(57)【要約】【課題】駆動周波数が高いときに、磁束発生部を介して定着ローラへ高電力を投入できる定着装置を提供すること。【解決手段】通電されて磁束を発生するコイル３１を有する磁束発生部３を備える。その磁束による電磁誘導によって発熱する厚さ１００μｍ以下の発熱層を外周面に沿って有する定着ローラ１を備える。コイル３１に直列接続されて直列共振回路を構成するコンデンサを備える。その直列共振回路に或る駆動周波数の電圧を印加することで磁束発生部３を介して定着ローラ１を発熱させる高周波電源回路４，５を備える。定着ローラ１の外周面１ａに圧接されつつ搬送されるシート９０に定着ローラ１の発熱層の熱によって画像を定着させるようになっている。【選択図】図１
2007147845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電されて磁束を発生するコイルを有する磁束発生部と、
その磁束による電磁誘導によって発熱する厚さ１００μｍ以下の発熱層を外周面に沿って有する定着ローラと、
上記コイルに直列接続されて直列共振回路を構成するコンデンサと、
上記直列共振回路に或る駆動周波数の電圧を印加することで上記磁束発生部を介して上記定着ローラを発熱させる高周波電源回路とを備え、
上記定着ローラの外周面に圧接されつつ搬送されるシートに上記定着ローラの発熱層の熱によって画像を定着させるようになっていることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
請求項１に記載の定着装置において、
上記駆動周波数が上記直列共振回路の共振周波数と一致しているときに、上記高周波電源回路が上記磁束発生部および上記定着ローラへ投入できる電力をワット単位でＰｗＭＡＸ、上記コイルの両端部の間で観測される実効的な抵抗値をオーム単位でＲｓとそれぞれ表すと、
Ｒｓ≦１４７．８８×ＰｗＭＡＸ−０．５４９８
なる関係が満たされていることを特徴とする誘導加熱定着装置。
【請求項３】
請求項１に記載の定着装置において、
上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層の体積抵抗率が３×１０−８Ω・ｍ以下であることを特徴とする定着装置。
【請求項４】
請求項１に記載の定着装置において、
上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層の厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする定着装置。
【請求項５】
請求項１に記載の定着装置において、
上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層の材質がアルミニウムであることを特徴とする定着装置。
【請求項６】
請求項１に記載の定着装置において、
上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層が非磁性材料からなることを特徴とする定着装置。
【請求項７】
用紙上にトナーを定着させる定着装置であって、
支持層の周囲に順次、断熱層、発熱層、弾性層、離型層を備えるとともに、上記発熱層の厚さが１００μｍ以下である定着ローラと、
上記定着ローラに圧接して配置された加圧ローラと、
上記定着ローラの外周に対向して配置され、通電されて磁束を発生するコイルを有する磁束発生部と、
上記コイルに直列接続されて直列共振回路を構成するコンデンサと、
上記直列共振回路に或る駆動周波数の電圧を印加することで上記磁束発生部を介して上記定着ローラを発熱させる高周波電源回路と
を備えたことを特徴とする定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は定着装置に関し、より詳しくは、電磁誘導加熱方式で定着ローラを加熱し、その定着ローラの発熱でシートに画像を定着させる定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の定着装置としては、特許文献１（特開２０００−２１４７０２号公報）、特許文献２（特開２０００−２１４７１３号公報）のように、相互圧接された定着ローラと加圧ローラとを有し、磁束発生部の発生磁束によって定着ローラの電磁誘導発熱性層（以下「発熱層」という。）を加熱し、両ローラの圧接ニップ部で未定着像を担持した記録材を扶持搬送して未定着像を記録材に溶融定着させるものが知られている。上記定着ローラの発熱層としては、熱容量を小さくして昇温特性を高めるために、例えば厚さ１００μｍという薄厚の無端状のニッケル電鋳ベルト層が用いられている。
【０００３】
従来は、図１２の等価回路に示すように、磁束発生部への電力供給は、並列共振回路１４２を含む高周波インバータ１０４によって行われている。この高周波インバータ１０４は、ＡＣ電源１４０と、ダイオードブリッジＤＢ１４１、平滑コイルＬｆ１４１および平滑コンデンサＣｆ１４１からなる整流回路１４１と、パワートランジスタからなるスイッチング素子１４５と、このスイッチング素子１４５を過電圧から保護するためのフライホイールダイオードＤ１４５と、共振コンデンサ１４４を含む並列共振回路１４２とから構成されている。共振コンデンサ１４４は、磁束発生部に含まれたコイル（定着ローラに沿って配置されている）１４３に対して並列接続されている。なお、コイル１４３の両端で観測したインダクタンス、実効抵抗（上記コイルに対して電磁誘導により結合している定着ローラなどの寄与を含む。）をそれぞれＬｓ１４３、Ｒｓ１４３と表している。
【特許文献１】特開２０００−２１４７０２号公報
【特許文献２】特開２０００−２１４７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、定着ローラの発熱層（ニッケル層）の厚さが１００μｍ以下というように薄い場合、高い発熱効率を得るためには、より高周波にて駆動して、次式（１）に示す浸透深さ（単位；ｍ）を浅くする必要がある。
【０００５】
（浸透深さ）＝（πｆμρ）−１／２                        …（１）
ここで、ｆは駆動周波数（単位；Ｈｚ）、μは発熱層の透磁率（単位；Ｈ／ｍ）、ρは発熱層の導電率（単位；Ｓ／ｍ）である。
【０００６】
例えば発熱層（ニッケル層）の厚さが４０μｍである場合は、駆動周波数ｆは、最低でも４０ｋＨｚ程度、理想で６０ｋＨｚ以上であることが要求される。
【０００７】
一方、図１３の駆動波形から分かるように、上述の高周波インバータ１０４では、投入電力（コイル１４３を流れる電流ＩＬｓに依存）はスイッチング素子オン期間Ｔ（コレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥが低い期間）の長さに依存する。駆動周波数ｆを高くした場合、スイッチング素子オン期間Ｔが短くなるため、高い投入電力を確保するのが困難になる。例えば１２００Ｗ程度を確保する場合、駆動周波数ｆとしては２５ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ弱程度が上限である。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、駆動周波数が高いときに、磁束発生部を介して定着ローラへ高電力を投入できる定着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明の定着装置は、
通電されて磁束を発生するコイルを有する磁束発生部と、
その磁束による電磁誘導によって発熱する厚さ１００μｍ以下の発熱層を外周面に沿って有する定着ローラと、
上記コイルに直列接続されて直列共振回路を構成するコンデンサと、
上記直列共振回路に或る駆動周波数の電圧を印加することで上記磁束発生部を介して上記定着ローラを発熱させる高周波電源回路とを備え、
上記定着ローラの外周面に圧接されつつ搬送されるシートに上記定着ローラの発熱層の熱によって画像を定着させるようになっていることを特徴とする。
【００１０】
この発明の定着装置では、高周波電源回路が上記直列共振回路に或る駆動周波数の電圧を印加することで上記磁束発生部を介して上記定着ローラを発熱させる。ここで、上記コイルとコンデンサが構成する直列共振回路では、駆動周波数と共振周波数とが一致しているときに、インピーダンスＺが最小となり、電流が最も多く流れ、したがって、上記磁束発生部を介して上記定着ローラへ投入される電力が最大となる（これを適宜「最大投入電力」と呼ぶ。）。したがって、定着ローラの発熱層の厚さが１００μｍ以下というように薄くて、駆動周波数が高く設定されるときでも、高電力を投入できる。つまり、高い発熱効率と高い投入電力とを両立させることができる。この結果、短時間でのウオームアップ、通紙速度の向上が可能となる。
【００１１】
上記定着ローラの外周面に圧接されてニップ部を形成する加圧ローラを備えるのが望ましい。この場合、上記ニップ部を通してシートを円滑に搬送でき、定着される画像の質を高めることができる。
【００１２】
また、上記高周波電源回路は、上記直列接続されたコイルとコンデンサの互いに反対側の端子にそれぞれ接続された一対のスイッチング素子と、上記一対のスイッチング素子を上記駆動周波数でオンオフ制御する制御部とを備えるのが望ましい。
【００１３】
一実施形態の定着装置は、上記駆動周波数が上記直列共振回路の共振周波数と一致しているときに、上記高周波電源回路が上記磁束発生部および上記定着ローラへ投入できる電力をワット単位でＰｗＭＡＸ、上記コイルの両端部の間で観測される実効的な抵抗値をオーム単位でＲｓとそれぞれ表すと、
Ｒｓ≦１４７．８８×ＰｗＭＡＸ−０．５４９８                      …（２）
なる関係が満たされていることを特徴とする。
【００１４】
ここで、「上記コイルの両端部の間で観測される実効的な抵抗値」（これを「実効抵抗値」と呼ぶ。）とは、上記高周波電源回路を切り離し、上記コイルの両端部の間で、上記コイルに対して電磁誘導により結合する定着ローラや、上記磁束発生部に含まれたコアなどの寄与を含んで観測したときの抵抗値を指す。
【００１５】
また、上記式（２）の関係は、本発明者による後述の実験により得られた実験式である。所望の最大投入電力ＰｗＭＡＸ（単位；ワット）が定められたときに、上記式（２）の関係を満たすように上記実効抵抗値Ｒｓ（単位；オーム）を設定すれば、その最大投入電力ＰｗＭＡＸが得られる。なお、実効抵抗値Ｒｓは、例えば上記コイルの巻き数や、上記定着ローラの発熱層を支持する支持層の材質などを変えることにより、可変して設定できる。
【００１６】
一実施形態の定着装置は、上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層の体積抵抗率が３×１０−８Ω・ｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
この一実施形態の定着装置によれば、上記実効抵抗値Ｒｓを比較的小さく抑えることができる。したがって、最大投入電力ＰｗＭＡＸを高めることができる。
【００１８】
一実施形態の定着装置は、上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層の厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１９】
この一実施形態の定着装置によれば、上記実効抵抗値Ｒｓを比較的小さく抑えることができる。したがって、最大投入電力ＰｗＭＡＸを高めることができる。
【００２０】
一実施形態の定着装置は、上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層の材質がアルミニウムであることを特徴とする。
【００２１】
この一実施形態の定着装置によれば、アルミニウムは比較的体積抵抗率が低いことから、上記実効抵抗値Ｒｓを比較的小さく抑えることができる。したがって、最大投入電力ＰｗＭＡＸを高めることができる。
【００２２】
一実施形態の定着装置は、上記定着ローラの上記発熱層を支持する支持層が非磁性材料からなることを特徴とする。
【００２３】
この一実施形態の定着装置によれば、上記実効抵抗値Ｒｓを比較的小さく抑えることができる。したがって、最大投入電力ＰｗＭＡＸを高めることができる。
【００２４】
別の局面では、この発明の定着装置は、
用紙上にトナーを定着させる定着装置であって、
支持層の周囲に順次、断熱層、発熱層、弾性層、離型層を備えるとともに、上記発熱層の厚さが１００μｍ以下である定着ローラと、
上記定着ローラに圧接して配置された加圧ローラと、
上記定着ローラの外周に対向して配置され、通電されて磁束を発生するコイルを有する磁束発生部と、
上記コイルに直列接続されて直列共振回路を構成するコンデンサと、
上記直列共振回路に或る駆動周波数の電圧を印加することで上記磁束発生部を介して上記定着ローラを発熱させる高周波電源回路と
を備えたことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２６】
図１は、カラーレーザプリンタ用の一実施形態の定着装置の断面構成を示している。
【００２７】
この定着装置は、概略、定着ローラ１と、加圧ローラ２と、磁束発生部３と、高周波電源回路としての高周波インバータ４および制御回路５とを備えている。６は温度センサ、８は分離爪、９０はシートとしての用紙である。
【００２８】
定着ローラ１と加圧ローラ２は、それぞれ図１の紙面に対して垂直に延びる円筒状の部材であり、上下に互いに平行に配置され、それぞれ両端が不図示の軸受部材に回転自在に支持されている。加圧ローラ２は、バネなどを用いた不図示の加圧機構によって定着ローラ１へ向かって付勢されている。これにより、定着ローラ１の下部と加圧ローラ２の上部とが所定の加圧力（後述）で圧接されて、ニップ部を形成している。加圧ローラ２は、不図示の駆動機構により図中に矢印で示す時計回り方向に所定の周速度で回転駆動される。定着ローラ１はニップ部での加圧ローラ２との摩擦力によって加圧ローラ２の回転に従動回転する。なお、定着ローラ１を回転駆動させて加圧ローラ２を従動回転させてもよい。
【００２９】
図２に示すように、定着ローラ１は、中心側から外周面１ａ側へ向かって順に設けられた、支持層としての芯金１１と、断熱層１２と、発熱層１３と、弾性層１４と、離型層１５との５層構成になっている。定着ローラ１の硬度は、例えばＡＳＫＥＲ−Ｃ硬度で３０度〜９０度である。
【００３０】
支持層としての芯金１１は、この例では外径２６ｍｍで、厚さ４ｍｍのアルミニウムからなっている。芯金１１の材料は、強度が確保できれば、例えば鉄、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）のような耐熱性のモールドのパイプであっても良い。ただし、芯金１１が発熱するのを防ぐために、電磁誘導加熱の影響が少ない非磁性材料を用いるのが望ましい。
【００３１】
断熱層１２は、主に、発熱層１３を断熱状態にするために設けられている。この断熱層１２の材料としては、耐熱性・弾性を有するゴム材や樹脂材のスポンジ体（断熱構造体）が用いられる。これにより、断熱層１２は、断熱の役割だけでなく、発熱層１３のたわみを許容してニップ幅を増やし、定着ローラ１の硬度を小さくして排紙性・用紙分離性能を向上させる役目を果たす。例えば、断熱層１２がシリコンスポンジ材からなる場合は、厚さが２ｍｍ〜１０ｍｍ、望ましくは３ｍｍ〜７ｍｍ、硬度がアスカーゴム硬度計で２０度〜６０度、望ましくは３０度〜５０度に設定される。なお、断熱層１２は、ゴム材及びスポンジ体の２層構成としてもよい。
【００３２】
発熱層１３は、磁束発生部３からの磁束による電磁誘導によって発熱するために設けられている。この例では、発熱層１３は、厚さ４０μｍの無端状のニッケル電鋳ベルト層からなっている。発熱層１３の厚さは１０μｍ〜１００μｍであるのが望ましく、２０μｍ〜５０μｍであるのがより望ましい。発熱層１３の厚さを１００μｍ以下、より望ましくは５０μｍ以下としている理由は、発熱層１３の熱容量を小さくして昇温速度を高めるためである。発熱層１３の材料としては、例えば磁性ステンレスのような磁性材料（磁性金属）といった、比較的透磁率μが高く、適当な抵抗率ρを持つ物を用いてもよい。さらに非磁性材料であっても、金属などの導電性のある材料は、薄膜にすることなどにより、発熱層１３の材料として使用可能である。なお、発熱層１３の構成は、電磁誘導によって発熱する粒子を樹脂に分散させたものとしても良い。この構成により、分離性を良くすることが可能となる。
【００３３】
弾性層１４は、厚み方向の弾力性によって、用紙と定着ローラ表面との密着性（カラー画像に対応するために重要である。）を高めるために設けられている。この例では、弾性層１４は、耐熱性・弾性を有するゴム材や樹脂材であり、具体的には、定着温度での使用に耐えられるシリコンゴム、フッ素ゴム等の耐熱性エラストマからなっている。弾性層１４に、熱伝導性、補強等を目的として各種充填剤を混入してもかまわない。充填剤として用いられる熱伝導性粒子としては、ダイヤモンド、銀、銅、アルミニウム、大理石、ガラス等があるが、実用的にはシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ベリリウムが挙げられる。
【００３４】
弾性層１４の厚みは、例えば厚さ１０μｍ〜８００μｍが好ましく、１００μｍ〜３００μｍがより好ましい。弾性層１４の厚さが１０μｍ未満であると、目的である厚み方向の弾力性を得ることが難しくなる。一方、８００μｍを超える厚さになると、発熱層で発生した熱が定着フィルム外周面に達し難くなり、熱効率が悪化する傾向が生ずる。
【００３５】
弾性層１４がシリコンゴムからなる場合、その硬度はＪＩＳ硬度で１度〜８０度、望ましくは５度〜３０度であることが好ましい。このＪＩＳ硬度範囲であれば、弾性層の強度の低下、密着性の不良を防止しつつ、トナーの定着性の不良を防止できる。このシリコンゴムとしては具体的には、１成分系、２成分系又は３成分系以上のシリコンゴム、ＬＴＶ（Low Temperature Vulcanization）型、ＲＴＶ（Room Temperature Vulcanization）型又はＨＴＶ（High Temperature Vulcanization）型のシリコンゴム、縮合型又は付加型のシリコンゴム等を使用できる。この例では、弾性層１４の材料として、ＪＩＳ硬度１０度、厚さ２００μｍのシリコンゴムを用いた。
【００３６】
最外層の離型層１５は、外周面１ａの離型性を高めるために設けられている。この離型層１５の材料は、定着温度での使用に耐えられる上にトナーに対する離型性を有することを要し、例えばシリコンゴム、フッ素ゴムや、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＥＰ（パーフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）等のフッ素樹脂が好ましく用いられる。離型層１５の厚さは、５μｍ〜１００μｍが好ましく、１０μｍ〜５０μｍがより好ましい。また、層間接着力を向上させるためにプライマ等による接着処理を行ってもよい。なお、離型層１４の中に必要に応じて、導電材、耐摩耗材、良熱伝導材をフィラとして添加することもできる。
【００３７】
図３に示すように、加圧ローラ２は、中心側から外周面２ａ側へ向かって順に設けられた、厚さ３ｍｍのアルミニウムからなる芯金２１と、厚さ３ｍｍ〜１０ｍｍのシリコンスポンジゴムからなる断熱層２２と、ＰＴＦＥやＰＦＡ等の厚さ１０μｍ〜５０μｍのフッ素系樹脂からなる離型層２５との３層構成からなっている。
【００３８】
芯金２１の材料は、強度が確保できれば、例えば鉄、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）のような耐熱性のモールドのパイプであっても良い。ただし、芯金２１が発熱するのを防ぐために、電磁誘導加熱の影響が少ない非磁性材料を用いるのが望ましい。
【００３９】
シリコンスポンジゴムからなる断熱層２２の厚さは、３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で使用条件に合わせて適宜変更可能である。なお、断熱層２２は、シリコンゴム及びシリコンスポンジの２層構成としてもよい。
【００４０】
最外層の離型層２５は、外周面２ａの離型性を高めるために設けられている。
【００４１】
この加圧ローラ２は、図１に示す定着ローラ１に対して３００Ｎ〜５００Ｎの加圧力で圧接されて、ニップ部を形成している。この場合のニップ幅は約５ｍｍ〜１５ｍｍになる。都合によっては荷重を変化させてニップ幅を変えてもよい。
【００４２】
磁束発生部３は、図１に示すように、定着ローラ１の上部を覆うように配置された台形状の断面をもつコイルボビン３３と、このコイルボビン３３の斜面に沿って層状に配置された励磁コイル３１と、コイルボビン３３の断面と略同じ台形状の断面をもち、励磁コイル３１を挟んでコイルボビン３３に沿って配置された磁性体コア３２とを含んでいる。
【００４３】
図４に示すように、コイルボビン３３、励磁コイル３１および磁性体コア３２は、定着ローラ１の長手方向（軸方向）Ｘの寸法に略対応した長さ寸法を有する長尺部材である。
【００４４】
コイルボビン３３は、励磁コイル３１および磁性体コア３２を支持するために設けられている。このコイルボビン３３は、非磁性材料からなるのが望ましく、この例では厚さ１ｍｍ〜３ｍｍの耐熱性の樹脂（例えばポリイミド）からなる。
【００４５】
励磁コイル３１は、高周波インバータ４から電力供給を受けて磁束を発生させるために設けられている。励磁コイル３１は、導線束を長円形状に複数回巻回して形成されている。この導線束は、定着ローラ１の長手方向Ｘに沿って延びる往路部分３１ａおよび復路部分３１ｂと、定着ローラ１の両端１ｃ，１ｄのところで、往路部分３１ａと復路部分３１ｂとをつなぐ湾曲部分３１ｃ，３１ｄとを有する。なお、１本の導線束は、通電効率を高めるために素線（直径０．１８ｍｍ〜０．２０ｍｍ程度の銅線であってエナメルで絶縁被覆されたもの）を百数十本程度束ねて形成された直径数ｍｍ程度の公知の撚り線である。これにより、高周波インバータ４から駆動周波数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、電力１００Ｗ〜２０００Ｗの電力を受けることができる。なお、この例では、巻き線に伝熱した場合を考え、耐熱性の樹脂で被覆したものを使用した。
【００４６】
磁性体コア３２は、磁気回路の効率を上げるためと磁気遮蔽のために設けられている。この例では、磁性体コア３２は、長手方向Ｘに延びる一対の縁部３２Ｐ，３２Ｐと、これらの縁部３２Ｐ，３２Ｐにまたがって一体に形成された複数の台形部３２Ｄ（図１中に示した断面をもつ。）とからなっている。台形部３２Ｄは、長手方向Ｘに関して両端近傍では密なピッチで配列され、長手方向Ｘに関して両端近傍を除く内部では粗なピッチで配列されている。この磁性体コア３２の材料としては、高透磁率かつ低損失の磁性材料を用いる。パーマロイのような合金の場合は、コア内の渦電流損失が高周波で大きくなるため積層構造にしてもよい。この励磁コイル３１とコア３２の磁気回路部分は、磁気遮蔽が十分にできる手段がある場合は空芯（コア無し）にしてもよい。また、樹脂材に磁性粉を分散させたものを用いると、透磁率は比較的低いが、形状を自由に設定することができる。また、磁性体コア３２の横断面をＥ字形状として中央部に定着ローラ１へ向かって突出したコアを設けることにより、発熱効率を高めることもできる。
【００４７】
励磁コイル３１が発生した磁束は磁性体コア３２の内部を外部に漏れることなく通り、コアの突起部間で初めて磁性体コア外部に漏れ、定着ローラ１の発熱層１３を貫き、発熱層１３に渦電流が流れて発熱層１３自体が発熱（ジュール発熱）する。定着ローラ１の発熱層１３直下は断熱層１２（図２参照）によって断熱されていることから、発熱層１３の発熱によって弾性層１４および離型層１５が迅速に加熱されて、定着ローラ１の外周面１ａの温度（これを「定着ローラ表面温度」と呼ぶ。）が上昇する。
【００４８】
定着ローラ１の加熱と温調制御は制御回路５によって行われる。温度センサ６は例えばサーミスタであり、定着ローラ１の外周面１ａに当接するように配置されている。この温度センサ６の定着ローラ表面温度を表す検出信号が制御回路５に入力される。制御回路５は、温度センサ６の検出信号をもとに高周波インバータ４を制御して高周波インバータ４から励磁コイル３１への電力供給を増減させる。これにより、定着ローラ表面温度が所定の一定温度になるように自動制御される。これにより、用紙９０に熱が奪われても、定着ローラ表面温度を維持することができる。
【００４９】
定着動作時には、加圧ローラ２が回転駆動され、これに従動して定着ローラ１も回転する。これとともに、磁束発生部３の発生した磁束による電磁誘導によって定着ローラ１の発熱層１３が発熱して定着ローラ１の表面温度が所定の一定温度になるように自動制御される。この状態で、不図示の搬送機構によって、定着ローラ１と加圧ローラ２とが作るニップ部に、未定着トナー像９１が片面に形成されたシートとしての用紙９０が送り込まれる。この場合、用紙９０の未定着トナー像９１が形成された面が定着ローラ１に接する。定着ローラ１と加圧ローラ２とが作るニップ部に送り込まれた用紙９０は、ニップ部を通るときに定着ローラ１によって加熱される。これにより、未定着トナー像９１が用紙９０に定着される。ニップ部を通った用紙９０は定着ローラ１から分離して排出されていく。万一、用紙９０がニップ部通過後に定着ローラ外周面１ａに張り付いてしまった場合は、定着ローラ外周面１ａに当接して配置されている分離爪８がその用紙９０を定着ローラ外周面１ａから強制的に分離させて、ジャムを防止する。
【００５０】
図６は、ＩＨユニット４３に通電を行う高周波インバータ４の回路構成を具体的に示している。
【００５１】
ＩＨユニット４３は、図１中に示した磁束発生部３の励磁コイル３１に加えて、励磁コイル３１に対して電磁誘導により結合する定着ローラ１やコア３２などの寄与を含むものであり、図６中ではインダクタンスＬｓ４３と実効抵抗Ｒｓ４３とからなる直列等価回路によって表されている。なお、これらのインダクタンスＬｓ４３と実効抵抗Ｒｓ４３の値は、図５に示すように、一般的にＬＣＲメータと呼ばれるインピーダンス測定器３１０を磁束発生部３の励磁コイル３１の両端部に接続して測定すれば良い。
【００５２】
ＩＨユニット４３、実際には励磁コイル３１には、共振コンデンサ４４が直列接続されて直列共振回路４２を構成している。この直列共振回路４２の共振周波数ｆ０（単位；Ｈｚ）は、次式（３）で与えられる。
【００５３】
ｆ０＝１／（２π（ＬｓＣ）１／２）                            …（３）
ただし、ＬｓはインダクタンスＬｓ４３の値（単位；Ｈ（ヘンリ））、Ｃは共振コンデンサ４４の容量（単位；Ｆ（ファラッド））である。
【００５４】
高周波インバータ４は、ＡＣ電源４０と、ダイオードブリッジＤＢ４１、平滑コイルＬｆ４１および平滑コンデンサＣｆ４１からなる整流回路４１と、それぞれパワートランジスタからなる一対のスイッチング素子４５Ａ，４５Ｂと、これらのスイッチング素子４５Ａ，４５Ｂを過電圧から保護するためのフライホイールダイオードＤ４５Ａ，Ｄ４５Ｂとから構成されている。
【００５５】
上記一対のスイッチング素子４５Ａ，４５Ｂは、制御部としての制御回路５によって或る駆動周波数ｆでオンオフ制御されるようになっている。これにより、ＩＨユニット４３、具体的には、磁束発生部３を介して定着ローラ１へ電力が投入される。
【００５６】
なお、図７は、直列共振回路４２の駆動波形を示している。ＩＬｓはＩＨユニット４３を流れる電流を示し、ＶＣＥは各スイッチング素子４５Ａ，４５Ｂのコレクタ・エミッタ間電圧を示し、また、Ｔはスイッチング素子オン期間を示している。
【００５７】
直列共振回路４２では、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ０とが一致しているときに、インピーダンスＺが最小となり、電流が最も多く流れる。したがって、磁束発生部３を介して定着ローラ１へ投入される電力が最大となる（これを適宜「最大投入電力ＰｗＭＡＸ」と呼ぶ。）。したがって、この例のように定着ローラ１の発熱層の厚さが１００μｍ以下というように薄くて、駆動周波数ｆが高く設定されるときでも、高電力を投入できる。つまり、高い発熱効率と高い投入電力とを両立させることができる。この結果、短時間でのウオームアップ、通紙速度の向上が可能となる。
【００５８】
定着ローラ１へ投入される電力を制御するには、駆動周波数ｆを共振周波数ｆ０から少し増加させて、直列共振回路４２に流れる電流を少し低下させればよい。
【００５９】
さて、直列共振回路４２を用いる場合、最大投入電力ＰｗＭＡＸはＩＨユニット４３の実効抵抗Ｒｓ４３の値（以下、適宜「Ｒｓ」と呼ぶ。）に依存する。実効抵抗値Ｒｓは、例えばＩＨユニット４３を構成する磁束発生部３（励磁コイル３１、コア３２）、定着ローラ１の構成、材料及び磁束発生部３と定着ローラ１との距離等を変えることにより、可変して設定できる。
【００６０】
以下、この実効抵抗値Ｒｓを可変して設定する仕方について説明する。
【００６１】
まず、磁束発生部３に関しては、例えば図８に示すように、実効抵抗値Ｒｓは、定着ローラ１の長手方向に沿わせて巻かれる励磁コイル３１の巻き数によって調整可能であり、巻き数を減らすとＲｓは低下する（ただし、インダクタンスＬｓも低下する。）。また、実効抵抗値Ｒｓは、励磁コイル３１をなす導線束の縒り数（素線を束ねる数）によっても調整可能であり、縒り数を増加させるとＲｓは低下する（ただし、Ｌｓも低下する。）。
【００６２】
コア３２の配置に関しては、実効抵抗値Ｒｓは、図４に示した台形部３２Ｄの長手方向Ｘのピッチによって調整可能であり、長手方向Ｘのピッチを粗にする（間引く）とＲｓは低下する（ただし、Ｌｓも低下する。）。また、コア３２の形状によっても調整可能である。
【００６３】
次に、定着ローラ１の構成に関しては、主に、発熱層１３及び芯金１１が実効抵抗値Ｒｓに対して影響を及ぼす。
【００６４】
発熱層１３については、厚みを増やすと、用紙の分離にとって不利になるし、発熱層自体の熱容量も増大するため昇温特性への悪影響も考えられる。一方、厚みを減らすと、浸透深さの影響により駆動周波数ｆが高く設定される結果、Ｒｓを増加させることもある（Ｒｓ及びＬｓは周波数依存があり、周波数の増加に伴ってＲｓも増加する）。したがって、発熱層１３についてはそれらのバランスをとることが重要であり、実効抵抗値Ｒｓを可変して設定するために自由に変更できる余地は少ない。
【００６５】
芯金１１については、外径、材質、厚みなどのパラメータを、特に不具合を生ずることなく様々に変更することができる。
【００６６】
例えば図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃに示す芯金１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのように、芯金１１の外径をＡ、Ｂ、Ｃというように変更することができる。外径Ａ、Ｂ、Ｃは、定着ローラ１の外径（この例では４０ｍｍ）に対する比が、それぞれ７０％、６０％、５０％である場合に相当する。
【００６７】
また、芯金１１の材質を、Ａｌ（体積抵抗率２．７５×１０−８Ω・ｍ）、Ｆｅ合金（体積抵抗率２０×１０−８Ω・ｍ〜４０×１０−８Ω・ｍ）、非磁性ＳＵＳ（体積抵抗率７０×１０−８Ω・ｍ）というように変更することができる。
【００６８】
また、芯金１１を中空で例えば４ｍｍ厚とし、または中実にするというように変更することができる。
【００６９】
図１０は、そのように芯金１１の外径、材質、厚みなどのパラメータを変更したときの実効抵抗値Ｒｓの測定結果を示している。
【００７０】
この図１０から明らかなように、定着ローラの外径が同等の場合において同様の材料であれば、芯金１１の外径が大きい程Ｒｓは低下する（ただし、Ｌｓも低下する。）。
【００７１】
また、芯金１１の形状が同じであっても、Ｆｅ合金（体積抵抗率２０×１０−８Ω・ｍ〜４０×１０−８Ω・ｍ）及び非磁性ＳＵＳ（体積抵抗率７０×１０−８Ω・ｍ）よりもＡｌ（体積抵抗率２．７５×１０−８Ω・ｍ）のように体積抵抗率の低い材質の方がＲｓは低い（このとき、Ｌｓは大差なし。）。なお、Ｆｅは、強磁性体であるから磁束を受けて発熱して、発熱層１３の発熱効率を低下させる可能性がある。
【００７２】
また、芯金１１が中空で２ｍｍ厚以上であるか、中実である場合（最も厚くなったことに相当）は、厚みにかかわらずＲｓ及びＬｓは略同じになる。芯金１１が中空で２ｍｍ厚より薄い場合は、厚くなる程Ｒｓは低下する。
【００７３】
磁束発生部３と定着ローラ１との間の距離に関しては、距離を長くするとＲｓは低下する（ただし、Ｌｓは増加する。）。
【００７４】
図１１は、上述のように磁束発生部３、定着ローラ１に関するパラメータを様々に設定して得られた各サンプルの実効抵抗値Ｒｓと最大投入電力ＰｗＭＡＸとの関係を表す散布図である。
【００７５】
この図１１から、本発明者は、
Ｒｓ≦１４７．８８×ＰｗＭＡＸ−０．５４９８                      …（２）
なる関係が満たされていることを発見した。
【００７６】
これは、所望の最大投入電力ＰｗＭＡＸ（単位；ワット）が定められたときに、この式（２）の関係を満たすように実効抵抗値Ｒｓ（単位；オーム）を設定すれば、その最大投入電力ＰｗＭＡＸが得られることを示している。例えば、所望の最大投入電力ＰｗＭＡＸが１２００Ｗである場合には、Ｒｓを３Ω以下に設定すれば良い。
【００７７】
上述の各パラメータを組み合わせることにより、式（２）の関係を満たすように実効抵抗値Ｒｓを低く設定することができる。
【００７８】
例えば、芯金１１の材料の体積抵抗率が３×１０−８Ω・ｍ以下であれば、Ｒｓを比較的小さく抑えることができる。また、芯金１１の厚みが２ｍｍ以上であれば、Ｒｓを比較的小さく抑えることができる。また、芯金１１が非磁性材料からなれば、Ｒｓを比較的小さく抑えることができる。
【００７９】
また、例えば、定着性、分離性等を改善するために定着ローラ１の断熱層１２の厚みを厚く設定すると、それに伴って芯金１１の外径を小さく設定することになる。この設定に起因して実効抵抗値Ｒｓが大きくなる場合は、例えば、励磁コイル３１の巻き数を減らす、または磁束発生部３と定着ローラ１との距離を増加する等の変更を行って、全体として実効抵抗値Ｒｓが小さくなるように調整することができる。
【００８０】
また、例えば定着ローラ１のべンディングを考慮し芯金１１の材質をＦｅ、ＳＵＳ等、体積抵抗率の高い材料に変更したことに起因して実効抵抗値Ｒｓが大きくなる場合も同様に、例えば、励磁コイル３１の巻き数を減らす、または磁束発生部３と定着ローラ１との距離を増加する等の変更を行って、全体として実効抵抗値Ｒｓが小さくなるように調整することができる。
【００８１】
ただし、インダクタンスＬｓも上述のように影響を受けるため、Ｌｓの値にも考慮する必要がある。Ｌｓが低下すると磁束密度が低下するため、発熱効率が低くなる可能性がある。したがって、投入電力とＬｓに起因する発熱効率とのバランスを取ることも必要である。
【００８２】
なお、この実施形態はカラープリンタ用の定着装置について説明したが、当然ながら、それに限られるものではない。この発明は電磁誘導方式の様々な定着装置に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】この発明の一実施形態の定着装置の概略構成を示す図である。
【図２】上記定着装置の定着ローラの断面構成を示す図である。
【図３】上記定着装置の加圧ローラの断面構成を示す図である。
【図４】図１の定着装置を上方から見たところを示す図である。
【図５】上記定着装置のＩＨユニットの実効抵抗値Ｒｓを観測する仕方を説明する図である。
【図６】上記定着装置のＩＨユニットに通電を行う高周波インバータの回路構成を具体的に示す図である。
【図７】上記定着装置の直列共振回路の駆動波形を示す図である。
【図８】駆動周波数ｆを変化させたときの上記実効抵抗値Ｒｓの測定結果を、励磁コイルの巻き数をパラメータとして示す図である。
【図９Ａ】定着ローラ芯金の外径の設定例を示す図である。
【図９Ｂ】定着ローラ芯金の外径の設定例を示す図である。
【図９Ｃ】定着ローラ芯金の外径の設定例を示す図である。
【図１０】駆動周波数ｆを変化させたときの上記実効抵抗値Ｒｓの測定結果を、芯金の外径、材質、厚みなどをパラメータとして示す図である。
【図１１】上記定着装置の磁束発生部や定着ローラに関するパラメータを様々に設定して得られた各サンプルの実効抵抗値Ｒｓと最大投入電力ＰｗＭＡＸとの関係を表す散布図である。
【図１２】従来の定着装置の並列共振回路を含む高周波電源回路の構成を示す図である。
【図１３】上記従来の定着装置の並列共振回路の駆動波形を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  定着ローラ
２  加圧ローラ
３  磁束発生部
４  高周波インバータ
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、２１  芯金
１２  断熱層
１３  発熱層
１４、２２  弾性層
１５、２５  離型層
３１  励磁コイル
３２  コア
３３  コイルボビン
【図１】
2007147845.tif 000003
【図２】
2007147845.tif 000004
【図３】
2007147845.tif 000005
【図４】
2007147845.tif 000006
【図５】
2007147845.tif 000007
【図６】
2007147845.tif 000008
【図７】
2007147845.tif 000009
【図８】
2007147845.tif 000010
【図９Ａ】
2007147845.tif 000011
【図９Ｂ】
2007147845.tif 000012
【図９Ｃ】
2007147845.tif 000013
【図１０】
2007147845.tif 000014
【図１１】
2007147845.tif 000015
【図１２】
2007147845.tif 000016
【図１３】
2007147845.tif 000017