説明

誘導加熱装置

【課題】回路電流を抑制すると共に温度変化に拘わらず最適条件での駆動を可能にする。
【解決手段】直流電源1の出力はスイッチングトランジスタQ1,Q2によって、極性反転されて負荷回路2のコイルL3に供給される。コイルL3及びコンデンサC1による並列共振回路に発生した共振電流によって、負荷回路2を構成する加熱ローラに誘導電流が流れて、加熱ローラが発熱する。一方、帰還コイルL4はコイルL3に磁気結合しており、帰還コイルL4には帰還電流が発生する。この帰還電流はトランジスタQ1,Q2に帰還されて、トランジスタQ1,Q2を自励式で駆動する。これにより、負荷回路の発熱に基づく共振周波数の変動に応じて、トランジスタQ1,Q2のオン,オフが制御されて、温度変化に拘わらず常に最適な条件で駆動が行われる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複写機の定着装置等に好適な誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【0002】
トナー画像を熱定着するために、従来からハロゲン電球を熱源として用いた加熱ローラを用いている。しかし、ハロゲン電球を用いた加熱ローラでは、ウォームアップ時間が長く、熱容量も不足するという欠点がある。そこで、この問題を解決するために、近年、誘導加熱方式を採用した加熱ローラが開発されている。
【0003】
例えば、特許文献1には、渦電流損を利用する加熱方式であり、IH(電磁誘導加熱)ジャーなどにおいて実用化されているのと同様な原理で動作する誘導加熱ローラが提案されている。
【0004】
また、特許文献2には、ローラを導電部材で構成し、誘導コイルによる誘起電流をローラに流して加熱する高周波誘導加熱ローラが記載されている。この方式は、渦電流損を利用する加熱方式よりも磁気的結合が強いことから、定着効率が高い。また、加熱ローラ全体を加熱することができ、定着装置の構造が簡単になるという利点がある。
【特許文献1】特開2000−215971号公報
【特許文献2】特開昭59−33787号公報
【特許文献3】特開2002−334773号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一般的には、誘導加熱ローラへの電力の供給には、ハーフブリッジ型インバータ等の高周波回路を採用する。例えば、特許文献3には、LC直列共振回路を備えた他励式のハーフブリッジ型インバータを用いて構成した高周波電源を採用した例が記載されている。
【0006】
しかしながら、特許文献3等の従来の誘導加熱装置においては、回路電流が大きいという欠点がある。このため、高周波電源に大電流に対応した高価な回路部品を用いる必要があり、部品点数も多い。
【0007】
また、従来の誘導加熱装置においては、加熱ローラの温度上昇に伴って高周波電源の共振周波数が変動し、最適条件を維持しながら駆動することが困難であるという問題もあった。
【0008】
本発明は高周波電源を並列共振回路を用いて構成すると共に自励式での動作を可能にすることにより、回路電流を抑制すると共に温度変化に拘わらず最適条件での駆動を継続することができる誘導加熱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】
【0009】
本発明に係る誘導加熱装置は、直流電源の出力をスイッチングして高周波電力を発生する高周波電源と、前記高周波電力が供給される誘導コイルと、前記誘導コイルに磁気結合して誘導電流により発熱する発熱手段と、前記誘導コイルに磁気結合して、前記高周波電源のスイッチングを制御するための帰還電流を発生する帰還コイルとを具備したことを特徴とする。
【0010】
本発明において、高周波電源は直流電源の出力をスイッチングして高周波電力を発生する。発生した高周波電力は誘導コイルに供給され、誘導コイルに磁気結合した発熱手段に誘導電流を流す。これにより、発熱手段は発熱する。帰還コイルは、誘導コイルに磁気結合して帰還電流を発生する。この帰還電流に基づいて高周波電源のスイッチングが制御されて、自励式で高周波電力が発生する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、高周波電源を並列共振回路を用いて構成すると共に自励式での動作を可能にすることにより、回路電流を抑制すると共に温度変化に拘わらず最適条件での駆動を継続することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は本発明の一実施の形態に係る誘導加熱装置を示す回路図である。また、図2は図1の負荷回路を構成する誘導加熱ローラを示す平面図である。図2は加熱ローラを切欠し残りの一部を破断して示すものである。図3は図2の誘導加熱ローラの横断面図である。
【0013】
図1に示すように、本実施の形態における誘導加熱装置は、並列共振回路を採用した自励式プッシュプル型の高周波電源を採用している。等価回路で表された負荷回路2は誘導加熱ローラによって構成することができる。即ち、負荷回路2の1次コイルL3は、誘導加熱ローラを構成する誘導コイルICの1次コイルwpに相当し、負荷回路2の2次コイルL5及び抵抗RLは、誘導加熱ローラを構成する加熱ローラTRの2次コイルwsに相当する。更に、誘導コイルICには、図1の高周波電源を自励式で動作させるための帰還コイルL4を備える。
【0014】
先ず、図2及び図3を参照して、本実施の形態において採用される誘導加熱ローラの構成について説明する。本実施の形態における誘導加熱ローラは、加熱ローラTR及び誘導コイルIC並びに帰還コイルwpbによって構成する。
【0015】
加熱ローラTRは、後述する誘導コイルICに磁気結合し、誘導電流によって発熱する。即ち、加熱ローラTRは、周回方向に閉回路を形成した2次コイルwsを備えており、この2次コイルwsが誘導コイルICと磁気結合、例えば空芯トランス結合する。
【0016】
また、加熱ローラTRには、1つ又は複数の2次コイルwsを配設する。なお、複数の2次コイルwsを配設する場合には、各2次コイルwsは加熱ローラTRの軸方向に分散して配設する。これらの2次コイルwsを支持するために、絶縁性物質からなるローラ基体BBを用いる。ローラ基体BBの外面若しくは内面又はローラ基体BBの内部に2次コイルwsを配設することができる。
【0017】
また、加熱ローラTRの2次コイルwsは、導体層、導電線及び導電板等の導体によって構成することができる。導体層としては、所望の2次側抵抗値を得るために、以下の材料および製造方法を採用することができる。例えば、厚膜形成法(塗布+焼成)により形成する場合には、Ag、Ag+Pd、Au、Pt、RuO2 、及びCからなるグループから選択した材料を用いるのがよい。塗布方法としては、スクリーン印刷法、ロールコーター法及びスプレー法等を用いることができる。これに対して、めっき、蒸着又はスパッタリング法により形成する場合には、Au、Ag、Ni及びCu+(Au、Ag)のグループから選択した材料を用いるのがよい。導電線および導電板は、Cu、Al等を用いることができる。なお、Cu、Alの場合は、酸化を防止するために、防錆被膜を表面に形成することが好ましい。また、ローラ基体BBをFeやSUS (ステンレス鋼)で構成する場合、ローラ基体の表面層が高周波の表皮効果によって2次コイルとして作用する。従って、上記のような格別の2次コイルwsを配設しなくてもよい。しかし、この場合であっても、要すればローラ基体BBとは別に2次コイルwsを配設することができる。なお、FeやSUSからなるローラ基体BBにおいても、表面に亜鉛被膜などの防錆皮膜を形成することができる。
【0018】
ローラ基体BBとしては、2次コイルwsを支持するために、絶縁性物質によって構成することができる。絶縁性のローラ基体BBは、セラミックス又はガラスを用いて形成することができる。そして、ローラ基体BBの耐熱性、強い衝撃性及び機械的強度等を考慮して、例えば以下の材料を用いることができる。セラミックスとしては、例えばアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素等である。ガラスとしては、例えば結晶化ガラス、石英ガラス及びパイレックス(登録商標)等である。
【0019】
ガラス封止層GSは、2次コイルwsをローラ基体BBとの間で封止するように2次コイルwsの上から基体BBの外面に配設する。合成樹脂層PLは、フッ素樹脂からなり、ガラス封止層GSの上に配設する。
【0020】
このような加熱ローラTRは、回転機構を備えていてもよい。加熱ローラTRを回転するための機構は、既知の構成を適宜選択して採用することができる。なお、トナー画像を熱定着する場合には、加熱ローラTRと正対して加圧ローラ(図7参照)を配設して、両ローラの問をトナー画像が形成された記録媒体が通過する際に加熱されてトナーが記録媒体に融着するように構成することができる。
【0021】
コイルボビンCBは、円筒形状に構成する。コイルボビンCBとしては、絶縁性、耐熱性及び耐久性に優れた材料、例えばガラス、セラミックス又は耐熱性合成樹脂等を用いて構成することが望ましい。
【0022】
コイルボビンCBの外周面には、1次コイルwpを巻回している。1次コイルwpはコイルボビンCBの一端から延出された給電線wplに接続している。
【0023】
本実施の形態においては、コイルボビンCBの外周面には、帰還コイルwpbも巻回している。帰還コイルwpbは、図1の帰還コイルL4に相当する。帰還コイルwpbはコイルボビンCBの一端から延出された給電線wpblに接続している。帰還コイルwpbは、1次コイルwpと磁気結合し、1次コイルwpに流れる電流に応じた誘起電流を生じるようになっている。
【0024】
なお、図3の断面図は、図2の1次コイルwpの配置位置で切断して示すと、コイルボビンCB上に1次コイルwpが示され、図2の帰還コイルwpbの配置位置で切断して示すと、コイルボビンCB上に帰還コイルwpbが示される。
【0025】
これらの1次コイルwp及び帰還コイルwpbは、回転する加熱ローラTRに対して静止していてもよく、加熱ローラと一緒に、又は別に回転してもよい。
【0026】
1次コイルwpに相当する図1のコイルL3は、高周波電源によって高周波駆動する。図1に示すように、高周波電源は、並列共振回路を採用した自励式プッシュプル型で構成する。
【0027】
即ち、コイルL3の両端は、夫々コンデンサC2,C3を介してプッシュプル構成のスイッチングトランジスタQ1,Q2のドレインに接続する。トランジスタQ1,Q2のドレインは、夫々コイルL1,L2を介して直流電源1の正極性端子に接続する。また、トランジスタQ1,Q2のドレイン相互間にはコンデンサC1も接続する。
【0028】
直流電源1の負極性端子は、トランジスタQ1,Q2のソースに接続する。直流電源1の正極性端子と負極性端子との間には抵抗R2,R3を直列接続し、抵抗R2,R3の接続点をトランジスタQ1のゲートに接続する。また、直流電源1の正極性端子と負極性端子との間には抵抗R1,R4を直列接続し、抵抗R1,R4の接続点をトランジスタQ2のゲートに接続する。負荷回路2中の帰還コイルL4の両端は、夫々トランジスタQ1,Q2のゲートに接続する。
【0029】
次に、このように構成された実施の形態の動作について説明する。
【0030】
高周波電源を構成するコイルL1,L2は、直流電圧のノイズを除去して、コンデンサC1及びコイルL3によって構成される並列共振回路に供給する。この場合には、トランジスタQ1,Q2が交互にオンすることで、正極性電圧及び負極性電圧を交互に並列共振回路に供給する。
【0031】
このように、トランジスタQ1,Q2のスイッチング及び並列共振回路によって発生した高周波電力を、コイルL3(誘導コイルIC)に供給する。
【0032】
即ち、高周波電源からの高周波出力は、給電線wplを介して誘導コイルICに供給する。これにより、誘導コイルICは、励磁されて高周波磁界を発生する。発生した磁束は、コイルボビンCBを通過して加熱ローラTRの2次コイルwsに鎖交する。そうすると、2次コイルwsは、誘導電流が加熱ローラTRの周回方向に流れて、抵抗発熱する。その結果、加熱ローラTRが、発熱して均一に、しかも、急激に温度上昇する。
【0033】
本実施の形態においては、誘導コイルICの1次コイルwpが巻回されたコイルボビンCBには、帰還コイルwpbも巻回している。従って、1次コイルwpに供給される高周波出力によって、帰還コイルwpbにも誘導電流が発生する。この誘導電流は、給電線wpblを介してトランジスタQ1,Q2のゲートに帰還される。帰還コイルwpbに流れる電流の向きは、1次コイルwpに印加される高周波出力の極性に応じて変化し、トランジスタQ1,Q2には、並列共振回路の共振周波数に基づく周波数の出力が与えられる。こうして、トランジスタQ1,Q2は、並列共振回路の共振周波数で交互にオン,オフし、自励式で高周波出力が得られる。
【0034】
ところで、加熱ローラTRは、図1の負荷回路2に示すように、等価的には、コイルL5及び抵抗RLによって表される。ところが、加熱ローラTRが加熱されるに従って、負荷回路2の定数が変化する。図4及び図5は負荷回路2の定数の変化を説明するためのグラフである。図4は横軸にローラ温度をとり縦軸にコイルL3〜L5のインダクタンスをとって温度変化に伴う負荷回路2のインダクタンスの変化を示し、図5は横軸にローラ温度をとり縦軸に抵抗RLの抵抗値をとって温度変化に伴う負荷回路2の抵抗値の変化を示している。また、図6は横軸に周波数をとり縦軸にインピーダンスをとって、負荷回路2のインピーダンスと共振周波数の変化を示すグラフである。
【0035】
図4に示すように、加熱ローラTR、誘導コイルIC及び帰還コイルwpbのインダクタンスL3〜L5は温度の上昇と共に、インダクタンス値が増加する特性を有する。また、図5に示すように、加熱ローラTRの抵抗RLも温度の上昇と共に、抵抗値が増加する特性を有する。図6の曲線Aは温度が比較的低い場合の特性を示し、図6の曲線Bは温度が比較的高い場合の特性を示している。図6に示すように、コンデンサC1及びコイルL3によって構成される共振回路は、温度と共にインピーダンスが変化し、共振周波数もf0 からf0 ’に変化する。
【0036】
従来、誘導加熱装置において一般的に使用されている他励式の高周波電源においては、スイッチングトランジスタのスイッチング周波数(動作周波数)は所定の信号源からのスイッチング信号に基づいて制御されている。ところが、上述したように、負荷回路を構成する加熱ローラの温度変化に伴って共振周波数が変化することから、最適な動作周波数を得るためのスイッチング信号を生成することは極めて困難である。
【0037】
これに対し、本実施の形態においては、帰還コイルL4の誘起電流によってスイッチングトランジスタQ1,Q2をオン,オフ制御している。従って、温度変化に伴って共振周波数が変化すると、この変化に応じてトランジスタQ1,Q2のスイッチング周波数も変化する。従って、本陣時の形態においては、加熱ローラの温度変化に拘わらず、負荷回路2を常に最適な動作周波数で駆動することができる。
【0038】
また、本実施の形態においては、並列共振回路を採用していることから、負荷回路2に流れる電流は、直列共振回路に比べて少ない。従来、誘導加熱装置において一般的に使用されている直列共振回路を採用した高周波電源においては、負荷回路2に流れる電流量が大きいことから、負荷を分散して構成する必要があった。
【0039】
これに対し、本実施の形態においては、並列共振回路を採用していることから、負荷に流れる電流量を抑制することができる。このため、負荷を分散せずに構成することも可能であり、部品点数を削減することができるという利点もある。
【0040】
図7は図1の実施の形態の誘導加熱装置を用いて構成した定着装置を示す縦断面図である。
【0041】
図7において、21は誘導加熱装置、22は加圧ローラ、23は記録媒体、24はトナー、25は架台である。誘導加熱装置21は、図1の誘導加熱装置と同一構成である。加圧ローラ22は、誘導加熱装置21の加熱ローラTRと圧接関係を有して配設されており、両者の間に記録媒体23を狭圧しながら搬送する。記録媒体23は、その表面にトナー24が付着することにより、画像が形成される。架台25は、記録媒体23を除く上述した各構成要素を所定の位置関係に装架している。
【0042】
このように構成された定着装置においては、トナー24が付着して画像を形成している記録媒体23は、誘導加熱装置21の加熱ローラTRと加圧ローラ22との間に挿入されて搬送される。この搬送途中で、トナー24は加熱ローラTRの熱を受けて加熱される。これにより、トナー24は溶融して、記録媒体23上に熱定着される。
【0043】
図8は図7の定着装置を用いて構成した画像形成装置である複写機の概念的断面図である。
【0044】
図8において、31は読取装置、32は画像形成部、33は定着装置、34は画像形成装置ケースである。読取装置31は、原紙を光学的に読み取って画像信号を形成する。画像形成部32は、画像信号に基づいて感光ドラム32a上に静電潜像を形成し、この静電潜像にトナーを付着させて反転画像を形成し、これを紙などの記録媒体に転写して画像を形成する。定着装置33は、図7に示した構造を有し、記録媒体に付着したトナーを加熱溶融して熱定着させる。画像形成装置ケース34は、これらの各構成要素を収納すると共に、搬送装置、電源装置及び制御装置等を備えている。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る誘導加熱装置を示す回路図。
【図2】図1の負荷回路を構成する誘導加熱ローラを示す平面図。
【図3】図2の誘導加熱ローラの横断面図。
【図4】負荷回路2の定数の変化を説明するためのグラフ。
【図5】負荷回路2の定数の変化を説明するためのグラフ。
【図6】横軸に周波数をとり縦軸にインピーダンスをとって、負荷回路2のインピーダンスと共振周波数の変化を示すグラフ。
【図7】図1の実施の形態の誘導加熱装置を用いて構成した定着装置を示す縦断面図。
【図8】図7の定着装置を用いて構成した複写機の概念的断面図。
【符号の説明】
【0046】
1…直流電源、2…負荷回路、Q1,Q2…トランジスタ、L1〜L5…コイル、C1〜C3…コンデンサ。
代理人 弁理士 伊 藤 進

【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源の出力をスイッチングして高周波電力を発生する高周波電源と、
前記高周波電力が供給される誘導コイルと、
前記誘導コイルに磁気結合して誘導電流により発熱する発熱手段と、
前記誘導コイルに磁気結合して、前記高周波電源のスイッチングを制御するための帰還電流を発生する帰還コイルとを具備したことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項2】
前記発熱手段は、前記誘導コイル及び帰還コイルを内蔵する加熱ローラによって構成され、
前記高周波電源は、前記誘導コイルを含む並列共振回路を用いて高周波電力を発生し、
前記帰還コイルは、前記加熱ローラの発熱に基づく前記並列共振回路の共振周波数に応じた帰還電流を発生して前記高周波電源のスイッチングを制御することを特徴とする請求項1に記載の誘導加熱装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2006−32068(P2006−32068A)
【公開日】平成18年2月2日(2006.2.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−207679(P2004−207679)
【出願日】平成16年7月14日(2004.7.14)
【出願人】(000111672)ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Fターム(参考)】