プレスリリースに見る OA 機器の技術動向

第Ⅲ章

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プレスリリースに見る OA 機器の技術動向

Ⅲ-3-6

複数のコイルによる電磁誘導加熱を搭載したカラー機用定着装置（採用機種：e-STUDIO 4511/3511）
髙木修

東芝テック株式会社・ディジタルソリューション研究所・記録技術第二担当・グループ長

必要なところに必要な熱量だけを与える複数ＩＨコイ

１．はじめにル方式を採用することでさらなる省エネ化を可能とし近年、複写機などの電子写真装置に対して、国内のをはじめとして国際規格を含めた各た。以下にこれらのディジタル複合機のウォーミング種の環境基準が制定されてきている。またユーザの環アップタイムを短縮するとともに、消費電力を削減す境に対する意識の高まりにも後押しされ、省エネルギることを可能にした、複数のコイルを持つ電磁誘導加ー化に対応可能な製品開発が急務となっている。複写

熱によるカラー機用の定着装置について概要を記す。

省エネルギー法

機では消費電力の約７０％を定着装置が消費しており、定着装置の省電力化が複写機の省電力化に大きく影響

２．誘導加熱の原理・特徴する。エネルギー消費効率の値を下げて省エネ化を進

誘導加熱方式は、高周波インバータにより加熱コイめるには待機時の電力を下げ、ウォーミングアップタ

ルに高周波電流を供給し、コイル周辺に高周波磁界をイムを短縮することが効果的である。弊社では、定着発生させる。この磁界により定着ローラに渦電流が流装置用加熱源の性能向上を目的として誘導加熱を開発れ、ジュール熱による加熱が行われる。また、磁性体

し、2000年にこれを搭載したディジタル複合機PREMAGE

では、高周波磁界によるヒステリシス損失が発生し，455/355を製品化した。この誘導加熱による定着加熱技これも発熱に寄与する。渦電流は、加熱コイルの磁束術をさらに応用し、ＩＨコイルを複数用いた定着装置分布に応じて被加熱物に流れる。この様子は、図２にを開発し、2002年に高速ディジタル複写機ｅ‑STUDIO

示すように、加熱コイルを１次側のコイルとし、定着550/650/810へ、さらに2003年にカラーディジタル複合

ローラ、ベルトを２次側のコイルと負荷抵抗ＲＬとし機ｅ‑STUDIO 4511/3511へ搭載した。

たトランスのモデルとして表すことができる。また加熱コイルの損失分は、１次側の抵抗分ＲC で表す。
負荷抵抗ＲＬは、コイルと負荷（ローラ）との磁気的な結合の強さによって大きさが変わる。すなわちＲＬが大きいほど 2 次側（ローラ）側にエネルギーが費やされることになる。

RCRL

１次側（コイル）
図１ｅ‑STUDIO 4511

２次側（ヒートローラ）

外観
図２-1-誘導加熱

回路図

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以下に誘導加熱を用いた定着装置の特徴を記載する。
（１）ウォーミングアップタイムの短縮が可能。

ウォーミングアップ時間３０秒を達成した。
引き続きこの技術のカラー機や高速機への応用を検・ウォーミングアップ時の定着装置以外のエルギー消費に合わせ、周波数を変化させ可能な限りのエネルギーを定着装置に投入可能。

討した。
カラー機や高速機の定着装置には次のような課題を解決する必要がある。

・この時エネルギーが直接加熱物に投入できるためカラー機ではシアン、マゼンタ、イエロー、ブラッ昇温が速く、さらに昇温が速いため加熱途中でのクのトナーで画像を形成するため、トナー画像が厚く、放熱が少ない。

トナー全体への瞬間的な加熱が難しくなる。いわゆる（２）ニップ部分への局所集中加熱が可能である。
・特にコアを用いるコイルで磁束を集中させて実現が可能。

低温オフセット、高温オフセットの発生しない最適定着温度の範囲が狭くなる。すなわち定着装置の温度制御ムラや特に長手方向の温度ムラを低減させる対策が（３）出力値の任意設定必要となる。また高速機においては、特に幅の狭い用・複合機特有の様々なオプション構成に対して、定紙を連続通紙させたとき、非通紙部の温度が上昇する。

着装置に許可される電力が様々に変化しても、こ通紙部においては、熱が用紙およびトナーに奪われるれに対応して出力を任意に設定することが可能。

が、非通紙部は熱が奪われないため、急激に温度上昇また出力値を安定して維持させることも可能。

する。この傾向は通紙速度が速いほど厳しい方向にな（４）熱変換効率が高いる。近年ウォーミングアップ時間短縮および消費電力

・励磁コイル他の最適化により、効率向上が可能。
（５）一定温度制御時に温度リップルが少ないの削減のため、定着ローラは小熱容量化が進みこれらのローラ長手方向の温度分布はさらに不均一になりや・加熱物（ヒートローラ）が直接加熱するため温度すくなってきている。これに対して従来方式であるハ制御に対するタイムラグが少なく、温度リップル

ロゲンランプ方式では、配光の異なるランプを 2 本用が小さい運転が可能。

いて、２本のランプの通電比率を用紙サイズに応じて可変する制御が行われている。そこで、誘導加熱定着

３．複数のコイルを用いた誘導加熱定着装置の概要

装置においても、複数のＩＨコイルを用いて定着ローラに最適な熱エネルギーを与え、定着ローラ長手方向の温度分布を均一化できるような構成を検討した。図４に複数コイルの構成図を示す。
ON

図３

ONONOFFONOFF

単数ＩＨコイル
ＰＡＰＥＲ

ＰＡＰＥＲ

( A4, A3 )(A4-R, B5)

誘導加熱方式の定着装置として、当社で最初に製品化した単数ＩＨコイルを用いた定着装置の断面図と外観図を図３に示す。１つのコイルで定着ローラ全体を発熱させる方式で、薄肉の鉄ローラと組み合わせて、-2-

図４

複数ＩＨコイルを用いた定着装置の概念図

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コイルは合計３個用いている。定着ローラ中央部分をれぞれのコイルの出力範囲を大きくする必要がある。

加熱するコイル（１個）、定着ローラ端部を加熱するコ

また、選択的にコイルを出力させるので、出力していイル（２個）という構成である。端部を加熱するコイ

るところ、していないところでの温度差が発生しやす

ルは直列につなぎ、１つのインバータ回路で駆動してい。（図６）いる。したがって、コイル駆動用のインバータ回路は複数のＩＨコイルを駆動する制御方法としては、定Coil A

Power２組となる。

Coil B

着ローラ上の温度状況あるいは通紙状況により、定着time

ローラの中央部分、端部の出力を変化させて同時に出力する方法と、定着ローラの中央部分、端部の加熱を

図６

独立駆動の概念図

同時に行わず、複数のコイルを選択的に駆動し、１つのコイルが駆動している時は、別のコイルは駆動させない駆動制御方法が検討される。それぞれの特徴と課題は次のようになる。

上記特徴を考慮した結果、独立駆動方式を選択し実用化した。
前述のように選択した独立駆動制御を行う複数コイ同時駆動制御の場合、長所は、それぞれのコイルにルでは大きく以下に述べる検討課題が存在する。①複与える出力の総和が全体の出力となるので、それぞれ数化したコイルは、コイル自体は小型化するにも関わのコイルに与える出力は小さくなる。また、常時全領らず、それぞれのコイルが同じ仕様の出力で、かつそ域に対して任意の出力を与えることになるので、温度のメリットを生かすべく、マシンとして許容される最制御は容易である。（図５）

大電力を投入できるような仕様とする必要がある。そ一方、短所としては、一般的にＩＨで用いられているこで、従来の単数コイルの場合に比べて、形状が小さ周波数制御インバータ回路を適用すると、コイル間のくても従来コイル並みの出力を得られるようにコイル周波数差で干渉音が発生するという問題がある。また、と加熱部の配置、電線の巻き数、コア材の有無、ココイルの相互誘導の影響もあり、コイル間での温度分イル長手方向長さ等を評価しコイル形状を実現した。

布に影響を与える可能性がある。

従来の単数コイルモデルと複数コイルモデルの解析結果の代表例を図７に示す（磁束線図）。計算の結果から、コイルを小型化しても、従来単数コイルと同等性能をPower

Coil A得るために、今回の複数コイルでは、コア材を使用すCoil Bることとした。

time
図５

同時駆動の概念図

独立駆動制御の場合、長所は１度に１つのコイルのみの駆動となるため、上記干渉音の発生はなく、従来ＩＨで一般的に用いられている周波数制御インバータ回路を用いることが可能である。また、相互誘導の影響も少ない。一方、短所はそれぞれのコイル単独で必要な熱量を定着ローラに提供する必要があるので、そ-3-

単数ＩＨコイル
図７

複数ＩＨコイル
磁束線図

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さらに紙サイズに応じたコイルの発熱状況を評価し、ートローラと大径のプレスローラの組み合わせに大荷それぞれのコイルの長さとコイル間での温度均一化等

重を掛けて広いニップ幅を形成させる等の方法が用いの最適化を行った。（図８）

られていた。この大荷重に耐えられるように、ヒートローラ、プレスローラは芯材の厚肉化が必要となり、熱容量の増加につながっていた。またヒートローラの中央部加熱用コイル

シリコンゴム層の熱伝導率が低く、大きな熱抵抗となり、さらにこのシリコンゴムおよびプライマーの耐熱温度の限界があり、高出力の加熱源との組み合わせには適していなかった。従来のカラー機ではこれらがウォーミングアップタイムの長大化や消費電力の増大化の要因となっていた。
上記の構成ではヒートローラ表面に弾性層を設けたため表面が傷付きやすく、画像に影響が出るため、剥端部加熱用コイル離爪による用紙の分離が適していなかった。そこで本
図８

複数ＩＨコイルの外観図

定着装置では、これらの課題に対応するため、弾性層として表面にシリコーンゴム層を持つベルトをヒート

これらの方法によってヒートローラ長手方向の温度ローラに掛け、さらに排紙側に定着後の用紙を自然剥を均一化することができた。Ｂ４サイズ用紙の連続通離するための剥離ローラをこのベルトに掛けた構成と紙後のヒートローラ温度分布を図９に示す。

した。定着装置として低熱容量を維持しながら、ＩＨによる高出力の加熱を実現することが可能となり、ウ単数 IH コイル

240

複数 IH コイル

ォーミングアップタイムとして約４０秒を達成した。

Temp（℃）(℃）
温度

220200５．まとめ180

複数コイルを用いた誘導加熱定着装置について概要

160140を紹介した。コイル形状の最適化、独立駆動制御の採120用により、カラー機においても、ウォームアップタイ

1000204060

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

ヒートローラ長手方向位置
po si t i o n o f fu se r r o l le r （ｍｍ）
（mm）

ムを短縮でき、さらに紙サイズによらず、定着ローラの温度分布を均一化することに成功した。

図９

複数ＩＨコイルの効果（Ｂ４通紙時の温度分布）

誘導加熱を利用した加熱源では、熱変換効率が高く、出力を自由に可変できることから、今後のウォームア

４．カラー機用定着装置としてのその他の検討項目

ップ短縮化技術や、温度制御において、特に有効であ

前述のようにカラー定着装置ではトナー層がＹ、Ｍ、る。また電圧変動を少なくすることができるなどの今Ｃ、Ｋと多層になるため、トナーとヒートローラの接までの加熱源に無い特徴も多い。今後これらの特徴を触面積を広げてトナーを加温し易くすることにより、追求することにより、さらに効率の良い定着装置の開オフセットを防止し、また高画質化するとともに用紙発を続けて行きたい。の剥離性能を向上させる必要がある。この課題に対して、一般的には表面にシリコンゴム層を持つ大径のヒ-4-

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禁無断転載

2003 年度
事務機器関連技術調査報告書(“Ⅲ-3-6”部)
発行

社団法人 ビジネス機械・情報システム産業協会
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