JPH1031389A - 誘導加熱定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 昇温初期においてコイルに流れる電流を抑制
し、かつ、昇温速度が極力遅くならないようにした誘導
加熱定着装置を提供する。 【解決手段】 導電性部材で形成され、円筒形状の定着
ローラ１と、該定着ローラ１内部を通り、閉磁路を形成
するためのコア５と、該コア５に巻装され、直列に接続
されている第１および第２コイル３、４と、該第１およ
び第２コイル３、４に交流を流すための電源回路１０
と、前記定着ローラの昇温開始から予め決められた一定
時間の間、前記第１および第２コイル３、４の両方に前
記電源回路１０からの交流を供給し、該一定時間経過後
からは前記第１コイル３にのみ交流を供給するように回
路を切り換える制御装置１３と、を有することを特徴と
する誘導加熱定着装置。

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転写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】この定着装置は、例えば、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
ローラは円筒状に形成され、円筒内部にこの定着ローラ
を加熱するための発熱体が設けられていて、トナーの溶
融定着に必要な温度となるように定着ローラを加熱して
いる。

【０００４】これまで発熱体としては、例えば、ハロゲ
ンランプなどを定着ローラの中心軸に配設して、ハロゲ
ンランプの輻射熱により定着ローラを加熱するものが主
流であった。このハロゲンランプを用いたものは、コス
ト的に低価格ではあるが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
る。

【０００５】このようなハロゲンランプによる加熱の欠
点を解決し、近年の省エネルギの要請や、より速いプリ
ント動作の要請などから誘導加熱を用いた定着装置が提
案されている。

【０００６】例えば特公平４−７３１５５公報には、閉
磁路を形成するためのコア（鉄心）にコイルを巻装し、
このコイルが巻装されたコアを取り巻くように導電性の
定着ローラを設け、該コイルに交流を流すことにより定
着ローラに誘導電流を生じさせて発熱させる定着装置が
開示されている。

【０００７】このような誘導加熱を用いた定着装置、特
に上記公報の如く閉磁路を形成するコアを持つものは磁
束の漏れがほとんどないため、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、また、ハロゲンランプと比較して、より少な
い電力で、昇温が可能となる。したがって、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】このように省エネルギ
ー効果の高い誘導加熱定着装置であるが、その特性とし
て昇温開始時、すなわち定着ローラが未だ暖まっていな
い状態（室温の状態）からコイルに交流を流し始めたと
きに多くの電流が流れるという特性があり、これは導電
性材料特有の現象で、物質の導電性が温度依存性をもっ
ているために、温度上昇によって抵抗が上昇するためで
ある。

【０００９】したがって、誘導加熱では定着ローラが定
着適性温度となった後にコイルを流れる電流値が低くて
も、温度の低い昇温初期において多くの電流が流れるこ
とがあり、これを防止するために、昇温開始時において
多くの電流が流れないように、例えばコイルの巻数を多
くしてコイルインピーダンスを高くして電流を制限する
などの工夫が施されている。しかし、コイルの巻数を多
くすると、コイルインピーダンス、すなわちコイルの抵
抗成分により流れる電流が少なくなるわけであり、結
局、定着ローラの昇温速度が遅くなってしまう。

【００１０】なお、日本における電流値の制限としては
一般のコンセントを複写機などの電源として用いた場合
には１５Ａである。したがって、昇温初期の定着ローラ
が暖まっていない状態においても、この１５Ａを越える
ことは許されない。また、省エネルギーの要請として、
近年ではエネルギー総量の他、ピークエネルギー（一時
的な消費電力の増加）の削減も要請されており、その様
な点からも昇温初期における電流値のピークを低く抑え
る必要がある。

【００１１】そこで本発明の目的は、昇温初期において
流れる電流を抑制し、かつ誘導加熱定着装置の昇温速度
が極力遅くならないようにした誘導加熱定着装置を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１記載の本発明は、記録媒体上に形成されたト
ナー像を前記記録媒体へ定着する定着装置であって、導
電性部材で形成され、円筒形状の定着ローラと、該定着
ローラ内部を通り、閉磁路を形成するためのコアと、該
コアに巻装され、直列に接続されている第１および第２
コイルと、該第１および第２コイルに交流を流すための
電源回路と、前記定着ローラの昇温開始から予め決めら
れた一定時間の間、前記第１および第２コイルの両方に
前記電源回路からの交流を供給し、該一定時間経過後か
らは前記第１コイルにのみ交流を供給するように回路を
切り換える切り換え手段と、を有することを特徴とする
誘導加熱定着装置である。

【００１３】また上記目的を達成するための請求項１記
載の本発明は、記録媒体上に形成されたトナー像を前記
記録媒体へ定着する定着装置であって、導電性部材で形
成され、円筒形状の定着ローラと、該定着ローラ内部を
通り、閉磁路を形成するためのコアと、該コアに巻装さ
れ、直列に接続されている第１および第２コイルと、該
第１および第２コイルに交流を流すための電源回路と、
前記定着ローラの温度を検知するための温度検知手段
と、前記定着ローラの昇温開始から前記温度検知手段が
予め定めた温度を検知するまでの間、前記第１および第
２コイルの両方に前記電源回路からの交流を供給し、該
一定温度検知後からは前記第１コイルにのみ交流を供給
するように回路を切り換える切り換え手段と、を有する
ことを特徴とする誘導加熱定着装置である。

【００１４】

【発明の実施の形態】上述のように構成された本発明の
実施の形態を添付した図面を用いて説明する。以下、ま
ず本発明を適用した誘導加熱定着装置の構成について説
明し、次いで、この誘導加熱定着装置の昇温動作につい
て説明する。

【００１５】図１は、本発明を適用した誘導加熱定着装
置（以下、単に定着装置と称する）の概略構成を示す断
面図であり、図２は、この定着装置の定着ローラ部分の
構成を示す図面である。

【００１６】この定着装置は、矢印ａ方向に回転駆動可
能に設けられた定着ローラ１と、該定着ローラ１に圧接
して設けられ定着ローラ１の回転に伴って従動回転する
加圧ローラ２とを有する。定着ローラ１は、導電体の円
筒形中空パイプであり、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の導電性部材から形成
され、その外周面にフッ素樹脂をコーティングして、表
面に耐熱離型性層が形成されている。一方、加圧ローラ
２は、軸芯の周囲に表面離型性耐熱ゴム層例えばシリコ
ンゴムがコーティングされたものである。

【００１７】定着ローラ１には、その内部を、第１コイ
ル（誘導コイル）３が巻装され、閉磁路が形成されるコ
ア５の一部が貫通している。そして、コア５には、さら
に図示する様に第２コイル（電流抑制コイル）４が巻装
されていて、これら第１コイル３と第２コイル４とが後
述するようにスイッチング動作により直列に接続される
ようになっている。

【００１８】コア５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。

【００１９】第１および第２コイル３、４は、表面に融
着層と絶縁層を持つ通常の単一導線をコア１に巻装した
ものである。

【００２０】電気回路の構成は、図３に示すように、交
流電源１０からの交流を第１コイル３のみに流すように
回路を切り換える第１ソリッドステートリレー（ＳＳ
Ｒ）１１、第１および第２コイル３、４を直列に接続さ
れた状態として交流を流すように回路を切り換える第２
ＳＳＲ１２、および第１、第２ＳＳＲ１１，１２に切り
換え指示を出す制御装置１３よりなる。

【００２１】第１および第２ＳＳＲ１１、１２は、第１
および第２コイル３、４に印加する交流の流れを切り換
えるためのものであるが、ここでＳＳＲを用いているの
は、制御系と交流をコイルに印加するための電源系とを
電気的に分離した上で、制御信号のみを伝えるためであ
る。したがって、ＳＳＲの他にフォトカプラなどでもよ
い。

【００２２】制御装置１３は、後述する昇温動作のため
に第１および第２ＳＳＲ１１、１２にスイッチングのた
めの指示を行うもので、例えば予め動作制御のためのプ
ログラムによって動作する、ＣＰＵを中心とするマイク
ロコンピュータである。

【００２３】この定着装置の定着動作は、まず、後述す
るように誘導加熱によって定着ローラ１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。この状態で定着ローラ１と加圧ローラ２は摺
接しながら互いに逆方向へ回転し、トナーが付着したシ
ートを挟持する。定着ローラ１と加圧ローラ２との摺接
部（ニップ部という）において、シート上のトナーは定
着ローラ１の熱により溶融し、両ローラから作用する圧
力によりシートに定着される。トナーが定着した後、定
着ローラ１および加圧ローラ２の回転に伴い、シート
は、図示しない排紙ローラによって搬送され、複写機や
プリンタなどの排紙トレイ（不図示）上に排出される。

【００２４】以上のように構成された定着装置の昇温動
作について説明する（回路構成について図３参照）。ま
ず、誘導加熱の基本的動作について説明する。誘導加熱
定着装置の基本構造はトランスと同様の構成である。す
なわち、上記第１および第２コイル３、４が１次側コイ
ル（Ｎ巻き）に、定着ローラ１が２次側コイル（１巻
き）にそれぞれ相当する。そして、１次側コイル（後述
のように第１および第２コイルの両方、または第１コイ
ルのみ）に５０〜６０Ｈｚ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。これによりコ
ア５に磁束が生じて、その磁束によって２次側コイルで
ある定着ローラ１に誘導起電力Ｖ２が生じて電流Ｉ２が
流れる。磁束はコア５によって閉磁路が形成されている
ため漏れ出ることがなく、１次側エネルギーＶ１Ｉ１に
対して２次側のエネルギーはＶ２Ｉ２となる。

【００２５】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（銅線内）の銅損に
よるコイルの発熱、すなわち第１および第２コイル３、
４の発熱または第１コイル３のみの発熱、二つ目に２次
側コイル（銅線内）の銅損によるコイルの発熱、すなわ
ち定着ローラ１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５の発熱である。

【００２６】定着装置としては、一つ目と三つ目の発熱
はエネルギーロスとなるためこれらを極力抑え、二つ目
の定着ローラ１による発熱を利用して定着ローラ１を昇
温させるものである。

【００２７】次に上記定着装置の昇温動作について説明
する。上記装置の昇温動作は、図４の実線に示すよう
に、昇温初期段階、つまり常温から温度を上昇させるた
めにコイルへの通電を開始してから、ある一定温度まで
（図中ｔ２まで）は、第１ＳＳＲ１１をＯＦＦ、第２Ｓ
ＳＲ１２をＯＮとして第１および第２コイル３、４の両
方に交流を通電する。したがって、第１コイル３と第２
コイル４の両方に通電されるため、両方の抵抗成分（イ
ンピーダンス）が合わされることとなり、コイルに流れ
る電流値が低下する。そして一定の時間経過後（図中ｔ
２からｔ３まで）、第１ＳＳＲ１１をＯＮ、第２ＳＳＲ
１２をＯＦＦにして第１コイル３にのみ通電する。その
後は定着適正温度（ここでは２００℃）に達した後（図
中ｔ３以降）、定着適正温度を保つために第１ＳＳＲ１
１のＯＮ、ＯＦＦを繰り変えす。なお、ｔ３以降は第２
ＳＳＲは常にＯＦＦである。

【００２８】これにより昇温初期の定着ローラ１の温度
が低い状態、つまり２次側のインピーダンスが低いとき
に、１次側コイル（第１および第２コイル）に流れる電
流を第１および第２コイル３、４の合成インピーダンス
によって抑制することができる。そして、ある程度定着
ローラ１の温度が上昇することにより、温度上昇に伴う
２次側（定着ローラ）のインピーダンスが高くなると、
初期状態よりも１次側コイルに流れる電流が少なくなる
ので、ここで、第１コイル３にのみ通電し、第２コイル
４に電流を流さないようにしたことで、そのインピーダ
ンス上昇分を相殺して、定着ローラ１の昇温速度が低下
することを防止した。

【００２９】このような動作をさせる理由は、既に説明
したように、第１には、定着ローラの温度が低い状態、
つまり２次側の温度が低いときには、そのインピーダン
スが低いため、温度が高いときと比較して多くの電流が
流れる。この時第１コイル３にのみ通電すると、電流の
制限値を越えてしまう。そこで、このような制限を越え
る電流が初期段階において流れないようにする必要から
である。また、第２の理由として、このように初期段階
における電流の制限を１つのコイルにより行うと、始め
から１次側コイルの抵抗値の大きなコイルを使用しなけ
ればならず、その場合、ある程度昇温して電流が少なく
なった状態ではさらに流れる電流が少なくなり昇温速度
が遅くなるので、このような昇温速度の遅れを極力なく
すようにするためである。

【００３０】以上の理由による電流値の制限と、それに
伴う第１および第２ＳＳＲ１１、１２のスイッチングの
タイミングをより具体的に説明する。例えば日本国内に
おいては通常のコンセントを使用した場合には、使用で
きる電流は１５Ａと制限されている。そこで、初期段階
で、第１コイル３にのみに通電すると、図４に示した点
線の如く、ある一定時間ｔ１までは１５Ａを越えてしま
うこととなる。そこで、この段階では第１および第２コ
イル３、４の両方に通電して図４の実線の如く電流値が
１５Ａ以下となるようにしている。

【００３１】一方、第１コイル３のみに通電しても１５
Ａを越えないような定着ローラの温度、すなわち時間ｔ
１経過後の定着ローラ１の温度は、図５の点線に示すよ
うに、時間ｔ１が経過したときの温度Ｔ１である。しか
し、第１コイル３と第２コイル４の両方に交流を印加し
たときの時間ｔ１経過後の温度は、図５の実線に示すよ
うに、未だＴ１より低いＴ２にしか達していない。した
がって、このときに第１および第２ＳＳＲ１１、１２を
切り換えて、第１コイル３のみの通電にしてしまうと、
定着ローラの温度が制限電流１５Ａを越えないＴ１の温
度に達していないために第１コイル３を流れる電流値が
制限電流１５Ａを越えてしまうことになる。そこで、第
１および第２ＳＳＲ１１、１２を切り換えるタイミング
は、第１コイル３と第２コイル４の両方に交流を印加し
たときに温度Ｔ１となる時間ｔ２経過後となる。

【００３２】ここで、仮に初期段階から定着適正温度に
なるまで、制限電流値１５Ａを越えないようにした場
合、すなわちｔ３までの間第１および第２ＳＳＲ１１、
１２を切り換えることなく、第１および第２コイル３、
４の両方に通電した場合には、図５の一点鎖線で示すよ
うに、定着適正温度である２００℃に達する時間が、本
実施の形態である図５中の実線で示した定着適正温度
（２００℃）に達するまでの時間より遅くなる。すなわ
ち、本発明を適用して時間ｔ２からは第１コイル３にの
み交流を流すようにしたことで、定着適正温度に達する
時間が遅延することを防止している。

【００３３】第１および第２ＳＳＲ１１、１２のスイッ
チングの制御は、例えば予め上記ｔ２の時間、すなわち
定着ローラ１の温度がＴ１となる時間を実験などによっ
て求めておいて、その時間を制御装置１３に予めプログ
ラムしておき、この時間経過によって第１および第２Ｓ
ＳＲ１１、１２を切り換えてもよいし、また、定着ロー
ラ１の温度を検知するための温度検知手段、例えば熱電
対温度センサを設け、該温度センサによって検知された
温度がＴ１になった時点で第１および第２ＳＳＲ１１、
１２を切り換えるようにしてもよい。

【００３４】なお、第１コイル３と第２コイル４との巻
数については、上記のように昇温の初期段階において、
第１コイル３と第２コイル４を合わせて通電したときに
制限電流値を越えないようにし、かつ、第１コイル３と
第２コイル４を合わせた通電時間（ｔ２までの時間）が
できるだけ短くなるように設定する。これには、定着ロ
ーラの大きさ（長さ、直径、肉厚）や材質、第１および
第２コイルに用いる銅線の太さなどを考慮して決定する
必要があるが、理論的には下記のようにして求められ
る。

【００３５】すなわち、誘導加熱定着装置の基本構造は
前述のようにトランスと同様であるから Ｎ１／Ｎ２＝Ｖ１／Ｖ２ …（１） の関係がある。し
たがって、１次側巻き数Ｎ１は、（１）式から、 （Ｎ１／Ｎ２）² ＝（Ｖ１／Ｖ２）² Ｎ１² ＝（Ｖ１／Ｖ２）² ・Ｎ２² ＝｛Ｖ１² ／（Ｒ・Ｉ２² Ｒ）｝・Ｎ２² ＝｛Ｖ１² ／（Ｒ・Ｐ）｝・Ｎ２² （ただし、Ｒは２次側インピーダンス（本実施の形態で
は定着ローラの抵抗値である）、Ｐは電力） Ｎ１＝Ｖ１Ｎ２√｛１／（ＲＰ）｝ となる。誘導加
熱定着装置では、２次側は定着ローラであり、その巻き
数Ｎ２は１であるから、 ∴ Ｎ１＝Ｖ１√｛１／（ＲＰ）｝ …（２） とな
る。本実施の形態では、印加電圧を１００Ｖ、その力率
ｃｏｓφ＝１とすると、第１コイルにのみ通電した瞬間
の電力Ｐは、図４から、 １００（Ｖ）×１８（Ａ）×ｃｏｓφ＝１８００（Ｗ）
となる。同様に第１および第２コイルの両方に通電し
た瞬間の電力Ｐは、図４から １００（Ｖ）×１５（Ａ）×ｃｏｓφ＝１５００（Ｗ）
となる。

【００３６】今、本実施の形態では、Ｎ１の巻数を５０
０ターンとすると、上記（２）式から、第１コイルにの
み通電した場合には、 ５００＝１００√｛１／（Ｒ×１８００）｝ …（３）
となる。同様に、第１および第２コイルの両方に通電
した場合には、 ５００＋ｘ＝１００√｛１／（Ｒ×１５００）｝ …
（４） となる（ただし、ｘは第２コイルのターン
数）。（３）および（４）式から、第２コイルのターン
数ｘを求めると、 ５００／（５００＋ｘ）＝√（１５００／１８００） ∴ ｘ＝√（１５００／１８００）×５００−５００≒
４８ターンとなる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、請
求項ごとに以下のような効果を奏する。

【００３８】請求項１記載の本発明は、閉磁路を形成す
るコアに、直列に接続される２つのコイル（第１および
第２コイル）を巻装し、昇温初期において定着ローラが
未だ暖まっておらず、電流が多く流れる状態のときに
は、第１および第２コイルの両方に通電して電流量を下
げ、ある程度定着ローラが暖まって来た一定時間経過後
からは第１コイルにのみ通電することとしたので、昇温
初期には電流量を抑制して消費電力を少なくし、かつ昇
温速度が極力遅くならないようにすることができる。

【００３９】請求項２記載の本発明は、閉磁路を形成す
るコアに、直列に接続される２つのコイル（第１および
第２コイル）を巻装し、昇温初期において定着ローラが
未だ暖まっておらず、電流が多く流れる状態のときに
は、第１および第２コイルの両方に通電して電流量を下
げ、ある程度定着ローラが暖まって来たら、それを検知
して第１コイルにのみ通電することとしたので、昇温初
期には電流量を抑制して消費電力を少なくし、かつ昇温
速度が極力遅くならないようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した誘導加熱定着装置の概略構
成を示す断面図である。

【図２】 上記誘導加熱定着装置の定着ローラ部分の構
成を示す概略図である。

【図３】 上記誘導加熱定着装置の電気回路構成を示す
ブロック図である。

【図４】 コイルに流れる電流の時間による変化を示す
図面である。

【図５】 定着ローラの温度と時間との関係を示す図面
である。

【符号の説明】

１…定着ローラ、 ２…加圧ローラ、 ３…第１コイル（誘導コイル）、 ４…第２コイル（電流抑制コイル）、 ５…コア、 １０…交流電源、 １１…第１ＳＳＲ、 １２…第２ＳＳＲ、 １３…制御装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 記録媒体上に形成されたトナー像を前記
   記録媒体へ定着する定着装置であって、 導電性部材で形成され、円筒形状の定着ローラと、 該定着ローラ内部を通り、閉磁路を形成するためのコア
   と、 該コアに巻装され、直列に接続されている第１および第
   ２コイルと、 該第１および第２コイルに交流を流すための電源回路
   と、 前記定着ローラの昇温開始から予め決められた一定時間
   の間、前記第１および第２コイルの両方に前記電源回路
   からの交流を供給し、該一定時間経過後からは前記第１
   コイルにのみ交流を供給するように回路を切り換える切
   り換え手段と、を有することを特徴とする誘導加熱定着
   装置。
2. 【請求項２】 記録媒体上に形成されたトナー像を前記
   記録媒体へ定着する定着装置であって、 導電性部材で形成され、円筒形状の定着ローラと、 該定着ローラ内部を通り、閉磁路を形成するためのコア
   と、 該コアに巻装され、直列に接続されている第１および第
   ２コイルと、 該第１および第２コイルに交流を流すための電源回路
   と、 前記定着ローラの温度を検知するための温度検知手段
   と、 前記定着ローラの昇温開始から前記温度検知手段が予め
   定めた温度を検知するまでの間、前記第１および第２コ
   イルの両方に前記電源回路からの交流を供給し、該一定
   温度検知後からは前記第１コイルにのみ交流を供給する
   ように回路を切り換える切り換え手段と、を有すること
   を特徴とする誘導加熱定着装置。