JP3926555B2 - 加熱用回転体、加熱装置、定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加熱体を加熱する加熱用回転体、加熱装置、定着装置、及び複写機，プリンタ，ファクシミリ等の画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置においては、電子写真方式等の作像プロセス機構により、シート状の記録媒体上に未定着トナー像を転写方式または直接方式で形成して担持させる。この未定着トナー像のトナーは簡単にシート状の記録媒体から剥がれ落ちるので、トナーに熱、あるいは圧力、あるいは熱と圧力の両方を加えることにより、トナーをシート状の記録媒体の表面に永久的に固着させることが必要となる。このトナーをシート状の記録媒体の表面に永久的に固着させる工程は定着プロセスと呼ばれている。
【０００３】
シート状の記録媒体の例としては、Ａ４サイズやＡ３サイズなどにカットされた普通紙やＯＨＰシートが一般的である。トナーをシート状の記録媒体の表面に永久的に固着させる定着装置には色々な方式があるが、熱と圧力の両方を加える定着方式が最も普及しており、その定着方式においてトナーに熱を加える加熱方式として、従来から、熱ローラ定着方式、フィルム加熱定着方式などの接触加熱定着方式が一般に用いられている。
【０００４】
熱ローラ定着方式およびフィルム加熱定着方式の定着装置は、中空あるいは中実の円筒形状の回転体と、この回転体に圧接してシート状の記録媒体を挟持する加圧体（中空円筒形状あるいは中実円筒形状の場合は加圧ローラと呼ぶ）とを有している。シート状の記録媒体は上記回転体あるいは上記加圧体の回転運動に従動して上記回転体と上記加圧体の間を搬送される。上記回転体はそれに接して或いはその近傍に配置した発熱体により加熱されるか或いは自己発熱により加熱される。
【０００５】
熱ローラ定着方式では、ハロゲンランプやニクロム線ヒータ等の棒管状発熱ヒータを、上記回転体としての定着ローラ本体（ヒータを含めて定着ローラと称する場合があるため、定着ローラからヒータを除いた部分を定着ローラ本体と呼ぶことにする）の中心軸上に配設して定着ローラ本体を加熱するのが一般的である。また、フィルム加熱定着方式では、上記回転体としてのフィルムの回転方向に直交する方向に長手方向を一致させて配置した細長い板状の発熱体をフィルムに当接させて加熱するのが一般的である。
【０００６】
従来、上記熱ローラ定着方式の定着装置では、定着ローラ本体の加熱に時間を要し、電源を投入してから定着ローラ表面の温度が定着に適した温度に達するまでの時間（以下、ウォームアップタイムという）が比較的長かった。そのウォームアップタイムの間には使用者は画像形成装置を使用することができず、長時間の待機を強いられるという問題があった。
【０００７】
また、待機時から使用可能状態に至るまでの待ち時間を短くするために、待機中も定着ローラを比較的高温に保つように発熱体に通電する必要があり、無駄な電力を消費していた。多量の電力を定着ローラに投入すれば、ウォームアップタイムは短縮できるが、定着装置における消費電力が増大し、省エネルギーという観点から望ましくない。消費電力を増やさずにウォームアップタイムを短縮することが、定着装置の省エネルギー化（低消費電力化）と、ユーザの操作性（クイックプリント）との両立を図るために望まれていた。
【０００８】
一方、上記フィルム加熱定着方式の定着装置は、ウォームアップタイムは短いものの、トナーへの熱供給能力において高速な定着には対応できず、またフィルムが蛇行したり破損たりし易いために記録媒体の搬送の安定性および耐久性の点で熱ローラ定着方式に劣っていた。
【０００９】
そこで、定着ローラ本体としての回転体の外側表面近傍のみを発熱させ、あるいは加熱し、さらに発熱層の内側に断熱層を形成して発生した熱が回転体の内部に逃げないようにすることによって、ウォームアップタイムを短縮した定着装置が特開平2-131275号公報、特開平2-131276号公報、特開平3-27073号公報、特開平6-75491号公報、特開平8-202194号公報、特開平8-335000号公報、特開平9-152801号公報および特開平10-340023号公報に記載されている。
【００１０】
また、回転体の加熱源として電磁誘導作用による発熱現象を利用した誘導加熱方式の定着装置が提案されている。これは、交番磁界中に導電体を置くと電磁誘導により導電体中に渦電流が流れ、その渦電流により発生するジュール熱により導電体が発熱する現象を利用して回転体を加熱するものである。すなわち、回転体の一部または全部を導電体で構成し、回転体の内部または外部に磁束生成コイルを配置し、この磁束生成コイルに交流電流を流して生じた交番磁束を回転体内の導電体に浸透させることによりその導電体に誘導渦電流を発生させ、その渦電流と回転体内の導電体自体の抵抗によって回転体内の導電体をジュール発熱させる。
【００１１】
この誘導加熱定着装置では、電気−熱変換効率が大きく向上するため、ウォームアップタイムの短縮が可能となる。また、ハロゲンランプ等のヒータで回転体の表面を加熱する場合や発熱層自体をヒータで構成する場合のような他の表面加熱方式に比べて被加熱材が発火する危険が少ない。この誘導加熱定着装置において、回転体に低熱伝導層（断熱層）を設け、さらにその外側に誘導加熱される導電体からなる薄い発熱層を設けることにより、発熱層の熱が回転体内部に逃げるのを防いでウォームアップタイムを短縮した定着装置が特開平11-288190号公報に記載されている。
【００１２】
なお、導電体は、その磁性に着目した場合、銅のような反磁性体、アルミニウムのような常磁性体、鉄のような強磁性体の３種類に分けられる。通常、強磁性体を単に磁性体と呼び、反磁性体と常磁性体を非磁性体と呼んでいる。以下ではその呼び方に従う。磁性体を誘導加熱する場合、上述の渦電流により発生するジュール熱に加えてヒステリシス損による熱も発生する。回転体には機械的強度を保てるだけの厚さが必要であるため、回転体の厚さを減らすことには限界がある。そのため、発熱層を回転体の外側表面近くに設け、断熱層でその発熱層を回転体の内部と熱的に切り離すという上述の従来例が、現在のところ熱ローラ定着方式のウォームアップタイムを短縮できる最上の方式である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
加熱し易いものは冷め易いという性質も併せ持っている。発熱層を回転体の外側表面近くに設けて断熱層でその発熱層を回転体の内部と熱的に切り離すという上述の従来例の場合、断熱層の外側の発熱層は、電力投入を止めるとすぐに冷えてしまう。したがって、使用後例えば５分間の間隔を置いて再使用する場合でも、朝一番に使用する場合と同様に冷えた状態から加熱を開始することになる。そのため、待機状態から使用する場合でも電源オフ状態から使用する場合とあまり大きく変らない時間だけ待たされることになり、使い勝手が悪く、それを避けるためには待機時の予備加熱が欠かせなかった。
【００１４】
なお、発熱層を極端に薄くして発熱層の熱容量を減らすことにより、立ち上げに要する時間を３秒程度以下にすれば待機時における発熱層の予備加熱は必要でなくなるが、そうすると、被加熱材に与えるのに十分なだけの熱量を回転体が保持することができずに定着不良を引き起こしてしまう。したがって、待機時に回転体を予備加熱することを避けることはできず、そのための消費エネルギーは依然として大きかった。
【００１６】
請求項１に係る発明は、ウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力が少なくて投入エネルギーの熱への変換効率が高い上に、余分なエネルギーを蓄熱にまわして蓄熱効率を向上させることができる加熱装置を提供することを目的とする。
請求項２に係る発明は、ウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力を一層少なくすることができる加熱装置を提供することを目的とする。
【００１７】
請求項３に係る発明は、ウォームアップタイムが短くて待機時の消費電力が少なく、待機時の蓄熱層の加熱効率が高くて待機時の投入エネルギーを減らすことができる加熱装置を提供することを目的とする。
請求項４に係る発明は、ウォームアップタイムが短く、かつ待機時の消費電力が少ない定着装置を提供することを目的とする。
請求項５に係る発明は、ウォームアップタイムが短く、かつ待機時の消費電力が少ない画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、熱容量の大きな磁性体からなる蓄熱層、この蓄熱層の外側に設けられ非磁性体でかつ熱伝導率の低い材料からなる断熱層、この断熱層の外側に設けられ導電体からなる発熱層を有する加熱用回転体と、この加熱用回転体の外側に配置され交番電流により交番磁束を生成して該交番磁束により前記発熱層を発熱させる磁束生成手段とを備え、前記加熱用回転体により被加熱体を加熱し、前記磁束生成手段に与える交番電流の周波数を可変にしたものである。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の加熱装置において、待機時の前記交番電流の周波数を立ち上げ時の前記交番電流の周波数よりも低くしたものである。
【００１９】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の加熱装置において、前記発熱層を構成する材料の導電率と透磁率との積の値が、前記蓄熱層を構成する磁性体の導電率と透磁率との積の値に比べて小さいものである。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の加熱装置を用いたことを特徴とする定着装置である。
【００２１】
請求項５に係る発明は、請求項４記載の定着装置を用いたことを特徴とする画像形成装置である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
ウォームアップタイムの短縮には限界があって加熱用回転体の予備加熱が避けられないのなら、加熱用回転体を冷えにくくして、少ないエネルギーでも待機時の加熱用回転体の温度を維持することができるようにする方向で消費エネルギーを減らせば良い。具体的には、加熱用回転体の外側表面近傍に発熱層を設け、その内側に断熱層を設け、さらに断熱層の内側に蓄熱層を設けて熱を蓄積できるようにして、冷えにくくする。
【００２３】
断熱層の厚さと熱伝導率が適切であれば、１０秒程度の短い時間スケールでは、断熱層の断熱作用が十分働いて発熱層の熱が加熱用回転体の内部に逃げず、加熱用回転体の外側表面は急速に定着可能温度に達することができる。したがって、蓄熱層を設けてもウォームアップタイムの短縮効果は維持される。また、比較的長い時間スケールでは、発熱層の熱が断熱層を通過して内部の蓄熱層に溜まっていく。蓄熱層に溜まった熱が断熱層を通過して加熱用回転体から逃げるのも、同様に比較的長い時間スケールで起こる。したがって、例えば５分間使用した後では蓄熱層が十分に温まり、その熱が５分間程度蓄熱層から発熱層に供給され続けて発熱層を冷めにくくしているので、その間は加熱用回転体の予備加熱に要するエネルギーが少なくて済む。
【００２４】
次に、加熱用回転体において発熱層の内側に断熱層を設けてその内側に蓄熱層を設けることにより、ウォームアップタイムが短くかつ待機時の消費電力が少ない加熱用回転体を実現できるということを詳しく説明する。
加熱用回転体の発熱層における単位時間当たりの熱の発生量をＱと書く。また、単位時間当たりに断熱層を通過して発熱層から蓄熱層に逃げる熱量をｑと書く。また、単位時間当たりに離型層を通過して発熱層から外部空気中に逃げる熱量をｐと書く。また、発熱層の熱容量をＣと書く。また、発熱層内の温度の空間変化は小さいので、近似的に発熱層内の温度が空間的に均一であると見なす。すると、発熱層の温度は単位時間当たり次のV1だけ上昇する。
V1＝（Ｑ−ｑ−ｐ）／Ｃ・・・（１）
断熱層が無ければ、単位時間当たりに発熱層から蓄熱層に逃げる熱量をｑ’と書くと、発熱層の温度は単位時間当たり次のV2だけ上昇することになる。
V2＝（Ｑ−ｑ’−ｐ）／Ｃ・・・（２）
これより、
V1／V2＝（Ｑ−ｑ−ｐ）／（Ｑ−ｑ’−ｐ）・・・（３）
となる。ここでも発熱層内の温度が空間的に均一であると見なした。蓄熱層が発熱層に比べて温度が低いときは、ｑ’はｑに比べて大幅に大きいので、（３）式は分子が分母に比べて大幅に大きく、したがって断熱層が有る場合の発熱層の温度上昇速度V1は断熱層が無い場合の発熱層の温度上昇速度V2に比べて大幅に大きい。
このように、断熱層を設けると、立ち上げ時の発熱層の温度上昇速度が大幅にアップする。
【００２５】
断熱層がある場合と断熱層が無い場合の立ち上げ時の発熱層と蓄熱層の温度を示すと、図７に示すようになる。図7において、Ａは断熱層を設けた場合の発熱層の温度、Ｂは断熱層を設けた場合の蓄熱層の温度、Ｃは断熱層を設けない場合の発熱層の温度、Ｄは断熱層を設けない場合の蓄熱層の温度である。時間が経つと、断熱層があっても無くても、蓄熱層は発熱層に近い温度にまで加熱される。
【００２６】
次に、待機状態を考える。蓄熱層から断熱層を通過して発熱層に逃げる単位時間当りの熱量をａと書き、蓄熱層から芯金層に逃げる単位時間当りの熱量をｕと書き、蓄熱層の熱容量をＤと書く。蓄熱層内の温度の空間変化は小さいので、近似的に蓄熱層内の温度が空間的に均一であると見なせる。すると、蓄熱層の温度は単位時間当たり次のV3だけ低下する。
V3＝（ａ＋ｕ）／Ｄ・・・（４）
また、断熱層がないときに蓄熱層から発熱層に逃げる単位時間当りの熱量をｂと書く。断熱層がないときでも、蓄熱層から芯金層に逃げる単位時間当りの熱量は、断熱層がある場合と断熱層がない場合とで、蓄熱層の温度が同じときは同じである。したがって、断熱層がないときは、蓄熱層の温度は単位時間当たり次のV4だけ低下する。
V4＝（ｂ＋ｕ）／Ｄ・・・（５）
これより、
V3／V4＝（ａ＋ｕ）／（ｂ＋ｕ）・・・（６）
となる。ここでも蓄熱層内の温度が空間的に均一であると見なした。ここに、ａはｂに比べて小さいので、断熱層がある場合の蓄熱層の温度低下速度V3は断熱層がない場合の蓄熱層の温度低下速度V4に比べて小さい。
このように、断熱層を設けると、蓄熱層の温度は断熱層が無い場合に比べて下がりにくい。
【００２７】
次に、芯金層から回転体内部の空気に逃げる単位時間当りの熱量をｅと書く。また、芯金層の熱容量をＧと書く。芯金層は近似的に蓄熱層と同じ温度であると見なせるので、芯金層と蓄熱層の平均温度は単位時間当たり次のV5だけ低下する。
V5＝（ａ＋ｅ）／（Ｄ＋Ｇ）・・・（７）
次に、断熱層があって蓄熱層が無い場合を考える。
芯金層から回転体内部の空気に逃げる単位時間当りの熱量をｅと書き、芯金層から断熱層に逃げる単位時間当りの熱量をｆと書き、芯金層の熱容量をＧと書く。近似的に芯金層内の温度が空間的に均一であると見なすと、芯金層の温度は単位時間当たり次のV6だけ低下する。
V6＝（ｅ＋ｆ）／Ｇ・・・（８）
蓄熱層が有る場合と蓄熱層が無い場合とを、芯金層および断熱層が両者で同じ温度のときで比較すると、そのときはｆがａに等しいので、
V6＝（ｅ＋ａ）／Ｇ・・・（９）
となり、V6は蓄熱層の熱容量Ｄが大きいためV5よりもかなり大きい。
【００２８】
すなわち、蓄熱層が無い場合は蓄熱層が有る場合に比べて断熱層の内部の温度が速く低下する。逆に言うと、蓄熱層を設けることにより断熱層の内部の温度の低下速度を遅らせることができる。したがって、待機時に加熱用回転体の温度を所定の温度に維持するために投入しなければならないエネルギーが少なくて済む。このように、加熱用回転体において発熱層の内側に断熱層を設けて更にその内側に蓄熱層を設けることにより、ウォームアップタイムが短くかつ待機時の消費電力が少ない加熱用回転体を実現できる。
【００２９】
図２は、本発明の参考形態１の概略構成を示す横断面模型図である。この参考形態１は、加熱装置の例であり、例えば画像形成装置に定着装置として用いられる。図２において、１は加熱用回転体としての加熱ローラである。この加熱ローラ１の外側表面に対向して磁束生成手段としての磁束生成コイル２が設けられる。この磁束生成コイル２は、加熱ローラ１の外側表面に接近してニップ部以外の加熱ローラ１外側表面のうちのニップ部入口に近い側のほぼ半分を取り囲むように配置してある。磁束生成コイル２はリッツ線からなる。
【００３０】
磁束生成コイル２には非図示の電源により交番電流が供給される。この交番電流により磁束生成コイル２が交番磁束を発生し、その交番磁束は加熱ローラ１の発熱層に渦電流を発生させ、その渦電流により加熱ローラ１の発熱層がジュール発熱する。加熱ローラ１には、加圧部材としての加圧ローラ３が非図示のバネにより圧接される。加圧ローラ３は、直径４０mmのアルミニウムからなる円柱の回りに厚さ５mmのシリコーンゴム層を設け、さらにその外側を厚さ５０μmのポリテトラフルオロエチレンキャップで覆ったものである。
【００３１】
加熱ローラ１は、図示していない駆動手段により矢印４の方向に回転駆動され、その回転に連れて加圧ローラ３が従動回転する。この加熱ローラ１と加圧ローラ３の圧接部には未定着トナー像を担持したシート状の記録媒体５が搬送され、この記録媒体５が加熱ローラ１と加圧ローラ３の圧接部を通過している間に、熱と圧力によりトナー像が記録媒体５に定着される。
【００３２】
加熱ローラ１には温度センサ６が取り付けてあり、この温度センサ６は加熱ローラ１の表面温度を検知する。非図示の温度制御機構は、温度センサ６からの検知信号により磁束生成コイル２を加熱ローラ１の表面温度が所定の温度（定着可能温度）になるように制御する。加熱ローラ１に付着した未定着トナーや紙粉等はクリーニング部材（非図示）により除去される。加熱ローラ１と加圧ローラ３の圧接部の出口の外側には、該圧接部を通過して出てきたシート状の記録媒体５を加熱ローラ１から分離させるための分離爪（非図示）が設けてある。
【００３３】
加熱ローラ１は、図１に示すように、外径４０mm厚さ０．３mmのアルミニウムからなる中空ローラ７を芯金層となし、その外側に厚さ０．１mmのポリイミド樹脂からなる断熱層８を設け、さらにその外側に蓄熱層として厚さ０．８mmの銅からなる層９を設け、さらにその外側に断熱層として厚さ０．２mmのポリイミド樹脂からなる層１０を設け、さらにその外側に発熱層として厚さ０．１mmのＳＵＳからなる層１１を設け、さらにその外側に離型層として厚さ１５μmのポリテトラフルオロエチレンからなる層１２を設けたものである。なお、各層７〜１２の厚さには大きな差があり、各層７〜１２を正確な比率で図示すると薄い層が見えなくなるため、図１では各層７〜１２は実際の厚さとは異なった厚さで描いてある。
【００３４】
発熱層１１は、磁束生成コイル２が生成した交番磁束により生じた渦電流と自身の抵抗とでジュール発熱する。また、ＳＵＳは磁性体であるので、発熱層１１はヒステリシス損によっても発熱する。ポリイミド樹脂からなる２つの層８、１０のうちの外側の層１０は、発熱層１１に生じた熱のうち単位時間当りに蓄熱層９に伝わる量を減らす働きをする。この層１０があるために、数十秒程度の短い時間に発熱層１１から蓄熱層９に伝わる熱量は少ない。しかしながら、長い時間の間には大量の熱が発熱層１１から蓄熱層９に伝わる。また、このポリイミド樹脂の層１０は発熱層１１が発熱していないときに蓄熱層９から発熱層１１を経由して加熱ローラ１の外部へ逃げる熱の流れを邪魔する働きをする。この層１０があるせいで、蓄熱層９の熱が大量に失われるのには長い時間がかかる。
【００３５】
ポリイミド樹脂からなる２つの層８、１０のうちの内側の層８は、蓄熱層９の熱が芯金層７を経由して加熱ローラ１の取り付け部材などへ逃げるのを阻害する働きをする。蓄熱層９には断熱層８、１０に比べて熱伝導率の高い材料を用いているので、断熱層８、１０を通過して蓄熱層９に入った熱は蓄熱層９全体に広がって保持され、したがって、熱伝導率の低い材料を蓄熱層９に用いた場合よりも熱の吸収保持性能が高い。なお、加熱ローラ１の取り付け部材に断熱部材を用いたことなどにより芯金層７から加熱ローラ１の外部に逃げる熱量が少ない場合は、ポリイミド樹脂からなる２つの層８、１０のうちの内側の層８はなくてもかまわない。
【００３６】
加熱ローラ１を回転させながら磁束生成コイル２に電源から１５００Wで３０kHzの交番電流を供給したところ、加熱ローラ１の外側表面が室温から出発して１５秒で１９０℃に達した。また、加熱ローラ１の外側表面を１９０℃に保つように上記温度制御機構により磁束生成コイル２を制御しながら加熱ローラ１を３０分間加熱し続けた後に加熱ローラ１の加熱を止めたところ、加熱ローラ１の外側表面が１２０℃にまで低下するのに要した時間は、約１分だった。
【００３７】
比較のために、外径４０mm、厚さ０．３mmのアルミニウムからなる中空ローラを芯金層となし、その外側に厚さ０．２ mmのポリイミド樹脂からなる層を設け、さらにその外側に発熱層として厚さ０．１ mmの ＳＵＳからなる層を設け、さらにその外側に離型層として厚さ１５μmのポリテトラフルオロエチレンからなる層を設けた比較用加熱ローラを本参考形態において加熱ローラ１の代りに用いて、同じ条件で測定したところ、加熱ローラ１の外側表面が１９０℃に達するのに要した時間は同じく１５秒であった。一方、比較用加熱ローラの外側表面が１２０℃にまで低下するのに要した時間は、約４０秒であった。
このように、発熱層１１の内側に断熱層１０を挟んで蓄熱層９を設けたことにより、ウォームアップタイムをほとんど長くすることなく加熱ローラ１を冷却しにくくすることができた。
【００３８】
ところで、本参考形態では、誘導加熱により発熱層１１を発熱させたが、断熱層１０と蓄熱層９の効果は発熱方式には依存しない。すなわち、電流を流すことによって自己発熱するニッケルクロム合金などの電気抵抗体で発熱層１１を構成した場合でも、本発明は有効である。また、発熱層１１を自己発熱させずに、外部に置いたハロゲンランプやニクロム線ヒータなどの赤外線を放射するヒータによって加熱する場合でも、本発明は有効である。また、発熱層１１を自己発熱させずに、サーマルヘッドなどの高温物体を接触させることによって加熱する場合でも、本発明は有効である。
【００３９】
また、誘導加熱により発熱層１１を発熱させる場合、発熱層１１はＳＵＳに限るものではなく、磁性金属であれば何でも用いることができ、たとえば、鋼、鉄、ニッケル、コバルト、あるいはそれらの合金が使える。また、発熱層１１には効率は落ちるが非磁性の導電体を用いてもよい。
【００４０】
また、断熱層８、１０は、熱伝導率の小さい材料であればよく、ポリイミド樹脂に限らず、発泡ガラス、低熱伝導性セラミックス、発泡シリコーンゴムなどが使える。ただし、誘導加熱により発熱層１１を発熱させる場合には、断熱層８、１０は非磁性体であることが望ましい。
【００４１】
また、蓄熱層９は、熱容量が大きくかつ熱伝導率が高い材料なら、銅に限るものではない。たとえば、ＳＵＳ、鋼、鉄、ニッケル、クロム、あるいはそれらの合金が蓄熱層９に使える。また、蓄熱層９は、熱伝導率が多少小さい材料でも使えないわけではなく、たとえばセラミックスやガラスなどを使用しても、効果はある。
【００４２】
発熱層１１と蓄熱層９を隔てる断熱層１０の厚さは、本参考形態の０．２mmに限るものではないが、あまりに厚いと蓄熱層９と発熱層１１の間に大きな温度差が生じるため、蓄熱層９が高温に保たれていても加熱ローラ１の表面が冷えてしまうことが起きるので、好ましくない。また、断熱層１０の厚さがあまりに薄いと、断熱効果が少なくなって発熱層１１のみを集中的に加熱できなくなり、そのためウォームアップタイムが長くなってしまうため、好ましくない。従って、一般的にいって、断熱層１０の厚さは０．０５mm程度から１０mm程度までが好ましい。
【００４３】
蓄熱層９の厚さは、本参考形態の０．８ mmに限るものではないが、あまりに厚いと蓄熱層９の温度が上がりにくいので、好ましくない。また、蓄熱層９の厚さがあまりに薄いと、蓄熱できる熱の量が少なくなって保温効果がほとんど無くなってしまう。このため、一般的にいって、蓄熱層９の厚さは０．２mm程度から１０mm程度までが好ましい。
【００４４】
この参考形態１の加熱用回転体としての加熱ローラ１によれば、少なくとも１層の熱容量の大きな材料からなる蓄熱層９と、この蓄熱層９の外側に設けられ熱伝導率の低い材料からなる断熱層１０と、この断熱層１０の外側に設けられ自己発熱する、或いは外部から熱の供給を受ける層１１とを有するので、断熱層に囲まれた蓄熱層による保温効果により、待機時の予備加熱に必要なエネルギーを減らすことができ、待機時の消費電力が少なくなる。また、層１１と蓄熱層とを断熱層で隔てたので、層１１に生じた熱が蓄熱層に逃げにくく、蓄熱層を設けたことによるウォームアップタイムの増加をわずかなものにとどめることができ、ウォームアップタイムが短い。なお、ここでは、加熱装置においても、電源投入後に動作可能温度に立ち上がるまでの立ち上がり時間をウォームアップタイムという。
【００４５】
また、この参考形態１の加熱装置によれば、上記構成の加熱ロラ１により被加熱体としてのシート状記録媒体５を加熱するので、断熱層に囲まれた蓄熱層による保温効果により、待機時の予備加熱に必要なエネルギーを減らすことができ、待機時の消費電力が少なくなる。また、層１１と蓄熱層とを断熱層で隔てたので、層１１に生じた熱が蓄熱層に逃げにくく、蓄熱層を設けたことによるウォームアップタイムの増加をわずかなものにとどめることができ、ウォームアップタイムが短い。
【００４６】
次に、本発明の実施形態１について説明する。この実施形態１は、上記参考形態１と加熱用回転体としての加熱ローラ１の層構成と外径が異なっている他は参考形態１と同じである。実施形態１では、加熱ローラ１は、図３に示すように、外径４０mm、厚さ０．３mmのアルミニウムからなる中空ローラ１３を芯金層となし、その外側に蓄熱層として厚さ０．２ mmの ＳＵＳからなる層１４を設け、さらにその外側に断熱層として厚さ２mmのポリイミド樹脂からなる層１５を設け、さらにその外側に発熱層として厚さ０．１mmのＳＵＳからなる層１６を設け、さらにその外側に離型層として厚さ１５μmのポリテトラフルオロエチレンからなる層１７を設けたものである。なお、図３では各層１３〜１７は、見やすいように実際の厚さとは異なった厚さで描いてある。
【００４７】
この実施形態１において、上記磁束生成コイル２に１００Vで３０kHzの交番電圧を印加した。発熱量を直接測定することは困難であるので、有限要素法による調和磁場解析により発熱量を算出した。その結果、断熱層１５の外側に位置している発熱層１６において投入電力の約80％に相当する量の熱が発生し、また蓄熱層１４において投入電力の約17％に相当する量の熱が発生していることが分かった。合計では投入電力の約97％に相当する量の熱が発熱層１６及び蓄熱層１４で発生している。
【００４８】
比較例として、実施形態１の蓄熱層である内側から第２番目の層であるＳＵＳ層１４を無くし、その代りに芯金層１３の厚さを０．５mmにした以外は実施形態１と同じ構成の比較用加熱装置で同じ電圧を印加したところ、断熱層１５の外側に位置している発熱層１６において投入電力の約９０％に相当する量の熱が発生し、また芯金層において投入電力の約４％に相当する量の熱が発生していることが分かった。合計では投入電力の約９４％に相当する量の熱が発熱層１６及び芯金層で発生している。
【００４９】
この結果から分かるように、加熱ローラ１において、断熱層１５の内側の蓄熱層１４を磁性体により構成すると、断熱層１５の外側に位置している発熱層１６を突き抜けて蓄熱層１４に達した磁束も発熱に寄与し、投入電力に対する加熱ローラ１の発熱効率が向上する。また、断熱層１５によるウォームアップタイムの短縮効果と蓄熱層１４による保温効果については、本実施形態でも参考形態１と同様に機能している。
【００５０】
このように、実施形態１によれば、熱容量の大きな磁性体からなる蓄熱層１４、この蓄熱層１４の外側に設けられ非磁性体でかつ熱伝導率の低い材料からなる断熱層１５、この断熱層１５の外側に設けられ導電体からなる発熱層１６を有する加熱用回転体としての加熱ローラ１と、この加熱ローラ１の外側に配置され交番電流により交番磁束を生成して該交番磁束により発熱層１６を発熱させる磁束生成手段としての磁束生成コイル２とを備え、加熱ローラ１により被加熱体としてのシート状記録媒体５を加熱するので、参考形態１と同様にウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力が少なく、さらに発熱層を発熱させる手段として熱変換効率が高い方式である誘導加熱方式を採用し、しかも、蓄熱層として磁性体を用いて、発熱層を突き抜けた磁束も蓄熱層において発熱に活用でき、投入電力の熱への変換効率が非常に高い。また、誘導加熱方式を採用しているので、加熱ローラを外側からヒータで加熱する方式や加熱ローラの外側表面近くの層を発熱抵抗体で構成する方式に比べて、発火の危険性が少ない。
【００５１】
次に、本発明の実施形態２について説明する。この実施形態２は、上記実施形態１と加熱用回転体としての加熱ローラ１の層構成と外径が異なり、磁束生成コイル２に供給する交番電流の周波数が異なっている点と以下に述べる点の他は、実施形態１と同じである。本実施形態では、加熱ローラ１は、図４に示すように、厚さ０．４mmのＳＵＳからなる中空ローラ１８を芯金層となし、その外側に断熱層として厚さ２mmのポリイミド樹脂からなる層１９を設け、さらにその外側に発熱層として厚さ０．１mmの ＳＵＳからなる層２０を設け、さらにその外側に離型層として厚さ１５μmのポリテトラフルオロエチレンからなる層２１を設けたものである。芯金層１８は蓄熱層の役割を兼ねている。なお、図４では、各層１８〜２０は、見や１いように実際の厚さとは異なった厚さで描いてある。
【００５２】
透磁率がμ、導電率がσである物体を周波数がω／２πである振動磁場の中に置くと、磁場および振動磁場によって誘起される電場は、物体の内部に行くにしたがって弱くなる。磁場および電場が物体の表面からどの程度の深さまで侵入するかの目安を示す量として、次の式で表されるδが広く使われている。
δ＝√（２／σμω）・・・（１０）
このδは、一般に表皮厚さ、あるいは表皮深さ、あるいは侵入深さと呼ばれている。物体のδより深いところでは、磁場および電場は、物体表面でのそれらの値の１／ｅ以下になる。この侵入深さδは、（１０）式から分かるように、振動磁場の周波数が高くなれば短くなり、振動磁場の周波数が低くなれば長くなる。振動磁場の周波数が３０kHzの場合、ＳＵＳではこの侵入深さδが約０．１mmである。また、磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数と磁束生成コイル２が生成する振動磁場の周波数は等しい。
【００５３】
このように、磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を高くすると、加熱ローラ１における磁束の侵入深さが短くなって発熱層２０を突き抜ける磁束の量が減るため、主に発熱層２０のみを加熱することができる。また、磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を低くすると、加熱ローラ１における磁束の侵入深さが長くなって発熱層２０と断熱層１９を突き抜けて蓄熱層１８に達する磁束の量が増えるため、蓄熱層１８もある程度発熱する。
【００５４】
そこで、磁束生成コイル２に交番電流を与える電源は交番電流の周波数を可変できるものを用い、ウォームアップ時には、図示しない制御手段はその電源を制御して交番電流の周波数を高い周波数に可変することで、電源から磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を高くする。これにより、主に発熱層２０のみを加熱して、加熱ローラ１の外側表面を急速に定着可能温度に達せしめることができる。また、待機時には、制御手段は電源を制御して交番電流の周波数を低い周波数に可変することで、電源から磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を短くする。これにより、断熱層１９に囲まれた蓄熱層１８の加熱比率を高めることができるので、待機時に投入したエネルギーが加熱ローラ１の外部に放熱されにくく、蓄熱層１８の保温効果が長続きするので、待機時の投入エネルギーを減らすことができる。
【００５５】
本実施形態では、ウォームアップ時には、磁束生成コイル２に３０kHzの交番電流を印加し、待機持には、磁束生成コイル２に１kHzの交番電流を印加した。発熱量を直接測定することは困難であるので、有限要素法による調和磁場解析により発熱量を算出した。その結果、磁束生成コイル２に３０kHzの交番電流を印加したときには、断熱層１９の外側に位置している発熱層２０における発熱量と蓄熱層１８における発熱量の比率は、４．９対１であった。また、磁束生成コイル２に１kHzの交番電流を印加したときには、断熱層１９の外側に位置している発熱層２０における発熱量と蓄熱層１８における発熱量の比率は、１．２対１であった。
【００５６】
なお、待機時にのみ磁束生成コイル２に印加する交番電流の周波数を下げるのでなく、被加熱材５を加熱しているときでも、加熱ローラ１の外側表面の温度が十分な温度（定着可能な所定の温度）に達しているときは、制御手段は電源を制御して交番電流の周波数を低い周波数に可変することで、交番電流の周波数を下げることにより蓄熱層１８の加熱比率を上げる。それにより、不要なエネルギーを蓄熱に回すことができる。
【００５７】
この実施形態２によれば、磁束生成手段としての磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を可変にしたので、実施形態１と同様にウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力が少なくて投入エネルギーの熱への変換効率が高い上に、発熱層の温度が十分に高いときには磁束生成コイルに与える交番電流の周波数を低くして蓄熱層の加熱比率を高めることができ、余分なエネルギーを蓄熱にまわして蓄熱効率を向上させることができ、エネルギーの無駄を減らすことができる。
【００５８】
また、実施形態２によれば、待機時の磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を立ち上げ時の磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数よりも低くしたので、ウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力を実施形態１よりも更に少なくすることができる。すなわち、ウォームアップ時には、磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を高くして磁束の侵入深さを短くすることにより、発熱層２０を突き抜ける磁束の量を減らして主に発熱層２０のみを加熱して、加熱ローラ１の外側表面を急速に定着可能温度に達せしめることができる。また、待機時には、磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数を短くして磁束の侵入深さを長くすることにより、磁束が発熱層２０と断熱層１９を突き抜けて蓄熱層１８に達するようにして、蓄熱層１８の加熱比率を高めることができる。このため、待機時に投入したエネルギーが加熱ローラの外部に放熱されにくく、したがって蓄熱層の保温効果が長続きするので、待機時の投入エネルギーを減らすことができる。
【００５９】
次に、本発明の実施形態３について説明する。この実施形態３は、上記実施形態２と加熱用回転体としての加熱ローラ１の層構成と外径が異なり、磁束生成コイル２に供給する交番電流の周波数が異なっている点と以下に述べる点の他は、実施形態２と同じである。本実施形態では、加熱ローラ１は、図５に示すように、厚さ０．４mmのＳＵＳからなる中空ローラ２２を芯金層となし、その外側に断熱層として厚さ２mmのポリイミド樹脂からなる層２３を設け、さらにその外側に発熱層として厚さ０．２mmの 銅からなる層２４を設け、さらにその外側に離型層として厚さ１５μmのポリテトラフルオロエチレンからなる層２５を設けたものである。芯金層２２は蓄熱層の役割を兼ねている。なお、図５では、各層２２〜２５は、見やすいように実際の厚さとは異なった厚さで描いてある。
【００６０】
実施形態２では加熱ローラ１の発熱層２０は厚さ０．１mmの ＳＵＳからなる層であったが、本実施形態では加熱ローラ１の発熱層２４は厚さ０．２mmの銅からなる層であり、本実施形態と実施形態２とにおける加熱ローラ１の層構成は、その点で異なっている。銅の場合、上述の（１０）式で表される侵入深さδは、振動磁場の周波数が３０kHzの場合には約０．４mmである。したがって、振動磁場の周波数が３０kHzの場合は、磁束が本実施形態では加熱ローラ１の発熱層２４をかなりの割合で突き抜ける。また、銅は、非磁性体であるので、ヒステリシス損による発熱が生じない。このため、磁束生成コイル２に周波数３０kHzの交番電流を印加した場合は、発熱層２４での発熱量は少なく、ＳＵＳからなる蓄熱層２２での発熱量が多い。しかし、磁束生成コイル２に印加する交番電流の周波数を１００kHzまで上げると、磁束の侵入深さが発熱層２４の厚さに近くなり、発熱層２４での発熱量の蓄熱層２２での発熱量に対する比率が大きくなる。
【００６１】
実施形態２の構成で待機時における蓄熱層１８での発熱量の割合を実施形態２の場合よりも高めるには、待機時における交番電流の周波数を１kHzよりもさらに下げて、たとえば０．１ kHzにする必要がある。しかし、交番電流の周波数をそこまで下げると、投入電力のうち磁束生成コイル２自身の発熱として消費されるエネルギーの割合が非常に大きくなるという問題、すなわち発熱効率が大きく下がってしまうという問題が生じる。本実施形態の場合は、待機時における蓄熱層２４での発熱量の割合を高めるのに交番電流の周波数をそこまで下げる必要が無いので、そのような問題は生じない。
【００６２】
本実施形態では、ウォームアップ時には、制御手段は電源を制御して交番電流の周波数を高い周波数に可変することで、磁束生成コイル２に１００kHzの交番電流を印加し、待機持には、制御手段は電源を制御して交番電流の周波数を低い周波数に可変することで、磁束生成コイル２に３０kHzの交番電流を印加した。発熱量を直接測定することは困難であるので、有限要素法による調和磁場解析により発熱量を算出した。その結果、磁束生成コイル２に１００kHzの交番電流を印加したときには、断熱層２３の外側に位置している発熱層２４における発熱量と蓄熱層２２における発熱量の比率は、２．０対１であった。また、磁束生成コイル２に３０kHzの交番電流を印加したときには、断熱層２３の外側に位置している発熱層２４における発熱量と蓄熱層２２における発熱量の比率は、1対２．７であった。
このように、待機持には、ほとんど蓄熱層２２にのみ発熱させることができた。
【００６３】
この実施形態３によれば、発熱層２４を構成する材料の導電率と透磁率との積の値が、蓄熱層２２を構成する磁性体の導電率と透磁率との積の値に比べて小さい（発熱層２４を構成する材料の侵入深さδが、蓄熱層２２を構成する磁性体の侵入深さδに比べて大きい）ので、参考形態１と同様にウォームアップタイムが短くて待機時の消費電力が少なく、さらに磁束生成コイル２に与える交番電流の周波数が比較的高くても磁束が発熱層２４と断熱層２３を突き抜けて蓄熱層２２に達し、蓄熱層の加熱比率を高めることができる。つまり、発熱効率を大きく下げることなく、待機時に断熱層に囲まれた蓄熱層の加熱比率を実施形態２の場合よりもさらに高めることができる。それにより、待機時の投入エネルギーを実施形態２の場合よりもさらに減らすことができる。
【００６４】
なお、上記実施形態１、２において、実施形態３と同様に発熱層を構成する材料の導電率と透磁率との積の値が、蓄熱層を構成する磁性体の導電率と透磁率との積の値に比べて小さい（発熱層を構成する材料の侵入深さδが、蓄熱層を構成する磁性体の侵入深さδに比べて大きい）構成とし、実施形態３と同様な効果を得るようにしてもよい。
【００６５】
次に、本発明の実施形態４について説明する。この実施形態４は、実施形態１乃至実施形態３のいずれか１つの加熱装置を定着装置に用いた画像形成装置の例である。図６は実施形態４の構成を示す。この実施形態４の画像形成装置は、像担持体として円筒状に形成された光導電性の感光体２６を有している。この感光体２６の周囲には、帯電手段としての帯電ローラ２７、現像装置２８、転写手段としての転写ローラ２９、クリーニング装置３０、除電装置３１が配備されている。また、この実施形態５の画像形成装置は、露光手段としての光走査装置３２と定着装置３３を備えている。帯電手段としては、コロナチャージャを用いることもできる。帯電ローラ２７及び転写ローラ２９は電源からバイアスが印加され、光走査装置３２は帯電ローラ２７と現像装置２８との間の感光体２６の表面で光走査による露光を行う。
【００６６】
画像形成を実行する際には、感光体２６は、駆動部により回転駆動されて図６の時計回りに回転し、その表面が帯電ローラ２７により均一に帯電された後に光走査装置３２による露光で静電潜像が形成される。この静電潜像は現像装置２８により反転現像され、感光体２６の表面にトナー画像が形成される。このトナー画像は、感光体２６上のトナー画像が転写位置へ移動するのとタイミングを合わせて非図示の給紙装置により転写部へ送り込まれた記録媒体３４と重ね合わされて、転写ローラ２９の作用により記録媒体３４へ静電転写される。トナー画像が転写された記録媒体３４は、定着装置３３でトナー画像が定着された後、装置外部へ排出される。ここで、定着装置３３としては、実施形態１乃至実施形態３のいずれかの加熱装置が用いられる。トナー画像が転写された後、感光体２６の表面は、クリーニング装置３０によりクリーニングされて残留トナーや紙粉などが除去され、さらに除電装置３１により除電される。
【００６７】
この実施形態４の定着装置３３によれば、実施形態１乃至実施形態３のいずれかの加熱装置を用いたので、ウォームアップタイムが短く、かつ待機時の消費電力が少ない定着装置を実現できる。
また、実施形態４の画像形成装置によれば、定着装置３３として実施形態１乃至実施形態３のいずれかの加熱装置を用いたので、ウォームアップタイムが短く、かつ待機時の消費電力が少ない画像形成装置を実現できる。
【００６８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、画像形成装置の定着装置としての用途のほかに、シート状の被加熱体の乾燥用あるいは表面改質用等様々な用途に用いても構わない。また、加熱用回転体の蓄熱層等の各層は２層以上にしてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように請求項１に係る発明によれば、ウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力が少ないだけでなく、さらに投入エネルギーの熱への変換効率が高くなる。
【００７０】
また、請求項１に係る発明によれば、ウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力が少なくて投入エネルギーの熱への変換効率が高い上に、余分なエネルギーを蓄熱にまわして蓄熱効率を向上させることができ、エネルギーの無駄を減らすことができる。
請求項２に係る発明によれば、ウォームアップタイムが短く、待機時の消費電力を一層少なくすることができる。
【００７１】
請求項３に係る発明によれば、ウォームアップタイムが短くて待機時の消費電力が少なく、待機時の蓄熱層の加熱効率が高くて待機時の投入エネルギーを減らすことができる。
請求項４に係る発明によれば、ウォームアップタイムが短く、かつ待機時の消費電力が少ない定着装置を実現できる。
請求項５に係る発明によれば、ウォームアップタイムが短く、かつ待機時の消費電力が少ない画像形成装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考形態１における加熱ローラの概略構成を示す断面図である。
【図２】 同参考形態１の概略構成を示す横断面模型図である。
【図３】 本発明の実施形態１における加熱ローラの概略構成を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施形態２における加熱ローラの概略構成を示す断面図である。
【図５】 本発明の実施形態３における加熱ローラの概略構成を示す断面図である。
【図６】 本発明の実施形態４の構成を示す概略図である。
【図７】 加熱ローラにおいて断熱層がある場合と断熱層が無い場合の立ち上げ時の発熱層と蓄熱層の温度を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 加熱ローラ
２ 磁束生成コイル
３ 加圧ローラ
９、１４、１８、２２ 蓄熱層
１０、１５、１９、２３ 断熱層
１１、１６、２０、２４ 発熱層
２６ 感光体
２７ 帯電ローラ
２８ 現像装置
２９ 転写ローラ
３２ 光走査装置
３３ 定着装置

Claims (5)

1. 熱容量の大きな磁性体からなる蓄熱層、この蓄熱層の外側に設けられ非磁性体でかつ熱伝導率の低い材料からなる断熱層、この断熱層の外側に設けられ導電体からなる発熱層を有する加熱用回転体と、この加熱用回転体の外側に配置され交番電流により交番磁束を生成して該交番磁束により前記発熱層を発熱させる磁束生成手段とを備え、前記加熱用回転体により被加熱体を加熱し、前記磁束生成手段に与える交番電流の周波数を可変にしたことを特徴とする加熱装置。
2. 請求項１記載の加熱装置において、待機時の前記交番電流の周波数を立ち上げ時の前記交番電流の周波数よりも低くしたことを特徴とする加熱装置。
3. 請求項１または２記載の加熱装置において、前記発熱層を構成する材料の導電率と透磁率との積の値が、前記蓄熱層を構成する磁性体の導電率と透磁率との積の値に比べて小さいことを特徴とする加熱装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の加熱装置を用いたことを特徴とする定着装置。
5. 請求項４記載の定着装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

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