JP2002334774A

JP2002334774A - 誘導加熱ローラ装置、定着装置および画像形成装置

Info

Publication number: JP2002334774A
Application number: JP2001137813A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Yokozeki; 一郎横関; Shiro Ezaki; 史郎江崎
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2002-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】より一層加熱性能に優れ、製造が容易で、また
はコストが低い誘導加熱ローラ装置、これを備えた定着
装置および画像形成装置を提供する。【解決手段】１００ｋＨｚ以上の高周波を出力する高周
波電源ＨＦＳと、高周波電源ＨＦＳの高周波出力により
付勢される誘導コイルＩＣと、表皮深さ以下の厚みを有
する導体層５を備え、導体層５が誘導コイルＩＣに空芯
トランス結合して周回方向に流れる２次電流により発熱
する加熱ローラＨＲとを具備している。加熱ローラＨＲ
の導体層５は、フィルム状であってもよい。誘導コイル
への給電開始から所定時間の間加熱ローラを通常運転時
の回転数より低い回転数で回転させる制御回路を具備す
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、誘導加熱ローラ装
置、これを備えた定着装置および画像形成装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】トナー画像を熱定着するために、従来か
らハロゲン電球を熱源として用いた加熱ローラが用いら
れているが、効率が悪く、大電力を必要とする不具合が
ある。そこで、誘導加熱方式を導入してこの問題を解決
しようと開発が行われている。

【０００３】特開２０００−２１５９７４号公報には、
被加熱体に近接して配設され、被加熱体であるところの
磁性体製の加熱ローラに誘導電流を生じさせる励磁コイ
ルであって、コイル線材を平面的に巻いたものを被加熱
体の曲面に沿わせて変形してあり、励磁コイルの長手方
向両端部の被加熱体とは反対側に励磁コイルの曲面に沿
うように磁性体コアが配設されている励磁コイルが記載
されている。（従来技術１）また、特開２０００−２１５９７１号公報には、電磁誘
導発熱性の加熱回転体すなわち加熱ローラと、加熱回転
体の内側に配置された磁束発生手段を有し、磁束発生手
段から発生させた高周波誘導磁束により加熱回転体を電
磁誘導発熱させて被加熱体を加熱する誘導加熱装置であ
って、磁束発生手段は、磁性体からなるコアと、コアに
巻線した電磁変換コイルを有し、磁性体コアは、電磁変
換コイルを巻線したコア部分と、コア部分より加熱回転
体の一部分に磁束を集中させるための、先端部間に磁気
空間ギャップを存して対向させた磁束誘導コア部分を有
する構造が記載されている。（従来技術２）従来技術１および２は、いずれも渦電流損を利用する加
熱方式（以下、「渦電流損方式」という。）であり、Ｉ
Ｈジャーなどにおいて実用化されているのと同様な動作
原理である。なお、渦電流損方式において用いられてい
る高周波の周波数は、２０〜１００ｋＨｚ程度である。

【０００４】これに対して、特開昭５９−３３７８７号
公報には、導電部材で構成した円筒状ローラ本体すなわ
ち加熱ローラと、ローラ本体内に同心状に配置した円筒
状ボビンと、ボビンの外周に螺旋状に巻装して通電によ
りローラ本体内に誘導電流を誘起させて加熱する誘導コ
イルとを備えた高周波誘導加熱ローラが記載されてい
る。（従来技術３）従来技術３においては、円筒状ローラ本体が閉回路の２
次コイルとなり、誘導コイルが１次コイルとなって、両
者の間にトランス結合が生じて、円筒状ローラ本体の２
次コイルに２次電圧が誘起される。そして、この２次電
圧に基づいて２次コイルの閉回路内を２次電流が流れる
ことにより、円筒状ローラ本体が発熱する２次側抵抗の
発熱による加熱方式（以下、「トランス方式」という。）
である。トランス方式は、渦電流損方式より磁気的結合
が強いために定常効率が高いとともに、加熱ローラ全体
を加熱できるので、従来技術１および２に比較して定着
装置の構造が簡単になるという利点がある。また、加え
て動作周波数を１００ｋＨｚ以上、好適には１ＭＨｚ以
上の高周波にすることによって、誘導コイルのＱを大き
くして電力伝達効率を高くすることができる。このた
め、加熱の総合効率が高くなり、省電力を図ることがで
きる。また、渦電流損方式に比較して定着装置の構造が
簡単になるという利点もある。さらに、渦電流損方式の
加熱ローラより熱容量をかなり小さくすることができ
る。したがって、トランス方式は、熱定着の高速化に甚
だ好適である。

【０００５】本発明者らは、先に誘導コイルに空芯トラ
ンス結合する回転可能に支持される中空構造からなる加
熱ローラの２次側抵抗値を２次リアクタンスにほぼ等し
い閉回路に形成することにより、誘導コイルから加熱ロ
ーラへの電力伝達効率が高くなり、加熱ローラを効率よ
く加熱できる発明をなした。この発明は、特願２００１
−０１６３３５号として本件出願人により出願されてい
る。この発明により加熱ローラの誘導加熱の省電力を図
るとともに、熱定着を高速化することが容易になった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、より一層加熱
性能に優れ、製造が容易で、コストが低い加熱ローラ装
置に対する市場の要求がある。

【０００７】本発明は、本発明者らがなした先願発明の
概念を基調としながら、より一層加熱性能に優れ、製造
が容易で、またはコストが低い誘導加熱ローラ装置、こ
れを備えた定着装置および画像形成装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を達成するための手段】請求項１の発明の誘導加
熱ローラ装置は、１００ｋＨｚ以上の高周波を出力する
高周波電源と；高周波電源の高周波出力により付勢され
る誘導コイルと；表皮深さ以下の厚みを有する導体層を
備え、導体層が誘導コイルに空芯トランス結合して周回
方向に流れる２次電流により発熱する加熱ローラと；を
具備していることを特徴としている。

【０００９】本発明および以下の各発明において、特に
指定しない限り用語の定義および技術的意味は次によ
る。

【００１０】＜高周波電源について＞高周波電源は、１
００ｋＨｚ以上の高周波を出力するように構成されてい
る。導誘コイルのＱを大きくして電力伝達効率を高くす
るためには、１００ｋＨｚ以上の高周波にする必要があ
る。電力伝達効率が高くなると、加熱の総合効率が高く
なり、省電力を図ることができる。なお、好適には１〜
４ＭＨｚである。

【００１１】また、高周波を発生させるには、直流また
は低周波交流を直接または間接的に能動素子を用いて高
周波に変換するのが実際的である。低周波交流から高周
波電力を得るには、いったん低周波交流を整流手段を用
いて直流に変換するのがよい。直流は、平滑回路を用い
て形成した平滑化直流でもよいし、非平滑直流であって
もよい。直流を高周波に変換するには、増幅器およびイ
ンバータなどの回路要素を用いることができる。増幅器
としては、たとえば電力変換効率の高いＥ級増幅器など
を用いることができる。また、ハーフブリッジ形インバ
ータなどを用いることができる。さらに、能動素子とし
ては、高周波特性に優れているMOSFETが好適である。複
数の高周波電源回路を並列的に接続して、各高周波電源
回路の高周波出力を合成してから誘導コイルに印加する
ように構成することができる。これにより、所望の電力
でありながら各高周波電源回路の出力を小さくてよいか
ら、能動素子にMOSFETを用いて、廉価に効率よく高周波
を発生することができる。

【００１２】さらに、高周波電源を可制御に構成するこ
とにより、加熱ローラに伝達される電力を制御すること
が可能になる。このため、たとえば起動時の投入電力を
通常運転時のそれより大きくして、急速加熱を行なうこ
とができる。

【００１３】＜誘導コイルについて＞誘導コイルは、高
周波電源によって付勢すなわち励磁されるとともに、後
述する加熱ローラに高周波磁界を作用させる手段であ
る。そして、誘導コイルを中空の加熱ローラの内部に挿
入し、トランスの１次コイルとして機能させて、加熱ロ
ーラの２次コイルとの間で空芯トランス結合を行なうよ
うに構成する。なお、誘導コイルは、回転する加熱コイ
ルに対して静止していてもよいし、加熱ローラと一緒
に、または別に回転してもよい。なお、回転する場合に
は、交流電源と誘導コイルとの間に回転集電機構を介在
すればよい。また、「空芯トランス結合」とは、完全な
空芯のトランス結合だけでなく、実質的に空芯とみなせ
るトランス結合の場合を含む意味である。たとえば、誘
導コイルの内部に磁性体を有していない構成である。

【００１４】また、誘導コイルは、これを所定の形状に
維持するために、誘電体損失のなるべく少ない材料を用
いて製作したコイルボビンを備えていることができる。
コイルボビンには、整列巻のための巻溝や給電リード線
を収納する軸方向の溝を形成することができる。しか
し、コイルボビンに代えて合成樹脂やガラス質材により
誘導コイルを直接成形ないし接着することによって、所
定形状に維持するように構成することもできる。さらに
また、誘導コイルは、それ自身が単一または複数である
ことを許容する。単一の場合には、加熱ローラのほぼ中
央位置に位置するように配設することができる。複数の
１次コイルを用いる場合には、それらを加熱コイルの軸
方向に分散して配設することができる。そして、各１次
コイルを交流電源に対して給電リード線を介して並列接
続することができる。

【００１５】さらに、誘導コイルに対して高周波電源か
ら高周波を給電するための給電リード線は、誘導コイル
の内面または外面に接近した位置に配置するのがよい。
給電リード線を誘導コイルの内部に通線する場合、給電
リード線が誘導コイルの中心軸に近いと、給電リード線
と鎖交する磁束が多くなるために、内部に渦流損が生じ
て電力伝達効率が低下するので、好ましくない。これに
対して、上記のように構成することにより、給電リード
線と鎖交する磁束が少なくなるので、電力伝達効率の低
下が相対的に抑制される。

【００１６】＜加熱ローラについて＞加熱ローラは、少
なくとも以下に規定する導体層を備えているものとし、
所望によりローラ基体、熱拡散層および保護層などを選
択的に備えることができる。

【００１７】（導体層について）導体層は、その厚みが
表皮深さ以下でなければならない。なお、「表皮深さ」と
は、電磁界の強さが導体表面における値の１／ｅに減衰
する表面からの垂直方向の距離をいい、表皮深さをδと
すると、下式により定まる。

【００１８】δ＝√（２／ωμσ）ただし、ωは高周波の角周波数（２πｆ：ｆは周波
数）、μは導体の透磁率、σは導体の導電率である。

【００１９】周知のように、周波数が低いときには、電
流は導体内を一様に流れるが、周波数が高くなると、導
体の深い部分を流れる電流は０になる。これを表皮効果
という。要するに、表面からｄの深さを流れる電流密度
は表面の電流密度に比べてｅ ^−ｄ／δに減衰する。した
がって、抵抗はｅ^ｄ／δ倍に増加する。

【００２０】本発明においては、導体層の厚みが表皮深
さ以下であるから、空芯トランス結合により誘起される
２次電流が導体層の厚さ方向の実質的な全体にわたり流
れる。換言すれば、厚さ方向に高周波電流が実質的に流
れない無駄な領域がないので、導体層の後述する２次側
抵抗値を所望値に設定しやすくなる。

【００２１】次に、導体層の２次側抵抗値について説明
する。導体層は、加熱ローラの周回方向に閉回路状態の
２次コイルを形成する。そして、導体層すなわち２次コ
イルが１次コイルとして作用する誘導コイルと空芯トラ
ンス結合する。このような関係において、閉回路の２次
側抵抗値が２次コイルすなわち導体層の２次リアクタン
スとほぼ等しい値を有しているのが好ましい。なお、２
次側抵抗値と２次リアクタンスとが「ほぼ等しい」と
は、２次側抵抗値をＲａとし、２次リアクタンスをＸａ
とし、かつ、α＝Ｒａ／Ｘａとしたとき、下式を満足す
る範囲とすることができる。なお、２次側抵抗値は、測
定により求めることが可能である。２次リアクタンス
は、計算により求めることが可能である。

【００２２】０．２５＜α＜４また、導体層は、所望の２次側抵抗値を得るために、以
下の材料および製造方法を採用することができる。厚膜
形成法（塗布＋焼成）により形成する場合には、Ａｇ、
Ａｇ＋Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、ＲｕＯ_２およびＣからなるグ
ループから選択した材料を用いるのがよい。塗布方法と
しては、スクリーン印刷法、ロールコーター法およびス
プレー法などを用いることができる。これに対して、め
っき、蒸着またはスパッタリング法により形成する場合
には、Ａｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕ＋（Ａｕ、Ａｇ）の
グループから選択した材料を用いるのがよい。

【００２３】また、加熱ローラの導体層は、軸方向に単
一または複数配設することができる。複数の２次コイル
を配設する場合、それらを加熱ローラの軸方向に分散し
て配設する。

【００２４】（ローラ基体について）導体層を支持する
ために、絶縁性物質からなるローラ基体を用いることが
できる。この場合、導体層は、ローラ基体の外面、内面
またはローラ基体の内部に位置するように配設すること
ができる。絶縁性のローラ基体は、セラミックスまたは
ガラスを用いて形成することができる。そして、ローラ
基体の耐熱性、耐衝撃性および機械的強度などを考慮し
て以下の材料を用いることができる。セラミックスとし
ては、たとえばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム
および窒化ケイ素などである。ガラスとしては、たとえ
ば結晶化ガラス、石英ガラスおよびパイレックス（登録
商標）などである。

【００２５】（熱拡散層について）熱拡散層は、加熱ロ
ーラの軸方向における温度の均整度を向上するための手
段として、必要に応じて導体層の上側に配設することが
できる。このために、熱拡散層は、加熱ローラの軸方向
への熱伝導が良好な物質を用いるのがよい。熱伝導率の
高い物質は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＰｔなど導
電率の高い金属に多く見られる。しかし、熱拡散層は、
導体層の材料に対して同等以上の熱伝導率を有していれ
ばよい。したがって、熱拡散層は、導体層と同一材料で
あってもよい。

【００２６】また、熱拡散層が導電性物質からなる場
合、導体層と導電的に接触していてもよいが、絶縁膜を
介して配設することにより、ノイズ放射を遮断する作用
をも奏する。なお、高周波磁界は、熱拡散層まで作用し
ないので、熱拡散層には発熱に寄与するほどの２次電流
は誘起されない。

【００２７】（保護層について）保護層は、加熱ローラ
の機械的保護および電気絶縁、あるいは弾性接触性また
はトナー離れ性向上のために、必要に応じて配設するこ
とができる。前者のための保護層の構成材料としては、
ガラスを、また後者のための保護層の構成材料としては
合成樹脂を、それぞれ用いることができる。ガラスとし
ては、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラ
ス、ホウケイ酸系ガラスおよびアルミノシリケート系ガ
ラスからなるグループの中から選択して用いることがで
きる。また、後者としては、シリコーン樹脂、フッ素樹
脂、ポリイミド樹脂＋フッ素樹脂およびポリアミド＋フ
ッ素樹脂からなるグループの中から選択して用いること
ができる。なお、ポリイミド樹脂＋フッ素樹脂およびポ
リアミド＋フッ素樹脂の場合、フッ素樹脂が外側に配設
される。

【００２８】（加熱ローラのその他の構成について）１加熱ローラの形状について所望により加熱ローラにクラウンを形成することができ
る。クラウンとしては、鼓形および樽形のいずれであっ
てもよい。

【００２９】２加熱ローラの回転機構について加熱ローラを回転するための機構は、既知の構成を適宜
選択して採用することができる。

【００３０】＜その他の構成について＞本発明の必須構
成要素ではないが、所望により以下の構成を選択的に実
施することにより、さらに効果的な誘導コイル装置を得
ることができる。

【００３１】１ウオームアップ制御について起動すなわち給電開始後のウオームアップ期間中、加熱
ローラが通常運転時におけるより低い回転数で回転する
ように制御することができる。

【００３２】２加熱ローラの温度制御について加熱ローラの温度を所定範囲内で一定たとえば２００℃
に維持にするために、加熱ローラの表面に感熱素子を導
熱的に接触させることができる。そして、感熱素子を温
度制御回路に接続する。感熱素子としては、負温度特性
を有するサーミスタや正温度特性を有する非直線抵抗素
子を用いることができる。

【００３３】３搬送シートについて加熱ローラを用いて被加熱体を加熱する際に、加熱ロー
ラが直接被加熱体に当接するように構成することができ
るが、要すれば両者の間に搬送シートが介在するように
構成することができる。この場合、搬送シートは、無端
状またはロール状の形態をとることが許容される。搬送
シートを用いることにより、被加熱体の加熱と搬送をス
ムースに行うことが可能になる。

【００３４】＜本発明の作用について＞誘導コイルに高
周波電圧を印加すると、誘導コイルから高周波磁界が発
生して加熱ローラの導体層と鎖交する。すなわち、誘導
コイルが１次コイルとなり、導体層が２次コイルとなっ
て、誘導コイルと導体層との間に空芯トランス結合が行
なわれる。その結果、導体層の内部に加熱ローラの周回
方向に２次電流が流れる。導体層は、リング状をなして
閉回路を形成していて、適当な２次側抵抗値を有してい
るので、２次電流によりジュール熱が発生し、加熱ロー
ラは温度上昇する。

【００３５】本発明においては、加熱ローラの導体層の
厚みを表皮深さ以下にしたことにより、以下の作用およ
び効果を奏する。

【００３６】１導体層の２次側抵抗値の設定が容易に
なる。導体層の厚みが小さいので、Ｃｕ、Ａｌなどの導
電性金属を用いて所要の２次側抵抗値を有する導体層を
形成することができる。したがって、導体層の２次側抵
抗値を２次リアクタンスとほぼ等しい値に設定するのが
容易になる。

【００３７】２加熱性能に優れている。導体層が薄い
ので、熱容量が小さくなり、温度上昇が早くなる。この
ため、高速加熱に好適である。

【００３８】３加熱ローラが軽量化される。空芯トラ
ンス結合を利用して１００ｋＨｚ以上の高周波による誘
導加熱を行なうので、加熱が加熱ローラの周回方向に流
れる２次電流によって行なわれ、必要な導体層の厚みが
小さくなって、導体層に材料の無駄がないため、軽量化
を図ることができる。

【００３９】４コストが低くなる。導体層の使用量が
少なくて、製造が容易であるため、コストが低くなる。

【００４０】５省電力を図れる。１００ｋＨｚ以上の
高周波の空芯トランス結合により電力伝達効率が高くな
り、たとえば９５％以上になるので、省電力になる。

【００４１】請求項２の発明の誘導加熱ローラ装置は、
１００ｋＨｚ以上の高周波を出力する高周波電源と；高
周波電源の高周波出力により付勢される誘導コイルと；
フィルム状の導体層を備え、導体層が誘導コイルに空芯
トランス結合して周回方向に流れる２次電流により発熱
する加熱ローラと；を具備していることを特徴としてい
る。

【００４２】本発明は、請求項１との比較において、加
熱ローラの導体層がフィルム状をなしている点が特徴的
な構成である。しかし、請求項１とほぼ同様な作用、効
果を奏する。

【００４３】請求項３の発明の誘導加熱ローラ装置は、
請求項１または２記載の誘導加熱ローラ装置において、
誘導コイルへの給電開始から所定時間の間加熱ローラを
通常運転時の回転数より低い回転数で回転させる制御回
路を具備していることを特徴としている。

【００４４】所定時間としては、加熱ローラがウオーム
アップするまでの時間であるのが最適である。しかし、
ウオームアップが完了するより多少短くてもよいし、ウ
オームアップ完了後多少の時間が経過してからであって
もよい。所定時間の間加熱ローラの回転数を制御するた
めに、制御回路にタイマ回路を用いることができる。

【００４５】加熱ローラの所定時間中の回転数は、通常
運転時の回転数より低くければよく、効果が得られるの
で、数値的に制限されるものではない。また、回転数
は、一定であってもよいし、可変であってもよい。たと
えば、加熱ローラの温度上昇に伴って回転数が連続的ま
たは段階的に増加するように構成することもできる。

【００４６】そうして、本発明においては、加熱ローラ
の周回方向を中心として温度の均一化を図ることができ
る。なお、所定時間中の回転数が通常運転時のそれと変
わらないと、回転によって加熱ローラの冷却が促進され
るために、温度上昇が遅くなる。

【００４７】請求項４の発明の定着装置は、加圧ローラ
を備えた定着装置本体と；定着装置本体の加圧ローラに
加熱ローラを圧接関係に対設して、両ローラ間にトナー
画像が形成された記録媒体を挟んで搬送しながらトナー
画像を定着するように配設された請求項１ないし３のい
ずれか一記載の誘導加熱ローラ装置と；を具備している
ことを特徴としている。

【００４８】本発明において、「定着装置本体」とは、
定着装置から誘導加熱ローラ装置を除いた残余の部分を
いう。

【００４９】加圧ローラと加熱ローラとは、直接圧接し
てもよいが、要すれば搬送シートなどを介して間接的に
圧接してもよい。なお、搬送シートは、無端またはロー
ル状であってもよい。

【００５０】そうして、本発明においては、トナー画像
が形成された記録媒体を加熱ローラと加圧ローラとの間
に挟んで搬送しながらトナー画像を高速で定着すること
ができる。

【００５１】請求項５の発明の画像形成装置は、記録媒
体にトナー画像を形成する画像形成手段を備えた画像形
成装置本体と；画像形成装置本体に配設されて記録媒体
のトナー画像を定着する請求項４記載の定着装置と；を
具備していることを特徴としている。

【００５２】本発明において、「画像形成装置本体」と
は、画像形成装置から定着装置を除いた残余の部分をい
う。また、画像形成手段は、記録媒体に間接方式または
直接方式により画像情報を形成する画像を形成する手段
である。なお、「間接方式」とは、転写によって画像を
形成する方式をいう。

【００５３】画像形成装置としては、たとえば電子写真
複写機、プリンタ、ファクシミリなどが該当する。

【００５４】記録媒体としては、たとえば転写材シー
ト、印刷紙、エレクトロファックスシート、静電記録シ
ートなどが該当する。

【００５５】そうして、本発明においては、高速タイプ
に好適な画像形成装置にすることができる。

【００５６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００５７】図１は、本発明の誘導加熱ローラ装置の第
１の実施形態を示す回路ブロック図である。

【００５８】図２は、同じく高周波電源を示す回路ブロ
ック図である。

【００５９】図３は、同じく誘導コイルおよび加熱ロー
ラの一部切欠中央断面正面図である。

【００６０】図４は、同じく誘導コイルおよび加熱ロー
ラの横断面図である。

【００６１】図５は、同じく誘導コイルの概念的一部切
欠底面図である。

【００６２】各図において、誘導加熱ローラ装置は、直
流電源ＤＣ、高周波電源ＨＦＳ、誘導コイルＩＣ、加熱
ローラＨＲおよび回転機構ＲＭからなる。なお、ＡＳは
低周波交流電源である。以下、構成要素ごとに構成を説
明する。

【００６３】＜直流電源ＤＣについて＞直流電源ＤＣ
は、整流回路からなり、入力端が低周波交流電源ＡＳに
接続して、低周波交流電圧を非平滑直流電圧に変換して
出力する。

【００６４】＜高周波電源ＨＦＳについて＞高周波電源
ＨＦＳは、図２に示すように、発振器ＯＳＣ、駆動回路
ＤＣ、分配回路ＤＩＳ、高周波電源回路ＨＦＵ、合成回
路ＧＡＴおよびインピーダンス変換回路ＺＣからなる。

【００６５】発振器ＯＳＣは、高周波発振器からなり、
所定周波数の高周波信号を発生して、駆動回路ＤＣを励
振する。

【００６６】駆動回路ＤＣは、プリアンプからなり、発
振器ＯＳＣから送出された高周波信号を増幅して駆動信
号を出力する。

【００６７】分配回路ＤＩＳは、後述する合成回路ＧＡ
Ｔと電流容量は異なるものの同一の回路構成であって、
駆動回路ＤＣから送出される駆動信号を４つの高周波電
源回路ＨＦＵに分配する。

【００６８】高周波電源回路ＨＦＵは、Ｅ級増幅器から
なり、その４つが合成回路ＧＡＴに対して並列接続して
いる。

【００６９】合成回路ＧＡＴは、４つの高周波電源回路
ＨＦＵの高周波出力を合成する手段であり、分配回路Ｄ
ＩＳと同一回路構成であるが、４つのポート入力ポート
となり、単一のポートが出力ポートとなる。したがっ
て、４個の高周波電源回路ＨＦＵの高周波出力が合成さ
れて単一の出力ポートから出力する。

【００７０】インピーダンス変換回路ＺＣは、たとえば
インダクタおよびコンデンサの直列共振回路からなる。
そして、合成回路ＧＡＴの出力ポートから出力される高
周波出力のインピーダンスが５０Ωであるとすると、４
つの高周波電源回路ＨＦＵの高周波出力を合成した際に
インピーダンスが１２．５Ωに低下するので、インピー
ダンス変換回路ＺＣを介挿することにより、これを元に
戻すことができる。

【００７１】＜誘導コイルＩＣについて＞誘導コイルＩ
Ｃは、コイルボビン１、コイルユニット２および給電リ
ード線３を備えている。

【００７２】コイルボビン１は、フッ素樹脂製の円柱体
からなり、凹部１ａ、支持部１ｂおよび通線溝１ｃを有
している。凹部１ａは、コイルボビン１の先端中央に形
成されていて、後述する回転機構ＲＭに相対的に回転自
在に係止している。支持部１ｂは、コイルボビン１の基
端に形成されていて、図示しない固定部に固定される。
通線溝１ｃは、コイルボビン１の外面の一部に軸方向に
沿って樋状に形成されていて、内部に給電リード線３収
納する。

【００７３】コイルユニット２は、その４組が給電リー
ド線３を介して並列接続してなり、コイルボビン１の外
周に巻装されている。各コイルユニット２間の間隔は、
絶縁距離を確保しながらなるべく接近させている。

【００７４】給電リード線３は、コイルユニット２の両
端から導出され、図４に示すように、通線溝１ｃ内に収
納されて、コイルボビン１の基端側から外部へ導出さ
れ、高周波電源ＨＦＳの出力端に同軸ケーブルを介して
接続する。

【００７５】そうして、誘導コイルＩＣは、静止状態で
使用され、給電リード線３は通線溝１ｃ内に収納されて
コイルユニット２のコイル部に接近しているので、磁束
の鎖交が殆どないため、給電リード線３内には殆ど渦電
流損が発生しない。

【００７６】＜加熱ローラＨＲについて＞加熱ローラＨ
Ｒは、ローラ基体４、導体層５および保護層６を備えて
構成されていてる。

【００７７】ローラ基体４は、アルミナセラミックス製
の円筒体からなり、長さ３００ｍｍ、厚み３ｍｍであ
る。

【００７８】導体層５は、Ｃｕの蒸着膜からなるフィル
ム状をなしていて、ローラ基体４の外面に配設されてい
る。そして、導体層４の厚みは、表皮深さ以下になって
いるとともに、周回方向の２次側抵抗値が２次リアクタ
ンスとほぼ同じ値の１Ωになっている。

【００７９】保護層６は、フッ素樹脂からなり、導体層
５の外面を被覆して形成されている。＜回転機構ＲＭ
について＞回転機構ＲＭは、加熱ローラＨＲを回転させ
るための機構であって、図３に示すように、第１の端部
部材６Ａ、第２の端部部材６Ｂ、一対の軸受７、７、ベ
ベルギア８、スプラインギア９およびモータ１０を備え
て構成されている。

【００８０】第１の端部部材６Ａは、キャップ部６ａ、
駆動軸６ｂおよび尖端部６ｃからなる。キャップ部６Ａ
は、加熱ローラＨＲの図３において左端に外側から嵌合
するとともに、図示を省略している押しねじを用いて加
熱ローラＨＲに固定することによって、加熱ローラＨＲ
の左端を支持している。駆動軸６ｂは、キャップ部６ａ
の外面の中央部から外方へ突出している。尖端部６ｃ
は、キャップ部６ａの内面の中央部からキャップ部６ａ
の内方へ突出している。

【００８１】第２の端部部材６Ｂは、リング部６ｄから
なる。リング部６ｄは、加熱ローラＨＲの図３において
右端に外側から嵌合するとともに、図示を省略している
押しねじを用いて加熱ローラＨＲに固定することによっ
て、加熱ローラＨＲの右端を支持している。

【００８２】一対の軸受７、７の一方は、第１の端部部
材６Ａにおけるキャップ部６ａの外面を回転自在に支持
する。また、他方は、第２の端部部材６Ｂの外面を回転
自在に支持する。

【００８３】したがって、加熱ローラＨＲは、その両端
に固定した第１および第２の端部部材６Ａ、６Ｂと、一
対の軸受７、７とにより回転自在に支持されている。一
方、誘導コイルＩＣは、第２の端部部材６Ｂのリング部
６ｄから加熱ローラＨＲの内部に挿入されていて、コイ
ルボビン１の先端に形成された凹部２が第１の端板６Ａ
の尖端部６ｃに係合し、かつ、前述したように基端に形
成した支持部１ｂが固定部に固定されることによって、
加熱ローラＨＲと同軸関係に支持されるとともに、加熱
ローラＨＲが回転しても静止状態を維持する。

【００８４】ベベルギア８は、第１の端板６Ａの駆動軸
６ｂに装着されている。

【００８５】スプラインギア９は、ベベルギア８に噛合
している。

【００８６】モータ１０は、そのロータ軸がスプライン
ギア９に直結している。

【００８７】＜誘導加熱ローラ装置の動作について＞低
周波交流電源ＡＳの低周波交流電圧は、直流電源ＤＣに
より直流電圧に変換され、さらに高周波電源ＨＦＳでた
とえば２．６ＭＨｚの高周波電圧に変換されて静止状態
の誘導コイルＩＣに印加される。これにより、誘導コイ
ルＩＣは、高周波磁界を発生する。高周波磁界は、加熱
ローラＨＲの導体層４に鎖交するので、空芯トランス結
合によって導体層４に２次電流が加熱ローラＨＲの周回
方向に流れる。

【００８８】加熱ローラＨＲの導体層４に２次電流が流
れると、導体層４は所定の抵抗値を有しているので、ジ
ュール発熱をして加熱ローラＨＲは温度上昇する。

【００８９】一方、モータ１０が回転すると、スプライ
ンギア９が回転し、噛合するベベルギア８が従動するの
で、加熱ローラＨＲは、図１の矢印方向に所定の速度で
回転しながら、静止状態の誘導コイルＩＣとの間の空芯
トランス結合により発熱する。

【００９０】図６は、本発明の誘導加熱装置の第１の実
施形態においてＱと効率の関係をシミュレーションによ
り求めたグラフである。図において、横軸はＱを、縦軸
は効率（％）を、それぞれ示す。また、曲線Ａは高周波
電源に用いたMOSFETの電力変換効率、曲線Ｂは高周波電
源の出力効率、曲線Ｃは総合効率、をそれぞれ示す。

【００９１】図から理解できるように、本実施形態にお
いては、総合効率９０％以上を得ることが可能である。

【００９２】図７は、本発明の誘導加熱装置の第１の実
施形態において一つの高周波電源回路ＨＦＵに投入する
電力と加熱所要時間の関係をシミュレーションにより求
めたグラフである。図において、横軸は電力（Ｗ）を、
縦軸は加熱所要時間（秒）を、それぞれ示す。

【００９３】図から理解できるように、本実施形態にお
いては、少ない電力で、しかも短時間に所要温度まで加
熱することが可能である。

【００９４】次に、実施例としての一例を示せば、たと
えば誘導加熱ローラ装置を画像形成装置の定着装置とし
て使用する場合、最大出力１５０Ｗの高周波電源回路Ｈ
ＦＵを４つ並列運転して合成して出力するように構成す
ることによって、起動時に６００Ｗを出力し、連続運転
時に３００Ｗを出力させることにより、加熱ローラＨＲ
の表面温度を２００℃に加熱でき、３５枚／分以上の高
速定着が可能になる。そして、連続運転時の総合効率を
９０％、１５秒で表面温度２００℃まで加熱することが
できる。また、温度加熱ローラの温度均一性は、±５ｄ
ｅｇ／ｃｍである。

【００９５】図８は、本発明の誘導加熱ローラ装置の第
２の実施形態を示す横断面図である。図において、図４
と同一部分については同一符号を付して説明は省略す
る。本実施形態は、導体層５および保護層６の間に絶縁
層１１および熱拡散層１２を順次積層して形成している
点で異なる。

【００９６】絶縁層１１は、ホウケイ酸亜鉛ガラスから
なり、導体層５の外面に形成されて導体層５を被覆して
絶縁している。

【００９７】熱拡散層１２は、厚みが１ｍｍのＡｌ製の
リングからなり、絶縁層１１の外面に熱導関係に形成さ
れている。

【００９８】図９は、本発明の定着装置の一実施形態を
示す縦断面図である。

【００９９】図において、２１は誘導加熱ローラ装置、
２２は加圧ローラ、２３は記録媒体、２４はトナー、２
５は架台である。なお、図４と同一部分については同一
符号を付してある。

【０１００】誘導加熱ローラ装置２１は、図１ないし図
５に示す実施形態を用いている。

【０１０１】加圧ローラ２２は、誘導加熱ローラ装置２
１の加熱ローラＨＲと圧接関係を有して配設されてお
り、両者の間に記録媒体２３を狭圧しながら搬送する。

【０１０２】記録媒体２３は、その表面にトナー２４が
付着することにより、画像が形成される。

【０１０３】架台２５は、以上の各構成要素（記録媒体
２３を除く。）を所定の位置関係に装架している。

【０１０４】そうして、定着装置は、トナー２４が付着
して画像を形成している記録媒体２３が誘導加熱ローラ
装置２１の加熱ローラＨＲと加圧ローラ２２との間に挿
入されて搬送されるとともに、加熱ローラＨＲの熱を受
けてトナー２４が加熱されて溶融し、熱定着が行われ
る。

【０１０５】図１０は、本発明の画像形成装置の一実施
形態としての複写機の概念的断面図である。

【０１０６】図において、３１は読取装置、３２は画像
形成手段、３３は定着装置、３４は画像形成装置ケース
である。

【０１０７】読取装置３１は、原紙を光学的に読み取っ
て画像信号を形成する。

【０１０８】画像形成手段３２は、画像信号に基づいて
感光ドラム３２ａ上に静電潜像を形成し、この静電潜像
にトナーを付着させて反転画像を形成し、これを紙など
の記録媒体に転写して画像を形成する。

【０１０９】定着装置３３は、図９に示した構造を有
し、記録媒体に付着したトナーを加熱溶融して熱定着す
る。

【０１１０】画像形成装置ケース３４は、以上の各装置
および手段３１ないし３３を収納するとともに、搬送装
置、電源装置および制御装置などを備えている。

【０１１１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、１００ｋＨｚ
以上の高周波を出力する高周波電源の高周波出力により
付勢される誘導コイルと空芯トランス結合して周回方向
に流れる２次電流により発熱する加熱ローラの導体層の
厚みを表皮深さ以下にすることにより、導体層の２次側
抵抗値の設定が容易となり、加熱性能に優れて高速加熱
に好適で、しかも安価な誘導加熱ローラ装置を提供する
ことができる。

【０１１２】請求項２の発明によれば、１００ｋＨｚ以
上の高周波を出力する高周波電源の高周波出力により付
勢される誘導コイルと空芯トランス結合して周回方向に
流れる２次電流により発熱する加熱ローラの導体層をフ
ィルム状にすることにより、導体層の２次側抵抗値の設
定が容易となり、加熱性能に優れて高速加熱に好適で、
しかも安価な誘導加熱ローラ装置を提供することができ
る。

【０１１３】請求項３の発明によれば、誘導コイルへの
給電開始から所定時間の間加熱ローラを通常運転時の回
転数より低い回転数で回転させる制御回路を具備してい
ることにより、給電開始時に早く加熱ローラの周回方向
の温度分布を均一化しやすい誘導加熱ローラ装置を提供
することができる。

【０１１４】請求項４の発明によれば、加圧ローラを備
えた定着装置本体と、請求項１または２記載の誘導加熱
ローラ装置とを具備していることにより、請求項１ない
し３の効果を有する定着装置を提供することができる。

【０１１５】請求項５の発明によれば、画像形成装置本
体と、請求項４記載の定着装置とを具備していることに
より、請求項１ないし３の効果を有する画像形成装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘導加熱ローラ装置の第１の実施形態
を示す回路ブロック図

【図２】同じく高周波電源を示す回路ブロック図

【図３】同じく誘導コイルおよび加熱ローラの一部切欠
中央断面正面図

【図４】同じく誘導コイルおよび加熱ローラの横断面図

【図５】同じく誘導コイルの概念的一部切欠底面図

【図６】本発明の誘導加熱装置の第１の実施形態におい
てＱと効率の関係をシミュレーションにより求めたグラ
フ

【図７】本発明の誘導加熱装置の第１の実施形態におい
て投入する電力と加熱所要時間の関係を実験により求め
たグラフ

【図８】本発明の誘導加熱ローラ装置の第２の実施形態
を示す横断面図

【図９】本発明の定着装置の一実施形態を示す縦断面図

【図１０】本発明の画像形成装置の一実施形態としての
複写機の概念的断面図

【符号の説明】

１…コイルボビン１ａ…凹部１ｂ…支持部１ｃ…通線溝２…コイルユニット３…給電リード線４…ローラ基体５…導体層６…保護層７…軸受８…ベベルギア９…スプラインギア１０…モータＤＭ…駆動機構ＩＣ…誘導コイルＨＲ…加熱ローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H033 AA02 AA21 AA31 BA25 BB02 BB12 BB18 BB30 BB32 BE06 CA27 CA40 CA44 3K059 AA08 AB19 AD02 AD05 AD35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１００ｋＨｚ以上の高周波を出力する高周
波電源と；高周波電源の高周波出力により付勢される誘
導コイルと；表皮深さ以下の厚みを有する導体層を備
え、導体層が誘導コイルに空芯トランス結合して周回方
向に流れる２次電流により発熱する加熱ローラと；を具
備していることを特徴とする誘導加熱ローラ装置。
【請求項２】１００ｋＨｚ以上の高周波を出力する高周
波電源と；高周波電源の高周波出力により付勢される誘
導コイルと；フィルム状の導体層を備え、導体層が誘導
コイルに空芯トランス結合して周回方向に流れる２次電
流により発熱する加熱ローラと；を具備していることを
特徴とする誘導加熱ローラ装置。
【請求項３】誘導コイルへの給電開始から所定時間の間
加熱ローラを通常運転時の回転数より低い回転数で回転
させる制御回路を具備していることを特徴とする請求項
１または２記載の誘導加熱ローラ装置。
【請求項４】加圧ローラを備えた定着装置本体と；定着
装置本体の加圧ローラに加熱ローラを圧接関係に対設し
て、両ローラ間にトナー画像が形成された記録媒体を挟
んで搬送しながらトナー画像を定着するように配設され
た請求項１ないし３のいずれか一記載の誘導加熱ローラ
装置と；を具備していることを特徴とする定着装置。
【請求項５】記録媒体にトナー画像を形成する画像形成
手段を備えた画像形成装置本体と；画像形成装置本体に
配設されて記録媒体のトナー画像を定着する請求項４記
載の定着装置と；を具備していることを特徴とする画像
形成装置。