JP3749272B2 - 誘導加熱定着装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は複写機、プリンタ及びファクシミリなどに用いられる定着装置に関し、詳しくは、誘導加熱を利用してトナー像をシートに定着する定着装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、複写機などは、シート上に転写されたトナー像をシートに定着するための定着装置を有して構成されている。この定着装置は、例えば、シート上のトナーを熱溶解する加熱ローラと、加熱ローラに圧接してシートを挟持する加圧ローラとを備えている。加熱ローラは円筒状に形成されており、この加熱ローラの内部の中心軸上には、発熱体が保持手段により保持されている。発熱体は、例えば、ハロゲンランプなどにより構成され、所定の電圧を印加されることにより発熱するものである。この発熱体は加熱ローラの中心軸に位置しているため、発熱体から発せられた熱は加熱ローラ内壁に均一に輻射され、加熱ローラの外壁の温度分布は円周方向において均一となる。加熱ローラの外壁は、その温度が定着に適した温度(例えば150〜200℃)になるまで加熱される。この状態で加熱ローラと加圧ローラは摺接しながら互いに逆方向へ回転し、トナーが付着したシートを挟持する。加熱ローラと加圧ローラとの摺接部(以下、ニップ部と記す)において、シート上のトナーは加熱ローラの熱により溶解し、シートに定着される。定着後、加熱ローラと加圧ローラの回転に伴い、シートは排紙ローラによって搬送され、排紙トレイ上に排出される。
【0003】
上述の定着装置においては、複写機などに電源を投入した後、加熱ローラが定着に適した温度に達するまでに比較的長時間を要していた。この間、使用者は複写機を使用することはできず、長時間の待機を強いられるという問題があった。
【0004】
そこで、このような問題を解決する装置として、金属導体からなる定着部材の内部に同心状にコイルを巻装したコア(開磁路鉄芯)を配置した誘導加熱定着装置が提案されている(特開昭58−178385号公報)。この装置は、前記コイルに高周波電流を流し、これによって生じた高周波磁界で定着部材を誘導加熱するもので、金属導体である定着部材そのものが発熱するため、ハロゲンランプなどの発熱体を用いる方式に比べ速く昇温する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の定着装置では定着部材の表面が均一に発熱するため、定着を行うニップ部以外の部分で発生した熱は定着に使用されることなく無駄になっており、また、ニップ部の温度を早く高めようとして供給電流を増加させると、他の部分も同様に発熱量が増加するため、複写機内の温度が上昇するという問題を新たに生ずるとともに最近の省エネルギー化に逆行することになる。
【0006】
また、定着部材の壁面全域が発熱することによってニップ部とその周辺部とはほぼ同じ温度となるため、加熱ローラの回転とともに、シートがニップ部から剥離する際に以下の問題をも生じさせていた。
即ち、ニップ部周辺の定着ローラの熱により、シート上のトナーは固着せずに熱溶解したままである。このため、熱溶解したトナーが加熱部材に付着し易くなり、加熱部材に付着したトナーが再度シートに付着するという、いわゆるオフセット現象が生じるという問題があった。
【0007】
さらには、ニップ部周辺の加熱部材の熱によりシート上のトナーが糊着することなく熱溶解したままなので、熱溶解したトナーの粘着力によりシートが加熱部材のニップ部以外の部分から剥離しにくくなる。すると、シートが加熱部材に巻き付き、ジャムが生じるという問題をも生じていた。
【0008】
そこで、本発明は、誘導加熱方式の定着装置において、加熱に要する時間を短縮するとともに、オフセット現象を防止した定着装置を提供することを目的とする。
【0009】
上述した問題を解決するために、請求項1に記載の発明に係る定着装置は、シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、加熱ローラの第1位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、加熱ローラの第2位置と対向する位置に設けられた温度センサと、加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第1位置および第2位置に対向して配設されたコイルと、加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、温度センサの出力に応じてコイルに流す交番電流を制御する回路とを備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第1位置と第2位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置である。
【0010】
請求項2に記載の発明に係る定着装置は、シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、加熱ローラの第1位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、加熱ローラの第2位置と対向する位置に設けられた温度ヒューズと、加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第1位置および第2位置に対向して配設されたコイルと、加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、コイルへ交番電流を流す回路とを備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第1位置と第2位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置。
【0011】
請求項3にに記載の発明に係る定着装置は、コアが加熱ローラの回転軸上に並列して複数設けられ、各コアにコイルが巻回されていることを特徴とする請求項1または2に記載の誘導加熱定着装置である。
【0012】
請求項4にに記載の発明に係る定着装置は、加熱ローラの回転軸に対して直交する向きで加熱ローラ内に配設された第2コアと第2コアの周囲に巻回された第2コイルとを有し、回転軸方向における第2コアの幅が第1コアの幅と異なることを特徴とする請求項1または2に記載の誘導加熱定着装置である。
【0016】
【作用】
請求項1に記載の発明に係る定着装置では、電源が投入されることによって加熱ローラの回転軸と直交する方向へ磁束が発生し、加熱ローラの周方向において不均一に渦電流が発生する。これにより、加熱ローラの周方向において2箇所の発熱が可能となり、定着を行う第1位置と同じ条件で加熱される第2位置に配設された温度センサーの検出に基づいて、加熱ローラの適切な温度制御が可能となる。
【0017】
請求項2に記載の発明に係る定着装置では、電源が投入されることによって加熱ローラの回転軸と直交する方向へ磁束が発生し、加熱ローラの周方向において不均一に渦電流が発生する。これにより、加熱ローラの周方向において2箇所の発熱が可能となり、定着を行う第1位置と同じ条件で加熱される第2位置に配設された温度ヒューズによって異常発生時の電源遮断を行うことができる。
【0018】
請求項3に記載の発明に係る定着装置は、コイルとコアからなる複数のアッセンブリを加熱ローラの回転軸方向に並列させることによって、1つのコアのみを配設しコイルを巻回する場合に比べ加熱ローラの回転軸方向における発熱量が均一になる。
【0019】
請求項3及び請求項4に記載の発明に係る定着装置は、選択的にコイルへ誘導電流を印加することによって、加熱ローラの回転軸方向において発熱領域が変更される。
【0023】
【実施例】
以下、本発明を適用した誘導加熱定着装置について添付図面を参照して説明する。
【0024】
図1は本発明を適用した誘導加熱定着装置の構成を示す断面図である。本定着装置は、図示しない駆動源によって矢印a方向に回転駆動可能に設けられた円筒状の加熱ローラ1と、この加熱ローラ1に加圧して設けられ加熱ローラ1の回転に伴って従動回転する加圧ローラ2とから構成されており、加熱ローラ1の内部には誘導磁界を発生させるためのコイルアッセンブリ3が配設されている。加熱ローラ1は、炭素鋼管,ステンレス合金管あるいはアルミニウム合金管などの導電性部材から形成されて外周にフッ素樹脂がコーティングされており、一方、加圧ローラ2は軸芯4の周囲にシリコンゴム層5が形成されている。加熱ローラ1は導電性磁性部材で形成されることが好ましい。図において、6は加熱ローラ1の表面温度を検出する温度センサとしてのサーミスタであり、7は加熱ローラ2からシートを分離する分離爪である。
【0025】
コイルアッセンブリ3は、図2に示すように中央部に穴を持ったロの字型のボビン8の周りに銅線を一方向に複数回巻いてコイル9を形成したもので、ボビン8の穴にはコイル9の銅線と直交するようにコア10が挿入されている。ボビン8は例えばセラミックや耐熱性プラスチックで形成すればよく、また、コイル9としては表面に融着層と絶縁層を持つ銅線を用いることが好ましい。コア10は1本の鉄芯でもよく、複数枚の薄い鉄板を重ねて形成されていてもよい。コイルアッセンブリ3は、加熱ローラ1の回転軸方向に対し直交する方向へ磁束が発生するように、ボビン8に巻回された銅線が加熱ローラ1の回転軸に平行な平面に沿うように、即ち、コア10が回転軸と直交する向きに配設されている。
【0026】
さらに、本実施例においては、図1及び図3に示すように、複数のコイルアッセンブリ3が、コア10がシートの搬送方向と平行でコイル9の一端側が加圧ローラ2と対向し、他端側が、サーミスタ6と対向するようにホルダ11を用いて加熱ローラ1の軸方向へ並んで配設されている。このホルダ11は耐熱性のプラスチックから形成され、図3に示すように円柱の周囲に上下左右に突き抜ける穴を複数個開けた形状をしており、両端部には装置本体に固定するための突起部11aが設けられている。コイルアッセンブリ3は、例えばホルダ11に設けられた左右の穴にボビン8を挿入し、その後上下の穴にコア10を挿入することによってホルダ11に組み込まれる。複数のコイル9はホルダ11内で電気的に直列に接続されており、ホルダ11の両端にはこれらのコイル9へ電流を流すためのリード線12が引き出されている。ホルダ11は、加熱ローラ1の内壁との間に隙間が形成されるように加熱ローラ1の内径よりも若干小さい径を有している。
【0027】
図4は誘導加熱コイル9へ高周波電流を流し加熱ローラ1の温度を制御する回路のブロック図である。高周波電流は商用電源13の交流を整流回路14によって整流し、インバータ回路20で高周波に変換し発生させる。インバータ回路20への電流は加熱ローラ1の表面に圧接された温度ヒューズであるサーモスタット15を介して供給される。このサーモスタット15は加熱ローラ1の表面温度が予め設定されている異常温度に達すると回路に供給する電流を切断するものであり、サーミスタ6と同様にコア10に巻回されたコイル9と対向する位置に配置される。制御回路16はマイクロプロセッサやメモリなどから構成され、サーミスタ6の電位に基づいて加熱ローラ1の温度を監視しながらインバータ回路20の内ドライブ回路21へオン/オフ信号を出力し、温度制御を行う。
【0028】
インバータ回路20は制御回路16から発せられる制御信号がオンになると、まずドライブ回路21が、例えばトランジスタ,FETあるいはIGBTなどからなるスイッチング素子22をオンし、これによってコイル9に電流が流れる。一方、電流検出回路23は所定の電流値IPに達したことを検出するとスイッチング素子22をオフするようにドライブ回路21に信号を送る。電流検出回路23で検出される電流Iの波形を図5aに示す。スイッチング素子22がオフされると、コイル9と共振用コンデンサ24との間で共振電流が流れる。そして、電圧検出回路25は、共振によりスイッチング素子22のコイル9側の電圧Vが0V付近まで下降したことを検出すると、スイッチング素子22を再びオンするようにドライブ回路21に信号を送る。以下、このスイッチングサイクルを繰り返すことによって高周波の電流をコイル9へ流す。電圧検出回路25で検出される電圧Vの波形を図5bに、また、スイッチング素子22のオン/オフ信号(例えば、FETならばゲートのオン/オフ信号)を図5cに示す。
【0029】
図6〜図9は、本実施例の定着装置においてコイル9に数kHz〜数十kHzの電流を流し加熱ローラ1の表面温度を測定した結果を示すグラフである。各実験は、加熱ローラ1の材質として、鉄,SUS430,ニッケル,SUS304をそれぞれ用い、厚さはすべて0.3mmとした。グラフにおいて、横軸は、図10に 示すようにコイル9と対向するローラ部分Aを0度とした場合の角度、縦軸は表面温度を示す。各グラフから明らかなように、加熱ローラ1の表面温度はコイル9に対向する部分A(0度)が最も高く、そこから遠ざかるに従って温度が低下していった。材質としてはSUS304を用いた場合に最も局所的な高温が得られた。なお、本実施例の定着装置の断面形状は軸対称であるので、部分Aの軸対称位置に同一の加熱特性を持つ部分A’が存在する。
【0030】
このようにコイル9と対向する加熱ローラ1の部分A、A’が他の部分に比べ高温になる理由は次のように考察される。コイル9に高周波電流が流されると、「アンペアの右ネジの法則」に従って図10に示すようにコア10から加熱ローラ1の長手方向に対し垂直な磁束aが発生する。加熱ローラ1が磁性体であるためこの磁束は加熱ローラ1に沿って曲って加熱ローラ1周面に集中し、コイル9と対向する部分A、即ち、加圧ローラ2と接触するニップ部で密度が最大となる。この集中した磁束を受けて加熱ローラ1には「レンツの法則」に従って磁束を妨げるような渦状の誘導電流が壁面内部で発生し、これによって発熱する。即ち、磁束aは加熱ローラ1の壁に沿って集中し、部分A、A’で磁束密度が極大となるため、この部分A、A’が他に比べ高温になると考えられる。
【0031】
以上説明したように、本実施例においては、コイルアッセンブリ3を、コア10が通紙方向と平行となるように、即ち、コイル9が加熱ローラ1の回転軸と直交する軸を中心に巻回した状態となるように配置したので、加熱ローラ1の周面においてある特定部分を局所的に発熱させることができ、しかも、その局所的な発熱部分Aを加圧ローラ2と接触するニップ部に対応づけることによって熱効率の良い加熱を行うことができる。そして、同じサイズのコイルアセンブリ3を回転軸方向へ複数並列させる構成としているため、回転軸方向に長い1つのコイルアッセンブリを用いる場合に比べ、製造が容易になるだけでなく、回転軸方向における加熱ローラ1表面の温度分布を均一にすることができる。
【0032】
前述した実施例において、加熱ローラ1の表面温度を検出するサーミスタ6と加熱ローラ1の表面温度が予め設定された異常温度に達すると回路が切断されるサーモスタット15は、前述した局所的発熱部分A’に接触するように配置される。
これは、発熱部分Aと発熱部分A’が同一の加熱特性を持つため、加圧ローラ2があるために直接の温度検出が行いにくい発熱部分Aの代わりに、発熱部分A’の温度をサーミスタ6で検出し、前述した加圧ローラ2と接触する局所的な発熱部分Aの温度を適切な定着温度範囲に制御して定着性を確保するとともに、高温オフセットを防止するためである。同様に、サーモスタット15の配置は、加熱ローラ1の異常温度上昇のためにシートが発煙、発火するのを確実に防止するために、シートを最も加熱する前述した発熱部分Aと同一の加熱特性を持つ発熱部A’の温度を検出する必要があるためである。
【0033】
以上のことは、逆に言えば、コイル9を加熱ローラ1の回転軸と直交する軸を中心に巻回した状態となるように配置し、加熱ローラ1の周円において2箇所均等に局所的な加熱を行っているために可能となり、安定した定着性能と安全な定着装置が提供できる。
【0034】
前述した実施例では、複数のコイルアッセンブリ3のコイル9を電気的に直列に連結したが、これに限られるものではなく、各コイルアッセンブリ3のコイル9を電気的に並列に接続し、各コイルアッセンブリ毎に独立してオン/オフ可能に構成してもよい。このように構成することによって、シートのサイズに応じて作動するコイルアッセンブリ3の数を切り換えることが可能となり、ローラの軸方向における不要部分での発熱を回避できる。また、コイルアッセンブリ3の大きさは同じサイズのものを多数(例えば8個)設けてもよく、あるいは、用紙サイズに応じて異なるサイズとしてもよい。前者の場合には製造コストを低く抑えることができ、後者の場合には用紙サイズに応じて最適な加熱を行うことができる。
【0035】
また、前記実施例では、他の部分と比べ最も発熱する部分Aを加圧ローラ2と対向するように配置したが、加熱ローラ1の回転動作によって加熱されたローラ表面が移動することを考慮して、図11の如くコイル109が加圧ローラ2との接触部よりも上流側に位置するよう設定してもよい。
【0036】
さらには、前記実施例ではコイルアッセンブリ3を保持するホルダ11を加熱ローラ1と同軸に配設したが、これに限られるものではなく、例えば図12のように圧接ローラ2側へ偏心して配置してもよい。この場合には、コイルアッセンブリ203によって発生する磁束が、加熱ローラ201の周面の中でも加圧ローラ2と接触するニップ部に最も多く収束するため、ニップ部における発熱量が最も高くなり、電気−熱交換効率が向上する。 なお、図11及び図12に示す変形例では、前述した点を除いて他の構成は前記実施例と同様であり、その説明は省略する。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を適用した誘導加熱定着装置によれば、加熱ローラの周面においてローラの軸方向に沿う特定領域を局所的に2箇所発熱させることができるため、供給電流を増やすことなく効率のよい発熱を可能にし、一方の発熱部をニップ部へ対向させることにより加熱に要する時間を短縮することができ、さらには、他方の発熱部を温度センサあるいは温度ヒューズと対向させることによりローラ温度を適切な定着温度範囲に制御することができオフセット現象の発生も抑制できるとともに、異常発生時の電源遮断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した誘導加熱定着装置の断面図である。
【図2】図1に示した誘導加熱定着装置に用いられるコイルアッセンブリを示す斜視図である。
【図3】図2に示したコイルアッセンブリを保持するホルダの斜視図である。
【図4】誘導加熱コイルへ高周波電流を流す制御回路のブロック図である。
【図5】(a)は図4に示す電流検出回路で検出される電流の波形図、(b)は図4に示す電圧検出回路で検出される電流の波形図、(c)は図4に示すスイッチング素子のオン/オフ信号の波形図である。
【図6】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図7】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図8】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図9】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図10】本発明を適用した誘導加熱定着装置の加熱原理を説明する説明図である。
【図11】本発明を適用した誘導加熱定着装置の変形例を示す説明図である。
【図12】本発明を適用した誘導加熱定着装置の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
1,101,201・・・・加熱ローラ
2・・・・加圧ローラ
9109,209・・・・コイル
10・・・コア
21・・・インバータ回路
Claims (4)
- シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、
内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、
加熱ローラの第1位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、
加熱ローラの第2位置と対向する位置に設けられた温度センサと、
加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第1位置および第2位置に対向して配設されたコイルと、
加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、
温度センサの出力に応じてコイルに流す交番電流を制御する回路と
を備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第1位置と第2位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置。 - シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、
内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、
加熱ローラの第1位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、
加熱ローラの第2位置と対向する位置に設けられた温度ヒューズと、
加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第1位置および第2位置に対向して配設されたコイルと、
加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、
コイルへ交番電流を流す回路と
を備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第1位置と第2位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置。 - コアが加熱ローラの回転軸上に並列して複数設けられ、各コアにコイルが巻回されていることを特徴とする請求項1または2に記載の誘導加熱定着装置。
- 加熱ローラの回転軸に対して直交する向きで加熱ローラ内に配設された第2コアと第2コアの周囲に巻回された第2コイルとを有し、回転軸方向における第2コアの幅が第1コアの幅と異なることを特徴とする請求項1または2に記載の誘導加熱定着装置。
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