JP2007233042A - 電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非磁性金属層の影響による励磁コイルの抵抗負荷の増大を抑えて、高周波電源の共振回路を正常に駆動させることができるようにする。
【解決手段】加熱ローラ２１の内部に励磁コイル３２が収容されると共に、加熱ローラに発熱体として磁性金属層２４に加えて非磁性金属層２７が設けられた電磁誘導加熱定着装置において、加熱ローラの磁性金属層２４と非磁性金属層２７との間に良熱伝導性の電気的絶縁層２８が設けられると共に、非磁性金属層２７に周方向の一部分を切除する態様の切り欠き２９が形成されたものとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、加熱ローラの内部に励磁コイルが収容されると共に、加熱ローラに発熱体として磁性金属層に加えて非磁性金属層が設けられた電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置に関するものである。

電子写真プロセスにより記録紙に画像を形成する画像形成装置（プリンタ、ファクシミリ装置、複写機、及び複合機など）では、感光体から記録紙上に転写された未定着のトナーを熱と圧力により記録紙に定着させる定着装置が設けられている。この定着装置では、近年、加熱ローラなどの加熱媒体を電磁誘導作用により生じるジュール熱で加熱する電磁誘導加熱方式によるものが省エネルギーの観点から注目されている。

このような電磁誘導加熱型の定着装置では、発熱体に磁性金属を用いることが一般的であるが、非磁性金属の厚さを薄くすることで磁性金属よりも高い加熱効率が得られることに着目して、磁性金属層の表面に薄い非磁性金属層を形成した２層構造が採用されることがあり、これにより発熱効率を向上させ、特に立ち上がり特性を改善してウォームアップ時間の短縮を図る利点が得られる。

また電磁誘導加熱型の定着装置では、励磁コイル、磁性体コア及びこれらの保持部材からなる誘導加熱ユニットを加熱ローラの外周側に対向配置する構成の他に、誘導加熱ユニットを加熱ローラの内部に収容した構成のものがあり、このようなコイル内蔵型の構成とすると省スペース化を図る上で都合が良く、前記のように磁性金属層と非磁性金属層との２層構造をコイル内蔵型の構成で採用した定着装置も知られている（特許文献１及び特許文献２参照）。
特開２００４−８５７３３号公報（第２図、第６図） 特開２００４−１９８８６５号公報（第１図、第３図）

しかしながら、前記のようにコイル内蔵型の構成で磁性金属層と非磁性金属層との２層構造を採用すると、非磁性金属層が励磁コイルの外周を環状に取り囲む形態となるため、励磁コイルの抵抗負荷が大きくなり、高周波電源側の電圧共振が適切に行われず、主スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の負荷が増大し、このとき、本来、加熱ローラを発熱させるために励磁コイルへ供給されるべきエネルギーがＩＧＢＴでの発熱により消費され、この損失により加熱効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、非磁性金属層の影響による励磁コイルの抵抗負荷の増大を抑えて、高周波電源の共振回路を正常に駆動させることができるように構成された電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置を提供することにある。

本発明の電磁誘導加熱定着装置は、磁性金属層及びその内面側に非磁性金属層を備えた加熱ローラと、この加熱ローラの内部に収容された励磁コイルとを有し、前記加熱ローラにおける前記磁性金属層と非磁性金属層との間に良熱伝導性の電気的絶縁層が設けられ、前記非磁性金属層には周方向の一部分を切除する態様の切り欠きが形成された構成とする。

また、本発明の画像形成装置は、前記構成の電磁誘導加熱定着装置を備えた構成とする。

本発明によれば、磁性金属層の内周面に電気的絶縁層を介して非磁性金属層を設けると共に、非磁性金属層に周方向の一部分を切除する切り欠きを形成することにより、非磁性金属層の周方向の循環性がなくなるため、非磁性金属層による励磁コイルの抵抗負荷に及ぼす影響を小さく抑えることができ、これにより高周波電源の共振回路を正常に駆動させることが可能になり、高周波電源のエネルギー損失を低減し、発熱効率の向上を図ることができる。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、磁性金属層及びその内面側に非磁性金属層を備えた加熱ローラと、この加熱ローラの内部に収容された励磁コイルとを有し、前記加熱ローラにおける前記磁性金属層と非磁性金属層との間に良熱伝導性の電気的絶縁層が設けられ、前記非磁性金属層には周方向の一部分を切除する態様の切り欠きが形成された構成とする。

これによると、励磁コイルの外周を囲繞する非磁性金属層の周方向の循環性がなくなるため、非磁性金属層による励磁コイルの抵抗負荷に及ぼす影響を小さく抑えることができ、これにより高周波電源の共振回路を正常に駆動させることが可能になり、高周波電源のエネルギー損失を低減し、発熱効率の向上を図ることができる。

この場合、切り欠きは、非磁性金属層の軸方向の全長に渡って軸方向に延在する態様で設けることが簡易である。なお、切り欠きを周方向に複数形成して非磁性金属層を周方向に複数に分断した構成も可能である。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、前記電気的絶縁層が、良熱伝導性のフッ素系樹脂及びシリコーン樹脂のいずれかである構成とすることができる。

これによると、比較的良好な熱伝導性を有するため、非磁性金属層から磁性金属層への熱伝導が効率良く行われ、電気的絶縁層により加熱ローラの昇温特性が悪化する不都合を避けることができ、しかも比較的安価であるため、製造コストの上昇を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明が適用される複写機の概略構成を示す模式的な断面図である。この複写機（画像形成装置）は、原稿の画像を読み取る原稿読取部１と、ここで読み取った原稿の画像をトナーで記録紙（画像形成媒体）上に形成する画像形成部２と、ここで記録紙上に形成されたトナー像を定着させる定着部（定着装置）３とを有し、画像形成部２には給紙部４から記録紙が供給され、定着部３で定着処理が終わった記録紙が排紙部５に排出される。

画像形成部２では、帯電ローラ１１により一様に帯電された感光体ドラム１２に対してレーザ走査ユニット１３からレーザ光が照射されて感光体ドラム１２の像形成面上に静電潜像が形成された後、現像ユニット１４内のトナーが現像ローラ１５を介して感光体ドラム１２に供給されることでその像形成面上の静電潜像が現像され、これにより形成されたトナー像が転写ローラ１６により記録紙に転写される。

図２は、図１に示した定着部３の要部を示す断面図である。定着部３は、記録紙（画像形成媒体）Ｓ上のトナー像を熱溶融させる加熱ローラ２１と、図示しないばねにより加熱ローラ２１に圧接する向きに付勢された加圧ローラ２２とを有しており、加熱ローラ２１と加圧ローラ２２とによるニップ部に記録紙Ｓが送り込まれ、熱及び圧力の作用で記録紙Ｓ上のトナーが記録紙Ｓに定着される。

加熱ローラ２１は、鉄ニッケル合金などの整磁合金からなる中空円筒状のローラ本体（磁性金属層）２４を有し、このローラ本体２４の内部には電磁誘導加熱ユニット２５が収容されている。ローラ本体２４の電磁誘導加熱ユニット２５に対向する面、すなわちローラ本体２４の内周面には非磁性金属層２７が形成されている。電磁誘導加熱ユニット２５は高周波電源２６により駆動され、励磁コイル３２が発生する高周波磁界によりローラ本体（磁性金属層）２４及び非磁性金属層２７が発熱する。

特にここでは、非磁性金属層２７が電気的絶縁層２８を介してローラ本体２４の内周面に形成されており、この非磁性金属層２７には周方向の一部分を切除する態様の切り欠き２９が形成され、この切り欠き２９により非磁性金属層２７が一部開いた断面形状をなし、ここで電気的絶縁層２８が露出した状態になっている。

ローラ本体（磁性金属層）２４は、厚さが例えば０．５〜０．７ｍｍに形成され、その表面にはフッ素樹脂などからなる離型層（図示せず）が形成されている。

電気的絶縁層２８は、良熱伝導性のフッ素系樹脂またはシリコーン樹脂からなっており、非磁性金属層２７の熱をローラ本体２４に効率良く伝える。この電気的絶縁層２８の厚さは例えば３μｍとすれば良い。非磁性金属層２７は銅からなり、その厚さは例えば５μｍとすれば良い。なお、非磁性金属層２７は、銅の他に、非磁性ステンレスやアルミニウムなども可能である。

加圧ローラ２２は、アルミニウム合金材からなる芯金３０と、この芯金３０の周囲に形成された発泡シリコーンゴムなどのスポンジ材からなる弾性層３１とを有している。

図３は、図２に示した加熱ローラ２１の軸方向の断面図である。加熱ローラ２１の内部に収容される電磁誘導加熱ユニット２５は、軸方向に直列に並んで設けられた複数の励磁コイル３２と、この複数の励磁コイル３２に個別に設けられた磁性体コア３３と、励磁コイル３２及び磁性体コア３３を保持するために軸方向に延在するアルミニウムなどの非磁性の材料にて形成された芯材３４とからなっている。

励磁コイル３２は、加熱ローラ２１の中心線周りに巻回された導線（リッツ線）３６により、加熱ローラ２１と同軸的に形成されている。励磁コイル３２の各々には、同一の軸方向位置で且つ加熱ローラ２１の中心線を中心にした対称位置に磁性体コア３３が２つ設けられており、この２つ１組の磁性体コア３３の周囲に導線３６を巻回して１つの励磁コイル３２が形成される。また磁性体コア３３は、軸方向に隣り合う磁性体コア３３と、加熱ローラ２１の中心線を中心にした配置角度が周方向に９０度ずれている。

磁性体コア３３は、フェライトなどの強磁性を有する材料にて形成され、励磁コイル３２の内側に延在する基部３３ａから励磁コイル３２の外側に突出されて、先端が加熱ローラ２１の内周面に近接する一対の突出部３３ｂを備えている。励磁コイル３２により発生した磁束は、磁性体コア３３により誘導されて突出部３３ｂの先端面から略径方向に進み、ローラ本体２４の内周面に対して略直交する向きに進入する。

図４は、図２に示した加熱ローラ２１の斜視図であり、内部の電磁誘導加熱ユニット２５を取り外して示している。前記のように、ローラ本体（磁性金属層）２４の内面には電気的絶縁層２８を介して非磁性金属層２７が形成されており、この非磁性金属層２７には、その軸方向の全長に渡って軸方向に延在する態様で切り欠き２９が形成されている。

非磁性金属層２７の切り欠き２９は、加熱ローラ２１の軸方向の略全長に渡って軸方向に延在している。この切り欠き２９の周方向幅は例えば２ｍｍ前後とすれば良いが、発熱効率の向上及び温度分布の均一化の観点から狭い方が望ましい。なお、切り欠き２９を周方向に複数形成して非磁性金属層２７を周方向に複数に分断した構成も可能である。

図５は、図２に示した高周波電源２６の概略構成を示す回路図である。高周波電源２６は、交流電源部５１の交流を整流する整流器５２と、励磁コイル３２に並列接続された共振用のコンデンサ５３と、励磁コイル３２への供給電力をオン／オフするＩＧＢＴ５４及びダイオード５５からなるスイッチング部５６と、ＩＧＢＴ５４のスイッチング動作を制御するドライブ回路５７と、励磁コイル３２の電圧を検出してドライブ回路５７を制御するＩＨ制御回路５８とを有している。

図６は、図５に示したＩＧＢＴ５４のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃの変化状況を示すグラフであり、（Ａ）に前記の本発明の定着装置による場合を示し、（Ｂ）に従来の定着装置による場合を示している。

従来の定着装置では、加熱ローラの内部に収容された励磁コイルが、加熱ローラの内面に設けた非磁性金属層により外周を全面的に覆われるため、励磁コイルのインダクタンスや交流抵抗が大きく変化し、励磁コイルの負荷が増大する。このため、共振用のコンデンサの放電が完了しないうちに次の動作に移行する現象が発生し、このとき、図６（Ｂ）に示すように、ゼロクロスすべきタイミングで電圧Ｖｃｅが瞬間的に０に下がり、ＩＧＢＴに異常電流が発生する。これはＩＧＢＴの制御負荷となり、ＩＧＢＴで発熱が生じ、これによるエネルギー損失で発熱効率を低下させる。

これに対し、前記の本発明の定着装置では、ローラ本体（磁性金属層）２４の内周面に電気的絶縁層２８を介して非磁性金属層２７を設けると共に、非磁性金属層２７に周方向の一部分を切除する切り欠き２９を形成することにより、非磁性金属層２７の周方向の循環性が完全になくなるため、非磁性金属層２７による励磁コイル３２のインダクタンスや交流抵抗に及ぼす影響を小さく抑えることができる。このため、図６（Ａ）に示すように、電圧Ｖｃｅが０となるゼロクロス点で電流Ｉｃが理想的に立ち上がり、高周波電源２６の共振回路を正常に駆動させることができ、これにより高周波電源２６のエネルギー損失を低減し、発熱効率を向上させることができる。

なお、非磁性金属層２７に切り欠き２９を形成しても、電気的絶縁層２８を介することなく磁性金属層２４に非磁性金属層２７を密着形成した構成では、切り欠き２９の部分で磁性金属層２４を経由することにより周方向の循環性が維持されるため、切り欠き２９により循環性を遮断する効果を十分に得ることはできない。

本発明にかかる電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置は、非磁性金属層の影響による励磁コイルの抵抗負荷の増大を抑えて、高周波電源の共振回路を正常に駆動させることができる効果を有し、加熱ローラの内部に励磁コイルが収容されると共に、加熱ローラに発熱体として磁性金属層の内側に非磁性金属層が設けられた電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置、例えばプリンタ、ファクシミリ装置、複写機、及び複合機などとして有用である。

本発明が適用される複写機の概略構成を示す模式的な断面図 図１に示した定着部の要部を示す断面図 図２に示した加熱ローラの軸方向の断面図 図２に示した加熱ローラの斜視図 図２に示した高周波電源の概略構成を示す回路図 図５に示したＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ及びコレクタ電流Ｉｃの変化状況を示す図

符号の説明

３ 定着部（定着装置）
２１ 加熱ローラ
２４ ローラ本体（磁性金属層）
２５ 電磁誘導加熱ユニット
３２ 励磁コイル
３３ 磁性体コア
２６ 高周波電源
２７ 非磁性金属層
２８ 電気的絶縁層
２９ 切り欠き
５４ ＩＧＢＴ
５６ スイッチング部

Claims (3)

1. 磁性金属層及びその内面側に非磁性金属層を備えた加熱ローラと、この加熱ローラの内部に収容された励磁コイルとを有し、
   前記加熱ローラにおける前記磁性金属層と非磁性金属層との間に良熱伝導性の電気的絶縁層が設けられ、前記非磁性金属層には周方向の一部分を切除する態様の切り欠きが形成されたことを特徴とする電磁誘導加熱定着装置。
2. 前記電気的絶縁層が、良熱伝導性のフッ素系樹脂及びシリコーン樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導加熱定着装置。
3. 請求項１若しくは請求項２に記載の電磁誘導加熱定着を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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