JP3896133B2

JP3896133B2 - 誘導加熱装置およびそれを備える画像形成装置

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Publication number: JP3896133B2
Application number: JP2004287851A
Authority: JP
Inventors: 昌吾横田; 敏章香川; 徹典光岡; 智弘前田; 敦之加藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2019-12-28
Also published as: JP2005032734A

Description

本発明は、乾式電子写真機器における定着装置、湿式電子写真機器における乾燥装置、インクジェットプリンタにおける乾燥装置、リライタブルメディア用消去装置等で好適に実施される誘導加熱方式を用いた加熱装置およびそれを備える画像形成装置に関する。

ローラ式の加熱装置において、たとえば電子写真方式の複写機やプリンタに使用されている定着装置では、加熱ローラ内にハロゲンランプを設け、このハロゲンランプによって加熱ローラを加熱するようにした構成が従来から広く用いられている。しかしながら、加熱開始時の立ち上がりが遅いという問題があり、近年、導電層を備えて加熱ローラを形成し、加熱ローラ内に備えられた磁界発生手段からの交番磁界を前記加熱ローラに与えることで、該加熱ローラに発生する渦電流によるジュール熱を用いて該加熱ローラ自体を発熱させるようにした誘導加熱方式の定着装置が注目されている。
このような誘導加熱方式の定着装置は、たとえば、特許文献１に記載される。

上述のようなローラ式誘導加熱装置は、前記加熱ローラ自体が発熱するので、前記ハロゲンランプを用いた加熱装置よりも効率がよいものの、さらに効率よく加熱するためには、表皮効果を加味して、加熱ローラの熱容量を少なく、たとえば薄くする必要がある。そのため、加熱ローラの保温性が低下して冷え易くなり、加熱停止後に再加熱する場合、再度規定の温度に設定されるまでに時間を要し、応答性に劣るという問題があった。

また、上記特許文献１に開示される定着装置は、図１６に示されるようにヒートローラ２０１と加圧ローラ２０２から成るローラ対を基本に構成されており、ヒートローラ２０１は、ローラ外周部に配置された加熱コイル２０９と絶縁支持体２０８より成る誘導加熱体２０７によって発生する交番磁界を受けることで所定の温度に昇温される。

一方、現像工程（図示せず）を経て定着部に送られてきた未定着像を有する用紙２２２は、所定の温度に昇温されたヒートローラ２０１と加圧ローラ２０２によって形成された接触ニップ部を通過する。このとき、用紙２２２上の未定着像は、熱と圧力により用紙２２２に定着される。

このように、ヒートローラ２０１と加圧ローラ２０２とから成る標準的な構成の定着装置において、ヒートローラ２０１を加熱する誘導加熱体２０７をヒートローラ２０１の外側に配置すると、加熱コイル２０９に供給する電力のほとんどがヒートローラ２０１の温度上昇に用いられるため、加熱効率が高められるという誘導加熱方式の特徴の他に、ヒートローラ２０１の組付作業の簡略化を実現できるとともに、ヒートローラ２０１を小径に構成することができ、定着装置およびレーザプリンタの小型化が可能となることが述べられている。

しかしながら、上記従来の定着装置には、以下のような問題点があった。
（１）加熱コイル（誘導コイル）は、自身に流れる電流の作用でジュール熱を発生するため、コイルの温度は通電とともに上昇する。そのため、絶縁支持体（絶縁部材）上に加熱コイルを一体成形すると、繰り返し運転時に、熱膨張の差から両者が剥離してしまうなどの問題があった（線膨張係数の差が大きいため）。

（２）加熱コイル部が絶縁支持体上に直接成形されていると、ヒートローラ（加熱部材）からの温度が絶縁支持体を介して直接熱伝導の形で伝わるため、加熱コイルの温度が上昇し、抵抗成分を増加させるので効率が低下するという問題があった。

（３）加熱効率はまだ充分なものではなく、ロスが存在する。そのため、加熱効率を改善しようとすると、コイルのターン数の増加や加熱コイルをヒートローラ（加熱部材）に近接して配置する、などの対応を実施しなければならなかった。

しかし、コイルのターン数の増加は、加熱コイルを構成する線素長さの増加を招くため抵抗成分が増加するし、加熱コイルをヒートローラに近接して配置すると、加熱コイルの温度が、ヒートローラからの熱の影響を受けて上昇することにより抵抗成分が増加するので、いずれも加熱コイルでのジュール熱による損失増大を招くため、限度があった。

特許第２６１６４３３号公報

本発明の目的は、温度変動を抑えるとともに、ウォームアップが速く、熱効率に優れ、低コストで安全性、信頼性の高い誘導加熱装置およびそれを備える画像形成装置を提供することである。

本発明は、変動磁界中で電流が誘導される導電層を有する加熱部材と、
加熱部材を外囲するように配置され、導電層に変動磁界を発生させるための磁界発生手段と、
加熱部材に対向配置され、加熱部材の熱を被加熱材に伝えるために、被加熱材を加熱部材に押圧する加圧部材とを備えた誘導加熱装置であって、
前記磁界発生手段の外周に沿って磁性部材が設けられ、
上記磁性部材の、加熱部材の長手方向に直交する断面積、加熱部材の周方向に沿った長さ、または磁界発生手段との距離のうちのいずれかが、加熱部材の長手方向に沿って変化し、
上記磁界発生手段と加熱部材との間に配置され、磁界発生手段とは個別に形成された絶縁部材をさらに備え、
上記絶縁部材の加熱部材側もしくは磁界発生手段側の少なくとも一方の面に低透磁率の良熱伝導性部材が設けられたことを特徴とする誘導加熱装置である。

本発明に従えば、磁界発生手段の背面側（加熱部材と反対側）に磁性部材を配置することで、磁界発生手段によって発生する変動磁界のうち、背面側の磁束を集中させることができる。背面側の磁束が集中すると、その影響を受けて反対側に存在する加熱部材に鎖交する磁束密度も大きくなる。加熱部材と鎖交する磁束密度が大きくなると、加熱部材に発生する渦電流が大きくなるため、発熱量が増加する。以上の理由から、磁界発生手段背面側に磁性部材を配置すると加熱部材での発熱量が多くなるので、加熱効率が改善される。

さらに磁界発生手段が曲率を有して加熱部材の外側に配置されているため、加熱部材への磁束集中効果が大きいという効果があり、少ない量の磁性部材で効果的に磁束を集中させることができる。

また、該磁性部材により、加熱部材に磁束を効率よく集中できるようになるので、加熱部材と磁界発生手段との距離を広くとることができる。すなわち、加熱部材の温度の影響をより受けにくくすることができる。これにより、磁界発生手段の雰囲気の温度を低くすることができるので磁界発生手段の抵抗が下がり、ジュール損が少なくなり加熱効率が改善できる。

さらに、磁性部材の断面積・長さもしくは磁界発生手段との距離を、磁性部材の配置場所に応じて変化させることによって、加熱部材に鎖交する磁束分布を制御することができるようになる。これにより、加熱部材の両端部など熱の逃げが多い部分の発熱量を、磁界発生手段かたとえば誘導コイルである場合その巻ピッチ等を変更することなく、容易に増加することができるので温度分布を均一にすることができる。

該磁性部材は、複数個に分割されて配置されていてもよいし、それぞれの比透磁率を変化させることで同じ効果を得てもよい。該磁性部材は、絶縁部材で支持されていてもよい。

また磁界発生手段と絶縁部材を別体で構成することにより、両者の熱膨張率の違いによる剥離破壊を防止することができる。また、絶縁部材には磁界発生手段を保持するホルダ（保持）部が配置されていてもよい。
さらに絶縁部材の一部に良熱伝導性部材を設けることで、絶縁部材の長手方向の温度分布を均一にすることができる。これにより、絶縁部材の温度ムラによるねじれ、たわみ等を防止することができる。
また、加熱部材から絶縁部材を介して磁界発生手段に到達する熱流束の加熱部材長手方向の分布を一様にすることができるので、磁界発生手段周辺の温度が場所によって極端に変わることがなくなり、磁界発生手段の寿命が長くなる。
さらに、良熱伝導性部材が加熱部材の外部に到達するよう構成し、加熱部材からの熱を外部に逃がすことによって、磁界発生手段周囲の熱上昇を抑えるような構成にしてもよい。
良熱伝導性部材が加熱部材に面した側にある場合は、表面が低放射率になるように表面処理がされていてもよい。

また本発明は、上記絶縁部材が、断熱性を有する材料から成ることを特徴とする。
本発明に従えば、絶縁部材により、加熱部材の熱が伝わることで発生する磁界発生手段周囲の温度上昇を防ぎ、磁界発生手段の温度上昇による抵抗増加を抑えることができる。

また本発明は、前記誘導加熱装置を備えることを特徴とする画像形成装置である。
本発明に従えば、前述の優れた効果を達成する画像形成装置を得ることができる。

本発明によれば、磁界発生手段を、加熱部材外部に配置し、磁界発生手段の背面側（加熱部材と反対側）に磁性部材を配置することで、加熱部材側に磁束を集中させることができるので、加熱効率を向上させることができる。また、該磁性部材によって磁束が集中する分、加熱部材と磁界発生手段との距離を広くとることができ、加熱部材の温度影響をより受けにくくすることができて加熱効率を向上することができる。

さらに、磁性部材の断面積・長さもしくは磁界発生手段との距離を、磁性部材の配置場所に応じて変化させることによって、加熱部材に鎖交する磁束分布を制御することができるようになり、加熱部材の熱の逃げが多い部分の発熱量を、磁界発生手段がたとえば誘導コイルである場合その巻ピッチ等を変更することなく、容易に増加して、温度分布を均一にすることができる。

また磁界発生手段と絶縁部材を別体構成にすることによって、両者の熱膨張率の違いによる剥離破壊を防止することができる。
また絶縁部材の一部に良熱伝導性部材を設けることによって、絶縁部材の長手方向の温度分布を均一にすることができ、絶縁部材の温度ムラによるねじれ、たわみ等を防止することができる。また、加熱部材から絶縁部材を介して磁界発生手段に到達する熱流束の加熱部材長手方向の分布を一様にすることができるので、磁界発生手段周辺の温度が場所によって極端に変わることがなくなり、磁界発生手の寿命が長くなる。

また本発明によれば、絶縁部材を断熱性を有する材料で構成することによって、絶縁部材により、加熱部材の熱が伝わることで発生する磁界発生手段周囲の温度上昇を防ぎ、磁界発生手段の温度上昇による抵抗増加を抑えることができる。

また本発明によれば、前述の優れた効果を達成する画像形成装置を得ることができる。

図１は、本発明を説明するための参考となる第１参考形態の誘導加熱装置である乾式電子写真機器における定着装置１０１の軸直角方向での断面図であり、図２（ａ）はその定着装置１０１の軸線方向での断面図である。定着装置１０１は、大略的に、加熱ローラ（加熱部材）１０２と、加圧ローラ（加圧部材）１０３と、磁界発生部材（磁界発生手段）１０４と、蓄熱部材１０５とを備えている。加熱ローラ１０２は、中空構造を有し、被加熱材を加熱する。加圧ローラ１０３は、加熱ローラ１０２に対向配置され、図示しない弾性部材によって加熱ローラ１０２を押圧する方向に付勢されている。磁界発生部材１０４は、加熱ローラ１０２を外囲するように配置される。蓄熱部材１０５は、加熱ローラ１０２内に空気層を介して配置される。

こうした構成の定着装置１０１は、加熱ローラ１０２と加圧ローラ１０３との間に被加熱材であるシート状の記録紙１０６を挟圧搬送することによって、記録紙１０６に転写されたトナーを、加熱溶融させて記録紙１０６に定着させる。図１では、定着前のトナー１０７は、定着後のトナー１０８に変化している。

加熱ローラ１０２は、交番磁界中で発熱する導電層１０９を少なくとも１層備え、その外周面が離型層１１０で被覆されて形成された中空の筒状体の両端が、ベアリング１１１によって図示しない機体に回転自在に支持されて構成されている。導電層１０９は、ニッケル・クロム等の金属材料およびＳｉ−Ｆｅ合金（ケイ素鋼）・Ａｌ−Ｆｅ合金・Ｎｉ−Ｆｅ合金・Ｃｏ−Ｆｅ合金等のフェライト合金系の材料などの磁束当りの発熱量の大きい材料から成る。また、離型層１１０は、シリコーンゴムおよびＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂などの溶着トナーの剥離性の良好な材料から成る。加熱ローラ１０２は、たとえば外径３０ｍｍ、内径２８ｍｍに形成され、離型層１１０は、導電層１０９と磁界発生部材１０４とが近接するように、たとえば５０μｍに形成される。

加圧ローラ１０３は、たとえば直径１５ｍｍのアルミニウム製の芯材に、厚さ７．５ｍｍのシリコーンゴムから成る弾性体層を設けて形成される。また加圧ローラ１０３は、ばね等の弾性部材にて加熱ローラ１０２に対し、たとえば荷重１００Ｎで圧接する。これによって、定着ニップ部Ｙ（定着ニップ幅３．５ｍｍ）が形成される。さらに、加熱ローラ１０２は、図示しない駆動手段によって回転するよう構成されており、加熱ローラ１０２の回転に従動して加圧ローラ１０３が回転する構成となっている。

蓄熱部材１０５は、熱容量の大きい部材であればよく、たとえばアルミニウム・鉄等の金属やＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）・ＰＩ（ポリイミド）等の耐熱樹脂などから成る。特に、鉄で構成することによって、漏れ磁束によって加熱されるので、蓄熱効果をより大きくすることができる。筒状に形成されるこの蓄熱部材１０５は、その両端部に嵌まり込む大径の板状部１１２ａと、前記機体側で回転自在に軸支される小径の軸部１１２ｂとから成る断熱部材１１２によって、図示しない前記機体に回転自在に支持されるとともに、その内部が気密に封止される。

断熱部材１１２は、たとえばＰＰＳやＰＩ・フッ素樹脂などの一般的な耐熱樹脂から成る。蓄熱部材１０５の内部は、図１および図２（ａ），図２（ｂ）では中空になっているけれども、中実であってもよい。また、中空の場合、内部は空気層のままであってもよく、また液体等を封入してもよい。さらにまた、図２（ａ）では、蓄熱部材１０５と断熱部材１１２とが別部材で構成されているが、図２（ａ）から明らかなように、軸直角方向の断面積が、蓄熱部材１０５側（大径の板状部１１２ａ）と断熱部材１１２側（小径の軸部１１２ｂ）とで異なり、前記機体側への熱伝導を制御できる場合には、同一材質で構成してもよい。また、図２（ｂ）に示すように、断熱部材１１２側の断面積をさらに小さくするようなスリット１１７を構成してもよい。

磁界発生部材１０４は、たとえば、図３（ａ）に示すようにアルミニウムの中実線で表面に絶縁被膜（たとえば樹脂・酸化膜）が塗布された素線が、空芯で巻回された構成のものが使用される。あるいは、図３（ｂ）に示すように、パーマロイ・センダスト・ミューメタル・純鉄・ケイ素鋼等から成るコア１１４を有し、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）・ＰＩ（ポリイミド）等の耐熱樹脂から成るボビン１１５に、コイル１１６を巻回して構成したものを用いてもよい。磁界発生部材１０４は、励磁回路１１８に接続されている。加熱ローラ１０２の外周面には、ニップ部Ｙ近傍に、サーミスタ等から成る温度検知素子１１３が当接しており、その検知結果および画像形成要求などに応答して、前記磁界発生部材１０４に高周波電流が印加され、予め規定された温度となるように制御される。

磁界発生部材１０４は、ニップ部Ｙを除いて、加熱ローラ１０２を外囲するように、かつ近接して配設されている。したがって、誘導コイル（磁界発生部材１０４）を加熱ローラ１０２内に配置する構成に比べて、単位電流当りに加熱ローラ１０２を通過する磁束を増加させることができ、高効率であるとともに、組立てが容易で、ローラ径を小径にできる等、製造や設計の自由度を向上することができる。

次に、上記のように構成された定着装置１０１の動作について説明する。まず、ウォームアップ時において、励磁回路１１８がＯＮとなり、誘導コイルが励磁され、加熱ローラ１０２の導電層１０９に交流渦電流が誘起され、ジュール熱により発熱する。このときの発熱量は、たとえば８００Ｗである。また、励磁回路１１８による通電が開始すると同時に、加熱ローラ１０２が回転駆動することにより加圧ローラ１０３が従動回転する。加熱ローラ２の表面温度は温度検知素子１１３によって常時検知され、加熱ローラ１０２の表面温度が規定の温度（たとえば１８０℃）に達すると、ウォームアップが完了し、励磁回路１１８による誘導コイルへの通電がＯＮ−ＯＦＦ制御に切換わり、加熱ローラ１０２の表面温度が前記の規定温度に維持される。

次に、未定着トナー１０７の像が転写された記録紙１０６が定着ニップ部Ｙに搬送され、加熱ローラ１０２の熱および加圧ローラ１０３の圧力によりトナー１０８の像に溶融定着され、記録紙１０６上に固定され堅牢な画像となる。

図４は、定着装置１０１の一適用例であるカラー画像形成装置１５０の概略断面図である。カラー画像形成装置１５０は、４色の可視像形成ユニット１４０Ｙ，１４０Ｍ，１４０Ｃ，１４０Ｂを記録紙１０６の搬送路に沿って配列した、いわゆるタンデム式のプリンタである。具体的には、記録紙１０６の供給トレイ１２０と定着装置１０１とを繋ぐ記録紙１０６の搬送路に沿って、４組の可視像形成ユニット１４０Ｙ，１４０Ｍ，１４０Ｃ，１４０Ｂを配設し、記録紙搬送手段１３０の搬送ベルト１３３によって搬送される記録紙１０６に、各色トナーを多重転写した後、定着装置１０１によってこれを定着してフルカラー画像を形成するものである。記録紙搬送手段１３０は、一対の駆動ローラ１３１およびアイドリングローラ１３２によって架張され、所定の周速度（本実施では１３４ｍｍ／ｓ）に制御されて回動する無端状の搬送ベルト１３３を有し、このベルト上に記録紙１０６を静電吸着させて搬送する。各可視像形成ユニット１４０Ｙ，１４０Ｍ，１４０Ｃ，１４０Ｂは、感光体ドラム１４１の周囲に、帯電ローラ１４２、レーザ光照射手段１４３、現像器１４４、転写ローラ１４５、クリーナ１４６を配置して構成されており、各ユニットの現像器にはイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各トナーがそれぞれ収容されている。各可視像形成ユニット１４０Ｙ，１４０Ｍ，１４０Ｃ，１４０Ｂは、以下の工程によりトナー画像を記録紙１０６上に形成する。

すなわち、感光体ドラム１４１表面を帯電ローラ１４２で一様に帯電した後、レーザ光照射手段１４３により感光体ドラム１４１表面を画像情報に応じてレーザ露光し、静電潜像を形成する。その後、現像器１４４により感光体ドラム１４１上の静電潜像に対しトナー像を現像し、この顕像化されたトナー像をトナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された転写ローラ１４５により記録紙搬送手段１３０によって搬送される記録紙１０６に順次転写するようになっている。

その後、記録紙１０６は駆動ローラ１３１の曲率により搬送ベルト１３３から剥離された後、定着装置１０１に搬送される。そこで前述のとおり、規定の温度に保たれた加熱ローラ１０２および加圧ローラ１０３により適度な温度と圧力が与えられる。トナーは溶解し記録紙１０６に固定され、堅牢な画像となる。

以上のように本発明の誘導加熱式の定着装置１０１は、加熱ローラ１０２を中空形状として、磁界発生部材１０４を該加熱ローラ１０２を外囲するように配置し、その加熱ローラ１０２内に、空気層を介して、蓄熱部材１０５を備えている。

したがって、誘導加熱で効率よく加熱するために、表皮効果を加味して加熱ローラ１０２の熱容量を少なくしても、蓄熱部材１０５によって加熱ローラ１０２の放熱を抑え、温度低下を少なくすることができるとともに、加熱時には、加熱ローラ１０２で発生した熱が直接蓄熱部材１０５に流れ込むことがないので、立ち上がり時間には殆ど影響を与えることはなく、また加熱時のエネルギの増加を招くこともない。このようにして、加熱ローラ１０２を熱し易く冷え難くすることができ、再加熱時の立ち上げ時間を短縮することができるとともに、待機時の予熱運転に必要な電力を少なくすることができ、省エネルギな熱定着装置を実現することができる。

また、蓄熱部材１０５を支持する断熱部材１１２の断面積が、該蓄熱部材１０５側の大径の板状部１１２ａと、機体側の小径の軸部１１２ｂとで異なるように形成されているので、蓄熱部材１０５が蓄えた熱を、外部に逃げにくくすることができる。

なお、特許第２６１６４３３号公報には、加熱ローラを外囲するように磁界発生手段を配置することが記載されているけれども、加熱ローラの内部は中空のままであり、前記ハロゲンランプを用いた加熱装置よりも効率がよいものの、加熱ローラの熱容量を小さくして始動時の立ち上げ時間を短縮すると、加熱ローラは冷え易くなり、再加熱時の立ち上げに長時間を要し、応答性に劣る。これに対して、熱容量を大きくすると、再加熱時の応答性は向上するけれども、始動時の立ち上げ時間が長くなってしまう。

図５は、本発明を説明するための参考となる第２参考形態の定着装置１５１における加熱ローラ１０２部分の軸線方向断面図である。定着装置１５１において、前述の定着装置１０１に類似し、対応する部分には、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。注目すべきは、この定着装置１５１では、加熱ローラ１０２の両端の開口部に、空気の流出入を制限する封止（遮断）部材１５２を設けていることである。

これによって、加熱ローラ１０２内が気密に封止され、蓄熱部材１０５が蓄えた熱を、一層外部に逃げにくくすることができる。封止部材１５２は、前述した断熱部材１１２と同様の材料が使用される。

図６は、本発明を説明するための参考となる第３参考形態の定着装置１６１における加熱ローラ１０２部分の軸線方向断面図である。定着装置１６１において、前述の定着装置１０１に類似し、対応する部分には、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。定着装置１６１では、加熱ローラ１０２内に蓄熱部材１０５は設けられておらず、加熱ローラ１０２の両端の開口部に、空気の流出入を制限する封止部材１５２が設けられている。

これによって、加熱ローラ１０２内が気密に封止され熱を蓄えることができる。さらに、加熱ローラ１０２内部に蓄熱部材１０５を設けていないので、加熱ローラ１０２の径を小さくする上で制限を受けない。したがって、定着装置１６１をこのように構成することにより、画像形成装置の小型化が図れる。なお、この場合も、封止部材１５２は前述した断熱部材１１２と同様の材料を使用することができる。

なお、第２参考形態および第３参考形態についても、第１参考形態と同様に、図４のカラー画像形成装置１５０に適用可能である。

誘導加熱装置は、たとえば電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置として適用されるものである。図７は本発明を説明するための参考となる第４参考形態の定着装置の概略断面図であり、これを用いて基本構成について説明する。

図７に示すように、本参考形態の定着装置３０１では、加熱部材に円筒状のローラ（加熱ローラ）３０２を使用し、加熱ローラ３０２に当接した加圧ローラ（加圧部材）３０３と加熱ローラ３０２によって形成された定着ニップ部Ｙに、トナーなどの熱溶融樹脂で記録紙（被加熱材）３０６上に画像を形成した未定着用紙を通過させることで熱と圧力により、記録紙３０６に画像を固定するよう構成されている。

加熱ローラ３０２を加熱する誘導コイル（磁界発生手段）３０４は、加熱ローラ３０２の外周部に配置されている。加熱ローラ３０２の温度を検知する温度検知素子（サーミスタ）３５１は、加熱ローラ３０２上に当接されており、この検知結果をもとに励磁回路３５２により誘導コイル３０４を制御する。

誘導コイル３０４は、加熱ローラ３０２の半円周を覆うような形状を有し、加熱ローラ３０２と反対側の領域に磁性部材３５３が配置されている。該磁性部材３５３と誘導コイル３０４は、絶縁性のホルダ部３５４に取付けられている（図１０〜図１２参照）。

以上が、第４参考形態の最も基本的な構成である。次に、図７を用いて第４参考形態を詳細に説明する。

加熱ローラ３０２は、変動磁界を受けて発熱するために少なくとも１層以上の導電層３５０を有するよう構成されている。該導電層３５０は、比透磁率の大きいものが適している。たとえば、鉄や磁性ステンレス（ＳＵＳ４３０など）、珪素鋼板、電磁鋼板、ニッケル鋼等から構成されることが望ましい。また、比透磁率が低い材料であっても、抵抗率が大きい材料（たとえば非磁性ステンレス：ＳＵＳ３０４など）は、渦電流発生時の発熱量が大きいので使用してもよい。あるいは、非磁性のベース部材（たとえば、セラミックなど）に比透磁率の高い前記材料が導電性を有するように配置されているような構成であってもよい。本実施形態では、加熱ローラ３０２にφ３０ｍｍ・厚さ０．４ｍｍの鉄ローラ（材質：ＳＴＫＭ）を使用している。

加熱ローラ３０２の表面には、トナーがオフセット（加熱ローラ３０２に付着）するのを防ぐために、離型層３０９を有するように構成されている。離型層３０９には、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素系の材料やシリコーンゴム、フッ素ゴムなどが適している。本実施形態では、ＰＴＦＥを２０μｍコートしている。

次に、磁界発生手段である誘導コイル３０４について説明する。誘導コイル３０４の目的は、加熱ローラ３０２を渦電流で発熱することにある。図７のように誘導コイル３０４を加熱ローラ３０２の外側に配置すると、曲率が存在するため、誘導コイル３０４の中心側に磁束が集中し、渦電流の発生量が多くなる。加熱ローラ３０２の材料を高透磁率のものにするとさらに磁束が集中するので、加熱効率が改善されるのは前述の通りである。

次に、本参考施形態で使用した誘導コイル３０４の形状を図８に示す（平面図・正面図・側面図の３図面）。本参考形態では耐熱性を考慮してアルミニウム単線（表面絶縁層（たとえば酸化膜）あり）を使用しているが、銅線もしくは銅ベースの複合部材線であってもよいし、リッツ線（エナメル線等を撚り線にしたもの）であってもよい。いずれの線材を使用しても、コイルでのジュール損を抑えるためには、誘導コイル３０４の全抵抗値は０．５Ω以下、望ましくは０．１Ω以下であるほうがよい。また、図示した誘導コイル３０４は、加熱ローラ３０２の長手方向に１つしか存在しないが、定着させる記録紙３０６のサイズに応じて複数個配置してもよい。

次に、誘導コイル３０４のさらに外側に誘導コイル３０４に沿って配置される磁性部材３５３について説明する。磁性部材３５３の材料は、加熱ローラ３０２よりも高透磁率な材料で構成されることが望ましく、フェライト（ニッケル・マンガン系やマンガン・フェライト系など）や珪素鋼板・電磁鋼板などが適している。磁性部材３５３は導電性があるとその部分で渦電流が発生するので、焼結で形成することや、積層構造にすることが望ましい。本参考形態では、ニッケル・マンガン系のフェライト焼結合金を使用した。

次に、該磁性部材３５３の配置構造について説明する。図９に示すように、本参考形態において、該磁性部材３５３は、耐熱樹脂性のホルダ部３５４を介して前記誘導コイル３０４に取付けられている。

該磁性部材３５３の断面形状は、加熱ローラ３０２の長手方向に一定であるが、加熱ローラ３０２に鎖交する磁束分布が該磁性部材３５３の影響を受けるという特徴を利用して、加熱ローラ３０２の長手方向に断面形状を変化させ、磁性部材３５３の厚さをｔ１，ｔ２とすると、ｔ１＜ｔ２とすることで加熱ローラ３０２の温度分布を制御してもよい（図１０）。また図１１に示すように、円周方向の長さに変化をもたせる（周方向の長さをｗ１，ｗ２とすると、ｗ１＜ｗ２とする）形態、誘導コイル３０４との距離を加熱ローラ３０２の長手方向に変化させる（図１２）などの構成にしても同様の効果を得ることができる。上記各図において、磁性部材３５３は断面形状を急峻に変化させた場合の例を示しているが、断面形状は滑らかに連続的に変化するように構成してもよい。この場合、該磁性部材３５３は、形状が異なる部分を別の磁性部材３５３で構成してもよく、また、比透磁率の異なる複数の磁性部材３５３を配置してもよい。さらに、上記磁性部材３５３は、図１０〜図１２に示した形態をそれぞれ個別に構成してもよく、これらを組合せて構成してもよい。

このように磁性部材３５３を誘導コイル３０４の外側に配置することで、誘導コイル３０４の巻き方如何にかかわらず、容易に温度分布を制御できる定着装置３０１を実現できる。また、誘導コイル３０４が曲率を有しているため、加熱ローラ３０２への磁束集中効果が大きいので、少ない該磁性部材３５３で効果的に磁束を集中させることができる。

加圧ローラ３０３は、鉄・ステンレスもしくはアルミニウムの芯金上に、シリコーンゴムなどの耐熱弾性体層を有するように構成されている。表面には、離型層が形成されていてもよい。該加圧ローラ３０３は、図示しない弾性部材（バネ）によって、加熱ローラ３０２に１００Ｎの力で圧接されている。これにより加熱ローラ３０２との間に幅が３．５ｍｍ程度の定着ニップ部Ｙが形成される。

次に、上記のように構成された本実施形態の定着装置における定着動作について説明する。まずウォームアップ時において、誘導コイル３０４に接続された励磁回路３５２がＯＮとなり、誘導コイル３０４が励磁され、加熱ローラ３０２の導電層３５０に交流渦電流が励起され、ジュール熱により発熱する。このときの発熱量は約８００Ｗである。また、励磁回路３５２による通電が開始すると同時に、加熱ローラ３０２が回転駆動することにより加圧ローラ３０３が従動回転する。加熱ローラ３０２の表面温度は温度検知素子３５１によって常時検知され、加熱ローラ３０２の表面温度が所定の温度（本実施形態では１８０℃）に達すると、ウォームアップが完了し、励磁回路３５２による誘導コイル３０４への通電がＯＮ−ＯＦＦ制御に切換わり、加熱ローラ３０２の表面温度が所定の温度に維持される。

次に、未定着トナー像が転写された記録紙（被加熱材）３０６が定着ニップ部Ｙに搬送され、加熱ローラ３０２の熱および加圧ローラ３０３の圧力によりトナー像は溶融定着され、記録紙３０６上に固定され堅牢な画像となる。

以上に述べた誘導加熱装置は、定着装置に限らず、湿式電子写真機器における乾燥装置・インクジェットプリンタにおける乾燥装置・リライタブルメディア用消去装置等の加熱装置としても用いることができる。

図１３に本発明を説明するための参考となる第５参考形態を示す。同図に示すように、基本的な構成は、第４参考形態と同じであり、第４参考形態と異なる点は、誘導コイル３０４と加熱ローラ３０２との間に絶縁部材３５５が備えられている点であり、両者が個別に分離できる構成となっている点である。絶縁部材３５５と誘導コイル３０４取付け部の詳細図を図１４に示す（磁性部材３５３は省略している）。絶縁部材３５５は、加熱ローラ３０２の外周面をカバーするように構成されている。絶縁部材３５５の材料としては、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）やＰＩ（ポリイミド）、セラミック等の耐熱性を有するものが適している。また、絶縁部材３５５には、誘導コイル３０４を保持するコイル取付けリブ３５６とホルダ部３５４があり、このコイル取付けリブ３５６とホルダ部３５４により誘導コイル３０４を挟持することにより、誘導コイル３０４が絶縁部材３５５と全面で密着しないように構成されている。このような構成（絶縁部材３５５と誘導コイル３０４が別の部材で構成されていること、あるいは、誘導コイル３０４の一部が絶縁部材３５５に固定されて構成されていること）により、線膨張係数の違いによる両者の熱膨張の差を吸収することができるので、両者を一体化して構成した場合に生じる剥離を防止することができる。

また、誘導コイル３０４と絶縁部材３５５の接触面積を少なくすることで、加熱ローラ３０２から絶縁部材３５５を通して誘導コイル３０４に伝わる熱を少なくすることができる。すなわち、誘導コイル３０４の雰囲気温度が下がり、温度上昇に伴って発生するジュール損を低減することができる。

図１５に、本発明の第１実施形態を示す。基本的な構成は第４参考形態と同様であり、第４参考形態と異なる点は、誘導コイル３０４と加熱ローラ３０２との間に絶縁部材３５５が備えられており、該絶縁部材３５５が絶縁層３５９と断熱部材３５７と良熱伝導性の非磁性部材３５８とにより構成されている点である。

絶縁層３５９には、上述したＰＰＳ，ＰＩおよびセラミックなどの材料が用いられる。上記断熱部材３５７は、加熱ローラ３０２から伝わる熱の伝導性を抑制するために配置されているものである。材料としては、耐熱性を有するシリコン系やウレタン系のスポンジ（発泡体）やアミド系やアラミド系等の耐熱繊維で構成された不織布、ガラスウール等が適している。本実施形態では、シリコン耐熱スポンジを用いている。また、耐熱特性を向上させるために、絶縁部材３５５自体を多孔質構造を有する部材で構成したり、内部にガラス繊維を含有する複合部材で構成してもよい。

本実施形態においては、上記絶縁部材３５５の加熱ローラ３０２側に良熱伝導性部材３５８を配置するのがより望ましい。このように構成することで、加熱ローラ３０２から誘導コイル３０４に到達する熱の場所による不均一性を低減することができるので、絶縁部材３５５の熱の分布によるネジレやたわみを防止することができる。また、誘導コイル３０４周囲の温度分布が一様になるので、誘導コイル３０４表面に形成されている表面絶縁層の寿命を延ばすことができる。

上記良熱伝導性部材３５８は、誘導コイル３０４による変動磁場の影響を受けないように低透磁率の良導電体、たとえば、アルミニウムや銅であることが望ましい。本実施形態においては、アルミニウムの薄膜を使用した。

また、上記良熱伝導性部材３５８は、断熱部材３５７の加熱ローラ３０２側、あるいは、誘導コイル３０４側の何れかの面に少なくとも１層あればよく、定着装置３７１の外部にまで導くように配置してもよい。このように構成することにより、加熱ローラ３０２から誘導コイル３０４に到達する熱流束がさらに抑えられるため誘導コイル３０４の周囲の温度が低下し、誘導コイル３０４の表面絶縁層の寿命を延ばすことができる。

さらに、加熱ローラ３０２からの熱輻射を抑えるために、絶縁部材３５５や断熱部材３５７、あるいは、良熱伝導性部材３５８の表面が低放射率になるように表面処理されてもよい。この表面処理としては、アルミニウムや銅を蒸着やスパッタで薄層形成する、白系の耐熱塗料塗布する、表面性をよくする（表面粗さをよくする）などの方法がある。

なお、本実施形態では、誘導コイル３０４の外側に磁性部材３５３を備えた構成に適用した場合を示しているが、本構成を磁性部材３５３のない場合に適用しても同様の効果を得ることができる。

第４参考形態の定着装置３０１、第５参考形態の定着装置３６１および第１実施形態の定着装置３７１は、図４に示したカラー画像形成装置１５０に適用可能である。なお、カラー画像形成装置１５０の動作は、第１参考形態の場合と同様であり、説明は省略する。

本発明は、次の構成を備える形態が可能である。
（１）変動磁界中で電流が誘導される導電層、および中空構造を有する加熱部材と、
加熱部材を外囲するように配置され、導電層に変動磁界を発生させるための磁界発生手段と、
加熱部材に対向配置され、加熱部材との間にシート状の被加熱材を挟圧搬送するための加圧部材と、
加熱部材の内壁との間に空気層を介し、加熱部材の内部空間に配置される蓄熱部材とを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。

誘導加熱で効率よく加熱するためには、表皮効果を加味して加熱ローラ（加熱部材）の熱容量を少なくする必要がある。そのため、冷え易くなるという欠点があった。そこで、加熱ローラの蓄熱を行おうとする場合、磁界発生手段が加熱ローラ内に配置されていると、コイルの温度も高くなり、コイルの絶縁被覆が困難になるだけでなく、ジュール損が増加するという問題が生じる。コイルの抵抗値をＲ、コイルに流れる電流値をＩとした場合、ジュール損は、Ｉ²Ｒで表わされる。

このため、加熱ローラを中空形状として、前記磁界発生手段を該加熱ローラを外囲するように配置し、空いた加熱ローラの内部空間に、空気層を介して蓄熱部材を設け、該加熱ローラを熱し易く冷え難くして、加熱終了後の放熱を抑え、温度低下を少なくする。すなわち、蓄熱部材を空気層を介して配置するので、加熱時に、加熱ローラの熱が直接蓄熱部材に流れ込むことがないので、立ち上がり時間には殆ど影響を与えることはなく、また加熱時のエネルギの増加を招くこともなく、蓄熱効果のみを発揮させる。

これによって、再加熱時には、蓄熱部材の保熱効果と併せて加熱ローラを規定の温度値に立ち上げる時間を短縮することができるとともに、待機時の予熱運転に必要な電力を少なくすることができる。以上の効果により、たとえば省エネルギ即熱定着装置を実現できる。

加熱ローラ（加熱部材）の内部空間に蓄熱部材を配置させることによって、加熱ローラを熱し易く冷え難くして、加熱終了後の放熱を抑え、温度低下を抑えることができる。

（２）上記蓄熱部材を支持する支持部材の断面積は、蓄熱部材から離れるとともに変化することを特徴とする誘導加熱装置。

支持部材の断面積を蓄熱部材との距離に応じて変化させるので、支持部材の熱抵抗が途中で変化し、蓄熱部材が蓄えた熱を、外部に逃げ難くすることができる。

（３）上記支持部材は、断熱性を有する材料で構成されていることを特徴とする誘導加熱装置。

支持部材を熱伝導の低い部材で構成することで、蓄熱部材が蓄えた熱を、外部に逃げにくくすることができる。

（４）上記加熱部材の開口部に空気の流出入を制限する封止部材を配設することを特徴とする誘導加熱装置。

封止部材を配設し、空気の流出入を抑えることで、蓄熱部材が蓄えた熱を、外部に逃げにくくすることができる。

（５）変動磁界中で電流が誘導される導電層、および中空構造を有する加熱部材と、
加熱部材を外囲するように配置され、導電層に変動磁界を発生させるための磁界発生手段と、
加熱部材に対向配置され、加熱部材との間にシート状の被加熱材を挟圧搬送するための加圧部材と、
加熱部材の開口部に配設され、内部空間の空気の流出入を制限する封止部材とを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。

空気の流出入を抑えることで、加熱ローラ（加熱部材）内に熱を蓄えることができ、外部に逃げにくくすることができる。加熱ローラ内部に蓄熱部材を配置する構成では、蓄熱部材の大きさがあるため、加熱ローラを小さくするには制限を受けるが、この構成では蓄熱部材を含まないため、その大きさによる制限を受けないため、ローラ径を小さくする際に有利である。

本発明を説明するための参考となる第１参考形態の誘導加熱装置である定着装置の構造を示す軸直角方向での断面図である。図２（ａ）は、図１で示す定着装置の軸線方向での断面図であり、図２（ｂ）は、断熱部材にスリットを設けた構成を示す図である。図１および図２で示す定着装置におけるコイル形状を示す斜視図である。定着装置の一適用例であるカラー画像形成装置の概略断面図である。本発明を説明するための参考となる第２参考形態の定着装置における加熱ローラ部分の軸線方向断面図である。本発明を説明するための参考となる第３参考形態の定着装置における加熱ローラ部分の軸線方向断面図である。本発明を説明するための参考となる第４参考形態である誘導加熱装置の概略構成図（断面図）である。図８（ａ）は、本発明の誘導加熱装置に適用される磁界発生手段（誘導コイル）の概略構成を示す平面図であり、図８（ｂ）はその正面図、図８（ｃ）はその側面図である。本発明の誘導加熱装置において、磁性部材を磁界発生手段に取付ける状態を示す図である。本発明における磁性部材の形態例を示す図である。本発明における磁性部材の別の形態例を示す図である。本発明における磁性部材のさらに別の形態例を示す図である。本発明を説明するための参考となる第５参考形態である誘導加熱装置の構成例を示した図である。図１３に示した誘導加熱装置において、絶縁部材に磁界発生手段を取付ける状態を示す図である。本発明の第１実施形態である誘導加熱装置の構成例を示した図である。従来の誘導加熱装置の一構成例を示す図である。

符号の説明

１０１，１５１，１６１，３０１，３６１，３７１誘導加熱装置（定着装置）
１０２，３０２加熱ローラ（加熱部材）
１０３，３０３加圧ローラ（加圧部材）
１０４，３０４磁界発生手段（誘導コイル，磁界発生部材）
１０５蓄熱部材
１０６，３０６記録紙（被加熱材）
１０９，３５０導電層
１１０，３０９離型層
１１１ベアリング
１１２，３５７断熱部材
１５２封止部材
１１８，３５２励磁回路
３５３磁性部材
３５４ホルダ部
３５５絶縁部材

Claims

変動磁界中で電流が誘導される導電層を有する加熱部材と、
加熱部材を外囲するように配置され、導電層に変動磁界を発生させるための磁界発生手段と、
加熱部材に対向配置され、加熱部材の熱を被加熱材に伝えるために、被加熱材を加熱部材に押圧する加圧部材とを備えた誘導加熱装置であって、
前記磁界発生手段の外周に沿って磁性部材が設けられ、
上記磁性部材の、加熱部材の長手方向に直交する断面積、加熱部材の周方向に沿った長さ、または磁界発生手段との距離のうちのいずれかが、加熱部材の長手方向に沿って変化し、
上記磁界発生手段と加熱部材との間に配置され、磁界発生手段とは個別に形成された絶縁部材をさらに備え、
上記絶縁部材の加熱部材側もしくは磁界発生手段側の少なくとも一方の面に低透磁率の良熱伝導性部材が設けられたことを特徴とする誘導加熱装置。
上記絶縁部材が、断熱性を有する材料から成ることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
請求項１または２記載の誘導加熱装置を備えることを特徴とする画像形成装置。