像加熱装置および像加熱装置を備えた画像形成装置
【課題】弾性層１ｂをもつ誘導加熱方式の像加熱部材１において、像加熱部材の熱伝導率低下によるウォームアップ時間の延長、および非通紙部昇温の対策を目的とする。
【解決手段】像加熱部材１に当接する加熱可能な加圧部材２あるいは外部加熱部材３ｃに非磁性低抵抗材料を使用し、加圧部材あるいは外部加熱部材に外部遮蔽の効果を持たせる。
【解決手段】像加熱部材１に当接する加熱可能な加圧部材２あるいは外部加熱部材３ｃに非磁性低抵抗材料を使用し、加圧部材あるいは外部加熱部材に外部遮蔽の効果を持たせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録材上の像を加熱する電磁誘導加熱方式の像加熱装置、および当該像加熱装置を備える複写機・プリンタ・ファクシミリ等の画像形成装置に関する。
【０００２】
記録材上の像を加熱する像加熱装置としては、記録材上に形成された未定着画像を固着画像として加熱定着する定着装置や、記録材に定着された画像を再加熱することにより画像の光沢度を増大させる光沢度増大装置等を挙げることができる。
【背景技術】
【０００３】
電子写真方式・静電記録方式等の画像形成装置は、シート状の記録材（記録紙・転写材など）上に形成されたトナー画像を記録材上に定着する或いは加熱する像加熱装置を備える。この像加熱装置は、加熱ローラ（定着ローラ）もしくはエンドレスの加熱ベルトである像加熱部材と、像加熱部材と相互圧接して、記録材を挟持搬送するニップ部を形成する加圧部材と、を有する。
【０００４】
像加熱部材（以下、加熱ローラと記す）は、発熱体によって内部または外部より、直接もしくは間接的に加熱されて、表面温度が所定の定着温度に維持される。発熱体は、例えばハロゲンヒータや抵抗発熱体等が挙げられる。未定着のトナー画像が形成された記録材は、ニップ部で加熱されると共に加圧されて、未定着のトナー画像が記録材面に固着画像として定着される。
【０００５】
近年は、画像形成装置の省エネルギー化と、ウォームアップ時間の短縮といったユーザーの操作性向上の両立を図ることが重視されている。このことから加熱ローラが直接発熱して発熱効率の高い誘導加熱方式を用いた像加熱装置（以下、誘導像加熱装置と記す）が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
この誘導像加熱装置は、励磁コイルが発生する磁束の作用によって、金属導体からなる中空の加熱ローラに誘導電流（渦電流）を発生させ、加熱ローラ自体の表皮抵抗によって加熱ローラそのものがジュール発熱する。そのため、この誘導像加熱装置によれば、ウォームアップ時間の短縮が可能となる。
【０００７】
また、このような誘導像加熱装置においては、印加する高周波電流の周波数、加熱ローラの透磁率および固有抵抗値とから決定される表皮抵抗に比例した電力が発熱する。したがって、印加する高周波電流の周波数を制御することによって、加熱ローラの発熱量を常に最適化することができ、装置の省エネルギー化を達成することが可能となる。
【０００８】
一方で、このような誘導像加熱装置にあっては、磁束により発熱する表皮深さがコイルに通電される周波数、加熱ローラの固有抵抗値によって決められる。そのため、加熱ローラの厚みが表皮深さよりも厚い場合には、発熱量は変わらないため、加熱ローラの厚さが大きくなるほど、かえって発熱効率が低下してしまい、ウォームアップ時間短縮の効果を得ることが困難となる。
【０００９】
逆に加熱ローラの厚さが表皮深さよりも薄いと、磁束が加熱ローラを突き抜けてしまい、発熱量が少なくなるだけでなく、加熱ローラ周辺の金属部材を加熱してしまう。したがって、加熱ローラの厚さはおおよそ５０〜２０００μｍ程度が望ましい。
【００１０】
このような誘導像加熱装置においても、従来の像加熱装置と同様に小サイズの記録材を連続通紙すると、記録材が通過しない非通紙部領域の昇温（非通紙部昇温）が発生する。この非通紙部昇温対策として、特許文献２に開示されるように、加熱ローラに、キュリー温度が所定の定着温度に調整された整磁合金を用いた誘導像加熱装置が提案されている。
【００１１】
一般に磁性材料は、加熱されて材料固有のキュリー温度を越えると自発磁化が消失する。そのため、磁性材料内に通過する磁束密度が減少し、それに伴って磁性材料中に誘導される渦電流が減少することで、磁性材料の発熱量が減少する。したがって、加熱ローラの材料として、所定温度に調整されたキュリー温度を持つ整磁合金を用いることで、加熱ローラは所定温度以上に加熱されることが無い。そのため、上述の非通紙部昇温を改善することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭５９−３３７８７号公報
【特許文献２】特開２０００−３９７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、さらに高画質な定着画像あるいは加熱画像を実現するため、加熱ローラの表層に弾性層を持たせたとき、表面の熱伝導率低下に伴い、ウォームアップ時間が長くなってしまう。また、弾性層の蓄熱により、上述の非通紙部昇温が大きくなり、搬送性の低下や寿命が短いといった問題がおこる。
【００１４】
そこで本発明では、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明に係る像加熱装置の代表的な構成は、高周波電流が印加されるコイルが内側に配設されていて当該コイルから生じる磁束により発熱する整磁合金層と当該整磁合金層よりも外側に弾性層を有し像を担持した記録材に接して記録材を加熱する回転可能な中空の像加熱部材を有する像加熱装置であって、前記像加熱部材の外面に当接しており加熱源により加熱されて像加熱部材を外側から加熱する外部加熱部材を有し、当該外部加熱部材は前記整磁合金層の整磁合金よりも抵抗率が小さい非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有しており前記コイルにより加熱される前記像加熱部材が回転方向に関して最大発熱量を持つ位置の少なくとも１つに対応する位置に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１における画像形成装置の概略構成模型図である。
【図２】像加熱装置である定着装置の要部の拡大横断面模型図である。
【図３】要部の正面模型図である。
【図４】コイル・アセンブリ（磁束発生手段）の外観斜視図である。
【図５】電磁誘導加熱原理を説明する図である。
【図６】抵抗値の温度依存性を説明する図である。
【図７】透磁率の温度依存性を説明する図である。
【図８】表皮深さと芯金肉厚および発熱量を説明する図である。
【図９】キュリー材を用いた誘導加熱装置の力率の温度依存性を説明する図である。
【図１０】加熱部材の位置と発熱量の関係を説明する図である。
【図１１】実施例２における定着装置の要部の拡大横断面模型図である。
【図１２】実施例３における定着装置の要部の拡大横断面模型図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
［実施例１］
（１）画像形成装置例
図１は本発明に従う電磁誘導加熱方式の像加熱装置を定着装置（画像定着手段）として備えた画像形成装置の一例の概略構成模型図である。
【００２０】
本例の画像形成装置は電子写真プロセスを用いたレーザー走査露光方式のデジタル画像形成装置（複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機能機等）である。
【００２１】
４１は像担持体としての回転ドラム型の感光体（以下、感光ドラムと記す）であり、矢印の時計方向に所定の周速度をもって回転駆動される。４２は一次帯電器であり、本実施例においては、感光ドラム４１をマイナス極性の所定の暗電位Ｖｄに一様に帯電する。
【００２２】
４３は像露光手段であるレーザービームスキャナであり、画像読取装置、コンピュータ等のホスト装置（不図示）から入力されるデジタル画像信号に対応して変調されたレーザービームＬを出力して感光ドラム４１の一様帯電処理面を走査露光する。この走査露光により、感光ドラム４１の露光部分は電位絶対値が小さくなって明電位Ｖｌとなり、感光ドラム４１面に画像信号に対応した静電潜像が形成される。静電潜像は現像器４４により現像されて、感光ドラム面の露光明電位Ｖｌ部にマイナスに帯電したトナーが付着することでトナー画像として顕像化される。
【００２３】
一方、不図示の給紙トレイ上から給紙された紙等のシート状の記録材Ｐは、転写バイアスが印加された転写部材としての転写ローラ４５と感光ドラム４１とが圧接している転写部へ適切なタイミングをもって搬送される。そして、記録材Ｐの面に感光ドラム４１上に形成されているトナー画像ｔが順次転写される。
【００２４】
トナー画像ｔが転写形成された記録材Ｐは、感光ドラム４１から分離され、後述する定着装置Ｆに導入されて、熱と圧によって、トナー画像ｔが記録材上に定着され、その後機外に排出される。
【００２５】
記録材Ｐを分離した後の感光ドラム４１の表面は、クリーニング装置４６で感光ドラム表面に残った転写残トナーがクリーニングされ、その後、繰り返して作像に供される。記録材搬送方向ａに関して定着装置Ｆよりも上流側の装置機構部が記録材に未定着画像を形成する画像形成手段である。
【００２６】
（２）定着装置Ｆ
図２は像加熱装置である定着装置Ｆの要部の拡大横断面模型図である。図３は要部の正面模型図である。ここで、定着装置Ｆについて、正面とは記録材導入口側から見た面である。装置構成部材について、長手方向とは、像加熱部材（加熱ローラ）１の回転軸線方向、若しくは定着ニップ部Ｎを含む平面において記録材Ｐの搬送方向ａに対して直交する方向に並行な方向としている。また、中央部及び端部は、その長手方向の中央部及び端部である。
【００２７】
定着装置Ｆは、電磁誘導加熱方式で発熱する加熱ローラ型の像加熱装置である。磁束により発熱する導電層を有する像加熱部材としての加熱ローラ１（定着ローラ）を有する。また、加熱ローラ１と相互圧接して記録材を挟持搬送するニップ部Ｎを形成する加圧部材としての加圧ローラ２を有する。また、加熱ローラ１の外面に当接して加熱する外部加熱ユニット３を有している。
【００２８】
加熱ローラ１は、外径が４０ｍｍ、厚さは１．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍの中空ローラである。加熱ローラ１は、本実施例ではキュリー温度Ｔｃが２２０℃になるように鉄、ニッケル、クロム、マンガン等の材料が配合され、固有抵抗が約５Ω・ｍである整磁合金よりなる導電層（整磁合金層）である芯金１ａを有する。
【００２９】
本実施例ではキュリー温度Ｔｃは、画像形成時（記録材を加熱する動作時）に記録材上の画像を加熱するときの制御温度である像加熱温度Ｔｆ（以下、定着温度Ｔｆ：本実施例では２００℃とする）より高い温度に設定した。また、キュリー温度Ｔｃは、像加熱装置の耐熱温度（本実施例では２３０℃とする）未満の温度に設定した。即ち、加熱ローラ１の制御温度（温調温度）は加熱ローラ１のキュリー温度Ｔｃよりも低い温度に設定している。ここで、像加熱装置の耐熱温度とは、像加熱装置の一部の部品の熱損が著しくなる温度である。
【００３０】
また、芯金１ａの外周面には、カラー画像等の高画質な定着画像を得るために、シリコーンゴムなどの厚さ２５０μｍの耐熱弾性層１ｂが設けられている。さらにその外周面に、トナーに対する離型性を高めるためにＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素樹脂より成る、厚さ２０μｍの表層１ｃが設けられている。
【００３１】
この加熱ローラ１はその両端部側がそれぞれ定着装置Ｆの枠体の一部である手前側と奥側の側板（定着ユニットフレーム）２１・２２間に軸受２３を介して回転可能に支持されて配設されている。加熱ローラ１の中空内部（内側）には、芯金１ａに誘導電流（渦電流）を誘起させてジュール発熱させるための高周波磁界を生じさせるためのコイル（励磁コイル）を有する磁場発生手段（磁束発生手段）としてのコイル・アセンブリ４が挿入されて配置されている。
【００３２】
図４はコイル・アセンブリ４の外観斜視図である。コイル・アセンブリ４は加熱ローラ１の回転軸線方向に長く、ボビン５、磁性材からなる磁性コア（磁性芯材）６、コイル（励磁コイル）７を有する。磁性コア６はボビン５に保持されており、コイル７はボビン５の周囲に電線を巻回して形成されている。コイル７はボビン５に加熱ローラ１の回転軸線方向に延伸して巻かれている。磁性コア６はコイル７の近辺には配置されて加熱ローラ１（導電層１ａ）の磁束を導く。ボビン５・磁性コア６・コイル７が一体化されてステー８に固定支持されている。
【００３３】
コイル・アセンブリ４は加熱ローラ１の内面と励磁コイル７間に一定のギャップを保持させた状態にしてステー８の両端部８ａ・８ａでそれぞれ定着装置の手前側と奥側の保持部材２４・２５に非回転に固定支持されている。ボビン５・磁性コア６・コイル７は加熱ローラ１の外部には露呈しないように加熱ローラ１の内空部に収納されている。
【００３４】
磁性コア６はフェライト、パーマロイ等の、高透磁率で残留磁束密度の低い材料であって、コイル７によって発生した磁束を加熱ローラ１に導くものである。本実施例における磁性コア６は横断面Ｔ字型であり、Ｔ字の横棒部分と縦棒部分とを構成する２枚の板条磁性コア６（１）と６（２）とが組み合わされている。
【００３５】
コイル７は、加熱ローラ１の長手方向に平行に延び、磁性コア６（１）を周回するようにボビン５の形状に合わせて横長舟型に複数回巻回して両端を折り曲げられて巻かれるリッツ線を束ねたものである。また、加熱ローラ１の内周に沿うように湾曲して配置されている。即ち、コイル７は加熱ローラ１の回転軸方向に延伸して巻かれ、加熱ローラ１の回転軸線方向に直交する方向の磁束を発生することで加熱ローラ１を加熱する。
【００３６】
７ａ・７ｂは上記励磁コイル７の２本のリード線（コイル供給線）であり、ステー８の奥側から加熱ローラ１の外部に引き出して、コイル７に高周波電流を供給する高周波インバーター（高周波回路）１０１に接続してある。高周波インバーター１０１はスイッチング素子を有し、このスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにより、所定の周波数の電流をコイル７に流すことができる。本実施例に用いた高周波インバーター１０１は所定の電圧（１００Ｖ）で出力し、電力制御は可変の電流値および電流のＯＮ／ＯＦＦ時間によって決定される。
【００３７】
加圧ローラ２は、外径３８ｍｍ、長さは３５０ｍｍであって、外径２８ｍｍ、肉厚３ｍｍの芯金２ａを有する。また、芯金２ａの周面に形成される厚さ５ｍｍの耐熱弾性層２ｂ、および耐熱弾性層２ｂの周面に形成されるＰＦＡ、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂より成る厚さ１００μｍの表層２ｃを有する。加圧ローラ２は加熱ローラ１の下側に並行に配列されて、芯金２ａの両端部側がそれぞれ定着装置の枠体の手前側と奥側の側板２１・２２間に軸受２６を介して回転自在に保持されている。
【００３８】
そして、上記の加熱ローラ１と加圧ローラ２は互いに不図示の加圧機構（加圧手段）によって所定の加圧力で圧接されている。これにより、該両ローラ１・２間に記録材Ｐを挟持搬送してトナー像を加熱定着する、記録材搬送方向ａに関して幅約６ｍｍのニップ部（定着ニップ部）Ｎが形成されている。
【００３９】
外部加熱ユニット３は、所定の間隔をあけてそれぞれ加熱ローラ１に対して並行に配列された第１と第２の２本の支持ローラ３ａと３ｂを有する。また、この２本の支持ローラ３ａ・３ｂ間に懸回張設された可撓性・耐熱性を有する、外部加熱部材としての無端ベルト（外部加熱ベルト）３ｃを有する。支持ローラ３ａと３ｂは、外径２０ｍｍ、長さ３６０ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミでできた中空ローラであり、各ローラの内空内部にはそれぞれ加熱源としてのハロゲンヒータ３ｄ・３ｅが設けられている。
【００４０】
ベルト３ｃは加熱ローラ１の芯金１ａに用いたキュリー材、即ち整磁合金層の整磁合金よりも抵抗率が小さい非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有する。この金属は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ＳＵＳ（オーステナイト系）及びこれらの金属を用いた合金の群から選択される少なくとも１つである。本実施例においては、ベルト３ｃは厚さ２５０μｍ、長さ３５５ｍｍの銅から成る。
【００４１】
第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂはユニット筐体３ｆの前側と奥側の側板間に回転可能に軸受されて保持されている。そして、外部加熱ユニット３は加熱ローラ１に対して不図示の加圧機構によって所定の押圧力で当接されている。この加圧当接状態において、第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂがベルト３ｃを介して加熱ローラ１の外面に圧接している。また、第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂ間のベルト部分が加熱ローラ１の外面に腹当てに圧接している。これにより、加熱ローラ１とベルト３ｃとの間に加熱ローラ１の回転方向に関して幅広の外部加熱ニップ部が形成される。
【００４２】
ベルト３ｃは加熱ローラ１が回転駆動されることで従動して回転する。第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂもベルト３ｃが回転することで従動して回転する。加熱ローラ１が回転駆動され、ベルト３ｃが従動回転している状態において、第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂはそれぞれハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電により所定の温度に加熱される。この第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂによりベルト３ｃが加熱されて、加熱ローラ１の外面が外部加熱ニップ部においてベルト３ｃの熱で外部加熱される。
【００４３】
１１は加熱ローラ１の温度検知部材としてのサーミスタである。サーミスタ１１は定着ローラ１の長手方向の中央部分に設けられている。また、サーミスタ１１は、加熱ローラ１を隔ててコイル７に向かい合うように、定着ローラ１の表面に対して弾性部材１１ａにより押圧して弾性的に圧接されて配置されている。このサーミスタ１１の加熱ローラ温度の検知信号は制御回路（ＣＰＵ）１００に入力される。
【００４４】
１２は定着前ガイド板であり、作像機構部側から定着装置Ｆに搬送された記録材Ｐをニップ部Ｎの入口部に案内する。１３は分離爪であり、ニップ部Ｎに導入されてニップ部Ｎを出た記録材Ｐが加熱ローラ１に巻きつくことを抑え、加熱ローラ１から記録材Ｐを分離するためのものである。１４は定着後ガイド板であり、ニップ部Ｎの出口部を出た記録材Ｐを排紙案内する。前記ボビン５、ステー８、分離爪１３は耐熱および電気絶縁性エンジニアリング・プラスチックから形成されている。
【００４５】
Ｇは加熱ローラ１を駆動するためのドライブギアであり、加熱ローラ１の奥側の端部側に固着されている。このドライブギアＧに駆動源Ｍから伝達系を介して駆動力が伝達されることで、加熱ローラ１が図２において矢印Ａの時計方向に本実施例では５００ｍｍ／ｓｅｃの周速度にて回転する。加圧ローラ２はニップ部Ｎでの加熱ローラ１との摩擦力で加熱ローラ１の回転に従動して矢印の反時計方向Ｂに回転する。
【００４６】
１５は加熱ローラクリーナである。クリーニングウエブ１５ａをロール巻きに保持したウエブ繰り出し軸部１５ｂと、ウエブ巻取り軸部１５ｃと、該両軸部１５ｂ・１５ｃ間のウエブ部分を加熱ローラ１の外面に押し付ける押し付けローラ１５ｄを有する。押し付けローラ１５ｄで加熱ローラ１に押し付けたウエブ部分で加熱ローラ１面にオフセットしたトナーが拭われて加熱ローラ面が清掃される。加熱ローラ１に押し付けられるウエブ部分は繰り出し軸部１５ｂ側から巻取り軸部１５ｃ側にウエブ１５ａが少しずつ送られることで徐々に更新される。
【００４７】
本実施例では、通紙は中央基準で行われる。Ｓはその中央基準（仮想線）である。すなわち、装置に通紙使用可能な大小いかなる幅サイズの記録材も、記録材の中央部が加熱ローラ軸方向の中央部を通過することになる。本実施例の画像形成装置においては、通紙できる記録材の最大幅サイズ（以下、大サイズ紙と記す）は例えば１３インチ（３３０ｍｍ）である。また通紙できる記録材の最小幅サイズ（以下、小サイズ紙と記す）は例えばＢ５縦（１３８ｍｍ）である。Ｐ１はその大サイズ紙の通紙領域幅、Ｐ２は小サイズ紙の通紙領域幅である。
【００４８】
サーミスタ１１は、小サイズ紙の通紙領域幅Ｐ２の略中央部に対応する加熱ローラ中央部分に接触して設けられている。即ち、通紙領域は、装置に通紙可能なすべてのサイズの記録材が通過する領域であって、サーミスタ１１は、加熱ローラ１の通紙領域の温度を検知する。本実施例では、接触式のサーミスタであるが、非接触のサーミスタでも問題ない。
【００４９】
次に、定着装置Ｆの動作について説明する。画像形成装置の制御回路部１００は、装置のメイン電源スイッチのＯＮにより画像形成装置を起動させて所定の立ち上げモードをスタートさせる。
【００５０】
定着装置Ｆは駆動源Ｍの起動により加熱ローラ１の回転が開始される。この加熱ローラ１の回転に従動して加圧ローラ２及びベルト３ｃも回転する。また制御回路部１００は高周波インバーター１０１を起動させてコイル７に高周波電流を流す。本実施例では、高周波電流の周波数ｆ２は２０ｋＨｚである。このコイル７への高周波電流の印加により生じた磁束により加熱ローラ１の芯金１ａが電磁誘導加熱される。
【００５１】
また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電も開始する。このハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電により支持ローラ３ａと３ｂが加熱されることでベルト３ｃが加熱され、外部加熱ニップ部において加熱ローラ１の外面がベルト３ｃの熱により外部加熱される。
【００５２】
上記の電磁誘導加熱と外部加熱とにより加熱ローラ１が所定のスタンバイ完了温度、本実施例では定着温度である２００℃まで迅速に昇温する。この加熱ローラ１の温度は、サーミスタ１１で検知され、その検知温度情報が制御回路部１００に入力する。
【００５３】
加熱ローラ１の温度が２００℃に到達したら、画像形成信号の入力を待機するスタンバイ状態（待機モード）となる。本実施例では、スタンバイ状態時は、加熱ローラ１は停止している。また、本実施例ではスタンバイ温度は２００℃である。スタンバイ中（待機モード中）においては、通電制御手段である制御回路部１００は、加熱ローラ１の大サイズ紙通紙領域幅Ｐ１の略全域定着温度２００℃に維持するよう上記の電磁誘導加熱と外部加熱を制御する。即ち、コイル７に対する高周波電流を制御する。また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅに対する通電を制御する。
【００５４】
そして、この待機モード時に画像形成信号が入力されると、加熱ローラ１は作像機構部において記録材上にトナー像が形成される。また、所定の制御タイミングで加熱ローラ１の再駆動がなされる。そして、未定着トナー像ｔを担持した記録材Ｐがニップ部Ｎで挟持搬送されることで、所定の定着温度に維持された加熱ローラ１の熱と圧により、未定着トナー像ｔが記録材Ｐの面に加熱定着される。
【００５５】
像加熱工程中（定着動作中）においては、通電制御手段である制御回路部１００は、加熱ローラ１の大サイズ紙通紙領域幅Ｐ１の略全域が定着温度２００℃に維持するよう、高周波電流を制御する。また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電も制御する。本実施例では定着温度は２００℃である。本実施例では、高周波電流の周波数ｆ２は２０ｋＨｚとし、待機モード中と同じ周波数である。
【００５６】
なお、像加熱工程中はサーミスタ１１の出力と定着温度との差分に応じて、コイル７に印加される電力の変更が行われている。また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電もオン／オフ制御される。
【００５７】
ここで、図５を用いて、加熱ローラ１の導電層である芯金１ａの電磁誘導発熱原理を説明する。コイル７には、高周波インバーター１０１から交流電流が印加され、これによってコイル７の周囲には矢印Ｈで示した磁束が生成消滅を繰り返す。磁束Ｈは、磁性コア６と芯金１ａによって形成された磁路に沿って導かれる。コイル７が生成した磁束の変化に対して、芯金１ａ内では、磁束の変化を妨げる方向に磁束を発生するように渦電流が発生する。この渦電流を矢印Ｃで示す。
【００５８】
この渦電流Ｃは、表皮効果により芯金１ａのコイル７側の面に集中して流れ、芯金１ａの表皮抵抗Ｒｓ（Ω）に比例した電力で発熱を生じる。
【００５９】
ここで、コイル７に印加する交流電流の周波数ｆ（Ｈｚ）、芯金１ａの導体の透磁率μ（Ｈ／ｍ）、芯金１ａの固有抵抗ρ（Ω・ｍ）から得られる表皮深さδ（ｍ）および表皮抵抗Ｒｓ（Ω）は、式１および式２で示される。
【００６０】
【数１】
【００６１】
【数２】
【００６２】
また、芯金１ａに発生する電力Ｗは、芯金１ａに誘導される渦電流をＩｆ（Ａ）として、式３で示される。
【００６３】
【数３】
【００６４】
以上より、芯金１ａの発熱量を増加させるためには、渦電流Ｉｆを大きくする、または表皮抵抗Ｒｓを大きくすればよい。
【００６５】
渦電流Ｉｆを大きくするためには、コイル７によって生成される磁束を強くする、あるいは磁束の変化を大きくすればいい。例えば、コイル７の巻き数を増やしたり、磁性コア６として、より高透磁率で残留磁束密度の低いものを用いたりすると良い。また、磁性コア６と芯金１ａとのギャップｄを少なくすることで、芯金１ａ中に導かれる磁束が増加するため、渦電流Ｉｆを大きくすることも出来る。
【００６６】
一方、表皮抵抗Ｒｓを大きくするためには、コイル７に印加する交流電流の周波数ｆを高くするか、より透磁率μの高く、固有抵抗の高い材料の芯金１ａとする。
【００６７】
次にキュリー温度Ｔｃについて説明する。一般に強磁性体は、材料固有のキュリー温度Ｔｃまで加熱されると、自発磁化を失い透磁率μが減少する。したがって、加熱ローラ１の導電部材である芯金１ａの温度がキュリー温度Ｔｃを越えてしまうと、表皮抵抗Ｒｓが減少する。その結果、芯金１ａの発熱量Ｗが減少する。
【００６８】
一般に抵抗値は式２で表されるとおり、周波数が一定の場合は透磁率μと抵抗率ρで決まり、一般に抵抗率は温度上昇に伴って緩やかに増加する。
【００６９】
ここで、加熱ローラ１の抵抗値（表皮抵抗）Ｒｓは磁束発生手段４を加熱ローラ１に装着したときのコイル７に電流を流したときのコイル７からみた加熱ローラ１のみかけの負荷抵抗に相当する。
【００７０】
このみかけの抵抗値の測定方法、及び抵抗値の温度依存性は以下のように測定する。アジレント社製のＬＣＲメータ（型番ＨＰ４１９４Ａ）を用いて、周波数２０ｋＨｚの交流を印加した際の加熱ローラ１の抵抗値を測定した。このとき、加熱ローラ１、磁束発生手段である励磁コイル、コアは像加熱装置に装着された状態で測定するものとする。このとき加熱ローラ１の温度を変えていき、温度と加熱ローラ１の抵抗値を同時にプロットしていくことで加熱ローラ１の抵抗値の温度特性曲線を得ることができる。
【００７１】
また、加熱ローラ１の温度を変えるには、恒温室に加熱ローラ１及び磁束発生手段を装置に装着させた位置関係に保った状態で、加熱ローラの温度を変化させる。そして、ローラ温度を恒温室の温度に飽和させてから上記の測定法で抵抗値を測定する。このように測定すると、抵抗値の温度依存性は図６のような曲線になる。
【００７２】
以上より、芯金１ａに、所定の温度、具体的には、被加熱材加熱温度としての定着温度よりも高く、非通紙部昇温の許容昇温温度内の所定の温度にキュリー温度を調整した整磁合金を用いることによって、芯金１ａはキュリー温度付近では発熱量が急激に低下する。そのため、小サイズの記録シートをとおしても、非通紙部昇温の発生を防止もしくは低減することができる。
【００７３】
また、透磁率の測定方法は以下のように行う。岩通計測株式会社製のＢ−Ｈアナライザー（型番：ＳＹ−８２３２）を用いて測定した。測定試料に装置の所定の一次コイルと二次コイルを巻きつけて周波数２０ｋＨｚで測定する。測定試料はコイルが巻きつけられる形状であれば構わない（透磁率の異なる温度同士の比率は殆ど変わらない）。
【００７４】
試料にコイルを設定したら、恒温室に試料を入れて温度を飽和させ、その温度における透磁率をプロットする。恒温室の温度を変えてやることで透磁率の温度依存性曲線が得られる。恒温室の温度を上昇させていき、ある温度で透磁率が変化しなくなる。この透磁率が変化しなくなった温度をキュリー温度とみなす。このように測定すると透磁率の温度依存性は図７のような曲線になる。
【００７５】
また、図８は芯金１ａの断面において渦電流が誘導される領域を示す模式図である。（ａ）は芯金１ａの厚さｄ（ｍｍ）が表皮深さをδ（ｍｍ）と比較して広い場合である。（ｂ）は芯金１ａの温度がキュリー温度Ｔｃ以上になった場合である。
【００７６】
この場合において、キュリー温度Ｔｃ以上における表皮深さをδｃ（ｍｍ）とすると、芯金１ａの厚さｄ（ｍｍ）が表皮深さをδｃ（ｍｍ）と比較して狭い場合は、芯金１ａの断面のおよそすべてに渦電流が流れる。そのため、発熱量が減少する。
【００７７】
この状態では、加熱ローラ１の温度上昇はほぼ停止し、加熱ローラ１の表面温度は芯金１ａに用いた整磁合金のキュリー温度とほぼ等しくなる。即ち、加熱ローラ１の発熱量と加熱ローラ１の放熱量のバランスにより、加熱ローラ１の温度は、飽和温度に自己調整される。そのため、コイル７に印加する高周波電流が、所定の周波数ｆにあっては、加熱ローラ１の表面温度はキュリー温度以上にすることが困難である。
【００７８】
すなわち、図３において、加熱ローラ１の、小サイズ紙が通過するＰ２の領域の温度は定着温度Ｔｆに維持される。しかし、小サイズ紙が通過しないＰ２以外の領域の温度は、飽和温度に自己調整されることで、非通紙部昇温を低減させることが出来る。また、図９に示すように、温調温度がキュリー温度に近づいてくると、力率の低下に伴いＩＨ電源効率が低下するため発熱効率が低下してしまう。
【００７９】
そのため、弾性層を持たせた加熱ローラ１を用いると、ウォームアップ時間が大幅に伸びる、キュリー温度付近での温調ができない、小サイズの記録シートを通紙したときにおこる非通紙部昇温が厳しくなるといった問題が起こる。
【００８０】
そこで、本実施例では、加熱ローラ１に対する外部加熱ユニット３を配設し、該ユニット３の外部加熱部材としての外部加熱ベルト３ｃを加熱ローラ１の外面に対して当接させて直接加熱ローラ表層に熱を加える。これにより、ウォームアップ時間を短縮させている。また、その外部加熱部材としての外部加熱ベルト３ｃに銅（非磁性低抵抗金属）を用いる。そして、このベルト３ｃの加熱ローラ１に対する当接位置を、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ位置を少なくとも１つ以上を網羅するように配置するように設けている。
【００８１】
本実施例においては、加熱ローラ１は加熱ローラ回転方向Ａにおいて図１０の（ａ）のような発熱分布を持つ。加熱ローラ１の周方向の角度θに関しては、（ｂ）のように、磁性コア６（２）の対向位置を０°の位置とする。そして、この角度θ＝０°の位置から加熱ローラ回転方向Ａの上流側に１８０°の角度範囲を０〜＋１８０°とし、角度θ＝０°の位置から加熱ローラ回転方向Ａの下流側に１８０°の角度範囲を０〜−１８０°としている。本実施例の定着装置においては加熱ローラ１の最大発熱量を持つ位置（発熱ビーク部）は、ほぼ＋５５°と−５５°の２箇所の角度位置であった。
【００８２】
発熱分布の測定方法としては、株式会社日本総研ソリューションズ製の電磁界解析ソフトウェアであるＪＭＡＧ−Ｓｔｕｄｉｏを用いて、２次元の磁界解析を行い、加熱ローラ１の周方向におけるジュール損失密度分布（発熱分布）を求めた。
【００８３】
なお、発熱分布の測定方法は上記に限ったものではなく、その他の電磁界解析ソフトウェアを使用しても良い。また、加熱ローラ１の回転を停止し、加圧ローラ２を外した状態で、比較的短時間の加熱ローラの加熱を行ったときの、加熱ローラの周方向の温度分布を測定し、加熱前後の温度上昇ΔＴの分布を求めることで、発熱分布の代用としても良い。
【００８４】
また、温度分布の測定方法は、加熱ローラ１の回転を所定時間（本実施例では５分）停止した状態で、本実施例１におけるスタンバイ温度Ｔｓである２００℃に維持されたときの加熱ローラ１の表面温度を測定した。本実施例では、スタンバイ状態時は、加熱ローラは停止している。
【００８５】
本実施例においては、外部加熱ベルト３ｃを、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ上記２つの位置を網羅するように当接させて配設している。その結果、定着装置Ｆに対して小サイズ紙Ｐが連続的に通紙されて加熱ローラ１の非通紙部の温度がキュリー温度付近まで上昇したとき、加熱ローラ１の非通紙部において芯金１ａの透磁率減少により加熱ローラ１の外側に磁束が漏れる。その漏れた磁束がベルト３ｃを電磁誘導し、ベルト３ｃはコイル７が放つ磁束と逆向きの磁束を発生させ、このためコイル７が放つ磁束をキャンセルすることができる。
【００８６】
これについていま少し説明する。ベルト３ｃの抵抗値は誘導加熱される部材である加熱ローラ１の芯金１ａの抵抗値よりも小さければよい。加熱ローラ１の芯金１ａの温度がキュリー温度付近の場合は、透磁率の減少により磁束Ｈは芯金１ａを突き抜けて、外部加熱部材であるベルト３ｃを通過する。この場合、芯金１ａとベルト３ｃの両方が誘導加熱により発熱する。
【００８７】
ここでベルト３ｃは、加熱ローラ１の芯金１ａに用いたキュリー材よりも抵抗率を小さく設定すると、渦電流はベルト３ｃに多く誘導される。このことから、芯金１ａに誘導される渦電流は、外部加熱部材であるベルト３ｃが配置されていない状態に比べて減少し、発熱もそれにともなって減少する。一方で、外部加熱部材の抵抗率が小さいと、外部加熱部材に渦電流が多く誘導されても外部加熱自身の発熱量としてはより小さくなる。
【００８８】
実際、上記ベルト３ｃに従来用いられているニッケルベルトを用いると、上記の漏れた磁束によりベルト自体が発熱してしまい、加熱ローラ１の端部温度は２４０℃まで上昇した。また、上記ベルトがＰＩ（ポリイミド）ベルトでは、漏れ磁束による誘導加熱はしないが、加熱ローラ１の端部温度は２３０℃まで上昇している。
【００８９】
それに対し、上記ベルト３ｃに、芯金１ａに用いたキュリー材よりも抵抗率を小さい非磁性低抵抗金属である銅を用いると、低抵抗なために漏れ磁束による誘導加熱が抑えられる。なおかつ、コイル７の磁束キャンセル効果があり、加熱ローラ１の端部温度は２２５℃と非通紙部昇温を抑えることができる。
【００９０】
このように、小サイズ紙を連続的に通紙したとき、加熱ローラ１がキュリー温度付近まで非通紙部昇温すると、外部加熱部材としてのベルト３ｃが外部遮蔽部材の役割を果たし、非通紙部昇温を防止あるいは低減することができる。
【００９１】
本実施例において、外部加熱ユニット４の外部加熱部材としての回転可能な無端ベルト３ｃを、加熱源で加熱され、非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有する回転可能なローラにすることもできる。
【００９２】
かくして、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【００９３】
［実施例２］
図１１は本実施例における像加熱装置である定着装置Ｆの要部の拡大横断面模型図である。本実施例の定着装置Ｆは上述した実施例１の定着装置Ｆにおいて、外部加熱ユニット３を無しにし、加圧部材としての加圧ローラ２を外部加熱部材に兼用させた構成の装置である。実施例１の定着装置Ｆと共通する構成部材・部分には共通の符号を付して再度の説明を省略する。
【００９４】
本実施例２において、加圧ローラ２は外径３８ｍｍ、長さは３５０ｍｍであって、肉厚３ｍｍの銅（非磁性低抵抗金属）から成る芯金２ａを有する。また、芯金２ａの周面に形成される厚さ１ｍｍの耐熱弾性層２ｂ、および耐熱弾性層２ｂの周面に形成されるＰＦＡ、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂より成る厚さ１００μｍの表層２ｃを有する。また、芯金２ａの内部には加圧ローラ２に熱を与える加熱源２ｄが配置されている。
【００９５】
加圧ローラ２は加熱ローラ１と相互圧接して記録材Ｐを挟持搬送するニップ部Ｎを形成する加圧部材として機能する。本実施例においては、該両ローラ１・２間に記録材Ｐを挟持搬送してトナー像を加熱定着する幅約４ｍｍの定着ニップ部Ｎが形成されている。また、本実施例において加圧ローラ２は加熱ローラ１の外面に当接しており加熱源２ｄにより加熱されて加熱ローラ１を外側から加熱する外部加熱部材としても機能する。
【００９６】
本実施例においては、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ前記２つの位置のうちの一つがニップ部Ｎに位置するように、加熱ローラ１の内側に配設されるコイル・アセンブリ４の加圧ローラ周方向に関する姿勢角度が設定されている。
【００９７】
以上の構成を備える本実施例では、前記の実施例１の装置と同様に、小サイズ紙を連続通紙した際、非通紙部昇温が起こり、漏れ磁束が発生する。しかし、上記のように加圧ローラ２の芯金２ａを非磁性低抵抗金属で構成すると共に、加圧ローラ２を加熱ローラ回転方向Ａに対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ位置に配置するように設けることで、外部遮蔽の効果が得られる。
【００９８】
実際、芯金２ａに鉄を用いると、小サイズ紙連続通紙時の加熱ローラ１の端部温度は最大２３５℃まで上昇する。それに対し、非磁性低抵抗金属である銅の芯金２ａでは加熱ローラ１の端部の温度上昇は２３０℃までに抑えられ、非通紙部昇温を低減することができる。この構成は、先の実施例１の形態（外部加熱ユニット３を有する形態）を組み合わせることによって、更なる効果が期待できることは明白である。
【００９９】
かくして、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【０１００】
［実施例３］
図１２は本実施例における像加熱装置である定着装置Ｆの要部の拡大横断面模型図である。本実施例の定着装置Ｆも上述した実施例１の定着装置Ｆにおいて、外部加熱ユニット３を無しにし、加圧部材としての加圧ベルト２を外部加熱部材に兼用させた構成の装置である。実施例１の定着装置Ｆと共通する構成部材・部分には共通の符号を付して再度の説明を省略する。
【０１０１】
加圧ベルト２は、所定の間隔をあけてそれぞれ加熱ローラ１に対して並行に配列された第１と第２の２本の支持ローラ２ｅと２ｆ間に懸回張設されている。支持ローラ２ｅと２ｆは、外径２０ｍｍ、長さ３６０ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミでできた中空ローラであり、各ローラの内空内部にはそれぞれ加熱源としてのハロゲンヒータ２ｇ・２ｈが設けられている。加圧ベルト２は可撓性・耐熱性を有する無端ベルトであり、非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有する。本実施例においてはこの加圧ベルト２は、厚さ２５０μｍ、長さ３５５ｍｍの銅から成る。
【０１０２】
支持ローラ２ｅ・２ｆは加熱ローラ１に対して不図示の加圧機構によって所定の押圧力で当接されている。この加圧当接状態において、支持ローラ２ｅ・２ｆが加圧ベルト２を介して加熱ローラ１の外面に圧接している。また、支持ローラ２ｅ・２ｆ間のベルト部分が加熱ローラ１の外面に腹当てに圧接している。本実施例においては、加圧ベルト２の上行側のベルト部分を加圧パッド２ｉにより加熱ローラ１に加圧している。これにより、加熱ローラ１と加圧ベルト２との間に加熱ローラ１の回転方向に関して幅広のニップ部Ｎが形成される。
【０１０３】
本実施例においては、加熱ローラ１・加圧ベルト２間に記録材Ｐを挟持搬送してトナー像を加熱定着する幅約２０ｍｍのニップ部Ｎが形成されている。加圧ベルト２は加熱ローラ１が回転駆動されることで従動して回転する。支持ローラ２ｅ・２ｆも加圧ベルト２が回転することで従動して回転する。加熱ローラ１が回転駆動され、加圧ベルト２が従動回転している状態において、支持ローラ２ｅ・２ｆはハロゲンヒータ２ｇ・２ｈへの通電により所定の温度に加熱される。この支持ローラ２ｅ・２ｆにより加圧ベルト２が加熱されて、加熱ローラ１の外面がニップ部Ｎにおいて加圧ベルト２の熱で外部加熱される。
【０１０４】
かくして、本実施例において加圧ベルト２は加熱ローラ１と相互圧接して記録材Ｐを挟持搬送するニップ部Ｎを形成する加圧部材として機能する。また、本実施例において加圧ベルト２は加熱ローラ１の外面に当接しており加熱源２ｇ・２ｈにより加熱されて加熱ローラ１を外側から加熱する外部加熱部材としても機能する。
【０１０５】
また、本実施例においては、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ前記２つの位置が共にニップ部Ｎに位置するように、加熱ローラ１の内側に配設されるコイル・アセンブリ４の加圧ローラ周方向に関する姿勢角度が設定されている。
【０１０６】
これにより、前記実施例１および実施例２と同様の効果が期待できることは明白である。また、本実施例３と上記の実施例１を組み合わせることによって、更なる効果が期待できることは明白である。
【０１０７】
かくして、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【０１０８】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の技術思想内であらゆる変形が可能である。
【０１０９】
［その他の事項］
磁束発生手段４のコイル７は少なくとも１つある。複数のコイル７を具備させてもよい。磁性コア６はコイルの近辺に配置されていて像加熱部材１の整磁合金層１ａに磁束を導くものである。
【０１１０】
２）像加熱部材１はローラ体に限られない。回転可能なエンドレスベルト体にすることもできる。
【０１１１】
３）加圧部材は回転可能なローラ体やエンドレスベルト体に限られない。表面（像加熱部材１や記録材Ｐとの当接面）の摩擦係数が小さい非回転部材（加圧パッドなど）の形態にすることもできる。
【０１１２】
４）装置に対する記録材Ｐの通紙（搬送）は中央基準に限られない。記録材の幅方向の一方側の側部を基準として通紙（搬送）する片側基準の装置構成とすることもできる。
【０１１３】
５）本発明の像加熱装置は、実施例のような、記録材に形成された未定着画像を固着画像として加熱定着する定着装置としての使用に限られない。記録材に一旦定着された或いは仮定着された画像（定着済み画像又は半定着画像）を加熱加圧して光沢度を向上させるなどの画像の表面性状を調整する加熱処理装置としても有効である。
【０１１４】
６）画像形成装置の画像形成部は電子写真方式に限られない。静電記録方式や磁気記録方式の画像形成部であってもよい。また、転写方式に限られず、記録材に対して直接方式で未定着画像を形成する構成のものであってもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
Ｆ・・像加熱装置、１・・像加熱部材、１ａ・・整磁合金層、７・・コイル、３ｃ・・外部加熱部材、３ｄ・３ｅ・・加熱源、Ｐ・・記録材、ｔ・・像、Ａ・・像加熱部材１の回転方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録材上の像を加熱する電磁誘導加熱方式の像加熱装置、および当該像加熱装置を備える複写機・プリンタ・ファクシミリ等の画像形成装置に関する。
【０００２】
記録材上の像を加熱する像加熱装置としては、記録材上に形成された未定着画像を固着画像として加熱定着する定着装置や、記録材に定着された画像を再加熱することにより画像の光沢度を増大させる光沢度増大装置等を挙げることができる。
【背景技術】
【０００３】
電子写真方式・静電記録方式等の画像形成装置は、シート状の記録材（記録紙・転写材など）上に形成されたトナー画像を記録材上に定着する或いは加熱する像加熱装置を備える。この像加熱装置は、加熱ローラ（定着ローラ）もしくはエンドレスの加熱ベルトである像加熱部材と、像加熱部材と相互圧接して、記録材を挟持搬送するニップ部を形成する加圧部材と、を有する。
【０００４】
像加熱部材（以下、加熱ローラと記す）は、発熱体によって内部または外部より、直接もしくは間接的に加熱されて、表面温度が所定の定着温度に維持される。発熱体は、例えばハロゲンヒータや抵抗発熱体等が挙げられる。未定着のトナー画像が形成された記録材は、ニップ部で加熱されると共に加圧されて、未定着のトナー画像が記録材面に固着画像として定着される。
【０００５】
近年は、画像形成装置の省エネルギー化と、ウォームアップ時間の短縮といったユーザーの操作性向上の両立を図ることが重視されている。このことから加熱ローラが直接発熱して発熱効率の高い誘導加熱方式を用いた像加熱装置（以下、誘導像加熱装置と記す）が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
この誘導像加熱装置は、励磁コイルが発生する磁束の作用によって、金属導体からなる中空の加熱ローラに誘導電流（渦電流）を発生させ、加熱ローラ自体の表皮抵抗によって加熱ローラそのものがジュール発熱する。そのため、この誘導像加熱装置によれば、ウォームアップ時間の短縮が可能となる。
【０００７】
また、このような誘導像加熱装置においては、印加する高周波電流の周波数、加熱ローラの透磁率および固有抵抗値とから決定される表皮抵抗に比例した電力が発熱する。したがって、印加する高周波電流の周波数を制御することによって、加熱ローラの発熱量を常に最適化することができ、装置の省エネルギー化を達成することが可能となる。
【０００８】
一方で、このような誘導像加熱装置にあっては、磁束により発熱する表皮深さがコイルに通電される周波数、加熱ローラの固有抵抗値によって決められる。そのため、加熱ローラの厚みが表皮深さよりも厚い場合には、発熱量は変わらないため、加熱ローラの厚さが大きくなるほど、かえって発熱効率が低下してしまい、ウォームアップ時間短縮の効果を得ることが困難となる。
【０００９】
逆に加熱ローラの厚さが表皮深さよりも薄いと、磁束が加熱ローラを突き抜けてしまい、発熱量が少なくなるだけでなく、加熱ローラ周辺の金属部材を加熱してしまう。したがって、加熱ローラの厚さはおおよそ５０〜２０００μｍ程度が望ましい。
【００１０】
このような誘導像加熱装置においても、従来の像加熱装置と同様に小サイズの記録材を連続通紙すると、記録材が通過しない非通紙部領域の昇温（非通紙部昇温）が発生する。この非通紙部昇温対策として、特許文献２に開示されるように、加熱ローラに、キュリー温度が所定の定着温度に調整された整磁合金を用いた誘導像加熱装置が提案されている。
【００１１】
一般に磁性材料は、加熱されて材料固有のキュリー温度を越えると自発磁化が消失する。そのため、磁性材料内に通過する磁束密度が減少し、それに伴って磁性材料中に誘導される渦電流が減少することで、磁性材料の発熱量が減少する。したがって、加熱ローラの材料として、所定温度に調整されたキュリー温度を持つ整磁合金を用いることで、加熱ローラは所定温度以上に加熱されることが無い。そのため、上述の非通紙部昇温を改善することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭５９−３３７８７号公報
【特許文献２】特開２０００−３９７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、さらに高画質な定着画像あるいは加熱画像を実現するため、加熱ローラの表層に弾性層を持たせたとき、表面の熱伝導率低下に伴い、ウォームアップ時間が長くなってしまう。また、弾性層の蓄熱により、上述の非通紙部昇温が大きくなり、搬送性の低下や寿命が短いといった問題がおこる。
【００１４】
そこで本発明では、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明に係る像加熱装置の代表的な構成は、高周波電流が印加されるコイルが内側に配設されていて当該コイルから生じる磁束により発熱する整磁合金層と当該整磁合金層よりも外側に弾性層を有し像を担持した記録材に接して記録材を加熱する回転可能な中空の像加熱部材を有する像加熱装置であって、前記像加熱部材の外面に当接しており加熱源により加熱されて像加熱部材を外側から加熱する外部加熱部材を有し、当該外部加熱部材は前記整磁合金層の整磁合金よりも抵抗率が小さい非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有しており前記コイルにより加熱される前記像加熱部材が回転方向に関して最大発熱量を持つ位置の少なくとも１つに対応する位置に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１における画像形成装置の概略構成模型図である。
【図２】像加熱装置である定着装置の要部の拡大横断面模型図である。
【図３】要部の正面模型図である。
【図４】コイル・アセンブリ（磁束発生手段）の外観斜視図である。
【図５】電磁誘導加熱原理を説明する図である。
【図６】抵抗値の温度依存性を説明する図である。
【図７】透磁率の温度依存性を説明する図である。
【図８】表皮深さと芯金肉厚および発熱量を説明する図である。
【図９】キュリー材を用いた誘導加熱装置の力率の温度依存性を説明する図である。
【図１０】加熱部材の位置と発熱量の関係を説明する図である。
【図１１】実施例２における定着装置の要部の拡大横断面模型図である。
【図１２】実施例３における定着装置の要部の拡大横断面模型図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
［実施例１］
（１）画像形成装置例
図１は本発明に従う電磁誘導加熱方式の像加熱装置を定着装置（画像定着手段）として備えた画像形成装置の一例の概略構成模型図である。
【００２０】
本例の画像形成装置は電子写真プロセスを用いたレーザー走査露光方式のデジタル画像形成装置（複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機能機等）である。
【００２１】
４１は像担持体としての回転ドラム型の感光体（以下、感光ドラムと記す）であり、矢印の時計方向に所定の周速度をもって回転駆動される。４２は一次帯電器であり、本実施例においては、感光ドラム４１をマイナス極性の所定の暗電位Ｖｄに一様に帯電する。
【００２２】
４３は像露光手段であるレーザービームスキャナであり、画像読取装置、コンピュータ等のホスト装置（不図示）から入力されるデジタル画像信号に対応して変調されたレーザービームＬを出力して感光ドラム４１の一様帯電処理面を走査露光する。この走査露光により、感光ドラム４１の露光部分は電位絶対値が小さくなって明電位Ｖｌとなり、感光ドラム４１面に画像信号に対応した静電潜像が形成される。静電潜像は現像器４４により現像されて、感光ドラム面の露光明電位Ｖｌ部にマイナスに帯電したトナーが付着することでトナー画像として顕像化される。
【００２３】
一方、不図示の給紙トレイ上から給紙された紙等のシート状の記録材Ｐは、転写バイアスが印加された転写部材としての転写ローラ４５と感光ドラム４１とが圧接している転写部へ適切なタイミングをもって搬送される。そして、記録材Ｐの面に感光ドラム４１上に形成されているトナー画像ｔが順次転写される。
【００２４】
トナー画像ｔが転写形成された記録材Ｐは、感光ドラム４１から分離され、後述する定着装置Ｆに導入されて、熱と圧によって、トナー画像ｔが記録材上に定着され、その後機外に排出される。
【００２５】
記録材Ｐを分離した後の感光ドラム４１の表面は、クリーニング装置４６で感光ドラム表面に残った転写残トナーがクリーニングされ、その後、繰り返して作像に供される。記録材搬送方向ａに関して定着装置Ｆよりも上流側の装置機構部が記録材に未定着画像を形成する画像形成手段である。
【００２６】
（２）定着装置Ｆ
図２は像加熱装置である定着装置Ｆの要部の拡大横断面模型図である。図３は要部の正面模型図である。ここで、定着装置Ｆについて、正面とは記録材導入口側から見た面である。装置構成部材について、長手方向とは、像加熱部材（加熱ローラ）１の回転軸線方向、若しくは定着ニップ部Ｎを含む平面において記録材Ｐの搬送方向ａに対して直交する方向に並行な方向としている。また、中央部及び端部は、その長手方向の中央部及び端部である。
【００２７】
定着装置Ｆは、電磁誘導加熱方式で発熱する加熱ローラ型の像加熱装置である。磁束により発熱する導電層を有する像加熱部材としての加熱ローラ１（定着ローラ）を有する。また、加熱ローラ１と相互圧接して記録材を挟持搬送するニップ部Ｎを形成する加圧部材としての加圧ローラ２を有する。また、加熱ローラ１の外面に当接して加熱する外部加熱ユニット３を有している。
【００２８】
加熱ローラ１は、外径が４０ｍｍ、厚さは１．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍの中空ローラである。加熱ローラ１は、本実施例ではキュリー温度Ｔｃが２２０℃になるように鉄、ニッケル、クロム、マンガン等の材料が配合され、固有抵抗が約５Ω・ｍである整磁合金よりなる導電層（整磁合金層）である芯金１ａを有する。
【００２９】
本実施例ではキュリー温度Ｔｃは、画像形成時（記録材を加熱する動作時）に記録材上の画像を加熱するときの制御温度である像加熱温度Ｔｆ（以下、定着温度Ｔｆ：本実施例では２００℃とする）より高い温度に設定した。また、キュリー温度Ｔｃは、像加熱装置の耐熱温度（本実施例では２３０℃とする）未満の温度に設定した。即ち、加熱ローラ１の制御温度（温調温度）は加熱ローラ１のキュリー温度Ｔｃよりも低い温度に設定している。ここで、像加熱装置の耐熱温度とは、像加熱装置の一部の部品の熱損が著しくなる温度である。
【００３０】
また、芯金１ａの外周面には、カラー画像等の高画質な定着画像を得るために、シリコーンゴムなどの厚さ２５０μｍの耐熱弾性層１ｂが設けられている。さらにその外周面に、トナーに対する離型性を高めるためにＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素樹脂より成る、厚さ２０μｍの表層１ｃが設けられている。
【００３１】
この加熱ローラ１はその両端部側がそれぞれ定着装置Ｆの枠体の一部である手前側と奥側の側板（定着ユニットフレーム）２１・２２間に軸受２３を介して回転可能に支持されて配設されている。加熱ローラ１の中空内部（内側）には、芯金１ａに誘導電流（渦電流）を誘起させてジュール発熱させるための高周波磁界を生じさせるためのコイル（励磁コイル）を有する磁場発生手段（磁束発生手段）としてのコイル・アセンブリ４が挿入されて配置されている。
【００３２】
図４はコイル・アセンブリ４の外観斜視図である。コイル・アセンブリ４は加熱ローラ１の回転軸線方向に長く、ボビン５、磁性材からなる磁性コア（磁性芯材）６、コイル（励磁コイル）７を有する。磁性コア６はボビン５に保持されており、コイル７はボビン５の周囲に電線を巻回して形成されている。コイル７はボビン５に加熱ローラ１の回転軸線方向に延伸して巻かれている。磁性コア６はコイル７の近辺には配置されて加熱ローラ１（導電層１ａ）の磁束を導く。ボビン５・磁性コア６・コイル７が一体化されてステー８に固定支持されている。
【００３３】
コイル・アセンブリ４は加熱ローラ１の内面と励磁コイル７間に一定のギャップを保持させた状態にしてステー８の両端部８ａ・８ａでそれぞれ定着装置の手前側と奥側の保持部材２４・２５に非回転に固定支持されている。ボビン５・磁性コア６・コイル７は加熱ローラ１の外部には露呈しないように加熱ローラ１の内空部に収納されている。
【００３４】
磁性コア６はフェライト、パーマロイ等の、高透磁率で残留磁束密度の低い材料であって、コイル７によって発生した磁束を加熱ローラ１に導くものである。本実施例における磁性コア６は横断面Ｔ字型であり、Ｔ字の横棒部分と縦棒部分とを構成する２枚の板条磁性コア６（１）と６（２）とが組み合わされている。
【００３５】
コイル７は、加熱ローラ１の長手方向に平行に延び、磁性コア６（１）を周回するようにボビン５の形状に合わせて横長舟型に複数回巻回して両端を折り曲げられて巻かれるリッツ線を束ねたものである。また、加熱ローラ１の内周に沿うように湾曲して配置されている。即ち、コイル７は加熱ローラ１の回転軸方向に延伸して巻かれ、加熱ローラ１の回転軸線方向に直交する方向の磁束を発生することで加熱ローラ１を加熱する。
【００３６】
７ａ・７ｂは上記励磁コイル７の２本のリード線（コイル供給線）であり、ステー８の奥側から加熱ローラ１の外部に引き出して、コイル７に高周波電流を供給する高周波インバーター（高周波回路）１０１に接続してある。高周波インバーター１０１はスイッチング素子を有し、このスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにより、所定の周波数の電流をコイル７に流すことができる。本実施例に用いた高周波インバーター１０１は所定の電圧（１００Ｖ）で出力し、電力制御は可変の電流値および電流のＯＮ／ＯＦＦ時間によって決定される。
【００３７】
加圧ローラ２は、外径３８ｍｍ、長さは３５０ｍｍであって、外径２８ｍｍ、肉厚３ｍｍの芯金２ａを有する。また、芯金２ａの周面に形成される厚さ５ｍｍの耐熱弾性層２ｂ、および耐熱弾性層２ｂの周面に形成されるＰＦＡ、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂より成る厚さ１００μｍの表層２ｃを有する。加圧ローラ２は加熱ローラ１の下側に並行に配列されて、芯金２ａの両端部側がそれぞれ定着装置の枠体の手前側と奥側の側板２１・２２間に軸受２６を介して回転自在に保持されている。
【００３８】
そして、上記の加熱ローラ１と加圧ローラ２は互いに不図示の加圧機構（加圧手段）によって所定の加圧力で圧接されている。これにより、該両ローラ１・２間に記録材Ｐを挟持搬送してトナー像を加熱定着する、記録材搬送方向ａに関して幅約６ｍｍのニップ部（定着ニップ部）Ｎが形成されている。
【００３９】
外部加熱ユニット３は、所定の間隔をあけてそれぞれ加熱ローラ１に対して並行に配列された第１と第２の２本の支持ローラ３ａと３ｂを有する。また、この２本の支持ローラ３ａ・３ｂ間に懸回張設された可撓性・耐熱性を有する、外部加熱部材としての無端ベルト（外部加熱ベルト）３ｃを有する。支持ローラ３ａと３ｂは、外径２０ｍｍ、長さ３６０ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミでできた中空ローラであり、各ローラの内空内部にはそれぞれ加熱源としてのハロゲンヒータ３ｄ・３ｅが設けられている。
【００４０】
ベルト３ｃは加熱ローラ１の芯金１ａに用いたキュリー材、即ち整磁合金層の整磁合金よりも抵抗率が小さい非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有する。この金属は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ＳＵＳ（オーステナイト系）及びこれらの金属を用いた合金の群から選択される少なくとも１つである。本実施例においては、ベルト３ｃは厚さ２５０μｍ、長さ３５５ｍｍの銅から成る。
【００４１】
第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂはユニット筐体３ｆの前側と奥側の側板間に回転可能に軸受されて保持されている。そして、外部加熱ユニット３は加熱ローラ１に対して不図示の加圧機構によって所定の押圧力で当接されている。この加圧当接状態において、第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂがベルト３ｃを介して加熱ローラ１の外面に圧接している。また、第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂ間のベルト部分が加熱ローラ１の外面に腹当てに圧接している。これにより、加熱ローラ１とベルト３ｃとの間に加熱ローラ１の回転方向に関して幅広の外部加熱ニップ部が形成される。
【００４２】
ベルト３ｃは加熱ローラ１が回転駆動されることで従動して回転する。第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂもベルト３ｃが回転することで従動して回転する。加熱ローラ１が回転駆動され、ベルト３ｃが従動回転している状態において、第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂはそれぞれハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電により所定の温度に加熱される。この第１と第２の支持ローラ３ａ・３ｂによりベルト３ｃが加熱されて、加熱ローラ１の外面が外部加熱ニップ部においてベルト３ｃの熱で外部加熱される。
【００４３】
１１は加熱ローラ１の温度検知部材としてのサーミスタである。サーミスタ１１は定着ローラ１の長手方向の中央部分に設けられている。また、サーミスタ１１は、加熱ローラ１を隔ててコイル７に向かい合うように、定着ローラ１の表面に対して弾性部材１１ａにより押圧して弾性的に圧接されて配置されている。このサーミスタ１１の加熱ローラ温度の検知信号は制御回路（ＣＰＵ）１００に入力される。
【００４４】
１２は定着前ガイド板であり、作像機構部側から定着装置Ｆに搬送された記録材Ｐをニップ部Ｎの入口部に案内する。１３は分離爪であり、ニップ部Ｎに導入されてニップ部Ｎを出た記録材Ｐが加熱ローラ１に巻きつくことを抑え、加熱ローラ１から記録材Ｐを分離するためのものである。１４は定着後ガイド板であり、ニップ部Ｎの出口部を出た記録材Ｐを排紙案内する。前記ボビン５、ステー８、分離爪１３は耐熱および電気絶縁性エンジニアリング・プラスチックから形成されている。
【００４５】
Ｇは加熱ローラ１を駆動するためのドライブギアであり、加熱ローラ１の奥側の端部側に固着されている。このドライブギアＧに駆動源Ｍから伝達系を介して駆動力が伝達されることで、加熱ローラ１が図２において矢印Ａの時計方向に本実施例では５００ｍｍ／ｓｅｃの周速度にて回転する。加圧ローラ２はニップ部Ｎでの加熱ローラ１との摩擦力で加熱ローラ１の回転に従動して矢印の反時計方向Ｂに回転する。
【００４６】
１５は加熱ローラクリーナである。クリーニングウエブ１５ａをロール巻きに保持したウエブ繰り出し軸部１５ｂと、ウエブ巻取り軸部１５ｃと、該両軸部１５ｂ・１５ｃ間のウエブ部分を加熱ローラ１の外面に押し付ける押し付けローラ１５ｄを有する。押し付けローラ１５ｄで加熱ローラ１に押し付けたウエブ部分で加熱ローラ１面にオフセットしたトナーが拭われて加熱ローラ面が清掃される。加熱ローラ１に押し付けられるウエブ部分は繰り出し軸部１５ｂ側から巻取り軸部１５ｃ側にウエブ１５ａが少しずつ送られることで徐々に更新される。
【００４７】
本実施例では、通紙は中央基準で行われる。Ｓはその中央基準（仮想線）である。すなわち、装置に通紙使用可能な大小いかなる幅サイズの記録材も、記録材の中央部が加熱ローラ軸方向の中央部を通過することになる。本実施例の画像形成装置においては、通紙できる記録材の最大幅サイズ（以下、大サイズ紙と記す）は例えば１３インチ（３３０ｍｍ）である。また通紙できる記録材の最小幅サイズ（以下、小サイズ紙と記す）は例えばＢ５縦（１３８ｍｍ）である。Ｐ１はその大サイズ紙の通紙領域幅、Ｐ２は小サイズ紙の通紙領域幅である。
【００４８】
サーミスタ１１は、小サイズ紙の通紙領域幅Ｐ２の略中央部に対応する加熱ローラ中央部分に接触して設けられている。即ち、通紙領域は、装置に通紙可能なすべてのサイズの記録材が通過する領域であって、サーミスタ１１は、加熱ローラ１の通紙領域の温度を検知する。本実施例では、接触式のサーミスタであるが、非接触のサーミスタでも問題ない。
【００４９】
次に、定着装置Ｆの動作について説明する。画像形成装置の制御回路部１００は、装置のメイン電源スイッチのＯＮにより画像形成装置を起動させて所定の立ち上げモードをスタートさせる。
【００５０】
定着装置Ｆは駆動源Ｍの起動により加熱ローラ１の回転が開始される。この加熱ローラ１の回転に従動して加圧ローラ２及びベルト３ｃも回転する。また制御回路部１００は高周波インバーター１０１を起動させてコイル７に高周波電流を流す。本実施例では、高周波電流の周波数ｆ２は２０ｋＨｚである。このコイル７への高周波電流の印加により生じた磁束により加熱ローラ１の芯金１ａが電磁誘導加熱される。
【００５１】
また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電も開始する。このハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電により支持ローラ３ａと３ｂが加熱されることでベルト３ｃが加熱され、外部加熱ニップ部において加熱ローラ１の外面がベルト３ｃの熱により外部加熱される。
【００５２】
上記の電磁誘導加熱と外部加熱とにより加熱ローラ１が所定のスタンバイ完了温度、本実施例では定着温度である２００℃まで迅速に昇温する。この加熱ローラ１の温度は、サーミスタ１１で検知され、その検知温度情報が制御回路部１００に入力する。
【００５３】
加熱ローラ１の温度が２００℃に到達したら、画像形成信号の入力を待機するスタンバイ状態（待機モード）となる。本実施例では、スタンバイ状態時は、加熱ローラ１は停止している。また、本実施例ではスタンバイ温度は２００℃である。スタンバイ中（待機モード中）においては、通電制御手段である制御回路部１００は、加熱ローラ１の大サイズ紙通紙領域幅Ｐ１の略全域定着温度２００℃に維持するよう上記の電磁誘導加熱と外部加熱を制御する。即ち、コイル７に対する高周波電流を制御する。また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅに対する通電を制御する。
【００５４】
そして、この待機モード時に画像形成信号が入力されると、加熱ローラ１は作像機構部において記録材上にトナー像が形成される。また、所定の制御タイミングで加熱ローラ１の再駆動がなされる。そして、未定着トナー像ｔを担持した記録材Ｐがニップ部Ｎで挟持搬送されることで、所定の定着温度に維持された加熱ローラ１の熱と圧により、未定着トナー像ｔが記録材Ｐの面に加熱定着される。
【００５５】
像加熱工程中（定着動作中）においては、通電制御手段である制御回路部１００は、加熱ローラ１の大サイズ紙通紙領域幅Ｐ１の略全域が定着温度２００℃に維持するよう、高周波電流を制御する。また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電も制御する。本実施例では定着温度は２００℃である。本実施例では、高周波電流の周波数ｆ２は２０ｋＨｚとし、待機モード中と同じ周波数である。
【００５６】
なお、像加熱工程中はサーミスタ１１の出力と定着温度との差分に応じて、コイル７に印加される電力の変更が行われている。また、ハロゲンヒータ３ｄ・３ｅへの通電もオン／オフ制御される。
【００５７】
ここで、図５を用いて、加熱ローラ１の導電層である芯金１ａの電磁誘導発熱原理を説明する。コイル７には、高周波インバーター１０１から交流電流が印加され、これによってコイル７の周囲には矢印Ｈで示した磁束が生成消滅を繰り返す。磁束Ｈは、磁性コア６と芯金１ａによって形成された磁路に沿って導かれる。コイル７が生成した磁束の変化に対して、芯金１ａ内では、磁束の変化を妨げる方向に磁束を発生するように渦電流が発生する。この渦電流を矢印Ｃで示す。
【００５８】
この渦電流Ｃは、表皮効果により芯金１ａのコイル７側の面に集中して流れ、芯金１ａの表皮抵抗Ｒｓ（Ω）に比例した電力で発熱を生じる。
【００５９】
ここで、コイル７に印加する交流電流の周波数ｆ（Ｈｚ）、芯金１ａの導体の透磁率μ（Ｈ／ｍ）、芯金１ａの固有抵抗ρ（Ω・ｍ）から得られる表皮深さδ（ｍ）および表皮抵抗Ｒｓ（Ω）は、式１および式２で示される。
【００６０】
【数１】
【００６１】
【数２】
【００６２】
また、芯金１ａに発生する電力Ｗは、芯金１ａに誘導される渦電流をＩｆ（Ａ）として、式３で示される。
【００６３】
【数３】
【００６４】
以上より、芯金１ａの発熱量を増加させるためには、渦電流Ｉｆを大きくする、または表皮抵抗Ｒｓを大きくすればよい。
【００６５】
渦電流Ｉｆを大きくするためには、コイル７によって生成される磁束を強くする、あるいは磁束の変化を大きくすればいい。例えば、コイル７の巻き数を増やしたり、磁性コア６として、より高透磁率で残留磁束密度の低いものを用いたりすると良い。また、磁性コア６と芯金１ａとのギャップｄを少なくすることで、芯金１ａ中に導かれる磁束が増加するため、渦電流Ｉｆを大きくすることも出来る。
【００６６】
一方、表皮抵抗Ｒｓを大きくするためには、コイル７に印加する交流電流の周波数ｆを高くするか、より透磁率μの高く、固有抵抗の高い材料の芯金１ａとする。
【００６７】
次にキュリー温度Ｔｃについて説明する。一般に強磁性体は、材料固有のキュリー温度Ｔｃまで加熱されると、自発磁化を失い透磁率μが減少する。したがって、加熱ローラ１の導電部材である芯金１ａの温度がキュリー温度Ｔｃを越えてしまうと、表皮抵抗Ｒｓが減少する。その結果、芯金１ａの発熱量Ｗが減少する。
【００６８】
一般に抵抗値は式２で表されるとおり、周波数が一定の場合は透磁率μと抵抗率ρで決まり、一般に抵抗率は温度上昇に伴って緩やかに増加する。
【００６９】
ここで、加熱ローラ１の抵抗値（表皮抵抗）Ｒｓは磁束発生手段４を加熱ローラ１に装着したときのコイル７に電流を流したときのコイル７からみた加熱ローラ１のみかけの負荷抵抗に相当する。
【００７０】
このみかけの抵抗値の測定方法、及び抵抗値の温度依存性は以下のように測定する。アジレント社製のＬＣＲメータ（型番ＨＰ４１９４Ａ）を用いて、周波数２０ｋＨｚの交流を印加した際の加熱ローラ１の抵抗値を測定した。このとき、加熱ローラ１、磁束発生手段である励磁コイル、コアは像加熱装置に装着された状態で測定するものとする。このとき加熱ローラ１の温度を変えていき、温度と加熱ローラ１の抵抗値を同時にプロットしていくことで加熱ローラ１の抵抗値の温度特性曲線を得ることができる。
【００７１】
また、加熱ローラ１の温度を変えるには、恒温室に加熱ローラ１及び磁束発生手段を装置に装着させた位置関係に保った状態で、加熱ローラの温度を変化させる。そして、ローラ温度を恒温室の温度に飽和させてから上記の測定法で抵抗値を測定する。このように測定すると、抵抗値の温度依存性は図６のような曲線になる。
【００７２】
以上より、芯金１ａに、所定の温度、具体的には、被加熱材加熱温度としての定着温度よりも高く、非通紙部昇温の許容昇温温度内の所定の温度にキュリー温度を調整した整磁合金を用いることによって、芯金１ａはキュリー温度付近では発熱量が急激に低下する。そのため、小サイズの記録シートをとおしても、非通紙部昇温の発生を防止もしくは低減することができる。
【００７３】
また、透磁率の測定方法は以下のように行う。岩通計測株式会社製のＢ−Ｈアナライザー（型番：ＳＹ−８２３２）を用いて測定した。測定試料に装置の所定の一次コイルと二次コイルを巻きつけて周波数２０ｋＨｚで測定する。測定試料はコイルが巻きつけられる形状であれば構わない（透磁率の異なる温度同士の比率は殆ど変わらない）。
【００７４】
試料にコイルを設定したら、恒温室に試料を入れて温度を飽和させ、その温度における透磁率をプロットする。恒温室の温度を変えてやることで透磁率の温度依存性曲線が得られる。恒温室の温度を上昇させていき、ある温度で透磁率が変化しなくなる。この透磁率が変化しなくなった温度をキュリー温度とみなす。このように測定すると透磁率の温度依存性は図７のような曲線になる。
【００７５】
また、図８は芯金１ａの断面において渦電流が誘導される領域を示す模式図である。（ａ）は芯金１ａの厚さｄ（ｍｍ）が表皮深さをδ（ｍｍ）と比較して広い場合である。（ｂ）は芯金１ａの温度がキュリー温度Ｔｃ以上になった場合である。
【００７６】
この場合において、キュリー温度Ｔｃ以上における表皮深さをδｃ（ｍｍ）とすると、芯金１ａの厚さｄ（ｍｍ）が表皮深さをδｃ（ｍｍ）と比較して狭い場合は、芯金１ａの断面のおよそすべてに渦電流が流れる。そのため、発熱量が減少する。
【００７７】
この状態では、加熱ローラ１の温度上昇はほぼ停止し、加熱ローラ１の表面温度は芯金１ａに用いた整磁合金のキュリー温度とほぼ等しくなる。即ち、加熱ローラ１の発熱量と加熱ローラ１の放熱量のバランスにより、加熱ローラ１の温度は、飽和温度に自己調整される。そのため、コイル７に印加する高周波電流が、所定の周波数ｆにあっては、加熱ローラ１の表面温度はキュリー温度以上にすることが困難である。
【００７８】
すなわち、図３において、加熱ローラ１の、小サイズ紙が通過するＰ２の領域の温度は定着温度Ｔｆに維持される。しかし、小サイズ紙が通過しないＰ２以外の領域の温度は、飽和温度に自己調整されることで、非通紙部昇温を低減させることが出来る。また、図９に示すように、温調温度がキュリー温度に近づいてくると、力率の低下に伴いＩＨ電源効率が低下するため発熱効率が低下してしまう。
【００７９】
そのため、弾性層を持たせた加熱ローラ１を用いると、ウォームアップ時間が大幅に伸びる、キュリー温度付近での温調ができない、小サイズの記録シートを通紙したときにおこる非通紙部昇温が厳しくなるといった問題が起こる。
【００８０】
そこで、本実施例では、加熱ローラ１に対する外部加熱ユニット３を配設し、該ユニット３の外部加熱部材としての外部加熱ベルト３ｃを加熱ローラ１の外面に対して当接させて直接加熱ローラ表層に熱を加える。これにより、ウォームアップ時間を短縮させている。また、その外部加熱部材としての外部加熱ベルト３ｃに銅（非磁性低抵抗金属）を用いる。そして、このベルト３ｃの加熱ローラ１に対する当接位置を、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ位置を少なくとも１つ以上を網羅するように配置するように設けている。
【００８１】
本実施例においては、加熱ローラ１は加熱ローラ回転方向Ａにおいて図１０の（ａ）のような発熱分布を持つ。加熱ローラ１の周方向の角度θに関しては、（ｂ）のように、磁性コア６（２）の対向位置を０°の位置とする。そして、この角度θ＝０°の位置から加熱ローラ回転方向Ａの上流側に１８０°の角度範囲を０〜＋１８０°とし、角度θ＝０°の位置から加熱ローラ回転方向Ａの下流側に１８０°の角度範囲を０〜−１８０°としている。本実施例の定着装置においては加熱ローラ１の最大発熱量を持つ位置（発熱ビーク部）は、ほぼ＋５５°と−５５°の２箇所の角度位置であった。
【００８２】
発熱分布の測定方法としては、株式会社日本総研ソリューションズ製の電磁界解析ソフトウェアであるＪＭＡＧ−Ｓｔｕｄｉｏを用いて、２次元の磁界解析を行い、加熱ローラ１の周方向におけるジュール損失密度分布（発熱分布）を求めた。
【００８３】
なお、発熱分布の測定方法は上記に限ったものではなく、その他の電磁界解析ソフトウェアを使用しても良い。また、加熱ローラ１の回転を停止し、加圧ローラ２を外した状態で、比較的短時間の加熱ローラの加熱を行ったときの、加熱ローラの周方向の温度分布を測定し、加熱前後の温度上昇ΔＴの分布を求めることで、発熱分布の代用としても良い。
【００８４】
また、温度分布の測定方法は、加熱ローラ１の回転を所定時間（本実施例では５分）停止した状態で、本実施例１におけるスタンバイ温度Ｔｓである２００℃に維持されたときの加熱ローラ１の表面温度を測定した。本実施例では、スタンバイ状態時は、加熱ローラは停止している。
【００８５】
本実施例においては、外部加熱ベルト３ｃを、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ上記２つの位置を網羅するように当接させて配設している。その結果、定着装置Ｆに対して小サイズ紙Ｐが連続的に通紙されて加熱ローラ１の非通紙部の温度がキュリー温度付近まで上昇したとき、加熱ローラ１の非通紙部において芯金１ａの透磁率減少により加熱ローラ１の外側に磁束が漏れる。その漏れた磁束がベルト３ｃを電磁誘導し、ベルト３ｃはコイル７が放つ磁束と逆向きの磁束を発生させ、このためコイル７が放つ磁束をキャンセルすることができる。
【００８６】
これについていま少し説明する。ベルト３ｃの抵抗値は誘導加熱される部材である加熱ローラ１の芯金１ａの抵抗値よりも小さければよい。加熱ローラ１の芯金１ａの温度がキュリー温度付近の場合は、透磁率の減少により磁束Ｈは芯金１ａを突き抜けて、外部加熱部材であるベルト３ｃを通過する。この場合、芯金１ａとベルト３ｃの両方が誘導加熱により発熱する。
【００８７】
ここでベルト３ｃは、加熱ローラ１の芯金１ａに用いたキュリー材よりも抵抗率を小さく設定すると、渦電流はベルト３ｃに多く誘導される。このことから、芯金１ａに誘導される渦電流は、外部加熱部材であるベルト３ｃが配置されていない状態に比べて減少し、発熱もそれにともなって減少する。一方で、外部加熱部材の抵抗率が小さいと、外部加熱部材に渦電流が多く誘導されても外部加熱自身の発熱量としてはより小さくなる。
【００８８】
実際、上記ベルト３ｃに従来用いられているニッケルベルトを用いると、上記の漏れた磁束によりベルト自体が発熱してしまい、加熱ローラ１の端部温度は２４０℃まで上昇した。また、上記ベルトがＰＩ（ポリイミド）ベルトでは、漏れ磁束による誘導加熱はしないが、加熱ローラ１の端部温度は２３０℃まで上昇している。
【００８９】
それに対し、上記ベルト３ｃに、芯金１ａに用いたキュリー材よりも抵抗率を小さい非磁性低抵抗金属である銅を用いると、低抵抗なために漏れ磁束による誘導加熱が抑えられる。なおかつ、コイル７の磁束キャンセル効果があり、加熱ローラ１の端部温度は２２５℃と非通紙部昇温を抑えることができる。
【００９０】
このように、小サイズ紙を連続的に通紙したとき、加熱ローラ１がキュリー温度付近まで非通紙部昇温すると、外部加熱部材としてのベルト３ｃが外部遮蔽部材の役割を果たし、非通紙部昇温を防止あるいは低減することができる。
【００９１】
本実施例において、外部加熱ユニット４の外部加熱部材としての回転可能な無端ベルト３ｃを、加熱源で加熱され、非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有する回転可能なローラにすることもできる。
【００９２】
かくして、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【００９３】
［実施例２］
図１１は本実施例における像加熱装置である定着装置Ｆの要部の拡大横断面模型図である。本実施例の定着装置Ｆは上述した実施例１の定着装置Ｆにおいて、外部加熱ユニット３を無しにし、加圧部材としての加圧ローラ２を外部加熱部材に兼用させた構成の装置である。実施例１の定着装置Ｆと共通する構成部材・部分には共通の符号を付して再度の説明を省略する。
【００９４】
本実施例２において、加圧ローラ２は外径３８ｍｍ、長さは３５０ｍｍであって、肉厚３ｍｍの銅（非磁性低抵抗金属）から成る芯金２ａを有する。また、芯金２ａの周面に形成される厚さ１ｍｍの耐熱弾性層２ｂ、および耐熱弾性層２ｂの周面に形成されるＰＦＡ、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂より成る厚さ１００μｍの表層２ｃを有する。また、芯金２ａの内部には加圧ローラ２に熱を与える加熱源２ｄが配置されている。
【００９５】
加圧ローラ２は加熱ローラ１と相互圧接して記録材Ｐを挟持搬送するニップ部Ｎを形成する加圧部材として機能する。本実施例においては、該両ローラ１・２間に記録材Ｐを挟持搬送してトナー像を加熱定着する幅約４ｍｍの定着ニップ部Ｎが形成されている。また、本実施例において加圧ローラ２は加熱ローラ１の外面に当接しており加熱源２ｄにより加熱されて加熱ローラ１を外側から加熱する外部加熱部材としても機能する。
【００９６】
本実施例においては、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ前記２つの位置のうちの一つがニップ部Ｎに位置するように、加熱ローラ１の内側に配設されるコイル・アセンブリ４の加圧ローラ周方向に関する姿勢角度が設定されている。
【００９７】
以上の構成を備える本実施例では、前記の実施例１の装置と同様に、小サイズ紙を連続通紙した際、非通紙部昇温が起こり、漏れ磁束が発生する。しかし、上記のように加圧ローラ２の芯金２ａを非磁性低抵抗金属で構成すると共に、加圧ローラ２を加熱ローラ回転方向Ａに対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ位置に配置するように設けることで、外部遮蔽の効果が得られる。
【００９８】
実際、芯金２ａに鉄を用いると、小サイズ紙連続通紙時の加熱ローラ１の端部温度は最大２３５℃まで上昇する。それに対し、非磁性低抵抗金属である銅の芯金２ａでは加熱ローラ１の端部の温度上昇は２３０℃までに抑えられ、非通紙部昇温を低減することができる。この構成は、先の実施例１の形態（外部加熱ユニット３を有する形態）を組み合わせることによって、更なる効果が期待できることは明白である。
【００９９】
かくして、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【０１００】
［実施例３］
図１２は本実施例における像加熱装置である定着装置Ｆの要部の拡大横断面模型図である。本実施例の定着装置Ｆも上述した実施例１の定着装置Ｆにおいて、外部加熱ユニット３を無しにし、加圧部材としての加圧ベルト２を外部加熱部材に兼用させた構成の装置である。実施例１の定着装置Ｆと共通する構成部材・部分には共通の符号を付して再度の説明を省略する。
【０１０１】
加圧ベルト２は、所定の間隔をあけてそれぞれ加熱ローラ１に対して並行に配列された第１と第２の２本の支持ローラ２ｅと２ｆ間に懸回張設されている。支持ローラ２ｅと２ｆは、外径２０ｍｍ、長さ３６０ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミでできた中空ローラであり、各ローラの内空内部にはそれぞれ加熱源としてのハロゲンヒータ２ｇ・２ｈが設けられている。加圧ベルト２は可撓性・耐熱性を有する無端ベルトであり、非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有する。本実施例においてはこの加圧ベルト２は、厚さ２５０μｍ、長さ３５５ｍｍの銅から成る。
【０１０２】
支持ローラ２ｅ・２ｆは加熱ローラ１に対して不図示の加圧機構によって所定の押圧力で当接されている。この加圧当接状態において、支持ローラ２ｅ・２ｆが加圧ベルト２を介して加熱ローラ１の外面に圧接している。また、支持ローラ２ｅ・２ｆ間のベルト部分が加熱ローラ１の外面に腹当てに圧接している。本実施例においては、加圧ベルト２の上行側のベルト部分を加圧パッド２ｉにより加熱ローラ１に加圧している。これにより、加熱ローラ１と加圧ベルト２との間に加熱ローラ１の回転方向に関して幅広のニップ部Ｎが形成される。
【０１０３】
本実施例においては、加熱ローラ１・加圧ベルト２間に記録材Ｐを挟持搬送してトナー像を加熱定着する幅約２０ｍｍのニップ部Ｎが形成されている。加圧ベルト２は加熱ローラ１が回転駆動されることで従動して回転する。支持ローラ２ｅ・２ｆも加圧ベルト２が回転することで従動して回転する。加熱ローラ１が回転駆動され、加圧ベルト２が従動回転している状態において、支持ローラ２ｅ・２ｆはハロゲンヒータ２ｇ・２ｈへの通電により所定の温度に加熱される。この支持ローラ２ｅ・２ｆにより加圧ベルト２が加熱されて、加熱ローラ１の外面がニップ部Ｎにおいて加圧ベルト２の熱で外部加熱される。
【０１０４】
かくして、本実施例において加圧ベルト２は加熱ローラ１と相互圧接して記録材Ｐを挟持搬送するニップ部Ｎを形成する加圧部材として機能する。また、本実施例において加圧ベルト２は加熱ローラ１の外面に当接しており加熱源２ｇ・２ｈにより加熱されて加熱ローラ１を外側から加熱する外部加熱部材としても機能する。
【０１０５】
また、本実施例においては、加熱ローラ１の回転方向に対して加熱ローラ１が最大発熱量を持つ前記２つの位置が共にニップ部Ｎに位置するように、加熱ローラ１の内側に配設されるコイル・アセンブリ４の加圧ローラ周方向に関する姿勢角度が設定されている。
【０１０６】
これにより、前記実施例１および実施例２と同様の効果が期待できることは明白である。また、本実施例３と上記の実施例１を組み合わせることによって、更なる効果が期待できることは明白である。
【０１０７】
かくして、誘導加熱方式の像加熱装置において、表層に弾性層を持たせた像加熱部材においても、ウォームアップ時間を短くし、なおかつ非通紙部昇温を防止することができる。
【０１０８】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の技術思想内であらゆる変形が可能である。
【０１０９】
［その他の事項］
磁束発生手段４のコイル７は少なくとも１つある。複数のコイル７を具備させてもよい。磁性コア６はコイルの近辺に配置されていて像加熱部材１の整磁合金層１ａに磁束を導くものである。
【０１１０】
２）像加熱部材１はローラ体に限られない。回転可能なエンドレスベルト体にすることもできる。
【０１１１】
３）加圧部材は回転可能なローラ体やエンドレスベルト体に限られない。表面（像加熱部材１や記録材Ｐとの当接面）の摩擦係数が小さい非回転部材（加圧パッドなど）の形態にすることもできる。
【０１１２】
４）装置に対する記録材Ｐの通紙（搬送）は中央基準に限られない。記録材の幅方向の一方側の側部を基準として通紙（搬送）する片側基準の装置構成とすることもできる。
【０１１３】
５）本発明の像加熱装置は、実施例のような、記録材に形成された未定着画像を固着画像として加熱定着する定着装置としての使用に限られない。記録材に一旦定着された或いは仮定着された画像（定着済み画像又は半定着画像）を加熱加圧して光沢度を向上させるなどの画像の表面性状を調整する加熱処理装置としても有効である。
【０１１４】
６）画像形成装置の画像形成部は電子写真方式に限られない。静電記録方式や磁気記録方式の画像形成部であってもよい。また、転写方式に限られず、記録材に対して直接方式で未定着画像を形成する構成のものであってもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
Ｆ・・像加熱装置、１・・像加熱部材、１ａ・・整磁合金層、７・・コイル、３ｃ・・外部加熱部材、３ｄ・３ｅ・・加熱源、Ｐ・・記録材、ｔ・・像、Ａ・・像加熱部材１の回転方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電流が印加されるコイルが内側に配設されていて当該コイルから生じる磁束により発熱する整磁合金層と当該整磁合金層よりも外側に弾性層を有し像を担持した記録材に接して記録材を加熱する回転可能な中空の像加熱部材を有する像加熱装置であって、
前記像加熱部材の外面に当接しており加熱源により加熱されて像加熱部材を外側から加熱する外部加熱部材を有し、当該外部加熱部材は前記整磁合金層の整磁合金よりも抵抗率が小さい非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有しており前記コイルにより加熱される前記像加熱部材が回転方向に関して最大発熱量を持つ位置の少なくとも１つに対応する位置に配置されていることを特徴とする像加熱装置。
【請求項２】
前記外部加熱部材は回転可能な無端ベルト或いはローラであることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
【請求項３】
前記像加熱部材と相互圧接して記録材を挟持搬送する加圧部材を有し、当該加圧部材が前記外部加熱部材を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
【請求項４】
前記加圧部材が回転可能なローラ或いは無端ベルトであることを特徴とする請求項３に記載の像加熱装置。
【請求項５】
前記非磁性低抵抗金属は、銅、銀、金、アルミニウム、ＳＵＳ（オーステナイト系）及びこれらの金属を用いた合金の群から選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の像加熱装置。
【請求項６】
前記コイルは前記像加熱部材の回転軸線方向に延伸して巻かれていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の像加熱装置。
【請求項６】
前記コイルは少なくとも１つあり、当該コイルの近辺に配置されていて前記像加熱部材に磁束を導く磁性コアを有することを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の像加熱装置。
【請求項７】
記録材に未定着画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段からの前記記録材を加熱して前記未定着画像を定着する画像定着手段と、を有する画像形成装置であって、前記画像定着手段が請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の像加熱装置であることを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
高周波電流が印加されるコイルが内側に配設されていて当該コイルから生じる磁束により発熱する整磁合金層と当該整磁合金層よりも外側に弾性層を有し像を担持した記録材に接して記録材を加熱する回転可能な中空の像加熱部材を有する像加熱装置であって、
前記像加熱部材の外面に当接しており加熱源により加熱されて像加熱部材を外側から加熱する外部加熱部材を有し、当該外部加熱部材は前記整磁合金層の整磁合金よりも抵抗率が小さい非磁性低抵抗金属で構成されている或いは非磁性低抵抗金属層を有しており前記コイルにより加熱される前記像加熱部材が回転方向に関して最大発熱量を持つ位置の少なくとも１つに対応する位置に配置されていることを特徴とする像加熱装置。
【請求項２】
前記外部加熱部材は回転可能な無端ベルト或いはローラであることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
【請求項３】
前記像加熱部材と相互圧接して記録材を挟持搬送する加圧部材を有し、当該加圧部材が前記外部加熱部材を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
【請求項４】
前記加圧部材が回転可能なローラ或いは無端ベルトであることを特徴とする請求項３に記載の像加熱装置。
【請求項５】
前記非磁性低抵抗金属は、銅、銀、金、アルミニウム、ＳＵＳ（オーステナイト系）及びこれらの金属を用いた合金の群から選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一項に記載の像加熱装置。
【請求項６】
前記コイルは前記像加熱部材の回転軸線方向に延伸して巻かれていることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の像加熱装置。
【請求項６】
前記コイルは少なくとも１つあり、当該コイルの近辺に配置されていて前記像加熱部材に磁束を導く磁性コアを有することを特徴とする請求項１ないし５の何れか一項に記載の像加熱装置。
【請求項７】
記録材に未定着画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段からの前記記録材を加熱して前記未定着画像を定着する画像定着手段と、を有する画像形成装置であって、前記画像定着手段が請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の像加熱装置であることを特徴とする画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−９２６６３（Ｐ２０１３−９２６６３Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４８９６（Ｐ２０１１−２３４８９６）
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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