(57)【要約】    【課題】  熱容量を小さくして誘導コイルに吸収される熱を低減し、その分加熱ローラの熱効率を高めた誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた画像形成装置を提供する。    【解決手段】  誘導加熱ローラ装置は、誘導電流により発熱する加熱ローラＨＲと；絶縁シートｆおよび絶縁シートｆに貼着されたシート状コイルｃを含んでシート状をなしていて、加熱ローラＨＲに磁気結合する誘導コイルＩＣと；誘導コイルＩＣに高周波電力を供給する高周波電源ＨＦＧと；を具備している。  誘導コイルＩＣの加熱ローラＨＲに対する磁気結合は、空芯トランス結合方式および渦電流損方式のいずれであってもよい。前者の場合、誘導コイルは、図に示すように加熱ローラと同心的に配置される。後者の場合は、加熱ローラの内部および外部のいずれに配置されてもよい。【選択図】    図２
2005285657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電流により発熱する加熱ローラと；
絶縁シートおよび絶縁シートに貼着されたシート状コイルを含んでシート状をなしていて、加熱ローラに磁気結合する誘導コイルと；
誘導コイル装置に高周波電力を供給する高周波電源と；
を具備していることを特徴とする誘導加熱ローラ装置。
【請求項２】
記録媒体に画像を形成する画像形成手段を備えた画像形成装置本体と；
加圧ローラを備えた定着装置本体および定着装置本体の加圧ローラに加熱ローラを圧接関係に対設して、両ローラ間に画像が形成された記録媒体を挟んで搬送しながら画像を定着するように配設された請求項１記載の誘導加熱ローラ装置とを備えた定着装置と；
を具備してい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、誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トナー画像を熱定着するために、従来からハロゲン電球を熱源として用いた加熱ローラが用いられてきたが、効率が悪く、大電力を必要とする不具合がある。そこで、誘導加熱方式を導入してこの問題を解決しようと開発が行われている。この種の目的のための誘導加熱方式としては、渦電流損方式（例えば、特許文献１参照。）とトランス方式（例えば、特許文献２参照。）とがある。
【０００３】
渦電流損方式は、ＩＨジャーなどにおいて実用化されているのと同様な動作原理である。なお、渦電流損方式において用いられている高周波の周波数は、２０〜１００ｋＨｚ程度である。これに対して、トランス方式は、渦電流損方式より磁気的結合が強いために定常効率が高いとともに、加熱ローラ全体を加熱できるので、渦電流損方式に比較して定着装置の構造が簡単になるという利点がある。また、加えて動作周波数を２０ｋＨｚ以上、好適には１ＭＨｚ以上の高周波にすることによって、誘導コイルのＱを大きくして電力伝達効率を高くすることができる。このため、加熱の総合効率が高くなり、省電力を図ることができる。また、渦電流損方式に比較して定着装置の構造が簡単になるという利点もある。さらに、渦電流損方式の加熱ローラより熱容量をかなり小さくすることができる。したがって、トランス方式は、熱定着の高速化に甚だ好適である。
【０００４】
さらに、トランス方式の改良形として、誘導コイルに空芯トランス結合する回転可能に支持される中空構造からなる加熱ローラの２次側抵抗値を２次リアクタンスにほぼ等しい閉回路に形成することにより、誘導コイルから加熱ローラへの電力伝達効率が高くなり、加熱ローラを効率よく加熱できるという著しい効果が得られる空芯トランス結合方式が本発明者によりなされ、本件出願人により特許出願されている（特許文献３参照。）。この発明により加熱ローラの誘導加熱の省電力を図るとともに、熱定着を高速化することが容易になった。
【０００５】
上述した誘導加熱による定着用加熱ローラ装置は、それが渦電流方式およびトランス方式のいずれであっても、加熱ローラに磁気結合する誘導コイルを用いていて、その誘導コイルは、巻線をコイルボビンに巻装することによって形成するのが一般的である。
【特許文献１】特開２０００−２１５９７４号公報
【特許文献２】特開昭５９−３３７８７号公報
【特許文献３】特開２００２−２２２６８８号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、コイルボビンは、一般に熱容量が大きくて、加熱ローラに発生した熱を吸収する。そのために、加熱ローラの加熱効率が低下する。
【０００７】
本発明は、熱容量を小さくして誘導コイルおよびその支持部材に吸収される熱を低減し、その分加熱ローラの熱効率を高めた誘導加熱ローラ装置およびこれを備えた画像形成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】
【０００８】
請求項１の発明の誘導加熱ローラ装置は、誘導電流により発熱する加熱ローラと；絶縁シートおよび絶縁シートに貼着されたシート状コイルを含んでシート状をなしていて、加熱ローラに磁気結合する誘導コイルと；誘導コイル装置に高周波電力を供給する高周波電源と；を具備していることを特徴としている。
【０００９】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【００１０】
＜加熱ローラについて＞    加熱ローラは、後記誘導コイルに磁気結合して誘導電流により発熱する。誘導コイルによる発熱は、渦電流損方式およびトランス方式のいずれであってもよい。いずれの加熱方式にも共通することは、適当な抵抗値を有する導体すなわち発熱層が加熱ローラの周面に円筒状に配設されている。なお、トランス方式の場合、加熱ローラは、その周回方向に閉回路を形成した２次コイルすなわち発熱層を備えていて、この２次コイルが誘導コイルと磁気結合、例えば空芯トランス結合する。空芯トランス結合の場合、閉回路の２次側抵抗値は、２次コイルの２次リアクタンスとほぼ等しい値を有している。なお、２次側抵抗値と２次リアクタンスとが「ほぼ等しい」とは、２次側抵抗値をＲａとし、２次リアクタンスをＸａとし、かつ、α＝Ｒａ／Ｘａとしたとき、数式１を満足する範囲とする。なお、数式条件を規定する理由については特許文献３に開示されている。また、２次側抵抗値は、測定により求めることが可能である。２次リアクタンスは、計算により求めることが可能である。さらに、αは、好適には０．２５〜４倍の範囲、最適には０．５〜２倍の範囲である。
【００１１】
〔数１〕
０．１＜α＜１０
また、加熱ローラは、２次コイルを単一または複数配設することができる。複数の２次コイルを配設する場合、それらを加熱ローラの軸方向に分散して配設することが望ましい。２次コイルを支持するために、絶縁性物質または適度の導電性を有する金属からなるローラ基体を用いることができる。そして、ローラ基体の外面、内面またはローラ基体の内部に２次コイルすなわち発熱層を配設することができる。
【００１２】
さらに、加熱ローラは、その利用上被加熱体のサイズに応じて軸方向に沿って複数の加熱領域に区分される。すなわち、トナー画像を形成した記録媒体の定着など被加熱体を加熱する目的で加熱ローラを使用する場合、被加熱体の幅サイズに応じて適切な加熱領域を選択できるように構成されている。これらの加熱領域は、見かけ上識別できなくてもよいが、後述する誘導コイルとの協働によって加熱が区分される。トナー画像定着の場合を例として加熱領域を説明する。例えば、トナー画像が形成されたＡ４サイズの記録媒体からなる被定着体を定着する場合、被定着体を縦置きにして定着させるのと、横置きにするのとでは、必要な加熱領域の長さが異なる。また、例えばＡ４サイズの記録媒体を定着する場合と、Ｂ４サイズの被定着体を定着する場合とでも必要な加熱領域幅が異なる。一方、定着に必要な加熱領域以外の領域まで一様に発熱させるのでは電力の無駄であるとともに、前述したように加熱ローラの軸方向の温度分布が不均一になるので、回避しなければならない。他方、必要な加熱領域内においては、なるべく均一な発熱が必要になる。また、２つの異なる加熱領域であっても、いずれの領域に対しても共通に寄与する共通加熱部位と、それぞれの加熱領域に対してのみ寄与する単独加熱部位とがあり得る。さらに、共通加熱部位と単独加熱部位との配置の態様は、共通加熱部位を左右いずれか一方に片寄せして、単独加熱部位をいずれか他方に寄せて配置する態様と、共通加熱部位を中央に配置して、その左右に単独加熱部位を配置する態様とがあるが、本発明においては、以上のいずれか一または全部に対応可能になっていることを許容する。
【００１３】
さらにまた、トランス方式の場合、２次コイルすなわち発熱層を導体層、導電線または導電板などの導体により形成することができる。導体層は、所望の２次側抵抗値を得るために、以下の材料および製造方法を採用することができる。厚膜形成法（導電体ペーストの塗布＋焼成）により形成する場合には、Ａｇ、Ａｇ＋Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、ＲｕＯ２およびＣからなるグループから選択した材料を用いるのがよい。塗布方法としては、スクリーン印刷法、ロールコーター法およびスプレー法などを用いることができる。これに対して、めっき、蒸着またはスパッタリング法により形成する場合には、Ａｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕ＋（Ａｕ、Ａｇ）のグループから選択した材料を用いるのがよい。導電線および導電板は、Ｃｕ、Ａｌなどを用いることができる。なお、Ｃｕ、Ａｌの場合は、酸化を防止するために、防錆被膜を表面に形成するのが好ましい。また、ローラ基体をＦｅやＳＵＳ（ステンレス鋼）で構成する場合、ローラ基体の表面層が高周波の表皮効果によって２次コイルすなわち発熱層として作用する。したがって、上記のような格別の発熱層を配設しなくてもよい。しかし、この場合であっても、要すればローラ基体とは別に発熱層を配設することができる。なお、ＦｅやＳＵＳからなるローラ基体においても、表面に亜鉛被膜などの防錆皮膜を形成することができる。
【００１４】
一方、渦電流損方式の場合、発熱層を例えばＦｅ、ＳＵＳ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属により構成することができる。
【００１５】
次に、より一層実際的な加熱ローラを得るために、必要に応じて以下の構成を付加することが許容される。
【００１６】
１．（ローラ基体について）    発熱層を支持するために、絶縁性物質からなるローラ基体を用いることができる。この場合、発熱層は、ローラ基体の外面、内面または内部に配設することができる。絶縁性のローラ基体は、セラミックスまたはガラスを用いて形成することができる。そして、ローラ基体の耐熱性、強い衝撃性および機械的強度などを考慮して、例えば以下の材料を用いることができる。セラミックスとしては、例えばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素などである。ガラスとしては、例えば結晶化ガラス、石英ガラスおよびパイレックス（登録商標）などである。
【００１７】
２．（熱拡散層について）    熱拡散層は、加熱ローラの軸方向における温度の均整度を向上するための手段として、必要に応じて発熱層の上側に配設することができる。このために、熱拡散層は、加熱ローラの軸方向への熱伝導が良好な物質を用いるのがよい。熱伝導率の高い物質は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、ＡｇおよびＰｔなど導電率の高い金属に多く見られる。しかし、熱拡散層は、発熱層の材料に対して同等以上の熱伝導率を有していればよい。したがって、熱拡散層は、発熱層と同一材料であってもよい。
【００１８】
また、熱拡散層が導電性物質からなる場合、発熱層と導電的に接触していてもよいが、絶縁膜を介して配設することにより、放射ノイズの輻射を遮断する作用をも奏する。なお、高周波磁界は、熱拡散層まで作用しないので、熱拡散層には発熱に寄与するほどの２次電流は誘起されない。
【００１９】
３．（保護層について）    保護層は、加熱ローラの機械的保護および電気絶縁、あるいは弾性接触性またはトナー離れ性向上のために、必要に応じて配設することができる。前者のための保護層の構成材料としては、ガラスを、また後者のための保護層の構成材料としては合成樹脂を、それぞれ用いることができる。ガラスとしては、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラス、ホウケイ酸系ガラスおよびアルミノシリケート系ガラスからなるグループの中から選択して用いることができる。また、後者としては、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂＋フッ素樹脂およびポリアミド＋フッ素樹脂からなるグループの中から選択して用いることができる。なお、ポリイミド樹脂＋フッ素樹脂およびポリアミド＋フッ素樹脂の場合、フッ素樹脂が外側に配設される。
【００２０】
４．（加熱ローラの形状について）    所望により加熱ローラにクラウンを形成することができる。クラウンとしては、鼓形および樽形のいずれであってもよい。
【００２１】
５．（加熱ローラの回転機構について）    加熱ローラを回転するための機構は、既知の構成を適宜選択して採用することができる。なお、トナー画像を熱定着する場合には、加熱ローラと正対して加圧ローラを配設して、両ローラの間をトナー画像が形成された記録媒体が通過する際に加熱されてトナーが記録媒体に融着するように構成することができる。
【００２２】
＜誘導コイルについて＞    誘導コイルは、後述する高周波電源により励磁されたときに、そこに発生する磁束を加熱ローラに鎖交させて加熱ローラに渦電流または２次電流を誘起させて抵抗発熱を発生させることによって、加熱ローラを所要に加熱するための高周波電力伝達手段である。本発明において、誘導コイルは、シート状をなしている。すなわち、絶縁シートおよび絶縁シートに貼着されたシート状コイルを含んで構成されている。絶縁シートは、耐熱性および電気絶縁性に優れたプラスチックス、例えばポリイミドなどからなる。シート状コイルは、扁平であり、例えばプリント配線技術などによって形成するなど適宜の手段を用いて絶縁シートに貼着されている。したがって、所望ターン数の誘導コイルを得るには、予めシート状コイルを貼着した絶縁シートからなる単位コイルの所望数を複数層になるように重ね、かつ、各シート状コイルを互いに直列に接続すればよい。なお、シートコイルは、外部に露出しないように２枚の絶縁シートの間に挟持するのが好ましい。しかし、所望により、シート状コイルの表面に絶縁物質を塗布することもできる。また、予めシート状コイルを貼着した絶縁シートが複数層になるように積層する場合には、表面にシート状コイルを貼着した絶縁シートの裏面を、隣接するシート状コイルの表面を被覆して挟持するための絶縁シートとして作用するように構成することができる。
【００２３】
また、誘導コイルの加熱ローラに対する配設位置は、加熱ローラの内側および外側のいずれであってもよい。すなわち、渦電流損方式による加熱を行う場合、加熱ローラを所望の回転位置で集中的に加熱するように加熱ローラの外周または内周の特定位置に近接して配置することができる。この場合、誘導コイルの軸が加熱ローラの表面に対してほぼ直交するように配置される。また、誘導コイルは、加熱ローラに対して相対的に静止した位置に配置される。
【００２４】
これに対して、トランス方式による加熱を行う場合には、誘導コイルを加熱ローラの内部に配置する。そして、誘導コイルが加熱ローラの内周全体に対向し、かつ、コイルの軸を加熱ローラと同軸になるように誘導コイルを配置する。なお、所望により誘導コイルを特定の回転位置で加熱ローラの内周面に接近し、その他の位置では相対的に離間するように加熱ローラに対して偏心させて配置することができる。また、誘導コイルは、後述するように高周波電源の高周波発生回路から直接あるいは負荷回路、整合回路または／および出力回路などを経由し、さらに給電リード線を経由して付勢すなわち励磁されるが、回転する加熱ローラに対して静止していてもよいし、加熱ローラと一緒に、または別に回転してもよい。誘導コイルが加熱ローラと一緒に回転する場合、誘導コイルがシート状絶縁基板およびシートコイルからなるので、誘導コイルを加熱ローラの内周面に密着するように配設することが容易になる。そうすれば、誘導コイルと加熱ローラとの間の距離を小さくできるので、磁気結合が著しく高まり、その結果、高周波電力伝達効率を一層高くすることができる。なお、回転する場合には、高周波電源と誘導コイルとの間に回転集電機構を介在すればよい。
【００２５】
さらに、誘導コイルは、単一および複数のいずれであってもよい。誘導コイルが複数の場合、それらが加熱ローラの軸方向に分かれた複数の加熱領域にそれぞれ対向するように加熱ローラの軸方向に分散して配設される。誘導コイルを複数配設する場合は、共通の高周波電源に対して並列接続することができる。しかし、要すれば、複数の誘導コイルを直列接続するようにしてもよい。また、誘導コイルは、個々にまたはグループ分けされて個別の高周波電源に接続してもよい。
【００２６】
さらにまた、誘導コイルは、所望によりコアを備えていることが許容される。特に、渦電流損方式の場合には、コアを備えていることにより、比較的高い磁気結合を得ることができる。
【００２７】
誘導コイルがトランス方式の場合、上記のいずれの態様であっても、誘導コイルに対して高周波電源から高周波電力を給電するための給電リード線は、誘導コイルの内面または外面に接近した位置に配置するのがよい。給電リード線を誘導コイルの内部に通線する場合、給電リード線が誘導コイルの中心軸に近いと、給電リード線と鎖交する磁束が多くなるために、内部に渦流損が生じて電力伝達効率が低下するので、好ましくない。これに対して、上記のように構成することにより、給電リード線と鎖交する磁束が少なくなるので、電力伝達効率の低下が相対的に抑制される。
【００２８】
＜高周波電源について＞    高周波電源は、誘導コイルを経由して加熱ローラに高周波電力を供給して加熱ローラを所要に加熱するための高周波電力発生手段である。この目的のために、高周波電源は、その出力周波数（またはその範囲）が基本的に限定されるものではない。しかしながら、トランス方式の場合には、２０ｋＨｚ以上の高周波を出力するように構成されていると効果的である。なぜなら、２０ｋＨｚ以上の高周波にすることにより、導誘コイルのＱを大きくして電力伝達効率をより一層高くすることが可能になるからである。電力伝達効率が高くなると、加熱の総合効率が高くなり、省電力を図ることができる。しかし、実際には１５ＭＨｚ以下の周波数にすることにより、放射ノイズの問題をなるべく回避しやすくすることができる。なお、適合する能動素子（例えば、後述するようにMOSFETを用いることができる。）の経済性および高周波ノイズ抑制の容易性などの観点からは、好適には２０ｋＨｚ〜４ＭＨｚである。さらに、本発明は、既に説明したように渦電流損方式であってもよいが、この場合には、２０〜１００ｋＨｚの範囲の周波数が好適である。
【００２９】
また、高周波電源の出力周波数は、一定であってもよいし、可変であってもよい。例えば、誘導加熱ローラ装置が複数の誘導コイルおよび誘導コイルを選択する誘導コイル選択手段を具備する場合であって、誘導コイル選択手段がフィルタ手段または共振回路からなる場合には、高周波電源の出力周波数を可変にする必要がある。高周波電源の出力周波数を可変にするには、例えば励振回路の発振周波数を可変にするなど既知の周波数可変手段を用いることができる。なお、要すれば、例えば起動時の投入電力を通常運転時のそれより大きくして、急速加熱を行うように構成することができる。
【００３０】
高周波を発生させるには、直流または低周波交流を直接または間接的に半導体スイッチ素子などの能動素子を用いて高周波に変換するのが実際的である。低周波交流から高周波電力を得るには、整流手段を用いていったん低周波交流を直流に変換するのがよい。直流は、平滑回路を用いて形成した平滑化直流でもよいし、非平滑直流であってもよい。直流を高周波に変換するには、増幅器またはインバータなどの回路要素を用いることができる。増幅器としては、例えば電力変換効率の高いＥ級増幅器などを用いることができる。また、ハーフブリッジ形インバータなどを用いることもできる。さらに、能動素子としては、高周波特性に優れているMOSFETが好適である。複数の高周波電源回路を並列的に接続して、各高周波電源回路の高周波出力を合成してから誘導コイルに印加するように構成することができる。これにより、所望の電力でありながら各高周波電源回路の出力を小さくてよいから、能動素子にMOSFETを用いて、廉価に効率よく高周波を発生することができる。
【００３１】
また、高周波電源は、複数の誘導コイルに対して共通に配設するようにこれを構成することができる。しかし、要すれば、高周波電源を複数の誘導コイルに対してそれぞれ個別に、またはグループ化して複数の高周波電源を配設することも許容される。
【００３２】
さらに、高周波電源は、商用交流電源などの交流電圧を整流する整流化直流電源を備えて高周波電圧に変換するための直流電圧を得ることができる。また、高周波電圧に変換するための直流電圧が所望値に対して過不足がある場合には、整流化直流電源と高周波発生回路との間に昇圧チョッパまたは降圧チョッパなどの直流スイッチングレギュレータを介在させることができる。
【００３３】
さらにまた、高周波電源は、その高周波発生回路から出力される高周波を負荷回路を介して取り出すことができる。負荷回路は、高周波電圧に直列共振する共振回路を含むことができる。また、高周波電源は、整合回路を含むことができる。整合回路は、高周波電源ＨＦＳと誘導コイルとの間の高周波電力の反射を抑制して、高周波電力を誘導コイルに効率よく伝達するための手段である。さらに、高周波電源は、出力回路を含むことができる。出力回路とは、異なる出力周波数のそれぞれにおいて、高周波電源ＨＦＳを効率が高い状態で作動させるために、高周波電源ＨＦＳに対する負荷として異なる周波数においてインピーダンス変換を行うことにより、ほぼ等しいインピーダンスおよび位相差を呈するように作用して、高周波電力を効率よく出力するための手段である。
【００３４】
＜本発明の作用について＞    本発明においては、誘導コイルが絶縁シートおよびシートコイルを含んでシート状をなしているので、それ自体の熱容量が小さくなる。また、コイルボビンのような熱容量の大きくなるコイル支持手段を用いることなく所定の位置に配設することができる。さらに、誘導コイルの表面を平滑にすることができる。
【００３５】
誘導コイルがシート状をなしていることで以上のような特徴があるので、誘導コイルを加熱ローラに対してより一層接近して配置することが可能になる。このため、誘導コイルと加熱ローラの間の磁気結合をより一層強くすることができ、高周波電力伝達効率、したがって加熱効率を向上させることができる。このことにより、誘導加熱ローラ装置を連続動作させる際の消費電力が低減するので、本発明の誘導加熱ローラ装置を組み込んだ定着装置、延いてはこの定着装置を具備する画像形成装置としての省エネルギー化にも貢献する。また、誘導コイルの熱容量が小さいので、単に誘導加熱によるだけでなく、より一層迅速なヒートアップにも効果的である。
【００３６】
＜その他の構成について＞
本発明の必須構成要素ではないが、所望により以下の構成を選択的に付加することにより、さらに効果的な誘導加熱ローラ装置を得ることができる。
【００３７】
１．（ウオームアップ制御について）    起動すなわち給電開始後のウオームアップ期間中、加熱ローラが通常運転時におけるより低い回転数で回転するように制御することができる。
【００３８】
２．（加熱ローラの温度制御について）    加熱ローラの温度を所定範囲内で一定、例えば２００℃に維持にするために、加熱ローラの表面に感熱素子を導熱的に接触させることができる。そして、感熱素子を温度制御回路に接続する。感熱素子としては、負温度特性を有するサーミスタや正温度特性を有する非直線抵抗素子を用いることができる。
【００３９】
３．（搬送シートについて）    加熱ローラを用いてシート状の記録媒体を加熱する際に、加熱ローラが直接被加熱体に当接するように構成することができるが、要すれば両者の間に搬送シートが介在するように構成することができる。この場合、搬送シートは、無端状またはロール状の形態をとることが許容される。搬送シートを用いることにより、被加熱体の加熱と搬送をスムースに行うことが可能になる。
【００４０】
請求項２の発明の画像形成装置は、記録媒体に画像を形成する画像形成手段を備えた画像形成装置本体と；加圧ローラを備えた定着装置本体および定着装置本体の加圧ローラに加熱ローラを圧接関係に対設して、両ローラ間に画像が形成された記録媒体を挟んで搬送しながら画像を定着するように配設された請求項１記載の誘導加熱ローラ装置を備え、画像形成装置本体に配設されて記録媒体の画像を定着する定着装置と；を具備していることを特徴としている。
【００４１】
画像形成装置本体は、画像形成装置から定着装置を除いた残余の部分であり、画像形成手段を備えている。画像形成手段は、記録媒体に間接方式または直接方式により画像情報を形成する画像を形成する手段である。なお、「間接方式」とは、転写によって画像を形成する方式をいう。画像形成装置としては、例えば電子写真複写機、プリンタ、ファクシミリなどが該当する。記録媒体としては、例えば転写材シート、印刷紙、エレクトロファックスシート、静電記録シートなどが該当する。
【００４２】
定着装置は、加圧ローラを備えた定着装置本体と、定着装置本体の加圧ローラに加熱ローラを圧接関係に対設して、両ローラ間に画像、例えばトナー画像が形成された記録媒体を挟んで搬送しながら画像を定着するように配設された請求項１記載の誘導加熱ローラ装置とを備えている。ここで、「定着装置本体」とは、定着装置から誘導加熱ローラ装置を除いた残余の部分をいう。加圧ローラと加熱ローラとは、直接圧接してもよいが、要すれば搬送シートなどを介して間接的に圧接してもよい。なお、搬送シートは、無端またはロール状であってもよい。本発明において、記録媒体は、請求項１の発明における被加熱体に相当する。
【００４３】
誘導コイルが加熱ローラに対して、加熱ローラの特定部位により接近しているために、当該特定部位をより多く加熱するように配設されている場合、上記の最接近部を加圧ローラに正対させるか、加熱ローラの回転方向のやや前方に正対させれば、最接近部に発生する高熱を利用して被加熱体を効果的に加熱することができる。なお、上記の前方の位置とは、高い温度が得られる効果的な範囲であり、具体的には加熱ローラの周面における回転速度などの設計条件にもよるが、一般的には０°超〜９０°の範囲内であればよい。しかし、好適には５〜６０°の範囲内である。
【００４４】
そうして、本発明においては、画像形成装置が請求項１におけるの同様な作用を奏する。
【発明の効果】
【００４５】
請求項１によれば、誘導コイルがシート状をなしていることにより、誘導コイルの熱容量が小さくて加熱効率が向上するとともに、連続動作時の省エネルギーを図れる誘導加熱ローラ装置を提供することができる。
【００４６】
請求項２によれば、請求項１におけるのと同様な効果を奏するとともに、誘導加熱によりウオームアップが早くなって高速タイプに好適な画像形成装置にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００４８】
図１ないし図４は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第１の形態を示し、図１は装置全体の概要を示す回路ブロック図、図２は誘導コイルおよび加熱ローラの概念的横断面図、図３は誘導コイルの分解斜視図、図４は高周波電源の回路図である。本形態において、誘導加熱ローラ装置は、加熱ローラＨＲ、誘導コイルＩＣおよび高周波電源ＨＦＳを備えていて、渦電流損方式の誘導加熱を行うように構成されている。以下、上記の構成要素ごとにその構成を詳細に説明する。
【００４９】
加熱ローラＨＲは、ローラ基体、発熱層および保護層を備えて構成されているとともに、図示を省略している回転機構により回転駆動される。ローラ基体は、例えばアルミナセラミックス製の円筒体からなり、被加熱体のサイズに応じた長さに形成されている。発熱層は、例えば鉄、銅などの導電性金属がフィルム状の円筒体を形成している。そして、ローラ基体の外面において、軸方向の有効長のほぼ全体にわたって配設されている。保護層は、フッ素樹脂からなり、発熱層の外面を被覆して形成されている。
【００５０】
誘導コイルＩＣは、シート状をなしていて、図２において加熱ローラＨＲの右側部分に符号Ａを付して示すように加熱ローラＨＲの内部に配置され、または図２において加熱ローラＨＲの左側に符号Ｂを付して示すように加熱ローラＨＲの外部に配置されるとともに、静止状態に保持されている。上記のいずれの態様においても、誘導コイルＩＣと加熱ローラＨＲとは渦電流損方式の磁気結合を行う点で共通している。すなわち、誘導コイルＩＣにより発生した磁束は、加熱ローラＨＲの発熱層を貫通するように鎖交する。その結果、発熱層には貫通した磁束の周りに渦電流が誘起され、発熱層の抵抗により渦電流損を生じて加熱ローラＨＲが発熱する。
【００５１】
また、誘導コイルＩＣは、図３に示すように、絶縁シートｆ１およびシート状コイルｃからなる単位コイルＵＣの所要数を積層し、かつ、直列接続して形成されて、全体としてシート状を呈している。絶縁シートｆ１は、絶縁性および耐熱性に優れたプラスチックス、例えばポリイミド樹脂などからなる。シート状コイルｃは、例えば銅箔などの導電性金属が薄板状をなして一部が開いた四角形や円形などの環状に形成されていて、絶縁シートｆの一面または両面にプリント形成法などによって被着されている。なお、複数の単位コイルＵＣ間の接続には、既知の接続手段を用いることができる。
【００５２】
高周波電源ＨＦＳは、図１に全体の概要を示し、図４に詳細に示すように、整流化直流電源ＲＤＣおよび高周波発生回路ＨＦＩ、負荷回路ＬＣおよび整合回路ＭＣから構成され、入力端が低周波電源ＡＳに接続している。低周波交流電源ＡＳは、例えば１００Ｖ商用交流電源からなる。
【００５３】
整流化直流電源ＲＤＣは、全波整流回路からなる。そして、その交流入力端が低周波交流電源ＡＳに接続し、低周波交流電圧を非平滑直流電圧に変換して、その直流出力端から整流化直流電圧を出力する。
【００５４】
高周波発生回路ＨＦＩは、高周波フィルタＨＦＦ、ハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩおよび駆動回路ＤＣからなる。高周波フィルタＨＦＦは、整流化直流電源ＲＤＣの出力端に接続する両線路にそれぞれ直列の一対のインダクタＬ１、Ｌ２および一対のインダクタＬ１、Ｌ２の前後で両線路間に接続された一対のコンデンサＣ１、Ｃ２からなり、直流電源ＲＤＣおよび後述するハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩの間に介在して、高周波が低周波交流電源ＡＳ側へ流出するのを阻止する。
【００５５】
ハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩは、直流電源ＲＤＣ出力端間に直列接続され、駆動回路ＤＣの駆動信号により励振されて交互にスイッチングする一対のMOSFETＱ１、Ｑ２および一対のMOSFETＱ１、Ｑ２に並列接続されたコンデンサＣ３、Ｃ４からなる。コンデンサＣ３、Ｃ４は、インバータ動作中に高周波バイパス作用を行う。
【００５６】
駆動回路ＤＣは、駆動信号発生回路ＤＳＧおよび駆動トランスＤＴからなる。駆動信号発生回路ＤＳＧは、一対のMOSFETＱ１、Ｑ２のゲートドライブ信号を発生する。なお、所望によりゲートドライブ信号の発振周波数を変化させることができる。駆動トランスＤＴは、一対のMOSFETＱ１、Ｑ２に印加するゲートドライブ信号を逆位相関係にする。
【００５７】
負荷回路ＬＣは、直流カットコンデンサＣ５，インダクタＬ３および後述する整合回路ＭＣの直列回路からなり、高周波発生回路ＨＦＩの高周波出力端すなわちハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩのMOSFETＱ２に並列接続されている。そして、高周波電圧に共振して正弦波に波形整形する。
【００５８】
整合回路ＭＣは、一対のコンデンサＣ６、Ｃ７からなる。コンデンサＣ６は、負荷回路ＬＣと給電リード線ｌ１との間に直列接続している。また、コンデンサＣ７は、負荷回路ＬＣに直列接続している。
【００５９】
なお、給電リードｌ１、ｌ２は、高周波電力を誘導コイルに供給する伝送路を構成する。また、給電リードｌ２の基端は、MOSFETＱ２のソースとコンデンサＣ７の接続に接続している。
【００６０】
そうして、高周波電源ＨＦＳにおいて発生した高周波出力は、負荷回路ＬＣおよび整合回路ＭＣを介して誘導コイルＩＣに供給される。
【００６１】
以下、図５ないし図８を参照して本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第２ないし第５の形態について説明する。なお、図１ないし図４と同一部分については同一符号を付して説明省略する。
【００６２】
図５は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第２の形態を示す誘導コイルの分解斜視図である。本形態は、誘導コイルＩＣのシートコイルｃを一対の絶縁シートｆ１、ｆ２で挟持するようにしている点で図１に示す第１の形態と異なる。すなわち、絶縁シートｆ１の一面にシートコイルｃを形成し、その上から絶縁シートｆ２を矢印方向に積層する。
【００６３】
そうして、本形態においては、シートコイルが絶縁シートｆ１、ｆ２により被覆されるので、誘導コイルＩＣの絶縁が良好になる。また、図４に示す第１の形態において、最上層のシートコイルｃに対して本形態の構成を採用することにより、良好な絶縁を施すことができる。
【００６４】
図６は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第３の形態を示す概念的斜視図である。本形態において、誘導加熱ローラ装置は、トランス方式の誘導加熱を行うように構成されている。
【００６５】
加熱ローラＨＲは、その発熱層が銅などの導電性金属の蒸着膜からなるフィルム状をなしていて、円筒状の１ターンコイルからなる２次コイルを構成している。そして、発熱層は、その厚みが、加熱ローラＨＲの周回方向における２次側抵抗Ｒの値が２次リアクタンスとほぼ同じ値の１Ωになるように設定されている。
【００６６】
誘導コイルＩＣは、加熱ローラＨＲと同心関係で、かつ、加熱ローラＨＲの内径よりやや小さい外径を有していて、静止状態に保持されていて、加熱ローラＨＲに対して空芯トランス結合を行う。また、誘導コイルＩＣは、絶縁シートｆおよびシートコイルｃが一体となって円筒状に形成されている。例えば、平板状の絶縁シートｆの一面に複数の導電条を所望のコイルピッチになるように斜めで、かつ、等間隔にで形成してから、絶縁シートｆを湾曲させて円筒状に成形するとともに、複数の導電条の一端部を隣接する導電条の他端分に接続することによって、複数の導電条がそれぞれコイルの１ターンを形成するので、複数ターンを有する円筒状のシートコイルｃを形成することができる。
【００６７】
そうして、誘導コイルＩＣは、加熱ローラＨＲの発熱層と空芯トランス結合の磁気結合を行うので、誘導コイルＩＣで発生する磁束が加熱ローラＨＲの軸方向に沿って発熱層を包むように分布して発熱層と鎖交する。そのために、発熱層には、加熱ローラＨＲおよび誘導コイルＩＶＣの中心軸に沿って分布する磁束を取り巻くように２次電流が誘起される。その結果、２次電流が発熱層をの周回方向に流れ、その際に発熱層がジュール熱するので、加熱ローラＨＲは、温度上昇して加熱される。
【００６８】
図７は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第４の形態を示す加熱ローラおよび誘導コイルの概念的横断面図である。本形態は、図６に示す第３の形態におけると同様にトランス方式の誘導加熱を行うが、誘導コイルＩＣを加熱ローラＨＲに一体化していることにより、両者間の磁気結合を特に高くしている点で異なる。
【００６９】
すなわち、誘導コイルＩＣを加熱ローラＨＲの内面に当接した状態で固定して加熱ローラＨＲと一体化している。誘導コイルＩＣと加熱ローラＨＲとの間の固定は、例えば接着などにより行うことができる。したがって、誘導コイルＩＣは、加熱ローラＨＲと一緒に回転する。そこで、誘導コイルＩＣに高周波電力を供給するために、誘導コイルＩＣと高周波電源との間に回転集電機構を介在させるのがよい。なお、回転集電機構は既知のものを適宜採用すればよいので、図示を省略している。一例としては、誘導コイルＩＣの両端に集電リングを接続し、高周波電源側に集電リングに摺接する集電子を配設することができる。この場合、集電リングは、シートコイルｃと同様の手段により絶縁シートｆに形成することができる。なお、終電リングと集電子との配置は、上記と逆であってもよい。
【００７０】
図８は、本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第５の形態を示す概念的横断面図である。本形態は、第３の形態におけると同様にトランス方式の誘導コイルを加熱ローラに一体化しているが、誘導コイルＩＣと加熱ローラＨＲの発熱層ｈが基体ｂを介さないで積層されている点で異なる。
【００７１】
すなわち、誘導コイルＩＣは、シート状をなし、加熱ローラＨＲの基体ｂの外面に密着して配設され、さらにその上に発熱層ｈが密着して積層されている。なお、回転集電機構としては、例えば基体の外面に密着する絶縁シートの上に誘導コイルの受電端子を導出して、当該受電端子を基体の外面に配設した集電リングに接続し、集電リングに対向して高周波電源に接続する集電子を配設することができる。
【００７２】
また、誘導コイルＩＣと発熱層ｈとの間の絶縁を行うために、誘導コイルの表裏を絶縁シートで挟み込むことができる。発熱層ｈを絶縁シートに金属蒸発層として形成したり、導電金属箔を貼着したりして、背面側の絶縁シートを誘導コイルの表面側の絶縁シートと兼用することもできる。なお、加熱ローラＨＲは、基体ｂ、発熱層ｈおよび保護層ｐを備えている。
【００７３】
そうして、本形態においては、誘導コイルＩＣと加熱ローラＨＲの発熱層ｈが直接的に積層することにより、より一層高い磁気結合が得られる。
【００７４】
図９および図１０は、本発明の画像形成装置を実施するための一形態としての複写機を示し、図９は概念的断面図、図１０は定着装置の断面図である。各図において、３１は読取装置、３２は画像形成手段、３３は定着装置、３４は画像形成装置ケースである。
【００７５】
読取装置３１は、原紙を光学的に読み取って画像信号を形成する。
【００７６】
画像形成手段３２は、画像信号に基づいて感光ドラム３２ａ上に静電潜像を形成し、この静電潜像にトナーを付着させて反転画像を形成し、これを紙などの記録媒体に転写して画像を形成する。
【００７７】
定着装置３３は、図１０に示すように、記録媒体に付着したトナーを加熱溶融して熱定着する。また、定着装置３３は、誘導加熱ローラ装置２１、加圧ローラ２２および架台２５を備えている。なお、図中符号２３は記録媒体、２４はトナーである。加圧ローラ２２は、誘導加熱ローラ装置２１の加熱ローラＨＲと圧接関係を有して配設されており、両者の間に記録媒体２３を狭圧しながら搬送する。記録媒体２３は、その表面にトナー２４が付着することにより、画像が形成される。なお、記録媒体２３は、トナー画像が形成されていて、被加熱体に相当している。架台２５は、以上の各構成要素（記録媒体２３を除く。）を所定の位置関係に装架している。
【００７８】
そうして、定着装置３３は、トナー２４が付着して画像を形成している記録媒体２３が誘導加熱ローラ装置２１の加熱ローラＨＲと加圧ローラ２２との間に挿入されて搬送されるとともに、加熱ローラＨＲの熱を受けてトナー２４が加熱されて溶融し、熱定着が行われる。
【００７９】
画像形成装置ケース３４は、以上の各装置および手段３１ないし３３を収納するとともに、搬送装置、電源装置および制御装置などを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第１の形態を示す装置全体の概要を示す回路ブロック図
【図２】同じく誘導コイルおよび加熱ローラの概念的横断面図
【図３】同じく誘導コイル分解斜視図
【図４】同じく高周波電源の回路図
【図５】本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第２の形態を示す分解斜視図
【図６】本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第３の形態を示す誘導コイルの概念的斜視図
【図７】本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第４の形態を示す加熱ローラおよび誘導コイルの概念的横断面図
【図８】本発明の誘導加熱ローラ装置を実施するための第５の形態を示す概念的横断面図
【図９】本発明の画像形成装置を実施するための一形態としての複写機を示す概念的断面図
【図１０】同じく定着装置の断面図
【符号の説明】
【００８１】
Ａ…誘導コイル内部配置、Ｂ…誘導コイル外部配置、ｃ…シートコイル、ｆ…絶縁シート、ＨＲ…加熱ローラ、ＩＣ…誘導コイル
【図１】
2005285657.tif 000003
【図２】
2005285657.tif 000004
【図３】
2005285657.tif 000005
【図４】
2005285657.tif 000006
【図５】
2005285657.tif 000007
【図６】
2005285657.tif 000008
【図７】
2005285657.tif 000009
【図８】
2005285657.tif 000010
【図９】
2005285657.tif 000011
【図１０】
2005285657.tif 000012