JP3814543B2 - 像加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機やプリンタに搭載されている加熱定着器や、画像の表面状態を改質する装置、等の像加熱装置に関し、特に、電磁誘導の原理を用いて熱を発生させる像加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電子写真式・静電記録式等の作像プロセスを採用したプリンタ・複写機・ファクシミリなどの画像形成装置において、作像プロセス部で記録材（転写材・印字用紙・感光紙・静電記録紙等）に転写方式あるいは直接方式で形成担持させた目的の画像情報の未定着トナー像を固着像として熱定着処理する加熱装置としては種々の原理・方式のものが知られており、また実用に供されている。
【０００３】
本発明で対象としている上記のような電磁誘導加熱方式の加熱装置も種々のタイプのものが提案されている。
【０００４】
例えば、特開平１０−３１３８９号公報には、定着ローラと、該定着ローラ内部を通り、閉磁路を形成するためのコアと、該コアに巻装され、直列に接続されている第１および第２コイルと、該第１および第２コイルに交流を流すための電源回路とで構成されており、前記定着ローラの昇温開始から予め決められた一定時間の間、前記第１および第２コイルの両方に前記電源回路からの交流を供給し、該一定時間経過後からは前記第１コイルにのみ交流を供給するように回路を切り換える制御装置と、を有し、昇温初期においてコイルに流れる電流を抑制し、かつ、昇温速度が極力遅くならないようにしている誘導加熱定着装置が提案されている。
【０００５】
また、特開２０００−６６５４３号公報には、巻き枠に巻装された導線からなる誘導加熱コイルを加熱ローラ内に配置し、移動可能なコアと、２つのコイルとで構成されており、加熱ローラの軸方向端部の温度に応じて、コアの移動、または、コイルに流す電流を制限し、当該端部を通過する磁束を可変することにより、定着動作に伴う定着ローラ表面の軸方向での温度ムラを解消している誘導加熱定着装置が提案されている。
【０００６】
また、特開平１０−７４００９号公報には、金属スリーブと励磁コイルとの間に、励磁コイルから金属スリーブへ届く磁束の一部を遮蔽する磁束遮蔽手段を配置し、該磁束遮蔽手段の位置を、金属スリーブにおける通紙範囲に応じて、変位手段により変化させることにより、通紙する記録材のサイズの種類によらず昇温される金属スリーブの熱分布をコントロール可能としている誘導加熱方式の定着装置が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような像加熱装置は、トナー像を記録材に定着させるものであり、トナーの定着性が最適になるように高精度な温度管理が求められる。このため、トナー像と接触する金属スリーブの温度が目標温度から大きく外れないように温度制御する必要がある。
【０００８】
上述した３つの公報には、必要に応じて２つのコイルヘの通電を切換えたり、コアを移動したりすることが記載されている。
【０００９】
しかしながらこのような動作は、コイルの入力インピーダンスの変動を伴う。
【００１０】
入力インピーダンスが変化するとコイルヘの供給電力が変動するので、例えば、金属スリーブの温度を検知する温度センサの検知温度が設定温度を維持するようにコイルヘの通電を制御していても、所望の供給電力が得られないために金属スリーブの温度上昇が遅れ、金属スリーブの温度のリップルが大きくなってしまう。
また、入力インピーダンスの変動は加熱装置の温度にも依存する。すなわち、コイルヘの供給電力の変動は加熱装置の温度にも依存する。
このように、加熱装置の形態の変化や温度の変化等によって入力インピーダンスが変動してしまい、コイルヘの供給電力が安定せず、金属スリーブの温度のリップルが大きくなる。よってトナーの定着性にも影響が出てしまう。
本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、加熱部材の温度のリップルを小さくできる、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、加熱装置の入力インピーダンスが変化しても最適な電力供給を行える、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱装置を提供することにある。
本発明の更なる目的は添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発熱部材と、前記発熱部材に渦電流を誘導させる磁束を発生する励磁コイルと、前記励磁コイルへ高周波電流を供給する周波数可変電源と、前記発熱部材の温度を検知する温度検知素子と、前記温度検知素子の検知温度に応じて前記周波数可変電源から前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を設定する制御手段と、を有し、記録材に形成された画像を前記発熱部材からの熱により加熱する像加熱装置において、前記周波数可変電源は前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を下げると前記発熱部材の熱変換効率が低下する範囲で前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を変更可能になっており、且つ前記高周波電流を供給する前記励磁コイルの巻数が変更可能になっており、前記制御手段は、前記励磁コイルへ通電開始した後、前記温度検知素子の検知温度が所定温度に達すると、前記高周波電流を供給する前記励磁コイルの巻数を減らし、且つ前記周波数可変電源から供給する前記高周波電流の周波数を上げて前記励磁コイルへの入力電力を維持することを特徴とする像加熱装置、である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
《実施の形態１》（図１〜６）
（１）画像形成装置例
図１は画像形成装置の一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レーザビームプリンタである。
【００１３】
１０１は像担持体としての感光ドラムであり、ＯＰＣ、アモルファスＳｅ、アモルファスＳｉ等の感光材料がアルミニウムやニッケルなどのシリンダ状の基盤上に形成されている。
【００１４】
感光ドラム１０１は矢印の時計方向に所定の周速度をもって回転駆動され、まず、その表面は帯電装置としての帯電ローラ１０２によって所定の極性・電位に一様帯電される。
【００１５】
次に、その一様帯電処理面に対して、レーザスキャナ１０３により、画像情報に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御されたレーザビームによる走査露光Ｌが施され、静電潜像が形成される。
【００１６】
この静電潜像は、現像装置１０４でトナー像として現像、可視化される。現像方法としては、ジャンピング現像法、２成分現像法、ＦＥＥＤ現像法などが用いられ、イメージ露光と反転現像とを組み合わせて用いられることが多い。
【００１７】
可視化されたトナー像は、転写装置としての転写ローラ１０５により、所定のタイミングで搬送された記録材Ｐ上に感光ドラム１０１上より転写される。
【００１８】
ここで、感光ドラム１０１上のトナー像の画像形成位置と記録材Ｐの先端の書き出し位置が合致するようにセンサ１０８にて記録材Ｐの先端を検知し、タイミングを合わせている。所定のタイミングで搬送された記録材Ｐは感光ドラム１０１と転写ローラ１０５に一定の加圧力で挟持搬送される。
【００１９】
このトナー像が転写された記録材Ｐは加熱定着装置（定着器）１０６へと搬送され、永久画像として加熱定着される。
【００２０】
一方、感光ドラム１上に残存する転写残りの残留トナーは、クリーニング装置１０７により感光ドラム１０１表面より除去される。
【００２１】
（２）加熱定着装置１０６
本実施の形態１における加熱定着装置１０６はヒートローラタイプ電磁誘導加熱装置である。図２は該装置１０６の拡大横断面模型図、図３は一部切り欠き背面模型図（記録材出口側）である。図４は構成図（ブロック図）である。
【００２２】
１は電磁誘導発熱部材としての磁性金属製の円筒状ローラ（誘導加熱される加熱用回転体、以下、定着ローラと記す）である。この定着ローラ１はその両端部側を軸受５１を介して装置の手前側と奥側のシャーシ側板５０間に回転自由に装着してある。
【００２３】
７は加圧ローラであり、芯金５と、この芯金回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６とで構成されている。この加圧ローラ７は上記の定着ローラ１の下側において定着ローラ１に並行に配置され、芯金５の両端部側を軸受５２を介して装置の手前側と奥側のシャーシ側板５０間に回転自由に保持させるとともに、その軸受５２を付勢手段（付勢ばね）５３により押し上げ付勢させて加圧ローラ７の耐熱性・弾性材層６を定着ローラ１の下面に対して所定の押圧力で圧接させて配設してある。この加圧ローラ７の定着ローラ１に対する圧接により、加圧ローラ７の耐熱性・弾性材層６が定着ローラ１との圧接部で弾性に抗して変形することによって定着ローラ１との間に被加熱材加熱部としての所定幅の定着ニップ部Ｎが形成される。
【００２４】
４は定着ローラ１の内側に挿入して配設した磁場発生手段アセンブリであり、定着ローラ１の長手方向に長い横長のアセンブリである。磁場発生手段アセンブリ４は、励磁コイル２と、横断面Ｉ字型の磁性コア（励磁鉄心）３とを有している。励磁コイル２は銅線を一方向に複数回巻いて形成され、磁性コア３は励磁コイル２の銅線と直交するように配置され磁路を形成する。磁性コア３は磁性材からなり、例えば、フェライトコアまたは積層コアからなる。
【００２５】
上記の定着ローラ１内に挿入配設した磁場発生手段アセンブリ４は、その両端部側を不図示のホルダを介して装置の不動部材に固定して非回転に支持させてあり、定着ローラ１の内周面との間に所定の隙間αを存して定着ローラ１の内周面に対して非接触に配設してある。
【００２６】
Ｇは定着ローラ１の一方端側に外嵌固定して配設したドライブギアであり、このドライブギアＧに不図示の駆動系から回転力が伝達されることで定着ローラ１が図２において矢印の方向に所定の周速度をもって回転駆動される。加圧ローラ７はこの定着ローラ１の回転駆動に従動して回転する。この加圧ローラ７も回転駆動する装置構成にすることもできる。
【００２７】
８は定着ローラ１の温度検知素子（サーミスタ等）であり、定着ニップ部Ｎの記録材出口側の近傍であって、定着ローラ１の長手方向のほぼ中央部の位置に、定着ローラ１に近接対向させて不図示の支持部材で保持させて配設してある。
【００２８】
図４の構成図において、９はＣＰＵ（制御部）、１０は周波数可変電源（励磁コイルに交流電流を流すための周波数可変交流電源）、２０は励磁コイル２の入力インピーダンスを可変するインピーダンス可変手段である。
【００２９】
而して、定着ローラ１が回転駆動され、加圧ローラ７も回転し、周波数可変電源１０から磁場発生手段４の励磁コイル２に高周波電流が印加されることで発生する交番磁場により定着ローラ１の磁性金属に高周波誘導電流（渦電流）が誘起されて定着ローラの磁性金属層が電磁誘導発熱（ジュール熱）し、定着ローラが所定の温度に立ち上がった状態において、定着ニップ部Ｎに被加熱材としての記録紙Ｐが導入されて挟持搬送されることで、定着ローラ１の熱とニップ圧により未定着トナー画像ｔが記録紙Ｐ上に定着される。
【００３０】
図５は制御系の動作フローチャートである。サーミスタ等の温度検知素子８は、定着ローラ１の温度を検知し、その検知温度情報がＣＰＵ９と周波数可変電源１０とに入力する。ＣＰＵ９は励磁コイル２の入力インピーダンスを切替える必要があれば、インピーダンス可変手段２０に対し、インピーダンスを切替える。また、入力する検知温度情報と現状のシーケンス状態に基づいて、定着装置の目標温度の情報と最大供給電力の情報とを周波数可変電源１０に指示する。例えば、定着電力立ち上げ時は、定着装置を出来るだけ早く立ち上げるために最大電力情報を許容される最大電力に設定する。定着ローラの温度がスタンバイ温度に到達したら、その後定着ローラの温度がスタンバイ温度を維持するようにコイルへの通電を制御する。定着時も目標とする定着温度を維持するようにコイルへの通電を制御する。
【００３１】
周波数可変電源１０は、検知温度情報との温度差に基づいて、定着ニップ部Ｎの温度が所定の定着温度に温調されるように励磁コイル２への電力供給を制御する。周波数可変電源１０は、検知温度情報が目標温度の情報より低い場合には、供給電力を上げて、定着ローラの温度をあげる。検知温度情報が目標温度の情報より高い場合には、供給電力を下げて、定着ローラの温度を下げる。したがって、目標温度に向かうと共に目標温度に制御することができる。
【００３２】
次に、供給電力を上げたり、下げたりする方法を説明する。図６に励磁コイルの入力インピーダンスの等価回路と特性例を示す。
【００３３】
図６の（ａ）は等価回路例で、Ｒｃは磁場発生手段４で熱に変わる抵抗成分で、Ｒｆは定着ローラ１で熱に変わる抵抗成分で、Ｌｆはインダクタンス成分である。（ｂ）はＲｃの周波数特性例、（ｃ）はＲｆの周波数特性例、（ｄ）はＬｆの周波数特性例で、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が２５度」、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が１９０度」、
「コイルの巻数が８ターン、温度が１９０度」、
の例を示してある。
【００３４】
入力電圧をＶとしたときの供給電力Ｗは下式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
すなわち、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）より計算した結果が（ｅ）の供給電力の周波数特性例である。
【００３６】
図６の（ｅ）より、周波数可変電源１０の周波数を下げていくことにより、定着装置に供給する電力を上げることができ、また、インピーダンス可変手段２０で励磁コイル２の入力インピーダンスを変化させると、（ｅ）の供給電力の周波数特性が変化する。変化した供給電力の周波数特性に応じて、同じ供給電力を供給できるように、周波数可変電源１０の周波数を変化させることができる。
【００３７】
すなわち、電力立ち上がり時に、必要に応じてインピーダンス可変手段で励磁コイル２の入力インピーダンスを変化させても、供給電力が減らず、最大供給電力を供給し続けることができ、早い温度立ち上がりが得られ、クイックスタートが可能になる。
【００３８】
また、温度安定時に、必要に応じてインピーダンス可変手段２０で励磁コイル２の入力インピーダンスを変化させても、同じ供給電力を供給し続けることができ、温度の変化を少なくでき、温度リップルの少ない安定した発熱を維持できる。
【００３９】
また、入力電圧（供給電力）をＶとしたときの定着ローラ１へ熱変換効率（＝定着ローラ１への熱／供給電力）は下式（２）で表される。
【００４０】
【数２】
図６の（ｆ）は定着ローラ１の熱変換効率の周波数特性例です。図より、熱変換効率のよい周波数が存在する。すなわち、周波数可変電源１０の周波数を熱変換効率のよい周波数に設定することにより、効率のよい誘導加熱定着装置を提供することができる。
【００４１】
したがって、温度リップルの小さい安定した発熱、及び良好な温度立ち上がりが得られ、効率がよく、クイックスタートが可能な誘導加熱定着装置を提供することができる。
【００４２】
以下に示す実施形態２は、上述した本発明の概念をより具体的にしたものである。
【００４３】
《実施の形態２》（図７〜１０）
図７は本実施の形態２における加熱定着装置１０６の横断面模型図、図８は一部切り欠き背面模型図（記録材出口側）である。図９は構成図、図１０は制御系の動作フローチャートである。実施の形態１の加熱定着装置と共通する構成部材・部分には共通の符号を付して再度の説明を省略する。
【００４４】
本例では、励磁コイル２に対して更に直列に第二の励磁コイル２１を付加して、リレー２２・２３の制御により、励磁コイル２のみに電力供給した状態と、励磁コイル２と第二の励磁コイル２１に電力供給した状態とを切換えるようにしている。
【００４５】
励磁コイル２は銅線を一方向に複数回、たとえば８回巻いて形成され、第二の励磁コイル２１は銅線を一方向に複数回、たとえば２回巻いて形成され、磁性コア３は励磁コイル２の銅線、第二の励磁コイル２１の銅線と直交するように配置され磁路を形成する。
【００４６】
上記において第二の励磁コイル２１、リレー２２・２３が励磁コイル２の入力インピーダンスを可変するインピーダンス可変手段を構成している。
【００４７】
サーミスタ等の温度検知素子８は定着ローラ１の温度を検知し、その検知温度情報がＣＰＵ９と周波数可変電源１０とに入力する。
【００４８】
ＣＰＵ９は供給電力を切替える必要がある時、例えば供給電力を大きくしたい時は、リレー２３をＯＦＦ、リレー２２をＯＮにし、供給電力を小さくしたい時は、リレー２２をＯＦＦ、リレー２３をＯＮにする。また、入力する検知温度情報と現状のシーケンス状態に基づいて、定着装置の目標温度の情報と最大供給電力の情報とを周波数可変電源１０に指示する。
【００４９】
周波数可変電源１０は、検知温度情報と目標温度の情報と最大供給電力の情報に基づいて、定着ニップ部Ｎの温度が所定の定着温度に温調されるように励磁コイル２への電力供給を制御する。
【００５０】
図６の（ｅ）の供給電力の周波数特性例と、（ｆ）の定着ローラの熱変換効率の周波数特性例で、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が２５度」、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が１９０度」、
「コイルの巻数が８ターン、温度が１９０度」、
の例を示してある。
【００５１】
まず、定着電力立ち上げ時に、ＣＰＵ９はリレー２２をＯＦＦ、リレー２３をＯＮにし、励磁コイルの巻数を１０回（励磁コイル２＋第二励磁コイル２１）とし、周波数可変電源１０に対して、最大電力情報を許容される最大電力に設定しておき、温度の情報をスタンバイ時の温度に設定しておく。
【００５２】
図６の（ｅ）の供給電力の周波数特性より、定着装置の温度が上がるにしたがって、周波数可変電源１０の周波数を低くすることにより、同じ最大電力を供給することができる。
【００５３】
また、図６の（ｆ）の定着ローラの熱変換効率より、温度が上昇すると１０ターンのままでは定着ローラの熱変換効率が悪くなるので、１９０℃の付近での周波数−熱変換効率が１０ターンの場合とほぼ等しい８ターンに切換える。つまり温度が所定の温度に到達した時、ＣＰＵ９はリレー２３をＯＦＦ、リレー２２をＯＮにし、励磁コイルの巻数を８回（励磁コイル２のみ）とし、周波数可変電源１０に対して、温度の情報をスタンバイ時の温度に設定しておく。このとき、周波数可変電源１０の周波数を上げて、定着装置に供給する電力を同じにすることができるとともに、定着ローラ１の熱変換効率がよくなる。
【００５４】
つまり、コイルの巻き数が１０ターンの状態で定着ローラ１の温度が１９０℃付近まで上昇する（例えばこのときの通電周波数は３０ｋＨｚ）と、温度が低い時と同じ周波数で通電しても図６の（ｅ）のように温度が低い時よりコイルヘの入力電力が低下してしまう（図６の（ｅ）のグラフでは７５０Ｗから６００Ｗへ低下している）。したがって、この状態のまま、すなわち定着ローラの温度が高いときも定着ローラの温度が低い状態の時の「検知温度一通電周波数」テーブルを使ってコイルヘの通電制御を行うと、コイルヘ所望の電力供給ができない。
【００５５】
そこで、図６の（ｅ）に示す特性を参照すれば理解されるように、コイルヘの通電周波数を下げれば（例えば３０ｋＨｚから２３ｋＨｚへ下げる）、２５℃の時とほぼ同じ入力電力（７５０Ｗ）を確保できる。
【００５６】
しかしながら、入力電力を下げると、図６の（ｆ）に示された特性図のように、定着ローラにおける熱変換効率が大きく下がってしまう。
【００５７】
そこで本実施例では、定着ローラの温度が１９０℃に達したら使用するコイルの巻き数を８ターンに減らす（入力インピーダンスを変える）。使用するコイルの巻き数を８ターンに減らす（入力インピーダンスを変える）ことにより、図６の（ｅ）に示す特性から、１０ターンで２５℃の時の入力電力（７５０Ｗ）と同じ入力電力を得るために周波数を３０ｋＨｚから４０ｋＨｚに上げることができる。図６の（ｆ）に示す特性を参照すれば理解されるように、コイルのターン数を１０ターンから８ターンに変えても周波数を上げることにより熱変換効率の低下は抑えられる。
【００５８】
このように本実施例では、定着ローラの温度が所定温度まで立ち上がった後のコイルのターン数を定着ローラの温度が所定温度まで立ち上がるまでのコイルのターン数より減らし、且つ各ターン数に対応する「検知温度一通電周波数」テーブルを用いてコイルヘの通電を制御することにより、熱変換効率の低下を抑えつつ定着ローラが所定温度を維持するために必要な入力電力を確保できる。
【００５９】
したがって、温度リップルの小さい安定した発熱、及び良好な温度立ち上がりが得られ、効率がよく、クイックスタートが可能な電磁誘導加熱定着装置を提供することができる。さらに、立ち上がりの早い、発熱効率のよい最適な電力供給ができる。
【００６０】
《その他》
１）磁場発生手段４は少なくとも励磁コイル２を有するものであってもよい。
【００６１】
２）電磁誘導発熱部材はフレキシブルなエンドレスあるいは有端のフィルム状部材（定着フィルム）の形態のものにすることもできる。
【００６２】
３）電磁誘導発熱部材は固定のヒータ部材にし、このヒータ部材に密着摺動する耐熱性フィルムを介して被加熱材を加熱する装置構成にすることもできる。
【００６３】
４）本発明の加熱装置は画像加熱定着装置としてばかりではなく、その他、例えば、画像を担持した記録材を加熱してつや等の表面性を改質する像加熱装置、仮定着処理する像加熱装置、インクジェットプリンタ等に用いられる乾燥用の像加熱装置等として広く使用出来ることは勿論である。
【００６４】
本発明は上述の実施例に限られるものではなく、技術思想が同じ変形例を含むものである。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、加熱部材の温度のリップルを小さくできる、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱方式の像加熱装置を提供することができる。また装置の入力インピーダンスが変化しても最適な電力供給を行える、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱方式の像加熱装置を提供するができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の誘導加熱装置を備えたプリンタの簡略断面図である。
【図２】 実施の形態１の誘導加熱装置の断面図である。
【図３】 図２の誘導加熱装置を記録材排紙側から見た一部切欠き側面図である。
【図４】 図２の誘導加熱装置の主要部のモデル図である。
【図５】 実施の形態１の動作を示したフローチャートである。
【図６ａ】 誘導加熱装置の等価回路図である。
【図６ｂ】 誘導加熱装置のＲｃ成分の周波数特性を示した図である。
【図６ｃ】 誘導加熱装置のＲｆ成分の周波数特性を示した図である。
【図６ｄ】 誘導加熱装置のＬｆ成分の周波数特性を示した図である。
【図６ｅ】 誘導加熱装置の人力電力の周波数特性を示した図である。
【図６ｆ】 誘導加熱装置の熱変換効率の周波数特性を示した図である。
【図７】 実施の形態２の誘導加熱装置の断面図である。
【図８】 図７の誘導加熱装置を記録材排紙側から見た一部切欠き側面図である。
【図９】 図７の誘導加熱装置の主要部のモデル図である。
【図１０】 実施の形態２の動作を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１…定着ローラ
２…励磁コイル
３…磁性コア
４…磁場発生手段
５…加圧ローラの芯金
６…加圧ローラの弾性材層
７…加圧ローラ
８…温度検知素子
９…ＣＰＵ
１０…周波数可変電源
１１…第二の温度検知素子
１２…第三の温度検知素子
２０…インピーダンス可変手段
２１…第二の励磁コイル
２２…リレー２２
２３…リレー２３
２４…第二の磁性コア
２５…第三の磁性コア
２６…磁気遮蔽手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機やプリンタに搭載されている加熱定着器や、画像の表面状態を改質する装置、等の像加熱装置に関し、特に、電磁誘導の原理を用いて熱を発生させる像加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電子写真式・静電記録式等の作像プロセスを採用したプリンタ・複写機・ファクシミリなどの画像形成装置において、作像プロセス部で記録材（転写材・印字用紙・感光紙・静電記録紙等）に転写方式あるいは直接方式で形成担持させた目的の画像情報の未定着トナー像を固着像として熱定着処理する加熱装置としては種々の原理・方式のものが知られており、また実用に供されている。
【０００３】
本発明で対象としている上記のような電磁誘導加熱方式の加熱装置も種々のタイプのものが提案されている。
【０００４】
例えば、特開平１０−３１３８９号公報には、定着ローラと、該定着ローラ内部を通り、閉磁路を形成するためのコアと、該コアに巻装され、直列に接続されている第１および第２コイルと、該第１および第２コイルに交流を流すための電源回路とで構成されており、前記定着ローラの昇温開始から予め決められた一定時間の間、前記第１および第２コイルの両方に前記電源回路からの交流を供給し、該一定時間経過後からは前記第１コイルにのみ交流を供給するように回路を切り換える制御装置と、を有し、昇温初期においてコイルに流れる電流を抑制し、かつ、昇温速度が極力遅くならないようにしている誘導加熱定着装置が提案されている。
【０００５】
また、特開２０００−６６５４３号公報には、巻き枠に巻装された導線からなる誘導加熱コイルを加熱ローラ内に配置し、移動可能なコアと、２つのコイルとで構成されており、加熱ローラの軸方向端部の温度に応じて、コアの移動、または、コイルに流す電流を制限し、当該端部を通過する磁束を可変することにより、定着動作に伴う定着ローラ表面の軸方向での温度ムラを解消している誘導加熱定着装置が提案されている。
【０００６】
また、特開平１０−７４００９号公報には、金属スリーブと励磁コイルとの間に、励磁コイルから金属スリーブへ届く磁束の一部を遮蔽する磁束遮蔽手段を配置し、該磁束遮蔽手段の位置を、金属スリーブにおける通紙範囲に応じて、変位手段により変化させることにより、通紙する記録材のサイズの種類によらず昇温される金属スリーブの熱分布をコントロール可能としている誘導加熱方式の定着装置が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような像加熱装置は、トナー像を記録材に定着させるものであり、トナーの定着性が最適になるように高精度な温度管理が求められる。このため、トナー像と接触する金属スリーブの温度が目標温度から大きく外れないように温度制御する必要がある。
【０００８】
上述した３つの公報には、必要に応じて２つのコイルヘの通電を切換えたり、コアを移動したりすることが記載されている。
【０００９】
しかしながらこのような動作は、コイルの入力インピーダンスの変動を伴う。
【００１０】
入力インピーダンスが変化するとコイルヘの供給電力が変動するので、例えば、金属スリーブの温度を検知する温度センサの検知温度が設定温度を維持するようにコイルヘの通電を制御していても、所望の供給電力が得られないために金属スリーブの温度上昇が遅れ、金属スリーブの温度のリップルが大きくなってしまう。
また、入力インピーダンスの変動は加熱装置の温度にも依存する。すなわち、コイルヘの供給電力の変動は加熱装置の温度にも依存する。
このように、加熱装置の形態の変化や温度の変化等によって入力インピーダンスが変動してしまい、コイルヘの供給電力が安定せず、金属スリーブの温度のリップルが大きくなる。よってトナーの定着性にも影響が出てしまう。
本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、加熱部材の温度のリップルを小さくできる、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、加熱装置の入力インピーダンスが変化しても最適な電力供給を行える、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱装置を提供することにある。
本発明の更なる目的は添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発熱部材と、前記発熱部材に渦電流を誘導させる磁束を発生する励磁コイルと、前記励磁コイルへ高周波電流を供給する周波数可変電源と、前記発熱部材の温度を検知する温度検知素子と、前記温度検知素子の検知温度に応じて前記周波数可変電源から前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を設定する制御手段と、を有し、記録材に形成された画像を前記発熱部材からの熱により加熱する像加熱装置において、前記周波数可変電源は前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を下げると前記発熱部材の熱変換効率が低下する範囲で前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を変更可能になっており、且つ前記高周波電流を供給する前記励磁コイルの巻数が変更可能になっており、前記制御手段は、前記励磁コイルへ通電開始した後、前記温度検知素子の検知温度が所定温度に達すると、前記高周波電流を供給する前記励磁コイルの巻数を減らし、且つ前記周波数可変電源から供給する前記高周波電流の周波数を上げて前記励磁コイルへの入力電力を維持することを特徴とする像加熱装置、である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
《実施の形態１》（図１〜６）
（１）画像形成装置例
図１は画像形成装置の一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レーザビームプリンタである。
【００１３】
１０１は像担持体としての感光ドラムであり、ＯＰＣ、アモルファスＳｅ、アモルファスＳｉ等の感光材料がアルミニウムやニッケルなどのシリンダ状の基盤上に形成されている。
【００１４】
感光ドラム１０１は矢印の時計方向に所定の周速度をもって回転駆動され、まず、その表面は帯電装置としての帯電ローラ１０２によって所定の極性・電位に一様帯電される。
【００１５】
次に、その一様帯電処理面に対して、レーザスキャナ１０３により、画像情報に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御されたレーザビームによる走査露光Ｌが施され、静電潜像が形成される。
【００１６】
この静電潜像は、現像装置１０４でトナー像として現像、可視化される。現像方法としては、ジャンピング現像法、２成分現像法、ＦＥＥＤ現像法などが用いられ、イメージ露光と反転現像とを組み合わせて用いられることが多い。
【００１７】
可視化されたトナー像は、転写装置としての転写ローラ１０５により、所定のタイミングで搬送された記録材Ｐ上に感光ドラム１０１上より転写される。
【００１８】
ここで、感光ドラム１０１上のトナー像の画像形成位置と記録材Ｐの先端の書き出し位置が合致するようにセンサ１０８にて記録材Ｐの先端を検知し、タイミングを合わせている。所定のタイミングで搬送された記録材Ｐは感光ドラム１０１と転写ローラ１０５に一定の加圧力で挟持搬送される。
【００１９】
このトナー像が転写された記録材Ｐは加熱定着装置（定着器）１０６へと搬送され、永久画像として加熱定着される。
【００２０】
一方、感光ドラム１上に残存する転写残りの残留トナーは、クリーニング装置１０７により感光ドラム１０１表面より除去される。
【００２１】
（２）加熱定着装置１０６
本実施の形態１における加熱定着装置１０６はヒートローラタイプ電磁誘導加熱装置である。図２は該装置１０６の拡大横断面模型図、図３は一部切り欠き背面模型図（記録材出口側）である。図４は構成図（ブロック図）である。
【００２２】
１は電磁誘導発熱部材としての磁性金属製の円筒状ローラ（誘導加熱される加熱用回転体、以下、定着ローラと記す）である。この定着ローラ１はその両端部側を軸受５１を介して装置の手前側と奥側のシャーシ側板５０間に回転自由に装着してある。
【００２３】
７は加圧ローラであり、芯金５と、この芯金回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６とで構成されている。この加圧ローラ７は上記の定着ローラ１の下側において定着ローラ１に並行に配置され、芯金５の両端部側を軸受５２を介して装置の手前側と奥側のシャーシ側板５０間に回転自由に保持させるとともに、その軸受５２を付勢手段（付勢ばね）５３により押し上げ付勢させて加圧ローラ７の耐熱性・弾性材層６を定着ローラ１の下面に対して所定の押圧力で圧接させて配設してある。この加圧ローラ７の定着ローラ１に対する圧接により、加圧ローラ７の耐熱性・弾性材層６が定着ローラ１との圧接部で弾性に抗して変形することによって定着ローラ１との間に被加熱材加熱部としての所定幅の定着ニップ部Ｎが形成される。
【００２４】
４は定着ローラ１の内側に挿入して配設した磁場発生手段アセンブリであり、定着ローラ１の長手方向に長い横長のアセンブリである。磁場発生手段アセンブリ４は、励磁コイル２と、横断面Ｉ字型の磁性コア（励磁鉄心）３とを有している。励磁コイル２は銅線を一方向に複数回巻いて形成され、磁性コア３は励磁コイル２の銅線と直交するように配置され磁路を形成する。磁性コア３は磁性材からなり、例えば、フェライトコアまたは積層コアからなる。
【００２５】
上記の定着ローラ１内に挿入配設した磁場発生手段アセンブリ４は、その両端部側を不図示のホルダを介して装置の不動部材に固定して非回転に支持させてあり、定着ローラ１の内周面との間に所定の隙間αを存して定着ローラ１の内周面に対して非接触に配設してある。
【００２６】
Ｇは定着ローラ１の一方端側に外嵌固定して配設したドライブギアであり、このドライブギアＧに不図示の駆動系から回転力が伝達されることで定着ローラ１が図２において矢印の方向に所定の周速度をもって回転駆動される。加圧ローラ７はこの定着ローラ１の回転駆動に従動して回転する。この加圧ローラ７も回転駆動する装置構成にすることもできる。
【００２７】
８は定着ローラ１の温度検知素子（サーミスタ等）であり、定着ニップ部Ｎの記録材出口側の近傍であって、定着ローラ１の長手方向のほぼ中央部の位置に、定着ローラ１に近接対向させて不図示の支持部材で保持させて配設してある。
【００２８】
図４の構成図において、９はＣＰＵ（制御部）、１０は周波数可変電源（励磁コイルに交流電流を流すための周波数可変交流電源）、２０は励磁コイル２の入力インピーダンスを可変するインピーダンス可変手段である。
【００２９】
而して、定着ローラ１が回転駆動され、加圧ローラ７も回転し、周波数可変電源１０から磁場発生手段４の励磁コイル２に高周波電流が印加されることで発生する交番磁場により定着ローラ１の磁性金属に高周波誘導電流（渦電流）が誘起されて定着ローラの磁性金属層が電磁誘導発熱（ジュール熱）し、定着ローラが所定の温度に立ち上がった状態において、定着ニップ部Ｎに被加熱材としての記録紙Ｐが導入されて挟持搬送されることで、定着ローラ１の熱とニップ圧により未定着トナー画像ｔが記録紙Ｐ上に定着される。
【００３０】
図５は制御系の動作フローチャートである。サーミスタ等の温度検知素子８は、定着ローラ１の温度を検知し、その検知温度情報がＣＰＵ９と周波数可変電源１０とに入力する。ＣＰＵ９は励磁コイル２の入力インピーダンスを切替える必要があれば、インピーダンス可変手段２０に対し、インピーダンスを切替える。また、入力する検知温度情報と現状のシーケンス状態に基づいて、定着装置の目標温度の情報と最大供給電力の情報とを周波数可変電源１０に指示する。例えば、定着電力立ち上げ時は、定着装置を出来るだけ早く立ち上げるために最大電力情報を許容される最大電力に設定する。定着ローラの温度がスタンバイ温度に到達したら、その後定着ローラの温度がスタンバイ温度を維持するようにコイルへの通電を制御する。定着時も目標とする定着温度を維持するようにコイルへの通電を制御する。
【００３１】
周波数可変電源１０は、検知温度情報との温度差に基づいて、定着ニップ部Ｎの温度が所定の定着温度に温調されるように励磁コイル２への電力供給を制御する。周波数可変電源１０は、検知温度情報が目標温度の情報より低い場合には、供給電力を上げて、定着ローラの温度をあげる。検知温度情報が目標温度の情報より高い場合には、供給電力を下げて、定着ローラの温度を下げる。したがって、目標温度に向かうと共に目標温度に制御することができる。
【００３２】
次に、供給電力を上げたり、下げたりする方法を説明する。図６に励磁コイルの入力インピーダンスの等価回路と特性例を示す。
【００３３】
図６の（ａ）は等価回路例で、Ｒｃは磁場発生手段４で熱に変わる抵抗成分で、Ｒｆは定着ローラ１で熱に変わる抵抗成分で、Ｌｆはインダクタンス成分である。（ｂ）はＲｃの周波数特性例、（ｃ）はＲｆの周波数特性例、（ｄ）はＬｆの周波数特性例で、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が２５度」、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が１９０度」、
「コイルの巻数が８ターン、温度が１９０度」、
の例を示してある。
【００３４】
入力電圧をＶとしたときの供給電力Ｗは下式（１）で表される。
【００３５】
【数１】
すなわち、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）より計算した結果が（ｅ）の供給電力の周波数特性例である。
【００３６】
図６の（ｅ）より、周波数可変電源１０の周波数を下げていくことにより、定着装置に供給する電力を上げることができ、また、インピーダンス可変手段２０で励磁コイル２の入力インピーダンスを変化させると、（ｅ）の供給電力の周波数特性が変化する。変化した供給電力の周波数特性に応じて、同じ供給電力を供給できるように、周波数可変電源１０の周波数を変化させることができる。
【００３７】
すなわち、電力立ち上がり時に、必要に応じてインピーダンス可変手段で励磁コイル２の入力インピーダンスを変化させても、供給電力が減らず、最大供給電力を供給し続けることができ、早い温度立ち上がりが得られ、クイックスタートが可能になる。
【００３８】
また、温度安定時に、必要に応じてインピーダンス可変手段２０で励磁コイル２の入力インピーダンスを変化させても、同じ供給電力を供給し続けることができ、温度の変化を少なくでき、温度リップルの少ない安定した発熱を維持できる。
【００３９】
また、入力電圧（供給電力）をＶとしたときの定着ローラ１へ熱変換効率（＝定着ローラ１への熱／供給電力）は下式（２）で表される。
【００４０】
【数２】
図６の（ｆ）は定着ローラ１の熱変換効率の周波数特性例です。図より、熱変換効率のよい周波数が存在する。すなわち、周波数可変電源１０の周波数を熱変換効率のよい周波数に設定することにより、効率のよい誘導加熱定着装置を提供することができる。
【００４１】
したがって、温度リップルの小さい安定した発熱、及び良好な温度立ち上がりが得られ、効率がよく、クイックスタートが可能な誘導加熱定着装置を提供することができる。
【００４２】
以下に示す実施形態２は、上述した本発明の概念をより具体的にしたものである。
【００４３】
《実施の形態２》（図７〜１０）
図７は本実施の形態２における加熱定着装置１０６の横断面模型図、図８は一部切り欠き背面模型図（記録材出口側）である。図９は構成図、図１０は制御系の動作フローチャートである。実施の形態１の加熱定着装置と共通する構成部材・部分には共通の符号を付して再度の説明を省略する。
【００４４】
本例では、励磁コイル２に対して更に直列に第二の励磁コイル２１を付加して、リレー２２・２３の制御により、励磁コイル２のみに電力供給した状態と、励磁コイル２と第二の励磁コイル２１に電力供給した状態とを切換えるようにしている。
【００４５】
励磁コイル２は銅線を一方向に複数回、たとえば８回巻いて形成され、第二の励磁コイル２１は銅線を一方向に複数回、たとえば２回巻いて形成され、磁性コア３は励磁コイル２の銅線、第二の励磁コイル２１の銅線と直交するように配置され磁路を形成する。
【００４６】
上記において第二の励磁コイル２１、リレー２２・２３が励磁コイル２の入力インピーダンスを可変するインピーダンス可変手段を構成している。
【００４７】
サーミスタ等の温度検知素子８は定着ローラ１の温度を検知し、その検知温度情報がＣＰＵ９と周波数可変電源１０とに入力する。
【００４８】
ＣＰＵ９は供給電力を切替える必要がある時、例えば供給電力を大きくしたい時は、リレー２３をＯＦＦ、リレー２２をＯＮにし、供給電力を小さくしたい時は、リレー２２をＯＦＦ、リレー２３をＯＮにする。また、入力する検知温度情報と現状のシーケンス状態に基づいて、定着装置の目標温度の情報と最大供給電力の情報とを周波数可変電源１０に指示する。
【００４９】
周波数可変電源１０は、検知温度情報と目標温度の情報と最大供給電力の情報に基づいて、定着ニップ部Ｎの温度が所定の定着温度に温調されるように励磁コイル２への電力供給を制御する。
【００５０】
図６の（ｅ）の供給電力の周波数特性例と、（ｆ）の定着ローラの熱変換効率の周波数特性例で、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が２５度」、
「コイルの巻数が１０ターン、温度が１９０度」、
「コイルの巻数が８ターン、温度が１９０度」、
の例を示してある。
【００５１】
まず、定着電力立ち上げ時に、ＣＰＵ９はリレー２２をＯＦＦ、リレー２３をＯＮにし、励磁コイルの巻数を１０回（励磁コイル２＋第二励磁コイル２１）とし、周波数可変電源１０に対して、最大電力情報を許容される最大電力に設定しておき、温度の情報をスタンバイ時の温度に設定しておく。
【００５２】
図６の（ｅ）の供給電力の周波数特性より、定着装置の温度が上がるにしたがって、周波数可変電源１０の周波数を低くすることにより、同じ最大電力を供給することができる。
【００５３】
また、図６の（ｆ）の定着ローラの熱変換効率より、温度が上昇すると１０ターンのままでは定着ローラの熱変換効率が悪くなるので、１９０℃の付近での周波数−熱変換効率が１０ターンの場合とほぼ等しい８ターンに切換える。つまり温度が所定の温度に到達した時、ＣＰＵ９はリレー２３をＯＦＦ、リレー２２をＯＮにし、励磁コイルの巻数を８回（励磁コイル２のみ）とし、周波数可変電源１０に対して、温度の情報をスタンバイ時の温度に設定しておく。このとき、周波数可変電源１０の周波数を上げて、定着装置に供給する電力を同じにすることができるとともに、定着ローラ１の熱変換効率がよくなる。
【００５４】
つまり、コイルの巻き数が１０ターンの状態で定着ローラ１の温度が１９０℃付近まで上昇する（例えばこのときの通電周波数は３０ｋＨｚ）と、温度が低い時と同じ周波数で通電しても図６の（ｅ）のように温度が低い時よりコイルヘの入力電力が低下してしまう（図６の（ｅ）のグラフでは７５０Ｗから６００Ｗへ低下している）。したがって、この状態のまま、すなわち定着ローラの温度が高いときも定着ローラの温度が低い状態の時の「検知温度一通電周波数」テーブルを使ってコイルヘの通電制御を行うと、コイルヘ所望の電力供給ができない。
【００５５】
そこで、図６の（ｅ）に示す特性を参照すれば理解されるように、コイルヘの通電周波数を下げれば（例えば３０ｋＨｚから２３ｋＨｚへ下げる）、２５℃の時とほぼ同じ入力電力（７５０Ｗ）を確保できる。
【００５６】
しかしながら、入力電力を下げると、図６の（ｆ）に示された特性図のように、定着ローラにおける熱変換効率が大きく下がってしまう。
【００５７】
そこで本実施例では、定着ローラの温度が１９０℃に達したら使用するコイルの巻き数を８ターンに減らす（入力インピーダンスを変える）。使用するコイルの巻き数を８ターンに減らす（入力インピーダンスを変える）ことにより、図６の（ｅ）に示す特性から、１０ターンで２５℃の時の入力電力（７５０Ｗ）と同じ入力電力を得るために周波数を３０ｋＨｚから４０ｋＨｚに上げることができる。図６の（ｆ）に示す特性を参照すれば理解されるように、コイルのターン数を１０ターンから８ターンに変えても周波数を上げることにより熱変換効率の低下は抑えられる。
【００５８】
このように本実施例では、定着ローラの温度が所定温度まで立ち上がった後のコイルのターン数を定着ローラの温度が所定温度まで立ち上がるまでのコイルのターン数より減らし、且つ各ターン数に対応する「検知温度一通電周波数」テーブルを用いてコイルヘの通電を制御することにより、熱変換効率の低下を抑えつつ定着ローラが所定温度を維持するために必要な入力電力を確保できる。
【００５９】
したがって、温度リップルの小さい安定した発熱、及び良好な温度立ち上がりが得られ、効率がよく、クイックスタートが可能な電磁誘導加熱定着装置を提供することができる。さらに、立ち上がりの早い、発熱効率のよい最適な電力供給ができる。
【００６０】
《その他》
１）磁場発生手段４は少なくとも励磁コイル２を有するものであってもよい。
【００６１】
２）電磁誘導発熱部材はフレキシブルなエンドレスあるいは有端のフィルム状部材（定着フィルム）の形態のものにすることもできる。
【００６２】
３）電磁誘導発熱部材は固定のヒータ部材にし、このヒータ部材に密着摺動する耐熱性フィルムを介して被加熱材を加熱する装置構成にすることもできる。
【００６３】
４）本発明の加熱装置は画像加熱定着装置としてばかりではなく、その他、例えば、画像を担持した記録材を加熱してつや等の表面性を改質する像加熱装置、仮定着処理する像加熱装置、インクジェットプリンタ等に用いられる乾燥用の像加熱装置等として広く使用出来ることは勿論である。
【００６４】
本発明は上述の実施例に限られるものではなく、技術思想が同じ変形例を含むものである。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、加熱部材の温度のリップルを小さくできる、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱方式の像加熱装置を提供することができる。また装置の入力インピーダンスが変化しても最適な電力供給を行える、記録材に形成された画像を加熱するための誘導加熱方式の像加熱装置を提供するができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の誘導加熱装置を備えたプリンタの簡略断面図である。
【図２】 実施の形態１の誘導加熱装置の断面図である。
【図３】 図２の誘導加熱装置を記録材排紙側から見た一部切欠き側面図である。
【図４】 図２の誘導加熱装置の主要部のモデル図である。
【図５】 実施の形態１の動作を示したフローチャートである。
【図６ａ】 誘導加熱装置の等価回路図である。
【図６ｂ】 誘導加熱装置のＲｃ成分の周波数特性を示した図である。
【図６ｃ】 誘導加熱装置のＲｆ成分の周波数特性を示した図である。
【図６ｄ】 誘導加熱装置のＬｆ成分の周波数特性を示した図である。
【図６ｅ】 誘導加熱装置の人力電力の周波数特性を示した図である。
【図６ｆ】 誘導加熱装置の熱変換効率の周波数特性を示した図である。
【図７】 実施の形態２の誘導加熱装置の断面図である。
【図８】 図７の誘導加熱装置を記録材排紙側から見た一部切欠き側面図である。
【図９】 図７の誘導加熱装置の主要部のモデル図である。
【図１０】 実施の形態２の動作を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１…定着ローラ
２…励磁コイル
３…磁性コア
４…磁場発生手段
５…加圧ローラの芯金
６…加圧ローラの弾性材層
７…加圧ローラ
８…温度検知素子
９…ＣＰＵ
１０…周波数可変電源
１１…第二の温度検知素子
１２…第三の温度検知素子
２０…インピーダンス可変手段
２１…第二の励磁コイル
２２…リレー２２
２３…リレー２３
２４…第二の磁性コア
２５…第三の磁性コア
２６…磁気遮蔽手段
Claims (1)
- 発熱部材と、前記発熱部材に渦電流を誘導させる磁束を発生する励磁コイルと、前記励磁コイルへ高周波電流を供給する周波数可変電源と、前記発熱部材の温度を検知する温度検知素子と、前記温度検知素子の検知温度に応じて前記周波数可変電源から前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を設定する制御手段と、を有し、記録材に形成された画像を前記発熱部材からの熱により加熱する像加熱装置において、
前記周波数可変電源は前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を下げると前記発熱部材の熱変換効率が低下する範囲で前記励磁コイルへ供給する高周波電流の周波数を変更可能になっており、且つ前記高周波電流を供給する前記励磁コイルの巻数が変更可能になっており、前記制御手段は、前記励磁コイルへ通電開始した後、前記温度検知素子の検知温度が所定温度に達すると、前記高周波電流を供給する前記励磁コイルの巻数を減らし、且つ前記周波数可変電源から供給する前記高周波電流の周波数を上げて前記励磁コイルへの入力電力を維持することを特徴とする像加熱装置。
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