JPH0473155B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば複写装置、静電記録装置のよ
うな電子写真方式あるいは静電記録方式における
転写部材あるいは、記録部材上に形成された乾式
トナー像の定着を行なう場合等に使用可能な誘導
加熱方式の誘導加熱定着装置に関する。

複写機、静電記録装置等に用いられるトナー像
の定着装置は、従来より種々提案され実用化され
ており、代表例として、オーブン方式、ラジアン
ト方式、圧力方式、熱圧力方式、ヒータ内蔵の熱
ローラ方式等があるが、いずれの方式にも一長一
短がある。例えば、圧力方式の場合には定着準備
時間は不要であるが、高い圧力を必要とし装置が
大型化する傾向があり、また定着されたトナー像
が光沢を有し画像品位の劣化が生ずる問題があ
る。また熱を利用する従来の方式、例えばオーブ
ン方式、熱ローラ方式等においては、定着可能温
度までの立ち上り時間が長くなる。それに、定着
部分に於いて均一な温度分布が得られにくい等の
問題がある。この理由として、従来の熱ローラ定
着では、発熱体がローラ内部にしか形成できない
点及び発熱体の制御に対する熱応答が遅い点が考
えられる。

一方紡糸装置等においては誘導加熱方式による
熱ローラ装置が実用化されている。この誘導加熱
方式による熱ローラ装置は、原理的には発熱部分
がローラ表面に存在するためローラ表面の温度の
立ち上り時間を短かくできる利点がある。しかし
ローラ表面の温度分布に大きな差が生じる問題が
あり、又１次コイルの温度上昇の為、コイルの絶
縁及び銅損の増加等の欠点がある。このような従
来の誘導加熱ローラ装置を、そのままトナー像の
定着装置には使用できないが、発熱部分がローラ
表面に存在する点及び温度制御に対する熱応答が
優れている点等の利点を有している。この利点を
生じさせる誘導加熱方式の熱ローラ装置の原理及
び代表的構造を第１図に示す。

第１図において熱ローラ装置は任意のローラ軸
１上に形成された磁性材料より成る例えば柱状鉄
芯、筒状の積層鉄芯等の鉄芯２の外部に接して、
交流電源７によつて附勢される線輪３を巻装し、
その外部に磁性材料よりなる回転ローラ４を装着
せしめた構造を有する。このような構造において
線輪３への交流電源の供給によつて誘起する交番
磁束が、鉄芯２、ローラ側板５、ローラ表面、ロ
ーラ側板６を経て鉄芯２に至る閉磁録を形成す
る。この時磁束がローラ軸芯に沿つてローラを貫
通する事により生ずる渦電流による発熱と、第２
図に示す如き等価回路に示す通り導電性ローラ４
が１回巻の線輪として作用することによる誘導作
用に基いて発生する電流i₂及び上記ローラ４の抵
抗R₂とによるP₂＝R₂i₂ ²の発熱が生じ、これによ
りローラ４自体が発熱する。

上述の誘導加熱ローラを、複写機等の定着用熱
ローラとして用いた例とし第３図に示している。
また、第４図及び第５図は第３図の側面図及び斜
視図である。図中、１１は導電性部材により形成
され、外表面がテフロン登録商標コーテイング１
１_-1された円筒状ローラであり、該ローラ１１は
ローラ支持部１２，１３によりベアリング１４，
１４……を介して回転自在に支持される。上記円
筒状ローラ１１の内孔中心部にローラ支持部１
２，１３を貫通して角柱鉄芯１５が挿通され、該
鉄芯１５にローラ支持部１２，１３が固着され
る。また鉄芯１５はケイ素鋼板積層等の高透磁率
を有する磁性材料で構成され、該鉄芯１５の両端
には同様の磁性材料より成るの字型の部材１６
の両端が結合されて□の字型の閉鎖磁気回路１７
が形成される。また上記ローラ１１内に位置する
鉄芯１５には交流電源（図示せず）により附勢さ
れる巻線１８が巻装される。更に上記ローラ１１
に対向して駆動押圧ローラ１９が設けられてい
る。該ローラ１９はシリコンゴムローラより構成
されている。

第３図に示す如き複写機等の定着用熱ローラと
して使用する場合、次の問題点がある。

(a) ローラ直接加熱方式であり、ローラ温度の立
ち上りが早いが、それでも、閉磁路の実現方法
及び磁気回路の構成方法によつては、昇温性能
が不十分になつたり、大電力となる為、上記実
現方法の最適化を図り、かつ磁電変換効率の向
上、損失の低減により消費電力、電流の低減を
図る必要がある。

(b) 損失の少ない閉磁路を形成しようとすると、
閉磁路リターン部１６が大型化する。

(c) 閉磁路が積層鋼板である事、及び閉磁路継目
が薄肉積層鋼板の重ね合せである事の為、構成
方法及びローラ１１の交換が困難であり、メン
テナンス性、生産性が悪い。

(d) 閉磁路を磁性体ブロツクで形成すると、(c)の
項目は解決するが、鉄損が極めて大きくなる。

本発明は、誘導加熱ローラを熱ローラ定着装置
に使用する場合の、以上の問題点を解消し、磁電
変換効率の良い、損失の少ない、且つ低消費電力
でローラの昇温を極めて早くし、加工、生産性の
よい、構成方法が簡単で、ローラ交換が容易なロ
ーラ直接加熱方式の小型誘導加熱定着装置を提供
するものである。

前述した特徴をもつローラ直接加熱型の小型の
誘導加熱定着装置を実現する為に使用される誘導
加熱ローラの本発明の磁気回路部（特に閉磁路
部）については、次の点を満足する構成としてい
る。

(1) 使用する商用電源及び種々の状態（電源投入
時、あるいは定常時）の許容電流に対し発熱部
であるローラに、許容される最大電力を投入で
きる磁気回路を構成し、ローラが定常温度に達
するまでの待時間を短縮化する。

(2) 互いに絶縁された薄肉磁性材料板（例えば、
薄肉のケイ素鋼板等）を積層し、それらを組合
せて閉磁路を構成する場合、閉磁路の固定等が
困難である。又、固定できても、かなり複雑な
方法となる為、簡単な閉磁路構成手段となる。

(3) 閉磁路内部に回転支持されているローラは、
オフセツト防止処理のなされた定着用ローラで
ある。このオフセツト防止処理部（例えば、テ
フロン登録商標コーテイング等）には、寿命が
あり、メンテナンス時に交換する必要がある。
その為、その外側の閉磁路の一部（できれば側
面）は、ローラ交換の容易さを考慮した閉磁路
の組立構成とする。

(4) これらの要求を簡単に実現する為に、閉磁路
を組立、加工の容易な厚肉の磁性材料ブロツク
で形成すると、閉磁路部の渦流損（鉄損）が、
薄肉磁性材料板で構成した場合に比べ、極めて
大きくなる。その為、単に磁性材料を厚肉化す
る事はできない。鉄損を薄肉磁性材料板で構成
した程度すなわち、極めて小さくなる。

(5) 閉磁路特に、リターン部は極力、小型化、薄
肉化を実現し、定着装置に必要なスペースを小
さくする。

(6) 高性能の磁性材料の場合、磁束の通る方向が
一あるいは二方向のものが一般的であり、閉磁
路はその磁束の通る方向が、スムーズに結合さ
れる様、すなわち磁気抵抗が小となるように結
合し、組立られる構造にする。

以上の条件を考えると、第３図から第５図に示
すように、互いに絶縁された薄肉磁性材料板の積
層を実施し、閉磁路の各部の継目を互いに重ね合
せ、磁気抵抗を小さく、かつ漏洩磁束を小とした
場合、損失を低減するとか、待時間の短縮化及び
消費電力の低減はできるものの、上記(2)，(3)，
(4)，(5)に記す閉磁路構成方法の簡単さや、ローラ
交換の容易さ等は満足しない。

そこで、前述の誘導加熱ローラ中の磁気回路構
成上要求される(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)の項目を
全て満足する手段として、本発明は第６図及び第
７図に、一具体例を示しており、前述の６項目を
全て満足する磁気回磁（特に、閉磁路）構成を実
現した。

図において、２１は導電性部材により形成され
外表面がテフロン登録商標コーテイングされた円
筒状ローラであり、該ローラ２１はローラ支持部
２２，２３によりベアリングを介して回転自在に
支持されている。上記円筒状ローラ２１の内孔中
心部に、ローラ支持部２２，２３を貫通して第１
の磁性部材を構成する積層鉄芯２５が挿通され、
該鉄芯２５に上記ローラ支持部２２，２３が固着
される。この鉄芯２５は、ケイ素鋼板等の高透磁
率を有する薄肉磁性材料を積層して構成されてい
る。該積層鉄芯２５に対し、ローラ２１上部に上
記積層鉄芯２５とで閉磁路を構成すべく積層鉄芯
２５と平行に積層鉄芯２６が図に示す通り並設さ
れている。この鉄芯２６は閉磁路を構成する場
合、高さ方向に生じていた余分なスペースをなく
す目的で鉄芯２５より高さを低く、その分だけ巾
を広く形成されている。上記鉄芯２５と２６との
磁気的な接続は、該鉄芯２５，２６の両端縁部で
積層鉄芯２７が介在されることで行われ、これに
より閉磁路が形成される。特に積層鉄芯２７は、
積層鉄芯２５との磁気的な接続を良好に行うため
に該積層鉄芯２５に合致する凹部を有する字形
に形成されている。

上記鉄芯２６及び両サイドの接続用の鉄芯２７
は、厚板の磁性材料ブロツク２８，２９にネジ止
めされており、それぞれ積層鉄芯２６と磁性材料
ブロツク２８とからなる２層構造の第２の磁性部
材及び、積層鉄芯２７と磁性材料ブロツク２９と
からなる２層構造の第３の磁性部材を構成してい
る。磁性材料ブロツク２８は両端部を90°折り曲
げ、この折り曲げ部に鉄芯２７を固着した磁性材
料ブロツク２９をネジ止するネジ穴を設けてい
る。磁性材料ブロツク２８，２９は、各鉄芯２
５，２６，２７を磁気的に接続するために役立つ
と共に後述するが補助的に磁路を構成する。上述
の様に、鉄芯２５，２７，２６，２７にて閉磁路
が構成され、両サイドの鉄芯２７を取り去ること
でローラ２１を鉄芯２５より抜き取ることができ
る。

上記ローラ２１内に位置する鉄芯２５には、交
流電源（図示せず）により附勢される巻線３０が
巻装されている。巻線３０は鉄芯２５に対し着脱
自在に設けられている。また、上記ローラ２１に
対向して駆動押圧ローラ３１が設けられている。
ローラ３１はシリコーンローラであり、ローラ表
面に接触するクリーニングローラ３２が付加され
ている。図中符号３３はローラ２１又は３２より
用紙３４を剥すための剥離爪である。

以上の構成の誘電加熱方式における熱定着ロー
ラによれば、閉磁路は図に示すように巻線（一次
コイル）３０を巻装した積層鉄芯２５、両サイド
のブロツク２９とで２層構造を有する鉄芯２７及
び上面のブロツク２８とで２層構造を有する鉄芯
２６よりなる。上記積層鉄芯２５の両端部には、
両サイドの２層構造部の鉄芯２７を固定するネジ
穴つきの磁性体あるいは、耐熱材料よりなる固定
用ブロツクあるいは、固定用アングル等が装着さ
れており、鉄芯２７の取り外しを可能としてい
る。又、上面のブロツク２８は、薄肉磁性材料板
からなる積層鉄芯２６を字形のブロツクの側面
より固定しており、ブロツクの両サイドには両サ
イドの２層構造部を、固定するネジ穴が設けられ
ていることから、鉄芯２７と２６の分割をも可能
となる。さらに、両サイドの２層構造部の鉄芯２
７は、厚板の磁性材料ブロツクに、薄肉の磁性材
料板が積層されネジ止めされて、一部品を構成さ
れており、閉磁路の各部は数本のネジにより容易
に取り外し及び組み立てが容易になり、閉磁路内
ブロツクのローラ２１の交換も極めて容易に実現
できる。

又、上記閉磁路構成を行なつた場合、磁性材料
ブロツクの鉄損は、極めて小さくおさえる事がで
きる。この理由としては、磁束の通る主な磁路は
閉磁路リターン部内側の絶縁薄肉磁性材料積層部
（鉄芯２６，２７）であり、外側の厚肉の磁性材
料部は、補助的な磁路である事による。この外部
の磁路（ブロツク２８，２９）は磁気飽和をさけ
たり、漏洩磁束の低減の役目ももつている。又、
内部、薄肉磁性材料積層部（鉄芯２６，２７）は
磁束のスムーズな結合の得られる積層方法を実施
し、各積層部の継目は加圧しておいて両サイドの
２層構造部のネジ止めをすれば、継目の磁気抵抗
を極めて小さくする事が可能である。

また、第８図は本発明における巻線３０（一次
コイル）の巻数を複数（図では一つの商用電源に
対し２ケ）設け、ローラ２１の温度の立上がりを
より早くする一具体例を示す。巻線３０の巻数を
夫々N_1T＞N_1Sとし、ローラ温度が定着可能温度
に達するまでの間は、スイツチ３５を接点Ｓ側に
倒し、それ以後はＴ側に倒す。つまり、ローラ温
度が、環境温度から定着可能温度に達するまでの
待時間の間は、N_1S（＜N_1T）の巻線部に、交流電
源V₁を附勢し、変形トランスの２次側に相当す
るローラ２１部に多くの電力を供給する。又、ロ
ーラ２１が定着可能温度に達した後は、巻線N_1T
側に切り換え定着装置で消費する電力を小さく制
御する。１次コイル巻数N_1SあるいはN_1Tの切り
換えは、電源投入時より、ローラ温度が、定着可
能温度になつたのを検知する温度検知器３６から
の信号にて実施する。

この方法により第９図ａ−１，ｂ−１に示すよ
うに、待時間の短縮化と電流の規制のされた誘導
加熱系が実現される。この要求は、商用電源を用
うる場合、定格電流の最大値が法的に規制されて
いる事、及び、定着装置は複写機等の一ユニツト
であり定常時には他の機能が働く為、定着部分の
消費電力は複写機等の全電流が、法的規制値内に
ある必要性より、電源投入時より、極めて低く規
制される必要性より生ずる。誘導加熱ローラの場
合、ローラ温度の上昇に伴い、投入可能な一次電
流は低減する。

第９図ａ−２，ｂ−２は、一次コイル巻数設定
をN_1Sの一種類とした場合の一次電流と、ローラ
温度の時間依存性を示している。これよりわかる
様に、N_1Sのみとした場合、待時間は、短縮でき
るが、定常時電流は、規制値より斜線部分だけ大
きくなり、実用的でない。N_1Sのまま、実用化し
ようとすると、ローラの肉厚が極めて小となり、
定着装置内で定着の為の押圧が印加された時問題
となり、実用的でない。

また第９図ａ−３，ｂ−３は同様に、N_1Tのみ
の場合、すなわち定常時の電流規制値を満たす
N_1Tを設定した場合の一次電流と、待時間のふる
まいを示している。この場合、電源投入時の電流
が規制値より低くなり、電流値をみた場合、余有
がありすぎる。斜線部が余有分となる。その為、
待時間tw′が長くなる。尚、第９図ａ−１，ａ−
２，ａ−３の破線は、各時間に於いて使用可能な
最大１次電流の値を示す。また、ａ−２の斜線部
は、１次電流が規制値より高すぎる部分を示し、
ａ−３の斜線部は規制値より低すぎる部分を示
す。以上の様に、本発明の誘導加熱定着装置によ
れば、閉磁路を構成する積層鉄芯を各部分に分割
し、少なくとも導電性の円筒状の加熱ローラを貫
通する積層鉄芯以外の積層鉄芯を、磁性ブロツク
とで２層構造とし、該磁性ブロツクにより各積層
鉄芯に取り外し及び組み立てを容易に行うことが
可能となり、上記加熱ローラの交換等を容易に行
える。

また、２層構造なる磁性ブロツクにて積層鉄芯
にて構成される閉磁路の補助的な閉磁路を形成で
きると共に漏洩磁束等の低減を合わせて行え、熱
への変換効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の誘導加熱ローラの一具体例を示
す断面図、第２図は誘導加熱ローラの等価回路、
第３図は本発明における誘導加熱ローラの原理を
説明するために供する断面図、第４図及び第５図
はその側面図及び一部破断斜視図、第６図及び第
７図は第３図を共にした本発明における誘導加熱
ローラの一具体例を示す側面図及び一部破断斜視
図、第８図は本発明の誘導加熱ローラで実施され
る一具体例における等価回路、第９図は同一条件
下で１次コイル巻線の巻数設定を変えた場合の一
次電流及びローラ温度の時間依存性を示す図であ
る。 ２１……ローラ、２５，２６，２７……積層鉄
芯、２８，２９……磁性材料ブロツク、３１……
押圧駆動ローラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円周壁が導電性部材により形成され、支持材
   上に形成されたトナー像を加熱定着するための回
   転ローラと、 該回転ローラと対向して設けられ、支持材を回
   転ローラとで圧接してなる押圧ローラと、 上記回転ローラの内孔を挿通する如く配置され
   た積層鉄芯よりなる第１の磁性部材と、 該第１の磁性部材と並設され上記回転ローラ表
   面と対向するように設けられた積層鉄芯と磁性ブ
   ロツクとの２層構造からなる第２の磁性部材と、 上記第１及び第２の磁性部材の両端部の各積層
   鉄芯に対応して組み合わされ、これらで閉磁路を
   構成するための積層鉄芯と磁性ブロツクとで２層
   構成され、上記第１及び第２の磁性部材との間で
   取り外し可能に成した第３の磁性部材と、 上記閉磁路を形成する上記第１乃至第３の磁性
   部材の一部に巻装され交番電源により付勢される
   巻線と、 から構成されてなる誘導加熱定着装置。