JP2002343541A

JP2002343541A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2002343541A
Application number: JP2002059585A
Authority: JP
Inventors: Hiroichi Sekino; 博一関野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2002-11-29

Abstract

(57)【要約】【課題】被加熱体に効果的に磁束を作用させて、加熱効
率を向上させた誘導加熱装置を提供する。【解決手段】導電性の被加熱体と交流磁場発生手段から
構成される誘導加熱装置において、直流磁場発生手段を
設け、前記直流磁場発生手段を永久磁石とし、直流磁場
発生手段により発生している直流磁場の磁束密度が０．
００１T以上である領域内に、前記交流磁場発生手段を
配置するような構成として、直流磁場発生手段が発生す
る直流磁場に交流磁場発生手段が発生する交流磁場を作
用させることにより、被加熱体に流れる磁束に大きな変
化をもたらし、被加熱体表面において効果的に大きな渦
電流を発生させることができるため、被加熱体を急速に
加熱することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導加熱装置およ
び定着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】交流電流により交流磁界を発生させて行
なう誘導加熱の手法を用いた応用例として、特開平７
−２９５４１４に記載された定着装置がある。この定
着装置では加熱ローラの外周面にコイルを配置してい
る。この場合、コイルによる交流磁界は加熱ローラ外周
面だけに作用するのではなく、ローラと対向する方向に
も磁場を発生させるため、これが定着器外に漏れたり、
その他の金属部材を加熱してしまうといった障害にな
る。また、磁束が集中しないため、効率も低下してい
た。

【０００３】上記の問題を解決するため、特開平１０−
３６０３０１のように、コイルから発生する磁場を遮断
するための磁性体と加熱ローラの間にコイルを挟むよう
に配置した例がある。この場合、定着器外への磁束の漏
れが低減でき、その他の金属部材の加熱を抑えることが
可能である。

【０００４】また磁石を用いた誘導加熱装置として、特
開昭５９−１８９７０または特開平５−１２１１５７の
ように、複数の永久磁石あるいは多極着磁した永久磁石
からなる回転磁石ロールを所定の周速度で回転させて、
磁石が形成するＮ、Ｓ交番磁界を被加熱体に作用させる
ものがある。これに類似する例として特開平５−８２２
４８があるが、これは常時一方向に発生する磁束を被加
熱体に作用させるものであり、磁石が形成するＮ、Ｓ交
番磁界とは異なり、連続放射磁界を利用するため、同じ
エネルギーの磁石を使用した場合には、加熱の効果はル
ート２倍となり、被加熱体との接近距離が大きくでき
る。さらに類似する例としては、特開２００１−２９６
７６５がある。これはハロゲンヒータで加熱する定着ロ
ーラに対し、連続給紙する場合の補助的な熱源として、
磁石が形成するＮ、Ｓ交番磁界を被加熱体に作用させる
ものである。

【０００５】また特開平１０−１５３９２２のように、
定着ローラ内部にコイルを設け、そのコイル内部に挿入
した永久磁石と、磁性材料で形成されコイル両端に配置
された側磁路部材により、定着ローラを含む閉磁路を形
成させ、コイルに断続的に直流電流を流して磁界に変化
を与えて誘導加熱する例がある。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら特開平
１０−３６０３０１においては、磁場を遮断する磁性体
として、フェライト、鉄、珪素鋼板、パーマロイ等、い
わゆる軟磁性材料を使用しており、磁場を遮断する効果
はあるが、加熱ローラに十分な磁束を作用させ得るもの
ではない。また磁性体自体もコイルの交流磁界により加
熱されてしまい、加熱ローラの加熱効率を劇的に改善す
ることは困難である。

【０００７】特開昭５９−１８９７０、特開平５−８２
２４８および特開平５−１２１１５７においては、複数
の永久磁石により回転磁石ローラを多極化する必要があ
り、製作が困難である。また十分な周速度で回転しない
と、誘導加熱の効果が十分に得られない。同様に、特開
２００１−２９６７６５においても、十分な周速度で回
転しないと、誘導加熱の効果が十分に得られない。

【０００８】特開平１０−１５３９２２においては、閉
磁路の一部として永久磁石を使用するため、永久磁石そ
のものが誘導加熱され、熱減磁あるいは熱破損する問題
がある。また、コイルがローラ内部に設けされているた
め、コイルそのものが加熱され、コイル抵抗が増加し効
率が低下する。

【０００９】本発明は上記課題を解決するものであり、
被加熱体に容易かつ効果的に磁束を作用させて、加熱効
率を向上させた誘導加熱装置および本誘導加熱装置によ
り構成された定着装置を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる誘導加熱
装置は、導電性の被加熱体と交流磁場発生手段から構成
される誘導加熱装置において、直流磁場発生手段を設
け、前記直流磁場発生手段が発生する磁場を前記交流磁
場発生手段により変化させて前記被加熱体を加熱するこ
とを特徴とする。

【００１１】また前記直流磁場発生手段により発生して
いる直流磁場が０．００１T以上である領域内に、前記
交流磁場発生手段を配置することを特徴とする。

【００１２】また前記直流磁場発生手段を永久磁石と
し、前記永久磁石が部分的に異なる大きさの残留磁束密
度を有する、又は部分的に異なる厚みを有することを特
徴とする。

【００１３】さらに導電性の被加熱体からなる定着ロー
ラと前記被加熱体に対して交流磁界を与えて誘導加熱す
る交流磁場発生手段を備えた定着装置が、本発明の誘導
加熱装置によって構成されていることを特徴とする。

【００１４】また前記定着装置において、直流磁場発生
手段が前記定着ローラの両端部に配置され、前記直流磁
場発生手段が前記定着ローラの回転とは無関係に自由に
回転可能であり、さらには前記直流磁場発生手段とする
永久磁石が、前記定着ローラの回転軸に対してラジアル
方向に着磁されていることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を基に説明する。

【００１６】図１は、本発明の誘導加熱装置の本実施形
態１を示す図である。交流磁場発生手段２としてコイル
を使用し、被加熱体を覆うように一定のギャップを保持
して配置する。さらに直流磁場発生手段３を、交流磁場
発生手段２の外側を覆うように一定のギャップを保持し
て配置する。ここで直流磁場発生手段３には永久磁石を
使用し、鉄やパーマロイなどの軟磁性材料に対して極め
て導電率の低い特性を持つもの、例えばサマリウム・コ
バルト系ボンド永久磁石を使用する。その結果、永久磁
石表面に発生する渦電流を劇的に小さくでき、磁石の熱
減磁を防ぐことができる。

【００１７】本実施形態１について磁界解析手法を用い
て、その加熱特性を確認した。ここで被加熱体１には磁
性ステンレス材料の磁気特性を与え、その厚みを０．０
８ｍｍとした。また被加熱体１と交流磁場発生手段２の
ギャップを約３ｍｍ、交流磁場発生手段２と直流磁場発
生手段３とのギャップを約１ｍｍとした。また交流磁場
発生手段２に流す電流は５０A、周波数は３０ｋHzであ
り、これを基準値とした。なお、本解析で用いた直流磁
場発生手段３の磁気特性と電気特性の基準値は、それぞ
れ残留磁束密度０．８Ｔ、導電率２．３×１０³ Ｓ／ｍ
であり、磁化条件の基準は完全着磁とした。

【００１８】図２は、本実施形態１における直流磁場発
生手段３の磁化方向を、図１の交流磁場発生手段２の端
部側から見た概観図である。このように、直流磁場発生
手段３の磁化方向は、全ての領域において一様に被加熱
体１に対し直交する方向に設定されている。

【００１９】加熱特性の評価基準としては、被加熱体１
表面のジュール損失量（W／m³）を用いる。図３はジュ
ール損失量の各評価部位を示す図であり、被加熱体１と
交流磁場発生手段２のみを表わした上視図である。ジュ
ール損失量の評価部位は、交流磁場発生手段２の長手方
向に沿った被加熱体表面(Ａ１−Ａ２)、交流磁場発生手
段２の長手方向中間部の被加熱体表面中央部（Ｂ１−Ｂ
２）、交流磁場発生手段２端部の被加熱体表面端部近傍
（Ｃ１−Ｃ２）の３箇所である。

【００２０】図４は交流磁場発生手段２の長手方向に沿
った被加熱体表面のジュール損失量分布、図５は被加熱
体表面中央部のジュール損失量分布、図６は被加熱体表
面端部近傍のジュール損失量分布である。なお本発明の
誘導加熱装置と比較する従来例（ａ）として、定着装置
で使用されている磁場遮断手段を適用した場合の各評価
部位のジュール損失量分布をあわせて示す。

【００２１】本実施形態１での各評価部位のジュール損
失量（ｂ）は、従来例（ａ）の約１０倍、すなわち被加
熱体１を加熱できる熱量が約１０倍に増加する。

【００２２】これは以下のように説明できる。

【００２３】被加熱体１には、直流磁場発生手段３が形
成している磁場によりある一定の磁束が流れている。そ
の磁束量は、被加熱体１が磁気飽和しない程度としてい
るため、被加熱体１の磁気特性は透磁率が高い状態にあ
る。このような状態において、交流磁場発生手段２によ
る交流磁場を作用させると、小さな交流磁場の変化で
も、被加熱体１に流れる磁束に大きな変化が生じるた
め、被加熱体１に効率よく渦電流が発生し、ジュール損
失量が大幅に増加する。

【００２４】すなわち、直流磁場発生手段３が形成して
いる空間磁場が、被加熱体１に対し、被加熱体１を磁気
飽和させない程度に作用していれば、交流磁場発生手段
２により効率よく加熱体１に渦電流を発生させることが
できるので、例えば図７、図８又は図９に示すように、
直流磁場発生手段３の磁化方向を設定する場合でも、効
果的に被加熱体１に渦電流を発生させ、ジュール損失量
を増加させることができる。

【００２５】以上のことから、被加熱体の熱容量が一定
である条件において、加熱量を大幅に増加させることが
できるため、被加熱体の表面温度を急速に上昇させるこ
とができる。

【００２６】図１０は、本発明の誘導加熱装置の本実施
形態２の概観図である。

【００２７】本実施形態２では、直流磁場発生手段３
を、交流磁場発生手段２と被加熱体１の間の空間領域内
において、被加熱体１の近傍に配置しているこのように
配置することにより、直流磁場発生手段３が、交流磁場
発生手段２の交流磁場を遮ることなく、かつ直流磁場発
生手段３が形成する磁場をより十分に被加熱体１に作用
させることができる。直流磁場発生手段３の磁化方向
は、直流磁場発生手段３からの磁束が交流磁場発生手段
２を横切るような方向とすることが望ましいが、図１０
に示すような互いに対向する方向に限らず、同一方向に
磁化しても良い。また被加熱体１に対して平行な磁化方
向でなく、被加熱体１に対して直交する方向、または被
加熱体１に対して斜めの方向であっても良い。

【００２８】図１１は、本発明の誘導加熱装置の、本実
施形態３の概観図である。本実施形態３では、いくつか
の細いブロックに分割し、適当な間隔の隙間を設けて並
べた直流磁場発生手段３を、交流磁場発生手段２と被加
熱体１の間に挟まれる空間内に配置している。直流磁場
発生手段３に隙間を設けたことにより、交流磁場発生手
段２の交流磁場を遮ることがなく、交流磁場発生手段２
により十分に変化を受けた直流磁場発生手段３の磁場を
被加熱体１に作用させることができる。ここで直流磁場
発生手段３の磁化方向は、直流磁場発生手段３からの磁
束が被加熱体１に対して直交する方向とすることが望ま
しいが、図１１に示す磁化方向と逆の方向にしても、又
は交互に磁化方向を逆向きにしても良い。また被加熱体
１に対して直交する磁化方向でなく、被加熱体１に対し
て平行な方向、または被加熱体１に対して斜めの方向で
あっても良い。

【００２９】また直流磁場発生手段３を、交流磁場発生
手段２の交流磁界を遮断してしまうことが無い程度の大
きさとする場合には、図１１に示したように直流磁場発
生手段３を分割して隙間を設ける必要は無い。

【００３０】図１２は、本実施形態２（ｃ）又は本実施
形態３（ｄ）の、コイルの長手方向に沿った被加熱体表
面（Ａ１−Ａ２）のジュール損失量分布、図１３は被加
熱体表面中央部（Ｂ１−Ｂ２）のジュール損失量分布、
図１４は被加熱体表面端部近傍（Ｃ１−Ｃ２）のジュー
ル損失量分布である。なお比較として従来例（ａ）のジ
ュール損失量分布をあわせて示す。

【００３１】本実施形態２（ｃ）、本実施形態３（ｄ）
は、どちらもジュール損失量が従来例（ａ）に比べ数倍
に増加し、被加熱体１の表面温度を急速に上昇させるこ
とができる。またどちらの本実施形態も、本実施形態１
に比べて被加熱体１に近い位置に直流磁場発生手段３を
配置するため、少ない量で有効に同等の磁束量を被加熱
体１に作用させることができるため、コスト的にも有利
である。

【００３２】ここで本発明の誘導加熱装置では、直流磁
場発生手段３である永久磁石の残留磁束密度又は使用
量、交流磁場発生手段２であるコイルに流す電流又は周
波数の調整により、ジュール損失量を容易に変えること
ができる。

【００３３】直流磁場発生手段３の残留磁束密度と使用
量とジュール損失量の関係を示す。残留磁束密度は着磁
磁場の大きさや使用する永久磁石の種類の変更により調
整でき、使用量は体積（例えば厚みなど）で簡単に調整
することができる。

【００３４】本実施形態１の図２に示した磁化方向にお
いて、交流磁場発生手段２の電流値、周波数は一定とし
た場合の、直流磁場発生手段３の残留磁束密度又は厚み
とジュール損失量との関係を以下に示す。

【００３５】図１５は直流磁場発生手段３の残留磁束密
度を変えた場合の、交流磁場発生手段２の長手方向に沿
った被加熱体表面（Ａ１−Ａ２）のジュール損失量分布
であり、図１６は直流磁場発生手段３の厚みを変えた場
合の、交流磁場発生手段２の長手方向に沿った被加熱体
表面（Ａ１−Ａ２）のジュール損失量分布である。

【００３６】ここで、（ｅ）は直流磁場発生手段３の残
留磁束密度を基準値の１／２の０．４Ｔに減らした場
合、（ｆ）は使用する直流磁場発生手段３をサマリウム
・コバルト系ボンド磁石の磁気特性からサマリウム・コ
バルト系焼結磁石の磁気特性に変更して、残留磁束密度
を約１．５倍の１．１５Ｔに増やした場合、（ｇ）直流
磁場発生手段３の厚みを約１／２とした場合、（ｈ）は
直流磁場発生手段３の厚みを約１．５倍とした場合のジ
ュール損失量分布をそれぞれ示している。なお比較とし
て、前述の本実施形態１（ｂ）と従来例（ａ）のジュー
ル損失量分布をあわせて示す。

【００３７】ジュール損失量の全ての評価部位におい
て、直流磁場発生手段３の残留磁束密度を約１／２とし
た場合、ジュール損失量は本実施形態１（ｂ）の約半分
に低下するが、従来例に比べ約3倍のジュール損失量が
確保できる。また直流磁場発生手段３の残留磁束密度を
１．５倍とした場合には、本実施形態１（ｂ）に比べ、
ジュール損失量を約2倍に増加させることができる。

【００３８】また直流磁場発生手段３の厚みを約１／２
とした場合も、ジュール損失量は本実施形態１（ｂ）の
約半分に低下するが、従来例に比べ約3倍のジュール損
失量が確保できる。また直流磁場発生手段３の厚みを
１．５倍とした場合も、本実施形態１（ｂ）に比べ、ジ
ュール損失量を約2倍に増加させることができる。

【００３９】このように、直流磁場発生手段３の残留磁
束密度と使用量を調整して、被加熱体１に作用する総磁
束量を調整することにより、従来よりも多くのジュール
損失量を確保しつつ、総磁束量に応じたジュール損失量
を得ることができる。

【００４０】次に、本実施形態１の図２に示した磁化方
向において、直流磁場発生手段３の残留磁束密度と使用
量を一定した条件での、交流磁場発生手段２に流す電流
値又は周波数とジュール損失量との関係を以下に示す。

【００４１】図１７は、交流磁場発生手段２の電流値を
変えた時の、交流磁場発生手段２の長手方向に沿った被
加熱体表面（Ａ１−Ａ２）のジュール損失量分布であ
る。（ｉ）は電流値を基準値の２分の１の２５Ａとした
場合、（ｊ）は基準値の５０分の１の１Ａとした場合の
各ジュール損失量を示している。なお比較として、前述
の本実施例１（ｂ）と従来例（ａ）のジュール損失量分
布をあわせて示す。

【００４２】電流値を下げるとジュール損失量は低下す
るが、電流値を１Ａと大幅に基準値よりも小さくして
も、ジュール損失量の約１／２にしか低下しない。

【００４３】このように、本発明の誘導加熱装置の加熱
特性は、交流磁場発生手段２に流す電流に対する依存性
は非常に小さく、電流値を大幅に低く設定しても従来に
比べより多くのジュール損失量を得ることができる。こ
のことから、定着装置の消費電力を大幅に低減すること
ができ、同時に電気回路の負荷が軽減できるため、耐久
性、長寿命化に有利な誘導加熱装置であると言える。

【００４４】図１８は、交流磁場発生手段２の電流周波
数を変えた時の、交流磁場発生手段２の長手方向に沿っ
た被加熱体表面（Ａ１−Ａ２）のジュール損失量分布で
ある。（ｋ）は基準値の１．５倍の４５ｋＨｚとした場
合、（ｌ）は基準値の２分の１の１５ｋＨｚとした場合
の各ジュール損失量を示している。なお比較として、前
述の本実施形態１（ｂ）と従来例（ａ）のジュール損失
量分布をあわせて示す。

【００４５】周波数を１．５倍に上げるとジュール損失
量は約２倍に増加し、周波数を１／２に下げるとジュー
ル損失量が約１／４に低下する。このように、電流の周
波数のジュール損失量への影響は大きく、これは渦電流
損が周波数の２乗に比例して変化することから説明でき
る。このことから電流周波数はできる限り高く設定する
ことが望ましい。

【００４６】図１９は、交流磁場発生手段２の電流値と
周波数をともに変えた時の、交流磁場発生手段２の長手
方向に沿った被加熱体表面（Ａ１−Ａ２）のジュール損
失量分布である。（m）は電流１Ａ（基準値の５０分の
１）、周波数４５ｋＨｚ（基準値の１．５倍）とした場
合のジュール損失量を示しており、比較として前述の本
実施形態１（ｂ）と従来例（ａ）のジュール損失量分布
をあわせて示す。

【００４７】図１９からわかるように、本発明の誘導加
熱装置は僅かな電流でも、周波数を適値に設定すること
により、従来例に比べジュール損失量を大幅に増加させ
ることができ、前述の本実施形態１（ｂ）と同等以上の
ジュール損失量を得ることができる。

【００４８】すなわち、本発明の誘導加熱装置における
加熱特性は、交流磁場発生手段２に流す電流に対する依
存性が非常に小さく、周波数への依存性が大きいため、
電流値はできる限り低く設定し、周波数をできる限り高
く設定することが、最も適した稼動条件であり、このよ
うな条件で稼動させることにより、従来の誘導加熱装置
に比べ劇的に消費電力を低減しながら、加熱特性の良好
な誘導加熱装置を実現できる。

【００４９】また本発明の誘導加熱装置では、加熱むら
の低減に対しては、直流磁場発生手段３の残留磁束密度
に図２０に示すような分布を持たせることで可能とな
る。なお図２０は、直流磁場発生手段３側から被加熱体
１方向に見た上視図である。すなわち、ジュール損失量
が多い中央部に配置する直流磁場発生手段３の残留磁束
密度を低く設定し、一方ジュール損失量が少ない端部に
配置する直流磁場発生手段３の残留磁束密度を高く設定
する。

【００５０】また加熱むらを低減する他の対策として、
図２１に示すように交流磁場発生手段２の端部付近のみ
に直流磁場発生手段３を配置し、交流磁場発生手段２の
中央部付近には直流磁場発生手段３を配置しないような
形態とする。なお図２１は図２０同様、直流磁場発生手
段３側から被加熱体１方向に見た上視図である。

【００５１】図２２は、加熱むらを低減する２つの対策
についてのジュール損失量分布を示した図であり、
（ｎ）は、直流磁場発生手段３の端部の残留磁束密度分
布を０．８Ｔとし、永久磁石の中央部の残留磁束密度分
布を０．２Ｔとした場合、（ｏ）は図２１に示すような
直流磁場発生手段３の配置を行なった場合の、交流磁場
発生手段の長手方向に沿った被加熱体表面（Ａ１−Ａ
２）のジュール損失量分布を示している。なお比較とし
て、直流磁場発生手段３の残留磁束密度分布を一様に
０．４Ｔとした場合（ｅ）のジュール損失分布をあわせ
て示す。

【００５２】直流磁場発生手段３の端部領域の残留磁束
密度を大きく、中央部の残留磁束密度を小さく分布させ
ることにより、直流磁場発生手段３の残留磁束密度分布
を一様に０．４Ｔとした場合に比べ、被加熱体１の端部
付近のジュール損失量を約５０％増加させることがで
き、被加熱体１の中央部のジュール損失量を約１５％程
度の低下に抑えることができる。ここで、中央部と端部
のジュール損失量の差は、直流磁場発生手段３の残留磁
束密度分布を一様に０．４Ｔとした場合が９．５×１０
⁷Ｗ／ｍ³であるのに対し、直流磁場発生手段３の残留磁
束密度に分布を持たせた場合には７．１×１０⁷Ｗ／ｍ³
となり、ジュール損失量の差が約２０％低減されたジュ
ール損失量分布が得られるため、加熱むらを低減するこ
とができる。

【００５３】なお直流磁場発生手段３の残留磁束密度に
分布を持たせる方法としては、同一の直流磁場発生手段
３を用いて厚みを変えて総磁束数を変える方法でも、残
留磁束密度の異なる複数の直流磁場発生手段３を用いる
方法でも良い。また図２０では2種類の残留磁束密度の
異なる直流磁場発生手段３を配置しているが、これに限
らずさらに複数の残留磁束密度の異なる直流磁場発生手
段３を適度に配置することによって、より均一なジュー
ル損失量分布を得ることができる。

【００５４】コイル端部付近のみに直流磁場発生手段３
を配置し、コイル中央部付近には配置しない形態とした
場合においても、直流磁場発生手段３の残留磁束密度分
布を一様に０．４Ｔとした場合に比べ、被加熱体１の端
部付近のジュール損失量を約２倍に増加させることがで
き、被加熱体１の中央部のジュール損失量を約１０％の
低下に抑えることができる。ここで中央部と端部のジュ
ール損失量の差は、直流磁場発生手段３の残留磁束密度
分布を一様に０．４Ｔとした場合が９．５×１０⁷Ｗ／
ｍ³であるのに対し、コイル端部付近のみに直流磁場発
生手段３を配置した場合には６．６×１０⁷Ｗ／ｍ³とな
り、ジュール損失量の差が約３０％低減されたジュール
損失量分布が得られるため、加熱むらを低減することが
できる。

【００５５】図２３は、本発明の誘導加熱装置より構成
された定着装置の実施形態１を側面から見た断面図であ
り、図２４は定着装置の実施形態１を端部から見た図で
ある。

【００５６】定着装置は、回転軸６に固着され、表面が
被加熱体１で覆われた定着ローラ７と、被加熱体１を誘
導加熱するために被加熱体１を覆うように一定のギャッ
プを保持して配置した交流磁場発生手段２と、交流磁場
発生手段２の外側に適度な距離をおいて配置した直流磁
場発生手段３から構成される。

【００５７】ここで直流磁場発生手段３には永久磁石を
使用し、鉄やパーマロイなどの軟磁性材料に対して極め
て導電率の低い特性を持つもの、例えばサマリウム・コ
バルト系ボンド永久磁石を使用する。その結果、永久磁
石表面に発生する渦電流を劇的に小さくでき、磁石の熱
減磁を防ぐことができる。また直流磁場発生手段３であ
る永久磁石は、図２４中に太矢印で示したように、全て
の領域において一様に被加熱体１に対し直交する方向、
すなわちラジアル方向に着磁されている。

【００５８】以上のように構成されている定着装置の実
施形態１について、磁界解析手法を用いてその加熱特性
を確認した。

【００５９】被加熱体１には磁性ステンレス材料SＵＳ
４３０の直流初磁化ＢＨ曲線の測定値を与え、その厚み
を０．０８mmとした。また導電率は被加熱体１の表面温
度が２００℃以上に達することを考慮し、室温時の約１
／２の８．８５×１０⁵Ｓ／ｍとした。回転軸６と軸受
８の材質は一般的な鉄として扱い、炭素鋼の直流初磁化
ＢＨ曲線の測定値を与え、その導電率は１．０×１０⁷
Ｓ／ｍとした。被加熱体１と交流磁場発生手段２のギャ
ップを3mmとし、交流磁場発生手段２に流す電流を２７
A、周波数は３０ｋHzとした。また直流磁場発生手段３
である永久磁石の磁気特性と電気特性は、それぞれ残留
磁束密度０．８Ｔ、導電率２．３×１０ ³ Ｓ／ｍであ
り、磁化条件は完全着磁とした。なお定着ローラ２にお
いては、被加熱体１と回転軸７との間は、発泡シリコン
等の弾性体で構成されており、磁気特性としては空気と
同様の扱いとした。

【００６０】加熱特性の評価基準としては、被加熱体１
表面のジュール損失量（W／m³）を用いる。

【００６１】図２５はジュール損失量の評価部位を示す
図であり、被加熱体１、交流磁場発生手段２、回転軸６
および軸受８を示した上視図である。ジュール損失量の
評価部位は、交流磁場発生手段２長手方向に沿った被加
熱体１表面(D１−D２)、交流磁場発生手段２に覆われた
幅領域の被加熱体１表面(E１−E２) および交流磁場発
生手段２に覆われた長手方向の被加熱体１表面(F１−F
２)であり、解析対象の形状が対称形であるため、定着
装置長手方向および幅領域ともに半分の領域について評
価する。

【００６２】図２６は直流磁場発生装置３を配置しない
従来例および直流磁場発生装置３を配置した定着装置の
実施形態１の、交流磁場発生手段２の中心部長手方向に
沿った被加熱体１表面(D１−D２)のジュール損失量を示
す図である。

【００６３】図２７は直流磁場発生装置３を配置しない
従来例および直流磁場発生装置３を配置した定着装置の
実施形態１の、交流磁場発生手段２に覆われた幅領域の
被加熱体１表面(E１−E２)のジュール損失量を示す図で
ある。

【００６４】図２８は直流磁場発生装置３を配置しない
従来例および直流磁場発生装置３を配置した定着装置の
実施形態１の、交流磁場発生手段２に覆われた長手方向
の被加熱体１表面(F１−F２)のジュール損失量を示す図
である。

【００６５】これらの図が示すように、直流磁場発生装
置３を配置した定着装置の実施形態１の場合、被加熱体
１表面の全ての領域においてジュール損失量は増加して
おり、とりわけ交流磁場発生手段２に覆われた長手方向
については約１０倍に増加する。

【００６６】これは、前記本発明の誘導加熱装置と同
様、以下のように説明できる。

【００６７】被加熱体１には、直流磁場発生手段３が形
成している磁場によりある一定の磁束が流れている。そ
の磁束量は、被加熱体１が磁気飽和しない程度としてい
るため、被加熱体１の磁気特性は透磁率が高い状態にあ
る。このような状態において、交流磁場発生手段２によ
る交流磁場を作用させると、小さな交流磁場の変化で
も、被加熱体１に流れる磁束に大きな変化が生じるた
め、被加熱体１に効率よく渦電流が発生し、ジュール損
失量が大幅に増加する。

【００６８】すなわち、直流磁場発生手段３が形成して
いる空間磁場が、被加熱体１に対し、被加熱体１を磁気
飽和させない程度に作用していれば、交流磁場発生手段
２により効率よく加熱体１に渦電流を発生させることが
できるので、例えば図２９、図３０又は図３１に示すよ
うに、直流磁場発生手段３の形状の変更および磁化方向
を設定した場合でも、効果的に被加熱体１に渦電流を発
生させ、ジュール損失量を増加させることができる。

【００６９】また図１０に示した本発明の誘導加熱装置
の本実施形態２または図１１に示した本発明の誘導加熱
装置の本実施形態３のように、直流磁場発生手段３を配
置する位置を、被加熱体１と交流磁場発生手段２に挟ま
れた空間領域内とし、被加熱体１の近傍に配置しても、
いくつかの細いブロックに分割して適当な間隔の隙間を
設けて並べても、効果的に被加熱体１に渦電流を発生さ
せ、ジュール損失量を増加させることができる。

【００７０】以上のことから、被加熱体１の熱容量が一
定である条件において、加熱量を大幅に増加させること
ができるため、被加熱体１の表面温度を急速に上昇させ
ることができる。その結果、従来の定着装置に比べ劇的
に消費電力を低減しながら、加熱特性の良好な定着装置
を実現できる。

【００７１】また本発明の誘導加熱装置より構成された
定着装置の加熱むらの低減に対しては、以下のような構
成により実現できる。

【００７２】図３２は、本発明の誘導加熱装置より構成
された定着装置の実施形態２を側面から見た断面図であ
る。定着装置は、回転軸６に固着され、表面が被加熱体
１で覆われた定着ローラ７と、被加熱体を覆うように一
定のギャップを保持して配置し、被加熱体１を誘導加熱
するための交流磁場発生手段２と、さらに定着ローラ両
端面から適度に離した位置に、回転軸６にベアリング９
を介して自由に回転することを可能として配置した直流
磁場発生手段３から構成される。

【００７３】図３３は定着装置の実施形態２における直
流磁場発生装置３の構成を示す図である。ここで直流磁
場発生手段３には永久磁石を使用し、鉄やパーマロイな
どの軟磁性材料に対して極めて導電率の低い特性を持つ
もの、例えばサマリウム・コバルト系ボンド永久磁石を
使用する。その結果、永久磁石表面に発生する渦電流を
劇的に小さくでき、磁石の熱減磁を防ぐことができる。
ドーナツ状に成形した直流磁場発生手段３はベアリング
９に固着され、ベアリング８を介して回転軸６に取り付
けられている。よって、直流磁場発生装置３は定着ロー
ラの回転とは無関係に自由に回転できるため、直流磁場
発生装置３の磁界に対して交流磁場発生手段２の磁界が
及ぼす磁気的な力が、定着ローラの回転に対し作用する
ことを防止できる。

【００７４】図３４は定着装置の実施形態２における直
流磁場発生装置３である永久磁石の着磁状態を示す図で
ある。図３４中において太矢印が示すように、磁石中
心、すなわち回転軸６を中心としてラジアル方向に着磁
されている。これにより、磁石近傍に存在する軟磁性体
で構成された被加熱体１のより広い表面の領域に対し
て、磁石から流れ出すより多くの磁束を作用させること
ができる。

【００７５】以上のように構成された定着装置の実施形
態２について磁界解析手法および熱伝導解析手法を用い
て、その加熱特性を確認した。

【００７６】磁界解析について説明する。被加熱体１に
は磁性ステンレス材料ＳＵＳ４３０の直流初磁化ＢＨ曲
線の測定値を与え、その厚みを０．０８ｍｍとした。ま
た導電率は被加熱体１の表面温度が２００℃以上に達す
ることを考慮し、室温時の約１／２の８．８５×１０⁵
Ｓ／ｍとした。回転軸６と軸受８の材質は一般的な鉄と
して扱い、炭素鋼の直流初磁化ＢＨ曲線の測定値を与
え、その導電率は１．０×１０⁷Ｓ／ｍとした。被加熱
体１と交流磁場発生手段２のギャップを３mmとし、交流
磁場発生手段２に流す電流を２７A、周波数は３０ｋHz
とした。また直流磁場発生手段３である永久磁石の磁気
特性と電気特性は、それぞれ残留磁束密度０．８Ｔ、導
電率２．３×１０³ Ｓ／ｍであり、磁化条件は２０００
００Ａ／ｍとした。なお定着ローラ２においては、被加
熱体１と回転軸６との間は、発泡シリコン等の弾性体で
構成されており、磁気特性としては空気と同様の扱いと
した。

【００７７】以上の条件において磁界解析より求められ
たジュール損失量（W／ｍ³）を発熱源として、熱伝導解
析を行う。本熱伝導解析において用いた、各材質の熱伝
導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、密度（Ｋｇ
／ｍ³）を表１に示す。

【００７８】表１

【００７９】次に、各部位に設定した熱伝達係数（Ｗ／
ｍ²・Ｋ）を表２に示す。

【００８０】表２

【００８１】以上の解析条件において、初期温度を２０
℃とし、１０秒刻みに温度分布の変化を求めた。

【００８２】加熱特性の評価は、被加熱体１の特定箇所
の表面温度で行った。

【００８３】図３５は、定着装置の実施形態２につい
て、交流磁場発生手段２の真上から見た概観図である。
図３５中、Ｐ１からＰ５の計5箇所について、被加熱体
１の表面温度の時間変化を調べた。

【００８４】図３６は、直流磁場発生装置を配置しない
従来例の、各評価箇所での温度変化を示す図である。

【００８５】図３７は直流磁場発生装置を配置した定着
装置の実施形態２の各評価箇所での温度変化を示す図で
ある。

【００８６】直流磁場発生装置を配置しない従来例で
は、定着ローラ端部付近のP４およびP5の温度が他の箇
所に比べ高く、定着ローラの中心付近の温度が約１５０
℃となる時間では、３００℃を超えており、図３６中に
矢印で示した温度差は約１７０℃である。

【００８７】これに対し直流磁場発生装置を配置した定
着装置の実施形態２では、定着ローラ端部付近のP４お
よびP5の温度は他の箇所に比べ高いが、定着ローラの中
心付近の温度が約１５０℃となる時間では２００℃程度
であり、図３７中に矢印で示した温度差は約６０℃と小
さい。

【００８８】このように、直流磁場発生装置を定着ロー
ラの両端部に配置することにより、定着ローラ端部での
温度上昇が抑えられ、従来例に比べて定着ローラの表面
温度分布を均一化することができ、これに起因する定着
むらを低減できる。

【００８９】

【発明の効果】本発明によれば、導電性の被加熱体と交
流磁場発生手段から構成される誘導加熱装置において、
直流磁場発生手段を設け、直流磁場発生手段を永久磁石
とし、直流磁場発生手段により発生している直流磁場の
磁束密度が０．００１Ｔ以上である領域内に、前記交流
磁場発生手段を配置するような構成とし、直流磁場発生
手段が発生する磁場に交流磁場発生手段が発生する交流
磁場を作用させることにより、被加熱体の透磁率が高い
状態においては、小さな交流磁場の変化でも、被加熱体
に流れる磁束に大きな変化が生じさせることができる。
よって、被加熱体表面において効果的に大きな渦電流が
発生し、被加熱体を急速に加熱することができる。

【００９０】また交流磁場発生手段の交流電流を大幅に
低減し、周波数を適値に設定することにより、従来に比
べ大幅に加熱特性を向上させつつ、誘導加熱装置の消費
電力を大幅に低減でき、耐久性、長寿命化に面でも優れ
た誘導加熱装置とすることができる。

【００９１】また直流磁場発生手段として使用する永久
磁石の残留磁束密度に分布を与えたり、又は部分的に厚
みを異ならせることにより、加熱むらの少ない誘導加熱
装置とすることができる。

【００９２】さらに、本発明の誘導加熱装置から構成さ
れた定着装置は、被加熱体の加熱量を大幅に増加させ、
被加熱体の表面温度を急速に上昇させることができた
め、従来の定着装置に比べ劇的に消費電力を低減しなが
ら、良好な加熱特性を実現できる。

【００９３】また直流磁場発生手段である永久磁石を定
着ローラの両端部に配置することにより、従来例の比べ
て定着ローラの表面温度分布を均一化でき、温度むらに
よる定着むらを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘導加熱装置の本実施形態１を示す図

【図２】本実施形態１の直流磁場発生手段の磁化方向を
示す図

【図３】ジュール損失量評価部位を説明する図

【図４】交流磁場発生手段長手方向に沿った被加熱体表
面のジュール損失量分布図

【図５】被加熱体表面中央部のジュール損失量分布図

【図６】被加熱体表面端部近傍のジュール損失量分布図

【図７】本実施形態１の直流磁場発生手段の異なる磁化
方向を示す図

【図８】本実施形態１の直流磁場発生手段の異なる磁化
方向を示す図

【図９】本実施形態１の直流磁場発生手段の異なる磁化
方向を示す図

【図１０】本発明の定着装置の本実施形態２を示す図

【図１１】本発明の定着装置の本実施形態３を示す図

【図１２】本実施形態２又は本実施形態３の交流磁場発
生手段長手方向に沿った被加熱体表面のジュール損失量
分布図

【図１３】本実施形態２又は本実施形態３の被加熱体表
面中央部のジュール損失量分布図

【図１４】本実施形態２又は本実施形態３の被加熱体表
面端部近傍のジュール損失量分布図

【図１５】本実施形態１の直流磁場発生手段の残留磁束
密度を変えた場合の交流磁場発生手段長手方向に沿った
被加熱体表面のジュール損失量分布図

【図１６】本実施形態１の直流磁場発生手段の厚みを変
えた場合の交流磁場発生手段長手方向に沿った被加熱体
表面のジュール損失量分布図

【図１７】本実施形態１の交流磁場発生手段の電流値を
変えた場合の交流磁場発生手段長手方向に沿った被加熱
体表面のジュール損失量分布図

【図１８】本実施形態１の交流磁場発生手段の電流周波
数を変えた場合の交流磁場発生手段長手方向に沿った被
加熱体表面のジュール損失量分布図

【図１９】本実施形態１の交流磁場発生手段の電流値と
周波数をともに変えた場合の交流磁場発生手段長手方向
に沿った被加熱体表面のジュール損失量分布図

【図２０】直流磁場発生手段の残留磁束密度分布を示す
図

【図２１】直流磁場発生手段の異なる配置を示す図

【図２２】残留磁束密度に分布を与えた場合又は異なる
配置とした場合の交流磁場発生手段長手方向に沿った被
加熱体表面のジュール損失量分布図

【図２３】本発明の誘導加熱装置より構成された定着装
置の実施形態１を側面から見た断面図

【図２４】定着装置の実施形態１を端部から見た図

【図２５】被加熱体表面のジュール損失量の評価部位を
示す図

【図２６】従来例および定着装置の実施形態１におけ
る、交流磁場発生手段の中心部長手方向に沿った被加熱
体表面(D１−D２)のジュール損失量を示す図

【図２７】従来例および定着装置の実施形態１におけ
る、交流磁場発生手段に覆われた幅領域の被加熱体表面
(E１−E２)のジュール損失量を示す図

【図２８】従来例および定着装置の実施形態１におけ
る、交流磁場発生手段に覆われた長手方向の被加熱体表
面(F１−F２)のジュール損失量を示す図

【図２９】定着装置の実施形態２を示す図

【図３０】定着装置の実施形態３を示す図

【図３１】定着装置の実施形態４を示す図

【図３２】本発明の誘導加熱装置より構成された定着装
置の実施形態２を側面から見た断面図

【図３３】定着装置の実施形態２における直流磁場発生
装置の構成を示す図

【図３４】定着装置の実施形態２における永久磁石の着
磁状態を示す図

【図３５】定着装置の実施形態２を交流磁場発生手段の
真上から見た概観図

【図３６】従来例の各評価箇所での温度変化を示す図

【図３７】定着装置の実施形態２の各評価箇所での温度
変化を示す図

【符号の説明】

１被加熱体、２交流磁場発生手段３直流磁場発生手段４高残留磁束密度領域５低残留磁束密度領域６回転軸７定着ローラ８軸受９ベアリング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性の被加熱体と交流磁場発生手段から
構成される誘導加熱装置において、直流磁場発生手段を
設け、前記直流磁場発生手段が形成する磁場を前記交流
磁場発生手段により変化させて前記被加熱体を加熱する
ことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】前記被加熱体、前記交流磁場発生手段、前
記直流磁場発生手段から構成される誘導加熱装置におい
て、前記直流磁場発生手段が発生する直流磁場の磁束密
度が０．００１T以上である領域内に、前記交流磁場発
生手段を配置することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項３】前記直流磁場発生手段が、永久磁石である
ことを特徴とする請求項１記載又は請求項２記載の誘導
加熱装置。
【請求項４】前記永久磁石が、部分的に異なる残留磁束
密度を有することを特徴とする請求項３記載の誘導加熱
装置。
【請求項５】前記永久磁石が、部分的に異なる厚みを有
することを特徴とする請求項３記載の誘導加熱装置。
【請求項６】導電性の被加熱体から成る定着ローラと前
記被加熱体に対して交流磁界を与えて誘導加熱する交流
磁場発生手段を備えた定着装置において、請求項１から
請求項５のいずれかに記載の誘導加熱装置によって構成
された定着装置。
【請求項７】請求項６記載の定着装置において、前記直
流磁場発生手段を前記定着ローラの両端部に配置するこ
とを特徴とする定着装置。
【請求項８】請求項７記載の定着装置の前記直流磁場発
生手段が、前記定着ローラの回転とは無関係に自由に回
転できることを特徴とする定着装置。
【請求項９】請求項７または請求項８記載の定着装置に
おいて、前記直流磁場発生手段とする永久磁石が、前記
定着ローラの回転軸を中心としてラジアル方向に着磁さ
れていることを特徴とする定着装置。