(57)【要約】【課題】  薄膜化された金属導電層の加熱時に、誘導加熱コイルにより金属導電層に発生される渦電流の磁束の漏れが少なく、金属導電層を効率良く発熱出来、定着の高速化及び省エネルギー化を図り経済性及び環境の保全を得る。【解決手段】  １００Ｖ電源用の誘導加熱コイル３０、４０、５０のインダクタンスＬとヒートローラ２７の負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）となり、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜１０Ωとなる様に設定して、４０〜７０ｋＨｚの高い周波数の駆動電流を供給し金属導電層２７ｃに生じる渦電流の表皮効果により、金属導電層２７ｃの発熱効率を向上する。【選択図】図２
2006259722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の発熱層を有する加熱部材と、
前記加熱部材に圧接してトナー像を有する被定着媒体を所定方向に搬送する加圧部材と、
前記加熱部材の近傍に配置され、インダクタンスＬ（Ｈ）と前記加熱部材の間で発生する負荷抵抗Ｒ（Ω）の比率がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）であり、前記発熱層に誘導電流を発生させる誘導電流発生手段と、
前記誘導電流発生手段に周波数４０ｋＨｚ以上の駆動電流を供給する電流制御手段とを具備することを特徴とする画像形成装置の定着装置。
【請求項２】
前記電流制御手段は１００Ｖの電源装置により駆動されることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項３】
前記誘導電流発生手段のコイルインピーダンスＺ（Ω）は、Ｚ＜１０（Ω）であることを特徴とする請求項２記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項４】
前記電流制御手段は２００Ｖの電源装置により駆動されることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項５】
前記誘導電流発生手段のコイルインピーダンスＺ（Ω）は、Ｚ＜２０（Ω）であることを特徴とする請求項４記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項６】
前記発熱層は、前記加熱手段表面側に設けられることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項７】
前記発熱層は、最表面に保護層を有することを特徴とする請求項６記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項８】
前記発熱層の厚さは、１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項９】
前記導電性の発熱層が金属導電層であり、前記加熱部材がエンドレス部材であり、前記誘導電流発生手段が誘導加熱コイルであり、前記電流制御手段がインバータ回路であることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項１０】
前記電流制御手段は１００Ｖあるいは２００Ｖのいずれの電源装置によっても駆動されることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項１１】
前記誘導電流発生手段は、前記電源電圧が１００Ｖの時に、インダクタンスＬ（Ｈ）と前記加熱手段の間で発生する負荷抵抗Ｒ（Ω）の比率がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）であり、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜１０（Ω）であることを特徴とする請求項１０記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項１２】
前記電流制御手段は前記誘導電流発生手段に周波数２０〜４５ｋＨｚの前記駆動電流を供給することを特徴とする請求項１1記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項１３】
前記誘導電流発生手段は前記電源電圧が２００Ｖの時に、インダクタンスＬ（Ｈ）と前記加熱手段の間で発生する負荷抵抗Ｒ（Ω）の比率がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）であり、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜２０（Ω）であることを特徴とする請求項1０記載の画像形成装置の定着装置。
【請求項１４】
前記電流制御手段は前記誘導電流発生手段に周波数５０ｋＨｚ以上の前記駆動電流を供給することを特徴とする請求項１３記載の画像形成装置の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に搭載され、誘導加熱を利用してトナー像を用紙に加熱定着する画像形成装置の定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に使用される定着装置として、加熱ローラ及び加圧ローラからなる一対のローラ間、あるいは同様のベルト間に形成されるニップ内にシート紙を挿通し、トナー像を加熱加圧定着する定着装置がある。この様な加熱式の定着装置として従来、加熱ローラあるいは加熱ベルト表面の金属導電層を誘導加熱方式で加熱する装置がある。誘導加熱方式は、誘導加熱コイルの所定の電力を供給して磁界を発生させ、磁界により生じる渦電流によって金属導電層を瞬時に加熱して、加熱ローラあるいは加熱ベルトを定着可能とするものである。
【０００３】
このような誘導加熱方式の定着装置として、従来誘導加熱コイルの周波数が２０ｋＨｚ以下の可聴周波数に下がるのを防止して、騒音を生じることなく、一定の加熱出力を保持する装置が開示されている。（例えば特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００２−２３７３７７号公報(第１２頁、図９)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら（特許文献１）の誘導加熱方式の定着装置は、周波数として可聴周波数に達しない程度に低い周波数を用いて、装置の低価格化を図るものである。
【０００５】
これに対して近年誘導加熱方式の定着装置において、加熱ローラ表面に熱容量の小さい薄膜化された金属導電層を設けて、金属導電層の高速加熱を図るとともに、より一層の省エネルギー化を図る定着装置が開発されている。このような熱容量の小さい薄膜化された金属導電層にあっては、誘導加熱コイルが周波数約２０〜４０ｋＨｚで駆動した場合の金属導電層に発生する渦電流の表皮深さより薄いため、磁束が漏れる割合が高くなり、効率的な加熱が妨げられてしまう。
【０００６】
そこで本発明は上記課題を解決するものであり、誘導加熱コイルにより金属導電層を加熱する定着装置において、金属導電層に発生される渦電流の磁束の漏れが少なく、金属導電層を効率に発熱して、定着の高速化及び省エネルギー化を図り、経済性及び環境の保全を図る画像形成装置の定着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】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するための手段として、導電性の発熱層を有する加熱部材と、前記加熱部材に圧接してトナー像を有する被定着媒体を所定方向に搬送する加圧部材と、前記加熱部材の近傍に配置され、インダクタンスＬ（Ｈ）と前記加熱部材の間で発生する負荷抵抗Ｒ（Ω）の比率がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）であり、前記発熱層に誘導電流を発生させる誘導電流発生手段と、前記誘導電流発生手段に周波数４０ｋＨｚ以上の駆動電流を供給する電流制御手段とを有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、誘導加熱コイルにより金属導電層の発熱効率を向上出来、定着時の高速化、省エネルギー化及び、的確な温度制御を容易に得られる。また、誘導加熱コイルの小型・軽量化を図れ、定着装置の設計上の自由度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、誘導加熱コイルを４０ｋＨｚより高い周波数で駆動し、表皮効果により負荷抵抗を大きくする。
【実施例１】
【００１０】
以下、本発明の実施例１について図１乃至図６−３を用いて説明する。図１は本発明の実施例１の定着装置２６を搭載してなる画像形成装置１を示す概略構成図である。画像形成装置１は画像形成部２に被定着媒体である用紙Ｐを供給するカセット機構３を備え、上面には自動原稿送り装置４により供給される原稿Ｄを読取るスキャナ部６を備える。カセット機構３から画像形成部２に至る搬送路７上にはレジストローラ８が設けられる。
【００１１】
画像形成部２は、感光体ドラム１１周囲に、感光体ドラム１１の矢印ｑの回転方向に従い順次感光体ドラム１１を一様に帯電する帯電装置１２、帯電された感光体ドラム１１にスキャナ装置６からの画像データに基づき潜像を形成するレーザ露光装置１３、現像装置１４、転写チャージャ１６、剥離チャージャ１７、クリーナ１８、除電ＬＥＤ２０を有している。画像形成部２は、周知の電子写真方式による画像形成プロセスにて感光体ドラム１１上にトナー像を形成し、用紙Ｐに転写する。
【００１２】
画像形成部２の用紙Ｐ搬送方向下流には、トナー像を転写された用紙Ｐを排紙部２１方向に搬送する排紙搬送路２２が設けられる。排紙搬送路２２上には、感光体ドラム１１から剥離された用紙Ｐを定着装置２６に搬送する搬送ベルト２３、定着装置２６通過後の用紙Ｐを排紙部２１に排出する排紙ローラ２４が設けられる。
【００１３】
次に定着装置２６について述べる。図２は定着装置２６を示す概略構成図、図３は定着装置２６を示す概略側面図であり、図４はヒートローラ２７を加熱する制御系１００を示すブロック図である。定着装置２６は、加熱部材でありエンドレス部材であるヒートローラ２７と、このヒートローラ２７に圧接する加圧部材である加圧ローラ２８を有する。更に定着装置２６は、ヒートローラ２７の外周に、約３ｍｍのギャップを介して、ヒートローラ２７を加熱する１００Ｖ電源用の誘導電流発生手段である誘導加熱コイル３０、４０、５０を有する。誘導加熱コイル３０、４０、５０はヒートローラ２７と略同軸形状となっている。
【００１４】
更にヒートローラ２７の外周には、定着後の用紙Ｐの巻きつきを防止する剥離爪３１、ヒートローラ２７の表面温度を検出するサーミスタ３２ａ、３２ｂ、ヒートローラ２７の表面温度の異常を検知して、加熱を遮断するためのサーモスタット３３及び、クリーニングローラ３４が設けられる。ヒートローラ２７は芯金２７ａ周囲に厚さ５ｍｍの発泡ゴム２７ｂ、ニッケル（Ｎｉ）からなる厚さ４０μｍの金属導電層２７ｃ、厚さ２００μｍのソリッドゴム層２７ｄ及び、厚さ３０μｍの離型層２７ｅを順に形成され、φ４０ｍｍとされる。ソリッドゴム層２７ｄ及び離型層２７ｅは保護層を構成する。
【００１５】
加圧ローラ２８は、芯金２８ａの周囲にシリコンゴムあるいはフッ素ゴム等の表面層２８ｂを被覆してなり、φ４０ｍｍとされる。加圧ローラ２８は軸２８ｃを加圧スプリング３６により付勢され、ヒートローラ２７に対して圧接される。これによりヒートローラ２７及び加圧ローラ２８間に一定のニップ幅が設けられる。また加圧ローラ２８周囲には、クリーニングローラ３７が設けられる。
【００１６】
誘導加熱コイル３０、４０、５０は、それぞれ駆動電流の供給により磁界を生じ、この磁界により金属導電層２７ｃに渦電流を発生させて、金属導電層２７ｃを加熱する。各誘導加熱コイル３０、４０、５０は、ヒートローラ２７の長手方向のＡ、Ｂ、Ｃの領域をそれぞれ加熱する。各誘導加熱コイル３０、４０、５０は、長さが異なるもののその構造は同じである。誘導加熱コイル３０、４０、５０は、磁性体コア３０ａ、４０ａ、５０ａに電線３０ｂ、４０ｂ、５０ｂを１１ターンしてなっている。電線３０ｂ、４０ｂ、５０ｂは、耐熱性のポリアミドイミド銅線を用いた、電線３０ｂ、４０ｂ、５０ｂは、線径０．３ｍｍの銅線材を５０本束ねたリッツ線からなっている。電線３０ｂ、４０ｂ、５０ｂを、リッツ線にすることで、交流電流を有効に流すことが可能になる。すなわち電線３０ｂ、４０ｂ、５０ｂの銅損を抑えることが出来る。
【００１７】
ヒートローラ２７の両側の領域Ｂ、Ｃを加熱する誘導加熱コイル４０、５０は直列接続され、同じ制御で駆動される。Ａ４横サイズやＡ３サイズの大きい用紙を定着する場合、あるいはＡ４縦サイズやその他の小さいサイズの用紙を定着する場合に応じて、各誘導加熱コイル３０、４０、５０の駆動比率を制御して、ヒートローラ２７の長手方向の温度分布を均一化する。
【００１８】
次にヒートローラ２７を加熱する制御系１００について述べる。図４のブロック図に示すようにヒートローラ２７を加熱する制御系１００は、誘導加熱コイル３０、４０、５０に駆動電流を供給する電流制御手段であるインバータ回路６０、インバータ回路６０に１００Ｖ直流電源を供給する整流回路７０、画像形成装置１全体を制御するとともに、サーミスタ３２ａ、３２ｂの検出結果に応じてインバータ回路６０を制御するＣＰＵ８０を有する。ＣＰＵ８０は、サーミスタ３２ａ、３２ｂの検出結果に応じて、誘導加熱コイル３０あるいは誘導加熱コイル４０、５０のいずれか一方のみが出力するように駆動しても良いし、誘導加熱コイル３０及び誘導加熱コイル４０、５０の両方を同時に駆動しても良い。
【００１９】
整流回路７０は１００Ｖ用であり、商用交流電源７１からの電流を１００Ｖの直流に整流して、インバータ回路６０に供給する。整流回路７０と商用交流電源７１との間には、電力モニタ７２が接続され、商用交流電源７１から提供される電力を検知して、ＣＰＵ８０にフィードバックしている。
【００２０】
インバータ回路６０は、自励式の準Ｅ級回路を用いている。インバータ回路６０の誘導加熱コイル３０には共振用の第１のコンデンサ６１ａが並列に接続されて第１の共振回路６１を構成し、直列に接続される誘導加熱コイル４０、５０には共振用の第２のコンデンサ６２ａが並列に接続されて第２の共振回路６２を構成する。第１の共振回路６１には第１のスイッチング素子６３ａが直列に接続されて第１のインバータ回路６３を構成し、第２の共振回路６２には第２のスイッチング素子６４ａが直列に接続されて第２のインバータ回路６４を構成する。スイッチング素子６３ａ、６４ａは、高耐圧、大電流で使用可能なＩＧＢＴが用いられる。スイッチング素子６３ａ、６４ａはＭＯＳ−ＦＥＴ等でも良い。
【００２１】
スイッチング素子６３ａ、６４ａの制御端子には、スイッチング素子６３ａ、６４ａをＯＮさせるためのＩＧＢＴ駆動回路６６、６７がそれぞれ接続されている。ＣＰＵ８０は、ＩＧＢＴ駆動回路６６、６７の印加タイミングを制御する。インバータ回路６０は、ＣＰＵ８０によりスイッチング素子６３ａ、６４ａのＯＮ時間を制御することにより周波数を４０〜７０ｋＨｚに可変する。各誘導加熱コイル３０、４０、５０は周波数４０〜７０ｋＨｚの駆動電流の供給により、所定の磁界を発生する。
【００２２】
インバータ回路６０による周波数の一周期は、図５に示すように、スイッチング素子６３ａ、６４ａのＯＮ時間とＯＦＦ時間を合わせた時間となる。スイッチング素子６３ａ、６４ａのＯＮ時間（図５に示すＯ´−Ｐ´）は、ＣＰＵ８０に制御されるが、ＯＦＦ時間（図５に示すＰ´−Ｓ´）は、第１のコンデンサ６１ａあるいは第２のコンデンサ６２ａが放電されるまでの時間とされる。すなわちスイッチング素子６３ａ、６４ａのＯＦＦ時間は、ヒートローラ２６や誘導加熱コイル３０、４０、５０の温度条件等により変化する。このためインバータ回路６０による周波数は、誘導加熱コイル３０、４０、５０の形状やコンデンサ６１ａ、６２ａの値等により変化する。
【００２３】
従って、誘導加熱コイル３０、４０、５０を周波数４０ｋＨｚ以上で駆動するためには、誘導加熱コイル３０、４０、５０の形状を、周波数２０〜４０ｋＨｚで駆動されるコイルとは変える必要がある。
【００２４】
次に誘導加熱コイル３０、４０、５０の電気特性について考察する。まず一般に、誘導加熱方式において、誘導加熱コイルを１次側のコイルＬ１としその損失分を抵抗Ｒｃとする一方、ヒートローラを２次側のコイルＬ２と負荷抵抗Ｒとするトランスモデルを図６Ａに示す。まず第１に負荷抵抗Ｒは、誘導加熱コイルとヒートローラとの磁気的な結合の強さによって大きさが変わり、ヒートローラの場合には、１次側のコイルＬ１の磁界により２次側のコイルＬ２に生じる渦電流により瞬時に加熱するためには、負荷抵抗Ｒが大きいほど良い。すなわち誘導加熱コイルである１次側のコイルＬ１のインダクタンスＬに対してヒートローラである２次側のコイルＬ２の負荷抵抗Ｒの比率が大きいほうが、少ない電流で、大きい出力を得られる。
【００２５】
次に第２に負荷抵抗Ｒは、誘導加熱コイルの周波数によって変化する。周波数を高くすると、ヒートローラ内の渦電流の浸透深さが浅くなり、渦電流はヒートローラの表面に流れやすくなる。通常電流が導体中を流れる場合、全断面に渡り一定密度に分布されていない。電流はヒートローラである２次側コイルＬ２のインピーダンスの小さいところを流れようとする。一般にこの電流の偏りを表皮効果と呼ぶ。この表皮効果は周波数が高いほど顕著である。導体に生じる渦電流は表皮効果により導体の表面に流れ、この渦電流の浸透深さの変化により、誘導加熱コイルの周波数を高くするほど、負荷抵抗Ｒは大きくなる傾向がある。
【００２６】
この表面への電流の集中の度合いを表すのに電流浸透の深さが用いられ、（式１）が成り立つ。
【００２７】
浸透深さ＝５０３×√（ρ／（μｆ））（ｃｍ）・・・（式１）
ρ：導体の抵抗率（Ω／ｃｍ）、μ：導体の比透磁率、ｆ：周波数（Ｈｚ）
（式１）で示す浸透深さが小さくなれば（浅くなれば）、より導体の表面にのみ電流が流れ、電流密度が高くなり、発熱量も増えることになる。本実施例にあっては、この周波数を高くすることによる表皮効果により、厚さ４０μｍの金属導電層２７ｃの効率的な発熱を図るものである。例えば、従来の周波数２０ｋＨｚに対して、誘導加熱コイル３０、４０、５０を４０ｋＨｚで駆動すると、浸透深さは従来の１／√２倍となる。従って、周波数を高くすることにより負荷抵抗Ｒが大きくなり、また磁束が漏れる割合を低減する。
【００２８】
但し、誘導加熱コイルのインダクタンスＬに対して負荷抵抗Ｒの比率が小さい場合には、同じ出力を得るために電流を大きくしても良い。しかしながら、誘導加熱コイルに供給する電流値は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の耐電流値に応じて規制され限界がある。従って、誘導加熱コイルに供給する電流値がスイッチング素子の耐電流値を超えない範囲で、ヒートローラが高い加熱効率を得るための条件を求める実験を行ったところ、誘導加熱コイルのインダクタンスＬとヒートローラの負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）が、Ｌ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たしていれば良いことが判明した。
【００２９】
なお、誘導加熱コイルとヒートローラの条件がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たしたとしても、誘導加熱コイルのインダクタンスＬとヒートローラの負荷抵抗Ｒのそれぞれの値が大きすぎてインピーダンスＺが１０Ω以上になると、周波数４０ｋＨｚ以上では、ヒートローラは、所望の熱量を得られなくなる。
【００３０】
従って周波数４０ｋＨｚ以上で、電圧１００Ｖの場合の、誘導加熱コイルの条件は、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜１０Ωであって、且つ誘導加熱コイルのインダクタンスＬとヒートローラの負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）となる。
【００３１】
本実施例の誘導加熱コイル３０、４０、５０は、上記条件を満たすものである。誘導加熱コイル３０、４０、５０は周波数を高くするとインピーダンスが大きくなることから、従来の周波数２０〜４０ｋＨｚの範囲ではコイルの巻き数が１４ターンであったのに対して、１１ターンに減らすことが出来、小型化される。
【００３２】
本実施例の誘導加熱コイル３０、４０、５０を、周波数６０ｋＨｚ及び４０ｋＨｚで駆動すると、インダクタンスＬ及び負荷抵抗Ｒは図６Ｂに示す結果となる。周波数６０ｋＨｚで駆動する（実験１）では、インダクタンスＬが１６（μＨ）、負荷抵抗Ｒが１（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝１６×１０−６（Ｈ／Ω）となり、周波数４０ｋＨｚで駆動する（実験２）では、インダクタンスＬが１７（μＨ）、負荷抵抗Ｒが０．８（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝２１×１０−６（Ｈ／Ω）となり、いずれもＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たす。これに比し、周波数を２５ｋＨｚとした（比較例１）では、インダクタンスＬが１８（μＨ）、負荷抵抗Ｒが０．４３（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝４２×１０−６（Ｈ／Ω）となる。各インダクタンスＬ及び負荷抵抗Ｒは周波数を切り替えて、ＬＣＲメータで測定した値である。
【００３３】
この結果インバータ回路６０による誘導加熱コイル３０、４０、５０への駆動電流供給後、ヒートローラ２７の表面温度が１８０℃に達するのに、（比較例１）では４０秒を要したのに比べて、（実験１）では３２秒、（実験２）では３５秒であり高い加熱効率を得られる。
【００３４】
次に作用について述べる。画像形成プロセスの開始により画像形成部２では矢印ｑ方向に回転する感光体ドラム１１が、帯電装置１２により一様に帯電され、レーザ露光装置１３により原稿情報に応じたレーザ光を照射され静電潜像を形成される。次いで静電潜像は現像装置１４により現像され、感光体ドラム１１上にトナー像が形成される。
【００３５】
感光体ドラム１１上のトナー像は、転写チャージャ１６にて用紙Ｐに転写される。次いで用紙Ｐは感光体ドラム１１から剥離され、この後定着装置２６の矢印ｒ方向に回転されるヒートローラ２７及び矢印ｓ方向に回転される加圧ローラ２８間に挿通され、トナー像を加熱加圧定着される。定着装置２６では、サーミスタ３２ａ、３２ｂによるヒートローラ２７の表面温度の検出結果に従い、必要に応じてＣＰＵ８０により第１のインバータ回路６３あるいは第２のインバータ回路６４が駆動され、誘導加熱コイル３０、４０、５０に例えば６０ｋＨｚの駆動電流が供給される。
【００３６】
これにより、第１あるいは第２のインバータ回路６３、６４による駆動電流の周波数が高いので、誘導加熱コイル３０、４０、５０の磁界により生じる渦電流の表皮効果により、ヒートローラ２７の金属導電層２７ｃには電流が集中される。従ってヒートローラ２７は約３２秒の高速にて所望の定着可能温度に到達し、その後、インバータ回路６０のＯＮ−ＯＦＦ制御により容易に定着可能温度を維持制御されることとなる。
【００３７】
尚本実施例にて金属導電層２７ｃの層厚のみを、４０μｍ以外に２０μｍ、０．１ｍｍ、１ｍｍに変えて、金属導電層と芯金の加熱比率実験を行った結果、図６Ｃに示す結果を得られた。図６Ｃの金属層加熱比率とは、加熱コイルによる（金属導電層発熱）／（金属導電層発熱＋芯金発熱）である。実験は、芯金が有る場合と芯金が無い場合とで、負荷抵抗Ｒがどのくらい変化するかで、擬似的に加熱比率を算出している。周波数が４０ｋＨｚ以上であれば、芯金が有る場合と芯金が無い場合とで負荷抵抗Ｒがほとんど変化せず、金属層加熱比率はほぼ１００％となる。一方、周波数が３０ｋＨｚ以下になってくると、芯金が有る場合と芯金が無い場合とで負荷抵抗Ｒが変化する。負荷抵抗Ｒの変化を加熱比率としている。
【００３８】
図６Ｃから、膜厚０．１ｍｍのサンプル３あるいは膜厚１ｍｍのサンプル４の場合は、膜厚が厚いことから、周波数が４０ｋＨｚ以下であっても８０％以上の金属加熱比率、を得られた。これに対して、膜厚２０μｍのサンプル１あるいは膜厚４０μｍのサンプル２の場合は、周波数が４０ｋＨｚ以上であれば８０％以上の金属加熱比率をえられるものの、周波数が４０ｋＨｚ以下の場合には、金属加熱比率が８０％以下となり、熱効率が著しく低下された。このことから、金属導電層２７ｃの層厚が薄い場合には、誘導加熱コイル３０、４０、５０の駆動周波数を４０ｋＨｚ以上とすることが好ましいことが判明した。
【００３９】
本実施例によれば、１００Ｖ電源用の誘導加熱コイル３０、４０、５０のインダクタンスＬとヒートローラ２７の負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）となり、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜１０Ωとなる様に設定して、４０〜７０ｋＨｚの高い周波数の駆動電流を供給している。従って、厚さが４０μｍと薄く形成される金属導電層２７ｃであっても、誘導加熱コイル３０、４０、５０により生じる渦電流は、表皮効果により、金属導電層２７ｃに集中し、磁束の漏れが低減され、ヒートローラ２７の発熱効率を向上出来る。これにより、定着時の高速化、省エネルギー化及び、的確な温度制御を容易に実現可能となる。
【００４０】
更に、誘導加熱コイル３０、４０、５０の駆動電流の周波数を高くすることにより、誘導加熱コイル３０、４０、５０のインピーダンスを大きくできる。従って、周波数の低い駆動電流を用いる場合に比べて、同じ出力を得るための、電線３０ｂ、４０ｂ、５０ｂの巻き数を低減できる。この結果、誘導加熱コイル３０、４０、５０の小型・軽量化を得られ、また定着装置２６の設計の自由度を向上できる。
【実施例２】
【００４１】
次に本発明の実施例２について図７及び図８を用いて説明する。本実施例２は、実施例１における誘導加熱コイルの電気特性を２００Ｖ電源用とし、そのために２００Ｖ用のインバータ回路を用いるものであり、他は実施例１と同様である。従ってこの実施例２にあっては、前述の実施例１で説明した構成と同一構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４２】
本実施例の図７に示す誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０は、２００Ｖ電源用の電気特性を有するものの、ヒートローラ２７の金属導電層２７ｃが高い加熱効率を得るための誘導加熱コイルのインダクタンスＬとヒートローラの負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）は、実施例１で述べたように、Ｌ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たしていれば良い。但し、電源電圧が２００Ｖと実施例１の２倍であることから、誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０のコイルインピーダンスＺ（Ω）は、Ｚ＜２０Ωを満たすことを条件としている。
【００４３】
従って本実施例では、上記条件を満たすよう誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０を形成する。すなわち、２００Ｖ電源用の誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０は、磁性体コア１３０ａ、１４０ａ、１５０ａに電線１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂを１８ターンしてなっている。尚従来の周波数２０〜４０ｋＨｚの範囲ではコイルのインピーダンスが小さいので、コイルの巻き数は２２ターンとなってしまう。これに対して、本実施例ではコイルの巻き数を１８ターンに減らすことが出来、小型化されている。
【００４４】
また誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０の電線１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂは、耐熱性のポリアミドイミド銅線を用いた。電線１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂは、線径０．３ｍｍの銅線材を２４本束ねたリッツ線からなっている。電線１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂを、リッツ線にすることで、銅損を抑えている。１００Ｖ電源用の誘導加熱コイル３０、４０、５０に比べて、誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０に流れる電流が少ないために、リッツ線の銅線材の撚り数を少なくしている。
【００４５】
また整流回路７０は２００Ｖ用とし、商用交流電源７１からの電流を２００Ｖの直流に整流して、インバータ回路６０に供給する。
【００４６】
本実施例の誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０を、周波数６０ｋＨｚ及び４０ｋＨｚで駆動すると、インダクタンスＬ及び負荷抵抗Ｒは図８に示す結果となる。周波数６０ｋＨｚで駆動する（実験３）では、インダクタンスＬが８０（μＨ）、負荷抵抗Ｒが４．１（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝２０×１０−６（Ｈ／Ω）となり、周波数４０ｋＨｚで駆動する（実験４）では、インダクタンスＬが８５（μＨ）、負荷抵抗Ｒが３．２（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝２７×１０−６（Ｈ／Ω）となり、いずれもＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たす。
【００４７】
この結果インバータ回路６０による誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０への駆動電流供給後、ヒートローラ２７の表面温度が１８０℃に達するのに、（実験３）では２８秒、（実験４）では３２秒であり高い加熱効率を得られる。
【００４８】
本実施例によれば、２００Ｖ電源用の誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０のインダクタンスＬとヒートローラ２７の負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）となり、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜２０Ωとなる様に設定して、４０〜７０ｋＨｚの高い周波数の駆動電流を供給している。従って、実施例１と同様、誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０により生じる渦電流は、厚さ４０μｍと薄く形成される金属導電層２７ｃに集中して、磁束の漏れが低減され、ヒートローラ２７の発熱効率を向上出来る。これにより、定着装置２６の高速化、省エネルギー化及び、定着時の的確な温度制御を容易に実現可能となる。
【００４９】
更に周波数の低い駆動電流を用いる場合に比べて、同じ出力を得るための、電線１３０ｂ、１４０ｂ、１５０ｂの巻き数を低減できる。この結果、誘導加熱コイル１３０、１４０、１５０の小型・軽量化を得られ、また定着装置２６の設計の自由度を向上できる。
【実施例３】
【００５０】
次に本発明の実施例３について図９乃至図１２を用いて説明する。本実施例３は、実施例１において、誘導加熱コイルの使用電源電圧が１００Ｖあるいは２００Ｖのいずれであっても、同じ電気特性の誘導加熱コイルを用いるものであり、他は実施例１と同様である。従ってこの実施例３にあっては、前述の実施例１で説明した構成と同一構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５１】
本実施例の図９に示すように、誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、１００Ｖ電源２７０により駆動されるインバータ回路６０の駆動周波数が２０〜４０ｋＨｚの範囲内で、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜１０Ωであって、且つ誘導加熱コイルのインダクタンスＬとヒートローラの負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たしていれば良い。
【００５２】
また同時に、図１０に示すように、誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、２００Ｖ電源２８０によりインバータ回路６０を駆動さする際の周波数を５０〜８０ｋＨｚの範囲内とし、コイルインピーダンスＺ（Ω）が、Ｚ＜２０Ωであって、且つ誘導加熱コイルのインダクタンスＬとヒートローラの負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）がＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たすことを条件としている。誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０の電気特性を１００Ｖ電源２７０と共通化したために、コイルインピーダンスが小さい傾向である。このため２００Ｖ電源２８０により誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０を駆動する場合には、周波数を５０〜８０ｋＨｚと高くして、所定の出力を得ることとする。
【００５３】
上記条件を満たさない場合、定着装置２６に定着可能とする最低限度の熱量を発生させるために、１００Ｖ電源２７０により駆動されるインバータ回路６０の駆動周波数は２０ｋＨｚ以下となってしまう。すなわちインバータ回路６０を可聴領域の周波数で駆動しなければならず、駆動時に騒音を生じてしまう。
【００５４】
尚、コイルインピーダンスは、ちいさ過ぎない方が良い。コイルインピーダンスが小さいと２００Ｖ電源２８０により駆動する場合には、周波数をより高くしなければならない。但し周波数を高くすると、高性能のスイッチング素子６３ａ、６４ａを使用しなければならず低価格化が妨げられる。一方、低価格の汎用のスイッチング素子６３ａ、６４ａを使用した場合には、周波数が高くなるに従いスイッチング素子６３ａ、６４ａの特性が劣化して、スイッチング効率が低下してしまうこととなる。従って、インバータ回路６０を駆動する際の周波数が、スイッチング素子６３ａ、６４ａを劣化しない範囲を保持可能とするようなコイルインピーダンスであることが望ましい。
【００５５】
従って本実施例では、上記条件を満たすよう誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０を形成する。すなわち、１００Ｖ電源２７０及び２００Ｖ電源２８０に共用の誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、磁性体コア２３０ａ、２４０ａ、２５０ａに電線２３０ｂ、２４０ｂ、２５０ｂを１６ターンしてなっている。誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０の電線２３０ｂ、２４０ｂ、２５０ｂは、線径０．３ｍｍの耐熱性のポリアミドイミド銅線材を５０本束ねたリッツ線からなっている。電線２３０ｂ、２４０ｂ、２５０ｂは、１００Ｖ電源２７０及び２００Ｖ電源２８０の両方で同一の誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０を共用するため、電流が多く流れる１００Ｖ電源２７０のリッツ線構造とした。尚この誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、２００Ｖ電源２８での使用においては、周波数を２０〜４０ｋＨｚの範囲とする従来の定着装置ではコイルのインピーダンスが小さいので、コイルの巻き数が２２ターンとなってしまうのに対して、コイルの巻き数を１６ターンに減らすことが出来、小型化されている。
【００５６】
本実施例の誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、１００Ｖ電源２７０で、周波数４０ｋＨｚ及び２０ｋＨｚで駆動すると、インダクタンスＬ及び負荷抵抗Ｒは図１１に示す結果となる。周波数４０ｋＨｚで駆動する（実験５）では、インダクタンスＬが２８（μＨ）、負荷抵抗Ｒが１．７（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝１６×１０−６（Ｈ／Ω）となり、周波数２０ｋＨｚで駆動する（実験６）では、インダクタンスＬが３０（μＨ）、負荷抵抗Ｒが１．１（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝２７×１０−６（Ｈ／Ω）となり、いずれもＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たす。
【００５７】
また誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、２００Ｖ電源２８０で、周波数８０ｋＨｚ及び５０ｋＨｚで駆動すると、インダクタンスＬ及び負荷抵抗Ｒは図１２に示す結果となる。周波数８０ｋＨｚで駆動する（実験７）では、インダクタンスＬが２６（μＨ）、負荷抵抗Ｒが２．６（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝１０×１０−６（Ｈ／Ω）となり、周波数５０ｋＨｚで駆動する（実験８）では、インダクタンスＬが２７（μＨ）、負荷抵抗Ｒが１．９（Ω）であり、Ｌ／Ｒ＝１４×１０−６（Ｈ／Ω）となり、いずれもＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）を満たす。
【００５８】
本実施例によれば、誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０のインダクタンスＬとヒートローラ２７の負荷抵抗Ｒの比率Ｌ／Ｒ（Ｈ／Ω）をＬ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）とし、１００Ｖ電源２７０の場合はコイルインピーダンスＺ（Ω）をＺ＜１０Ω、２００Ｖ電源２８０の場合はコイルインピーダンスＺ（Ω）をＺ＜２０Ωに設定している。これにより１００Ｖ電源２７０あるいは２００Ｖ電源２８０のいずれにも共通の誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０を用いることを可能とする。従って、共通化により誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０を大量生産出来コストの低減を得られる。
【００５９】
また誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０を２００Ｖ電源２８で駆動する際には周波数を、５０〜８０ｋＨｚと高くしている。従って、厚さ４０μｍと薄く形成される金属導電層２７ｃであっても、誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０により生じる渦電流が表皮効果により、金属導電層２７ｃに集中して、磁束の漏れが低減され、ヒートローラ２７の発熱効率を向上出来る。
【００６０】
更に低い周波数で駆動される従来の２００Ｖ電源用の誘導加熱コイルに比べて、本実施例の誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、５０〜８０ｋＨｚの高い周波数で駆動されることから、電線２３０ｂ、２４０ｂ、２５０ｂの巻き数を低減しても、同じ出力を得られる。従って、従来の誘導加熱コイルに比べて本実施例の誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０は、電線２３０ｂ、２４０ｂ、２５０ｂの巻き数を減らすことが出来、誘導加熱コイル２３０、２４０、２５０の小型・軽量化を得られ、また定着装置２６の設計の自由度を向上できる。
【００６１】
尚この発明は、上記実施例に限られるものではなく、この発明の範囲内で種々変更可能であり、例えば加熱部材は、ローラ状に限定されずベルト状であっても良いし、金属導電層の材質はステンレスやアルミニウム、あるいはステンレスとアルミニウムの複合材を用いる等限定されない。また金属導電層の厚さも限定されず任意であるが、熱容量を小さくして、ウォームアップ時間の短縮、あるいは省エネルギー化、的確な温度制御を得るためには、１０〜１００μｍ程度に薄くされることが望ましい。また定着装置による被定着媒体の搬送方向も任意であり、被定着媒体を縦方向に搬送する装置であっても良い。
【００６２】
また誘導加熱コイルは、Ｌ／Ｒ＜３５×１０−６（Ｈ／Ω）およびコイルインピーダンスの設定条件を満たせれば、その形状や、電線の太さや種類あるいは、電線の巻き数等限定されない。更にインバータ回路に用いるスイッチング素子等の電子部品の種類や特性は限定されず、誘導加熱コイルに所望の電流を供給できれば良い。尚、本実施例は、コイルをローラの外側に配置した定着装置を元にしているが、加熱ローラ内部にコイルを配置した定着装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例１の画像形成装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施例１の定着装置を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施例１の定着装置を示す概略側面図である。
【図４】本発明の実施例１のヒートローラ加熱の制御系を示す概略ブロック図である。
【図５】本発明の実施例１のインバータ回路のスイッチング素子による一周期を示す概略説明図である。
【図６Ａ】本発明の実施例１の誘導加熱コイルのトランスモデルを示す概略回路図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例１の誘導加熱コイルの特性を示す表である。
【図６Ｃ】本発明の実施例１の誘導加熱コイルの金属導電層の膜厚を変えた、時の周波数毎に測定した金属層加熱比率を示す表である。
【図７】本発明の実施例２のヒートローラ及び誘導加熱コイルを示す概略構成図である。
【図８】本発明の実施例２の誘導加熱コイルの特性を示す表である。
【図９】本発明の実施例３の１００Ｖ電源によるヒートローラの加熱システムを示す概略構成図である。
【図１０】本発明の実施例３の２００Ｖ電源によるヒートローラの加熱システムを示す概略構成図である。
【図１１】本発明の実施例３の１００Ｖ電源による誘導加熱コイルの特性を示す表である。
【図１２】本発明の実施例３の２００Ｖ電源による誘導加熱コイルの特性を示す表である。
【符号の説明】
【００６４】
１…画像形成装置
２…画像形成部
９…位置センサ
１１…感光体ドラム
２６…定着装置
２７…ヒートローラ
２７ｃ…金属導電層
２８…加圧ローラ
３０、４０、５０…誘導加熱コイル
３０ａ、４０ａ、５０ａ…磁性体コア
３０ｂ、４０ｂ、５０ｂ…電線
３１…剥離爪
３２ａ、３２ｂ…サーミスタ
３３…サーモスタット
３４…クリーニングローラ
【図１】
2006259722.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006259722.tif 000007
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2006259722.tif 000009
【図６Ｃ】
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【図７】
2006259722.tif 000011
【図８】
2006259722.tif 000012
【図９】
2006259722.tif 000013
【図１０】
2006259722.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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