JP4567492B2 - 誘導加熱用励磁コイルの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁誘導加熱方式の加熱装置に適用可能な励磁コイルおよびその製造方法に関し、特に電子写真装置あるいは静電記録方式を採用した複写機、ファクシミリ又はプリンタ等の画像形成装置において未定着画像を定着する定着装置に備えられる加熱装置に使用可能な励磁コイルおよびその製造方法に関する。さらに、本発明は、前記誘導加熱用励磁コイルを用いた電磁誘導方式の加熱装置、前記加熱装置を具備した電子写真装置・静電記録装置などの画像形成装置に関するものである。
一般に、プリンタ、複写機などの画像形成装置に備えられる定着装置は、省エネルギ化および高速化の為、ハロゲンランプ等に代えて、電磁誘導加熱方式の加熱装置を備えたものが広く採用されるようになってきている。かかる電磁誘導加熱方式の加熱装置は、発熱体に対し励磁コイルが生成した磁界を印加して、発熱体を加熱する。この加熱装置は、例えば、転写紙やOHPシートなどの記録媒体上に形成された未定着画像を加熱する定着装置として用いることができる。
ところで、かかる励磁コイルを備えた加熱装置は、円筒状をなす発熱ローラに励磁コイルが発生させた磁界を印加し、発熱ローラの表層を形成する導電層に渦電流を発生させ、この渦電流により生じるジュール熱によって導電層を加熱する。一般に、励磁コイルの形状は、円筒状をなす発熱ローラの外形に沿うような形状とすることが効果的である。定着ローラと発熱ローラと両ローラ間に張架した耐熱性の無端帯状ベルトとを備える定着装置が知られている。このような無端帯状ベルトを備える定着装置においても、発熱ローラ及び無帯状ベルトに沿うように、励磁コイルを近接配設することが望まれる。
また、励磁コイルを略円筒状に形成する場合、略円筒状のコイル形状を安定して保持するため、従来はコイル線材を略平面状に巻線した後、コイル形状保持部材ともに所望の形状(半円筒形状)に変形させていた(例えば特許文献1)。なお、励磁コイルを略円筒状に形成すると、発熱体の温度分布が不均一となる場合がある。発熱分布を均一化するために、励磁コイルと発熱体との距離を部分的に変化させて、部分的に励磁コイルを発熱体から遠ざけるように変形させることが提案されている(例えば特許文献2)。
特開2000−243545号公報 特開平9−26719号公報
しかしながら、定着ローラと発熱ローラとの間に無端帯状の耐熱性ベルトを張架する定着装置の場合、定着ローラよりも発熱ローラの径を小さくすると、無端帯状の耐熱ベルトが定着ローラに向かって扇状に拡がることになる。また、耐熱性ベルトは回転に伴い発熱ローラとの接触部位近傍において膨らみを生じることがある。
発熱ローラの曲率に合わせて略半円筒状に形成した励磁コイルを、発熱ローラに近接配置しようとしても、励磁コイルの開口側の端部が、扇状に拡がった耐熱性ベルト又は膨らみを生じた耐熱性ベルトと干渉する不具合が生じる。励磁コイルと耐熱性ベルトとの干渉を回避するためには、励磁コイルの配設範囲を発熱ローラと耐熱性ベルトとの接触部位Lに制限すれば良いが、それでは接触部位Lを越えるより広い範囲まで励磁コイルを近接配置して効率良く加熱したいとの要望に応えられない。また、励磁コイルと耐熱性ベルトとの干渉を回避するために、耐熱性ベルトと励磁コイルとの距離を干渉しない程に十分離したのでは、励磁コイルと発熱ローラとの間で磁気結合が悪くなり、発熱ロスが発生する課題がある。
なお、特許文献1では、平板状のコイル巻き治具上に平板状のコイル形状保持部材を固定し、前記コイル形状保持部材の平面上にコイル線材を略平面状に巻いたあと、コイルを加圧し、略平面状のコイルをコイル形状保持部材と一緒に軟化温度まで加熱してコイル表面形状にならった形状に変形させている。
しかしながら、加圧した平面状のコイルをコイル形状保持部材とともに所要に変形させるとき、略平面状に巻線された励磁コイル銅線の曲げ方向に対し、外側は銅線を延ばす方向に内側は圧縮する方向にストレスが加わる。この結果、銅線の絶縁被覆にストレスが加わり、絶縁被覆の劣化が問題となった。特に誘導加熱装置に使用する励磁コイル銅線は、銅線の細い素線を数十本撚り合せたリッツ線を使用するため顕著であった。
また特許文献2に開示されるように、発熱分布を均一化するために励磁コイルの曲げ量を利用すると、さらにコイルにかかるストレスは大きくなり銅線の絶縁被覆にかかる応力はさらに大きくなる課題があった。
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、発熱ローラと耐熱性ベルトとの接触部位に限定されずにそれよりも広い範囲で発熱ローラ及び耐熱性ベルトに近接配置可能な形状を有する誘導加熱用励磁コイルの製造方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決する為に、本発明の誘導加熱用励磁コイルは、第1の長手部と、第2の長手部と、前記第1の長手部と第2の長手部を連結する2つの渡り部と、で構成され、前記第1の長手部と前記第2の長手部は湾曲する方向が同一方向に湾曲され、前記第1の長手部と前記第2の長手部の少なくとも一方の、長手部の長手方向に対して垂直な断面の形状は、曲率の異なる少なくとも2つの領域で形成した誘導加熱用励磁コイルを、雄型と、雌型と、第1のプレス型と、雄型に配置した巻線ガイドと、雌型に配置した巻線ガイドとを備え、前記雄型に配置した巻線ガイドは外部制御手段により駆動される長手方向コイル長を形成する第2のプレス型とした構成とし、雄型と雌型を所定の位置で連結し、前記連結により生成された空隙に銅線を導いて雄型の外周に巻き込むようにして充填して巻線し、雄型と雌型の巻間に巻線した自己融着銅線の融着層部分を溶融手段で熱溶融し、前記第1のプレスと第2のプレス型にて所要形状に成形することにより製造することを特徴とする。
この構成により、耐熱ベルトの形状にあわせて、誘導加熱するための最適な磁界を形成する高精度の誘導加熱用励磁コイルの製造方法を提供できる。
本発明によれば、発熱ローラと耐熱性ベルトとの接触部位に限定されずにそれよりも広い範囲で発熱ローラ及び耐熱性ベルトに近接配置可能な形状を有する誘導加熱用励磁コイルの製造方法を提供できる。
本発明の骨子は、雄型と雌型とプレス型を有する金型でコイル保持部材に沿った形状に予め巻線成形することで、巻線後に銅線へ力を加えることが無いため高信頼性のコイルを提供できるとともに、雄型もしくは雌型の曲面形状を長手方向の一部を変えることで、定着器の長手方向全体で均一化することができるようにしたことである。
以下、本発明の実施の形態1について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付してその説明は繰り返さない。
(実施の形態1)
以下、励磁コイルを備えた加熱装置として定着装置の例を説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係わる画像形成装置を示す断面図である。図1において、電子写真感光体(『以下感光ドラム』という)11は、矢印の方向に所定の周速度で回転駆動されながら、その表面が帯電器12によってマイナスの暗電位V0に一様に帯電される。ビームスキャナ13は、図示しない画像読取装置やコンピュータ等のホスト装置から入力される画像装置の時系列的電気デジタル画素信号に対応して変調されたレーザビーム14を出力する。帯電された感光ドラム11の表面は、このレーザビーム14によって走査露光される。これにより、感光ドラム11の露光部分は電位絶対値が低下して明電位VLとなり静電潜像が形成される。この潜像は現像器15のマイナスに帯電したトナーによって現像され顕像化される。
現像器15は、回転駆動される現像ローラ16を備えている。現像ローラ16は感光ドラム11と対向して配置されており、その外周面には、トナーの薄層が形成される。現像ローラ16には、その絶対値が感光ドラム11の暗電位V0よりも小さく、明電位VLよりも大きい現像バイアスが印加されており、これにより現像ローラ16上のトナーが感光ドラム11の明電位VLにのみ転写されて、潜像が顕像化される。
一方、給紙部17からは記録材205が一枚ずつ給送され、レジストローラ対18を経て、感光ドラム11と転写ローラ19のニップ部へ、感光ドラム11の回転と同期した適切なタイミングで送られる。そして、感光ドラム11上のトナー像は、転写バイアスが印加された転写ローラ19により記録材205に順次転写される。記録材205が分離されたあとの感光ドラム11は、その表面の転写残りトナー等の残留物がクリーニング装置20によって除去され、繰り返し次の画像形成に供される。
定着ガイド21によって、転写後の記録材205の定着装置22への移動が案内される。記録材205は感光ドラム11から分離された後、定着装置22へ搬送され、これにより記録材205上に転写されたトナー像が定着される。排紙ガイド23によって定着装置22を通過した記録材205が装置外へ案内される。これらの定着紙ガイド21、排紙ガイド23は、ABSなどの樹脂によって構成されている。尚、定着ガイド21、排紙ガイド23は、アルミなどの非磁性体の金属によって構成することもできる。トナー像が定着された後の記録材205は排紙トレイ24へ案内される。
装置本体の底板25、装置本体の天板26、本体シャーシ27は、一体となって装置全体の強度を担うものである。これらの部材は磁性材料である鋼を基材とし、亜鉛メッキを施した材料によって構成されている。
冷却ファン28は装置内に気流を発生させる。またアルミなどの非磁性体の金属を含む遮蔽部材としてのコイルカバー29は、励磁コイル105及びアーチコア106の背面を覆うように構成されている。
次に、図1に示す画像形成装置に装備した定着装置について詳細に説明する。図2は定着装置の構造を示す側断面図である。
図2に示す定着装置は、円筒状をなす第1の回転体としての発熱ローラ201と、該発熱ローラ201から離間配置された定着ローラ202とを備える。発熱ローラ201と定着ローラ202との間に第2の回転体としての無端帯状の発熱ベルト203を張架している。発熱ベルト203は定着ローラ202の回転により矢印A方向に回転する。定着ローラ202に対して発熱ベルト203を挟んで加圧ローラ204を圧接させている。定着ローラ202に加圧ローラ204を圧接させることにより両者間にニップ部を形成する。発熱ローラ201と定着ローラ202との中間点において発熱ベルト203の温度を検出する温度センサ112を備える。
一方、発熱ベルト203を挟んで発熱ローラ201の外周面の半分以上を覆うように励磁コイルユニットを設けている。励磁コイルユニットは、発熱ローラ201と発熱ベルト203とが接触する接触部位L及び接触部位Lから発熱ベルト203の入側及び出側に所定距離だけ伸びた領域(以下、非接触部位と呼ぶ)までの広い範囲にわたり、近接配置されている。
図3(a)は励磁コイルユニットの上面図であり、図3(b)は同図(a)におけるA−A断面(又はB−B断面、C−C断面)を示す図である。また、図4(a)は励磁コイル105の外観図であり、図4(b)は励磁コイル105の側面図、図4(c)は同図(b)におけるF−F断面を示す図である。
励磁コイルユニットは、交番磁界を発生する励磁コイル105と、励磁コイル105の背面を覆うアーチ状に形成されたアーチコア106と、励磁コイル105の巻回中心に配置されたセンターコア107と、励磁コイル105の巻回束の両端に配置されたサイドコア108と、を有する。コアの材料は、フェライト、パーマロイ等の強磁性体を用いることができる。
センターコア107とサイドコア108はアーチコア106と共に磁路を構成している。このため発熱ベルト203の外側では、励磁コイル105によって生成された磁束の大半がこの3種類のコアを通過しコアの外部への漏洩磁束を減らしている。なお、これら3種類のコアは必ずしもすべてが必要でなく、1種類の場合もあるし、いくつか組合せる場合もあるし、ない場合もある。なお、センターコア107及びサイドコア108はアーチコア106と一体でもよいし別々の部材を組み合わせてもよい。
励磁コイル105、アーチコア106、センターコア107、サイドコア108をコイル保持部材109に固定している。コイル保持部材109は、概略的には半円柱状をなす半円柱状部109aと、該半円柱状部109aの両側の外縁部から水平方向にそれぞれ延出したフランジ部109bとを有する。コイル保持部材109の双方のフランジ部109bに長尺な2本のサイドコア108をそれぞれ配置している。励磁コイル105はコイル保持部材109の半円柱状部109aと略同一形状を有しており、コイル保持部材109に巻き付けることなく、半円柱状部109a上に載置している。励磁コイル105は、その中央部に長手方向に沿って開口部105d(図4)を形成しており、その開口部105dにセンターコア107を配置している。コイル保持部材109の長手方向の複数箇所で励磁コイル105及びセンターコア107を跨ぐように複数のアーチコア106を配置している。
コイル保持部材109は発熱ローラ201と励磁コイル105との断熱部材としても機能する。発熱ローラ部分の温度は、定着温度の例えば170℃に達するため、近接している励磁コイル105へ輻射熱をコイル保持部材109が遮断し、励磁コイル105の発熱を抑制できる。
発熱ローラ201の内部に対向コア110を配置している。なお、対向コア110の材料は、フェライト、パーマロイ等の強磁性体を用いることができる。対向コア110は、前記励磁コイル105で生成される磁束の大半が前記対向コア110を通るので、励磁コイル外側への漏洩磁束が少なく、励磁コイルの磁束を有効に活用できる。
ここで、励磁コイル105の形状について詳しく説明する。上記したように、励磁コイル105はコイル保持部材109の半円柱状部109aに載置するため、半円柱状部109aと略同一形状を有している。なお、必ずしも励磁コイル105の形状を半円柱状部109aと略同一形状にする必要はないが、安定設置の観点から同一形状の方が望ましい。
半円柱状部109aは、接触部位L(図2)に対向する対向部位109cを発熱ローラ201と略同一の曲率面に形成していて、接触部位Lに対する対向部位109cの先端からフランジ109bまでの延出部109dを定着ローラ202に向かって扇状に拡がる発熱ベルト203にほぼ一定の距離で近接するが、接触しない角度にて延出した略平坦面に形成している。
これにより、発熱ローラ201が定着ローラ202の径よりも小さいために発熱ベルト203が定着ローラ202に向かって扇状に拡がっていても、接触部位Lに対しては対向部位109cが同一の曲率で均一の距離で近接配置され、接触部位L先端からベルト入側及び出側の双方に伸びる非接触部位に対しては延出部109dが発熱ベルト203にほぼ均一の距離で近接配置される。
励磁コイル105を、コイル保持部材109の半円柱状部109aと略同一形状にすることにより、励磁コイル105をコイル保持部材109と同様に、接触部位Lに対しては同一の曲率で均一の距離にて近接配置でき、接触部位L先端からベルト入側及び出側の双方に伸びる非接触部位に対しては発熱ベルト203にほぼ均一の距離で近接配置できる。
すなわち、図4(c)に示すように、励磁コイル105は、発熱ローラ201と同一の曲率となる接触部位Lに対向する曲面部105aは発熱ローラ201と同一の曲率に形成しており、接触部位L先端からベルト入側及び出側の双方に伸びる非接触部位に対向する延出部105bは扇状に拡がる発熱ベルト203に対して略一定の距離となる略平坦面に形成している。
このように、励磁コイル105の形状を、接触部位Lの曲率面及び非接触部位の曲率面(本例では曲率無限大となる平面)に対応して、それぞれの対向箇所において同一の曲率面又は平面を持つようにしたので、発熱ベルト203の表面の導電層を流れる渦電流の発生面積を増大させることができ、発熱ベルト203の発熱量を増大させることができる。
なお、図2に示す定着装置では励磁コイルユニットから磁界を印加される対象が、一様の曲率を有する接触部位Lと扇状に拡がる平坦部とであったので、励磁コイル105(及びコイル保持部材109)の形状をそれに合わせて曲率面(105a)と平坦面(105b)とで構成したが、磁界印加対象が別の形状をしている場合は該形状に合わせて第1の曲率面と第2の曲率面の組合せや、延出部の一方が平坦部で他方が第1の曲率面と異なる曲率を有する第2の曲率面とすることもできる。
図5(a)(b)(c)に励磁コイルの形状の変形例を示す。
図5(a)に示す変形例は、励磁コイル105のベルト入側において曲面部105aから延出した延出部H1を対向する発熱ベルト203と略平行に延出させて平坦面状に形成し、ベルト出側において曲面部105aから延出した延出部H2を発熱ベルト203の膨らみに対応した曲率を有する曲率面にて形成している。
定着装置によっては、ベルト入側では膨らみが生じないが、ベルト出側において外側に膨らみが発生する場合がある。このような定着装置に適合させるためには、左右の延出部H1,H2の曲率(平面を含む)をベルトの状態に応じて変える必要がある。図5(a)に示す変形例によれば、ベルト出側においてだけ外側に膨らみが発生する特性を持つ定着装置において励磁コイル105と発熱ベルト203との距離を一定に保ち、均一の磁界を印加できる。
図5(b)に示す変形例は、励磁コイル105のベルト入側及びベルト出側の双方において曲面部105aから延出した双方の延出部H1を各々対向する発熱ベルト203と略平行に延出させて平坦面状に形成した例である。特に、延出部H1を、発熱ローラ201の回転軸を通る水平線よりも定着ローラ202側に延ばしている。従来は励磁コイル全体を一様な曲率面に形成していたので長さを十分に確保することは難しいが、本発明製品は図5(b)に示すように発熱ベルト203のベルト入側及びベルト出側の双方において膨らみが発生しない場合には延出部H1の長さを十分に確保できる。なお、図5(a)(c)に示す変形例では延出部H1、H2の曲率形状をベルトの状態に応じて均一距離が保たれるように成形しているので、図5(b)に示す変形例と同様の長さを確保できている。
このように、励磁コイル105における延出部H1の長さを十分に確保することにより、これまでよりも広い範囲で均一に磁界を印加できるので、発熱効率を改善させることができる。
図5(c)に示す変形例は、励磁コイル105のベルト入側において曲面部105aから延出した延出部H2を対向する発熱ベルト203の膨らみに対応した曲率の曲率面にて形成し、ベルト出側において曲面部105aから延出した延出部H2を発熱ベルト203の膨らみに対応した曲率の曲率面にて形成している。
定着装置によっては、ベルト入側及びベルト出側の双方において膨らみが発生する場合がある。このような定着装置に適合させるためには、左右の延出部H2,H2の曲率をベルトの膨らみ状態に応じて湾曲させる必要がある。図5(c)に示す変形例によれば、ベルト入側及びベルト出側の双方において膨らみが発生する特性を持つ定着装置において励磁コイル105と発熱ベルト203との距離を一定に保ち、均一の磁界を印加できる。
図5(a)(b)(c)に示す励磁コイルにおいて各延出部(H1,H2)は、発熱ローラ201の回転中心(原点O)を通る水平線より定着ローラ側へ5mmだけ延出させている。実験の結果、発熱ベルト203が170°Cまで立ち上がるのに要する時間を2秒短縮できることが判明した。延出部(H1,H2)の長さは、発熱ローラ201の原点Oを通る水平線より定着ローラ側へ10mm以下にすることが望ましい。10mmを越えると、発熱ローラ201内に配置された対向コア110との結合の効果が少なくなるからである。
次に、定着装置を構成する構成要素の材料について説明する。
発熱ローラ201は、たとえばFe、Ni、及びその合金類(SUS等)の中空円筒状の強磁性金属部材からなり、外径がたとえば10mm〜30mm、肉厚がたとえば0.1mm〜0.2mmとされて、低熱容量で昇温の速い構成となっている。
定着ローラ202は、たとえばSUS等の金属製の芯金202aと、耐熱性を有するシリコーンゴムをソリッド状または発泡状にして芯金202aを被覆した弾性部材202bとを含む。そして、加圧ローラ204からの押圧力でこの加圧ローラ204との間に所定幅の接触部(ニップ部N)を形成するために外径を20mm〜40mm程度として発熱ローラ201より大きくしており、弾性部材202bの肉厚を3〜8mm程度、硬度を15〜50°(Asker C)程度としている。
これにより、発熱ローラ201の熱容量が定着ローラ202の熱容量より小さくなるので、発熱ローラ201が急速に加熱されてウォームアップ時間が短縮される。
発熱ベルト203は、基材がガラス転移点360(℃)のポリイミド樹脂中に導電性の粉末、例えば、鉄粉、Al粉、銀粉、銅粉当を分散して導電層を形成した直径30mm〜60mm、厚さ40μm〜100μmの薄肉の無端状ベルトで構成されている。前記導電層は、厚さ10μm銀層を2〜3積層した構成としてもよい。また、さらに、この発熱ベルト203の表面には、離型性を付与するために、フッ素樹脂を含む厚さ5μmの離型層(図示せず)を被覆してもよい。発熱ベルト203の基材のガラス転移点は、200(℃)〜500(℃)の範囲であることが望ましい。さらに、発熱ベルト203の表面の離型層としては、PTFE、PFA、FEP、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の離型性の良好な樹脂やゴムを単独であるいは混合して用いてもよい。
なお、発熱ベルト203の基材の材料としては、上述のポリイミド樹脂の他、フッ素樹脂等の耐熱性を有する樹脂、電鋳によるニッケル薄板及びステンレス薄板等の金属を用いることもできる。例えば、この発熱ベルト203は、厚さ40μmのSUS430(磁性)又はSUS304(非磁性)の表面に、厚さ10μmの銅メッキを施した構成のもの、あるいは厚さ30〜60μmのニッケル電鋳ベルトであってもよい。
また、発熱ベルト203は、モノクロ画像の加熱定着用の像加熱体として用いる場合には離型性のみを確保すればよいが、この発熱ベルト203をカラー画像の加熱定着用の像加熱体として用いる場合にはゴム層を形成して弾性を付与することが望ましい。
加圧ローラ204は、たとえばSUSまたはAl等の熱伝導の高い金属製の円筒部材を含む芯金204aと、この芯金204aの表面に設けられた耐熱性およびトナー離型性の高い弾性部材204bとから構成されている。
励磁コイル105に使用する銅線は、素線径φ0.05〜φ0.2の線を束ねたリッツ線束を1〜10束組み合わせて形成される。リッツ線束の外径は最大で2mmの外径の線束を組み合わせて使用しており、コイル厚みは2mmの厚みにできる。さらに薄いコイル厚みに対応するために、リッツ線の1束の撚り本数を10〜40本で構成することができる。なお、リッツ線の外径は、JIS C3005によれば、(数1)で算出できる。
Figure 0004567492
なお、Dはリッツ線の外径、dはリッツ線の素線の外径、nは素線本数である。
リッツ線束を複数束組み合わせて同時に巻線することにより、巻間にあわせて励磁コイルの厚みの厚い部分と励磁コイルの薄い部分とが巻線できるようになる。また、素線径がφ0.2より大きい線径では高周波の交流電流による電気抵抗が大きくなり、励磁コイルの発熱が過大となる。
以上の定着装置の構成において、励磁コイル105には駆動電源(指示せず)から10kHz〜1MHzの高周波交流電流、好ましくは20kHz〜800kHzの高周波交流電流が給電され、これにより励磁コイル105、アーチコア106、センターコア107およびサイドコア108と対向コア110間に交番磁界を発生する。そして、発熱ローラ201と発熱ベルト203との接触部位Lおよびその近傍部位である非接触部位においてこの交番磁界が発熱ローラ201に作用し、これらの内部では上記の磁界の変化を妨げる方向に渦電流が流れる。
この渦電流が発熱ローラ201の抵抗に応じたジュール熱を発生させ、主として発熱ローラ201と発熱ベルト203との接触部位Lおよびその近傍部位である非接触部位において発熱ローラ201が電磁誘導発熱して加熱される。
このようにして加熱された発熱ベルト203は、定着ニップ部Nの入口側においてサーミスタなどの熱応答性の高い感温素子を含む温度センサ112により、ベルトの内面温度が検知される。
これにより、温度センサ112が発熱ベルト203の表面を傷付けることがないので、定着性能が継続的に確保されるとともに、発熱ベルト203の定着ニップ部Nに入る直前の温度が検知される。そして、この温度情報を基に出される信号に基づき加熱装置100への投入電力を制御することにより、発熱ベルト203の温度がたとえば170℃に安定維持される。
定着装置の上流側に配設された画像形成部(図示せず)において記録材205上に形成されたトナー画像206が定着ニップ部Nに導入される際には、励磁ユニット及び発熱ローラ201等を含んだ加熱装置100により加熱された発熱ベルト203の表面温度と裏面温度との差が小さくなった状態で定着ニップ部Nに送り込まれる。そのため、ベルト表面温度が設定温度に対して過度に高くなる、いわゆるオーバーシュートを抑え安定した温度制御を行うことが可能になる。
以下、励磁コイルの製造方法について説明する。
最初に励磁コイル105を製造する巻線機の構造について図6〜図11を参照して説明する。
図6は上述した励磁コイル105を製造する巻線機の斜視図であり、雄型と雌型とを離間した状態を示している。図7(a)(b)は雄型と雌型とが嵌合した状態を示していて、同図(a)は側面図、同図(b)は同図(a)におけるG−G断面を示す図である。図8は図7(b)の拡大図である。
この巻線機は、雄型301と、該雄型301との間に巻線空隙部S(図8)を形成して嵌合する雌型302とを備える。
雄型301は、その長手方向の全幅に亘り雌型302側に略U字形に突出した半円柱状の凸部301aを有する。図9(a)は凸部301aの断面形状を示している。凸部301aの半円柱状をなす先端部(領域C)は前述した接触部位Lの曲率形状と同一の曲率面を有している。当該先端部(領域C)から上方に連続する所定範囲(領域H)は前述した非接触部位と同一角度で扇状に拡がる平面形状を有している。すなわち、製品である励磁コイル105と同一形状を有する。なお、図5(a)(b)(c)に示す形状の励磁コイルを製造する場合は、各図に示す励磁コイルと同一形状を有する凸部301aを用いることは言うまでもない。
雄型301の凸部301aの中央にはセンターキ305を配設し、凸部301aの両側面には第1のプレス部303を凸部301aの側面に対して摺動自在に配置し、凸部301aの長手方向の両端には凸部301aとは別体で雄型巻線ガイド304をそれぞれ配置している。
雄型301は第1のプレス部303によるプレス方向と直交する水平面内で回転可能な回転板401に固定している。また第1のプレス部303は巻線機上側のプレス取付板(図示せず)に固定している。
図7(a)に示すように、第1のプレス部303の両側の側壁から雄型巻線ガイド304の上方に突出させた取り付け部303a、303bに対して雄型ガイド駆動部307をそれぞれ固定している。雄型ガイド駆動部307はエアーシリンダ等を駆動源にした駆動装置で構成される。各雄型ガイド駆動部307を介して各雄型巻線ガイド304を保持している。
図11(a)(b)に巻線空隙部Sに詰めた銅線束Wと第1のプレス部303と雄型巻線ガイド304との関係を示す。同図に示すように、雄型巻線ガイド304には、雄型ガイド駆動部307への取り付け側の上端部から下面に掛けての側面にテーパ304aを形成している。テーパ304aは巻線時に銅線を巻線空隙部Sへ導くように作用する。また雄型巻線ガイド304は、巻線空隙部Sへ導かれて凸部301aに巻回された銅線束を、その長手方向の両側からプレスする時に該銅線束を押圧する押圧部304bを有している。各雄型ガイド駆動部307は、雄型301の凸部301aに巻回した銅線束を、その長手方向の両側からプレスする時に雄型巻線ガイド304を矢印A方向へ移動させる(図11(b))。
一方、図8,図9(b)に示すように、雌型302は、雄型301の凸部301aに対応した曲面形状に形成された凹部302aを有する。凹部302aの中央部にはセンターキ305が嵌合する溝302bを設けている。雌型302の凹部302aは雄型301の凸部301aよりも僅かに大きいサイズにしており、図8に示すように雄型301と雌型302とを嵌合させたときに、凸部301aと凹部302aとの間に巻線を挿入可能な一様な幅の巻線空隙部Sを形成するようにしている。巻線空隙部Sの厚さは1〜5mmが望ましい。
図6に示すように、雌部302の凹部302aを形成している両側壁の長手方向の端部に切り欠きを設けて巻初め引出口308及び巻終わり引出口309を形成している。巻終わり引出口309の直上に位置する凹部302a側壁の端面に雌型巻線ガイド306を設けている。同様に、巻初め引出口308を形成した凹部302a側壁端面とは逆側の側壁端面にもう一つ雌型巻線ガイド306を設けている。雌型巻線ガイド306は、雄型巻線ガイド304によって巻線空隙部Sへ落とし込まれた導線を再び引き上げるように作用するものである。そのため、雌型巻線ガイド306は凹部302a側壁上部の取り付け位置から巻線空隙部Sの底近傍まで先端部が伸びていてテーパ306aを形成している。
雌型302の下端面は巻線下側の回転板402に固定している。回転板402の上面には巻初め引出口308の近傍に通電電極の一方の端子310aを設置し、巻終わり引出口309の近傍に通電電極の他方の端子310bを設置している。
ここで、雌型302に形成した凹部302aの形状について説明する。図9(b)は雌型302に設けた凹部302aの断面図である。凹部302aは、雄型301が嵌合したときに凸部301aの半円柱状をなす先端部(領域C)と対向する底近傍面(領域C)は前述した接触部位Lの曲率形状と同一の曲率面を有している。当該底近傍面(領域C)から上方に連続する所定範囲(領域H)は前述した非接触部位と同一角度で扇状に拡がる平面形状を有している。
雄型301、雌型302、第1のプレス部303、および雄型巻線ガイド304の材料は、Fe、Al、真鍮、Fe合金、Al合金等の金属で構成する。金型表面は、金属メッキ加工や、防錆手段で保護する。前記メッキは、Niメッキや銅メッキ、硬化クロムメッキ等をしてもよい。雌型巻線ガイド306は、Fe、Al、真鍮等の金属およびFeを含む合金の金型でもよいし、Fe,Al、真鍮等の金属ワイヤーを曲げ加工して取り付けてもよい。メッキ厚みは1〜10μm程度が望ましい。
次に、以上のように構成された巻線機による励磁コイルの製造工程について説明する。
図6に示す巻線機の原点位置で、巻線機を起動すると、雄型301が所定の位置まで下側に移動し、図7(a)(b)及び図8に示すように、雄型301と雌型302とが嵌合して両者間に巻線空隙部Sが形成される。本例では1〜5mm程度の巻線空隙部Sが形成される。
次に、複数束の銅線を巻線空隙部Sに導いて、図10(a)に示すように凸部301aの外周に巻き込むようにして巻線空隙部Sに銅線を充填する。具体的には、図示していないノズルが複数束の銅線を同時に掴んで銅線先端部を通電電極端子310aに巻回して固定する。該銅線を雌型302の巻始め引出し口308に引っかけ、雄型301と雌型302とを嵌合した状態で回転板401、402を回転させる。回転速度は、例えば20〜200回転/分に設定する。巻線速度が200回転/分より早くなると金型が遠心力で振れ、雄型301と雌型302の嵌合がゆるむ場合もあり、特性に影響する場合がある。
回転板401、402が回転を始めると、銅線は、雄型巻線ガイド304と雌型巻線ガイド306により巻線空隙部Sの内側から順番に詰められて巻線される。このとき、雄型巻線ガイド304は巻線している銅線が巻型(雄型301と雌型302)の長手方向の端部に来たら銅線を巻線空隙部Sの底部方向へ押し込むようにテーパ304aが作用する。これにより、図11(a)に示すように、巻型に詰められた導線は雄型巻線ガイド304と対向する位置において水平方向に積層された状態となる。一方、雌型巻線ガイド306は巻型(雄型301と雌型302)の長手方向の端部において巻線空隙部Sの底部へ押し下げられた銅線を引き上げるようにテーパ306aが作用する。これにより、図11(a)に示すように、巻型に巻線した銅線は両端を除いて垂直方向に積層された状態となる。
所定の巻数、例えば10ターンが巻かれると、銅線は巻き終わり引出し口309から引き出され、もう一つの通電電極310bに接続される。図10(a)、図11(a)は所定の巻数だけ巻かれた直後のプレス前の状態を示している。
銅線の巻き始めと銅線の巻き終わりが接続された両電極間310a、310bは、直流電源(図示しない)に接続される。前記直流電源から両電極間310a、310bに所定の通電電流、例えば直流電流150A〜250Aの電流を所定時間、例えば1.5秒〜3.0秒流す。この結果、銅線に流れるジュール熱により、銅線温度が150〜250℃まで上昇し、銅線表面を覆う融着層のポリイミド等の樹脂部が溶融する。銅線の発熱は、下記(数2)にて算出できる。
Figure 0004567492
ここで、
R:巻線コイル全抵抗、l:銅線全長、ρ:銅線の抵抗率、A:銅線の全断面積
Q:発熱量、t:通電時間、m:銅線の全質量、C:銅線の熱容量
ΔT:銅線の温度上昇、I:通電電流
である。
銅線表面の融着層が溶融した後、図10(b)に示すように、すぐに第1のプレス部303を雌型302側(下方向)の所定位置まで移動させる。第1のプレス部303を下方向へ移動させると、巻線空隙部Sよりも僅かに小さい幅を有する第1のプレス部303の先端部押圧片303aが、雄型301の凸部301aの側壁面を摺動して巻線空隙部Sに入り込み、巻線空隙部S内に積層されている銅線束を押圧する。銅線束を構成している各銅線は融着層が溶融しているので、第1のプレス部303による第1方向のプレスによって隣接銅線同士が強い圧力の下で密着したまま冷却され、そのような密着状態のまま溶融固化する。第1のプレス部303による第1方向のプレスにより、図11(b)に示すように巻線空隙部Sの深さ方向に積層されている銅線束が同方向にプレスされる。図10(b)は第1のプレス部303によるプレス直後の状態を示している。
第1のプレス部303による第1方向のプレスと同時期に、一対の雄型巻線ガイド304を第2のプレス部とした第2方向のプレスが行われる。雄型巻線ガイド304の押圧部304bは、図11(a)に示すように、巻線空隙部Sの深さ方向と直行する水平方向に積層された銅線束Wの最外周部の銅線と対向している。雄型巻線ガイド304は、雄型ガイド駆動部307により雄型301方向へ所定量移動させられる結果、押圧部304bと雄型301の凸部301a(長手方向の端面)との間に挟まれた銅線束が雄型301方向となる第2方向へプレスされる。銅線束を構成している各銅線は融着層が溶融しているので、第2のプレス部(雄型巻線ガイド304)による第2方向のプレスによって隣接銅線同士が強い圧力の下で密着したまま冷却され、そのような密着状態のまま溶融固化する。第2のプレス部(雄型巻線ガイド304)による第2方向のプレスにより、図11(b)に示すように巻線空隙部Sの深さ方向と直交する方向に積層されている銅線束が同方向にプレスされる。第2方向のプレスにより励磁コイルのコイル長が決定される。
ここで、通電完了直後からプレス移動開始までの時間は、3秒以下に設定するのが望ましい。その後、コイル部は冷却された後、雄型301が原点位置まで上昇移動し、成形された励磁コイルが巻型(雄型301と雌型302)から取り出される。ここで冷却手段としては、自然空冷でよいし強制空冷でもよいし、ほかの手段たとえば水冷でもよい。また冷却時間は、20秒以上が望ましい。
かかる製造工程により成形した励磁コイル105は、形状がコイル保持部材109に沿って成形されているので、巻線されたものをコイル保持部材109にあわせて変形加工をする必要がなく信頼性上優位であるばかりでなく、銅線の融着層で固着成形されているので、手で取り扱っても銅線がばらばらにならず、取り扱いが容易であり生産性もよい。
励磁コイル105の長手方向の長さは、発熱ローラ201の回転軸方向について発熱ベルト203と発熱ローラ201とが接する領域と同じ長さになるように雄型巻線ガイド304の可動寸法で調整している。
これによれば、励磁ユニットにより電磁誘導加熱される発熱ローラ201の領域が最大となり、発熱している発熱ローラ201の表面と発熱ベルト203とが接する時間も最大となるので、伝熱効率が高くなる。
図12は図6に示した巻線機とは異なるタイプの巻線機を示す外観図である。なお、図6に示す巻線機の各部と同一構成要素には同一符号を付する。
図6に示す巻線機は、雄型301および雌型302が回転する回転板上に設置され、回転板を回転させることで、銅線を巻型の巻間に内側から順に巻線する方法であった。ところが、図12に示す巻線機は、巻型は固定された板の上に設置され、フライヤー401を設けて銅線はフライヤー401の先端に設けたノズル402を通して巻型に巻線するように構成した。この構成では、基本的巻型は変更することなく、巻型に比べて軽い材料で構成できるので、巻線速度を速めることができ、生産性をあげることができる。
上述した励磁コイルの製造方法によれば、巻間に詰めた銅線に通電して銅線の融着層を溶融してからプレスして成形し、その後、冷却して溶融固化するので、成型後の励磁コイルの形状が非常に安定しているといった利点がある。励磁コイルの厚さが不均一であっても一体化されたままであり形状が安定している。従来の励磁コイルの製造方法では、プレス後に強引に曲面状に曲げているので本発明製品のような形状の安定性を得ることは困難である。まして、励磁コイルの厚さが不均一であれば形状の不安定性は高まるばかりである。
一方、励磁コイルと発熱ベルト(発熱ローラ)との間の距離を一定にできても、定着装置の特性によっては発熱ベルトに温度分布の不均一性が生じることがある。本発明の励磁コイルの製造方法によれば、そのような定着装置に対しても、発熱量の高い部分を前記励磁コイルの巻型の形状を変えて薄く成型することで、温度分布の均一化を図ることができる。
図13(a)〜(e)に雄型301の凸部301aを部分的に変形させた例を示す。図13(a)における平面Aでの断面を図13(b)に示し、図13(a)における平面Bでの断面を図13(d)に示す。なお、図9(a)に示す雄型301と同じ部分には同一符号を付している。また、雌型302は図9(b)に示すものと同じであるものとする。
図13(a)に示すように、励磁コイルの所要位置の厚さを薄くする目的で該所要位置となる2箇所に突出部301b、301cを設けている。突出部301b、301cの高さが高いほど所要位置の厚さを薄くする効果があるが、嵌合した雄型301と雌型302との間に形成される巻線空隙部Sの幅よりも低くする必要がある。
図13(c)は突出部301b、301cを有する雄型301に銅線を巻線した状態を示している。突出部301b、301cを形成した範囲Δtでは成型後の励磁コイル105の厚さが他の部分よりも薄くなっている。
一方、図13(d)に示すように、厚さを薄くする必要のある所要位置以外は上述したように曲率の異なる2つの領域(C,H)で形成されているので、図13(e)に示すように均一な厚さの励磁コイルであって曲率の異なる2つの領域(C,H)が形成されている。
なお、図13(a)に示す雄型301を用いた励磁コイルの製造工程は、上記同様であり、巻間に充填した銅線に通電して銅線の融着層を溶融してからプレスして成形し、その後、冷却して溶融固化する。
図14(a)〜(e)に雌型302の凹部302aを部分的に変形させた例を示す。図14(a)における平面Aでの断面を図14(b)に示し、図14(a)における平面Bでの断面を図14(d)に示す。なお、図9(b)に示す雌型302と同じ部分には同一符号を付している。また、雄型301は図9(a)に示すものと同じであるものとする。
図14(a)に示すように、励磁コイルの所要位置の厚さを薄くする目的で該所要位置となる2箇所に膨出部302c、302dを設けている。膨出部302c、302dの高さが高いほど所要位置の厚さを薄くする効果があるが、嵌合した雄型301と雌型302との間に形成される巻線空隙部Sの幅よりも低くする必要がある。
図14(c)は膨出部302c、302dを有する雌型302によって製造した励磁コイルの平面Aによる断面図である。膨出部302c、302dを形成したでは成型後の励磁コイル105の厚さが他の部分よりも薄くなっている。
図14(d)に示すように、厚さを薄くする必要のある所要位置以外は上述したように曲率の異なる2つの領域(C,H)で形成されているので、図14(e)に示すように均一な厚さの励磁コイルであって曲率の異なる2つの領域(C,H)が形成されている。
なお、図14(a)に示す雌型302を用いた励磁コイルの製造工程は、上記同様であり、巻間に充填した銅線に通電して銅線の融着層を溶融してからプレスして成形し、その後、冷却して溶融固化する。
図15(a)は、雄型301の断面の一例を示す図である。雄型301の凸部表面に設けた突出部を円弧形状にしている。円弧状の突出部をいくつか設けてもよい。また、図15(b)は、雌型302の断面の一例を示す図を示している。雌型302の凹部表面に設けた膨出部を円弧形状にしている。円弧状の膨出部と元の曲線部も円弧で連結する構成でもよい。
また、以上の説明では金型形状を部分的に変える方法について述べたが、定着装置に使用する発熱ベルトは、ベルトの中央部から端部にいくに従って端部の放熱による温度が低下する傾向があるため、Δtの値を中央から端部に行くに従って連続的に変化させる構成をとることで定着部の発熱対全体に渡って均一にすることができる。
図16(a)は励磁コイルの厚さを部分的(Δt)に薄くした励磁コイルユニットの断面図を示している。このように励磁コイルの厚さを部分的(Δt)に薄くした場合、定着ローラ上の発熱量は図16(b)に示す発熱分布となる。このように、部分的(Δt)に薄くした部分は発熱量が低下している。
なお、図17(a)は励磁コイルの厚さを均一にした励磁コイルユニットの断面図を示している。励磁コイルの厚さを均一にした場合の定着ローラ上の発熱量は励磁コイルの中央部で最も高くなる(図17(b))。
このように、励磁コイルの厚みを調整することで、発熱体の温度を調整することができるので、発熱体上の渦電流量が減少し、発熱体の温度を長手方向全体に渡って細かく調整することができる。
従って、励磁コイルは、定着装置の発熱ベルトが部分的に温度分布の不均一性が生じた場合に、発熱量の高い部分を前記励磁コイルの巻型の形状を変えることで、細かく調整ができる。
前記実施の形態では、雄型301および雌型302のどちらかの巻型の形状を一部変化させる構成について説明したが、雄型301および雌型302の両方で金型のカーブを変化する構成を取ってもよい。
また、前記実施の形態では、雄型301または、雌型302の曲面形状の厚みだけ大きくする構成で説明したが、巻型の空隙を狭くする構成であればいろいろな構成をとってよい。例えば図14の様に円弧と直線を組み合わせた構成をいくつか組み合わせてもよい。
本発明に係る励磁コイルは、励磁コイルを用いた電磁誘導方式の加熱装置、前記加熱装置を具備した電子写真装置・静電記録装置などの画像形成装置に利用できる。
本発明の実施の形態に係わる励磁コイルを定着装置として用いた画像形成装置を示す断面図 本発明の実施の形態に係る定着装置を示す説明図 (a)図2の定着装置における誘導加熱手段の励磁コイルユニットを示す平面図、(b)図2の定着装置における誘導加熱手段の励磁コイルユニットを示す断面図 (a)本実施の形態の励磁コイル単体の斜視図、(b)本実施の形態の励磁コイル単体の正面図、(c)本実施の形態の励磁コイル単体のF−F断面図 (a)変形例に係る励磁コイル、発熱ローラ、発熱ベルトの側面図、(b)他の変形例に係る励磁コイル、発熱ローラ、発熱ベルトの側面図、(c)他の変形例に係る励磁コイル、発熱ローラ、発熱ベルトの側面図 本発明の実施の形態に係る巻線機の斜視図 (a)図6に示す巻線機の側面図、(b)G−G線による断面図 図7(b)の拡大図 (a)本発明の実施の形態に係る雄型の先端部の形状を示す図、(b)本発明の実施の形態に係る雌型の形状を示す図 (a)第1のプレス部によるプレス前の状態を示す図、(b)第1のプレス部によるプレス後の状態を示す図 (a)巻型の端部を一部破断して示したプレス前の状態を示す図、(b)巻型の端部を一部破断して示したプレス後の状態を示す図 本発明の他の実施の形態に係る巻線機の斜視図 (a)雄型の凸部を部分的に変形させた外観図、(b)図13(a)における平面Aでの断面図、(c)成形した励磁コイルの図13(a)における平面Aでの断面図、(d)図13(a)における平面Bでの断面図、(e)成形した励磁コイルの図13(a)における平面Bでの断面図 (a)雌型の凹部を部分的に変形させた外観図、(b)図14(a)における平面Aでの断面図、(c)成形した励磁コイルの図14(a)における平面Aでの断面図、(d)図14(a)における平面Bでの断面図、(e)成形した励磁コイルの図14(a)における平面Bでの断面図 (a)本発明の実施例における雄型の断面の一例を示す図、(b)本発明の実施例における雌型の断面の一例を示す図 (a)本発明の実施の形態に係るコイル厚みをかえた加熱装置断面図、(b)図16(a)の断面図に対応する定着ローラ上の発熱量を示すグラフ (a)均一コイル厚みの加熱装置の断面図、(b)図17(a)の断面図に対応する定着ローラ上の発熱量を示すグラフ
符号の説明
22 定着装置
100 加熱装置
105 励磁コイル
106 アーチコア
107 センターコア
108 サイドコア
109 コイル保持部材
110 対向コア
201 発熱ローラ
202 定着ローラ
202a 芯金
202b 弾性部材
203 発熱ベルト
204 加圧ローラ
204a 芯金
204b 弾性部材
301 雄型
302 雌型
303 第1のプレス部
304 雄型巻線ガイド
306 雌型巻線ガイド

Claims (1)

  1. 第1の長手部と、第2の長手部と、前記第1の長手部と第2の長手部を連結する2つの渡り部と、で構成され、前記第1の長手部と前記第2の長手部は湾曲する方向が同一方向に湾曲され、前記第1の長手部と前記第2の長手部の少なくとも一方の、長手部の長手方向に対して垂直な断面の形状は、曲率の異なる少なくとも2つの領域で形成した誘導加熱用励磁コイルを、雄型と、雌型と、第1のプレス型と、雄型に配置した巻線ガイドと、雌型に配置した巻線ガイドとを備え、前記雄型に配置した巻線ガイドは外部制御手段により駆動される長手方向コイル長を形成する第2のプレス型とした構成とし、雄型と雌型を所定の位置で連結し、前記連結により生成された空隙に銅線を導いて雄型の外周に巻き込むようにして充填して巻線し、雄型と雌型の巻間に巻線した自己融着銅線の融着層部分を溶融手段で熱溶融し、前記第1のプレスと第2のプレス型にて所要形状に成形することにより製造する誘導加熱用励磁コイルの製造方法。
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