マイクロ波加熱装置、及びこれを用いた画像定着装置
【課題】効率的にマイクロ波のエネルギーの伝送を可能にすることで、消費エネルギー量の低減と加熱効率の向上の両立を可能にしたマイクロ波加熱装置を提供する。
【解決手段】 マイクロ波を出力するマイクロ波発生部３と、マイクロ波が導かれ、前記マイクロ波の進入方向の終端部５ａが短絡されている導電性の加熱室５と、マイクロ波発生部３と加熱室５の間に設けられた整合器７と、を有する。加熱室５は、その内部を被加熱体が通過するための開口部６を有し、整合器７は、加熱室５の終端部５ａで反射された反射マイクロ波を加熱室５側に再反射する構成であり、マイクロ波発生部３のマイクロ波出力端から整合器７までの間は導電性材料で構成された筒状の導波管で連結され、整合器７から加熱室５の終端部５ａまでの間は、前記被加熱体を通過させるための開口部６を除いて導電性材料で構成された筒状の導波管で連結されている。
【解決手段】 マイクロ波を出力するマイクロ波発生部３と、マイクロ波が導かれ、前記マイクロ波の進入方向の終端部５ａが短絡されている導電性の加熱室５と、マイクロ波発生部３と加熱室５の間に設けられた整合器７と、を有する。加熱室５は、その内部を被加熱体が通過するための開口部６を有し、整合器７は、加熱室５の終端部５ａで反射された反射マイクロ波を加熱室５側に再反射する構成であり、マイクロ波発生部３のマイクロ波出力端から整合器７までの間は導電性材料で構成された筒状の導波管で連結され、整合器７から加熱室５の終端部５ａまでの間は、前記被加熱体を通過させるための開口部６を除いて導電性材料で構成された筒状の導波管で連結されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱効率を高めたマイクロ波加熱装置に関する。また、本発明は、このような加熱効率を高めたマイクロ波加熱装置を現像剤（トナー）定着に利用した画像定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像定着装置においては、トナー材料を用紙（被印刷物）に定着させることで画像を用紙上に定着させる。従来の画像定着装置では、定着用ローラによって用紙に対して熱又は圧力を加えることで、用紙上にトナーの定着を行っている。
【０００３】
しかし、かかる従来構成においては、経年による定着用ローラの摩耗という問題があり、かかる問題を解消するための一つの方法として、マイクロ波を用いた非接触によるトナー定着方法の開発が近年行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、特許文献１に開示されたマイクロ波装置の構成を示す概念図である。
【０００５】
図１０Ａに示すように、マイクロ波装置１００は、マイクロ波を発生させるマグネトロン１１０，マグネトロン１１０から発生されたマイクロ波を共振器チャンバ１０３に入力結合する入力結合変換器１１３，貯水庫１１１及びサーキュレータ１１２を設けている。入力結合変換器１１３と共振器チャンバ１０３の間には絞りを備えた結合開口１１４が位置している。共振器チャンバ１０３の側面１０９には、用紙１０１を通過案内するための通過部１０７を有している。共振器チャンバ１０３の下流側には金属からなる終端スライダ１１５が位置しており、終端スライダ１１５は共振器チャンバ１０３に対して水平な方向で可動であり、共振器チャンバ１０３内に達している。
【０００６】
図１０Ｂは、共振器チャンバ１０３部分の概略斜視図である。マグネトロン１１０より発生されたマイクロ波が、共振器チャンバ１０３内に導かれる。図１０Ｂには、概略的に正弦波の形で図示されている。
【０００７】
共振器チャンバ１０３には、互いに対向する両側面１０９及び１０９’に、夫々一つの通過部１０７，１０７’が設けられている。用紙１０１は、通過部１０７’を通過して共振器チャンバ１０３内に導かれ、対向する位置に設けられた通過部１０７を通して排出される。用紙１０１の移動方向が矢印にて図示されている。
【０００８】
通過部１０７，１０７’内には、移動可能なエレメント１０４が設けられている。エレメント１０４はテフロン（登録商標）という商品名で知られるポリテトラフルロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるバーであって、共振器チャンバ１０３内に達している。
【０００９】
特許文献１においては、このエレメント１０４の位置を共振器チャンバ１０３内の長手方向に移動可能に構成されている。このエレメント１０４の位置を移動させて、共振器チャンバ１０３内の共振条件を調整することで、用紙１０１によるマイクロ波の吸収を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２９５６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１の技術では、入力結合変換器１１３と共振器チャンバ１０３との間に絞りを備えた結合開口１１４を設けることで、共振器チャンバ１０３内に定在波を形成させている。しかし、絞り部分の側面は斜度を有しているため、かかる側面でマイクロ波の反射が生じ、これによって伝送効率が低下していることが分かった。つまり、高いエネルギー量のマイクロ波をチャンバ内に導くためには、更に高いマイクロ波エネルギーをマグネトロンより発生させなければならず、消費エネルギーの面で問題を有していた。
【００１２】
紙をマイクロ波に晒すと紙の温度が上昇することはマイクロ波の分野においては公知である。しかし、例えばプリンタやコピー機のように、極めて短時間の間にトナーを紙の上に定着させる必要がある用途において、当該短時間の間にトナーを定着させ得るだけの温度上昇を可能にする手法は、現時点で確立されているとはいえない。例えば、マイクロ波を利用して加熱を行う電子機器の代表例として電子レンジが知られているが、電子レンジに紙を入れて１秒〜数秒程度マイクロ波を当てたとしても、かかる紙を１００℃以上温度上昇させることはできない。
【００１３】
特許文献１の技術においても、極めて短時間の間にトナーを定着させることは困難であり、また、当該技術を利用して定着時間を短縮させるためには、極めて高いマイクロ波エネルギーをマグネトロンより発生させなければならない。
【００１４】
本発明は、効率的にマイクロ波のエネルギーの伝送を可能にすることで、消費エネルギー量の低減と加熱効率の向上の両立を可能にしたマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。また、本発明は、かかるマイクロ波加熱装置を現像剤定着に利用することで、加熱効率の高い非接触型の画像定着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成すべく、本発明に係るマイクロ波加熱装置は、
マイクロ波を出力するマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波が導かれ、前記マイクロ波の進入方向の終端部が短絡されている導電性の加熱室と、
前記マイクロ波発生部と前記加熱室の間に設けられた整合器と、を有し、
前記加熱室は、当該加熱室の内部を被加熱体が前記マイクロ波の進入方向とは非平行方向の向きに通過するための開口部を有し、
前記整合器は、前記加熱室の終端部で反射された反射マイクロ波を前記加熱室側に再反射する構成であり、
前記マイクロ波発生部のマイクロ波出力端から前記整合器までの間は導電性材料で構成された筒状の導波管で連結され、
前記整合器から前記加熱室の終端部までの間は、前記被加熱体を通過させるための前記開口部の部分を除いて導電性材料で構成された筒状の導波管で連結されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、加熱室の終端部で反射されたマイクロ波が整合器によって再び加熱室側に再反射させるため、加熱室内においてマイクロ波を多重反射させることができる。これにより、マイクロ波発生部から発生させるマイクロ波エネルギーを極めて大きくすることなく、加熱室内におけるマイクロ波の定在波の電界強度を高めることができる。よって、短時間の間に加熱室内の温度を急激に上昇させることが可能となる。
【００１７】
なお、上記構成において、前記整合器をＥ−Ｈ整合器で実現するのが好適である。
【００１８】
かかる構成とすることで加熱室の終端部で反射されたマイクロ波を、極めて高い割合で加熱室側に再反射させることができる。
【００１９】
また、上記構成に加えて、前記整合器と前記加熱室の間において、空気よりも誘電率の高い高誘電体で構成された電界変成器を、前記高誘電体内における定在波の波長をλｇ’、自然数をＮ（Ｎ＞０）としたときに、（４Ｎ−３）λｇ’／８より大きく、（４Ｎ−１）λｇ’／８未満の幅で、マイクロ波の定在波の節を含む位置に挿入する構成とするのが好適である。
【００２０】
より好ましくは、前記電界変成器が、λｇ’／４の奇数倍の大きさの幅で、且つ、前記加熱室の終端部側の面が前記マイクロ波の定在波の節の位置となるように設置される構成としてもよい。
【００２１】
かかる構成とすることで、電界変成器の下流側、すなわち加熱室側において、上流側よりも電界強度を高める効果が得られる。これにより、短時間の間に加熱室内の温度を急激に上昇させる効果をより高めることが可能となる。
【００２２】
なお、前記電界変成器としては、高密度ポリエチレンで構成するのが好適である。
【００２３】
かかる構成とすることで、加工性に優れ、また、比較的安価に入手できるため製造コストを抑制する効果が得られる。
【００２４】
また、本発明に係る画像定着装置は、上記特徴を有したマイクロ波発生装置を備え、前記開口部を介して通過する現像剤付き記録シートが前記加熱室で加熱されることで、現像剤を記録シートに定着させることを特徴とする。
【００２５】
かかる構成とすることで、短時間の間に現像剤を記録シートに定着させることが可能となり、機械的な定着機構を有しない画像定着装置が実現される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、加熱室の終端部で反射されたマイクロ波が整合器によって再び加熱室側に再反射させるため、加熱室内においてマイクロ波を多重反射させることができる。これにより、マイクロ波発生部から発生させるマイクロ波エネルギーを極めて大きくすることなく、加熱室内におけるマイクロ波の定在波の電界強度を高めることができる。よって、短時間の間に加熱室内の温度を急激に上昇させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態のマイクロ波加熱装置の概念的構成図である。
【図２】加熱室の構成を示す斜視図である。
【図３】加熱室をマイクロ波の進行方向から見たときの管内電界分布を示す概念図である。
【図４】整合器の概念的構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態のマイクロ波加熱装置の概念的構成図である。
【図６】電界変成器を設置したときの管内電界分布を示す概念図である。
【図７Ａ】導波管内の終端部を短絡したときの管内の電界状態を説明するための概念図である。
【図７Ｂ】導波管内の終端部に誘電率の異なる材料を満たしたときの管内の電界状態を説明するための概念図である。
【図７Ｃ】導波管内に誘電率の異なる材料を満たしたときの、当該誘電体の上流、誘電体内、及び下流の各電界状態を説明するための概念図である。
【図８】電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ａ】電界変成器を挿入していない場合の定在波の波形を示すグラフである。
【図９Ｂ】0.06λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｃ】0.13λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｄ】0.25λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｅ】0.37λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｆ】0.44λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｇ】電界変成器の前後における電界強度の比と、電界変成器の幅の関係を示すグラフである。
【図９Ｈ】電界変成器の前後における電界強度の比と、電界変成器の幅の関係を示す表である。
【図１０Ａ】従来のマイクロ波装置の構成を示す概念図である。
【図１０Ｂ】従来のマイクロ波装置が備える共振器チャンバ部分の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係るマイクロ波加熱装置の概念的構成図であり、一の側面から見た状態を示している。図１に示されるマイクロ波加熱装置１は、マグネトロン等で構成されるマイクロ波発生部３と、マイクロ波によって加熱対象物を加熱させるための加熱室５の間の位置に、整合器７を設けている。また、本実施形態においては、マイクロ波発生部３と整合器７の間にアイソレータ４を設けている。アイソレータ４は、整合器７からマイクロ波発生部３側の方向にマイクロ波が反射した場合に、当該反射されたマイクロ波の電力を熱エネルギーに変換して、マイクロ波発生部３を安定的に動作させるための保護機器である。ただし、本発明の装置において、アイソレータ４は必ず必要な構成要素というわけではない。
【００２９】
また、図１に示すように。加熱室５の最も下流側は、導体によって終端されている（５ａ）。なお、この終端５ａも加熱室５と同じ金属材料で構成されているものとして構わない。
【００３０】
マイクロ波発生部３から整合器７までの間、整合器７から加熱室５までの間は、いずれも導電性材料（金属等）の筒状の枠体で連結されており、発生したマイクロ波を閉じ込めることができる構成となっている。ただし、加熱室５には後述のスリット６（「開口部」に対応）が設けられている。
【００３１】
本実施形態では、図１０Ａ及び図１０Ｂで示した従来構成と同様に、加熱室５内に用紙（「被加熱体」に相当）を通過させるためのスリット６を備えており、用紙が図１の紙面上奥から手前に向かって矢印ｄ１の向きに通過することを想定している。すなわち、加熱室５は、奥側の側面にもスリット６に対向する位置に同様のスリットが設けられており、奥側の側面に設けられたスリットより加熱室５内に進入してきた用紙は、加熱室５内において加熱された後、手前側の側面に設けられたスリット６より加熱室５の外へと排出される構成である。なお、この用紙には面上にトナー粒子が付着しており、加熱室５内において加熱されることで、付着されたトナーが用紙に定着される。
【００３２】
図２は、加熱室５の構成を示す斜視図である。加熱室５は、スリット６、及びマイクロ波導入口８を所定の面上に設けた状態で、金属等の導体で周囲を覆われた筒形状を有している。すなわち、加熱室５は、マイクロ波発生部３から見て最も下流側に位置する、マイクロ波導入口８と対向する面において導体により短絡されている。加熱室５の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、銀、金等の純度の高い非磁性金属（透磁率が真空の透磁率とほぼ等しい金属）、導電率が高い合金の他、前記の金属や合金を表皮深さの数倍の厚みを持たせた一層若しくは多層のメッキ又は箔又は表面処理（導電性塗料の塗装を含む）を施した金属、真鍮等の合金、又は樹脂が利用可能である。
【００３３】
加熱室５は、マイクロ波発生部３側の側面には、マイクロ波を内部に導くための開口部であるマイクロ波導入口８が設けられている。マイクロ波発生部３より出力されたマイクロ波は、矢印ｄ２の向きにマイクロ波導入口８より加熱室５内へと導かれる。マイクロ波導入口８は、用紙１０の進行方向ｄ１に垂直な向きの寸法をａ，ｄ１に平行な向きの寸法をｂとする、ほぼ長方形状を有している。
【００３４】
なお、本実施形態では、加熱室５内を伝搬するマイクロ波は、基本モード（Ｈ１０モード、又はＴＥ１０モード）であるものとする。
【００３５】
スリット６は、加熱対象となる用紙１０を通過させるのに必要な最小限の寸法で構成されているのが好ましい。なぜなら、必要以上に開口されてしまうと、導入されたマイクロ波が当該スリット６を介して漏洩してしまい、加熱室５内でのマイクロ波のパワーが減少するおそれがあるためである。
【００３６】
図３は、加熱室５をマイクロ波の進行方向から見たときの管内電界分布を示す概念図である。なお、図３には、加熱室５内に存在する定在波Ｗの電界強度を概念的に図示している。
【００３７】
図３に示されるように、定在波Ｗのパワーの大小は、加熱室５内の位置に応じて変化する。スリット６は、ａ方向において最もパワーが大きくなる位置に設けられるのが望ましい。
【００３８】
図４は、本実施形態における整合器７の概念的構成図である。本実施形態の整合器７としては、マイクロ波の進行方向ｄ２に直交する２面に夫々Ｔ字分岐型の突出部を設けたいわゆるＥ−Ｈ整合器を採用している。すなわち、整合器７は、金属等の導体で周囲を覆われた筒形状の導波管に対し、用紙の進行方向ｄ１に平行な側面Ｐ１上に第１Ｔ分岐路１１を、ｄ１及びｄ２に垂直な側面Ｐ２上に第２Ｔ分岐路１２を夫々設けた構成となっている。整合器７の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、銀、金等の純度の高い非磁性金属（透磁率が真空の透磁率とほぼ等しい金属）、導電率が高い合金の他、前記の金属や合金を表皮深さの数倍の厚みを持たせた一層若しくは多層のメッキ又は箔又は表面処理（導電性塗料の塗装を含む）を施した金属、真鍮等の合金、又は樹脂が利用可能である。
【００３９】
本実施形態のように、マイクロ波発生部３と加熱室５の間にＥ−Ｈ整合器で構成された整合器７を設けたことで、加熱室５内に形成される定在波のパワーを著しく大きくする効果が得られる。より詳細には、入射されたマイクロ波が加熱室５の終端５ａで反射された後、Ｅ−Ｈ整合器７において当該反射波が加熱室５側に再反射される。これらの反射が幾度となく繰り返されることで、加熱室５内に生じる定在波の電界を大きくすることが可能となる。これにより、マイクロ波発生部３から出力されるマイクロ波のエネルギーを極めて大きくすることなく、トナーを完全に定着させるのに必要な時間を短縮することができた。詳細な結果は実施例にて後述される。
【００４０】
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係るマイクロ波加熱装置の概念的構成図である。なお、以下においては、ｄ２方向に関し、終端部５ａ側を「下流」、マイクロ波発生部３側を「上流」と称することがある。
【００４１】
本実施形態は、第１実施形態と比較して、整合器７より下流側（終端部５ａ側）に更に電界変成器１５を備えた点が異なる。
【００４２】
電界変成器１５は、誘電率の高い材料で構成されており、本実施形態では高密度ポリエチレン（ＵＨＭＷ）を利用しているが、テフロン（登録商標）という名称で知られるポリテトラフルオロエチレン等の樹脂材料、石英、その他の高誘電率材料を利用することができる。また、できるだけ加熱されにくい材料で構成されるのが好ましい。加工容易性並びにコスト面の観点から、実用的には高密度ポリエチレンを用いるのが好適である。
【００４３】
電界変成器１５は、電界変成器１５と同じ誘電体内に形成される定在波の波長（以下において「誘電体内波長」という。）をλｇ’としたときに、マイクロ波の進行方向ｄ２の向きの幅として、λｇ’／４の奇数倍（λｇ’／４，３λｇ’／４，……）の長さを有する構成である。なお、この電界変成器１５の幅をλｇ’／４の奇数倍とすることで、その挿入効果を最も高めることができるものであるが、後述する関係式を満たすように電界変成器１５の幅を設定することで、電界変成器１５の挿入効果を得ることができる。
【００４４】
なお、マイクロ波発生部３から発生するマイクロ波波長をλ、電界変成器１５の誘電率をε’、遮断波長をλｃ，誘電体内波長をλｇ’とすると、下記数１が成立する。この関係式により、誘電体内波長λｇ’を算出することができる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
図６に示すように、本実施形態では、この電界変成器１５を固定的に設置する。より具体的には、加熱室５内に形成される定在波の節となる位置２０に電界変成器１５を設置する。更に具体的には、電界変成器１５の終端部５ａ側（下流側）の面が節となる位置２０となるように設置する。
【００４７】
電界変成器１５は、空気よりも誘電率が高いため、当該電界変成器１５内を通過する定在波の波長が短くなる。これにより、電界変成器１５よりも下流側（終端部５ａ側）の定在波Ｗ’の電界を更に高めることができる。特に変圧器の幅Ｌを下記関係式の範囲内で設定した場合に定在波Ｗ’の電界を顕著に高める効果が得られる。なお、下記関係式においてＮは自然数である。
【００４８】
（関係式）
（４Ｎ−３）λｇ’／８ ＜ L ＜ （４Ｎ−１）λｇ’／８
【００４９】
これらの結果は、後述する実施例によって明らかとなる。
【００５０】
第１実施形態及び本実施形態のように、加熱室５内にマイクロ波の定在波を生じさせる構成においては、終端部５ａからのマイクロ波発生部３に向かう方向の距離に応じて電界強度の強い部分（腹）と弱い部分（節）が生じてしまう。そこで、図６に示すように、特に定在波の節の位置に電界変成器１５を設置することで、電界変成器１５より下流側の定在波Ｗ’の電界強度が高められ、トナーの定着性を向上させることが可能となる。
【００５１】
つまり、電界変成器１５よりも下流側にスリット６を設け、この位置において用紙１０を通過させることで、パワーが増大された定在波Ｗ’に基づく加熱処理が施されるため、トナー定着時間を短縮化することができる。
【００５２】
電界変成器１５の設置により、その下流側の電界を高める効果が得られる点については、以下の理論によっても裏付けられる。
【００５３】
（理論説明）
長方形導波管の負荷端を図７Ａに示すように、インピーダンスZrで終端した場合を想定する。TE10モードを考え、負荷端における入射電界及び反射電界の振幅をそれぞれEi，Erで表した場合、導波管のＺ軸の各点のEy及びHxは以下の数２で表される。なお、図２におけるａ方向がＸ軸、ｂ方向がＹ軸、ｄ２方向がＺ軸にそれぞれ対応しており、Eyとは電界のＹ軸成分、Hxとは磁界のX軸成分に相当する。
【００５４】
【数２】
【００５５】
なお、数２において、Z01は特性インピーダンス、γ1は伝搬定数である。
【００５６】
ここで、図７Ｂに示すように、領域Iを大気とし、領域IIにインピーダンスZRとして終端部ｃで短絡された誘電体が満たされている状況を想定する。領域Iでの入射電界をEi1、反射電界をEr1、領域IIでの入射電界をEi2、反射電界をEr2とすると、上記数１及びz=0における境界条件より、以下の数３が成立する。
【００５７】
【数３】
【００５８】
ここで、図７Ｂにおいて終端部ｃ面は短絡されているため、以下の数４が成立する。なお、領域IIの先頭位置（マイクロ波発生側）のＺ座標を0とし、領域IIのＺ軸方向の幅をｄとしている。
【００５９】
【数４】
【００６０】
上記数４をEi2について解くと、数５が成立する。
【００６１】
【数５】
【００６２】
上記数５において、損失を無視してその絶対値を取ると、数６が成立する。
【００６３】
【数６】
【００６４】
数６において、β1gは領域I内における管内波長λ1gの複素成分（位相定数）、β2gは領域II内における管内波長λ2gの複素成分（位相定数）である。また、Kは定数である。
【００６５】
数６により、β2gdがπ/2の奇数倍の場合、領域IIの電界強度は入射電界に等しく、β2gdがπ/2の偶数倍の場合、領域IIの電界強度は入射電界の1/Kになっている。よって、誘電率が異なる領域の境界面が電界の腹に当たる場合には、その両側での電界強度は等しくなり、節に当たる場合にはそれぞれの領域での位相定数βgの比に反比例することが分かる。
【００６６】
よって、図７Ｃのように、基準面ａの下流側にλ2g/4の厚みを有する誘電体で導波管を満たし（領域II）、更にその下流側（領域III）のλ1g/4の距離の位置に短絡面ｃを置くと、数７が成立する。なお、EI, EII, EIIIは、それぞれ領域I, II, IIIにおける電界強度を示す。
【００６７】
【数７】
【００６８】
これに、|EI|=|EII|の条件を考慮すると、下記数８が成立する。
【００６９】
【数８】
【００７０】
数８により、領域IIIの電界強度は領域Iの電界強度のK倍となることが分かる。つまり、λ2g/4の厚みを有する誘電体、すなわち電界変成器１５を挿入することで、その上流側の電界強度が増幅されて下流側に伝搬することが分かる。
【００７１】
なお、領域Iを大気、領域IIを誘電率εrの誘電体とすると、定数Kは以下の数９により規定される。
【００７２】
【数９】
【００７３】
〔別実施形態〕
〈１〉上記実施形態では、用紙へのトナー定着にマイクロ波を利用する実施形態を説明したが、短い時間の間に急激に加熱を行うことを要求される他の一般的な用途（例えば、セラミックスの仮焼や焼結、高温を必要とする化学反応の他、トナーを金属粉末として配線（導電）パターンを製作する用途）に利用することが可能である。
【００７４】
〈２〉第２実施形態において、電界変成器１５の幅をλｇ’／４の奇数倍とするのが好ましいと記載したが、少なくとも上述した関係式を満たすように構成されていればよく、λｇ’／４の奇数倍に近ければ近いほど望ましい。なお、電界変成器１５の幅がλｇ’／４の偶数倍である場合には、インピーダンス変換が行われず、その後段（終端部５ａ）側の電界を高める効果が発揮されない。
【００７５】
また、電界変成器１５の終端部５ａ側の面が定在波の節の位置となるのが最も好ましい構成であるが、少なくとも腹の位置でなければよい。
【００７６】
〈３〉上記の実施形態では、加熱室５に開口部としてのスリット６を設ける構成としたが、開口部の形状は上記スリット形状に限られない。例えば、円形や正方形、その他の多角形状の開口部であっても構わない。特に、被加熱体が紙や布のようなシート形状の場合にはスリット形状の開口部が好ましく、糸のような線形状の場合には、円形、正方形、多角形といった形状の開口部が好ましい。
【実施例】
【００７７】
（第１実施例）
以下、上記各実施形態の構成を想定して行った実施例と比較例の実験結果を示す。なお、各実施例及び比較例においては、以下の装置を共通して利用した。
【００７８】
・マイクロ波発生部３： マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品を利用した。また発生条件として、出力エネルギーを４００Wとし、出力周波数を2.45GHｚとした。
・アイソレータ４： マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品を利用した。
・加熱室５： アルミニウム製の導波管にスリット６を設けたもの
・用紙１０： 「中性紙」と称される市販のＰＰＣ用紙を利用した。
【００７９】
（実施例１）
整合器７としてＥ−Ｈ整合器（マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品）を利用し、加熱室８の寸法をａ＝109.2mm、ｂ＝54.6mmとした。電界変成器１５は設けていない。なお、下記実施例及び比較例においてＥ−Ｈ整合器を用いる場合には、同じＥ−Ｈ整合器を利用した。
【００８０】
（実施例２）
整合器７としてＥ−Ｈ整合器を利用し、加熱室８の寸法をａ＝109.2mm、ｂ＝54.6mmとし、電界変成器１５として高密度ポリエチレン（誘電率εr＝2.3）を用いた。より具体的には、加熱室５内において、幅25mmの大きさの高密度ポリエチレンを、終端部５ａからの距離が500mmとなる位置から上流側に向けて挿入した。
【００８１】
（実施例３）
加熱室８の寸法をａ＝70mm、ｂ＝54.6mmとしたほかは実施例１と同じ条件とした。ただし、Ｅ−Ｈ整合器の寸法と加熱室８の寸法が異なるため、整合器７と加熱室８の間をテーパー形状の導波管で接続した。
【００８２】
（実施例４）
加熱室８の寸法をａ＝70mm、ｂ＝54.6mmとしたほかは実施例２と同じ条件とした。ただし、実施例３と同様の理由により、整合器７と加熱室８の間をテーパー形状の導波管で接続した。
【００８３】
（実施例５）
整合器７としてアイリス（マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品）を利用した他は実施例１と同一の条件とした。
【００８４】
（比較例１）
整合器を設置しない他は、実施例１と同一の条件とした。
【００８５】
上記各条件の下、加熱室５のスリット６に、所定領域にトナーを載せた用紙１０をセットし、トナー定着に要する時間を計測すると共に、当該計測された時間に対し前記所定領域の面積とＡ４用紙の面積の比率を乗じることで、Ａ４用紙にトナーを定着させる時間を測定した。結果を下記表１に示す。
【００８６】
【表１】
【００８７】
整合器を設置しなかった場合、１２０（秒）経過後においても、Ａ４用紙にトナーを定着させることは困難であった。これに対し、整合器７を設置した実施例１〜５においては、いずれも１２０秒を遥かに下回る時間でトナーが定着している。これにより、整合器７を設置することで、加熱室５内に形成される定在波のパワーを著しく大きくする効果が得られていることが分かる。
【００８８】
（第２実施例）
図８は、実施例２における加熱室８内の電界強度を示すグラフである。横軸は加熱室８内におけるマイクロ波進入方向（Ｚ軸方向）の位置を、縦軸は電界強度をそれぞれ示している。図８によれば、電界変成器１５よりも下流側において、電界強度が大きく上昇していることが分かる。なお、図８及び以下の図９Ａ〜図９Ｆにおいて、縦軸が示す電界強度は所定の値を基準としたときの相対値（無次元値）である。
【００８９】
図９Ａ〜図９Ｆは、実施例２において、電界変成器１５の幅を変化させたときの加熱室８内の電界強度を示すグラフである。なお、本実施例では、短絡板の直前に同一幅の誘電体を挿入しているが、これは実験条件を揃えるために行ったものであり、本実施例が示す効果に影響を及ぼすものではない。また、グラフによっては定在波の谷の位置にける電界強度の大きさに多少のバラツキがあるが、これは計算誤差の範囲内である。
【００９０】
また、図９Ｇは、電界変成器１５の幅を変化させたときの、電界変成器１５の上流側と下流側における電界強度の大きさの比の変化を示すグラフであり、図９Ｈはこれを表にしたものである。
【００９１】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄ、図９Ｅ及び図９Ｆは、それぞれ、電界変成器１５の幅を、０、６ｍｍ、１３ｍｍ、２５ｍｍ、３７ｍｍ、４４ｍｍとしたときのグラフである。
【００９２】
図９Ａでは電界変成器１５を挿入していないため、当然に電界変成器１５の前後で電界強度が変化するということはない（電界強度＝4.2のままである）。
【００９３】
電界変成器１５の幅を6mm（これは0.06λｇ’に相当する）とした図９Ｂでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝4.2であったのが、下流側において電界強度＝5.3となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.26倍となっている。
【００９４】
電界変成器１５の幅を13mm（これは0.13λｇ’に相当する）図９Ｃでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝3.8であったのが、下流側において電界強度＝6.8となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.79倍となっている。
【００９５】
電界変成器１５の幅を25mm（これは0.25λｇ’に相当する）図９Ｄでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝3.4であったのが、下流側において電界強度＝6.2となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.82倍となっている。
【００９６】
電界変成器１５の幅を37mm（これは0.37λｇ’に相当する）図９Ｅでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝3.5であったのが、下流側において電界強度＝6.0となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.7倍となっている。
【００９７】
電界変成器１５の幅を44mm（これは0.44λｇ’に相当する）図９Ｆでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝4.2であったのが、下流側において電界強度＝4.5となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.1倍となっている。
【００９８】
なお、グラフ上には示していないが、電界変成器１５の幅を５０ｍｍ（これは0.50λｇ’に相当する）とした場合、電界変成器１５の上流側端点と下流側端点が共に定在波の谷の位置となるため、電界変成器１５の下流側と上流側で電界強度は変化しない。
【００９９】
以上の結果によれば、電界変成器１５の幅Ｌを、上述した関係式、すなわち自然数Ｎを用いて （４Ｎ−３）λｇ’／８ ＜ L ＜ （４Ｎ−１）λｇ’／８ を満たすように設定することで、電界変成器１５の下流側の定在波の電界強度を大きくする効果が得られることが分かる。これにより、加熱室５内の電界強度が高められ、トナー定着に要する時間を大きく短縮する効果が得られる。
【符号の説明】
【０１００】
１ ： マイクロ波加熱装置
３ ： マイクロ波発生部
４ ： アイソレータ
５ ： 加熱室
５ａ： 加熱室の終端部
６ ： スリット
７ ： 整合器
８ ： マイクロ波導入口
ｄ１： 用紙通過方向
ｄ２： マイクロ波進行方向
１０ ： 用紙
１１ ： 第１Ｔ分岐路
１２ ： 第２Ｔ分岐路
１５ ： 電界変成器
２０ ： 定在波の節
１００ ： マイクロ波装置
１０１ ： 用紙
１０３ ： 共振器チャンバ
１０４ ： エレメント
１０７ ： 通過部
１０７’： 通過部
１０９ ： 共振器チャンバの側面
１０９’： 共振器チャンバの側面
１１０ ： マグネトロン
１１１ ： 貯水庫
１１２ ： サーキュレータ
１１３ ： 入力結合変換器
１１４ ： 結合開口
１１５ ： 終端スライダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱効率を高めたマイクロ波加熱装置に関する。また、本発明は、このような加熱効率を高めたマイクロ波加熱装置を現像剤（トナー）定着に利用した画像定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像定着装置においては、トナー材料を用紙（被印刷物）に定着させることで画像を用紙上に定着させる。従来の画像定着装置では、定着用ローラによって用紙に対して熱又は圧力を加えることで、用紙上にトナーの定着を行っている。
【０００３】
しかし、かかる従来構成においては、経年による定着用ローラの摩耗という問題があり、かかる問題を解消するための一つの方法として、マイクロ波を用いた非接触によるトナー定着方法の開発が近年行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、特許文献１に開示されたマイクロ波装置の構成を示す概念図である。
【０００５】
図１０Ａに示すように、マイクロ波装置１００は、マイクロ波を発生させるマグネトロン１１０，マグネトロン１１０から発生されたマイクロ波を共振器チャンバ１０３に入力結合する入力結合変換器１１３，貯水庫１１１及びサーキュレータ１１２を設けている。入力結合変換器１１３と共振器チャンバ１０３の間には絞りを備えた結合開口１１４が位置している。共振器チャンバ１０３の側面１０９には、用紙１０１を通過案内するための通過部１０７を有している。共振器チャンバ１０３の下流側には金属からなる終端スライダ１１５が位置しており、終端スライダ１１５は共振器チャンバ１０３に対して水平な方向で可動であり、共振器チャンバ１０３内に達している。
【０００６】
図１０Ｂは、共振器チャンバ１０３部分の概略斜視図である。マグネトロン１１０より発生されたマイクロ波が、共振器チャンバ１０３内に導かれる。図１０Ｂには、概略的に正弦波の形で図示されている。
【０００７】
共振器チャンバ１０３には、互いに対向する両側面１０９及び１０９’に、夫々一つの通過部１０７，１０７’が設けられている。用紙１０１は、通過部１０７’を通過して共振器チャンバ１０３内に導かれ、対向する位置に設けられた通過部１０７を通して排出される。用紙１０１の移動方向が矢印にて図示されている。
【０００８】
通過部１０７，１０７’内には、移動可能なエレメント１０４が設けられている。エレメント１０４はテフロン（登録商標）という商品名で知られるポリテトラフルロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるバーであって、共振器チャンバ１０３内に達している。
【０００９】
特許文献１においては、このエレメント１０４の位置を共振器チャンバ１０３内の長手方向に移動可能に構成されている。このエレメント１０４の位置を移動させて、共振器チャンバ１０３内の共振条件を調整することで、用紙１０１によるマイクロ波の吸収を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２９５６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１の技術では、入力結合変換器１１３と共振器チャンバ１０３との間に絞りを備えた結合開口１１４を設けることで、共振器チャンバ１０３内に定在波を形成させている。しかし、絞り部分の側面は斜度を有しているため、かかる側面でマイクロ波の反射が生じ、これによって伝送効率が低下していることが分かった。つまり、高いエネルギー量のマイクロ波をチャンバ内に導くためには、更に高いマイクロ波エネルギーをマグネトロンより発生させなければならず、消費エネルギーの面で問題を有していた。
【００１２】
紙をマイクロ波に晒すと紙の温度が上昇することはマイクロ波の分野においては公知である。しかし、例えばプリンタやコピー機のように、極めて短時間の間にトナーを紙の上に定着させる必要がある用途において、当該短時間の間にトナーを定着させ得るだけの温度上昇を可能にする手法は、現時点で確立されているとはいえない。例えば、マイクロ波を利用して加熱を行う電子機器の代表例として電子レンジが知られているが、電子レンジに紙を入れて１秒〜数秒程度マイクロ波を当てたとしても、かかる紙を１００℃以上温度上昇させることはできない。
【００１３】
特許文献１の技術においても、極めて短時間の間にトナーを定着させることは困難であり、また、当該技術を利用して定着時間を短縮させるためには、極めて高いマイクロ波エネルギーをマグネトロンより発生させなければならない。
【００１４】
本発明は、効率的にマイクロ波のエネルギーの伝送を可能にすることで、消費エネルギー量の低減と加熱効率の向上の両立を可能にしたマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。また、本発明は、かかるマイクロ波加熱装置を現像剤定着に利用することで、加熱効率の高い非接触型の画像定着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成すべく、本発明に係るマイクロ波加熱装置は、
マイクロ波を出力するマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波が導かれ、前記マイクロ波の進入方向の終端部が短絡されている導電性の加熱室と、
前記マイクロ波発生部と前記加熱室の間に設けられた整合器と、を有し、
前記加熱室は、当該加熱室の内部を被加熱体が前記マイクロ波の進入方向とは非平行方向の向きに通過するための開口部を有し、
前記整合器は、前記加熱室の終端部で反射された反射マイクロ波を前記加熱室側に再反射する構成であり、
前記マイクロ波発生部のマイクロ波出力端から前記整合器までの間は導電性材料で構成された筒状の導波管で連結され、
前記整合器から前記加熱室の終端部までの間は、前記被加熱体を通過させるための前記開口部の部分を除いて導電性材料で構成された筒状の導波管で連結されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、加熱室の終端部で反射されたマイクロ波が整合器によって再び加熱室側に再反射させるため、加熱室内においてマイクロ波を多重反射させることができる。これにより、マイクロ波発生部から発生させるマイクロ波エネルギーを極めて大きくすることなく、加熱室内におけるマイクロ波の定在波の電界強度を高めることができる。よって、短時間の間に加熱室内の温度を急激に上昇させることが可能となる。
【００１７】
なお、上記構成において、前記整合器をＥ−Ｈ整合器で実現するのが好適である。
【００１８】
かかる構成とすることで加熱室の終端部で反射されたマイクロ波を、極めて高い割合で加熱室側に再反射させることができる。
【００１９】
また、上記構成に加えて、前記整合器と前記加熱室の間において、空気よりも誘電率の高い高誘電体で構成された電界変成器を、前記高誘電体内における定在波の波長をλｇ’、自然数をＮ（Ｎ＞０）としたときに、（４Ｎ−３）λｇ’／８より大きく、（４Ｎ−１）λｇ’／８未満の幅で、マイクロ波の定在波の節を含む位置に挿入する構成とするのが好適である。
【００２０】
より好ましくは、前記電界変成器が、λｇ’／４の奇数倍の大きさの幅で、且つ、前記加熱室の終端部側の面が前記マイクロ波の定在波の節の位置となるように設置される構成としてもよい。
【００２１】
かかる構成とすることで、電界変成器の下流側、すなわち加熱室側において、上流側よりも電界強度を高める効果が得られる。これにより、短時間の間に加熱室内の温度を急激に上昇させる効果をより高めることが可能となる。
【００２２】
なお、前記電界変成器としては、高密度ポリエチレンで構成するのが好適である。
【００２３】
かかる構成とすることで、加工性に優れ、また、比較的安価に入手できるため製造コストを抑制する効果が得られる。
【００２４】
また、本発明に係る画像定着装置は、上記特徴を有したマイクロ波発生装置を備え、前記開口部を介して通過する現像剤付き記録シートが前記加熱室で加熱されることで、現像剤を記録シートに定着させることを特徴とする。
【００２５】
かかる構成とすることで、短時間の間に現像剤を記録シートに定着させることが可能となり、機械的な定着機構を有しない画像定着装置が実現される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、加熱室の終端部で反射されたマイクロ波が整合器によって再び加熱室側に再反射させるため、加熱室内においてマイクロ波を多重反射させることができる。これにより、マイクロ波発生部から発生させるマイクロ波エネルギーを極めて大きくすることなく、加熱室内におけるマイクロ波の定在波の電界強度を高めることができる。よって、短時間の間に加熱室内の温度を急激に上昇させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態のマイクロ波加熱装置の概念的構成図である。
【図２】加熱室の構成を示す斜視図である。
【図３】加熱室をマイクロ波の進行方向から見たときの管内電界分布を示す概念図である。
【図４】整合器の概念的構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態のマイクロ波加熱装置の概念的構成図である。
【図６】電界変成器を設置したときの管内電界分布を示す概念図である。
【図７Ａ】導波管内の終端部を短絡したときの管内の電界状態を説明するための概念図である。
【図７Ｂ】導波管内の終端部に誘電率の異なる材料を満たしたときの管内の電界状態を説明するための概念図である。
【図７Ｃ】導波管内に誘電率の異なる材料を満たしたときの、当該誘電体の上流、誘電体内、及び下流の各電界状態を説明するための概念図である。
【図８】電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ａ】電界変成器を挿入していない場合の定在波の波形を示すグラフである。
【図９Ｂ】0.06λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｃ】0.13λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｄ】0.25λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｅ】0.37λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｆ】0.44λｇ’の幅の電界変成器を挿入したことによる電界強度の変化を示すためのグラフである。
【図９Ｇ】電界変成器の前後における電界強度の比と、電界変成器の幅の関係を示すグラフである。
【図９Ｈ】電界変成器の前後における電界強度の比と、電界変成器の幅の関係を示す表である。
【図１０Ａ】従来のマイクロ波装置の構成を示す概念図である。
【図１０Ｂ】従来のマイクロ波装置が備える共振器チャンバ部分の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係るマイクロ波加熱装置の概念的構成図であり、一の側面から見た状態を示している。図１に示されるマイクロ波加熱装置１は、マグネトロン等で構成されるマイクロ波発生部３と、マイクロ波によって加熱対象物を加熱させるための加熱室５の間の位置に、整合器７を設けている。また、本実施形態においては、マイクロ波発生部３と整合器７の間にアイソレータ４を設けている。アイソレータ４は、整合器７からマイクロ波発生部３側の方向にマイクロ波が反射した場合に、当該反射されたマイクロ波の電力を熱エネルギーに変換して、マイクロ波発生部３を安定的に動作させるための保護機器である。ただし、本発明の装置において、アイソレータ４は必ず必要な構成要素というわけではない。
【００２９】
また、図１に示すように。加熱室５の最も下流側は、導体によって終端されている（５ａ）。なお、この終端５ａも加熱室５と同じ金属材料で構成されているものとして構わない。
【００３０】
マイクロ波発生部３から整合器７までの間、整合器７から加熱室５までの間は、いずれも導電性材料（金属等）の筒状の枠体で連結されており、発生したマイクロ波を閉じ込めることができる構成となっている。ただし、加熱室５には後述のスリット６（「開口部」に対応）が設けられている。
【００３１】
本実施形態では、図１０Ａ及び図１０Ｂで示した従来構成と同様に、加熱室５内に用紙（「被加熱体」に相当）を通過させるためのスリット６を備えており、用紙が図１の紙面上奥から手前に向かって矢印ｄ１の向きに通過することを想定している。すなわち、加熱室５は、奥側の側面にもスリット６に対向する位置に同様のスリットが設けられており、奥側の側面に設けられたスリットより加熱室５内に進入してきた用紙は、加熱室５内において加熱された後、手前側の側面に設けられたスリット６より加熱室５の外へと排出される構成である。なお、この用紙には面上にトナー粒子が付着しており、加熱室５内において加熱されることで、付着されたトナーが用紙に定着される。
【００３２】
図２は、加熱室５の構成を示す斜視図である。加熱室５は、スリット６、及びマイクロ波導入口８を所定の面上に設けた状態で、金属等の導体で周囲を覆われた筒形状を有している。すなわち、加熱室５は、マイクロ波発生部３から見て最も下流側に位置する、マイクロ波導入口８と対向する面において導体により短絡されている。加熱室５の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、銀、金等の純度の高い非磁性金属（透磁率が真空の透磁率とほぼ等しい金属）、導電率が高い合金の他、前記の金属や合金を表皮深さの数倍の厚みを持たせた一層若しくは多層のメッキ又は箔又は表面処理（導電性塗料の塗装を含む）を施した金属、真鍮等の合金、又は樹脂が利用可能である。
【００３３】
加熱室５は、マイクロ波発生部３側の側面には、マイクロ波を内部に導くための開口部であるマイクロ波導入口８が設けられている。マイクロ波発生部３より出力されたマイクロ波は、矢印ｄ２の向きにマイクロ波導入口８より加熱室５内へと導かれる。マイクロ波導入口８は、用紙１０の進行方向ｄ１に垂直な向きの寸法をａ，ｄ１に平行な向きの寸法をｂとする、ほぼ長方形状を有している。
【００３４】
なお、本実施形態では、加熱室５内を伝搬するマイクロ波は、基本モード（Ｈ１０モード、又はＴＥ１０モード）であるものとする。
【００３５】
スリット６は、加熱対象となる用紙１０を通過させるのに必要な最小限の寸法で構成されているのが好ましい。なぜなら、必要以上に開口されてしまうと、導入されたマイクロ波が当該スリット６を介して漏洩してしまい、加熱室５内でのマイクロ波のパワーが減少するおそれがあるためである。
【００３６】
図３は、加熱室５をマイクロ波の進行方向から見たときの管内電界分布を示す概念図である。なお、図３には、加熱室５内に存在する定在波Ｗの電界強度を概念的に図示している。
【００３７】
図３に示されるように、定在波Ｗのパワーの大小は、加熱室５内の位置に応じて変化する。スリット６は、ａ方向において最もパワーが大きくなる位置に設けられるのが望ましい。
【００３８】
図４は、本実施形態における整合器７の概念的構成図である。本実施形態の整合器７としては、マイクロ波の進行方向ｄ２に直交する２面に夫々Ｔ字分岐型の突出部を設けたいわゆるＥ−Ｈ整合器を採用している。すなわち、整合器７は、金属等の導体で周囲を覆われた筒形状の導波管に対し、用紙の進行方向ｄ１に平行な側面Ｐ１上に第１Ｔ分岐路１１を、ｄ１及びｄ２に垂直な側面Ｐ２上に第２Ｔ分岐路１２を夫々設けた構成となっている。整合器７の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、銀、金等の純度の高い非磁性金属（透磁率が真空の透磁率とほぼ等しい金属）、導電率が高い合金の他、前記の金属や合金を表皮深さの数倍の厚みを持たせた一層若しくは多層のメッキ又は箔又は表面処理（導電性塗料の塗装を含む）を施した金属、真鍮等の合金、又は樹脂が利用可能である。
【００３９】
本実施形態のように、マイクロ波発生部３と加熱室５の間にＥ−Ｈ整合器で構成された整合器７を設けたことで、加熱室５内に形成される定在波のパワーを著しく大きくする効果が得られる。より詳細には、入射されたマイクロ波が加熱室５の終端５ａで反射された後、Ｅ−Ｈ整合器７において当該反射波が加熱室５側に再反射される。これらの反射が幾度となく繰り返されることで、加熱室５内に生じる定在波の電界を大きくすることが可能となる。これにより、マイクロ波発生部３から出力されるマイクロ波のエネルギーを極めて大きくすることなく、トナーを完全に定着させるのに必要な時間を短縮することができた。詳細な結果は実施例にて後述される。
【００４０】
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係るマイクロ波加熱装置の概念的構成図である。なお、以下においては、ｄ２方向に関し、終端部５ａ側を「下流」、マイクロ波発生部３側を「上流」と称することがある。
【００４１】
本実施形態は、第１実施形態と比較して、整合器７より下流側（終端部５ａ側）に更に電界変成器１５を備えた点が異なる。
【００４２】
電界変成器１５は、誘電率の高い材料で構成されており、本実施形態では高密度ポリエチレン（ＵＨＭＷ）を利用しているが、テフロン（登録商標）という名称で知られるポリテトラフルオロエチレン等の樹脂材料、石英、その他の高誘電率材料を利用することができる。また、できるだけ加熱されにくい材料で構成されるのが好ましい。加工容易性並びにコスト面の観点から、実用的には高密度ポリエチレンを用いるのが好適である。
【００４３】
電界変成器１５は、電界変成器１５と同じ誘電体内に形成される定在波の波長（以下において「誘電体内波長」という。）をλｇ’としたときに、マイクロ波の進行方向ｄ２の向きの幅として、λｇ’／４の奇数倍（λｇ’／４，３λｇ’／４，……）の長さを有する構成である。なお、この電界変成器１５の幅をλｇ’／４の奇数倍とすることで、その挿入効果を最も高めることができるものであるが、後述する関係式を満たすように電界変成器１５の幅を設定することで、電界変成器１５の挿入効果を得ることができる。
【００４４】
なお、マイクロ波発生部３から発生するマイクロ波波長をλ、電界変成器１５の誘電率をε’、遮断波長をλｃ，誘電体内波長をλｇ’とすると、下記数１が成立する。この関係式により、誘電体内波長λｇ’を算出することができる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
図６に示すように、本実施形態では、この電界変成器１５を固定的に設置する。より具体的には、加熱室５内に形成される定在波の節となる位置２０に電界変成器１５を設置する。更に具体的には、電界変成器１５の終端部５ａ側（下流側）の面が節となる位置２０となるように設置する。
【００４７】
電界変成器１５は、空気よりも誘電率が高いため、当該電界変成器１５内を通過する定在波の波長が短くなる。これにより、電界変成器１５よりも下流側（終端部５ａ側）の定在波Ｗ’の電界を更に高めることができる。特に変圧器の幅Ｌを下記関係式の範囲内で設定した場合に定在波Ｗ’の電界を顕著に高める効果が得られる。なお、下記関係式においてＮは自然数である。
【００４８】
（関係式）
（４Ｎ−３）λｇ’／８ ＜ L ＜ （４Ｎ−１）λｇ’／８
【００４９】
これらの結果は、後述する実施例によって明らかとなる。
【００５０】
第１実施形態及び本実施形態のように、加熱室５内にマイクロ波の定在波を生じさせる構成においては、終端部５ａからのマイクロ波発生部３に向かう方向の距離に応じて電界強度の強い部分（腹）と弱い部分（節）が生じてしまう。そこで、図６に示すように、特に定在波の節の位置に電界変成器１５を設置することで、電界変成器１５より下流側の定在波Ｗ’の電界強度が高められ、トナーの定着性を向上させることが可能となる。
【００５１】
つまり、電界変成器１５よりも下流側にスリット６を設け、この位置において用紙１０を通過させることで、パワーが増大された定在波Ｗ’に基づく加熱処理が施されるため、トナー定着時間を短縮化することができる。
【００５２】
電界変成器１５の設置により、その下流側の電界を高める効果が得られる点については、以下の理論によっても裏付けられる。
【００５３】
（理論説明）
長方形導波管の負荷端を図７Ａに示すように、インピーダンスZrで終端した場合を想定する。TE10モードを考え、負荷端における入射電界及び反射電界の振幅をそれぞれEi，Erで表した場合、導波管のＺ軸の各点のEy及びHxは以下の数２で表される。なお、図２におけるａ方向がＸ軸、ｂ方向がＹ軸、ｄ２方向がＺ軸にそれぞれ対応しており、Eyとは電界のＹ軸成分、Hxとは磁界のX軸成分に相当する。
【００５４】
【数２】
【００５５】
なお、数２において、Z01は特性インピーダンス、γ1は伝搬定数である。
【００５６】
ここで、図７Ｂに示すように、領域Iを大気とし、領域IIにインピーダンスZRとして終端部ｃで短絡された誘電体が満たされている状況を想定する。領域Iでの入射電界をEi1、反射電界をEr1、領域IIでの入射電界をEi2、反射電界をEr2とすると、上記数１及びz=0における境界条件より、以下の数３が成立する。
【００５７】
【数３】
【００５８】
ここで、図７Ｂにおいて終端部ｃ面は短絡されているため、以下の数４が成立する。なお、領域IIの先頭位置（マイクロ波発生側）のＺ座標を0とし、領域IIのＺ軸方向の幅をｄとしている。
【００５９】
【数４】
【００６０】
上記数４をEi2について解くと、数５が成立する。
【００６１】
【数５】
【００６２】
上記数５において、損失を無視してその絶対値を取ると、数６が成立する。
【００６３】
【数６】
【００６４】
数６において、β1gは領域I内における管内波長λ1gの複素成分（位相定数）、β2gは領域II内における管内波長λ2gの複素成分（位相定数）である。また、Kは定数である。
【００６５】
数６により、β2gdがπ/2の奇数倍の場合、領域IIの電界強度は入射電界に等しく、β2gdがπ/2の偶数倍の場合、領域IIの電界強度は入射電界の1/Kになっている。よって、誘電率が異なる領域の境界面が電界の腹に当たる場合には、その両側での電界強度は等しくなり、節に当たる場合にはそれぞれの領域での位相定数βgの比に反比例することが分かる。
【００６６】
よって、図７Ｃのように、基準面ａの下流側にλ2g/4の厚みを有する誘電体で導波管を満たし（領域II）、更にその下流側（領域III）のλ1g/4の距離の位置に短絡面ｃを置くと、数７が成立する。なお、EI, EII, EIIIは、それぞれ領域I, II, IIIにおける電界強度を示す。
【００６７】
【数７】
【００６８】
これに、|EI|=|EII|の条件を考慮すると、下記数８が成立する。
【００６９】
【数８】
【００７０】
数８により、領域IIIの電界強度は領域Iの電界強度のK倍となることが分かる。つまり、λ2g/4の厚みを有する誘電体、すなわち電界変成器１５を挿入することで、その上流側の電界強度が増幅されて下流側に伝搬することが分かる。
【００７１】
なお、領域Iを大気、領域IIを誘電率εrの誘電体とすると、定数Kは以下の数９により規定される。
【００７２】
【数９】
【００７３】
〔別実施形態〕
〈１〉上記実施形態では、用紙へのトナー定着にマイクロ波を利用する実施形態を説明したが、短い時間の間に急激に加熱を行うことを要求される他の一般的な用途（例えば、セラミックスの仮焼や焼結、高温を必要とする化学反応の他、トナーを金属粉末として配線（導電）パターンを製作する用途）に利用することが可能である。
【００７４】
〈２〉第２実施形態において、電界変成器１５の幅をλｇ’／４の奇数倍とするのが好ましいと記載したが、少なくとも上述した関係式を満たすように構成されていればよく、λｇ’／４の奇数倍に近ければ近いほど望ましい。なお、電界変成器１５の幅がλｇ’／４の偶数倍である場合には、インピーダンス変換が行われず、その後段（終端部５ａ）側の電界を高める効果が発揮されない。
【００７５】
また、電界変成器１５の終端部５ａ側の面が定在波の節の位置となるのが最も好ましい構成であるが、少なくとも腹の位置でなければよい。
【００７６】
〈３〉上記の実施形態では、加熱室５に開口部としてのスリット６を設ける構成としたが、開口部の形状は上記スリット形状に限られない。例えば、円形や正方形、その他の多角形状の開口部であっても構わない。特に、被加熱体が紙や布のようなシート形状の場合にはスリット形状の開口部が好ましく、糸のような線形状の場合には、円形、正方形、多角形といった形状の開口部が好ましい。
【実施例】
【００７７】
（第１実施例）
以下、上記各実施形態の構成を想定して行った実施例と比較例の実験結果を示す。なお、各実施例及び比較例においては、以下の装置を共通して利用した。
【００７８】
・マイクロ波発生部３： マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品を利用した。また発生条件として、出力エネルギーを４００Wとし、出力周波数を2.45GHｚとした。
・アイソレータ４： マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品を利用した。
・加熱室５： アルミニウム製の導波管にスリット６を設けたもの
・用紙１０： 「中性紙」と称される市販のＰＰＣ用紙を利用した。
【００７９】
（実施例１）
整合器７としてＥ−Ｈ整合器（マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品）を利用し、加熱室８の寸法をａ＝109.2mm、ｂ＝54.6mmとした。電界変成器１５は設けていない。なお、下記実施例及び比較例においてＥ−Ｈ整合器を用いる場合には、同じＥ−Ｈ整合器を利用した。
【００８０】
（実施例２）
整合器７としてＥ−Ｈ整合器を利用し、加熱室８の寸法をａ＝109.2mm、ｂ＝54.6mmとし、電界変成器１５として高密度ポリエチレン（誘電率εr＝2.3）を用いた。より具体的には、加熱室５内において、幅25mmの大きさの高密度ポリエチレンを、終端部５ａからの距離が500mmとなる位置から上流側に向けて挿入した。
【００８１】
（実施例３）
加熱室８の寸法をａ＝70mm、ｂ＝54.6mmとしたほかは実施例１と同じ条件とした。ただし、Ｅ−Ｈ整合器の寸法と加熱室８の寸法が異なるため、整合器７と加熱室８の間をテーパー形状の導波管で接続した。
【００８２】
（実施例４）
加熱室８の寸法をａ＝70mm、ｂ＝54.6mmとしたほかは実施例２と同じ条件とした。ただし、実施例３と同様の理由により、整合器７と加熱室８の間をテーパー形状の導波管で接続した。
【００８３】
（実施例５）
整合器７としてアイリス（マイクロデバイス社（現マイクロ電子社）製の製品）を利用した他は実施例１と同一の条件とした。
【００８４】
（比較例１）
整合器を設置しない他は、実施例１と同一の条件とした。
【００８５】
上記各条件の下、加熱室５のスリット６に、所定領域にトナーを載せた用紙１０をセットし、トナー定着に要する時間を計測すると共に、当該計測された時間に対し前記所定領域の面積とＡ４用紙の面積の比率を乗じることで、Ａ４用紙にトナーを定着させる時間を測定した。結果を下記表１に示す。
【００８６】
【表１】
【００８７】
整合器を設置しなかった場合、１２０（秒）経過後においても、Ａ４用紙にトナーを定着させることは困難であった。これに対し、整合器７を設置した実施例１〜５においては、いずれも１２０秒を遥かに下回る時間でトナーが定着している。これにより、整合器７を設置することで、加熱室５内に形成される定在波のパワーを著しく大きくする効果が得られていることが分かる。
【００８８】
（第２実施例）
図８は、実施例２における加熱室８内の電界強度を示すグラフである。横軸は加熱室８内におけるマイクロ波進入方向（Ｚ軸方向）の位置を、縦軸は電界強度をそれぞれ示している。図８によれば、電界変成器１５よりも下流側において、電界強度が大きく上昇していることが分かる。なお、図８及び以下の図９Ａ〜図９Ｆにおいて、縦軸が示す電界強度は所定の値を基準としたときの相対値（無次元値）である。
【００８９】
図９Ａ〜図９Ｆは、実施例２において、電界変成器１５の幅を変化させたときの加熱室８内の電界強度を示すグラフである。なお、本実施例では、短絡板の直前に同一幅の誘電体を挿入しているが、これは実験条件を揃えるために行ったものであり、本実施例が示す効果に影響を及ぼすものではない。また、グラフによっては定在波の谷の位置にける電界強度の大きさに多少のバラツキがあるが、これは計算誤差の範囲内である。
【００９０】
また、図９Ｇは、電界変成器１５の幅を変化させたときの、電界変成器１５の上流側と下流側における電界強度の大きさの比の変化を示すグラフであり、図９Ｈはこれを表にしたものである。
【００９１】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄ、図９Ｅ及び図９Ｆは、それぞれ、電界変成器１５の幅を、０、６ｍｍ、１３ｍｍ、２５ｍｍ、３７ｍｍ、４４ｍｍとしたときのグラフである。
【００９２】
図９Ａでは電界変成器１５を挿入していないため、当然に電界変成器１５の前後で電界強度が変化するということはない（電界強度＝4.2のままである）。
【００９３】
電界変成器１５の幅を6mm（これは0.06λｇ’に相当する）とした図９Ｂでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝4.2であったのが、下流側において電界強度＝5.3となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.26倍となっている。
【００９４】
電界変成器１５の幅を13mm（これは0.13λｇ’に相当する）図９Ｃでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝3.8であったのが、下流側において電界強度＝6.8となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.79倍となっている。
【００９５】
電界変成器１５の幅を25mm（これは0.25λｇ’に相当する）図９Ｄでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝3.4であったのが、下流側において電界強度＝6.2となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.82倍となっている。
【００９６】
電界変成器１５の幅を37mm（これは0.37λｇ’に相当する）図９Ｅでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝3.5であったのが、下流側において電界強度＝6.0となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.7倍となっている。
【００９７】
電界変成器１５の幅を44mm（これは0.44λｇ’に相当する）図９Ｆでは、電界変成器１５の上流側において電界強度＝4.2であったのが、下流側において電界強度＝4.5となっており、電界変成器１５の前後で電界強度は1.1倍となっている。
【００９８】
なお、グラフ上には示していないが、電界変成器１５の幅を５０ｍｍ（これは0.50λｇ’に相当する）とした場合、電界変成器１５の上流側端点と下流側端点が共に定在波の谷の位置となるため、電界変成器１５の下流側と上流側で電界強度は変化しない。
【００９９】
以上の結果によれば、電界変成器１５の幅Ｌを、上述した関係式、すなわち自然数Ｎを用いて （４Ｎ−３）λｇ’／８ ＜ L ＜ （４Ｎ−１）λｇ’／８ を満たすように設定することで、電界変成器１５の下流側の定在波の電界強度を大きくする効果が得られることが分かる。これにより、加熱室５内の電界強度が高められ、トナー定着に要する時間を大きく短縮する効果が得られる。
【符号の説明】
【０１００】
１ ： マイクロ波加熱装置
３ ： マイクロ波発生部
４ ： アイソレータ
５ ： 加熱室
５ａ： 加熱室の終端部
６ ： スリット
７ ： 整合器
８ ： マイクロ波導入口
ｄ１： 用紙通過方向
ｄ２： マイクロ波進行方向
１０ ： 用紙
１１ ： 第１Ｔ分岐路
１２ ： 第２Ｔ分岐路
１５ ： 電界変成器
２０ ： 定在波の節
１００ ： マイクロ波装置
１０１ ： 用紙
１０３ ： 共振器チャンバ
１０４ ： エレメント
１０７ ： 通過部
１０７’： 通過部
１０９ ： 共振器チャンバの側面
１０９’： 共振器チャンバの側面
１１０ ： マグネトロン
１１１ ： 貯水庫
１１２ ： サーキュレータ
１１３ ： 入力結合変換器
１１４ ： 結合開口
１１５ ： 終端スライダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を出力するマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波が導かれ、前記マイクロ波の進入方向の終端部が短絡されている導電性の加熱室と、
前記マイクロ波発生部と前記加熱室の間に設けられた整合器と、を有し、
前記加熱室は、当該加熱室の内部を被加熱体が前記マイクロ波の進入方向とは非平行方向の向きに通過するための開口部を有し、
前記整合器は、前記加熱室の終端部で反射された反射マイクロ波を前記加熱室側に再反射する構成であり、
前記マイクロ波発生部のマイクロ波出力端から前記整合器までの間は導電性材料で構成された筒状の導波管で連結され、
前記整合器から前記加熱室の終端部までの間は、前記被加熱体を通過させるための前記開口部の部分を除いて導電性材料で構成された筒状の導波管で連結されていることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記整合器がＥ−Ｈ整合器であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記整合器と前記加熱室の間において、空気よりも誘電率の高い高誘電体で構成された電界変成器を、前記高誘電体内における定在波の波長をλｇ’、自然数をＮ（Ｎ＞０）としたときに、（４Ｎ−３）λｇ’／８より大きく、（４Ｎ−１）λｇ’／８未満の幅で、マイクロ波の定在波の節を含む位置に挿入したことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記電界変成器が、λｇ’／４の奇数倍の大きさの幅で、且つ、前記加熱室の終端部側の面が前記マイクロ波の定在波の節の位置となるように設置されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記電界変成器が、高密度ポリエチレンで構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項の記載のマイクロ波発生装置を備え、
前記開口部を介して通過する現像剤付き記録シートが前記加熱室で加熱されることで、現像剤を記録シートに定着させることを特徴とする画像定着装置。
【請求項１】
マイクロ波を出力するマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波が導かれ、前記マイクロ波の進入方向の終端部が短絡されている導電性の加熱室と、
前記マイクロ波発生部と前記加熱室の間に設けられた整合器と、を有し、
前記加熱室は、当該加熱室の内部を被加熱体が前記マイクロ波の進入方向とは非平行方向の向きに通過するための開口部を有し、
前記整合器は、前記加熱室の終端部で反射された反射マイクロ波を前記加熱室側に再反射する構成であり、
前記マイクロ波発生部のマイクロ波出力端から前記整合器までの間は導電性材料で構成された筒状の導波管で連結され、
前記整合器から前記加熱室の終端部までの間は、前記被加熱体を通過させるための前記開口部の部分を除いて導電性材料で構成された筒状の導波管で連結されていることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記整合器がＥ−Ｈ整合器であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記整合器と前記加熱室の間において、空気よりも誘電率の高い高誘電体で構成された電界変成器を、前記高誘電体内における定在波の波長をλｇ’、自然数をＮ（Ｎ＞０）としたときに、（４Ｎ−３）λｇ’／８より大きく、（４Ｎ−１）λｇ’／８未満の幅で、マイクロ波の定在波の節を含む位置に挿入したことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記電界変成器が、λｇ’／４の奇数倍の大きさの幅で、且つ、前記加熱室の終端部側の面が前記マイクロ波の定在波の節の位置となるように設置されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記電界変成器が、高密度ポリエチレンで構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項の記載のマイクロ波発生装置を備え、
前記開口部を介して通過する現像剤付き記録シートが前記加熱室で加熱されることで、現像剤を記録シートに定着させることを特徴とする画像定着装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図９Ｆ】
【図９Ｇ】
【図９Ｈ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図９Ｆ】
【図９Ｇ】
【図９Ｈ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【公開番号】特開２０１３−９７９７６（Ｐ２０１３−９７９７６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３８９５１（Ｐ２０１１−２３８９５１）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６２９７）村田機械株式会社 (4,916)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６２９７）村田機械株式会社 (4,916)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
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