JP2016024347A - 定着装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】取りうる駆動周波数の下限値において円筒形回転体の軸方向で最大温度を取る箇所にサーミスタを配置し、取りうる駆動周波数の上限値において円筒形回転体の軸方向で最大温度を取る箇所にサーミスタを配置する。
【選択図】図1
Description
以下、本発明の実施形態を説明する。ただし、以下実施形態に記載する構成部品の材質、形状、相対的位置等は特に記載の無い限りは限定する趣旨のものではない。
図2は本実施例の定着装置を用いた画像形成装置100の概略構成図である。画像形成装置100は、電子写真方式のレーザービームプリンタである。
本実施例において、定着装置115は電磁誘導加熱方式の装置である。図3は本例の定着装置115の要部の横断側面模型図である。加圧回転体としての加圧ローラ8は、芯金8a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8bとで構成されており、表層に離型層8cを設けてある。
図4は定着装置115の要部の斜視図である。定着ローラ1の内部にて、回転軸線方向(定着ローラ1の母線方向)Xに磁性芯材としての磁性コア2が不図示の固定手段で定着ローラ1の中空部に貫通(挿通)して配置されている。即ち、定着ローラ1の中空部には、定着ローラ1の母線方向に長い磁性コア2が挿通されている。磁性コア2は、定着ローラ1の外側でループを形成しない形状、つまり有端形状であり、磁路の一部が断絶した開磁路を形成している。
図5の(a)を用いて本実施例の定着装置の発熱メカニズムについて説明する。コイル3に交流電流を流して生じた磁力線が定着ローラ1の筒状の発熱層1の内側の磁性コア2の内部を発熱層1aの母線方向(SからNに向かう方向)に通過し、磁性コア2の一端(N)から発熱層の外側に出て磁性コア2の他端(S)に戻る。その結果、発熱層1aの内側を発熱層1aの母線方向に貫く磁束の増減を妨げる方向の磁力線を発生させる誘導起電力が発熱層1aに生じて発熱層1aの周方向に電流が誘導される。この誘導電流によるジュール熱で発熱層1aが発熱する。
<発熱層の外側を通る磁束の割合と電力の変換効率との関係>
ところで、図5の(a)の磁性コア2はループを形成しておらず端部を有する形状である。図5の(b)のような磁性コア2が発熱層1aの外でループを形成している定着装置における磁力線は、磁性コア3に誘導されて発熱層1aの内側から外側に出て内側に戻る。
そこで、定着装置115における外側ルートを通る磁力線の割合を磁力線の通り易さをパーミアンスという指標を用いて表す。まず、一般的な磁気回路の考え方について説明する。磁力線が通る磁路の回路を電気回路に対して磁気回路という。磁気回路において磁束を計算する際、電気回路の電流の計算に準じて行うことができる。磁気回路は、電気回路に関するオームの法則が適用可能である。電気回路の電流に対応する磁束をφと、起電力に対応する起磁力をVと、電気抵抗に対応する磁気抵抗をRと、すると、次の式(2)を満たす。
しかし、ここでは原理をより理解しやすく説明するために磁気抵抗Rの逆数であるパーミアンスPを用いて説明する。パーミアンスPを用いると、上式(2)は次の式(3)ように表せる。
更に、このパーミアンスPは、磁路の長さをBと、磁路の断面積をSと、磁路の透磁率をμと、すると下記の式(4)のように表せる。
パーミアンスPは、断面積S及び透磁率μに比例し、磁路の長さBに反比例する。
また、φc、φa_in、φs、φa_outはそれぞれ以下の式(6)〜(9)で表される。
φs=Ps×Wm ・・・(7)
φa_in=Pa_in×Wm ・・・(8)
φa_out=Pa_out×Wm ・・・(9)
よって、式(5)に(6)〜(9)を代入するとPa_outは次の式(10)示すように表される。
図6の(b)より、磁性コア2の断面積をSc、発熱層1aの内側の断面積をSa_in、発熱層1a自身の断面積をSsとすると、パーミアンスは「透磁率×断面積」で表すことができる。単位は[H・m]である。
Pa_in=μ0Sa_in=μ0×π(a2 2−a1 2) ・・・(12)
Ps=μ2Ss=μ2×π(a3 2−a2 2) ・・・(13)
これらの(11)〜(13)を式(10)に代入すると、Pa_outは式(14)で表せる。
・・・(14)
上記の式(14)を使用することによって発熱層1aの外側を通る磁力線の割合であるPa_out/Pcを計算することができる。
Pa_in=2.8×10-10[H・m]
Ps=9.1×10-11[H・m]
これらの値を用いて、次の式(15)からPa_out/Pc計算することができる。
=0.999(99.9%) ・・・(15)
以上述べたことから、外側ルートを通る磁力線の割合をパーミアンスもしくは磁気抵抗を使って表すことができることを示した。
次に、本実施例の定着装置で必要な電力の変換効率について述べる。例えば、電力の変換効率が80%である場合、残り20%の電力は発熱層以外のコイルやコア等で熱エネルギーに変換されて消費される。電力の変換効率が低い場合は、磁性コアやコイル等の発熱すべきでないものが発熱し、それらを冷却するための対策を講じる必要性がある場合がある。
本構成は、磁性コアの断面積が26.5mm2(5.75mm×4.5mm)で、発熱層の直径が143.2mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は64%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は54.4%であった。電力の変換効率は定着装置に投入した電力のうち、発熱層の発熱に寄与した分を示すパラメータである。従ってそれ以外は損失となり、その損失はコイル及び磁性コアの発熱となる。
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じで、発熱層の直径が127.3mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は71.2%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は70.8%である。定着装置のスペックによっては、コイル及びコアの昇温が課題になる場合がある。
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じであり、発熱層の直径が63.7mmの場合である。この装置のインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は83.9%である。磁性コア及びコイル等に定常的に熱量が発生するものの、冷却手段が必要なレベルではない。
本構成は、磁性コアの断面積がP1と同じであり、円筒体の直径が47.7mmの場合である。この装置でインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は94.7%である。本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置(発熱層の回転速度は330mm/sec)で発熱層の表面温度を180℃に維持する場合であっても、励磁コイルやコイル等は、180℃以上に達することはない。従って、磁性コアやコイル等を冷却する冷却手段及び特別な耐熱設計は不要である。
発熱層1aの外側ルートを通過する磁束の割合が72%以上であることは、発熱層1aのパーミアンスと発熱層1aの内側(発熱層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コア2のパーミアンスの28%以下であることと等価である。従って、本実施例の特徴的な構成の一つは、磁性コア2のパーミアンスをPc、発熱層1aの内側のパーミアンスをPa_in、発熱層のパーミアンスPsとした時に、次の式(16)を満足することである。
また、パーミアンスの関係式を磁気抵抗に置き換えて表現すると下記の式(17)になる。
0.28×Rsa≧Rc ・・・(17)
ここで、RsとRaの合成磁気抵抗Rsaは以下の式(18)ように定義。
Rc:磁性コアの磁気抵抗
Rs:発熱層の磁気抵抗
Ra_in:発熱層と磁性コアとの間の領域の磁気抵抗
Rsa:RsとRaの合成磁気抵抗
上記のパーミアンスもしくは磁気抵抗の関係式を、定着装置の記録材の最大搬送領域全域で、円筒形回転体の母線方向に直交する方向の断面において満足することが望ましい。
上記のパーミアンスの関係式を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(20)ようになる。
更に、本実施例のレンジR3の定着装置は発熱層の外側ルートを通過する磁束の割合が95%以上である。表2から正確には94.7%以上であるが測定誤差等を考慮して95%とする。導電層1aの外側ルートを通過する磁束の割合が95%以上であることは、導電層1aのパーミアンスと導電層1aの内側(導電層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コアのパーミアンスの5%以下であることと等価である。パーミアンスの関係式は以下の式(21)になる。
上記のパーミアンスの関係式(21)を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(22)になる。
本実施例の構成においてPc,Ps,Pa_inはそれぞれ表1に示す通りであり、上記(21)式を満たしている事がわかる。そのため、効率的に発熱層に電力供給できることがわかる。
図5の(a)を用いて説明したように、励磁コイル2に流れる電流によって形成される交番磁界を打ち消すように、発熱層1aの周方向全域に誘導電流が流れる。この電流を誘導する物理モデルは、図10に示すように、実線で示す1次コイル81と点線で示す2次コイル82を巻いた形状の同心軸トランスの磁気結合と等価である。
磁性コア2の長手方向位置と等価インダクタンスの関係を説明したのが図12である。磁性コア2に対し、直径30mmのコイル141(コイルはN=5回巻)を通し、長手方向の各位置にてインピーダンスアナライザを用いてコイル両端からの等価インダクタンスL(周波数35kHz)を測定すると、図12に示す山形の分布形状となる。等価インダクタンスLは端部において中央の半分以下に減衰している。Lは以下の式(24)に従う。
ここで、μは磁性コアの透磁率、Nはコイルの巻き数、lはコイルの長さ、Sはコイルの断面積である。コイル141の形状は変化していないので、本実験においてはS,N,lは変化していない。従って、等価インダクタンスLの変化は透磁率μが変化している事を意味している。以下この位置によって変化するμを「みかけの透磁率」と表記する。以上を整理すると、図12は磁性コアの長手位置によってみかけの透磁率が変化する事を表している。
即ち、磁力線と垂直な境界面NP⊥、SP⊥における磁束密度の連続性により磁束密度Bが変化し、その結果みかけの透磁率μが変化する。磁路を作る際磁路そのものをループで繋げて作る閉磁路と、開放端にするなどして磁路を断絶させる開磁路があるが、上記の現象は開磁路でのみ起きる現象である。
みかけの透磁率μが位置によって変化するため、図11の(a)の等価回路は図14の(a)のようになる。みかけの透磁率μが一定の微小幅を考慮しN分割している。図11同様に図14も等価交換及び近似を行う事で図14の(a)は図14の(b)になる。ここでの分割は等幅で行っているため、抵抗Rは全て同じ値となる。図14の(b)は各合成インピーダンスの直列回路になっているため図14の(c)のように書ける。
以下簡単のため、中央部と端部の2点における合成インピーダンスの比較により長手方向の発熱分布を考察する。長手方向中央部における合成インピーダンスXcを式(26)、長手方向端部における合成インピーダンスXeを式(27)と表記する。
図1に、軸X方向における定着ローラ1の表面温度分布測定結果を記す。本測定はNEC Avio社製のTVS−8500を用いて測定を行った。駆動周波数はそれぞれ20kHz、25kHz、30kHz、35kHzとして測定を行った。
Claims (4)
- 導電層を有する筒状の回転体と、前記回転体の中空部に挿通され前記回転体の母線方向に長い磁性芯材と、前記中空部において前記磁性芯材の外側に前記母線方向に交差する方向に前記磁性芯材に直接もしくは他物を介して巻かれた励磁コイルと、を有し、前記励磁コイルに交番電流を流すことで前記導電層が電磁誘導により発熱し画像を記録材に定着する定着装置において、
前記磁性芯材は前記回転体の外側でループを形成しておらず、前記回転体の温度を測定する温度検知素子を有し、前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲において、前記回転体の母線方向で前記回転体の温度が最大となる箇所の温度を測定できるように前記温度検知素子が配置されていることを特徴とする定着装置。 - 前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も大きい値のとき、前記回転体の母線方向で最も温度が高い位置に前記温度検知素子が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も小さい値のとき、前記回転体の母線方向で最も温度が高い位置に前記温度検知素子が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も大きいときに前記回転体の母線方向で最も温度が高くなる位置と、採用しうる周波数の範囲の中で周波数が最も小さい時に前記回転体の母線方向で最も温度が高くなる位置と、の両方に前記温度検知素子が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
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