JP3731395B2

JP3731395B2 - Induction heating fixing device

Info

Publication number: JP3731395B2
Application number: JP22290299A
Authority: JP
Inventors: 隆浩辻本
Original assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Current assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-08-05
Also published as: JP2001051528A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子写真式の複写機、プリンタおよびファクシミリなどに用いられる定着装置に関し、さらに詳しくは、低周波誘導加熱を利用してトナー像を記録媒体に定着する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真式の複写機、プリンタおよびファクシミリなどには、記録媒体である記録紙ないし転写材などのシート上に保持されたトナー像をシートに定着させる定着装置が設けられている。
【０００３】
この定着装置は、例えば、シート上のトナーを熱溶融させる定着ローラと、当該定着ローラに圧接してシートを挟持する加圧ローラとを有している。定着ローラは中空円筒形状に形成され、円筒内部にこの定着ローラを加熱するための発熱体が設けられている。この発熱体により、定着ローラは、トナーを熱溶融して定着に必要な所定の定着温度まで加熱される。
【０００４】
これまで発熱体としては、例えばハロゲンランプなどを定着ローラの中心軸上に配置して、ハロゲンランプの輻射熱により定着ローラを加熱するものが主流であった。
【０００５】
ところが、このハロゲンランプを用いた定着装置は、コストの面では低価格ではあるものの、輻射熱による加熱であるため熱効率が低く、エネルギーロスが大きいという欠点がある。
【０００６】
このようなハロゲンランプによる加熱方式の欠点を解決し、近年の省エネルギー化の要請に応えるべく、誘導加熱方式の定着装置が提案されている。例えば、特公平４−７３１５５公報には、導電性の定着ローラの内部に、閉磁路を形成するコア（鉄芯）を貫通させ、このコアに巻線を螺旋状に巻回して形成したコイルを定着ローラ内部に同心状に配置した誘導加熱定着装置が記載されている。この定着装置では、コイルに通電してコア内に磁束を生じさせ、この磁束によって定着ローラに誘導電流を誘起させて、定着ローラをジュール発熱させている。
【０００７】
このような誘導加熱を用いた定着装置は、定着ローラなどの発熱体を電磁誘導により直接発熱させる形態であるため、ハロゲンランプによる加熱方式と比較して、熱変換効率が高く、より少ない電力で、定着ローラ表面を定着温度まで迅速に昇温させることが可能となり、省エネルギー化の要請に応え得る。特に上記公報の如く閉磁路を形成するコアを有するものは磁束の漏れがほとんどなく、効率よく定着ローラに２次電流を生じさせることができるので、省エネルギー効果が高く、大型の高速複写機や高速プリンタなどに適している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような巻線を螺旋状に巻回して形成したコイルでは、当該コイルに発生する磁束分布は、コイル中央部分では多く、コイル端部では小さい。このため、当該コイルを定着ローラ内部に同心状に配置した場合には、定着ローラの端部近傍で発生する誘導起電力が少なく、定着ローラの端部での電流密度が「疎」になり、定着ローラの中央部での電流密度が「密」になる。また、定着ローラ端部では放熱量も中央部分と比較して多い。これらのことから、定着ローラの温度分布はローラ長手方向（シート搬送方向に対して直交する方向）に沿って均一ではなく、ローラ端部の温度は中央部に比べて降下する。このように定着ローラ長手方向の温度分布が不均一であると、シート搬送方向に対して直交する方向の定着強度が不均一になり、定着強度不足などの不具合を招く虞がある。
【０００９】
かかる不具合を防止するために、中央部が「疎」に両端部が「密」になるように巻線を螺旋状に巻回してコイルを形成し、コイル両端部の磁束分布を多くし、ローラ両端部の電流密度を増大させて、ローラ両端部の発熱量を多くするようにした技術も提案されている（特開昭５９−３３７８８号公報参照）。
【００１０】
しかし、この構成ではコイル両端部の巻径が大きくなってしまうので、定着ローラの内部空間に十分な余裕がなければ、温度勾配の均一化という所定の効果を発揮できない。一方、前記内部空間に十分な余裕を持たせるために定着ローラを大径化したのでは、定着装置の小型化が阻害される結果となる。
【００１１】
そこで、本出願人は先に、定着ローラの軸方向に沿うコイルの長さを、記録媒体のサイズに基づいて定まる当該定着ローラの有効長よりも長くした誘導加熱定着装置を提案している（特開平１０−１２３８６１号公報参照）。この誘導加熱定着装置によれば、定着ローラの有効領域内では平坦な磁束分布を得ることができ、その磁束から発生する定着ローラに流れる電流密度を均一化させることができる。これにより、定着ローラの有効領域における長手方向の温度勾配がフラットになる。
【００１２】
ところが、特開平１０−１２３８６１号公報に記載の誘導加熱定着装置では、定着ローラの軸方向に沿うコイルの長さを長くするためには、必然的にコイルの巻数は多くしなければならない。一方、例えば定着ローラの肉厚が薄い場合など、定着ローラの抵抗値が比較的大きい場合には、発熱量を確保するためには定着ローラに誘起させる起電力を高くする必要からコイルの巻数を少なくしなければならず、コイルの長さを長くして定着ローラの有効領域内で平坦な磁束分布を得るということが困難になる、という問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、誘導加熱される定着ローラの抵抗値が大きい場合でも、定着ローラの大型化を招くことなく、定着ローラの長手方向の温度分布を十分に均一にし得る誘導加熱定着装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記する手段により達成される。
【００１５】
（１）記録媒体上に形成されたトナー像を前記記録媒体に定着させる誘導加熱定着装置であって、導電性部材で形成された円筒形の加熱回転体と、前記記録媒体を前記加熱回転体との間で挟持する加圧体と、巻線を螺旋状に巻回して形成されると共に前記加熱回転体の内部に同心状に配置され、前記加熱回転体を誘導加熱する２次コイルである誘導コイルと、前記誘導コイルにかかる電圧を１次コイルに対して入力される電圧以上にして誘導起電力を生じさせる１次コイルである昇圧部材と、を有し、前記誘導コイルは、端部同士が短絡していることを特徴とする誘導加熱定着装置。
【００１６】
（２）前記加熱回転体の軸方向に沿う前記誘導コイルの長さを、前記記録媒体のサイズに基づいて定まる前記加熱回転体の有効長よりも長くしたことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱定着装置。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る誘導加熱定着装置を示す概略構成図、図２（Ａ）は、本実施形態における定着ローラ内部を示す断面図、同図（Ｂ）は対比例における定着ローラ内部を示す断面図である。
【００１９】
図１および図２（Ａ）に示す誘導加熱定着装置は、記録媒体としてのシート１０上に保持されたトナー１１を加熱溶融して当該シート１０に定着させるものであり、誘導加熱される定着ローラ（加熱回転体に相当する）１２と、定着ローラ１２に圧接する加圧ローラ（加圧体に相当する）１３と、定着ローラ１２を誘導加熱する誘導コイル１４と、を有する。定着ローラ１２は、図１中矢印ａ方向に回転駆動可能に設けられ、加圧ローラ１３は定着ローラ１２の回転に伴って従動回転する。
【００２０】
定着ローラ１２は、導電性の中空円筒形のパイプであり、例えば、炭素鋼管、ステンレス合金管あるいはアルミニウム管などによって形成されている。さらに、ローラ外周表面には、シート１０を分離し易くするために、フッ素樹脂をコーティングして、トナーに対して良好な離型性と耐熱性とを有する離型層が形成されている。定着ローラ１２の両端には、図示しないスベリ軸受部が形成され、図示しない定着ユニットのフレームに回転自在に取り付けられている。さらに、定着ローラ１２は、その片端に図示しない駆動ギアが固定され、この駆動ギアに接続されたモータなどの図示しない駆動源によって回転駆動される。
【００２１】
加圧ローラ１３は、軸芯１５と、当該軸芯１５の周囲に形成されたシリコンゴム層１６とから構成されている。シリコンゴム層１６は、表面からシート１０が離れ易い離型性を有すると共に、耐熱性を有するゴム層である。また、加圧ローラ１３は、図示しないばね材により、定着ローラ１２に向かう方向に押圧されている。
【００２２】
この誘導加熱定着装置はまた、閉磁路を形成する矩形状のコア１７を有し、このコア１７の一部が定着ローラ１２内の中空部を貫通している。前記誘導コイル１４は、巻線１８を螺旋状に巻回して形成され、コア１７に挿通されて定着ローラ１２の内部に同心状に配置されている。コア１７は、通常のトランスなどに用いられているいわゆる鉄心であり、例えば、珪素鋼板積層鉄心のように高透磁率のものが好ましい。もちろん積層鉄心にかかわらず柱状鉄心でもよい。また、誘導コイル１４の巻線１８としては、表面に融着層と絶縁層を持つ通常の単一導線が用いられる。
【００２３】
図２（Ａ）に示したように、この誘導加熱定着装置は、特に、誘導コイル１４に誘導起電力を入力側に対して同圧以上に昇圧して生じさせる昇圧コイル２０（昇圧部材に相当）を有している。この昇圧コイル２０は、巻線１８をコア１７のまわりに螺旋状に巻回して形成されている。図示のように、昇圧コイル２０は、誘導コイル１４の丁度反対側のコア１７の箇所に設置されているが、設置位置はこの箇所に限定されるものではなく、コア１７の他の箇所に設置することもできる。
【００２４】
昇圧コイル２０は、リード線２０ａを介して交流電源５に接続されており、交流電力が供給される。なお、交流電力の供給のオン・オフを行うリレー等のスイッチ機構、およびオン・オフのタイミングを制御する制御装置は、図示省略してある。一方、誘導コイル１４は、リード線１４ａにより、端部同士が短絡されており、閉回路を形成している。
【００２５】
また、この誘導加熱定着装置は、定着ローラ１２の軸方向に沿う誘導コイル１４の長さＬｃを、シート１０のサイズに基づいて定まる定着ローラ１２の有効長Ｌｒより長くしてある。ここに、「定着ローラ１２の有効長Ｌｒ」は、当該定着装置における搬送可能な最大通紙サイズに対応しており、例えば、Ａ３横が最大通紙サイズとすると、定着ローラ１２の有効長Ｌｒ＝２９７ｍｍである。図示例では、誘導コイル１４は、ローラ有効長Ｌｒに相当する有効領域から図中左右均等に伸びるように配置してある。但し、例えば、定着ローラ１２の図中左右それぞれの端部における放熱量が異なるような場合には、放熱量が多い側に誘導コイル１４を若干片寄せて配置してもよい。
【００２６】
このように構成された誘導加熱定着装置にあっては、定着動作においては、まず、交流電源５から例えば５０〜６０Ｈｚ程度の交流が、昇圧コイル２０に印加される。これにより生じた磁束φが閉磁路を形成するコア１７に流れ、その磁束φによって誘導コイル１４に誘導起電力が生じ、誘導コイル１４に電流が流れる。そして、誘導コイル１４に流れる電流によって磁束が生じる。この磁束によって、定着ローラ１２に誘導起電力が生じ、定着ローラ１２の周方向に電流が流れ、定着ローラ１２は、ジュール熱によって発熱する。
【００２７】
この誘導加熱定着装置の基本的な動作原理はトランスと同様である。
【００２８】
つまり、昇圧コイル２０に流れる電流をＩ1 （Ａ）、誘導コイル１４に流れる電流をＩ2 （Ａ）、定着ローラ１２の周方向に流れる電流をＩ3 （Ａ）とすると、コア１７によって閉磁路が形成されているため原理的には漏れ磁束がなく、１次側（入力側）エネルギーＶ1 ×Ｉ1 と、２次側エネルギーＶ2 ×Ｉ2 と、３次側（出力側）エネルギーＶ3 ×Ｉ3 とはほぼ等しくなる。
【００２９】
この誘導加熱が行われる系において発熱する部分は、一つ目は昇圧コイル２０の銅損による発熱、二つ目は誘導コイル１４の銅損による発熱、三つ目は定着ローラ１２の銅損による発熱、四つ目はコア内部に生じるジュール熱損とヒステリシス損によるコア１７の発熱である。誘導加熱定着装置は、上記一つ目、二つ目、四つ目の発熱がエネルギーロスとなるためこれらの発熱を極力抑える一方、三つ目の銅損を利用して定着ローラ１２を発熱させるようにしたものである。
【００３０】
このようにして、誘導加熱により、定着ローラ１２は、定着に適した温度（例えば、１５０〜２００℃）になるまで加熱される。未定着のトナー１１を保持したシート１０は、図１中矢印ｂで示すように左方向から搬送され、定着ローラ１２と加圧ローラ１３との接触部であるニップ部１９に向けて送り込まれる。シート１０は、加熱された定着ローラ１２の熱と、加圧ローラ１３から作用する圧力とが加えられながら、ニップ部１９で挟持されつつ搬送される。これにより、未定着トナー１１がシート１０上に定着され、シート１０上には定着トナー像が形成される。トナー１１は、シート１０の両面のうち、定着ローラ１２と接触する側に保持されている。ニップ部１９を通過したシート１０は、シート自体のコシの強さで定着ローラ１２から自然に曲率分離し、図１中右方向に搬送される。このシート１０は、図示しない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。
【００３１】
次に、本実施形態の誘導加熱定着装置の定着動作の特徴について詳述する。
【００３２】
本実施形態の誘導加熱定着装置は、昇圧コイル２０を有しているので、昇圧コイル２０に交流電圧が印加されることにより、誘導コイル１４には誘導起電力が発生する。昇圧コイル２０の巻数をＮ1 （ターン）、誘導コイル１４の巻数をＮ2 （ターン）、交流電源５の電圧をＶ1 （Ｖ）とすると、誘導コイル１４に発生する誘導起電力Ｖ2 （Ｖ）は、
Ｖ2 ＝（Ｎ2 ／Ｎ1 ）Ｖ1 … （１）
となる。
【００３３】
ここで、定着ローラ１２の軸方向に沿う誘導コイル１４の長さＬｃを、シート１０のサイズに基づいて定まる定着ローラ１２の有効長Ｌｒより長くするために必要な誘導コイル１４の巻数Ｎ2 が、例えば２００ターンである場合、交流電源５の電圧Ｖ1 と同じ電圧を誘導コイル１４に誘起させたいならば、Ｎ1 ＝Ｎ2 ＝２００（ターン）となるように、昇圧コイル２０を巻回すればよい。また、交流電源５の電圧Ｖ1 以上の電圧を誘導コイル１４に誘起させたいならば、Ｎ1 ＜Ｎ2 ＝２００（ターン）となるように、昇圧コイル２０を巻回すればよい。
【００３４】
昇圧コイル２０によって昇圧あるいは同じ大きさの電圧が誘起された誘導コイル１４は、リード線１４ａにより端部同士が短絡されているので、誘導コイル１４には電流が流れ、その電流によって磁束が発生する。誘導コイル１４に流れる電流によって発生した磁束により、定着ローラ１２には誘導起電力が生じる。
【００３５】
定着ローラ１２に発生する誘導起電力Ｖ3 （Ｖ）は、

となる。なお、定着ローラ１２のターン数Ｎ3 は、Ｎ3 ＝１である。
【００３６】
この定着ローラ１２に発生した誘導起電力により、定着ローラ１２の周方向に電流が生じ、定着ローラ１２は、ジュール熱によって発熱する。
【００３７】
一方、対比例として挙げた図２（Ｂ）は、誘導コイル１４の巻数Ｎ1 ′（ターン）が、図２（Ａ）の誘導コイル１４の巻数Ｎ2 （ターン）と比較して少なくなっている（Ｎ1 ′＜Ｎ2 ）。これは、定着ローラ１２の抵抗値が比較的大きい場合には、発熱量を確保するためには定着ローラに誘起させる起電力Ｖ2 ′（Ｖ）を高くする必要からコイルの巻数を少なくしなければならないからである。図２（Ｂ）において、定着ローラ１２に発生する誘導起電力Ｖ2 ′（Ｖ）は、

となる。つまり、誘導コイル１４の巻数Ｎ1 ′を減らすことにより定着ローラ１２に発生する誘導起電力Ｖ2 ′を高くすることができる。
【００３８】
ところで、図２（Ｂ）の定着ローラ１２に発生する誘導起電力Ｖ2 ′と、図２（Ａ）の定着ローラ１２に発生する誘導起電力Ｖ3 とは、交流電源５に接続するコイルの巻数が同じであるとすれば、上記式（３）および式（２）からわかるように、同じ値になる。
【００３９】
このように、本実施形態にあっては、昇圧コイル２０により、誘導コイル１４に発生させる誘導起電力Ｖ2 を入力側に対して同圧以上に昇圧して生じさせることによって、誘導コイル１４の巻数Ｎ2 を多くすることができる。したがって、誘導加熱される定着ローラの抵抗値が大きい場合であっても、発熱に必要な定着ローラ１２に発生する誘導起電力Ｖ3 を十分に確保しつつ、定着ローラ１２の軸方向に沿う誘導コイル１４の長さＬｃを長くすることが可能になる。
【００４０】
これにより、定着ローラ１２の長手方向に沿って電流密度がほぼ均一になり、この結果、定着ローラ１２における長手方向の温度勾配がほぼフラットになり、定着不良の発生が低減される。さらに、コイル両端部の巻径が大きくなることもないので、定着ローラ１２の大径化を招くことなく、温度勾配の均一化を実現できる。
【００４１】
ここで、誘導コイル１４にあっては、コイル両端部における磁束分布はコイル中央部よりも小さいため、コイル長Ｌｃがローラ有効長Ｌｒと同じ、あるいは図２（Ｂ）に示すように短い場合には、図３（Ｂ）に示すように、定着ローラ１２の有効領域の端部近傍で発生する誘導起電力が少なく、有効領域の端部における電流密度が「疎」になり、有効領域の中央部における電流密度が「密」になる。このため、定着ローラ１２の有効領域の端部における温度は中央部に比べて降下してしまう。
【００４２】
これに対して、本実施形態では、図２（Ａ）に示したようにコイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒよりも長くしてあるので、コイル両端部における磁束分布がコイル中央部よりも小さくなるものの、定着ローラ１２の有効領域だけで見れば、平坦な磁束分布を得ることができる。このため、図３（Ａ）に示すように、定着ローラ１２の有効領域全域に発生する誘導起電力は均一になり、定着ローラ１２の有効領域の中央部における電流密度と、有効領域の端部における電流密度とが同じになる。この結果、定着ローラ１２の有効領域がその全域にわたってムラなく発熱することで当該有効領域の端部における温度降下が抑制されて、定着ローラ有効領域における長手方向の温度勾配がほぼフラットになり、シート搬送方向に対して直交する方向の定着強度が均一になり、定着不良の発生が確実になくなる。
【００４３】
図４は、定着ローラ有効領域における長手方向の温度分布を概念的に示すグラフである。図中（ｂ）（ｃ）は、それぞれコイル長Ｌｃがローラ有効長Ｌｒと等しい場合、ローラ有効長Ｌｒよりも短い場合の温度分布を示している。また、図中（ａ）は、本実施形態のように、コイル長Ｌｃがローラ有効長Ｌｒよりも長い場合の温度分布を示している。さらに、図中（ａ′）は、コイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒに比べて長くし過ぎた場合の温度分布を示している。
【００４４】
図に示すとおり、コイル長Ｌｃがローラ有効長Ｌｒと等しい場合（ｂ）、ローラ有効長Ｌｒよりも短い場合（ｃ）には、定着ローラ１２の有効領域における中央部と端部との温度差を許容温度差（定着ローラ設定温度（例えば２００℃）と定着ローラ許容温度（例えば１８５℃）との温度差）に抑えることができなかった（ＮＧ）。
【００４５】
一方、本実施形態の場合（ａ）のように、コイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒよりも長くすることで、ウォームアップ直後および通紙中に拘らず、前記温度差を許容温度差内に抑えることができた（ＯＫ）。但し、コイル長Ｌｃをローラ有効長Ｌｒに比べて長くし過ぎた場合（ａ′）には、定着ローラ１２の有効領域における中央部の発熱エネルギー（巻線密度）が減少するため、通紙を行うと、矢印で示すように中央部の温度が下がって定着ローラ許容温度以下になってしまう（ＮＧ）。
【００４６】
このように、コイル長Ｌｃとローラ有効長Ｌｒとの関係は、単にＬｃ＞Ｌｒとするのではなく、ウォームアップ直後および通紙中の温度勾配が定着ローラ許容温度以下にならないように設定することが極めて重要である。
【００４７】
なお、種々の構成の定着装置で実験したところ、コイル長Ｌｃの設定値の下限は、ローラ有効長Ｌｒの約１．２倍であることが分かった。また、誘導コイル１４の全長は、ウォームアップ直後および通紙中の温度勾配が定着ローラ許容温度以下にならず、さらにＬｃ／Ｌｒ≧１．２を満たすとともに、定着装置の大型化を招くことのない範囲で任意に定め得る。
【００４８】
上記条件を満たす誘導加熱定着装置の具体的な構成の一例を示すと次ぎの通りである。定着ローラ１２は、鉄製、肉厚５ｍｍ、全長３７０ｍｍ、外径６０ｍｍ、ローラ有効長Ｌｒ＝２９７ｍｍである。コア１７は、硅素鋼板製である。誘導コイル１４は、銅線を使用したコイルで、直径３６ｍｍ、５００巻き、コイル長Ｌｃ＝４００ｍｍ（Ｌｃ／Ｌｒ＝１．３５）である。また、誘導コイル１４への印加電圧は、６０Ｈｚの交流を１００Ｖ、定着温度として２００℃が維持されるようにパルス状に印加した。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、昇圧部材により、誘導コイルに発生させる誘導起電力を入力側に対して同圧以上に昇圧して生じさせることによって、誘導コイルの巻数を多くすることができる。したがって、誘導加熱される加熱回転体の抵抗値が大きい場合であっても、発熱に必要な加熱回転体に発生する誘導起電力を十分に確保しつつ、加熱回転体の軸方向に沿う誘導コイルの長さを長くすることができる。
【００５０】
これにより、加熱回転体の長手方向に沿って電流密度がほぼ均一になり、この結果、加熱回転体における長手方向の温度勾配がほぼフラットになり、定着不良の発生が低減される。さらに、コイル両端部の巻径が大きくなることもないので、加熱回転体の大径化を招くことなく、温度勾配の均一化を実現できる。
【００５１】
また、加熱回転体の軸方向に沿う誘導コイルの長さを、記録媒体のサイズに基づいて定まる加熱回転体の有効長よりも長くすることにより、加熱回転体の有効領域はその全域で均一な電流密度になり、この結果、加熱回転体の有効領域の端部における温度降下が抑制されて、加熱回転体有効領域における長手方向の温度勾配がほぼフラットになり、定着不良の発生が確実になくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る誘導加熱定着装置を示す概略構成図である。
【図２】図２（Ａ）は、本実施形態における定着ローラ内部を示す断面図、同図（Ｂ）は対比例における定着ローラ内部を示す断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、本実施形態における作用の説明に供する概念図、同図（Ｂ）は対比例における作用の説明に供する概念図である。
【図４】定着ローラ有効領域における長手方向の温度分布を概念的に示すグラフである。
【符号の説明】
１０…シート（記録媒体）、
１１…トナー、
１２…定着ローラ（加熱回転体）、
１３…加圧ローラ（加圧体）、
１４…誘導コイル、
１７…コア、
１８…巻線、
２０…昇圧コイル（昇圧部材）、
Ｌｃ…コイル長、
Ｌｒ…定着ローラの有効長。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fixing device used in, for example, an electrophotographic copying machine, a printer, and a facsimile, and more particularly to a fixing device that fixes a toner image on a recording medium using low frequency induction heating.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art An electrophotographic copying machine, a printer, a facsimile, and the like are provided with a fixing device that fixes a toner image held on a sheet such as recording paper or transfer material as a recording medium to the sheet.
[0003]
The fixing device includes, for example, a fixing roller that thermally melts toner on the sheet, and a pressure roller that presses against the fixing roller and sandwiches the sheet. The fixing roller is formed in a hollow cylindrical shape, and a heating element for heating the fixing roller is provided inside the cylinder. By this heating element, the fixing roller is heated to a predetermined fixing temperature necessary for fixing by melting the toner.
[0004]
Up to now, the main heating element has been, for example, a halogen lamp disposed on the central axis of the fixing roller and the fixing roller heated by the radiant heat of the halogen lamp.
[0005]
However, although the fixing device using the halogen lamp is inexpensive in terms of cost, it has the disadvantages that the heat efficiency is low and the energy loss is large because it is heating by radiant heat.
[0006]
In order to solve the drawbacks of the heating method using the halogen lamp and meet the recent demand for energy saving, an induction heating type fixing device has been proposed. For example, Japanese Patent Publication No. 4-73155 discloses a coil formed by passing a core (iron core) that forms a closed magnetic path through a conductive fixing roller and spirally winding a winding around the core. An induction heating fixing device arranged concentrically inside the fixing roller is described. In this fixing device, the coil is energized to generate a magnetic flux in the core, and an induced current is induced in the fixing roller by this magnetic flux to cause the fixing roller to generate Joule heat.
[0007]
Since such a fixing device using induction heating is a form in which a heating element such as a fixing roller directly generates heat by electromagnetic induction, compared with a heating method using a halogen lamp, heat conversion efficiency is high and less power is required. The temperature of the fixing roller can be quickly raised to the fixing temperature, which can meet the demand for energy saving. Particularly, those having a core that forms a closed magnetic circuit as described in the above publication have almost no leakage of magnetic flux and can efficiently generate a secondary current to the fixing roller. Suitable for printers.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the coil formed by spirally winding the winding as described above, the magnetic flux distribution generated in the coil is large at the coil central portion and small at the coil end. For this reason, when the coil is arranged concentrically inside the fixing roller, the induced electromotive force generated near the end of the fixing roller is small, and the current density at the end of the fixing roller is sparse. The current density at the center of the fixing roller becomes “dense”. Further, the heat radiation amount at the end of the fixing roller is larger than that at the central portion. For these reasons, the temperature distribution of the fixing roller is not uniform along the longitudinal direction of the roller (the direction orthogonal to the sheet conveying direction), and the temperature at the end of the roller is lower than that at the center. As described above, if the temperature distribution in the longitudinal direction of the fixing roller is non-uniform, the fixing strength in the direction orthogonal to the sheet conveying direction becomes non-uniform, which may cause problems such as insufficient fixing strength.
[0009]
In order to prevent such inconvenience, a coil is formed by spirally winding the winding so that the center portion is “sparse” and both ends are “dense”, and the magnetic flux distribution at both ends of the coil is increased. A technique has also been proposed in which the current density at both ends is increased to increase the amount of heat generated at both ends of the roller (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-33788).
[0010]
However, since the winding diameter of both ends of the coil becomes large in this configuration, the predetermined effect of uniform temperature gradient cannot be exhibited unless there is a sufficient margin in the internal space of the fixing roller. On the other hand, when the diameter of the fixing roller is increased in order to provide a sufficient margin in the internal space, the fixing device is prevented from being downsized.
[0011]
Therefore, the present applicant has previously proposed an induction heating fixing device in which the length of the coil along the axial direction of the fixing roller is longer than the effective length of the fixing roller determined based on the size of the recording medium ( JP-A-10-123861). According to this induction heating fixing device, a flat magnetic flux distribution can be obtained within the effective area of the fixing roller, and the current density flowing from the magnetic flux to the fixing roller can be made uniform. As a result, the temperature gradient in the longitudinal direction in the effective area of the fixing roller becomes flat.
[0012]
However, in the induction heating fixing device described in JP-A-10-123861, in order to increase the length of the coil along the axial direction of the fixing roller, the number of turns of the coil must be increased. On the other hand, when the resistance value of the fixing roller is relatively large, for example, when the thickness of the fixing roller is thin, in order to secure a heat generation amount, it is necessary to increase the electromotive force induced in the fixing roller. There is a problem that it is difficult to obtain a flat magnetic flux distribution within the effective area of the fixing roller by increasing the length of the coil.
[0013]
An object of the present invention is to provide an induction heating fixing device capable of sufficiently uniforming the temperature distribution in the longitudinal direction of the fixing roller without causing an increase in size of the fixing roller even when the resistance value of the fixing roller heated by induction is large. There is to do.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is achieved by the following means.
[0015]
(1) An induction heating fixing device for fixing a toner image formed on a recording medium to the recording medium, a cylindrical heating rotator formed of a conductive member, and the recording medium as the heating rotator. And a secondary coil that is formed by winding a winding spirally and is concentrically arranged inside the heating rotator to inductively heat the heating rotator. An induction coil, and a booster member that is a primary coil that generates an induced electromotive force by setting a voltage applied to the induction coil to be equal to or higher than a voltage input to the primary coil, and the induction coil has an end portion An induction heating fixing device characterized by short-circuiting each other .
[0016]
(2) The length of the induction coil along the axial direction of the heating rotator is longer than the effective length of the heating rotator determined based on the size of the recording medium. Induction heating fixing device.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an induction heating fixing device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2A is a cross-sectional view showing the inside of a fixing roller in this embodiment, and FIG. It is sectional drawing which shows a roller inside.
[0019]
The induction heating fixing device shown in FIG. 1 and FIG. 2 (A) heats and melts the toner 11 held on a sheet 10 as a recording medium and fixes the toner 11 on the sheet 10. The fixing roller is induction heated. (Corresponding to a heating rotator) 12, a pressure roller (corresponding to a pressure member) 13 in pressure contact with the fixing roller 12, and an induction coil 14 for inductively heating the fixing roller 12. The fixing roller 12 is rotatably provided in the direction of arrow a in FIG. 1, and the pressure roller 13 is driven to rotate as the fixing roller 12 rotates.
[0020]
The fixing roller 12 is a conductive hollow cylindrical pipe, and is formed of, for example, a carbon steel pipe, a stainless alloy pipe, an aluminum pipe, or the like. Further, on the outer peripheral surface of the roller, a release layer having good releasability and heat resistance with respect to the toner is formed by coating with a fluororesin so that the sheet 10 can be easily separated. At both ends of the fixing roller 12, a sliding bearing portion (not shown) is formed and is rotatably attached to a frame of a fixing unit (not shown). Further, the fixing roller 12 has a driving gear (not shown) fixed to one end thereof, and is rotationally driven by a driving source (not shown) such as a motor connected to the driving gear.
[0021]
The pressure roller 13 includes a shaft core 15 and a silicon rubber layer 16 formed around the shaft core 15. The silicon rubber layer 16 is a rubber layer having a release property that allows the sheet 10 to be easily separated from the surface and having heat resistance. The pressure roller 13 is pressed in a direction toward the fixing roller 12 by a spring material (not shown).
[0022]
The induction heating fixing device also has a rectangular core 17 that forms a closed magnetic path, and a part of the core 17 passes through a hollow portion in the fixing roller 12. The induction coil 14 is formed by winding a winding 18 in a spiral shape. The induction coil 14 is inserted through the core 17 and is concentrically arranged inside the fixing roller 12. The core 17 is a so-called iron core used in a normal transformer, and preferably has a high magnetic permeability such as a silicon steel sheet laminated iron core. Of course, a columnar core may be used regardless of the laminated core. Further, as the winding 18 of the induction coil 14, a normal single conductor having a fusion layer and an insulating layer on the surface is used.
[0023]
As shown in FIG. 2 (A), this induction heating and fixing device particularly has a boosting coil 20 (corresponding to a boosting member) that generates an induced electromotive force in the induction coil 14 by boosting the induced electromotive force to the same pressure or higher. )have. The step-up coil 20 is formed by winding a winding 18 around the core 17 in a spiral shape. As shown in the figure, the booster coil 20 is installed at the location of the core 17 just opposite to the induction coil 14, but the installation position is not limited to this location, and is installed at other locations of the core 17. You can also
[0024]
The step-up coil 20 is connected to the AC power source 5 via the lead wire 20a and supplied with AC power. Note that a switch mechanism such as a relay for turning on / off the supply of AC power and a control device for controlling the on / off timing are not shown. On the other hand, the end portions of the induction coil 14 are short-circuited by the lead wire 14a to form a closed circuit.
[0025]
In this induction heating and fixing device, the length Lc of the induction coil 14 along the axial direction of the fixing roller 12 is longer than the effective length Lr of the fixing roller 12 determined based on the size of the sheet 10. Here, the “effective length Lr of the fixing roller 12” corresponds to the maximum sheet passing size that can be conveyed in the fixing device. For example, when the A3 side is the maximum sheet passing size, the effective length Lr of the fixing roller 12 is set. = 297 mm. In the illustrated example, the induction coil 14 is arranged so as to extend evenly in the left and right directions in the figure from the effective area corresponding to the roller effective length Lr. However, for example, when the heat radiation amounts at the left and right ends of the fixing roller 12 in the drawing are different, the induction coil 14 may be slightly shifted to the side where the heat radiation amount is large.
[0026]
In the induction heating fixing device configured as described above, in the fixing operation, first, an alternating current of about 50 to 60 Hz, for example, is applied to the booster coil 20 from the alternating current power supply 5. The magnetic flux φ generated thereby flows into the core 17 forming the closed magnetic path, and an induced electromotive force is generated in the induction coil 14 by the magnetic flux φ, and a current flows in the induction coil 14. A magnetic flux is generated by the current flowing through the induction coil 14. Due to this magnetic flux, an induced electromotive force is generated in the fixing roller 12, current flows in the circumferential direction of the fixing roller 12, and the fixing roller 12 generates heat due to Joule heat.
[0027]
The basic operating principle of this induction heating fixing device is the same as that of a transformer.
[0028]
That is, if the current flowing through the booster coil 20 is I1 (A), the current flowing through the induction coil 14 is I2 (A), and the current flowing in the circumferential direction of the fixing roller 12 is I3 (A), the core 17 forms a closed magnetic circuit. In principle, there is no leakage flux, and the primary side (input side) energy V1 × I1, the secondary side energy V2 × I2, and the tertiary side (output side) energy V3 × I3 are almost equal. Become.
[0029]
In the system in which induction heating is performed, the first heat generation part is due to copper loss of the booster coil 20, the second part is due to copper loss of the induction coil 14, and the third part is due to copper loss of the fixing roller 12. The fourth is heat generation of the core 17 due to Joule heat loss and hysteresis loss generated inside the core. In the induction heating fixing device, the first, second, and fourth heat generations cause energy loss, so that these heat generations are suppressed as much as possible, while the third copper loss is used to heat the fixing roller 12. It is what I did.
[0030]
In this way, the fixing roller 12 is heated to a temperature suitable for fixing (for example, 150 to 200 ° C.) by induction heating. The sheet 10 holding the unfixed toner 11 is conveyed from the left as indicated by an arrow b in FIG. 1 and fed toward a nip portion 19 that is a contact portion between the fixing roller 12 and the pressure roller 13. The sheet 10 is conveyed while being nipped by the nip portion 19 while applying heat from the heated fixing roller 12 and pressure acting from the pressure roller 13. As a result, the unfixed toner 11 is fixed on the sheet 10, and a fixed toner image is formed on the sheet 10. The toner 11 is held on the side of the sheet 10 that contacts the fixing roller 12. The sheet 10 that has passed through the nip portion 19 is naturally separated from the fixing roller 12 by the stiffness of the sheet itself, and is conveyed rightward in FIG. The sheet 10 is conveyed by a discharge roller (not shown) and discharged onto a discharge tray.
[0031]
Next, the characteristics of the fixing operation of the induction heating fixing device of this embodiment will be described in detail.
[0032]
Since the induction heating fixing device of the present embodiment includes the booster coil 20, an induction electromotive force is generated in the induction coil 14 when an AC voltage is applied to the booster coil 20. When the number of turns of the booster coil 20 is N1 (turn), the number of turns of the induction coil 14 is N2 (turn), and the voltage of the AC power supply 5 is V1 (V), the induced electromotive force V2 (V) generated in the induction coil 14 is
V2 = (N2 / N1) V1 (1)
It becomes.
[0033]
Here, the number of turns N2 of the induction coil 14 necessary for making the length Lc of the induction coil 14 along the axial direction of the fixing roller 12 longer than the effective length Lr of the fixing roller 12 determined based on the size of the sheet 10 is: For example, in the case of 200 turns, if it is desired to induce the same voltage as the voltage V1 of the AC power supply 5 to the induction coil 14, the booster coil 20 may be wound so that N1 = N2 = 200 (turns). If it is desired to induce a voltage equal to or higher than the voltage V1 of the AC power supply 5 to the induction coil 14, the booster coil 20 may be wound so that N1 <N2 = 200 (turns).
[0034]
Since the ends of the induction coil 14 whose voltage is boosted or induced by the boost coil 20 are short-circuited by the lead wire 14a, a current flows through the induction coil 14, and a magnetic flux is generated by the current. . An induced electromotive force is generated in the fixing roller 12 by the magnetic flux generated by the current flowing through the induction coil 14.
[0035]
The induced electromotive force V3 (V) generated in the fixing roller 12 is

It becomes. The number N3 of turns of the fixing roller 12 is N3 = 1.
[0036]
Due to the induced electromotive force generated in the fixing roller 12, a current is generated in the circumferential direction of the fixing roller 12, and the fixing roller 12 generates heat due to Joule heat.
[0037]
On the other hand, in FIG. 2B cited as a comparative example, the number of turns N1 '(turn) of the induction coil 14 is smaller than the number of turns N2 (turn) of the induction coil 14 in FIG. N1 '<N2). This is because, when the resistance value of the fixing roller 12 is relatively large, in order to secure a heat generation amount, it is necessary to increase the electromotive force V2 '(V) induced in the fixing roller, so that the number of turns of the coil must be reduced. Because it will not be. In FIG. 2B, the induced electromotive force V2 '(V) generated in the fixing roller 12 is

It becomes. That is, by reducing the number of turns N1 'of the induction coil 14, the induced electromotive force V2' generated in the fixing roller 12 can be increased.
[0038]
Incidentally, the induced electromotive force V2 'generated in the fixing roller 12 in FIG. 2B and the induced electromotive force V3 generated in the fixing roller 12 in FIG. If they are the same, the same value is obtained as can be seen from the above equations (3) and (2).
[0039]
As described above, in the present embodiment, the boosting coil 20 causes the induced electromotive force V2 generated in the induction coil 14 to be boosted to the same pressure or more with respect to the input side, thereby generating the number of turns of the induction coil 14. N2 can be increased. Therefore, even when the resistance value of the fixing roller to be induction-heated is large, the induction coil V3 along the axial direction of the fixing roller 12 is sufficiently secured while ensuring the induced electromotive force V3 generated in the fixing roller 12 necessary for heat generation. The length Lc of 14 can be increased.
[0040]
As a result, the current density becomes substantially uniform along the longitudinal direction of the fixing roller 12. As a result, the temperature gradient in the longitudinal direction of the fixing roller 12 becomes substantially flat, and the occurrence of fixing failure is reduced. Furthermore, since the winding diameter of both ends of the coil does not increase, the temperature gradient can be made uniform without increasing the diameter of the fixing roller 12.
[0041]
Here, in the induction coil 14, the magnetic flux distribution at both ends of the coil is smaller than that at the center of the coil. Therefore, when the coil length Lc is the same as the roller effective length Lr or short as shown in FIG. As shown in FIG. 3B, the induced electromotive force generated near the end of the effective area of the fixing roller 12 is small, the current density at the end of the effective area becomes “sparse”, and the center of the effective area The current density at the part becomes “dense”. For this reason, the temperature at the end of the effective area of the fixing roller 12 falls compared to the center.
[0042]
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 2A, the coil length Lc is longer than the roller effective length Lr, so that the magnetic flux distribution at both ends of the coil is smaller than that at the coil center. However, if only the effective area of the fixing roller 12 is viewed, a flat magnetic flux distribution can be obtained. For this reason, as shown in FIG. 3A, the induced electromotive force generated in the entire effective area of the fixing roller 12 becomes uniform, and the current density in the central portion of the effective area of the fixing roller 12 and the end of the effective area. The current density at is the same. As a result, the effective area of the fixing roller 12 generates heat uniformly over the entire area, so that the temperature drop at the end of the effective area is suppressed, the temperature gradient in the longitudinal direction in the effective area of the fixing roller becomes substantially flat, and the sheet The fixing strength in the direction orthogonal to the transport direction becomes uniform, and fixing defects are surely eliminated.
[0043]
FIG. 4 is a graph conceptually showing the temperature distribution in the longitudinal direction in the effective area of the fixing roller. In the figure, (b) and (c) show temperature distributions when the coil length Lc is equal to the roller effective length Lr and shorter than the roller effective length Lr. Further, (a) in the figure shows the temperature distribution when the coil length Lc is longer than the roller effective length Lr as in this embodiment. Further, (a ′) in the figure shows the temperature distribution when the coil length Lc is made too long compared to the roller effective length Lr.
[0044]
As shown in the figure, when the coil length Lc is equal to the roller effective length Lr (b) or shorter than the roller effective length Lr (c), the temperature difference between the central portion and the end portion in the effective region of the fixing roller 12. Can not be suppressed to an allowable temperature difference (temperature difference between the fixing roller set temperature (for example, 200 ° C.) and the fixing roller allowable temperature (for example, 185 ° C.)) (NG).
[0045]
On the other hand, as in the case of the present embodiment (a), by making the coil length Lc longer than the roller effective length Lr, the temperature difference is suppressed within the allowable temperature difference regardless of immediately after warm-up and during paper feeding. It was possible (OK). However, if the coil length Lc is made too long compared to the roller effective length Lr (a ′), the heat generation energy (winding density) at the center portion in the effective area of the fixing roller 12 is reduced, so that the paper is passed. If this is done, the temperature at the center will drop below the allowable temperature of the fixing roller as shown by the arrow (NG).
[0046]
As described above, the relationship between the coil length Lc and the roller effective length Lr is not simply set to Lc> Lr, but is set so that the temperature gradient immediately after warm-up and during the sheet passing does not become lower than the fixing roller allowable temperature. Is extremely important.
[0047]
In addition, when an experiment was conducted using fixing devices having various configurations, it was found that the lower limit of the set value of the coil length Lc was about 1.2 times the roller effective length Lr. Further, the total length of the induction coil 14 is that the temperature gradient immediately after warm-up and during paper feeding does not become lower than the fixing roller allowable temperature, satisfies Lc / Lr ≧ 1.2, and increases the size of the fixing device. It can be arbitrarily determined within a range not included.
[0048]
An example of a specific configuration of the induction heating fixing device that satisfies the above conditions is as follows. The fixing roller 12 is made of iron, has a thickness of 5 mm, an overall length of 370 mm, an outer diameter of 60 mm, and an effective roller length Lr = 297 mm. The core 17 is made of a silicon steel plate. The induction coil 14 is a coil using a copper wire, and has a diameter of 36 mm, 500 turns, and a coil length Lc = 400 mm (Lc / Lr = 1.35). Further, the voltage applied to the induction coil 14 was applied in a pulse form so that an alternating current of 60 Hz was 100 V and the fixing temperature was maintained at 200 ° C.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the number of turns of the induction coil can be increased by generating the induced electromotive force generated in the induction coil by boosting it to the same pressure or higher with respect to the input side. Can do. Therefore, even when the resistance value of the heating rotator to be induction-heated is large, the induction coil along the axial direction of the heating rotator is sufficiently secured while sufficiently securing the induced electromotive force generated in the heating rotator necessary for heat generation. Can be lengthened.
[0050]
As a result, the current density becomes substantially uniform along the longitudinal direction of the heating rotator. As a result, the temperature gradient in the longitudinal direction of the heating rotator becomes substantially flat, and the occurrence of fixing defects is reduced. Furthermore, since the winding diameters at both ends of the coil do not increase, the temperature gradient can be made uniform without increasing the diameter of the heating rotator.
[0051]
In addition, by making the length of the induction coil along the axial direction of the heating rotator longer than the effective length of the heating rotator determined based on the size of the recording medium, the effective area of the heating rotator is uniform throughout the entire area. As a result, the temperature drop at the end of the effective area of the heating rotator is suppressed, the temperature gradient in the longitudinal direction in the effective area of the heating rotator becomes substantially flat, and the occurrence of defective fixing is reliably eliminated. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an induction heating fixing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a cross-sectional view showing the inside of the fixing roller in the present embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing the inside of the fixing roller in comparison.
FIG. 3A is a conceptual diagram for explaining the operation in the present embodiment, and FIG. 3B is a conceptual diagram for explaining the operation in comparison.
FIG. 4 is a graph conceptually showing a temperature distribution in a longitudinal direction in an effective area of a fixing roller.
[Explanation of symbols]
10: Sheet (recording medium),
11: Toner,
12: Fixing roller (heating rotating body),
13 ... Pressure roller (pressure body),
14 ... induction coil,
17 ... Core,
18 ... Winding,
20: Booster coil (boost member),
Lc: coil length,
Lr: Effective length of the fixing roller.

Claims

An induction heating fixing device for fixing a toner image formed on a recording medium to the recording medium,
A cylindrical heating rotator formed of a conductive member;
A pressure member that sandwiches the recording medium with the heating rotator, and
An induction coil that is a secondary coil that is formed by winding a winding in a spiral and is concentrically disposed inside the heating rotator and induction-heats the heating rotator;
A voltage increasing member that is a primary coil that generates an induced electromotive force by setting a voltage applied to the induction coil to be equal to or higher than a voltage input to the primary coil ;
An induction heating and fixing apparatus , wherein the induction coil is short-circuited between ends .

2. The induction heating fixing according to claim 1, wherein a length of the induction coil along an axial direction of the heating rotator is longer than an effective length of the heating rotator determined based on a size of the recording medium. apparatus.