JP3762093B2 - 誘導加熱装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導加熱方式の誘導加熱装置、および該誘導加熱装置を像加熱手段として備えた電子写真式の複写機、プリンタおよびファクシミリなどの画像形成装置関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真式の複写機などには、記録媒体である記録紙ないし転写材などのシート上に転写されたトナー像を該シートに定着させる定着装置が設けられている。
【０００３】
この定着装置は、例えば、シート上のトナーを熱溶融させる加熱ローラとも称される定着ローラと、当該定着ローラに圧接してシートを挟持する加圧ローラとを有している。
【０００４】
定着ローラは中空状に形成され、この定着ローラの中心軸上には、発熱体が保持手段により保持されている。該発熱体は、例えば、ハロゲンランプなどの管状発熱ヒータより構成され、所定の電圧が印加されることにより発熱するものである。このハロゲンランプは定着ローラの中心軸上に位置しているため、該ハロゲンランプから発せられた熱は、定着ローラ内壁に均一に輻射され、定着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。定着ローラの外壁は、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。この状態で定着ローラと加圧ローラは圧接しながら互いに逆方向へ回転し、定着ローラと加圧ローラとの圧接部（以下、ニップ部ともいう）において、トナーが付着したシートを挟持し、該ローラの回転と共に搬送してシート上のトナーを定着ローラの熱により溶解させ、両ローラから作用する圧力によりシートに定着させる。
【０００５】
しかし、ハロゲンランプなどから構成される発熱体を備えた上記定着装置においては、ハロゲンランプからの輻射熱を利用して定着ローラを加熱するため、電源を投入した後、定着ローラの温度が定着に適した所定温度に達するまでの時間（以下、「ウォームアップタイム」という）に、比較的長時間を要していた。その間、使用者は複写機を使用することができず、長時間の待機を強いられるという問題があった。その一方、ウォームアップタイムの短縮を図ってユーザの操作性を向上すべく多量の電力を定着ローラに印加したのでは、定着装置における消費電力が増大し、省エネルギー化に反する、という問題が生じていた。このため、複写機などの商品の価値を高めるためには、定着装置の省エネルギー化（低消費電力化）と、ユーザの操作性向上（クイックプリント）との両立を図ることが一層注目され重視されてきている。
【０００６】
かかる要請に応える装置として、特開昭５９−３３７８７号公報に示されるように、加熱源として高周波誘導を利用した誘導加熱方式の定着装置が提案されている。この誘導加熱定着装置は、金属導体からなる中空の定着ローラの内部にコイルが同心状に配置されており、このコイルに高周波電流を流して生じた高周波磁界により定着ローラに誘導渦電流を発生させ、定着ローラ自体の表皮抵抗によって定着ローラそのものを発熱させるようになっている。
【０００７】
この誘導加熱方式の定着装置によれば、電気−熱変換効率がきわめて向上するため、ウォームアップタイムの短縮化が可能となる。
【０００８】
しかしながら、このような誘導加熱方式の定着装置にあっては、定着ローラの内部に配置された磁束発生用のコイルの自己発熱、および当該定着ローラの内面への熱放射のために、コイル周辺の温度上昇が大きく、そのためコイルの電気抵抗の上昇が発生し、必要電力が増加してしまうという問題があった。また、樹脂からなるコイルの被覆が熱により溶融し、コイルの絶縁性が損なわれてしまうという問題があった。さらに定着ローラに代えて、加熱部材として、可撓性を有する薄肉の金属スリーブを使用するタイプもあるが上記の事情は同じである。
【０００９】
そこで、例えば特開昭５４−３９６４５号公報に開示されているように、コイルの温度上昇を抑えるために、定着ローラ等の内部へ送風する冷却機構を設けるという提案がなされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の誘導加熱方式の定着装置に冷却機構を設置する場合には、その設置空間が必要となり装置が大型化してしまうばかりか、コストアップにつながるなどの問題が生じていた。また、誘導コイル、コアばかりでなく定着ローラの内面までも送風により冷却するため、定着能力を損なってしまうという問題点があった。
【００１１】
そこで本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、誘導コイルの温度上昇を防止して消費電力を抑えつつ、良好な加熱性能が得られるようにした加熱装置及び画像形成装置の提供を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の誘導加熱装置及び画像形成装置は下記の構成を特徴とする。
【００１３】
〔１〕：誘導電流により発熱する加熱部材と、
前記加熱部材に内設され、当該加熱部材に供給する磁束を発生させる誘導コイルと、
１Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上５００Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以下の熱伝導率を有し、前記誘導コイルに接する放熱手段と、
を有し、前記放熱手段の前記加熱部材の内面に対向する部分は鏡面としたことを特徴とする誘導加熱装置。
【００１４】
〔２〕：誘導電流により発熱する加熱部材と、
前記加熱部材に内設され、当該加熱部材に供給する磁束を発生させる誘導コイルと、
１Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上５００Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以下の熱伝導率を有し、前記誘導コイ ルに接する放熱手段と、
を有し、前記放熱手段側と前記誘導コイル側とに凹凸を形成し、その両者の凹凸面を嵌合させて前記放熱手段を前記誘導コイルに接触させてあることを特徴とする誘導加熱装置。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
〈作 用〉
〔１〕に記載の発明は、誘導コイルを加熱部材に内設させたことにより、装置の小型化を図っている。１Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上５００Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以下の熱伝導率を有する放熱部材を励磁コイルと接して設けたことにより、励磁コイルの熱が速やかに放出され、加熱性能を損なわずに、加熱部材からの輻射熱や誘導コイル自身の発熱による誘導コイルの加熱を回避できる。放熱手段の加熱部材の内面に対向する部分は鏡面としたので加熱部材の内面からの輻射熱を加熱部材側へ反射させる効果を有する。このため、熱を有効に使用する事ができる。
【００２６】
〔２〕に記載の発明は、誘導コイルを加熱部材に内設させたことにより、装置の小型化を図っている。１Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上５００Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以下の熱伝導率を有する放熱部材を励磁コイルと接して設けたことにより、励磁コイルの熱が速やかに放出され、加熱性能を損なわずに、加熱部材からの輻射熱や誘導コイル自身の発熱による誘導コイルの加熱を回避できる。そして、放熱手段側と誘導コイル側とに凹凸を形成し、その両者の凹凸面を嵌合させて放熱手段を誘導コイルに接触させることで、接触面積及び放熱部材の表面積を増やし、熱吸収効率を上げたものである。
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【発明の実施の形態】
〈参考例１〉
以下、参考例１を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、参考例１の誘導加熱定着装置の概略構成で示す断面図である。
【００３６】
１は加熱部材としての定着ローラであり、回転自在に支持されている。該定着ローラ１は、外径４０［ｍｍ］、厚さ０．７［ｍｍ］の鉄製の芯金シリンダであり、表面の離型性を高めるために例えばＰＴＦＥ１０〜５０［μｍ］や、ＰＦＡ１０〜５０［μｍ］等の層を外周面に設けても良い。
【００３７】
２は加圧部材としての加圧ローラであり、中空芯金２ａと、その外周面に形成される表面離型性耐熱ゴム層である弾性層２ｂとからなる。この加圧ローラ２の両端には軸部が形成され、図示しない定着ユニットフレームに回転自在に取り付けられている。
【００３８】
加圧ローラ２と定着ローラ１は圧接されて圧接部（ニップ部）Ｎを形成しており、不図示の駆動手段により定着ローラ１が駆動されると、該ニップ部Ｎでの摩擦力で加圧ローラ２が従動回転する。本例では加圧ローラ２がバネなどを用いた図示しない機構によって定着ローラ１に対して約３０［Ｋｇ重］で荷重され、圧接部Ｎの幅（ニップ幅）が約６［ｍｍ］となっている。なお都合によっては荷重を変化させてニップ幅を変えてもよい。
【００３９】
Ｌは該定着ローラ１に磁束を供給する励磁コイルであり、高透磁率コア４、該コア４に捲回した線輪３、該線輪３を支持するＰＰＳ、ＰＥＥＫ、フェノール樹脂等の耐熱性樹脂からなるホルダー５等よりなっている。この励磁コイルＬの磁力の作用により定着ローラ１を加熱している。
【００４０】
図２は、この加熱原理の説明図である。同図に示したように、励磁回路１６から線輪３に電流Ｉが加えられて磁束２３が発生し、該磁束２３が高透磁率コア４に導かれ、定着ニップ部Ｎにおいて定着ローラ１の芯金に渦電流２４を発生させ、この渦電流２４と定着ローラ１の固有抵抗によって発熱する。この発熱を増加させるためには線輪３の巻き数を増やしたり、コア４をフェライト、パーマロイといった高透磁率で残留磁束密度の低いものを用いたり、交流電流の周波数を高くすると良い。
【００４１】
尚、本例の誘導コイルＬには励磁回路１６から１０〜１００［Ｈｚ］の交流電流が印加される。
【００４２】
６は温度センサーであり、定着ローラ１の表面に当接するように配置されている。該温度センサー６の検出信号をもとに誘導コイルＬへの電力供給を増減させることで、定着ローラ１の表面温度が所定の温度になる様自動制御される。
【００４３】
７は搬送ガイドであり、被加熱材としての転写材Ｐを定着ローラ１と加圧ローラ２との圧接部（ニップ部）Ｎへ案内する位置に配置される。１０は分離爪であり、定着ローラ１の表面に当接または近接して配置され、該圧接部Ｎを通過した転写材Ｐを定着ローラ１の表面から分離させる。
【００４４】
９は励磁コイルＬと接した状態に設けられた放熱部材である。
【００４５】
而して本例の加熱装置では、不図示の駆動手段により定着ローラ１が回転駆動され、また、励磁コイルＬに交流電流が加えられて定着ニップ部Ｎが所定温度に昇温された状態において、未定着トナー画像８を担持した転写材Ｐが搬送ガイド７に案内されて定着ニップ部Ｎに導入され、定着ローラ１の回転と共に搬送され、定着ローラ１の熱とニップ圧とにより該トナー画像８が転写材Ｐに定着される。
【００４６】
放熱部材９は、幅３２ｍｍ、厚み３ｍｍのアルミニウムの略板状であり、長手方向（図１紙面垂直方向）寸法が定着ローラ１よりも長く、図１のＡ矢視図である図３のように端部に放熱板１１を有している。該放熱部材９はホルダー５に耐熱高熱伝導接着剤で接着されている。
【００４７】
誘導コイルＬの線輪３から発生した熱及び定着ローラ１からの輻射熱は、ホルダー５を介して放熱部材９に伝えられ、放熱板１１から定着ローラ１外部へと放出される。該放熱部材９の材質にはアルミニウムが用いられているが、これはアルミニウムが高熱伝導（２３３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１ ３００℃）であり、また非磁性体であるため、表皮抵抗の値が２０ｋＨｚ時で０．４６６×１０^−４Ωと小さく、誘導コイルＬから発生した磁束による発熱量が小さいためである。また銅も高熱伝導度、低表皮抵抗であるため、放熱部材として適している。
【００４８】
図４は、定着ローラ１内部に放熱部材９を装着した場合（ａ）と装着しない場合（ｂ）また、図５のような小径（φ４０）ファン２６による内部冷却を行った場合（ｃ）に、２０ｋＨｚ、１００Ｖ、初期１３００Ｗの高周波交流電圧を励磁コイルＬに印加し、室温から２００℃まで定着ローラ温度を上昇させた時の温度勾配（経過時間−定着ローラ表面温度の関係）を示したものである。なお、（ｃ）では風量３．０×１０^−２ｍ^３／ｓｅｃの送風を行っている。
図４の（ｂ）では、目標温度２００℃まで到達する前に傾きが小さくなっている。これは、誘導コイル３の昇温によりコイルの抵抗値Ｒが大きくなり、電源から供給される電力（Ｗ＝Ｖ^２／Ｒ）が小さくなっているためである。
【００４９】
これに対し、コイルの冷却を行っている（ａ）や（ｃ）ではほぼ直線的に温度が上昇している。これはコイル冷却による効果であり、大電力を継続して印加できるためである。従って立ち上がり時間を早くすることができる。
【００５０】
また、表１に示すように、２００℃に維持し続けるための電力も（ｂ）、（ｃ）、（ａ）の順に低くなっている。（ｂ）はコイルの冷却を行っていないため、定着ローラの温度維持のためには比較的大きい電力を要する。また、（ｃ）は冷却を行っているものの、ファンによる風が定着ローラ内面にもあたり、定着ローラ自体も冷却されているため、（ａ）に比べて電力の消費量が大きくなる。
【００５１】
なお、本形態例では加熱部材として定着ローラを用いているが、薄膜金属フィルムを用いた構成に採用することももちろん可能である。
【００５２】
【表１】
以上のように本形態例によれば、定着ローラ内部に放熱部材９を設けたことにより、誘導コイル自身の発熱及び定着ローラ内面からの輻射熱による誘導コイルＬの温度上昇を抑え、加熱効率を高めることができるので、定着能力を損なわずに省電力化を図ることができる。
【００５３】
特に、ファンなどを設けた場合のように大型化せずに誘導コイルＬの温度上昇を防止でき、また必要以上に高温での耐熱性に優れた樹脂等を用いなくてもよいので、装置を小型化できるとともにコスト低減が可能となる。
【００５４】
〈参考例２〉
次に、参考例２を図面に基づいて説明する。図６は、参考例２に係る誘導加熱定着装置の概略構成を示す断面図である。本形態は前述の参考例１と比べ、線輪３やコア４より成る励磁コイルＬを支持するホルダーを放熱部材とした点が異なり、その他の構成は略同じである。このため、前記参考例２と同一のものは同一番号を付し、再度の説明は省略する。
【００５５】
本形態のホルダー２５は、熱伝導性に優れた絶縁非磁性セラミックスであるアルミナ（酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３）から構成されている。該ホルダー２５は長手方向（図６中、紙面垂直方向）の寸法が定着ローラ１よりも長く、該定着ローラ外に位置する長手端部に放熱板（不図示）を有している。
誘導コイルＬの線輪３から発生した熱及び定着ローラ１からの熱は、ホルダー２５に伝わり、不図示の放熱板から装置外へ放出される。特にアルミナは絶縁体であるため、表皮効果による発熱が全く起こらず、アルミニウムや銅と比べ、効率がよい。また、表２に示すようにアルミナ以外にも窒化アルミ、炭化珪素等が高熱伝導率、絶縁性のセラミックスであるため、同様に使用できる。本形態に用いるホルダー２５の材料は装置外への熱の放出効果から、熱伝導率が高いものが好ましく、上述の材料がもっとも好ましい。
【００５６】
特に、前記放熱部材が、１Ｗ・ｍ^−１Ｋ^−１以上５００Ｗ・ｍ^−１Ｋ^−１以下の熱伝導率を有するのが良い。
【００５７】
【表２】
以上のように、励磁コイルのホルダーを高熱伝導物質で形成し、放熱部材として用いることで、装置の小型化が図れる。また、放熱部材の材料としてアルミナ、窒化珪素、炭化珪素等を用いることで更なる省電力化が図れる。
【００５８】
〈実施の形態１〉
次に本発明の実施の形態１を図面に基づいて説明する。図７は放熱部材９の定着ローラ１内面に対向する部分９ａを鏡面としたものであり、定着ローラ１からの輻射熱を定着ローラ側へ反射させる効果を有する。このため、熱を有効に使用する事ができ、定着性の向上が図れる。
【００５９】
〈実施の形態２〉
次に本発明の実施の形態２を図面に基づいて説明する。図８は放熱部材９とホルダー５とに各々凹凸を形成し、該凹凸面を嵌合させることで、接触面積及び放熱部材の表面積を増やし、熱吸収効率を上げたものである。
【００６０】
〈画像形成装置例〉
図９は画像形成装置例の概略構成図である。本例の画像形成装置は転写式電子写真プロセス利用の複写機或はプリンタである。
【００６１】
３１は回転ドラム型の電子写真感光体であり、矢印の時計方向に所定のプロセススピード（周速度）をもって回転駆動される。
【００６２】
３２は感光体帯電手段としての接触帯電ローラであり、所定の帯電バイアスが印加されていて、この帯電ローラ３２により回転感光体３１面が所定の極性・電位に一様に帯電処理される。
【００６３】
この回転感光体３１の帯電処理面に対して不図示の画像情報露光手段部（原稿画像のスリット結像露光手段、レーザビーム走査露光手段等）により目的の画像情報の露光３３がなされて、回転感光体３１面に目的の画像情報に対応した静電潜像が形成される。
【００６４】
その潜像がトナー現像装置３４によりトナー画像として現像される。
【００６５】
そのトナー画像が、回転感光体３１とこれに接触させた、所定の転写バイアスが印加される転写ローラ３５との圧接ニップ部である転写部に、不図示の給紙部から所定のタイミングにて搬送された被記録材としての転写材Ｐに対して転写されていく。
【００６６】
転写部を通過してトナー画像の転写を受けた転写材Ｐは回転感光体３１面から分離され、例えば、前述図１の誘導加熱定着装置としての加熱装置Ｒに搬送導入されて未定着トナー画像の加熱定着処理を受け、コピー或はプリントとして出力される。
【００６７】
転写材Ｐに対するトナー画像転写後の回転感光体３１面はクリーニング装置３６により転写残りトナー等の残留付着物の除去を受けて清掃され、繰り返して作像に供される。
【００６８】
〈その他〉
１）本発明の加熱装置は実施形態例の熱定着装置Ｒとしてばかりでなく、その他、例えば、画像を担持した転写材を加熱して表面性（つや等）を改質する装置、仮定着する装置、シート状物を給紙して乾燥処理・ラミネート処理する装置等の加熱装置として広く使用できることは勿論である。
【００６９】
２）上記の実施の形態では、放熱部材を介した熱伝導により、励磁コイルＬの冷却を行なっているが、本発明はこれに限らず、放熱部材９としてペルチェ素子等を用いて積極的に励磁コイルを冷却するものでも良い。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、誘導コイルの温度上昇を防止して消費電力を抑えつつ、良好な加熱性能が得られる誘導加熱装置及び画像形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１に係る誘導加熱定着装置の概略断面図
【図２】 参考例１に係る誘導加熱定着装置の加熱原理を説明する図
【図３】 参考例１に係る誘導加熱定着装置の概略斜視図
【図４】 放熱部材の有無、ファン冷却の各モードの立ち上げ時の温度勾配を示す図
【図５】 ファン冷却を説明する斜視図
【図６】 参考例２に係る誘導加熱定着装置の概略断面図
【図７】 実施の形態１に係る誘導加熱定着装置の概略斜視図
【図８】 実施の形態２に係る誘導加熱定着装置の概略断面図
【図９】 本発明の画像形成装置の概略構成図
【符号の説明】
１ 定着ローラ（加熱部材）
２ 加圧ローラ（加圧部材）
３ 誘導コイル
４ コア（芯材）
５、２５ ホルダー（支持部材）
６ サーミスタ（温度検知素子）
７ 搬送ガイド
８ トナー画像
９ 放熱部材
１０ 分離爪
１１ 放熱板
１６ 励磁回路
２３ 磁束
２４ 渦電流
２６ ファン

Claims (2)

1. 誘導電流により発熱する加熱部材と、
   前記加熱部材に内設され、当該加熱部材に供給する磁束を発生させる誘導コイルと、
   １Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上５００Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以下の熱伝導率を有し、前記誘導コイルに接する放熱手段と、
   を有し、前記放熱手段の前記加熱部材の内面に対向する部分は鏡面としたことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 誘導電流により発熱する加熱部材と、
   前記加熱部材に内設され、当該加熱部材に供給する磁束を発生させる誘導コイルと、
   １Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以上５００Ｗ・ｍ ^−１ Ｋ ^−１ 以下の熱伝導率を有し、前記誘導コイルに接する放熱手段と、
   を有し、前記放熱手段側と前記誘導コイル側とに凹凸を形成し、その両者の凹凸面を嵌合させて前記放熱手段を前記誘導コイルに接触させてあることを特徴とする誘導加熱装置。
   熱装置。