(57)【要約】【課題】定着装置に用いられる誘導加熱方式の加熱装置において、実装密度を向上させると共に温度制御をきめ細かく行う。【解決手段】ＣＰＵは、加熱ローラの中央部の温度を検知して１８０℃を超えていない場合、中央部と端部の温度差に応じて、中央コイルまたは端部コイルを０．４秒駆動し、続いて端部コイルまたは中央コイルを０．２秒駆動した後、中央部の温度を検知して１８０℃になるまで繰り返し駆動制御する。【選択図】図３
2004273454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、この交流電源を直流に変換する整流回路と、この整流回路の出力側に接続された電磁誘導コイルと共振用コンデンサとからなる共振回路と、この共振回路を励磁するスイッチング素子とで構成される複数のインバータ回路と、それぞれのインバータ回路のスイッチング素子に駆動信号を供給する複数の駆動回路とからなる加熱装置において、
前記複数の駆動回路のうち１つの駆動回路を選択し、この選択した駆動回路から駆動信号を供給する制御を行う第１の制御部と、
この第１の制御部の制御で前記選択した駆動回路から駆動信号を供給した後、他の駆動回路を選択して駆動信号の供給を切り替える際、この切り替えるまでの最小時間間隔を１／（前記交流電源の周波数の半波長）以上とする制御を行う第２の制御部と、
を具備したことを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
交流電源と、この交流電源を直流に変換する整流回路と、この整流回路の出力側に接続された第１の共振周波数を有する電磁誘導コイルと共振用コンデンサとからなる第１の共振回路と、前記整流回路の出力側に接続された第２の共振周波数を有する電磁誘導コイルと共振用コンデンサとからなる第２の共振回路とを有し、前記第１と第２の共振回路を励磁するスイッチング素子とで構成されるインバータ回路と、このインバータ回路のスイッチング素子に駆動信号を供給する駆動回路とからなる加熱装置において、
前記第１の共振周波数に対応する第１の駆動周波数の駆動信号、あるいは前記第２の共振周波数に対応する第２の駆動周波数の駆動信号を、前記駆動回路から供給させる制御を行う第１の制御部と、
この第１の制御部の制御で第１の駆動周波数の駆動信号あるいは第２の駆動周波数の駆動信号を供給した後、前記第１の駆動周波数の駆動信号あるいは第２の駆動周波数の駆動信号に切り替える際、この切り替えるまでの最小時間間隔を１／（前記交流電源の周波数の半波長）以上とする制御を行う第２の制御部と、
を具備したことを特徴とする加熱装置。
【請求項３】
導体で構成された金属層を持つエンドレス部材に近接配置された電磁誘導コイルに高周波電流を供給し、このエンドレス部材を発熱させて被定着部材を加熱する定着装置であって、
前記電磁誘導コイルを構成する電線が、複数の電線を束ねた撚り線構造となっているリッツ線であり、このリッツ線が複数の断面形状を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘導加熱を利用した加熱装置に関する。特には、可視化剤としてトナーを用いる電子写真方式の複写装置やプリンタ装置等に用いられ、加熱装置を用いてトナー像を定着する定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子写真プロセスを用いた複写装置に組み込まれる定着装置は、被定着部材上に形成された現像剤すなわちトナーを加熱して溶融させ、被定着部材にトナーを固着する。定着装置に利用可能なトナーを加熱する方法としては、フィラメントランプを点灯させて得られる放射熱を用いる方法や、熱源にフラッシュランプを用いるフラッシュ加熱方式等が広く知られている。
【０００３】
近年、発熱源として誘導加熱装置を用いた定着装置が提案されている。
【０００４】
２つの誘導コイルを有する誘導加熱装置において、複数のインバータ回路と交流電源のゼロ点を検知する検知回路を有し、インバータ回路のスイッチング素子を切り替える際（コイルＡからコイルＢに駆動を切り替える際）、交流電源のゼロ点を挟んで切り替える技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
また、複数のコイルを用いて加熱ローラ（加熱ベルト）を加熱する際、加熱ローラの長手方向の温度分布を均一に加熱できるようにコイルに加える電力量の配分を変える技術が開示されている（例えば、特許文献２）。また、特許文献２には、温度検知手段の温度差を検知し、温度差に応じて、それぞれのコイルに加える電力配分を変更し、それぞれのコイルを同時に駆動させる技術が開示されている。また、特許文献２には、小サイズを通紙しているときなど非通紙部の温度低下が少ない場合は、加熱ローラ端部を加熱するコイルへの電力配分を低下させ、加熱ローラ中央部の電力を増す技術が開示されている。
【０００６】
さらに、上記同様に複数のコイルに、独立にそれぞれ電力を制御する回路があって、回路の周波数を変更することでそれぞれのコイルヘの電力配分を可変し、加熱ローラの温度を均一にする技術が開示されている（例えば、特許文献３）。
【０００７】
また、特に文献はないが、一般的に誘導加熱装置で用いられるコイルに使う電線は、高周波数による表皮効果の影響があるため、電線をリッツ線（撚り線）として、複数の細い線を使ってコイルを構成している。これについては、公知である。
【０００８】
リッツ線の外径寸法は、ほぼ、円断面として、以下の数式で径が決まる。
【０００９】
外径Ｄ＝１．１５５×ｄ×√Ｎ（mm）
ｄ：素線外径（mm）
Ｎ：素線本数（本）
この値をもとに、コイル断面として何ターン巻けるかを検討していた。
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されたコイルの駆動方法では、トランジスタ素子を交流電源の０ボルトで切り替えるとしか記載されておらず、また、切り替え時間や切り替えのタイミングも記載されていない。このため、きめ細かな温度制御を行うための方策がなく、解決策もないという問題があった。
【００１１】
また、リッツ線を上記外径Ｄで構成させていると断面に配置させる際、実装密度に限界があるという問題があった。
【特許文献１】特開平２−２７０２９３号公報
【特許文献２】特開２０００−２０６８１３号公報
【特許文献３】特開２００１−３１２１７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記したように、特許文献１に開示されたコイルの駆動方法では、トランジスタ素子を交流電源の０ボルトで切り替えるとしか記載されておらず、また、切り替え時間や切り替えのタイミングも記載されていないため、きめ細かな温度制御を行うための方策がなく、解決策もないという問題があった。また、リッツ線で構成させると実装密度に限界があるという問題があった。
【００１３】
そこで、この発明は、きめ細かな温度制御を行う加熱装置と、この加熱装置を用いると共に実装密度を向上させた誘導加熱方式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】
【００１４】
この発明の加熱装置は、交流電源と、この交流電源を直流に変換する整流回路と、この整流回路の出力側に接続された電磁誘導コイルと共振用コンデンサとからなる共振回路と、この共振回路を励磁するスイッチング素子とで構成される複数のインバータ回路と、それぞれのインバータ回路のスイッチング素子に駆動信号を供給する複数の駆動回路とからなる加熱装置において、前記複数の駆動回路のうち１つの駆動回路を選択し、この選択した駆動回路から駆動信号を供給する制御を行う第１の制御部と、この第１の制御部の制御で前記選択した駆動回路から駆動信号を供給した後、他の駆動回路を選択して駆動信号の供給を切り替える際、この切り替えるまでの最小時間間隔を１／（前記交流電源の周波数の半波長）以上とする制御を行う第２の制御部とから構成されている。
【００１５】
また、この発明の定着装置は、導体で構成された金属層を持つエンドレス部材に近接配置された電磁誘導コイルに高周波電流を供給し、このエンドレス部材を発熱させて被定着部材を加熱する定着装置であって、前記電磁誘導コイルを構成する電線が、複数の電線を束ねた撚り線構造となっているリッツ線であり、このリッツ線が複数の断面形状を有するように構成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明の加熱装置を用いた定着装置によれば、きめ細かな温度制御を行うと共に実装密度を向上させた誘導加熱方式を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
まず、第１実施例について説明する。
【００１９】
図１は、画像形成装置に用いられる定着装置１の全体構成を示すものである。
【００２０】
図２は、定着装置１の長手方向を示した簡略図である。
【００２１】
定着装置１は、加熱ローラ２（φ４０ｍｍ）と加圧ローラ３（φ４０ｍｍ）とを備えた構成となっている。加熱ローラ２は、駆動モータ（図示せず）により矢印方向に駆動され、加圧ローラ３は従動で矢印方向に回転するようになっている。また、加圧ローラ３は，加圧機構によって加熱ローラ２に対して圧接機構４によって圧接されていて、一定のニップ幅を持つように維持されている。
【００２２】
加熱ローラ２の構成は、内側から、芯金５ａ、発泡ゴム（スポンジ）５ｂ、金属導電層５ｃ、ソリッドゴム層５ｄ、離型層５ｅの順に構成されている。
【００２３】
本実施例では、発泡ゴム厚を５ｍｍ、金属導電層の材質としては、ニッケルを用いている。
【００２４】
本実施例では、金属導電層としてニッケルを用いているが、そのほか、ステンレス鋼、アルミ、ステンレス鋼とアルミの複合材等でも良い。
【００２５】
加圧ローラ３は、芯金の周囲にシリコンゴム、フツ素ゴム等を被覆して構成されている。これら加熱ローラ２と加圧ローラ３との圧接部（ニップ部）である定着ポイントを用紙Ｐが通過することで、この用紙上の現像剤を融着圧着して定着するようになっている。
【００２６】
加熱ローラ２の周上には，加熱ローラ２と加圧ローラ３との接触位置（ニップ部）よりも回転方向下流側に，用紙Ｐを加熱ローラ３から剥離させる剥離用ブレード６，加熱ローラ２上にオフセット防止用離型剤を塗布する離型剤塗布装置７が設けられている。
【００２７】
また、加熱ローラ２の長手方向に温度検知手段としての複数のサーミスタ（８ａ，８ｂ）が配置されている。なお、本実施例では２つ配置されているが、３つでも複数でも良い。
【００２８】
この中央サーミスタ８ａと端部サーミスタ８ｂとを使って加熱ローラ２の温度の検知を行い、加熱ローラ２の温度分布を調節する。
【００２９】
ここで、定着装置１における加熱装置について説明する。
【００３０】
加熱装置は、加熱ローラ２の外周上に配置された誘導加熱手段によって行われている。本実施例では複数の励磁コイル（１１ａ、１１−１、１１−２）を使って、加熱ローラ２を加熱している。
【００３１】
このように励磁コイル（電磁誘導コイル）を３分割し、そのうちの中央コイル１１ａ以外は同じ制御で駆動されている。端部コイル１１−１と１１−２とは直列に接続されている。以下、端部コイル１１−１，１１−２を端部コイル１１ｂとして記述する。
【００３２】
上記コイル１１ａ、１１ｂは、磁性体コア１２を使って、電線の巻き数を減らしていても特性が出るようにしている。
【００３３】
また、このコイル形状によって、磁束を集中させることができ、加熱ローラ２を局部的に集中して加熱する構成となっている。
【００３４】
本実施例では、この複数のコイル１１ａ、１１ｂを選択的に駆動することで、加熱ローラ２を加熱する。
【００３５】
励磁コイル１１ａ、１１ｂは、線形０．５ｍｍの銅線材を用いており、お互いに絶縁された線材を複数本束ねたリッツ線として構成されている。リッツ線にすることで浸透深さより線径を小さくすることができ、交流電流を有効に流すことが可能となる。本実施例では、φ０．５ｍｍを１６本束ねている。コイルの被覆線は、耐熱性のポリアミドイミドを用いている。
【００３６】
図示しない励磁回路（インバータ回路）から励磁コイル１１ａ、１１ｂに印加される高周波電流で発生する磁束によって、磁界の変化を妨げるように、加熱ローラ２に磁束と渦電流を発生させる。この渦電流と加熱ローラ抵抗によってジュール熱が発生し、加熱ローラ２が加熱される。本実施例では、励磁コイル１１ａ、１１ｂに周波数２０〜５０ｋＨｚの範囲で高周波数の電流を流すようにしている。また、出力は、インバータ回路の駆動周波数を変更することで、７００Ｗ〜１５００Ｗまで可変にすることが可能となっている。
【００３７】
励磁コイル１１ａ、１１ｂは、加熱ローラ２の中央部、端部をそれぞれ分割して加熱している。すなわち、中央コイル１１ａを駆動した際は、加熱ローラ２の中央部に渦電流が発生してジュール熱によって加熱され、温度が上昇する。一方、端部コイル１１ｂを駆動した際は、加熱ローラ２の端部に渦電流が発生してジュール熱によって加熱され、温度が上昇する。
【００３８】
中央サーミスタ８ａと端部サーミスタ８ｂの検知温度によって、中央コイル１１ａと端部コイル１１ｂとが選択的に切り替えられて駆動され、加熱ローラ２を昇温させて定着制御温度が維持される。
【００３９】
また、加熱する際、通常、加熱ローラ２は回転されている。
【００４０】
図３は、温度検知、励磁コイルと発振回路（インバータ回路）の制御方法について電気的な構成の概略を示すものである。
【００４１】
図１で示した励磁コイル１１ａ、１１ｂに、それぞれ共振用のコンデンサ３２、３３が並列に接続され、この共振回路にスイッチング素子３４，３５が接続されてインバータ回路を構成している。スイッチング素子３４，３５は、高耐圧、大電流で使用されるＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどが用いられる。本実施例ではＩＧＢＴを使用している。
【００４２】
上述したインバータ回路には、商用交流電源３６を整流回路３７によって平滑化された直流電力が供給される。また、整流回路３７の前段階にはトランス３８が配置され、入力検知部３８ａを介して全消費電力が検出可能となっており、この電力検知によって電力がフィードバックされている。
【００４３】
スイッチング素子３４，３５の制御端子には、それぞれ駆動回路３９，４０が接続されている。駆動回路（３９，４０）は、駆動電圧をスイッチング素子（３４，３５）の制御端子に印可して、スイッチング素子をオンさせるものである。制御回路４１，４２は、その印可するタイミングを出力するものである。オン時間を制御して、周波数を２０〜５０ｋＨｚの範囲で可変させて、出力値を可変している。
【００４４】
コイルで加熱される被加熱物（本実施例では、加熱ローラ２）には、上述したように温度を検知するサーミスタ８ａ，８ｂがそれぞれ配置されており、サーミスタの温度検出信号（電圧値）がＣＰＵ４５に入力される。サーミスタ（８ａ，８ｂ）の値に応じて、ＣＰＵ４５は、どちらのコイル（１１ａまたは１１ｂ）を駆動するか、すべてのコイル（１１ａと１１ｂ）をオフにするか、出力値をどうするかといった命令を制御回路４１，４２に送る。
【００４５】
次にこのような構成において、加熱ローラ２を加熱する制御動作を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００４６】
まず、ウォーミングアップ時について説明する。
【００４７】
ＣＰＵ４５は、最初に中央サーミスタ８ａの温度を検知し、中央サーミスタ８ａの温度が制御温度（本実施例では１８０℃）に到達しているか否かを確認する（Ｓ１）。この時点で１８０℃を超えていれば、ＣＰＵ４５は、両方の制御回路４１，４２に停止命令を出力する。
【００４８】
ステップＳ１で１８０℃を超えていない場合、ＣＰＵ４５は、中央サーミスタ８ａと端部サーミスタ８ｂの測定温度を比較する（Ｓ２）。
【００４９】
中央サーミスタ８ａの温度の方が端部サーミスタ８ｂより高い場合、ＣＰＵ４５は、端部サーミスタ８ｂに対応する側の制御回路４２を選択する。このとき、制御回路４２を選択する時間は、本実施例では０．４秒である。その後、ＣＰＵ４５は、制御回路４２の選択を停止し、続いて制御回路４１を選択する。このとき、制御回路４１を選択する時間は、本実施例では０．２秒としている。
【００５０】
なお、ステップＳ３，Ｓ４の制御は後述する、
この結果、制御回路４２側の端部コイル１１ｂは、０．４秒間駆動され（Ｓ５）、その領域（端部）の加熱ローラ２が加熱される。その後、制御回路４１側の中央コイル１１ａが０．２秒間駆動され（Ｓ５）、その領域（中央部）の加熱ローラ２が加熱される。
【００５１】
続いて、ＣＰＵ４５は、ステップＳ１からの制御に戻る。
【００５２】
ステップＳ２で中央サーミスタ８ａと端部サーミスタ８ｂの温度差が入れ替わった場合、ＣＰＵ４５は、逆に制御回路４１を選択する時間を０，４秒とし、制御回路４２側を０．２秒とする。
【００５３】
この結果、制御回路４１側の中央コイル１１ａは、０．４秒間駆動され（Ｓ６）、その領域（中央部）の加熱ローラ２が加熱される。その後、制御回路４２側の端部コイル１１ｂが０．２秒間駆動され（Ｓ６）、その領域（端部）の加熱ローラ２が加熱される。
【００５４】
続いて、ＣＰＵ４５は、ステップＳ１からの制御に戻る。
【００５５】
このような制御を行うことで、温度の低い方の加熱時間を長く設定しているため、中央サーミスタ８ａと端部サーミスタ８ｂは温度差が縮まる方向に推移する。これを繰り返し、最終的に加熱ローラ２が１８０℃になった際（Ｓ１）、ウォーミングアップ終了となる。
【００５６】
レディ時も同様の制御を行うが、制御回路４１，４２から駆動回路３９，４０に命令する周波数は可変している。すなわち、ウォーミングアップ時は１３００Ｗで加熱する周波数で駆動されるが、レディ時は７００Ｗで加熱する周波数で駆動される。
【００５７】
また、０．４秒、０．２秒で温度差が縮まる方向にならない場合は、温度差が一定以上に開いたら、０．５秒、０．１秒で加熱して差を縮めるように制御される。例えば、ステップＳ３で温度差が１０℃を超える場合、端部コイル１１ｂを０．５秒、中央コイル１１ａを０．１秒駆動する（Ｓ７）。また、ステップＳ４で温度差が１０℃を超える場合、中央コイル１１ａを０．５秒、端部コイル１１ｂを０．１秒駆動する（Ｓ８）。
【００５８】
また、本実施例において、ＣＰＵ４５は、中央コイル１１ａと端部コイル１１ｂとの駆動を切り替えるタイミングを、商用交流電源の電圧が０ボルトになったときに切り替えている。０ボルトで切り替えることで、励磁コイルに急激な電圧、電流がかかることがなくなるので、加熱ローラ２が振動するといった現象をなくすことができる。励磁コイルを駆動する時間を１／（交流電源周波数の半波長）の整数倍にすることで、０ボルトで切り替えることが可能となる。
【００５９】
また、本実施例では、励磁コイルを駆動する時間を０．４秒、０．２秒、あるいは０．５秒等で駆動しているが、最小駆動時間としては、１／（交流電源周波数の半波長）で駆動することが可能である。
【００６０】
本実施例の場合、商用交流電源が５０Ｈｚとすると１／（５０×２）＝０．０１秒で切り替えることが可能である。半波長で電力を検知してフィードバックができるので、上述した時間で切り替えることが可能である。
【００６１】
また、本実施例では、一方の励磁コイルを駆動する時間を０．５秒以内とする制御が含まれている。この理由を以下に述べる。本実施例のように、近来、加熱ローラの熱容量は、ウォーミングアップ時間を短縮するために小さくなる傾向にある。本実施例のように弾性体（発泡ゴム）層の外側に金属層を被覆したローラの場合は、誘導加熱コイルによって、外側から薄膜の金属層を加熱するため、瞬時に温度が上昇していく。このため、一方の励磁コイルに０．５秒以上連続して駆動を行うと図５に示すように領域Ａと領域Ｂの温度差（温度リップル）が１５℃以上になってしまう。また、投入する出力を上げるほど、その差が顕著に現れる。
【００６２】
図６に示すように、本実施例の実験の結果、カラー画像を鮮明に定着するためには、加熱ローラの長手方向での温度差を１５℃以内にする必要があった。１５℃以内の温度差に収めるには、０．５秒以内で切り替える必要があった。さらに短い時間で切り替えを行えば、より細やかな制御を行うことができる。
【００６３】
しかしながら、商用交流周波数５０Ｈｚの場合は、０．０１秒より短い時間で切り替えると電力のフィードバックが困難なため、最小構成時間を０．０１秒以上としている。
【００６４】
温度リップルを１５℃以内にする必要があるのは、基本的には、通紙時である。従って、通紙時には切り替え時間を０．５秒以内としている。
【００６５】
また、本来は、温度検知の低い方に連続して励磁コイルを駆動し、温度が逆転したら、逆の励磁コイルを駆動するという制御が行われている。この場合は、温度検知手段の検知時間に依存する。現時点で、温度検知手段として使っているセンサの反応時間は約０．５秒のため、駆動する時間を制御しない方法では１５℃にリップルを維持するのが困難である。従って、少なくとも、通紙中は、一方の励磁コイルを連続で駆動する時間を０．５秒以内とする。
【００６６】
また、この制御方法は、小サイズ紙を定着している場合も同様に有効である。すなわち、小サイズ紙が通過する領域は、加熱ローラ表面の温度低下が大きいので、０．４秒間加熱する。一方、非通紙領域部の加熱ローラ領域は熱が奪われにくいので、０．２秒間加熱する。この状態で温度差がさらに広がる場合は、０．５秒、０．１秒で切り替える。このようにすることによって、加熱ローラの長手方向温度を均一にすることが可能であり、さらに温度リップルも１５℃以内にすることができ、良好な定着性を得ることができる。
【００６７】
また、本実施例では、それぞれの励磁コイルが共にオフの状態から、どちらかの励磁コイルが駆動される最初の１回目はソフトスタートをさせている。これは、目的の電力値に到達させるのに電力を小さい値から徐々に増やしていく方法である。両方の励磁コイルオフの状態からスタートする際は、電力が「０」の状態から急激に電力を投入するので、目的の電力を瞬時に制御しようとすると突入電流が生じる場合がある。突入電流により、フリッカの問題等が発生する可能性があるが、本実施例では少なくてもそれぞれの励磁コイルの最初の１回目はソフトスタートさせている。
【００６８】
それぞれの励磁コイルが１度駆動された状態から次の励磁コイルに切り替える場合は、ソフトスタートさせない。これは、逆にソフトスタートを切り替えの度に行うと電力変動が発生して、フリッカの問題が生じてしまうためである。
【００６９】
また、本実施例は、上述したように商用交流電源の半波長で切り替える可能性がある。そのため、フィードバック検知は、励磁コイルが別の励磁コイルに切り替わった際、次にまた当該励磁コイルが駆動するまで、その出力フィードバック値を保持し、当該励磁コイルが駆動されたとき、その値を使って出力を制御する。
【００７０】
本実施例では、励磁コイルを駆動する時間をそれぞれ一定の時間指定して加熱を行っているが、温度検知手段の反応速度が早く、温度の低い方に加熱を行うという制御でも、０．５秒以内に駆動が切り替わるようであれば、それでも良い。すなわち、温度検知手段の温度差を０．５秒以内に検知し、低い側の励磁コイルを駆動するという命令を送り出せれば、中央コイル、端部コイルの時間を指定せず、任意に加熱時間を決めても良い。
【００７１】
しかしながら、この場合どちらかの温度検知手段が故障した場合、どちらか一方のコイルのみが連続して加熱してしまう場合がある。どちらか一方に連続して加熱が起きた場合、画質上の問題だけではなく、温度上昇にともなう異常発熱、あるいは温度上昇にともなうローラ温度膨張差によって発生する加熱ローラの損傷等の問題が発生している可能性がある。
【００７２】
画質上、リップルを１５℃以内に収めるため、通常、コイルの切り替えは０〜５秒以内で切り替えるようにしているが、異常温度検知、あるいは熱膨張によるローラ破損の恐れを検知するため、本実施例では、片側に１０秒以上連続して加熱が発生した場合、エラー検知で定着装置を停止する安全機構を設けている。これは、安全装置として制御される。
【００７３】
次に、第２実施例について説明する。
【００７４】
第２実施例の定着装置は、図１に示した第１実施例の定着装置１と同じ構成である。変更点は、励磁コイルに用いる電線がリッツ線ではなく、単線を用いて構成されていることである。巻き数等も変更していない。電線の線形はφ１ｍｍを用いて構成されている。
【００７５】
図７は、温度検知、励磁コイルと発振回路（インバータ回路）の制御方法について電気的な構成の概略を示すものである。
【００７６】
第１実施例と異なっている点は、スイッチング素子６０、駆動回路６１、制御回路６２がそれぞれ、１つであることである。中央コイル１１ａと端部コイル１１ｂに相当する励磁コイル６３Ａ，６３Ｂは並列に接続されている。励磁コイル６３Ａとコンデンサ６４、励磁コイル６３Ｂとコンデンサ６５で、それぞれ共振回路が構成されている。
【００７７】
本実施例では、駆動回路６１の周波数（すなわちスイッチング素子のオン／オフ デュティー比）は、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚで駆動されている。第１実施例に比べてさらに高い周波数で駆動する。従って、励磁コイル６３Ａ，６３Ｂに流れる電流の周波数も高く表皮深さが小さいので、より金属層の表面に電流が流れ、発熱効率が向上する。
【００７８】
加熱ローラ２を加熱する制御方法については、温度検知手段（サーミスタ８ａ，８ｂ）の温度比較、励磁コイル６３Ａ，６３Ｂを選択して加熱を行う。これは第１実施例と同様であるので説明を省略する。
【００７９】
第２実施例が第１実施例と異なる点について説明する。
【００８０】
第１実施例では、加熱する領域側の励磁コイルの制御回路および駆動回路をＣＰＵが選択して駆動させることによって、加熱ローラを加熱していた。
【００８１】
一方、本実施例においては、制御回路６２、駆動回路６１、スイッチング素子６０とも１組である。そこで、本実施例では、どちらの励磁コイル（６３Ａ，６３Ｂ）を選択的に加熱するかは、制御回路６２から駆動回路６１への周波数変化で選択するようになっている。
【００８２】
すなわち、それぞれの励磁コイル６３Ａ，６３Ｂは、それぞれ共振周波数をもっている。その共振周波数をそれぞれの励磁コイル（６３Ａ，６３Ｂ）で異なる（ずらす）ように設計されている。本実施例では、励磁コイル６３Ａの共振周波数を２ＭＨｚ、励磁コイル６３Ｂの共振周波数を３ＭＨｚの近辺に合わせている。従って、励磁コイル６３Ａを駆動し、その領域の加熱ローラ２を加熱するには、２ＭＨｚの周波数で駆動すればよい。また、励磁コイル６３Ｂでその領域の加熱ローラ２を加熱するには、３ＭＨｚの周波数で駆動するようにしている。
【００８３】
このように制御することで、どちらかの励磁コイル（６３Ａ，６３Ｂ）を選択的に駆動することが可能となり、加熱ローラ２の長手方向を均一に加熱することができる。
【００８４】
励磁コイル（６３Ａ，６３Ｂ）を連続して一方を駆動する時間、すなわち、どちらかの励磁コイルで共振する共振周波数でコイルを駆動する時間は、本実施例においては、０．４秒、０．２秒、あるいは０．５秒等で駆動している。この場合、最小駆動時間としては、１／（交流電源周波数の半波長）で駆動することが可能である。
【００８５】
本実施例の場合、商用交流電源が５０Ｈｚとすると、１／（５０×２）＝０．０１秒で切り替えることが可能である。半波長で電力を検知してフィードバックができるので、上記時間で切り替えることが可能である。
【００８６】
また、本実施例では、一方の励磁コイルを駆動する時間（共振周波数を一定にする）を１秒以内とする制御が含まれている。
【００８７】
ここで、１秒以内にする理由を以下に述べる。
【００８８】
本実施例においては、図７で説明したように、どちらの励磁コイルを駆動するかは、駆動周波数を変えて共振周波数の合う励磁コイルを駆動するようになっている。従って、第１実施例のように完全にどちらかの励磁コイルがオンで、どちらかの励磁コイルがオフという状態にはならない。すなわち、共振周波数がずれている方も効率は悪いが通電されているので、一部分加熱されている。従って、全体を１０としたときに、１０：０で加熱されるのではなく、８：２くらいで加熱される。
【００８９】
このため、第１実施例のように１０：０で加熱される場合よりも温度上昇勾配が小さいので、共振周波数の切り替え時間を１秒以内に行えば、温度リップルが１５℃以内となり、画像の定着性能に影響を与えなかった。このため、この駆動方式の場合は、１秒以内で切り替えればよいことになる。
【００９０】
第１実施例と第２実施例の違いは、駆動方法の違いであり、駆動方法の違いで発生する違いは、上記の加熱時間の制限である。温度勾配がなめらかなので、リップルとしては、有利な方向である。これ以外の点については、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
なお、第１実施例、第２実施例ともに加熱ローラの構成を、内側から、芯金、発泡ゴム（スポンジ）、金属導電層、ソリッドゴム層、離型層としているが、これに限ったものではなく、例えば、鉄ローラ、金属ベルト等でも同様の効果が得られる。
【００９２】
また、この加熱ローラを加圧ローラ側で使用しても同様の効果が得られる。また、励磁コイルを加熱ローラの内側に入れてもよい。
【００９３】
さらに本実施例では、励磁コイルの数を２つとしているが、さらに複数の励磁コイルを用いても同様の効果が得られる。
【００９４】
次に、第３実施例について説明する。
【００９５】
図８は、第３実施例に係る定着装置１０の全体構成を示した簡略断面図である。
【００９６】
定着装置１０は、加熱（定着）ローラ７２（φ４０ｍｍ）と加圧（プレス）ローラ７３（φ４０ｍｍ）とを備えた構成となっている。加熱ローラ７２は駆動モータ（図示せず）により矢印方向に駆動され，加圧ローラ７３は従動で矢印方向に回転するようになっている。加圧ローラ７３は，加圧機構によって前記加熱ローラ７２に対して圧接され、一定のニップ幅を持つように維持されている。
【００９７】
加熱ローラ７２の材質は鉄を用いており、肉厚１ｍｍとしている。加熱ローラ７２の表面には、テフロン（登録商標）等の離型層が被覆されている。本実施例では、ローラ材質として鉄を用いているが、そのほか、ステンレス鋼、アルミ、ステンレス鋼とアルミの複合材等でも良い。
【００９８】
加圧ローラ７３は、芯金の周囲にシリコンゴム、フッ素ゴム等を被覆して構成されている。これら加熱ローラ７２と加圧ローラ７３との圧接部（ニップ部）である定着ポイントを用紙Ｐが通過することで、この用紙上の現像剤を融着圧着して定着するようになっている。
【００９９】
加熱ローラ７２の周上には、加熱ローラ７２と加圧ローラ７３との接触位置（ニップ部）よりも回転方向下流側に、用紙Ｐを加熱ローラ７２から剥離させる剥離爪７５、加熱ローラ７２の温度検出をするサーミスタ７９、および加熱ローラ７２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ド８０が設けられている。
【０１００】
加圧ローラ７３の周上には、トナーを除去するクリーニングローラ８１が設けられている。
【０１０１】
加熱原理は、誘導加熱装置（磁場発生手段）を用いている。
【０１０２】
ここで、誘導加熱装置における励磁コイルの構成を詳細に説明する。
【０１０３】
励磁コイル８２は、加熱ローラ７２の内周に配置されている。励磁コイル８２は、線径０．５ｍｍの銅線材を用いており、お互いに絶縁された線材を複数本束ねたリッツ線として構成されている。リッツ線にすることで浸透深さより線径を小さくすることができ、交流電流を有効に流すことが可能となる。本実施例では、φ０．５ｍｍを１９本束ねている。コイルの被覆線は、耐熱性のポリアミドイミドを用いている。
【０１０４】
励磁コイル８２は、コイルの磁束を強くするコア材８３を用いている。コア材８３を用いることで少ないターン数で磁束を稼ぐことができる。本実施例では、コア材としてフェライトを用いている。なお、フェライトではなく、珪素鋼板、アモルファス等を用いることも可能である。コア材８３の外側には、コイルとコアを絶縁するための耐熱絶縁樹脂８４が具備されている。本実施例では、耐熱樹脂材としてフェノール樹脂を用いている。
【０１０５】
励磁コイル８２の表面には、このコイルとローラの絶縁性を維持するための被覆チューブ８５が被覆されている。被覆チューブ８５は、耐熱性樹脂を用いている。本実施例ではＰＥＴを用いているが、フッ素、ＰＩ、ＰＰＳ、シリコンゴム等でも良い。また、本実施例では、コイルの交換時にローラとコイルが接触して破損したり、被覆が剥がれたりしないように被覆チューブの厚みを０．３ｍｍとしている。
【０１０６】
続いて、電線断面形状について説明する。
【０１０７】
リッツ線の断面は、通常、円形断面となる。一般的にリッツ線の外径は、以下の計算式でおおむね求められる。
【０１０８】
外径Ｄ＝１．１５５×ｄ×√Ｎ（mm）
ｄ：素線外径（mm）
Ｎ：素線本数（本）
従来、この値をもとに、コイル断面として何ターン巻けるかを検討していた。
【０１０９】
図９は、従来のリッツ線の巻き方で巻いた場合のコイル断面を示すものである。リッツ線は、通常、円形断面であり、変形もあるので図９に示すように配列されている。コイルは、ローラの内側と接触しないように一定のクリアランスｔを持っている。一定のクリアランスを保つには、図９に示すように１１ターンが最適であった。さらにターン数を増やすためには、コアの厚みを薄くする方法があるが、コアを薄くすると磁気飽和を起こす可能性があり、むやみに薄くすることはできない。このため、さらにターン数を増やすには、ローラとのクリアランスｔを小さくしたり、ローラ自体を大きくするなどの必要があった。
【０１１０】
図１０は、本第３実施例で用いたコイル配置図（拡大図）を示すものである。本実施例では、通常円形のリッツ線形状にプレスをかけて長方形に整形し、さらに縦横比を可変して整形している。従って、電線をローラから一定の距離の中に効率よく配置することができる。これにより、コイルの実装密度が向上し、ターン数を多く巻ける。従来の一定の円形に比べて実装密度が増えるので、ローラの小径化も可能である。
【０１１１】
また、積層位置において、任意に断面形状を可変しているので、有効に空間を使用することができる。
【０１１２】
従来１１ターンで巻いていたところを、本実施例では、１４ターンにすることができる。これにより、インダクタンスを稼いで、コイルとしての特性を得ることができる。
【０１１３】
本実施例では、コイルを加熱ローラの中に配置したが、もちろん外側に配置しても同様の効果が得られる。すなわち、外側に配置する場合でも実装密度を向上させることで少ない領域でコイルを配置でき、小型化が可能である。
【０１１４】
次に、第４実施例について説明する。
【０１１５】
図１１は、第４実施例におけるコイル配置に関する定着装置１００の長手方向断面を示すものである。
【０１１６】
本実施例では、コイル９０を加熱ローラ２の長手方向軸に対してソレノイド形にコイルを巻いている。電線は、前実施例と同様にφ０．５ｍｍ×１９本のリッツ線を用いている。また、リッツ線の断面形状を配置位置に応じて可変している。すなわち、ローラ長手方向において、中央付近と端部付近でリッツ線断面形状を変えている。中央付近に対して端部付近の方が加熱ローラ長手方向に対して、実装密度が高くなるようにコイル断面を作成している。中央付近のコイル９０ａの断面の縦横比は、約１：２、端部付近のコイル９０ｂの断面の縦横比は、約３：２になっている。
【０１１７】
このように、加熱ローラ２の長手方向に対して、端部付近のコイル９０ｂは、単位長さ当たりのターン数が多くなっている。この理由は、加熱ローラ２の端部領域は、支持ベアリング等への熱の逃げが大きく、中央に比べて端部温度が低くなる傾向にある。従来は、この状況を緩和するために、中央付近の巻きピッチを疎にして、端部付近を密に巻くような対応をしていた。
【０１１８】
しかしながら、この場合、巻きピッチを疎にすることで、電線間にすき間が空き、コイルがある位置とない位置とで温度むらが発生する。あるいは、一定の間隔をあけて巻くと位置精度が重要になる。そこで、コイルを巻くボビンにガイドを設けてそれに合わせて巻くといった方法があったが、位置あわせが困難で巻き工数がかかるといった欠点があった。
【０１１９】
これに対して本実施例では、リッツ線の断面形状を可変にしているので、通常の巻き方をしても断面形状によって自然とコイルのピッチが変化したのと同様の効果が得られる。それによって、ローラ端部の実装密度が上昇するので、ローラ端部の温度低下を防ぐことができる。
【０１２０】
なお、前実施例、本実施例ともに回路の構成、温度制御方法は、第１実施例と同様なので説明を省略する。
【０１２１】
以上説明したように上記発明の実施の形態によれば、加熱ローラの長手方向の温度分布を均一化すると共に、温度リップルを減らすことができる。
【０１２２】
また、加熱ローラにおけるコイル用電線の配置を最適化することができる。
【０１２３】
さらに、加熱ローラにおけるコイルの実装密度を向上させることができる。
【０１２４】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】この発明に係る定着装置の全体構成を示す概略断面図。
【図２】定着装置の長手方向を示した簡略図。
【図３】温度検知、励磁コイルと発振回路（インバータ回路）の制御方法について電気的な構成を示すブロック図。
【図４】加熱ローラを加熱する制御動作を説明するためのフローチャート。
【図５】コイル切り替え時のローラ温度推移を示す図。
【図６】励磁コイルと発振回路の制御方法を説明するための図。
【図７】温度検知、励磁コイルと発振回路（インバータ回路）の制御方法について電気的な構成を示すブロック図。
【図８】定着装置の全体構成を示した簡略断面図。
【図９】従来のリッツ線の巻き方で巻いた場合のコイルの断面図。
【図１０】本実施例のコイル配置（拡大）を示す図。
【図１１】コイル配置に関する定着装置の長手方向の断面を示す図。
【符号の説明】
【０１２６】
１…定着装置、２…加熱ローラ、３…加圧ローラ、４…圧接機構、５ａ…芯金、５ｂ…発泡ゴム、５ｃ…金属導電層、５ｄ…ソリッドゴム層、５ｅ…離型層、７…離型剤塗布装置、８ａ，８ｂ…サーミスタ、１１ａ，１１ｂ…コイル、１２…磁性体コア、３２，３３…コンデンサ、３４，３５…スイッチング素子、３６…商用交流電源、３７…整流回路、３８…トランス、３９，４０…駆動回路、４１，４２…制御回路、４５…ＣＰＵ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004273454.tif 000010
【図９】
2004273454.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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