JPH10123861A - 誘導加熱定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 定着ローラの大径化を招くことなく、定着ロ
ーラ長手方向の温度分布を十分に均一にし得る誘導加熱
定着装置を提供する。 【解決手段】 誘導加熱定着装置は、定着ローラ１２
と、加圧ローラ１３と、定着ローラ１２を誘導加熱する
コイル１４とを有し、定着ローラ１２の軸方向に沿うコ
イル長Ｌｃを、搬送されるシート１０のサイズに基づい
て定まる定着ローラ１２のローラ有効長Ｌｒよりも長く
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電子写真式
の複写機、プリンタおよびファクシミリなどに用いられ
る定着装置に関し、さらに詳しくは、誘導加熱を利用し
てトナー像を記録媒体に定着する定着装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子写真式の複写機、プリンタおよびフ
ァクシミリなどには、記録媒体である記録紙ないし転写
材などのシート上に保持されたトナー像をシートに定着
させる定着装置が設けられている。

【０００３】定着装置には種々の方式があるが、一般的
な熱ローラ方式の定着装置は、シート上のトナーを熱溶
融させる定着ローラと、当該定着ローラに圧接してシー
トを挟持する加圧ローラとを有している。定着ローラは
中空円筒形状に形成され、その内部に、当該定着ローラ
を加熱するための熱源が設けられている。この熱源によ
り、定着ローラは、トナーを熱溶融して定着に必要な所
定の定着温度まで加熱される。

【０００４】熱ローラ定着装置における熱源としてはハ
ロゲンランプなどの管状ヒータが一般的に用いられ、こ
のハロゲンランプを定着ローラの中心軸上に配置し、ハ
ロゲンランプの輻射熱により定着ローラを加熱してい
る。このようなハロゲンランプ加熱方式の定着装置は、
コストの面では低価格ではあるものの、輻射熱による加
熱であるため熱効率が低く、エネルギーロスが大きいと
いう欠点があった。

【０００５】このような欠点を解決し、近年の省エネル
ギー化の要請に応えるべく、誘導加熱方式の定着装置が
提案されている。

【０００６】例えば、特公平４−７３１５５公報には、
導電性の定着ローラ内部に、閉磁路を形成するコアを貫
通し、巻線を螺旋状に巻回して形成したコイルを定着ロ
ーラ内部に同心状に配置した誘導加熱定着装置が記載さ
れている。この定着装置では、コイルに通電してコア内
に磁束を生じさせ、この磁束によって定着ローラに誘導
電流を誘起させて、定着ローラをジュール発熱させてい
る。

【０００７】このような誘導加熱を用いた定着装置は、
定着ローラなどの発熱体を電磁誘導により直接発熱させ
る形態であるため、ハロゲンランプ加熱方式と比較し
て、熱変換効率が高く、より少ない電力で、定着ローラ
表面を定着温度まで迅速に昇温させることが可能とな
り、省エネルギー化の要請に応え得る。特に上記公報の
如く閉磁路を形成するコアを有するものは磁束の漏れが
ほとんどなく、効率よく定着ローラに２次電流を生じさ
せることができるので、省エネルギー効果が高く、大型
の高速複写機や高速プリンタなどに適している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したような巻線を
螺旋状に巻回して形成したコイルでは、当該コイルに発
生する磁束分布は、コイル中央部分では多く、コイル端
部では小さい。このため、当該コイルを定着ローラ内部
に同心状に配置した場合には、定着ローラの端部近傍で
発生する誘導起電力が少なく、定着ローラの端部での電
流密度が「疎」になり、定着ローラの中央部での電流密
度が「密」になる。また、定着ローラ端部では放熱量も
中央部分と比較して多い。これらのことから、定着ロー
ラの温度分布はローラ長手方向（シート搬送方向に対し
て直交する方向）に沿って均一ではなく、ローラ端部の
温度は中央部に比べて降下する。このように定着ローラ
長手方向の温度分布が不均一であると、シート搬送方向
に対して直交する方向の定着強度が不均一になり、定着
強度不足などの不具合を招く虞がある。

【０００９】かかる不具合を防止するために、中央部が
「疎」に両端部が「密」になるように巻線を螺旋状に巻
回してコイルを形成し、コイル両端部の磁束分布を多く
し、ローラ両端部の電流密度を増大させて、ローラ両端
部の発熱量を多くするようにした技術も提案されている
（特開昭５９−３３７８８号公報参照）。

【００１０】しかしながら、この構成ではコイル両端部
の巻径が大きくなってしまうので、定着ローラの内部空
間に十分な余裕がなければ、温度勾配の均一化という所
定の効果を発揮できない。一方、前記内部空間に十分な
余裕を持たせるために定着ローラを大径化したのでは、
定着装置の小型化が阻害される結果となる。

【００１１】本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決
するためになされたものであり、定着ローラの大径化を
招くことなく、定着ローラ長手方向の温度分布を十分に
均一にし得る誘導加熱定着装置を提供することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る誘導加熱定着装置は、導電性部材で形成
された円筒形の加熱回転体と、前記加熱回転体に圧接
し、トナーを保持した記録媒体を前記加熱回転体との間
で挟持する加圧回転体と、巻線を螺旋状に巻回して形成
されると共に前記加熱回転体の内部に同心状に配置さ
れ、前記加熱回転体を誘導加熱するコイルと、を有する
誘導加熱定着装置において、前記加熱回転体の軸方向に
沿う前記コイルの長さを、前記記録媒体のサイズに基づ
いて定まる前記加熱回転体の有効長よりも長くしたこと
を特徴とする。

【００１３】巻線を螺旋状に巻回して形成したコイルに
あってはコイル両端部における磁束分布はコイル中央部
よりも小さくなるが、コイルの長さを加熱回転体の有効
長よりも長くしてあるので、加熱回転体の有効長に相当
する領域（以下、有効領域と言う）内では平坦な磁束分
布を得ることができ、加熱回転体の有効領域の全域で発
生する誘導起電力は均一になり、加熱回転体の有効領域
の中央部における電流密度と、有効領域の端部における
電流密度とが同じになる。この結果、加熱回転体の有効
領域の端部における温度降下が抑制されて、加熱回転体
有効領域における長手方向の温度勾配がほぼフラットに
なり、記録媒体の搬送方向に対して直交する方向の定着
強度が均一になり、定着不良の発生がなくなる。さら
に、コイル両端部の巻径が大きくなることもないので、
加熱回転体を大径化することなく、温度勾配の均一化と
いう所定の効果が発揮される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しつつ説明する。

【００１５】図１は、本発明の実施の形態に係る誘導加
熱定着装置を示す概略構成図、図２（Ａ）は、本実施の
形態における定着ローラ内部を示す断面図、同図（Ｂ）
は対比例における定着ローラ内部を示す断面図である。

【００１６】図１および図２（Ａ）に示す誘導加熱定着
装置は、記録媒体としてのシート１０上に保持されたト
ナー１１を加熱溶融して当該シート１０に定着させるも
のであり、誘導加熱される定着ローラ（加熱回転体に相
当する）１２と、定着ローラ１２に圧接する加圧ローラ
（加圧回転体に相当する）１３と、定着ローラ１２を誘
導加熱するコイル１４と、を有する。定着ローラ１２
は、図１中矢印ａ方向に回転駆動可能に設けられ、加圧
ローラ１３は定着ローラ１２の回転に伴って従動回転す
る。

【００１７】定着ローラ１２は、導電性の中空円筒形の
パイプであり、例えば、炭素鋼管、ステンレス合金管あ
るいはアルミニウム管などによって形成され、加圧ロー
ラ１３からの圧接力に対して十分な機械的強度を確保で
きる範囲内で、かつ、熱容量を確保できる肉厚で形成さ
れている。さらに、ローラ外周表面には、シート１０を
分離し易くするために、フッ素樹脂をコーティングし
て、トナーに対して良好な離型性と耐熱性とを有する離
型層が形成されている。定着ローラ１２の両端には、図
示しないスベリ軸受部が形成され、図示しない定着ユニ
ットのフレームに回転自在に取り付けられている。さら
に、定着ローラ１２は、その片端に図示しない駆動ギア
が固定され、この駆動ギアに接続されたモータなどの図
示しない駆動源によって回転駆動される。

【００１８】加圧ローラ１３は、軸芯１５と、当該軸芯
１５の周囲に形成されたシリコンゴム層１６とから構成
されている。シリコンゴム層１６は、表面からシート１
０が離れ易い離型性を有すると共に、耐熱性を有するゴ
ム層である。また、加圧ローラ１３は、図示しないばね
材により、定着ローラ１２に向かう方向に押圧されてい
る。

【００１９】この誘導加熱定着装置はさらに、閉磁路を
形成する矩形状のコア１７を有し、このコア１７の一部
が定着ローラ１２内の中空部を貫通している。前記コイ
ル１４は、巻線１８を螺旋状に巻回して形成され、コア
１７に挿通されて定着ローラ１２の内部に同心状に配置
されている。コア１７は、通常のトランスなどに用いら
れているいわゆる鉄心であり、例えば、珪素鋼板積層鉄
心のように高透磁率のものが好ましい。もちろん積層鉄
心にかかわらず柱状鉄心でもよい。また、コイル１４の
巻線１８としては、表面に融着層と絶縁層を持つ通常の
単一導線が用いられる。

【００２０】定着動作においては、まず、図示しない電
源回路から５０〜６０Ｈｚ程度の交流がコイル１４に印
加されて、誘導加熱により定着ローラ１２の温度が定着
に適した温度（例えば、１５０〜２００℃）になるまで
加熱される。未定着のトナー１１を保持したシート１０
は、図１中矢印ｂで示すように左方向から搬送され、定
着ローラ１２と加圧ローラ１３との接触部であるニップ
部１９に向けて送り込まれる。シート１０は、加熱され
た定着ローラ１２の熱と、加圧ローラ１３から作用する
圧力とが加えられながら、ニップ部１９で挟持されつつ
搬送される。これにより、未定着トナー１１がシート１
０上に定着され、シート１０上には定着トナー像が形成
される。トナー１１は、シート１０の両面のうち、定着
ローラ１２と接触する側に保持されている。ニップ部１
９を通過したシート１０は、シート自体のコシの強さで
定着ローラ１２から自然に曲率分離し、図１中右方向に
搬送される。このシート１０は、図示しない排紙ローラ
によって搬送され、排紙トレイ上に排出される。

【００２１】特に、本実施の形態では、図２（Ａ）に示
すように、定着ローラ１２の軸方向に沿うコイル１４の
長さＬｃを、シート１０のサイズに基づいて定まる定着
ローラ１２の有効長Ｌｒよりも長くしてある。ここに、
「定着ローラ１２の有効長Ｌｒ」は、当該定着装置にお
ける搬送可能な最大通紙サイズに対応しており、例え
ば、Ａ３横が最大通紙サイズとすると、定着ローラ１２
の有効長Ｌｒ＝２９７ｍｍである。図示例では、コイル
１４は、ローラ有効長Ｌｒに相当する有効領域から図中
左右均等に伸びるように配置してある。但し、例えば、
定着ローラ１２の図中左右それぞれの端部における放熱
量が異なるような場合には、放熱量が多い側にコイル１
４を若干片寄せて配置してもよい。

【００２２】以上のように構成された誘導加熱定着装置
の基本的な動作原理はトランスと同様であり、コイル１
４が入力側の１次側コイル（Ｎ巻き）に相当し、定着ロ
ーラ１２が出力側の２次側コイル（１巻き）に相当す
る。そして、１次側コイル（コイル１４）に５０〜６０
Ｈｚ程度の交流電圧Ｖ１を印加すると、１次側コイルに
電流Ｉ１が流れる。これにより生じた磁束φが閉磁路を
形成するコア１７に流れ、その磁束φによって２次側コ
イル（定着ローラ１２）に誘導起電力Ｖ２が生じ、定着
ローラ１２の円周方向に沿って電流Ｉ２が流れる。コア
１７によって閉磁路が形成されているため原理的には漏
れ磁束がなく、１次側エネルギーＶ１×Ｉ１と、２次側
エネルギーＶ２×Ｉ２とがほぼ等しくなる。

【００２３】この誘導加熱が行われる系において発熱す
る部分は、一つ目は、１次側コイルの銅線内の銅損によ
るコイルの発熱すなわちコイル１４の発熱、二つ目に２
次側コイルの銅線内の銅損によるコイルの発熱すなわち
定着ローラ１２の発熱、三つ目にコア内部に生じるジュ
ール熱損とヒステリシス損によるコア１７の発熱であ
る。誘導加熱定着装置は、上記一つ目と三つ目の発熱が
エネルギーロスとなるためこれらの発熱を極力抑える一
方、二つ目の銅損を利用して定着ローラ１２を発熱させ
るようにしたものである。

【００２４】図２（Ａ）（Ｂ）に示されるコイル１４の
上方に概念的に表したように、巻線１８を螺旋状に巻回
して形成したコイル１４にあってはコイル両端部におけ
る磁束分布はコイル中央部よりも小さいため、コイル長
Ｌｃがローラ有効長Ｌｒと同じ、あるいは図２（Ｂ）に
示すように短い場合には、図３（Ｂ）に示すように、定
着ローラ１２の有効領域の端部近傍で発生する誘導起電
力が少なく、有効領域の端部における電流密度が「疎」
になり、有効領域の中央部における電流密度が「密」に
なる。このため、定着ローラ１２の有効領域の端部にお
ける温度は中央部に比べて降下してしまう。

【００２５】これに対して、本実施の形態では、図２
（Ａ）に示したようにコイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒ
よりも長くしてあるので、コイル両端部における磁束分
布がコイル中央部よりも小さくなるものの、定着ローラ
１２の有効領域だけで見れば、平坦な磁束分布を得るこ
とができる。このため、図３（Ａ）に示すように、定着
ローラ１２の有効領域全域に発生する誘導起電力は均一
になり、定着ローラ１２の有効領域の中央部における電
流密度と、有効領域の端部における電流密度とが同じに
なる。この結果、定着ローラ１２の有効領域がその全域
にわたってムラなく発熱することで当該有効領域の端部
における温度降下が抑制されて、定着ローラ有効領域に
おける長手方向の温度勾配がほぼフラットになり、シー
ト搬送方向に対して直交する方向の定着強度が均一にな
り、定着不良の発生がなくなる。さらに、コイル両端部
の巻径が大きくなることもないので、定着ローラ１２を
大径化することなく、温度勾配の均一化という所定の効
果を十分に発揮させることができる。

【００２６】図４は、定着ローラ有効領域における長手
方向の温度分布を概念的に示すグラフである。図中
（ｂ）（ｃ）は、それぞれコイル長Ｌｃがローラ有効長
Ｌｒと等しい場合、ローラ有効長Ｌｒよりも短い場合の
温度分布を示している。また、図中（ａ）は、本実施の
形態のように、コイル長Ｌｃがローラ有効長Ｌｒよりも
長い場合の温度分布を示している。さらに、図中（ａ
´）は、コイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒに比べて長く
し過ぎた場合の温度分布を示している。

【００２７】図に示すとおり、コイル長Ｌｃがローラ有
効長Ｌｒと等しい場合（ｂ）、ローラ有効長Ｌｒよりも
短い場合（ｃ）には、定着ローラ１２の有効領域におけ
る中央部と端部との温度差を許容温度差（定着ローラ設
定温度（例えば２００℃）と定着ローラ許容温度（例え
ば１８５℃）との温度差）に抑えることができなかった
（ＮＧ）。

【００２８】一方、本実施の形態の場合（ａ）のよう
に、コイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒよりも長くするこ
とで、ウォームアップ直後および通紙中に拘らず、前記
温度差を許容温度差内に抑えることができた（ＯＫ）。
但し、コイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒに比べて長くし
過ぎた場合（ａ´）には、定着ローラ１２の有効領域に
おける中央部の発熱エネルギー（巻線密度）が減少する
ため、通紙を行うと、矢印で示すように中央部の温度が
下がって定着ローラ許容温度以下になってしまう（Ｎ
Ｇ）。

【００２９】このように、コイル長Ｌｃとローラ有効長
Ｌｒとの関係は、単にＬｃ＞Ｌｒとするのではなく、ウ
ォームアップ直後および通紙中の温度勾配が定着ローラ
許容温度以下にならないように設定することが極めて重
要である。

【００３０】なお、種々の構成の定着装置で実験したと
ころ、コイル長Ｌｃの設定値の下限は、ローラ有効長Ｌ
ｒの約１．２倍であることが分かった。また、コイル１
４の全長は、ウォームアップ直後および通紙中の温度勾
配が定着ローラ許容温度以下にならず、さらにＬｃ／Ｌ
ｒ≧１．２を満たすとともに、定着装置の大型化を招く
ことのない範囲で任意に定め得る。

【００３１】上記条件を満たす誘導加熱定着装置の具体
的な構成の一例を示すと次ぎの通りである。定着ローラ
１２は、鉄製、肉厚５ｍｍ、全長３７０ｍｍ、外径６０
ｍｍ、ローラ有効長Ｌｒ＝２９７ｍｍである。コア１７
は、硅素鋼板製である。コイル１４は、銅線を使用した
コイルで、直径３６ｍｍ、５００巻き、コイル長Ｌｃ＝
４００ｍｍ（Ｌｃ／Ｌｒ＝１．３５）である。また、コ
イル１４への印加電圧は、６０Ｈｚの交流を１００Ｖ、
定着温度として２００℃が維持されるようにパルス状に
印加した。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、巻
線を螺旋状に巻回して形成したコイルにあってはコイル
両端部における磁束分布はコイル中央部よりも小さくな
るものの、加熱回転体の軸方向に沿うコイルの長さを記
録媒体のサイズに基づいて定まる加熱回転体の有効長よ
りも長くしたので、加熱回転体の有効領域内では平坦な
磁束分布を得ることができ、加熱回転体の有効領域はそ
の全域で均一な電流密度になる。この結果、加熱回転体
の有効領域の端部における温度降下が抑制されて、加熱
回転体有効領域における長手方向の温度勾配がほぼフラ
ットになり、定着不良の発生がなくなる。さらに、コイ
ル両端部の巻径が大きくなることもないので、加熱回転
体の大径化を招くことなく、温度勾配の均一化を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係る誘導加熱定着装置
を示す概略構成図である。

【図２】 図２（Ａ）は、本実施の形態における定着ロ
ーラ内部を示す断面図、同図（Ｂ）は対比例における定
着ローラ内部を示す断面図である。

【図３】 図３（Ａ）は、本実施の形態における作用の
説明に供する概念図、同図（Ｂ）は対比例における作用
の説明に供する概念図である。

【図４】 定着ローラ有効領域における長手方向の温度
分布を概念的に示すグラフである。

【符号の説明】

１０…シート（記録媒体） １１…トナー １２…定着ローラ（加熱回転体） １３…加圧ローラ（加圧回転体） １４…コイル １７…コア １８…巻線 Ｌｃ…コイル長 Ｌｒ…定着ローラの有効長

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性部材で形成された円筒形の加熱回
   転体と、 前記加熱回転体に圧接し、トナーを保持した記録媒体を
   前記加熱回転体との間で挟持する加圧回転体と、 巻線を螺旋状に巻回して形成されると共に前記加熱回転
   体の内部に同心状に配置され、前記加熱回転体を誘導加
   熱するコイルと、を有する誘導加熱定着装置において、 前記加熱回転体の軸方向に沿う前記コイルの長さを、前
   記記録媒体のサイズに基づいて定まる前記加熱回転体の
   有効長よりも長くしたことを特徴とする誘導加熱定着装
   置。