JP5272987B2

JP5272987B2 - 誘導加熱装置

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Publication number: JP5272987B2
Application number: JP2009212596A
Authority: JP
Inventors: 一海瀬口; 靖浩鳥越; 慎一郎伊達
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: JP2011002804A; US20100288753A1; US8373101B2

Description

本発明は、記録紙上に形成されたトナー像を記録紙に加熱定着する画像形成装置の定着装置等に用いられ、とくに加熱方式として電磁誘導方式（ＩＨ方式）を用いる誘導加熱装置に関する。

プリンタ・複写機・ファクシミリ等の画像形成装置に対し、近年、省エネルギー化・高速化についての市場要求が強くなってきている。これらの要求性能を達成するためには、画像形成装置に用いられる定着装置の熱効率の改善が重要である。

電磁誘導加熱方式の定着装置として、（特許文献１）等に開示されるように、交番磁界により磁性金属部材に発生した渦電流でジュール熱を生じさせ、金属部材を含む加熱体を電磁誘導発熱させる技術が提案されている。

また、電磁誘導加熱方式の定着装置の中で、磁束の方向を９０°異ならせた励磁コイルを２個設けた電磁誘導加熱方式の定着装置も提案されている（特許文献２）。

特開２００３−２２３０６３号公報特開２００２−３４１６９２号公報

ところで、画像形成装置は近年益々スピード化が要求され、定着装置の加熱速度の短縮化が求められている。

しかし、１台の画像形成装置に対して１系統の電源線から供給できる電流値は最大１５Ａに制限されている。定着装置の加熱速度を上げるためには一時的に電源線から大電力を供給する方法が考えられるが、商用電源を使う場合、この制限により商用電源線から１５００Ｗ以上の電力供給を行えない。従って、電源線での１５Ａ以上の過電流を避けつつ、画像形成装置には一時的に大電力を供給可能な手段が必要である。しかし、面倒な操作が必要になる手段は使いづらい。

また、定着装置の発熱ローラは温度分布が軸方向に均一であることが好ましいが、発熱ローラの２つの軸端付近で加熱温度の落ち込みが起こる。電磁誘導加熱方式の定着装置では周りの空気への放熱だけでなく、端部に励磁コイルの巻回方向を逆向きに向けるための渡り部が必要であり、この部分で温度低下が発生する。というのは、渡り部ではコイルの各巻線の曲率半径が内周と外周で巻線ごとに異なり、一定の向きの磁束を発生しないために、渡り部以外の巻線部分より磁束密度が小さくなり、加熱温度が低下し、これが軸方向に均一な温度分布になるのを妨げてしまう。

そこで、本発明は、使用できる最大電力を大電力化し、急速な昇温が必要なときには補助電源に接続されたコイルによって発熱させて昇温時間の短縮化を行い、このコイルの形状によって発熱ローラ端部の温度低下を防いでエネルギー効率の改善を行い、急速な昇温以外のときはこのコイルを使って補充電源に充電できる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の誘導加熱装置は上記課題を解決するために、電磁誘導発熱する円筒形状の発熱ローラと、発熱ローラの内側に設けられ、該発熱ローラの軸と同じ方向に軸を有するように巻回されて第１電源に接続される第１励磁コイルと、発熱ローラの内側に設けられ、該発熱ローラの軸と略直交する方向に軸を有するように巻回されて第２電源に接続される第２励磁コイルとを有し、第２励磁コイルは、第１励磁コイルの軸方向に平行に延びる平行部と、該平行部の両端で折り返された２つの渡り部とから構成され、２つの渡り部は第１励磁コイルの円周に沿って設けられると共に各々の渡り部の円弧方向が反対となるよう設けられていることを主な特徴とする。

本発明の誘導加熱装置によれば、使用できる最大電力を大電力化し、急速な昇温が必要なときには第２電源に接続された第２励磁コイルによって発熱させて昇温時間の短縮化を行い、この第２励磁コイルの形状によって発熱ローラ端部の温度低下を防いでエネルギー効率の改善を行い、急速な昇温時以外のときにこの第２励磁コイルを使って第２電源に充電し、充電作業を別途行う必要のない誘導加熱装置を提供することができる。急速な昇温が必要な場合、第１電源から電力供給すると共に、第２電源からも電力供給することにより、１５００Ｗを超える大電力で急速に昇温できる。また、連続通紙期間のように必要温度に達した後は、第１電源から電力供給し、第２電源からの電力供給は停止して定着温度を維持させることができる。

本発明の誘導加熱装置が定着装置として適用される複写機の構成図本発明の誘導加熱装置が適用された図１に示した定着装置の断面図本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成する発熱ローラの概観斜視図本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの概観図本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの概略回路構成図本発明の実施例１に係る誘導加熱装置において断面略Ｌ字状の形状のフェライトコアを保持部材上に配置したときの一部破砕断斜視図（ａ）本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の外周面に設置される場合の正面図、（ｂ）本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の外周面に設置される場合の断面図、（ｃ）本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の内周面に設置される場合の正面図、（ｄ）本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の内周面に設置される場合の断面図（ａ）本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成する第２励磁コイルの一部破断外観図、（ｂ）本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成する第２励磁コイルの渡り部と同径で追加巻きの部分を設けた一部破断外観図本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの基本回路構成図本発明の実施例１に係る誘導加熱装置の電力印加概念図本発明の実施例１に係る誘導加熱装置の電力制御パターンを示すグラフ本発明の実施例２に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットを補助電源も商用電源として駆動する回路構成図本発明の実施例３に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットにおいて第２励磁コイルを第１励磁コイルの外側に配置した側面図本発明の実施例３に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットにおいて第１励磁コイルを第２励磁コイルの外側に配置した側面図本発明の実施例３に係る誘導加熱装置において電力を回生させる原理図発明の実施例３に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットが回生用の結合部を備えた場合の回路構成図

本発明の請求項１の発明は、電磁誘導発熱する円筒形状の発熱ローラと、発熱ローラの内側に設けられ、該発熱ローラの軸と同じ方向に軸を有するように巻回されて第１電源に接続される第１励磁コイルと、発熱ローラの内側に設けられ、該発熱ローラの軸と略直交する方向に軸を有するように巻回されて第２電源に接続される第２励磁コイルとを有し、第２励磁コイルは、第１励磁コイルの軸方向に平行に延びる平行部と、該平行部の両端で折り返された２つの渡り部とから構成され、２つの渡り部は第１励磁コイルの円周に沿って設けられると共に各々の折り返し部の円弧方向が反対となるよう設けられていることを特徴とする誘導加熱装置である。

この構成によって、使用できる最大電力を大電力化し、急速な昇温が必要なときには第２電源に接続された第２励磁コイルによって発熱させて昇温時間の短縮化を行い、この第２励磁コイルの形状によって発熱ローラ端部の温度低下を防いでエネルギー効率の改善を行い、急速な昇温以外のときにこの第２励磁コイルを使って第２電源に充電できる。急速な昇温が必要な場合、第１電源から電力供給すると共に、第２電源からも電力供給することにより、１５００Ｗを超える大電力で急速に昇温できる。また、連続通紙期間のように必要温度に達した後は、第１電源から電力供給し、第２電源からの電力供給は停止して定着温度を維持させることができる。

本発明の請求項２の発明は、請求項１の発明に従属する発明であって、第１電源により第１励磁コイルへ電力を供給している場合であって第２電源により第２励磁コイルへ電力を供給していない場合は、第２励磁コイルで発生した電力を回収し再利用することを特徴とする誘導加熱装置である。

この構成によって、急速な昇温以外のときにこの第２励磁コイルを使って第２電源に充電を行うことにより、充電作業を別途行う必要のない誘導加熱装置を提供することができる。

本発明の請求項３の発明は、請求項１の発明に従属する発明であって、第１電源が商用電源であり、第２電源が充電可能な補助電源であり、第１電源により第１励磁コイルへ電力を供給している場合であって第２電源により第２励磁コイルへ電力を供給していない場合は、第２励磁コイルにより第２電源に充電を行うことを特徴とする誘導加熱装置である。

この構成によって、急速な昇温が必要な場合、商用電源から電力供給すると共に、充電可能な補助電源からも電力供給することにより、１５００Ｗを超える大電力で急速に昇温できる。急速な昇温時以外のときに第２励磁コイルを使って補充電源に充電し、充電作業を別途行う必要のない誘導加熱装置を提供することができる。

本発明の請求項４の発明は、請求項１の発明に従属する発明であって、折り返し部の巻線数を平行部の巻線数よりも多くしたことを特徴とする誘導加熱装置である。

この構成によって、発熱ローラの端部の温度の落ち込みを確実に減らすことができる。

本発明の請求項５の発明は、請求項３の発明に従属する発明であって、商用電源を、整流回路を介して第２電源に接続したことを特徴とする誘導加熱装置である。

この構成によって、充電可能な補助電源にも商用電源から充電できるため、誘導加熱装置の構成が簡単になる。

本発明の請求項６の発明は、請求項３の発明に従属する発明であって、第２電源を電気二重層キャパシタとしたことを特徴とする誘導加熱装置である。

この構成によって、大電力を充電することができ、誘導加熱装置の構成がコンパクトになる。

以下、本発明に係る実施例１を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の誘導加熱装置が定着装置として適用される複写機の構成図である。図１に示す複写機（画像形成装置）はタンデム型のカラーの画像形成装置であり、原稿の画像を読み取る原稿読取部１と、読み取った原稿の画像を感光体ドラム７上に像形成し、トナーによってトナー像を形成してさらにこれを記録紙（一般的には画像形成媒体）上に転写する画像形成部２と、この記録紙上のトナー像を定着させる定着装置３とを備えている。画像形成部２には給紙部４から記録紙が供給され、定着装置３において定着処理が終わった記録紙が排紙部５に排出される。

画像形成部２では、帯電器６により一様に帯電された感光体ドラム７に対してＬＳＵ（ＬａｓｅｒＳｃａｎｎｉｎｇＵｎｉｔ）８からレーザ光が照射されて感光体ドラム７の感光体の層の面上に静電潜像が形成された後、現像ユニット９内のトナーが現像ローラ１１を介して感光体ドラム７に供給されて、像形成された静電潜像が現像される。中間転写ベルト１２に沿ってイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の感光体ドラム７が配置され、それぞれの静電潜像が各色の現像ローラ１１から供給されたトナーでそれぞれトナー像を形成し、これが順に中間転写ベルト１２に一次転写され、この各色トナーが中間転写ベルト１２上に積み重なって形成されたトナー像を転写装置１３の転写ローラ１４により記録紙に二次転写する。

図２は、本発明の誘導加熱装置が適用された図１に示した定着装置の断面図である。図２に示すように、定着装置３は、電磁誘導発熱により記録紙（画像形成媒体）上のトナー像を溶融させる円筒形の発熱ローラ１０と、発熱ローラ１０に圧接するように付勢された加圧ローラ１５とから構成される。発熱ローラ１０と加圧ローラ１５のニップ部に二次転写された記録紙が搬送されてくると、ニップ部での熱と圧力で記録紙上のトナーが溶融し、記録紙のトナーが熱定着される。

なお、以上の実施例１の説明では、発熱ローラ１０に加圧ローラ１５を直接圧接させる構成を説明したが、ローラより熱容量が小さくなる加熱ベルトを用いる構成でも基本的に同様である。この場合、無端帯状の加熱ベルトを発熱ローラと定着ローラとに巻き掛け、定着ローラに対峙して配置された加圧ローラと搬送される加熱ベルトとの間に記録紙を通すことで、記録紙上のトナーが熱と圧力の作用で記録紙に定着される。

発熱ローラ１０には、図２のように、ステンレスなどの磁性体の金属材料からなる発熱ローラ本体１０ａと、その表面にフッ素樹脂などからなる離型層１０ｂがコーティングされている。また、発熱ローラ本体１０ａの内部には誘導加熱装置１６が収容されており、この誘導加熱装置１６によって発熱ローラ本体１０ａは発熱される。

この発熱ローラ１０の発熱構造を説明すると、発熱ローラ１０の内部には励磁コイルとコンデンサからなるＬＣ共振回路を備えた誘導加熱装置１６が装備されており、このＬＣ共振回路により高周波の交番磁界を発生する。このＬＣ共振回路の構成と作用については後で詳述する。発生した磁界に沿って生じる磁束が発熱ローラ１０の発熱ローラ本体１０ａと錯交すると、発熱ローラ本体１０ａに渦電流が生じるため、渦電流と発熱ローラ１０自身の抵抗によりジュール熱で発熱ローラ１０が発熱し、記録紙上のトナー像を熱定着させることが可能になる。

これに対して、加圧ローラ１５は、アルミニウム合金などからなる芯金１５ａと、この芯金１５ａの周りに発泡シリコンゴムなどの弾性層１５ｂが形成されている。

図３は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成する発熱ローラの概観斜視図、図４は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの概観図であり、これは図２で説明した発熱ローラ１０の内部に装備された誘導加熱装置の要部構成を示すものである。図３、図４において、２０は発熱ローラ１０の軸と同じ方向に軸を有するように巻回されて商用電源に接続される第１励磁コイル、３０はフェライトコア、３１はフェライトコア３０を設置する保持部材、４０は発熱ローラ１０の内側に設けられ発熱ローラ１０の軸と略直交する方向に軸を有するように巻回されて補助電源に接続される第２励磁コイルである。第１励磁コイル２０は断面略コ字状の形状を持つフェライトコア３０の溝内を発熱ローラ１０の軸周りに巻回される。保持部材３１は非磁性体の樹脂で図４の芯材である。

また、図５は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの概略回路構成図である。第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０、フェライトコア３０からなるコイルユニットの制御回路の要部について簡単に説明すると、図５に示すように、第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０はそれぞれ独立した駆動回路に接続され、それぞれの駆動回路はスイッチング素子に接続される。このスイッチング素子により発熱量をコントロールするデューティ比の制御（以下、デューティ制御）が行われる。第１励磁コイル２０には商用電源（本発明における第１電源）から電流を供給し、第２励磁コイル４０には補助電源（本発明における第２電源）より電流を供給する。

この第１励磁コイル２０に商用電源から電流が供給されると、これがＬＣ共振回路となっていることによって第１励磁コイル２０の周囲に交番磁界が発生し、制御回路からのデューティ制御により電流量に応じた磁束が発生する。第１励磁コイル２０、第２励磁コイル４０共に導線が巻回されたもので、導線には絶縁した銅線材を複数本束ねたリッツ線が用いられる。フェライトコア３０はこのように発生した磁束が発散しないように第１励磁コイル２０の周囲に留める（磁束密度を高める）ためのものである。

実施例１の第２励磁コイル４０は、図３からも分かるように第１励磁コイル２０とフェライトコア３０を外側から覆うように構成されたコイルである。第２励磁コイル４０は、図３、図４、図７（ａ）、図１３、図１４に示すように、第１励磁コイル２０の軸の方向と略直交する向きに巻回される。このため、第２励磁コイル４０から発生する磁束は第１励磁コイル２０から発生する磁束と直交する（図１３、図１４参照）。ここで、略直交する向きに巻回するというのは、導線が所定ピッチで巻回されるため、少なくとも導線の太さの巻きピッチ分は傾斜が避けられないからである。第２励磁コイル４０の両端の第１渡り部４１と第２渡り部４２は、発熱ローラ１０の両端においてそれぞれ上下反対方向に逆向きの円弧をなして折り曲げられた形状が付与されている（図８（ａ）参照）。

なお、図２、図４のフェライトコア３０は断面略コ字状の形状をなし、強磁性を有する材料からなる部材であり、発熱ローラ１０の方へ径方向に口を開いた状態で保持部材３１の各面に隣接して設置される。従って、第１励磁コイル２０の巻回方向に９０°のピッチ間隔で４列発熱ローラ１０の周囲に軸に沿って規則正しく配列されることになる。

このフェライトコア３０は第１励磁コイル２０の内周に沿って延びる基部と発熱ローラ本体１０ａの内周面に向かって近接する一対の折り曲げ部（径方向部分）を備えている。従って、このフェライトコア３０の基部に巻かれた第１励磁コイル２０によって発生する磁束はフェライトコア３０の基部から折り曲げ部によって径方向に誘導され、この端部から発熱ローラ本体１０ａと交差する方向に流出し、発熱ローラ本体１０ａを経て再びフェライトコア３０の折り曲げ部の径方向からその端部に進入する。磁束は透磁率の低い空気中などはあまり通過しないのでフェライトコア３０、発熱ローラ本体１０ａなどの磁性体部分に集中する。この発熱ローラ本体１０ａでの磁束により渦電流が発生し、発熱ローラ１０が発熱する。

ところで、フェライトコア３０の形状は断面略コ字状の形状でなく、図６のように断面略Ｌ字状の形状の部品にするのも好適である。合わせて保持部材３１も円筒形の芯材にするのが好適である。図６は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置において断面略Ｌ字状の形状のフェライトコアを保持部材上に配置したときの一部破砕断斜視図である。図６に示すように基部は軸方向に沿って円筒形の保持部材３１の表面の周方向に４列配列される。列ごとにＬ字の配列の向きを統一して同一方向に向けて並べ、周方向９０°ごとにＬ字の向きを反転させた配列とする。部品をＬ字形状にしてこれを反転して交互に配列することによりその形状が単純化でき、材料も少なくて済む。第１励磁コイル２０が形成する磁束はフェライトコア３０のＬ字状の折り曲げ部（径方向部分）に誘導され、この端部から流出し、発熱ローラ本体１０ａを経て再びフェライトコア３０の別のフェライトコア３０の径方向からその折り曲げ部（径方向部分）に進入する。なお、円筒形の保持部材３１は非磁性体である樹脂性の芯材である。

ところで、第２励磁コイル４０の第１励磁コイル２０に対する配置は、フェライトコアを設置する保持部材３１の外周面に限られない。第２励磁コイル４０から発生する磁束が第１励磁コイル２０から発生する磁束と直交すればよいから、第２励磁コイル４０は円筒形の保持部材３１の内周面に設けるのでもまったく同様である。図７（ａ）は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の外周面に設置される場合の正面図、図７（ｂ）は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の外周面に設置される場合の断面図、図７（ｃ）は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の内周面に設置される場合の正面図、図７（ｄ）は本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの第２励磁コイルと保持部材の径方向位置を説明する断面略Ｌ字状のフェライトコアと円筒形の保持部材を使用したときに第２励磁コイルが円筒保持部材の内周面に設置される場合の断面図である。このときのコイルユニット全体の外観を示すと図１３、図１４のようになる。コイルユニットの電磁的な作用は外周面に設置した場合と内周面に設置した場合とで変わらない。但し、第２励磁コイル４０を保持部材３１の内周面に設置した場合、発熱ローラ１０がコンパクトになるという利点がある。これに対し、第２励磁コイル４０を保持部材３１の外周面に設置する場合は、巻線が容易でコイルユニットの製造が容易になるという利点がある。

保持部材３１に配列されるフェライトコア３０の数を多くすると、基部から多数の折り曲げ部が径方向に突出し、ここから磁束が高密度で発熱ローラ本体１０ａへ流入、流出するので、発熱ローラ１０の温度分布を容易に均一化することができ、発熱ローラ１０の回転を開始させてから温度分布が均一化した状態に移行するまでの時間を短縮することができる。

続いて、実施例１の第２励磁コイル４０の渡り部、すなわち、コイル端部において巻回方向が大きく変わる折り返し部分の構造の詳細についてさらに説明を行う。図８（ａ）は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成する第２励磁コイルの一部破断外観図、図８（ｂ）は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成する第２励磁コイルの渡り部と同径で追加巻きの部分を設けた一部破断外観図である。図８（ａ）のように第２励磁コイル４０には発熱ローラ本体１０ａの軸方向に沿って電流がそれぞれ対向して流れる平行部４３が設けられ、かつ、この両端には第１渡り部４１と第２渡り部４２が設けられている。この第１渡り部４１と第２渡り部４２は、平行部４３の両端においてそれぞれ一方から他方へ架け渡され、略半円形の円弧をなして、左右端でそれぞれ上下反対方向（本発明における円弧方向）に折り曲げられる。

このように第２励磁コイル４０には第１渡り部４１と第２渡り部４２の間には平行部４３が設けられるが、軸方向から見たとき第１渡り部４１と第２渡り部４２の形状は略半円形の２つの円弧で１つの円（閉じた曲線）を構成することになる。従って、従来の技術の渡り部において利用できなかった磁束をこの構成で最も有効に利用し（円が所定の線分による最大の面積を有する曲線）、例えば、無駄に消費されるエネルギーを回収することができる。一方で、第１渡り部４１と第２渡り部４２によって軸方向の磁束が形成されると、第２励磁コイル４０が形成する主たる磁界に重畳される。この第１渡り部４１、第２渡り部４２による磁束が発熱ローラ１０の軸端付近での温度の落ち込みを抑制する。従来発熱に寄与しない第１渡り部４１、第２渡り部４２の漏れ磁束を、第２励磁コイル４０を整形することによって回収することができ、エネルギー効率の改善が図れる。ここで、折り返し部の位置は左端と右端に限られるものではない。発熱ローラ１０の発熱量が不足している位置であれば任意の位置で周囲に突出させ折り返すことができる。

なお、図８（ａ）のように第１渡り部４１、第２渡り部４２だけで温度の落ち込みを抑制することも可能であるが、これでも端部の温度が落ち込む場合には、図８（ｂ）に示すように第１渡り部４１、第２渡り部４２の軸方向の外側に第１渡り部４１、第２渡り部４２と同径で追加巻き４４、４５の部分を設けるのがよい。これにより第１渡り部４１、第２渡り部４２の巻線数の方が追加巻き４４、４５の分だけ平行部４３の巻線数よりも多くなり、この部分の磁束を増すことができる。追加巻き４４、４５の巻線方法には様々考えられるが、まず平行部４３と第１渡り部４１、第２渡り部４２の巻線を行い、さらに両端部において必要な回数だけ巻回するのがよい。追加巻き４４、４５することにより端部の温度の落ち込みを確実に減少することができる。

ここで、第２励磁コイル４０の第１渡り部４１、第２渡り部４２の構造と作用の関係について、電磁誘導加熱を実行する駆動回路を関係づけて詳細に説明する。

第２励磁コイル４０は、図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）のように第１励磁コイル２０の軸の方向と略直交する向きに巻回されている。なお当然ながら発熱ローラ１０の軸が基準になる。従って、発生する磁束は第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０とで直交する。直交させないで２つのコイルを並べて一方に電流を流すと電磁相互誘導作用により他方に起電力を生じてしまう。すなわち、第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０の磁束が非直交の場合は、電磁相互誘導によりこの両コイルが電磁気的に結合してしまう。このとき発熱はコイル自身でも起こり発熱ローラ１０での発熱量が不足する。制御も困難である。そこで、実施例１に係る誘導加熱装置では、第１渡り部４１、第２渡り部４２のコイルを互いに略直交する向きに巻いて第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０の磁気回路を独立させ、しかし発熱量は重畳してこの不足分を補うものである。

さらに実施例１においては、第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０が略直交して巻回されると共に、図５に示すように、第１励磁コイル２０とこれに並列に接続されたコンデンサ、また、第２励磁コイル４０とこれに並列に接続されたコンデンサでそれぞれＬＣ共振回路を構成し、かつ独立した駆動回路でスイッチングしている。これにより急速な昇温が必要なときには、第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０がそれぞれ高周波電流により発熱ローラ１０を発熱させ、発熱ローラ１０はこの両コイルの総和としての加熱で温度上昇することができる。

しかし、単に両コイルが互いに略直交するだけでは、第２励磁コイル４０の第１渡り部４１、第２渡り部４２において十分な磁界を発生しないため温度が低下する。

これに対し、実施例１に係る誘導加熱装置においては、第１渡り部４１と第２渡り部４２を２つの略半円形の円弧に構成し、軸方向に見たときには全体として１つの円環を構成するため、第１渡り部４１と第２渡り部４２周りに磁束が発生し、第１励磁コイル２０が形成する磁界にこれが重畳される。これにより、発熱ローラ１０の軸端付近での温度の落ち込みが防げる。

図９は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットの基本回路構成図である。商用電源を整流回路１１３とチョークコイルと平滑コンデンサからなるフィルター回路１１３ａで整流し、これを供給して第１励磁コイル２０とコンデンサ４６から構成されるＬＣ共振回路の駆動電源とする。第１励磁コイル２０とコンデンサ４６のインダクタンスＬ、キャパシタンスＣによって高周波電源の周波数が定まる。

この駆動電源の高周波電流は、制御回路１１４からの信号で第１励磁コイル駆動回路１１１によってスイッチング素子４８がＯＮ−ＯＦＦされることにより、デューティ制御される。スイッチング素子４８をＯＮにすると第１励磁コイル２０に電流が流れ、インダクタンスＬによって電流は漸増し、コンデンサ４６には電荷がチャージされる。スイッチング素子４８をＯＦＦにすると第１励磁コイル２０の電流は減少し、コンデンサ４６の電荷が放電される。

第１励磁コイル２０の電流が逆向きに流れると、スイッチング素子４８と並列に挿入されたダイオードに電流が流れ、当初の状態に戻る。ここでスイッチング素子４８をＯＮにすると、再び第１励磁コイル２０に電流が流れ、上記サイクルが繰り返される。従って、ＬＣ共振回路で発生する高周波電流は第１励磁コイル２０のインダクタンスをＬ、コンデンサ４６のキャパシタンスをＣとするとＬＣによって決定され、スイッチング素子４８のＯＮの時間が大きくなると供給電力量も増大する。ここでスイッチング素子４８のデューティ（ＯＮ時間）が異なってもよいし、２つのＬＣ共振回路の動作周波数が異なってもよい。なお、第２励磁コイル４０に電流を流さないときはスイッチング素子４９をＯＦＦにする。

商用電源はフィルター回路１１５で電流から高周波成分を除去され、整流回路１１３で整流されて第１励磁コイル２０に供給される。第１励磁コイル駆動回路１１１は、カレントトランスからなる電流検出部１１７で電流検出、電圧変換トランスからなる電圧検出部１１８で電圧検出されて制御回路１１４によって駆動される。制御回路１１４は外部とのインターフェイス１１９を介して制御の指令を受ける。

これに対し、実施例１のもう一方の電源である補助電源は電池、コンデンサ、ＤＣ電源等である。補助電源の電流はフィルター回路１１６を通して制御回路１１４からの信号で第２励磁コイル駆動回路１１２によってデューティ制御され、スイッチング素子４９をＯＮ−ＯＦＦする。第１渡り部４１と第２渡り部４２周辺の磁束の増加により発熱ローラ１０の軸端での温度上昇が見込める。

本発明の実施例１は以上のように構成することにより、商用電源のみで第１励磁コイル２０に電力供給しようとしても、国内では１５Ａ規制のために制限を受け、１５００Ｗ以上の電力供給は不可能であるが、図３〜図９のように第１励磁コイル２０に加えて第２励磁コイル４０を設け、第２励磁コイル４０には補助電源を用いて電力供給することにより、急速加熱が必要なときには補助電源と合わせて１５００Ｗを超える電力を供給することができ、急速に発熱ローラ１０を加熱することができる。

図１０は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置の電力印加概念図であり、図１１は、本発明の実施例１に係る誘導加熱装置の電力制御パターンを示すグラフである。

本発明の実施例１に係る誘導加熱装置では、図１１の昇温期間９０に示すように、定着動作開始時や起動時等、急速な発熱ローラ１０の昇温が必要な場合、図１０の矢印６０のように、商用電源から第１励磁コイル２０に電力供給すると共に、矢印７０のように、補助電源から第２励磁コイル４０に電力供給することにより、１５００Ｗを超える大電力で急速に発熱ローラ１０を昇温することができる。そして、従来の技術では発熱に寄与しなかった２つの渡り部の漏れ磁束をその渡り部の構造を変えるだけで発熱に利用できるようになったため、これによる発熱ローラ１０の軸端の温度分布の改善が図れる。

また、実施例１に係る誘導加熱装置は、図７の連続通紙期間１００のように必要温度に達した後は、図１０の矢印８０のように、商用電源から第１励磁コイル２０に電力供給し、補助電源からの電力供給は停止して定着温度を維持させることができる。

本発明の実施例２に係る誘導加熱装置は、補助電源も整流回路を利用した商用電源を利用する誘導加熱装置である。実施例１の誘導加熱装置においては、補助電源として電池、コンデンサ、ＤＣ電源等を利用したが、補助電源として商用電源を利用するものである。なお、実施例２も実施例１の構成と基本的構成において一致するので、実施例２においても図１〜図１１を参照する。

図１２は、本発明の実施例２に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットを補助電源も商用電源として駆動する回路構成図である。第１の商用電源を整流回路１１３とフィルター回路１１３ａで整流し、これを供給して第１励磁コイル２０とコンデンサ４６から構成されるＬＣ共振回路の駆動電源とする。第２励磁コイル４０のインダクタンスＬとコンデンサ４６のキャパシタンスＣによって高周波電源の周波数が定まる。

この駆動電源の高周波電流は、制御回路１１４からの信号で第１励磁コイル駆動回路１１１によってスイッチング素子４８がＯＮ−ＯＦＦされることにより、デューティ制御される。第１の商用電源はフィルター回路１１５で高周波成分を除去され、整流回路１１３とフィルター回路１１３ａで整流されて第１励磁コイル２０に供給される。第１励磁コイル駆動回路１１１は、カレントトランスからなる電流検出部１１７で電流検出、電圧変換トランスからなる電圧検出部１１８で電圧検出されて制御回路１１４によって駆動される。これらは上述した実施例１の場合と同様である。制御回路１１４は外部とのインターフェイス１１９を介して制御の指令を受ける。

ここで、実施例２の場合は、実施例１と異なって、補助電源も商用電源を利用する。第２の商用電源を整流回路１３３とフィルター回路１３３ａで整流し、第２励磁コイル４０とコンデンサ４７から構成されるＬＣ共振回路の駆動電源とする。この駆動電源の高周波電流は、制御回路１１４からの信号で第２励磁コイル駆動回路１１２によってスイッチング素子４９がＯＮ−ＯＦＦされることにより、デューティ制御される。第２の商用電源はフィルター回路１１６で高周波成分を除去され、整流回路１３３とフィルター回路１３３ａで整流されて第２励磁コイル４０に供給される。第２励磁コイル駆動回路１１２は、カレントトランスからなる電流検出部１２１で電流検出、電圧変換トランスからなる電圧検出部１２２で電圧検出されて制御回路１１４によって駆動される。この制御回路１１４は外部とのインターフェイス１１９を介して制御の指令を受ける。

本発明の実施例２に係る誘導加熱装置はこのように構成することにより、商用電源のみで急速に発熱ローラ１０を加熱することができる。従来の技術では発熱に寄与しなかった２つの渡り部の漏れ磁束をその渡り部の構造を変えるだけで発熱に利用できるようになったため、これによる発熱ローラ１０の軸端での温度分布の改善が図れる。また、第２の商用電源を補助電源として利用するとき、図１２において図示しないが、一旦整流回路１３３からの出力を充電池に充電し、この充電された電源を改めて補助電源として利用することができる。これにより、１５Ａ規制の制限を受けることなく、急速加熱が必要なときには補助電源と合わせて１５００Ｗを超える電力を供給することができ、急速に発熱ローラ１０を加熱することができる。

続いて、本発明の実施例３に係る誘導加熱装置は、第１励磁コイルと第２励磁コイルの電磁的結合を利用して、第２励磁コイルの２つの渡り部の構造を変えるだけで漏れ磁束を回生し、回生電力を補助電源として利用するものである。なお、実施例３も実施例１の構成と基本的構成において一致するので、実施例３においても図１〜図１１を参照する。

図１３は、本発明の実施例３に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットにおいて第２励磁コイルを第１励磁コイルの外側に配置した側面図、図１４は、本発明の実施例３に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットにおいて第１励磁コイルを第２励磁コイルの外側に配置した側面図、図１５は、本発明の実施例３に係る誘導加熱装置において電力を回生させる原理図である。図１３、図１４において、５０は第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０の渡り部４１、４２が電磁的に結合する結合部である。第１励磁コイル２０と第１渡り部４１と第２渡り部４２が平行に沿った位置にあるコイル部分が対応する。第１励磁コイル２０を商用電源に接続して第２励磁コイル４０への通電を停止したときに、第２励磁コイル４０の左端と右端に位置する結合部５０において、第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０が電磁的に結合する。第２励磁コイルを第１励磁コイルの外側に配置した側面は図１３のようになり、その要部を示すと図７（ａ），（ｂ）のようになる。また、第１励磁コイルを第２励磁コイルの外側に配置した側面は図１４のようになり、その要部は図７（ｃ），（ｄ）のようになる。なお、結合部５０の位置は左端と右端に限らず、発熱量が不足している位置であれば軸方向の任意の位置に設けることができる。

図１１において、補助電源からの電力供給をしていない連続通紙期間１００には、第２励磁コイル４０には励磁用の高周波電流は流されておらず、第１励磁コイル２０を流れる高周波電流によって電磁相互誘導作用により第２励磁コイル４０に起電力が発生し、これにより従来利用されていなかった電力を回生し、充電池（補助電源）に充電することが可能になる。電力回生のための構成は、第２励磁コイル４０の漏れ磁束回収のための第１渡り部４１と第２渡り部４２の構成と兼用した構成となる。

第２励磁コイル４０には、図８（ａ），（ｂ）のように、発熱ローラ本体１０ａの軸方向に沿って電流がそれぞれ対向して流れる平行部４３と、この平行部４３の両端をそれぞれでつなぐ第１渡り部４１と第２渡り部４２が設けられている。第２励磁コイル４０の第１渡り部４１と第２渡り部４２は、平行部４３の両端でそれぞれ略半円形をなして上下反対方向を向いて逆向きの円弧に折り曲げられている。

このように第２励磁コイル４０には第１渡り部４１と第２渡り部４２の間には平行部４３が設けられるが、第１渡り部４１と第２渡り部４２の形状は略半円形の２つの円弧で１つの円（閉じた曲線）を構成する。従って、第１渡り部４１と第２渡り部４２周りには、軸方向の磁束が形成され、従来の技術の渡り部において利用できなかった磁束をこの構成で最も有効に利用し、エネルギーを回収することができる。

図１６は、本発明の実施例３に係る誘導加熱装置を構成するコイルユニットが回生用の結合部を備えた場合の回路構成図である。図１６の第１励磁コイル２０を駆動する駆動回路は実施例１と同様である。商用電源を整流回路１１３とチョークコイルと平滑コンデンサからなるフィルター回路１１３ａで整流し、これを供給して第１励磁コイル２０とコンデンサ４６から構成されるＬＣ共振回路の駆動電源とする。

この駆動電源の高周波電流は、制御回路１１４からの信号で第１励磁コイル駆動回路１１１によってスイッチング素子４８がＯＮ−ＯＦＦされることにより、デューティ制御される。商用電源はフィルター回路１１５で電流から高周波成分を取り除かれ、整流回路１１３とフィルター回路１１３ａで整流されて第１励磁コイル２０に供給される。第１励磁コイル駆動回路１１１は、カレントトランスからなる電流検出部１１７で電流検出、電圧変換トランスからなる電圧検出部１１８で電圧検出して制御回路１１４によって駆動される。制御回路１１４は外部とのインターフェイス１１９を介して制御の指令を受ける。

急速加熱が必要な場合には、第２励磁コイル４０にも充電池（補助電源）から放電して電流を流し、商用電源と補助電源と合わせて１５００Ｗを超える電力を供給することができる。

図１６において、放電時には充放電切替回路１４１のスイッチ１４２が制御回路１１４によってコンデンサ１４３側に切り替える。これにより充電池（補助電源）はコイル１４５とコンデンサ１４３からなるフィルター回路で高周波成分を除去され、第１励磁コイル２０とコンデンサ４６からなる共振回路に供給する。第２励磁コイル駆動回路１１２に接続したスイッチング素子４９をＯＮ−ＯＦＦすることで第１励磁コイル２０に高周波電流を供給する。

しかし、実施例３の第２励磁コイル４０においては、放電による発熱作用だけではなく、このコイルを利用して結合部５０から充電池（補助電源）に充電することができる。連続通紙期間１００がこの充電時間とされ、第２励磁コイル４０の第２コイル駆動部１１２がＯＦＦとされているときに、充放電切替回路１４１をダイオード側に切り替えれば、電磁相互誘導で発生した電流を整流して充電池（補助電源）に充電することができる。

充電時には充放電切替回路１４１のスイッチ１４２が制御回路１１４によってダイオード１４４側に切り替える。このときスイッチング素子４９はスイッチング動作を停止しており、第１励磁コイル２０の動作で第２励磁コイル４０に発生する起電力をスイッチング素子４９に付属のダイオードを通して補助電源側に回生する。実施例１においては接地により放電されていた電荷が、実施例３においては充電のために利用可能になる。なお、充放電切替回路１４１のダイオード１４４は回生能力を上げるためのフライホイールダイオードである。

ところで、充電池（補助電源）には様々な充電池が存在するが、電気二重層キャパシタを利用するのが好適である（図示はしない）。電気二重層キャパシタは、両イオンを含む電解液に炭素電極（陰極、陽極）を浸しておき、電源につないで充電し、負荷につないで放電するものである。

電気二重層キャパシタの電極を電源につなぐと、正孔には陰イオン、電子には陽イオンが引き寄せられて充電することができる。図１６においては、充電時には充放電切替回路１４１のスイッチ１４２をダイオード１４４側に切り替え、陰極、陽極に電源としてのコイルユニット（ＬＣ共振回路）を接続する。充電状態では正孔と陰イオン、電子と陽イオンは数オングストロームで電気二重層を形成する。逆に、放電時には充放電切替回路１４１のスイッチ１４２をコンデンサ１４３側に切り替え、陰極、陽極に負荷としてのコイルユニット（ＬＣ共振回路）を接続する。充電池（補助電源）として電気二重層キャパシタを利用すれば、大電力を充電することができ、誘導加熱装置、定着装置の構成がコンパクトになる。

このように実施例３では、図１３、図１４のように、第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０から発生する磁束の方向を互いに直交させ、左端と右端の結合部５０で第１励磁コイル２０と第２励磁コイル４０とを電磁的に結合させているので、図１１の補助電源からの電力供給をしていない連続通紙期間１００に補助電源への電力を回生することができる。

すなわち、図１５に示すように、連続通紙期間１００の間、第１励磁コイル２０の漏れ磁束を結合部５０に錯交させて電磁相互誘導作用によって起電圧を発生させ、それを整流し補助電源として充電する。

この第１渡り部４１と第２渡り部４２による磁束が発熱ローラ１０の軸端付近での温度上昇に寄与する。このとき、従来の技術では実際に仕事をしていない（発熱に寄与していない）２つの渡り部の漏れ磁束を発熱ロータ本体と錯交させることが重要であり、これにより発熱ローラの軸端での温度分布の改善が図れる。電力回生のための結合部５０のための別の構成を設ける必要はなく、第２励磁コイル４０の漏れ磁束回収のための第１渡り部４１と第２渡り部４２の構成を兼用することができる。

本発明に係る誘導加熱装置は、トナー画像を形成した記録紙を定着する定着装置、定着装置を備えた画像形成装置その他これらの機能を含んだ事務機器等に利用が可能である。

１原稿読取部
２画像形成部
３定着装置
４給紙部
５排紙部
６帯電器
７感光体ドラム
８ＬＳＵ（ＬａｓｅｒＳｃａｎｎｉｎｇＵｎｉｔ）
９現像ユニット
１０発熱ローラ
１０ａ発熱ローラ本体
１０ｂ離型層
１１現像ローラ
１２中間転写ベルト
１３転写装置
１４転写ローラ
１５加圧ローラ
１５ａ芯金
１５ｂ弾性層
１６誘導加熱装置
２０第１励磁コイル
３０フェライトコア
３１保持部材
４０第２励磁コイル
４１第１渡り部
４２第２渡り部
４３平行部
４４、４５追加巻き
４６、４７コンデンサ
４８、４９スイッチング素子
５０結合部
６０、７０、８０矢印
９０昇温期間
１００連続通紙期間
１１１第１励磁コイル駆動回路
１１２第２励磁コイル駆動回路
１１３整流回路
１１３ａフィルター回路
１１４制御回路
１１７電流検出部
１１８電圧検出部
１１９インターフェイス
１２１電流検出部
１３３整流回路
１４１充放電切替回路
１４２スイッチ
１４３コンデンサ
１４４ダイオード
Ｃキャパシタンス
Ｌインダクタンス

Claims

電磁誘導発熱する円筒形状の発熱ローラと、
前記発熱ローラの内側に設けられ、該発熱ローラの軸と同じ方向に軸を有するように巻回されて第１電源に接続される第１励磁コイルと、
前記発熱ローラの内側に設けられ、該発熱ローラの軸と略直交する方向に軸を有するように巻回されて第２電源に接続される第２励磁コイルとを有し、
前記第２励磁コイルは、前記第１励磁コイルの軸方向に平行に延びる平行部と、該平行部の両端で折り返された２つの渡り部とから構成され、
前記２つの渡り部は前記第１励磁コイルの円周に沿って設けられると共に各々の渡り部の円弧方向が反対となるよう設けられていることを特徴とする誘導加熱装置。
前記第１電源により前記第１励磁コイルへ電力を供給している場合であって前記第２電源により前記第２励磁コイルへ電力を供給していない場合は、
前記第２励磁コイルで発生した電力を回収し再利用することを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
前記第１電源が商用電源であり、
前記第２電源が充電可能な補助電源であり、
前記第１電源により前記第１励磁コイルへ電力を供給している場合であって前記第２電源により前記第２励磁コイルへ電力を供給していない場合は、前記第２励磁コイルにより前記第２電源に充電を行うことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
前記渡り部の巻線数を前記平行部の巻線数よりも多くしたことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
商用電源を、整流回路を介して前記第２電源に接続したことを特徴とする請求項３記載の誘導加熱装置。
前記第２電源を電気二重層キャパシタとしたことを特徴とする請求項３記載の誘導加熱装置。