JP2005293905A - 誘導加熱ローラ装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
加熱効率が高い渦電流損方式の誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた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、誘導電流により発熱する加熱ローラＨＲと；加熱ローラＨＲの長手方向に沿った加熱領域に対向しながら隣接し、かつ、それぞれの軸が加熱ローラの加熱領域にほぼ直交するように配設された実質的に空芯である複数の誘導コイルＩＣと；複数の誘導コイＩＣに高周波電力を供給する高周波電源ＨＦＳと；を具備している。
また、他の誘導加熱ローラ装置は、加熱ローラＨＲと；その長手方向の加熱領域に対向し、かつ、その軸が発熱層にほぼ直交する誘導コイルＩＣと；加熱ローラの発熱層２を挟んで誘導コイルＩＣと対向する強磁性体ＦＭと；誘導コイＩＣに高周波電力を供給する高周波電源ＨＦＳと；を具備している。
【選択図】
図３

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、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。この種の目的のための誘導加熱方式として渦電流損方式（例えば、特許文献１および２参照。）が知られている。特許文献１の場合、誘導コイルは、そのコイルが加熱ローラの軸方向に細長い長円形状をなし、かつ、複数のコイルが被加熱体すなわち加熱ローラの円弧面に近接するように互いにコイルの軸方向にずらして３次元形状に配置することによって、表面が円弧状に湾曲している。

これに対して、特許文献２の場合、電磁誘導発熱性の円筒状加熱ローラの内側に誘導コイルを配置し、さらにこの誘導コイルに対して磁性体からなり、かつ、加熱ローラの軸方向に沿って延在してい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している。この場合の誘導コイルもまた、加熱ローラの軸方向に細長い長円形状をなしている。

また、特許文献１および２に記載された従来技術は、そのいずれも加熱ローラに対して単一の誘導コイルを用いている。したがって、加熱ローラの軸方向に長い加熱領域を確保するために、単一の誘導コイルを上記のように極端に長い長円形状に巻回している。
特開２０００−２１５９７４号公報 特開２０００−２１５９７１号公報

ところが、上述の従来技術は、そのいずれも誘導コイルが加熱領域に対して単一で、かつ、加熱ローラの軸方向に細長い誘導コイルを用いているために、以下に示す問題がある。
１．誘導コイルが長円形状であると、コイル効率が極端に低くなる。コイル効率を改善するためには、コアを組み合わせる必要がある。コアを組み合わせることによって、構造が複雑化し、コストアップとなるばかりか、誘導加熱ローラ装置の大型化、重量化を招く。また、コアを組み合わせることで、誘導コイル、したがって誘導加熱ローラ装置の熱容量が大きくなり、誘導コイルが加熱ローラに発生した熱を吸収する。そのために、加熱ローラの加熱効率が低下する。
２．誘導コイルが長円形状であると、コイルの整形が困難になる。これに伴って、誘導コイルがコストアップになる。

本発明は、加熱効率が高い渦電流損方式の誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた画像形成装置を提供することを共通の目的とする。

また、本発明は、コイル効率が高くて、加熱効率が高い渦電流損方式の誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた画像形成装置を提供することを具体的な目的とする。

さらに、本発明は、誘導コイルと協働する強磁性体を備えることで、加熱効率が高い渦電流損方式の誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた画像形成装置を提供することを他の具体的な目的とする。

請求項１の発明の誘導加熱ローラ装置は、誘導電流により発熱する加熱ローラと；加熱ローラの長手方向に沿った加熱領域に対向しながら隣接し、かつ、それぞれの軸が加熱ローラの加熱領域にほぼ直交するように配設された実質的に空芯である複数の誘導コイルと；複数の誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源と；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。

＜加熱ローラについて＞ 加熱ローラは、後記誘導コイルに磁気結合して誘導電流により発熱する。誘導コイルによる加熱ローラの発熱は、渦電流損方式により行われる。そして、渦電流損方式による加熱を行うのに適当な抵抗値を有する導体すなわち発熱層が加熱ローラの周面に円筒状に配設されている。発熱層は、これを薄くすることができる。薄くすることにより、加熱ローラの熱容量を小さくして誘導加熱による温度上昇を早くすることができ、その結果加熱効率を高めることができる。発熱層は、好ましくはこれを表皮深さ以下に設定するのがよい。なお、「表皮深さ」とは、表皮効果を奏する深さをいう。したがって、発熱層の肉厚は、渦電流損方式の場合、０．１〜１００μｍの範囲内にするのが好ましい。このような薄肉の発熱層は、構成材料を蒸着、スパッタリングおよび化学的被着などの手段を用いてこれを形成することができる。

また、加熱ローラは、その発熱層の配設数が軸方向に対して単一および複数のいずれであってもよい。複数の発熱層を配設する場合、それらを加熱ローラの軸方向に分散して配設する。発熱層を支持するために、絶縁性物質または適度の導電性を有する金属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発熱層を配設することができる。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。

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されているように構成することができる。すなわち、トナー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。トナー画像定着の場合を例として加熱領域を説明する。例えば、トナー画像が形成されたＡ４サイズの記録媒体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サイズの記録媒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、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。

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、発熱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。

＜複数の誘導コイルについて＞ 複数の誘導コイルは、後述する高周波電源により励磁されたときに、そこに発生する磁束を加熱ローラに鎖交させて加熱ローラに貫通する磁束の周囲に渦電流を誘導させて抵抗発熱を発生させることによって、加熱ローラを所要に加熱するための高周波電力伝達手段である。本発明において、複数の誘導コイルは、加熱ローラの長手方向に沿った加熱領域に対向し、かつ、加熱ローラの軸方向に沿って隣接して配置されている。そして、それぞれの軸が加熱ローラの加熱領域にほぼ直交するように配設されている。また、複数の誘導コイルは、それぞれ実質的に空芯に構成されている。なお、「実質的に空芯」とは、全体として空芯といえる程度であればよいことを意味する。

上記の構成を備えている結果、一つの加熱領域に対して複数の誘導コイルが配設される。したがって、複数の加熱領域が設定されている場合には、それぞれの加熱領域に複数の誘導コイルが配設される。ただし、複数の加熱領域を配設する場合、各加熱領域における加熱ローラの軸方向の長さは、設定を自由に行うことができるので、これに伴い加熱領域に配設する誘導コイルの数は互いに異なっていてもよいし、加熱領域の大きさに応じて大きさのコイルにしたうえで同数としてもよい。

また、複数の誘導コイルは、各加熱領域を所望に加熱するために、それぞれのコイルターン数およびコイル径を適宜に設定することができる。さらに、コイルの形状は、ほぼ真円形、ほぼ四角形、長円形または楕円形など所望の形状であることを許容する。なお、上記において、「ほぼ」とは、真円形や四角形を含む意味である。また、コイルの形状が長円形や楕円形の場合、それらの長軸が加熱ローラの軸方向に直交するように配置することにより、より一層均一な温度分布で加熱ローラの加熱を可能にする。

さらに、複数の誘導コイルは、加熱ローラの所望の回転角度位置を集中的に加熱できるように、コイルの大きさを比較的小さく設定することができる。なお、「加熱ローラの所望の回転角度位置」としては、例えば被加熱体を加熱する角度位置またはその直前の角度位置とすることができる。

さらにまた、複数の誘導コイルは、加熱ローラの外側および内側いずれか一方または両方に配置することができる。

＜高周波電源について＞ 高周波電源は、複数の誘導コイルを経由して加熱ローラの発熱層に渦電流損方式により高周波電力を供給して加熱ローラを所要に加熱するための高周波電力発生手段である。この目的のために、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。しかしながら、渦電流損方式の加熱を行うには、２０〜１００ｋＨｚの範囲の周波数が好適であるが、これ以上であってもよい。また、周波数の上限としては１５ＭＨｚ以下にすることにより、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４ＭＨｚ以下にするのがよい。

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。例えば、誘導加熱ローラ装置が複数の誘導コイルおよび誘導コイルを選択する誘導コイル選択手段を具備する場合であって、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には、高周波電源の出力周波数を可変にする必要がある。また、加熱ローラの発熱層の構成材料に応じて加熱効率が高くなるようにするために、最適な周波数を出力できるように周波数を切り換え可能に構成することもできる。

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。

次に、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半導体スイッチ素子などの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、整流手段を用いていったん低周波交流を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、増幅器または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、例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もできる。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。

また、高周波電源は、複数の誘導コイルに対して共通に配設するようにこれを構成することができる。しかし、要すれば、高周波電源を複数の誘導コイルに対してそれぞれ個別に、またはグループ化して複数の高周波電源を配設することも許容される。

さらに、高周波電源は、商用交流電源などの交流電圧を整流する整流化直流電源を備えて高周波電圧に変換するための直流電圧を得ることができる。また、高周波電圧に変換するための直流電圧が所望値に対して過不足がある場合には、整流化直流電源と高周波発生回路との間に昇圧チョッパまたは降圧チョッパなどの直流スイッチングレギュレータを介在させることができる。

さらにまた、高周波電源は、負荷回路を介してその高周波発生回路から出力される高周波を取り出すことができる。負荷回路は、高周波電圧に直列共振する共振回路を含み、インピーダンス変換を行わせることができる。また、高周波電源は、整合回路を含むことができる。整合回路は、高周波電源と誘導コイルとの間の高周波電力の反射を抑制して、高周波電力を誘導コイルに効率よく伝達するための手段である。さらに、高周波電源は、出力回路を含むことができる。出力回路とは、異なる出力周波数のそれぞれにおいて、高周波電源ＨＦＳを効率が高い状態で作動させるために、高周波電源ＨＦＳに対する負荷として異なる周波数においてインピーダンス変換を行うことにより、ほぼ等しいインピーダンスおよび位相差を呈するように作用して、高周波電力を効率よく出力するための手段である。

＜本発明の作用について＞ 本発明においては、加熱ローラの加熱領域は、加熱ローラの軸方向に隣接して配設された実質的に空芯である複数の誘導コイルを経由して渦電流損方式により加熱される。したがって、誘導コイルとしてコイルの形状の縦横比が１に近い誘導コイルを用いることができる。このようなコイルは、空芯であってもコイル効率が高いことが既知であり、全体として加熱ローラの加熱領域を加熱効率の高い加熱を行うことが可能になる。

また、誘導コイルは、極端に細長く整形する必要がないので、製作が容易である。

さらに、誘導コイルは、実質的に空芯であるから、熱容量が小さくなり加熱効率が高くなるとともに、軽量であり、また小形化することができる。

＜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付加することにより、さらに効果的な誘導加熱ローラ装置を得ることができる。

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。

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、例えば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。

３．（搬送シートについて） 加熱ローラを用いてシート状の記録媒体を加熱する際に、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。

請求項２の発明の誘導加熱ローラ装置は、請求項１記載の誘導加熱ローラ装置において、複数の誘導コイルは、コイルの横縦比が０．５〜１．０であることを特徴としている。

本発明は、複数の誘導コイルの好適な横縦比を規定している。本発明において、「横縦比」とは、コイルの加熱ローラの軸方向に沿った方向の寸法を横とし、軸方向に直交する方向の寸法を縦としたときの横／縦の比率をいう。しかし、コイルの形状は問わない。したがって、コイルは、請求項１の発明におけるのと同様にほぼ真円形、ほぼ四角形、長円形または楕円形など所望の形状であることを許容する。コイルの横縦比が０．５未満になると、コイル効率が低下しすぎる。コイルの横縦比が１．０を超えると、加熱ローラの軸方向に配設できる誘導コイルの数が少なくなり、加熱ローラに高周波電力を投入しにくくなる。

そうして、本発明においては、加熱ローラの軸方向に配設される複数の誘導コイルの横縦比を上記のように規定したことにより、個々の誘導コイルのコイル効率を高く維持しながら、全体として加熱ローラを高い加熱効率で加熱することが可能になる。

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、複数の誘導コイルは、隣接部がほぼ直線状をなしていることを特徴としている。

本発明において、誘導コイルの隣接部がほぼ直線状をなしている形状に構成するには、誘導コイルのコイル形状が例えばほぼ四角形や長円形などであればよい。

そうして、本発明においては、複数の誘導コイルにおける加熱ローラの均一な温度分布を得るのに好適なコイル形状を規定している。すなわち、複数の誘導コイルの隣接部がほぼ直線状をなしているため、近接して配設すると、磁束が加熱ローラの軸方向に比較的均一に分布して発生する。その結果、加熱ローラの軸方向の温度分布が均一化する。

請求項４の発明の誘導加熱ローラ装置は、誘導電流により発熱する発熱層を備えた加熱ローラと；加熱ローラの長手方向に沿った加熱領域の発熱層に対向し、かつ、その軸が加熱ローラの加熱領域にほぼ直交するように配設された誘導コイルと；加熱ローラの発熱層を挟んで誘導コイルと対向するように配設された強磁性体と；誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源と；を具備していることを特徴としている。

本発明は、誘導コイルと協働する強磁性体を付加することにより、加熱効率が高い渦電流損方式による加熱を行うように構成している。すなわち、本発明においては、加熱ローラの発熱層を挟んで誘導コイルと対向する強磁性体を配設している。この強磁性体としては、例えば高透磁率フェライト、合金磁心材料あるいは鉄またはその合金など既知の材料を用いることができる。また、強磁性体は、加熱ローラと別体として、または一体として構成することができる。

誘導コイルは、請求項１の発明におけるように、その複数が加熱ローラの軸方向に沿って隣接して配設されているような構成であることを許容する。また、所望により、誘導コイルには、特許文献１、２などに示されている従来技術のように、加熱ローラの軸方向に沿って細長い構成であってもよい。上記のいずれの態様であったとしても、加熱ローラに複数の加熱領域を配設する場合は、各加熱領域ごとに上述の態様を採用することができるものである。

また、誘導コイルは、空芯およびコアを有する有芯のいずれであってもよい。さらに、誘導コイルは、加熱ローラの内部に配設される構成および外部に配設される構成のいずれであってもよい。なお、誘導コイルが加熱ローラの内部に配設される場合、強磁性体は加熱ローラの外部に配設される。また、誘導コイルが加熱ローラの外部に配設される場合、強磁性体は加熱ローラの内部に配設される。強磁性体を加熱ローラの内部に配設する場合、強磁性体を静止状態に配設したり、加熱ローラの内面に一体に配設したりすることができる。

そうして、本発明においては、強磁性体を上記のように配設していることにより、誘導コイルの励磁によって発生した磁束が磁気抵抗の小さい強磁性体に吸い寄せられるため、発生した磁束のうち加熱ローラの発熱層を貫通する割合が増加する。その結果、発熱層に誘起される渦電流が増大する。渦電流が発熱層内を流れることによって、発熱層の抵抗による抵抗発熱が生じるので、加熱ローラは加熱される。したがって、本発明によれば、強磁性体を配設しない場合に比較して、加熱ローラの加熱効率が向上する。

これに対して、強磁性体を配設しない場合は、誘導コイルにより発生した磁束が加熱ローラの発熱層を貫通しない割合が相対的に多くなる。そのため、加熱ローラの加熱効率が低下しやすくなる。

請求項５の発明の誘導加熱ローラ装置は、請求項３記載の誘導加熱ローラ装置において、強磁性体は、加熱ローラと一体化されていることを特徴としている。

本発明は、強磁性体の配設のための好適な構成を規定している。すなわち、強磁性体が加熱ローラに一体化されていることにより、強磁性体を別に支持するための格別な構造を必要としない。しかし、強磁性体を一体化することにより、加熱ローラの熱容量が大きくなるのを避けたいならば、強磁性体と発熱層との間に耐熱性熱絶縁体を介挿させることができる。

また、強磁性体は、これを加熱ローラとしての機能からその発熱層を強磁性体より加熱ローラの表面側に配置する必要があるため、筒状の加熱ローラの内面側に配置することになる。したがって、誘導コイルは、加熱ローラの外側に配設するのがよい。

請求項６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；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ないし５のいずれか一記載の誘導加熱ローラ装置を備え、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。

画像形成装置本体は、画像形成装置から定着装置を除いた残余の部分であり、画像形成手段を備えている。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、例えば転写材シート、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ないし５のいずれか一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、加熱ローラの長手方向に沿った加熱領域に対向しながら隣接し、かつ、それぞれの軸が加熱ローラの加熱領域にほぼ直交するように配設された実質的に空芯である複数の誘導コイルを具備していることにより、加熱効率が高い渦電流損方式の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、加えて複数の誘導コイルにおけるコイルの横縦比が０．５〜１．０であることにより、請求項１の発明の効果に加えてコイル効率が高くて加熱効率が高い誘導加熱ローラ装置を提供することができる。

請求項３の発明によれば、加えて複数の誘導コイルにおける隣接部がほぼ直線状をなしていることにより、請求項１および２の発明の効果に加えて加熱ローラの軸方向の温度分布が均一な誘導加熱ローラ装置を提供することができる。

請求項４の発明によれば、加熱ローラの発熱層を挟んで誘導コイルと対向するように配設された強磁性体を具備していることにより、加熱効率が高い渦電流損方式の誘導加熱ローラ装置を提供することができる。

請求項５の発明によれば、加えて強磁性体が加熱ローラと一体化されていることにより、請求項４の発明の効果に加えて強磁性体の支持構造が簡単な誘導加熱ローラ装置を提供することができる。

請求項６によれば、請求項１ないし５の発明におけるのと同様な効果を奏する高速タイプに好適な画像形成装置にすることができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

図１ないし図５は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第１の形態を示し、図１は装置全体の概要を示す回路ブロック図、図２は加熱ローラの横断面図、図３は誘導コイルおよび加熱ローラの配置を模式的に、かつ、従来例のそれと対比して示す斜視図であって、図３（ａ）は本形態、図３（Ｂ）は従来例、図４は誘導コイルの配列を示す平面図、図５は高周波電源の回路図である。本形態において、誘導加熱ローラ装置は、加熱ローラＨＲ、複数の誘導コイルＩＣおよび高周波電源ＨＦＳを備えていて、渦電流損方式の誘導加熱を行うように構成されている。なお、本形態は、請求項１の発明に対応している。以下、上記の構成要素ごとにその構成を詳細に説明する。

加熱ローラＨＲは、ローラ基体１、発熱層２および保護層３を備えて構成されているとともに、図示を省略している回転機構により回転駆動される。ローラ基体１は、例えばアルミナセラミックス製の円筒体からなり、被加熱体のサイズに応じた長さに形成されている。発熱層２は、例えば鉄、銅などの導電性金属が薄肉のフィルム状をなした円筒体を形成している。そして、ローラ基体１の外面において、軸方向の加熱領域の全体にわたって配設されている。保護層３は、フッ素樹脂からなり、発熱層２の外面を被覆して形成されている。

複数の誘導コイルＩＣは、いずれも空芯構造であり、図３（ａ）に示すように、各誘導コイルＩＣの軸が加熱ローラＨＲの発熱層にほぼ直交するように加熱ローラＨＲの内部または外部にわずかな隙間を空けて配置されるとともに、互いに隣接して配設されている。また、複数の誘導コイルＩＣは、図４に示すように、いずれも真円形状をなしている。

これに対して、従来例は、図３（Ｂ）に示すように、加熱領域の全長にわたって対向するように極端に細長い長円形状に整形されるとともに、その軸が加熱ローラＨＲの表面に直交して配列されている。なお、図示を省略しているが、誘導コイルＩＣの形状に合わせた長円形のコアを備えている。

高周波電源ＨＦＳは、図１に全体の概要を示し、図５に詳細に示すように、整流化直流電源ＲＤＣおよび高周波発生回路ＨＦＩ、負荷回路ＬＣおよび整合回路ＭＣから構成され、入力端が低周波電源ＡＳに接続している。低周波交流電源ＡＳは、例えば１００Ｖ商用交流電源からなる。

整流化直流電源ＲＤＣは、全波整流回路からなる。そして、その交流入力端が低周波交流電源ＡＳに接続し、低周波交流電圧を非平滑直流電圧に変換して、その直流出力端から整流化直流電圧を出力する。

高周波発生回路ＨＦＩは、高周波フィルタＨＦＦ、ハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩおよび駆動回路ＤＣからなる。高周波フィルタＨＦＦは、整流化直流電源ＲＤＣの出力端に接続する両線路にそれぞれ直列の一対のインダクタＬ１、Ｌ２および一対のインダクタＬ１、Ｌ２の前後で両線路間に接続された一対のコンデンサＣ１、Ｃ２からなり、直流電源ＲＤＣおよび後述するハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩの間に介在して、高周波が低周波交流電源ＡＳ側へ流出するのを阻止する。

ハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩは、直流電源ＲＤＣ出力端間に直列接続され、駆動回路ＤＣの駆動信号により励振されて交互にスイッチングする一対のMOSFETＱ１、Ｑ２および一対のMOSFETＱ１、Ｑ２に並列接続されたコンデンサＣ３、Ｃ４からなる。コンデンサＣ３、Ｃ４は、インバータ動作中に高周波バイパス作用を行う。

駆動回路ＤＣは、駆動信号発生回路ＤＳＧおよび駆動トランスＤＴからなる。駆動信号発生回路ＤＳＧは、一対のMOSFETＱ１、Ｑ２のゲートドライブ信号を発生する。なお、所望によりゲートドライブ信号の発振周波数を変化させることができる。駆動トランスＤＴは、一対のMOSFETＱ１、Ｑ２に印加するゲートドライブ信号を逆位相関係にする。

負荷回路ＬＣは、直流カットコンデンサＣ５，インダクタＬ３および後述する整合回路ＭＣの直列回路からなり、高周波発生回路ＨＦＩの高周波出力端すなわちハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩのMOSFETＱ２に並列接続されている。そして、高周波電圧に共振して正弦波に波形整形する。

整合回路ＭＣは、一対のコンデンサＣ６、Ｃ７からなる。コンデンサＣ６は、負荷回路ＬＣと給電リード線ｌ１との間に直列接続している。また、コンデンサＣ７は、負荷回路ＬＣに直列接続している。

なお、給電リードｌ１、ｌ２は、高周波電力を誘導コイルに供給する伝送路を構成する。また、給電リードｌ２の基端は、MOSFETＱ２のソースとコンデンサＣ７の接続に接続している。

そうして、高周波電源ＨＦＳにおいて発生した高周波出力は、負荷回路ＬＣおよび整合回路ＭＣを介して並列接続した複数の誘導コイルＩＣに供給される。

図６および図７は、本発明の誘導加熱ローラ装置の第２および第３の形態における複数の誘導コイルの平面図を示し、図６は第２の形態、図７は第３の形態である。いずれも請求項２および３の発明に対応している。

すなわち、図６に示す複数の誘導コイルＩＣは、そのコイルがいずれも縦長の長円形状をなしていて、横縦比が０．６５であり、また隣接部の中間部が直線状をなしている。

これに対して、図７に示す複数の誘導コイルＩＣは、そのコイルがいずれも縦長の四角形状をなしていて、横縦比が０．６５であり、また隣接部の全体が直線状をなしている。

図８は、誘導コイルＩＣにおける縦横比と効率（挿対比）の関係を実験により求めたグラフである。なお、縦横比と表記されているが、数値は横縦比を示している。効率はコイル効率を意味している。

図から理解できるように、誘導コイルの横縦比と効率とは比例し、０．５以上であれば、高いコイル効率が得られることが分かる。

以下、図９ないし図１１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４ないし第７の形態について説明する。なお、図２と同一部分については同一符号を付して説明省略する。

図９は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第４の形態における誘導コイル、加熱ローラおよび強磁性体の配置関係を模式的に示す要部正面図である。本形態は、請求項４の発明に対応する。そして、加熱ローラＨＲ，誘導コイルＩＣおよび高周波電源に加えて強磁性体ＦＭを具備している。

誘導コイルＩＣは、コイルボビンＣＢに巻装されていて、その軸が加熱ローラＨＲの表面にわずかな隙間を介して配設されている。

強磁性体ＦＭは、例えば、高周波透磁率フェライトの板からなり、加熱ローラＨＲの発熱層を挟んで誘導コイルＩＣに対向している。

そうして、誘導コイルが高周波電源により励磁されると、磁束が発生し、誘導コイルＩＣから出た磁束は加熱ローラＨＲの発熱層を貫通して強磁性体ＦＭに吸い寄せられ、強磁性体ＦＭ内を通って誘導コイルＩＣに戻る割合が増加し形で磁界が分布する。

図１０は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第５の形態における誘導コイル、加熱ローラおよび強磁性体の配置関係を模式的に示す側面図である。本形態は、加熱ローラＨＲが筒状をなしていて、誘導コイルＩＣが加熱ローラＨＲの内部に、また強磁性体ＦＭが外部に、それぞれ配置されている。

図１１は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第６の形態における誘導コイル、加熱ローラおよび強磁性体の配置関係を模式的に示す側面図である。本形態は、加熱ローラＨＲが筒状をなしているが、図１０とは反対で、誘導コイルＩＣが加熱ローラＨＲの外部に、また強磁性体ＦＭが内部に、それぞれ配置されている。

図１２は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第７の形態における加熱ローラの横断面図である。本形態は、請求項５の発明に対応している。強磁性体ＦＭは、筒状をなしていて、加熱ローラＨＲの基体１の内面に一体化されている。なお、基体１は、耐熱性熱断熱層としも機能している。

図１３および図１４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１３は概念的断面図、図１４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１４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の形態の全体の概要を示す回路ブロック図 同じく加熱ローラの横断面図 同じく誘導コイルおよび加熱ローラの配置を模式的に、かつ、従来例のそれと対比して示す斜視図であって、図３（ａ）は本形態、図３（Ｂ）は従来例 同じく誘導コイルの配列を示す平面図 同じく高周波電源の回路図 本発明の誘導加熱ローラ装置の第２の形態における複数の誘導コイルの平面図 本発明の誘導加熱ローラ装置の第３の形態における複数の誘導コイルの平面図 の誘導コイルＩＣにおける横縦比と効率（挿対比）の関係を実験により求めたグラフ 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第４の形態における誘導コイル、加熱ローラおよび強磁性体の配置関係を模式的に示す要部正面図 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第５の形態における誘導コイル、加熱ローラおよび強磁性体の配置関係を模式的に示す側面図 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第６の形態における誘導コイル、加熱ローラおよび強磁性体の配置関係を模式的に示す側面図 本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第７の形態における加熱ローラの横断面図 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

ＨＲ…加熱ローラ、ＩＣ…誘導コイル

Claims (6)

1. 誘導電流により発熱する加熱ローラと；
   加熱ローラの長手方向に沿った加熱領域に対向しながら隣接し、かつ、それぞれの軸が加熱ローラの加熱領域にほぼ直交するように配設された実質的に空芯である複数の誘導コイルと；
   複数の誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源と；
   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. 複数の誘導コイルは、コイルの横縦比が０．５〜１．０であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱ローラ装置。
3. 複数の誘導コイルは、隣接部がほぼ直線状をな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。
4. 誘導電流により発熱する発熱層を備えた加熱ローラと；
   加熱ローラの長手方向に沿った加熱領域の発熱層に対向し、かつ、その軸が加熱ローラの加熱領域にほぼ直交するように配設された誘導コイルと；
   加熱ローラの発熱層を挟んで誘導コイルと対向するように配設された強磁性体と；
   複数の誘導コイルに高周波電力を供給する高周波電源と；
   を具備していることを特徴とする誘導加熱ローラ装置。
5. 強磁性体は、加熱ローラと一体化されていることを特徴とする請求項３記載の誘導加熱ローラ装置。
6. 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ないし５のいずれか一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。

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