JP2007057673A - 加熱装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁誘導加熱方式の加熱装置において、励磁コイル自身の発熱損失、磁性コア自身の発熱損失の低減により従来よりも大きな電力が使用でき、また、同じ電力に対して従来よりも加熱部材の発熱量を増やせる装置構成を実現することで、より高速な画像形成装置に使用可能な加熱装置を提供する。
【解決手段】電磁誘導加熱方式の加熱装置において、磁束が集中する部分における磁性コアの厚みを、磁束が集中しない部分より増やす。
【選択図】図１

Description

本発明は、被記録材を加熱する、電磁誘導加熱方式の加熱装置に関する。

また、前記加熱装置を、被記録材に形成担持させた未定着像を加熱定着処理する像加熱装置として具備した電子写真装置・静電記録装置などの画像形成装置に関するものである。

プリンタや複写機などの画像形成装置において、電子写真・静電記録・磁気記録等の適宜の画像形成プロセス手段部で被記録材に転写方式あるいは直接方式にて形成担持させた画像情報の未定着画像（トナー画像）は定着装置により永久固着画像とされる。

上記において、被記録材は、転写シート・エレクトロファックスシート・静電記録紙・ＯＨＰシート・印刷用紙・フォーマット紙などである。

定着装置としては、加熱ローラと加圧ローラを圧接して形成させた定着ニップにおいて、被記録材を挟持搬送して加熱する熱ローラ方式等の加熱装置が広く用いられている。

近時は、エネルギー効率に優れ、カラー画像形成装置の高速化が可能な加熱装置として、被記録材を加熱する加熱部材を電磁誘導発熱させる電磁誘導加熱方式の装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、磁場発生手段を電磁誘導発熱させる加熱部材の外部に配置した外部加熱方式の装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
実開昭５１−１０９７３６号公報 特開平１１−１３５２４６号公報

電磁誘導加熱方式は被記録材を加熱する加熱部材自身を発熱させるので他の方式に比べて熱変換効率が高く、高速機向きといえる。しかしながら、より高速な画像形成装置においては、トナー像を被記録材に固着させるために必要な加熱電力が増大する傾向にあり、従来の電磁誘導加熱装置においては以下の問題があった。

すなわち、大きな加熱電力を得るには、磁場発生手段に流す電流量を増やさねばならず、これが原因で磁場発生手段自身の発熱損失が増加する。従って磁場発生手段に流せる電流量を制限せねばならず、高速化に必要な加熱電力を得るのが困難であった。

従って本発明の目的は、電磁誘導加熱方式の加熱装置において、磁場発生手段自身の発熱損失の低減により従来よりも大きな電力が使用でき、また、同じ電力に対して従来よりも加熱部材の発熱量を増やせる装置構成を実現することである。

また本発明の目的は、これにより、より高速な画像形成装置に使用可能な加熱装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る加熱装置の代表的な構成は、磁場発生手段と、前記磁場発生手段の磁場の作用で電磁誘導発熱する少なくとも一つの発熱回転体と、前記磁場発生手段から発生する磁束Φを前記発熱回転体へ導く磁路形成手段を有し、前記発熱回転体により被記録材を加熱する加熱装置であり、前記磁場発生手段から発生する全磁束をΦ０とし、磁路中の異なる場所である、前記磁路形成手段の断面積がＳ１である場所Ａと、断面積がＳ２である場所Ｂにおいて、前記磁路形成手段を通る磁束をそれぞれΦ１、Φ２、Φ０≧Φ１＞Φ２とするとき、前記場所Ａにおける前記断面積Ｓ１と、前記場所Ｂにおける前記断面積Ｓ２の間に、Ｓ１＞Ｓ２の関係が成り立つことを特徴とする。

本発明によれば、磁束が集中する部分における磁路形成手段の厚みを増やすことにより、発熱効率の向上、磁場発生手段・磁路形成手段の発熱損失の低減、発熱回転体における発熱量増大が図れる。これにより、従来よりもより高速な画像形成装置に用いることが可能な、電磁誘導加熱方式の加熱装置を提供することが可能となる。

（１）画像形成装置
図１２は画像形成装置の一例の概略構成図である。本例の画像形成装置は電子写真カラープリンタである。

１０１は有機感光体やアモルファスシリコン感光体でできた感光体ドラム（像担持体）であり、矢示の反時計方向に所定のプロセススピード（周速度）で回転駆動される。

感光体ドラム１０１はその回転過程で帯電ローラ等の帯電装置１０２で所定の極性・電位の一様な帯電処理を受ける。

次いで、その帯電処理面に、レーザ光学箱（レーザスキャナー）１１０から出力されるレーザ光１０３による画像情報走査露光処理を受ける。

レーザ光学箱１１０は不図示の画像読み取り装置等の画像信号発生装置から入力する画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応して変調（オン／オフ）したレーザ光１０３を出力する。このレーザ光１０３による走査露光で回転感光体ドラム１０１面に画像情報に対応した静電潜像が形成される。１０９はレーザ光学箱１１０からの出力レーザ光を感光体ドラム１０１の露光位置に偏向させるミラーである。

フルカラー画像形成の場合は、フルカラー画像の第１の色分解成分画像、例えばイエロー成分画像についての走査露光・潜像形成がなされる。そして、その潜像が４色カラー現像装置１０４のうちのイエロー現像器１０４Ｙの作動でイエロートナー画像として現像される。そのイエロートナー画像は感光体ドラム１０１と中間転写体ドラム１０５との接触部（或いは近接部）である１次転写部Ｔ１において中間転写体ドラム１０５の面に転写される。中間転写体ドラム１０５面に対するトナー画像転写後の回転感光体ドラム１０１面はクリーナ１０７により転写残りトナー等の付着残留物の除去を受けて清掃される。

上記のような帯電・走査露光・現像・一次転写・清掃のプロセスサイクルが、フルカラー画像の第２の色分解成分画像（例えばマゼンタ成分画像、マゼンタ現像器１０４Ｍが作動）、第３の色分解成分画像（例えばシアン成分画像、シアン現像器１０４Ｃが作動）、第４の色分解成分画像（例えば黒成分画像、黒現像器１０４Ｂｋが作動）の各色分解成分画像について順次実行される。そして、中間転写体ドラム１０５の面にイエロートナー画像・マゼンタトナー画像・シアントナー画像・黒トナー画像の都合４色のトナー画像が順次重ねて転写される。これにより、目的のフルカラー画像に対応したカラートナー画像が合成形成される。

中間転写体ドラム１０５は、金属ドラム上に中抵抗の弾性層と高抵抗の表層を有するもので、感光体ドラム１０１に接触して或いは近接して感光体ドラム１０１と略同じ周速度で矢示の時計方向に回転駆動される。中間転写体ドラム１０５の金属ドラムにバイアス電位を与えて感光体ドラム１０１との電位差で感光体ドラム１０１側のトナー画像を中間転写体ドラム１０５面側に転写させる。

上記の中間転写体ドラム１０５面に合成形成されたカラートナー画像は、中間転写体ドラム１０５と転写ローラ１０６との接触ニップ部である二次転写部Ｔ２において、該二次転写部Ｔ２に不図示の給紙部から所定のタイミングで送り込まれた被記録材Ｐの面に転写されていく。転写ローラ１０６は被記録材Ｐの背面からトナーと逆極性の電荷を供給することで中間転写体ドラム１０５面側から被記録材Ｐ側へ合成カラートナー画像を順次に一括転写する。

二次転写部Ｔ２を通過した被記録材Ｐは中間転写体ドラム１０５の面から分離されて加熱装置（像加熱装置、定着装置）１００へ導入され、未定着トナー画像の加熱定着処理を受けてカラー画像形成物として機外の不図示の排紙トレーに排出される。加熱装置１００については次の（２）項で詳述する。

被記録材Ｐに対するカラートナー画像転写後の中間転写体ドラム１０５はクリーナ１０８により転写残りトナー・紙粉等の付着残留物の除去を受けて清掃される。このクリーナ１０８は常時は中間転写体ドラム１０５に非接触状態に保持されており、中間転写体ドラム１０５から被記録材Ｐに対するカラートナー画像の二次転写実行過程において中間転写体ドラム１０５に接触状態に保持される。

また転写ローラ１０６も常時は中間転写体ドラム１０５に非接触状態に保持されており、中間転写体ドラム１０５から被記録材Ｐに対するカラートナー画像の二次転写実行過程において中間転写体ドラム１０５に被記録材Ｐを介して接触状態に保持される。

本例装置は、白黒画像などモノカラー画像のプリントモードも実行できる。また両面画像プリントモード、或いは多重画像プリントモードも実行できる。

両面画像プリントモードの場合は、加熱装置１００を出た１面目画像プリント済みの被記録材Ｐは不図示の再循環搬送機構を介して表裏反転されて再び二次転写部Ｔ２へ送り込まれて２面に対するトナー画像転写を受ける。そして、その被記録材Ｐが、再度、加熱装置１００に導入されて２面に対するトナー画像の定着処理を受けることで両面画像プリントが出力される。

多重画像プリントモードの場合は、加熱装置１００を出た１回目画像プリント済みの被記録材Ｐは不図示の再循環搬送機構を介して表裏反転されずに再び二次転写部Ｔ２へ送り込まれて１回目画像プリント済みの面に２回目のトナー画像転写を受ける。そして、その被記録材Ｐが、再度、加熱装置１００に導入されて２回目のトナー画像の定着処理を受けることで多重画像プリントが出力される。

（２）加熱装置１００
本例において加熱装置１００は電磁誘導加熱方式の加熱装置である。図１３は本例の加熱装置１００の要部の横断側面模型図、図２は要部の正面模型図である。

１８は磁場発生手段としての励磁コイル（誘導コイル）である。１７ａ・１７ｂ・１７ｃは磁路形成手段としての磁性コアである。

本例の加熱装置１００は、磁場発生手段としての励磁コイル１８が、発熱回転体である定着ローラ１０の長手に沿って巻かれている。磁路形成手段としての磁性コア１７ａ・１７ｂ・１７ｃが、定着ローラ１０の長手方向に垂直な断面が、誘導コイル１８の中心に発生する磁束を導く一つの幹（磁性コア１７ａ）から複数の枝（磁性コア１７ｂ・１７ｃ）に分かれた形を成すように構成されていて、定着ローラ１０の誘導コイル対向面が誘導発熱する。そして、磁性コアの前記幹の部分（磁性コア１７ａ）における磁路に垂直な断面積が前記枝の部分（磁性コア１７ｂ・１７ｃ）における磁路に垂直な断面積よりも大きくしてある。

磁性コア１７ａ・１７ｂ・１７ｃは高透磁率の部材であり、フェライトやパーマロイ等といったトランスのコアに用いられる材料がよく、より好ましくは１００ｋＨｚ以上でも損失の少ないフェライトを用いるのがよい。本例において、磁性コアは、キュリー点温度＝２４０［℃］、比透磁率＝２５００、飽和磁束密度＝４００［ｍＴ］である。磁性コアがキュリー点温度以上になると、透磁率の急激な低下により励磁コイル１８により発生した磁束を、加熱回転体（加熱部材）である定着ローラ１０へ効率良く導く磁路が形成できなくなる。このため、大電力を投入しても必要な定着ローラの発熱が得られない。このため、加熱装置の温調制御が破綻し、正常な定着動作がおこなえなくなる。

また、磁性コアを貫く磁束密度が飽和磁束密度を超えると、正規の磁路外へ磁束が溢れ出してしまう。そのため、定着ローラの発熱量はそこで飽和してしまうのは勿論のこと、もともと磁束が集中しやすい励磁コイル周辺に磁束が集中し、励磁コイル自身の誘導発熱が発生しやすくなる。励磁コイル自身が誘導発熱すると、コイル抵抗の上昇による誘導発熱効率の低下がおこり、定着ローラを必要な温度に維持できなくなる。

定着ローラを必要な温度に維持しようとして電流量を増やすと、益々コイル温度が上昇し励磁コイル自身が破損する可能性がある。

以上の問題を回避するため、キュリー点温度、飽和磁束密度に達しない条件で磁性コアを使用し、常に正常な温調制御がおこなわれるようにしている。

励磁コイル１８には図３に示すように給電部１８ａ・１８ｂに励磁回路２７を接続してあり、２０ｋＨｚから５００ｋＨｚの高周波をスイッチング電源で発生できるようになっている。

励磁コイル１８は励磁回路２７から供給される交番電流（高周波電流）によって交番磁束を発生する。

１６は横断面略半円弧状樋型のホルダであり、磁性コア１７ａ・１７ｂ・１７ｃと励磁コイル１８を内側に保持している。

ホルダ１６の外側には、空隙をもって、円筒状の発熱回転体である定着ローラ１０が回転可能に配設してある。

図１３中の１９は磁性コア１７ａ・１７ｂ・１７ｃ及び励磁コイル１８と保持ステイ（不図示）の間を絶縁するための絶縁部材である。保持ステイは、鉄、アルミニウム、ステンレス、非磁性ステンレスなどの金属材料を用いることができる。また、ホルダ１６を保持できればよく、耐熱性樹脂で代用することもできる。

磁場発生手段としての励磁コイル１８によって交番磁束を発生させる。磁束Ｃは発生した交番磁束の一部を表す。磁性コア１７ａ，１７ｂ，１７ｃに導かれた磁束Ｃは、磁性コア１７ａと磁性コア１７ｂとの間、そして磁性コア１７ａと磁性コア１７ｃとの間において定着ローラ１０の発熱層１に渦電流を発生させる。この渦電流は、発熱層１の固有抵抗によって、発熱層１にジュール熱（渦電流損）を発生させる。

発熱量Ｑは発熱層１を通る磁束Ｃの密度によって決まり、図１３のグラフような分布を示す。グラフの縦軸は磁性コア１７ａの中心を０とした角度θで表した定着ローラ１０における円周方向の位置を示し、横軸は定着ローラ１０の発熱層１での発熱量Ｑを示す。ここで、発熱域Ｈは最大発熱量をＱとし、発熱量がＱ／ｅ以上の領域と定義する（ｅは自然対数の底）。これは、定着プロセスに必要な発熱量が得られる領域である。

図４は、本実施例における定着ローラ１０の層構成模型図である。この定着ローラ１０は、芯金となる電磁誘導発熱性の金属等でできた発熱層１と、その外面に積層した弾性層２と、その外面に積層した離型層３の複合構造のものである。

発熱層１と弾性層２との間の接着、弾性層２と離型層３との間の接着のために、各層間にプライマー層（図示せず）を設けてもよい。

定着ローラ１０において、発熱層１が内面側であり、離型層３が加圧ローラ若しくは被記録材と接触する外面側である。

発熱層１に上述した交番磁束が作用することにより、発熱層１に渦電流が発生して発熱層１が発熱する。この熱が弾性層２、離型層３に伝達されて、定着ローラ１０全体が加熱され、定着ニップ部Ｎに通紙される被記録材Ｐを加熱してトナーｔ画像の加熱定着がなされる。

発熱層１としては、磁性及び非磁性の金属を用いることができるが、磁性金属が好ましく用いられる。このような磁性金属としては、ニッケル、鉄、強磁性ステンレス、ニッケル−コバルト合金、パーマロイといった強磁性体の金属が好ましく用いられる。又、定着ローラ１０が回転時に受ける繰り返しの屈曲応力による金属疲労を防ぐために、ニッケル中にマンガンを添加した部材を用いるのも良い。

発熱層１の厚さは、次の式で表される表皮深さδ［ｍ］より厚く、且つ１ｍｍ以下にすることが好ましい。発熱層１の厚さをこの範囲とすれば、発熱層１が電磁波を効率よく吸収することができるため、効率良く発熱させることができる。

ここで、ｆは励磁回路の周波数［Ｈｚ］、μは発熱層１の透磁率、κは発熱層１の導電率である。

この表皮深さδは、電磁誘導で使われる電磁波の吸収の深さを示しており、これより深いところでは電磁波の強度は１／ｅ以下になっている。逆にいうと殆どのエネルギーはこの深さまでで吸収されている（図６に示した発熱層深さと電磁波強度の関係を参照）。

発熱層１の厚さは、より好ましくは０．２〜０．８ｍｍがよい。発熱層１の厚みが上記範囲よりも薄い場合には、ほとんどの電磁エネルギーが吸収しきれないため効率が悪くなる。又、発熱層１が上記範囲よりも厚い場合には、熱容量が大きくなり昇温速度が遅くなる。

弾性層２は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム等の、耐熱性、熱伝導率が良い材質が好ましく用いられる。

弾性層２の厚さは、定着画像品質を保証するために０．０５〜３ｍｍであることが好ましい。カラー画像を印刷する場合、特に写真画像等では、被記録材Ｐ上で大きな面積に渡ってベタ画像が形成される。この場合、被記録材Ｐの凹凸或いはトナー層ｔの凹凸に加熱面（離型層３）が追従できないと加熱ムラが発生し、伝熱量が多い部分と少ない部分で画像に光沢ムラが発生する。即ち、伝熱量が多い部分は光沢度が高く、伝熱量が少ない部分では光沢度が低くなる。弾性層２の厚さが上記範囲よりも小さい場合には、上記離型層３が被記録材Ｐ或いはトナー層ｔの凹凸に追従しきれず、画像光沢ムラが発生してしまう。又、弾性層２が上記範囲よりも大きすぎる場合には、弾性層２の熱抵抗が大きくなりすぎ、クイックスタートを実現するのが難しくなる。この弾性層２の厚さは、より好ましくは０．１〜２ｍｍが良い。

弾性層２は、硬度が高すぎると被記録材Ｐ或いはトナー層ｔの凹凸に追従しきれず画像光沢ムラが発生してしまう。そこで、弾性層２の硬度としては６０゜（ＪＩＳ−Ａ）以下、より好ましくは４５゜（ＪＩＳ−Ａ）以下がよい。

弾性層２の熱伝導率λは、２．５×１０^−１〜８．４×１０^−１Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。熱伝導率λが上記範囲よりも小さい場合には、熱抵抗が大きすぎて、定着ローラ１０の表層（離型層３）における温度上昇が遅くなる。熱伝導率λが上記範囲よりも大きい場合には、弾性層２の硬度が高くなりすぎたり、圧縮永久歪みが発生しやすくなる。より好ましくは３．３×１０^−１〜６．３×１０^−１Ｗ／ｍ・Ｋが良い。

離型層３は、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、フルオロシリコーンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の離型性且つ耐熱性のよい材料を用いることが好ましい。

離型層３の厚さは１〜１００μｍが好ましい。離型層３の厚さが上記範囲よりも薄い場合には、塗膜の塗ムラが生じ、離型性の悪い部分が発生したり、耐久性が不足するといった問題が発生する。又、離型層３の厚さが上記範囲よりも厚い場合には、熱伝導が悪化する。特に、離型層３に樹脂系の材質を用いた場合は、離型層３の硬度が高くなりすぎて、弾性層２の効果がなくなってしまう。

加圧部材としての加圧ローラ３０は、芯金３０ａと、前記芯金周りに同心一体にローラ状に成形被覆させたシリコーンゴム・フッ素ゴム・フッ素樹脂などの耐熱性・弾性材層３０ｂとで構成されており、表層に離型層３０ｃを設けてある。

図２に示すように、定着ローラ１０は軸受け４１を介して定着フレーム５０に回転可能に支持されている。加圧ローラ３０は、軸受け４２を介して揺動部材としての加圧フレーム５１に回転可能に支持されている。加圧フレーム５１は定着フレーム５０に固定された支持軸５２により揺動可能に支持され、加圧手段としての加圧スプリング５３により加圧ローラ３０が定着ローラ１０に押圧されるように付勢されている。

定着ローラ１０の一端には、駆動ギア４３が定着ローラ１０と一体で回転するように取付けられている。また、定着ローラ１０は駆動手段Ｍにより矢示の時計方向に回転駆動される。

４４は加圧解除手段としてのカムであり、定着フレーム５０に回転可能に支持されたカム軸４５の両側にそれぞれ固定されており、該カム軸４５と一体となって回転するようになっている。カム軸４５の一端にはギア４６がカム軸４５と一体で回転するように取付けられている。また、カム軸４５は駆動手段Ｍ２により回転駆動される。

加熱装置１００は、カム４４の回転により加圧フレーム５１を加圧スプリング５３の加圧力に抗して揺動させることで定着ローラ１０と加圧ローラの当接／離間を行うように構成している。

この定着ローラ１０と加圧ローラ３０の当接と離間は、制御手段としてのＣＰＵ（不図示）の判断により選択的に切換えられる構成となっている。

図５は図２のａ−ａ線に沿う断面図である。定着ローラ１０と加圧ローラ３０の当接は、画像形成時に、図５の（Ａ）に示すように、加圧スプリング５３により加圧フレーム５１が押圧されており、加圧ローラ３０は定着ローラ１０に押圧されて当接する。そして、図１３に示すように、定着ローラ１０と加圧ローラ３０の接触部には定着ニップ部Ｎが形成されている。

定着ローラ１０は駆動手段Ｍにより矢示の反時計方向に回転駆動される。この定着ローラ１０の回転駆動による定着ローラ１０と加圧ローラ３０の外面との摩擦力で加圧ローラ３０に回転力が作用し、加圧ローラ３０は矢示の方向に定着ローラ１０の回転周速度にほぼ対応した周速度をもって回転状態になる。

この定着ローラ１０の温度は、温度検知手段２６を含む不図示の温調系により励磁コイル１８に対する電流供給が制御されることで、所定の温度が維持されるように温調される。温度検知手段２６はサーミスタなどの温度センサであり、本例では非接触タイプのものを用いている。

而して、定着ローラ１０が回転し、励磁回路２７から励磁コイル１８への給電により定着ローラ１０が電磁誘導発熱し、定着ローラ１０が所定の温度に立ち上がって温調される。この状態において、画像形成手段部から搬送された未定着トナー画像ｔが形成された被記録材Ｐが定着ニップ部Ｎに画像面が上向き、即ち定着ローラ面に対向して導入される。そして、被記録材Ｐは、定着ニップ部Ｎにおいて画像面が定着ローラ１０の外面に密着して定着ローラ１０と一緒に定着ニップ部Ｎを挟持搬送されていく。その挟持搬送過程において被記録材Ｐ上の未定着トナー画像ｔが加熱定着される。被記録材Ｐは定着ニップ部Ｎを通過すると定着ローラ１０の外面から分離して排出搬送されていく。被記録材上の加熱定着トナー画像は定着ニップ部通過後、冷却して永久固着像となる。

定着ローラ１０と加圧ローラ３０の離間は、非画像形成時に所定のタイミングで駆動手段Ｍ２を回転し、図５の（Ｂ）に示すように、カム４４が約１８０°回転し、加圧フレーム５１を加圧スプリング５３の付勢力に抗して押し下げる。これにより、定着ローラ１０と加圧ローラ３０が離間され、定着ニップ部Ｎの形成が解除される。

次に画像形成装置の動作における加熱装置１００の動作について説明する。

通常、画像形成装置の電源オフ時は定着ローラ１０と加圧ローラ３０は離間状態に保持されている。

電源オンで、定着ローラ１０と加圧ローラ３０は当接状態にされる。そして定着ローラ１０の回転駆動と加熱が開始されて、加熱装置１００は定着可能状態になるまでウォームアップが行なわれる。定着ローラ１０が所定の温度（定着可能温度）に到達するまで加熱をおこない、プリント信号を受けていればそのままプリント（定着）動作を行い、プリント信号を受けていなければ画像形成装置はプリント待機状態に入る。加熱装置１００は定着可能温度に定着ローラ温度を維持するスタンバイ温調をおこなう。

これより先、加熱装置１００における発熱効率、コア発熱損失、インダクタンス（発熱強度）について詳細に説明する。

励磁コイル１８に高周波電流を流すことにより磁束Φが発生する。この磁束Φは主に空気よりも透磁率が高い磁性コア１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、定着ローラ発熱層１を通り磁路を形成する。

しかしながら、磁性コア、定着ローラ発熱層の透磁率は空気の数十〜数千倍（それぞれの比透磁率が数十〜数千程度）しかないため、磁束Φの一部は上記磁路近傍の空気中を通過することになる。

発熱効率を向上させるには、上記磁路における定着ローラ発熱層１以外の磁気抵抗を小さくし、励磁コイル１８と定着ローラ発熱層１の磁気結合を強くする必要がある。

ここで、磁路を形成する各要素（磁性コア、発熱層、空気層）の磁気抵抗Ｒは、透磁率μ、磁路断面積Ｓ、磁路長ｌを用いて次式（１）で表される。

上式より磁気抵抗を小さくするには、透磁率μが大きな材料で断面積を広くすれば良いことが判る。

従って、定着ローラ発熱層１以外の磁気抵抗を小さくするには、空気よりも透磁率が高い磁性コアになるべく多くの磁束を導くようにし、更に磁性コアの断面積を広くする構成とすれば良い。

磁路のインダクタンスＬは、励磁コイル１８のターン数をＮとすると、次式（２）で表される。

上式より、インダクタンスを大きくし大きな発熱を得るには、磁路全体の磁路長を短くし、磁路の断面積を大きくすれば良いことが判る。

また、上記式（１）と（２）を比較すれば、磁気抵抗の低減とインダクタンス増加は同時に実現可能であることが理解できる。

ここで、図１の（ａ）に、電磁誘導加熱主要部の断面図を示す。また、（ｂ）に（ａ）の磁路ＬＰ１に対する磁気回路モデルを示す。（ａ）は分かりやすくするために、図１３で示した断面を時計周りに９０°回転させた方向で描かれている。

（ｂ）では、磁性コア１７ｃの磁気抵抗をＲ１、磁路ＬＰ１が使用する磁性コア１７ａの半分にあたる部分の磁気抵抗をＲ２、定着ローラの発熱層１の磁束通過部の磁気抵抗をＲ_ｈｅａｔで表している。また、Ｒ３は（ａ）における空気層ＧＰ１_ａｉｒの磁気抵抗を表している。

説明を簡略化するため、この磁気回路では磁性コアと定着ローラとのギャップＧＰ１及びＧＰ２における空気層の磁気抵抗は省略している。

磁性コア１７ａ、１７ｂ、１７ｃの透磁率をμ１、空気層の透磁率をμ０（＝１）、定着ローラ発熱層１の透磁率をμ_ｈｅａｔとする。また、３０ｋＨｚにおける定着ローラ発熱層１の表皮深さをｄｓ、磁性コア１７ａ、１７ｂ、１７ｃの長手長さをＬＧとすると、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ_ｈｅａｔは表１のように表される。

以下に、磁性コア１７ａの厚みｄ２を磁性コア１７ｃの厚みｄ１と等しくした構成を比較例１、磁性コア１７ａの厚みｄ２を磁性コア１７ｃの厚みｄ１の２倍にした構成を実施例１として磁気抵抗及び発熱効率の比較をおこなう。

実施例１、比較例１において、磁路ＬＰ１の経路である磁性コア１７ｃの半分の厚みと、空気層の厚みＧＰ１_ａｉｒの厚みは、ｄ１及びコイルの内径Ｄを用いて以下表２のように表される。

次に発熱効率、コア発熱損失、インダクタンス（発熱強度）のそれぞれについて、実施例１と比較例１の比較をおこなう。

（ａ）発熱効率
磁気回路中における定着ローラ発熱層以外の磁気抵抗をＲ_ｌｏｓｓとすると、

である。

実施例１と比較例１では上式のＲＳの値に差が現れる。それぞれの磁気抵抗ＲＳを、ＲＳ_{（実施例１）}、ＲＳ_{（比較例１）}とすると、表２の関係を代入して以下式（５）、（６）のようになる。

ここで、本発明の磁性コアの比透磁率＝２５００であるのでμ１＝２５００μ０、また、本実施例での距離Ｄとｄ１の間の関係は１＜（Ｄ／ｄ１）≦５程度である。

従って、ＲＳ_{（実施例１）}はＲＳ_{（比較例１）}の１／２となり、その分だけ磁気回路全体において定着ローラ発熱層以外の磁気抵抗をＲ_ｌｏｓｓを小さく、定着ローラ発熱層の磁気抵抗Ｒ_ｈｅａｔが占める割合を大きくでき、コイルと発熱層の磁気結合が強くなるので効率良く定着ローラを加熱することができる。

（ｂ）コア発熱損失
また、実施例１、比較例１の磁性コア１７ａにおける磁束密度をＢ_{（実施例１）}、Ｂ_{（比較例１）}とすると、表２に示したそれぞれの磁性コア１７ａの半分の断面積を用いて、

となり、Ｂ_{（実施例１）}はＢ_{（比較例１）}の１／２となる。

磁性コア自身の発熱損失（コアロス）が磁束密度Ｂに概略で比例すると考えると、実施例１は比較例１の約半分にコア自身の発熱損失を低減できることになる。従って磁性コア自身の過昇温によりキュリー点温度超えを起こしにくくすることができる。

また、比較例１では磁束が磁性コア１７ｂ及び１７ｃの約２倍となる磁性コア１７ａの飽和磁束密度が、コア１７ｂ及び１７ｃと同じであったため、この部分で磁気飽和を起こしやすかった。

これに対し、実施例１では磁束が集中する磁性コア１７ａと、磁性コア１７ｂ及び１７ｃの磁束密度をほぼ等しくでき、比較例１の２倍程度の磁束まで磁束飽和が起こらない。

以上の効果により、より大きな電力まで加熱装置の温調制御が正常におこなえ、高速で安定したプリントを実現できる。

（ｃ）インダクタンス（発熱強度）
図７に実施例１及び比較例１における磁路を示した。比較例１の磁路長はＭＬ１_{（比較例１）}、ＭＬ２_{（比較例１）}、実施例１の磁路長はＭＬ１_{（実施例１）}、ＭＬ２_{（実施例１）}で示されている。

もともと励磁コイル１８から発生する磁束は、励磁コイル自身の周りに磁路をつくりやすい性質をもとが、本発明の加熱装置では、透磁率の大きい磁性コア、定着ローラ発熱層を用いることで、図７のような磁路を形成している。

従って、磁束は図７のように磁性コア、定着ローラ発熱層の励磁コイル寄り（内側）を通りやすい。

ここで、実施例１と比較例１の磁路長を比べてみると、例えばＭＬ１_{（実施例１）}とＭＬ１_{（比較例１）}では、ＭＬ１_{（実施例１）}の方が磁性コア１７ａにおいて、より励磁コイル側を磁束が通ることになり磁路長が短くなる。

式（２）の関係より、実施例１、比較例１のインダクタンスをＬ_{（実施例１）}、Ｌ_{（比較例１）}で表すと、Ｌ_{（実施例１）}＞Ｌ_{（比較例１）}となるので、実施例１では同じコイル電流量での定着ローラ発熱層の発熱を大きくすることができる。同じ発熱を得るときにはコイル自己昇温（コイルの発熱損失）を比較例１より低減できる。

これらの効果により、高速で安定したプリントを実現できる。

以上で説明した効果を確認するため、定着ローラ表面温度が所定温度１６０、１７０、１８０℃になるように温調制御しつつ、Ａ４サイズの紙を横送りで毎分３０、３５、４０枚の速度（ｐｐｍ）でプリントしたときの励磁コイル、磁性コアの温度、またその時のトナー像の紙への定着性（固着度）を実施例１、比較例１の構成で確認した。

表３に上記確認結果を示す。定着性は２色重ねのベタ画像を定着し、定着画像を擦って剥げなければ○、剥げてしまった場合は×とした。コイル温度は非通紙域端部のコイル温度、コア温度は磁性コア１７ａの温度を測定した結果である。

前述したように、本発明の加熱装置における磁性コアのキュリー点温度は２４０℃である。また、励磁コイルには線径Φ０．１７のＰＡＩ絶縁被覆線を１６８本用いたリッツ線を用いており、コイル温度が２４０℃を超えて連続使用すると加熱装置の規定寿命に達する前に、絶縁被覆が破壊されてしまう。

従って加熱装置を動作させることができるのは、磁性コア温度＜２４０℃且つ励磁コイル温度＜２４０℃の条件下のみである。

プリント速度が速く、温調温度が高くなるほど単位時間当たりにトナーを紙に定着するために必要な電力が増加するため、加熱装置の平均消費電力は増加する。

一方、加熱装置の定着性は温調温度が高く、プリント速度が遅いほど良好となり、逆に温調温度が低く、プリント速度が速くなるほど悪化する。

消費電力の増加により、励磁コイル及び磁性コアの発熱損失が増えるため、コイル、コア温度が高温となる。特に比較例１では実施例１よりも加熱効率が低く、定着ローラでの発熱を実施例１と同じだけ得ようとすると、励磁コイルに流す電流量が増え、コイル昇温が実施例１よりも悪化する。

また、比較例１では磁性コア１７ａの磁束密度が多いのでコア昇温も実施例１より悪化する。

表３から、加熱装置を動作させることが可能であり、定着性が良好である動作条件（プリント速度の限界ｐｐｍ）を求めると、実施例１で４０ｐｐｍ、比較例１では３５ｐｐｍであり、実施例１では比較例１よりも５ｐｐｍ分高速化が可能である。

以上に述べてきたように、実施例１では磁束が集中する磁性コア１７ａの厚みを増やすことにより、すなわち、磁場発生手段としての励磁コイル１８から発生する全磁束をΦ０とし、磁路中の異なる場所である、磁路形成手段としての磁性コアの断面積がＳ１である場所Ａ（磁性コア１７ａ）と、断面積がＳ２である場所Ｂ（磁性コア１７ｂ・１７ｃ）において、磁性コアを通る磁束をそれぞれΦ１、Φ２、Φ０≧Φ１＞Φ２とするとき、前記場所Ａにおける前記断面積Ｓ１と、前記場所Ｂにおける前記断面積Ｓ２の間に、Ｓ１＞Ｓ２の関係が成り立つことにより、発熱効率の向上、励磁コイル・磁性コアの発熱損失の低減、定着ローラ発熱層における発熱量増大が図れるため、従来よりもより高速な画像形成装置に用いることが可能な加熱装置を提供することができた。

本実施例ではｄ２＝２×ｄ１とした、すなわち、ｎを１より大きい数、磁路形成手段である磁性コアの前記場所Ａ（磁性コア１７ａ）における磁束がΦ１、前記場所Ｂ（磁性コア１７ｂ・１７ｃ）における磁束をΦ２＝Φ１／ｎとするとき、前記場所Ａにおける磁性コア断面積Ｓ１と、前記場所Ｂにおける磁性コア断面積Ｓ２との間に、Ｓ１＝ｎ×Ｓ２の関係にしたが、ｄ２がｄ１よりも厚くなる構成であれば、その厚み（断面積Ｓ１）に見合った同様の効果を得ることが可能である。

本実施例２は、定着ローラ１０の外部に、磁場発生手段としての励磁コイル及び磁路形成手段としての磁性コアを配置する、外部加熱方式の加熱装置に本発明を適用したものである。その他の構成、シーケンスは特に説明のない限り実施例１と同様であり、再度の説明は省略する。

励磁コイル及び磁性コアを加熱部材の外部に配置することで以下の大きな利点がある。

励磁コイル、磁性コアが高温に加熱される加熱部材の中に密閉されず、外気にさらされるので冷却効果が得られ、励磁コイル、磁性コアが昇温しにくい。

高コスト部材である励磁コイルを画像形成装置本体に配置できるので、加熱装置が交換部品である画像形成装置の場合、交換部品コストを大幅に低減することができる。

以上の利点を持つ外部加熱方式の加熱装置に対しても本発明は有効である。以下に適応例とその効果を説明する。

本実施例２の加熱装置主要部の横断面図を図８に示す。本実施例２では、実施例１において定着ローラ１０に内包していた励磁コイル・磁性コアを外側に配置している。励磁コイル１８の巻き方向はこれまでと同様に定着ローラ長手に沿った方向であり、巻き数も同じく１１ターンである。

励磁コイル１８、磁性コア１７ｆは、定着ローラ１０の外側に定着ローラ表面と規定のギャップを介して配置されており、励磁コイルに流れる高周波電流により図に示す磁束Φが発生する。なお、６０は励磁コイル、磁性コアの保持部材であるホルダであり、励磁コイルと磁性コアが定着ローラ１０の表面と後述する規定のギャップＧＰを維持できるように定着装置フレームと接続されている。

磁束Φが定着ローラ芯金１を貫く部分において、磁束Φを打ち消そうとする誘導電流が発生し、ジュール損失により定着ローラが発熱する。

２６ａは定着ローラ１０の温度検知手段である接触サーミスタであり、定着ローラ内面温度を検知する。

サーミスタ２６ａの検知温度に基づき、不図示のコントローラからの命令により励磁コイル電流が制御され、定着ローラ温度が所定温度になるように温調される。

サーミスタ２６ａによる測温位置は、これまでと同様にローラ周方向で最も発熱が強くなる位置が選ばれている。

定着ローラ１０の層構成は実施例１と同様であり、芯金となる電磁誘導発熱性の金属等でできた発熱層１と、その外面に積層した弾性層２と、その外面に積層した離型層３の複合構造のものである。

発熱層１と弾性層２との間の接着、弾性層２と離型層３との間の接着のために、各層間にプライマー層（図示せず）を設けてもよい。

磁性コア１７ｆと定着ローラ表面とのギャップＧＰは１．０ｍｍであり、弾性層２の厚みは０．５ｍｍに設定されている。従って磁性コアと加熱対象である定着ローラ芯金１との距離は１．５ｍｍとなる。

この距離であれば励磁コイル・磁性コアと定着ローラ芯金の間で十分な磁気結合が得られるので、効率良く定着ローラを加熱することが可能である。

図９に本実施例２における誘導加熱主要部の断面図を示す。誘導コイルから発生する磁束Φは、図９に示す磁路ＬＰ１、ＬＰ２を形成する。本実施例２では、実施例１と同様にこの二つの磁路が合流する部分における磁性コア１７ｆの厚みｄ２を、その他の部分の厚みｄ１の２倍に設定することにより、磁気抵抗低減、発熱効率の向上等実施例１と同様の効果を得ることができる。

また、実施例１と同様の効果に加え、励磁コイル及び磁性コアを雰囲気温度が低い定着ローラの外部に配置することにより、励磁コイル及び磁性コアの温度を実施例１よりも低減することができる。

これにより実施例２では、Ａ４サイズの紙を横送りで毎分４２枚の速度（ｐｐｍ）まで、磁性コア温度＜２４０℃且つ励磁コイル温度＜２４０℃の条件を満たすことができ、実施例１よりも更に２ｐｐｍのプリント速度高速化が可能となる。

以上に述べてきたように、実施例２では磁束が集中する場所での磁性コア１７ｆの厚みを増やすことにより、発熱効率の向上、励磁コイル・磁性コアの発熱損失の低減、定着ローラ発熱層における発熱量増大が図れ、励磁コイル及び磁性コアを雰囲気温度が低い定着ローラの外部に配置することにより、実施例１よりも更に高速な画像形成装置に用いることが可能な加熱装置を提供することができた。

なお、本実施例ではｄ２＝２×ｄ１としたが、ｄ２がｄ１よりも厚くなる構成であれば、その厚みに見合った同様の効果を得ることが可能である。

本実施例３では、実施例１、実施例２と同様の発熱効率の向上、励磁コイル・磁性コアの発熱損失の低減、定着ローラ発熱層における発熱量増大効果を得つつ、定着ローラ端部における温度低下を低減して定着性の向上を図る。すなわち、磁場発生手段である励磁コイル１８の磁場の作用で発熱回転体である定着ローラ１０が電磁誘導発熱する際、定着ローラ１０の長手端部の発熱量が長手中央部より大きくなるように構成する。これにより温調温度を低減し、励磁コイル・磁性コアの温度を下げ、更なるプリント速度の高速化を実現する。

このため、本実施例３では実施例１の構成の端部における磁性コアの構成を中央部と異なる構成とする。

また、実施例１、実施例２と同様に、二つの磁路が合流する部分における磁性コアの厚みを、その他の部分の厚みの２倍に設定することにより、磁気抵抗低減、発熱効率の向上等実施例１、実施例２と同様の効果を得ることができる。

その他の構成、シーケンスは特に説明のない限り実施例１、と同様であり、再度の説明は省略する。

図１０は本実施例３における定着ローラ及び内包される主要部の簡略的な断面図である。

ａ）は長手中央部、ｂ）は中央より１００ｍｍより外側の長手端部の断面であり、実施例３では中央と端部で磁性コアの形状を異なるものとしている。

磁性コア１７ｄは以下の説明を簡略にするためＴ型一体としているが、実施例１と同様に分割しても良い。端部の磁性コア１７ｅについても分割で同様の形状を形成しても良い。

図１０には、中央と端部における代表的な磁束Φの経路である磁路が示されており、それぞれの磁路長をＭＬ_ＣとＭＬ_Ｅとする。

磁性コア１７ｄ、１７ｅの形状は、ｄ２＝２×ｄ１であり、ＭＬ_ＣとＭＬ_Ｅが合流する部分での磁気抵抗低減を実現している。

ｂ）に描かれているように、端部では磁束Φが磁性コアのＴ字交差部分をショートカットすることができるので、中央部に比べて磁路長が短くなりＭＬ１_Ｃ＞ＭＬ１_Ｅ、ＭＬ２_Ｃ＞ＭＬ２_Ｅとなる。

ここでインダクタンスＬは前述の式（２）の関係があるので、中央部、端部のインダクタンスをそれぞれ、ＬＣ、ＬＥとすると、ＬＣ＜ＬＥの関係となり端部における発熱量を中央部より増加させ、発熱を増加させることができる。

この方法では、磁性コアや励磁コイルと加熱対象物である定着ローラとの距離を調整して発熱分布をコントロールする場合と異なり、電磁誘導発熱の効率を低下させることなく均一な発熱分布を得ることができる。

図１１は、本実施例３における定着ローラ長手温度分布（実線）と実施例１の温度分布（破線）を比較したものである。それぞれ温調温度１７０℃及び１８０℃時の温度分布を示した。それぞれの温度分布におけるＡ４用紙端部での定着ローラ温度を、実施例３の１８０℃、１７０℃温調時はＴＤ１、ＴＤ２、実施例１の１８０℃、１７０℃温調時はＴＤ１_ｒｅｆ、ＴＤ２_ｒｅｆで示した。

また、Ａ４サイズの紙を横送りで毎分４０、４２枚の速度（ｐｐｍ）で定着する場合の定着不良発生領域が示されており、プリント速度が速い４２ｐｐｍ時の方がより高い温度から定着不良が発生するのがわかる。

表４に図１１中の端部温度ＴＤ１、ＴＤ２、ＴＤ１_ｒｅｆ、ＴＤ２_ｒｅｆとプリント速度４０ｐｐｍと４２ｐｐｍのそれぞれの場合における定着不良領域の関係及び、コイル温度、コア温度をまとめた。

実施例３のコイル温度、コア温度は、同条件での実施例１での温度と同じであった。

表４より、４０ｐｐｍ時は実施例１、実施例３共に磁性コア温度＜２４０℃且つ励磁コイル温度＜２４０℃の条件を満たしており、定着性も確保できる。しかしながら、定着性を確保するのに必要な温調温度は、実施例１で１８０℃、実施例３で１７０℃であり、実施例３では温調温度を１０℃低減できる。従って励磁コイル、磁性コア温度もその分だけ実施例１より下げることができ、消費電力も減らすことができる。

４２ｐｐｍ時は、実施例１では端部温度が定着不領域に入ってしまうため温調温度１８０℃でも定着性を確保できない。一方、実施例３の１８０℃温調時では端部温度が定着不領域まで下がらないため、定着性が確保できる。

以上のように、本実施例３では実施例１よりも２ｐｐｍだけプリント速度を高速化可能であり、また、装置のプリント速度を４０ｐｐｍとする場合には、温調温度を１０℃低く設定できる。

以上に述べてきたように、本実施例３では磁束が集中する場所での磁性コア１７ｄ、１７ｅの厚みを増やすことにより、発熱効率の向上、励磁コイル・磁性コアの発熱損失の低減、定着ローラ発熱層における発熱量増大が図れる。更に端部磁性コア１７ｅの構成を磁路長を短く、インダクタンスを大きくできる形状とすることで、定着ローラ端部温度低下を低減し定着性の向上を図ることができた。

従って、同じプリント速度では、温調温度を低く設定することにより消費電力の低減、励磁コイル・磁性コア昇温の更なる低減が実現でき、定着能力の向上により実施例１よりも更に高速な画像形成装置に用いることも可能な加熱装置を提供することができた。

なお、本実施例ではｄ２＝２×ｄ１としたが、ｄ２がｄ１よりも厚くなる構成であれば、その厚みに見合った同様の効果を得ることが可能である。

また、本実施例の構成を実施例２の外部加熱定着装置に適用することで、実施例２よりも更に高速な画像形成装置が実現可能である。

本発明の実施例１に係わる加熱装置の要部の横断面側面模型図及び磁気回路モデル 本発明に関わる加熱装置の正面模型図 内部に磁場発生手段を配設支持させた右側のホルダの斜視模型図 電磁誘導発熱性の定着ローラの層構成模型図 図２のａ−ａ断面における当接状態（Ａ）と離間状態（Ｂ）を示す図 発熱層深さと電磁波強度の関係を示したグラフ 本発明の実施例１における磁路長を示した図 本発明の実施例２に係わる加熱装置の横断面側面模型図 本発明の実施例２に係わる加熱装置主要部の横断面側面模型図 本発明の実施例３における磁路長を示した図 本発明の実施例３における定着ローラの長手温度分布を示した図 本発明の画像形成装置の概略構成模型図 本発明に関わる加熱装置の横断面側面模型図

符号の説明

１‥‥発熱層、２‥‥弾性層、３‥‥離型層、４‥‥断熱層、１０‥‥定着ローラ（加熱回転体）、１６‥‥ホルダ、１７‥‥磁性コア（磁路形成手段）、１８‥‥励磁コイル（磁場発生手段）、２６‥‥温度検知素子、２８‥‥安全素子としての温度検知素子、３０‥‥加圧ローラ（加圧部材）、１００‥‥定着装置（加熱装置）、Ｎ‥‥定着ニップ

Claims (6)

1. 磁場発生手段と、前記磁場発生手段の磁場の作用で電磁誘導発熱する少なくとも一つの発熱回転体と、前記磁場発生手段から発生する磁束Φを前記発熱回転体へ導く磁路形成手段を有し、前記発熱回転体により被記録材を加熱する加熱装置であり、
   前記磁場発生手段から発生する全磁束をΦ０とし、磁路中の異なる場所である、前記磁路形成手段の断面積がＳ１である場所Ａと、断面積がＳ２である場所Ｂにおいて、前記磁路形成手段を通る磁束をそれぞれΦ１、Φ２、Φ０≧Φ１＞Φ２とするとき、前記場所Ａにおける前記断面積Ｓ１と、前記場所Ｂにおける前記断面積Ｓ２の間に、Ｓ１＞Ｓ２の関係が成り立つことを特徴とする加熱装置。
2. ｎを１より大きい数、前記磁路形成手段の前記場所Ａにおける磁束がΦ１、前記場所Ｂにおける磁束をΦ２＝Φ１／ｎとするとき、前記磁路形成手段の前記場所Ａにおける断面積Ｓ１と、前記場所Ｂにおける断面積Ｓ２との間に、Ｓ１＝ｎ×Ｓ２の関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記磁場発生手段としての誘導コイルが前記発熱回転体の長手に沿って巻かれ、前記磁路形成手段の前記発熱回転体の長手方向に垂直な断面が、前記誘導コイルの中心に発生する磁束を導く一つの幹から複数の枝に分かれた形を成すように構成され、前記発熱回転体の前記誘導コイル対向面が誘導発熱する加熱装置であり、前記幹の部分における磁路に垂直な断面積が前記枝の部分における磁路に垂直な断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱装置。
4. 前記磁場発生手段が前記発熱回転体の外部に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の加熱装置。
5. 前記磁場発生手段の磁場の作用で前記発熱回転体が電磁誘導発熱する際、前記発熱回転体の長手端部の発熱量が長手中央部よりも大きくなるような構成であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の加熱装置。
6. 被記録材にトナー画像を形成する画像形成手段と、前記被記録材上に形成した画像を加熱処理する像加熱装置とを具備し、前記像加熱装置として請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の加熱装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。