JP2005285655A - 誘導加熱ローラ装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高周波電源の回路電流を低減するとともに、使用する回路部品数を少なくして回路構成を簡単化した誘導加熱ローラ装置およびこれを用いたが画像形成装置を提供する。
【解決手段】
誘導加熱ローラ装置は、誘導コイルＩＣと；誘導コイルＩＣの両端に一端が接続され他端が互いに接続した一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に並列的に接続した定電流化された一対の直流電源ＣＤＣ１、ＣＤＣ２、誘導コイルのインダクタンスと共振回路を形成する共振コンデンサＣ１および誘導コイルＩＣのインダクタンスと直列に接続する直流カットコンデンサＣ３、Ｃ４を含む並列形インバータＰＰＩを主体として構成された高周波電源ＨＦＳと；誘導コイルＩＣに磁気結合して発生した誘導電流により発熱する加熱ローラＨＲと；を具備している。
【選択図】
図１

Description

本発明は、誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた画像形成装置に関する。

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きたが、ウオームアップ時間が長くなったり、熱容量が不足したりするという問題がある。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。

加熱ローラを誘導加熱する方式としては、鉄などの金属に高周波磁界を作用させた際に、金属中に生じる渦電流損により発熱する渦電流損方式と、誘導コイルとトランス結合する２次回路の抵抗中を２次電流が流れることにより発熱するトランス方式とがある。

渦電流損方式は、ＩＨ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。この種の加熱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。この方式の場合、例えばＳＣＲのスイッチングを用いて高周波を発生している（特許文献１参照。）。また、IGBTを用いてスイッチングを行わせているものも知られている（特許文献２参照。）。さらに、MOSFETを用いてスイッチングを行わせているものもある（例えば、特許文献２参照。）。渦電流損方式は、誘導コイルを加熱ローラの外側に配設することが可能なため、加熱ローラの駆動機構が簡単になり、したがって誘導加熱ローラ装置を比較的安価に得ることができる。

一方、トランス方式は、渦電流損を利用する加熱方式より磁気的結合が強いために、かなり高い定常効率を得ることができるという特徴があり、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。

さらに、トランス方式の改良形として、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という著しい効果が得られる空芯トランス結合方式が本発明者によりなされ、本件出願人により特許出願されている（特許文献４参照。）。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。

従来の誘導加熱ローラ装置に用いる高周波電源は、ハーフブリッジ形インバータなどの直列共振動作を行う高周波発生回路を用いていた（例えば、特許文献５参照。）。
特開平１０−０９１０１８号公報 特開２００１−０４３９６４号公報 特開平０８−０４４２２７号公報 特開２００２−２２２６８８号公報 特開２００２−３３４７７３号公報

ところが、直列共振動作を行う高周波発生回路を行う高周波発生回路の場合、回路電流が大きくなって使用する回路部品が相対的に高価になるとともに、使用する回路部品数も多くなるため、高周波電源がコストアップするという問題がある。

本発明は、高周波電源の回路電流を低減するとともに、使用する回路部品数を少なくして回路構成を簡単化した誘導加熱ローラ装置およびこれを用いたが画像形成装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明の誘導加熱ローラ装置は、誘導コイルと；誘導コイルの両端に一端が接続され他端が互いに接続した一対のスイッチング素子、一対のスイッチング素子に並列的に接続した定電流化された一対の直流電源、誘導コイルのインダクタンスと共振回路を形成するコンデンサおよび誘導コイルのインダクタンスと直列に接続する直流カットコンデンサを含む並列インバータを主体として構成された高周波電源と；誘導コイルに磁気結合して発生した誘導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。

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。

＜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て、電磁誘導作用により加熱ローラに高周波電力を伝達するための手段である。また、そのインダクタンスが後述する高周波電源における並列形インバータの並列共振回路のインダクタンスとして利用される。なお、電磁誘導作用は、渦電流損方式およびトランス方式のいずれであってもよい。

誘導加熱が渦電流損方式による場合、誘導コイルは、例えば特開２０００−２１５９７４号公報に記載されているように、被加熱体すなわち加熱ローラに近接して配設され、被加熱体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る構成を採用することができる。なお、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を配設する。また、特開２０００−２１５９７１号公報に記載されているように、電磁誘導発熱性の加熱ローラの内側に誘導コイルを配置し、さらに磁性体からなるギャップ付のコアを付設して、コアのギャップに生じた集中磁界を加熱ローラに作用させるように構成することもできる。

次に、トランス方式の場合、誘導コイルを中空の加熱ローラの内部に挿入して、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うように構成することができる。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。

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したり、薄い絶縁シートに接着したりすることによって、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、加熱ローラの加熱領域に対向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次コイルを後述する高周波電源に対して給電リード線を介して並列接続したり、選択的に付勢できるように誘導コイル選択手段を介して高周波電源に接続したりすることができる。

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。

＜高周波電源について＞ 本発明において、高周波電源は、いわゆる定電流プッシュプル方式の並列形インバータとして動作して高周波電圧を発生して誘導コイルを付勢できるように構成されている。すなわち、高周波電源は、一対のスイッチング素子、定電流化された一対の直流電源、誘導コイルのインダクタンスと共振回路を形成するコンデンサおよび誘導コイルのインダクタンスと直列に接続する直流カットコンデンサを含む並列形インバータを主体として構成されている。

したがって、一対のスイッチング素子は、その一端が誘導コイルの両端に分かれて接続され、他端が互いに接続している。すなわち、一対のスイッチング素子は、誘導コイルを介して並列接続している。そして、交互にスイッチング動作を行う。一対のスイッチング素子を交互にスイッチングするために、分配器を用いることによって単一の駆動信号発生回路から発生する駆動信号を位相が１８０°ずれた駆動信号に分配して、一対のスイッチング素子に供給するように構成することができる。この場合の分配器として、例えば駆動信号発生回路の出力端間に逆極性に並列接続した一対のインダクタを備えた分配器を用いることができる。スイッチング素子としては、高周波でスイッチングすることのできるものであればどのような素子であってもよい。例えば、好ましくは高速タイプのバイポーラトランジスタ、MOSFETなどを用いることができる。また、一対のスイッチング素子は、２個のスイッチング素子からなる態様だけでなく、それぞれが並列的に運転される複数のスイッチング素子からなる態様をも含む概念である。

定電流化された一対の直流電源は、定電流電源回路や直流電源にインダクタを直列接続して定電流化された電源などからなり、一対のスイッチング素子に対して並列的に接続されている。なお、後者の回路構成の場合、一対のインダクタを平衡トランスにより構成することにより、単一の直流電源を共有化できる。また、直流電源としては、低周波交流電源、例えば商用交流電源を整流した整流化直流電源を用いることができる。

共振回路を形成するコンデンサは、誘導コイルに並列接続したり、２個に分かれて一対のスイッチング素子に並列接続したりして、並列共振回路を構成している。なお、並列共振回路の共振周波数は、一対のスイッチング素子におけるスイッチング周波数以上になるように設定するのがよい。そうすれば、並列インバータを遅相領域で安定した運転を行うことができる。また、共振用のコンデンサを上記のように２個に分けることによって、コンデンサの耐圧を１／２にすることができる。

直流カットコンデンサは、定電流化された一対の直流電源から見て誘導コイルのインダクタンスと直列接続する。また、直流カットコンデンサは、２個に分けて上記インダクタンスの両端に接続するか、いずれか一方の端部側において直列接続する。

また、高周波電源は、以上の各回路要素を含んで構成される並列インバータに加えて、整合回路やノイズフィルタ回路などを所望により適宜付加することが許容される。

さらに、高周波電源は、その出力周波数（またはその範囲）が基本的に限定されるものではないが、トランス方式の場合には、一般的には２０ｋＨｚ以上の高周波を出力するように構成される。しかし、好適には１ＭＨｚ以上である。なぜなら、１ＭＨｚ以上の高周波にすることにより、導誘コイルのＱを大きくして電力伝達効率をより一層高くすることが可能になるからである。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。しかし、実際には１５ＭＨｚ以下、好ましくは４ＭＨｚ以下の周波数にすることにより、放射ノイズの問題をなるべく回避しやすくすることができる。なお、適合する能動素子（例えば、後述するようにMOSFETを用いることができる。）の経済性および高周波ノイズ抑制の容易性などの観点からは、好適には１〜４ＭＨｚである。
また、渦電流損方式の場合には、２０〜１００ｋＨｚの範囲の周波数が好適である。

さらにまた、高周波電源の出力周波数は、一定であってもよいし、可変であってもよい。誘導コイル選択手段がフィルタ手段または共振回路からなる場合、高周波電源の出力周波数を可変にする必要がある。高周波電源の出力周波数を可変にするには、例えば励振回路の発振周波数を可変にするなど既知の周波数可変手段を用いることができる。なお、要すれば、例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、急速加熱を行うように構成することができる。

＜加熱ローラについて＞ 加熱ローラは、渦電流損方式の場合、鉄などの渦流損を生じやすい磁性体製の発熱層を備えた加熱ローラを用いることができる。これに対して、トランス方式の場合、閉回路を形成した２次コイルからなる発熱層を備えていて、この２次コイルが１次コイルと空芯トランス結合する。そして、閉回路の２次側抵抗値は、２次コイルの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、数式１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。

〔数１〕
０．２５＜α＜４
また、加熱ローラは、２次コイルを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ことが望ましい。２次コイルを支持するために、絶縁性物質からなるローラ基体を用いることができる。そして、ローラ基体の外面、内面またはローラ基体の内部に２次コイルを配設することができる。

さらに、加熱ローラは、その利用上被加熱体のサイズに応じて軸方向に沿って複数の加熱領域に区分することができる。例えば、画像を形成した記録媒体の定着など被加熱体を加熱する目的で加熱ローラを使用する場合、被加熱体の幅サイズに応じて適切な加熱領域を選択できるように構成されている。これらの加熱領域は、見かけ上識別できなくてもよいが、後述する誘導コイルとの協働によって加熱が区分される。画像定着の場合を例として加熱領域を説明する。例えば、画像が形成されたＡ４サイズの定着用紙からなる被定着体を定着する場合、被定着体を縦置きにして定着させるのと、横置きにするのとでは、必要な加熱領域の長さが異なる。また、例えばＡ４サイズの被定着体を定着する場合と、Ｂ４サイズの被定着体を定着する場合とでも必要な加熱領域幅が異なる。一方、定着に必要な加熱領域以外の領域まで一様に発熱させるのでは電力の無駄であるとともに、前述したように加熱ローラの軸方向の温度分布が不均一になるので、回避しなければならない。他方、必要な加熱領域内においては、なるべく均一な発熱が必要になる。また、２つの異なる加熱領域であっても、いずれの領域に対しても共通に寄与する共通加熱部位と、それぞれの加熱領域に対してのみ寄与する単独加熱部位とがあり得る。さらに、共通加熱部位と単独加熱部位との配置の態様は、共通加熱部位を左右いずれか一方に片寄せして、単独加熱部位をいずれか他方に寄せて配置する態様と、共通加熱部位を中央に配置して、その左右に単独加熱部位を配置する態様とがあるが、本発明においては、以上のいずれか一または全部に対応可能になっていることを許容する。

さらにまた、トランス方式の場合、発熱層を導体層、導電線または導電板などの導体により形成することができる。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。導電線または導電板は、Ｃｕ、Ａｌなどを用いることができる。なお、Ｃｕ、Ａｌの場合は、酸化を防止するために、防錆被膜を表面に形成するのが好ましい。また、ローラ基体をＦｅやＳＵＳ（ステンレス鋼）で構成する場合、ローラ基体の表面層が高周波の表皮効果によって２次コイルすなわち発熱層として作用する。したがって、上記のような格別の発熱層を配設しなくてもよい。しかし、この場合であっても、要すればローラ基体とは別に発熱層を配設することができる。なお、ＦｅやＳＵＳからなるローラ基体においても、表面に亜鉛被膜などの防錆皮膜を形成することができる。

一方、渦電流損方式の場合、発熱層を例えばＦｅ、ＳＵＳ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属により構成することができる。

次に、より一層実際的な加熱ローラを得るために、必要に応じて以下の構成を付加することが許容される。

１．（ローラ基体について） 発熱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、発熱層は、ローラ基体の外面、内面または内部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、強い衝撃性および機械的強度などを考慮して、例えば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、例えばアルミナ、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、例えば結晶化ガラス、石英ガラスおよびパイレックス（登録商標）などである。

２．（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、必要に応じて発熱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、発熱層と同一材料であってもよい。

また、熱拡散層が導電性物質からなる場合、発熱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、放射ノイズの輻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。

３．（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。

４．（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。

５．（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。なお、トナー画像を熱定着する場合には、加熱ローラと正対して加圧ローラを配設して、両ローラの間をトナー画像が形成された記録媒体が通過する際に加熱されてトナーが記録媒体に融着するように構成することができる。

＜本発明の作用について＞ 本発明においては、誘導コイルのインダクタンスが並列インバータにおける並列共振回路を形成するので、共振用のインダクタを誘導コイルと別に設ける必要がなくて回路部品数が少なくなり、したがって回路構成が簡単になる。この場合、誘導コイルにセンタータップを形成して、これを高周波電源まで導出する必要がなくなるので、誘導加熱ローラ装置の構造が簡単になる。

また、インバータが並列共振回路を用いるために、回路電流が少なくなり、したがって回路部品が安価になる。

以上の作用を奏することで、誘導コイルを付勢するのに好適な高周波電源を安価に得ることができる。

請求項２の発明の画像形成装置は、記録媒体に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；請求項１記載の誘導加熱ローラ装置を含み、画像形成装置本体に配設されて記録媒体の画像を定着する定着装置と；を具備していることを特徴としている。

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。

画像形成装置としては、例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。

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。

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、両ローラ間に画像、例えば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画像を定着するように配設された請求項１記載の誘導加熱ローラ装置とを備えている。ここで、「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。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。本発明において、記録媒体は、請求項１の発明における被加熱体に相当する。

誘導コイルが加熱ローラに対して、加熱ローラの特定部位により接近しているために、当該特定部位をより多く加熱するように配設されている場合、上記の最接近部を加圧ローラに正対させるか、加熱ローラの回転方向のやや前方に正対させれば、最接近部に発生する高熱を利用して被加熱体を効果的に加熱することができる。なお、上記の前方の位置とは、高い温度が得られる効果的な範囲であり、具体的には加熱ローラの周面における回転速度などの設計条件にもよるが、一般的には０°超〜９０°の範囲内であればよい。しかし、好適には５〜６０°の範囲内である。

そうして、本発明においては、画像形成装置が請求項１におけるの同様な作用を奏する。

請求項１の発明によれば、誘導コイルのインダクタンスを並列共振回路のインダクタンスとして利用することで回路部品数を削減するとともに回路電流が低減するので、高周波電源が安価になる誘導加熱ローラ装置を提供することができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の効果を有する画像形成装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。

図１ないし図３は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第１の形態を示し、図１は全体を示す回路図、図２は加熱ローラおよび誘導コイルの中央断面正面図、図３は同じく横断面図である。本形態において、誘導加熱ローラ装置は、高周波電源ＨＦＳ、誘導コイルＩＣおよび加熱ローラＨＲを具備していて、空芯トランス結合を行うトランス方式の誘導加熱を行うように構成されている。なお、ＡＣ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。

＜高周波電源ＨＦＳ＞ 高周波電源ＨＦＳは、図１に示すように、後述する誘導コイルＩＣ、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、一対の定電流直流電源ＣＤＣ１、ＣＤＣ２、誘導コイルＩＣのインダクタンスと並列共振回路ＰＲＣを形成するコンデンサＣ１および誘導コイルＩＣのインダクタンスの両端において、当該インダクタンスと直列に接続する一対の直流カットコンデンサＣ３、Ｃ４により構成された並列形インバータＰＰＩからなる。

誘導コイルＩＣは、そのインダクタンスが並列共振回路のインダクタンスとしても作用する。

一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、それぞれMOSFETからなり、誘導コイルＩＣを介して並列接続している。すなわち、ドレインが誘導コイルＩＣの両端に接続し、ソース同士が直接接続している。そして、交互に高周波でスイッチングを行う。

一対の定電流直流電源ＣＤＣ１、ＣＤＣ２は、それぞれ直流定電流回路により構成されている。そして、定電流直流電源ＣＤＣ１がスイッチング素子Ｑ１に、また定電流直流電源ＣＤＣ２がスイッチング素子Ｑ２に、それぞれ並列接続している。

共振コンデンサＣは、誘導コイルＩＣに並列接続していて、誘導コイルＩＣのインダクタンスとともに並列共振回路ＰＲＣを形成する。

一対の直流カットコンデンサＣ３、Ｃ４は、誘導コイルＩＣの両端側に分かれて並列共振回路ＰＲＣ内において、誘導コイルＩＣと直列接続している。

以上のように構成された並列インバータＰＰＩは、次のようにその回路動作を行う。すなわち、図１において、スイッチング素子Ｑ１がオンし、Ｑ２がオフしたときに、定電流直流電源ＣＤＣ１からスイッチング素子Ｑ１に電流が流れる。これと同時に並列共振回路ＰＲＣに共振電流が流れる。これにより、誘導コイルＩＣは励磁される。

次に、スイッチング素子Ｑ１がオフして、スイッチング素子Ｑ２がオンすると、定電流直流電源ＣＤＣ２からスイッチング素子Ｑ２に電流が流れる。これと同時に並列共振回路ＰＲＣに共振電流が流れる。これにより誘導コイルＩＣは励磁される。なお、直流カットコンデンサＣ３、Ｃ４は、一対の定電流直流電源ＣＤＣ１、ＣＤＣ２が誘導コイルＩＣにより短絡されるのを阻止する。

以後、以上の回路動作を並列共振回路の共振周波数以下であるとともに、ほぼ同等の周波数で繰り返すようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を交互に駆動する。その結果、並列共振回路ＰＲＣ内には、高周波並列共振動作が連続的に行われ、誘導コイルＩＣが励磁される。なお、一対の定電流直流電源ＣＤＣ１、ＣＤＣ２を一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の動作に同期してオン、オフするように構成することができる。

＜誘導コイルＩＣについて＞ 誘導コイルＩＣは、図２および図３に示すように、加熱ローラＨＲの内部にわずかな隙間を残して同軸関係に、かつ、静止状態で配設されている。そして、加熱ローラＨＲの発熱層ｗｓに空芯トランス結合している。また、誘導コイルＩＣは、図２および図３に示すように、コイルボビン８に巻装されて、加熱ローラＨＲの軸方向に分散して配置されている。さらに、誘導コイルＩＣは、給電リード線９ａ、９ｂ間に接続されている。給電リード線９ａ、９ｂは、後述する高周波電源ＨＦＳの出力端に接続する。

コイルボビン８は、例えばフッ素樹脂製の円柱体からなり、凹部８ａ、支持部８ｂおよび通線溝８ｃを有している。凹部８ａは、コイルボビン８の先端中央に形成されていて、回転機構ＲＭに相対的に回転自在に係止している。支持部８ｂは、コイルボビン８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８ｃは、コイルボビン８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９ａ、９ｂを収納する。なお、給電リード線９ａ、９ｂは、図３に示すように、通線溝８ｃ内に収納されて、コイルボビン８の基端側から外部へ導出されている。

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９ａ、９ｂは通線溝８ｃ内に収納されて誘導コイルＩＣ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９ａ、９ｂ内には殆ど渦電流損が発生しない。

一方、誘導コイルＩＣは、第２の端部部材３Ｂのリング部３ｄ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８の先端に形成された凹部８ａが第１の端板３Ａの尖端部３ｃに係合し、かつ、前述したように基端に形成した支持部８ｂ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。

＜加熱ローラＨＲについて＞ 加熱ローラＨＲは、ローラ基体１、２次コイルすなわち発熱層ｗｓおよび保護層２を備えて構成されているとともに、回転機構ＲＭにより回転駆動される。ローラ基体１は、アルミナセラミックス製の円筒体からなり、例えば長さ３００ｍｍ、厚み３ｍｍである。発熱層ｗｓは、Ｃｕの蒸着膜からなるフィルム状をなした円筒状の１ターンコイルからなり、ローラ基体１の外面において、軸方向の有効長のほぼ全体にわたって配設されている。そして、発熱層ｗｓの厚みは、加熱ローラＨＲにおける周回方向の２次側抵抗Ｒの値が２次リアクタンスとほぼ同じ値の１Ωになるように設定されている。保護層２は、フッ素樹脂からなり、２次コイルｗｓの外面を被覆して形成されている。

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、以下のように構成されている。すなわち、図２に示すように、第１の端部部材３Ａ、第２の端部部材３Ｂ、一対の軸受４、４、ベベルギア５、スプラインギア６およびモータ７を備えて構成されている。第１の端部部材３Ａは、キャップ部３ａ、駆動軸３ｂおよび尖端部３ｃからなる。キャップ部３ａは、加熱ローラＨＲの図２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３ｂは、キャップ部３ａの外面の中央部から外方へ突出している。尖端部３ｃは、キャップ部３ａの内面の中央部からキャップ部３ａの内方へ突出している。第２の端部部材３Ｂは、リング部３ｄからなる。リング部３ｄは、加熱ローラＨＲの図２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。一対の軸受４、４の一方は、第１の端部部材３Ａにおけるキャップ部３ａ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３Ｂの外面を回転自在に支持する。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３Ａ、３Ｂと、一対の軸受４、４とにより回転自在に支持されている。ベベルギア５は、第１の端板３Ａの駆動軸３ｂに装着されている。スプラインギア６は、ベベルギア５に噛合している。モータ７は、そのロータ軸がスプラインギア５に直結している。

ところで、高周波電源ＨＦＳにより誘導コイルＩＣが励磁されると、誘導コイルＩＣがトランスの１次コイルとなり、誘導コイルＩＣにトランス結合する加熱ローラＨＲの発熱層ｗｓが２次コイルとなるので、発熱層ｗｓに２次電流が流れる。発熱層ｗｓは、その抵抗に基づいて回転しながら発熱する。

以下、図４ないし図７を参照して本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第２ないし第５の形態を説明する。なお、各図において、図１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。

図４は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第２の形態における全体を示す回路図である。本形態は、並列共振回路ＰＲＣの共振コンデンサが２個のコンデンサＣ１、Ｃ２からなる。そして、コンデンサＣ１は、スイッチング素子Ｑ１に並列接続する。また、コンデンサＣ２は、スイッチング素子Ｑ２に並列接続する。

そうして、コンデンサＣ１、Ｃ２がアースを介して直列回路を形成し、この直列回路が誘導コイルＩＣと並列に接続して並列共振回路ＰＲＣを形成する。

図５は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第３の形態における全体を示す回路図である。本形態は、一対の直流電源が単一の整流化直流電源ＤＣおよび一対のインダクタＬ１、Ｌ２からなる。インダクタＬ１、Ｌ２の一端は、整流化直流電源ＤＣの正極に接続している。インダクタＬ１の他端は、スイッチング素子Ｑ１および並列共振回路ＰＲＣの接続点に接続している。なお、整流化直流電源ＤＣの負極はアースされている。インダクタＬ２の他端は、スイッチング素子Ｑ２および並列共振回路ＰＲＣの接続点に接続している。

図６は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第４の形態における高周波電源を示す回路図である。本形態は、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がバイポーラトランジスタからなるとともに、定電流化された一対の直流電源が単一の整流化直流電源（図示しない。）および平衡トランスを構成し、それぞれの極性が図示のように設定されている一対のインダクタＬ１、Ｌ２からなる。インダクタＬ１、Ｌ２の一端は、整流化直流電源の正極側に接続する。インダクタＬ１の他端は、スイッチング素子Ｑ１および並列共振回路ＰＲＣの接続点に接続している。インダクタＬ２の他端は、スイッチング素子Ｑ２および並列共振回路ＰＲＣの接続点に接続している。なお、単一の整流化直流電源は、コネクタＣＮ１に接続される。また、符号ＤＳＧは駆動信号発生回路で、コネクタＣＮ２には図示しない発振器が接続される。

また、図において、符号ＤＩＳは分配器で、駆動信号を１８０°位相のずれた駆動信号に分配して一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に供給する。さらに、符号ＮＦはノイズフィルタ、ＭＣ１、ＭＣ２は整合回路であり、それぞれインピーダンス変換回路からなる。

図７は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第５の形態における全体を示す回路図である。図において、図６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。本形態は、一対のスイッチング素子がそれぞれ並列動作を行う一対のスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２とＱ２１、Ｑ２２とにより構成されている。駆動信号発生回路ＤＳＧは、それぞれのスイッチング素子ごとに配設されるが、駆動信号用の発振器および分配器ＤＩＳは、各駆動信号発生回路に対して共用されるように構成されている。なお、上記発振器は、図において、コネクタＣＮ２には接続される。また、分配器ＤＩＳは、駆動信号用発振器の出力を１８０°位相のずれた駆動信号に分配して一対のスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２と、Ｑ２１、Ｑ２２との各駆動信号発生回路に供給する。

図８および図９は、本発明の画像形成装置を実施するための一形態としての複写機を示し、図８は全体の概念的断面図、図９は定着装置の断面図である。各図において、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。

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。

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。

定着装置３３は、図９に示すように、記録媒体に付着したトナーを加熱溶融して熱定着する。また、定着装置３３は、誘導加熱ローラ装置２１、加圧ローラ２２および架台２５を備えている。なお、図中符号２３は記録媒体、２４はトナーである。加圧ローラ２２は、誘導加熱ローラ装置２１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。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。なお、記録媒体２３は、トナー画像が形成されていて、被加熱体に相当している。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。

そうして、定着装置３３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。

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。

本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第１の形態の全体を示す回路図 同じく加熱ローラおよび誘導コイルの中央断面正面図 同じく横断面図 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第２の形態における全体を示す回路図 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第３の形態における全体を示す回路図 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第４の形態における全体を示す回路図 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第５の形態における全体を示す回路図す回路図 本発明の画像形成装置を実施するための一形態としての複写機の全体を示す概念的断面図 同じく定着装置の断面図

符号の説明

Ｃ１…共振コンデンサ、Ｃ３、Ｃ４…直流カットコンデンサ、ＣＤＣ１、ＣＤＣ２…一対の定電流化直流電源、ＨＦＳ…高周波電源、ＨＲ…加熱ローラ、ＩＣ…誘導コイル、Ｌ１、Ｌ２…一対のインダクタ、ＰＰＩ…並列インバータ、ＰＲＣ…並列共振回路、Ｑ１、Ｑ２…一対のスイッチング素子

Claims (2)

1. 誘導コイルと；
   誘導コイルの両端に一端が接続され他端が互いに接続した一対のスイッチング素子、一対のスイッチング素子に並列的に接続した定電流化された一対の直流電源、誘導コイルのインダクタンスと共振回路を形成するコンデンサおよび誘導コイルのインダクタンスと直列に接続する直流カットコンデンサを含む並列形インバータを主体として構成された高周波電源と；
   誘導コイルに磁気結合して発生した誘導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。
2. 記録媒体に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；
   加圧ローラを備えた定着装置本体および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、両ローラ間に画像が形成された記録媒体を挟んで搬送しながら画像を定着するように配設された請求項１記載の誘導加熱ローラ装置とを備えた定着装置と；
   を具備していることを特徴とする画像形成装置。

Images