感应加热辊装置、定影装置和图像形成装置 【技术领域】
本发明涉及感应加热辊装置、使用该装置的定影装置和图像形成装置的改进。背景技术
为了加热定影调色剂图像，迄今为止使用的是将卤素灯作为热源的加热辊，但存在效率差，需要大电力的缺点。因此，人们正在开发一种通过引入感应加热方式来解决这一问题的方案。
在特开2000-215974号公报中记载了一种震颤线圈，该震颤线圈按照接近于被加热体的方式配置，以使得作为被加热体的磁性体制的加热辊产生感应电流，线圈线材平面地缠绕并沿被加热体的曲面变形，与震颤线圈的纵向两端的被加热体相反的一侧则沿着震颤线圈的曲面设置有磁性体铁芯。(背景技术1)
另外，在特开2000-215971号公报中记载了一种感应加热装置，该感应加热装置具备电磁感应发热性的加热旋转体，即加热辊，和配置于加热旋转体内侧的磁通量发生装置，通过从磁通量发生装置产生的高频感应磁通量的作用，使得加热旋转体被电磁感应发热，从而加热被加热体，磁通量发生装置具备：由磁性体构成的磁芯和缠绕在磁芯上的电磁转换线圈，磁性体磁芯则具备：缠绕着电磁转换线圈地磁芯部分，和用来使磁通量从磁芯部分向加热旋转体的一部分集中的，且前端部之间存在磁性空间间隙并对向的磁通量感应芯体部分。(背景技术2)
背景技术1和2，都是利用涡流耗损的加热方式(以下称为“涡流耗损方式”)，与IH容器中实用化的为相同的工作原理。而且，在涡流耗损方式中使用的高频的频率为20～100kHz左右。
与此相对，在特开昭59-33787号公报中记载有，一种高频感应加热辊，该加热辊具备：由导电部件构成的圆筒状辊本体即加热辊，同心状配置在辊本体内的圆筒状线圈骨架，和螺旋状卷绕在线圈骨架的外周，通过通电使辊本体内产生感应电流而进行加热的感应线圈。(背景技术3)
在背景技术3中，圆筒状辊本体成为闭合电路的次级线圈，感应线圈成为初级线圈，两者之间产生变压器耦合，在圆筒状辊本体的次级线圈中感应产生次级电压。由此，根据该次级电压，通过在次级线圈的闭合电路内流通次级电流，圆筒状辊本体是利用发热的次级侧电阻的发热导致的加热方式(以下称为“变压器方式”)。变压器方式，由于在为了使涡流耗损方式引起的磁性耦合增强而使恒定效率增高的同时，可以加热整个加热辊，与背景技术1和2比较，存在定影装置的结构简单的优点。另外，再加上将工作频率设定为100kHz以上，优选为1MHz以上的高频，这样可以增大感应线圈的Q值，提高电力传输效率。因此，可以提高加热的总效率，达到节省电能的目的。还有，与涡流耗损方式比较，也存在定影装置的结构简单的优点。进而，涡流耗损方式的加热辊导致的热容量可以变得很小。因此，变压器方式更适合于热定影的高速化。
本发明者们先完成了一项变压器耦合方式的发明，该发明通过形成一种由空心变压器与感应线圈耦合、可以自由旋转地被支持的由中空结构构成的加热辊的次级侧的电阻值与次级电抗大致相等的闭合电路，可以提高由感应线圈向加热辊的电力传输效率，可以获得能对加热辊进行高效加热的显著效果。本发明作为特愿2001-016335号由本发明的申请人提出了申请。根据本发明，在对加热辊进行感应加热可以节省电能的同时，还可使将热定影高速化变得容易。
另外，本发明者们接着进一步对加热辊与配置于其内部的感应线圈之间的适当距离的理想状态进行了研究。其结果是，发现从感应线圈相对于加热辊的高频电力的传输效率与加热辊和感应线圈之间的距离具有密切的关系，特别是只要为规定值以上，就可以得到较高的高频电力的传输效率，由此完成了本发明。发明内容
本发明的目的在于，提供一种构成为可以以高效率从感应线圈向加热辊传输高频电力的感应加热辊装置、具备该装置的定影装置和图像形成装置。
本发明的感应加热辊装置，其特征在于，具备外径为加热辊外径的0.7倍以上，且被插入加热辊的内部产生磁场，由于其产生的磁场与加热辊交链，从而在加热辊上感生感应电流，使加热辊发热的感应线圈。
这里，所谓的感应线圈的外径为加热辊外径的0.7倍以上，是指感应线圈的精加工的外径为加热辊主要的发热部位即主要作为次级线圈起作用的部位的外径的70％以上。本发明者们的研究发现，由于感应线圈的外径越接近加热辊的外径，感应线圈和加热辊之间的磁耦合就越强，所以，虽然从感应线圈对加热辊的高频电能的传输效率变高，但令人惊异的是，以70％为界限，产生显著的差异。即，上述外径比若不到70％，从感应线圈相对于加热辊的高频电能的传输效率就极端降低。与此相对，在本发明中，若上述外径比为70％以上，从感应线圈相对于加热辊的高频电能的传输效率显著上升，且在70％以上则高频电能的传输效率维持较高的数值，进而稍微增加。
实际上可以适用于加热辊的图像形成装置中使用的定影装置的外径，可以从20～60mm的范围中选定。其理由为：第1在将感应线圈和加热辊之间伴随旋转产生的适当间隙估计在内时，可以得到比较高的高频电力传输效率；第2可以得到适合于图像形成装置所要求的尺寸大小的定影装置。但是，更优选的是从30～40mm的范围中选定。
接着，加热辊和感应线圈的配置关系为在感应线圈的外侧同轴地进行配置。而且，“在外侧同轴地”指的是将感应线圈配置于加热辊的内部空间中，不一定要使感应线圈与加热辊的轴互相一致。但是，优选两者为基本同轴的关系。这是因为只要加热辊和感应线圈为同轴关系，加热辊就可以在其轴周围得到温度上升的均匀分布。但是，并不只是完全同轴的关系，若为基本同轴的关系，也可以得到基本相同的作用。
加热辊和感应线圈的磁耦合，在本发明中虽然并未特别限定，但优选未空芯变压器耦合方式。
并且，在本发明中，由于加热辊与感应线圈如上所述构成，故从感应线圈对加热辊的高频电能的传输效率显著升高。因此，可以得到高效率的感应加热辊装置。另外，由于利用感应加热对加热辊进行加热，所以可以得到迅速的温度上升，缩短电源开关接通后达到所需温度的升温时间。
以下对本发明的其他构成进行说明。
关于加热辊
加热辊被构成为在与感应线圈磁耦合时，流动感应电流。加热辊具备形成闭合电路的次级线圈，磁耦合时，次级线圈主要在圆周方向感生流动次级电流。并且，次级线圈缠绕在加热辊的旋转轴的周围，其匝数可以是1匝或1匝以上的任意一种。另外，次级线圈的次级侧电阻值与次级电抗大致相等时，能得到较高的电力传输效率。
这里，所谓的次级侧电阻值与次级电抗“大致相等”，是指将次级侧电阻值设为Ra，次级电抗设为Xa，且α＝Ra/Xa时，可以满足式1的范围。另外，次级侧电阻值可以通过测定而求得。次级电抗则可以通过计算求得。
0.25＜α＜4 式1
另外，加热辊可以设置单个或多个次级线圈。在次级线圈为单个的情况下，优选感应线圈以几乎跨越加热辊的整个轴向有效长度延伸地配置。另外，在设置多个次级线圈的情况下，优选将这些线圈在加热辊的轴向上分散设置。
接下来，以下表示的是空芯变压器耦合(变压器耦合加热方式)中使用的加热辊的构成示例。在该构成示例中，加热辊具备辊基体、第1金属被覆膜和第2金属被覆膜。
辊基体由金属或耐热性绝缘体构成。其为金属的情况下，只要具有耐热性且机械强度大，无论有无导电性，何种金属都可以。但是，在加工性、成本等方面上优选Fe或Al。另外，其为耐热绝缘体的情况下，只要具有耐热性且机械强度大，何种绝缘体都可以。但是，优选为陶瓷或玻璃。
第1金属被覆膜配置于辊基体的表面。而且，形成闭合电路的次级线圈，该次级线圈与初级线圈(感应线圈)空芯变压器耦合。
为了得到所期望的次级侧电阻值，第1金属被覆膜可以采用以下材料和制造方法。在利用电镀、蒸镀或阴极溅镀法形成的情况下，可以使用选自Cu、Ni、Ag及Al中的一种金属或多种构成的合金材料。与此相对，在利用厚膜形成法(涂覆+烧成)形成的情况下，可以使用选自Cu、Ag及Ag+Pd中的材料。
第2金属被覆膜由具有耐氧化性的金属构成，被覆在第1金属被覆膜的表面上。即，第2金属被覆膜保护第1金属被覆膜的表面防止其被氧化。而且，第2金属被覆膜即使表面氧化也不会有坏影响。作为适合的金属，可以使用选自Zn、Sn、Ni及Ti等的一种金属或多种构成的合金，可以利用电镀、蒸镀、阴极溅镀或厚膜形成法形成第2金属被覆膜。
并且，第1及第2金属被覆膜可以配置在辊基体的外表面与内表面的任何一方或两方上。另外，第1及第2金属被覆膜也可以由多层构成。
下面，为了得到更实际的加热辊，根据需要允许附加以下的构成。
1.有关保护层
为了提高对加热辊的机械保护及电绝缘，或弹性接触性及调色剂分离性，可以根据需要设置保护层。作为前者用的保护层的构成材料和后者用的保护层的材料，可以分别使用玻璃和合成树脂。
2.有关加热辊的形状
加热辊可以根据需要形成顶部。作为顶部，鼓状及桶状中的任一形状都可以。
3.有关加热辊的旋转机构
用于使加热辊旋转的机构，可以适当选择已有的结构。
4.有关温度传感器
为了控制加热辊的温度，可以使温度传感器导热性地接触加热辊的适当位置。在多个感应线圈分散地配置于加热辊的轴向上时，可以配置多个温度传感器，以便感应各感应线圈对向位置的温度。并且，通过对应于轴向区域的温度控制由感应线圈投入的电力，可以使加热辊的温度的均匀度提高。
关于感应线圈
感应线圈是通过与加热辊磁耦合特别是变压器耦合，用于向加热辊传输高频交流电力的装置。通过将感应线圈配置在加热辊的轴向上以产生磁通量，感应线圈与加热辊变压器耦合。但是，感应线圈和加热辊的轴并不需要一定一致。并且，通过将感应线圈配置于加热辊的内部，磁耦合(变压器耦合)变得容易。
感应线圈在被高频交流电源励磁时产生磁场，该磁场与加热辊交链在加热辊上感生高频感应电流。即，借助高频交流磁场，感应线圈和加热辊磁耦合(变压器耦合)。也就是说，感应线圈和加热辊分别具有作为变压器的初级线圈和次级线圈的功能。
另外，感应线圈被配置有单个或多个。使用多个感应线圈的情况下，可以将多个感应线圈与单个的高频交流电源并联或串联连接。再有，若将多个感应线圈与各自的高频交流电源连接，可以分别或按组调节投入电力。进而，使用多个感应线圈时，可以沿加热辊的轴向分散配置。这种情况下，可以在相邻的感应线圈之间存在适当的间隙，若没有绝缘的问题，一部分重合也可以。
还有，感应线圈可以根据需要使用作为磁芯的元件。在与加热辊进行空芯变压器耦合的情况下，构成为不使用磁芯。这里，所谓的“空芯变压器耦合”不只是意味完全空芯的变压器耦合，而且还包含实质上被认为是空芯的变压器耦合的情况。例如，为感应线圈内部没有磁性体的构成。
并且，感应线圈既可以相对于旋转的加热线圈为静止的，也可以与加热辊一起或分别地旋转。进而，在旋转的情况下，在高频交流电源和感应线圈之间也可以插入旋转的集电机构。
关于本发明的其他构成
虽然不是本发明的必要构成要素，但是可以根据需要附加以下的构成。
1、高频交流电源装置
高频交流电源是将高频交流电压施加在感应线圈上，以对感应线圈施加偏压用的装置。虽然高频电源的输出频率基本上是未被限定的，但在利用空芯变压器耦合的变压器耦合加热方式的情况下，构成为能输出100KHz以上的高频是有效的。其理由是因为通过达到100KHz以上的高频，能够使感应线圈的Q值增大，从而进一步提高电力传输效率的缘故。电力传输效率增高时，加热的总效率就增高，从而能够达到省电的目的。再有，从适当的有源元件(例如可以使用下述的MOSFET)的经济性及高频噪音抑制的容易性等观点来看，优选为1～4MHz范围的频率。
另外，为了产生所需高频的交流，实际上是直接或者间接地应用半导体开关元件等有源元件将直流或者低频交流转换成高频。为了由低频交流得到所需频率的高频交流电力，优选利用整流装置将低频交流转换成直流。直流既可以是用平滑电路形成的平滑直流，也可以是非平滑直流。为了将直流转换成高频，可以使用增幅器及换流器等电路元件。作为增幅器，可以应用例如电力变换效率高的E级增幅器等。另外，也可以应用半桥式换流器。进而，作为有源元件，优选频率特性优良的MOSFET。可以构成为并联连接多个高频交流电源回路，合成各高频交流电源回路的交流输出后施加在感应线圈上。由此，由于既是所希望的电流，又能减小各高频交流电源回路的输出，所以将MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)应用于有源元件，能够廉价、高效地产生高频交流。
再有，在使用多个感应线圈的情况下，高频交流电源装置，可以向多个感应线圈共同地供给高频电流。并且，通过将高频交流电源装置的输出频率构成为可变的，可以分别控制向各感应线圈施加的高频电力。但是，有必要时，也可以相对于各感应线圈分别配置频率可变型的高频交流电源。
还有，有必要时，可以构成为例如使启动时的投入电力比通常运转时的大，以进行急速加热。
根据本发明的优选第1实施方式，感应加热辊装置中，上述加热辊的外径为20～60mm。当考虑在加热辊的内径与感应线圈的外径之间必要有留有2mm大小的间隙，只要在上述的范围内，就可以得到适用于本发明的比较高的电力传输效率。
因此，通过使加热辊的外径处于上述的范围内，可以更有效地进行形成有调色剂图像的记录介质的定影等。
根据本发明的优选第2实施方式，感应加热辊装置中，上述加热辊的外径为30～40mm。在第2实施方式中，可以得到更高的电力传输效率。
根据本发明的优选第3实施方式，感应加热辊装置中，加热辊具备缠绕在其旋转轴周围的次级线圈，感应线圈缠绕在加热辊的旋转轴的周围且沿旋转轴分散配置。在第3实施方式中，优选通过空芯变压器耦合方式的磁耦合来对加热辊进行感应加热。而且，加热辊的次级线圈由于由单匝构成，次级线圈的结构被简化。
根据本发明的优选第4实施方式，感应加热辊装置中，在加热辊的内表面与感应线圈的外表面之间存在有微小的间隙。通过存在有上述间隙，可以使得感应线圈静止，并且在使加热辊在感应线圈的周围旋转时，可以使旋转平滑地进行。另外，所谓的微小的间隙指的是大约2mm大小。
根据本发明的优选第5实施方式，感应加热辊装置是通过加热辊与感应线圈之间的空芯变压器耦合而进行发热的。
根据本发明的优选第6实施方式，感应加热辊装置具备向感应线圈施加高频交流电压的高频交流电源。
通过从高频交流电源向感应线圈供给交流电流，感应线圈产生交流磁场。在加热辊上产生由该磁场导致的感应电流，利用该感应电流使加热辊发热。
根据本发明的优选第7实施方式，感应加热辊装置的特征在于，具备：具有缠绕在旋转轴周围的次级线圈的中空加热辊；和缠绕在加热辊的旋转轴周围且沿旋转轴分散配置，外径是加热辊外径的0.7倍以上，被插入到加热辊内部产生磁场，通过由产生的磁场与加热辊的次级线圈交链，在次级线圈上感生的感应电流使加热辊发热的感应线圈。
根据本发明的优选第8实施方式，在第7实施方式中，感应加热辊装置中，加热辊的外径为20～60mm。
根据本发明的优选第9实施方式，在第7实施方式中，感应加热辊装置中的加热辊的外径为30～40mm。
根据本发明的优选第10实施方式，在第7实施方式中，感应加热辊装置中，在加热辊的内表面与感应线圈的外表面之间存在有微小的间隙。
根据本发明的优选第11实施方式，在第7实施方式中，感应加热辊装置中，加热辊是通过与感应线圈之间空芯变压器耦合来进行发热的。
根据本发明的优选第12实施方式，在第7实施方式中，感应加热辊装置具备向感应线圈施加高频交流电压的高频交流电源。
本发明的定影装置的特征在于，其具备：本发明的实施方式或其优选实施方式7中所述的感应加热辊装置；和与上述感应加热辊装置的加热辊对向配置的加压辊。
所谓的“定影装置”是指通过利用加热辊加热记录介质上已形成的调色剂图像，使调色剂熔融、固化来固定图像的装置。
使已形成调色剂图像的记录介质通过加热辊和加压辊之间并进行加热，使调色剂熔融固着在记录介质上。通过使用电力传输效率良好的加热辊装置，可以提供能够更有效地利用能量的定影装置。
本发明的图像形成装置，其特征在于具备：图像形成装置本体；和设置在图像形成装置本体内部的本发明所述的定影装置。
根据本发明的图像形成装置，可以提供能够更有效地利用能量的图像形成装置。
“调色剂图像形成装置”是通过间接方式或直接方式在记录介质上形成图像的装置。而且，“间接方式”是指通过转印而形成图像的方式。
作为图像形成装置，例如适合使用电子照相复印机、打印机、传真机等。
作为记录介质，例如可以使用转印材料、印刷纸、电子传真纸、静电记录纸等。附图说明
图1是表示本发明的感应加热辊装置的第1实施方案的立体图和侧视图。
图2是表示本发明的感应加热辊装置的第1实施方案的电路图。
图3是表示本发明的感应加热辊装置的第2实施方案的立体图。
图4是表示本发明的感应加热辊装置中加热辊与感应线圈的外径比和电力传输效率的关系的图表。
图5是表示本发明的定影装置的一个实施方案的纵剖面图。
图6是作为本发明的图像形成装置的一个实施方案的复印机的示意性剖面图。具体实施方案
以下参照附图对本发明的实施方案进行说明。
感应加热辊装置的第1实施方案
图1是表示本发明的第1实施方案涉及的感应加热辊装置10的感应线圈wp和加热辊HR的立体图和侧视图。
感应线圈wp由被绝缘被覆的导线构成，构成为缠绕在绝缘性材料的骨架CB上。这里，r为感应线圈wp的外径(直径)。
加热辊HR具备辊基体B、第1金属被覆膜ws和第2金属被覆膜ns。
辊基体B由Fe铸铁制的圆筒体构成，例如外径为30mm，壁厚为1mm，长300mm。
第1金属被覆膜ws，构成利用金属电镀形成的几十μm厚的Cu膜形成的薄膜形状的圆筒状的单匝的次级线圈，在辊基体B的外表面上，大致上遍及轴长方向的整个有效长度地被配置。并且，设定第1金属被覆膜ws的厚度以使加热辊HR的圆周方向的次级侧电阻R的值为与次级电抗大致上相等的1Ω。由于感应线圈wp的磁场感生的次级电流在圆周方向流动，第1金属被覆膜ws发热从而温度上升。
第2金属被覆膜ns由利用电镀形成的几十μm厚的Zn形成，被覆在第1金属被覆膜ws的整个表面上。并且，设定辊基体B和第2金属被覆膜ns的次级侧电阻值与次级电抗相比具有较大的偏差值。
此处，R是加热辊HR的外径(直径)。并且，第1金属被覆膜ws、第2金属被覆膜ns的厚度事实上可以忽略。
并且，由于旋转用的轴承结构允许为已知的构成，故省略图示。
图2是表示本发明的感应加热辊装置的第1实施方案的电路图。
在本图中，AC为低频交流电源，HFG为高频交流电源，wp为感应线圈，HR为加热辊。
低频交流电源AC由100V的商用交流电源构成。
高频交流电源HFG具备噪声滤波器NF、全波整流电路FRC、平滑电容C1和半桥形高频发生器HFI。
噪声滤波器NF吸收由高频发生器HFI的开关所产生的高频噪声，防止其向低频交流电源AC侧流出。
全波整流电路FRC将低频交流整流以输出脉动直流。
平滑电容C1将脉动直流转换为平滑直流。
半桥形的高频发生器HFI具备：一对开关装置Q1、Q2；一对电容C2、C3；及构成串联谐振电路的电感L1和电容C4。一对开关装置Q1、Q2由MOSFET构成，串联连接在平滑电容C1的两端。一对电容C2、C3并联连接在开关装置Q1、Q2上。电感L1和电容C4在开关装置Q1、Q2两端负载并串联连接从而构成串联谐振电路。
感应线圈wp在布线对WT之间与电容C5并联连接。
加热辊HR具有与次级线圈ws等价的次级侧电阻Ra。
在高频发生器HFI中，在开关装置Q2的两端之间出现2.6MHz的高频交流输出，通过电感L1和电容C4的串联谐振电路来形成2.6MHz的正弦波的高频交流电压，并施加在感应线圈上。由于电容C5与感应线圈wp并联连接，故感应线圈wp的功率因数被改善。
感应加热辊装置的第2实施方案
图3是表示本发明的感应加热辊装置的第2实施方案的立体图。
在本实施方案中，感应线圈由绝缘性材料的骨架CB上的多个感应线圈wp1～wp3构成。从电源并联地向感应线圈wp1～wp3供给电流。
另外，由于与第1实施方案没有较大的变动，故省略说明。
实验结果
图4是表示在本发明的感应加热辊装置10中，感应线圈wp的外径r与加热辊HR的外径R之比(外径比r/R)和电力传输效率η的关系的图表。
电力传输效率η表示从外部输入的用于加热的加热辊的电力(此处为向感应线圈wp供给的电力)与加热辊HR接收的电力(加热辊的发热所消耗的电力)之比。
电力传输效率η不断增大直至外径比不满0.7，外径比在0.7以上时电力传输效率η大致为95％左右，接近恒定状态。即，如果用加热辊的外径R与感应线圈wp的外径r之比来表示的话，大约1.43成为外径比的一个界限值。
如果将该结果与其他方式相比较，一般利用卤素灯的辐射加热方式时为70％，利用涡流耗损方式时为85％左右，判断出与其他方式相比，还是本实施方案中利用的变压器耦合方式的优异。
定影装置
图5是表示本发明的定影装置的一个实施方案的纵剖面图。
在本图中，21是感应加热辊装置，22是加压辊，23是记录介质，24是调色剂，25是架台。并且，对于与图1相同的部分则赋予相同的符号。
感应加热辊装置21可以使用上述任何一个实施方案。
加压辊22与感应加热辊装置21的加热辊HR具有压接关系地被配置，并在两者间一边挤压传送记录介质23，一边将其输送。
记录介质23的表面由于附着有调色剂24而形成图像。
按照固定的位置关系将上述的各个构成元件(记录介质23除外)装设在架台25上。
定影装置，在附着调色剂24形成图像的记录介质23插入感应加热辊装置21的加热辊HR与加压辊22之间传送的同时，接收加热辊HR的热量，对调色剂24进行加热熔融和热定影。
图像形成装置
图6是作为本发明的图像形成装置的一个实施方案的复印机的示意性剖面图。
在本图中，31是读取装置，32是图像形成装置，33是定影装置，34是图像形成装置外壳。
读取装置31利用光学读取原稿并形成图像信号。
图像形成装置32，根据图像信号在感光鼓32a上形成静电潜像，通过在该静电潜像上附着调色剂(toner)形成反转图像，然后再将其转印到纸等记录介质上形成图像。
定影装置33具有如图5所示的结构，通过将记录介质附着的调色剂加热熔融来进行热定影。
图像形成装置外壳34在收纳上述各装置及装置32～33的同时，设有输送装置、电源装置及控制装置等。