(57)【要約】【課題】加熱ローラの導電性発熱層の厚さを表皮厚さδ以下に薄くしても、芯材への磁界鎖交と芯材における反転磁界の発生を防止することができると共に、高加熱効率で昇温時間の短縮が可能な誘導加熱装置を提供する。【解決手段】回転中心部に設けられた芯材１１と、該芯材１１の外周側に設けられた耐熱保持層１２と、該耐熱保持層１２の外周側に設けられ変動磁界中で発熱する導電性発熱層１３とで少なくとも構成される加熱ローラ１及び、該加熱ローラ１の外周部の一部を囲うように配置されており前記変動磁界を発生する磁界発生手段を備えると共に、前記磁界発生手段にて囲われていない部分で前記加熱ローラ１が前記導電性発熱層１３の発生した熱を被加熱材に伝えるように構成すると共に、前記耐熱保持層１２を、磁性体粒子１６を内部に分散させた非導電性材料で形成して、誘導加熱装置を構成する。【選択図】図４
2005285639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心部に設けられた芯材と、該芯材の外周側に設けられた耐熱保持層と、該耐熱保持層の外周側に設けられ変動磁界中で発熱する導電性発熱層とで少なくとも構成される加熱ローラ及び、該加熱ローラの外周部の一部を囲うように配置されており前記変動磁界を発生する磁界発生手段を備えると共に、前記磁界発生手段にて囲われていない部分で前記加熱ローラが前記導電性発熱層の発生した熱を被加熱材に伝えるように構成された誘導加熱装置であって、
前記耐熱保持層が、磁性体粒子を内部に分散させた非導電性材料で形成されていることを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記耐熱保持層に代えて、前記芯材側に位置すると共に導電性粒子を内部に分散させた非導電性材料で形成された磁気遮蔽層と、前記導電性発熱層側に位置すると共に導電性粒子を含ませることなく非導電性材料で形成された耐熱弾性層とを前記加熱ローラに備えた請求項１記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
前記磁気遮蔽層の回転軸方向長さが、前記導電性発熱層の回転軸方向長さ以上であると共に、前記磁気遮蔽層の端部と前記導電性発熱層の端部とが重ならないように構成した請求項２記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
表面に前記磁気遮蔽層が形成された前記芯材を、加熱ローラ回転支持部材が支持するように構成した請求項２又は３記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
前記芯材に回転動作を伝える媒介となる加熱ローラ回転駆動部材を、前記磁気遮蔽層を貫いて前記芯材に直接係止するように構成した請求項４記載の誘導加熱装置。
【請求項６】
前記磁気遮蔽層に回転軸方向に形成されたスリットを備えた請求項２から５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項７】
前記芯材の外周表面に、外周を一周する環状溝部、又は、回転軸方向に平行な線状溝部を備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項８】
回転中心部に設けられた芯材と、該芯材の外周側に設けられ変動磁界中で発熱する導電性発熱層とで少なくとも構成される加熱ローラ及び、該加熱ローラの外周部の一部を囲うように配置されており前記変動磁界を発生する磁界発生手段を備えると共に、前記磁界発生手段にて囲われていない部分で前記加熱ローラが前記導電性発熱層の発生した熱を被加熱材に伝えるように構成された誘導加熱装置であって、
前記芯材が、非導電性材料で形成されていることを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の誘導加熱装置を有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾式電子写真機器における定着装置、湿式電子写真機器における乾燥装置、インクジェットプリンタにおける乾燥装置、リライタブルメディア用消去装置等に好適に用いられる誘導加熱装置、及び、誘導加熱装置を備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加熱装置、例えば乾式電子写真機器における定着装置、湿式電子写真機器における乾燥装置、リライタブルメディア用消去装置用の加熱装置等において、アルミニウム等の中空芯材を有する加熱ローラ内部にハロゲンランプを設け、そのハロゲンランプによって加熱ローラを加熱する構成のものが、広く用いられている。このようなハロゲンランプを用いる方式では、加熱開始時の立ち上がりが遅く、ウォームアップ時間が長くなるという問題がある。
【０００３】
そこで、加熱ローラに導電性発熱層を設け、導電性発熱層に磁界発生手段によって交番磁界を与えて渦電流を発生させ、渦電流によるジュール熱で加熱ローラを発熱させるという、図２０に示すような誘導加熱装置１００が注目されている。誘導加熱装置１００は、加熱ローラ１０１、この加熱ローラ１０１を加熱するために加熱ローラ１０１の外周部の一部を囲うように配置された磁界発生手段である加熱コイル２、加熱コイル２に高周波電流を流す励磁回路７、加熱ローラ１０１の発熱温度を検知する温度検知素子８、及び、加熱ローラ１０１の外周表面の下端部分と接する加圧ローラ３で構成されている。加熱ローラ１０１は、図２１に示すように、加熱ローラ１０１の回転中心部に位置する円筒状の芯材１１１と、芯材１１１の外周面上に外に向かって順に積層して設けられた、耐熱保持層１１２、導電性発熱層１１３、弾性層１１４、及び、表面離型層１１５とで構成されている。又、芯材１１１は、鉄、又は、ステンレス、アルミニウム等の金属で形成されている。又、耐熱保持層１１２は耐熱性のスポンジで形成され、導電性発熱層はニッケルや軟鉄製の金属スリーブで形成され、弾性層１１４は耐熱性のシリコンゴムで形成され、そして、表面離型層１１５はテフロン系材料で形成されている。
【０００４】
上記の従来の誘導加熱装置１００は、導電性発熱層１１３を有する加熱ローラ１０１を、加熱コイル２により誘導加熱し、一定温度に加熱された加熱ローラ１０１と加圧ローラ３との当接部であるニップ部４に、未定着のトナー像６を有する被加熱材である記録紙５を通紙することで、記録紙５を加熱してトナー像６を定着させるものである。
【０００５】
上記の従来の誘導加熱装置１００では、記録紙５に対する加熱開始時の立ち上がりを速くするために、導電性発熱層１１３の誘導加熱による昇温時間は出来るだけ短くする必要があり、このため、導電性発熱層１１３の低熱容量化が望まれている。この低熱容量化の手段の一つとして、加熱ローラをベルトに置き換える方法も考えられるが、この方法では蛇行を防止するための機構が新たに必要になる等の問題がある。そこで、加熱ローラを用いる従来の誘導加熱装置１００において、導電性発熱層１１３の低熱容量化を図る観点から、導電性発熱層１１３の厚さを薄くする試みがなされている（例えば、特許文献１に記載の定着装置を参照）。
【０００６】
特許文献１に記載された定着装置では、加熱時間を短縮し、かつ機械強度を確保するために、導電性発熱層の厚さを、磁界が導電性発熱層内へ浸透する深さである後述する「表皮厚さ」より薄くし、導電性発熱層を低熱伝導層と高熱伝導性円筒形剛体でバックアップする複合構造にしたことに特徴がある。
【０００７】
上記の図２０に示す誘導加熱装置においても、同様に、導電性発熱層１１３を出来るだけ薄くする観点から、導電性発熱層１１３の厚さを「表皮厚さ」より薄くすることで、導電性発熱層１１３の熱容量を減らして昇温時間を短縮することが可能である。
【特許文献１】特開２００２−４９２６１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、交番磁界を用いて金属等の発熱部材に渦電流を発生させ、渦電流により発熱させる誘導加熱において、発熱部材に誘起される電場は発熱部材の表面から下記の式（１）で表される深さδの程度だけ進入することが知られている。このδを「表皮厚さ」と称する。尚、σ1は発熱部材の導電率、μ1は発熱部材の比透磁率、μ0は真空中透磁率、ｆは周波数である。
【０００９】
δ＝｛２／（σ1・μ1・μ0・２πｆ）｝1/2――（１）
ところで、特許文献１に記載されている定着装置と同様、上記の図２０に示す従来の誘導加熱装置１００では、上述したように、図２１に示す加熱ローラ１０１の導電性発熱層１１３の厚さを表皮厚さδより薄くすることにより、導電性発熱層１１３の熱容量を減らすことが出来ることから昇温時間を短縮することが可能である。しかし、加熱ローラ１０１の導電性発熱層１１３の厚さが、表皮厚さδ以下であるため、図２２に示すように、磁界発生手段１０２で生成された磁界４１の一部（漏れ磁束４３）が導電性発熱層１１３及び耐熱保持層１１２を通過し芯材１１１に鎖交する。この状態下では、芯材１１１中に、鎖交する磁界を打ち消す方向に渦電流が生じ、芯材１１１自身が渦電流で自己発熱すると同時に、磁界発生手段１０２で発生した磁界４１を打ち消す方向の磁界（反転磁界４４）が発生する。この反転磁界４４は、再び導電性発熱層１１３に到達し鎖交することで導電性発熱層１１３に鎖交するトータルの磁界を弱め、導電性発熱層１１３全体の発熱量低下、即ち、発熱効率の低下を招くことになる。つまり、導電性発熱層１１３の厚さを表皮厚さδ以下に薄くして低熱容量化することで、昇温時間の短縮に貢献できるとしても、加熱効率が悪い状態に陥るため、高速処理時や連続印字時等に、消費電力が多くなる等の問題がある。この点に関しては、特許文献１に記載されている定着装置も同様である。
【００１０】
そこで、この発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、加熱ローラの導電性発熱層の厚さを表皮厚さδ以下に薄くしても、芯材への磁界鎖交と芯材における反転磁界の発生を防止することができると共に、高加熱効率で昇温時間の短縮が可能な誘導加熱装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決するためになされた本発明の誘導加熱装置は、回転中心部に設けられた芯材と、該芯材の外周側に設けられた耐熱保持層と、該耐熱保持層の外周側に設けられ変動磁界中で発熱する導電性発熱層とで少なくとも構成される加熱ローラ及び、該加熱ローラの外周部の一部を囲うように配置されており前記変動磁界を発生する磁界発生手段を備えると共に、前記磁界発生手段にて囲われていない部分で前記加熱ローラが前記導電性発熱層の発生した熱を被加熱材に伝えるように構成された誘導加熱装置であって、前記耐熱保持層が、導電性粒子を内部に分散させた非導電性材料で形成されていることを特徴としている。
【００１２】
上記の誘導加熱装置の導電性発熱層の厚さが表皮厚さδよりも薄く形成されている場合、加熱コイルで生成された磁界の一部（漏れ磁束）は導電性発熱層を通過して耐熱保持層に及ぶ。この耐熱保持層中には磁性体粒子が混入されているので、漏れ磁束はこの混入されて分散している磁性体粒子に鎖交する。そこで、磁性体粒子中に渦電流が発生するが、磁性体粒子が分散しているため、個々の磁性体粒子中に生じる渦電流ループの経路が微小であることや、各磁性体粒子の形状、分散している位置、或いは粒子の向き等が異なることから、磁性体粒子は発熱することなく磁界を吸収する。そのため、加熱コイルで生成された磁界の一部である漏れ磁束が、芯材へ鎖交することが防止されると共に、芯材における反転磁界の発生を防止することができる。
【００１３】
上記の誘導加熱装置において、前記加熱ローラの前記耐熱保持層に代えて、前記芯材側に位置すると共に導電性粒子を内部に分散させた非導電性材料で形成された磁気遮蔽層と、前記導電性発熱層側に位置すると共に導電性粒子を含ませることなく非導電性材料で形成された耐熱弾性層と、を前記加熱ローラに備えるようにしてもよい。
【００１４】
加熱ローラに磁気遮蔽層と耐熱弾性層とを備える上記の誘導加熱装置において、前記加熱ローラの前記磁気遮蔽層の回転軸方向長さが、前記導電性発熱層の回転軸方向長さ以上であると共に、前記磁気遮蔽層の端部と前記導電性発熱層の端部とが重ならないように構成してもよい。又、加熱ローラの回転を支持する機構を構成する際に、表面に前記磁気遮蔽層が形成された前記芯材を、加熱ローラ回転支持部材が支持するように構成してもよい。又、前記加熱ローラの前記芯材に回転動作を伝える媒介として、歯車等の加熱ローラ回転駆動部材を用いる構成とする場合、該加熱ローラ回転駆動部材を、前記磁気遮蔽層を貫いて前記芯材に直接係止するように構成してもよい。又、前記加熱ローラの前記磁気遮蔽層に回転軸方向に形成されたスリットを備えるようにしてもよい。
【００１５】
上記の各誘導加熱装置において、前記加熱ローラの前記芯材の外周表面に、外周を一周する環状溝部、又は、回転軸方向に平行な線状溝部を備えるようにしてもよい。
【００１６】
又、本発明の他の誘導加熱装置は、回転中心部に設けられた芯材と、該芯材の外周側に設けられ変動磁界中で発熱する導電性発熱層とで少なくとも構成される加熱ローラ及び、該加熱ローラの外周部の一部を囲うように配置されており前記変動磁界を発生する磁界発生手段を備えると共に、前記磁界発生手段にて囲われていない部分で前記加熱ローラが前記導電性発熱層の発生した熱を被加熱材に伝えるように構成された誘導加熱装置であって、前記芯材が非導電性材料で形成されていることを特徴としている。
【００１７】
本発明において、以上の特徴を有する誘導加熱装置を定着装置として用いて画像形成装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の誘導加熱装置は、回転中心部に設けられた芯材と、該芯材の外周側に設けられた耐熱保持層と、該耐熱保持層の外周側に設けられ変動磁界中で発熱する導電性発熱層とで少なくとも構成される加熱ローラ及び、該加熱ローラの外周部の一部を囲うように配置されて変動磁界を発生する磁界発生手段を備えており、該加熱ローラの耐熱保持層が、導電性粒子を内部に分散させた非導電性材料で形成されている。従って、加熱ローラの導電性発熱層の厚さを表皮厚さδ以下に薄くしても、芯材への磁界鎖交と芯材における反転磁界の発生を防止することができると共に、高加熱効率で昇温時間の短縮が可能な誘導加熱装置を提供することができる。
【００１９】
上記の誘導加熱装置の加熱ローラにおいて、耐熱保持層に代えて、芯材側に位置すると共に導電性粒子を内部に分散させた非導電性材料で形成された磁気遮蔽層と、導電性発熱層側に位置すると共に導電性粒子を含ませることなく非導電性材料で形成された耐熱弾性層とを加熱ローラに備えた場合は、耐熱保持層該当部分を２層化することにより、各層の製造を容易化することができ、コスト削減を図ることができる。又、この２層の硬度を変えることで、加熱ローラが被加熱材と接するニップ部における変形量の調節を行なうことができる。
【００２０】
加熱ローラに磁気遮蔽層と耐熱弾性層とを備えた上記の誘導加熱装置において、加熱ローラの磁気遮蔽層の回転軸方向長さが、導電性発熱層の回転軸方向長さ以上であると共に、磁気遮蔽層の端部と導電性発熱層の端部とが重ならないように構成すると、導電性発熱層の端部から回りこんで、芯材に鎖交しようとする磁界を、芯材に到達する前に磁気遮蔽層の磁性粒子に鎖交させることができ、芯材の渦電流を抑制できるので、より効果的に芯材における発熱と反転磁界の発生を抑制することができる。
【００２１】
又、加熱ローラの回転を支持する機構を構成する際に、表面に磁気遮蔽層が形成された芯材を、加熱ローラ回転支持部材が支持するように構成すると、芯材が磁気遮蔽層で覆われて、曲げに対する強度が増し、加熱ローラが被加熱材と接するニップ部で生じるたわみを少なくすることができるので、芯材部分の小径化や薄肉化を図ることができる。又、加熱ローラの芯材に回転動作を伝える媒介として、歯車等の加熱ローラ回転駆動部材を用いる構成とする場合、該加熱ローラ回転駆動部材を、磁気遮蔽層を貫いて芯材に直接係止するように構成すると、歯車等の加熱ローラ回転駆動部材を磁気遮蔽層に係止する場合に生じやすい、加熱ローラ回転駆動部材の回転トルクに起因する磁気遮蔽層のひび割れ等の破損を防止することができる。又、磁気遮蔽層に回転軸方向に形成されたスリットを備えると、導電性発熱層からの熱で磁気遮蔽層が熱膨脹しても、この膨張をスリットで吸収することができ、磁気遮蔽層と芯材の熱膨張差による磁気遮蔽層の破損を防止することができる。
【００２２】
上記の各誘導加熱装置において、加熱ローラの芯材の外周表面に、外周を一周する環状溝部、又は、回転軸方向に平行な線状溝部を備えると、芯材の外周面側に発生する渦電流ループの経路が短くなるので、芯材の渦電流を抑制でき、芯材における、より効果的な発熱と反転磁界の発生を抑制することができる。
【００２３】
本発明の他の誘導加熱装置は、回転中心部に設けられた芯材と、該芯材の外周側に設けられ変動磁界中で発熱する導電性発熱層とで少なくとも構成される加熱ローラ及び、該加熱ローラの外周部の一部を囲うように配置されており変動磁界を発生する磁界発生手段を備えると共に、磁界発生手段にて囲われていない部分で加熱ローラが導電性発熱層の発生した熱を被加熱材に伝えるように構成された誘導加熱装置であって、芯材が非導電性材料で形成されている。そのため、芯材に鎖交する磁界による渦電流は発生しないので、芯材における発熱と反転磁界の発生を抑制することができる。
【００２４】
本発明の画像形成装置によれば、前述した特徴をもつ誘導加熱装置を備えているので、品質の良い画像を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本実施の形態における誘導加熱装置の構成図である。図１において、本実施の形態における誘導加熱装置１０は、加熱ローラ１、加熱ローラ１を加熱するために加熱ローラ１の外周部の一部を囲うように配置された加熱コイル（磁界発生手段）２、加熱コイル２に高周波電流を流す励磁回路７、加熱ローラ１の発熱温度を検知する温度検知素子８、及び、加熱ローラ１の外周表面の下端部分と接する加圧ローラ３で構成されており、加熱ローラ１以外は、前述の従来の誘導加熱装置１００と同じである。加熱ローラ１は、図４に示すように、ローラ１の回転中心部に位置する芯材１１と、芯材１１の外周側に外に向かって順に積層して設けられた、耐熱保持層１２、導電性発熱層１３、弾性層１４、及び、表面離型層１５とで構成される。
【００２７】
芯材１１は、円筒状あるいは円柱状であり、鉄、ステンレス、又はアルミニウム等の金属で形成されるが、本実施の形態では、芯材１１は、厚さ３ｍｍの円筒状で材質はアルミニウムである。
【００２８】
耐熱保持層１２は、加熱ローラ１と加圧ローラ３との当接部であるニップ部４での加熱ローラ１の変形抑制のために設けられており、非導電性材料であるシリコンスポンジ等で形成されるが、耐熱性又は断熱性と柔軟性を有する非導電性材料であれば他の材料でもよい。本実施の形態では、耐熱保持層１２は、厚さが５ｍｍで、材質は非導電性材料であるシリコンゴムである。
【００２９】
上記の耐熱保持層１２には、シリコンゴム中に、直径1ｍｍ以下のニッケル−亜鉛系のフェライト粉でなる磁性体粒子１６が均等に分散するようにして混入される。磁性体粒子１６としては、銅−亜鉛系のフェライト粉や、鉄やニッケル等の磁性を有する導電材の粉末、或いは、カーボンやアルミニウム等の導電体の粉末も使用可能である。これらの磁性体粒子１６をシリコンゴム中に混入する際に注意しなければならないのは、これらの磁性体粒子１６が大きな連鎖状とならないように、個々の粒子が散分散、又は個々の粒子界面が絶縁された状態で混入される必要があることである。
【００３０】
導電性発熱層１３は、加熱コイル２が発生する交番磁界により誘導加熱の原理に基づき発熱する発熱体であり、昇温時間を短縮するために、肉厚が３０μｍ〜１００μｍと薄肉化されている。導電性発熱層１３の材質としては、誘導加熱で発熱させるために、ＳＵＳ４３０等のステンレスや、鉄等の磁性を有する導電性の金属が一般に用いられるが、特に比透磁率の高いものが好適であり、珪素鋼板や電磁鋼板、ニッケル鋼等を用いるようにしてもよい。又、非磁性体であっても、ＳＵＳ３０４ステンレス等のような抵抗値の高い材料であれば、誘導加熱で発熱させることができるので使用可能である。更に、セラミックや樹脂等の非磁性の材料中に、比透磁率の高い上記の材料を導電性を有するように配置するようにした構成としてもよい。また、発熱量を増大させるために、複数の材料からなる複合材で構成してもよい。本実施の形態では、導電性発熱層１３は、ニッケルで形成され、厚さが４０μｍである。前述の（１）式によれば、発熱部材としてニッケルを用いた場合、周波数ｆを４０ｋＨｚとすると、前述の表皮厚さδは、０．１ｍｍ以上となるので、本実施の形態における導電性発熱層１３の厚さは、表皮厚さδよりも薄くなっている。
【００３１】
弾性層１４は、溶融したトナーと表面離型層１５の密着性を改善するために設けられており、材料としては、耐熱性のシリコンゴム（ＬＴＶ、ＲＴＶ、ＨＴＶ）等が使用される。本実施の形態では、弾性層１４は、厚さが４００μｍであり、シリコンゴム（ＬＴＶ）で形成される。
【００３２】
表面離型層１５は、ニップ部４で加熱されて粘度が低下したトナーが、加熱ローラ１に付着するのを防止する役割を有し、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のテフロン系材料で形成される。本実施の形態では、表面離型層１５は、厚さが３０μであり、ＰＦＡ（テフロン）で形成される。
【００３３】
加圧ローラ３は、その上端部が加熱ローラ１と接触して、被加熱材である記録紙５を通紙するニップ部４を形成する。加圧ローラ３は、鉄、ステンレス、又は、アルミニウムで形成された芯金と、この芯金の外周面上にシリコンゴム等で形成された耐熱弾性層とで構成される。加圧ローラ３の表面には、ＰＦＡやＰＴＦＥからなる表面離型層を形成するようにしてもよい。又、加圧ローラ３は、図示されていないバネ等の弾性部材によって、加熱ローラ１に圧接され、この圧接によって加熱ローラ１との間に幅が７ｍｍ程度のニップ部４が形成される。
【００３４】
加熱コイル２（磁界発生手段）は、図２に示すような形状をしており、交番磁界を発生することにより、加熱ローラ１の導電性発熱層１３を発熱させる。この加熱コイル２は、図１に示すように加熱ローラ１の外周部を取り囲むように配置されている。このように加熱コイル２を、加熱ローラ１の外部に設置することにより、加熱ローラ１の内部に設置するのと比べて、加熱ローラ１からの輻射熱に対して加熱コイル２の冷却を容易化することができる。従って、高温になると増加する加熱コイル２自身の銅損による発熱量を抑制することができるので、加熱効率の低下を防止することができる。
【００３５】
加熱コイル２に使用される材質には、耐熱性が要求されるが、本実施の形態では、φ０．３ｍｍの絶縁線を３０本撚ったリッツ線（エナメル線等を撚り線にしたもの）を使用している。加熱コイル２で発生する銅損を抑えるためには、加熱コイル２の全抵抗値は、０．５Ω以下、望ましくは０．１Ω以下とするのが推奨される。また、加熱コイル２は、定着させる記録紙５のサイズに応じて複数個配置するようにしてもよい。
【００３６】
励磁回路７は、加熱コイル２に高周波電流を流すための用いられ、図３はその回路構成を示したものである。この回路構成は、ハーフブリッジ型のＳＥＰＰ方式と呼ばれる回路構成の一種である。
【００３７】
励磁回路７は、上記の加熱コイル２と直列にコンデンサ７ａが接続されており、この加熱コイル２及びコンデンサ７ａに対して直列にスイッチング素子７ｂが接続されるとともに、並列にスイッチング素子７ｃが接続されている。この２つのスイッチング素子を、図中の制御回路７ｄを介して所定周波数でタイミングを合わせて交互にオン、オフすることで、加熱コイル２とコンデンサ７ａとで形成される回路の共振現象により、加熱コイル２に流す高周波電流を発生する。尚、図中、７ｅは整流回路、７ｆは発振回路である。この励磁回路７を用いて、加熱コイル２に２０ｋＨｚ以上の高周波電流を印加することで、交番磁界を発生させる。この交番磁界が加熱ローラ１の導電性発熱層１３に鎖交することで、導電性発熱層１３中に渦電流が発生し、導電性発熱層１３自体の抵抗によるジュール熱で、導電性発熱層１３が発熱する。加熱コイル２の温度制御は、ニップ部４の入り口近傍に配置された、例えば、サーミスターで構成される温度検知素子８の検知信号により励磁回路７の出力を調整することで行われる。これら一連の温度検知と電力制御による温度制御は、励磁回路７内の図示されていない制御回路部にて制御される。
【００３８】
次に、上記の誘導加熱装置１０の動作について説明する。誘導加熱装置１０は、まずウォームアップを行い、ウォームアップの終了後に本動作に切り替わる。ウォームアップにおいては、励磁回路７のスイッチング素子７ｂとスイッチング素子７ｃとが、所定周波数でオン、オフを繰り返すことで、加熱コイル２に高周波の交流電流が印加される。この高周波電流により、加熱コイル２に高周波の交番磁界が生成され、この交番磁界が加熱ローラ１の導電性発熱層１３に鎖交することで導電性発熱層１３に渦電流が生じ、この渦電流により加熱ローラ１が発熱する。この時の発熱量は約１０００Ｗである。そして、加熱ローラ１が回転を始めるとともに加圧ローラ３が従動回転する。加熱ローラ１の表面温度は温度検知素子８によって常時検知され、加熱ローラ１の表面温度が所定の温度である１８０℃に達するとウォームアップが完了し、加熱コイル２に印加する交流電流の周波数を切り替えて本動作に移行すると共に、本動作においては、加熱ローラの表面温度が所定の温度に維持される。この状態下で、未定着のトナー像が転写された記録紙５が、ニップ部４に搬送され、加熱ローラ１の熱及び加圧ローラ３の圧力により、トナー像が溶融定着され、記録紙５上に固定されて堅牢な画像が形成される。
【００３９】
上記の誘導加熱装置１０では、上述したように、耐熱保持層１２が磁性体粒子１６を内部に分散させた非導電性材料で形成されており、このため次のような作用効果を奏する。即ち、導電性発熱層１３は、ニッケルで形成され、厚さが４０μｍであり、上述したように表皮厚さδよりも薄い。そのため、図５に示すように、加熱コイル２で生成された磁界４１の一部（漏れ磁束４２）が導電性発熱層１３を通過して耐熱保持層１２に及ぶ。この耐熱保持層１２中には磁性体粒子１６が混入されているので、漏れ磁束４２はこの混入されて分散している磁性体粒子１６に鎖交する。そこで、磁性体粒子１６中に渦電流が発生するが、磁性体粒子１６が分散しているため、個々の磁性体粒子１６中に生じる渦電流ループの経路が微小であることや、各磁性体粒子の形状、分散している位置、或いは粒子の向き等が異なることから、磁性体粒子１６が発熱することなく磁界を吸収する。そのため、加熱コイル２で生成された磁界４１の一部である漏れ磁束４２が、芯材１１へ鎖交することが防止されると共に、芯材１１における反転磁界の発生を防止することができる。従って、上記の誘導加熱装置によれば、加熱ローラの導電性発熱層の厚さを表皮厚さδ以下に薄くしても、芯材への磁界鎖交と芯材における反転磁界の発生を防止することができると共に、高加熱効率で昇温時間の短縮が可能な誘導加熱装置を提供することができる。
【００４０】
上記の誘導加熱装置１０では、磁性体粒子１６の耐熱保持層１２への混入は均等に分散するようにしているが、図６に示すように、芯材１１に近い部分に集中させて混入するようにしてもよい。このように磁性体粒子１６を芯材１１近傍に分散混入させることで、耐熱保持層１２のシリコンゴムのゴム硬度低下を抑制し、ニップ部４で必要な変形を損なうことなく、芯材１１に磁界が鎖交するのを防止することができる。
【００４１】
上記の誘導加熱装置１０において、加熱ローラ１に形成された耐熱保持層１２に代えて、図７に示すように、芯材１１の外表面から外側に向かって２層に積層した磁気遮蔽層１７と耐熱弾性層１８とを加熱ローラ１に形成するようにしてもよい。この２層の内、磁気遮蔽層１７は、厚さが４ｍｍで、非導電性材料であるシリコンゴムを主体とし、このシリコンゴムの内部に導電性粒子である磁性体粒子１６を混入して分散させて形成する。又、耐熱弾性層１８は、厚さが６ｍｍで、磁性体粒子１６を含ませず、シリコンゴムのスポンジのみで形成する。このように、耐熱保持層１２該当部分を２層化することにより、各層の製造を容易化することができ、コスト削減を図ることが出来る。又、この２層の硬度を変えることで、加熱ローラ１が記録紙５と接するニップ部４における変形量の調節を行なうことが出来る。磁気遮蔽層１７に用いる非導電性材料としては、上記のシリコンゴムのほか、エンジニアリング用の樹脂材、例えば、ポリイミドや、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＢＳ（ポリブチレンテレフタレート）等や、セラミックを使用するようにしてもよい。又、耐熱弾性層１８に用いる材料としては、シリコンゴムを採用するようにしてもよい。
【００４２】
加熱ローラ１に磁気遮蔽層１７と耐熱弾性層１８とを備えた上記の誘導加熱装置において、図８に示すように、磁気遮蔽層１７の回転軸方向長さが、導電性発熱層１３の回転軸方向長さ以上であると共に、磁気遮蔽層１７の端部と導電性発熱層１３の端部とが重ならないように構成してもよい。例えば、導電性発熱層１３の長さを３１８ｍｍ、磁気遮蔽層１７の長さを３３０ｍｍとする。このように構成することにより、導電性発熱層１３の端部から回りこんで、芯材１１に鎖交しようとする磁界を、芯材１１に到達する前に磁気遮蔽層１７の磁性体粒子１６に鎖交させることができ、芯材１１の渦電流を抑制できるので、より効果的に芯材１１における発熱と反転磁界の発生を抑制することができる。
【００４３】
加熱ローラ１に磁気遮蔽層１７と耐熱弾性層１８とを備えた上記の誘導加熱装置において、加熱ローラ１の回転を支持する機構として、図９に示すように、表面に磁気遮蔽層１７が形成された芯材１１を、加熱ローラ回転支持部材１９が支持するように構成してもよい。例えば、芯材１１を１．５ｍｍ厚のアルミニウムで形成すると共に、芯材１１の表面を覆うようにして磁気遮蔽層１７を形成する。この磁気遮蔽層１７は、４ｍｍ厚のガラス繊維で補強されたポリイミドで形成する。そして、加熱ローラ回転支持部材１９には、ボールベアリングを使用し、ボールベアリングが磁気遮蔽層部１７の表面と接するように加熱ローラ回転支持部材１９を設置する。このようにすることにより、芯材１１が磁気遮蔽層１７で覆われるので曲げに対する強度が増すことから、加熱ローラ１が記録紙５と接するニップ部４で生じるたわみを少なくすることができ、芯材１１の小径化や薄肉化を図ることができる。
【００４４】
芯材１１の小径化や薄肉化に際し、加熱ローラ１の直径は変えないので、芯材１１の小径化ができると、導電性発熱層１３と芯材１１との距離が長くなる。従って、芯材１１における反転磁界の発生量が低下するので、磁気遮蔽層１７中の磁性体粒子１６の含有量を低減できる。又、芯材の薄肉化は、反転磁界発生のもとになる渦電流が生じる部分の体積の削減となるので、反転磁界の影響を少なくできることから、この点でも、磁気遮蔽層１７中の磁性体粒子の含有量を低減することができる。
【００４５】
加熱ローラ１に磁気遮蔽層１７と耐熱弾性層１８とを備えた上記の誘導加熱装置において、図１０に示すように、芯材１１に回転動作を伝える媒介として歯車等の加熱ローラ回転駆動部材２０を使用する機構を採用すると共に、歯車等の加熱ローラ回転駆動部材２０の加熱ローラ回転駆動部材係止部２０ａが磁気遮蔽層１７を貫いて芯材１１に直接係止するようにしてもよい。このようにすることにより、歯車等の加熱ローラ回転駆動部材２０の加熱ローラ回転駆動部材係止部２０ａを磁気遮蔽層に係止する場合に生じやすい、加熱ローラ回転駆動部材２０の回転トルクに起因する磁気遮蔽層１７のひび割れ等の破損を防止することができる。
【００４６】
加熱ローラ１に磁気遮蔽層１７と耐熱弾性層１８とを備えた上記の誘導加熱装置において、図１１に示すように、磁気遮蔽層１７に回転軸方向に形成されたスリット２１を備えるようにしてもよい。図１１ではスリット２１は１本であるが、スリット２１を、図１２に示すように２本にする等複数本にして、磁気遮蔽層１７自体を複数のブロックに分割するようにしてもよい。又、図１１では、スリット２１の幅を約１ｍｍとし、深さを磁気遮蔽層１７の厚さと同じとしているが、スリット２１の深さを磁気遮蔽層１７の厚さよりも浅くするようにしてもよい。又、スリット２１をスパイラル状に形成するようにしてもよい。このようにすることにより、導電性発熱層１３からの熱で磁気遮蔽層１７が熱膨脹しても、この膨張をスリット２１で吸収することができ、磁気遮蔽層１７と芯材１１の熱膨張差による磁気遮蔽層１７の破損を防止することができる。
【００４７】
上記の各誘導加熱装置において、加熱ローラ１の芯材１１の外周表面に、図１３に示すように、外周を一周する環状溝部、又は、図１４に示すように、回転軸方向に平行な線状溝部を備えるようにしてもよい。或いは、図示されていないスパイラル状の溝を設けるようにしてもよい。このようにすることにより、芯材１１の外周面側に発生する渦電流ループの経路が短くなるので、芯材１１の渦電流を抑制でき、芯材１１における、より効果的な発熱及び反転磁界の発生を抑制することができる。
【００４８】
次に、上述した以外の他の実施の形態における誘導加熱装置について、図１５から図１８を用いて説明する。この上述した以外の他の実施の形態は、最初に説明した実施の形態とほとんど同じであり、異なるのは、加熱ローラ１の芯材１１が金属でなく、非導電性材料で形成されている点である。図１５は、この加熱ローラ１の断面を示したものである。図１５では、芯材１１がポリイミドで形成されているが、耐熱性と強度のある材料であれば、例えばＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＰＢＴ等のエンジニアリングプラスチックで形成してもよい。また、機械強度を向上させるために、ガラス繊維を３０％以上混入するのが望ましい。又、セラミック等の無機材料で構成してもよい。
【００４９】
図１６は、芯材の材質に、ポリイミドを用いた上記の加熱ローラと、最初に説明した実施の形態のアルミニウムを用いた加熱ローラの場合について、加熱コイル２と加熱ローラ１との磁気結合効率を測定した結果のグラフである。縦軸が磁気結合効率、横軸が加熱コイル２に流れるコイル電流の周波数である。図１６より、磁気結合効率は、芯材が導電性のアルミニウムの場合より非導電性のポリイミドである方がよいことがわかる。また、芯材が導電性の場合は、磁気結合状態がよい領域で使用する必要があるため、加熱コイル２のコイル電流をより高い周波数に設定する必要があることがわかる。耐熱保持層に代えて、磁気遮蔽層と耐熱弾性層を用いた場合についても、加熱コイル２と加熱ローラ１との磁気結合効率の測定結果は上記と同様であった。従って、上記の他の実施の形態における誘導加熱装置によれば、芯材が非導電性材料で形成されているので、芯材に鎖交する磁界によっては芯材における渦電流は発生しないので、芯材における発熱と反転磁界の発生を抑制することができる。
【００５０】
芯材の材質に非導電性材料のポリイミドを用いた上記の誘導加熱装置では、上述したように磁気結合効率が向上するため、加熱コイル２に高い周波数のコイル電流を流す必要がない。そのため、加熱コイル２の励磁回路には、図１７や図１８に示すような、出力側のスイッチング素子を１個とした簡易な励磁回路３１や励磁回路３２を使用することが可能となり、より安価で高加熱高率な誘導加熱装置を提供することができる。
【００５１】
次に本発明の誘導加熱装置が使用されるカラー画像形成装置について説明する。
【００５２】
本発明の誘導加熱装置が使用されるカラー画像形成装置は、図１９に示すように、４色の可視像形成ユニット５０を記録媒体搬送路に沿って配列した所謂タンデム式のプリンタである。具体的には、記録紙Ｐ（被加熱材）の供給トレイ７０と本発明の誘導加熱装置が用いられる定着装置８０とを繋ぐ記録紙の搬送路に沿って４組の可視像形成ユニット５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、及び、５０Ｂを配設し、無端状ベルトの記録紙搬送手段６０によって搬送される記録紙Ｐに各色トナーを多重転写した後、定着装置８０によってこれを定着してフルカラー画像を形成するものである。上記の記録紙搬送手段６０は、一対の駆動ローラ６１及びアイドリングローラ６２によって架張され、所定の周速度（本実施例では１３４ｍｍ／ｓ）に制御されて回動する無端状の搬送ベルト３３を有し、このベルト上に記録紙を静電吸着させて搬送する。各可視像形成ユニット５０は、感光体ドラム５１の周囲に、帯電ローラ５２、レーザ光照射手段５３、現像器５４、転写ローラ５５、及び、クリーナー５６を配置しており、各ユニットの現像器にはイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各トナーが収容されている。そして各可視像形成ユニットは、以下の工程によりトナー画像を記録紙Ｐ上に形成する。即ち、感光体ドラム５１表面を帯電ローラ５２で一様に帯電した後、レーザ光照射手段５３により感光体ドラム５１表面を画像情報に応じてレーザ露光し静電潜像を形成する。その後、現像器５４により感光体ドラム５１上の静電潜像に対しトナー像を現像し、この顕像化されたトナー画像をトナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された転写ローラ５５により搬送手段６０によって搬送される記録紙Ｐに順次転写するようになっている。
【００５３】
その後、記録紙Ｐは駆動ローラ６１の曲率により搬送ベルト６３から剥離された後、定着装置８０に搬送される。そこで所定の温度に保たれた定着ローラにより適度な温度と圧力が与えられる。そして、トナーは溶解し記録紙Ｐに固定され堅牢な画像となる。
【００５４】
以上に述べた誘導加熱装置は、上記の定着装置に限らず、湿式電子写真機器における乾燥装置、インクジェットプリンタにおける乾燥装置、リライタブルメディア用消去装置等の加熱装置としても用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の誘導加熱装置は、乾式電子写真機器における定着装置、湿式電子写真機器における乾燥装置、インクジェットプリンタにおける乾燥装置あるいはリライタブルメディア用消去装置等に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の誘導加熱装置の構成図である。
【図２】加熱コイルの斜視図である。
【図３】励磁回路の回路構成図である。
【図４】加熱ローラの切断斜視図である。
【図５】加熱ローラの作用の説明図である。
【図６】耐熱保持層の構成が異なる例の加熱ローラの断面図である。
【図７】磁気遮蔽層と耐熱弾性層とを備える加熱ローラの断面図である。
【図８】磁気遮蔽層の回転軸方向長さを導電性発熱層より長くした加熱ローラの断面図である。
【図９】表面に磁気遮蔽層が形成された芯材を、加熱ローラ回転支持部材が支持するように構成した加熱ローラの断面図である。
【図１０】加熱ローラ回転駆動部材を直接芯材に係止した加熱ローラの断面図である。
【図１１】磁気遮蔽層にスリットを備えた加熱ローラの分解斜視図である。
【図１２】磁気遮蔽層にスリットを備えた他の例の加熱ローラの分解斜視図である。
【図１３】環状溝部を備えた芯材の斜視図である。
【図１４】線状溝部を備えた芯材の部分斜視図である。
【図１５】芯材が非導電性材料で形成された加熱ローラの断面図である。
【図１６】加熱コイルと加熱ローラとの磁気結合効率を示したグラフである。
【図１７】簡易化した励磁回路の回路構成である。
【図１８】簡易化した励磁回路の他の例の回路構成である。
【図１９】本発明の誘導加熱装置が使用されるカラー画像形成装置の構成図である。
【図２０】従来例の誘導加熱装置の構成図である。
【図２１】従来例の誘導加熱装置の加熱ローラの切断斜視図である。
【図２２】従来例の誘導加熱装置の加熱ローラの作用の説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  加熱ローラ
２  加熱コイル（磁界発生手段）
３  加圧ローラ
４  ニップ部
５  記録紙（被加熱材）
６  トナー像
７  励磁回路
７ａ  コンデンサ
７ｂ  スイッチング素子
７ｃ  スイッチング素子
７ｄ  制御回路
７ｅ  整流回路
７ｆ  発振回路
８  温度検知素子
１０  誘導加熱装置
１１  芯材
１２  耐熱保持層
１３  導電性発熱層
１４  弾性層
１５  表面離型層
１６  磁性体粒子
１７  磁気遮蔽層
１８  断熱弾性層
１９  加熱ローラ回転支持部材
２０  加熱ローラ回転駆動部材
２０ａ  加熱ローラ回転駆動部材係止部
２１  スリット
２２    環状溝部
２３    線状溝部
２４    渦電流ループ
２５    渦電流ループ
３１    励磁回路
３１ａ    コンデンサ
３１ｂ    スイッチング素子
３１ｄ    制御回路
３１ｅ    整流回路
３１ｆ    発振回路
３２    励磁回路
３２ａ    コンデンサ
３２ｂ    スイッチング素子
３２ｄ    制御回路
３２ｅ    整流回路
３２ｆ    発振回路
４１    磁束
４２    漏洩磁束
４３    漏洩磁束
４４    反転磁束
５０    可視像形成ユニット
５０Ｙ    可視像形成ユニット
５０Ｍ    可視像形成ユニット
５０Ｃ    可視像形成ユニット
５０Ｂ    可視像形成ユニット
５１    感光体ドラム
５２    帯電ローラ
５３    レーザ光照射手段
５４    現像器
５５    転写ローラ
５６    クリーナー
６０    記録紙搬送手段
６１    駆動ローラ
６２    アイドリングローラ
６３    搬送ベルト
７０    供給トレイ
８０    定着装置
１００  誘導加熱装置
１０１  加熱ローラ
１１１  芯材
１１２  耐熱保持層
１１３  導電性発熱層
１１４  弾性層
１１５  表面離型層
Ｐ  記録紙
【図１】
2005285639.tif 000003
【図２】
2005285639.tif 000004
【図３】
2005285639.tif 000005
【図４】
2005285639.tif 000006
【図５】
2005285639.tif 000007
【図６】
2005285639.tif 000008
【図７】
2005285639.tif 000009
【図８】
2005285639.tif 000010
【図９】
2005285639.tif 000011
【図１０】
2005285639.tif 000012
【図１１】
2005285639.tif 000013
【図１２】
2005285639.tif 000014
【図１３】
2005285639.tif 000015
【図１４】
2005285639.tif 000016
【図１５】
2005285639.tif 000017
【図１６】
2005285639.tif 000018
【図１７】
2005285639.tif 000019
【図１８】
2005285639.tif 000020
【図１９】
2005285639.tif 000021
【図２０】
2005285639.tif 000022
【図２１】
2005285639.tif 000023
【図２２】
2005285639.tif 000024