(57)【要約】    【課題】  電磁誘導作用により加熱ローラを発熱させる誘導加熱ユニットが、加熱ローラの内部に収容された定着装置において、高周波電源における発振制御を容易にすると共に、加熱ローラの温度分布を均一化し、さらに発熱効率を向上させて立ち上がり特性を改善する。    【解決手段】    加熱ローラ２１の内部に収容される誘導加熱ユニット２５が、軸方向に直列に並んで設けられた複数の励磁コイル３２と、この複数の励磁コイルの各々に設けられた複数の磁性体コア３３とを有し、この複数の磁性体コアが、軸方向に隣り合う磁性体コアと配置角度をずらして順次設けられたものとする。特に磁性体コアが、励磁コイルの内側に延在する基部から励磁コイルの外側に突出されて、先端が加熱ローラの内周面に近接する一対の突出部を備えたものとする。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導作用により加熱ローラを発熱させる誘導加熱ユニットが、前記加熱ローラの内部に収容された定着装置であって、
前記誘導加熱ユニットが、軸方向に直列に並んで設けられた複数の励磁コイルと、この複数の励磁コイルの各々に設けられた複数の磁性体コアとを有し、この複数の磁性体コアが、軸方向に隣り合う前記磁性体コアと周方向の配置角度をずらして順次設けられたことを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記磁性体コアが、前記励磁コイルの内側に延在する基部から前記励磁コイルの外側に突出されて、先端が前記加熱ローラの内周面に近接する一対の突出部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記誘導加熱ユニットが、前記加熱ローラの中心線方向に延在して、外周に前記励磁コイル及び前記磁性体コアを保持する芯材を備え、この芯材が、非磁性で且つ高い熱伝導性を有する材料にてパイプ状に形成され、この芯材の内部に送風手段からの冷却風を通して、前記励磁コイル及び前記磁性体コアを冷却するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項４】
前記芯材の周壁に、前記磁性体コアが嵌合する貫通孔が開設され、前記芯材の内部を通る冷却風を前記磁性体コアに直接当てるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の定着装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の定着装置を備えた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、電磁誘導作用により加熱ローラを発熱させる誘導加熱ユニットが、加熱ローラの内部に収容された定着装置及びこれを備えた画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子写真プロセスにより記録紙に画像を形成する画像形成装置（プリンタ、ファクシミリ装置、複写機、及び複合機など）では、感光体から記録紙上に転写された未定着のトナーを熱と圧力により記録紙に定着させる定着装置が設けられている。この定着装置では、近年、加熱ローラなどの加熱媒体を電磁誘導作用で生じる渦電流によるジュール熱で加熱する電磁誘導加熱方式によるものが省エネルギーの観点から注目されている。
【０００３】
このような電磁誘導加熱型の定着装置では、励磁コイル、磁性体コア及びこれらの保持部材からなる誘導加熱ユニットを加熱ローラの外周側に対向配置する構成の他、誘導加熱ユニットを加熱ローラの内部に収容した構成の定着装置が知られている（特許文献１・２参照）。このように誘導加熱ユニットを加熱ローラの内部に収容した構成は、省スペース化を図る上で都合が良い。
【特許文献１】特開２００１−２４２７２７号公報
【特許文献２】特開２００２−２２９３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに、前記従来の技術において、加熱ローラの略全長に渡って延在するように励磁コイルを設ける構成では、加熱ローラを通る磁束長が長くなるため、高周波電源における発振制御が難しいという問題がある。
【０００５】
他方、軸方向に複数の励磁コイルを配置する構成では、加熱ローラを通る磁束長が短くなるため、高周波電源における発振制御が容易になる。しかしながら、単に軸方向に複数の励磁コイルを配置しただけでは、隣り合う励磁コイルの間で発熱が生じない領域が発生し、加熱ローラの温度分布を均一化する観点から望ましくない。
【０００６】
また、軸方向に複数の磁性体コアを配置する構成では、前記の構成と同様に、加熱ローラを通る磁束長が短くなるため、高周波電源における発振制御が容易になる。しかしながら、この構成でも、磁束が透磁率の低い空気中を通過する距離が長いために、加熱ローラでの磁束密度が低くなり、十分に高い発熱効率を達成することができず、通電してから定着に適した温度状態まで加熱ローラを昇温させるために時間を要し、立ち上がり特性の面で難点がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、高周波電源における発振制御を容易にすると共に、加熱ローラの温度分布を均一化することができるように構成された定着装置及びこれを備えた画像形成装置を提供することにある。さらに、本発明は、発熱効率を向上させて立ち上がり特性を改善することができるように構成された定着装置及びこれを備えた画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明においては、請求項１に示すとおり、電磁誘導作用により加熱ローラを発熱させる誘導加熱ユニットが、前記加熱ローラの内部に収容された定着装置において、前記誘導加熱ユニットが、軸方向に直列に並んで設けられた複数の励磁コイルと、この複数の励磁コイルの各々に設けられた複数の磁性体コアとを有し、この複数の磁性体コアが、軸方向に隣り合う前記磁性体コアと周方向の配置角度をずらして順次設けられたものとした。
【０００９】
これによると、加熱ローラを通る磁束長が短くなるため、高周波電源における発振制御が容易になる。しかも、磁性体コアの軸方向中心位置を中心に形成される発熱エリアを、軸方向に隙間なく形成することができるため、軸方向の温度分布を均一化することができる。
【００１０】
この場合、磁性体コアは、異なる配置角度で軸方向に隣り合う磁性体コアと、軸方向に一部重なり合うように配置された構成とすると良い。
【００１１】
また、磁性体コアは、同一の軸方向位置において周方向に等間隔をおいて複数配置された構成とすると良い。これによると、加熱ローラの回転を開始させてから周方向の温度分布が均一化した状態に移行するまでの時間を短縮することができる。
【００１２】
前記定着装置においては、請求項２に示すとおり、前記磁性体コアが、前記励磁コイルの内側に延在する基部から前記励磁コイルの外側に突出されて、先端が前記加熱ローラの内周面に近接する一対の突出部を備えた構成とすることができる。これによると、磁性体コアにおいて磁極となる突出部の先端が加熱ローラの内周面に近接することから、磁束が透磁率の低い空気中を通過する距離が短くなるため、加熱ローラでの磁束密度が高くなり、発熱効率が向上する。
【００１３】
この場合、磁性体コアは、コ字形状、Ｕ字形状、Ｃ字形状など、多様な断面形状が可能であるが、磁束が無用な方向に広がることを避けるため、基部から突出部に至る部分を円弧状をなす形状に形成すると良い。
【００１４】
前記定着装置においては、請求項３に示すとおり、前記誘導加熱ユニットが、前記加熱ローラの中心線方向に延在して、外周に前記励磁コイル及び前記磁性体コアを保持する芯材を備え、この芯材が、非磁性で且つ高い熱伝導性を有する材料にてパイプ状に形成され、この芯材の内部に送風手段からの冷却風を通して、前記励磁コイル及び前記磁性体コアを冷却するようにした構成とすることができる。これによると、誘導加熱を阻害することなく、励磁コイル及び磁性体コアを冷却することができる。
【００１５】
この場合、芯材の形成材料としてアルミニウムが好適である。
【００１６】
また、芯材は、磁性体コアの配置形態に適合するように、４角形、６角形、８角形といった偶数の辺を有する多角形状の断面に形成すると良い。
【００１７】
前記定着装置においては、請求項４に示すとおり、前記芯材の周壁に、前記磁性体コアが嵌合する貫通孔が開設され、前記芯材の内部を通る冷却風を前記磁性体コアに直接当てるようにした構成とすることができる。これによると、冷却効率をより一層高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
このように本発明によれば、高周波電源における発振制御を容易にすると共に、加熱ローラの温度分布を均一化することができ、さらに発熱効率を向上させて立ち上がり特性を改善して、加熱ローラを短時間で効率良く且つ均一に昇温させることができ、これにより通紙直前まで加熱ローラの回転を停止させておくことができるため、省電力化を図る上で大きな効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明が適用される複写機の概略構成を示す模式的な断面図である。この複写機（画像形成装置）は、原稿の画像を読み取る原稿読取部１と、ここで読み取った原稿の画像をトナーで記録紙（画像形成媒体）上に形成する画像形成部２と、ここで記録紙上に形成されたトナー像を定着させる定着部（定着装置）３とを有し、画像形成部２には給紙部４から記録紙が供給され、定着部３で定着処理が終わった記録紙が排紙部５に排出される。
【００２１】
画像形成部２では、帯電ローラ１１により一様に帯電された感光体ドラム１２に対してレーザ走査ユニット１３からレーザ光が照射されて感光体ドラム１２の像形成面上に静電潜像が形成された後、現像ユニット１４内のトナーが現像ローラ１５を介して感光体ドラム１２に供給されることでその像形成面上の静電潜像が現像され、これにより形成されたトナー像が転写ローラ１６により記録紙に転写される。
【００２２】
図２は、図１に示した定着部の要部を示す断面図である。定着部３は、記録紙（画像形成媒体）Ｓ上のトナー像を熱溶融させる加熱ローラ２１と、図示しないばねにより加熱ローラ２１に圧接する向きに付勢された加圧ローラ２２とを有しており、加熱ローラ２１と加圧ローラ２２とによるニップ部に記録紙Ｓが送り込まれ、熱及び圧力の作用で記録紙Ｓ上のトナーが記録紙Ｓに定着される。
【００２３】
加熱ローラ２１は、鉄、ニッケル、銅、クロムなどの磁性を有する金属材料からなる中空円筒状のローラ本体２４を有し、このローラ本体２４の表面には、フッ素樹脂などからなる離型層２６が形成されている。またローラ本体２４の内部には、電磁誘導加熱ユニット２５が収容されており、この電磁誘導加熱ユニット２５は、高周波電源２７により駆動される。
【００２４】
加圧ローラ２２は、アルミニウム合金材からなる芯金２８と、この芯金２８の周囲に形成された発泡シリコーンゴムなどのスポンジ材からなる弾性層２９とを有している。
【００２５】
図３は、図２に示した加熱ローラの断面図である。加熱ローラ２１の内部に収容される電磁誘導加熱ユニット２５は、軸方向に直列に並んで設けられた複数の励磁コイル３２と、この複数の励磁コイル３２に個別に設けられた磁性体コア３３と、励磁コイル３２及び磁性体コア３３を保持するために軸方向に延在する芯材（保持部材）３４とからなっている。
【００２６】
励磁コイル３２は、加熱ローラ２１の中心線周りに巻回された導線３６により、加熱ローラ２１と同軸的に形成されており、この導線３６には、互いに絶縁された銅線材を複数本束ねたリッツ線が用いられる。励磁コイル３２の各々には、加熱ローラ２１の中心線を中心にした対称位置に磁性体コア３３が複数（ここでは２つ）設けられている。
【００２７】
芯材３４は、アルミニウムなどの非磁性で且つ高い熱伝導性を有する材料にてパイプ状に形成され、この芯材３４の内部にファン（送風手段）３６からの冷却風を流通させて、励磁コイル３２及び磁性体コア３３を冷却するようになっている。ファン３６が発生する冷却風は、ダクト３７を介して芯材３４の一端３８から芯材３４の内部に導入され、芯材３４の他端３９側から排出される。
【００２８】
図４は、図３に示した磁性体コアによる磁束の発生状況を示す断面図である。磁性体コア３３は、フェライトなどの強磁性を有する材料にて形成され、励磁コイル３２の内側に延在する基部４１から励磁コイル３２の外側に突出されて、先端がローラ本体２４の内周面に近接する一対の突出部４２を備えている。突出部４２の先端面は、径方向に対して略直交するように形成され、ローラ本体２４の内周面に対向する。基部４１から突出部４２に至る部分は、磁束が無用な方向に進むことを避けるため、円弧状をなす断面形状に形成されている。
【００２９】
励磁コイル３２により発生した磁束は、磁性体コア３３により誘導されて突出部４２の先端面から略径方向に進み、ローラ本体２４の内周面に対して略直交する向きに進入し、このとき、突出部４２の先端面がローラ本体２４の内周面に近接しており、磁束が透磁率の低い空気中を通過する距離が短いため、高い磁束密度でローラ本体２４に進入する。
【００３０】
図５は、図３に示した電磁誘導加熱ユニットを示す斜視図である。磁性体コア３３は、同一の軸方向位置に２つ配置され、この２つ１組の磁性体コア３３の周囲に導線３６を巻回して１つの励磁コイル３２が形成される。また磁性体コア３３は、軸方向に隣り合う磁性体コア３３と、加熱ローラ２１の中心線を中心にした配置角度が周方向に９０度ずれている。
【００３１】
芯材３４は、磁性体コア３３の配置形態に適合するように、４角形状の断面に形成されており、磁性体コア３３の突出部４２を径方向外側に向けた状態で、基部４１が芯材３４の平板状の面に接着固定される。
【００３２】
図６は、図３に示した加熱ローラの発熱状況を示している。磁性体コア３３は、異なる配置角度で軸方向に隣り合う磁性体コア３３と、軸方向に一部重なり合うように配置されている。これにより、磁性体コア３３の軸方向中心位置を中心に形成される発熱エリアが、軸方向に隙間なく形成されるため、軸方向の温度分布を均一化することができる。この磁性体コア３３相互の重複範囲は、例えば磁性体コア３３の軸方向長さの１０〜２０％とすると良い。
【００３３】
図７は、図３に示した加熱ローラの軸方向の温度分布を示している。ここで、（Ａ）は、中心線に直交する平面で切断した加熱ローラ２１の断面を示し、（Ｂ−１）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線により切断した加熱ローラ２１の断面を示し、（Ｃ−１）は、（Ａ）のＣ−Ｃ線により切断した加熱ローラ２１の断面を示している。（Ｂ−２）は、（Ｂ−１）に示した切断面での加熱ローラ２１の停止時の温度分布を示し、（Ｃ−２）は、（Ｃ−１）に示した切断面での加熱ローラ２１の停止時の温度分布を示し、（Ｄ）は、加熱ローラ２１の回転時の温度分布を示している。
【００３４】
（Ｂ−２）及び（Ｃ−２）に示すように、加熱ローラ２１では、磁性体コア３３の軸方向中心位置で最も温度が高く、同一の配置角度で軸方向に隣り合う磁性体コア３３相互の中間位置で最も温度が低くなる。また、（Ｂ−１）に断面で示される隣り合う磁性体コア３３相互の軸方向中心位置に、（Ｃ−１）に断面で示される磁性体コア３３が位置するため、（Ｂ−２）の場合と（Ｃ−２）の場合とでは温度分布状態が逆特性となり、加熱ローラ２１が回転すると、（Ｄ）に示すように、温度分布状態が平均化されて加熱ローラ２１の軸方向の温度変動が小さくなる。
【００３５】
図８は、本発明による誘導加熱ユニットの別の例を示す断面図である。図９は、図８に示した誘導加熱ユニットの分解状態を示す斜視図である。この誘導加熱ユニット５１では、前記の例と同様に、軸方向に直列に並んで設けられた複数の励磁コイル５２の各々に、２つ１組で磁性体コア５３が設けられており、この励磁コイル５２及び磁性体コア５３が軸方向に延在する芯材５４に支持されているが、前記の例とは異なり、芯材５４の周壁に磁性体コア５３が嵌合する貫通孔５６が開設され、磁性体コア５３の基部５７が芯材５４の周壁に埋め込まれるようになっており、これにより芯材５４の内部を通る冷却風を磁性体コア５３に直接当てて冷却効率を高めることができる。
【００３６】
図１０は、本発明による誘導加熱ユニットの別の例を示す断面図である。ここでは、芯材６１の周囲に、磁性体コア６２が同一の軸方向位置において周方向に等間隔をおいて３つ配置されており、軸方向に隣り合う磁性体コア６２と取付角度が周方向に６０度ずれている。芯材６１は、磁性体コア６２の配置形態に適合するように、６角形状の断面に形成されている。同一の軸方向位置にある３つ１組の磁性体コア６２の周囲には、図５に示した例と同様に、導線を巻回して励磁コイルが形成される。
【００３７】
図１１は、本発明による誘導加熱ユニットの別の例を示す断面図である。ここでは、芯材７１の周囲に、磁性体コア７２が同一の軸方向位置において周方向に等間隔をおいて４つ配置されており、軸方向に隣り合う磁性体コア７２と取付角度が周方向に４５度ずれている。芯材７１は、磁性体コア７２の配置形態に適合するように、８角形状の断面に形成されている。同一の軸方向位置にある４つ１組の磁性体コア７２の周囲には、図５に示した例と同様に、導線を巻回して励磁コイルが形成される。
【００３８】
このように、同一の軸方向位置において周方向に配列される磁性体コアの配置数を多くすると、周方向の温度分布を均一化する上で都合が良く、加熱ローラ２１の回転を開始させてから周方向の温度分布が均一化した状態に移行するまでの時間をより一層短縮することができる。
【００３９】
なお、前記の例では、誘導加熱ユニットが収容された加熱ローラに加圧ローラを圧接させて両者間に形成されるニップ部に記録紙を通す構成について説明したが、この他に、温度の立ち上がり特性を改善するために、ローラより熱容量が小さくなる加熱ベルトを用いる構成でも同様に適用可能である。この場合、無端帯状の加熱ベルトを、誘導加熱ユニットが収容された加熱ローラと定着ローラとに巻き掛け、定着ローラに対向配置された加圧ローラと、定着ローラに対する加熱ベルトの巻き掛け部分との間に記録紙を通すことで、記録紙上のトナーが熱及び圧力の作用で記録紙に定着される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明にかかる定着装置及びこれを備えた画像形成装置は、高周波電源における発振制御を容易にすると共に、加熱ローラの温度分布を均一化し、さらに発熱効率を向上させて立ち上がり特性を改善する効果を有し、電磁誘導作用により加熱ローラを発熱させる誘導加熱ユニットが、加熱ローラの内部に収容された定着装置及びこれを備えた画像形成装置などとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明が適用される複写機の概略構成を示す模式的な断面図
【図２】図１に示した定着部の要部を示す断面図
【図３】図２に示した加熱ローラの断面図
【図４】図３に示した磁性体コアによる磁束の発生状況を示す断面図
【図５】図３に示した電磁誘導加熱ユニットを示す斜視図
【図６】図３に示した加熱ローラの発熱状況を示す図
【図７】図３に示した加熱ローラの軸方向の温度分布を示す図
【図８】本発明による誘導加熱ユニットの別の例を示す断面図
【図９】図８に示した誘導加熱ユニットの分解状態を示す斜視図
【図１０】本発明による誘導加熱ユニットの別の例を示す断面図
【図１１】本発明による誘導加熱ユニットの別の例を示す断面図
【符号の説明】
【００４２】
３  定着部（定着装置）
２１  加熱ローラ
２４  ローラ本体
２５  電磁誘導加熱ユニット
３２  励磁コイル
３３  磁性体コア
３４  芯材（保持部材）
３６  ファン（送風手段）
３６  導線
４１  基部
４２  突出部
５１  誘導加熱ユニット
５２  励磁コイル
５３  磁性体コア
５４  芯材
５６  貫通孔
６１・７１  芯材
６２・７２  磁性体コア
【図１】
2007041198.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007041198.tif 000011
【図１０】
2007041198.tif 000012
【図１１】
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