JP2001235962A

JP2001235962A - 定着装置

Info

Publication number: JP2001235962A
Application number: JP2000044392A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Sakagami; 裕介坂上
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-08-31
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP3750717B2

Abstract

(57)【要約】【課題】加熱効率を高め、記録紙の幅に応じて効率的
に加熱し、記録紙が通紙する部分の定着ローラの温度制
御の安定性を高める。【解決手段】定着ローラ１、加圧ローラ２、定着ロー
ラ１に対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル３、
定着ローラの温度を検出する温度検出手段８、及びコイ
ルに交流電流を流し該交流電流を検出温度に基づき制御
することにより定着ローラの温度を制御する制御手段を
備えた誘導加熱定着装置において、コイル３は、定着ロ
ーラ１の軸方向に複数のコイルに分割して配置し、定着
ローラとの磁気的結合による加熱効率が極大になるよう
に複数のコイルの接続を順方向接続又は交互方向接続に
設定して、さらに、制御手段は、記録紙の幅に応じて複
数のコイルに流す電流を制御する。誘導加熱により早く
定着ローラを加熱することができ、電源を投入してから
の印刷時間の短縮を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリンタの定着装
置、特に電子写真方式のプリンタの定着装置に関し、さ
らにインクジェットプリンタの溶媒を乾燥させる定着装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８はハロゲンランプを加熱源にした従
来の定着装置の例を示す図であり、２１は定着ローラ、
２２は加圧ローラ、２３はハロゲンランプ、２４はトナ
ー像、２５は記録紙、２７はバネ、２８は温度検出手段
を示す。

【０００３】プリンタの定着装置には、ハロゲンランプ
を加熱源にしたものや電磁誘導加熱装置を熱源としたも
のがある。ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装
置は、図８に示すように中空状の定着ローラ２１の中心
に略円筒状のハロゲンランプ２３が配置され、電流を流
すことによってハロゲンランプ２３から赤外線を主体と
した電磁波が放射され、定着ローラ２１の内側に到達し
熱に変わる。その熱は、定着ローラ２１の外側に伝達さ
れ、定着ローラ２１と加圧ローラ２２との挟まれたマー
キング材（トナー像２４）を持つ記録紙２５をバネ２７
により加圧しながら加熱し、マーキング材２４を定着す
る。温度検出手段２８により定着ローラ２１の外側の温
度を検出し、制御回路によりその検出温度に基づきハロ
ゲンランプ２３の電流を制御して、定着ローラ２１の温
度を制御する。

【０００４】定着ローラ２１は、通常鉄系又はアルミニ
ウム系のパイプ状芯金に、表面にはマーキング材のオフ
セットを防止するための離型層が施される。必要に応じ
て弾性層（シリコンゴムなど）がパイプ状芯金の外周に
形成される。その場合には、記録紙２５の凹凸に対して
も適切な圧力でトナー像を記録紙２５に加圧できるの
で、定着後の画像は均一にトナーが溶融され良好な画質
が得られる。しかし弾性層が通常熱伝導率が芯金の金属
に比べて劣るため、定着ローラ２１の表面の温度が所定
の温度になるまでの時間がかかり、しかも熱応答性が悪
くなる。この定着ローラ２１は、両端部を軸受けで構造
体に回転支持する。

【０００５】加圧ローラ２２は、鉄、ステンレス、アル
ミニウムなどの芯金にシリコンゴムなどの弾性層を外周
に設ける。両面印刷の場合には、加圧ローラ２２にも離
型層を設ける。定着ローラ２１と加圧ローラ２２は、バ
ネ２７によってニップ荷重が与えられてニップを形成す
る。

【０００６】一方、電磁誘導加熱装置を熱源とした従来
のプリンタの定着装置には、例えば定着ローラの内部に
加熱コイルを配置した定着装置（特開平８−１７９６４
７号公報、特開平９−１６０４１３号公報参照）や、定
着ローラの内部に閉磁路のコアを通して、加熱コイルを
定着ローラの外側に配置した定着装置（特開平８−１２
９３１５号公報参照）などがある。さらには、複数のコ
イルを巻き隣接するコイルと逆方向に磁界を与える定着
装置（特開平８−６３０２２号公報参照）がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、定着ローラの
内部に加熱コイルを配置した定着装置（特開平８−１７
９６４７号公報）の場合には、中空の定着ローラの中心
部にコイルが配置され、コイルによって生じる磁束は、
コイルの中心部から定着ローラに沿って流れるため、そ
の磁路は、定着ローラの長さとコイルの長さを加えた長
さに相当し、長くなってしまう。そのため、磁気抵抗が
大きくなり、磁束密度は低下してしまう。渦電流の発生
は、磁束密度の２乗に比例するために、誘導加熱の効率
が低下するという課題があった。

【０００８】定着ローラの内部に加熱コイルを配置した
他の定着装置（特開平９−１６０４１３号公報）の場合
には、中空の定着ローラの中心部にボビンとそれに巻か
れたコイルが配置され、コイルによって生じる磁束は、
コイル中心部から定着ローラに沿って流れるため、上記
の場合と同様な構造になっており、同様な課題を抱えて
いる。

【０００９】加熱コイルを定着ローラの外側に配置した
定着装置（特開平８−１２９３１５号公報参照）の場合
には、定着ローラとコアとが磁気ギャップを持って磁気
回路を構成し、定着ローラに沿って流れるため、その磁
路は、定着ローラの長さとコアの長さを加えた長さに相
当し、長くなってしまう。

【００１０】隣接するコイルで逆方向に磁界を与える定
着装置（特開平８−６３０２２号公報参照）の場合に
は、単に隣接するコイルが逆方向の磁界が形成されるよ
うに接続するケースに限定され、しかも接続の違いが定
量的に把握できない。

【００１１】また、定着フイルムの中に複数のコアとコ
イルを配置して、記録紙幅に応じてコイルを使い分けす
る定着装置（特開平８−１６００５号公報参照）も提案
されているが、高周波電流の駆動回路や制御回路につい
ては内容が明らかでない。複数のコイルに交流電流を流
すには、コイルのインダクタンス、抵抗に応じて共振イ
ンバータのコンデンサを選んでやる必要があり、コイル
毎に共振インバータを備えることになるため、コスト的
に高価になってしまうという課題があった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、加熱効率を高め、記録紙の幅に応
じた効率的に加熱し、記録紙が通紙する部分の定着ロー
ラの温度制御の安定性を高めるものである。

【００１３】そのために本発明は、定着ローラ、加圧ロ
ーラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加
熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検
出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を
前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ロー
ラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置
において、前記コイルは、前記定着ローラの軸方向に複
数のコイルに分割して配置し、前記定着ローラとの磁気
的結合による加熱効率が極大になるように前記複数のコ
イルの接続を順方向接続又は交互方向接続に設定し、さ
らに、前記制御手段は、記録紙の幅に応じて前記複数の
コイルに流す電流を制御することを特徴とするものであ
る。

【００１４】また、前記コイルは、リッツ線を渦巻き状
に巻いたものであり、前記コイルは、導電性金属箔を渦
巻き状に成形し、絶縁シートを貼り合わせ、多層に積層
したものであり、前記制御手段は、１石電圧共振型イン
バータを有することを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る定着装置の
実施の形態を示す図であり、１は定着ローラ、２は加圧
ローラ、３はコイル、４はトナー像、５は記録紙、６は
磁束、７はバネ、８は温度検出手段を示す。

【００１６】図１において、定着ローラ１は、導電性で
熱容量の小さい加熱層と離型層から構成され、必要に応
じて離型層の下に数１０μｍ〜数１００μｍ程度の厚さ
の弾性層が配設される。加熱層には、コイル１からの交
流磁界によって渦電流が効率的に発生するために、導電
性が必要である。離型層は、溶融したトナーが定着ロー
ラ１から剥離し易くするために設けるものであり、オフ
セット防止が目的である。離型層の材質としては、フッ
素樹脂（ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＰＥＰ）、シリコン樹脂、
フッ素ゴム、シリコンゴムなどが適しており、その厚さ
は、数１０μｍ〜数１００μｍが望ましい。数１０μｍ
以下になると記録紙との摩耗でなくなったしまい、数１
００μｍ以上になると熱伝導率が低下して加熱層からの
熱が効率的に伝達できなくなる。定着ローラ１は、両端
にフランジがあって軸受けで回転可能に支持され、モー
タからの回転トルクが歯車やベルトなどによって伝達さ
れて一定の角速度で回転する。

【００１７】定着ローラ１に弾性層がある場合には、記
録紙５の凹凸に対してもトナーに十分なニップ圧力が与
えられ、定着後の画像がムラなく仕上げられる。しか
し、弾性層は、熱伝導率が低いシリコンゴムやフッ素ゴ
ムなどが利用されるため、定着ローラ１の加熱立ち上が
り時間を長くする傾向がある。

【００１８】加圧ローラ２は、芯金、弾性層から構成さ
れ、さらに両面印刷用の場合には離型層が表面に形成さ
れ、バネ７によって定着ローラ１とニップを形成する。
芯金は、炭素鋼、ステンレスなど、強度を有している材
料が適し、両端部が軸受けで回転可能に支持され、軸受
けを介してバネ７でニップ荷重を与え、通常定着ローラ
１との摩擦で従動する。

【００１９】トナー像４が転写された記録紙５は、この
ニップに入って回転しながらニップ荷重を受け、同時に
定着ローラ１から加熱される。トナー像４は、この加熱
によって記録紙５の上で溶融し、ニップから出ると冷却
されてトナー像４が記録紙５に定着される。トナー像４
が記録紙５に定着されるかは、定着温度、記録紙の搬送
速度、ニップ幅、ニップ圧力及びトナーの性質に依存す
る。

【００２０】定着ローラ１と加圧ローラ２との間で形成
するニップ荷重が大きいとニップ幅が広くなり、ニップ
荷重が小さいとニップ幅が狭くなる。ニップ幅は、定着
時間を決める重要なパラメータであり、電子写真のプロ
セス速度やトナーの熱的な性質との関係で決められる。
ニップ幅が広くなると定着時間が長くなり、ニップ幅が
狭くなると定着時間が短くなる。ただし、定着時間を長
く取ろうとしてニップ荷重を大きくすると、回転トルク
も大きくなる傾向があり、そうなるとモータが大きくな
るので制約もある。

【００２１】コイル３は、定着ローラ１の外周に一定ギ
ャップを維持しながら交流電流を流して交流磁界を発生
させることにより定着ローラ１を加熱するものである。
コイル３は、高周波電流が流れるため表面抵抗を小さく
してコイルの損失を小さくする必要がある。そのため、
絶縁被覆した銅線を複数本束ねて撚ったリッツ線を用い
る。例えば直径φ＝０．５ｍｍの絶縁被覆した銅線を８
本撚りにして使用して後述する図４に示すような一体コ
イルと分割コイルを巻いた。

【００２２】温度検出手段８は、定着ローラ１の表面に
接触して又は一定の距離を持って保持され、温度を検出
して制御回路／駆動回路へ信号を伝達する。制御指示温
度に対して定着ローラ１の温度が低い場合、制御回路
は、コイル３に流す交流電流を大きくすることにより、
誘導加熱を強めて定着ローラ１の温度を上げる。逆に制
御指示温度に対して定着ローラ１の温度が低い場合、制
御回路は、コイル３に流す交流電流を小さくすることに
より、誘導加熱を弱めて定着ローラ１の温度を下げる。
こうして定着ローラ１の温度はほぼ一定に保たれる。

【００２３】次に、誘導加熱定着装置の加熱効率ηにつ
いて説明する。図２は加熱効率を説明するための図であ
る。コイルと被加熱体（定着ローラ）が磁気結合してい
る状態の等価回路は図２（ａ）のように表すことができ
る。この回路方程式は、

【００２４】

【数１】

【００２５】

【数２】

【００２６】〔数１〕、〔数２〕の式より高周波電源か
ら見たインピーダンスＺ₃は、

【００２７】

【数３】

【００２８】〔数３〕の式の右辺第１項は加熱コイルの
抵抗値、第２項は被加熱体の抵抗値となるので、図２
（ａ）の等価回路は、図２（ｂ）に示す等価回路に書き
換えられる。ここで、Ｒ₃＝Ｒ₁＋｛τκ²／（Ａ＋τ
²）｝Ｌ₁とすれば、入力電力はＰ₀＝Ｉ₁×Ｒ₃とな
り、被加熱体で消費される電力は、Ｐ₁＝Ｉ₁×（Ｒ₃
−Ｒ₁）と表されるので、加熱効率ηは、次の〔数４〕
の式となる。

【００２９】

【数４】

【００３０】ここで、Ｒ₁は加熱コイル単体の抵抗値、
Ｒ₃は被加熱体を磁気結合させたときの加熱コイル抵抗
値となる。すなわち、コイル単体の抵抗Ｒ₁を測定し、
定着ローラにコイルを配置してコイルの抵抗Ｒ₃を測定
して〔数４〕の式に従って計算すると、加熱効率ηが算
出される。この加熱効率ηは測定する周波数によって変
わる。

【００３１】図３は積層コイルを説明するための図、図
４はコイルの形態を説明するための図、図５は分割コイ
ルの接続形態を説明するための図である。コイル３とし
ては、リッツ線の他にも、積層したシート状のコイルを
用いることも可能である。例えば図３（ａ）に示すよう
にポリイミドなどの絶縁層３３の上に渦巻き状導体３１
を形成して、両端に接続パッド３２を設ける。渦巻き状
導体３１は、銅箔をエッチングして作るか、プレスで成
形して作る。こうしてできたシート状コイルを８層積層
した例を示したのが図３（ｂ）である。導体の表面積
は、１層のシート状コイルに比べて８倍となるため、表
面抵抗もその分だけ小さくすることができる。

【００３２】コイルは、図４に示すように巻き数を同じ
にした一体コイル、分割コイル（順方向接続）、分割コ
イル（交互方向接続）などの形態を採用することができ
る。それぞれＬＣＲメータでインダクタンスＬと抵抗Ｒ
を１０ｋＨｚで測定し、加熱効率η（％）を算出し、そ
の比較例を示したのが次の〔表１〕である。インダクタ
ンスＬ３、抵抗Ｒ３は定着ローラ上で測定した値であ
り、コイルと定着ローラのギャップは、全ての場合につ
いて２．５ｍｍ一定にしてある。分割コイルの数は、５
つである。

【００３３】

【表１】

【００３４】上記の例において、加熱効率ηについて
は、分割コイル（交互方向接続）が最も高い結果となっ
た。すなわち、加熱効率を極大にする接続方法は、この
場合、図５（ｂ）に示すように分割された５つのコイル
を交互に接続して高周波電流を流すことである。

【００３５】分割コイルで順方向接続の場合と交互方向
接続の場合の磁束の流れの違いを図５に示しているが、
順方向接続の場合には、磁気回路が細かく分割され磁路
長が長くなっている。それに対して交互方向接続の場合
には、磁気回路が大きく形成され磁路長が短くなってい
る。その結果が加熱効率ηの違いに現れている。

【００３６】勿論、この例の５つのコイルに限定するこ
とはなく、複雑な形状のコイルを複数巻いたり、互いに
重ね合わせたりしてどのように接続していいかわからな
い場合でも、この加熱効率ηを用いることによって最適
な接続方法を定量的に見つけ出すことができる。

【００３７】次に、コイル駆動回路、接続切り換え回路
について説明する。図６はコイルの切り換えに応じて回
路抵抗を切り換えるコイル駆動回路の構成例を示す図、
図７はコイルの接続切り換え回路の構成例を示す図であ
る。

【００３８】まず、記録紙の幅が異なる場合について説
明する。Ａ３及びＢ４サイズの記録紙を縦方向に印刷す
るには、幅方向７０ｍｍの５つのコイルを定着ローラの
軸方向に配置する。Ａ３サイズの時には５つのコイル全
てに高周波電流を流して加熱し、Ｂ４サイズの時には４
つのコイルに高周波電流を流して加熱する。この場合、
コイルのインダクタンス、抵抗が変わってしまうため、
高周波電流の駆動回路は、図６に示すように４つ分のコ
イル１０５と残り１つのコイル１０６、共振コンデンサ
１０７、１０８、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子１０
９、１１０、スイッチング素子のゲートドライバ１１
２、１１３をそれぞれ２つずつ持って、記録紙の幅に応
じて選択する。交流の商用電源１０１を整流回路１０２
で整流してインダクタ１０３とコンデンサ１０４で平滑
化して直流電力を供給する。比較器１１１は、スイッチ
ング素子１０９と１１０の電圧がゼロ付近を検出して信
号を送り、それを受けてタイミング回路１１４がゲート
ドライバ回路１１２、１１３にオン／オフのタイミング
信号を与えて共振インバータを制御しコイルから交流磁
界が発生する。この交流磁界によって定着ローラ表面近
傍に渦電流が発生してジュール熱に変わって定着ローラ
を加熱する。記録紙がＡ３サイズの場合には、５つのコ
イル全てにより加熱されるので、定着ローラのほぼ全体
が加熱され、記録紙がＢ４サイズの場合には、４つのコ
イルにより加熱されるので、定着ローラのほぼ４／５が
加熱されることになる。そのため、Ｂ４サイズの場合で
も、記録紙が通紙されないところでも温度が上昇しすぎ
ることは回避される。

【００３９】分割コイルの順方向接続、交互方向接続、
記録紙サイズに応じた駆動コイルの接続切り換えを行う
回路は、例えば図７に示すように構成することができ
る。図７において、切り換えスイッチＳ１が分割コイル
の順方向接続、交互方向接続の切り換えを行うスイッチ
であり、「順」側に切り換えると、５つのコイルが順方
向接続になり、「逆」側に切り換えると、５つのコイル
が交互方向接続になる。また、切り換えスイッチＳ２
は、分割コイルの記録紙サイズに応じた接続切り換えを
行うスイッチであり、「大」側に切り換えると、５つの
コイルによる加熱回路になり、「小」側に切り換える
と、図示最下段のコイルが切り離されて４つのコイルに
よる加熱回路になる。さらに、両側のコイルを切り離す
場合には、切り換えスイッチＳ２と同様に切り換えスイ
ッチＳ３を設け、接続するコイル数の変更に伴って共振
回路の共振条件を切り換える場合には、例えば共振回路
を構成するコンデンサＣ１、Ｃ２の切り換えを行えばよ
い。

【００４０】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、定着ローラの軸方向に分割して並べ
て配置した複数のコイルを順方向接続又は交互方向接続
に設定して加熱効率が極大になるようしたが、分割した
複数のコイルは、重ね合わせにして配置した場合であっ
てもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、定着ローラ、加圧ローラ、定着ローラに対し
て交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、定着ローラの
温度を検出する温度検出手段、及びコイルに交流電流を
流し該交流電流を検出温度に基づき制御することにより
定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱
定着装置において、コイルは、定着ローラの軸方向に複
数のコイルに分割して配置し、定着ローラとの磁気的結
合による加熱効率が極大になるように複数のコイルの接
続を順方向接続又は交互方向接続に設定して、さらに、
制御手段は、記録紙の幅に応じて複数のコイルに流す電
流を制御するので、誘導加熱により早く定着ローラを加
熱することができ、印刷装置に利用することにより、電
源を投入してからの印刷時間の短縮を図ることができ
る。また、より少ない電力で定着ローラの温度を一定に
維持することができ、省エネが達成できる。さらに、記
録紙の幅に応じてコイルとその駆動回路を選択してやる
ことにより、記録紙が通紙しない部分の過昇温防止が可
能になり、その結果として、記録紙が通紙する部分の定
着ローラの温度制御の安定性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る定着装置の実施の形態を示す図
である。

【図２】加熱効率を説明するための図である。

【図３】積層コイルを説明するための図である。

【図４】コイルの形態を説明するための図である。

【図５】分割コイルの接続形態を説明するための図で
ある。

【図６】コイルの切り換えに応じて回路抵抗を切り換
えるコイル駆動回路の構成例を示す図である。

【図７】コイルの接続切り換え回路の構成例を示す図
である。

【図８】ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装
置の例を示す図である。

【符号の説明】

１…定着ローラ、２…加圧ローラ、３…コイル、４…ト
ナー像、５…記録紙、６…磁束、７…バネ、８…温度検
出手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ロー
ラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記
定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コ
イルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づ
き制御することにより前記定着ローラの温度を制御する
制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記コイ
ルは、前記定着ローラの軸方向に複数のコイルに分割し
て配置し、前記定着ローラとの磁気的結合による加熱効
率が極大になるように前記複数のコイルの接続を順方向
接続又は交互方向接続に設定することを特徴とする定着
装置。
【請求項２】定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ロー
ラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記
定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コ
イルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づ
き制御することにより前記定着ローラの温度を制御する
制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記コイ
ルは、前記定着ローラの軸方向に複数のコイルに分割し
て配置し、前記定着ローラとの磁気的結合による加熱効
率が極大になるように前記複数のコイルの接続を順方向
接続又は交互方向接続に設定し、前記制御手段は、記録
紙の幅に応じて前記複数のコイルに流す電流を制御する
ことを特徴とする定着装置。
【請求項３】前記コイルは、リッツ線を渦巻き状に巻
いたものであることを特徴とする請求項１又は２記載の
定着装置。
【請求項４】前記コイルは、導電性金属箔を渦巻き状
に成形し、絶縁シートを貼り合わせ、多層に積層したも
のであることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装
置。
【請求項５】前記制御手段は、１石電圧共振型インバ
ータを有することを特徴とする請求項１又は２記載の定
着装置。