(57)【要約】【課題】高温においても高い飽和磁束密度を有する誘導加熱用軟磁性材料を提供する。【解決手段】本発明の誘導加熱用軟磁性材料は、５０ｍｏｌ％未満のＦｅ２Ｏ３と、３１ｍｏｌ％を超えるＮｉＯと、ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯからなる残部とで構成される組成からなる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０ｍｏｌ％未満のＦｅ２Ｏ３と、３１ｍｏｌ％を超えるＮｉＯと、ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯからなる残部とで構成される組成を主成分とする誘導加熱用軟磁性材料。
【請求項２】
４８ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％未満のＦｅ２Ｏ３と、
３１ｍｏｌ％を超え、３８ｍｏｌ％以下のＮｉＯと、
ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯからなる残部と、
で構成される組成を主成分とする誘導加熱用軟磁性材料。
【請求項３】
３００℃において２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する請求項１または２に記載の誘導加熱用軟磁性材料。
【請求項４】
２３℃および３００℃において、それぞれ３９０ｍＴ以上および２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する請求項１または２に記載の誘導加熱用軟磁性材料。
【請求項５】
２３℃において、１×１０７Ω・ｃｍ以上の比抵抗を有する請求項１から４のいずれかに記載の誘導加熱用軟磁性材料。
【請求項６】
２３℃および３００℃において、それぞれ３９０ｍＴ以上および２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する誘導加熱用Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載の誘導加熱用軟磁性材料からなる磁心と、前記磁心の近傍において保持される励磁コイルとを備えた誘導加熱装置。
【請求項８】
前記励磁コイルの近傍に保持された被誘導加熱部材をさらに備えた請求項７に記載の誘導加熱装置。
【請求項９】
前記被誘導加熱部材は円筒形状を有し、前記励磁コイルおよび前記磁心は前記被誘導加熱部材が規定する円筒状の空間内に保持されている請求項８に記載の誘導加熱装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の誘導加熱装置を備えた画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軟磁性材料に関し、特に誘導加熱用軟磁性材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、さまざまな分野において誘導加熱を利用した誘導加熱装置が利用されている。誘導加熱装置は、一般に、磁力発生用の励起コイルおよびその近傍に配置される被誘導加熱部材を含む。励起コイルに交流電流を流すと、励起コイルにより磁界が発生し、発生した磁界により、被誘導加熱部材を磁束が貫く。被誘導加熱部材では、磁束の周りにうず電流（誘導電流）が発生し、発生した電流と被誘導加熱部材の電気抵抗によりジュール熱が発生する。これにより、被誘導加熱部材が加熱される。
【０００３】
誘導加熱によれば、被誘導加熱部材を直接加熱するため、エネルギー効率が高く、急速に加熱を行うことができる。また、周囲が高温とならず、局部加熱が可能であり、温度の制御性もよい。
【０００４】
このため、金属溶解炉、半田付け装置、接着剤用溶融加熱装置といったさまざまな産業用装置をはじめ、電気炊飯器、電磁調理器などの家庭用加熱機器などにも用いられている。また、近年、特に急速加熱を行うことができるという特徴を利用して、レーザプリンタや複写機などの画像形成装置のトナー定着用加熱器としても用いられ始めている。
【０００５】
誘導加熱では、被誘導加熱部材の発熱量が磁束密度の２乗に比例する。このため、発生する磁束の密度を高め、加熱効率を向上させる目的で、励起コイルの中心部または周辺に励起コイルの磁心として作用する軟磁性材料を設けることが知られている。たとえば、特許文献１は、プリンタや複写機のトナーを定着させるための加熱装置として、励磁コイルおよび高透磁性の芯材を含む誘導加熱装置を開示している。特許文献２および特許文献３は、このような誘導加熱装置用の軟磁性材料を開示している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−７６６２０号公報
【特許文献２】
特開平１１−１６７１６号公報
【特許文献３】
特開平７−９９０８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
誘導加熱装置の応用範囲が広まるにつれて、誘導加熱装置に求められる性能も多様化してきている。誘導加熱装置の特徴の一つとして、加熱を行う部分の周囲は高温とならないことが挙げられるが、誘導加熱装置の使用環境によっては、誘導加熱装置自体が高い温度に晒される場合がある。たとえば、トナーを定着させるための加熱装置として誘導加熱装置が用いられるプリンタや複写機は小型であることが求められる。このため、こうした機器の筐体内部に誘導加熱装置が発生させた熱が閉じ込められやすく、機器の使用とともに誘導加熱装置の周囲の温度が上昇する。
【０００８】
また、カラープリンタやカラー複写機が広く普及しつつあり、こうした機器に用いられるカラートナーの中には従来の黒色トナーより高い温度（たとえば３００℃）で定着させる必要のあるものがある。
【０００９】
しかしながら、従来の誘導加熱装置では、加熱を行う部分の周囲は高温とならないようにして使用されることが多かったため、誘導加熱用軟磁性材料も高温で使用されることが想定されていなかった。たとえば特許文献２に開示されている軟磁性材料は室温で高い飽和磁束密度を有する。しかし、開示された軟磁性材料のキュリー温度は、高くても２９０℃であるため、この軟磁性材料を用いた誘導加熱装置が３００℃程度の環境におかれた場合、飽和磁束密度は著しく低下する。このため、高温での誘導加熱の効率が急激に悪化する。
【００１０】
このような誘導加熱装置を上述したプリンタや複写機に用いた場合、機器の起動直後は誘導加熱装置の周囲の温度が高くなっていないので、良好な画像の印刷やコピーを行うことができる。しかし、連続して印刷やコピーを行うにつれて誘導加熱装置の周囲の温度が高くなり、それにともなって、誘導加熱の効率が悪化する。このため、トナーが確実に定着されず、良好な画像の印刷やコピーを行うことができなくなるという問題が生じる。
【００１１】
本発明の目的は、このような従来の問題を解決し、高温においても高い飽和磁束密度を有する誘導加熱用軟磁性材料およびそれを用いた誘導加熱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】
本発明の誘導加熱用軟磁性材料は、５０ｍｏｌ％未満のＦｅ２Ｏ３と、３１ｍｏｌ％を超えるＮｉＯと、ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯからなる残部とで構成される組成を主成分として含む。
【００１３】
また、本発明の誘導加熱用軟磁性材料は、４８ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％未満のＦｅ２Ｏ３と、３１ｍｏｌ％を超え、３８ｍｏｌ％以下のＮｉＯと、ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯからなる残部とで構成される組成を主成分として含む。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、上記誘導加熱用軟磁性材料は、３００℃において２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、上記誘導加熱用軟磁性材料は、２３℃および３００℃において、それぞれ３９０ｍＴ以上および２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、上記誘導加熱用軟磁性材料は、１×１０７Ω・ｃｍ以上の比抵抗を有する。
【００１７】
また、本発明の誘導加熱用Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトは、２３℃および３００℃において、それぞれ３９０ｍＴ以上および２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する。
【００１８】
本発明の誘導加熱装置は、上記いずれかに記載の誘導加熱用軟磁性材料からなる磁心と、前記磁心の近傍において保持される励磁コイルとを備える。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、誘導加熱装置は、前記励磁コイルの近傍に保持された被誘導加熱部材をさらに備える。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記被誘導加熱部材は円筒形状を有し、前記励磁コイルおよび前記磁心は前記被誘導加熱部材が規定する円筒状の空間内に保持されている。
【００２１】
本発明の画像形成装置上記いずれかの誘導加熱装置を備える。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本実施形態の誘導加熱用軟磁性材料は、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトであり、５０ｍｏｌ％未満のＦｅ２Ｏ３と、３１．０ｍｏｌ％を超えるＮｉＯと、ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯからなる残部とで構成される組成を主成分とする。各比率は主成分全体に対する割合を示している。
【００２３】
Ｆｅ２Ｏ３の組成比が５０ｍｏｌ％以上になると得られる軟磁性材料の比抵抗値が１×１０７Ω・ｃｍより小さくなる。このため、誘導加熱装置に用いる場合、軟磁性材料からなる磁心と励起コイルとの間で絶縁性を高める必要があり、たとえば、磁心をケースに入れたり、コーティングをする必要が生じる。一方、Ｆｅ２Ｏ３の組成比が４８ｍｏｌ％未満である場合、得られる軟磁性材料の室温における飽和磁束密度が３９０ｍＴよりも小さくなってしまう。この場合、誘導加熱装置の立ち上がり時の効率が悪くなる。このため、誘導加熱用軟磁性材料の主成分中のＦｅ２Ｏ３の組成比は、５０ｍｏｌ％未満であることが好ましく、４８ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％未満であることがより好ましい。特に、４９．０ｍｏｌ％以上４９．５ｍｏｌ％未満である場合には、２３℃および３００℃の両方の温度において比較的高い飽和磁束密度が得られる。
【００２４】
ＮｉＯの組成比は飽和磁束密度に影響する。ＮｉＯの組成比が３１ｍｏｌ％以下である場合、高温での飽和磁束密度が小さくなる。具体的には、３００℃における飽和磁束密度が２００ｍＴ未満となる。この場合、誘導加熱装置が高温に晒されたとき誘導加熱の効率が悪くなる。あるいは、誘導加熱装置の使用にともなって、周囲の温度が上昇すると、加熱効率が悪くなるという問題が生じる。一方、ＮｉＯの組成比が３８ｍｏｌ％を超える場合、得られる軟磁性材料の室温における飽和磁束密度が３９０ｍＴよりも小さくなってしまう。このため、誘導加熱装置の立ち上がり時の効率が悪くなる。したがって、ＮｉＯの組成比は３１．０ｍｏｌ％を超える値であることが好ましく、３１．０ｍｏｌ％を超え３８ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。特に、３１．５ｍｏｌ％以上３６．０ｍｏｌ％未満である場合には、２３℃および３００℃の両方の温度において比較的高い飽和磁束密度が得られる。
【００２５】
主成分のうちＦｅ２Ｏ３およびＮｉＯを除いた残部はＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯによって構成する。焼結温度を低くするために、残部にＣｕＯが含まれていることが好ましく、ＣｕＯが主成分全体に対して５．０ｍｏｌ％未満の割合で含まれていることが好ましい。
【００２６】
Ｆｅ２Ｏ３と、ＮｉＯと、ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯとを上述の組成比で混合したものを焼結することにより、本発明の誘導加熱用軟磁性材料が得られる。たとえば、上述の組成比となるように秤量したＦｅ２Ｏ３と、ＮｉＯと、ＺｎＯまたはＺｎＯおよびＣｕＯとを混合し、７５０℃〜９５０℃の温度において３〜５時間仮焼する。その後、ボールミルを用いて、７〜１２時間粉砕することにより、平均粒径が約１．０μｍの粉末を作製する。
【００２７】
次に、得られた粉末を１．０〜１．２ｔ／ｃｍ２の圧力で加圧しながら成形する。成形には一軸プレスを用いてもよいし、静水圧プレスを用いてもよい。得られた成形体を１１５０℃〜１２５０℃の温度において、３〜５時間大気中で焼成する。これにより、本発明の誘導加熱用軟磁性材料が得られる。
【００２８】
本発明の誘導加熱用軟磁性材料は、室温である２３℃において、３９０ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する。飽和磁束密度は温度の上昇とともに徐々に小さくなるが、３００℃においても、２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有している。低温において高い飽和磁束密度を備えているので、本発明の誘導加熱用軟磁性材料を誘導加熱装置の磁心に用いることにより、誘導加熱装置に通電を開始するとともに高い磁束密度の磁束を発生し、被誘導加熱部材に渦電流を生じさせる。したがって、瞬時に被誘導加熱部材を高い温度で発熱させることができる。また、誘導加熱用軟磁性材料が高温になっても高い飽和磁束密度を維持するため、誘導加熱装置が高温の環境下で使用される場合や、誘導加熱装置を連続して使用することにより、誘導加熱装置自体の発熱によって誘導加熱装置の周囲が高い温度になる場合であっても、加熱効率の悪化を防ぎ、効率よく熱を発生させることができる。
【００２９】
本発明の誘導加熱用軟磁性材料は、室温において１×１０７Ω・ｃｍ以上の比抵抗を有するため、誘導加熱装置の磁心に用いる場合でも絶縁構造を設けることなく、磁心と励起コイルとの間の絶縁性を確保できる。したがって、磁心を絶縁用ケースに入れたり、絶縁用コートを磁心に施したりする必要がなく、誘導加熱装置の製造コストを低減することができる。
【００３０】
なお、本発明の誘導加熱用軟磁性材料を用いて誘導加熱装置を作製する場合、その使用条件によっては、自己発熱により誘導加熱用軟磁性材料自体の温度が高くなり、誘導加熱用軟磁性材料の温度が累積的に上昇する可能性が考えられる。このような場合には、誘導加熱用軟磁性材料または被誘導加熱部材の温度を検出し、励磁コイルに流す電流を制御することにより、累積的な温度上昇を防止する機構を設けることが好ましい。
【００３１】
図１は、本発明の誘導加熱用軟磁性材料を磁心に用いた誘導加熱装置の一例を示している。図１に示す誘導加熱装置１０は、磁心２、励起コイル１および被誘導加熱部材である発熱ローラ３を含む。磁心２には、たとえば４９．５ｍｏｌ％のＦｅ２Ｏ３、３５．８ｍｏｌ％のＮｉＯ、１３．４ｍｏｌ％のＺｎＯおよび１．３ｍｏｌ％のＣｕＯを主成分の組成として備える誘導加熱用軟磁性材料を用いる。励起コイル１は磁心２を中心として巻回され、磁心２の近傍に保持されている。発熱ローラ３は種々の金属からなり、円筒形状を備えている。発熱ローラ３が形成する円筒の内空間には励起コイル１および磁心２が収納される。このため、励起コイル１および磁心２の近傍に発熱ローラ３が保持される。発熱ローラ３は図示しない回転機構により、円筒の中心を軸として回転し得る。
【００３２】
誘導加熱装置１０の励起コイル１に交流電流を流すと、磁心２により密度が高められた磁束が励起コイル１の周りに発生する。発生した磁束は発熱ローラ３を貫き、発熱ローラ３の表面に渦電流を生じさせる。これによりジュール熱を発生し発熱ローラ３が発熱する。また、発熱ローラ３が回転することによって発熱ローラ３の全体が均一に発熱する。
【００３３】
誘導加熱装置１０によれば、磁心２が室温において高い飽和磁束密度を有するため、加熱効率がよく、通電とともに、発熱ローラ３が急速に高い温度にまで発熱する。また、発熱ローラ３内に励起コイル１および磁心２が収納されているので、誘導加熱装置１０全体を小型化することができる。発熱ローラ３が形成する円筒の内空間は熱がこもりやすいため、誘導加熱装置１０を連続して使用する場合や、断続的であっても長時間使用する場合、励起コイル１および磁心２の温度が上昇する可能性がある。しかし、磁心２は、３００℃においても高い飽和磁束密度を有するため、加熱効率が大きく低下することなく、発熱ローラ３を高い温度で発熱させることが可能である。
【００３４】
図１に示す誘導加熱装置１０はレーザプリンタや複写機などの画像形成装置のトナー定着用加熱装置に好適に用いることができる。図２は、本発明のカラーレーザプリンタのトナー定着用誘導加熱装置の近傍を模式的に示している。図示しないカラーレーザプリンタの他の部分は公知のレーザプリンタと同様の構造により構成される。図２に示すように、本発明のカラーレーザプリンタは、図１に示す誘導加熱装置１０と加圧ローラ２０とを備える。発熱ローラ３および加圧ローラ２０はそれぞれの回転軸が平行となり、互いの表面が圧接するよう配置されている。また、発熱ローラ３または加圧ローラ２０の一方が図示しない駆動機構により回転し、他方のローラは、圧接による摩擦によって駆動されたローラに従って回転する。
【００３５】
図２に示すように、記録紙２１は、発熱ローラ３および加圧ローラ２０に挟まれ、加圧されながら発熱ローラ３および加圧ローラ２０の回転に伴って移動する。このとき、発熱ローラ３の熱により、トナー画像が定着する。
【００３６】
本発明のカラーレーザプリンタによれば、誘導加熱装置１０によりトナーの定着を行うので、従来のハロゲンランプを用いた加熱装置により定着を行うプリンタに必要であった待機時の余熱通電が不要となり、消費電力の低減を図ることができる。また、誘導加熱装置１０の磁心に高い飽和磁束密度を有する材料を用いているため、ウオームアップタイムも短くすることができる。また、励起コイル１および磁心２を発熱ローラ３に収納することができるため、カラーレーザプリンタの外形を小さくすることができる。さらに、発熱ローラ３を誘導加熱により直接発熱させるので熱効率が高く、高温においても高い飽和磁束密度を有する磁心を採用しているため、高い温度で定着することが必要なトナーを利用することも可能となる。また、多くの枚数を印刷することにより、発熱ローラ３の熱が励起コイル１および磁心２の周囲に蓄積し、励起コイル１および磁心２の温度が上昇しても、誘導加熱装置１０の加熱効率が悪化することがない。このため、印刷される画像や文字が不鮮明になることがなく、良好な画像の印刷が得られる。
【００３７】
（実験例）
表１に示す組成比となるように秤量したＦｅ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯおよびＣｕＯを混合し、混合物を５５０℃で３時間仮焼した。その後、ボールミルを用いて、８時間粉砕することにより、粉末を作製した。得られた粉末を静水圧プレスにより１．０ｔ／ｃｍ２の圧力で加圧しながら成形し、得られた成形体を１１５０℃〜１２５０℃の温度において、３時間大気中で焼成した。これにより、試料１から試料８を作製した。試料５は、特許文献２に開示された材料の１つと同じ組成を備えており、誘導加熱装置の磁心として用いられる典型的な従来の軟磁性材料である。
【００３８】
試料１から試料８について、室温（２３℃）および３００℃における飽和磁束密度をそれぞれ求めた。試料２および５については、室温から３００℃の間の複数の温度において飽和磁束密度を求めた。また、各試料の室温における比抵抗を求めた。
【００３９】
【表１】
2004319746.tif 000002
【００４０】
表１に示すように、試料１から試料４は、２３℃および３００℃においてそれぞれ、３９０ｍＴ以上および２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有している。また、２３℃における比抵抗は１×１０７Ω・ｃｍ以上になっている。
【００４１】
一方、試料８におけるＦｅ２Ｏ３の組成比は５０ｍｏｌ％を超えている。このため、試料８の比抵抗は、３×１０３Ω・ｃｍになっており、比抵抗が小さい。試料７におけるＦｅ２Ｏ３の組成比は４８ｍｏｌ％未満であるため、試料７の２３℃における飽和磁束密度が３８０ｍＴであり、３９０ｍＴより小さくなっている。
【００４２】
また、試料５におけるＮｉＯの組成比は３１ｍｏｌ％以下であるため、試料５の３００℃における飽和磁束密度が著しく小さくなっている。試料６が示すように、ＮｉＯの組成比が３８ｍｏｌ％を超えると２３℃における飽和磁束密度は３８５ｍＴになっており、３９０ｍＴよりわずかに小さくなっている。
【００４３】
図３は、試料２および試料５の飽和磁束密度の温度変化を示すグラフである。図３に示すように、試料２は、２３℃および３００℃においてそれぞれ、３９０ｍＴ以上および２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有している。これに対して、典型的な従来の誘導加熱用軟磁性材料である試料５は、２５０℃付近から急激に飽和磁束密度が低下している。
【００４４】
これらの結果から明らかなように、Ｆｅ２Ｏ３の組成比が４８ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％未満であり、ＮｉＯの組成比が３１ｍｏｌ％を超え、３８ｍｏｌ％以下である場合には、軟磁性材料は２３℃および３００℃においてそれぞれ、３９０ｍＴ以上および２００ｍＴ以上の飽和磁束密度を有する。
【００４５】
しかし、試料６および試料７が示すように、軟磁性材料のＦｅ２Ｏ３の組成比が上記範囲の下限を少し超えていたり、ＮｉＯの組成比が上限を少し超えている場合、２３℃における飽和磁束密度が３９０ｍＴより少し小さくなるが、３００℃における飽和磁束密度は２００ｍＴ以上を示している。したがって、特に３００℃程度の高温状態において使用される誘導加熱装置の磁心として用いる場合には、軟磁性材料のＦｅ２Ｏ３の組成比が４８ｍｏｌ％より小さい場合や、ＮｉＯの組成比が３８ｍｏｌ％より大きい場合であっても、従来の誘導加熱用軟磁性材料に比べて十分大きな飽和磁束密度を備えており、誘導加熱装置の磁心として、従来の誘導加熱用軟磁性材料より優れている。
【００４６】
なお、本実施形態の誘導加熱装置では、被誘導加熱部材である発熱ローラ内に励磁コイルおよび磁心が設けられているが、本発明の誘導加熱装置において、被誘導加熱部材は円筒形に限定されるものではないし、また磁心が被誘導加熱部材で覆われている必要はない。励磁コイルおよび磁心に被誘導加熱部材が近接しておればよい。
【００４７】
また、本発明の誘導加熱装置を含む一例として画像形成装置を説明したが、本発明の誘導加熱装置をその他の機器に採用してもよい。特に、誘導加熱装置が高温となる環境で使用される場合に好適に本発明を適用することができる。また、金属融解炉などでは、被誘導加熱部材は融解すべき金属自体であるため、誘導加熱装置としての金属融解炉は被誘導加熱部材を含まない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の誘導加熱用軟磁性材料は、室温および高温において高い飽和磁束密度を有する。したがって、本発明の誘導加熱用軟磁性材料を誘導加熱装置の磁心に用いることにより、高温においても加熱効率のよい誘導加熱装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による誘導加熱装置の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明による画像形成装置の一例であって、誘導加熱装置近傍の構造を模式的に示す図である。
【図３】本発明による誘導加熱用軟磁性材料の一例を用いて測定した飽和磁束密度と温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  励磁コイル
２  磁心
３  発熱ローラ
２０  加圧ローラ
２１  記録紙
【図１】
2004319746.tif 000003
【図２】
2004319746.tif 000004
【図３】
2004319746.tif 000005