JP3851970B2 - 誘導加熱を用いた定着装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば電子写真式の複写装置、プリンタおよびファクシミリなどに用いられる定着装置に関し、さらに詳しくは電磁誘導加熱を利用してトナー像を記録媒体に定着する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真式の複写装置、プリンタおよびファクシミリなどでは記録媒体である記録紙ないし転写材などのシートに保持されたトナー像をシートに定着する定着装置が用いられている。
【０００３】
この定着装置は、例えばシート上のトナーを熱融着させる定着ローラと当該定着ローラに圧接してシートを狭持する加圧ローラとを有している。定着ローラは中空円筒形状に形成され、円筒内部にこの定着ローラを加熱するための発熱体が設けられている。この発熱体により、定着ローラはトナーを熱溶着する。従来の発熱体としてはハロゲンランプなどを定着ローラの中心軸上に配置して、ハロゲンランプの輻射熱により定着ローラを加熱するものが主流であった。
【０００４】
ところが、このハロゲンランプを用いた定着装置はコスト面では低価格であるものの輻射熱による加熱であるため熱効率が低く、エネルギーロスが大きく、加熱ローラの温度の立ち上がりが悪いという欠点があった。
【０００５】
このようなハロゲンランプによる加熱方式の欠点を解決すべく誘導加熱方式の定着装置が提案されている。例えば特公平４−７３１５５広報には、第１図に示すように導電性の１定着ローラの内部に、閉磁路を構成する２コア（鉄芯）を貫通させ、このコアに巻き線を螺旋状に巻回して形成した３加熱コイルを定着ローラ内部に同心状に配置した誘導加熱式定着装置が記載されている。この定着装置では、３加熱コイルに通電して２コア内に磁束を発生させ、この磁束によって１定着ローラに誘電電流を誘起させることにより、１定着ローラを加熱させている。また、特開平９−１２７８１３広報には、図２に示すように１定着ローラ内部に２コアに巻回された３加熱コイルを挿入した誘導加熱式定着装置が記載されている。このような誘導加熱を用いた定着装置は、１定着ローラなどの発熱体を直接発熱させる形態であるため、ハロゲンランプに比べて、熱効率が高く、定着ローラの表面を定着温度まで迅速に昇温させることが可能であり、定着装置が常時通電されていない小規模な事業所や家庭用などの複写機、プリンタやファクシミリなどに適している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平４−７３１５５の方法は１定着ローラ表面の円周状矢印α−１方向に高周波の誘導電流が流れるが、１定着ローラの内部に巻回された加熱コイルが均一に巻かれていると１定着ローラと３加熱コイルが発生する磁束の結合は定着ローラの中心部が一番強いので図１温度分布に示すように定着ローラの中心部の温度が一番高くなり、定着ローラの中心部と端部の温度差が著しく大きくなる。これを解決するため、例えば特開昭５９−３３７８８に示されるように加熱コイルの分布を粗密にすることにより定着ローラの温度分布を均一にする方法、又、特開２００１−５１５２８に示されるように外部に昇圧コイルを設けて加熱コイルの巻数を増やすなどすることにより定着ローラの軸方向全体に巻線を巻くことによって定着ローラの温度分布を均一にする方法が提案されている。
【０００７】
特開昭５９−３３７８８の方法は、加熱コイルの巻き方を温度分布に合わせて粗密の程度を変える方法であり、巻線時に巻線の位置が変わりやすく、且つ、定着ローラと加熱コイルの空隙によって温度分布が変わるなど量産時のばらつきが大きく生産性が劣る。又、特開２００１−５１５２８の方法は巻数を増加することは出来るが、定着ローラの軸方向中心部の温度が外側部よりも高いことは変わらず、また、外部に昇圧コイルとこれを駆動する駆動回路を必要とするなどの欠点がある。
【０００８】
特開平９−１２７８１３の方法は図２のβ−２方向に交番磁束が発生するため、定着ローラには図２のα−２に示すような誘導電流が流れる。この電流により定着ローラの表面温度分布は図２温度分布に示すように定着ローラの軸方向中心部と両端の温度が低く、大きな温度差を発生することになる。この温度差をなくすために特開平９−２４４４４１に開示されているように誘導加熱され加熱部材にアルミニウムなどの高熱伝導体を用いて温度分布を少なくする方法が試みられるが、それだけ熱容量が大きくなり、立ち上がり時間が長くなると共に消費電力が大きくなり実用的でない。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、定着ローラの一部に加熱コイルを交差して巻回する事により、定着ローラの軸方向表面から側面、裏面、及び、他の側面に周回する誘導電流が流れるように構成して定着ローラ軸方向の発熱を一定することにより均一な定着性能と生産性および組立時の信頼性が高い誘導加熱を用いた定着装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、導電体からなり誘導加熱される定着ローラまたは定着ベルト、定着ローラまたは定着ベルトに交差して磁束を発生する誘導加熱コイルを有し、前記定着ローラまたは定着ベルトの軸方向表面から側面、裏面、及び、他の側面に周回する誘導電流が流れるように構成することによって、定着ローラまたは定着ベルトの表面軸方向に同一の電流を流して定着ローラまたは定着ベルトの軸方向温度分布を均一化することによって均一な定着性能を得るとともに誘導加熱コイルを樹脂により成形され、周方向、定着ローラまたは定着ベルトの端部近傍でその一部を切断分割した切断分割部を有し、この切断分割部を誘導加熱コイルの巻線方向にスライドさせて定着ローラまたは定着ベルトの交換を可能とすることにより、誘導加熱コイルを変形することがないので定着ローラまたは定着ベルトとの空隙が変化することがなく安定した定着性能と高信頼性を得ることを目的とする。
【００１１】
請求項２の発明は、誘導加熱コイルが樹脂でモールドされているで定着ローラまたは定着ベルトとの空隙が変化することが一層少なく一層安定した定着性能と高信頼性を得ることを目的とする。
【００１２】
請求項３の発明は、定着ローラまたは定着ベルトは磁性体表面に非磁性導電体を設けたので定着ローラまたは定着ベルトの表面に一定の電流が流れやすく表面温度の均一化が図れることを目的とする。
【００１３】
請求項４は、誘導加熱コイルの接合部に単方向性の導通特性を有する接合体を用いることにより確実に接合することによって組立の信頼性を高めること目的とする。
【００１４】
【作用】
請求項１の場合は、定着ローラまたは定着ベルトの軸方向外表面、定着ローラの側表面、裏面および定着ローラの他の側面に至り同一の誘導電流が流れるので定着ベルトまたは定着ローラが軸方向に均一に加熱されるるとともに誘導加熱コイルを変形することがないので定着ローラまたは定着ベルトとの空隙が変化することがなく安定した定着性能と高信頼性を得るので定着品質の向上を図ることが出来る。
【００１５】
請求項２の場合は、誘導加熱コイルが樹脂でモールドされているで定着ローラまたは定着ベルトとの空隙が変化することが一層少なく定着品質の一層の向上を図ることができる。
【００１６】
請求項３の誘導加熱コイルは定着ローラまたは定着ベルトは磁性体表面に非磁性導電体を設けたので均一な電流が流れやすく表面温度の一層の均一化を図る事ができる。
【００１７】
請求項４の誘導加熱コイルは、接合部に単方向に導通する接合体により接合されるので簡単に、かつ、誘導加熱コイルの素線を確実に接続することができ組立の信頼性を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明実施の形態の誘導加熱を用いた定着装置を図３乃至図４に基づいて説明する。
【００１９】
図３は本発明の側面図であり、図４は図３側面図のＡＡＡＡＡ点を通る断面図である。従来と同様の機能の部品については同一の番号を附す。４加圧ローラの上部に１定着ローラが設けられる。１定着ローラは６支持ローラＡと７支持ローラＢおよび４加圧ローラによって支えられ、支持ローラＢがＣ方向に回転することによって、１定着ローラはＤ方向に回転する。１定着ローラは円筒状を成し、その一部に５加熱コイル組立が定着ローラに交差するように設けられる。即ち、加熱コイル組立は後述する撚り線を最適な巻数だけ巻いた３加熱コイルを樹脂によりモールド加工して一体成形した後、加熱コイルの周方向で８加熱コイル組立Ａと９加熱コイル組立Ｂにフランジを有する接合部で加熱コイルが切断され切断面を有する。その切断面を研磨した後、図４に示すように加熱コイルに設けられたフランジ部を１８ネジにより確実に固定され、切断された加熱コイルの巻線それぞれが導通するように接続される。さらに、３加熱コイルは図示しないが１４支持板Ａ、１５支持板Ｂに固定されることによって、３加熱コイルと１定着ローラが所定の空隙で確実に配置される構造となっている。
【００２０】
接合部分は図４に示すように接合部を研磨した後、固定用１８ネジを用いて確実に８加熱コイル組立Ａと９加熱コイル組立Ｂを確実に固定する方法で良いが、一層の信頼性をもって接続するためには図５接合部図に示すように８加熱コイル組立Ａ，９加熱コイル組立Ｂの接続面に単一方向にのみ導通特性を有する１７接合子を用いて接続する方法がよい。
【００２１】
図６はこの１７接合子の構造を説明する接合子の一部を示した接合子斜視図である。２０導電材は、直径が加熱コイルを構成する銅線の絶縁被覆の２倍以下（例えば５０μｍ）の例えば銅線またはステンレス線などの導電体であり、この導電体をシリコンゴムなど１９耐熱性弾性材でモールドして、それぞれが絶縁された状態となっている。この時、２０導電体を先ず絶縁材により被覆した後、１９耐熱性弾性材によってモールドする構造でも良い。この接合子の端面は図６斜視図に示すように２０導電体が表面に現れている状態である。
【００２２】
３加熱コイルを構成する銅線は、例えば０．３ｍｍの銅線に３５μｍの被服を被せた単線を１９本撚った撚り線（以下リッツ線）であり、１７接合子を挟んで８加熱コイル組立Ａと９加熱コイル組立Ｂを圧接する事によって、加熱コイルの銅線は１７接合子の２０導電体を介してリッツ線を構成する単線の銅線が互いに短絡することなく確実に接続される。
【００２３】
図７は電圧共振形のインバータ回路ブロック図であり、図８はその動作説明図である。２１交流電源の両端に２２第１のコンデンサを接続すると共に２３整流用ブリッジに接続される。整流用ブリッジの正電圧側出力端子には２４チョークコイルを介して２５第２のコンデンサに接続される。２５第２のコンデンサには図示のように２６共振コンデンサ及び３加熱コイルの並列回路が接続された後、３２ＩＧＢＴのコレクタに接続される。ＩＧＢＴのゲート端子には制御回路が接続される。制御回路はＩＧＢＴを駆動する３１ドライバ、このドライバにインバータ出力に見合った駆動信号を供給する３０出力決定回路、出力決定回路に接続された２９発振器と３７出力設定回路が接続され、２９発振器には発振器の同期を取るための２８帰還回路が接続される。２８帰還回路はＩＧＢＴと加熱コイル、共振コンデンサの接続点及びチョークコイルの入力側に接続され、後述するようにＩＧＢＴのコレクタ電圧の後端部においてパルスを発生するように帰還回路が構成される。また、２８帰還回路の出力端子は３３Ｒ／ＳフリップフロップのＳ端子に接続される。３３Ｒ／ＳフリップフロップのＲ入力端子は３４電流帰還回路に接続され、Ｒ／ＳフリップフロップのＱ出力端子は３０出力決定回路の出力設定回路からの入力部に図示方向の３５ダイオードを介して接続される。この入出力端子の動作を図９Ｒ／Ｓフリップフロップ真理値表に示す。また、３４電流帰還回路の入力端子は３７出力設定回路とＩＧＢＴのエミッタに接続された３６電流検出回路の出力端子に接続された構成と成っている。
【００２４】
図８は、図７インバータ回路の動作説明図である。２９発振器は無安定マルチ発振器であり、図示しないが発振回路中に有するコンデンサの充放電により発振動作を行う。その発振波形を第７図（ａ）の（α）に示す。３７出力決定回路には発振器の出力信号（α）と出力設定回路からの信号（β）が供給される。出力設定回路の信号は所定値の電圧（Ｖ１）を有する信号であるが、後述するＲ／Ｓフリップフロップからの出力信号が３５ダイオードを介して接続されているため、所定値の電圧（Ｖ１）は（γ）に示すようにＲ／Ｓフリップフロップの出力信号に従って所定値の電圧（Ｖ１）を有するパルス状の波形となる。
【００２５】
電流帰還回路の動作がない場合には、発振器からの鋸波形状の波形（α）の電圧が所定値（β）よりも小さいとき、即ち、ｔ２乃至ｔ３’期間高電位となるが電流帰還回路の動作に従い、ｔ３’以前のｔ３時間に電流帰還回路により強制的に低電位（以下Ｌと記す）とされる。そこで、出力決定回路の出力は図８（ｂ）に示すようなパルス波形をＴ１期間発生する。
【００２６】
この出力決定回路の出力信号は３１ドライバに供給されＩＧＢＴが導通する。ＩＧＢＴの電流は電流検出回路により検出されるが、その波形を図８（ｃ）に示す。ＩＧＢＴが導通した当初ＩＧＢＴに流れる電流は鋸状の波形を示して上昇するが、図８（ｇ）の第２の２５コンデンサの端子電圧に示すように第２のコンデンサの電荷が減少してくると２４チョークコイルから供給される電流よりもＩＧＢＴにより加熱コイルに流される電流の方が大きくなり十分な電流を第２の２５コンデンサは供給することが出来ず、図８（ｃ）のｔ４時間をピークに電流が減少し始める。ＩＧＢＴ３２のエミッタには３６電流検出回路としてカーレントトランスが設けられており、このカーレントトランスはＩＧＢＴに流れる電流に見合った電圧を発生する。３４電流帰還回路は３６電流検出回路の出力電圧と出力設定回路の値（Ｖ２）を比較しており、３６電流検出回路の出力電圧が出力設定回路の値より小さくなるとその出力信号として図８（ｄ）に示すようにＬレベルのパルス信号を出力する。通常Ｒ／Ｓフリップフロップの入力端子はともにＨレベルに保持されており、図９からその出力は変化しないで前の状態を保っている。これに対して、Ｓ入力端子に接続された３４電流帰還回路からＳ入力端子にＬレベルのパルスが入力されるので図９に示すようにＲ／ＳフリップフロップがＬレベルの出力を発生する。この出力は３５ダイオードを介して出力決定回路に接続されており、出力設定回路からの電圧Ｖ１をＬレベル出力とするので図８（γ）ｔ３タイミングに示すように出力決定回路にＬレベル出力を入力する事となる。出力決定回路３７は２９発振回路の出力波形とこの（γ）波形を比較して（γ）波形が発振器出力波形（α）よりも低いとき図８（ｂ）に示すように出力決定回路の出力図８（ｂ）の出力をＬレベル出力とするのでＩＧＢＴのゲートにＬレベル出力を供給することになりＩＧＢＴは遮断動作を開始する。
【００２７】
ＩＧＢＴが遮断状態になると加熱コイルと共振コンデンサにより共振電圧が発生する。この共振電圧波形（δ）とチョークコイル入力側電圧が基準電圧（Ｖ３）として帰還回路に供給され、共振電圧波形の後端、図８（ｄ）に示すようにｔ１タイミングで（δ）が（Ｖ３）以下に成ったとき図８（ｆ）に示すパルスを発生する。帰還回路から発生されたこのパルスにより発振器の出力はｔ１タイミングで反転して図８（ａ）発振器出力波形（α）は実線に示すように動作を行う。同時にこのＬレベルのパルスはＲ／ＳフリップフロップＳ端子に供給されており図９に示す真理値表のようにその出力ＱにはＨレベルの出力を発生することになる。そこでＲ／Ｓフリップフロップの出力に接続されたダイオードにより強制的にＬレベルとされていた出力設定回路からの電圧Ｖ１は解放され出力決定回路にＶ１レベルの電圧をｔ１タイミングで供給することになる。発振器の出力電圧（α）は下降を初めｔ２でＶ１より低くなるので出力決定回路の出力は図８（ｂ）に示すようにｔ２でＨレベルとなる。
【００２８】
このようにインバータはＩＧＢＴに流れる電流及び共振電圧を検出して確実なスイッチング動作を行うことが出来るので、電源電圧に従いＴ１期間が変更され安定なインバータ動作を行うことが出来る。尚、出力設定回路の所定値（Ｖ１）、（Ｖ２）及び帰還回路の所定値はチョークコイルの入力側端子からの入力に従い適切な電圧を発生するように構成されていると共に図示しないが定着ローラの温度を検出するために設けられた温度検出素子を含む３８温度検出回路の出力信号によりインバータの出力電力を最適な状態に制御する。さらに、説明には記さなかったが従来と同様入力電流を設定した所定値に保つため交流入力電流を検出して、この電流が設定値に成るように制御することは周知の技術である。
【００２９】
以上の構成により誘導加熱される定着ローラに流れる誘導電流について説明する。図１０は３加熱コイルによる磁束の流れと１定着ローラに流れる電流を説明する説明図である。３加熱コイルに流れる電流は図４、図１０に示すような方向の磁束β−３を発生する。この磁束により１定着ローラには、この磁束β−３をうち消す方向の電流α−３が定着ローラ表面から裏面にかけて周回する電流が流れる。この電流により１定着ローラは加熱されるが、定着ローラの軸δ同一の電流が流れるため軸方向には発熱の温度分布が全くなくなる。
【００３０】
さらに、３加熱コイルが発生する磁束β−３は１定着ローラを構成する２コアを流れる構造とし、このコアとは別にコア表面に設けた１６導電層に電流が流れる構成としたが、１定着ローラを例えば透磁率が比較的大きい磁性ステンレスなどを用いることによって１６導電層を別に設けることなく１定着ローラの構成を簡略化出来る。
【００３１】
さらに、１定着ローラを非磁性金属のみを用いて構成しても十分に機能をする。この場合、３加熱コイルと１定着ローラとの空隙が不均一になると磁束の分布に大きな部分的なばらつきが生じやすい。そこで、軸方向に関する磁束のばらつきを小さくするために３加熱コイルと１定着ローラの空隙の均一化を図ることが重要となる。そのため、本願に示すように３加熱コイルを樹脂によってモールドすると固定が確実となり、加熱コイルと定着ローラの空隙を一定に保つことが可能となる。このように加熱コイルと定着ローラの空隙を均一化することにより非磁性金属を定着ローラの発熱体として用いることが可能となる。
【００３２】
また、２コアを整磁鋼など温度変化によって透磁率が変化する磁性体を使用することによって３加熱コイルと２６共振コンデンサの共振周波数が変化する。この変化を捕らえて定着ローラまたは定着ベルトの温度変化を検出して入力を制御することによってさらに精度の高い温度制御が可能となる。温度上昇と共に入力電力を抑えることによって更に精度の良い温度制御が可能となる。この方法は、単に２コアに整磁鋼用いる方法に限らず、サーミスタ等温度検出装置を用いて制御することも可能であることは周知である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の誘導加熱を用いた定着装置は以下の効果を奏する。請求項１の誘導加熱を用いた定着装置は、定着ローラの表面から裏面に周回する電流により加熱されるので、定着ローラの表面の温度分布が均一となり優れた定着性能を得ることが出来る。さらに、定着ローラのみを誘導加熱する構造であるから温度の立ち上がり速度が速く、使用しない状態では断電しておくことが可能となり省エネルギーとなり、低ランニングコストで応答性が高く、かつ、修理時においても誘導加熱コイルが変形することもなく何時までも定着品質が高い誘導加熱を用いた定着装置を提供することができる。
【００３４】
請求項２の誘導加熱を用いた定着装置は、誘導加熱コイルが樹脂でモールドされているで定着ローラまたは定着ベルトの交換時においても空隙が変化することがなく安定した定着性能と高信頼性を得ることが可能となり一層の定着性能向上が高い誘導加熱を用いた定着装置を提供することができる。
【００３５】
請求項３の誘導加熱を用いた定着装置は、定着ローラまたは定着ベルトは磁性体表面に非磁性導電体を設けたので定着ローラまたは定着ベルトの表面に一定の電流が流れやすく表面温度の均一化が図れことが可能であり、信頼性が高い誘導加熱を用いた定着装置を提供することができる。
【００３６】
請求項４の誘導加熱を用いた定着装置は、誘導加熱コイルの接合部に単方向性の導通特性を有する接合体を用いることにより確実に接合することによって信頼性が高い誘導加熱を用いた定着装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の誘導加熱を用いた定着装置
【図２】他の従来の誘導加熱を用いた定着装置
【図３】本発明一実施例の側面図
【図４】図３側面図のＡＡＡＡＡ点を通る断面図図
【図５】接合部図
【図６】接合子斜視図
【図７】インバータ回路ブロック図
【図８】インバータ回路動作説明図
【図９】ＲＳフリップフロップ真理値表
【図１０】定着ローラに流れる電流を説明する説明図
【符号の説明】
１・・・定着ローラ
２・・・コア
３・・・加熱コイル
４・・・加圧ローラ
５・・・加熱コイル組立
８・・・加熱コイル組立Ｂ
９・・・加熱コイル組立Ａ
１６・・・導電層
１７・・・接合子
１９・・・耐熱性弾性材
２０・・・導電材

Claims (4)

1. 導電体からなり誘導加熱される定着ローラまたは定着ベルトと、定着ローラまたは定着ベルトに交差して磁束を発生する誘導加熱コイルを有し、前記誘導加熱コイルは、前記定着ローラまたは定着ベルトの軸方向表面から側面、裏面、及び、他の側面に周回する誘導電流が流れるように構成されるとともに、前記誘導加熱コイルは樹脂により成形され、かつ、前記誘導加熱コイルの一部を切断分割及び接合が可能な切断分割部を有し、前記切断分割部を、誘導加熱コイルの巻線方向にスライドさせることによって、切断分割前に接続されていた誘導加熱コイルと同一の導線が電気的に導通する状態に接合可能としたことを特徴とする誘導加熱を用いた定着装置。
2. 誘導加熱コイルは樹脂によりモールドされたことを特徴とする請求項１の誘導加熱を用いた定着装置。
3. 定着ローラまたは定着ベルトは磁性体表面に非磁性導電体を設けたことを特徴とする請求項１の誘導加熱を用いた定着装置。
4. 誘導加熱コイルの切断分割部との接合部に単方向にのみ導通特性を有する接合体を用いたことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３の誘導加熱を用いた定着装置。

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