JP4098886B2

JP4098886B2 - Fixing device

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Publication number: JP4098886B2
Application number: JP20668198A
Authority: JP
Inventors: 雅和内藤; 泰司杉崎; 誠芳川; 勧嶋脇; 達雄中津川; 伸夫元治; 直昭石丸
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: JP2000039796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に用いられる、電磁誘導加熱方式の定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、複写機、レーザープリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置において、現像器により記録媒体上に形成されたトナー像を定着器で永久固着することが行われている。
【０００３】
熱定着方式の定着器の場合、加熱手段により加熱した熱ローラと、この熱ローラに対向して配置した加圧ローラとのニップに記録媒体を通過させることにより、トナー像を加熱定着する。従来、熱ローラの加熱手段としては、ハロゲンランプが主流である。
【０００４】
近年、電磁誘導加熱方式の定着器が開発されている。この方式では、熱ローラを強磁性導体で構成し、磁束を印加して熱ローラに渦電流を発生させて、熱ローラをジュール熱によって発熱させる。この方式は、記録材料に接触する熱ローラ自体が発熱するため、ハロゲンランプで熱ローラを加熱して間接的に記録材料を加熱するよりも高効率で熱定着を実施できる。
【０００５】
また、電磁誘導加熱方式の場合、強磁性導体としてトナーの定着温度以上のキュリー点を持つものを用いることにより、その自己温度制御特性によって熱ローラの温度制御を行うことができる。このため、特別なサーミスタ及び制御回路を用いなくても良い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の通り自己温度制御は、サーミスタ等の熱センサが不要であるが、ウォーミングアップ時に熱ローラが定着温度に達したことを知ることができない。当該定着器を搭載した画像形成装置において、利用者にウォーミングアップが終了して動作可能であることを知らせる必要がある。また、ウォーミングアップ終了を検知して次の動作を待ち受けるための判断基準が必要になる。このため、熱ローラに熱センサを設けて熱ローラが定着温度に達したことを検知することが考えられるが、これでは、自己温度制御としたメリットが薄れるため好ましくない。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、熱センサを用いることなく、ウォーミングアップ終了を検知する定着装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、定着装置において、誘導加熱された磁性導体がキュリー点に到達すると、供給手段が励磁手段に供給する電力が低下する現象を利用して、励磁手段への供給される電力が低下した場合に磁性導体が定着温度に到達したことを判定する。
【０００９】
また、本発明は、動作終了後に動作時は第１電圧で動作終了後は前記第１電圧よりも低い第２電圧で前記励磁手段に交番電流をそれぞれ供給することにより、動作状態に応じた適切な電力で稼動する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の態様は、被定着材の定着温度以上のキュリー点を有する磁性導体と、前記磁性導体に対して交番磁束を印加する励磁手段と、前記励磁手段に交番電流を供給する給電手段と、前記給電手段から前記励磁手段へ供給される電力を検出する電力検出手段と、検出した電力が低下したことにより前記磁性導体が前記定着温度に到達したと判定する判定手段と、を具備し、前記磁性導体は円筒状に形成し外周側に当該磁性導体よりも低抵抗の非磁性材料を積層させ、前記励磁手段は前記磁性導体の内部に配置する、構成を採る。
【００１１】
この構成により、電力検出手段は、給電手段から、定着温度以上のキュリー点を有する磁性導体に対して交番磁束を印加する励磁手段へ、供給される電力を検出し、判定手段は、検出した電力の低下により磁性導体がキュリー点に到達したのを判定するため、簡単な構成により定着装置のウォームアップが終了したことを熱センサを用いることなく知ることができる。
【００１２】
また、磁性導体は円筒状に形成し外周側に当該磁性導体よりも低抵抗の非磁性材料を積層させ、励磁手段は非磁性材料層より内部側に配置する。従って、交番磁束により磁性導体が誘導加熱され、磁性導体の温度が上昇してキュリー温度以上になると非磁性化し、誘導電流は低抵抗率の非磁性材料中を流れる。これにより、磁性導体の温度がキュリー温度以上になると、発熱量が激減するため、自己温度制御特性をさらに向上することができる。
【００１３】
さらに、励磁手段からの磁束は非磁性体となった磁性金属層を通過するが、外側に設けられた非磁性金属層によって磁気エネルギーは反射されて内部に閉じこめられる。つまり、非磁性金属層は磁気シールドとして作用する。従って、磁気ノイズの外部への影響を低減できる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、被定着材の定着温度以上のキュリー点を有する磁性導体と、前記磁性導体に対して交番磁束を印加する励磁手段と、前記励磁手段に交番電流を供給する給電手段と、前記給電手段から前記励磁手段へ供給される電力を検出する電力検出手段と、検出した電力が低下したことにより前記磁性導体が前記定着温度に到達したと判定する判定手段と、を具備し、前記磁性導体を挟んで前記励磁手段と対向するように断熱層を介して非磁性材料を配置した構成を採る。
【００１５】
この構成により、電力検出手段は、給電手段から、定着温度以上のキュリー点を有する磁性導体に対して交番磁束を印加する励磁手段へ、供給される電力を検出し、判定手段は、検出した電力の低下により磁性導体がキュリー点に到達したのを判定するため、簡単な構成により定着装置のウォームアップが終了したことを熱センサを用いることなく知ることができる。
【００１６】
また、交番磁束により磁性導体が誘導加熱され、温度が上昇してキュリー温度以上になると非磁性化する。交番磁束は非磁性化した磁性導体を突き抜けて非磁性材料に到達し、非磁性材料に誘導電流が流れるため、磁性導体及非磁性材料全体としての導電断面積が著しく大きくなって電気抵抗値が極めて小さくなり発熱量が減少するため、自己温度制御特性をさらに顕著にできる。
【００１７】
本発明の第３の態様は、第１乃至第２の態様において、給電手段は、動作時は磁性導体が定着温度以上になる電力で、動作終了後は磁性導体が定着温度よりも低い温度になる電力で、励磁手段に交番電流をそれぞれ供給する構成を採る。
【００１８】
この構成により、起動動作又は印刷動作のときには励磁手段に磁性導体が定着温度以上になる電力を供給し、磁性導体の自己温度制御により磁性導体を定着温度以上の設定温度に維持する。動作終了後は磁性導体が定着温度よりも低い温度になる電力に変更して磁性導体を設定温度以下の温度に下げる。これにより、サーミスタ等の熱センサを用いることなく、定着装置の動作状態に応じた適切な電力で画像形成装置を稼動することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態１〜８について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る定着装置の構成を示す概略図である。この定着装置１は、複写機又は複写機とファックスの複合機に使用するものを示している。
【００２５】
熱ローラ２は、磁性導体からなる中空円筒体である。この磁性導体としては、適温、すなわちトナーを溶融する温度よりやや高い温度である約２３０℃をキュリー温度とするように調整した磁性合金（感温金属ともいう）を使用している。この例では、磁性合金として、鉄−ニッケル合金又は鉄−ニッケル−クロム合金を使用している。この組合せは、飽和磁束密度が高く、定着装置１には適している。なお別の用途に使用する場合には、当然、熱ローラ２で得たい温度も変わる。従って、磁性合金の組成もこの用途に応じたキュリー温度となるように変更できる。
【００２６】
熱ローラ２のサイズは、この例では、厚さ約１ｍｍ、直径約４９ｍｍとしている。また、熱ローラ２の外周面上には、トナー１３との離型性を向上するために厚さ約１５μｍのフッ素樹脂をコーティングしている。
【００２７】
熱ローラ２の内部には、励磁コイル部４が挿入されている。励磁コイル部４は、中空円筒状のボビン５と、ボビン５の周面上にらせん状に巻き回されたコイル６と、ボビン５内に挿入されたフェライト７とで構成されている。コイル５には、細い導線を束ねてより線としたリッツ線を使用している。フェライト７は、加熱効率を良くする。
【００２８】
この励磁コイル部４のコイル６には、高周波電流を供給するインバータ回路８が接続されている。インバータ回路８には、励磁コイル部４へ供給する電力を可変制御する制御回路９が接続されている。
【００２９】
一方、熱ローラ２の下側には、熱ローラ２に対向して加圧ローラ１０が互いに圧接しかつ回転可能に配置されている。これにより、熱ローラ２及び加圧ローラ１０の間に、表面にトナー１３が付着した記録紙１１を挟持搬送するニップが形成される。加圧ローラ１０の直径は、この例では約４８ｍｍである。
【００３０】
図２は、上記実施の形態１に係る定着装置の制御系を示すブロック図である。
【００３１】
中央演算部（ＣＰＵ）２１は、インバータ回路８に対して制御信号Ｖ₀を出力する。インバータ回路８は、商用交流電源２２を電源として高周波電流Ｉ₀を発生し、励磁コイル部４に供給する。インバータ回路８は、ＣＰＵ２１からの制御信号Ｖ₀に応じた大きさの電力を励磁コイル部４に供給する。電力検出回路２３は、インバータ回路８からの供給電力を検知し、検知信号をＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、検知信号に基づいて電力を知ることができる。
【００３２】
図３は、上記実施の形態１に係る定着装置のインバータ回路から励磁コイル部に至る回路図である。
【００３３】
商用交流電源２２から供給された交流を交直変換した直流電源３１の両端は、発振回路３２に接続されている。発振回路３２には、第１及び第２トランジスタ３３、３４からなる直流回路に並列接続されている。第１及び第２トランジスタ３３、３４のベース端子に発振回路３２の出力端子が接続されている。
【００３４】
第１トランジスタ３３のエミッタ端子と第２トランジスタ３４のコレクタ端子の間に、励磁コイル部４の一端が接続されている。励磁コイル部４の他端は直流電源３１の一端に接続されている。
【００３５】
第１及び第２トランジスタ３３、３４と励磁コイル部４との間には、電流検出計３５及び電圧検出計３６が設けられている。電流検出計３５及び電圧検出計３６の検出出力は図示しない電力変換部により電力値に変換した後ＣＰＵ２１に入力される。
【００３６】
上記構成からなる回路において、発振回路３２からの所定の発振周波数でベース電流が第１、第２トランジスタ３３、３４に交互に供給される。これに応じて、励磁コイル部４に例えば２３ｋＨｚの高周波電流を供給する。励磁コイル部４への供給電力は、供給電流値が一定であれば励磁コイル部４のインダクタンスにより変動する。
【００３７】
電流検出計３５及び電圧検出計３６により、励磁コイル部４に供給される電流及び印加される電圧をそれぞれ検出する。電流検出計３５及び電圧検出計３６の検出出力は図示しない電力変換部により電力値に変換した後ＣＰＵ１１に入力される。
【００３８】
ここでは、電力検出回路１３として、電流検出計３５及び電圧検出計３６を例示したが、電流検出計３５及び電圧検出計３６と同等の機能を有する回路であれば置き換え可能である。
【００３９】
以下、上記構成からなる定着装置１の動作について説明する。
【００４０】
図示しないスイッチをオンすると、ＣＰＵ１１よりインバータ回路８に電圧印加命令が出される。これに応じて、インバータ回路８は、励磁コイル部４に高周波電流を供給する。励磁コイル部４は、供給した高周波電流に応じて高周波磁界を発生する。磁性合金からなる熱ローラ２は、生成消滅を繰り返す交番磁束内に置かれるため、熱ローラ２中に磁界の変化を妨げる磁界を生じるように渦電流が発生する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、キュリー点未満の温度及びキュリー点以上の温度における渦電流の発生状態を夫々示す断面図である。図中斜線部は、電流が流れている領域を示している。キュリー点未満の温度では、この渦電流は、図４（ａ）に示すように、熱ローラ２の内表面に集中して流れる。このときに電流の大部分が流れる部分２ａの厚さを表皮深さと呼び、理論的には次式（１）で表される。
【００４１】
δ=５０３．３｛ρ／（ｆ×μ）｝^０．５（１）
δ：表皮深さ m
ρ：材料の固有抵抗 Ωm
ｆ：励磁周波数 Hz
μ：材料の比透磁率
この例で用いた磁性合金は、固有抵抗が７．２×１０ｅ−７Ωm、常温での比透磁率が約１００のものを用いている。従って、表皮深さは約０．２８ｍｍとなる。すなわち、常温近くではほとんどの渦電流は熱ローラの内面０．２８ｍｍ以内に集中して流れる。渦電流が流れる通路断面積は極めて小さく抵抗が大きいので、熱ローラ２は大きなジュール熱を生じ、温度が急激に上昇する。
【００４２】
その後、熱ローラ２の温度がキュリー点以上になると磁性合金が非磁化する。このため、比透磁率が約１になるので表皮深さに相当する厚さは、常温時の約１０倍となり、図４（ｂ）に示すように、熱ローラ２の厚さの全体に渡って電流が流れる。従って、渦電流が流れる通路断面積が大きくなり抵抗が小さくなるので、熱ローラ２の発熱量は著しく小さくなる。
【００４３】
熱ローラ２の温度に対する発熱量の変化の様子を図５に示す。図５中、横軸は熱ローラ温度、縦軸は発熱量を表している。図５から明らかなように、比透磁率は実際にはキュリー点温度Ｔｋでいきなり１００から１に変わるのではなく、キュリー点温度Ｔｋに向かって徐々に低下していく。そのため、発熱量も温度上昇に伴って徐々に低下し、キュリー点温度近傍で急速に下がっていく。この例では、常温での発熱量Ｑ１とキュリー点温度以上での発熱量Ｑ２との比は約３対１となった。上述の渦電流の状態変化によって、電流の流れる部分の厚さが常温時に比較してキュリー点温度で約３倍に増加する。これにより、熱ローラ２及び励磁コイル部４の総抵抗が減少する。従って、インバータ回路８より一定電流を励磁コイル部４に供給している場合、発熱量は抵抗に比例するので約３分の１となるからである。
【００４４】
このように、キュリー点を有する磁性合金からなる熱ローラ２及び励磁コイル部４によって温度制御回路等を用いることなくキュリー点付近で温度制御を行うことができる。これを自己温度制御という。
【００４５】
熱ローラ２のキュリー点の設定をトナーが溶融する温度よりやや高い温度である約２３０℃とした場合、熱ローラ２の温度はこの１９０℃付近で安定する。つまり、何かの原因によって部分的に１９０℃を超えようとしても、この瞬間に熱ローラ２の発熱量が低下する。逆に熱ローラ２の１部のみに当たる幅の紙を通す等して温度が低下した場合には、その温度が低下した部分の発熱量が増加する。これにより、熱ローラ２の通紙部分及び非通紙部分の温度差を低減して均一かつ安定した温度で定着を行うことができる。
【００４６】
次に、熱ローラ２の温度上昇及び励磁コイル部４の消費電力の関係について説明する。図６は、上記実施の形態１における熱ローラの表面温度及び励磁コイルの電力の関係を示す特性図である。
【００４７】
図６に示すように、励磁コイル部４に１４００Ｗの電力を供給すると、熱ローラ２の表面温度は１６０℃付近までは略直線的に増加する。１６０℃を超えると温度上昇が鈍くなる。約１９０℃で熱ローラ２の温度は飽和して自己温度制御状態になっている。このときに励磁コイルの電力は、温度１６０℃付近で当初の１４００Ｗから次第に減少し、自己温度制御状態のときには約４００Ｗで安定する。
【００４８】
この電力の低下は、上述のように渦電流の状態変化によって、熱ローラ２及び励磁コイル部４の総抵抗が減少するため、インバータ回路８より一定電流を励磁コイル部４に供給した場合電力が減少するからである。
【００４９】
ＣＰＵ１１は、電力検出回路１３の検知結果に基づいて、励磁コイル部４を流れる電力をモニタする。ＣＰＵ１１は、１４００Ｗの電力が１０００Ｗになったときウォームアップが終了し、定着装置１が使用可であると判定する。なお、この例では、電力値が１０００Ｗになった時点で熱ローラ２の温度は約１７０℃を超えており、定着性から判断した装置動作上の支障はない。
【００５０】
ＣＰＵ１１は、この判定に基づいて所定の処理を行う。例えば、ＣＰＵ１１は、インバータ回路８に電力供給量を減少させるように制御する。これにより、ウォームアップ終了後に適した電力を供給できるため、定着装置１の省エネルギーを達成できる。
【００５１】
また、ＣＰＵ１１は、図２に示す表示部１４にウォームアップ終了した旨の表示を行う。また、ブザー１５を鳴らして利用者にウォームアップ終了を知らせる。
【００５２】
上記実施の形態１に係る定着装置１によれば、熱ローラ２は、自己温度制御特性を有するので、サーミスタを用いなくても定着温度以上の所定温度に熱ローラ２の温度を調節することができる。
【００５３】
また、ＣＰＵ１１は、電力検出回路１３によって検知した励磁コイル部４への供給電力をモニタし、供給電力が低下したことにより熱ローラ２が定着可能温度に達したことを知ることができる。これにより、ＣＰＵ１１は、定着装置１のウォームアップが終了したことをサーミスタなしに判定することができる。このように、自己温度制御型で誘導加熱方式の定着装置１において、簡単な構成でウォームアップ終了を検知し、いつの時点で定着装置１の動作を開始しても良いかを知ることができる。
【００５４】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２に係る定着装置について説明する。図７は、上記実施の形態２に係る定着装置の構成を示す概略図である。図１に示す実施の形態１に係る定着装置１と同様の構成については同一の番号を付して説明を省略する。
【００５５】
上記実施の形態２に係る定着装置４０の熱ローラ４１は、上記実施の形態１と同様の磁性合金からなる磁性金属層４２と、磁性合金層４２の外周面上に積層した磁性合金よりも抵抗が低い非磁性金属層４３とで構成されている。
【００５６】
非磁性金属層４３の材質としては、例えばアルミニウム又は銅が適当であり、この例ではアルミニウムを使用した。また、非磁性金属層４３の膜厚は特に限定されないがこの例では０．４ｍｍとした。非磁性金属層４＃の外周面に、トナー１３との離型性を向上するために厚さ約１５μｍのフッ素樹脂層４４がコーティングされている。
【００５７】
以下、上記構成からなる定着装置４０の動作について説明する。
【００５８】
インバータ回路８より励磁コイル部４に例えば２３ｋＨｚの高周波電流を供給する。励磁コイル部４は、供給した高周波電流に応じて高周波磁界を発生する。熱ローラ４１の磁性金属層４２は、生成消滅を繰り返す交番磁束内に置かれるため、磁界の変化を妨げる磁界を生じるように渦電流が発生する。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、キュリー点未満の温度及びキュリー点以上の温度における渦電流の発生状態を夫々示す断面図である。図中斜線部は、電流が流れている領域を示している。キュリー点未満の温度では、この渦電流は、図８（ａ）に示すように、磁性金属層４２の内表面に集中して流れる。従って、渦電流が流れる通路断面積は極めて小さく抵抗が大きいので、磁性金属層４２は大きなジュール熱を生じ、温度が急激に上昇する。
【００５９】
その後、熱ローラ４１の温度がキュリー点以上になると磁性合金層４２が非磁化する。この場合、磁性合金の比透磁率が約１となるので、磁束が磁性金属層４２を貫いて発散する。また、熱ローラ４１の厚さ全体に渡って電流が流れようとする。しかし、非磁性金属層４３は、磁性金属層４１に比べて電気抵抗が小さいので、図８（ｂ）に示すように、ほとんどの誘導電流は非磁性金属層４２に流れる。これにより、磁性金属層４２を流れる電流が著しく少なくなり、発熱量が激減する。この結果、熱ローラ４１の表面温度が急激に低くなるので、自己温度制御特性がはるかに向上する。
【００６０】
また、磁束は非磁性体となった磁性金属層４２を通過するが、外側に設けられた非磁性金属層４３によって磁気エネルギーは反射されて内部に閉じこめられる。つまり、非磁性金属層４３は磁気シールドとして作用する。従って、磁気ノイズの外部への影響を低減できる。
【００６１】
自己温度制御特性がもっとも良くあらわれるのは、磁性金属層４２の厚さが表皮深さとほぼ同等であるときである。この場合、上記実施の形態１と同じく磁性金属層４２の磁性合金の固有抵抗が７．２×１０ｅ−７Ωmであるのに対して、非磁性金属層４３を構成するアルミニウムの固有抵抗は２．５×１０ｅ−８Ωmであり、約２９分の１である。また、電流の流れる部分の厚さはほぼ同等である。このため、定電流で駆動したとするとキュリー点温度付近では約２９分の１の発熱しか起こらない。
【００６２】
磁性金属層４２が表皮深さよりも薄い場合はキュリー温度以下でも相当量の誘導電流が外側にある非磁性金属層４３を流れ、それより厚い場合はキュリー温度以上でも磁性金属層４２の中を流れる誘導電流量が増える。通電を開始して目標の温度に到達するまでの時間すなわちウォームアップ時間を短縮させるには金属ローラの熱容量を下げると良い。従って、磁性金属層４２の厚さは自己温度制御性を多少犠牲にしても金属ローラの熱容量を小さくした表皮厚の５０％から金属ローラ強度を上げることを考慮した表皮厚の２００％の範囲にすることが望ましい。自己温度制御特性を持たせた場合、非磁性金属層４３を用いることにより、実施の形態１よりも大幅に熱容量を下げられるので、熱ローラ４１の熱容量を下げてウォームアップ時間を短縮することができる
上述のように、本実施の形態２によれば、熱ローラ４１を磁性金属層４２及びより低抵抗の非磁性金属層４３の二層構造とすることにより、全体の厚みをそれほど増やすことなく、常温時の発熱量に対してキュリー点温度近傍での発熱量を著しく小さくすることができる。さらに、キュリー点温度に近づくときの発熱量の降下も急激となり、それに伴って自己制御温度特性も向上することができる。また、磁気ノイズの外部への影響を低減するシールド効果を高めることが可能である。
【００６３】
（実施の形態３）
以下、次に本発明の実施の形態３に係る定着装置について説明する。
【００６４】
上記実施の形態３に係る定着装置は、上記実施の形態１と同様の構成により、動作モード及びローパワーモードでインバータ回路８から励磁コイル部４に供給する電力を切り換える。以下、制御回路９による供給電圧制御について説明する。なお、次の説明では、定着装置をレーザプリンタに適用した場合について説明するが、複写機、ファクシミリ等においても同様である。
【００６５】
図９は、上記実施の形態３に係る定着装置の制御回路による供給電圧制御を示すフロー図である。
【００６６】
まず、立ち上げ動作及び印刷動作時には、制御回路９は、インバータ回路８により動作時電力、例えば１２００Ｗの電力を励磁コイル部４に供給している。励磁コイル部４は、熱ローラ２を誘導加熱する。このとき、上記実施の形態１で説明したように、熱ローラ２は自己温度制御によりトナー１３の定着可能温度に温度制御される。
【００６７】
工程（以下、ＳＴという）９０１において、制御回路９は、動作が終了したか否か判定する。動作が終了していない場合は、さらに判定を繰り返す。
【００６８】
動作が終了した場合、ＳＴ９０２において、次の原稿の印刷処理の実行待ちがあるか否か判定する。実行待ちがある場合、ＳＴ９０１に戻り、動作終了判定から繰り返す。
【００６９】
実行待ちがない場合、ＳＴ９０３において、制御回路９は計時ｔのカウントを開始する。
【００７０】
ＳＴ９０４において、実行コマンドの入力があるか否か判定する。ここで実行コマンドは、例えば、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣという）からの印刷処理に基づく実行コマンドである。複写機の場合には、利用者によるコピー操作、例えばスタートキー、テンキー等のキー入力に基づく実行コマンドであっても良い。ここで、実行コマンドがある場合、ＳＴ９０５において、計時のカウントを停止し、ＳＴ９０１に戻る。
【００７１】
一方、ＳＴ９０４において、実行コマンドがない場合、ＳＴ９０６において、計時ｔが所定時間に到達したか否かを判定する。計時ｔが所定時間未満の場合、ＳＴ９０４に戻り実行コマンドの判定を行う。ＳＴ９０６において、計時ｔが所定時間に到達した場合、制御回路９は、所定時間内に印刷動作に入らなかったと判断して、ＳＴ９０７において、供給電力をローパワーモードの設定値、例えば２００Ｗまで低下する。
【００７２】
この設定値は、定着温度よりも低いが動作モード時の電力を供給した場合に素早く定着温度に復帰できる温度に熱ローラ２を維持できる電力であることが好ましい。具体的には、動作モードで電力供給を再開してから３０秒以内で定着可能温度に復帰できる温度に熱ローラ２を維持できるような電力に設定する。この設定温度は実験により求めることができる。
【００７３】
上述の実施の形態３に係る定着装置によれば、サーミスタを使わずに温度制御及び電力制御を行うことを実現できる。すなわち、従来の定着装置の温度制御としては、サーミスタを用いて熱ローラの温度を検知し、熱ローラの温度を動作モードの設定温度に素早く復帰できる待機温度に維持するように励磁コイル部への電力供給を増減している。しかし、このサーミスタを用いた温度制御を、上述の自己温度制御型の定着装置に適用したのでは、サーミスタを用いない利点が薄れる。
【００７４】
そこで、本実施の形態３によれば、動作時は自己温度制御が行われる高い電力（第１電力という）を励磁コイル部４に一定に供給する。動作が終了した後は、第１電力よりも低い、熱ローラ２が定着温度よりも低い温度になる電力（第２電力）を励磁コイル部４に一定に供給する。第２電力によれば、サーミスタを用いなくても熱ローラ２を好適な待機温度に維持できる。これにより、定着装置においてサーミスタレスの温度及び電力制御を達成することができる。
【００７５】
上記実施の形態３では、動作終了から一定時間内に何らかの実行コマンドの入力があるか否か監視した後、供給電力を低下している。しかしながら、動作終了後すぐに供給電力を低下させても良い。
【００７６】
また、動作モード及びローパワーモードの２段階だけでなく、さらに待機時間モード等のように、プリンタ、複写機等の画像形成装置の動作状態に従って多くの動作モードを用意しても良い。
【００７７】
以下の実施の形態４〜８において、定着装置の誘導加熱部の変形例について説明する。以下の説明において、磁性合金及び非磁性合金は上記実施の形態２で説明したものと同様である。
【００７８】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４に係る定着装置の誘導加熱部を示す斜視図である。本実施の形態４では、適温にキュリー温度を設定した磁性合金１０１の外側に、渦巻状に巻いた励磁コイル１０２を、適切な方法で磁性合金１０１とは接触しない形で配置している。また、磁性合金１０１の内側には、磁性合金１０１よりも低抵抗率とした非磁性金属材料１０３を、磁性合金１０１とは空間を設けて配置している。
【００７９】
以上の構成により、励磁コイル１０２が加熱する対象は磁性合金１０２のみとなり、熱効率の高い加熱手段を実現できる。つまり、本実施の形態４によれば、磁性合金１０２と非磁性金属材料１０３とは空間を設けた配置となっているため、励磁コイル１５が加熱する対象は磁性合金１０１のみとなっており、熱ローラ全体を加熱する場合に比べると非常に熱容量の小さい加熱対象となる。また、非磁性金属材料１０３が磁性合金１０１と接触していない状態であっても、磁気的には全く同様に動作する。つまり、磁性合金１０１の温度がキュリー温度を超えた場合には、磁性合金１０１が非磁性となって磁束が磁性合金１０１を透過すると内側にある非磁性金属材料１０３に誘導電流が流れる。
【００８０】
以上のように本実施の形態４によれば、励磁コイル１５が加熱する対象を磁性合金１０１のみとでき、熱効率の高い定着装置を実現でき、所定温度に到達するまでの時間も短縮できる。
【００８１】
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図である。本実施の形態５では、図１１に示すように、励磁コイル１１１の配置位置を、被加熱物１１２と磁性合金１０１とが接触する位置、又は、磁性合金１０１が被加熱物１１２に接触する直前の位置に配置している。また、本実施の形態５では、非磁性金属材料１０３は磁性合金１０１とは空間を隔てて磁性合金１０１の１部と対峙する円弧を構成するように配置している。図中に矢印１１４で示す方向に、磁性合金１０１の回転方向を示している。また、本実施の形態５では、加圧ローラ１１５も低抵抗率の非磁性金属材料で構成している。
【００８２】
以上の構成により、励磁コイル１１１は、磁性合金１０１が被加熱物１１２に接触している位置又は被加熱物１１２に接触する直前の位置を加熱する。これにより、所定温度となった磁性合金１０１が直ちに被加熱物１１２を加熱し、磁性合金１０１が高温となっている時間が短くなり、磁性合金１０１の表面からの放熱量が減少して、使用電力の少ない定着装置を実現できる。
【００８３】
なお本実施の形態５では、磁性合金１０１の自己温度制御性を高めるために配置している非磁性金属材料１０３を円弧とし、この非磁性金属材料１０３の作用を非磁性金属材料を使用して構成した加圧ローラ１１５によって補完するようにしている。
【００８４】
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図である。本実施の形態６では、励磁コイル１２１を、被加熱物１１２と磁性合金１０１とが離脱する位置に配置している。励磁コイル１２２の配置位置をこの位置としているため、磁性合金１０１が矢印２０に示すように回転して、次に被加熱物１１２に接触するまでには時間がかかる。このため、磁性合金１０１が被加熱物と接触する部分の温度は、励磁コイル１２１による加熱を受ける部分の温度よりは低下するが、温度分布はより均一になる。
【００８５】
（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図である。本実施の形態７に係る定着装置では、磁性導体フィルムを誘導加熱し、キュリー温度で非磁性となった磁性導体フィルムを透過した磁束による誘導電流を、加圧ローラの中に埋め込んだ電気抵抗率が低い非磁性材料に流すようにした。
【００８６】
組成を調整することによって所定のキュリー温度とした表皮深さとほぼ同じ厚さの磁性導体フィルム１３０をフェライト１３１に巻いた励磁コイル１３２に高周波電流を流して誘導加熱する。磁性導体フィルム１３０は樹脂又はセラミックでできたガイド板１３３の下を滑らせて回転する。そしてトナー粉の乗った紙１３４を磁性導体フィルム１３０と加圧ローラ１３５で挟んで加圧しながら加熱して定着させる。
【００８７】
加圧ローラ１３５は表面が弾力性を持ち、断熱材の役割を果たすシリコーンゴム１３６でできている。加圧ローラ１３５の内側に電気抵抗率が低い非磁性材料１３７が埋め込まれている。こうした加圧ローラ１３５が軸１３８を中心に回転する。このような構成によって、キュリー温度以下では磁性導体フィルム１３０が発熱し、キュリー温度を超えると非磁性となった磁性導体フィルム１３０を透過した磁束１３９による誘導電流が、加圧ローラ１３５の中に埋め込んだ電気抵抗率が低い非磁性材料１３７に流れるようにして発熱量を減らし自己温度制御性能を発揮させる。
【００８８】
なお、電気抵抗率が低い非磁性材料１３７はアルミニウムや銅が良いが、電気抵抗率が低ければ炭素等の非金属でも良い。また軸１３８と同じ材料で一体としても良い。
【００８９】
（実施の形態８）
図１４（ａ）及び１４（ｂ）は、本発明の実施の形態８に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図である。本実施の形態８では、磁性導体パイプ１４０を励磁コイル１４１によって外から加熱している。磁性導体パイプ１４０の内側に空間を介して磁性導体パイプ１４０よりも電気抵抗率が低い非磁性材料１４２を配置している。この非磁性材料１４２の表面に断熱材１４３を磁性導体パイプ１４０と接しないように巻けば、空気も断熱効果を持って熱容量を小さくできると同時に、電気抵抗率が低い非磁性材料１４２、断熱材１４３を固定して磁性導体パイプ１４０のみが回転する構造とすることができる。
【００９０】
一方、図１４（ｂ）のように断熱材１４３を磁性導体パイプ１４０と接触させた場合は、電気抵抗率が低い非磁性材料１４２、断熱材１４３で磁性導体パイプ１４０の強度を補強する構成とすることができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、画像形成装置に用いられる定着装置において、熱センサを用いることなくウォーミングアップ終了を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る定着装置の構成を示す概略図
【図２】上記実施の形態１に係る定着装置の制御系を示すブロック図
【図３】上記実施の形態１に係る定着装置のインバータ回路から励磁コイル部に至る回路図
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、キュリー点未満の温度及びキュリー点以上の温度における渦電流の発生状態を夫々示す断面図
【図５】上記実施の形態１における熱ローラの温度に対する発熱量の変化を示す特性図
【図６】上記実施の形態１における熱ローラの表面温度及び励磁コイルの電力の関係を示す特性図
【図７】本発明の実施の形態２に係る定着装置の構成を示す概略図
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、上記実施の形態２におけるキュリー点未満の温度及びキュリー点以上の温度における渦電流の発生状態を夫々示す断面図
【図９】本発明の実施の形態３に係る定着装置の制御回路による供給電圧制御を示すフロー図
【図１０】本発明の実施の形態４に係る定着装置の誘導加熱部を示す斜視図
【図１１】本発明の実施の形態５に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図
【図１２】本発明の実施の形態６に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図
【図１３】本発明の実施の形態７に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態８に係る定着装置の誘導加熱部を示す模式図
【符号の説明】
１定着装置
２熱ローラ
４励磁コイル部
８インバータ回路
９制御回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electromagnetic induction heating type fixing device used in an image forming apparatus such as a printer or a facsimile.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, in an image forming apparatus such as a copying machine, a laser printer, or a facsimile, a toner image formed on a recording medium by a developing unit is permanently fixed by a fixing unit.
[0003]
In the case of a heat fixing type fixing device, a toner image is heated and fixed by passing a recording medium through a nip between a heat roller heated by a heating means and a pressure roller disposed opposite to the heat roller. Conventionally, halogen lamps have been the mainstream as heating means for heat rollers.
[0004]
In recent years, an electromagnetic induction heating type fixing device has been developed. In this system, the heat roller is composed of a ferromagnetic conductor, and an eddy current is generated in the heat roller by applying a magnetic flux, and the heat roller is heated by Joule heat. In this method, since the heat roller itself that contacts the recording material generates heat, heat fixing can be carried out with higher efficiency than when the recording material is indirectly heated by heating the heat roller with a halogen lamp.
[0005]
In the case of the electromagnetic induction heating method, the temperature of the heat roller can be controlled by its self-temperature control characteristics by using a ferromagnetic conductor having a Curie point higher than the fixing temperature of the toner. For this reason, it is not necessary to use a special thermistor and control circuit.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the self-temperature control does not require a heat sensor such as a thermistor, but cannot know that the heat roller has reached the fixing temperature during warm-up. In the image forming apparatus equipped with the fixing device, it is necessary to inform the user that the warm-up is completed and the user can operate. Further, a criterion for detecting the end of warming up and waiting for the next operation is required. For this reason, it is conceivable to provide a heat sensor on the heat roller to detect that the heat roller has reached the fixing temperature, but this is not preferable because the merit of self-temperature control is reduced.
[0007]
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a fixing device that detects the end of warm-up without using a thermal sensor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in the fixing device, when the induction-heated magnetic conductor reaches the Curie point, the power supplied to the excitation unit is reduced by utilizing the phenomenon that the power supplied from the supply unit to the excitation unit is reduced. In this case, it is determined that the magnetic conductor has reached the fixing temperature.
[0009]
Further, the present invention provides an appropriate current according to the operating state by supplying an alternating current to the exciting means at the first voltage at the time of operation after the operation is finished and at a second voltage lower than the first voltage after the operation is finished. Operates with sufficient power.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  According to a first aspect of the present invention, there is provided a magnetic conductor having a Curie point equal to or higher than a fixing temperature of a material to be fixed, excitation means for applying an alternating magnetic flux to the magnetic conductor, and power supply for supplying an alternating current to the excitation means. Means, power detection means for detecting power supplied from the power supply means to the excitation means, and determination means for determining that the magnetic conductor has reached the fixing temperature due to a decrease in detected power.The magnetic conductor is formed in a cylindrical shape and a non-magnetic material having a lower resistance than the magnetic conductor is laminated on the outer peripheral side, and the excitation means is disposed inside the magnetic conductor.Take the configuration.
[0011]
  With this configurationTheThe power detection means is supplied from the power supply means.Apply alternating magnetic flux to a magnetic conductor with a Curie point above the fixing temperatureTo excitation means,The power supplied is detected, and the determination means uses a thermal sensor to determine that the fixing device has been warmed up with a simple configuration in order to determine that the magnetic conductor has reached the Curie point due to a decrease in the detected power. You can know without.
[0012]
  Further, the magnetic conductor is formed in a cylindrical shape, a nonmagnetic material having a lower resistance than that of the magnetic conductor is laminated on the outer peripheral side, and the excitation means is disposed on the inner side of the nonmagnetic material layer. Accordingly, the magnetic conductor is inductively heated by the alternating magnetic flux, and when the temperature of the magnetic conductor rises and becomes equal to or higher than the Curie temperature, the magnetic conductor becomes non-magnetic, and the induced current flows in the low-resistance nonmagnetic material. As a result, when the temperature of the magnetic conductor becomes equal to or higher than the Curie temperature, the amount of heat generation is drastically reduced, so that the self-temperature control characteristic can be further improved.
[0013]
  Further, the magnetic flux from the excitation means passes through the magnetic metal layer made of a non-magnetic material, but the magnetic energy is reflected and confined inside by the non-magnetic metal layer provided outside. That is, the nonmagnetic metal layer acts as a magnetic shield. Therefore, the external influence of magnetic noise can be reduced.
[0014]
  First of the present invention2The aspect ofA magnetic conductor having a Curie point equal to or higher than the fixing temperature of the material to be fixed; excitation means for applying an alternating magnetic flux to the magnetic conductor; power supply means for supplying an alternating current to the excitation means; and the excitation from the power supply means Power detection means for detecting the power supplied to the means, and determination means for determining that the magnetic conductor has reached the fixing temperature due to a decrease in the detected power, and sandwiching the magnetic conductor A non-magnetic material was placed through a heat insulating layer so as to face the excitation means.Take the configuration.
[0015]
  With this configuration,The power detection means detects the power supplied from the power supply means to the excitation means for applying an alternating magnetic flux to the magnetic conductor having a Curie point equal to or higher than the fixing temperature, and the determination means detects the magnetic force by lowering the detected power. In order to determine that the conductor has reached the Curie point, it is possible to know that the fixing device has been warmed up with a simple configuration without using a heat sensor.be able to.
[0016]
  Further, the magnetic conductor is inductively heated by the alternating magnetic flux, and becomes non-magnetic when the temperature rises and exceeds the Curie temperature. The alternating magnetic flux penetrates the non-magnetic magnetic conductor and reaches the non-magnetic material, and an induced current flows through the non-magnetic material. Therefore, the conductive cross-sectional area of the magnetic conductor and the non-magnetic material as a whole is significantly increased and the electric resistance value is increased. Since it becomes extremely small and the calorific value is reduced, the self-temperature control characteristic can be made more remarkable.
[0017]
  First of the present invention3The aspect ofIn the first and second aspects, the power feeding means is an electric power that causes the magnetic conductor to be at or above the fixing temperature during operation, and an electric power that causes the magnetic conductor to be lower than the fixing temperature after the operation. To supply each.
[0018]
  This configurationIn the starting operation or printing operation, the excitation meansElectric power at which the magnetic conductor exceeds the fixing temperatureAnd the magnetic conductor is maintained at a set temperature higher than the fixing temperature by self-temperature control of the magnetic conductor. After the operationElectric power at which the magnetic conductor is lower than the fixing temperatureChange the magnetic conductor to a temperature below the set temperature. Accordingly, the image forming apparatus can be operated with an appropriate power corresponding to the operation state of the fixing device without using a thermal sensor such as a thermistor.
[0023]
Hereinafter, Embodiments 1 to 8 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fixing device according to Embodiment 1 of the present invention. This fixing device 1 is used for a copying machine or a combined machine of a copying machine and a fax machine.
[0025]
The heat roller 2 is a hollow cylindrical body made of a magnetic conductor. As the magnetic conductor, a magnetic alloy (also referred to as a temperature-sensitive metal) adjusted to have an appropriate temperature, that is, about 230 ° C., which is slightly higher than the temperature at which the toner is melted, is used. In this example, an iron-nickel alloy or an iron-nickel-chromium alloy is used as the magnetic alloy. This combination has a high saturation magnetic flux density and is suitable for the fixing device 1. In addition, when using for another use, naturally the temperature which the heat roller 2 wants to change also changes. Therefore, the composition of the magnetic alloy can also be changed to have a Curie temperature corresponding to this application.
[0026]
In this example, the heat roller 2 has a thickness of about 1 mm and a diameter of about 49 mm. In addition, a fluororesin having a thickness of about 15 μm is coated on the outer peripheral surface of the heat roller 2 in order to improve releasability from the toner 13.
[0027]
Inside the heat roller 2, an exciting coil unit 4 is inserted. The exciting coil unit 4 includes a hollow cylindrical bobbin 5, a coil 6 spirally wound on the peripheral surface of the bobbin 5, and a ferrite 7 inserted into the bobbin 5. The coil 5 is a litz wire that is a bundle of thin conductor wires. The ferrite 7 improves the heating efficiency.
[0028]
An inverter circuit 8 that supplies a high-frequency current is connected to the coil 6 of the exciting coil unit 4. A control circuit 9 that variably controls the power supplied to the exciting coil unit 4 is connected to the inverter circuit 8.
[0029]
On the other hand, a pressure roller 10 is disposed below the heat roller 2 so as to face the heat roller 2 so as to be in pressure contact with each other and to be rotatable. As a result, a nip is formed between the heat roller 2 and the pressure roller 10 for nipping and conveying the recording paper 11 having the toner 13 attached to the surface. The diameter of the pressure roller 10 is about 48 mm in this example.
[0030]
FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the fixing device according to the first embodiment.
[0031]
The central processing unit (CPU) 21 sends a control signal V to the inverter circuit 8.₀Is output. The inverter circuit 8 uses a commercial AC power source 22 as a power source to generate a high-frequency current I.₀Is generated and supplied to the exciting coil unit 4. The inverter circuit 8 receives a control signal V from the CPU 21.₀Is supplied to the exciting coil unit 4. The power detection circuit 23 detects the power supplied from the inverter circuit 8 and outputs a detection signal to the CPU 21. The CPU 21 can know the power based on the detection signal.
[0032]
FIG. 3 is a circuit diagram from the inverter circuit to the exciting coil unit of the fixing device according to the first embodiment.
[0033]
Both ends of a DC power supply 31 obtained by AC / DC conversion of AC supplied from the commercial AC power supply 22 are connected to an oscillation circuit 32. The oscillation circuit 32 is connected in parallel to a DC circuit composed of first and second transistors 33 and 34. The output terminal of the oscillation circuit 32 is connected to the base terminals of the first and second transistors 33 and 34.
[0034]
One end of the exciting coil unit 4 is connected between the emitter terminal of the first transistor 33 and the collector terminal of the second transistor 34. The other end of the exciting coil unit 4 is connected to one end of a DC power supply 31.
[0035]
A current detector 35 and a voltage detector 36 are provided between the first and second transistors 33 and 34 and the exciting coil unit 4. The detection outputs of the current detector 35 and the voltage detector 36 are input to the CPU 21 after being converted into a power value by a power converter (not shown).
[0036]
In the circuit configured as described above, the base current is alternately supplied to the first and second transistors 33 and 34 at a predetermined oscillation frequency from the oscillation circuit 32. In response to this, a high frequency current of, for example, 23 kHz is supplied to the exciting coil unit 4. The power supplied to the exciting coil unit 4 varies depending on the inductance of the exciting coil unit 4 if the supply current value is constant.
[0037]
The current detector 35 and the voltage detector 36 detect the current supplied to the exciting coil unit 4 and the applied voltage, respectively. The detection outputs of the current detector 35 and the voltage detector 36 are input to the CPU 11 after being converted into power values by a power converter (not shown).
[0038]
Here, although the current detector 35 and the voltage detector 36 are illustrated as the power detection circuit 13, any circuit having functions equivalent to those of the current detector 35 and the voltage detector 36 can be replaced.
[0039]
Hereinafter, the operation of the fixing device 1 having the above configuration will be described.
[0040]
When a switch (not shown) is turned on, a voltage application command is issued from the CPU 11 to the inverter circuit 8. In response to this, the inverter circuit 8 supplies a high-frequency current to the exciting coil unit 4. The exciting coil unit 4 generates a high frequency magnetic field according to the supplied high frequency current. Since the heat roller 2 made of a magnetic alloy is placed in an alternating magnetic flux that repeatedly generates and disappears, an eddy current is generated in the heat roller 2 so as to generate a magnetic field that hinders the change of the magnetic field. 4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views showing the state of eddy current generation at temperatures below the Curie point and at temperatures above the Curie point, respectively. The hatched portion in the figure indicates a region where current flows. At a temperature lower than the Curie point, this eddy current flows concentrated on the inner surface of the heat roller 2 as shown in FIG. At this time, the thickness of the portion 2a through which most of the current flows is called skin depth, and is theoretically expressed by the following equation (1).
[0041]
δ = 503.3 {ρ / (f × μ)} ^ 0.5 (1)
δ: skin depth m
ρ: material resistivity Ωm
f: Excitation frequency Hz
μ: relative permeability of the material
The magnetic alloy used in this example has a specific resistance of 7.2 × 10e−7 Ωm and a relative permeability of about 100 at room temperature. Accordingly, the skin depth is about 0.28 mm. That is, most eddy currents flow in a concentrated manner within 0.28 mm of the inner surface of the heat roller near room temperature. Since the cross-sectional area of the passage through which the eddy current flows is extremely small and the resistance is large, the heat roller 2 generates a large Joule heat and the temperature rises rapidly.
[0042]
Thereafter, when the temperature of the heat roller 2 becomes equal to or higher than the Curie point, the magnetic alloy is demagnetized. For this reason, since the relative magnetic permeability is about 1, the thickness corresponding to the skin depth is about 10 times that at normal temperature, and as shown in FIG. Current flows. Accordingly, the cross-sectional area of the passage through which the eddy current flows is increased and the resistance is decreased, so that the heat generation amount of the heat roller 2 is significantly decreased.
[0043]
FIG. 5 shows a change in the amount of heat generated with respect to the temperature of the heat roller 2. In FIG. 5, the horizontal axis represents the heat roller temperature, and the vertical axis represents the heat generation amount. As is apparent from FIG. 5, the relative permeability does not actually change suddenly from 100 to 1 at the Curie point temperature Tk but gradually decreases toward the Curie point temperature Tk. For this reason, the heat generation amount gradually decreases as the temperature rises and rapidly decreases near the Curie point temperature. In this example, the ratio of the calorific value Q1 at normal temperature to the calorific value Q2 above the Curie point temperature is about 3 to 1. Due to the change in state of the eddy current described above, the thickness of the portion through which the current flows increases approximately three times at the Curie point temperature as compared to normal temperature. Thereby, the total resistance of the heat roller 2 and the exciting coil unit 4 is reduced. Therefore, when a constant current is supplied from the inverter circuit 8 to the exciting coil unit 4, the amount of heat generation is proportional to the resistance and is about one third.
[0044]
Thus, temperature control can be performed in the vicinity of the Curie point by using the heat roller 2 made of a magnetic alloy having a Curie point and the exciting coil unit 4 without using a temperature control circuit or the like. This is called self-temperature control.
[0045]
When the Curie point of the heat roller 2 is set to about 230 ° C., which is slightly higher than the temperature at which the toner melts, the temperature of the heat roller 2 is stabilized around 190 ° C. That is, even if it is going to partially exceed 190 ° C. due to some cause, the heat generation amount of the heat roller 2 decreases at this moment. On the contrary, when the temperature is lowered by passing a paper having a width corresponding to only one part of the heat roller 2, the amount of heat generated in the portion where the temperature is lowered increases. As a result, the temperature difference between the paper passing portion and the non-paper passing portion of the heat roller 2 can be reduced and fixing can be performed at a uniform and stable temperature.
[0046]
Next, the relationship between the temperature rise of the heat roller 2 and the power consumption of the exciting coil unit 4 will be described. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the surface temperature of the heat roller and the power of the exciting coil in the first embodiment.
[0047]
As shown in FIG. 6, when 1400 W of electric power is supplied to the exciting coil unit 4, the surface temperature of the heat roller 2 increases substantially linearly up to about 160 ° C. If it exceeds 160 ° C., the temperature rise becomes dull. At about 190 ° C., the temperature of the heat roller 2 is saturated and is in a self-temperature control state. At this time, the power of the exciting coil gradually decreases from the initial 1400 W around a temperature of 160 ° C., and stabilizes at about 400 W in the self-temperature control state.
[0048]
As described above, since the total resistance of the heat roller 2 and the exciting coil unit 4 is reduced due to the change in the state of the eddy current, the power is reduced when a constant current is supplied from the inverter circuit 8 to the exciting coil unit 4. This is because it decreases.
[0049]
The CPU 11 monitors the power flowing through the exciting coil unit 4 based on the detection result of the power detection circuit 13. The CPU 11 determines that the warm-up is finished when the power of 1400 W reaches 1000 W, and the fixing device 1 is usable. In this example, when the power value reaches 1000 W, the temperature of the heat roller 2 exceeds about 170 ° C., and there is no trouble in the operation of the apparatus determined from the fixing property.
[0050]
The CPU 11 performs a predetermined process based on this determination. For example, the CPU 11 controls the inverter circuit 8 so as to reduce the power supply amount. Accordingly, it is possible to supply suitable power after the warm-up is completed, and thus energy saving of the fixing device 1 can be achieved.
[0051]
Further, the CPU 11 displays on the display unit 14 shown in FIG. 2 that the warm-up has been completed. Further, the buzzer 15 is sounded to notify the user of the end of warm-up.
[0052]
According to the fixing device 1 according to the first embodiment, since the heat roller 2 has a self-temperature control characteristic, the temperature of the heat roller 2 can be adjusted to a predetermined temperature equal to or higher than the fixing temperature without using a thermistor. it can.
[0053]
In addition, the CPU 11 can monitor the power supplied to the exciting coil unit 4 detected by the power detection circuit 13 and know that the heat roller 2 has reached the fixable temperature because the power supplied has decreased. Thereby, the CPU 11 can determine that the warm-up of the fixing device 1 has been completed without the thermistor. Thus, in the self-temperature control type induction heating type fixing device 1, it is possible to detect the end of warm-up with a simple configuration and know when the operation of the fixing device 1 may be started.
[0054]
(Embodiment 2)
Next, a fixing device according to Embodiment 2 of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of the fixing device according to the second embodiment. The same components as those of the fixing device 1 according to the first embodiment shown in FIG.
[0055]
The heat roller 41 of the fixing device 40 according to the second embodiment is more resistant than the magnetic metal layer 42 made of the same magnetic alloy as that of the first embodiment and the magnetic alloy laminated on the outer peripheral surface of the magnetic alloy layer 42. And a low nonmagnetic metal layer 43.
[0056]
As the material of the nonmagnetic metal layer 43, for example, aluminum or copper is suitable, and aluminum is used in this example. The thickness of the nonmagnetic metal layer 43 is not particularly limited, but in this example, it is 0.4 mm. A fluororesin layer 44 having a thickness of about 15 μm is coated on the outer peripheral surface of the nonmagnetic metal layer 4 # in order to improve releasability from the toner 13.
[0057]
Hereinafter, the operation of the fixing device 40 configured as described above will be described.
[0058]
A high frequency current of, for example, 23 kHz is supplied from the inverter circuit 8 to the exciting coil unit 4. The exciting coil unit 4 generates a high frequency magnetic field according to the supplied high frequency current. Since the magnetic metal layer 42 of the heat roller 41 is placed in an alternating magnetic flux that repeatedly generates and disappears, an eddy current is generated so as to generate a magnetic field that prevents the magnetic field from changing. FIG. 8A and FIG. 8B are cross-sectional views showing the generation state of eddy currents at temperatures below the Curie point and above the Curie point, respectively. The hatched portion in the figure indicates a region where current flows. At a temperature lower than the Curie point, this eddy current flows concentrated on the inner surface of the magnetic metal layer 42 as shown in FIG. Accordingly, since the cross-sectional area of the passage through which the eddy current flows is extremely small and the resistance is large, the magnetic metal layer 42 generates a large Joule heat, and the temperature rises rapidly.
[0059]
Thereafter, when the temperature of the heat roller 41 becomes equal to or higher than the Curie point, the magnetic alloy layer 42 is demagnetized. In this case, since the relative permeability of the magnetic alloy is about 1, the magnetic flux diverges through the magnetic metal layer 42. In addition, current tends to flow through the entire thickness of the heat roller 41. However, since the nonmagnetic metal layer 43 has a lower electrical resistance than the magnetic metal layer 41, most of the induced current flows through the nonmagnetic metal layer 42 as shown in FIG. As a result, the current flowing through the magnetic metal layer 42 is remarkably reduced, and the amount of heat generation is drastically reduced. As a result, the surface temperature of the heat roller 41 is drastically lowered, so that the self-temperature control characteristic is greatly improved.
[0060]
Further, the magnetic flux passes through the magnetic metal layer 42 which is a non-magnetic material, but the magnetic energy is reflected and confined inside by the non-magnetic metal layer 43 provided outside. That is, the nonmagnetic metal layer 43 functions as a magnetic shield. Therefore, the external influence of magnetic noise can be reduced.
[0061]
The self-temperature control characteristic appears best when the thickness of the magnetic metal layer 42 is substantially equal to the skin depth. In this case, the specific resistance of the magnetic alloy of the magnetic metal layer 42 is 7.2 × 10e−7 Ωm as in the first embodiment, whereas the specific resistance of aluminum constituting the nonmagnetic metal layer 43 is 2. 5 × 10e−8 Ωm, which is about 1/29. Further, the thickness of the portion through which the current flows is substantially the same. For this reason, if it is driven at a constant current, heat generation of only about 1/29 occurs near the Curie point temperature.
[0062]
When the magnetic metal layer 42 is thinner than the skin depth, a considerable amount of induced current flows through the nonmagnetic metal layer 43 on the outside even when the temperature is lower than the Curie temperature. The amount of induced current increases. In order to shorten the time from the start of energization until the target temperature is reached, that is, the warm-up time, the heat capacity of the metal roller may be lowered. Therefore, the thickness of the magnetic metal layer 42 is in the range of 50% of the skin thickness in which the heat capacity of the metal roller is reduced to 200% of the skin thickness in consideration of increasing the strength of the metal roller even if the self-temperature controllability is somewhat sacrificed. It is desirable to do. When the self-temperature control characteristic is given, the heat capacity can be lowered significantly by using the nonmagnetic metal layer 43 as compared with the first embodiment. Therefore, the heat capacity of the heat roller 41 can be lowered to shorten the warm-up time. it can
As described above, according to the second embodiment, the heat roller 41 has the two-layer structure of the magnetic metal layer 42 and the non-magnetic metal layer 43 having a lower resistance. The calorific value near the Curie point temperature can be remarkably reduced with respect to the calorific value at room temperature. In addition, the amount of heat generation when the temperature approaches the Curie point also becomes sharp, and the self-controlled temperature characteristics can be improved accordingly. It is also possible to enhance the shielding effect that reduces the influence of magnetic noise on the outside.
[0063]
(Embodiment 3)
Hereinafter, a fixing device according to Embodiment 3 of the present invention will be described.
[0064]
The fixing device according to the third embodiment switches the power supplied from the inverter circuit 8 to the exciting coil unit 4 in the operation mode and the low power mode with the same configuration as that of the first embodiment. Hereinafter, supply voltage control by the control circuit 9 will be described. In the following description, a case where the fixing device is applied to a laser printer will be described, but the same applies to a copying machine, a facsimile, and the like.
[0065]
FIG. 9 is a flowchart showing supply voltage control by the control circuit of the fixing device according to the third embodiment.
[0066]
First, at the time of start-up operation and printing operation, the control circuit 9 supplies operating power, for example, power of 1200 W to the exciting coil unit 4 by the inverter circuit 8. The exciting coil unit 4 induction-heats the heat roller 2. At this time, as described in the first embodiment, the temperature of the heat roller 2 is controlled to the fixing possible temperature of the toner 13 by self-temperature control.
[0067]
In step (hereinafter referred to as ST) 901, the control circuit 9 determines whether or not the operation is finished. If the operation has not ended, the determination is further repeated.
[0068]
When the operation is finished, in ST902, it is determined whether or not there is a waiting for execution of a printing process for the next document. When there is a waiting for execution, the process returns to ST901 and repeats from the operation end determination.
[0069]
When there is no waiting for execution, in ST903, the control circuit 9 starts counting time t.
[0070]
In ST904, it is determined whether or not an execution command is input. Here, the execution command is an execution command based on a printing process from a personal computer (hereinafter referred to as a PC), for example. In the case of a copying machine, it may be an execution command based on a copy operation by a user, for example, a key input such as a start key or a numeric keypad. If there is an execution command, the counting of time is stopped in ST905, and the process returns to ST901.
[0071]
On the other hand, if there is no execution command in ST904, it is determined in ST906 whether or not the time t has reached a predetermined time. If the time t is less than the predetermined time, the process returns to ST904 and the execution command is determined. In ST906, when the time t has reached a predetermined time, the control circuit 9 determines that the printing operation has not been started within the predetermined time, and in ST907, the supplied power is reduced to a low power mode setting value, for example, 200 W. .
[0072]
This set value is preferably electric power that is lower than the fixing temperature but can maintain the heat roller 2 at a temperature that can quickly return to the fixing temperature when power in the operation mode is supplied. Specifically, the power is set such that the heat roller 2 can be maintained at a temperature at which the fixing temperature can be restored within 30 seconds after the power supply is resumed in the operation mode. This set temperature can be obtained by experiment.
[0073]
According to the fixing device according to Embodiment 3 described above, it is possible to perform temperature control and power control without using a thermistor. That is, as the temperature control of the conventional fixing device, the temperature of the heat roller is detected using a thermistor, and the temperature of the heat roller is maintained at a standby temperature that can quickly return to the set temperature of the operation mode. The power supply is increasing or decreasing. However, if the temperature control using the thermistor is applied to the above-described self-temperature control type fixing device, the advantage of not using the thermistor is reduced.
[0074]
Therefore, according to the third embodiment, high power (referred to as first power) for which self-temperature control is performed is constantly supplied to the exciting coil unit 4 during operation. After the operation is completed, electric power (second electric power) that is lower than the first electric power and at which the heat roller 2 becomes lower than the fixing temperature is supplied to the exciting coil unit 4 constantly. According to the second power, the heat roller 2 can be maintained at a suitable standby temperature without using a thermistor. Thereby, thermistor-less temperature and power control can be achieved in the fixing device.
[0075]
In the third embodiment, after monitoring whether there is any execution command input within a certain time from the end of the operation, the power supply is reduced. However, the supplied power may be reduced immediately after the operation is completed.
[0076]
In addition to the two stages of the operation mode and the low power mode, many operation modes may be prepared according to the operation state of the image forming apparatus such as a printer or a copying machine, such as a standby time mode.
[0077]
In the following Embodiments 4 to 8, modifications of the induction heating unit of the fixing device will be described. In the following description, the magnetic alloy and the nonmagnetic alloy are the same as those described in the second embodiment.
[0078]
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a perspective view showing an induction heating unit of the fixing device according to Embodiment 4 of the present invention. In the fourth embodiment, the exciting coil 102 wound in a spiral shape is arranged outside the magnetic alloy 101 set to a suitable temperature with the Curie temperature so as not to contact the magnetic alloy 101 by an appropriate method. In addition, a nonmagnetic metal material 103 having a lower resistivity than the magnetic alloy 101 is disposed inside the magnetic alloy 101 with a space from the magnetic alloy 101.
[0079]
With the above configuration, only the magnetic alloy 102 is heated by the exciting coil 102, and a heating means with high thermal efficiency can be realized. In other words, according to the fourth embodiment, since the magnetic alloy 102 and the nonmagnetic metal material 103 are arranged with a space, the object to be heated by the excitation coil 15 is only the magnetic alloy 101. Compared to the case where the entire heat roller is heated, the heat target has a very small heat capacity. Even when the nonmagnetic metal material 103 is not in contact with the magnetic alloy 101, the magnetic operation is exactly the same. That is, when the temperature of the magnetic alloy 101 exceeds the Curie temperature, when the magnetic alloy 101 becomes nonmagnetic and magnetic flux passes through the magnetic alloy 101, an induced current flows through the nonmagnetic metal material 103 inside.
[0080]
As described above, according to the fourth embodiment, only the magnetic alloy 101 can be heated by the excitation coil 15, a fixing device with high thermal efficiency can be realized, and the time to reach a predetermined temperature can be shortened.
[0081]
(Embodiment 5)
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an induction heating unit of a fixing device according to Embodiment 5 of the present invention. In the fifth embodiment, as shown in FIG. 11, the position of the exciting coil 111 is set at a position where the object to be heated 112 and the magnetic alloy 101 are in contact or immediately before the magnetic alloy 101 is in contact with the object to be heated 112. It is arranged at the position. Further, in the fifth embodiment, the nonmagnetic metal material 103 is disposed so as to form an arc that faces a part of the magnetic alloy 101 with a space from the magnetic alloy 101. The direction of rotation of the magnetic alloy 101 is shown in the direction indicated by the arrow 114 in the figure. In the fifth embodiment, the pressure roller 115 is also made of a nonmagnetic metal material having a low resistivity.
[0082]
With the above configuration, the exciting coil 111 heats the position where the magnetic alloy 101 is in contact with the object to be heated 112 or the position immediately before it is in contact with the object to be heated 112. As a result, the magnetic alloy 101 at a predetermined temperature immediately heats the article 112 to be heated, the time during which the magnetic alloy 101 is at a high temperature is shortened, and the amount of heat released from the surface of the magnetic alloy 101 is reduced. A fixing device with low power can be realized.
[0083]
In the fifth embodiment, the nonmagnetic metal material 103 arranged to enhance the self-temperature controllability of the magnetic alloy 101 is an arc, and the action of the nonmagnetic metal material 103 is performed using a nonmagnetic metal material. The pressure roller 115 constructed is supplemented.
[0084]
(Embodiment 6)
FIG. 12 is a schematic diagram showing an induction heating unit of a fixing device according to Embodiment 6 of the present invention. In the sixth embodiment, the exciting coil 121 is disposed at a position where the object to be heated 112 and the magnetic alloy 101 are separated. Since the position of the exciting coil 122 is set to this position, it takes time until the magnetic alloy 101 rotates as shown by the arrow 20 and then contacts the object 112 to be heated. For this reason, the temperature of the part where the magnetic alloy 101 contacts the object to be heated is lower than the temperature of the part that is heated by the exciting coil 121, but the temperature distribution becomes more uniform.
[0085]
(Embodiment 7)
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an induction heating unit of a fixing device according to Embodiment 7 of the present invention. In the fixing device according to the seventh embodiment, the magnetic conductor film is induction-heated, and the electric resistance caused by the magnetic flux transmitted through the magnetic conductor film made nonmagnetic at the Curie temperature is embedded in the pressure roller. It was made to flow in a low non-magnetic material.
[0086]
By adjusting the composition, a magnetic conductor film 130 having a thickness substantially equal to the skin depth at a predetermined Curie temperature is passed through an exciting coil 132 wound around a ferrite 131 to cause induction heating by flowing a high-frequency current. The magnetic conductor film 130 rotates by sliding under the guide plate 133 made of resin or ceramic. Then, the paper 134 on which the toner powder is placed is sandwiched between the magnetic conductor film 130 and the pressure roller 135 and heated and fixed while being pressed.
[0087]
The pressure roller 135 is made of silicone rubber 136 having a resilient surface and serving as a heat insulating material. A nonmagnetic material 137 having a low electrical resistivity is embedded inside the pressure roller 135. Such a pressure roller 135 rotates around the shaft 138. With such a configuration, the magnetic conductor film 130 generates heat below the Curie temperature, and the induced current caused by the magnetic flux 139 transmitted through the magnetic conductor film 130 that has become non-magnetic when the Curie temperature is exceeded is embedded in the pressure roller 135. However, the amount of heat generated is reduced by flowing through the nonmagnetic material 137 having a low electrical resistivity, and the self-temperature control performance is exhibited.
[0088]
The nonmagnetic material 137 having a low electrical resistivity is preferably aluminum or copper, but may be a nonmetal such as carbon if the electrical resistivity is low. Also, the same material as the shaft 138 may be used.
[0089]
(Embodiment 8)
FIGS. 14A and 14B are schematic views showing an induction heating unit of the fixing device according to the eighth embodiment of the present invention. In the eighth embodiment, the magnetic conductor pipe 140 is heated from the outside by the exciting coil 141. A nonmagnetic material 142 having an electrical resistivity lower than that of the magnetic conductor pipe 140 is disposed inside the magnetic conductor pipe 140 via a space. If the heat insulating material 143 is wound around the surface of the nonmagnetic material 142 so as not to come into contact with the magnetic conductor pipe 140, the air can also have a heat insulating effect to reduce the heat capacity, and at the same time, the nonmagnetic material 142 and the heat insulating material having a low electrical resistivity. 143 may be fixed and only the magnetic conductor pipe 140 may be rotated.
[0090]
On the other hand, when the heat insulating material 143 is brought into contact with the magnetic conductor pipe 140 as shown in FIG. 14B, the strength of the magnetic conductor pipe 140 is reinforced by the nonmagnetic material 142 and the heat insulating material 143 having a low electrical resistivity. can do.
[0091]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the fixing device used in the image forming apparatus, the end of warming up can be detected without using a thermal sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a fixing device according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the fixing device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram from an inverter circuit to an exciting coil section of the fixing device according to the first embodiment.
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views showing the state of eddy current generation at temperatures below the Curie point and above the Curie point, respectively.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in the amount of heat generated with respect to the temperature of the heat roller in the first embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the surface temperature of the heat roller and the power of the exciting coil in the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of a fixing device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views showing the generation state of eddy currents at a temperature lower than the Curie point and at a temperature higher than the Curie point in the second embodiment, respectively.
FIG. 9 is a flowchart showing supply voltage control by the control circuit of the fixing device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing an induction heating unit of a fixing device according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an induction heating unit of a fixing device according to a fifth embodiment of the present invention.
12 is a schematic diagram showing an induction heating unit of a fixing device according to a sixth embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an induction heating unit of a fixing device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIGS. 14A and 14B are schematic views showing an induction heating unit of a fixing device according to an eighth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Fixing device
2 Heat roller
4 Excitation coil section
8 Inverter circuit
9 Control circuit

Claims

A magnetic conductor having a Curie point equal to or higher than the fixing temperature of the material to be fixed; excitation means for applying an alternating magnetic flux to the magnetic conductor; power supply means for supplying an alternating current to the excitation means; and the excitation from the power supply means Power detection means for detecting power supplied to the means, and determination means for determining that the magnetic conductor has reached the fixing temperature due to a decrease in detected power, and the magnetic conductor is cylindrical. A fixing device formed by laminating a nonmagnetic material having a lower resistance than the magnetic conductor on the outer peripheral side, and disposing the exciting means on the inner side of the nonmagnetic material layer .

A magnetic conductor having a Curie point equal to or higher than the fixing temperature of the material to be fixed; excitation means for applying an alternating magnetic flux to the magnetic conductor; power supply means for supplying an alternating current to the excitation means; and the excitation from the power supply means Power detection means for detecting the power supplied to the means, and determination means for determining that the magnetic conductor has reached the fixing temperature due to a decrease in the detected power, and sandwiching the magnetic conductor A fixing device, wherein a nonmagnetic material is disposed through a heat insulating layer so as to face the exciting means.

Feed means, the power during operation of the magnetic conductive reaches or exceeds the fixing temperature, after the operation completion claim 1 or and supplying each power magnetic conductor to a temperature lower than the fixing temperature in the excitation means The fixing device according to claim 2 .