JP2004029573A

JP2004029573A - 定着装置

Info

Publication number: JP2004029573A
Application number: JP2002188545A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kikuchi; 菊地　和彦
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US20050123331A1; US6856783B2; US7085527B2; US20040001732A1

Abstract

【課題】コア部材を薄くしていった場合でも、コア部材の温度上昇による磁気飽和の発生を防止して小型、軽量化することができるようにする。
【解決手段】加熱ローラ２とこの加熱ローラ２に圧接する加圧ローラ３とを有し、加熱ローラ２と加圧ローラ３との間に用紙Ｐを通過させて加熱するとともに加圧する定着手段と、加熱ローラ２の内部に設けられ、加熱ローラ２を誘導加熱する誘導加熱手段１３とを具備し、誘導加熱手段１３は、コア部材１２と、このコア部材１２に巻き付けられる励磁コイル１１とからなり、加熱ローラ２の内径寸法をＤ、励磁コイル１１のインダクタンスをＬ［μＨ］、加熱ローラ２の抵抗をＲ［Ω］、コア部材１２の少なくとも加熱ローラ２に対面する部分の厚さをＢとしたとき、ＢをＬ／Ｒ×０．３よりも大きく、Ｄ／３よりも小さくする。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電子写真複写機等に備えられる定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の定着装置には、金属製の加熱ローラとこの加熱ローラに圧接される弾性の加圧ローラを備えてなるものがある。加熱ローラは内部に加熱源としてのハロゲンランプ等を備え、このハロゲンランプの輻射熱によって加熱される。
【０００３】
トナー画像が転写された用紙は加熱ローラと加圧ローラとの間を通過することにより、加熱されるとともに加圧されてトナー画像が用紙に定着される。
【０００４】
しかしながら、従来においては、ハロゲンランプから放射される光により加熱ローラ内の空気を暖めて加熱ローラを加熱するため、光が熱に変換される際の損失と、加熱ローラに熱を伝達する際の効率等を考えると、熱変換効率が６０〜７０％と低く、省エネに不利であった。
【０００５】
また、熱効率が低いため、定着装置のウォーミングアップ時間も長くなるという問題があった。
【０００６】
このようなことから、近年では、特開平９−２５８５８６号等に開示されるような誘導加熱の手法を用いた定着装置が開発されてきている。
【０００７】
この特開平９−２５８５８６号に開示されるものは、定着ローラの回転軸に沿って設けられたコア材にコイルを巻いたコイルアッセンブリを備え、このコイルアッセンブリにより定着ローラに渦電流を流して加熱する方式である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術においては、コア材にコイルを巻くことで、発生する磁束を集中させて高出力を得ることができる反面、コア材にコイルを巻き付けて配置する構造となるため、コア材自体の重量に加えてコイルを巻き付けるボビンやコア材を保持するためのホルダーが必要となり、結果としてヒートローラが大型化し、重量がかさむといった問題があった。
【０００９】
また、ヒートローラを小型、軽量化するため、コア材を薄くすることが試みられるが、この場合には、ヒートローラの加熱時にコア材が温度上昇し易くなって、磁気飽和が発生する。このため、励磁コイルの出力範囲が低下し、ヒートローラを満足に加熱できなくなるといった問題があった。
【００１０】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、コア材を薄くしていった場合でも、コア材の温度上昇による磁気飽和の発生を防止して小型、軽量化することができる誘導加熱式の定着装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、定着ローラとこの定着ローラに圧接する加圧ローラとを有し、前記定着ローラと加圧ローラとの間に被定着体を通過させて加熱するとともに加圧する定着手段と、前記定着ローラの内部に設けられ、前記定着ローラを誘導加熱する誘導加熱手段とを具備し、前記誘導加熱手段は、コア部材と、このコア部材に巻き付けられる励磁コイルとからなり、前記定着ローラの内径寸法をＤ、前記励磁コイルのインダクタンスをＬ［μＨ］、前記定着ローラの抵抗をＲ［Ω］、前記コア部材の少なくとも前記定着ローラと対面する部分の厚さをＢとしたとき、Ｌ／Ｒ×０．３≦Ｂ≦Ｄ／３の関係を有する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態を参照して詳細に説明する。
図１及び図２は、画像形成装置に利用される定着装置の一例を説明する概略図である。
【００１３】
図１は、定着装置１を長さの長い方向の概ね中央で切断した状態を示す概略断面図で、図２は、詳述しないカバー類を外した状態で定着装置１を平面方向から見た状態を示す概略平面図である。
【００１４】
定着装置１は、直径が概ね６０ｍｍの加熱（定着）ローラ２と直径が概ね６０ｍｍの加圧（プレス）ローラ３とからなる。定着ローラ２は、厚さが１．５ｍｍ程度の金属の中空円筒である。この実施の形態では定着ローラ２の素材として鉄を用いたが、ステンレス鋼、アルミニウム、または、ステンレス鋼とアルミニウムとの合金等の利用も可能である。
【００１５】
定着ローラ２の長さは、この例では、概ね３４０ｍｍである。定着ローラ２の表面には、例えば、四フッ化エチレン樹脂（商品名テフロン）等に代表されるフッ素樹脂が所定厚さに堆積された図示しない離型層が形成されている。
【００１６】
加圧ローラ３は、所定直径の軸の周囲に、所定厚さのシリコンゴム、あるいはフッ素ゴム等の弾性体が成形（被覆）されたローラである。加圧ローラ３の長さは、概ね３２０ｍｍである。
【００１７】
加圧ローラ３は、自身の軸線が定着ローラ２の軸線と概ね平行になるように配置され、加圧機構４を介して定着ローラ２の軸線に対して所定圧力で圧接されている。これにより、加圧ローラ３の外周面の一部が弾性変形し、両ローラ間に所定のニップが形成される。
【００１８】
ニップよりも定着ローラ２が回転される方向の下流側で、ニップの近傍となる所定の位置には、ニップを通過する用紙Ｐを定着ローラ２から剥離させる剥離爪５が位置されている。
【００１９】
定着ローラ２は、図示しない感光体ドラムを回転させるためのドラムモータ、または定着ローラを回転させるために設けられた図示しない定着モータからの駆動力により、概ね一定の速度で矢印方向に回転される。
【００２０】
加圧ローラ３は、加圧機構４によリ所定の圧力で定着ローラ２に接触されているため、定着ローラ２が回転されることで、一定の速度で従動回転される。
【００２１】
定着ローラ２の周囲には、ローラ２が回転される方向に沿うとともに、剥離爪５から離れる方向に順に、少なくとも２つの温度検出素子６ａ，６ｂ、クリーナ７および発熱異常検知素子８が設けられている。
【００２２】
温度検出素子６ａ，６ｂは、定着ローラ２の外周面の温度を検出するための、例えば、サーミスタで、少なくとも１つは、定着ローラ２の長手方向の概ね中央に位置されている。他の１つのサーミスタは定着ローラ２の長手方向の一端部に位置されている。なお、サーミスタは、必要に応じて３以上設けられてもよいことはいうまでもない。
【００２３】
クリーナ７は、定着ローラ２の外周に所定の厚さに設けられているフッ素樹脂に付着するトナーや、用紙から生じる紙粉もしくは装置内部を浮遊して定着ローラ２に付着するゴミ等を除去する。
【００２４】
クリーナ７は、定着ローラ２と接触されたフッ素樹脂層を傷付けにくい材質、例えば、フェルトまたはファーブラシ等で形成されたクリーニング部材とそのクリーニング部材を支持する支持部材を含む。
【００２５】
なお、クリーニング部材は、定着ローラ２の表面と接触されて回転されてもよいし、定着ローラ２の外周面に所定の圧力で圧接されてもよい。
【００２６】
発熱異常検知素子８は、例えば、サーモスタットであって、定着ローラ２の表面温度が異常に上昇する発熱異常を検知するとともに、発熱異常が生じた場合に、以下に説明する加熱コイルヘの通電を遮断するために利用される。
【００２７】
温度検出素子６ａ，６ｂ、クリーナ７及び発熱異常検知素子８が配置される順及び位置は、図２に示した順及び位置に制限されるものではない。
【００２８】
加圧ローラ３の周上には、用紙Ｐを加圧ローラ３から剥離するための剥離爪９及び加圧ローラ３の周面に付着したトナーを除去するクリーニングローラ１０が設けられている。
【００２９】
定着ローラ２の内側には、ローラ２の材質に、渦電流を発生させる励磁コイル１１が配置されている。励磁コイル１１は図２に示される例では、定着ローラ２の長手方向の概ね中央付近に位置された第１のコイル１１ａと、同ローラ２の両端付近に設けられた第２のコイル１１ｂとからなる。
【００３０】
第２のコイル１１ｂは、第１のコイル１１ａと抵抗率や断面積（撚り線数）が概ね等しい線材を、第１のニイル１１ａのターン数と概ね等しいターン数だけ巻いたコイルである。第２のコイル１１ｂは、ローラ２の長手方向に関し、第１のコイル１１ａを挟んで、ローラ２の軸方向の両側に位置されている。
【００３１】
第２のコイル１１ｂは、第１のコイル１１ａの両側に位置される２つの部分であり、互いに直列に接続されている。従って、第２のコイル１１ｂは、実質的に第１のコイル１１ａと同等の出力を出力可能である。
【００３２】
第１のコイル１１ａは、例えば、Ａ４サイズの用紙が、その短辺が定着ローラ２の軸線と平行になるように搬送される際に、ローラ２の外周面と接する幅を加熱できる長さに形成されている。第２のコイル１１ｂは、いうまでもなく、定着ローラ２の両端付近を加熱するために有益である。
【００３３】
第１及び第２のコイル１１ａ，１１ｂは、所定の直径の銅線を耐熱性の材料で覆って相互に絶縁した線材が、任意数、撚られたリッツ線で形成されている。この発明の実施の形態では、リッツ線の個々の線材の直径は、０．５ｍｍで、撚り数は、１６本である。また、各線材を絶縁する被覆材には、ポリアミドイミドが用いられている。
【００３４】
このように、各コイル１１ａ，１１ｂにリッツ線を用いることで、高周波電流が各線材を流れる際に生じる表皮効果の浸透深さよりも個々の線の直径を小さくできるので、高周波電流に対する実質的な抵抗値が低減される。従って、各コイル１１ａ，１１ｂに供給される電力を有効に利用できる。
【００３５】
図３は、図１および図２に示した励磁コイル１１に所定の高周波電流を供給する励磁回路の一例を説明する概略図である。
【００３６】
図３に示す通り、中央部すなわち、第１のコイル１１ａには、励磁ユニット３１の第１のスイッチング回路（インバータ回路）３２ａが接続されている。両端部すなわち、第２のコイル１１ｂには、第２のスイッチング回路（インバータ回路）３２ｂが接続されている。
【００３７】
第１及び第２のスイッチング回路３２ａ，３２ｂは、駆動回路３３により指示される駆動周波数に基づいて集積回路３０から供給される直流電圧をスイッチイングし、各コイル１１ａ，１１ｂに供給する。
【００３８】
個々のインバータ回路３２ａ，３２ｂに指示される駆動周波数は、ＣＰＵ３４により指示されるが、例えば、２０ｋＨｚないし５０ｋＨｚの範囲である。
【００３９】
従って、第１及び第２のコイル１１ａ，１１ｂは、電力換算で、例えば、７６０Ｗ乃至１．５ｋＷの高周波出力を、定着ローラ２を所定温度に昇温させるために出力できる。
【００４０】
インバータ回路（第１，第２のスイッチング回路３２ａ，３２ｂ）を用いる場合、回路内に組み込まれたコイル（１１ａ，１１ｂ）へ供給される電力はコイルを流れる高周波電流の大きさに依存し、高周波電流の大きさはインバータ回路のスイッチング素子のＯＮ時間を変化させることで設定される。
【００４１】
すなわち、個々のコイルへ供給される電力の大きさは、ＣＰＵ３４から駆動回路３３に指示されるスイッチング素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間のタイミングに基づいて変化されるが、以後、コイルに向けて出力される電力として説明する。
【００４２】
駆動回路３３はまた、第１、第２のインバータ回路３２ａ，３２ｂのいずれか一方のみに、電源回路３０からの整流出力を、交互に供給する。
【００４３】
すなわち、駆動回路３３は、２つのコイル１１ａ，１１ｂのいずれか一方に所定の電力を供給するための駆動切換部としても機能する。
【００４４】
各コイル１１ａ，１１ｂに印加される電力の大きさは、上述したように、駆動回路３３から入力されるインバータ回路のスイッチング素子のＯＮを変化させることで、任意に設定可能となる。
【００４５】
第１及び第２のインバータ回路３２ａ，３２ｂに指示される駆動周波数は、ＣＰＵ３４により、温度検知回路３５が出力する第１のサーミスタ６ａが検知した定着ローラ２の外周面の中央付近の温度を示す温度データと第２のサーミスタ６ｂが検知した同ローラ２の両端部の温度を示す温度データに基づいて設定され、駆動回路３３に指示される。
【００４６】
定着モータ３７にはモータ駆動回路３８が接続され、このモータ駆動回路３８はメインＣＰＵ３９に接続されている。メインＣＰＵ３９には操作パネル４０が接続されているとともに上記したＣＰＵ３４及び温度検知回路３５が接続されている。
【００４７】
ところで、上記した励磁コイル１１は、この発明の実施の形態では、図１に示すように、所定形状に形成されたコア部材１２にコイルボビン２３を介して巻き付けられて誘導加熱手段１３が構成されている。
【００４８】
加熱ローラ２の内周面と励磁コイル１１との間には絶縁を保つための絶縁シート材（図示しない）が挿入されている。コイルボビン２３は、絶縁性、かつ、耐熱性の優れた樹脂材料等によって構成される。樹脂材料としては、セラミック、フェノール、液晶ポリマー、不飽和ポリエステル等が用いられる。絶縁シート材としては、コイルの最大温度よりも高い耐熱温度を有し、コイルに流れる最大電圧に耐え得る耐電圧を有する材料が用いられている。
【００４９】
また、絶縁シート材には上記の温度条件にて、収縮率が２５％以下の材料、かつ厚さが０．４ｍｍ以上の材料が用いられる。なお、この実施例においては、絶縁シート材の材料としてＰＦＡを使用しているが、前記のような条件を満たす材料であればＰＴＦＥやその他の材料でもかまわない。
【００５０】
一方、コア部材１２は、Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ系またはセラミック系の材料からなり、キュリー温度は、コア部材雰囲気の最大使用温度以上のものを使用しなければ、連続コピー等の場合における温度上昇により、コア部材１２がキュリー温度以上になると磁束が通らなくなるため、出力がでなくなってしまう。
【００５１】
図４及び図５は、この実施の形態におけるコア部材１２の材料（Ｎｉ−Ｚｎ系）特性を示すグラフである。
【００５２】
この実施の形態においては、コア部材１２の温度が最大２５０℃程度まで上昇するため、図４から分かるように、キュリー温度は３５０℃以上のものを使用している。
【００５３】
また、図５はコア部材１２の材料の温度特性を示すもので、温度が上昇するにしたがって飽和磁束密度が減少するのが一般的な特性である。
【００５４】
したがって、各々の定着装置に適したコア部材選択が必要となるが、高性能（温度上昇しても飽和磁束密度が低下しない）材料は高価であるため、いかに飽和磁束密度の低下をコストを押さえて防ぐかが課題となる。
【００５５】
本発明においては、コア部材１２の厚さをシステムとして最適化することにより比較的安価で、耐久性にも優れたＩＨ定着装置を実現するものである。
【００５６】
ところで、上記した加熱ローラ２の内径寸法をＤ、コア部材１２の少なくとも加熱ローラ２と対面する部分の幅寸法をＢ、励磁コイル１１のインダクタンスをＬ［μＨ］、加熱ローラ２の抵抗をＲ［Ω］としたとき、後述するように、ＢはＬ／Ｒ×０．３より大きく、Ｄ／３より小さくされる。
【００５７】
また、上記の条件にて励磁コイル１１の出力範囲を満たすＬ／Ｒの領域は２４≦Ｌ／Ｒ≦３２となっている。
【００５８】
図６は上記したように構成される加熱ローラ２の励磁コイル１１の表面温度（℃）とコイル電流ピーク値（Ａ）との関係を示すものである。
【００５９】
図６中Ｘ線はコア部材１２の厚さ寸法Ｂを１０ｍｍとした場合を示すもので、励磁コイルの表面温度が上昇してもコイル電流ピーク値が上昇せず、インバータ回路内のパワー素子を損傷させることがない。
【００６０】
Ｙ線はコア部材１２の厚さ寸法Ｂを５ｍｍの場合とした場合を示すもので、励磁コイル１１の表面温度が上昇するに従ってコイル電流ピーク値が上昇し、インバータ回路内のパワー素子を損傷させてしまう虞がある。
【００６１】
即ち、インバータ回路内のパワー素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子の仕様は定格６００Ｖ、８０Ａであるため、通常７５Ａ以下に抑える必要がある。
【００６２】
図７はコイル１１のＬ／Ｒ（２２〜３２）とコア部材１２の厚さＢを変更したときのＩＧＢＴに流れる電流が７５Ａ以下のときには、「○」、７５Ａを超えるときには、「×」で示している。
【００６３】
このグラフより、「○」と「×」の境界は、Ｂ＝０．３×Ｌ／Ｒであるから、０．３×Ｌ／Ｒ≦Ｂであれば、ＩＧＢＴに流れる電流値を７５Ａ以下に押さえてパワー素子の損傷を防止することが可能となる。
【００６４】
図８はＬ／ＲとＤ／Ｂとの関係を示すグラフ図で、Ｄ／Ｂを変化させたときのＬ／Ｒの値を示している。このときのＩＧＢＴに流れる電流が７５Ａ以下のときには「△」、７５Ａを超えるときには「○」で示している。
【００６５】
Ｌ／Ｒが、２２〜３２の範囲内ではＤ／Ｂは３以上となる。従って、Ｂ≦Ｄ／３であれば、インバータ回路内のパワー素子に損傷を与えることがない。
【００６６】
上記したことから、コア部材１２の厚さＢはＬ／Ｒ×０．３より大きく、Ｄ／３より小さくされている。
【００６７】
図９はＬ／Ｒと励磁コイル１１の出力［Ｗ］との関係を示すグラフ図で、Ｌ／Ｒを変化させたときの出力範囲の上限と下限をそれぞれ表わしている。ここで、Ｌ／Ｒの値が２４〜３２の範囲であれば、仕様の７６０ｗから１．５Ｋｗの出力を得ることができる。より好ましくは、Ｌ／Ｒが２５〜３１の範囲で最大の出力幅を得ることができ、一層安定した出力を得ることができる。
【００６８】
【表１】

【００６９】
表１は中央コイルと、端部コイルにおけるＬ、Ｒ、Ｌ／Ｒ、Ｂ、Ｄの測定値を示すものである。
【００７０】
この表１から励磁コイルの出力範囲を満たすＬ／Ｒは２５≦Ｌ／Ｒ≦３１となっている。
【００７１】
上記したように、加熱ローラ２の内径寸法をＤ、励磁コイル１１のインダクタンスをＬ［μＨ］、加熱ローラ２の抵抗をＲ［Ω］としたとき、コア部材１２の少なくとの加熱ローラ２に対面する部分の厚さＢをＬ／Ｒ×０．３よりも大きく、Ｄ／３よりも小さくしたから、コア部材１２の温度上昇による磁気飽和の発生を抑制し、励磁コイル１１の出力範囲を拡大することができる。
【００７２】
なお、本発明は上記一実施の形態に限られることなく、その要旨の範囲内で種々変形実施可能なことは勿論である。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、定着ローラの内径寸法をＤ、励磁コイルのインダクタンスをＬ［μＨ］、定着ローラの抵抗をＲ［Ω］、コア部材の少なくとも定着ローラと対面する部分の厚さをＢとしたとき、ＢはＬ／Ｒ×０．３よりも大きく、Ｄ／３よりも小さくしたから、コア部材の温度上昇による磁気飽和の発生を抑制し、励磁コイルの出力範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施の形態である誘導加熱式の定着装置を示す縦断面図。
【図２】定着装置を示す横断面図。
【図３】励磁コイルに高周波電流を供給する励磁回路を示す図。
【図４】コア部材のキューリ点を示すグラフ図。
【図５】コア部材の温度特性を示すグラフ図。
【図６】コア部材の厚さが１０ｍｍの場合と５ｍｍの場合におけるコイル表面温度とコイル電流ピーク値との関係を示すグラフ図。
【図７】インバータ回路のパワー素子に流れる電流値が７５Ａ以上の場合と以下の場合とを示すグラフ図。
【図８】Ｄ／ＢとＬ／Ｒとの関係を示すグラフ図。
【図９】Ｌ／Ｒと励磁コイルの出力範囲との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
１…定着装置、２…加熱ローラ（定着ローラ）、３…加圧ローラ、Ｐ…用紙（被定着体）、１３…誘導加熱手段、２２…コア部材、１１…励磁コイル。

Claims

定着ローラとこの定着ローラに圧接する加圧ローラとを有し、前記定着ローラと加圧ローラとの間に被定着体を通過させて加熱するとともに加圧する定着手段と、
前記定着ローラの内部に設けられ、前記定着ローラを誘導加熱する誘導加熱手段とを具備し、
前記誘導加熱手段は、コア部材と、このコア部材に巻き付けられる励磁コイルとからなり、
前記定着ローラの内径寸法をＤ、前記励磁コイルのインダクタンスをＬ［μＨ］、前記定着ローラの抵抗をＲ［Ω］、前記コア部材の少なくとも前記定着ローラと対面する部分の厚さをＢとしたとき、
Ｌ／Ｒ×０．３≦Ｂ≦Ｄ／３の関係を有することを特徴とする定着装置。
前記Ｌ／Ｒは、
２４≦Ｌ／Ｒ≦３２であることを特徴とする請求項１記載の定着装置。