(57)【要約】【課題】回路電流を抑制すると共に温度変化に拘わらず最適条件での駆動を可能にする。【解決手段】直流電源１の出力はスイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２によって、極性反転されて負荷回路２のコイルＬ３に供給される。コイルＬ３及びコンデンサＣ１による並列共振回路に発生した共振電流によって、負荷回路２を構成する加熱ローラに誘導電流が流れて、加熱ローラが発熱する。一方、帰還コイルＬ４はコイルＬ３に磁気結合しており、帰還コイルＬ４には帰還電流が発生する。この帰還電流はトランジスタＱ１，Ｑ２に帰還されて、トランジスタＱ１，Ｑ２を自励式で駆動する。これにより、負荷回路の発熱に基づく共振周波数の変動に応じて、トランジスタＱ１，Ｑ２のオン，オフが制御されて、温度変化に拘わらず常に最適な条件で駆動が行われる。【選択図】      図１
2006032068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の出力をスイッチングして高周波電力を発生する高周波電源と、
前記高周波電力が供給される誘導コイルと、
前記誘導コイルに磁気結合して誘導電流により発熱する発熱手段と、
前記誘導コイルに磁気結合して、前記高周波電源のスイッチングを制御するための帰還電流を発生する帰還コイルとを具備したことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記発熱手段は、前記誘導コイル及び帰還コイルを内蔵する加熱ローラによって構成され、
前記高周波電源は、前記誘導コイルを含む並列共振回路を用いて高周波電力を発生し、
前記帰還コイルは、前記加熱ローラの発熱に基づく前記並列共振回路の共振周波数に応じた帰還電流を発生して前記高周波電源のスイッチングを制御することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機の定着装置等に好適な誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トナー画像を熱定着するために、従来からハロゲン電球を熱源として用いた加熱ローラを用いている。しかし、ハロゲン電球を用いた加熱ローラでは、ウォームアップ時間が長く、熱容量も不足するという欠点がある。そこで、この問題を解決するために、近年、誘導加熱方式を採用した加熱ローラが開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、渦電流損を利用する加熱方式であり、ＩＨ（電磁誘導加熱）ジャーなどにおいて実用化されているのと同様な原理で動作する誘導加熱ローラが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ローラを導電部材で構成し、誘導コイルによる誘起電流をローラに流して加熱する高周波誘導加熱ローラが記載されている。この方式は、渦電流損を利用する加熱方式よりも磁気的結合が強いことから、定着効率が高い。また、加熱ローラ全体を加熱することができ、定着装置の構造が簡単になるという利点がある。
【特許文献１】特開２０００−２１５９７１号公報
【特許文献２】特開昭５９−３３７８７号公報
【特許文献３】特開２００２−３３４７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的には、誘導加熱ローラへの電力の供給には、ハーフブリッジ型インバータ等の高周波回路を採用する。例えば、特許文献３には、ＬＣ直列共振回路を備えた他励式のハーフブリッジ型インバータを用いて構成した高周波電源を採用した例が記載されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献３等の従来の誘導加熱装置においては、回路電流が大きいという欠点がある。このため、高周波電源に大電流に対応した高価な回路部品を用いる必要があり、部品点数も多い。
【０００７】
また、従来の誘導加熱装置においては、加熱ローラの温度上昇に伴って高周波電源の共振周波数が変動し、最適条件を維持しながら駆動することが困難であるという問題もあった。
【０００８】
本発明は高周波電源を並列共振回路を用いて構成すると共に自励式での動作を可能にすることにより、回路電流を抑制すると共に温度変化に拘わらず最適条件での駆動を継続することができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る誘導加熱装置は、直流電源の出力をスイッチングして高周波電力を発生する高周波電源と、前記高周波電力が供給される誘導コイルと、前記誘導コイルに磁気結合して誘導電流により発熱する発熱手段と、前記誘導コイルに磁気結合して、前記高周波電源のスイッチングを制御するための帰還電流を発生する帰還コイルとを具備したことを特徴とする。
【００１０】
本発明において、高周波電源は直流電源の出力をスイッチングして高周波電力を発生する。発生した高周波電力は誘導コイルに供給され、誘導コイルに磁気結合した発熱手段に誘導電流を流す。これにより、発熱手段は発熱する。帰還コイルは、誘導コイルに磁気結合して帰還電流を発生する。この帰還電流に基づいて高周波電源のスイッチングが制御されて、自励式で高周波電力が発生する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高周波電源を並列共振回路を用いて構成すると共に自励式での動作を可能にすることにより、回路電流を抑制すると共に温度変化に拘わらず最適条件での駆動を継続することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る誘導加熱装置を示す回路図である。また、図２は図１の負荷回路を構成する誘導加熱ローラを示す平面図である。図２は加熱ローラを切欠し残りの一部を破断して示すものである。図３は図２の誘導加熱ローラの横断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態における誘導加熱装置は、並列共振回路を採用した自励式プッシュプル型の高周波電源を採用している。等価回路で表された負荷回路２は誘導加熱ローラによって構成することができる。即ち、負荷回路２の１次コイルＬ３は、誘導加熱ローラを構成する誘導コイルＩＣの１次コイルｗｐに相当し、負荷回路２の２次コイルＬ５及び抵抗ＲＬは、誘導加熱ローラを構成する加熱ローラＴＲの２次コイルｗｓに相当する。更に、誘導コイルＩＣには、図１の高周波電源を自励式で動作させるための帰還コイルＬ４を備える。
【００１４】
先ず、図２及び図３を参照して、本実施の形態において採用される誘導加熱ローラの構成について説明する。本実施の形態における誘導加熱ローラは、加熱ローラＴＲ及び誘導コイルＩＣ並びに帰還コイルｗｐｂによって構成する。
【００１５】
加熱ローラＴＲは、後述する誘導コイルＩＣに磁気結合し、誘導電流によって発熱する。即ち、加熱ローラＴＲは、周回方向に閉回路を形成した２次コイルｗｓを備えており、この２次コイルｗｓが誘導コイルＩＣと磁気結合、例えば空芯トランス結合する。
【００１６】
また、加熱ローラＴＲには、１つ又は複数の２次コイルｗｓを配設する。なお、複数の２次コイルｗｓを配設する場合には、各２次コイルｗｓは加熱ローラＴＲの軸方向に分散して配設する。これらの２次コイルｗｓを支持するために、絶縁性物質からなるローラ基体ＢＢを用いる。ローラ基体ＢＢの外面若しくは内面又はローラ基体ＢＢの内部に２次コイルｗｓを配設することができる。
【００１７】
また、加熱ローラＴＲの２次コイルｗｓは、導体層、導電線及び導電板等の導体によって構成することができる。導体層としては、所望の２次側抵抗値を得るために、以下の材料および製造方法を採用することができる。例えば、厚膜形成法（塗布＋焼成）により形成する場合には、Ａｇ、Ａｇ＋Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、ＲｕＯ2 、及びＣからなるグループから選択した材料を用いるのがよい。塗布方法としては、スクリーン印刷法、ロールコーター法及びスプレー法等を用いることができる。これに対して、めっき、蒸着又はスパッタリング法により形成する場合には、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕ＋（Ａｕ、Ａｇ）のグループから選択した材料を用いるのがよい。導電線および導電板は、Ｃｕ、Ａｌ等を用いることができる。なお、Ｃｕ、Ａｌの場合は、酸化を防止するために、防錆被膜を表面に形成することが好ましい。また、ローラ基体ＢＢをＦｅやＳＵＳ (ステンレス鋼）で構成する場合、ローラ基体の表面層が高周波の表皮効果によって２次コイルとして作用する。従って、上記のような格別の２次コイルｗｓを配設しなくてもよい。しかし、この場合であっても、要すればローラ基体ＢＢとは別に２次コイルｗｓを配設することができる。なお、ＦｅやＳＵＳからなるローラ基体ＢＢにおいても、表面に亜鉛被膜などの防錆皮膜を形成することができる。
【００１８】
ローラ基体ＢＢとしては、２次コイルｗｓを支持するために、絶縁性物質によって構成することができる。絶縁性のローラ基体ＢＢは、セラミックス又はガラスを用いて形成することができる。そして、ローラ基体ＢＢの耐熱性、強い衝撃性及び機械的強度等を考慮して、例えば以下の材料を用いることができる。セラミックスとしては、例えばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等である。ガラスとしては、例えば結晶化ガラス、石英ガラス及びパイレックス（登録商標）等である。
【００１９】
ガラス封止層ＧＳは、２次コイルｗｓをローラ基体ＢＢとの間で封止するように２次コイルｗｓの上から基体ＢＢの外面に配設する。合成樹脂層ＰＬは、フッ素樹脂からなり、ガラス封止層ＧＳの上に配設する。
【００２０】
このような加熱ローラＴＲは、回転機構を備えていてもよい。加熱ローラＴＲを回転するための機構は、既知の構成を適宜選択して採用することができる。なお、トナー画像を熱定着する場合には、加熱ローラＴＲと正対して加圧ローラ（図７参照）を配設して、両ローラの問をトナー画像が形成された記録媒体が通過する際に加熱されてトナーが記録媒体に融着するように構成することができる。
【００２１】
コイルボビンＣＢは、円筒形状に構成する。コイルボビンＣＢとしては、絶縁性、耐熱性及び耐久性に優れた材料、例えばガラス、セラミックス又は耐熱性合成樹脂等を用いて構成することが望ましい。
【００２２】
コイルボビンＣＢの外周面には、１次コイルｗｐを巻回している。１次コイルｗｐはコイルボビンＣＢの一端から延出された給電線ｗｐｌに接続している。
【００２３】
本実施の形態においては、コイルボビンＣＢの外周面には、帰還コイルｗｐｂも巻回している。帰還コイルｗｐｂは、図１の帰還コイルＬ４に相当する。帰還コイルｗｐｂはコイルボビンＣＢの一端から延出された給電線ｗｐｂｌに接続している。帰還コイルｗｐｂは、１次コイルｗｐと磁気結合し、１次コイルｗｐに流れる電流に応じた誘起電流を生じるようになっている。
【００２４】
なお、図３の断面図は、図２の１次コイルｗｐの配置位置で切断して示すと、コイルボビンＣＢ上に１次コイルｗｐが示され、図２の帰還コイルｗｐｂの配置位置で切断して示すと、コイルボビンＣＢ上に帰還コイルｗｐｂが示される。
【００２５】
これらの１次コイルｗｐ及び帰還コイルｗｐｂは、回転する加熱ローラＴＲに対して静止していてもよく、加熱ローラと一緒に、又は別に回転してもよい。
【００２６】
１次コイルｗｐに相当する図１のコイルＬ３は、高周波電源によって高周波駆動する。図１に示すように、高周波電源は、並列共振回路を採用した自励式プッシュプル型で構成する。
【００２７】
即ち、コイルＬ３の両端は、夫々コンデンサＣ２，Ｃ３を介してプッシュプル構成のスイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２のドレインに接続する。トランジスタＱ１，Ｑ２のドレインは、夫々コイルＬ１，Ｌ２を介して直流電源１の正極性端子に接続する。また、トランジスタＱ１，Ｑ２のドレイン相互間にはコンデンサＣ１も接続する。
【００２８】
直流電源１の負極性端子は、トランジスタＱ１，Ｑ２のソースに接続する。直流電源１の正極性端子と負極性端子との間には抵抗Ｒ２，Ｒ３を直列接続し、抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続点をトランジスタＱ１のゲートに接続する。また、直流電源１の正極性端子と負極性端子との間には抵抗Ｒ１，Ｒ４を直列接続し、抵抗Ｒ１，Ｒ４の接続点をトランジスタＱ２のゲートに接続する。負荷回路２中の帰還コイルＬ４の両端は、夫々トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに接続する。
【００２９】
次に、このように構成された実施の形態の動作について説明する。
【００３０】
高周波電源を構成するコイルＬ１，Ｌ２は、直流電圧のノイズを除去して、コンデンサＣ１及びコイルＬ３によって構成される並列共振回路に供給する。この場合には、トランジスタＱ１，Ｑ２が交互にオンすることで、正極性電圧及び負極性電圧を交互に並列共振回路に供給する。
【００３１】
このように、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング及び並列共振回路によって発生した高周波電力を、コイルＬ３（誘導コイルＩＣ）に供給する。
【００３２】
即ち、高周波電源からの高周波出力は、給電線ｗｐｌを介して誘導コイルＩＣに供給する。これにより、誘導コイルＩＣは、励磁されて高周波磁界を発生する。発生した磁束は、コイルボビンＣＢを通過して加熱ローラＴＲの２次コイルｗｓに鎖交する。そうすると、２次コイルｗｓは、誘導電流が加熱ローラＴＲの周回方向に流れて、抵抗発熱する。その結果、加熱ローラＴＲが、発熱して均一に、しかも、急激に温度上昇する。
【００３３】
本実施の形態においては、誘導コイルＩＣの１次コイルｗｐが巻回されたコイルボビンＣＢには、帰還コイルｗｐｂも巻回している。従って、１次コイルｗｐに供給される高周波出力によって、帰還コイルｗｐｂにも誘導電流が発生する。この誘導電流は、給電線ｗｐｂｌを介してトランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに帰還される。帰還コイルｗｐｂに流れる電流の向きは、１次コイルｗｐに印加される高周波出力の極性に応じて変化し、トランジスタＱ１，Ｑ２には、並列共振回路の共振周波数に基づく周波数の出力が与えられる。こうして、トランジスタＱ１，Ｑ２は、並列共振回路の共振周波数で交互にオン，オフし、自励式で高周波出力が得られる。
【００３４】
ところで、加熱ローラＴＲは、図１の負荷回路２に示すように、等価的には、コイルＬ５及び抵抗ＲＬによって表される。ところが、加熱ローラＴＲが加熱されるに従って、負荷回路２の定数が変化する。図４及び図５は負荷回路２の定数の変化を説明するためのグラフである。図４は横軸にローラ温度をとり縦軸にコイルＬ３〜Ｌ５のインダクタンスをとって温度変化に伴う負荷回路２のインダクタンスの変化を示し、図５は横軸にローラ温度をとり縦軸に抵抗ＲＬの抵抗値をとって温度変化に伴う負荷回路２の抵抗値の変化を示している。また、図６は横軸に周波数をとり縦軸にインピーダンスをとって、負荷回路２のインピーダンスと共振周波数の変化を示すグラフである。
【００３５】
図４に示すように、加熱ローラＴＲ、誘導コイルＩＣ及び帰還コイルｗｐｂのインダクタンスＬ３〜Ｌ５は温度の上昇と共に、インダクタンス値が増加する特性を有する。また、図５に示すように、加熱ローラＴＲの抵抗ＲＬも温度の上昇と共に、抵抗値が増加する特性を有する。図６の曲線Ａは温度が比較的低い場合の特性を示し、図６の曲線Ｂは温度が比較的高い場合の特性を示している。図６に示すように、コンデンサＣ１及びコイルＬ３によって構成される共振回路は、温度と共にインピーダンスが変化し、共振周波数もｆ0 からｆ0 ’に変化する。
【００３６】
従来、誘導加熱装置において一般的に使用されている他励式の高周波電源においては、スイッチングトランジスタのスイッチング周波数（動作周波数）は所定の信号源からのスイッチング信号に基づいて制御されている。ところが、上述したように、負荷回路を構成する加熱ローラの温度変化に伴って共振周波数が変化することから、最適な動作周波数を得るためのスイッチング信号を生成することは極めて困難である。
【００３７】
これに対し、本実施の形態においては、帰還コイルＬ４の誘起電流によってスイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２をオン，オフ制御している。従って、温度変化に伴って共振周波数が変化すると、この変化に応じてトランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング周波数も変化する。従って、本陣時の形態においては、加熱ローラの温度変化に拘わらず、負荷回路２を常に最適な動作周波数で駆動することができる。
【００３８】
また、本実施の形態においては、並列共振回路を採用していることから、負荷回路２に流れる電流は、直列共振回路に比べて少ない。従来、誘導加熱装置において一般的に使用されている直列共振回路を採用した高周波電源においては、負荷回路２に流れる電流量が大きいことから、負荷を分散して構成する必要があった。
【００３９】
これに対し、本実施の形態においては、並列共振回路を採用していることから、負荷に流れる電流量を抑制することができる。このため、負荷を分散せずに構成することも可能であり、部品点数を削減することができるという利点もある。
【００４０】
図７は図１の実施の形態の誘導加熱装置を用いて構成した定着装置を示す縦断面図である。
【００４１】
図７において、２１は誘導加熱装置、２２は加圧ローラ、２３は記録媒体、２４はトナー、２５は架台である。誘導加熱装置２１は、図１の誘導加熱装置と同一構成である。加圧ローラ２２は、誘導加熱装置２１の加熱ローラＴＲと圧接関係を有して配設されており、両者の間に記録媒体２３を狭圧しながら搬送する。記録媒体２３は、その表面にトナー２４が付着することにより、画像が形成される。架台２５は、記録媒体２３を除く上述した各構成要素を所定の位置関係に装架している。
【００４２】
このように構成された定着装置においては、トナー２４が付着して画像を形成している記録媒体２３は、誘導加熱装置２１の加熱ローラＴＲと加圧ローラ２２との間に挿入されて搬送される。この搬送途中で、トナー２４は加熱ローラＴＲの熱を受けて加熱される。これにより、トナー２４は溶融して、記録媒体２３上に熱定着される。
【００４３】
図８は図７の定着装置を用いて構成した画像形成装置である複写機の概念的断面図である。
【００４４】
図８において、３１は読取装置、３２は画像形成部、３３は定着装置、３４は画像形成装置ケースである。読取装置３１は、原紙を光学的に読み取って画像信号を形成する。画像形成部３２は、画像信号に基づいて感光ドラム３２ａ上に静電潜像を形成し、この静電潜像にトナーを付着させて反転画像を形成し、これを紙などの記録媒体に転写して画像を形成する。定着装置３３は、図７に示した構造を有し、記録媒体に付着したトナーを加熱溶融して熱定着させる。画像形成装置ケース３４は、これらの各構成要素を収納すると共に、搬送装置、電源装置及び制御装置等を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る誘導加熱装置を示す回路図。
【図２】図１の負荷回路を構成する誘導加熱ローラを示す平面図。
【図３】図２の誘導加熱ローラの横断面図。
【図４】負荷回路２の定数の変化を説明するためのグラフ。
【図５】負荷回路２の定数の変化を説明するためのグラフ。
【図６】横軸に周波数をとり縦軸にインピーダンスをとって、負荷回路２のインピーダンスと共振周波数の変化を示すグラフ。
【図７】図１の実施の形態の誘導加熱装置を用いて構成した定着装置を示す縦断面図。
【図８】図７の定着装置を用いて構成した複写機の概念的断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１…直流電源、２…負荷回路、Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、Ｌ１〜Ｌ５…コイル、Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ。  
代理人      弁理士      伊  藤    進
【図１】
2006032068.tif 000003
【図２】
2006032068.tif 000004
【図３】
2006032068.tif 000005
【図４】
2006032068.tif 000006
【図５】
2006032068.tif 000007
【図６】
2006032068.tif 000008
【図７】
2006032068.tif 000009
【図８】
2006032068.tif 000010