JP2003017237A

JP2003017237A - 誘導加熱ローラ装置、定着装置および画像形成装置

Info

Publication number: JP2003017237A
Application number: JP2001196849A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Yokozeki; 一郎横関
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-17
Also published as: CN1198184C; CA2392287C; CA2392287A1; US20030000943A1; US6573485B2; CN1396495A

Abstract

(57)【要約】【課題】トランス方式において、加熱ローラの軸方向の
温度分布を可変にした誘導加熱ローラ装置、これを備え
た定着装置および画像形成装置を提供する。【解決手段】後記誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３に
空芯トランス結合する２次コイルｗｓを備えた加熱ロー
ラＨＲと、加熱ローラＨＲの軸方向に分散して配設され
た複数の誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３と、各誘導
コイルに接続して、それぞれの共振点が不均一な共振回
路ＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３を形成する複数のコンデンサ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３とを具備している。コンデンサＣ１、
Ｃ２、Ｃ３は、加熱ローラの外部に配設することができ
る。高周波電源を各誘導コイルに対して共通に配設し、
周波数を可変にすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導加熱ローラ装
置、これを備えた定着装置および画像形成装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】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
れているが、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。

【０００３】特開２０００−２１５９７４号公報には、
被加熱体に近接して配設され、被加熱体であるところの
磁性体製の加熱ローラに誘導電流を生じさせる励磁コイ
ルであって、コイル線材を平面的に巻いたものを被加熱
体の曲面に沿わせて変形してあり、励磁コイルの長手方
向両端部の被加熱体とは反対側に励磁コイルの曲面に沿
うように磁性体コアが配設されている励磁コイルが記載
されている。（従来技術１）また、特開２０００−２１５９７１号公報には、電磁誘
導発熱性の加熱回転体すなわち加熱ローラと、加熱回転
体の内側に配置された磁束発生手段を有し、磁束発生手
段から発生させた高周波誘導磁束により加熱回転体を電
磁誘導発熱させて被加熱体を加熱する誘導加熱装置であ
って、磁束発生手段は、磁性体からなるコアと、コアに
巻線した電磁変換コイルを有し、磁性体コアは、電磁変
換コイルを巻線したコア部分と、コア部分より加熱回転
体の一部分に磁束を集中させるための、先端部間に磁気
空間ギャップを存して対向させた磁束誘導コア部分を有
する構造が記載されている。（従来技術２）従来技術１および２は、いずれも渦電流損を利用する加
熱方式（以下、「渦電流損方式」という。）であり、Ｉ
Ｈ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。

【０００４】これに対して、特開昭５９−３３７８７号
公報には、導電部材で構成した円筒状ローラ本体すなわ
ち加熱ローラと、ローラ本体内に同心状に配置した円筒
状ボビンと、ボビンの外周に螺旋状に巻装して通電によ
りローラ本体内に誘導電流を誘起させて加熱する誘導コ
イルとを備えた高周波誘導加熱ローラが記載されてい
る。（従来技術３）従来技術３においては、円筒状ローラ本体が閉回路の２
次コイルとなり、誘導コイルが１次コイルとなって、両
者の間にトランス結合が生じて、円筒状ローラ本体の２
次コイルに２次電圧が誘起される。そして、この２次電
圧に基づいて２次コイルの閉回路内を２次電流が流れる
ことにより、円筒状ローラ本体が発熱する２次側抵抗の
発熱による加熱方式（以下、「トランス方式」という。）
である。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、従来技術１および２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１００ｋＨｚ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。

【０００５】本発明者らは、先に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
く加熱できる著しい効果が得られるトランス結合形の発
明をなした。この発明は、特願２００１−０１６３３５
号として本件出願人により出願されている。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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一方、複写機、プリン
ターなどの画像形成手段においては、画像を形成する用
紙のサイズを複数選択可能にしているものが多い。この
ような機能に対応させるには、用紙サイズに応じて加熱
ローラの発熱領域を変更することが要求される。

【０００７】本発明は、トランス方式において、加熱ロ
ーラの軸方向の温度分布を可変にした誘導加熱ローラ装
置、これを備えた定着装置および画像形成装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を達成するための手段】請求項１の発明の誘導加
熱ローラ装置は、後記誘導コイルに空芯トランス結合す
ることによって２次電流が周回方向に流れて発熱する閉
回路を形成している２次コイルを備えた加熱ローラと；
加熱ローラの軸方向に分散して配設された複数の誘導コ
イルと；各誘導コイルに接続して、それぞれの共振点が
不均一な共振回路を形成する複数のコンデンサと；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、閉
回路を形成した２次コイルを備えていて、この２次コイ
ルが１次コイルと空芯トランス結合する。そして、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のが好ましい。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
囲とすることができる。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次側リアクタンスは、
計算により求めることが可能である。

【００１１】

【数１】２５＜α＜４また、加熱ローラは、２次コイルが単一または複数の態
様となるよう配設することができる。２次コイルが単一
の場合、２次コイルを加熱ローラの軸方向に沿った有効
長のほぼ全体にわたって延在するように配設することが
望ましい。また、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。

【００１２】さらに、２次コイルを導体層、導電線およ
び導電板などの導体を持って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
（塗布＋焼成）により形成する場合には、Ａｇ、Ａｇ＋
Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、ＲｕＯ_２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、銅およびアルミニウムなどを用いることが
できる。

【００１３】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。

【００１４】１ローラ基体について２次コイルを支持するために、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、２次コイル
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、痛い衝撃性および機械的強度などを考慮
して、たと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、たとえばアルミナ、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、たとえば結晶化ガラス、石英ガラスおよびパイレ
ックスなどである。

【００１５】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、必要に応じて導体層の上
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、Ａ
ｇ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、導体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、
導体層と同一材料であってもよい。

【００１６】また、熱拡散層が導電性物質からなる場
合、導体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、ノイズ放射を遮断する作用
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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】＜複数の誘導コイルについて＞複数の誘導
コイルは、加熱ローラの軸方向に分散して配置され、高
周波電源によって付勢すなわち励磁されるとともに、加
熱ローラに高周波交流磁界を作用させて、２次コイルに
高周波電力を転送するための手段である。そのために、
各誘導コイルを中空の加熱ローラの内部に挿入し、トラ
ンスの１次コイルとして機能させて、加熱ローラの２次
コイルとの間で空芯トランス結合を行なうように構成す
る。なお、誘導コイルは、回転する加熱コイルに対して
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。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。また、「空芯トランス結合」とは、完全な空芯のト
ランス結合だけでなく、実質的に空芯とみなせるトラン
ス結合の場合を含む意味である。たとえば、誘導コイル
の内部に磁性体を有していない構成である。

【００２１】また、複数の誘導コイルは、これらを所定
の形状および配設位置を所定に維持するために、誘電体
損失のなるべく少ない材料を用いて製作したコイルボビ
ンを備えていることができる。そして、コイルボビンに
は、整列巻のための巻溝や給電リード線を収納する軸方
向の溝を形成することができる。しかし、コイルボビン
に代えて合成樹脂やガラス質材により誘導コイルを直接
成形ないし接着することによって、複数の誘導コイルを
所定形状に維持するように構成することもできる。

【００２２】さらに、各誘導コイルは、共通の高周波電
源に対して給電リード線を介して直列または並列に接続
することができる。しかし、要すれば、各誘導コイルに
異なる高周波電源を接続してもよい。いずれにしても、
誘導コイルに対して高周波電源から高周波を給電し、あ
るいはこれに加えてコンデンサと接続するための給電リ
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。

【００２３】＜複数のコンデンサについて＞複数のコン
デンサは、各誘導コイルに接続して、誘導コイルととも
にそれぞれの共振点が不均一な共振回路を形成する。な
お、「共振点が不均一」であるとは、複数の誘導コイル
およびコンデンサの対がそれぞれ形成する複数の共振回
路のそれぞれの共振点が全て同一ではないという意味で
ある。たとえば、２つの誘導コイルを用いる場合は、そ
れぞれの共振回路の共振点は互いに相違するように設定
される。また、３つの誘導コイルを用いる場合は、少な
くともうち１つの誘導コイルおよびこれと対のコンデン
サが形成する１つの共振回路と、残余の２つの共振回路
とでは、共振点が相違するように設定するものとする。
なお、一部の複数の共振回路が同一の共振点を有してい
ることは許容される。

【００２４】複数のコンデンサの配設位置は、特に限定
されない。コンデンサの耐熱温度と加熱ローラ内のスペ
ースが許容されるならば、誘導コイルに近接して加熱ロ
ーラの内部に配置してもよいし、コンデンサを誘導コイ
ルおよび加熱ローラから離隔した位置に配置してもよ
い。

【００２５】＜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実
施することにより、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。

【００２６】１高周波電源について高周波電源は、その出力の周波数が基本的に限定される
ものではないが、１００ｋＨｚ以上の高周波を出力する
ように構成されていると都合がよい。なぜなら、１００
ｋＨｚ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。な
お、適合する能動素子（たとえば、後述するようにMOSF
ET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１〜４ＭＨ
ｚである。

【００２７】また、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、増幅器および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、たとえば電力変
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。

【００２８】さらに、高周波電源の出力の周波数を可変
に構成することにより、各誘導コイルに投入される電力
を個別的に制御することが可能になる。また、要すれ
ば、たと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、急速加熱を行なう用に構成することができ
る。

【００２９】さらにまた、高周波電源は、複数の誘導コ
イルに対して共通にすることができる。しかし、要すれ
ば、周波数可変の高周波電源を各誘導コイルに対して個
別に配設してもよい。

【００３０】２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。

【００３１】３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たとえば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。

【００３２】４搬送シートについて加熱ローラを用いて被加熱体を加熱する際に、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。

【００３３】＜本発明の作用について＞複数の誘導コイ
ルに高周波電圧を印加すると、誘導コイルから高周波磁
界が発生して加熱ローラの２次コイルと鎖交する。すな
わち、誘導コイルが１次コイルとなって、誘導コイルと
２次コイルとの間に空芯トランス結合が行なわれる。そ
の結果、２次コイルは閉回路を形成しているので、その
内部に加熱ローラの周回方向に２次電流が流れる。２次
コイルは、適当な２次側抵抗値を有しているので、２次
電流によりジュール熱が発生し、加熱ローラは温度上昇
する。また、１００ｋＨｚ以上の高周波によるトランス
結合であれば、空芯トランス結合により電力伝達効率が
高くなり、たとえば９５％以上になるので、省電力にな
る。

【００３４】本発明においては、複数の誘導コイルが複
数のコンデンサと対となって複数の共振回路を形成する
とともに、各共振点が不均一になっているという構成に
基づいて以下の作用が行なわれる。すなわち、誘導コイ
ルから投入される高周波電力は、誘導コイルの端子電圧
の大きさに応じて変化する。一方、誘導コイルとそれと
対をなすコンデンサとにより形成される共振回路に注目
するとき、誘導コイルに印加される電圧は、共振回路の
共振特性曲線のどの位置において動作するかによって変
化する。たとえば、共振度合いに応じて誘導コイルの両
端電圧が変化し、共振点に近いほど誘導コイルの端子電
圧が高くなる。一方、共振回路のＱが大きいほど共振特
性は急峻になる。したがって、複数の誘導コイルがそれ
ぞれコンデンサとともに形成する共振回路の共振点が異
なっていて、しかも各共振回路に対してある周波数の高
周波電圧が共通に印加された場合、それぞれの共振回路
が共振特性曲線上の動作位置が共振点に近い方の誘導コ
イルに対する投入電力は、遠い方のそれより大きくな
る。要するに、共振点が相違していると、各誘導コイル
に投入される電力に差が生じる。また、高周波の周波数
を変化させると、共振特性曲線上の動作位置が変化する
ので、投入電力は誘導コイルごとに異なった変化をす
る。さらに、複数の誘導コイルは、前述のように加熱ロ
ーラの軸方向に分散している。このため、トランス結合
によって加熱ローラの軸方向に生じる発熱量の分布が不
均一になる。

【００３５】したがって、加熱ローラの温度上昇を用紙
サイズに適合する領域のみを優先的に加熱することがで
きる。しかし、各誘導コイルの端子電圧が等しくなるよ
うに周波数を選択すれば、各誘導コイルをほぼ等しい温
度になるように加熱することができる。このため、大き
な用紙サイズに適合するように加熱することができる。

【００３６】請求項２の発明の誘導加熱ローラ装置は、
請求項１記載の誘導加熱ローラ装置において、複数のコ
ンデンサは、加熱ローラの外側に配置されていることを
特徴している。

【００３７】本発明は、誘導コイルと共振回路を形成す
るコンデンサの好適な配設位置を規定している。すなわ
ち、複数のコンデンサは、誘導コイルから相対的に離隔
した加熱コイルの外側に配置されている。複数のコンデ
ンサの配設位置は、加熱ローラの外側であれば、どこで
もよい。加熱ローラの内側に配設される誘導コイルと加
熱ローラの外側にあるコンデンサとの間は、給電リード
線などにより接続することができる。

【００３８】また、複数のコンデンサは、共通の配線基
板に実装することができる。しかし、配線基板を用いな
いで、個別に配置してもよい。

【００３９】そうして、本発明においては、上記の構成
により、以下の効果を奏する。

【００４０】１コンデンサの周囲温度を加熱ローラの
内部より低減することができるので、耐熱グレードの低
い安価なコンデンサを用いることができる。このため、
本発明は、加熱ローラ装置の価格低減に寄与する。

【００４１】２加熱ローラの小径化を図ることができ
る。加熱ローラの内部に配設される部品がコンデンサの
分少なくなり、誘導コイルのみを内部に配置するだけで
よいから、加熱ローラを小径にすることができる。この
ため、本発明は、加熱ローラ装置の小形化に寄与する。

【００４２】請求項３の発明の誘導加熱ローラ装置は、
請求項１または２記載の誘導加熱ローラ装置において、
複数の誘導コイルに高周波電力を供給する共通の周波数
可変形高周波電源を具備していることを特徴としてい
る。

【００４３】本発明は、誘導コイルに印加する高周波の
周波数を変化させて加熱ローラの加熱領域を可変にする
のに好適な構成を規定している。すなわち、高周波電源
は、その出力の周波数が可変であるとともに、各誘導コ
イルに対して共通になっている。周波数を変化させるに
は、たとえば高周波電源の励振周波数させればよい。周
波数を変化させるための制御は、たとえば外部信号を高
周波電源に対して供給するように構成することができ
る。なお、外部信号がディジタル信号の場合には、Ａ／
Ｄ変換器を介して高周波電源の励振発振器を制御すれば
よい。

【００４４】そうして、本発明においては、共通の高周
波電源を用いて複数の誘導コイルの少なくとも一部に対
する投入電力を高周波出力回路を切り換えすることなし
に個別に制御することができる。これにより、加熱ロー
ラの軸方向における発熱領域の制御が可能になる。この
ため、本発明の加熱ローラ装置を定着装置などに用いる
場合に、用紙サイズに対応する軸方向の領域の温度を選
択的に上昇させることができる。

【００４５】また、電気回路の切換なしに発熱領域を制
御できるので、回路構成が簡単になるから、誘導加熱装
置を安価にすることができる。

【００４６】さらに、高周波電源は、複数の誘導コイル
に対して単一で対応するので、高周波電源の価格上昇を
抑制できる。

【００４７】請求項４の発明の定着装置は、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トナー
画像を定着するように配設された請求項１ないし３のい
ずれか一記載の誘導加熱ローラ装置と；を具備している
ことを特徴としている。

【００４８】本発明において、「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。

【００４９】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。

【００５０】そうして、本発明においては、トナー画像
が形成された記録媒体を加熱ローラと加圧ローラとの間
に挟んで搬送しながらトナー画像を高速で定着すること
ができる。

【００５１】請求項５の発明の画像形成装置は、記録媒
体にトナー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；画像形成装置本体に配設されて記録媒体
のトナー画像を定着する請求項４記載の定着装置と；を
具備していることを特徴としている。

【００５２】本発明において、「画像形成装置本体」と
は、画像形成装置から定着装置を除いた残余の部分をい
う。また、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。

【００５３】画像形成装置としては、たとえば電子写真
複写機、プリンタ、ファクシミリなどが該当する。

【００５４】記録媒体としては、たとえば転写材シー
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。

【００５５】そうして、本発明においては、高速タイプ
に好適な画像形成装置にすることができる。

【００５６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００５７】図１は、本発明の誘導加熱ローラ装置の第
１の実施形態における全体の概要を示す回路ブロック図
である。

【００５８】図２は、同じく誘導コイルおよび加熱ロー
ラの一部切欠中央断面正面図である。

【００５９】図３は、同じく誘導コイルおよび加熱ロー
ラの横断面図である。

【００６０】図４は、同じく電気回路の全体を示す回路
図である。

【００６１】図５は、同じく３つの共振回路における共
振特性を概念的に示すグラフである。図において、横軸
は周波数を、縦軸はインピーダンスの絶対値を、それぞ
れ示す。

【００６２】各図において、誘導加熱ローラ装置は、加
熱ローラＨＲ、３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ
３、および３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を備えて
構成されている。加熱ローラＨＲは、図２に示すように
回転機構ＲＭを備え、これにより駆動されて回転する。
また、３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３、３つ
のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃは、３つの共振回路ＲＣ
１、ＲＣ２、ＲＣ３を形成し、高周波電源ＨＦＳにより
付勢される。高周波電源ＨＦＳは、各誘導コイルＩＣ
１、ＩＣ２、ＩＣ３に対して高周波電力を供給し、その
入力端は、直流電源ＤＣの出力端に接続している。直流
電源ＤＣの入力端は、低周波交流電源ＡＳに接続してい
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。

【００６３】＜加熱ローラＨＲについて＞加熱ローラＨ
Ｒは、ローラ基体１、２次コイルｗｓおよび保護層２を
備えて構成されているとともに、回転機構ＲＭにより回
転駆動される。

【００６４】ローラ基体１は、アルミナセラミックス製
の円筒体からなり、たとえば長さ３００ｍｍ、厚み３ｍ
ｍである。

【００６５】２次コイルｗｓは、Ｃｕの蒸着膜からなる
フィルム状をなした円筒状の１ターンコイルからなり、
ローラ基体１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。そして、２次コイルｗｓ
の厚みは、加熱ローラＨＲの周回方向の２次側抵抗値が
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】保護層２は、フッ素樹脂からなり、２次コ
イルｗｓの外面を被覆して形成されている。

【００６７】回転機構ＲＭは、加熱ローラＨＲを回転さ
せるための機構であって、以下のように構成されてい
る。すなわち、図２および図３に示すように、第１の端
部部材３Ａ、第２の端部部材３Ｂ、一対の軸受４、４、
ベベルギア５、スプラインギア６およびモータ７を備え
て構成されている。

【００６８】第１の端部部材３Ａは、キャップ部３ａ、
駆動軸３ｂおよび尖端部３ｃからなる。キャップ部３ａ
は、加熱ローラＨＲの図２において左端に外側から嵌合
するとともに、図示を省略している押しねじを用いて加
熱ローラＨＲに固定することによって、加熱ローラＨＲ
の左端を支持している。駆動軸３ｂは、キャップ部３ａ
の外面の中央部から外方へ突出している。尖端部３ｃ
は、キャップ部３ａの内面の中央部からキャップ部３ａ
の内方へ突出している。

【００６９】第２の端部部材３Ｂは、リング部３ｄから
なる。リング部３ｄは、加熱ローラＨＲの図２において
右端に外側から嵌合するとともに、図示を省略している
押しねじを用いて加熱ローラＨＲに固定することによっ
て、加熱ローラＨＲの右端を支持している。

【００７０】一対の軸受４、４の一方は、第１の端部部
材３Ａにおけるキャップ部３ａの外面を回転自在に支持
する。また、他方は、第２の端部部材３Ｂの外面を回転
自在に支持する。したがって、加熱ローラＨＲは、その
両端に固定した第１および第２の端部部材３Ａ、３Ｂ
と、一対の軸受４、４とにより回転自在に支持されてい
る。

【００７１】ベベルギア５は、第１の端板３Ａの駆動軸
３ｂに装着されている。スプラインギア６は、ベベルギ
ア５に噛合している。モータ７は、そのロータ軸がスプ
ラインギア５に直結している。

【００７２】＜３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ
３について＞３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３
は、図４に示すように、加熱ローラＨＲの２次コイルｗ
ｓに磁気結合している。そして、図２および図３に示す
ように、コイルボビン８に巻装されて、加熱ローラＨＲ
の軸方向に分散して配置されている。また、一対の給電
リード線９の間に直列接続し、両端は給電リード線９を
介して後述する高周波電源ＨＦＳの出力端に接続する。

【００７３】コイルボビン８は、フッ素樹脂製の円柱体
からなり、凹部８ａ、支持部８ｂおよび通線溝８ｃを有
している。凹部８ａは、コイルボビン８の先端中央に形
成されていて、回転機構ＲＭに相対的に回転自在に係止
している。支持部８ｂは、コイルボビン８の基端に形成
されていて、図示しない固定部に固定される。通線溝８
ｃは、コイルボビン８の外面の一部に軸方向に沿って樋
状に形成されていて、内部に給電リード線９を収納す
る。なお、給電リード線９は、図３に示すように、通線
溝１ｃ内に収納されて、コイルボビン１の基端側から外
部へ導出され、高周波電源ＨＦＳの出力端に同軸ケーブ
ルを介して接続する。

【００７４】そうして、３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ
２、ＩＣ３は、静止状態で使用され、給電リード線９は
通線溝１ｃ内に収納されて誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、
ＩＣ３に接近しているので、磁束の鎖交が殆どないた
め、給電リード線９内には殆ど渦電流損が発生しない。
一方、３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３は、第
２の端部部材３Ｂのリング部３ｄから加熱ローラＨＲの
内部に挿入されていて、コイルボビン１の先端に形成さ
れた凹部１ａが第１の端板３Ａの尖端部３ｃに係合し、
かつ、前述したように基端に形成した支持部１ｂが固定
部に固定されることによって、加熱ローラＨＲと同軸関
係に支持されるとともに、加熱ローラＨＲが回転しても
静止状態を維持する。

【００７５】＜３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３につ
いて＞３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、図１およ
び図４に示すように、３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ
２、ＩＣ３に並列接続して、３つの共振回路ＲＣ１、Ｒ
Ｃ２、ＲＣ３を形成している。なお、図４および図５
において、Ｒ_ｗｓは加熱ローラＨＲの２次コイルｗｓが
形成する閉回路の等価抵抗を示している。

【００７６】＜３つの共振回路ＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣに
ついて＞３つの共振回路ＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３のうち
ＲＣ１、ＲＣ２は、それらの共振点が図５において、曲
線Ａであり、ＲＣ３は、曲線Ｂである。すなわち、両曲
線Ａ、Ｂは共振点がずれている。

【００７７】＜高周波電源ＨＦＳについて＞高周波電源
ＨＦＳは、図４に示すように、高周波フィルタＨＦＦ、
周波数可変形の高周波発振器ＯＳＣ、駆動回路ＤＣ、ハ
ーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩおよび負荷回路
ＬＣおよび外部信号源ＯＳＳにより構成されている。

【００７８】高周波フィルタＨＦＦは、後述する直流電
源ＤＣおよび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。

【００７９】高周波発振器ＯＳＣは、発振周波数可変形
であり、所定周波数の高周波信号を発生して、駆動回路
ＤＣに入力する。

【００８０】駆動回路ＤＣは、プリアンプからなり、高
周波発振器ＯＳＣから送出された高周波信号を増幅して
駆動信号を出力する。

【００８１】ハーフブリッジ形インバータ主回路ＨＢＩ
は、後述する直流電源ＤＣ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MOSFETＱ
１、Ｑ２に並列接続されたコンデンサＣ４、Ｃ５からな
り、直流電源ＤＣの直流出力をほぼ矩形波の高周波に変
換する。コンデンサＣ４、Ｃ５は、インバータ動作中に
高周波バイパス作用を行なう。

【００８２】負荷回路ＬＣは、直流カットコンデンサＣ
６、インダクタＬ１、３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ
３により構成されている。直流カットコンデンサＣ６
は、一対のMOSFETＱ１、Ｑ２を介して直流電源ＤＣ側か
ら直流成分が負荷回路ＬＣに流入するのを阻止する。イ
ンダクタＬ１および３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３
は、直列共振回路を形成して、３つの誘導コイルＩＣ
１、ＩＣ２、ＩＣ３の両端に印加される高周波電圧を正
弦波に波形整形する。波形整形された高周波電圧によっ
て３つの誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３に付勢され
る。

【００８３】外部信号源ＯＳＳは、高周波電源ＨＦＳの
出力周波数を変化させるためのもので、発振器ＯＳＣを
制御して、その発振周波数を変化させるように機能す
る。

【００８４】＜直流電源ＤＣについて＞直流電源ＤＣ
は、整流回路からなり、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出力する。

【００８５】＜低周波交流電源ＡＳについて＞低周波交
流電源ＡＳは、たとえば１００Ｖ商用交流電源からな
る。

【００８６】＜誘導加熱ローラ装置の動作について＞低
周波交流電源ＡＳの低周波交流電圧は、直流電源ＤＣに
より直流電圧に変換され、さらに高周波電源ＨＦＳで高
周波電圧に変換されて静止状態の３つの誘導コイルＩＣ
１、ＩＣ２、ＩＣ３に印加される。

【００８７】ところで、誘導コイルＩＣ１とコンデンサ
Ｃ１とが形成する共振回路ＲＣ１の共振特性は、図５の
曲線Ａに予め設定されている。これに対して、誘導コイ
ルＩＣ２およびＩＣ３とコンデンサＣ２およびＣ３とが
形成する共振回路ＲＣ２およびＲＣ３の共振特性は、同
様に図５の曲線Ｂである。したがって、両共振特性は相
違しているが、周波数ｆ１のとき、絶対値で示すインピ
ーダンスが等しいので、各誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、
ＩＣ３に印加される高周波電圧したがって発熱量がほぼ
等しくなる。その結果、加熱ローラＨＲの温度は、図６
の曲線Ｃに示すように、有効長のほぼ全体にわたって均
一になる。

【００８８】図６は、本発明の加熱ローラ装置の第１の
実施形態において周波数がｆ１およびｆ２の場合におけ
る加熱ローラの軸方向の温度分布を示すグラフである。
図において、横軸は加熱ローラの（軸方向の）位置を、
縦軸は温度を、それぞれ示す。

【００８９】これに対して、高周波電源ＨＦＳを外部信
号源ＯＳＳの操作により制御して出力の周波数をｆ２に
変化させると、共振回路ＲＣ２およびＲＣ３は共振特性
のほぼ共振点で付勢されるが、共振回路ＲＣ１は、共振
点から大きく外れるので、前者の端子電圧は高くなり、
反対に後者のそれは低くなる。その結果、加熱ローラＨ
Ｒの温度分布は、図６の曲線Ｄに示すように、中央部お
よび図の右側の領域にわたって高く、左側の領域が低く
なる。

【００９０】図７は、本発明の加熱ローラ装置の第２の
実施形態における３つの共振回路の共振特性を示すグラ
フである。図において、横軸は周波数を、縦軸はインピ
ーダンスの絶対値を、それぞれ示す。

【００９１】図８は、同じく周波数ｆ１およびｆ２の場
合における加熱ローラの軸方向の温度分布を示すグラフ
である。図において、横軸は加熱ローラの（軸方向の）
位置を、縦軸は温度を、それぞれ示す。

【００９２】本実施形態は、第１の実施形態と同様に３
つの共振回路ＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３を備えているとと
もに、その他の構成についても共振回路ＲＣ１、ＲＣ
２、ＲＣ３の共振特性を除いて同一である。すなわち、
誘導コイルＩＣ１およびＩＣ３とコンデンサＣ１および
Ｃ３とが形成する共振回路ＲＣ１およびＲＣ３の共振特
性を図７の曲線Ａに示すように予め設定されている。ま
た、誘導コイルＩＣ２とコンデンサＣ２とが形成する共
振回路ＲＣ２の共振特性を曲線Ｂに示すように予め設定
されている。

【００９３】そうして、曲線ＡおよびＢは、周波数ｆ１
のとき、絶対値で示すインピーダンスが等しいので、各
誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３に印加される高周波
電圧したがって発熱量がほぼ等しくなる。その結果、加
熱ローラＨＲの温度は、図６の曲線Ｃに示すように、有
効長のほぼ全体にわたって均一になる。

【００９４】これに対して、高周波電源ＨＦＳの周波数
をｆ２に変化させると、共振回路ＲＣ２は共振特性のほ
ぼ共振点になるが、共振回路ＲＣ１およびＲＣ３は、共
振点から大きく外れるので、前者の端子電圧は高くな
り、反対に後者のそれは低くなる。その結果、加熱ロー
ラＨＲの温度分布は、図８の曲線Ｅに示すように、中央
部の領域が高く、左右両側の領域が低くなる。

【００９５】図９は、本発明の加熱ローラ装置の第３の
実施形態における誘導コイルおよびコンデンサからなる
共振回路と２次コイルとの関係を示す回路図である。図
において、図４と同一部分については同一符号を付して
説明は省略する。

【００９６】図１０は、同じく２つの共振回路の共振特
性を示すグラフである。図において、横軸は周波数を、
縦軸はインピーダンスの絶対値を、それぞれ示す。

【００９７】図１１は、同じく周波数ｆ１およびｆ２の
場合における加熱ローラの軸方向の温度分布を示すグラ
フである。図において、横軸は加熱ローラの（軸方向
の）位置を、縦軸は温度を、それぞれ示す。

【００９８】本実施形態は、２つの共振回路ＲＣ１、Ｒ
Ｃ２を備えている点で異なる。すなわち、図において、
曲線Ａは共振回路ＲＣ１の共振特性、曲線Ｂは共振回路
ＲＣ２の共振特性を示す。

【００９９】そうして、周波数をｆ１にすると、誘導コ
イルＩＣ１、ＩＣ２はそれらのインピーダンスがほぼ等
しくなり、したがって加熱回路ＨＲの温度分布は、図１
１の曲線Ｆに示すように、有効長の全体がほぼ均一温度
になる。

【０１００】これに対して、周波数をｆ２にすると、誘
導コイルＩＣ１の端子電圧が大きくなり、誘導コイルＩ
Ｃ２のそれが低くなるので、図１１の曲線Ｇに示すよう
に、左側の領域が高く、右側の領域が低くなる。

【０１０１】図１２は、本発明の加熱ローラ装置の第４
の実施形態における誘導コイルおよびコンデンサを示す
斜視図および回路図である。図において、図２および図
３と同一部分については同一符号を付して説明は省略す
る。

【０１０２】本実施形態は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ
３を誘導コイルＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３のコイルボビン
８の外側に配設している点で異なる。

【０１０３】図１３は、本発明の定着装置の一実施形態
を示す縦断面図である。

【０１０４】図において、２１は誘導加熱ローラ装置、
２２は加圧ローラ、２３は記録媒体、２４はトナー、２
５は架台、ＩＣは誘導コイルである。

【０１０５】誘導加熱ローラ装置２１は、図１ないし図
５に示す第１の実施形態を用いている。

【０１０６】加圧ローラ２２は、誘導加熱ローラ装置２
１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。

【０１０７】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。

【０１０８】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。

【０１０９】そうして、定着装置は、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。

【０１１０】図１４は、本発明の画像形成装置の一実施
形態としての複写機の概念的断面図である。

【０１１１】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。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】定着装置３３は、図１５に示した構造を有
し、記録媒体に付着したトナーを加熱溶融して熱定着す
る。

【０１１５】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。

【０１１６】

【発明の効果】請求項１および２の発明によれば、誘導
コイルに空芯トランス結合する２次コイルを備えた加熱
ローラと、加熱ローラの軸方向に分散して配設された複
数の誘導コイルと、各誘導コイルに接続して、それぞれ
の共振点が不均一な共振回路を形成する複数のコンデン
サとを具備していることにより、加熱ローラの軸方向の
温度分布を可変にした誘導加熱ローラ装置を提供するこ
とができる。

【０１１７】請求項２の発明によれば、加えて複数のコ
ンデンサは、加熱ローラの外側に配置されていることに
より、耐熱グレードの低い安価なコンデンサを用いて価
格低減に寄与するとともに、加熱ローラを小径にして小
形化に寄与する誘導加熱ローラ装置を提供することがで
きる。

【０１１８】請求項３の発明によれば、加えて複数の誘
導コイルに高周波電力を供給する共通の周波数可変形高
周波電源を具備していることにより、誘導コイルの少な
くとも一部に対する投入電力を高周波出力回路の切換な
しに個別に制御することができるので、用紙サイズに対
応して軸方向の所要領域を選択的に加熱することができ
るとともに、回路構成が簡単で、安価な誘導加熱装置を
提供することができる。

【０１１９】請求項４の発明によれば、加圧ローラを備
えた定着装置本体と、請求項１ないし３のいずれか一記
載の誘導加熱ローラ装置とを具備していることにより、
請求項１ないし３の効果を有する定着装置を提供するこ
とができる。

【０１２０】請求項５の発明によれば、画像形成装置本
体と、請求項３記載の定着装置とを具備していることに
より、請求項１ないし３の効果を有する画像形成装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘導加熱ローラ装置の第１の実施形態
における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一部切欠
中央断面正面図

【図３】同じく誘導コイルおよび加熱ローラの横断面図

【図４】同じく電気回路の全体を示す回路図

【図５】同じく３つの共振回路における共振特性を概念
的に示すグラフ

【図６】本発明の加熱ローラ装置の第１の実施形態にお
いて周波数がｆ１およびｆ２の場合における加熱ローラ
の軸方向の温度分布を示すグラフ

【図７】本発明の加熱ローラ装置の第２の実施形態にお
ける３つの共振回路の共振特性を示すグラフ

【図８】同じく周波数ｆ１およびｆ２の場合における加
熱ローラの軸方向の温度分布を示すグラフ

【図９】本発明の加熱ローラ装置の第３の実施形態にお
ける誘導コイルおよびコンデンサからなる共振回路と２
次コイルとの関係を示す回路図

【図１０】同じく２つの共振回路の共振特性を示すグラ
フ

【図１１】同じく周波数ｆ１およびｆ２の場合における
加熱ローラの軸方向の温度分布を示すグラフ

【図１２】本発明の加熱ローラ装置の第４の実施形態に
おける誘導コイルおよびコンデンサを示す斜視図および
回路図

【図１３】本発明の定着装置の一実施形態を示す縦断面
図

【図１４】本発明の画像形成装置の一実施形態としての
複写機の概念的断面図

【符号の説明】

９…給電リード線ＡＳ…低周波交流電源Ｃ１…コンデンサＣ２…コンデンサＣ３…コンデンサＤＣ…直流電源ＨＦＳ…高周波電源ＯＳＳ…外部信号源ＩＣ１…誘導コイルＩＣ２…誘導コイルＩＣ３…誘導コイルＨＲ…加熱ローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】後記誘導コイルに空芯トランス結合するこ
とによって２次電流が周回方向に流れて発熱する閉回路
を形成している２次コイルを備えた加熱ローラと；加熱
ローラの軸方向に分散して配設された複数の誘導コイル
と；各誘導コイルに接続して、それぞれの共振点が不均
一な共振回路を形成する複数のコンデンサと；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】複数のコンデンサは、加熱ローラの外側に
配置されていることを特徴とする請求項１記載の誘導加
熱ローラ装置。
【請求項３】複数の誘導コイルに高周波電力を供給する
共通の周波数可変形高周波電源を具備していることを特
徴とする請求項１または２記載の誘導加熱ローラ装置。
【請求項４】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
んで搬送しながらトナー画像を定着するように配設され
た請求項１ないし３のいずれか一記載の誘導加熱ローラ
装置と；を具備していることを特徴とする定着装置。
【請求項５】記録媒体にトナー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；画像形成装置本体に
配設されて記録媒体のトナー画像を定着する請求項４記
載の定着装置と；を具備していることを特徴とする画像
形成装置。