JP2005173333A - 電子写真装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ローラー材質によらず効率よく発熱させる誘導加熱定着機構成。
【解決手段】 加熱ローラーの内側、及び外側に誘導加熱コイルをお互い相対する位置に配置し、前記加熱ローラーに対して誘導電流を集中させることでローラー発熱効率を向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複写機等に使われる加熱装置であり特にトナーなどの加熱溶融性粉体を用紙に定着させるための誘導加熱装置に関する物である。

電子写真装置は、顕画材（以後はトナ−と呼ぶ）により記録紙上に顕画像（以後トナー像と呼ぶ）を形成する画像形成手段を持ち、前記トナー像が形成された記録紙を搬送する紙搬送手段を通じ図５のＨ１からなるヒーターを加熱体とし対向圧接する１００の熱ローラー間を介して図４に示す様な前記記録紙を加熱部に密着させる加圧手段によりトナー像を加熱定着する定着手段を用いる事で記録紙上に画像を形成する。

この様な加熱融着手段を用いてトナーを記録紙に定着させるため定着部の熱ローラー部の表面温度は、トナーの融点を越え尚且つ記録紙に悪影響を与えないために正確にある温度となるように制御される必要がある。

そのため図６に示されるハロゲンヒーター等を用いた温度調整型加熱装置を用い、交流電力のオン−オフ動作を数秒単位で繰返すオン−オフ制御が多用されている。

しかし、この様なヒーター通電電力のオン−オフ制御を用いた温度調節方法では、ヒーターのオン時とオフ時の機器の電力消費量が大幅に変ってしまうため電源系統の電圧変動を引起こし、それが原因で蛍光灯等がちらつくフリッカ現象等を引き起こし近年問題視されている。

前記熱ローラーを加熱するための手段として励磁コイルに高周波電流を印可し発生した高周波磁界を前記熱ローラー表層に作用させ表面の導電層に渦電流を発生させてその渦電流によるジュール熱により熱ローラーを加熱する誘導加熱方法を用いた定着器が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
特公平５−９０２７号公報

特許文献１では、熱ローラー自体が発熱体となる直接加熱であるため発熱効率が高く、短時間に熱ローラーを必要とされる定着温度まで加熱することが容易にできうる。

この様な誘導加熱方式を用いた加熱方法において定着用熱ローラーを効率よく発熱させるためには狭い空間に強い磁界を作用させ対象物である加熱ローラーに局所的に大きな誘導電流を流すことで効率よく発熱させることができる。

誘導加熱を用いた定着ローラー加熱方法は熱効率等では非常に優れた加熱方法であるが、この種の高周波誘導電流により効率よく発熱出来る材料は鉄、鉄系合金であるＳＵＳ４３０等の比較的磁気透磁率μが高く、比抵抗率も比較的高い金属材料に限られており、これらの金属は熱伝導率等が低い材料しかないため定着器として組み上げた時にローラー上での温度分布がなかなか適正化するのが難しなどの欠点があった。

本発明では、定着器としての温度分府を改善するため比較的熱伝導率が高い材料を用いた金属ローラーを誘導加熱方式を用いて効率よく発熱させることが出来る手段を提供する物である。

以上説明したように加熱ローラーの内側と、外側にそれぞれ加熱コイルを配置する構造を用いることで加熱ローラー表面に有効に発生磁束を作用させることができるため発熱効率が良い誘導加熱装置が構成できる。

またこの様なローラー内外に相対した加熱コイル構造を用いることで、従来では誘導加熱では発熱効率が低かったアルミニューム等の高熱伝導材料も効率よく発熱させることができる効果もある。

本発明は下記の構成を特徴とする像加熱装置および画像形成装置である。

未定着トナー像を担持した記録材を加熱加圧してトナー像を定着させる像加熱装置であって、熱ローラーを加熱する周波数、及び振幅を可変できる電力供給手段である交流電源にて高周波電力を発生させ、前記電力発生手段からの高周波電力を加熱対象物である熱ローラーに有効に作用させるために所定の形状にて所望の巻回数された電磁変換コイルにて構成される電磁誘導加熱方式を用いた定着装置に於いて、前記発熱ローラーに対して内側及び外側にそれぞれ磁気回路を形成しそれぞれの磁気回路毎に前記電磁コイルを配置し、各々内側と外側の磁気回路を加熱ローラー対して相対する位置に配置することで前記発熱ローラーに効率よく渦電流を発生させる事で熱伝導率が高い金属材料を用いた加熱ローラーの発熱効率を向上させたことを特徴とする誘導加熱を用いた電子写真装置。

図１は本発明の一実施例を示す図面であり図２から図５と同一符号は同一構成部分を示している。

図１は本発明の加熱ローラーと誘導加熱コイルを横から見た断面図であり図中の１００は、トナーを溶融させ用紙に定着させるための発熱体である加熱ローラーでありその心金１０９は、材質としてアルミニュームやアルミ系合金、又は銅系合金から出来ており、前記心金上に何らかの下地処理を施した上で鉄やニッケル、Ｃｒ，Ｃｏ，Ａｇメッキを施す事も可能である。

その上層１１０は、シリコン系やテフロン（登録商標）系樹脂による弾性体層があり、その表面処理としてＰＦＡなどからなる離型層を形成してある。

ローラー１００の内側及び、外側にはローラー内周に接触しない様に１０８コイル保持部材が配置され前記コイル保持部材の円周上に添う形状に整形されたで外側誘導加熱コイルＬ１及び内側誘導加熱コイルＬ２が配置される。

また前記内外加熱コイルから発生した磁束を効率よく加熱ローラー１００に導く様ローラー内側と、外側それぞれに１０６のフェライト等から成る磁気回路が配置される。

図２は図１の誘導加熱ローラー１００と誘導加熱コイルＬ１，Ｌ２とを複写機の定着器１０２として組み込んだ時の横断面の説明図でありこの例ではＬ１，及びＬ２は多少斜め配置とされているが特に角度は問わない。

本定着器ではではＬ１とＬ２で発生した磁束により加熱ローラー１００上のＬ１とＬ２に挟まれた箇所が加熱される。

加熱ローラー１００及び加圧ローラー１０１はバネなどにより一定の圧力で当接する機構を持ち、また加熱ローラー１００は外部から回転駆動され本説明図では時計方向に回転加圧を行い図中の未定着原稿が画像形成部より搬送されてくると、Ｌ１及びＬ２の挟まれた部分の加熱ローラー１００上で最も熱せられた箇所が、未定着原稿に当接し用紙上のトナー像に熱エネルギーを与え加圧することで、未定着原稿上のトナーを用紙上に固定することを可能としている。

図３は本発明の定着ローラー加熱駆動回路ブロック説明図でありＴＲ１は電力スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴであり、コイルＬ１は負荷である誘導加熱ローラー１００に印可する高周波交流磁界を発生するためのインダクタンスでありＤ５はＬ１に蓄積された電力を回生するフライホイールダイオードである。

ＴＨ１の温度検出素子は図２の様な定着器構造により加熱ローラーと熱的に結合しておりその出力は７の温度検出に入力される。

７の出力は、温度調節入力信号として１１の定着器制御手段と直接の制御信号としてＩＣ１によるパルス変調（以後はＰＷＭと呼ぶ）発振回路に入力する。ＩＣ１は制御信号値に見合ったＰＷＭパルスを発生させＴＲ１のＭＯＳ−ＦＥＴのゲートに出力しＴＲ１をスイッチング駆動する。

Ｄ１からＤ４は、交流の入力電力整流用ダイオードであり電力制御回路部に交流電力を整流した脈流を供給する。

ＮＦ１とＣ２は、ノイズフィルターを形成しておりＴＲ１のスイッチング周波数に対しては十分な減衰量を確保し且つ電源周波数に対しては減衰無く通過するような定数に設定する。

次に動作に付いて説明する。

図３の入力端子の交流入力電圧が印可されるとＤ１からＤ４の整流素子により整流された脈流となりその電圧はＮＦ１を通りしＣ１の両端に印加される。

そのＣ１の両端電圧は、交流入力電圧を整流した波形となる。

温度調節入力信号Ｖｃが温度検出比較回路であるＩＣ２に入力されるとＩＣ２はＴＨ１の温度検出素子の出力と入力信号Ｖｃの温度設定値を比較する。

その比較された出力が制御信号としてＩＣ１のＰＷＭ発振回路に印加される。

ＩＣ１は、制御信号値に見合ったパルス幅のＰＷＭ信号を発生しその出力は、ＴＲ１のゲート−ソース間に印加されＴＲ１は、ＩＣ１の出力パルスによりスイッチングしてドレイン電流ＩDが流れ直列に接続された誘導加熱コイルＬ１、及びＬ２に通電する。

誘導加熱コイルＬ１及びＬ２にはＴＲ１がオンする事で流れた電流を蓄えているためＴＲ１がオフした時に発生する逆起電力は直列接続された加熱コイルＬ１＋Ｌ２と並列に接続されている共振コンデンサＣ２に充電される。

この流れ込んできたコイル蓄積電流により共振コンデンサＣ２両端電圧が上昇し加熱コイルの蓄積エネルギーが無くなった時点で最大交流電圧が発生する。

またコイルから流れ出た電流は、誘導加熱電極１０２の電圧が上昇するのに反比例して減衰しある点でコイル電流が流れ無くなくなる瞬間を通り過ぎると今度は逆に共振コンデンサＣ２に蓄積された電荷が、加熱コイルＬ１＋Ｌ２に向けて電流が流れ出す。

そののち共振コンデンサＣ２に蓄積された電荷が、コイルＬ１＋Ｌ２に戻されるのと同時に共振コンデンサＣ２の電圧が低下していきＴＲ１のドレイン電圧が、ソース電圧より低下するとＤ５のフライホイールダイオードがオンし順電流が流れる。

その直後にＴＲ１がオンさせることで誘導加熱コイルＬ１＋Ｌ２に電流が流れ加熱コイルＬ１＋Ｌ２には交流電流の充放電を繰返す。

加熱コイルＬ１＋Ｌ２は、それぞれ加熱ローラー１００の内側と外側に配置されたＥ型及びＴ型に組み合わされたフェライトコア１０６からなる磁気回路を通じて加熱ローラー１００に磁気結合しているため加熱コイルＬ１＋Ｌ２に流れた交流電流に見合った交反磁界が加熱コイルＬ１＋Ｌ２から発生し、Ｅ型及びＴ型に組み合わされたフェライトコア１０６を通じて加熱ローラー１００に高周波の交反磁界が作用することで加熱ローラー１００が発熱する。

ＴＲ１及びＬ１に流れる電流はＣ１が高周波成分を充放電し平滑化をする。

その為入力ノイズフィルタＮＦ１には、高周波電流は流れず交流入力電流整流波形のみが流れる。

整流ダイオードＤ１〜Ｄ４に流れる電流は、ＴＲ１及び誘導加熱コイルＬ１＋Ｌ２に流れた電流波形をＣ１及びＮＦ１のノイズフィルターによりフィルタリングされた電流波形となるため整流前の交流入力電流波形は、交流入力電圧波形に近い形の入力電流波形となり入力電流中に含まれる高調波成分が大幅に減少でき、定着加熱回路における温度調節回路の入力電流の力率を大幅に改善できる。

またこの回路中て使用するノイズフィルターであるＮＦ１とＣ１は、ＩＣ１による高周波の発振周波数に対してフィルター効果が発揮される物であれば良くコンデンサＣ１の容量やＮＦ１のインダクタンス値は小さくできるので小型、軽量化する事ができる。

この誘導加熱駆動電源回路に温度調節信号が入力されることで誘導加熱電源の出力端子に周波数２０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ程度の高周波交流電流が発生する。

ここで加熱ローラー表面の温度を測定するＴＨ１からなる測温素子の出力は随時温度検出７に入力され定着器制御手段１１により目標温度と比較されその目標値との差分がＩＣ１にフィードハックされる。

定着器制御手段１１は、設定目標温度にＴＨ１検出温度に近づくと印可高周波電力を低下させるような比例制御等や通称ＰＩＤ制御と言われる制御方式を用い加熱ローラー表面温度を一定に保つフィードバック信号を発生する。

定着器制御手段１１にはＴＨ１及び７により検出された温度が入力されその検出値に応じてＩＣ１にフィードバックを行うためＴＲ１のゲートＯＮ信号時間を決定しＴＲ１の通電電力が調整され誘導加熱ローラー１００に入力される電力が制御されローラー１００の発熱量が制御されることによりトナー定着温度が安定化される。

図４は本発明の他の実施例でありこの図では、誘導加熱ローラー１００の発熱分布を補正する手段を示す物である。

通常複写機などの定着用熱ローラーは両端部に回転用のベアリング等による摺動機構を持つため発熱源の発熱量が熱ローラーの長手方向に均一であるとベアリング機構などを持つ両端部に熱を奪われ中央部に対して加熱中は特に両端部の温度か下がってしまう。

また熱ローラー長よりも通紙幅が狭い場合などは、ローラー中央部のみ発熱が奪われ、非通紙部では用紙通紙部より大幅に温度上昇してしまい、熱ローラーの寿命が持たないなどの問題がある。

本発明では図４中のＬ１及びＬ２の様に加熱ローラー１００の内部に配置するコイルＬ２と外側に配置するＬ１でコイル長を変えることで意図的に発熱分布を作ることを示す説明図である。

本実施例では図５の制御回路を用い温度検出素子としては加熱ローラー１００中央部にＴＨ１，加熱ローラー端部温度検出としてＴＨ２を配置する。

これらの温度検出素子はそれぞれ７及び８の温度検出ブロックに接続される。

各々の温度検出の内、７の温度検出１はローラー中央部を検知しているためこの出力はＩＣ１のＦ．Ｂ端子に接続され加熱ローラー１００全体の温度調節に使用される。

本実施例では、加熱ローラー中央部温度検出ＴＨ１から検出した７の温度検出１出力と端部温度検知ＴＨ２から検出した８の温度検出２出力を比較する温度差検出回路９を設け、この判定出力により図５中のＳＷ１を開閉可能にする事によりローラー温度分布状態によりＬ２に対する通電制御手段を実現する。

立ち上げ制御時などのＴＨ１が検出したローラー温度とＴＨ２の検出温度がほぼ等しい時等は温度差検出回路９はＳＷ１を閉じて加熱電力的にＬ１＋Ｌ２の大電力立ち上げを可能とし立ち上げ時間短縮が出来る。

また全面画像コピー通紙等で中央部の発熱量が余って端部温度低下が大きい場合等は、温度差検出回路９はＳＷ１を開いて全画面領域で均一となる様に温度を制御する。

ローラー長に対して小サイズの用紙（Ａ４縦送りなど）の時には中央部温度に対して端部温度が上昇するので、温度差検出回路９はＳＷ１を閉じて中央部印可電力を増加させる制御を行うことで、端部温度上昇を防止する。

この様にローラー内側と、外側に配置したコイル長を変更することで多様な通紙サイズに対応した定着器が実現できる。

本発明のもっとも特徴的な加熱ローラーと加熱コイル配置断面図 本発明の加熱コイル配置を組み込んだ定着器の構造図 本発明の加熱コイルを駆動する電源回路のブロック図である 他のコイル配置説明図 本発明における長手方向温度上昇分布を補正する実施例

符号の説明

１００ 誘導加熱定着ローラー
１０１ 圧ローラー
１０９ 定着ローラー芯金
１１０ 弾性ゴム層
１０３ 離型層
Ｌ１ 外側配置誘導加熱磁界発生コイル
Ｌ２ 内側配置誘導加熱磁界発生コイル
１０６ 磁束収束用フェライトコア
１０８ 加熱コイル保持部材

Claims (4)

1. 顕画材（以後トナーと呼ぶ）により記録紙上に顕画像（以後トナー像と呼ぶ）を形成する画像形成手段と、前記記録紙を給紙部から排紙部まで搬送する用紙搬送手段と、トナー像を固着させるための記録紙搬送速度と同じ周速にて回転するローラー状の加熱加圧手段を持つ電子写真装置に於いて、
   前記加熱ローラーの内側と、外側にそれぞれ磁性体から成る磁気回路を構成し
   前記磁気回路それぞれに対し各々長円形状のコイルを巻線し、
   前記コイルに高周波電力を印可することで前記加熱ローラーの芯金層を発熱させ、その発熱層が回転することで、前記記録紙上のトナー像を用紙に加熱加圧する作用により前記トナー像を記録紙に固着させる電子写真装置。
2. 前記加熱ローラーの内側と、外側に配置したそれぞれの磁気回路を加熱ローラー内外で相対させたことを特徴とした前記請求範囲１の電子写真装置。
3. 前記加熱ローラーの材質を熱伝導率の高いＡＬ及びその機械的強度などを改善したＡＬ合金、Ｃｕ系の合金などを使用したことを特徴とする前記請求範囲１の電子写真装置。
4. 顕画材により記録紙上に顕画像を形成する画像形成手段と、前記記録紙を給紙部から排紙部まで搬送する用紙搬送手段と、回転するローラー状の加熱加圧手段によりトナー像を固着させる電子写真装置に於いて、
   前記加熱ローラーの内側と、外側にそれぞれ磁性体から成る磁気回路を構成し
   前記磁気回路それぞれに対し各々長円形状のコイルを巻線し、
   前記コイルに高周波電力を印可することで前記加熱ローラーの芯金層を発熱させる定着装置に置いて前記加熱ローラー外側の長円形状コイルから成る磁気回路の長さを通紙幅以上とし、ローラー内側に内包される長円形状コイルから成る磁気回路長を前記ローラー外周部に配置された該磁気回路より短く形成したことを特徴とした誘導加熱装置。

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