(57)【要約】【目的】電磁誘導を利用した加熱装置において、コイルを流れる電流の大きさを抑止し、加熱装置およびその加熱装置が組み込まれる定着装置の大きさを低減する。【解決手段】この発明の定着装置１は、入力電流の周波数に応じて電磁誘導により所定磁束を発生するコイルから発生される磁束により発熱する被加熱体２と、被加熱体に所定の圧力な提供可能な加圧機構３とを含み。被加熱体のコイル１１ａ，１１ｂは、入力される電力の周波数に起因して生じる表皮効果の影響を受けない小断面導体を、入力すべき電流量が通過することを許容可能な本数だけ撚ったリッツ線により形成されている。【選択図】　　図２
2004012804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空円筒状または無端ベルト状であって、円筒状である場合はその周面およびベルト状である場合にはベルト面が所定の速度で移動可能に形成され、熱溶融性の物質および上記熱溶融性の物質を保持している基材に、所定の熱を供給可能な加熱対象物と、
円筒状であって、前記加熱対象物との間に上記熱溶融性物質および上記基材を介在させた状態で前記加熱対象物に所定の圧力を提供可能に配置され、前記加熱対象物の上記周面および上記ベルト面が所定の速度で移動されることにより自身の周面が前記加熱対象物の上記周面および上記ベルト面に追従して移動可能な、圧力提供機構と、
前記加熱対象物に対して所定の位置関係で配置され、１ＭＨｚ以上の周波数の電流が供給されることで、前記加熱対象物が所定量の熱を出力するために必要な所定の電力または磁束を発生可能な加熱機構と、
を有することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記加熱機構は、少なくとも２つのコイル体を含み、各コイル体が異なる共振周波数を有することを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記加熱機構に所定の周波数の駆動出力を供給可能な駆動回路をさらに有し、前記駆動回路は、それぞれのコイル体の共振周波数に対応した周波数の駆動出力を出力可能であることを特徴とする請求項２記載の定着装置。
【請求項４】
前記駆動回路は、個々のコイル体に向けて出力される駆動出力が所定の出力となるよう、間引き制御により出力を変化させて個々のコイル体に出力可能であることを特徴とする請求項３記載の定着装置。
【請求項５】
前記駆動回路が変化させた駆動出力の間引き分を補償する位相補償機構をさらに有することを特徴とする請求項４記載の定着装置。
【請求項６】
前記駆動回路は、駆動出力が供給されるコイル体を切り換える際に、電源側の出力が０ボルトになるタイミングが利用されることを特徴とする請求項３記載の定着装置。
【請求項７】
前記駆動回路は、個々のコイル体のうちのいずれかのコイル体の共振周波数に対応した周波数の駆動出力を出力するととともに、共振周波数が異なるコイル体に対しても所定のレベルの駆動出力を出力可能であることを特徴とする請求項３記載の定着装置。
【請求項８】
供給された電流の周波数に応じて電磁誘導により所定の磁束および電圧を発生するコイルの周囲に生じる磁束により発熱する被加熱体と、この被加熱体に所定の圧力な提供可能な加圧機構とを含む加熱装置において、
前記被加熱体のコイルは、入力される電力の周波数に起因して生じる表皮効果の影響を受けない小断面導体が、入力すべき電流量が通過することを許容可能な本数だけ撚られたリッツ線により形成されていることを特徴とする加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トナーを用いる複写装置やプリンタ装置等に用いられ、トナー像を被転写媒体に定着する定着装置および定着装置に利用可能な加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、被転写媒体上に形成されたトナーを加熱して溶融させ、被転写媒体にトナーを固着する。
【０００３】
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フラッシュランプを用いるフラッシュ定着方式等が広く知られている。なお、近年、電磁誘導による金属の発熱を利用した誘導加熱装置を用いた定着装置も実用化されている。
【０００４】
また、多くの場合、内部にヒータをセットした熱（定着）ローラと、熱ローラの外周の一点で熱ローラに対して所定の圧力で押し付けられる加圧ローラとが用いられる。この構造によれば、熱ローラの熱を効率よくトナーに供給可能であるばかりか、溶融したトナーを被転写媒体に固着させるための圧力を被転写媒体とトナーに、容易に提供できることが広く知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
誘導加熱方式の加熱装置は、熱源にフィラメントランプを用いる方式に比べ、熱ローラの表面の温度を定着可能温度まで昇温するために要求される時間が短いことから、今日、広く利用されている。
【０００６】
ところで、誘導加熱方式の加熱装置を用いた多くの定着装置では、熱ローラを昇温させるために熱ローラに渦電流を生じさせる誘導コイルに所定の電力を供給する駆動回路を低コストとする目的で、例えば準Ｅ級と呼ばれる汎用回路が利用されている。
【０００７】
しかしながら、準Ｅ級の汎用回路を用いる場合、誘導コイルを含むインバータ回路のインピーダンスに起因して、誘導コイルに数十アンペアの電流が流れる。このことは、誘導コイルに用いられる電線の断面積を増大させる問題がある。
【０００８】
一方、誘導コイルに用いられる電線には、コイルに入力される電流の周波数が高周波に変化された場合に顕著となる表皮効果の影響を受けにくくするために、例えば、高価なリッツ線等を用いることが要求される。
【０００９】
また、断面積の大きな電線を用いなければならないことに起因して誘導コイルの大きさが増大されるので、誘導コイルから発生される磁束の利用効率を高めるために、誘導コイルを熱ローラの内部に配置しようとすると、熱ローラの外径が増大される問題がある。
【００１０】
なお、インバータ回路すなわち誘導コイルを流れる電流の大きさに起因して、非通電状態から誘導コイルに電流が供給された時点や、誘導コイルに供給されている電流が遮断された時点で、周囲に配置されている照明器具、特に蛍光灯等の放電灯から放射される光の光量が変化するフリッカが発生する問題がある。
【００１１】
この発明の目的は、電磁誘導を利用した加熱装置において、回路を流れる電流の大きさの変化すなわち電圧変動を抑止し、加熱装置およびその加熱装置が組み込まれる定着装置の大きさを低減することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、中空円筒状または無端ベルト状であって、円筒状である場合はその周面およびベルト状である場合にはベルト面が所定の速度で移動可能に形成され、熱溶融性の物質および上記熱溶融性の物質を保持している基材に、所定の熱を供給可能な加熱対象物と、円筒状であって、前記加熱対象物との間に上記熱溶融性物質および上記基材を介在させた状態で前記加熱対象物に所定の圧力を提供可能に配置され、前記加熱対象物の上記周面および上記ベルト面が所定の速度で移動されることにより自身の周面が前記加熱対象物の上記周面および上記ベルト面に追従して移動可能な、圧力提供機構と、前記加熱対象物に対して所定の位置関係で配置され、１ＭＨｚ以上の周波数の電流が供給されることで、前記加熱対象物が所定量の熱を出力するために必要な所定の電力または磁束を発生可能な加熱機構と、を有することを特徴とする定着装置を提供するものである。
【００１３】
またこの発明は、供給された電流の周波数に応じて電磁誘導により所定の磁束および電圧を発生するコイルの周囲に生じる磁束により発熱する被加熱体と、この被加熱体に所定の圧力な提供可能な加圧機構とを含む加熱装置において、前記被加熱体のコイルは、入力される電力の周波数に起因して生じる表皮効果の影響を受けない小断面導体が、入力すべき電流量が通過することを許容可能な本数だけ撚られたリッツ線により形成されていることを特徴とする加熱装置を提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、この発明の実施の形態が適用される画像形成装置の一例として、デジタル複写装置を説明する概略図である。
【００１５】
図１に示すように、デジタル複写装置（画像形成装置）１０１は、画像読取装置（スキャナ）１０２と、画像形成部１０３とを有する。なお、スキャナ１０２には、自動原稿送り装置（ＡＤＦ）１０４が一体に設けられている。
【００１６】
画像形成部１０３は、所定の電位が与えられた状態で光が照射されることで、光が照射された領域の電位が変化し、その電位の変化を静電像として所定時間の間保持できる感光体が外周面に形成された円筒状の感光体ドラム１０５を有している。
【００１７】
感光体ドラム１０５には、スキャナ１０２または外部装置から供給される画像データに対応して光強度が変化されたレーザビームを出力可能な露光装置１０６により、出力すべき画像の情報が露光される。これにより、感光体ドラム１０５の外周面に、静電像すなわち画像データに対応した電位変化として、画像が形成される。
【００１８】
感光体ドラム１０５に形成された画像は、現像装置１０７によりトナーが選択的に供給されることで可視化される。
【００１９】
現像装置１０７によりトナーが供給されて現像された感光体ドラム１０５上のトナーの集合体すなわちトナー像は、詳述しない転写装置から、トナーの転写のための電圧が供給されることで、用紙Ｐに転写される。なお、用紙Ｐは、ピックアップローラ１０９によりカセット１０８から１枚ずつ取り出され、搬送路１１０を、アライニングローラ１１１まで搬送される。
【００２０】
アライニングローラ１１１に搬送された用紙Ｐは、感光体ドラム１０５に形成されたトナー像との位置を整合するために、アライニングローラ１１１が所定のタイミングで回転されることで、感光体ドラム１０５上のトナー像と位置が整合されて、転写位置に供給される。
【００２１】
用紙に転写されたトナー像は、定着装置１により熱と圧力が加えられることで溶融され、定着装置により提供される圧力で、用紙に固定（定着）される。
【００２２】
定着装置１によりトナー像が定着された用紙Ｐは、排紙ローラ１１２により、用紙カセット１０８とスキャナ１０２との間に定義されている排紙トレイ１１３に排出される。
【００２３】
図２および図３は、図１に示した画像形成装置に利用される定着装置の一例を説明する概略図である。なお、図２は、定着装置１を長さの長い方向の概ね中央で切断した状態を示す概略断面図で、図３は、詳述しないカバー類を外した状態で、定着装置１を平面方向から見た状態を示す概略平面図である。
【００２４】
定着装置１は、直径が概ね２０ｍｍの定着（加熱）ローラ２と直径が概ね２０ｍｍのプレス（加圧）ローラ３とからなる。
【００２５】
加熱ローラ２は、厚さが１ｍｍ程度、より好ましくは０．５ｍｍ程度の金属製の中空円筒体である。なお、この実施の形態では、ローラ２は、鉄製であるが、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、あるいはステンレス鋼とアルミニウムとの合金等が利用可能である。
【００２６】
加熱ローラ２の表面には、四フッ化エチレン樹脂等、に代表されるフッ素樹脂が所定の厚さだけ堆積された図示しない離型層が形成されている。加熱ローラ２の長さは、例えば概ね３４０ｍｍである。なお、加熱ローラ２に代えて、耐熱性の高い樹脂フィルムの表面に金属を所定厚さ堆積させたシート体を無端ベルト状とした金属フィルムを用いることもできる。
【００２７】
加圧ローラ３は、所定の直径の回転軸の周囲に、所定の厚さのシリコンゴム、もしくはフッ素ゴム等が被覆された弾性ローラである。加圧ローラ３の長さは、概ね３２０ｍｍである。
【００２８】
加圧ローラ３は、加熱ローラ２の軸線と概ね平行で、加圧機構４により、加熱ローラ２の軸線に対して所定の圧力で圧接されている。これにより、加熱ローラ３の外周面の一部が弾性変形し、両ローラ間に所定のニップが定義される。加熱ローラ２に代えて金属フィルムを用いた場合には、ニップは、フィルム側に形成される場合もある。
【００２９】
加熱ローラ２は、図４を用いて後段に説明する定着モータ１２３あるいは同図に示す感光体ドラム１０５を回転させるドラムモータ１２１により、概ね一定の速度で、矢印の方向に回転される。加圧ローラ３は、加圧機構４により所定圧力で加熱ローラ２に接触されているので、加熱ローラ２が回転されることで、加熱ローラ２が回転される方向と逆の方向に回転される。
【００３０】
加熱ローラ２の周上であって、加熱ローラ２と加圧ローラ３とが相互に接する位置は、ニップと呼ばれている。ニップよりもローラ２が回転される方向の下流側で、かつニップの近傍の所定位置には、ニップを通過される用紙Ｐを加熱ローラ２から剥離させる剥離爪５が位置されている。
【００３１】
加熱ローラ２の周囲には、ローラ２が回転される方向に沿うとともに、剥離爪５から離れる方向に順に、少なくとも２つの温度検出素子６ａ，６ｂ、クリーナ７および発熱異常検知素子８が、設けられている。
【００３２】
温度検出素子６ａ，６ｂは、加熱ローラ２の外周面の温度を検出するもので、例えばサーミスタが利用可能である。なお、２つの温度検出素子６ａ，６ｂの少なくとも１つは、ローラ２の長手方向の概ね中央に位置されている。また、他の１つは、ローラ２の長手方向の一端部に位置されている。なお、サーミスタは、３以上設けられてもよいことはいうまでもない。
【００３３】
クリーナ７は、加熱ローラ２の外周に所定の厚さに設けられているフッ素樹脂に付着することのあるトナーや用紙から生じる紙粉もしくは装置内部を浮遊して加熱ローラ２に付着するゴミ等を除去する。クリーナ７は、加熱ローラ２と接触されたとしてもフッ素樹脂層を傷付けにくい材質、例えばフェルトまたはファーブラシ等で形成されたクリーニング部材とそのクリーニング部材を支持する支持部材を含む。なお、クリーニング部材は、加熱ローラ２の表面と接触されて回転されるものであってもよいし、加熱ローラ２の外周面に対して所定の圧力で圧接されるもの（非回転）であってもよい。
【００３４】
発熱異常検知素子８は、例えばサーモスタットであって、加熱ローラ２の表面温度が異常に上昇する発熱異常を検知し、発熱異常が生じた場合は、以下に説明する加熱用コイル（励磁コイル）に対して供給される電力を遮断するために利用される。
【００３５】
なお、温度検出素子６ａ，６ｂ、クリーナ７および発熱異常検知素子８が位置される順および位置は、図２に示した順および位置に制限されるものではない。
【００３６】
加圧ローラ３の周上には、用紙Ｐを加圧ローラ３から剥離するための剥離爪９および加圧ローラ３の周面に付着したトナーを除去するクリーニングローラ１０が設けられている。
【００３７】
加熱ローラ２の内側には、ローラ２の材質に、渦電流を発生させる励磁コイル１１が配置されている。励磁コイル１１は、図３に示される例では、加熱ローラ２の長手方向の概ね中央付近に位置された第１のコイル１１ａと加熱ローラ２の両端付近に設けられた第２のコイル１１ｂとからなる。すなわち、第２のコイル１１ｂは、第１のコイル１１ａが加熱ローラ２の長手方向の中央付近を加熱可能であるに比較して加熱ローラ２の両端付近を加熱するために有益である。なお、第２のコイル１１ｂの個々のコイルを識別する必要があるときは、各コイルを、それぞれ、コイル１１−１およびコイル１１−２と呼称する。
【００３８】
第１，第２のコイル１１ａ，１１ｂは、それぞれ、所定の断面積が与えられた線材が用いられ、それぞれ固有の共振周波数で共振して抵抗値が最大となるように、所定ターン数に形成されている。なお、第２のコイル１１ｂは、例えば図３に示す例では、加熱ローラ２の長手方向に関して、第１のコイル１１ａを挟んで両側に設けられる。また、第１のコイル１１ａと第２のコイル１１ｂは、例えば加熱ローラ２の概ね中央で２つの分割されてもよい。さらに、例えば加圧ローラ３にコイルが設けられる場合に、加熱ローラ２側に第１のコイル１１ａと配置し、加圧ローラ３側に第２のコイル１１ｂを配置してもよい。
【００３９】
第１および第２のコイル１１ａ，１１ｂは、概ね等しい出力を出力可能に形成されている。なお、個々のコイルの出力は、加熱ローラ２（もしくは加圧ローラ３）を発熱させるための渦電流を生じさせることのできる磁束を出力可能な電流値であり、多くの場合、コイルが消費する消費電力として管理される。また、図３に示す例では、各コイルの共振周波数は、第２のコイル１１ｂ全体（１１−１と１１−２）または個々のコイル１１−１，１１−２のいずれかに関し、第１のコイル１１ａの共振周波数とは異なる周波数に設定されている。
【００４０】
それぞれのコイル１１ａ，１１ｂはまた、耐熱性が高く、高い絶縁性を示す、エンジニアリングプラスチックまたはセラミックで形成されたコイル保持体１２に巻き付けられている。コイル保持体１２には、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材、フェノール材もしくは不飽和ポリエステル等が利用可能である。なお、図２に示した実施の形態では、コイル保持体１２の内側に、例えばフェライトを成型したコア１３を設け、ローラ２を発熱させるために利用可能な磁束密度を強めている。この場合、コア１３には、高周波域での損失が少ない、例えばダストコア（圧粉磁芯）が主要な材料として用いられる。また、コア材を用いない空芯コイルであってもよいことは、言うまでもない。
【００４１】
第１のコイル１１ａは、例えばＡ４サイズの用紙が、その短辺が加熱ローラ２の軸線と平行になるように搬送される際に、ローラ２の外周面と接する幅を加熱可能な長さに形成されている。
【００４２】
第１および第２のコイル１１ａ，第２のコイル１１ｂ（１１−１，１１−２）は、断面積が、例えば１ｍｍの銅線材と同等となる線材により形成されている。なお、線材としては、例えば絶縁皮膜のない細い線材を複数本撚った撚り線または個々の線材が絶縁材に被覆されている線材を所定本数撚ったリッツ線等が利用可能である。
【００４３】
それぞれのコイル１１ａ，１１ｂは、いずれも任意の巻き方法により形成可能である。例えば、図３に示すように、第１のコイル１１ａの巻き方向を、線材が加熱ローラ２の軸方向と平行になる方向に、第２のコイル１１ｂの個々のコイル１１−１，１１−２の巻き方向も、線材がローラ２の軸方向と平行になる方向に定義してもよいし、図７ないし図１０を用いて後段に示すように、線材の巻き方向がローラ２の軸と直交する方向に巻き付けられたコイルが、少なくとも１箇所設けられてもよい。また、図１２に示すように、個々のコイルを平面状とし、コイル保持体１２の断面形状を円筒状として、コイルをその周面に沿わせることによって、ローラ２の内周（円）に沿わせてもよい。
【００４４】
図４は、図２および図３に示した定着装置を動作させる駆動回路ならびにその定着装置が組み込まれる画像形成装置を動作させるための制御回路の一部を説明している。
【００４５】
定着装置１の加熱ローラ２の内部には、前に説明した通り、加熱ローラ２自身の金属材料に渦電流を生じさせて発熱させるための励磁コイル１１（コイル１１ａ，コイル１１ｂ（１１−１，１１−２））が収容されている。
【００４６】
励磁コイル１１には、励磁コイル１１の個々のコイルに所定の周波数の高周波出力（電流および電圧）を供給する励磁ユニット３１が接続されている。
【００４７】
励磁ユニット３１は、それぞれのコイル１１ａ，１１ｂに供給すべき高周波を出力を出力可能なスイッチング回路３２と、それぞれのコイルに所定出力を供給するため、スイッチング回路３２に所定の制御信号（スイッチング回数）を入力する駆動回路３３を含む。なお、スイッチング回路３２は、コイル１１ａ、１１−１およびコイル１１−２のそれぞれを、例えば全て直列に、またはコイル１１−１とコイル１１−２を直列に接続した状態でコイル１１ａと並列に、もしくは全てのコイルを並列に接続できる。すなわち、スイッチング回路３２は、個々のコイル１１ａ，１１ｂの直列接続あるいは並列接続、もしくはコイル１１ｂの１１−１，１１−２直列または並列接続とコイル１１ａとの直列または並列接続を任意に設定可能な切換装置としても機能する。
【００４８】
スイッチング回路３２には、受電した商用電源の交流電圧が整流回路１３１により整流された直流電圧が、駆動回路３３を経由して供給される。
【００４９】
このとき、スイッチング回路３２には、駆動回路３３から、スイッチング回路３２が出力すべき高周波出力すなわち各コイル１１ａ，１１ｂが、所定の加熱力であるコイル出力を出力するために図示しないスイッチング素子がオンされる時間すなわち単位時間当たりにスイッチング素子がオンされる回数（駆動周波数）が、指示される。なお、この実施の形態では、駆動回路３３は、コイル１１ａに供給すべき第１の周波数ｆ１とコイル１１ｂに供給すべき第２の周波数ｆ２を、スイッチング回路３２に指示する。
【００５０】
換言すると、各コイルから、加熱ローラ２を昇温させるために加熱ローラ２に生じる渦電流を発生させる基となる磁束が出力される大きさすなわち加熱力は、駆動回路３３の制御により、スイッチング回路３２からそれぞれのコイルに出力される出力が変化されることで、任意の大きさに設定可能である。また、加熱力は、一般に、個々のコイルが消費する消費電力として数値管理される。なお、各コイルのコイル出力（消費電力）を、以降、単にコイルに入力される電力として説明する。
【００５１】
また、整流回路１３１から任意の、または全てのコイルに供給される電力は、例えば整流回路１３１と商用電源の入力端との間、または整流回路１３１と駆動回路３３との間、もしくは駆動回路３３とスイッチング回路３２との間等の所定の位置に設けられる電力検知回路４１により、常時監視される。なお、電力検知回路４１による監視結果は、所定のタイミングで駆動回路３３にフィードバックされる。一方、駆動回路３３の焼損等を検知可能とするため、電力検知回路４１の出力は、画像形成部１０３側の主制御装置１５１にも入力される。
【００５２】
次に、加熱ローラ２の外周面の温度を所定温度に昇温させる制御の一例を説明する。
【００５３】
周知の通り、誘導加熱方式の定着装置１においては、励磁コイル１１の個々のコイル１１ａおよび１１ｂ（１１−１，１１−２）からは、それぞれのコイルに供給された電力の大きさおよびコイルの形状に依存して、所定方向の磁束が発生される。従って、コイルで発生された磁束により発生される磁界の変化を妨げるように、加熱ローラ２の金属部分に渦電流が発生する。このため、加熱ローラ２の金属部分に、渦電流と金属部分自体の抵抗に起因してジュール熱が発生する。このジュール熱により加熱ローラ２が発熱することで加熱ローラ２が昇温され、加熱ローラ２と加圧ローラ３との間を通過される用紙Ｐが加熱される。
【００５４】
加熱ローラ２の長手方向の全域を概ね均一に加熱する通常加熱時には、個々のコイル１１ａ，１１ｂに、図４を用いて前に説明したスイッチング回路３２から所定の周波数の高周波出力（電流および電圧）が供給される。この場合、所定の時間間隔で、第１のコイル１１ａから磁束を発生させるために適した第１の共振周波数ｆ１の高周波出力と第２のコイル１１ｂから磁束を発生させるために適した第２の共振周波数ｆ２の高周波出力が、個々のコイルに、交互に入力される。なお、いずれのコイルの共振周波数とも異なる周波数であって、全てのコイルが（定格の磁束を発生することは困難であるが）所定の大きさの磁束を発生可能な共通の周波数ｆ１２の電力が全てのコイルに同時に供給されることで、上述したように個々のコイルに、交互に電力が入力（交互駆動）されることに起因して、近接して設けられる放電灯照明器具から放射される照明光がちらつく（フリッカが生じる）ことが抑止される。
【００５５】
また、昇温対象となるローラの部分に対応されるコイルの共振周波数とローラの残りの部分に対応されるコイルの共振周波数のそれぞれを相互に関連づけて、昇温すべきコイルに供給される電力で、残りのコイルからも所定の大きさの磁束を出力させることもできる。これにより、ローラの長手方向で生じることのある温度差（温度リップル）を低減できる。
【００５６】
ところで、インダクタンスＬに代表されるコイル定数が異なる第１のコイルと第２のコイル（第１のコイルのインダクタンスよりもインダクタンスが小さい）に、所定の周波数の電力を供給する場合、スイッチング回路を独立に設けると、例えば第１のコイルの出力を１ｋＷから６００Ｗの範囲で制御するための周波数範囲が２０ｋＨｚないし３０ｋＨｚである場合に、第２のコイルの出力を第１のコイルと同等の範囲で制御しようとすると、第２のコイルに要求される周波数の範囲は、３０ｋＨｚないし４０ｋＨｚ程度となる。すなわち、インダクタンスの異なるコイルのコイル出力を変化する場合に、個々のコイルを独立に動作させるならば、周波数の変動は、少ない。
【００５７】
これに対して、所定のインダクタンスが与えられている第１のコイルと第１のコイルのインダクタンスよりもインダクタンスが小さい第２のコイルを、単一のスイッチング回路に並列に接続して、所定の周波数の電力を供給すると、例えば周波数が２０ｋＨｚで第１のコイルの出力が９００Ｗで、第２のコイルの出力が１．１ｋＷであるようなコイルでは、周波数を３０ｋＨｚとした場合に、第１のコイルの出力は、５００Ｗに変化されるに対して、第２のコイルの出力は、０．９ｋＷ程度になる。さらに、周波数を４０ｋＨｚとすると、第１のコイルの出力は２００Ｗ程度まで低下されるに対して、第２のコイルの出力は５００Ｗ前後で維持される。
【００５８】
図５は、定着装置１の加熱ローラ２の表面の温度が定着可能温度に達するまでのウォームアップ時の制御の一例を説明している。
【００５９】
図５に示される通り、例えば第１に加熱ローラ２の中央部を昇温させるコイル１１ａに、所定の電力が印加される。このとき、コイル１１ａに、周波数ｆ１の電力が供給される。これにより、コイル１１ａの抵抗値が最大となり、コイル１１ａから所定の磁束が発生される。従って、加熱ローラ２の概ね中央部が渦電流により発熱し、昇温される（Ｓ１）。
【００６０】
以下、ローラ２の中央部の温度が、待機温度、例えば１８０℃を越えるまで、中央コイル１１ａに、周波数ｆ１の電力が供給される（Ｓ２，Ｓ２−Ｙｅｓ）。なお、加熱ローラ２の温度は、第１のサーミスタ６ａにより、逐次モニタされ、温度検知回路３５を経由して温度制御回路（ＣＰＵ）３４に報知される。
【００６１】
ステップＳ２で、サーミスタ６ａにより、加熱ローラ２の温度が１８０℃を越えたことが検知されると（Ｓ２−Ｎｏ）、コイル１１ａに対する電力供給が停止される（Ｓ３）。
【００６２】
次に、加熱ローラ２の両端部を昇温させるために、端部（第２）コイル１１ｂに、それまで中央（第１）コイル１１ａに供給されている電力と概ね同じ大きさで、周波数ｆ２の電力の電力が供給される（Ｓ４）。
【００６３】
以降、コイル１１ｂへ、ローラ２の両端部の温度がローラ２の中央の温度よりも高くなるまで、電力が供給される。なお、ローラ２の温度は、サーミスタ６ｂにより、逐次モニタされ、温度検知回路３５を経由して温度制御回路３４に報知される（Ｓ５，Ｓ５−Ｙｅｓ）。
【００６４】
ステップＳ５で、ローラ２の両端部の温度がローラ２の中央部の温度を越えたことが検知されると（Ｓ５−Ｎｏ）、コイル１１ｂに対する電力供給が停止される（Ｓ６）。
【００６５】
ステップ６で、コイル１１ｂへの通電が停止されると、第１のサーミスタ６ａにより検知されたローラ２の中央部の温度が待機温度である、例えば１８０℃に達したか否かがチェックされる（Ｓ７）。なお、ローラ２の両端部の温度が待機温度に達した時点でローラ２の中央部の温度も待機温度を維持している場合（Ｓ７−Ｙｅｓ）、後段に説明するが、ウォームアップが終了する（Ｓ１１）。
【００６６】
ステップＳ７において、サーミスタ６ａにより検知されたローラ２の中央部の温度が１８０℃に達していない場合（Ｓ７−Ｙｅｓ）、続いて、ローラ２の両端部の温度とローラ２の中央部の温度とが比較される（Ｓ８）。
【００６７】
ステップＳ８においては、ローラ２の中央部の温度がローラ２の両端部の温度に比較して低いか（Ｓ８−Ｎｏ）、ローラ２の中央部の温度がローラ２の両端部の温度よりも高いことが検知される（Ｓ８−Ｙｅｓ）。
【００６８】
以下、ローラ２の中央部または両端部のいずれかの温度が低い側の温度を昇温させるために、温度の低い側を昇温可能なコイルに、所定の周波数の電力（端部コイルに対しては周波数ｆ２の電力、端部コイルに対しては周波数ｆ１の電力）が供給される（Ｓ９，Ｓ１０）。
【００６９】
なお、個々のコイルの共振周波数は、コイルおよび保持体の温度上昇やローラの温度およびローラ径の経時変化等の影響を受けて変化される。このため、電力検知回路４１により、整流回路１３１からコイルに供給される電力もしくは複写装置に入力される電力の総量が複写装置に入力可能な最大の電力を越えないように、監視されることはいうまでもない。
【００７０】
また、サーミスタ６ａ，６ｂにより検知されたローラ２の温度に基づいて電力が供給されるコイルが切り換えられる場合であって、それぞれのコイルへ最初に電力が供給される場合には、周知のソフトスタートにより、過大な突入電流が生じることが防止される。なお、ソフトスタートを用いたとしても、近接して配置される放電灯照明にフリッカが生じる虞れがあるため、電力が供給されるコイルが切り換えられる場合には、整流回路１３１に入力される商用電源の電流波形が０Ｖになる時点（ゼロクロス）で切り換えられることが好ましい。
【００７１】
また、図５を用いて上述した温度制御ルーチンでは、ローラの中央を待機温度に昇温させた後、ローラの両端を昇温させる例を説明したが、ローラの長手方向の温度を均一に上昇可能であれば、任意の温度制御ルーチンが利用可能である。例えば、ローラの両端の温度を先に設定温度まで昇温させた後、ローラの中央の温度を設定温度に昇温させてもよい。また、ローラの両端の温度は、定着（画像形成）される用紙の大きさに依存して大きく変動する場合があるので、ローラの中央のみで温度を管理することも可能である。
【００７２】
なお、サーミスタにより検知した温度は、主としてローラの温度の上限を管理するために利用し、ウォームアップ時、待機時からの昇温時や定着動作時には、コイル１１ａ（ローラ中央加熱用）とコイル１１ｂ（ローラ端部加熱用）のそれぞれに、所定の時間間隔で、交互に電力を供給してもよい。
【００７３】
また、整流回路１３１から各コイルに入力される電力の一部を所定タイミングおよび所定間隔で間引いて選択的に供給することで、各コイルが出力する磁束の総量を制限することも有益である。このとき、間引きされた電力（失効電力）が所定の量を越えると、近接して設けられる放電灯照明（蛍光灯）からの照明光がちらつく（フリッカが生じる）ことがある。このため、失効電力を回収するための所定の容量の補償コンデンサを設けることが好ましい。
【００７４】
なお、それぞれのコイルに、異なる共振周波数で共振するようにコイル定数が設定され、コイル１１ｂの２つのコイル１１−１，１１−２およびコイル１１ａの全てが直列に接続されているような場合に、例えばコイル１１ａの共振周波数ｆ１とコイル１１ｂの共振周波数ｆ２との関係を、１：１／√２に設定したならば、コイル１１ａの共振周波数ｆ１を２ＭＨｚとすると、コイル１１ｂの個々のコイル１１−１，１１−２の共振周波数ｆ２は１ＭＨｚ（コイル１１ｂの全体の共振周波数が１／√２）である。すなわち、コイル１１ａ（加熱ローラ２中央）を昇温させる場合には、駆動回路３３がスイッチング回路３２に指示する周波数を２ＭＨｚに、コイル１１ｂ（ローラ２端部）を昇温させる場合には、同周波数を１／√２ＭＨｚに、それぞれ設定することで、電力が供給されるコイルが切り換えられることに起因して生じるフリッカの影響を低減できる。
【００７５】
以上説明したように、加熱ローラ２の全長を同時に昇温させる（全てのコイルに同時に所定の周波数の高周波出力を印加する）あるいはコイル１１ａ，コイル１１ｂに均等に駆動電流を印加する例に比較して、ローラ２の中央部を前に昇温させることで、少ない消費電力で、しかも短時間でローラ２の全長を所定の温度に昇温させることができる。
【００７６】
また、ローラの中央を昇温させるコイル１１ａに供給される電力と、ローラの端部を昇温させるコイル１１ｂに供給される電力は、概ね等しく設定されているので、図５に示したように、電力が供給されるコイルを交互に切り換えたとしても、干渉音やフリッカ等が発生することが低減される。なお、それぞれのコイルに供給される電力を完全に等しくすることは困難であるが、例えば全てのコイルで消費される最大の電力（入力可能電力）の概ね３０％程度すなわち図２ないし図４に示した定着装置においては、概ね２００Ｗ程度であれば、許容される。
【００７７】
図６は、図２ないし図４を用いて説明した実施の形態を用いたことで、ローラ２の昇温速度が高められた様子を説明している。
【００７８】
図６において、曲線ａは、第１の（中央）コイルに供給される電力の周波数を２．５ＭＨｚとし、コイル出力を１．２ｋＷで管理した場合の温度上昇を示している。同図において、曲線ｂは、比較のため、断面積の大きな線材を用いた定着装置のコイルに、周波数が２５ｋＨｚの電力を供給した場合の昇温特性を示している。
【００７９】
曲線ａおよび曲線ｂから、例えばローラ温度を１８０℃に昇温するために要求される時間が、２５％以上短縮されていることが認められる。
【００８０】
次に、個々のコイルに供給される電力の周波数とコイル出力と間の関係を説明する。
【００８１】
例えば、個々のコイル１１ａ，１１ｂに供給される電力は、それぞれのコイルが消費する消費電力で示すと、例えば７００Ｗから１．５ｋＷの範囲で、任意に変更可能である。
【００８２】
個々のコイルの出力を、例えば７００Ｗから１．５ｋＷの範囲に設定するために、スイッチング回路３２を経由して個々のコイル１１ａ，１１ｂに供給される電力の周波数ｆ１およびｆ２、すなわち整流回路１３１から供給される直流電圧がスイッチングされる回数は、前に説明した通り、例えば１ＭＨｚから４ＭＨｚ程度である。なお、各コイルに、上述した１ＭＨｚないし４ＭＨｚの高周波電力を供給すると、図１を用いて説明したような複写装置１が設置される国あるいは地域の電源事情によっても異なるが、任意のコイルを流れる電流の実効値は、概ね１Ａ程度に設定される。
【００８３】
周知の通り、励磁コイル１１の任意のコイル１１ａ，１１ｂ（１１−１，１１−２）を流れる電流の大きさは、コイルに印加される周波数とインピーダンス等を設定することで、求められる。
【００８４】
例えば、同一のコイルに、周波数のみが異なる電力を供給した場合、電流値が１０ｍＡであっても、
２５ｋＨｚでは、
インダクタンスＬ＝２４．６μＨ，
純抵抗Ｒ＝　１．２Ω，
１００ｋＨｚでは、
インダクタンスＬ＝１８．６９μＨ，
純抵抗Ｒ＝　３．５Ω，
１ＭＨｚでは、
インダクタンスＬ＝１５．１μＨ，
純抵抗Ｒ＝　４．９Ω，
と変化するので、インピーダンスも、周波数が高い程増大することになる。
【００８５】
個々のコイルに用いられる線材を銅とすると、表皮効果による交流電流の浸透深さは、周波数、比透磁率、および導電率のそれぞれの１／２乗に反比例するので、線材に銅を用いた銅単線の浸透深さは、印加される周波数が
３０ｋＨｚの場合に、３．８×１０−４ｍ
同周波数が、
３ＭＨｚの場合には、３．８×１０−５ｍ
となる。
【００８６】
従って、図４を用いて前に説明したスイッチング回路３２から任意のコイルに印加される電圧の周波数を３ＭＨｚとすると、浸透深さは、約０．０４ｍｍであるから、個々のコイルに利用される線材の直径は、０．２ｍｍより細いことが好ましい。
【００８７】
直径が０．２ｍｍの線材の断面積は、
０．１２π＝０．０３１４ｍｍ２
となる。なお、直径が０．１ｍｍの銅単線が利用可能であれば、断面積は、
０．０５２π＝０．００７８５ｍｍ２
となる。
【００８８】
しかしながら、一般的な（周知の）誘導加熱方式の定着装置において、１ｋＷの出力を得るために要求されるコイル電流が２５Ａであるとすれば、線材の断面積は、
０．２５２π×１９＝３．７３ｍｍ２
である。すなわち、コイル電流１Ａ当たりに必要な線材の断面積は、表皮効果の影響を考慮しない場合でも、
３．７３ｍｍ２／２５＝０．１４９２ｍｍ２
となる。
【００８９】
このため、上述した直径が０．２ｍｍあるいは０．１ｍｍの銅単線では、電流容量が不足するため、直径が０．２ｍｍの銅単線を用いる場合には、
０．１４９２／０．０３１４＝４．７５（本）
から、５本の被覆付線材を撚ったリッツ線を用いる必要がある。なお、直径が０．１ｍｍの銅単線を用いる場合には、
０．１４９２／０．００７８５＝１９．０（本）
から、１９本の被覆付線材を撚ったリッツ線を用いればよいことが認められる。
【００９０】
このように、個々のコイルに供給する高周波出力の周波数を、例えば１ＭＨｚないし４ＭＨｚとすることで、各コイルを流れる電流を低減できる。すなわち、コイルの外径が低減されるので、そのコイルが内側に配置される加熱ローラ２の外径も、現在利用されている直径４０ｍｍ程度のローラに比較して、概ね１／２程度にできる。なお、実現可能な加熱ローラの外径の最小値は、例えば
加熱ローラの外形をＤｈ、
コイル保持体の外径をｄ、
とするとき、
Ｄｈ　×　０．８　−　ｄ　≧　６（ｍｍ）：
ここで、６（ｍｍ）は、コア材がある場合
には、そのスペース、空芯コイルでは、
成型時の内型のスペース等であり、０．８
は、コイルの厚さを考慮した係数である：
により求めることのできる外径まで、小径化できると予測される。
【００９１】
一例を示すと、図２を用いて前に説明した定着装置における加熱ローラの直径（Ｄｈ）は、概ね２０ｍｍであるが、コア材の直径（ｄ）を６ｍｍとすると、
２０　×　０．８　−　６　≧　６（ｍｍ）
であり、上述の計算式を満足する。なお、ここでは、コイルに用いる線材の直径を１ｍｍ、ローラの肉厚を１ｍｍとしている。
【００９２】
図７ないし図９は、図３（および図２）を用いて前に説明した個々のコイルの巻き付け方向（および形状）の特徴を説明する概略図である。
【００９３】
図７は、励磁コイルを形成する際の個々のコイルの巻き付け方法の別の一例を説明している。
【００９４】
図７に示されるように、励磁コイル２１１においては、第１（中央）のコイル２１１ａの線材の巻き方向が、線材がローラ２の軸方向と平行になるように、第２（端部）のコイル２１１ｂ（２１１−１，２１１−２）の線材の巻き方向が、線材がローラ２の周方向と平行になるように、それぞれ定義されている。なお、第２のコイル２１１ｂに含まれるそれぞれのコイル２１１−１と２１１−２は、直列に接続されている。
【００９５】
第１のコイル２１１ａと第２のコイル２１１ｂとは、スイッチング回路３２により並列に接続され、それぞれのコイルに第１の周波数ｆ１および第２の周波数ｆ２の電力が供給される。
【００９６】
図８は、励磁コイルを形成する際の個々のコイルの巻き付け方法のさらに別の一例を説明している。
【００９７】
図８に示されるように、励磁コイル３１１においては、第１（中央）のコイル３１１ａの線材の巻き方向が、線材がローラ２の周方向と平行になるように、第２（端部）のコイル３１１ｂ（３１１−１，３１１−２）の線材の巻き方向が、線材がローラ２の軸方向と平行になるように、それぞれ定義されている。なお、各コイルとスイッチング回路３２は、図７を用いて上述したと同様に接続され、それぞれのコイルに、周波数ｆ１および周波数ｆ２の電力が供給される。
【００９８】
図９は、励磁コイルを形成する際の個々のコイルの巻き付け方法のまたさらに別の一例を説明している。
【００９９】
図９に示される通り、励磁コイル４１１は、加熱ローラ２の長手方向に沿って所定の長さに分割された複数個の単位コイル４１１ａ，４１１ｂ，・・・，４１１ｎ−１および４１１ｎが、直列に配列されることを特徴とする。なお、個々の単位コイルにおける線材の巻き付け方向は、全てのコイルにおいてその巻き付け方向が同一であれば、いずれの方向でもよい。
【０１００】
このように、複数個の単位コイル４１１ａ，４１１ｂ，・・・，４１１ｎ−１および４１１ｎを用いる場合、各単位コイルの長さを最適化することで、個々の単位コイルを同一形状およびターン数のユニットとすることができる。従って、例えば複写装置のスペックに応じて画像形成可能な最大の用紙の幅が異なる場合に、ローラの長さ（用紙の幅）に合わせて、ユニットの個数を変化すればよい。
【０１０１】
また、両端に配列される単位コイル４１１ｎ−１と４１１−ｎのみを独立として形成し、中間に配列される残りの単位コイルを同一形状およびターン数とすることで、ローラの長手方向の温度分布を、画像形成に利用される頻度の多い用紙の幅に対応させることもできる。
【０１０２】
なお、図９に示した通り、単位コイルを複数個用いる場合には、例えば両端の単位コイル４１１ｎ−１と４１１−ｎを直列に接続して前に説明した端部コイルと同様に第２の共振周波数ｆ２の電力を供給し、残りの中間に配列されるコイルを直列に接続して前に説明した中央コイルと同様に第１の共振周波数ｆ１の電力を供給すればよい。
【０１０３】
図１０は、図９に示した励磁コイルに利用される単位コイルのボビンの形状の形状とその成形方法ならびに線材を巻き付けてコイルを形成する際の特徴を説明している。
【０１０４】
図１０に示される通り、図９に示した複数の単位コイルを任意数接続して所定の長さのコイルを形成するためには、個々の単位コイルのボビンを、簡単な構造で、しかも安定に接続できることが要求される。
【０１０５】
図１０（ａ）に示されるように、ボビン９１は、中空の円筒状部９１ａとその両端に一体的に形成されたフランジ９２，９３を有する。
【０１０６】
ボビン９１の円筒状部９１ａには、図１０（ｂ）に示されるように、コイルを形成する線材９９を、円筒状部分の内側から外側に、または外側から内側に貫通させるための孔９１ｂが、所定数だけ開けられている。また、円筒状部９１ａには、ボビンの軽量化および放熱に有益な所定の面積に定義された開口９１ｃが設けられてもよい。
【０１０７】
円筒状部９１ａにはまた、コイルに利用される線材９９の配列が粗である場合に線材をガイドするための図１０（ｃ）に示すような案内溝９１ｄが形成されてもよい。
【０１０８】
円筒状部９１ａの内部には、コイルに利用される線材９９が円筒状部の内部を引き回される場合に不所望に円筒状部の内部で移動することを抑止するために、図１０（ｄ）に示されるような内部案内溝９１ｅが設けられている。
【０１０９】
フランジ９２，９３には，単位コイルを相互に接続するために利用される凹部９２ａと凸部９３ａが、設けられている。なお、それぞれのフランジ９２，９３には、コイルに利用される線材９９がコイル表面を引き回される形態である場合に、線材を案内するために利用される図１０（ｅ）に示されるような外部案内溝９２ｂ，９３ｂが設けられてもよい。
【０１１０】
図１０（ｆ）は、図１０（ａ）ないし図１０（ｄ）に示したボビン４１により形成された単位コイルを２個接続した状態を示している。なお、図１０（ｆ）に示した例は、図１０（ｄ）に示した内部案内溝が設けられているボビンを用いた例であるから、コイル相互間やスイッチング回路とコイルとの接続に利用される線材は、ボビン４１の円筒状部分の内部を引き回されている。
【０１１１】
図１１は、励磁コイルを空芯コイルとした場合のコイルの断面の一例を説明している。
【０１１２】
図１１に示されるように、加熱ローラ２に収容される励磁コイル５１１を、直径が０．１ｍｍの銅線材を耐熱性のポリアミドイミドにより相互に絶縁した線材を１９本束ねたリッツ線で形成した平面コイル５１１ａ，５１１ｂとし、それぞれのコイルを、外周を円筒状としたコイル保持体５１２に沿わせて、加熱ローラ２の内周に沿わせることも可能である。
【０１１３】
このように、誘導加熱方式を利用した定着装置において、個々のコイルに印加する駆動出力の周波数を高めたことにより、コイルに用いる線材の断面積を低減できるので、外径の小さな加熱ローラを利用可能となる。
【０１１４】
また、複数のコイルを加熱ローラの軸方向に配置し、各コイルに所定の周波数の電力を選択的に供給することにより、駆動回路およびスイッチング回路を１つに集約できる。
【０１１５】
この結果、消費電力を増大することなく、昇温能力を向上できる。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、電磁誘導を利用した誘導加熱型の定着装置において、コイルを流れる電流の大きさを抑止しながら、定着装置の大きさも低減される。しかも、被加熱対象を所定の温度まで昇温するために要求される昇温時間も短縮される。従って、ウォームアップ時間の短い画像形成装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の定着装置が組み込まれる画像形成装置の一例を説明する概略図。
【図２】図１に示した画像形成装置に利用可能な定着装置の一例を説明する概略図。
【図３】図２に示した定着装置における励磁コイルの配列の一例を説明する概略図。
【図４】図２および図３に示した定着装置および図１に示した画像形成装置の制御系を説明する概略ブロック図。
【図５】図２ないし図４に示した定着装置の加熱ローラの外周面の温度を所定の温度に昇温させる制御の例を説明するフローチャート。
【図６】図２ないし図４を用いて説明した定着装置の加熱ローラを昇温するために要求される時間を説明するグラフ。
【図７】図３に示した励磁コイルの別の実施の形態を説明する概略図。
【図８】図３に示した励磁コイルのさらに別の実施の形態を説明する概略図。
【図９】図３に示した励磁コイルのまたさらに別の実施の形態を説明する概略図。
【図１０】図９に示した励磁コイルの個々のコイル体およびボビンの特徴を説明する概略図。
【図１１】図２に示した励磁コイルを空芯コイルとする実施の形態を説明する概略図。
【符号の説明】
１・・・定着装置、
２・・・加熱ローラ、
６ａ・・サーミスタ、
６ｂ・・サーミスタ、
１１・・・励磁コイル、
１１ａ・・中央コイル（第１のコイル）、
１１ｂ・・端部コイル（第２のコイル）、
１１−１・・端部コイル（一端側）、
１１−２・・端部コイル（他端側）、
３１・・・励磁ユニット、
３２・・・スイッチング回路、
３３・・・駆動回路、
３４・・・温度制御装置、
３５・・・温度検知回路、
４１・・・電力検知回路、
１０１・・・複写装置（画像形成装置）、
１３１・・・整流回路、
１５０・・・インタフェース、
１５１・・・主制御装置。
【図１】
2004012804.tif 000003
【図２】
2004012804.tif 000004
【図３】
2004012804.tif 000005
【図４】
2004012804.tif 000006
【図５】
2004012804.tif 000007
【図６】
2004012804.tif 000008
【図７】
2004012804.tif 000009
【図８】
2004012804.tif 000010
【図９】
2004012804.tif 000011
【図１０】
2004012804.tif 000012
【図１１】
2004012804.tif 000013