JP5863385B2 - 画像加熱装置 - Google Patents
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Description
(1)画像形成装置例
図1は本発明に従う誘導加熱方式の画像加熱装置を定着装置Fとして備えた画像形成装置の一例の概略構成模式図である。こ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。
図2は定着装置Fの要部の横断面模式図である。この定着装置Fは、少なくとも誘導発熱体で構成され、画像tを担持した記録紙Pに接する回転可能な画像加熱部材としての定着ローラ15の外部に磁束(磁界)発生手段としての加熱アセンブリ10を配設した外部加熱型の誘導加熱方式の画像加熱装置である。
図4は図2・図3のコア12において、コイル11の巻き中心部11aに嵌入して定着ローラ15に対向している凸形状部位12aの部分の拡大横断面図である。ここで、凸形状部位12aにおいて、コア12の側である基部側を根元部12bとし、定着ローラ15に対向する側である自由端部側を先端部12cとする。また、幅とは定着ローラ15の周方向における寸法である。図5は図4において凸形状部位12aの先端部12cから発振され定着ローラ15の誘導発熱体15a上に作るある瞬間の磁束密度を示したグラフである。
nSf<Sr
Bf<Bmax<Bst・・・式(2)
Br:凸形状部位12aの根元部12bの磁束密度
Bf:凸形状部位12aの先端部12cにおける磁束密度
Bmax:最大磁束密度
Bst:飽和磁束密度
n:先端部12cの分岐の数(本例では2個)
先端部12cと対向している定着ローラ15の誘導発熱体15aとの距離hは設計上可能な限り小さくすると良い。距離hが小さいほど誘導発熱体15aが凸形状部位12aの先端部12cから受け取る磁束の漏れは小さくなり、磁束密度が大きくなる。後で説明する発熱のメカニズムに示した式(6)および(7)からもわかるように磁束密度が大きいと定着動作時における誘導発熱体15aの磁束の時間変化は大きくなるため発熱効率が向上する。
図6を用いて、凸形状部位12aの根元部12b内を通る磁束が突起部12dを有する先端部12cで分岐、集中する原理を説明する。磁束は、磁気抵抗R、起磁力V、磁束Φの間に、
V=φR
という関係があり、これは電気回路のオームの法則に対応する。従って、電気回路と同等の磁気回路を考えることができる。図6の(a)と(b)は凸形状部位12aの磁気回路の模式図と等価回路である。凸形状部位12aの先端部12cに起磁力Vmが加えられたとき、先端部12cの起磁力をVG、磁気抵抗をRG、磁気抵抗Rm3を流れる磁束をφ3、磁気抵抗Rm3を流れる磁束をφ4とすると、各磁気抵抗、起磁力、磁束の関係は
Vm=φ(Rm1+Rm2+RG)
RG=Rm3・Rm4/(Rm3+2Rm4)
VG=φRG
φ3=VG/Rm3=φRm4/(Rm3+2Rm4)
φ4=VG/Rm4=φRm3/(Rm3+2Rm4)
となる。
2φ3+φ4=φ
であるから、磁気抵抗Rm3の経路と磁気抵抗Rm4の経路を通る磁束の比は
φ4/2φ3=Rm3/2Rm4・・・式(3)
となる。このとき磁気抵抗Rm3、Rm4と先端部12cの形状との関係は以下のようになる。
Rm4=L/(Sr−2Sf)μ0・・・式(5)
μ0:空気(真空)の透磁率
μm:コアの透磁率
例えば、Sf=10[mm2]、Sm=50[mm2]、μ0=4π×10-7、μm=1000、とすると、先端部12cを通る磁束2φ3と空気層を通る磁束φ4の比は以下のようになる。
従って、空気層を通る部分は無視できる。ただし、先端部12cの形状は式(1)、(2)を満たし、最大磁束密度が飽和磁束密度を超えない範囲使用しなければならない。
コイル11は励磁回路Cから供給される交流電流によって交番磁束を発生し、交番磁束はコア12・13・14に導かれて定着ローラ15の誘導発熱体である基体15aに渦電流を発生させる。その渦電流は誘導発熱体の固有抵抗によってジュール熱を発生させる。即ち、コイル11に交流電流を供給することで定着ローラ15が電磁誘導発熱状態になる。
電磁誘導における発熱とは渦電流のジュール損失である。渦電流損失Pは次の式(6)で表される。
P:渦電流ジュール損失
k:比例定数
t:誘導発熱体の厚み
f:周波数
Bmax:最大磁束密度
ρ:誘導発熱体の抵抗率
また、渦電流を発生させる起電力Eは以下の式(7)に従う。
E:渦電流の起電力
Φ:渦電流を発生させている領域の磁束
B:磁束密度
t:時間
i:渦電流
上記の式(7)に従えば、誘導発熱体15aの発熱部に与える最大磁束密度を大きくすることで発熱量を大きくすることができる。
定着ローラ15は図7のグラフのx方向に動いていき、磁束密度の山が2つあるため、渦電流の発生量は
2(ΔB1/Δx+ΔB2/Δx)v・・・式(9)
式(9)と図7のグラフから前記構成のコアを従来の定着装置に適用すると6.4%の発熱効率改善が見込まれる。
(1−Rc/(Rc+Rz))×100・・・式(10)
と求めることができる。
図13・図14を用いて参考例について説明する。この参考例ではコア12の構成以外の構成、原理は実施の形態1と同様である。
図13はコア12において凸形状部位12aの部分の拡大横断面図である。本参考例においては、コア12の凸形状部位12aの先端部12cを横断面において定着ローラ15に向って山形(テーパ状)に絞り込んだ形状にしている。これにより、凸形状部位12aの先端側に、凸形状部位12aの根元部12bの定着ローラ周方向の幅より小さい幅の1つの突起部12dを具備させている。突起部12dの定着ローラ15と対向している面積Sfと凸形状部位12aの根元部12bの断面積Srは実施の形態1と同様に式(1)および(2)を満たすように決めるとよい。
式(11)と図11のグラフから本参考例のコア12を従来の定着装置に適用すると1.6%の発熱効率改善が見込まれる。また、発熱効率は図7、図8の凸形状部位12aの先端部12cの形状を図10の形状に変更した装置で実施の形態1と同様の方法で求めることができる。
図15乃至図17を用いて実施の形態2について説明する。図15は本実施の形態2のIH−ODF定着装置Fの要部の横断右側面の拡大模式図である。IH−ODF定着装置では回転可能な画像加熱部材として、実施の形態1や参考例における定着ローラ15ではなく、可撓性を有する肉薄の定着ベルト15Aを用いて発熱部材の熱容量を小さくし、温度上昇の立ち上がり性能を向上させている。
nSf’<Sr’
nSf<Sr
Bf’<Bmax<Bst・・・式(9)
Br’:内部コア23の凸形状部位23aの根元部23bの磁束密度
Bf’:内部コア23の凸形状部位23aの先端部23cにおける磁束密度
Bmax:最大磁束密度
Bst:飽和磁束密度
n:先端部23cの分岐の数(本例では2個)
内部コア23の突起部23dの高さL’は実施の形態1で磁束分岐のメカニズムついて説明した式(3)および(5)を用いて示されているようにするとよい。即ち、先端部23cの空気層を通る磁束が突起部23dの中を通る磁束に比べて無視できるほど小さくなるような長さとするとよい。
4ΔB・v/Δx・・・式(14)
となる。
実施の形態1や参考例の定着装置Fにおいて、磁束発生手段としての加熱アセンブリ10を図18のように画像加熱部材である定着ローラ15の内部に配設した内部加熱型の誘導加熱方式の画像加熱装置にすることもできる。
1)回転可能な画像加熱部材は、複数のベルト支持部材に懸回張設されて循環移動するエンドレスベルト状の形態にすることもできる。
Claims (4)
- 磁束により発熱し記録材の画像を加熱する回転可能な画像加熱部材と、
前記画像加熱部材に対面して配置されており前記画像加熱部材の長手方向に沿って延ばされて巻き回わされている磁束を生ずるコイルと、
前記コイルの前記画像加熱部材に対向する側とは反対側の面を覆うように配置されており、かつ、前記コイルの巻き中心部に嵌入して前記画像加熱部材に対向する前記巻き中心部に沿って長い凸形状部位を有する磁性体のコアと、を備え、
前記凸形状部位は横断面において前記画像加熱部材に対向する先端部に前記画像加熱部材の周方向において間隔をあけて分岐している複数の突起部を有することを特徴とする画像加熱装置。 - 前記間隔は、それぞれの突起部の先端から発した磁束が前記画像加熱部材において互いの磁束を干渉しない間隔とされていることを特徴とする請求項1に記載の画像加熱装置。
- 前記コアは横断面において両端部が先細りのテーパ形状とされていることを特徴とする請求項1または2に記載の画像加熱装置。
- 前記コアは第一コアであり、前記画像加熱部材を介して前記第一コアと対向する位置に配置され複数の突起部を有する第二コアを備え、前記第一コアと前記第二コアのそれぞれの有する前記突起部が互いに対向していることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の画像加熱装置。
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