JP3976837B2 - 像加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁（磁気）誘導加熱方式の像加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真複写機・プリンタ・ファックス等の画像形成装置（画像記録装置）における像加熱装置、即ち電子写真・静電記録・磁気記録等の適宜の画像形成プロセス手段により、加熱溶融性の樹脂等よりなるトナー（熱軟化性有色樹脂の顕画剤）を用いて記録材の面に直接若しくは間接（転写）方式で形成した未定着のトナー画像を記録材面に永久固着画像として加熱定着する装置（以下、加熱定着装置と記す）としては従来から「熱ローラ方式」の装置が多用されている。また「フィルム加熱方式」の装置も実用されている。「電磁誘導加熱方式」の装置もある。
【０００３】
ａ）熱ローラ方式の装置
熱源としてハロゲンランプ（ハロゲンヒータ）を内蔵させ、該ハロゲンランプの発熱で所定の温度に加熱・温調される定着ローラ（熱ローラ）と、加圧ローラとを圧接させて定着ニップ部を形成させ、該ローラ対を回転させ、定着ニップ部に被加熱材としての、未定着トナー画像を担持させた記録材を導入して挟持搬送させることで、定着ニップ部において記録材を定着ローラの熱で加熱して画像の熱定着を行なわせるものである。
【０００４】
特に、最大４層のトナー層を十分加熱溶融させる能力を要求されるフルカラー画像形成装置における定着装置としては、定着ローラの芯金は高い熱容量を有するものにし、また定着ローラにトナー像を包み込んで均一に溶融するためのゴム弾性層を設けて該弾性層を介してトナー画像の加熱を行なっている。
【０００５】
ｂ）フィルム加熱方式の装置
特開昭６３−３１３１８２号公報等に開示のように、発熱源（加熱体）としての一般にセラミックヒータと、加圧部材としての加圧ローラとの間に耐熱性フィルム（定着フィルム）を挟ませて定着ニップ部を形成させ、該定着ニップ部のフィルムと加圧ローラとの間に被加熱材としての、未定着トナー画像を担持させた記録材を導入してフィルムと一緒に定着ニップ部を挟持搬送させることで、発熱抵抗体への通電により発熱するセラミックヒータの熱をフィルムを介して記録材に与えて加熱して画像の熱定着を行なわせるものである。
【０００６】
ｃ）電磁誘導加熱方式の装置
実開昭５１−１０９７３７号公報には、磁束により定着ローラに電流を誘導させてジュール熱によって発熱させる誘導加熱定着装置が開示されている。これは、誘導電流の発生を利用することで直接定着ローラを発熱させることができて、ハロゲンランプを用いた熱ローラよりも高効率の定着プロセスを達成している。
【０００７】
また、米国特許第５２７８６１８号明細書には、定着ローラを小熱容量化した定着フィルムを用いて、ニップ近傍の励磁部材により加熱する例が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例の各種方式の加熱装置にはそれぞれ一長一短がある。例えば、ハロゲンランプやセラミックヒータを熱源として用いた従来の熱ローラ方式の装置やフィルム加熱方式の装置においては、定着ローラやフィルムに熱伝達させる必要があるためにエネルギーロスが大きく、エネルギーの有効活用ができない等の問題があった。
【０００９】
また、実開昭５１−１０９７３７号公報や米国特許第５２７８６１８号明細書に開示されている電磁誘導加熱方式の装置は上記問題点を改善できたが、励磁コイルと組にして磁界発生手段を構成させている高透磁率の磁性部材（励磁コイルの磁性コア、コイル鉄心、励磁鉄芯）の磁心損失は温度によって変化する傾向があるために、像加熱動作時において高透磁率磁性部材の磁心損失が増加すると昇温が激しくなって、加熱効率が低下するという問題があった。昇温によって、高透磁率磁性部材がキュリー温度以上になると磁性が消滅して、十分な加熱ができなくなるばかりでなく、励磁コイルに励磁電圧を供給する励磁回路に大きな負担がかかって回路が破損する恐れがあった。
【００１０】
そこで本発明は、特に、電磁誘導加熱方式の加熱装置について、上記の問題点をなくして、長時間の動作においても、安定した、省エネルギーでの加熱動作を実現できるようにすることを目的とする。
【００１１】
また電磁誘導加熱方式の加熱装置を像加熱装置（加熱定着装置）として用いた画像形成装置について、ウェイトタイムの短縮を可能とし、省電力で画像形成を行なうとともに、フルカラー画像のようなトナー量の多い画像に対しても高画質を維持できるようにすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は下記の構成を特徴とする像加熱装置である。
【００１３】
電磁誘導発熱性部材に磁界発生手段の交番磁束を作用させて発熱させ、その発熱により記録材に熱軟化性有色樹脂の顕画剤を熱定着させる像加熱装置であって、
磁界発生手段としての励磁コイル及び磁性部材と、励磁コイルに給電する励磁回路と、該励磁回路の出力を制御して電磁誘導発熱性部材の温度を制御する温度制御手段を有し、
上記励磁回路から励磁コイルに供給される励磁電圧は電圧印加時間と開放時間の和時間を一周期とし、かつ開放時間に対して電圧印加時間を変動させることで周波数を変化させる交番電圧であり、
上記温度制御手段は上記交番電圧の周波数を、電磁誘導発熱性部材の温度を熱定着時の所定温度に維持する時の周波数ｆ１が装置を立ち上げるときの周波数ｆ２よりも大となるように制御し、
上記磁界発生手段の磁性部材は、その磁心損失が上記交番電圧の周波数がｆ２の時よりもｆ１の時の方が小さくなる材料からなる、
ことを特徴とする像加熱装置。
【００１４】
上記構成において、励磁電圧の周波数は供給出力を装置の立ち上げ時に大きく、熱定着時に小さくする作用がある。また、温度制御手段は装置の低温時（装置の立上時）に積極的に磁性部材を暖めて電磁誘導発熱性部材から熱を奪うのを防ぐ作用と、熱定着時は磁性部材の発熱を抑えて透磁率の低下を防ぐ作用がある。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【発明の実施の形態】
〈第１の実施例〉（図１〜図８）
（１）画像形成装置例
図１は本発明に従う電磁誘導加熱方式の像加熱装置（加熱定着装置）として具備させた画像形成装置の一例の概略構成図である。
【００３０】
本例の画像形成装置は、最大通紙幅がＡ４サイズ紙、印字速度が毎分３枚の電子写真４色フルカラープリンタである。
【００３１】
１０１は有機感光体やアモルファスシリコンでできた電子写真感光体ドラム（像担持体）であり、矢示の時計方向に所定のプロセススピード（周速度）で回転駆動される。
【００３２】
感光体ドラム１０１はその回転過程で帯電ローラ等の帯電装置１０２で所定の極性・電位の一様な帯電処理を受ける。
【００３３】
次いでその帯電処理面にレーザスキャナー１１０から出力されるレーザ光１０３による、目的の画像情報の走査露光処理を受ける。レーザスキャナー１１０は不図示の画像読取装置等の画像信号発生装置からの目的画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応して変調（オン／オフ）したレーザ光１０３を出力して回転感光体ドラム面を走査露光するもので、この走査露光により回転感光体ドラム１０１面に走査露光した目的画像情報に対応した静電潜像が形成される。１０９はレーザスキャナー１１０からの出力レーザ光を感光体ドラム１０１の露光位置に偏向させるミラーである。
【００３４】
フルカラー画像形成の場合は、目的のフルカラー画像の第１の色分解成分画像、例えばイエロー成分画像についての走査露光・潜像形成がなされ、その潜像が４色カラー現像装置１０４のうちのイエロー現像器１０４Ｙの作動でイエロートナー画像として現像される。そのイエロートナー画像は感光体ドラム１０１と中間転写体ドラム１０５との接触部（或は近接部）である一次転写部Ｔ１において中間転写体ドラム１０５の面に転写される。中間転写体ドラム１０５面に対するトナー画像転写後の回転感光体ドラム１０１面はクリーナ１０７により転写残りトナー等の付着残留物の除去を受けて清掃される。
【００３５】
上記のような帯電・走査露光・現像・一次転写・清掃のプロセスサイクルが、目的のフルカラー画像の、第２の色分解成分画像（例えばマゼンタ成分画像、マゼンタ現像器１０４Ｍが作動）、第３の色分解成分画像（例えばシアン成分画像、シアン現像器１０４Ｃが作動）、第４の色分解成分画像（例えば黒成分画像、黒現像器１０４ＢＫが作動）の各色分解成分画像について順次に実行され、中間転写体ドラム１０５面にイエロートナー画像・マゼンタトナー画像・シアントナー画像・黒トナー画像の都合４色のトナー画像が順次重ねて転写されて、目的のフルカラー画像に対応したカラートナー画像が合成形成される。
【００３６】
中間転写体ドラム１０５は、金属ドラム上に中抵抗の弾性層と高抵抗の表層を有するもので、感光体ドラム１０１に接触して或は近接して感光体ドラム１０１と略同じ周速度で矢示の反時計方向に回転駆動され、中間転写体ドラム１０５の金属ドラムにバイアス電位を与えて感光体ドラム１０１との電位差で感光体ドラム１０１側のトナー画像を該中間転写体ドラム１０５面側に転写させる。
【００３７】
上記の回転中間転写体ドラム１０５面に合成形成されたカラートナー画像は、該回転中間転写体ドラム１０５と転写ローラ１０６との接触ニップ部である二次転写部Ｔ２において、該二次転写部Ｔ２に不図示の給紙部から所定のタイミングで送り込まれた記録材Ｐの面に転写されていく。転写ローラ１０６は記録材Ｐの背面からトナーと逆極性の電荷を供給することで中間転写体ドラム１０５面側から記録材Ｐ側へ合成カラートナー画像を順次に一括転写する。
【００３８】
二次転写部Ｔ２を通過した記録材Ｐは中間転写体ドラム１０５の面から分離されて、次の（２）項で詳述する電磁誘導加熱方式の加熱定着装置１００へ導入され、未定着トナー画像の加熱定着処理を受けてカラー画像形成物として機外の不図示の排紙トレイに排出される。
【００３９】
記録材Ｐに対するカラートナー画像転写後の回転中間転写体ドラム１０５はクリーナ１０８により転写残りトナー・紙粉等の付着残留物の除去を受けて清掃される。このクリーナ１０８は常時は中間転写体ドラム１０５に非接触状態に保持されており、中間転写体ドラム１０５から記録材Ｐに対するカラートナー画像の二次転写実行過程において中間転写体ドラム１０５に接触状態に保持される。
【００４０】
また転写ローラ１０６も常時は中間転写体ドラム１０５に非接触状態に保持されており、中間転写体ドラム１０５から記録材Ｐに対するカラートナー画像の二次転写実行過程において中間転写体ドラム１０５に記録材Ｐを介して接触状態に保持される。
【００４１】
白黒画像などモノカラー画像のプリントモードも実行できる。また両面画像プリントモード、或は多重画像プリントモードも実行できる。
【００４２】
両面画像プリントモードの場合は、加熱定着装置１００を出た１面目画像プリント済みの記録材Ｐは不図示の再循環搬送機構を介して表裏反転されて再び二次転写部Ｔ２へ送り込まれて２面に対するトナー画像転写を受け、再度、加熱定着装置１００に導入されて２面に対するトナー画像の定着処理を受けることで両面画像プリントが出力される。
【００４３】
多重画像プリントモードの場合は、加熱定着装置１００を出た１回目画像プリント済みの記録材Ｐは不図示の再循環搬送機構を介して表裏反転されずに再び二次転写部Ｔ２へ送り込まれて１回目画像プリント済みの面に２回目のトナー画像転写を受け、再度、加熱定着装置１００に導入されて２回目のトナー画像の定着処理を受けることで多重画像プリントが出力される。
【００４４】
（２）加熱定着装置１００
図２は本発明に従う電磁誘導加熱方式の加熱装置としての加熱定着装置１００の概略構成を示す横断面模型図、図３は磁界発生手段としての励磁コイルと磁性部材である磁性コア部分の斜視図と、励磁回路系のブロック図である。
【００４５】
Ａ）該装置１００の全体的概略構成と定着動作
１は定着フィルムアセンブリ（加熱アセンブリ）であり、回転加熱部材としての円筒フィルム状抵抗体２（以下、定着フィルムと記す）、この円筒状の定着フィルム２を内側から支持する円筒状のフィルム支持部材３（以下、フィルムガイドと記す）、この円筒状のフィルムガイド３の内側に配設した磁界発生手段としての、交番磁束を発生する励磁コイル４と磁性コア５、等からなる。円筒状の定着フィルム２は円筒状のフィルムガイド３にルーズに外嵌させてある。
【００４６】
上記の定着フィルムアセンブリ１はフィルムガイド３の両端側を装置の手前側と奥側の側板間に保持させて配設してある。
【００４７】
６は加圧回転部材としての弾性加圧ローラであり、芯金６ａ上にシリコーンゴム層６ｂを２ｍｍ被覆させて弾性をもたせ、これを定着フィルムアセンブリ１の下側において装置の手前側と奥側の側板間に定着フィルムアセンブリ１と略並行にして軸受け保持させ、かつ定着フィルムアセンブリ１のフィルムガイド３の下面に定着フィルム２を挟ませて所定の押圧力をもって所定幅の定着ニップ部Ｎを形成させて圧接させてある。
【００４８】
この加圧ローラ６は駆動源Ｍから駆動伝達系を介して駆動が伝達されて矢示の時計方向に所定の周速度で回転駆動される（加圧ローラ駆動式）。
【００４９】
この加圧ローラ６の回転駆動に伴い、定着フィルムアセンブリ１と加圧ローラ６との圧接部である定着ニップ部Ｎにおいて、定着フィルムアセンブリ１のフィルムガイド３にルーズに外嵌させてある円筒状の定着フィルム２に対して回転加圧ローラ６と定着フィルム２の外面との摩擦力で円筒状の定着フィルム２に回転力が作用して該円筒状の定着フィルム２がフィルムガイド３の外回りを定着ニップ部Ｎにおいてフィルムガイド３の下面に対して内面が密着摺動しながら矢示の反時計方向に加圧ローラ６の回転周速度にほぼ対応した周速度をもって回転状態になる。
【００５０】
図３の励磁回路系において、７は励磁コイル４に接続した励磁回路であり、この励磁回路７は交番電流を励磁コイル４へ供給できるようになっている。Ｓは電源である。
【００５１】
８は温度検知素子としてのＮＴＣ素子（Negative Temperature Coefficient：負性温度係数素子）であり、図２のように定着ニップ部Ｎよりも定着フィルム移動方向下流側で定着ニップ部Ｎの近傍位置においてフィルムガイド３の外面に露呈させて配設してあり、回転する定着フィルム２の裏面に接触し、定着フィルム２の温度を電圧に変換してマイコン９に伝えている。
【００５２】
１０は矩形波発生回路で、マイコン８からの情報によって矩形波のデューティー比を変化させて励磁回路７内のスイッチング素子を制御する。
【００５３】
励磁コイル４は励磁回路７から供給される交番電流によって交番磁束を発生する。その交番磁束は定着ニップ部Ｎの位置に対応している磁性コア５により定着ニップ部Ｎ近傍に集中して分布する。ｆは発生交番磁束を表している
交番磁束ｆは定着フィルム２の後述する電磁誘導発熱性層である抵抗体層に渦電流を発生させる。その渦電流は抵抗体層の固有抵抗によって抵抗体層にジュール熱を発生させる。即ち定着フィルム２が電磁誘導発熱する。この定着フィルム２の電磁誘導発熱は交番磁束ｆを集中して分布させた定着ニップ部Ｎ近傍において集中的に生じて定着ニップ部Ｎが高効率に加熱される。
【００５４】
而して、加圧ローラ６が回転駆動され、それに伴って円筒状の定着フィルム２がフィルムガイド３の外回りを回転し、励磁回路７から励磁コイル４への給電により上記のように定着フィルム２の電磁誘導発熱がなされて定着ニップ部Ｎが所定の温度に立ち上がって温調された状態、本実施例では定着フィルム２が定着温度である１８０℃に温調制御された状態において、画像形成手段部側から搬送された未定着トナー画像ｔが形成された記録材Ｐが定着ニップ部Ｎの定着フィルム２と加圧ローラ６との間に画像面が上向き、即ち定着フィルム２面に対向して導入され、定着ニップ部Ｎにおいて画像面が定着フィルム２の外面に密着して定着フィルム２と一緒に定着ニップ部Ｎを挟持搬送されていく。この定着ニップ部Ｎを定着フィルム２と一緒に記録材Ｐが挟持搬送されていく過程において定着フィルム２の電磁誘導発熱で加熱されて記録材Ｐ上の未定着トナー画像ｔが加熱定着される。記録材Ｐは定着ニップ部Ｎを通過すると回転定着フィルム２の外面から分離して排出搬送されていく。
【００５５】
２）定着フィルム２
図４は本例における定着フィルム２の層構成模型図である。
【００５６】
本例の定着フィルム２は、抵抗体であるニッケルからなる厚み５０μｍの抵抗体層（以下、発熱層と記す）２ａと、その外表面を被覆させたシリコーンゴムからなる弾性層２ｂと、更にその外表面を被覆させたフッ素樹脂の離型層２ｃからなる３層複合構造のものである。離型層２ｃ側が外面側、発熱層２ａ側が内面側である。
【００５７】
前述したように、抵抗体である発熱層２ａに交番磁束ｆが作用することで該発熱層２ａに渦電流が発生して該発熱層２ａが発熱する。その熱が弾性層２ｂ・離型層２ｃを介して定着ニップ部Ｎを加熱し、該定着ニップ部Ｎに通紙される被加熱材としての記録材Ｐを加熱してトナー画像ｔの加熱定着がなされる。
【００５８】
抵抗体である発熱層２ａは、ニッケル以外にも１０^−５〜１０^−１０Ω・ｍの電気良導体である金属、金属化合物、有機導電体であればよく、より好ましくは透磁率が高い強磁性を示す鉄、コバルト等の純金属若しくはそれらの化合物を用いることができる。
【００５９】
この発熱層２ａの厚みは薄くすると十分な磁路が確保できなくなり、外部へ磁束が洩れて発熱体自身の発熱エネルギーは小さくなる場合があり、また厚くすると熱容量が大きくなり昇温に要する時間が長くなる傾向がある。
【００６０】
従って、発熱層２ａの厚みは用いた材料の比熱、密度、透磁率、抵抗率の値によって適正値があり、本実施例では１０〜１００μｍの厚みの範囲で、３℃／ｓｅｃ以上の昇温速度を得ることができた。
【００６１】
弾性層２ｂは、その硬度が高すぎると記録材あるいはトナー層の凹凸に追従しきれず画像光沢ムラが発生してしまう。そこで、弾性層２ｂの硬度としては６０°（ＪＩＳ−Ａ）以下、より好ましくは４５°（ＪＩＳ−Ａ）以下がよい。
【００６２】
弾性層２ｂの熱伝導率λに関しては、
６×１０^−４〜２×１０^−３［ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ．］
がよい。
【００６３】
熱伝導率λが６×１０^−４［ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ．］よりも小さい場合には、熱抵抗が大きく、定着フィルム２の表層における温度上昇が遅くなる。
【００６４】
離型層２ｃは、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等のフッ素樹脂以外に、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム等の離型性かつ耐熱性のよい材料を選択することができる。
【００６５】
離型層２ｃの厚さは２０〜１００μｍが好ましく、厚さが２０μｍよりも小さいと塗膜の塗ムラで離型性の悪い部分ができたり、耐久性が不足するといった問題が発生する。また、１００μｍを越えると熱伝導が悪化するという問題が発生し、特に樹脂系の離型層の場合は硬度が高くなりすぎ、弾性層２ｂの効果がなくなってしまう。
【００６６】
また、図５に示すように、上記図４の層構成の定着フィルム２の内面側（発熱層２ａの自由面側）に更に断熱層２ｄを設けてもよい。断熱層２ｄを設けた場合、発熱層２ａに発生した熱による励磁コイル４・磁性コア５の昇温を防止（あるいは緩和）できるため、安定した加熱をすることができる。
【００６７】
断熱層２ｄとしてはフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＳ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＦＡ樹脂、ＰＴＦＥ樹脂、ＦＥＰ樹脂などの耐熱樹脂がよい。断熱層２ｄの厚さとしては１０〜１０００μｍが好ましい。断熱層２ｄの厚さが１０μｍよりも小さい場合には断熱効果が得られず、また、耐久性も不足する。一方、１０００μｍを超えると磁性コア５から発熱層２ａの距離が大きくなり、磁束が十分に発熱層２ａに到達しなくなる。
【００６８】
３）フィルムガイド３
フィルムガイド３は下側と上側の横断面略半円弧状樋型の成形部材３ａ・３ｂを重ね合わせることにより、両者３ａ・３ｂで略円筒体を構成させてある。フィルムガイド３はこれにルーズに外嵌させた円筒状の定着フィルム２の支持、定着フィルム２の回転時の搬送安定性を図る役目をする。
【００６９】
下側のフィルムガイド半体３ａは定着ニップ部Ｎへの加圧、磁場発生手段としての励磁コイル４・磁性コア５の支持部材の役目もし、磁束の通過を妨げない絶縁性の部材であり、高い加重に耐えられる、耐熱性のある材料が用いられる。
【００７０】
例えば、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＳ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＦＡ樹脂、ＰＴＦＥ樹脂、ＦＥＰ樹脂、ＬＣＰ樹脂などを選択するとよい。
【００７１】
上側のフィルムガイド半体３ｂも同材料で構成することができる。上側のフィルムガイド半体３ｂは省略した装置構成にすることもできる。
【００７２】
４）励磁コイル４と磁性コア５
磁界発生手段は励磁コイル４と磁性コア５で構成させてある。
【００７３】
励磁コイル４としては加熱に十分な交番磁束を発生するものでなければならないが、そのためには抵抗成分を低く、インダクタンス成分を高くとる必要がある。本実施例では励磁コイル４の芯線として線径φ１が０．２ｍｍの銅線に耐熱絶縁被覆を施した細線を束ねて束線径φ２を３ｍｍにした高周波用のものを用いて、定着ニップ部Ｎを周回するように１０回巻いてある。
【００７４】
励磁コイル４は本例の場合は、円筒状のフィルムガイド３の内面の略下半面形状に略対応させて舟形に電線を巻回して構成したものであり、この舟形の励磁コイル４を円筒状のフィルムガイド３内の略下半面部に位置させて保持させてある。磁性コア５はこの舟形の励磁コイル４内の略中央部に位置させてある。
【００７５】
磁性コア５は励磁コイル４で発生する磁束を効率よく定着フィルム２に導くための高透磁率磁性部材である。本例のものはフェライトコアである。
【００７６】
フェライトコア５は、
〔Ｍ_ＸＺｎ_１−ＸＦｅ_２Ｏ_４〕（Ｍは金属元素、ｘは組成）
の組成からなる金属酸化物に微量の添加物を加えたものであり、他の高透磁率材料に比較して極めて高い比抵抗を示し、渦電流による損失が小さいという特徴がある。
【００７７】
また一般的に金属元素Ｍや組成ｘや添加物が異なると、フェライトの性能を代表する透磁率やキュリー温度や保持力等が異なる。
【００７８】
本例では
比透磁率 ２５００
キュリー温度 ２０５℃
のもの（トーキン製２５００Ｂ）を用いている。
【００７９】
前述したように励磁コイル４は励磁回路７から供給される交番電流によって交番磁束ｆを発生し、交番磁束は定着フィルム２の発熱層２ａに渦電流を発生させる。この渦電流は発熱層２ａの固有抵抗によってジュール熱を発生させて、弾性層２ｂ、離型層２ｃを介して定着ニップ部Ｎに搬送される記録材Ｐと記録材Ｐ上のトナーＴを加熱することができる。
【００８０】
定着フィルム２の発熱層２ａで発生する熱エネルギーは渦電流の大きさの二乗に比例し、渦電流の大きさは交番磁束のエネルギーに比例するので、定着フィルム２の温度を上昇させる時は励磁コイル４への磁界エネルギーを増加させて、逆に温度を下げる場合には磁界エネルギーを減少させればよい。
【００８１】
この磁界エネルギーの加減は励磁コイル４に印加する電圧を加減しても良いし、電流を加減しても良い。
【００８２】
通常の電灯線を利用する場合には定電圧源と考えられるので、安価に回路を構成するには励磁コイル４に流す電流を加減するのが好ましい。
【００８３】
これらの電磁回路が共振条件を満たす範囲で考える場合、上記の電流の加減は励磁コイル４に与える電圧の印加時間の長短で制御可能である。即ち、電磁回路における磁界の振動周期に同期してスイッチングし、図６に示す電圧印加時間ａや開放時間ｂを変化させることによって、定着フィルム２の温度を変えることができる。本例では開放時間ｂを固定して６ｍｓとし、電圧印加時間ａを１〜１５ｍｓの間で制御可能としている。
【００８４】
従って、本例において励磁コイル４に供給される交番電圧としては、上記電圧印加時間ａと開放時間ｂとの和時間を一周期とする周波数となり、約４７〜１４３ＫＨｚの可変制御となる。
【００８５】
マイコン９はＮＴＣ素子８から得た定着フィルム２の温度を一定の周期でサンプリングして、この情報に対して上記電圧印加時間ａを算出し矩形波発生回路１０から出力する。
【００８６】
電圧印加時間ａの算出方法としては、像加熱を可能にする適正温度（定着温度）とサンプリングされた温度との差を時間順にΔ_ｋ−２、Δ_ｋ−１、Δ_ｋとした場合
に、前回の電圧印加時間ａｋに対して
１）βΔ_ｋ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥比例制御量
２）γ（Δ_ｋ−１−Δ_ｋ）‥‥‥‥‥‥‥微分制御量
３）δ（Δ_ｋ−２＋Δ_ｋ−１＋Δ_ｋ）‥‥積分制御量
を加減乗算して今回の印加時間ａを決定する所謂ＰＩＤ制御（Proportional Integral Differential：比例・積分・微分）を採用している。
【００８７】
この制御において適当にβ、γ、δを設定することによって、例えば定着フィルム１の温度が低い場合には比例制御量が大きくなって印加時間ａを長くし、また、系が冷えている状態で定着フィルム２の温度を他の部材が奪ってなかなか温度が上がらないような場合には、たとえ定着温度に近づいても微分制御量が大きくなってやはり印加時間ａを長くするように設定できる。
【００８８】
次に本実施例の特徴である磁性コアとしてのフェライトコア５の磁心損失と像加熱温度（定着温度）に関して説明する。
【００８９】
本実施例では、フェライトコア５は円筒状の定着フィルム２に周囲を囲まれる形で構成配置されるため、フェライトコア５の温度は室温〜定着温度程度まで変化する可能性がある。そこで本発明ではフェライトコア５の特性値として磁心損失の温度特性に着目している。
【００９０】
ここでいう磁心損失Ｐｂとは、渦電流損失Ｐｅ、ヒステリシス損失Ｐｈ、残留損失Ｐｒを使って表される、
Ｐｂ＝Ｐｅ＋Ｐｈ＋Ｐｒ
の量のことであるが、同様なフェライトコアの材料や形状であっても磁束の強さ及び周波数に大きく依存するものである。
【００９１】
渦電流損失Ｐｅに関しては、周波数及び磁束の強さのほぼ二乗に比例する量として扱えるが、残留損失Ｐｒを併せて考えた場合の磁心損失Ｐｂは、周波数及び磁束の強さに関してさらに複雑な関数となる。ただし定性的には周波数及び磁束の強さが増加すると磁心損失Ｐｂは増加する傾向があって、ある範囲に関しては周波数のｃ乗、磁束の強さのｄ乗（ｃ、ｄは実数）というように定量的に扱う事もできる。
【００９２】
本実施例で用いたフェライトコア５、即ちトーキン製２５００Ｂは５０〜２０
０ＫＨｚ、５０〜２００ｍＴの範囲で周波数の約１．３乗、磁束の強さの約３乗
で磁心損失が増加する。
【００９３】
図７は上記フェライトコアの磁心損失に関する温度特性を示した図であり、実線のグラフ曲線Ａは、周波数（ｆ２）５０ＫＨｚ、磁束の強さ１００ｍＴの場合で、加熱定着装置が暖まっていない起動時（立上時）に供給される励磁電圧（最大出力）による磁心損失を代表する。この曲線Ａによれば８０℃近辺で最小値をとり、室温及び定着温度１８０℃近辺ではやや大きくなる。
【００９４】
一方、点線のグラフ曲線Ｂは周波数（ｆ１）１５０ＫＨｚ、磁束の強さ５０ｍＴの場合で、定着フィルム２が定着温度に達して温調制御状態での励磁電圧（平衡時出力）に対する磁心損失を代表するものである。
【００９５】
本実施例で用いたフェライトコアの温度特性によれば定着温度付近で磁心損失が増加する傾向にあるため、本例では上述のＰＩＤ制御において、印加時間ａの上限値を設けてこれを更新することによって、定着動作が連続して行われた場合でも磁心損失が増加してフェライトコアが高温になることを防いでいる。
【００９６】
これら本実施例の制御の概略を図８に示す。
【００９７】
即ち、起動時に印加時間ａの上限値は最大値（本例では１５ｍｓ）にリセットされて、まず定着フィルムの温度を時間とともにＮＴＣ素子によって検知し、これから前記ＰＩＤ制御によって印加時間ａを決定する。
【００９８】
上述のように印加時間ａは定着フィルムの温度が低く、フェライトコアの温度で代表される系の温度が低い場合には最大に決定される。この場合励磁電圧の周波数は最低に、磁束の強さは最大になり、起動時の磁心損失は実線のグラフ曲線Ａを推移する。室温では磁心損失が大きく、供給された電力は定着フィルム及びフェライトコアを昇温させる。フェライトコアの熱容量は大きいから、これの昇温によって定着フィルムから奪う熱の量を低減させて、定着フィルムの温度を迅速に上昇させることができる（動作１）。
【００９９】
定着フィルムの温度が定着温度に達するか、フェライトコアが暖まっていて定着フィルムの温度上昇が高く維持されている場合には、ＰＩＤ制御により印加時間ａを短くすると同時に印加時間ａの上限値を定める。この上限値はフェライトコアの温度特性に依存し、定着温度付近で磁心損失が少なくとも室温時より低くなるように選んである。印加時間ａが短縮されると励磁電圧の周波数が高くなるが、ここでは磁束の強さが磁心損失に関して高次で効くので、磁心損失は印加時間ａの短縮とともに急激に下がる（動作２）。
【０１００】
定着動作中は動作１及び２を繰り返しながら制御されるが、印加時間ａは上限値以下で選ばれ、定着フィルムの温度が平衡状態にある場合には点線の曲線グラフＢ上に近づいているため、フェライトコアの定着動作での発熱は起動時の発熱に比較して十分小さくすることができる。したがって、室温からの起動時においてはフェライトコア自身が磁心損失によって発熱して定着フィルムから熱を奪うのを防ぐ状態を作るとともに、定着動作時には磁心損失が低減されてフェライトコアがキュリー温度を越えることを防いでいる。
【０１０１】
上述のように本実施例ではフェライトコア５の磁心損失の温度特性に合わせた温調制御を行うことによって、装置起動時は定着フィルム２の昇温を促進させて起動時間の短縮を図り、定着動作時は長時間の連続動作においても安定した性能が得られる構成とすることができる。
【０１０２】
実験によれば、励磁コイル４に固定周波数の励磁電圧を供給して同様な定着温度に制御する場合に比較して、本実施例ではウェイトタイムで１０％以上短縮でき、１０００枚連続動作時でもキュリー温度を越えることなく安定した動作を維持することを確認できた。
【０１０３】
本実施例の加熱定着装置１００は定着フィルム２に弾性層２ｂや離型層２ｃを含み、これらの層２ｂ・２ｃを介して発熱層２ａの発熱が被加熱材である記録材Ｐに与えられるが、その熱抵抗はハロゲンヒータを内包する熱ローラ方式の加熱定着装置に比して小さく、実質的に発熱層２ａの発熱を直接像加熱に消費するものであって、上記構成においてトナー量の多いフルカラー画像を定着する場合にも、トナー像を十分溶融することができ、高画質の画像形成装置を得ることができる。また、加熱定着装置１００の熱容量が小さいためオンデマンド定着が可能で、待機中の消費電力を著しく低減させることができる。
【０１０４】
【０１０５】
【０１０６】
【０１０７】
【０１０８】
【０１０９】
【０１１０】
【０１１１】
【０１１２】
【０１１３】
【０１１４】
【０１１５】
【０１１６】
【０１１７】
【０１１８】
【０１１９】
【０１２０】
【０１２１】
〈第２の実施例〉（図９）
次に、本発明のさらなる他の実施例について説明する。
【０１２２】
図９は本実施例における加熱定着装置１００の概略構成を示す横断面模型図である。
【０１２３】
本実施例の加熱定着装置１００は、前述の第１の実施例の加熱定着装置１００において加圧ローラ６の芯金６ａを中空構造とし、内部にハロゲンヒータＨを配して、このハロゲンヒータＨへの通電によって電源投入後の待機時にスタンバイ温調制御を行っている。その他の装置構成は第１の実施例の加熱定着装置と同様である。
【０１２４】
フェライトコア５としては前出のトーキン製２５００Ｂを用いており、磁心損失の温度特性は前述した図７に示した通りで、上記ハロゲンヒータＨを用いて磁心損失が最小となる温度近傍に加圧ローラ６の温度を維持する。
【０１２５】
本例は室温からの装置起動時は最大出力（５０ＫＨｚ、１００ｍＴ）の誘導加熱による定着フィルム２の加熱と、ハロゲンヒータＨによる加圧ローラ６の加熱を行い、待機時からの動作では制限出力（１００ＫＨｚ、８０ｍＴ）の誘導加熱によって定着フィルム２の昇温を図る。温調制御時は前述の第１の実施例と同様に制御する。
【０１２６】
このように制御することにより、第１の実施例と同様に装置起動時はフェライトコア５の磁心損失による発熱を有効利用し、定着動作時にはフェライトコア５が昇温してキュリー温度を越えることがないように磁心損失を抑制することができる。
【０１２７】
本例では待機時のスタンバイ温度制御を設けることによって、定着フィルム２に厚いゴム層などを弾性層２ｂとして設けて熱容量が大きい場合に、定着フィルム２の昇温を促進させて迅速な画像形成を可能にする。
【０１２８】
またスタンバイ温度としてフェライトコア５の磁心損失の最小となる温度を選ぶことにより、系が暖まっているときは磁心損失を最小限に抑えて、フェライトコア５の昇温防止及び省エネを図ることができる。
【０１２９】
〈第３の実施例〉（図１０）
前述第１〜第３の実施例における画像形成装置（図１）は４色フルカラー画像形成装置であるが、モノクロあるいは１パルスマルチカラー画像形成装置等であってもよく、この場合は、電磁誘導発熱性の定着フィルム２は弾性層２ｂを省略した形態のものにすることもできる。また、発熱層２ａ・離型層２ｃの２層構成、断熱層２ｄ・発熱層２ａ・離型層２ｃの３層構成、発熱層２ａ単層の部材など、任意の層構成にすることができる。発熱層２ａは樹脂に金属フィラーを混入して構成したものとすることもできる。
【０１３０】
図１０はモノクロ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、プロセスカートリッジ着脱式、レーザービームプリンタである。
【０１３１】
ホストコンピュータより送られた画像情報信号によりスキャナー１３からのレーザ光Ｌの強度を変調し、一次帯電器１２で帯電された像担持体としての回転感光体ドラム１１を走査露光して回転感光体ドラム１１上に静電潜像を作成する。レーザ光Ｌの強度及び照射スポット径は画像形成装置の解像度及び所望の画像濃度によって適正に設定されており、感光体ドラム１１上の静電潜像はレーザ光Ｌが照射された部分は明部電位Ｖ_Ｌに、そうでない部分は一次帯電器１２で帯電された暗部電位Ｖ_Ｄに保持されることによって形成する。
【０１３２】
感光体ドラム１１は矢印の反時計方向に回転して静電潜像は現像器１４によって順次現像される。現像器１４内のトナーはトナー供給回転体である現像スリーブ１４ａと現像ブレード１４ｂとによって、トナー高さ、トリボを制御され、現像スリーブ上１４ａに均一なトナー層を形成する。現像ブレード１４ｂとしては通常金属製若しくは樹脂製のものが用いられ、樹脂系のものは現像スリーブ１４ａに対して適正な当接圧をもって接している。現像スリーブ１４ａ上に形成されたトナー層は現像スリーブ１４ａ自身の回転にともない感光ドラム１１に対向し、現像スリーブ１４ａに印加されている電圧Ｖ_ＤＣと感光ドラム１１の表面電位が形成する電界によりＶ_Ｌの部分だけ選択的に顕像化する。
【０１３３】
感光体ドラム１１上のトナー画像は転写装置１５によって、給紙装置から送られてきた紙Ｐに順次転写される。転写装置としては図に示したコロナ帯電器以外に、導電弾性回転体に電源から電流を供給して紙に転写電荷を付与しながら搬送する転写ローラ方式がある。
【０１３４】
トナー画像を転写された紙は感光体ドラム１１の回転と共にシートパス２２から定着装置１００へと送り出され、加熱加圧により永久固着画像となる。
【０１３５】
１６はクリーナであり、転写後の回転感光体ドラム１１の面から転写残りトナー等の残留付着物を除去する。
【０１３６】
１７は給紙カセットであり、被記録材としての転写紙Ｐを積載収納してあり、該積載転写紙Ｐが給紙ローラ１８の回転により一枚分離給紙され、シートパス１９、レジストローラ対２０、シートパス２１を経由して所定の制御タイミングで転写部に給送される。
【０１３７】
定着装置１００を出たトナー像定着済みの紙Ｐはシートパス２３、排紙ローラ対２４を経由して排紙トレイ２５上に排出される。
【０１３８】
ＰＣはプリンタ本体に対して着脱交換自在のプロセスカートリッジであり、本例の場合は感光体ドラム１１・帯電器１２・現像器１４・クリーナ１６の４つのプロセス機器を包含させてある。プロセスカートリッジＰＣに包含させるプロセス機器の組み合わせは上記に限られるものではなく任意である。
【０１３９】
〈第４の実施例〉（図１１）
加熱定着装置１００の装置構成は上述の実施形態例の加圧ローラ駆動方式に限られるものではない。
【０１４０】
例えば、図１１の（ａ）ように、磁界発生手段としての励磁コイル４・磁性コア５を支持させたフィルムガイド３と、駆動ローラ３１と、テンションローラ３２との間に、エンドレスベルト状の電磁誘導発熱性定着フィルム２を懸回張設し、フィルムガイド３の下面部と従動回転加圧ローラ６とを定着フィルム２を挟んで圧接させて定着ニップ部Ｎを形成させ、定着フィルム２を駆動ローラ３１によって回転駆動させる装置構成にすることもできる。
【０１４１】
（ｂ）の装置のように、磁界発生手段としての励磁コイル４・磁性コア５を支持させたフィルムガイド３と、駆動ローラ３１との間に、エンドレスベルト状の電磁誘導発熱性定着フィルム２を懸回張設し、フィルムガイド３の下面部と従動回転加圧ローラ６とを定着フィルム２を挟んで圧接させて定着ニップ部Ｎを形成させ、定着フィルム２を駆動ローラ３１によって回転駆動させる装置構成にすることもできる。
【０１４２】
（ｃ）の装置のように、電磁誘導発熱性定着フィルム２をロール巻きにした長尺のウエブ状部材にし、これを繰り出し軸３３側から、磁界発生手段としての励磁コイル４・磁性コア５を支持させたフィルムガイド３の下面を経由させて巻き取り軸９側に係止させ、フィルムガイド３の下面部と従動回転加圧ローラ６とを定着フィルム２を挟んで圧接させて定着ニップ部Ｎを形成させ、定着フィルム２を繰り出し軸３３側から巻き取り軸３４側へ所定の速度で巻き取り走行移動させる装置構成である。
【０１４３】
〈第５の実施例〉（図１２）
電磁誘導発熱性部材は固定部材とした装置構成のものとすることもできる。図１２はその例を示すものである。
【０１４４】
Ａは下側フィルムガイド３ａの下面部に固定して配設した電磁誘導発熱性の横長板部材（鉄板などの発熱板）である。この固定の電磁誘導発熱性部材Ａと加圧ローラ６とを耐熱性の薄肉の定着フィルムＦを挟ませて圧接させてニップ部Ｎを形成させてある。
【０１４５】
励磁コイル４は横断面門型（下向きコ字形）の磁性コア（フェライトコア）５に巻き付けて、このフェライトコア５を下側フィルムガイドの内側において発熱板Ａの上側に配設してある。
【０１４６】
定着フィルムＦは、例えばポリイミド樹脂等の耐熱性ベースフィルム（支持層）とその外周面に形成した離型層からなる円筒状の薄肉の低熱容量のフィルム部材（回転加熱部材）であり、円筒状のフィルムガイド３にルーズに外嵌させてある。この定着フィルムＦ自体は電磁誘導発熱性はない。
【０１４７】
定着フィルムＦは加圧ローラ６の回転駆動に伴い定着ニップ部Ｎをその内側面が固定の電磁誘導発熱性部材Ａの下面に密着して摺動しながら回転する（加圧ローラ駆動方式）。
【０１４８】
固定の電磁誘導発熱性部材Ａは励磁コイル４に交番電流が印加されることで生じる交番磁束をフェライトコア５で集中的に受けて電磁誘導発熱する。
【０１４９】
そして定着ニップ部Ｎの定着フィルムＦと加圧ローラ６の間に記録材Ｐが導入されて定着フィルムＦと一緒に定着ニップ部Ｎを挟持搬送されていく過程において、固定の電磁誘導発熱性部材Ａの発熱エネルギーを定着フィルムＦを介して受けて加熱され、トナー画像ｔの定着がなされる。
【０１５０】
本例では定着フィルムＦに電磁誘導発熱層を持たないために安価な構成となり、また柔軟性も富むために定着フィルムＦを小径化することができて装置を小型化しやすいという特徴がある。
【０１５１】
定着フィルムＦの層構成は上記例に限らず、耐熱性ベースフィルムと離型層との間に弾性層を介在させるなど他の層構成のものにすることもできる。
【０１５２】
〈その他〉
１）上述の各実施例の加熱定着装置１００においては加圧ローラ６を位置固定して配置し、これに定着フィルムアセンブリ（加熱アセンブリ）１を付勢手段により押圧して両者間に定着ニップ部Ｎを形成させているが、逆に定着フィルムアセンブリ１側を位置固定しこれに加圧ローラ６を付勢手段により押圧して定着ニップ部Ｎを形成させてもよいし、定着フィルムアセンブリ１側と加圧ローラ６側の両方をそれぞれ付勢部材で相互押圧させて定着ニップ部Ｎを形成させてもよい。
【０１５３】
２）磁界発生手段としての励磁コイル４や磁性部材（磁性コア）５の形態は実施例のものに限られないことは勿論である。
【０１５４】
３）画像形成装置の画像形成原理・方式は電子写真プロセスに限らず、転写方式あるいは直接方式の静電記録プロセス、磁気記録プロセスなどその他任意である。
【０１５５】
４）加圧部材６はローラ体に限らず、回動ベルト型など他の形態の部材にすることもできる。
【０１５６】
第３の実施例のように加圧部材６を加熱する場合の加熱手段はハロゲンヒータＨに限らず、その他の加熱手段であってもよいことは勿論である。
【０１５７】
５）本発明の加熱装置は実施例の加熱定着装置としてに限らず、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、仮定着する像加熱装置として使用できる。
【０１５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電磁誘導加熱方式の加熱装置について、小熱容量の加熱装置を実現して省電力動作を可能とし、しかも長時間の動作においても安定した加熱動作を実現できる。
【０１５９】
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施例における画像形成装置例の概略構成図
【図２】 電磁誘導加熱方式加熱装置としての加熱定着装置の横断面模型図
【図３】 磁界発生手段（励磁コイル・磁性コア）部分の斜視模型図と励磁回路系のブロック図
【図４】 電磁誘導発熱性定着フィルムの層構成模型図（その１）
【図５】 電磁誘導発熱性定着フィルムの層構成模型図（その２）
【図６】 励磁コイルに対する電圧印加時間の説明用グラフ図
【図７】 第１の実施例の原理を説明するグラフ図
【図８】 制御動作フロー図
【図９】 第２の実施例の加熱定着装置の横断面模型図
【図１０】 第３の実施例における画像形成装置の概略構成図
【図１１】 （ａ）・（ｂ）・（ｃ）はそれぞれ加熱定着装置の他の構成形態例の概略図
【図１２】 第５の実施例の加熱定着装置の横断面模型図
【符号の説明】
１００ 電磁誘導加熱方式の像加熱装置（加熱定着装置）の総括符号
１ 定着フィルムアセンブリ（加熱アセンブリ）
２ 電磁誘導発熱性定着フィルム
３（３ａ・３ｂ） フィルムガイド
４ 励磁コイル
５ 磁性部材（磁性コア、フェライトコア）
６ 加圧ローラ
７ 励磁回路
８ 温度検知素子（ＮＴＣ素子）
９ マイコン
１０ 矩形波発生回路
Ｓ 電源
Ｍ 加圧ローラ駆動手段
Ｎ 定着ニップ部
Ｐ 被加熱材（記録材）

Claims (6)

1. 電磁誘導発熱性部材に磁界発生手段の交番磁束を作用させて発熱させ、その発熱により記録材に熱軟化性有色樹脂の顕画剤を熱定着させる像加熱装置であって、
   磁界発生手段としての励磁コイル及び磁性部材と、励磁コイルに給電する励磁回路と、該励磁回路の出力を制御して電磁誘導発熱性部材の温度を制御する温度制御手段を有し、
   上記励磁回路から励磁コイルに供給される励磁電圧は電圧印加時間と開放時間の和時間を一周期とし、かつ開放時間に対して電圧印加時間を変動させることで周波数を変化させる交番電圧であり、
   上記温度制御手段は上記交番電圧の周波数を、電磁誘導発熱性部材の温度を熱定着時の所定温度に維持する時の周波数ｆ１が装置を立ち上げるときの周波数ｆ２よりも大となるように制御し、
   上記磁界発生手段の磁性部材は、その磁心損失が上記交番電圧の周波数がｆ２の時よりもｆ１の時の方が小さくなる材料からなる、
   ことを特徴とする像加熱装置。
2. 電磁誘導発熱性部材は回転体であることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
3. 磁界発生手段としての励磁コイル及び磁性部材は電磁誘導発熱性部材である回転体の中空部に配されていることを特徴とする請求項２に記載の像加熱装置。
4. 電磁誘導発熱性部材である回転体は円筒フィルム状抵抗体からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の像加熱装置。
5. 磁性部材の磁心損失の最小値を与える温度は熱軟化性有色樹脂の顕画剤のガラス転移温度以上であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の像加熱装置。
6. 熱定着時の温度を磁性部材の磁心損失の最小値を与える温度近傍に維持することを特徴とする請求項５に記載の像加熱装置。