(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、
内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、
加熱ローラの第１位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、
加熱ローラの第２位置と対向する位置に設けられた温度センサと、
加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第１位置および第２位置に対向して配設されたコイルと、
加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、
温度センサの出力に応じてコイルに流す交番電流を制御する回路と
を備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第１位置と第２位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置。
【請求項２】
シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、
内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、
加熱ローラの第１位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、
加熱ローラの第２位置と対向する位置に設けられた温度ヒューズと、
加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第１位置および第２位置に対向して配設されたコイルと、
加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、
コイルへ交番電流を流す回路と
を備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第１位置と第２位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置。
【請求項３】
コアが加熱ローラの回転軸上に並列して複数設けられ、各コアにコイルが巻回されていることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱定着装置。
【請求項４】
加熱ローラの回転軸に対して直交する向きで加熱ローラ内に配設された第２コアと第２コアの周囲に巻回された第２コイルとを有し、回転軸方向における第２コアの幅が第１コアの幅と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は複写機、プリンタ及びファクシミリなどに用いられる定着装置に関し、詳しくは、誘導加熱を利用してトナー像をシートに定着する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複写機などは、シート上に転写されたトナー像をシートに定着するための定着装置を有して構成されている。この定着装置は、例えば、シート上のトナーを熱溶解する加熱ローラと、加熱ローラに圧接してシートを挟持する加圧ローラとを備えている。加熱ローラは円筒状に形成されており、この加熱ローラの内部の中心軸上には、発熱体が保持手段により保持されている。発熱体は、例えば、ハロゲンランプなどにより構成され、所定の電圧を印加されることにより発熱するものである。この発熱体は加熱ローラの中心軸に位置しているため、発熱体から発せられた熱は加熱ローラ内壁に均一に輻射され、加熱ローラの外壁の温度分布は円周方向において均一となる。加熱ローラの外壁は、その温度が定着に適した温度（例えば１５０〜２００℃）になるまで加熱される。この状態で加熱ローラと加圧ローラは摺接しながら互いに逆方向へ回転し、トナーが付着したシートを挟持する。加熱ローラと加圧ローラとの摺接部（以下、ニップ部と記す）において、シート上のトナーは加熱ローラの熱により溶解し、シートに定着される。定着後、加熱ローラと加圧ローラの回転に伴い、シートは排紙ローラによって搬送され、排紙トレイ上に排出される。
【０００３】
上述の定着装置においては、複写機などに電源を投入した後、加熱ローラが定着に適した温度に達するまでに比較的長時間を要していた。この間、使用者は複写機を使用することはできず、長時間の待機を強いられるという問題があった。
【０００４】
そこで、このような問題を解決する装置として、金属導体からなる定着部材の内部に同心状にコイルを巻装したコア（開磁路鉄芯）を配置した誘導加熱定着装置が提案されている（特開昭５８−１７８３８５号公報）。この装置は、前記コイルに高周波電流を流し、これによって生じた高周波磁界で定着部材を誘導加熱するもので、金属導体である定着部材そのものが発熱するため、ハロゲンランプなどの発熱体を用いる方式に比べ速く昇温する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の定着装置では定着部材の表面が均一に発熱するため、定着を行うニップ部以外の部分で発生した熱は定着に使用されることなく無駄になっており、また、ニップ部の温度を早く高めようとして供給電流を増加させると、他の部分も同様に発熱量が増加するため、複写機内の温度が上昇するという問題を新たに生ずるとともに最近の省エネルギー化に逆行することになる。
【０００６】
また、定着部材の壁面全域が発熱することによってニップ部とその周辺部とはほぼ同じ温度となるため、加熱ローラの回転とともに、シートがニップ部から剥離する際に以下の問題をも生じさせていた。
即ち、ニップ部周辺の定着ローラの熱により、シート上のトナーは固着せずに熱溶解したままである。このため、熱溶解したトナーが加熱部材に付着し易くなり、加熱部材に付着したトナーが再度シートに付着するという、いわゆるオフセット現象が生じるという問題があった。
【０００７】
さらには、ニップ部周辺の加熱部材の熱によりシート上のトナーが糊着することなく熱溶解したままなので、熱溶解したトナーの粘着力によりシートが加熱部材のニップ部以外の部分から剥離しにくくなる。すると、シートが加熱部材に巻き付き、ジャムが生じるという問題をも生じていた。
【０００８】
そこで、本発明は、誘導加熱方式の定着装置において、加熱に要する時間を短縮するとともに、オフセット現象を防止した定着装置を提供することを目的とする。
【０００９】
上述した問題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る定着装置は、シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、加熱ローラの第１位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、加熱ローラの第２位置と対向する位置に設けられた温度センサと、加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第１位置および第２位置に対向して配設されたコイルと、加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、温度センサの出力に応じてコイルに流す交番電流を制御する回路とを備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第１位置と第２位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置である。
【００１０】
請求項２に記載の発明に係る定着装置は、シート上に形成されたトナー像をシートへ定着する定着装置であって、内部に空洞を有し導電性部材で形成された加熱ローラと、加熱ローラの第１位置と対向する位置に圧接して設けられた加圧ローラと、加熱ローラの第２位置と対向する位置に設けられた温度ヒューズと、加熱ローラの回転軸に平行な平面に沿うように後述するコアの周囲に巻回され、加熱ローラの第１位置および第２位置に対向して配設されたコイルと、加熱ローラの回転軸に対し直交する方向へ磁束が発生するように、前記巻回されたコイルの軸心が加熱ローラの回転軸に対し直交する向きで加熱ローラ内の中央に配設されたコアと、コイルへ交番電流を流す回路とを備え、加熱ローラの表面温度は前記コイルに対向する第１位置と第２位置が最も高くなることを特徴とする誘導加熱定着装置。
【００１１】
請求項３にに記載の発明に係る定着装置は、コアが加熱ローラの回転軸上に並列して複数設けられ、各コアにコイルが巻回されていることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱定着装置である。
【００１２】
請求項４にに記載の発明に係る定着装置は、加熱ローラの回転軸に対して直交する向きで加熱ローラ内に配設された第２コアと第２コアの周囲に巻回された第２コイルとを有し、回転軸方向における第２コアの幅が第１コアの幅と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱定着装置である。
【００１６】
【作用】
請求項１に記載の発明に係る定着装置では、電源が投入されることによって加熱ローラの回転軸と直交する方向へ磁束が発生し、加熱ローラの周方向において不均一に渦電流が発生する。これにより、加熱ローラの周方向において２箇所の発熱が可能となり、定着を行う第１位置と同じ条件で加熱される第２位置に配設された温度センサーの検出に基づいて、加熱ローラの適切な温度制御が可能となる。
【００１７】
請求項２に記載の発明に係る定着装置では、電源が投入されることによって加熱ローラの回転軸と直交する方向へ磁束が発生し、加熱ローラの周方向において不均一に渦電流が発生する。これにより、加熱ローラの周方向において２箇所の発熱が可能となり、定着を行う第１位置と同じ条件で加熱される第２位置に配設された温度ヒューズによって異常発生時の電源遮断を行うことができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明に係る定着装置は、コイルとコアからなる複数のアッセンブリを加熱ローラの回転軸方向に並列させることによって、１つのコアのみを配設しコイルを巻回する場合に比べ加熱ローラの回転軸方向における発熱量が均一になる。
【００１９】
請求項３及び請求項４に記載の発明に係る定着装置は、選択的にコイルへ誘導電流を印加することによって、加熱ローラの回転軸方向において発熱領域が変更される。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を適用した誘導加熱定着装置について添付図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は本発明を適用した誘導加熱定着装置の構成を示す断面図である。本定着装置は、図示しない駆動源によって矢印ａ方向に回転駆動可能に設けられた円筒状の加熱ローラ１と、この加熱ローラ１に加圧して設けられ加熱ローラ１の回転に伴って従動回転する加圧ローラ２とから構成されており、加熱ローラ１の内部には誘導磁界を発生させるためのコイルアッセンブリ３が配設されている。加熱ローラ１は、炭素鋼管，ステンレス合金管あるいはアルミニウム合金管などの導電性部材から形成されて外周にフッ素樹脂がコーティングされており、一方、加圧ローラ２は軸芯４の周囲にシリコンゴム層５が形成されている。加熱ローラ１は導電性磁性部材で形成されることが好ましい。図において、６は加熱ローラ１の表面温度を検出する温度センサとしてのサーミスタであり、７は加熱ローラ２からシートを分離する分離爪である。
【００２５】
コイルアッセンブリ３は、図２に示すように中央部に穴を持ったロの字型のボビン８の周りに銅線を一方向に複数回巻いてコイル９を形成したもので、ボビン８の穴にはコイル９の銅線と直交するようにコア１０が挿入されている。ボビン８は例えばセラミックや耐熱性プラスチックで形成すればよく、また、コイル９としては表面に融着層と絶縁層を持つ銅線を用いることが好ましい。コア１０は１本の鉄芯でもよく、複数枚の薄い鉄板を重ねて形成されていてもよい。コイルアッセンブリ３は、加熱ローラ１の回転軸方向に対し直交する方向へ磁束が発生するように、ボビン８に巻回された銅線が加熱ローラ１の回転軸に平行な平面に沿うように、即ち、コア１０が回転軸と直交する向きに配設されている。
【００２６】
さらに、本実施例においては、図１及び図３に示すように、複数のコイルアッセンブリ３が、コア１０がシートの搬送方向と平行でコイル９の一端側が加圧ローラ２と対向し、他端側が、サーミスタ６と対向するようにホルダ１１を用いて加熱ローラ１の軸方向へ並んで配設されている。このホルダ１１は耐熱性のプラスチックから形成され、図３に示すように円柱の周囲に上下左右に突き抜ける穴を複数個開けた形状をしており、両端部には装置本体に固定するための突起部１１ａが設けられている。コイルアッセンブリ３は、例えばホルダ１１に設けられた左右の穴にボビン８を挿入し、その後上下の穴にコア１０を挿入することによってホルダ１１に組み込まれる。複数のコイル９はホルダ１１内で電気的に直列に接続されており、ホルダ１１の両端にはこれらのコイル９へ電流を流すためのリード線１２が引き出されている。ホルダ１１は、加熱ローラ１の内壁との間に隙間が形成されるように加熱ローラ１の内径よりも若干小さい径を有している。
【００２７】
図４は誘導加熱コイル９へ高周波電流を流し加熱ローラ１の温度を制御する回路のブロック図である。高周波電流は商用電源１３の交流を整流回路１４によって整流し、インバータ回路２０で高周波に変換し発生させる。インバータ回路２０への電流は加熱ローラ１の表面に圧接された温度ヒューズであるサーモスタット１５を介して供給される。このサーモスタット１５は加熱ローラ１の表面温度が予め設定されている異常温度に達すると回路に供給する電流を切断するものであり、サーミスタ６と同様にコア１０に巻回されたコイル９と対向する位置に配置される。制御回路１６はマイクロプロセッサやメモリなどから構成され、サーミスタ６の電位に基づいて加熱ローラ１の温度を監視しながらインバータ回路２０の内ドライブ回路２１へオン／オフ信号を出力し、温度制御を行う。
【００２８】
インバータ回路２０は制御回路１６から発せられる制御信号がオンになると、まずドライブ回路２１が、例えばトランジスタ，ＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどからなるスイッチング素子２２をオンし、これによってコイル９に電流が流れる。一方、電流検出回路２３は所定の電流値ＩＰに達したことを検出するとスイッチング素子２２をオフするようにドライブ回路２１に信号を送る。電流検出回路２３で検出される電流Ｉの波形を図５ａに示す。スイッチング素子２２がオフされると、コイル９と共振用コンデンサ２４との間で共振電流が流れる。そして、電圧検出回路２５は、共振によりスイッチング素子２２のコイル９側の電圧Ｖが０Ｖ付近まで下降したことを検出すると、スイッチング素子２２を再びオンするようにドライブ回路２１に信号を送る。以下、このスイッチングサイクルを繰り返すことによって高周波の電流をコイル９へ流す。電圧検出回路２５で検出される電圧Ｖの波形を図５ｂに、また、スイッチング素子２２のオン／オフ信号（例えば、ＦＥＴならばゲートのオン／オフ信号）を図５ｃに示す。
【００２９】
図６〜図９は、本実施例の定着装置においてコイル９に数kHz〜数十kHzの電流を流し加熱ローラ１の表面温度を測定した結果を示すグラフである。各実験は、加熱ローラ１の材質として、鉄，ＳＵＳ４３０，ニッケル，ＳＵＳ３０４をそれぞれ用い、厚さはすべて０.３ｍｍとした。グラフにおいて、横軸は、図１０に 示すようにコイル９と対向するローラ部分Ａを０度とした場合の角度、縦軸は表面温度を示す。各グラフから明らかなように、加熱ローラ１の表面温度はコイル９に対向する部分Ａ（０度）が最も高く、そこから遠ざかるに従って温度が低下していった。材質としてはＳＵＳ３０４を用いた場合に最も局所的な高温が得られた。なお、本実施例の定着装置の断面形状は軸対称であるので、部分Ａの軸対称位置に同一の加熱特性を持つ部分Ａ’が存在する。
【００３０】
このようにコイル９と対向する加熱ローラ１の部分Ａ、Ａ’が他の部分に比べ高温になる理由は次のように考察される。コイル９に高周波電流が流されると、「アンペアの右ネジの法則」に従って図１０に示すようにコア１０から加熱ローラ１の長手方向に対し垂直な磁束ａが発生する。加熱ローラ１が磁性体であるためこの磁束は加熱ローラ１に沿って曲って加熱ローラ１周面に集中し、コイル９と対向する部分Ａ、即ち、加圧ローラ２と接触するニップ部で密度が最大となる。この集中した磁束を受けて加熱ローラ１には「レンツの法則」に従って磁束を妨げるような渦状の誘導電流が壁面内部で発生し、これによって発熱する。即ち、磁束ａは加熱ローラ１の壁に沿って集中し、部分Ａ、Ａ’で磁束密度が極大となるため、この部分Ａ、Ａ’が他に比べ高温になると考えられる。
【００３１】
以上説明したように、本実施例においては、コイルアッセンブリ３を、コア１０が通紙方向と平行となるように、即ち、コイル９が加熱ローラ１の回転軸と直交する軸を中心に巻回した状態となるように配置したので、加熱ローラ１の周面においてある特定部分を局所的に発熱させることができ、しかも、その局所的な発熱部分Ａを加圧ローラ２と接触するニップ部に対応づけることによって熱効率の良い加熱を行うことができる。そして、同じサイズのコイルアセンブリ３を回転軸方向へ複数並列させる構成としているため、回転軸方向に長い１つのコイルアッセンブリを用いる場合に比べ、製造が容易になるだけでなく、回転軸方向における加熱ローラ１表面の温度分布を均一にすることができる。
【００３２】
前述した実施例において、加熱ローラ１の表面温度を検出するサーミスタ６と加熱ローラ１の表面温度が予め設定された異常温度に達すると回路が切断されるサーモスタット１５は、前述した局所的発熱部分Ａ’に接触するように配置される。
これは、発熱部分Ａと発熱部分Ａ’が同一の加熱特性を持つため、加圧ローラ２があるために直接の温度検出が行いにくい発熱部分Ａの代わりに、発熱部分Ａ’の温度をサーミスタ６で検出し、前述した加圧ローラ２と接触する局所的な発熱部分Ａの温度を適切な定着温度範囲に制御して定着性を確保するとともに、高温オフセットを防止するためである。同様に、サーモスタット１５の配置は、加熱ローラ１の異常温度上昇のためにシートが発煙、発火するのを確実に防止するために、シートを最も加熱する前述した発熱部分Ａと同一の加熱特性を持つ発熱部Ａ’の温度を検出する必要があるためである。
【００３３】
以上のことは、逆に言えば、コイル９を加熱ローラ１の回転軸と直交する軸を中心に巻回した状態となるように配置し、加熱ローラ１の周円において２箇所均等に局所的な加熱を行っているために可能となり、安定した定着性能と安全な定着装置が提供できる。
【００３４】
前述した実施例では、複数のコイルアッセンブリ３のコイル９を電気的に直列に連結したが、これに限られるものではなく、各コイルアッセンブリ３のコイル９を電気的に並列に接続し、各コイルアッセンブリ毎に独立してオン／オフ可能に構成してもよい。このように構成することによって、シートのサイズに応じて作動するコイルアッセンブリ３の数を切り換えることが可能となり、ローラの軸方向における不要部分での発熱を回避できる。また、コイルアッセンブリ３の大きさは同じサイズのものを多数（例えば８個）設けてもよく、あるいは、用紙サイズに応じて異なるサイズとしてもよい。前者の場合には製造コストを低く抑えることができ、後者の場合には用紙サイズに応じて最適な加熱を行うことができる。
【００３５】
また、前記実施例では、他の部分と比べ最も発熱する部分Ａを加圧ローラ２と対向するように配置したが、加熱ローラ１の回転動作によって加熱されたローラ表面が移動することを考慮して、図１１の如くコイル１０９が加圧ローラ２との接触部よりも上流側に位置するよう設定してもよい。
【００３６】
さらには、前記実施例ではコイルアッセンブリ３を保持するホルダ１１を加熱ローラ１と同軸に配設したが、これに限られるものではなく、例えば図１２のように圧接ローラ２側へ偏心して配置してもよい。この場合には、コイルアッセンブリ２０３によって発生する磁束が、加熱ローラ２０１の周面の中でも加圧ローラ２と接触するニップ部に最も多く収束するため、ニップ部における発熱量が最も高くなり、電気−熱交換効率が向上する。  なお、図１１及び図１２に示す変形例では、前述した点を除いて他の構成は前記実施例と同様であり、その説明は省略する。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を適用した誘導加熱定着装置によれば、加熱ローラの周面においてローラの軸方向に沿う特定領域を局所的に２箇所発熱させることができるため、供給電流を増やすことなく効率のよい発熱を可能にし、一方の発熱部をニップ部へ対向させることにより加熱に要する時間を短縮することができ、さらには、他方の発熱部を温度センサあるいは温度ヒューズと対向させることによりローラ温度を適切な定着温度範囲に制御することができオフセット現象の発生も抑制できるとともに、異常発生時の電源遮断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した誘導加熱定着装置の断面図である。
【図２】図１に示した誘導加熱定着装置に用いられるコイルアッセンブリを示す斜視図である。
【図３】図２に示したコイルアッセンブリを保持するホルダの斜視図である。
【図４】誘導加熱コイルへ高周波電流を流す制御回路のブロック図である。
【図５】（ａ）は図４に示す電流検出回路で検出される電流の波形図、（ｂ）は図４に示す電圧検出回路で検出される電流の波形図、（ｃ）は図４に示すスイッチング素子のオン／オフ信号の波形図である。
【図６】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図７】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図８】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図９】本発明を適用した誘導加熱定着装置において表面温度を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】本発明を適用した誘導加熱定着装置の加熱原理を説明する説明図である。
【図１１】本発明を適用した誘導加熱定着装置の変形例を示す説明図である。
【図１２】本発明を適用した誘導加熱定着装置の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１０１，２０１・・・・加熱ローラ
２・・・・加圧ローラ
９１０９，２０９・・・・コイル
１０・・・コア
２１・・・インバータ回路
【図１】
0003749272.tif 000002
【図２】
0003749272.tif 000003
【図３】
0003749272.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003749272.tif 000008
【図８】
0003749272.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003749272.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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