JP2006119410A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長手方向に渡って定着性が良好な定着装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】 中空の回転体である電磁誘導発熱部材と、前記電磁誘導発熱部材に磁界を発生させることで前記電磁誘導発熱部材を発熱させる磁界発生手段と、を備え、搬送される記録材に前記電磁誘導発熱部材の発熱による熱エネルギーを付与することで記録材上のトナー像を定着する定着装置であって、前記電磁誘導発熱体は長手方向に関して厚みが異なっており、前記電磁誘導発熱部材の前記磁束発生手段に対向している側の面の径ｄは、長手方向で一定である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電磁誘導発熱部材の発熱により搬送される記録材を加熱する定着装置及び該定着装置を用いた画像形成装置に関する。

従来、特許文献１に示されるように、加熱源として高周波誘導を利用した誘導加熱方式の定着装置が提案されている。この誘導加熱方式の定着装置は、金属導体からなる中空の定着ローラの内部にコイルが同心状に配置されており、このコイルに高周波電流を流して生じた高周波磁界により定着ローラに誘導渦電流を発生させ、定着ローラ自体の表皮抵抗によって定着ローラそのものをジュール発熱させるようになっている。

この誘導加熱方式の定着装置によれば、従来のハロゲンヒータの加熱に対して、電気−熱変換効率がきわめて向上するため、ウォームアップタイムの短縮化が可能となる。

以下に誘導加熱方式の加熱の原理について説明する。磁界発生手段から発生した磁力線は図４に示すように定着ローラ１０の表面に集中して通り、定着ローラ１０の内部に浸透するに従って指数的に密度が低下していく（表皮効果）。ここで、渦電流が表面における電流密度の０．３６８倍に減少した点での表面からの深さを電流の浸透深さδ と呼び、
一般に次式で表される。

δ＝５.０３（ρ／μｆ）^１／２（ｆ：磁界発生手段の励磁電流周波数、μ：電磁誘導
発熱部材の比透磁率、ρ：電磁誘導発熱部材の抵抗率）・・・（式１）
また、表皮抵抗Ｒｓは
Ｒｓ＝ρ／δ・・・（式２）
で表され、この表皮抵抗Ｒｓによるジュール熱により定着ローラは加熱される。

一方、近年において、定着ローラのローラ芯金は、熱伝導性を向上させるために、さらなる薄肉化が要求されている。すなわち、ローラ芯金の薄肉化により定着可能な温度に達するまでの時間（定着ローラの立ち上がり時間）を短縮して複写機等の省電力化を進めることが望まれている。

しかし、上記のように定着ローラの薄肉化は、その機能上、高強度であることが必要であり、いたずらにローラ芯金の肉厚を落とすことはできない。

そこで、従来のハロゲンヒータ方式の定着ローラは、ローラの両端部のみ外径を小さくした絞り部を設けたり、特許文献２に示すように定着ローラ内面にリブを設けたりすることにより、定着ローラの強度向上を図っている。このような構成であっても、従来のハロゲンヒータ方式の定着装置は輻射熱による全体加熱であるため、加熱手段と定着ローラ間の距離精度に対する影響は少なかった。
特開昭５９−３３７８７号公報 特開２０００−２９３４２号公報

しかしながら、近年の電磁誘導加熱方式の定着装置においては、磁界発生手段であるコイルと電磁誘導発熱部材である定着ローラ内面との隙間は小さければ小さいほど熱交換効率は向上するため、コイルと定着ローラ内面間で高い距離精度が求められるようになった。

そのため、定着ローラの両端部に絞り部を設けると、定着ローラの長手方向に対し、コイルと定着ローラ間の距離が一定でなくなるため、定着ローラの長手方向の温度分布が不均一になるという問題が生じる。

また、特許文献２に示すように、定着ローラ内面にリブを設ける形状にすると、定着ローラ内面の周方向、長手方向全域に渡り凹凸が生じ、コイルと定着ローラ間の距離が一定でなくなるため、定着ローラの長手方向の温度分布が不均一になるという問題が生じる。

また、電磁誘導加熱方式を用いると、定着ローラの肉厚が浸透深さδより薄い場合、磁界発生手段から発生した磁力線は、図５に示すように、電磁誘導発熱部材である定着ローラ１０を突き抜けて周辺に漏れ出ることになる。この漏れ磁束は装置の外部まで影響を及ぼすようなものではないが、定着装置近傍に信号線や発熱を嫌うものを配置しようとする場合は、コイルとの距離や磁束遮蔽部材を考慮する必要があり、装置の大型化や複雑化につながる。

本発明は、上記従来技術の課題を鑑みなされたもので、その目的とするところは、定着ローラの長手方向に関する厚み分布をもたせた定着装置において、定着ローラの長手方向の温度分布が不均一にならないような定着装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明にあっては、
中空の回転体である電磁誘導発熱部材と、
前記電磁誘導発熱部材に磁界を発生させることで前記電磁誘導発熱部材を発熱させる磁界発生手段と、を備え、
搬送される記録材に前記電磁誘導発熱部材の発熱による熱エネルギーを付与することで記録材上のトナー像を定着する定着装置であって、
前記電磁誘導発熱部材は長手方向に関して厚みが異なっており、
前記電磁誘導発熱部材の前記磁界発生手段に対向している側の面の径ｄは、長手方向で一定であることを特徴とする。

本発明によれば、長手方向の温度分布が不均一にならないような定着装置及び画像形成装置を提供することができる。

また、定着性と搬送性の両立を図った定着装置及び画像形成装置を提供することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、本実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、以下の説明で一度説明した部材についての材質、形状などは、特に改めて記載しない限り初めの説明と同様のものである。

図１は本発明の実施の形態に係る電磁誘導加熱方式の定着装置を有する画像形成装置の概略断面図である。図２は本発明の実施の形態に係る定着装置の断面図である。

はじめに、画像形成装置１００の構成及び動作を説明する。ユーザは、原稿台ガラス１０１の上に原稿Ｏを画像が形成されている面を下向きにして所定の載置基準に従って載置
し、その上から原稿圧着板１０２を被せてセットする。コピースタートキーが押されると、移動光学系を含む画像光電読取装置（リーダ部）１０３が動作して原稿台ガラス１０１上の原稿Ｏの下向き画像面の画像情報が光電読取処理される。

回転ドラム型の電子写真感光体（以下、感光ドラム）１０４は、矢印の時計方向に所定の周速度にて回転駆動される。感光ドラム１０４はその回転過程で、帯電装置１０５により所定の極性・電位の一様な帯電処理を受け、その一様帯電面に対して画像書き込み装置１０６による像露光Ｌを受けることで一様帯電面の露光明部の電位が減衰して感光ドラム１０４面に露光パターンに対応した静電潜像が形成される。

本実施の形態に係る画像書き込み装置１０６はレーザースキャナであり、不図示のコントローラからの指令により、上記の光電読取装置１０３で読み取った原稿画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応して変調されたレーザー光Ｌを出力し、回転する感光ドラム１０４の一様帯電面を走査露光して原稿画像情報に対応した静電潜像を形成する。

次に、その静電潜像が現像装置１０７によりトナー画像として現像され、転写装置１０８の位置において、給送機構部側から感光ドラム１０４と転写装置１０８との対向部である転写部に所定の制御タイミングにて給送された記録材Ｓに感光ドラム１０４面側から静電転写される。

本実施の形態では、感光ドラム１０４、帯電装置１０５、画像書き込み装置１０６、現像装置１０７、転写装置１０８により、記録材上にトナー像を形成する画像形成部を構成する。

本実施の形態に係る給送機構部は、第一〜第四のカセット給送部１０９〜１１２、ＭＰトレー（マルチ・パーパス・トレー）１１３、及び反転再給送部１１４からなり、それらから記録材Ｓが転写部に選択的に給送される。レジストローラ１１５は転写部に対して記録材を所定のタイミングで給送する。

転写部で感光ドラム１０４側からトナー画像の転写を受けた記録材Ｓは、感光ドラム１０４から分離され、定着装置１１６へ搬送されて未定着トナー画像の定着処理を受け、排出ローラ１１７により装置外部の排出トレー１１８上に排出される。

一方、記録材Ｓが分離した後の感光ドラム１０４表面は、クリーニング装置１１９により転写残トナー等の付着汚染物の除去を受けて清掃され、次回の画像形成に用いられる。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係る定着装置について説明する。図２に示すように、定着ローラ８０は、中空の回転体である電磁誘導発熱部材であり、画像形成装置の前後側板（不図示）間に軸受（ベアリング）（不図示）を介して回転自在に保持されている。

定着ローラ８０の材質としては、鉄、若しくは鉄とニッケルの合金を用いるとよい。また、定着ローラ８０の外側表面には不図示のトナー離型層が設けられている。本実施の形態に係るトナー離型層は厚さ３０μｍのＰＴＦＥで構成されている。

磁界発生手段としての加熱アセンブリ１は、定着ローラ８０の内部に設けられており、励磁コイル５、励磁コア（水平部）６ａ、励磁コア（垂直部）６ｂ、ホルダ７からなる。ここで、励磁コア６ａ、６ｂとしては、フェライト、パーマロイといった高透磁率で残留磁速密度の低いものが好適である。尚、磁界（磁束）発生手段は、定着ローラ８０に磁界を発生させることで定着ローラ８０を発熱させるものであればよく、上記組み合わせに限
るものではない。

加圧ローラ８は、定着ローラ８０の下側に定着ローラに平行に配列した弾性部材であり、軸受（不図示）間に回転自在に保持されている。また、加圧ローラ８は、定着ローラ８０の下面に対して不図示の付勢手段により所定の押圧力にて圧接されており、所定幅の加熱部としての定着ニップ部Ｎを形成している。また、加圧ローラ８は、鉄製の芯金の外周にシリコーンゴム層が設けられ、最外層にはトナー離型層が設けられた構成である。

定着ローラ８０は、その一端部側に固着させた不図示の定着ローラギアに不図示の駆動系から回転力が伝達されることで、図２に示す矢印Ａ方向に所定の周速度にて回転駆動される。加圧ローラ８は、この定着ローラ８０の回転駆動に従動して矢印Ｂ方向に回転する。

定着ローラ８０内に設けられた加熱アセンブリ１の励磁コイル５には、電力制御装置（励磁回路）（不図示）からコイル供給線（不図示）を介して電力（本実施例においては１００００Ｈｚの高周波電流）が供給される。これにより加熱アセンブリ１から発生する磁束（交番磁界）の作用で電磁誘導発熱部材としての定着ローラ８０が誘導発熱（渦電流損によるジュール熱）する。この定着ローラ８０の温度がサーミスタ等の温度検知手段３２で検出され、その検出温度信号が制御回路（不図示）に入力される。

制御回路（不図示）は、温度検知手段３２から入力される定着ローラ８０の検出温度が所定の定着温度（本実施の形態の場合２００℃）に維持されるように、電力制御装置（不図示）から加熱アセンブリ１の励磁コイル５への供給電力を制御して定着ローラ温度を温調する。

上記のように定着ローラ８０、加圧ローラ８が回転駆動され、定着ローラ８０が加熱アセンブリ１の励磁コイル５への電力供給により電磁誘導発熱して所定の定着温度に温調された状態において、画像形成装置の前記転写部において静電的に転写された未定着トナー画像を担持した記録材Ｓは、定着装置１１６の定着ニップ部Ｎに導入されて挟持搬送される。

定着装置１１６は、この挟持搬送過程で搬送される記録材Ｓに、定着ローラ８０と加圧ローラ８とによるニップ圧と共に定着ローラ８０の発熱による熱エネルギーを付与することで記録材Ｓ上の未定着トナー画像を定着する。分離爪３０は、定着ニップ部Ｎを通過した記録材Ｓが定着ローラ８０に巻き付くのを抑え、定着ローラ８０から記録材Ｓを分離する役目をする。

図３は、定着ローラ８０の長手方向の断面図である。ここで、幅Ｐは通常搬送される最大用紙幅より若干広く、本実施の形態に係る定着ローラにおいては３３０［ｍｍ］である。定着ローラ８０の断面形状は図３に示すように内径側形状は長手方向に沿って一定の内径ｄであり、外径側形状は用紙搬送時の用紙シワ防止等の観点から僅かな逆クラウン形状（曲線）となっている。すなわち、定着ローラ８０の長手方向中央部の外径をＤ１、長手方向両端部の外径をＤ２とすると、Ｄ１＜Ｄ２であるとよい。これにより、用紙のシワを防止し搬送性を向上することができる。また、定着ローラ８０は、長手方向と垂直な断面が長手方向全域で略円形である。

定着ローラ８０内部には、ホルダ７が不図示の前後側板によって固定されている。定着ローラ８０の内周面とホルダ７内に保持されている励磁コイル５の外周面との間隔は、長手方向で略一定で約３．３ｍｍである。よって加熱効率の良い電磁誘導加熱方式では定着ローラ８０の長手方向の温度分布が一定に保たれる。これにより、定着ローラ８０長手方
向で温度ムラが生じず、定着性を向上することが可能となる。

本実施の形態では、ｄ＝３９（ｍｍ）、Ｄ１＝４０．２４５（ｍｍ）、Ｄ２＝４０．３（ｍｍ）としている。以下上記値に関する説明をする。

定着ローラ８０は、温度検知手段３２によりローラ表面温度が２００℃となるように温調制御されており、スタンバイ時や通紙時の通紙域において鉄のキュリー点温度を超えることはない。このため、磁界発生手段から発生した磁力線は次式で表される浸透深さδだけ定着ローラ８０に浸透して定着ローラ８０内部を通る。

本実施の形態に係る定着ローラ８０の材質は鉄でできており、キュリー点に達する前の比透磁率μは８０である。また、抵抗率ρは１.２８×１０^−７［Ω・ｍ］であり、励磁
電流周波数ｆは８０００［Ｈｚ］である。

従って、上述の（式１）より、
δ＝５.０３（ρ／μｆ）^１／２＝０.０００１２［ｍ］＝０.１２［ｍｍ］
ｆ：磁界発生手段の励磁電流周波数、μ：電磁誘導発熱部材の比透磁率、ρ：電磁誘導発熱部材の抵抗率）である。

そのため、内径ｄと中央部外径Ｄ１から計算される最低肉厚ｔ_ｍｉｎは、浸透深さδよりも大きいことが好ましく、以下の（式３）が成り立つことが好ましい。
δｍｍ＜（Ｄ１−ｄ）／２＝ｔ_ｍｉｎ・・・（式３）
また、事前の検討により電磁誘導加熱による鉄の定着ローラ８０では、定着ローラの最低肉厚が１．０ｍｍを超えるとウォームアップ時間が３０秒を超えてしまうことが確認されているため、以下の（式４）が成り立つことが好ましい。
（Ｄ１−ｄ）／２≦１．０ｍｍ・・・（式４）
よって本発明の定着ローラの内径ｄと中央部の外径Ｄ１は以下の（式５）が成り立つことが好ましい。
δｍｍ＜（Ｄ１−ｄ）／２≦１．０ｍｍ・・・（式５）
また、従来、用紙搬送時、ローラ両端部の外径を中央部の外径よりを適度に大きくすること、つまり逆クラウン形状を設けることにより用紙シワを防止することが知られているが、本発明では事前の検討により定着ローラ８０の逆クラウン形状は
０．０２ｍｍ≦（Ｄ２−Ｄ１）／２≦０．１５ｍｍ・・・（式６）
の関係であると、用紙シワを防止することが確認されている。

つまり、紙シワは、ローラの両端部の周速が中央部の周速より速くすることによって紙をしごく効果を生み防止できる。よって紙シワ防止の効果はローラ（定着ローラ、加圧ローラ）外径に依存することになる。

同時に、本発明では定着性確保の観点から、加圧ローラ８によって定着ローラ８０に対し総圧９０ｋｇｆ相当加圧している。また事前の検討から定着ローラ８０の強度確保のために
ｔ_ｍｉｎ≧０．５ｍｍ・・・（式７）
を満たす肉厚が必要であった。

以上のような条件を満たしつつ、ウォームアップ時間を短縮し、長手方向の定着ローラ８０表面の温度分布を一定に保つ形状として、本実施の形態に係る定着装置１１６においては、ｄ＝３９（ｍｍ）、Ｄ１＝４０．２４５（ｍｍ）、Ｄ２＝４０．３（ｍｍ）の値を有する定着ローラが好ましい形状として用いられる。

尚、本発明では、定着ローラの材質に鉄を用いたが、非通紙部の昇温防止に効果的な整磁合金を用いても良い。ここで、整磁合金とは、温度が高くなると磁性を失う特性を有する合金のことで、磁性がなくなる温度をキュリー温度と言う。Ｆｅ−Ｎｉ整磁合金ではＮｉ含有量でキュリー温度が変化する。

例えば、定着ローラとして鉄とニッケルの合金により構成し、そのキュリー点温度（磁性の無くなる温度）が２２０℃になるような比率の合金を用いることもできる。このような整磁合金を用いることで、定着ローラ８０のキュリー点温度を所望の値に設定することが可能となり、複雑な構成を用いたり、スループットダウン等の生産性を低下させたりすることなく非通紙部の定着ローラ８０の温度を２２０℃付近で一定にし、非通紙部が所望の温度より昇温してしまう問題を解決することが可能となる。

以上のような構成によれば、電磁誘導加熱方式においても、ウォームアップ短縮を図りながら、用紙シワも防止でき、定着ローラ長手方向の温度分布も一定にでき、好適な紙搬送を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る電磁誘導加熱方式の定着装置を有する画像形成装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る定着装置の断面図である。 本発明の実施の形態に係る定着ローラの長手方向断面図である。 キュリー点温度以下における磁力線の様子を示す概略図である。 キュリー点温度以上における磁力線の様子を示す概略図である。

符号の説明

１ 加熱アセンブリ（磁界発生手段）
５ 励磁コイル
６ａ、６ｂ 励磁コア
７ ホルダ
８ 加圧ローラ
１０ 定着ローラ
３０ 分離爪
３２ 温度検知手段
８０ 定着ローラ（電磁誘導発熱部材）
１００ 画像形成装置
１０４ 感光ドラム
１０５ 帯電装置
１０６ 画像書き込み装置
１０７ 現像装置
１０８ 転写装置
１１６ 定着装置
ｄ 内径
Ｄ１ 中央部外径
Ｄ２ 端部外径
Ｓ 記録材

Claims (8)

1. 中空の回転体である電磁誘導発熱部材と、
   前記電磁誘導発熱部材に磁界を発生させることで前記電磁誘導発熱部材を発熱させる磁界発生手段と、を備え、
   搬送される記録材に前記電磁誘導発熱部材の発熱による熱エネルギーを付与することで記録材上のトナー像を定着する定着装置であって、
   前記電磁誘導発熱部材は長手方向に関して厚みが異なっており、
   前記電磁誘導発熱部材の前記磁界発生手段に対向している側の面の径ｄは、長手方向で一定であることを特徴とする定着装置。
2. 前記磁界発生手段は前記電磁誘導発熱部材の内部に設けられ、
   前記電磁誘導発熱部材の長手方向中央部の外径をＤ１、長手方向両端部の外径をＤ２とすると、Ｄ１＜Ｄ２であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記電磁誘導発熱部材は、長手方向と垂直な断面が長手方向全域で略円形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記電磁誘導発熱部材のキュリー点温度以下の浸透深さをδ［ｍｍ］、前記電磁誘導発熱部材の長手方向中央部の外径をＤ１、長手方向両端部の外径をＤ２とすると、
   δｍｍ＜（Ｄ１−ｄ）／２≦１．０ｍｍ
   ０．０２ｍｍ≦（Ｄ２−Ｄ１）／２≦０．１５ｍｍ
   であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の定着装置。
5. 前記磁界発生手段と前記電磁誘導発熱部材との間隔が略一定であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の定着装置。
6. 前記電磁誘導発熱部材は、鉄が含まれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の定着装置。
7. 前記電磁誘導発熱部材は、整磁合金であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の定着装置。
8. 記録材上にトナー像を形成する画像形成部と、
   前記トナー像を定着する請求項１乃至７のいずれかに記載の定着装置と、
   を備えることを特徴とする画像形成装置。

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