JPH10319748A - 誘導加熱定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 定着ローラを小型化し得る誘導加熱定着装置
を提供する。 【解決手段】 アルミニウムより大きな電気抵抗を有す
る鉄で形成された中空円筒形の定着ローラ１２と、トナ
ー１１を保持するシート１０を圧接して前記定着ローラ
１２との間で挟持する加圧ローラ１３と、前記定着ロー
ラ１２の中空部に一部が挿通され閉磁路を形成するコア
と、当該コアに巻装され前記定着ローラ１２の前記中空
部に配置され前記定着ローラ１２を誘導加熱するコイル
１４と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、電子写真
式の複写機、プリンタあるいはファクシミリ等に用いら
れる定着装置に関し、さらに詳しくは、低周波による誘
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、プリンタあるいは
ファクシミリ等には、未定着トナーにより形成された像
（トナー像）を、記録媒体である記録紙や転写材などの
用紙シート上に定着させる定着装置が、設けられてい
る。

【０００３】一般的な定着装置は、シート上のトナー像
を定着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、中空の円筒形からなり、トナーを熱溶融する定着
に必要な温度まで昇温するための熱源が、内部に設けら
れている。

【０００４】定着ローラを昇温させる熱源は、ハロゲン
ランプ等の管状ヒータが、一般的に用いられる。このハ
ロゲンランプは、定着ローラの中心軸上に配置され、輻
射熱により、定着ローラを加熱している。このようなハ
ロゲンランプ加熱方式は、製造コストの面では優位であ
るが、輻射熱による加熱であるため熱変換効率が低く、
エネルギーロスが大きいという欠点を有している。

【０００５】このような欠点を解決し、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、
例えば、導電性部材で形成された定着ローラ内部に、閉
磁路を形成するコアを貫通し、巻線を螺旋状に巻回して
形成したコイルを、同心状に配置する定着装置が提案さ
れている。

【０００６】誘導加熱方式における熱源は、コイルに通
電してコア内に生じる磁束によって定着ローラに誘起さ
れる、誘導電流に基づくジュール熱である。つまり、誘
導加熱方式は、被加熱体を、電磁誘導により直接発熱さ
せる形態であるため、ハロゲンランプ加熱方式と比較し
て、熱変換効率に優れている。

【０００７】したがって、より少ない電力で、定着ロー
ラを、所定の定着温度まで迅速に昇温させることがで
き、省エネルギーを、達成することが可能である。特
に、上述の閉磁路を形成するコアを有するタイプは、磁
束の漏れがほとんどなく、定着ローラに、効率よく誘導
電流を生じるため、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】また、定着ローラを形
成する導電性部材は、装置の軽量化や温度分布の均一性
の面を考慮し、比重が小さく熱伝導度に優れるアルミニ
ウムが、使用されている。

【０００９】しかし、アルミニウムは、電気抵抗が小さ
いため、誘導電流が増加し、ジュール熱の発生量が大き
くなってしまう。これでは、定着性能を確保する必要最
小限の熱量をはるかに越えてしまう。そのため、適正な
熱量とするのに、コイルの巻数を増加させて、２次側の
誘起電圧を小さくしている。つまり、誘導電流を減少さ
せ、ジュール熱損を小さくすることで、必要最小限の適
正熱量を得ている。しかし、巻数が増加することによ
り、コイルの巻径が大型化するという問題を誘発してい
る。

【００１０】さらに、コイルは、定着ローラの内部に配
置されるため、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。したが
って、コイルの巻径を大型化して、コイルの巻数を増加
させる場合、内部空間に十分な余裕を持たせるために、
定着ローラ自体も大径化する必要が生じる。その結果、
定着装置の小型化を阻害し、装置全体の専有面積の増加
および製造コストの上昇を引き起こしている。

【００１１】本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決
するためになされたものであり、定着ローラを小型化し
得る誘導加熱定着装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る誘導加熱定着装置は、導電性部材で形成
された中空円筒形の加熱回転体と、トナーを保持した記
録媒体を圧接して前記加熱回転体との間で挟持する加圧
回転体と、前記加熱回転体の中空部に一部が挿通され閉
磁路を形成するコアと、当該コアに巻装され前記加熱回
転体の前記中空部に配置され前記加熱回転体を誘導加熱
するコイルと、を有する誘導加熱定着装置において、前
記導電性部材は、アルミニウムより大きな電気抵抗を有
することを特徴とする。

【００１３】このように特定された発明にあっては、定
着性能を確保する必要最小限の熱量を得るために、アル
ミニウムを使用する場合に比べてコイルの巻数を削減さ
せ、２次側での誘起電圧を上昇させて誘導電流を増すこ
とで、ジュール熱損（消費電力）を同一としている。つ
まり、アルミニウムを使用する場合に比べてコイルの巻
数を削減しても、定着不良を招くことのない充分な熱量
をジュール熱により得ることができ、かつ、加熱回転体
の小型化が可能となる。

【００１４】

【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。

【００１５】図１は、本発明の実施の形態に係る誘導加
熱定着装置を示す概略構成図、図２は、図１に示す定着
ローラの断面図である。

【００１６】本発明の実施の形態に係る誘導加熱定着装
置は、図１および図２に示すように、複写用の用紙シー
ト（記録媒体）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る。ま
た、この誘導加熱定着装置は、誘導加熱される定着ロー
ラ（加熱回転体）１２と、トナー１１を保持したシート
１０を圧接して定着ローラ１２との間で挟持する加圧ロ
ーラ（加圧回転体）１３と、定着ローラ１２を誘導加熱
するコイル１４とを有する。

【００１７】定着ローラ１２は、中空円筒のパイプから
なり、アルミニウムより大きな電気抵抗を有する導電性
部材から構成される。定着ローラ１２の肉厚は、加圧ロ
ーラ１３からの圧接力に対して十分な機械的強度を確保
すると共に、充分な熱容量、例えば、大部数の複写を行
っても定着不良を招くことのない熱容量を有するよう
に、設定されている。さらに、定着ローラ１２の外周面
は、フッ素樹脂被覆層が形成されている。フッ素樹脂被
覆層は、シート１０およびトナー１１に対する良好な離
型性を有すると共に、耐熱性を有する。

【００１８】また、定着ローラ１２の両端は、図示しな
いスベリ軸受部が形成され、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（図示せず）。さら
に、定着ローラ１２の片端は、モータなどの駆動源に接
続された駆動ギアが固定されている（図示せず）。な
お、駆動ギアは、定着ローラ１２を、図１の矢印ａ方向
に、回転駆動するためのものである。

【００１９】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、シート１０に対す
る離型性を有すると共に、耐熱性を有する。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１
２に向かう方向に押圧されている。なお、加圧ローラ１
３は、定着ローラ１２の回転に伴って、従動回転する。

【００２０】コイル１４は、巻線１８を螺旋状に巻回し
て形成され、閉磁路を形成する矩形状のコア１７に挿通
され、定着ローラ１２の内部に、同心状に配置されてい
る。つまり、コア１７の一部は、定着ローラ１２の中空
部を貫通している。また、コア１７は、通常のトランス
などに用いられる、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。なお、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。

【００２１】次に、誘導加熱定着装置の定着動作につい
て説明する。

【００２２】まず、図示しない電源回路から、低周波
（５０〜６０Ｈｚ）の交流電圧を、コイル１４に印加す
ると、コア１７内に磁束が生じ、定着ローラ１２に誘起
電圧が発生し、誘導電流が流れる。その結果、誘導電流
に基づくジュール熱（誘導加熱）により、定着ローラ１
２は直接発熱し、定着に適した所定温度、例えば、１５
０〜２００℃になるまで昇温する。

【００２３】未定着のトナー１１を保持したシート１０
は、図１の矢印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。

【００２４】そして、シート１０は、高温の定着ローラ
１２から伝達される熱と、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、トナー１１により構成される
像が、シート１０上に定着される。なお、トナー１１
は、定着ローラ１２と接触する側のシート１０の面に、
保持されている。

【００２５】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により、定着ローラ１２から、自
然に曲率分離し、図１の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。

【００２６】次に、誘導加熱定着装置の動作原理につい
て説明する。

【００２７】誘導加熱定着装置の動作原理は、基本的に
はトランスと同様である。つまり、コイル１４は、入力
側の１次側コイル（巻数Ｎ１）に相当し、定着ローラ１
２は、出力側の２次側コイル（巻数Ｎ２）に相当する
（図２参照）。

【００２８】したがって、１次側コイル（コイル１４）
に、低周波（５０〜６０Ｈｚ）の交流電圧Ｖ１を印加す
ると、１次側コイルに、電流Ｉ１が流れる。これにより
発生する磁束φは、閉磁路を形成するコア（１７）を流
れ、２次側コイル（定着ローラ１２）に、誘導起電力Ｖ
２を生じさせる。その結果、定着ローラ１２の円周方向
に沿って電流Ｉ２が流れる。なお、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次側エネルギー［Ｖ１×Ｉ１］と、２次側エネ
ルギー［Ｖ２×Ｉ２］とが、ほぼ等しくなる。

【００２９】そのため、この系においては、(1) １次側
コイル（コイル１４）の銅線内の銅損による発熱、(2)
２次側コイル（定着ローラ１２）の銅線内の銅損による
発熱、および(3) コア（１７）の内部に生じるジュール
熱損とヒステリシス損とによる発熱、が存在する。つま
り、誘導加熱定着装置は、エネルギーロスとなる(1)お
よび(3) の発熱を極力抑える一方、(2) 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】特に、本発明は、定着ローラを、アルミニ
ウムより大きな電気抵抗を有する導電性部材から、構成
している。また、熱量を同一とするために、コイルの巻
数を削減して、２次側コイル（定着ローラ１２）に誘起
する起電圧を大きくし、誘導電流を増加させ、ジュール
熱損（消費電力）を同一としている。つまり、アルミニ
ウムを使用する場合に比べ、コイルの巻数を削減して
も、定着不良を招くことのない充分な熱量を、ジュール
熱により得ることができる。したがって、コイルの巻径
を削減して小型化することができる。

【００３１】つまり、コイルを小型化することにより、
内部空間に十分な余裕を確保できるため、定着ローラを
小型化しても、温度勾配の均一化に悪影響を及ぼすこと
はない。そのため、アルミニウムを使用する場合に比
べ、定着ローラを小型化することが可能であり、その結
果、装置全体としての専有面積を削減すると共に製造コ
ストを低減することができる。

【００３２】次に、本発明の実施の形態に係る誘導加熱
定着装置のさらに具体的な構成について、アルミニウム
より大きな電気抵抗を有する導電性部材である鉄を、一
例として説明する。

【００３３】図３は、アルミニウムおよび鉄に関連する
物性値を示す図表、図４は、誘導加熱定着装置の具体的
な構成を示す図表である。

【００３４】まず、コイルの巻数に関して、定着ローラ
の加熱（昇温）に使用されるジュール熱損（消費電力）
を同一とする場合において、鉄製とアルミニウム製とを
比較する。

【００３５】誘導加熱定着装置の動作原理は、上述のよ
うに（図２参照）、基本的にはトランスと同様である。
したがって、１次側コイルの巻数をＮ１、２次側コイル
の巻数をＮ２、１次側コイルに印加される交流電圧をＶ
１、２次側コイルの誘導起電力をＶ２で表すと、数式
（１）、 （Ｎ１／Ｎ２）＝（Ｖ１／Ｖ２） が成立し、さらに、消費電力をＰ、２次側コイルの抵抗
をＲで表すと、数式（２）、 Ｎ１² ＝Ｖ１² ／（Ｒ×Ｐ） として表すことができる。

【００３６】したがって、具体的なディメンションを図
４に示しているように、１次側コイルに印加される交流
電圧Ｖ１を１００［Ｖ］、消費電力Ｐを７５０［Ｗ］、
１次側コイルの巻数Ｎ１を４５１Ｔ、２次側コイルを鉄
製、２次側コイルの巻数Ｎ２を１Ｔ、２次側コイルの抵
抗をＲFeとする場合、数式（１）および（２）により、
数式（３）、 （４５１）² ＝（１００）² ／（ＲFe×７５０） が成立する。

【００３７】一方、１次側コイルに印加される交流電圧
Ｖ１を１００［Ｖ］、消費電力Ｐを７５０［Ｗ］、１次
側コイルの巻数Ｎ１をＸＴ、２次側コイルをアルミニウ
ム製、２次側コイルの巻数Ｎ２を１Ｔ、２次側コイルの
抵抗をＲAlとする場合、数式（３）と同様に、数式
（１）および（２）より、数式（４）、 Ｘ² ＝（１００）² ／（ＲAl×７５０） が成立する。

【００３８】また、電気抵抗［μΩcm³ ］は、図３に示
すように、アルミニウムは「２．６５５」であり、鉄は
「９．７１」であり、数式（５）、 ＲAl＝０．２７ＲFe が成立する。

【００３９】したがって、数式（３）を数式（４）で割
ると、 （４５１）² ／Ｘ² ＝ＲAl／ＲＦｅ となり、数式（５）の関係より、 Ｘ^２ ＝（４５１）² ×（ＲFe／ＲAl） ＝（４５１）² ／０．２７＝（８６８）² となる。つまり、コイルの巻数は、「８６８」となる。

【００４０】以上のように、定着ローラの加熱（昇温）
に使用されるジュール熱損（消費電力）を同一とする場
合、コイルの巻数が４５１Ｔである鉄製の定着ローラ
は、コイルの巻数が８６８Ｔであるアルミニウム製の定
着ローラに対応している。つまり、上述のように、定着
ローラを、アルミニウムより大きな電気抵抗を有する導
電性部材から構成することにより、アルミニウムを使用
する場合に比べ、コイルの巻径を削減できる。

【００４１】次に、定着ローラの外径サイズに関して、
熱容量を同一とする場合において、鉄製とアルミニウム
製とを、さらに比較する。

【００４２】２次側コイルがアルミニウム製の場合での
鉄心断面積ＳAlは、電源電圧をＶ、電源周波数をｆ、コ
イルの巻数をＮ、磁束密度をＢｍとすると、数式
（６）、 Ｂｍ＝Ｖ／（４．４４×ｆ×Ｎ×Ｓ） の関係を満たす。

【００４３】一方、コイルの巻数が４５１Ｔである鉄製
の定着ローラは、コイルの巻数が８６８Ｔであるアルミ
ニウム製の定着ローラに対応しており、また、図４に示
すように、電源電圧Ｖは１００［Ｖ］、電源周波数ｆは
６０［Ｈｚ］、定着ローラが鉄製の場合での鉄心断面積
ＳFeは６．２５［cm² ］であるため、数式（６）より、
数式（７）、 １００／（４．４４×６０×４５１×６．２５）＝１０
０／（４．４４×６０×８６８×ＳAl） の関係、つまり、 １／（４５１×６．２５）＝１／（８６８×ＳAl） の関係を満たす。

【００４４】したがって、アルミニウム製の場合での鉄
心断面積ＳAlは、数式（７）より、 ＳAl＝（４５１×６．２５）／８６８＝３．２５（１．
８×１．８［cm^□］） となる。つまり、鉄心の対角線距離Ｌは、 Ｌ＝１８×（２）^1/2 ＝２５．５［mm］＝２．５５［c
m］ となる。また、鉄心の周囲は、具体的なディメンション
を図４に示しているように、２．３［mmφ］（０．２３
［cmφ］）の電線の７層巻であり、クリアランスは４
［mm］（０．４［cm］）であるため、アルミニウム製ロ
ーラの内径Ｄinは、対角線距離Ｌを使用し、数式
（８）、 Ｄin＝（（Ｌ／２）＋（２．３×７）＋４）×２ ＝６５．７［mm］＝６．５７［cm］ で表せることとなる。

【００４５】さらに、肉厚が０．５［cm］で外径が６．
０４［cmφ］（つまり内径は５．０４［cmφ］）である
鉄製ローラの熱容量ＱFeと、アルミニウム製の場合の熱
容量ＱFeとを等しくする場合、アルミニウム製ローラの
外径をＤexで表すと、物性は図３に示すように、鉄は、
比重が７．８７［ｇ／cm³ ］、比熱が０．１１［ cal／
ｇ・℃］であり、アルミニウムは、比重が２．６６９
［ｇ／cm³ ］、比熱が０．２１５［ cal／ｇ・℃］であ
るため、数式（９）、 ＱFe＝ＱAl ＝π（（６．０４／２）² −（５．０４／２）² ）×７．８７×０．１１ ＝π（（Ｄex／２）² −（６．５７／２）² ）×２．６９９×０．２１５ の関係を満たす。

【００４６】したがって、数式（９）は、 ＱFe＝ＱAl＝３．８９＝０．５８（（Ｄex／２）² −１
０．８） で表せることとなり、 （Ｄex／２）² ＝１７．５１＝（８．４）^２ となる。つまり、アルミニウム製ローラの外径Ｄｅｘ
は、８．４［cm］となる。

【００４７】したがって、熱容量を同一とする場合は、
定着ローラ１２が鉄製で、外径が６．０４［cmφ］であ
ることは、アルミニウム製では、８．４［cmφ］である
ことに対応している。つまり、上述のように、定着ロー
ラを、アルミニウムより大きな電気抵抗を有する導電性
部材から構成することにより、アルミニウムを使用する
場合に比べ、定着ローラを小型化することが可能であ
る。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ア
ルミニウムより大きな電気抵抗を有する導電性部材によ
り加熱回転体（定着ローラ）を形成しても、熱量を同一
としている。つまり、アルミニウムを使用する場合に比
べ、コイルの巻数を削減し、２次側コイル（定着ロー
ラ）の誘起電圧を大きくし、誘導電流を増加させること
で、ジュール熱損（消費電力）を同一としている。した
がって、アルミニウムを使用する場合に比べ、コイルの
巻数を削減しても、定着不良を招くことのない充分な熱
量を、ジュール熱により得ることができ、かつ、コイル
の巻径を削減して小型化することができる。

【００４９】さらに、コイルを小型化することにより、
内部空間に十分な余裕を確保できるため、定着ローラ
（加熱回転体）を小型化しても、温度勾配の均一化に悪
影響を及ぼすことはない。したがって、アルミニウムを
使用する場合に比べ、加熱回転体（定着ローラ）を小型
化することが可能であり、その結果、装置全体としての
専有面積を削減すると共に製造コストを低減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の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１に示す定着ローラの断面図である。

【図３】 アルミニウムおよび鉄に関連する物性値を示
す図表である。

【図４】 誘導加熱定着装置の具体的な構成を示す図表
である。

【符号の説明】

１０…用紙シート（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（加圧回転体）、 １４…コイル、 １７…コア、 １８…巻線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高須 亮 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 外村 徹 京都市山科区西野離宮町40番地 トクデン 株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性部材で形成された中空円筒形の加
   熱回転体と、 トナーを保持した記録媒体を圧接して前記加熱回転体と
   の間で挟持する加圧回転体と、 前記加熱回転体の中空部に一部が挿通され閉磁路を形成
   するコアと、 当該コアに巻装され前記加熱回転体の前記中空部に配置
   され前記加熱回転体を誘導加熱するコイルと、を有する
   誘導加熱定着装置において、 前記導電性部材は、アルミニウムより大きな電気抵抗を
   有することを特徴とする誘導加熱定着装置。