JP4040348B2

JP4040348B2 - 像加熱装置

Info

Publication number: JP4040348B2
Application number: JP2002107319A
Authority: JP
Inventors: 智市郎太田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: JP2003302847A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録材上のトナー像を電磁誘導方式により加熱する像加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真装置は、顕画材（以後はトナ−と呼ぶ）により記録紙上に顕画像（以後トナー像と呼ぶ）を形成する画像形成手段を持ち、前記トナー像が形成された記録紙（未定着原稿）を搬送する紙搬送手段を通じ図２に示される対向圧接する１００の熱ローラー（定着ローラー）及び１０１の加圧ローラー間を介して前記記録紙を加熱部に密着させる加圧手段によりトナー像を加熱定着する定着手段を用いる事で記録紙上に画像を形成する。
【０００３】
この様な加熱融着手段を用いてトナーを記録紙に定着させるためのローラー加熱方法として近年エネルギー消費効率の観点から誘導加熱方式が注目されている。熱ローラーを加熱するための手段として誘導加熱方式を用いた方法では、励磁コイルに高周波電流を印加し発生した高周波磁界を前記熱ローラー内面表層に作用させることで導電層に渦電流を発生させてその渦電流によるジュール熱により熱ローラーを自己発熱させるものである。
【０００４】
この加熱方法では、熱ローラー内面表層が発熱体となる直接加熱であるため発熱効率が高く、短時間に熱ローラーを必要とされる定着温度まで加熱することが容易にできうるため、急速立ち上げが可能であり、且つ、電力利用率が高いので消費電力の大幅な削減が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これら接触加圧加熱方式よりなる定着装置においては、画像形成プロセスを経て現像されたトナーが帯電し、ローラーを通過する時に静電的に付着する（以下この現象をオフセットと記す）のを防ぐために、従来はローラー表層に付着したトナーを掻き取る定着ウェブ等のクリーニング部材によりローラーに付着したトナーをクリーニングする方法やローラー芯金にトナーの帯電極性と同極性の電圧を印加するローラーバイアス方式が用いられている。
【０００６】
しかしながら、ローラー等に電圧を印加する装置では、電圧発生のためのバイアス電源を別に設けなければならず装置が複雑になってコストが高くなるという問題があった。また、クリーニング部材を当接させる方法でもクリーニング部材の消耗により有る程度の期間を経たらばクリーニング部材を交換する為のメンテナンス間隔を定着装置に備える必要があった。
そこで本発明は接触加熱方式の像加熱装置におけるオフセット防止技術の更なる改善を目的とする。即ち、安価な手段構成で、しかもオフセットの発生を大いに低減化した像加熱装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る像加熱装置の代表的な構成は、高周波電流を通電することにより磁束を発生するコイルと、導電性を有するコアと、前記コイルと前記コアとを内部に有し、前記磁束の作用により発熱する導電層を備え、記録材上のトナー像を加熱する加熱ローラーと、前記加熱ローラーと圧接し、記録材を挟持搬送する加圧ローラーと、電荷を充電するコンデンサと電圧を整流するダイオードとを有する整流回路と、コアと接触し、前記整流回路に前記コイルの電位変動に伴って生じる電位を前記整流回路に導く集電部材と、前記整流回路で生じた電圧を前記導電層に印加する給電部材と、を有する像加熱装置において、前記集電部材は前記コイルと前記コアとを支持し、コアがコイルと集電部材との間に位置するように集電部材はコアに取り付けられていることを特徴とする像加熱装置、である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を特徴づける実施例を示す図面であり、図２から図４迄で同一符合は同一構成部分を示している。
【０００９】
図１は本実施例における像加熱装置としての誘導加熱定着器の駆動回路ブロックの説明図である。
ＴＲ１は電力スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴである。Ｃ１は負荷である誘電加熱コイルＬ１に印加する高周波交流を共振波形とするための共振コンデンサである。Ｄ５はＬ１に蓄積された電力を回生するフライホイールダイオードである。ＴＨ１の温度検出素子は、図２に示す構造により定着ローラー（加熱ローラー）１００と熱的に結合しており、その出力はＩＣ２の温度検出比較回路に入力される。
【００１０】
温度検出比較回路ＩＣ２は、温度調節入力信号と温度検出素子の出力を比較し、その差分を制御信号としてＩＣ１によるパルス変調（以後はＰＦＭと呼ぶ）発振回路に入力する。ＩＣ１は制御信号値に見合ったＰＦＭパルスを発生させ、ＴＲ１のＭＯＳ−ＦＥＴのゲートに出力し、ＴＲ１をスイッチング駆動する。
Ｄ１からＤ４は、交流の入力電力整流用ダイオードであり、電力制御回路部に交流電力を整流した脈流を供給する。ＮＦ１とＣ１は、ノイズフィルターを形成しており、ＴＲ１のスイッチング周波数に対しては十分な減衰量を確保し且つ電源周波数に対しては減衰無く通過するような定数に設定する。
【００１１】
なお、１００の定着ローラーに対しては１０３の給電部材（給電ブラシ）が電気的に当接し導電性を保っており、その電極は、１０４のバイアス回路（整流回路）の出力端子に接続される。又定着ローラー１００の内部に配置される１０５の集電電極（集電部材）はＤ１０，Ｄ１１のダイオード及びＣ１２のコンデンサに接続され、Ｄ１０とＤ１１のダイオードはＣ１１のコンデンサの両端に接続されて、所謂倍電圧整流回路を構成している。
次に動作に付いて説明する。
【００１２】
図１の入力端子に交流入力電圧が印加されると、Ｄ１からＤ４の整流素子により整流された脈流となり、その電圧はＮＦ１を通り、Ｃ１の両端に印加される。そのＣ１の両端電圧は、交流入力電圧を整流した波形となる。
温度調節入力信号Ｖｃが温度検出比較回路であるＩＣ２に入力されると、ＩＣ２はＴＨ１の温度検出素子の出力と入力信号Ｖｃの温度設定値を比較する。その比較された出力が制御信号としてＩＣ１のＰＦＭ発振回路に印加される。
【００１３】
ＩＣ１は、制御信号値に見合ったパルスのＰＦＭ信号を発生し、その出力は、ＴＲ１のゲート−ソース間に印加される。ＴＲ１は、ＩＣ１の出力パルスによりスイッチングしてドレイン電流ＩＤが流れ、誘導加熱コイルにＬ１に通電する。また共振コイルＬ１にはＴＲ１がオンする事で流れた電流を蓄えている。そのため、ＴＲ１がオフした時に逆起電圧を発生し、コイル蓄積電流を共振コンデンサＣ２に充電する。この流れ込んできたコイル蓄積電流により共振コンデンサ電圧が上昇する。
【００１４】
またコイルＬ１から流れ出た電流は、共振コンデンサＣ２の電圧が上昇するのに反比例して減衰し、ある点でコイル電流が流れ無くなくなる瞬間を通り過ぎると、今度は逆に共振コンデンサＣ２に蓄積された電荷が、誘導加熱コイルＬ１に向けて電流が流れ出す。
【００１５】
そののち共振コンデンサＣ２に蓄積された電荷は、誘導加熱コイルＬ１に戻るのと同時に共振コンデンサＣ２の電圧が低下して、ＴＲ１のドレイン電圧はソース電圧より低下し、Ｄ５のフライホイールダイオードがオンし順電流が流れる。その後またＴＲ１がオンすると誘導加熱コイルＬ１に電流が流れ、誘導加熱コイルＬ１に電流を蓄積する事を繰返すので、前記誘導加熱コイルＬ１と相対し電磁気的に結合している負荷である定着ローラー１００にも誘導電流が流れ、前記導電性材料から成る定着ローラー１００は自分自身のローラー抵抗値に誘導電流の二乗を掛合わせたジュール熱を発生し、定着ローラー１００の内面が効率的に発熱するため、回転している定着ローラー全体が加熱される。
【００１６】
なお此処でスイッチング素子であるＴＲ１及びＬ１に流れる電流は、Ｃ１が高周波成分を充放電し平滑化をする。その為、入力ノイズフィルターＮＦ１には、高周波電流は流れず、交流入力電流整流波形のみが流れる。整流ダイオードＤ１〜Ｄ４に流れる電流は、ＴＲ１及び誘導加熱コイルＬ１に流れた電流波形をＣ１及びＮＦ１のノイズフィルターによりフィルタリングされた電流波形となるため整流前の交流入力電流波形は、交流入力電圧波形に近い形の入力電流波形となり、入力電流中に含まれる高調波成分が大幅に減少でき、定着加熱回路における温度調節回路の入力電流の力率を大幅に改善できる。またこの回路で使用するノイズフィルターであるＮＦ１とＣ１は、ＩＣ１による高周波の発振周波数に対してフィルター効果が発揮されるものであれば良く、コンデンサＣ１の容量やＮＦ１のインダクタンス値は小さくできるので、小型、軽量化する事ができる。
【００１７】
この誘電加熱駆動電源回路に温度調節信号が入力されることで、誘導加熱電源の出力端子に周波数２０ＫＨｚ〜１ＭＨｚ程度の高周波交流電圧が発生する。ここで加熱ローラーである定着ローラー表面の温度を測定するＴＨ１からなる測温素子の出力は、随時温度検出比較回路ＩＣ２に入力され、加熱目標温度と比較され、その目標値との差分がＩＣ１にフィードバックされる。ＩＣ２は、設定目標温度にＴＨ１検出温度に近づくと、印加高周波電力を低下させるような比例制御等や通称ＰＩＤ制御と言われる制御方式を用い、定着ローラー表面温度を一定に保つフィードバック信号を発生する。
【００１８】
ＩＣ１はＩＣ２により検出された温度設定目標値誤差分が入力され、その値に応じてＴＲ１のゲートＯＮ信号時間が決まり、ＴＲ１の通電電力が調整され、定着ローラー１００に入力される電力が制御され、定着ローラー１００の発熱量が制御される。これにより、トナー定着温度が安定化される。このような加熱動作を行うために、図３の詳細構造図に示すような定着ローラー内部に配置された誘導加熱コイルＬ１両端には１００〜６００Ｖ程度の共振電圧が印加されている。
【００１９】
前記誘導コイルＬ１とは電気的には絶縁されている導電材料から成る１０５の集電電極に対して図３の様に電気力線が発生しており、その為前記集電電極１０５に対して誘導加熱電源の発振周波数による高周波の誘起電圧が発生する。この高周波誘起電圧を１０４のバイアス回路に導き整流する。１０４のバイアス回路では前記集電電極１０５から注入された高周交流電圧がＤ１１により整流され、Ｃ１１には交流電圧波形の波高値が充電される。そのＣ１１に蓄積された電荷は、次のサイクル時にＤ１２が導通する事によりＣ１２を充電し、Ｃ１２にはＣ１１に入力された交流電圧の波高値分の直流電圧が発生する。このＣ１１，Ｄ１０からＤ１２及びＣ１１等が所謂倍電圧整流回路を構成しており、その１段分の回路である。此処ではその組み合わせが４段積み重ねてあるため４倍圧の整流回路を構成している。
【００２０】
整流回路で生じた電圧はトナー像のトナーの帯電極性と同極性の電圧である。一例として、前記誘導加熱コイルＬ１から定着ローラー１００に誘起された電位が１５０Ｖｐ−ｐとすると、一段目のＣ１１には−１５０Ｖの直流電位が発生し、４段目のＤ１７とＣ１７の接続点には−６００Ｖの直流電位が発生する。この直流電位をＲ１０の抵抗を介して１０３の集電部材に供給することで１００の定着ローラーをグランドレベルに対して−６００Ｖの直流電位を与えることが出来る。
図２は上記の構成を実際に定着器に組み込んだときのブロック図である。バイアス回路（整流回路）１０４は、プリント基板やセラミック基板上に配置された回路ブロックとして構成できるため、定着器に対する実装としては集電部材１０５からの給電配線と、１０４のバイアス回路を接地する配線及び前記定着ローラー１００にバイアス電位を給電するための１０３から成る給電部材のみであり、回路構成自体も簡単なため定着器の外装部分である定着器筐体１０２（枠体）に直付けでき、ローラーバイアスを非常に簡単な構成で実装できる。
【００２１】
図３は前記定着ローラー１００の詳細断面図である。定着ローラー１００は、発熱体であるローラー心金１０９と、トナーを用紙に押しつけつつ、離型性を確保するための表層（離型層）であるゴム層１１０から成る。このゴム層はローラー心金に印加されたバイアス電位を定着ローラー表面に有効に作用させるため適度の導電性を持たせたことを特徴とする。なお、さらに用紙との離型性を上げるためにゴム層の替わりに導電性テフロンコート（４フッ化エチレン樹脂コート）やチューブを用いても良い。定着ローラー内部には、誘導加熱コイルＬ１が前記定着ローラーと相対する形状で配置され、前記誘導コイルＬ１に発生した磁束を有効に前記定着ローラーに作用させるためにコイル内部に１０６のフェライトコアを配置する。
【００２２】
またフェライトコア１０６の裏面側には導電性材料（一般的には金属）の集電電極１０５が配置され、前記フェライトコア１０６、及び誘導加熱コイルＬ１の機械的支持部材を兼ねた集電電極として１０５が配置される。此処で前記誘導加熱コイルＬ１に前記誘電加熱駆動電源回路からの高周波電流を印加すると誘導加熱コイルＬ１の両端には、
Ｅ（Ｌ）＝ω・Ｌ・ｉＬ＝誘導コイルインダクタンス
ｉ＝印加電流
の電位が発生する。
その電位により加熱コイル裏面からフェライトコア１０６と集電電極１０５に対して図中１０７の電気力線を生じる。この電気力線による作用としてフェライトコア１０６は導電性があるため１０６に誘起された電位はフェライトコア内部を通じ１０５の集電電極に集められ集電電極１０５の電位は誘導加熱コイル印加電圧に比例した電圧を発生し、この高周波電位変動を前記１０４の整流回路に導くことで、効率良く定着オフセットを有効に減少させる定着バイアス電位を発生させる事が可能になる。
即ち、上記実施例の定着器は、高周波電流を通電することにより磁束を発生するコイルＬ１と、導電性を有するコア１０６と、前記コイルＬ１と前記コア１０６とを内部に有し、前記磁束の作用により発熱する導電層１０９を備え、記録材上のトナー像を加熱する加熱ローラー１００と、前記加熱ローラー１００と圧接し、記録材を挟持搬送する加圧ローラー１０１と、電荷を充電するコンデンサＣ１１〜Ｃ１７と電圧を整流するダイオードＤ１０〜Ｄ１７とを有する整流回路１０４と、コア１０６と接触し、前記整流回路１０４に前記コイルＬ１の電位変動に伴って生じる電位を前記整流回路１０４に導く集電部材１０５と、前記整流回路１０４で生じた電圧を前記導電層１０９に印加する給電部材１０３と、を有する像加熱装置である。そして、前記集電部材１０５は前記コイルＬ１と前記コア１０６とを支持し、コア１０６がコイルＬ１と集電部材１０５との間に位置するように集電部材１０５はコア１０６に取り付けられていることを特徴としている。
この構成により、コア１０６で誘起される電圧を集電する集電部材１０５をコイルＬ１とコア１０６とを支持するようにコイルＬ１とコア１０６の近傍に設けても、集電部材１０５の発熱を防止することができる。
【００２３】
図４は本発明の他の実施例を示す図面であり、さらに効率良く、バイアス電圧を発生させるものである。本実施例では図３に示すように電気力線が集電電極１０５に作用するに当たり誘導コイルＬ１の巻線開始位置（図３中下側）から発生した電気力線１０７が１０５の集電電極に作用する割合より、誘導コイルＬ１の巻終わり位置の巻線から発生する電気力線の方が効率良く集電電極１０５に作用することが出来るため、高周波印加電圧が最も高いレベルの電位を発生する高周波電力印加装置の主スイッチ素子ＴＲ１のドレイン側を前記誘導加熱コイルＬ１の巻終わり方向に結線することで、前記集電電極１０５に効率良く高周波の電位変動を作用する事が可能になるため集電電極１０５の発生電圧が上昇し、要求される直流電圧に対応した倍電圧整流の段数を低減することが可能になる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、高周波電流を通電することにより磁束を発生するコイルＬ１と、導電性を有するコア１０６と、前記コイルＬ１と前記コア１０６とを内部に有し、前記磁束の作用により発熱する導電層１０９を備え、記録材上のトナー像を加熱する加熱ローラー１００と、前記加熱ローラー１００と圧接し、記録材を挟持搬送する加圧ローラー１０１と、電荷を充電するコンデンサＣ１１〜Ｃ１７と電圧を整流するダイオードＤ１０〜Ｄ１７とを有する整流回路１０４と、コア１０６と接触し、前記整流回路１０４に前記コイルＬ１の電位変動に伴って生じる電位を前記整流回路１０４に導く集電部材１０５と、前記整流回路１０４で生じた電圧を前記導電層１０９に印加する給電部材１０３と、を有する像加熱装置において、前記集電部材１０５は前記コイルＬ１と前記コア１０６とを支持し、コア１０６がコイルＬ１と集電部材１０５との間に位置するように集電部材１０５はコア１０６に取り付けられていることを特徴としている。
この構成により、コア１０６で誘起される電圧を集電する集電部材１０５をコイルＬ１とコア１０６とを支持するようにコイルＬ１とコア１０６の近傍に設けても、集電部材１０５の発熱を防止することができる。
【００２５】
なお、実施例の説明図では便宜上倍電圧整流回路の段数を４段で説明しているが、当然の事ながらこの段数は要求されているバイアス電位に応じて倍整流段数は調整される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念ブロック回路図
【図２】本発明を実装した定着器の構造を示す図
【図３】熱ローラー内部詳細説明図
【図４】さらに効率良いバイアス電圧を発生させるための結線方法を用い
た本発明の一実施例説明図
【符号の説明】
Ｌ１：誘導加熱コイル
Ｃ１１〜Ｃ１７：倍電圧平滑コンデンサ
Ｄ１０〜Ｄ１７：整流ダイオード
ＴＨ１：温度検出素子
ＴＲ１：スイッチング素子
１００：定着用熱ローラー
１０１：加圧ローラー
１０２：定着器
１０３：摺動給電部材
１０４：定着バイアス回路ブロック
１０５：集電電極（コイル・コア固定部材）
１０６：フェライトコア

Claims

高周波電流を通電することにより磁束を発生するコイルと、導電性を有するコアと、前記コイルと前記コアとを内部に有し、前記磁束の作用により発熱する導電層を備え、記録材上のトナー像を加熱する加熱ローラーと、前記加熱ローラーと圧接し、記録材を挟持搬送する加圧ローラーと、電荷を充電するコンデンサと電圧を整流するダイオードとを有する整流回路と、コアと接触し、前記整流回路に前記コイルの電位変動に伴って生じる電位を前記整流回路に導く集電部材と、前記整流回路で生じた電圧を前記導電層に印加する給電部材と、を有する像加熱装置において、
前記集電部材は前記コイルと前記コアとを支持し、コアがコイルと集電部材との間に位置するように集電部材はコアに取り付けられていることを特徴とする像加熱装置。
前記整流回路は接地されていることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
前記整流回路は前記像加熱装置の枠体を介して接地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。
前記整流回路で生じた電圧は前記トナー像のトナーの帯電極性と同極性の電圧であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の像加熱装置。
前記高周波電流は２０ＫＨｚ〜１ＭＨｚの高周波電流であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の像加熱装置。
前記ローラーは表面に離型層を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の像加熱装置。