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JP6463021B2 - Fixing device - Google Patents

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JP6463021B2
JP6463021B2 JP2014148609A JP2014148609A JP6463021B2 JP 6463021 B2 JP6463021 B2 JP 6463021B2 JP 2014148609 A JP2014148609 A JP 2014148609A JP 2014148609 A JP2014148609 A JP 2014148609A JP 6463021 B2 JP6463021 B2 JP 6463021B2
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magnetic
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慶樹 工藤
慶樹 工藤
静磨 西村
静磨 西村
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Description

本発明は、電磁誘導電流によって筒状の金属部材自身が直接発熱する方式を用いて記録材上のトナー像を加熱する定着装置に関するものである。   The present invention relates to a fixing device that heats a toner image on a recording material using a method in which a cylindrical metal member itself generates heat directly by electromagnetic induction current.

電子写真方式の画像形成装置は、記録材上に形成したトナー像を加熱及び加圧することで記録材にトナーを定着する。定着の方式としては、セラミックヒータ等による発熱体が加熱部材へ熱を供給するセラミックヒータ方式や、励磁コイルが生成する磁場により加熱部材内に電流を流し、その際発生するジュール熱により加熱部材自身が発熱する電磁誘導方式等が挙げられる。電磁誘導方式では加熱部材自身が発熱するため、加熱部材以外への余分な熱損失が少なくセラミックヒータ加熱方式に比べ熱効率の優れた定着方式であると考えられる。   An electrophotographic image forming apparatus fixes toner on a recording material by heating and pressurizing a toner image formed on the recording material. As a fixing method, a ceramic heater method in which a heating element such as a ceramic heater supplies heat to the heating member, or a current is passed through the heating member by a magnetic field generated by an exciting coil, and the heating member itself is generated by Joule heat generated at that time. And an electromagnetic induction system that generates heat. In the electromagnetic induction method, since the heating member itself generates heat, it is considered that this is a fixing method with less heat loss to the part other than the heating member and superior thermal efficiency compared to the ceramic heater heating method.

図17に特許文献1で開示されている電磁誘導方式の定着装置の一例を示す。この定着装置は主に筒状の加熱ロール201と弾性体である加圧ロール205、分割コア202、コイルボビン204、励磁コイル203、及び不図示の加圧機構からなる。加熱ロール201の内部で、所定の間隔にて分割コア202を配置し、分割コア202の外側にコイルボビン204及び励磁コイル203を配置する。   FIG. 17 shows an example of an electromagnetic induction fixing device disclosed in Patent Document 1. The fixing device mainly includes a cylindrical heating roll 201, an elastic pressure roll 205, a split core 202, a coil bobbin 204, an excitation coil 203, and a pressure mechanism (not shown). Inside the heating roll 201, the divided cores 202 are arranged at predetermined intervals, and the coil bobbin 204 and the exciting coil 203 are arranged outside the divided core 202.

励磁コイル203は加熱ロール201の回転方向に巻かれており、この励磁コイル203に電流を流す事で分割コア202が軸X方向へ磁化する。電磁誘導により、この時発生する磁力線の変化を妨げる向きに加熱ロール201の内部に電流が流れ、加熱ロール201が発熱する。不図示の加圧機構により加熱ロール201と加圧ロール205の間に定着ニップNを形成し、この定着ニップN内にて記録材を挟持搬送することで記録材上のトナー像を定着する。   The exciting coil 203 is wound in the rotation direction of the heating roll 201, and the split core 202 is magnetized in the axis X direction by passing a current through the exciting coil 203. Due to the electromagnetic induction, a current flows in the heating roll 201 in a direction that hinders the change in the lines of magnetic force generated at this time, and the heating roll 201 generates heat. A fixing nip N is formed between the heating roll 201 and the pressure roll 205 by a pressure mechanism (not shown), and the recording material is nipped and conveyed in the fixing nip N to fix the toner image on the recording material.

特開2004−341164号公報JP 2004-341164 A

しかしながら励磁コイル203に流す高周波電流の周波数により、軸X方向位置で加熱ロール201の温度が異なる事がわかった。具体的には、軸X方向における中央部と端部で加熱ロール201の温度を比較すると、周波数が高い場合には軸X方向端部の方が温度が高くなり、周波数が低い場合には軸X方向中央部の方が温度が高くなる。   However, it has been found that the temperature of the heating roll 201 differs at the position in the axis X direction depending on the frequency of the high-frequency current flowing through the exciting coil 203. Specifically, when the temperature of the heating roll 201 is compared between the center portion and the end portion in the axis X direction, the temperature is higher at the end portion in the axis X direction when the frequency is high, and the axis is set when the frequency is low. The temperature is higher at the center in the X direction.

従来、加熱ロール201の特定部位の温度を測定し、その測定温度に基づき加熱ロール全領域が適正温度範囲に収まるように制御する。しかし、周波数により加熱ロール軸X方向の温度分布が変化すると、この従来の方法では加熱ロール全体を適正温度範囲に収めることができないことがあった。そのため軸X方向での光沢ムラであったり、特に適正温度範囲から高温側へ外れた領域においてトナーが加熱部材201側へオフセットしてしまうといった問題がある。   Conventionally, the temperature of a specific part of the heating roll 201 is measured, and control is performed so that the entire heating roll area falls within the appropriate temperature range based on the measured temperature. However, if the temperature distribution in the heating roll axis X direction changes depending on the frequency, the conventional heating method may not be able to keep the entire heating roll within the appropriate temperature range. For this reason, there are problems such as uneven glossiness in the direction of the axis X, and toner offset to the heating member 201 side particularly in a region deviated from the appropriate temperature range to the high temperature side.

本発明は上記課題を解決するため、取りうる駆動周波数範囲内でどの駆動周波数であっても、加熱部材としての回転体の通紙領域の温度が適正温度範囲に収まるように温度制御ができる定着装置の提案を目的とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention can perform temperature control so that the temperature of the sheet passing area of the rotating body as the heating member is within the appropriate temperature range at any driving frequency within the possible driving frequency range. The purpose is to propose a device.

上記の目的を達成するための本発明の定着装置の代表的な構成は、
導電層を有する筒状の回転体と、
前記回転体の中空部に挿通され前記回転体の母線方向に長い磁性芯材と、
前記中空部において前記磁性芯材の外周面に直接もしくは他物を介して前記磁性芯材の長手方向に沿って一端側から他端側にかけて一連に且つ前記長手方向の中央部に比べて端部の方が密度が高くなるようにコイル線材を螺旋状に巻き回して形成されている励磁コイルと、を有し、
前記励磁コイルの一端側と他端側の給電接点を介して前記励磁コイルに交番電流を流すことで前記導電層が電磁誘導により発熱し、この熱を利用して画像を記録材に定着する定着装置であって、
前記磁性芯材は前記回転体の外側でループを形成しておらず、
前記回転体の温度を測定する温度検知素子を有し、
前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も大きい時に前記回転体の母線方向で最も温度が高くなる位置と、採用しうる周波数の範囲の中で周波数が最も小さい時に前記回転体の母線方向で最も温度が高くなる位置と、の両方に前記温度検知素子が配置されていることを特徴とする。
A typical configuration of the fixing device of the present invention for achieving the above object is as follows.
A cylindrical rotating body having a conductive layer;
A magnetic core material that is inserted through the hollow portion of the rotating body and is long in the generatrix direction of the rotating body;
In the hollow portion, the end portion in a series from the one end side to the other end side along the longitudinal direction of the magnetic core member directly or through other objects on the outer peripheral surface of the magnetic core member, and compared to the central portion in the longitudinal direction. An exciting coil formed by spirally winding a coil wire so that the density is higher,
Fixing in which the conductive layer generates heat by electromagnetic induction by passing an alternating current through the excitation coil via the power supply contact on one end side and the other end side of the excitation coil, and this heat is used to fix the image on the recording material. A device,
The magnetic core material does not form a loop outside the rotating body,
A temperature sensing element for measuring the temperature of the rotating body;
The rotating body when the the most temperature increases position generatrix direction of the rotary member when the largest in the range of frequencies where the frequency can adopt the alternating current, the lowest frequency within the range of frequencies which can be employed The temperature detecting element is arranged at both the position where the temperature is highest in the direction of the bus .

以上説明したように、本発明によれば、取りうる駆動周波数範囲内において回転体の母線方向における最も高い温度を知ることができ、その結果光沢ムラ及びトナーのオフセットを防止できる。   As described above, according to the present invention, it is possible to know the highest temperature in the generatrix direction of the rotating body within a possible driving frequency range, and as a result, it is possible to prevent gloss unevenness and toner offset.

実施例1の定着装置において、軸方向位置の温度分布測定結果図FIG. 6 is a graph showing the result of measuring the temperature distribution at the axial position in the fixing device of Example 1. 実施例1の定着装置を用いた画像形成装置の概略構成図1 is a schematic configuration diagram of an image forming apparatus using a fixing device according to a first exemplary embodiment. 実施例1の定着装置の要部の横断側面模型図Cross-sectional side view of the main part of the fixing device of Example 1 実施例1の定着装置の要部の斜視図1 is a perspective view of a main part of a fixing device according to a first embodiment. 2種類の磁性コアを説明する図Diagram explaining two types of magnetic cores 磁性コア付近に存在する磁界説明図Illustration of the magnetic field existing near the magnetic core 図5(a)の磁気等価回路図Magnetic equivalent circuit diagram of FIG. 発熱層の外側を通る磁束比率と変換効率の関係を得るための実験構成図Experimental configuration diagram to obtain the relationship between the magnetic flux ratio passing through the outside of the heat generation layer and the conversion efficiency 発熱層の外側を通る磁束比率と変換効率の関係の実験結果図Experimental result diagram of the relationship between the magnetic flux ratio passing through the outside of the heat generation layer and the conversion efficiency 1次コイルと2次コイルを巻いた形状の同心軸トランスの磁気結合を示す図The figure which shows the magnetic coupling of the concentric shaft transformer of the shape which wound the primary coil and the secondary coil 等価回路を示す図Diagram showing equivalent circuit 磁性コアに対する位置と等価インダクタンスの関係を示す図Diagram showing the relationship between the position and the equivalent inductance relative to the magnetic core 一様な磁界中に存在する磁界と磁性コアの境界条件を示す図Diagram showing boundary condition between magnetic field and magnetic core existing in uniform magnetic field みかけの透磁率を考慮した等価回路を示す図Diagram showing equivalent circuit considering apparent permeability みかけの透磁率及び巻き数による合成インピーダンスへの影響を説明する図The figure explaining the influence on the synthetic impedance by the apparent permeability and the number of turns 2つの温度検知素子を用いた温度制御を説明する図The figure explaining temperature control using two temperature detection elements 従来例の電磁誘導方式定着装置の要部の斜視図Perspective view of the main part of a conventional electromagnetic induction type fixing device

《実施例1》
以下、本発明の実施形態を説明する。ただし、以下実施形態に記載する構成部品の材質、形状、相対的位置等は特に記載の無い限りは限定する趣旨のものではない。
Example 1
Embodiments of the present invention will be described below. However, the material, shape, relative position, and the like of the component parts described in the embodiments are not intended to be limited unless otherwise specified.

<画像形成装置例の全体構成>
図2は本実施例の定着装置を用いた画像形成装置100の概略構成図である。画像形成装置100は、電子写真方式のレーザービームプリンタである。
<Overall Configuration of Image Forming Apparatus Example>
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an image forming apparatus 100 using the fixing device of this embodiment. The image forming apparatus 100 is an electrophotographic laser beam printer.

101は像担持体としての感光体ドラムであり、矢示の時計方向に所定のプロセススピード(周速度)にて回転駆動する。感光体ドラム101はその回転過程で帯電ローラ102により所定の極性・電位に一様に帯電処理される。   Reference numeral 101 denotes a photosensitive drum as an image carrier, which is driven to rotate in a clockwise direction indicated by an arrow at a predetermined process speed (circumferential speed). The photosensitive drum 101 is uniformly charged to a predetermined polarity and potential by the charging roller 102 during its rotation.

103は画像露光手段としてのレーザービームスキャナであり、不図示のコンピュータ等の外部機器から入力されるデジタル画素信号に対応してオン/オフ変調されたレーザー光113を出力して、感光体ドラム101の帯電処理面を走査露光する。この走査露光により感光体ドラム101表面の露光明部の電荷が除電されて感光体ドラム101表面に画像情報に対応した静電潜像が形成される。   Reference numeral 103 denotes a laser beam scanner as an image exposure unit, which outputs a laser beam 113 that is on / off modulated in response to a digital pixel signal input from an external device such as a computer (not shown), and outputs the photosensitive drum 101. The charged surface is subjected to scanning exposure. By this scanning exposure, the charge of the exposed bright portion on the surface of the photosensitive drum 101 is removed, and an electrostatic latent image corresponding to the image information is formed on the surface of the photosensitive drum 101.

104は現像装置であり、現像ローラ104aから感光体ドラム101表面に現像剤(トナー)が供給されて、感光体ドラム101表面の静電潜像は、可転写像であるトナー像として順次に現像される。105は給送カセットであり、記録材114を積載収納させてある。給送スタート信号に基づいて給送ローラ106が駆動されて、給送カセット105内の記録材114は、一枚ずつ分離給送される。そして、レジストローラ対107を介して、感光体ドラム101と接触して従動回転する転写ローラ108との当接ニップ部である転写部位108Tに、所定のタイミングで導入される。   A developing device 104 supplies developer (toner) to the surface of the photosensitive drum 101 from the developing roller 104a, and the electrostatic latent image on the surface of the photosensitive drum 101 is sequentially developed as a toner image which is a transferable image. Is done. Reference numeral 105 denotes a feeding cassette on which the recording material 114 is loaded and stored. The feeding roller 106 is driven based on the feeding start signal, and the recording material 114 in the feeding cassette 105 is separated and fed one by one. Then, the toner is introduced at a predetermined timing into a transfer portion 108T that is a contact nip portion with the transfer roller 108 that is rotated by contact with the photosensitive drum 101 via the registration roller pair 107.

すなわち、感光体ドラム101上のトナー像の先端部と記録材114の先端部とが、同時に転写部位108Tに到達するように、レジストローラ107で記録材114の搬送が制御される。その後、記録材114は転写部位108Tを挟持搬送され、その間、転写ローラ108には不図示の転写バイアス印加電源から所定に制御された転写電圧(転写バイアス)が印加される。転写ローラ108にはトナーと逆極性の転写バイアスが印加され、転写部位108Tにおいて感光体ドラム101表面側のトナー像が記録材114の表面に静電的に転写される。   That is, the conveyance of the recording material 114 is controlled by the registration roller 107 so that the leading edge of the toner image on the photosensitive drum 101 and the leading edge of the recording material 114 reach the transfer portion 108T at the same time. Thereafter, the recording material 114 is conveyed while sandwiching the transfer portion 108T, and during that time, a transfer voltage (transfer bias) controlled to a predetermined level is applied to the transfer roller 108 from a transfer bias application power source (not shown). A transfer bias having a polarity opposite to that of the toner is applied to the transfer roller 108, and the toner image on the surface side of the photosensitive drum 101 is electrostatically transferred onto the surface of the recording material 114 at the transfer portion 108T.

転写後の記録材114は、感光体ドラム101表面から分離されて搬送ガイド109を通り加熱装置としての定着装置115に導入される。定着装置115では、トナー画像21(図3)の熱定着処理を受ける。一方、記録材114に対するトナー像転写後の感光体ドラム101表面はクリーニング装置110で転写残トナーや紙粉等の除去を受けて清浄面化され、繰り返して作像に供される。定着装置115を通った記録材114は、排出口111から排出トレイ112上に排出される。   The recording material 114 after the transfer is separated from the surface of the photosensitive drum 101, passes through the conveyance guide 109, and is introduced into a fixing device 115 as a heating device. The fixing device 115 receives heat fixing processing of the toner image 21 (FIG. 3). On the other hand, the surface of the photosensitive drum 101 after transfer of the toner image to the recording material 114 is cleaned by the cleaning device 110 after removal of transfer residual toner, paper dust, and the like, and is repeatedly used for image formation. The recording material 114 that has passed through the fixing device 115 is discharged from the discharge port 111 onto the discharge tray 112.

<定着装置>
本実施例において、定着装置115は電磁誘導加熱方式の装置である。図3は本例の定着装置115の要部の横断側面模型図である。加圧回転体としての加圧ローラ8は、芯金8aと、前記芯金周りに同心一体にローラ状に成形被覆させたシリコーンゴム・フッ素ゴム・フッ素樹脂などの耐熱性・弾性材層8bとで構成されており、表層に離型層8cを設けてある。
<Fixing device>
In this embodiment, the fixing device 115 is an electromagnetic induction heating type device. FIG. 3 is a cross-sectional side view of the main part of the fixing device 115 of this example. The pressure roller 8 as a pressure rotator includes a cored bar 8a, a heat-resistant / elastic material layer 8b such as silicone rubber, fluororubber, and fluororesin formed and coated concentrically around the cored bar. The release layer 8c is provided on the surface layer.

例えば、離型層8cはフッ素樹脂、シリコーン樹脂、フルオロシリコーンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、PFA、PTFE、FEP等の離型性かつ耐熱性のよい材料を選択することができる。また、弾性層8bは、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム等で耐熱性がよく、熱伝導率がよい材質が好ましい。   For example, the release layer 8c can be selected from a material having good release properties and heat resistance such as fluororesin, silicone resin, fluorosilicone rubber, fluororubber, silicone rubber, PFA, PTFE, and FEP. The elastic layer 8b is preferably made of silicone rubber, fluorine rubber, fluorosilicone rubber, or the like, which has good heat resistance and good thermal conductivity.

1は導電層を有する筒状の回転体である定着ローラ(定着スリーブ)である。この定着ローラ1が電磁誘導により発熱し画像を記録材に定着する加熱部材である。本実施例において、この定着ローラ1は、基層としての筒状の発熱層(導電層)1aと、その外周面に順次に積層された弾性層1bおよび離型層1cとで構成されている。発熱層1aは電磁誘導発熱性部材である導電性金属部材である。発熱層1aを不図示の加圧手段により加圧ローラ8の方向へ総圧約100N〜500Nの押圧力で押圧する。これにより、定着ローラ1と加圧ローラ8との間に記録材搬送方向において所定幅の定着ニップNは形成される。   Reference numeral 1 denotes a fixing roller (fixing sleeve) which is a cylindrical rotating body having a conductive layer. The fixing roller 1 is a heating member that generates heat by electromagnetic induction and fixes an image on a recording material. In this embodiment, the fixing roller 1 includes a cylindrical heat generating layer (conductive layer) 1a as a base layer, and an elastic layer 1b and a release layer 1c sequentially stacked on the outer peripheral surface thereof. The heat generating layer 1a is a conductive metal member that is an electromagnetic induction heat generating member. The heat generating layer 1a is pressed in the direction of the pressure roller 8 by a pressing means (not shown) with a total pressure of about 100N to 500N. Thus, a fixing nip N having a predetermined width is formed between the fixing roller 1 and the pressure roller 8 in the recording material conveyance direction.

本実施例においては、加圧ローラ8が不図示の駆動手段により矢印の反時計方向に回転駆動され、定着ニップNにおける加圧ローラ8との摩擦力で定着ローラ1が矢印の時計方向に従動して回転する。   In this embodiment, the pressure roller 8 is rotationally driven in the counterclockwise direction indicated by an arrow by a driving means (not shown), and the fixing roller 1 is driven in the clockwise direction indicated by the arrow by a frictional force with the pressure roller 8 in the fixing nip N. Then rotate.

本実施例では発熱層1aは厚み1.0mmのSUSを採用する。発熱層1aの厚みは、加圧時の撓みに対する剛性と、発熱層1aの発熱量により最適な値が決まる。発熱層1aの厚みと発熱量の関係は後に記述する。   In this embodiment, the heat generating layer 1a employs SUS having a thickness of 1.0 mm. The thickness of the heat generating layer 1a is determined to be an optimum value depending on the rigidity against bending during pressurization and the amount of heat generated by the heat generating layer 1a. The relationship between the thickness of the heat generating layer 1a and the amount of heat generated will be described later.

弾性層1b及び離型層1cは加圧ローラ8の弾性層8b同様耐熱性に優れた材質が望ましい。本実施例の構成では、弾性層1bとして厚さ2.0mm、JIS−A硬度15°〜25°のシリコーンゴムを採用し、離型層1cとして厚さ50μmのPFAチューブを採用する
図4は定着装置115の要部の斜視図である。定着ローラ1の内部にて、回転軸線方向(定着ローラ1の母線方向)Xに磁性芯材としての磁性コア2が不図示の固定手段で定着ローラ1の中空部に貫通(挿通)して配置されている。即ち、定着ローラ1の中空部には、定着ローラ1の母線方向に長い磁性コア2が挿通されている。磁性コア2は、定着ローラ1の外側でループを形成しない形状、つまり有端形状であり、磁路の一部が断絶した開磁路を形成している。
Elastic layer 1b and releasing layer 1c is preferably a material having excellent heat resistance similarly to the elastic layer 8b of the pressure roller 8. In the configuration of this embodiment, a silicone rubber having a thickness of 2.0 mm and a JIS-A hardness of 15 ° to 25 ° is employed as the elastic layer 1b, and a PFA tube having a thickness of 50 μm is employed as the release layer 1c .
FIG. 4 is a perspective view of a main part of the fixing device 115. Inside the fixing roller 1, a magnetic core 2 as a magnetic core material is arranged in the rotation axis direction (the generatrix direction of the fixing roller 1) to penetrate (insert) the hollow portion of the fixing roller 1 by a fixing means (not shown). Has been. That is, the magnetic core 2 that is long in the generatrix direction of the fixing roller 1 is inserted into the hollow portion of the fixing roller 1. The magnetic core 2 has a shape that does not form a loop outside the fixing roller 1, that is, an end shape, and forms an open magnetic path in which a part of the magnetic path is broken.

励磁コイル3は、通常の単一導線を定着ローラ1の中空部において、磁性コア2に螺旋状に巻き回して形成される。即ち、励磁コイル3は、中空部において磁性コアの外側に前記母線方向に交差する方向に磁性コアに直接もしくはボビンなどの他物を介して巻かれている。そのため、この励磁コイル3に給電接点部3a,3bを介して高周波コンバータ16などで高周波電流(交番電流、交流電流)を流すと、定着ローラ1の母線方向に平行な方向に磁束を発生させることができる。   The exciting coil 3 is formed by spirally winding a normal single conducting wire around the magnetic core 2 in the hollow portion of the fixing roller 1. That is, the exciting coil 3 is wound around the magnetic core directly or via another object such as a bobbin in a direction intersecting the generatrix direction outside the magnetic core in the hollow portion. Therefore, when a high-frequency current (alternating current, alternating current) is supplied to the exciting coil 3 by the high-frequency converter 16 or the like via the power supply contact portions 3a and 3b, a magnetic flux is generated in a direction parallel to the busbar direction of the fixing roller 1. Can do.

本実施例では巻き数70巻で構成している。また、詳細は後述するが、長手中央部に比べて端部の方が密度が高くなるようにコイルを巻き回し励磁コイル3を形成している。その外側の絶縁部材4により、励磁コイル3と発熱層1aとの絶縁が図られている。   In this embodiment, the number of turns is 70. Although details will be described later, the exciting coil 3 is formed by winding the coil so that the density at the end portion is higher than that at the longitudinal center portion. Insulation between the exciting coil 3 and the heat generating layer 1a is achieved by the outer insulating member 4.

励磁コイル3は回転体としての定着ローラ1の内部にて、定着ローラ1の母線方向に交差する方向に巻き回されている。そのため、この励磁コイル3に給電接点部3a,3bを介して高周波コンバータ16などで高周波電流(交番電流、交流電流)を流すと、定着ローラ1の母線方向に平行な方向に磁束を発生させることができる。磁性コア2は、励磁コイル3にて生成された交流磁界による磁力線(磁束)を定着ローラ1の内部に誘導し、磁力線の通路(磁路)を形成する部材として機能する。   The exciting coil 3 is wound in a direction crossing the generatrix direction of the fixing roller 1 inside the fixing roller 1 as a rotating body. Therefore, when a high-frequency current (alternating current, alternating current) is supplied to the exciting coil 3 by the high-frequency converter 16 or the like via the power supply contact portions 3a and 3b, a magnetic flux is generated in a direction parallel to the busbar direction of the fixing roller 1. Can do. The magnetic core 2 functions as a member that guides a magnetic force line (magnetic flux) generated by the alternating magnetic field generated by the exciting coil 3 to the inside of the fixing roller 1 to form a path (magnetic path) of the magnetic force line.

定着ローラ1の温度検知は温度検知素子としてのサーミスタ9、10によって行う。図3および図4に示すように、記録材114が定着装置115に搬送されてくる側の、長手中央および端部の定着ローラ対向位置にサーミスタ9、10を配設する。高周波コンバータ16の駆動周波数は20kHz〜35kHzを採用し、サーミスタ9、もしくはサーミスタ10の検知温度が目標温度(約150℃〜200℃)になるように制御部15が出力電圧を制御する。本発明の特徴であるサーミスタ9、10の具体的な位置は後述する。   The temperature detection of the fixing roller 1 is performed by the thermistors 9 and 10 as temperature detection elements. As shown in FIGS. 3 and 4, the thermistors 9 and 10 are arranged at the longitudinal center and the fixing roller facing position at the end on the side where the recording material 114 is conveyed to the fixing device 115. The drive frequency of the high-frequency converter 16 is 20 kHz to 35 kHz, and the control unit 15 controls the output voltage so that the detected temperature of the thermistor 9 or the thermistor 10 becomes the target temperature (about 150 ° C. to 200 ° C.). Specific positions of the thermistors 9 and 10 which are the features of the present invention will be described later.

<発熱原理>
図5の(a)を用いて本実施例の定着装置の発熱メカニズムについて説明する。コイル3に交流電流を流して生じた磁力線が定着ローラ1の筒状の発熱層1の内側の磁性コア2の内部を発熱層1aの母線方向(SからNに向かう方向)に通過し、磁性コア2の一端(N)から発熱層の外側に出て磁性コア2の他端(S)に戻る。その結果、発熱層1aの内側を発熱層1aの母線方向に貫く磁束の増減を妨げる方向の磁力線を発生させる誘導起電力が発熱層1aに生じて発熱層1aの周方向に電流が誘導される。この誘導電流によるジュール熱で発熱層1aが発熱する。
<Heat generation principle>
A heating mechanism of the fixing device of this embodiment will be described with reference to FIG. Magnetic field lines generated by passing an alternating current through the coil 3 pass through the inside of the magnetic core 2 inside the cylindrical heat generating layer 1 of the fixing roller 1 in the direction of the generatrix of the heat generating layer 1a (direction from S to N). From one end (N) of the core 2 to the outside of the heat generating layer, it returns to the other end (S) of the magnetic core 2. As a result, an induced electromotive force is generated in the heat generating layer 1a to generate a magnetic force line in a direction that hinders increase / decrease in magnetic flux passing through the inside of the heat generating layer 1a in the generatrix direction of the heat generating layer 1a, and current is induced in the circumferential direction of the heat generating layer 1a. . The heat generating layer 1a generates heat by Joule heat generated by the induced current.

この発熱層1aの熱が弾性層1bと離型層1cに伝達され定着ローラ1全体が加熱され、定着ニップNに導入される記録材114を加熱して未定着トナー画像21の定着がなされる。   The heat of the heat generating layer 1a is transmitted to the elastic layer 1b and the release layer 1c, the entire fixing roller 1 is heated, and the recording material 114 introduced into the fixing nip N is heated to fix the unfixed toner image 21. .

この発熱層1aに生じる誘導起電力Vの大きさは、下記の式(1)から発熱層1aの内部を通過する単位時間当たりの磁束の変化量(Δφ/Δt)及びコイルの巻き数に比例する。   The magnitude of the induced electromotive force V generated in the heat generating layer 1a is proportional to the amount of change in magnetic flux per unit time (Δφ / Δt) passing through the inside of the heat generating layer 1a and the number of turns of the coil from the following equation (1). To do.

V=−N(Δφ/Δt) ・・・(1)
<発熱層の外側を通る磁束の割合と電力の変換効率との関係>
ところで、図5の(a)の磁性コア2はループを形成しておらず端部を有する形状である。図5の(b)のような磁性コア2が発熱層1aの外でループを形成している定着装置における磁力線は、磁性コア3に誘導されて発熱層1aの内側から外側に出て内側に戻る。
V = −N (Δφ / Δt) (1)
<Relationship between ratio of magnetic flux passing outside heat generation layer and power conversion efficiency>
By the way, the magnetic core 2 in FIG. 5A has a shape that does not form a loop but has an end. The magnetic lines of force in the fixing device in which the magnetic core 2 forms a loop outside the heat generating layer 1a as shown in FIG. 5B is guided by the magnetic core 3 and exits from the inside of the heat generating layer 1a to the inside. Return.

しかしながら、本実施例のように磁性コア2が端部を有する構成の場合、磁性コア2の端部から出た磁力線を誘導するものはない。そのため、磁性コア2の一端を出た磁力線が磁性コア2の他端に戻る経路(NからS)は、発熱層1aの外側を通る外側ルートと、発熱層1aの内側を通る内側ルートと、のいずれも通る可能性がある。以後、発熱層1aの外側を通って磁性コア2のNからSに向かうルートを外側ルート、発熱層1aの内側を通って磁性コア2のNからSに向かうルートを内側ルートと呼ぶ。   However, in the case where the magnetic core 2 has an end portion as in this embodiment, there is nothing that induces the lines of magnetic force emitted from the end portion of the magnetic core 2. Therefore, the path (N to S) in which the magnetic lines of force exiting one end of the magnetic core 2 return to the other end of the magnetic core 2 is an outer route passing outside the heat generating layer 1a, an inner route passing inside the heat generating layer 1a, Any of these may pass. Hereinafter, the route from N to S of the magnetic core 2 through the outside of the heat generating layer 1a is referred to as an outer route, and the route from N to S of the magnetic core 2 through the inside of the heat generating layer 1a is referred to as an inner route.

この磁性コア2の一端から出た磁力線のうち外側ルートを通る磁力線の割合は、コイル3に投入した電力のうち発熱層1aの発熱で消費される電力(電力の変換効率)と相関があり、重要なパラメータである。外側ルートを通る磁力線の割合が増加する程、コイル3に投入した電力のうち発熱層1aの発熱で消費される電力の割合(電力の変換効率)は高くなる。   The ratio of the magnetic force lines passing through the outer route out of the magnetic force lines coming out from one end of the magnetic core 2 has a correlation with the power consumed by the heat generation of the heat generating layer 1a (power conversion efficiency) of the power supplied to the coil 3. It is an important parameter. As the ratio of the magnetic field lines passing through the outer route increases, the ratio of power consumed by the heat generation of the heat generating layer 1a (power conversion efficiency) among the power input to the coil 3 increases.

この理由は、トランスにおいて漏れ磁束が十分少なく、トランスの1次巻線と2次巻線の中を通過する磁束の数が等しいと電力の変換効率は高くなることと原理は同じである。つまり、本実施例においては、磁性コア2の内部を通過する磁束と、外側ルートを通過する磁束の数が近い程、電力の変換効率は高くなり、コイル3に流した高周波電流を発熱層1aの周回電流として効率よく電磁誘導できることになる。   The reason is the same as the principle that the power conversion efficiency increases when the number of magnetic fluxes passing through the primary and secondary windings of the transformer is the same. That is, in this embodiment, the closer the number of magnetic fluxes passing through the inside of the magnetic core 2 and the number of magnetic fluxes passing through the outer route, the higher the power conversion efficiency, and the high-frequency current passed through the coil 3 is converted into the heating layer 1a. Therefore, electromagnetic induction can be efficiently performed as a circular current.

これは、図5の(a)におけるコア2の内部をSからNに向かう磁力線と、内側ルートを通る磁力線は向きが反対であるから、磁性コア2を含めた発熱層1aの内側全体で見ると、これらの磁力線は打ち消しあうことになる。その結果、発熱層1aの内側全体をSからNに向かって通過する磁力線の数(磁束)が減り単位時間当たりの磁束の変化量が小さくなる。単位時間当たりの磁束の変化量が減少すると、発熱層1aに生じる誘導起電力が小さくなり、発熱層の発熱量が小さくなる。   This is because the magnetic field lines from S to N in the core 2 in FIG. 5A and the magnetic field lines passing through the inner route are opposite in direction, so that the entire inside of the heat generating layer 1a including the magnetic core 2 is viewed. These magnetic field lines will cancel each other. As a result, the number of magnetic lines of force (magnetic flux) passing through the entire inside of the heat generating layer 1a from S to N is reduced, and the amount of change in magnetic flux per unit time is reduced. When the amount of change in magnetic flux per unit time decreases, the induced electromotive force generated in the heat generating layer 1a decreases, and the heat generation amount of the heat generating layer decreases.

以上述べたことから、本実施例の定着装置は必要な電力の変換効率を得るために外側ルートを通る磁力線の割合を管理することが重要になる。   From the foregoing, it is important for the fixing device of this embodiment to manage the ratio of the magnetic field lines passing through the outer route in order to obtain the necessary power conversion efficiency.

<発熱層の外側を通る磁束の割合を示す指標>
そこで、定着装置115における外側ルートを通る磁力線の割合を磁力線の通り易さをパーミアンスという指標を用いて表す。まず、一般的な磁気回路の考え方について説明する。磁力線が通る磁路の回路を電気回路に対して磁気回路という。磁気回路において磁束を計算する際、電気回路の電流の計算に準じて行うことができる。磁気回路は、電気回路に関するオームの法則が適用可能である。電気回路の電流に対応する磁束をφと、起電力に対応する起磁力をVと、電気抵抗に対応する磁気抵抗をRと、すると、次の式(2)を満たす。
<Indicator indicating the ratio of magnetic flux passing outside the heat generation layer>
Therefore, the ratio of the magnetic force lines passing through the outer route in the fixing device 115 is expressed using an index called permeance. First, the concept of a general magnetic circuit will be described. A circuit of a magnetic path through which magnetic lines of force pass is called a magnetic circuit with respect to an electric circuit. When calculating the magnetic flux in the magnetic circuit, it can be performed in accordance with the calculation of the electric circuit current. Ohm's law for electrical circuits can be applied to magnetic circuits. When the magnetic flux corresponding to the electric circuit current is φ, the magnetomotive force corresponding to the electromotive force is V, and the magnetic resistance corresponding to the electric resistance is R, the following equation (2) is satisfied.

φ=V/R ・・・(2)
しかし、ここでは原理をより理解しやすく説明するために磁気抵抗Rの逆数であるパーミアンスPを用いて説明する。パーミアンスPを用いると、上式(2)は次の式(3)ように表せる。
φ = V / R (2)
However, here, in order to explain the principle more easily, a permeance P that is the reciprocal of the magnetic resistance R will be used. When the permeance P is used, the above equation (2) can be expressed as the following equation (3).

φ=V×P ・・・(3)
更に、このパーミアンスPは、磁路の長さをBと、磁路の断面積をSと、磁路の透磁率をμと、すると下記の式(4)のように表せる。
φ = V × P (3)
Further, this permeance P can be expressed by the following equation (4), where B is the length of the magnetic path, S is the cross-sectional area of the magnetic path, and μ is the magnetic permeability of the magnetic path.

P=μS/B ・・・(4)
パーミアンスPは、断面積S及び透磁率μに比例し、磁路の長さBに反比例する。
P = μS / B (4)
The permeance P is proportional to the cross-sectional area S and the magnetic permeability μ, and is inversely proportional to the length B of the magnetic path.

図6の(a)は、発熱層1aの内側に、半径a1[m]、長さB[m]、比透磁率μ1の磁性コア2に、コイル3を螺旋軸が発熱層1aの母線方向と略平行になるようにN[回]巻いたものを表した図である。ここで、発熱層1aは、長さB[m]、内径a2[m]、外径a3[m]、比透磁率μ2の導体である。発熱層1aの内側及び外側の真空の透磁率をμ0[H/m]とする。コイル3に電流I[A]を流したときに、磁性コア2の単位長さ当たりに発生する磁束をφc(x)とする。 FIG. 6A shows a magnetic core 2 having a radius a 1 [m], a length B [m], and a relative magnetic permeability μ 1 inside the heat generating layer 1 a, and a coil 3 having a helical axis as a generatrix of the heat generating layer 1 a. It is the figure showing what was wound N [times] so that it might become substantially parallel to a direction. Here, the heat generating layer 1a is a conductor having a length B [m], an inner diameter a2 [m], an outer diameter a3 [m], and a relative permeability μ2. The vacuum permeability inside and outside the heat generating layer 1a is μ0 [H / m]. A magnetic flux generated per unit length of the magnetic core 2 when a current I [A] is passed through the coil 3 is defined as φc (x).

図6の(b)は、磁性コア2の長手方向に垂直な断面図である。図中の矢印は、コイル3に電流Iを流したときに、磁性コア2の内部、発熱層1aの内側、発熱層1aの外側を通る磁性コア2の長手方向に平行な磁束を表している。磁性コア2の内部を通る磁束をφc(=φc(x))、発熱層1aの内側(発熱層1aと磁性コア2の間の領域)を通る磁束をφa_in、発熱層そのものを通る磁束をφs、発熱層の外側を通る磁束をφa_outとする。   FIG. 6B is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the magnetic core 2. The arrows in the figure represent magnetic flux parallel to the longitudinal direction of the magnetic core 2 that passes through the inside of the magnetic core 2, the inside of the heat generating layer 1 a, and the outside of the heat generating layer 1 a when the current I flows through the coil 3. . The magnetic flux passing through the inside of the magnetic core 2 is φc (= φc (x)), the magnetic flux passing through the inside of the heat generating layer 1a (the region between the heat generating layer 1a and the magnetic core 2) is φa_in, and the magnetic flux passing through the heat generating layer itself is φs. A magnetic flux passing outside the heat generating layer is defined as φa_out.

図7の(a)に、図5の(a)に示した単位長さ当たりのコア2、コイル3、発熱層1aを含む空間の磁気等価回路を示す。磁性コア2を通る磁束φcにより生じる起磁力をVm、磁性コア2のパーミアンスをPc、発熱層1aの内側のパーミアンスをPa_in、発熱層1aの内部のパーミアンスをPs、発熱層1aの外側のパーミアンスをPa_outとする。   FIG. 7A shows a magnetic equivalent circuit of a space including the core 2, the coil 3, and the heat generating layer 1a per unit length shown in FIG. The magnetomotive force generated by the magnetic flux φc passing through the magnetic core 2 is Vm, the permeance of the magnetic core 2 is Pc, the permeance inside the heat generating layer 1a is Pa_in, the permeance inside the heat generating layer 1a is Ps, and the permeance outside the heat generating layer 1a is Let Pa_out.

ここで、PcがPa_in及びPsに比べて十分に大きい時、磁性コア2の内部を通過して磁性コア2の一端から出た磁束は、φa_in、φs、φa_outの何れかを通過して磁性コア2の他端に戻ると考えられる。よって、以下の関係式(5)が成り立つ。   Here, when Pc is sufficiently larger than Pa_in and Ps, the magnetic flux that passes through the inside of the magnetic core 2 and exits from one end of the magnetic core 2 passes through any one of φa_in, φs, and φa_out. 2 is considered to return to the other end. Therefore, the following relational expression (5) is established.

φc=φa_in+φs+Pa_out ・・・(5)
また、φc、φa_in、φs、φa_outはそれぞれ以下の式(6)〜(9)で表される。
φc = φa_in + φs + Pa_out (5)
Also, φc, φa_in, φs, and φa_out are expressed by the following equations (6) to (9), respectively.

φc=Pc×Wm ・・・(6)
φs=Ps×Wm ・・・(7)
φa_in=Pa_in×Wm ・・・(8)
φa_out=Pa_out×Wm ・・・(9)
よって、式(5)に(6)〜(9)を代入するとPa_outは次の式(10)示すように表される。
φc = Pc × Wm (6)
φs = Ps × Wm (7)
φa_in = Pa_in × Wm (8)
φa_out = Pa_out × Wm (9)
Therefore, when (6) to (9) are substituted into the equation (5), Pa_out is expressed as the following equation (10).

Pa_out=Pc−Pa_in−Ps ・・・(10)
図6の(b)より、磁性コア2の断面積をSc、発熱層1aの内側の断面積をSa_in、発熱層1a自身の断面積をSsとすると、パーミアンスは「透磁率×断面積」で表すことができる。単位は[H・m]である。
Pa_out = Pc−Pa_in−Ps (10)
From FIG. 6B, when the cross-sectional area of the magnetic core 2 is Sc, the cross-sectional area inside the heat generating layer 1a is Sa_in, and the cross-sectional area of the heat generating layer 1a itself is Ss, the permeance is “permeability × cross-sectional area”. Can be represented. The unit is [H · m].

Pc=μ1c=μ1×πa1 2 ・・・(11)
Pa_in=μ0Sa_in=μ0×π(a2 2−a1 2) ・・・(12)
Ps=μ2Ss=μ2×π(a3 2−a2 2) ・・・(13)
これらの(11)〜(13)を式(10)に代入すると、Pa_outは式(14)で表せる。
Pc = μ 1 S c = μ 1 × πa 1 2 (11)
Pa_in = μ 0 Sa_in = μ 0 × π (a 2 2 −a 1 2 ) (12)
Ps = μ 2 Ss = μ 2 × π (a 3 2 −a 2 2 ) (13)
By substituting these (11) to (13) into equation (10), Pa_out can be expressed by equation (14).

Pa_out=μ1×πa1 2−μ0×π(a2 2−a1 2)−μ2×π(a3 2−a2 2
・・・(14)
上記の式(14)を使用することによって発熱層1aの外側を通る磁力線の割合であるPa_out/Pcを計算することができる。
Pa_out = μ 1 × πa 1 2 −μ 0 × π (a 2 2 −a 1 2 ) −μ 2 × π (a 3 2 −a 2 2 )
(14)
By using the above formula (14), Pa_out / Pc, which is the ratio of the lines of magnetic force passing outside the heat generating layer 1a, can be calculated.

尚、パーミアンスPの代わりに磁気抵抗Rを用いても良い。磁気抵抗Rを用いて議論する場合、磁気抵抗Rは単純にパーミアンスPの逆数であるので、単位長さ当たりの磁気抵抗Rは「1/(透磁率×断面積)」で表すことができて、単位は「1/(H・m)」である。   Instead of the permeance P, a magnetic resistance R may be used. When discussing using the magnetic resistance R, since the magnetic resistance R is simply the reciprocal of the permeance P, the magnetic resistance R per unit length can be expressed by “1 / (permeability × cross-sectional area)”. The unit is “1 / (H · m)”.

以下、実施例の装置のパラメータを使用して具体的な計算した結果を表1に示す。   Table 1 shows specific calculation results using parameters of the apparatus of the example.

磁性コア2は、フェライト(比透磁率1800)で形成され、直径14[mm]であって、断面積は1.5×10-4[m2]である。発熱層1aは、SUS(比透磁率1.0)で形成され、直径24[mm]、厚み1[mm]で断面積7.2×10-5[m2]である。 The magnetic core 2 is made of ferrite (relative magnetic permeability 1800), has a diameter of 14 [mm], and a cross-sectional area of 1.5 × 10 −4 [m 2 ]. The heat generating layer 1a is made of SUS (relative magnetic permeability 1.0), has a diameter of 24 [mm], a thickness of 1 [mm], and a cross-sectional area of 7.2 × 10 −5 [m 2 ].

尚、発熱層1aと磁性コア2の間の領域の断面積は、直径24[mm]の発熱層の内側の中空部の断面積から磁性コアの断面積を差し引いて計算している。弾性層1b及び表層1cは、発熱層1aより外側に設けられており、発熱に寄与しない。従って、パーミアンスを計算する磁気回路モデルにおいては発熱層の外側の空気層であるとみなすことができるので計算に入れる必要はない。表1からPc、Pa_in、Psは、次のような値になる。   The cross-sectional area of the region between the heat generating layer 1a and the magnetic core 2 is calculated by subtracting the cross-sectional area of the magnetic core from the cross-sectional area of the hollow portion inside the heat generating layer having a diameter of 24 [mm]. The elastic layer 1b and the surface layer 1c are provided outside the heat generating layer 1a and do not contribute to heat generation. Therefore, in the magnetic circuit model for calculating the permeance, it can be regarded as an air layer outside the heat generating layer, and therefore it is not necessary to take into account. From Table 1, Pc, Pa_in, and Ps have the following values.

Pc=3.5×10-7[H・m]
Pa_in=2.8×10-10[H・m]
Ps=9.1×10-11[H・m]
これらの値を用いて、次の式(15)からPa_out/Pc計算することができる。
Pc = 3.5 × 10 −7 [H · m]
Pa_in = 2.8 × 10 −10 [H · m]
Ps = 9.1 × 10 −11 [H · m]
Using these values, Pa_out / Pc can be calculated from the following equation (15).

Pa_out/Pc=(Pc−Pa_in−Ps)/Pc
=0.999(99.9%) ・・・(15)
以上述べたことから、外側ルートを通る磁力線の割合をパーミアンスもしくは磁気抵抗を使って表すことができることを示した。
Pa_out / Pc = (Pc−Pa_in−Ps) / Pc
= 0.999 (99.9%) (15)
From the above, it was shown that the percentage of magnetic field lines passing through the outer route can be expressed using permeance or magnetoresistance.

<装置に必要な電力の変換効率>
次に、本実施例の定着装置で必要な電力の変換効率について述べる。例えば、電力の変換効率が80%である場合、残り20%の電力は発熱層以外のコイルやコア等で熱エネルギーに変換されて消費される。電力の変換効率が低い場合は、磁性コアやコイル等の発熱すべきでないものが発熱し、それらを冷却するための対策を講じる必要性がある場合がある。
<Conversion efficiency of power required for the device>
Next, the power conversion efficiency required for the fixing device of this embodiment will be described. For example, when the power conversion efficiency is 80%, the remaining 20% of the power is converted into heat energy by a coil or core other than the heat generation layer and consumed. When power conversion efficiency is low, things that should not generate heat, such as magnetic cores and coils, generate heat, and it may be necessary to take measures to cool them.

そこで、発熱層1aの外側ルートを通る磁束の割合を振って電力の変換効率を評価する。図8は、電力の変換効率の測定実験に用いる実験装置を表した図である。金属シート1Sは、幅230mm、長さ600mm、厚み20μmのアルミニウム製のシートである。この金属シート1Sを磁性コア2とコイル3とを囲むように円筒状に丸めて、太線1ST部分において導通することによって発熱層とする。   Therefore, the power conversion efficiency is evaluated by changing the ratio of the magnetic flux passing through the outer route of the heat generating layer 1a. FIG. 8 is a diagram illustrating an experimental apparatus used in a measurement experiment of power conversion efficiency. The metal sheet 1S is an aluminum sheet having a width of 230 mm, a length of 600 mm, and a thickness of 20 μm. The metal sheet 1S is rolled into a cylindrical shape so as to surround the magnetic core 2 and the coil 3, and is made conductive by a thick line 1ST portion to form a heat generating layer.

磁性コア2は、比透磁率が1800、飽和磁束密度が500mTのフェライトであり、断面積26mm2、長さ230mmの円柱形状をしている。磁性コア2を不図示の固定手段でアルミニウムシート1Sの円筒のほぼ中央に配置する。磁性コア2にはコイル3が巻数25回で螺旋状に巻かれている。金属シート1Sの端部を矢印1SZ方向に引くと、発熱層の直径1SDを18〜191mmの範囲で調整することができる。 The magnetic core 2 is a ferrite having a relative permeability of 1800 and a saturation magnetic flux density of 500 mT, and has a cylindrical shape with a cross-sectional area of 26 mm 2 and a length of 230 mm. The magnetic core 2 is arranged in the approximate center of the cylinder of the aluminum sheet 1S by fixing means (not shown). A coil 3 is spirally wound around the magnetic core 2 with 25 turns. When the end of the metal sheet 1S is drawn in the direction of the arrow 1SZ, the diameter 1SD of the heat generating layer can be adjusted in the range of 18 to 191 mm.

図9は、発熱層の外側ルートを通過する磁束の比率[%]を横軸にとり、21kHzの周波数における電力の変換効率を縦軸にとったグラフである。図9のグラフ中のプロットP1以降に電力の変換効率が急上昇して70%を超えており、矢印で示すレンジR1では電力の変換効率が70%以上を維持している。P3付近において電力の変換効率は再度急上昇し、レンジR2において80%以上となっている。P4以降のレンジR3においては電力の変換効率が94%以上と高い値で安定している。この、電力の変換効率が急上昇し始めたことは発熱層に効率的に周回電流が流れ始めたためである。   FIG. 9 is a graph in which the horizontal axis represents the ratio [%] of the magnetic flux passing through the outer route of the heat generating layer, and the vertical axis represents the power conversion efficiency at a frequency of 21 kHz. The power conversion efficiency rapidly increases after plot P1 in the graph of FIG. 9 and exceeds 70%, and in the range R1 indicated by the arrow, the power conversion efficiency is maintained at 70% or more. In the vicinity of P3, the power conversion efficiency rapidly increases again, and is 80% or more in the range R2. In the range R3 after P4, the power conversion efficiency is stable at a high value of 94% or more. The reason why the power conversion efficiency has begun to rise rapidly is that the circulating current has efficiently started to flow through the heat generating layer.

下記の表2は、図9のP1〜P4に該当する構成を、実際に定着装置として設計し、評価した結果である。   Table 2 below shows the results of actually designing and evaluating the configuration corresponding to P1 to P4 in FIG. 9 as a fixing device.

(定着装置P1)
本構成は、磁性コアの断面積が26.5mm2(5.75mm×4.5mm)で、発熱層の直径が143.2mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は64%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は54.4%であった。電力の変換効率は定着装置に投入した電力のうち、発熱層の発熱に寄与した分を示すパラメータである。従ってそれ以外は損失となり、その損失はコイル及び磁性コアの発熱となる。
(Fixing device P1)
In this configuration, the cross-sectional area of the magnetic core is 26.5 mm 2 (5.75 mm × 4.5 mm), the heat generating layer has a diameter of 143.2 mm, and the ratio of the magnetic flux passing through the outer route is 64%. The power conversion efficiency obtained by the impedance analyzer of this apparatus was 54.4%. The power conversion efficiency is a parameter indicating the amount of power input to the fixing device that contributes to the heat generation of the heat generating layer. Therefore, other than that, it becomes a loss, and the loss becomes a heat generation of the coil and the magnetic core.

本構成の場合、立ち上げ時、数秒間900Wを投入しただけでもコイル温度は200℃を超える場合がある。コイルの絶縁体の耐熱温度が200℃後半であること、フェライトの磁性コアのキュリー点は通常200℃〜250℃程度であることを考えると、損失45%では励磁コイル等の部材を耐熱温度以下に保つことは難しくなる。また、磁性コアの温度がキュリー点を超えるとコイルのインダクタンスが急激に低下し、負荷変動となる。   In the case of this configuration, the coil temperature may exceed 200 ° C. even when 900 W is input for several seconds at startup. Considering that the heat resistance temperature of the coil insulator is in the latter half of 200 ° C., and that the Curie point of the magnetic core of ferrite is usually about 200 ° C. to 250 ° C., the loss of 45% keeps members such as the excitation coil below the heat resistance temperature. It will be difficult to keep on. Further, when the temperature of the magnetic core exceeds the Curie point, the inductance of the coil is abruptly reduced, resulting in load fluctuation.

定着装置に供給した電力の約45%が発熱層の発熱に使用されないので、発熱層に900Wの電力を供給するためには約1636Wの電力供給する必要がある。これは100V入力時、16.36Aを消費する電源という事になる。商用交流のアタッチメントプラグから投入できる許容電流をオーバーする可能性がある。よって、電力の変換効率54.4%の定着装置P1は、定着装置に供給する電力が不足する可能性がある。   Since about 45% of the power supplied to the fixing device is not used for heat generation of the heat generating layer, it is necessary to supply about 1636 W of power to supply 900 W of power to the heat generating layer. This is a power source that consumes 16.36 A at 100 V input. There is a possibility of exceeding the allowable current that can be input from the commercial AC attachment plug. Therefore, there is a possibility that the fixing device P1 having a power conversion efficiency of 54.4% may have insufficient power to be supplied to the fixing device.

(定着装置P2)
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じで、発熱層の直径が127.3mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は71.2%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は70.8%である。定着装置のスペックによっては、コイル及びコアの昇温が課題になる場合がある。
(Fixing device P2)
In this configuration, the cross-sectional area of the magnetic core is the same as P1, the diameter of the heat generation layer is 127.3 mm, and the ratio of the magnetic flux passing through the outer route is 71.2%. The power conversion efficiency obtained by the impedance analyzer of this apparatus is 70.8%. Depending on the specifications of the fixing device, the temperature rise of the coil and the core may be a problem.

本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置にすると、発熱層の回転速度は330mm/secとなり、発熱層の温度を180℃に維持する必要がある。発熱層の温度を180℃に維持しようとすると、磁性コアの温度は20秒間で240℃を超える場合がある。   If the fixing device having this configuration is a high-spec device capable of printing at 60 sheets / min, the rotation speed of the heat generating layer is 330 mm / sec, and the temperature of the heat generating layer needs to be maintained at 180 ° C. If the temperature of the heat generating layer is maintained at 180 ° C., the temperature of the magnetic core may exceed 240 ° C. in 20 seconds.

磁性コア2として用いるフェライトのキュリー温度は通常200℃〜250℃程度であるから、フェライトがキュリー温度を超えて磁性コアの透磁率は急激に減少し、磁性コアで磁力線を適切に誘導することができなくなる場合がある。その結果、周回電流を誘導して発熱層を発熱させることが難しくなる場合がある。   Since the Curie temperature of the ferrite used as the magnetic core 2 is usually about 200 ° C. to 250 ° C., the ferrite exceeds the Curie temperature, the magnetic core permeability rapidly decreases, and magnetic field lines can be appropriately induced in the magnetic core. It may not be possible. As a result, it may be difficult to induce a circulating current to generate heat in the heat generating layer.

従って、外側ルートを通過する磁束の割合がレンジR1の定着装置を、前述した高スペックの装置にすると、フェライトコアの温度を下げるために冷却手段を設けることが望ましい。冷却手段としては、空冷ファン、水冷、放熱板、放熱フィン、ヒートパイプ、または、ベルチェ素子などを用いることができる。もちろん、本構成においてそこまでの高スペックを要求しない場合は、冷却手段は不要である。   Therefore, if the fixing device having the range R1 of the magnetic flux passing through the outer route is the above-mentioned high-spec device, it is desirable to provide a cooling means to lower the temperature of the ferrite core. As the cooling means, an air cooling fan, water cooling, a heat radiating plate, a heat radiating fin, a heat pipe, a Beltier element, or the like can be used. Of course, if this configuration does not require such high specifications, the cooling means is unnecessary.

(定着装置P3)
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じであり、発熱層の直径が63.7mmの場合である。この装置のインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は83.9%である。磁性コア及びコイル等に定常的に熱量が発生するものの、冷却手段が必要なレベルではない。
(Fixing device P3)
In this configuration, the cross-sectional area of the magnetic core is the same as P1, and the diameter of the heat generating layer is 63.7 mm. The power conversion efficiency required by the impedance analyzer of this apparatus is 83.9%. Although heat is constantly generated in the magnetic core and the coil, the cooling means is not at a necessary level.

本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置にすると発熱層の回転速度は330mm/secとなり発熱層の表面温度を180℃に維持する場合があるものの、磁性コア(フェライト)の温度は220℃以上に上昇することはない。従って、本構成において、定着装置を前述した高スペックする場合は、キュリー温度が220℃以上のフェライトを用いることが望ましい。   If the fixing device having this configuration is a high-spec device capable of printing at 60 sheets / min, the rotation speed of the heat generating layer is 330 mm / sec, and the surface temperature of the heat generating layer may be maintained at 180 ° C., but the magnetic core ( The temperature of the ferrite does not rise above 220 ° C. Therefore, in this configuration, when the fixing device has the above-mentioned high specifications, it is desirable to use ferrite having a Curie temperature of 220 ° C. or higher.

以上述べたことから、外側ルートを通る磁束の割合がレンジR2の構成の定着装置は、高スペックで使用する場合は、フェライト等の耐熱設計を最適化することが望ましい。一方、定着装置として高スペックを要求しない場合は、このような耐熱設計は不要である。   From the foregoing, it is desirable that the fixing device having the configuration in which the ratio of the magnetic flux passing through the outer route is in the range R2 is optimized for heat-resistant design such as ferrite when used at high specifications. On the other hand, such a heat-resistant design is not necessary when high specifications are not required for the fixing device.

(定着装置P4)
本構成は、磁性コアの断面積がP1と同じであり、円筒体の直径が47.7mmの場合である。この装置でインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は94.7%である。本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置(発熱層の回転速度は330mm/sec)で発熱層の表面温度を180℃に維持する場合であっても、励磁コイルやコイル等は、180℃以上に達することはない。従って、磁性コアやコイル等を冷却する冷却手段及び特別な耐熱設計は不要である。
(Fixing device P4)
In this configuration, the cross-sectional area of the magnetic core is the same as P1, and the diameter of the cylindrical body is 47.7 mm. The power conversion efficiency required by the impedance analyzer in this apparatus is 94.7%. Even if the fixing device of this configuration is a high-spec device capable of performing a printing operation of 60 sheets / min (the rotation speed of the heat generating layer is 330 mm / sec) and the surface temperature of the heat generating layer is maintained at 180 ° C., the exciting coil Neither coils nor coils reach 180 ° C or higher. Therefore, a cooling means for cooling the magnetic core, the coil and the like and a special heat resistant design are unnecessary.

以上述べたことから、外側ルートを通過する磁束の割合が94.7%以上であるレンジR3は、電力の変換効率が94.7%以上となり電力の変換効率が十分高い。よって、更なる高スペックの定着装置として用いても、冷却手段は不要である。   As described above, in the range R3 in which the ratio of the magnetic flux passing through the outer route is 94.7% or more, the power conversion efficiency is 94.7% or more, and the power conversion efficiency is sufficiently high. Therefore, no cooling means is required even when used as a further high-spec fixing device.

またR3の領域では、金属シート外部磁束の比率が変動しても電力変換効率に変化が少ない。これは、フィルムのような可撓性の高い部材を発熱層として採用し、磁性コアとの間の距離が多少変動したとしても、高い電力変換効率を安定維持できる事を意味する。   Further, in the region R3, even if the ratio of the magnetic flux external to the metal sheet varies, there is little change in the power conversion efficiency. This means that a highly flexible member such as a film is employed as the heat generating layer, and high power conversion efficiency can be stably maintained even if the distance from the magnetic core varies somewhat.

以上述べたことから、本実施例の定着装置は少なくとも必要な電力の変換効率を満たすために外側ルートを通過する磁束の割合が72%以上である必要があることがわかる。表2の数値は71.2%以上であるが測定誤差等を考慮して72%とする。   From the foregoing, it can be seen that the fixing device of this embodiment needs to have a ratio of magnetic flux passing through the outer route of 72% or more in order to satisfy at least the necessary power conversion efficiency. The numerical value in Table 2 is 71.2% or more, but is 72% in consideration of measurement errors and the like.

<装置が満たすべきパーミアンス又は磁気抵抗の関係式>
発熱層1aの外側ルートを通過する磁束の割合が72%以上であることは、発熱層1aのパーミアンスと発熱層1aの内側(発熱層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コア2のパーミアンスの28%以下であることと等価である。従って、本実施例の特徴的な構成の一つは、磁性コア2のパーミアンスをPc、発熱層1aの内側のパーミアンスをPa_in、発熱層のパーミアンスPsとした時に、次の式(16)を満足することである。
<Relationship of permeance or magnetoresistance to be satisfied by the device>
The ratio of the magnetic flux passing through the outer route of the heat generating layer 1a is 72% or more, because the sum of the permeance of the heat generating layer 1a and the permeance inside the heat generating layer 1a (the region between the heat generating layer and the magnetic core) is magnetic. This is equivalent to 28% or less of the core 2 permeance. Therefore, one of the characteristic configurations of this embodiment is that the following equation (16) is satisfied when the permeance of the magnetic core 2 is Pc, the permeance inside the heat generating layer 1a is Pa_in, and the permeance Ps of the heat generating layer. It is to be.

0.28×Pc≧Ps+Pa_in ・・・(16)
また、パーミアンスの関係式を磁気抵抗に置き換えて表現すると下記の式(17)になる。
0.28 × Pc ≧ Ps + Pa_in (16)
Further, when the permeance relational expression is replaced with a magnetic resistance, the following expression (17) is obtained.

0.28×(1/Rc)≧(1/Rs)+(1/Ra_in)(≡1/Rsa)
0.28×Rsa≧Rc ・・・(17)
ここで、RsとRaの合成磁気抵抗Rsaは以下の式(18)ように定義。
0.28 × (1 / Rc) ≧ (1 / Rs) + (1 / Ra_in) (≡1 / Rsa)
0.28 × Rsa ≧ Rc (17)
Here, the combined magnetoresistance Rsa of Rs and Ra is defined as the following equation (18).

Rsa=(Ra_in×Rs)/(Ra_in+Rs) ・・・(18)
Rc:磁性コアの磁気抵抗
Rs:発熱層の磁気抵抗
Ra_in:発熱層と磁性コアとの間の領域の磁気抵抗
Rsa:RsとRaの合成磁気抵抗
上記のパーミアンスもしくは磁気抵抗の関係式を、定着装置の記録材の最大搬送領域全域で、円筒形回転体の母線方向に直交する方向の断面において満足することが望ましい。
Rsa = (Ra_in × Rs) / (Ra_in + Rs) (18)
Rc: Magnetoresistance of the magnetic core Rs: Magnetoresistance of the heat generation layer Ra_in: Magnetoresistance of the region between the heat generation layer and the magnetic core Rsa: Composite magnetoresistance of Rs and Ra Fix the above-mentioned relational expression of permeance or magnetoresistance It is desirable that the cross section in the direction perpendicular to the generatrix direction of the cylindrical rotating body is satisfied throughout the maximum conveyance area of the recording material of the apparatus.

同様に、本実施例のレンジR2の定着装置は発熱層の外側ルートを通過する磁束の割合が92%以上である。表2の数値は91.7%以上であるが測定誤差等を考慮して92%とする。導電層1aの外側ルートを通過する磁束の割合が92%以上であることは、導電層1aのパーミアンスと導電層の内側(導電層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コアのパーミアンスの8%以下であることと等価である。従って、パーミアンスの関係式は以下の式(19)になる。   Similarly, in the fixing device in the range R2 of this embodiment, the ratio of the magnetic flux passing through the outer route of the heat generating layer is 92% or more. The numerical value in Table 2 is 91.7% or more, but is 92% in consideration of measurement error and the like. The ratio of the magnetic flux passing through the outer route of the conductive layer 1a is 92% or more indicates that the sum of the permeance of the conductive layer 1a and the permeance of the inner side of the conductive layer (region between the conductive layer and the magnetic core) is the magnetic core. This is equivalent to 8% or less of the permeance. Therefore, the permeance relational expression is the following expression (19).

0.08×Pc≧Ps+Pa_in ・・・(19)
上記のパーミアンスの関係式を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(20)ようになる。
0.08 × Pc ≧ Ps + Pa_in (19)
When the permeance relational expression is converted into a magnetic resistance relational expression, the following expression (20) is obtained.

0.08×Rsa≧Rc ・・・(20)
更に、本実施例のレンジR3の定着装置は発熱層の外側ルートを通過する磁束の割合が95%以上である。表2から正確には94.7%以上であるが測定誤差等を考慮して95%とする。導電層1aの外側ルートを通過する磁束の割合が95%以上であることは、導電層1aのパーミアンスと導電層1aの内側(導電層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コアのパーミアンスの5%以下であることと等価である。パーミアンスの関係式は以下の式(21)になる。
0.08 × Rsa ≧ Rc (20)
Further, in the fixing device in the range R3 of this embodiment, the ratio of the magnetic flux passing through the outer route of the heat generating layer is 95% or more. To be exact, it is 94.7% or more from Table 2, but 95% considering the measurement error. The ratio of the magnetic flux passing through the outer route of the conductive layer 1a is 95% or more because the sum of the permeance of the conductive layer 1a and the permeance of the inner side of the conductive layer 1a (the region between the conductive layer and the magnetic core) is magnetic. This is equivalent to 5% or less of the core permeance. The permeance relational expression is the following expression (21).

0.05×Pc≧Ps+Pa_in ・・・(21)
上記のパーミアンスの関係式(21)を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(22)になる。
0.05 × Pc ≧ Ps + Pa_in (21)
When the permeance relational expression (21) is converted into a magnetic resistance relational expression, the following expression (22) is obtained.

0.05×Rsa≧Rc ・・・(22)
本実施例の構成においてPc,Ps,Pa_inはそれぞれ表1に示す通りであり、上記(21)式を満たしている事がわかる。そのため、効率的に発熱層に電力供給できることがわかる。
0.05 × Rsa ≧ Rc (22)
In the configuration of this example, Pc, Ps, and Pa_in are as shown in Table 1, and it can be seen that the above equation (21) is satisfied. Therefore, it can be seen that power can be efficiently supplied to the heat generating layer.

以上が基本的な発熱原理である。次に、長手位置により発熱分布がある事及びそれが起きる理由について説明する。   The above is the basic heat generation principle. Next, the fact that there is a heat generation distribution depending on the longitudinal position and the reason why it occurs will be described.

<等価回路>
図5の(a)を用いて説明したように、励磁コイル2に流れる電流によって形成される交番磁界を打ち消すように、発熱層1aの周方向全域に誘導電流が流れる。この電流を誘導する物理モデルは、図10に示すように、実線で示す1次コイル81と点線で示す2次コイル82を巻いた形状の同心軸トランスの磁気結合と等価である。
<Equivalent circuit>
As described with reference to (a) of FIG. 5, an induced current flows in the entire circumferential direction of the heat generating layer 1 a so as to cancel the alternating magnetic field formed by the current flowing in the exciting coil 2. As shown in FIG. 10, the physical model for inducing this current is equivalent to magnetic coupling of a concentric shaft transformer having a shape in which a primary coil 81 indicated by a solid line and a secondary coil 82 indicated by a dotted line are wound.

2次コイル82は回路を形成しており、抵抗83を有している。高周波コンバータ16から発生した交番電圧により、1次コイル81に高周波電流が発生し、その結果2次コイル82に誘導起電力がかかり、抵抗83によって熱として消費される。ここで2次コイル82と抵抗83は、発熱層1aにおいて発生するジュール熱をモデル化している。   The secondary coil 82 forms a circuit and has a resistor 83. The alternating voltage generated from the high frequency converter 16 generates a high frequency current in the primary coil 81, and as a result, an induced electromotive force is applied to the secondary coil 82 and is consumed as heat by the resistor 83. Here, the secondary coil 82 and the resistor 83 model Joule heat generated in the heat generating layer 1a.

図10に示すモデル図の等価回路を図11の(a)に示す。L1は図10中1次コイル81のインダクタンス、L2は図10中2次コイル82のインダクタンス、Mは1次コイル81と2次コイル82の相互インダクタンス、Rは抵抗83である。この回路図(a)は、図11の(b)に等価変換することが出来る。より単純化したモデルを考えるために、相互インダクタンスMが十分大きく、L1≒L2≒Mとであるとする。その場合(L1−M)と(L2−M)は十分小さくなるため、回路は図11の(b)から図11の(c)のように近似することが出来る。   An equivalent circuit of the model diagram shown in FIG. 10 is shown in FIG. L1 is the inductance of the primary coil 81 in FIG. 10, L2 is the inductance of the secondary coil 82 in FIG. 10, M is the mutual inductance of the primary coil 81 and the secondary coil 82, and R is the resistor 83. This circuit diagram (a) can be equivalently converted to (b) in FIG. In order to consider a simplified model, it is assumed that the mutual inductance M is sufficiently large and L1≈L2≈M. In this case, since (L1-M) and (L2-M) are sufficiently small, the circuit can be approximated from (b) in FIG. 11 to (c) in FIG.

よって、図4に示す本発明の構成に対し、近似した等価回路として図11の(c)を考える。またここで、抵抗について説明する。図11の(a)の状態において2次側のインピーダンスは、発熱層1aの周回方向の電気抵抗Rとなる。トランスにおいて、2次側のインピーダンスは、1次側から見るとN2(Nはトランスの巻き数比)倍の等価抵抗R’となる。 Therefore, FIG. 11C is considered as an equivalent circuit approximated to the configuration of the present invention shown in FIG. Here, the resistance will be described. In the state of FIG. 11A, the secondary-side impedance is the electric resistance R in the circulation direction of the heat generating layer 1a. In the transformer, when viewed from the primary side, the impedance on the secondary side becomes an equivalent resistance R ′ that is N 2 (N is the transformer turns ratio) times.

ここで、トランスの巻き数比Nは、1次側コイルの巻き数=発熱層1aの中での励磁コイルの巻き数(本実施例では70回)に対し、発熱層1aを巻き数1回とみなし、トランスの巻き数比N=70と考えることが出来る。よってR’=N2R=702Rと考えることが出来、巻き数が多い程図11(c)に示す等価抵抗Rは大きくなる。相互インダクタンスMとR’の合成インピーダンスXは式(23)のようになる。 Here, the turns ratio N of the transformer is such that the number of turns of the heating coil 1a is 1 with respect to the number of turns of the primary coil = the number of turns of the exciting coil in the heating layer 1a (70 turns in this embodiment). Therefore, it can be considered that the transformer turns ratio N = 70. Therefore, it can be considered that R ′ = N 2 R = 70 2 R, and the equivalent resistance R shown in FIG. 11C increases as the number of turns increases. The combined impedance X of the mutual inductances M and R ′ is as shown in Expression (23).

ここで、ω=2πfであり、fは駆動周波数である。(23)式より、合成インピーダンスXは巻き数比N、発熱層1aの周回方向の電気抵抗R、駆動周波数f、相互インダクタンスMに依存する事がわかる。一般的なトランスでは相互インダクタンスMは透磁率μに依存する。本実施例の開磁路の構成では透磁率μが長手位置で変化する挙動を示す。そのため、長手位置で合成インピーダンスXが異なる。詳しくは以下に説明する。   Here, ω = 2πf, and f is the drive frequency. From equation (23), it can be seen that the combined impedance X depends on the turn ratio N, the electrical resistance R in the circumferential direction of the heat generating layer 1a, the drive frequency f, and the mutual inductance M. In a general transformer, the mutual inductance M depends on the magnetic permeability μ. In the configuration of the open magnetic path of the present embodiment, the behavior in which the magnetic permeability μ changes in the longitudinal position is shown. Therefore, the synthetic impedance X differs at the longitudinal position. Details will be described below.

<みかけの透磁率>
磁性コア2の長手方向位置と等価インダクタンスの関係を説明したのが図12である。磁性コア2に対し、直径30mmのコイル141(コイルはN=5回巻)を通し、長手方向の各位置にてインピーダンスアナライザを用いてコイル両端からの等価インダクタンスL(周波数35kHz)を測定すると、図12に示す山形の分布形状となる。等価インダクタンスLは端部において中央の半分以下に減衰している。Lは以下の式(24)に従う。
<Apparent permeability>
FIG. 12 illustrates the relationship between the longitudinal position of the magnetic core 2 and the equivalent inductance. When a coil 141 having a diameter of 30 mm (N = 5 turns) is passed through the magnetic core 2 and an equivalent inductance L (frequency 35 kHz) from both ends of the coil is measured at each position in the longitudinal direction using an impedance analyzer, The distribution shape is a mountain shape shown in FIG. The equivalent inductance L is attenuated to less than half of the center at the end. L follows the following equation (24).

L=μN2S/l ・・・(24)
ここで、μは磁性コアの透磁率、Nはコイルの巻き数、lはコイルの長さ、Sはコイルの断面積である。コイル141の形状は変化していないので、本実験においてはS,N,lは変化していない。従って、等価インダクタンスLの変化は透磁率μが変化している事を意味している。以下この位置によって変化するμを「みかけの透磁率」と表記する。以上を整理すると、図12は磁性コアの長手位置によってみかけの透磁率が変化する事を表している。
L = μN 2 S / l (24)
Here, μ is the magnetic permeability of the magnetic core, N is the number of turns of the coil, l is the length of the coil, and S is the cross-sectional area of the coil. Since the shape of the coil 141 is not changed, S, N, and l are not changed in this experiment. Therefore, a change in the equivalent inductance L means that the magnetic permeability μ has changed. Hereinafter, μ that changes depending on the position is referred to as “apparent magnetic permeability”. To summarize the above, FIG. 12 shows that the apparent permeability changes depending on the longitudinal position of the magnetic core.

図13は、空気中に一様な磁界Hが存在し、その中に磁性コア201を配置した場合の磁束を表している。磁性コア201は、磁界Hに対し垂直な境界面NP⊥、SP⊥を有する開磁路を形成している。図13に示すように、磁性コア端部201Eでは磁性コア中央部201Cに対し磁束の密度が低下する。これは空気と磁性コアの境界条件によるものである。磁力線と垂直な境界面NP⊥、SP⊥において磁束密度は連続となるため、空気と接している磁性コア端部201Eでは磁性コア中央部201Cに対して磁束密度が低くなる。   FIG. 13 shows a magnetic flux when a uniform magnetic field H exists in the air and the magnetic core 201 is disposed therein. The magnetic core 201 forms an open magnetic path having boundary surfaces NPN and SP⊥ perpendicular to the magnetic field H. As shown in FIG. 13, the magnetic core end portion 201E has a lower magnetic flux density than the magnetic core central portion 201C. This is due to the boundary condition between air and magnetic core. Since the magnetic flux density is continuous at the boundary surfaces NP⊥ and SP⊥ perpendicular to the magnetic field lines, the magnetic core end portion 201E in contact with air has a lower magnetic flux density than the magnetic core central portion 201C.

一様な磁界H中において、物体の磁化が外部磁場にほぼ比例するような磁場領域においては、空間の磁束密度Bは以下の式(25)に従う。   In a uniform magnetic field H, the magnetic flux density B in the space follows the following formula (25) in a magnetic field region where the magnetization of the object is substantially proportional to the external magnetic field.

B=μH ・・・(25)
即ち、磁力線と垂直な境界面NP⊥、SP⊥における磁束密度の連続性により磁束密度Bが変化し、その結果みかけの透磁率μが変化する。磁路を作る際磁路そのものをループで繋げて作る閉磁路と、開放端にするなどして磁路を断絶させる開磁路があるが、上記の現象は開磁路でのみ起きる現象である。
B = μH (25)
That is, the magnetic flux density B changes due to the continuity of the magnetic flux density at the boundary surfaces NP⊥ and SP⊥ perpendicular to the magnetic field lines, and as a result, the apparent permeability μ changes. When creating a magnetic path, there are a closed magnetic path that connects the magnetic paths themselves with a loop, and an open magnetic path that breaks the magnetic path by making it an open end, but the above phenomenon occurs only in the open magnetic path .

<発熱分布>
みかけの透磁率μが位置によって変化するため、図11の(a)の等価回路は図14の(a)のようになる。みかけの透磁率μが一定の微小幅を考慮しN分割している。図11同様に図14も等価交換及び近似を行う事で図14の(a)は図14の(b)になる。ここでの分割は等幅で行っているため、抵抗Rは全て同じ値となる。図14の(b)は各合成インピーダンスの直列回路になっているため図14の(c)のように書ける。
<Heat distribution>
Since the apparent permeability μ changes depending on the position, the equivalent circuit of FIG. 11A is as shown in FIG. The apparent permeability μ is divided into N parts in consideration of a small width. As in FIG. 11, FIG. 14 is changed to (b) in FIG. 14 by performing equivalent exchange and approximation. Since the division here is performed with a uniform width, the resistors R all have the same value. Since (b) in FIG. 14 is a series circuit of each combined impedance, it can be written as (c) in FIG.

以上より、各位置の合成インピーダンスXは独立に扱う事ができ、各位置における合成インピーダンスXを考慮する事で長手方向の発熱分布を考察する事ができる。
以下簡単のため、中央部と端部の2点における合成インピーダンスの比較により長手方向の発熱分布を考察する。長手方向中央部における合成インピーダンスXcを式(26)、長手方向端部における合成インピーダンスXeを式(27)と表記する。
As described above, the combined impedance X at each position can be handled independently, and the heat generation distribution in the longitudinal direction can be considered by considering the combined impedance X at each position.
For the sake of simplicity, the heat generation distribution in the longitudinal direction will be considered by comparing the combined impedance at two points, the center and the end. The combined impedance Xc at the central portion in the longitudinal direction is expressed as Equation (26), and the combined impedance Xe at the end portion in the longitudinal direction is expressed as Equation (27).

合成インピーダンスXc、Xeが周波数でどのように変化するかを模式的に表したものが図15である。励磁コイル3が長手方向で均等間隔に巻かれている場合、Nc=Ne(=N)であるため、周波数を無限大まで大きくすると合成インピーダンスXc、Xeは同じ値N2Rへ収束する。またこれまで説明した通り、中央部のみかけの透磁率μcと端部のみかけの透磁率μeはμc>μeという関係にある。その結果、相互インダクタンスもMc>Meという関係になる。よって、どの周波数においてもXc>Xeが成り立つ。 FIG. 15 schematically shows how the combined impedances Xc and Xe change with frequency. When the exciting coil 3 is wound at equal intervals in the longitudinal direction, Nc = Ne (= N). Therefore, when the frequency is increased to infinity, the combined impedances Xc and Xe converge to the same value N 2 R. As described above, the apparent permeability μc at the center and the apparent permeability μe at the end have a relationship of μc> μe. As a result, the mutual inductance also has a relationship of Mc> Me. Therefore, Xc> Xe holds at any frequency.

本実施例の構成では20kHz〜35kHzの範囲内の周波数を使用するが、この周波数の範囲内において周波数を小さくした方が合成インピーダンスXcとXeの差が大きくなる。これはつまり、中央部の発熱量Qcと端部の発熱量Qeの割合が周波数により変化する事を意味する。また、周波数を小さくすると中央部の発熱量Qcに対し端部の発熱量Qeが減っている。これにより、長手方向に短い用紙を定着する場合、周波数を下げる事で通紙領域外にて余計な発熱を抑える事ができる。   In the configuration of the present embodiment, a frequency within the range of 20 kHz to 35 kHz is used, but the difference between the combined impedances Xc and Xe becomes larger when the frequency is reduced within this frequency range. This means that the ratio of the calorific value Qc at the center and the calorific value Qe at the end varies with the frequency. Further, when the frequency is reduced, the heat generation amount Qe at the end portion is reduced with respect to the heat generation amount Qc at the center portion. Thus, when fixing a short sheet in the longitudinal direction, excessive heat generation outside the sheet passing area can be suppressed by lowering the frequency.

一方で、長手方向に長い用紙を定着する場合は高周波とすることで、長手方向中央部と長手方向端部の発熱量を同じにする事ができる。しかしながら長手方向端部の放熱を考慮すると、長手方向中央部より長手方向端部の方が発熱量をやや高めにする必要がある。そこで本実施例では長手方向端部において励磁コイル2の間隔を縮めるようにした。そうすると合成インピーダンスはXeから図15に示すXe´のように変化する。   On the other hand, when fixing a sheet that is long in the longitudinal direction, the amount of heat generated at the central portion in the longitudinal direction and the end portion in the longitudinal direction can be made the same by using a high frequency. However, in consideration of heat dissipation at the end in the longitudinal direction, the amount of heat generated at the end in the longitudinal direction needs to be slightly higher than that at the center in the longitudinal direction. Therefore, in this embodiment, the interval between the exciting coils 2 is shortened at the end in the longitudinal direction. Then, the combined impedance changes from Xe to Xe ′ shown in FIG.

ある長手位置において励磁コイル3の間隔を縮める事は、その長手位置における巻き数比Nを大きくする事と同じであり、周波数を無限大まで大きくした時の飽和値が大きくなる。そのため図15に示すように全体的に合成インピーダンスが大きくなる。その結果発熱量も大きくなる。   Reducing the interval between the exciting coils 3 at a certain longitudinal position is the same as increasing the turn ratio N at that longitudinal position, and the saturation value increases when the frequency is increased to infinity. As a result, the overall impedance increases as shown in FIG. As a result, the calorific value increases.

具体的な励磁コイル3の間隔は、中央部の間隔を5mm、端部の間隔を2mmになるようにし、その間の間隔は両者の線形補完により決定した。すなわち本実施例の形態では、周波数を調整する事でQc>QeとなったりQc<Qeとなったりする。   The specific interval between the exciting coils 3 was determined such that the central portion was 5 mm and the end portion was 2 mm, and the interval between them was determined by linear interpolation of both. That is, in the embodiment, Qc> Qe or Qc <Qe is satisfied by adjusting the frequency.

<測定結果>
図1に、軸X方向における定着ローラ1の表面温度分布測定結果を記す。本測定はNEC Avio社製のTVS−8500を用いて測定を行った。駆動周波数はそれぞれ20kHz、25kHz、30kHz、35kHzとして測定を行った。
<Measurement results>
FIG. 1 shows the measurement result of the surface temperature distribution of the fixing roller 1 in the axis X direction. This measurement was performed using TVS-8500 manufactured by NEC Avio. The drive frequencies were 20 kHz, 25 kHz, 30 kHz, and 35 kHz, respectively.

図1は高周波コンバータ16により電力を投入し、サーミスタ9の温度がある温度に到達した時の温度分布を比較したものである。定着装置115で採用する駆動周波数の範囲内では、定着ローラ1の軸X方向において定着ローラ1が最大温度を取りうる箇所は3カ所存在する。駆動周波数が小さい場合は軸X方向中央部9xの温度が最も高く、駆動周波数が35kHzまで大きくなると軸X方向端部10xの位置で温度が最も高くなる。35kHzでは軸X方向位置11xの位置にも温度ピークが存在する。   FIG. 1 shows a comparison of temperature distributions when power is supplied by the high-frequency converter 16 and the temperature of the thermistor 9 reaches a certain temperature. Within the range of the driving frequency employed by the fixing device 115, there are three places where the fixing roller 1 can take the maximum temperature in the axis X direction of the fixing roller 1. When the drive frequency is low, the temperature of the central portion 9x in the axis X direction is the highest, and when the drive frequency is increased to 35 kHz, the temperature is highest at the position of the end portion 10x in the axis X direction. At 35 kHz, a temperature peak also exists at the position in the axis X direction position 11x.

11xは定着ローラ1の中心位置を基準に10xの点対称位置であり、11xの位置においても最も高い温度となりうる。軸X方向位置11xと10xで温度差ができる理由として、磁性コア2の形状ムラや励磁コイル3の巻き位置ムラが挙げられる。ただし温度差は小さいため、サーミスタ10は軸X方向位置10xおよび11xのどちらに配置しても構わない。   11x is a 10x point-symmetrical position with respect to the center position of the fixing roller 1, and can be the highest temperature even at the 11x position. The reason why the temperature difference can be made between the positions 11x and 10x in the axis X direction is the uneven shape of the magnetic core 2 and the uneven winding position of the exciting coil 3. However, since the temperature difference is small, the thermistor 10 may be arranged at any of the axial X direction positions 10x and 11x.

またサーミスタ9及び10は最も高い温度よりT℃低い箇所に置いても実用上問題無い。本実施例の構成では、T=5℃の箇所にサーミスタ9及び10を配置しても問題無い。そのため、サーミスタ9及び10の位置は範囲9y及び10y内であれば良く位置9x及び10xに限定するものではない。   Also, the thermistors 9 and 10 are practically not problematic even if they are placed at a temperature lower by T ° C. than the highest temperature. In the configuration of the present embodiment, there is no problem even if the thermistors 9 and 10 are arranged at a location where T = 5 ° C. Therefore, the thermistors 9 and 10 need only be within the ranges 9y and 10y, and are not limited to the positions 9x and 10x.

以下、サーミスタ9、10を用いた場合の加熱ローラ1の温度制御例を説明する。図16に示すのは、加熱ローラ1の長手方向位置に対する温度分布である。周波数が高く、長手方向端部の温度が中央部に対して高い場合の温度分布を示している。温度ムラやオフセットの観点から、加熱ローラ1の温度は温度T1より低く温度T2より高い範囲に収める必要がある。   Hereinafter, a temperature control example of the heating roller 1 when the thermistors 9 and 10 are used will be described. FIG. 16 shows a temperature distribution with respect to the position in the longitudinal direction of the heating roller 1. The temperature distribution is shown when the frequency is high and the temperature at the end in the longitudinal direction is higher than the center. From the viewpoint of temperature unevenness and offset, the temperature of the heating roller 1 needs to be within a range lower than the temperature T1 and higher than the temperature T2.

位置9xで温度制御を行う場合、位置9xで適正温度範囲に入ったとしても、長手方向端部で加熱ローラ1の温度が温度T1よりも大きくなり、適正温度範囲から外れてしまう可能性がある(温度分布(1))。   When the temperature control is performed at the position 9x, even if the temperature is within the appropriate temperature range at the position 9x, the temperature of the heating roller 1 may be higher than the temperature T1 at the end in the longitudinal direction and may be out of the proper temperature range. (Temperature distribution (1)).

そのため本実施例の構成では位置10xに配置するサーミスタ10も同時に加熱ローラ1の温度を測定する。位置10xでの加熱ローラ1の温度が温度T1より低くなるように、かつ位置9xでの加熱ローラ1の温度が温度T2よりも高くなるように、位置9xでの設定温度を下げて調整する(温度分布(2))。   Therefore, in the configuration of this embodiment, the thermistor 10 arranged at the position 10x also measures the temperature of the heating roller 1 at the same time. The set temperature at the position 9x is lowered and adjusted so that the temperature of the heating roller 1 at the position 10x is lower than the temperature T1 and the temperature of the heating roller 1 at the position 9x is higher than the temperature T2 ( Temperature distribution (2)).

以上より本実施例の定着装置115では、駆動周波数20kHzの時に最も温度が高くなる軸X方向位置9xにサーミスタ9を配置する。また、駆動周波数35kHzの時に最も温度が高くなる軸X方向位置10xにサーミスタ10を配置する。このようにサーミスタを配置することで、採用する周波数の範囲内において通紙領域の定着ローラ1の温度を適正温度範囲内に収めることができる。その結果、光沢ムラやオフセット等の画像不良を抑制する事ができる。   As described above, in the fixing device 115 of this embodiment, the thermistor 9 is arranged at the position 9x in the axial X direction where the temperature is highest when the driving frequency is 20 kHz. Further, the thermistor 10 is arranged at the position 10x in the axial X direction where the temperature is highest when the driving frequency is 35 kHz. By disposing the thermistor in this way, the temperature of the fixing roller 1 in the paper passing area can be kept within the appropriate temperature range within the frequency range to be employed. As a result, image defects such as uneven gloss and offset can be suppressed.

上記の定着装置構成をまとめると次のとおりである。   The above fixing device configuration is summarized as follows.

1)導電層1aを有する筒状の回転体(定着ローラ)1を有する。回転体1の中空部に挿通され回転体1の母線方向に長い磁性芯材2を有する。中空部において磁性芯材2の外側に母線方向に交差する方向に磁性芯材2に直接もしくは他物を介して巻かれた励磁コイル3を有する。励磁コイル3に交番電流を流すことで導電層1aが電磁誘導により発熱し画像21を記録材114に定着する定着装置である。   1) It has a cylindrical rotating body (fixing roller) 1 having a conductive layer 1a. The magnetic core member 2 is inserted in the hollow portion of the rotating body 1 and is long in the generatrix direction of the rotating body 1. In the hollow portion, the exciting coil 3 is wound around the magnetic core material 2 directly or via another object in a direction intersecting the generatrix direction outside the magnetic core material 2. The fixing device fixes the image 21 to the recording material 114 by causing the conductive layer 1 a to generate heat by electromagnetic induction by passing an alternating current through the exciting coil 3.

磁性芯材3は回転体1の外側でループを形成していない。回転体1の温度を測定する温度検知素子9,10を有する。交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲において、回転体1の母線方向で回転体1の温度が最大となる箇所の温度を測定できるように温度検知素子9,10が配置されている。   The magnetic core material 3 does not form a loop outside the rotating body 1. Temperature sensing elements 9 and 10 for measuring the temperature of the rotating body 1 are provided. The temperature detection elements 9 and 10 are arranged so that the temperature of the portion where the temperature of the rotating body 1 is maximum in the bus line direction of the rotating body 1 can be measured in the frequency range that can be adopted as the frequency of the alternating current.

2)また、前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も大きい値のとき、回転体1の母線方向で最も温度が高い位置に温度検知素子が配置されている。   2) In addition, when the frequency of the alternating current is the highest value in the frequency range that can be adopted, the temperature detection element is arranged at the highest temperature position in the bus bar direction of the rotating body 1.

3)また、前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も小さい値のとき、回転体1の母線方向で最も温度が高い位置に温度検知素子を配置されている。   3) Further, when the frequency of the alternating current is the smallest value in the frequency range that can be adopted, the temperature detecting element is arranged at a position where the temperature is highest in the direction of the bus of the rotating body 1.

4)また、前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も大きいときに回転体1の母線方向で最も温度が高くなる位置を位置Aとする。採用しうる周波数の範囲の中で周波数が最も小さい時に回転体の母線方向で最も温度が高くなる位置を位置Bとする。この位置Aと位置Bの両方に温度検知素子を配置する。   4) Further, the position where the temperature is highest in the direction of the bus of the rotating body 1 when the frequency of the alternating current is the highest in the frequency range that can be adopted is defined as a position A Position B is the position where the temperature is highest in the direction of the bus of the rotating body when the frequency is the lowest in the range of frequencies that can be adopted. Temperature sensing elements are arranged at both position A and position B.

ここで、定着装置には、未定着トナー画像を固着像として定着する以外にも、記録材に仮定着されたトナー画像あるいは一度加熱定着されたトナー像を再度加熱加圧して光沢度を向上させる装置(この場合も定着装置と呼ぶ)も包含される。   Here, in addition to fixing the unfixed toner image as a fixed image, the fixing device improves the glossiness by re-heating and pressurizing the toner image assumed to be fixed on the recording material or once heated and fixed. A device (also called a fixing device in this case) is also included.

導電層1aを有する筒状の回転体1は、硬質あるいは可撓性の中空ローラあるいはパイプの形態のものにすることもできるし、複数の張架部材間に懸回張設されて回転駆動される可撓性を有するエンドレスベルト形態のものにすることもできる。   The cylindrical rotating body 1 having the conductive layer 1a can be in the form of a hard or flexible hollow roller or a pipe, or is suspended and stretched between a plurality of stretching members. It is also possible to use a flexible endless belt.

1‥‥ 定着ローラ、2‥‥ 磁性コア、3‥‥ 励磁コイル、8‥‥ 加圧ローラ、9,10‥‥ サーミスタ、15‥‥ 制御部、16‥‥ 高周波インバータ、100‥‥ 画像形成装置、114‥‥記録材、115‥‥ 定着装置   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fixing roller, 2 ... Magnetic core, 3 ... Excitation coil, 8 ... Pressure roller, 9, 10 ... Thermistor, 15 ... Control part, 16 ... High frequency inverter, 100 ... Image forming apparatus 114 Recording material 115 Fixing device

Claims (2)

導電層を有する筒状の回転体と、
前記回転体の中空部に挿通され前記回転体の母線方向に長い磁性芯材と、
前記中空部において前記磁性芯材の外周面に直接もしくは他物を介して前記磁性芯材の長手方向に沿って一端側から他端側にかけて一連に且つ前記長手方向の中央部に比べて端部の方が密度が高くなるようにコイル線材を螺旋状に巻き回して形成されている励磁コイルと、を有し、
前記励磁コイルの一端側と他端側の給電接点を介して前記励磁コイルに交番電流を流すことで前記導電層が電磁誘導により発熱し、この熱を利用して画像を記録材に定着する定着装置であって、
前記磁性芯材は前記回転体の外側でループを形成しておらず、
前記回転体の温度を測定する温度検知素子を有し、
前記交番電流の周波数が採用しうる周波数の範囲の中で最も大きい時に前記回転体の母線方向で最も温度が高くなる位置と、採用しうる周波数の範囲の中で周波数が最も小さい時に前記回転体の母線方向で最も温度が高くなる位置と、の両方に前記温度検知素子が配置されていることを特徴とする定着装置。
A cylindrical rotating body having a conductive layer;
A magnetic core material that is inserted through the hollow portion of the rotating body and is long in the generatrix direction of the rotating body;
In the hollow portion, the end portion in a series from the one end side to the other end side along the longitudinal direction of the magnetic core member directly or through other objects on the outer peripheral surface of the magnetic core member, and compared to the central portion in the longitudinal direction. An exciting coil formed by spirally winding a coil wire so that the density is higher,
Fixing in which the conductive layer generates heat by electromagnetic induction by passing an alternating current through the excitation coil via the power supply contact on one end side and the other end side of the excitation coil, and this heat is used to fix the image on the recording material. A device,
The magnetic core material does not form a loop outside the rotating body,
A temperature sensing element for measuring the temperature of the rotating body;
The rotating body when the the most temperature increases position generatrix direction of the rotary member when the largest in the range of frequencies where the frequency can adopt the alternating current, the lowest frequency within the range of frequencies which can be employed The fixing device is characterized in that the temperature detecting element is arranged at both the position where the temperature is highest in the direction of the bus .
前記励磁コイルの外側に絶縁部材を有することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。 The fixing device according to claim 1 , further comprising an insulating member outside the exciting coil.
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