JP3750717B2

JP3750717B2 - 定着装置

Info

Publication number: JP3750717B2
Application number: JP2000044392A
Authority: JP
Inventors: 裕介坂上
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP2001235962A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタの定着装置、特に電子写真方式のプリンタの定着装置に関し、さらにインクジェットプリンタの溶媒を乾燥させる定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８はハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置の例を示す図であり、２１は定着ローラ、２２は加圧ローラ、２３はハロゲンランプ、２４はトナー像、２５は記録紙、２７はバネ、２８は温度検出手段を示す。
【０００３】
プリンタの定着装置には、ハロゲンランプを加熱源にしたものや電磁誘導加熱装置を熱源としたものがある。ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置は、図８に示すように中空状の定着ローラ２１の中心に略円筒状のハロゲンランプ２３が配置され、電流を流すことによってハロゲンランプ２３から赤外線を主体とした電磁波が放射され、定着ローラ２１の内側に到達し熱に変わる。その熱は、定着ローラ２１の外側に伝達され、定着ローラ２１と加圧ローラ２２との挟まれたマーキング材（トナー像２４）を持つ記録紙２５をバネ２７により加圧しながら加熱し、マーキング材２４を定着する。温度検出手段２８により定着ローラ２１の外側の温度を検出し、制御回路によりその検出温度に基づきハロゲンランプ２３の電流を制御して、定着ローラ２１の温度を制御する。
【０００４】
定着ローラ２１は、通常鉄系又はアルミニウム系のパイプ状芯金に、表面にはマーキング材のオフセットを防止するための離型層が施される。必要に応じて弾性層（シリコンゴムなど）がパイプ状芯金の外周に形成される。その場合には、記録紙２５の凹凸に対しても適切な圧力でトナー像を記録紙２５に加圧できるので、定着後の画像は均一にトナーが溶融され良好な画質が得られる。しかし弾性層が通常熱伝導率が芯金の金属に比べて劣るため、定着ローラ２１の表面の温度が所定の温度になるまでの時間がかかり、しかも熱応答性が悪くなる。この定着ローラ２１は、両端部を軸受けで構造体に回転支持する。
【０００５】
加圧ローラ２２は、鉄、ステンレス、アルミニウムなどの芯金にシリコンゴムなどの弾性層を外周に設ける。両面印刷の場合には、加圧ローラ２２にも離型層を設ける。定着ローラ２１と加圧ローラ２２は、バネ２７によってニップ荷重が与えられてニップを形成する。
【０００６】
一方、電磁誘導加熱装置を熱源とした従来のプリンタの定着装置には、例えば定着ローラの内部に加熱コイルを配置した定着装置（特開平８−１７９６４７号公報、特開平９−１６０４１３号公報参照）や、定着ローラの内部に閉磁路のコアを通して、加熱コイルを定着ローラの外側に配置した定着装置（特開平８−１２９３１５号公報参照）などがある。さらには、複数のコイルを巻き隣接するコイルと逆方向に磁界を与える定着装置（特開平８−６３０２２号公報参照）がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、定着ローラの内部に加熱コイルを配置した定着装置（特開平８−１７９６４７号公報）の場合には、中空の定着ローラの中心部にコイルが配置され、コイルによって生じる磁束は、コイルの中心部から定着ローラに沿って流れるため、その磁路は、定着ローラの長さとコイルの長さを加えた長さに相当し、長くなってしまう。そのため、磁気抵抗が大きくなり、磁束密度は低下してしまう。渦電流の発生は、磁束密度の２乗に比例するために、誘導加熱の効率が低下するという課題があった。
【０００８】
定着ローラの内部に加熱コイルを配置した他の定着装置（特開平９−１６０４１３号公報）の場合には、中空の定着ローラの中心部にボビンとそれに巻かれたコイルが配置され、コイルによって生じる磁束は、コイル中心部から定着ローラに沿って流れるため、上記の場合と同様な構造になっており、同様な課題を抱えている。
【０００９】
加熱コイルを定着ローラの外側に配置した定着装置（特開平８−１２９３１５号公報参照）の場合には、定着ローラとコアとが磁気ギャップを持って磁気回路を構成し、定着ローラに沿って流れるため、その磁路は、定着ローラの長さとコアの長さを加えた長さに相当し、長くなってしまう。
【００１０】
隣接するコイルで逆方向に磁界を与える定着装置（特開平８−６３０２２号公報参照）の場合には、単に隣接するコイルが逆方向の磁界が形成されるように接続するケースに限定され、しかも接続の違いが定量的に把握できない。
【００１１】
また、定着フイルムの中に複数のコアとコイルを配置して、記録紙幅に応じてコイルを使い分けする定着装置（特開平８−１６００５号公報参照）も提案されているが、高周波電流の駆動回路や制御回路については内容が明らかでない。複数のコイルに交流電流を流すには、コイルのインダクタンス、抵抗に応じて共振インバータのコンデンサを選んでやる必要があり、コイル毎に共振インバータを備えることになるため、コスト的に高価になってしまうという課題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、加熱効率を高め、記録紙の幅に応じた効率的に加熱し、記録紙が通紙する部分の定着ローラの温度制御の安定性を高めるものである。
【００１３】
そのために本発明は、定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記コイルは、導電性金属箔を渦巻き状に成形し、絶縁シートを貼り合わせ、多層に積層したものを前記定着ローラの軸方向に複数のコイルに分割し前記定着ローラの外周に一定ギャップを維持し交互方向接続にして配置したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記コイルは、リッツ線を渦巻き状に巻いたものであり、前記コイルは、導電性金属箔を渦巻き状に成形し、絶縁シートを貼り合わせ、多層に積層したものであり、前記制御手段は、１石電圧共振型インバータを有することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る定着装置の実施の形態を示す図であり、１は定着ローラ、２は加圧ローラ、３はコイル、４はトナー像、５は記録紙、６は磁束、７はバネ、８は温度検出手段を示す。
【００１６】
図１において、定着ローラ１は、導電性で熱容量の小さい加熱層と離型層から構成され、必要に応じて離型層の下に数１０μｍ〜数１００μｍ程度の厚さの弾性層が配設される。加熱層には、コイル１からの交流磁界によって渦電流が効率的に発生するために、導電性が必要である。離型層は、溶融したトナーが定着ローラ１から剥離し易くするために設けるものであり、オフセット防止が目的である。離型層の材質としては、フッ素樹脂（ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＰＥＰ）、シリコン樹脂、フッ素ゴム、シリコンゴムなどが適しており、その厚さは、数１０μｍ〜数１００μｍが望ましい。数１０μｍ以下になると記録紙との摩耗でなくなったしまい、数１００μｍ以上になると熱伝導率が低下して加熱層からの熱が効率的に伝達できなくなる。定着ローラ１は、両端にフランジがあって軸受けで回転可能に支持され、モータからの回転トルクが歯車やベルトなどによって伝達されて一定の角速度で回転する。
【００１７】
定着ローラ１に弾性層がある場合には、記録紙５の凹凸に対してもトナーに十分なニップ圧力が与えられ、定着後の画像がムラなく仕上げられる。しかし、弾性層は、熱伝導率が低いシリコンゴムやフッ素ゴムなどが利用されるため、定着ローラ１の加熱立ち上がり時間を長くする傾向がある。
【００１８】
加圧ローラ２は、芯金、弾性層から構成され、さらに両面印刷用の場合には離型層が表面に形成され、バネ７によって定着ローラ１とニップを形成する。芯金は、炭素鋼、ステンレスなど、強度を有している材料が適し、両端部が軸受けで回転可能に支持され、軸受けを介してバネ７でニップ荷重を与え、通常定着ローラ１との摩擦で従動する。
【００１９】
トナー像４が転写された記録紙５は、このニップに入って回転しながらニップ荷重を受け、同時に定着ローラ１から加熱される。トナー像４は、この加熱によって記録紙５の上で溶融し、ニップから出ると冷却されてトナー像４が記録紙５に定着される。トナー像４が記録紙５に定着されるかは、定着温度、記録紙の搬送速度、ニップ幅、ニップ圧力及びトナーの性質に依存する。
【００２０】
定着ローラ１と加圧ローラ２との間で形成するニップ荷重が大きいとニップ幅が広くなり、ニップ荷重が小さいとニップ幅が狭くなる。ニップ幅は、定着時間を決める重要なパラメータであり、電子写真のプロセス速度やトナーの熱的な性質との関係で決められる。ニップ幅が広くなると定着時間が長くなり、ニップ幅が狭くなると定着時間が短くなる。ただし、定着時間を長く取ろうとしてニップ荷重を大きくすると、回転トルクも大きくなる傾向があり、そうなるとモータが大きくなるので制約もある。
【００２１】
コイル３は、定着ローラ１の外周に一定ギャップを維持しながら交流電流を流して交流磁界を発生させることにより定着ローラ１を加熱するものである。コイル３は、高周波電流が流れるため表面抵抗を小さくしてコイルの損失を小さくする必要がある。そのため、絶縁被覆した銅線を複数本束ねて撚ったリッツ線を用いる。例えば直径φ＝０．５ｍｍの絶縁被覆した銅線を８本撚りにして使用して後述する図４に示すような一体コイルと分割コイルを巻いた。
【００２２】
温度検出手段８は、定着ローラ１の表面に接触して又は一定の距離を持って保持され、温度を検出して制御回路／駆動回路へ信号を伝達する。制御指示温度に対して定着ローラ１の温度が低い場合、制御回路は、コイル３に流す交流電流を大きくすることにより、誘導加熱を強めて定着ローラ１の温度を上げる。逆に制御指示温度に対して定着ローラ１の温度が低い場合、制御回路は、コイル３に流す交流電流を小さくすることにより、誘導加熱を弱めて定着ローラ１の温度を下げる。こうして定着ローラ１の温度はほぼ一定に保たれる。
【００２３】
次に、誘導加熱定着装置の加熱効率ηについて説明する。図２は加熱効率を説明するための図である。コイルと被加熱体（定着ローラ）が磁気結合している状態の等価回路は図２（ａ）のように表すことができる。この回路方程式は、
【００２４】
【数１】

【００２５】
【数２】

【００２６】
〔数１〕、〔数２〕の式より高周波電源から見たインピーダンスＺ₃は、
【００２７】
【数３】

【００２８】
〔数３〕の式の右辺第１項は加熱コイルの抵抗値、第２項は被加熱体の抵抗値となるので、図２（ａ）の等価回路は、図２（ｂ）に示す等価回路に書き換えられる。ここで、Ｒ₃＝Ｒ₁＋｛τκ²／（Ａ＋τ²）｝Ｌ₁とすれば、入力電力はＰ₀＝Ｉ₁×Ｒ₃となり、被加熱体で消費される電力は、Ｐ₁＝Ｉ₁×（Ｒ₃−Ｒ₁）と表されるので、加熱効率ηは、次の〔数４〕の式となる。
【００２９】
【数４】

【００３０】
ここで、Ｒ₁は加熱コイル単体の抵抗値、Ｒ₃は被加熱体を磁気結合させたときの加熱コイル抵抗値となる。すなわち、コイル単体の抵抗Ｒ₁を測定し、定着ローラにコイルを配置してコイルの抵抗Ｒ₃を測定して〔数４〕の式に従って計算すると、加熱効率ηが算出される。この加熱効率ηは測定する周波数によって変わる。
【００３１】
図３は積層コイルを説明するための図、図４はコイルの形態を説明するための図、図５は分割コイルの接続形態を説明するための図である。コイル３としては、リッツ線の他にも、積層したシート状のコイルを用いることも可能である。例えば図３（ａ）に示すようにポリイミドなどの絶縁層３３の上に渦巻き状導体３１を形成して、両端に接続パッド３２を設ける。渦巻き状導体３１は、銅箔をエッチングして作るか、プレスで成形して作る。こうしてできたシート状コイルを８層積層した例を示したのが図３（ｂ）である。導体の表面積は、１層のシート状コイルに比べて８倍となるため、表面抵抗もその分だけ小さくすることができる。
【００３２】
コイルは、図４に示すように巻き数を同じにした一体コイル、分割コイル（順方向接続）、分割コイル（交互方向接続）などの形態を採用することができる。それぞれＬＣＲメータでインダクタンスＬと抵抗Ｒを１０ｋＨｚで測定し、加熱効率η（％）を算出し、その比較例を示したのが次の〔表１〕である。インダクタンスＬ３、抵抗Ｒ３は定着ローラ上で測定した値であり、コイルと定着ローラのギャップは、全ての場合について２．５ｍｍ一定にしてある。分割コイルの数は、５つである。
【００３３】
【表１】

【００３４】
上記の例において、加熱効率ηについては、分割コイル（交互方向接続）が最も高い結果となった。すなわち、加熱効率を極大にする接続方法は、この場合、図５（ｂ）の矢印に示すように分割された５つのコイルを交互に接続して高周波電流を交互に渦巻きの逆方向に流すことである。
【００３５】
分割コイルで順方向接続の場合と交互方向接続の場合の磁束の流れの違いを図５に示しているが、順方向接続の場合には、磁気回路が細かく分割され磁路長が長くなっている。それに対して交互方向接続の場合には、磁気回路が大きく形成され磁路長が短くなっている。その結果が加熱効率ηの違いに現れている。
【００３６】
勿論、この例の５つのコイルに限定することはなく、複雑な形状のコイルを複数巻いたり、互いに重ね合わせたりしてどのように接続していいかわからない場合でも、この加熱効率ηを用いることによって最適な接続方法を定量的に見つけ出すことができる。
【００３７】
次に、コイル駆動回路、接続切り換え回路について説明する。図６はコイルの切り換えに応じて回路抵抗を切り換えるコイル駆動回路の構成例を示す図、図７はコイルの接続切り換え回路の構成例を示す図である。
【００３８】
まず、記録紙の幅が異なる場合について説明する。Ａ３及びＢ４サイズの記録紙を縦方向に印刷するには、幅方向７０ｍｍの５つのコイルを定着ローラの軸方向に配置する。Ａ３サイズの時には５つのコイル全てに高周波電流を流して加熱し、Ｂ４サイズの時には４つのコイルに高周波電流を流して加熱する。この場合、コイルのインダクタンス、抵抗が変わってしまうため、高周波電流の駆動回路は、図６に示すように４つ分のコイル１０５と残り１つのコイル１０６、共振コンデンサ１０７、１０８、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子１０９、１１０、スイッチング素子のゲートドライバ１１２、１１３をそれぞれ２つずつ持って、記録紙の幅に応じて選択する。交流の商用電源１０１を整流回路１０２で整流してインダクタ１０３とコンデンサ１０４で平滑化して直流電力を供給する。比較器１１１は、スイッチング素子１０９と１１０の電圧がゼロ付近を検出して信号を送り、それを受けてタイミング回路１１４がゲートドライバ回路１１２、１１３にオン／オフのタイミング信号を与えて共振インバータを制御しコイルから交流磁界が発生する。この交流磁界によって定着ローラ表面近傍に渦電流が発生してジュール熱に変わって定着ローラを加熱する。記録紙がＡ３サイズの場合には、５つのコイル全てにより加熱されるので、定着ローラのほぼ全体が加熱され、記録紙がＢ４サイズの場合には、４つのコイルにより加熱されるので、定着ローラのほぼ４／５が加熱されることになる。そのため、Ｂ４サイズの場合でも、記録紙が通紙されないところでも温度が上昇しすぎることは回避される。
【００３９】
分割コイルの順方向接続、交互方向接続、記録紙サイズに応じた駆動コイルの接続切り換えを行う回路は、例えば図７に示すように構成することができる。図７において、切り換えスイッチＳ１が分割コイルの順方向接続、交互方向接続の切り換えを行うスイッチであり、「順」側に切り換えると、５つのコイルが順方向接続になり、「逆」側に切り換えると、５つのコイルが交互方向接続になる。また、切り換えスイッチＳ２は、分割コイルの記録紙サイズに応じた接続切り換えを行うスイッチであり、「大」側に切り換えると、５つのコイルによる加熱回路になり、「小」側に切り換えると、図示最下段のコイルが切り離されて４つのコイルによる加熱回路になる。さらに、両側のコイルを切り離す場合には、切り換えスイッチＳ２と同様に切り換えスイッチＳ３を設け、接続するコイル数の変更に伴って共振回路の共振条件を切り換える場合には、例えば共振回路を構成するコンデンサＣ１、Ｃ２の切り換えを行えばよい。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、定着ローラの軸方向に分割して並べて配置した複数のコイルを順方向接続又は交互方向接続に設定して加熱効率が極大になるようしたが、分割した複数のコイルは、重ね合わせにして配置した場合であってもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記コイルは、導電性金属箔を渦巻き状に成形し、絶縁シートを貼り合わせ、多層に積層したものを前記定着ローラの軸方向に複数のコイルに分割し前記定着ローラの外周に一定ギャップを維持し交互方向接続にして配置したので、誘導加熱により早く定着ローラを加熱することができ、印刷装置に利用することにより、電源を投入してからの印刷時間の短縮を図ることができる。また、より少ない電力で定着ローラの温度を一定に維持することができ、省エネが達成できる。さらに、記録紙の幅に応じてコイルとその駆動回路を選択してやることにより、記録紙が通紙しない部分の過昇温防止が可能になり、その結果として、記録紙が通紙する部分の定着ローラの温度制御の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る定着装置の実施の形態を示す図である。
【図２】加熱効率を説明するための図である。
【図３】積層コイルを説明するための図である。
【図４】コイルの形態を説明するための図である。
【図５】分割コイルの接続形態を説明するための図である。
【図６】コイルの切り換えに応じて回路抵抗を切り換えるコイル駆動回路の構成例を示す図である。
【図７】コイルの接続切り換え回路の構成例を示す図である。
【図８】ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１…定着ローラ、２…加圧ローラ、３…コイル、４…トナー像、５…記録紙、６…磁束、７…バネ、８…温度検出手段

Claims

定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記コイルは、導電性金属箔を渦巻き状に成形し、絶縁シートを貼り合わせ、多層に積層したものを前記定着ローラの軸方向に複数のコイルに分割し前記定着ローラの外周に一定ギャップを維持し交互方向接続にして配置したことを特徴とする定着装置。