵抗4aの設定
値を50Hz交流の1周期が1/6周期となるような値
すると、ポイントaにおける交流電圧が、初めの0Vか
ら1/6周期となる電圧以上となった時点a1でオフと
なり、次に1/6周期となる電圧未満となった時点a2
でオンとなり、さらに次に1/6周期となる電圧以上と
なった時点a3でオフとなり、以降このような1/6周
期となる電圧以上か否かによりオン、オフの信号が繰り
返し現れる。
【0038】ポイントcでは、電源50の交流電流がそ
のまま現れる。
【0039】ポイントdでは、先程のオペアンプ4bか
らの出力信号を受けたCPU5によって各SSR51〜
54がスイッチングされ、1/6周期ごとに電流の向き
が反転した電流、すなわち、50Hzの3倍の周波数の
電流が現れている。そしてこのポイントdでの電流がコ
イル14へ印加される電力であり、したがって、コイル
14へは150Hzの交流が印加されることになる。
【0040】本実施形態における作用について説明す
る。
【0041】ここでは、まず、コア17に形成される磁
束密度とコイルに印加する交流の周波数の関係について
説明する。
【0042】コアに形成される磁束密度Bは、漏れ磁束
がないものとして理論的に求めると、下記(1)式の通
りとなる。
【0043】 B=V1/(4.44×f×N×S) …(1) ただし、V1はコイルへ印加する交流の電圧、fはコイ
ルへ印加する交流の周波数、Nはコイルの巻き線数、S
はコアの断面積である。
【0044】ここで周波数fをn倍すると磁束密度B´
は下記(2)式の通りとなる。
【0045】 B´=V1/(4.44×nf×N×S) …(2) ここで、磁束密度B´を前記(1)式におけるBと同じ
にした場合(B´=B)、コアの断面積Sは、下記
(3)式の通りとなる。
【0046】 S/n=B´×((4.44×f×N1)/V1) …(3) したがって、コアの断面積S1は、コイルに印加する交
流の周波数をn倍することで、1/nとなることが分か
る。
【0047】本実施形態では、周波数を商用電源の3倍
としているので、コアの断面積は、商用電源をそのまま
用いた場合と比較して、約1/3で済むことになり、こ
れにより、定着装置全体を小型化でき、また軽量化する
ことができるのである。
【0048】なお、本実施形態では、誘導加熱を行うコ
ア17などの入っている昇温部材12をほぼ矩形形状と
しているが、本発明はこのような形態に限定されるもの
ではなく、例えば図6に示すように、円筒形のローラと
しても良い。
【0049】この場合、ローラ112は、導電性部材に
よって形成されており、その内部にはコア17の一部
と、コア17に巻き回されたコイル14が設けられてい
て、このローラ112が誘導加熱される。ローラ112
は回転自在に支持されており、図示しない回転駆動手段
により回転する。また、その表面は用紙との分離性がよ
くなるように、フッ素樹脂をコーティングしてある。な
お、図6において、その他の構成部材は、図2に示した
もの同一であるので、同一符号を付し説明は省略する。
【0050】このようなローラ方式の誘導加熱定着装置
に本発明を適用することで、ローラ112内部に設置す
るコア17の断面積を小さくすることが可能となり、ロ
ーラ112自体の直径を小さくすることができるため、
ローラ表面の曲率が小さくなり、用紙の分離性がよくな
る。
【0051】また、上述した実施形態では、電源電圧を
検出することで複数のSSRをスイッチングしている
が、これに代えて電流量を検出しても同様に実施するこ
とができる。
【0052】さらに本発明は、複数のSSRをスイッチ
ングすることで、商用電源の周波数より高い周波数を得
るようにしているが、これは、エネルギーロスの発生を
少なくするためである。したがって、本発明の実施に
は、エネルギーロスが少ないものであればインバータな
どを用いてもよい。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
周波数変換手段により、誘導コイルへ印加する交流の周
波数を可変し、周波数を上げることができるので、コア
に形成される磁束密度が同じ場合、コアの断面積を小さ
くすることができる。したがって、定着装置全体の小
型、軽量化を図ることが可能となる。また、これによ
り、剛性の高い部材を使用しなくてもよいので、コスト
低減効果もある。さらに、コアの断面積を小さくするこ
とができることにより、ローラ方式の定着装置において
ローラの直径を小さくしてローラ表面の曲率を小さくで
きるので、記録媒体とローラとの分離性を良くすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る誘導加熱定着装置を設けた複写
機の概略図。
【図2】 上記誘導加熱定着装置を示す構成図。
【図3】 上記誘導加熱定着装置の要部を示す断面図。
【図4】 上記誘導加熱定着装置における電力供給回路
図。
【図5】 図4に示したポイントa,c,dにおける電
流波形と、ポイントbにおける信号波形を示す図。
【図6】 ローラ方式による誘導加熱定着装置を示す断
面図。
【符号の説明】
2…トランス、 3…単相ブリッジ整流回路、 4…電圧レベル検出回路、 5…CPU、 7…電圧検出手段、 12…昇温部材、 17…コア、 14…誘導コイル、 50…電源、 51…第1SSR、 52…第2SSR、 53…第3SSR、 54…第4SSR、 112…ローラ、 128…定着装置。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固定されもしくは移動する中空形状をな
    す導電性部材と、 前記導電性部材に、トナーを保持した記録媒体を直接的
    もしくは間接的に密着させる加圧部材と、 前記導電性部材内の中空部に一部が挿通され、閉磁路を
    形成する閉磁路鉄心と、 前記閉磁路鉄心に鎖交するように巻回され、前記導電性
    部材に周方向に沿う誘導電流を生じさせる磁束を生成す
    る誘導コイルと、 前記誘導コイルへ交流を供給する電源と、 前記電源から前記誘導コイルへ供給される交流の周波数
    を可変する周波数変換手段と、を有することを特徴とす
    る誘導加熱定着装置。
  2. 【請求項2】 前記周波数変換手段は、前記電源から前
    記誘導コイルへ供給される交流の電圧を検出する電圧検
    出手段を有し、該電圧検出手段が検出した電圧に応じ
    て、前記電源から前記誘導コイルへ供給される交流の周
    波数を可変することを特徴とする請求項1記載の誘導加
    熱定着装置。
  3. 【請求項3】 前記周波数変換手段は、前記電源から前
    記誘導コイルへ供給される交流の電流量を検出する電流
    検出手段を有し、該電流検出手段が検出した電流量に応
    じて、前記電源から前記誘導コイルへ供給される交流の
    周波数を可変することを特徴とする請求項1記載の誘導
    加熱定着装置。
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