JP2007041309A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 交番電流が入力されて磁束を発生させる磁束発生手段24と、その磁束によって誘導加熱される発熱部材21と、発熱部材21に達する磁束の一部又は全部を低下させて発熱部材21における幅方向の加熱範囲を調整する磁束遮蔽部材29と、を備える。そして、発熱部材21は、その厚さが交番電流に対応した表皮深さよりも薄くなるように形成されるとともに、非磁性材料からなる第1非磁性材料層と、非磁性材料からなるとともに該第1非磁性材料層に比べて体積固有抵抗が小さい第2非磁性材料層と、を具備する。
【選択図】 図2
Description
このような電磁誘導加熱方式の定着装置は、発熱部材が電磁誘導によって直接的に加熱されるために、熱ローラ方式(ヒータランプ加熱方式)等の他方式のものに比べて熱変換効率が高く、少ないエネルギー消費で短い立ち上げ時間にて定着ベルトの表面温度(定着温度)を所望の温度まで昇温できるものとして知られている。
詳しくは、磁束遮蔽部材は、磁性金属からなる定着ローラにおける通紙領域に応じてその位置を変化させて、磁束を遮蔽する範囲を可変する。この技術は、定着ローラに届く磁束を非通紙領域において遮蔽して、非通紙領域における過昇温を抑止することを目的としたものである。
詳しくは、第1発熱層は、その固有抵抗が第2発熱層のものより高く、その肉厚が第2発熱層のものより厚くなるように形成されている。この技術は、非磁性材料からなる第2発熱層を主たる発熱層として、磁性材料からなる第1発熱層を設けることで磁束発生手段から発せられた磁束が定着ローラの軸芯に達しないようにするものである。
一般的な画像形成装置は、幅方向のサイズが異なる数種類の記録媒体に対して、画像形成ができるように構成されている。ここで、幅方向サイズの異なる記録媒体とは、JIS寸法のA列やB列における種々の定形サイズの記録媒体の他に、不定形サイズの記録媒体も含まれる。また、同一サイズ(例えば、A4サイズである。)の記録媒体であっても、長手方向を搬送方向にした場合と、短手方向(長手方向に直交する方向である。)を搬送方向にした場合とでは、幅方向サイズの異なる記録媒体を扱っていることになる。
しかし、特許文献2等の技術は、磁束発生手段と発熱部材(加熱媒体)との間に磁束遮蔽部材を介在させるために、発熱部材に対して磁束発生手段を近接させることができなかった。そのため、磁束発生手段によって誘導加熱される発熱部材の昇温効率を充分に向上させることができなかった。具体的には、発熱部材の立ち上げ時間を充分に短縮することができなかった。
ここで、特許文献3において、発熱部材の幅方向両端部における過昇温を防止するために、特許文献2の磁束遮蔽部材を設置するためには、定着ローラと磁束発生手段との間に磁束遮蔽部材を介在させることになる。したがって、この場合も特許文献2と同様に、発熱部材に対して磁束発生手段を近接させることができずに、発熱部材の昇温効率を充分に向上させることができないことになる。
すなわち、発熱部材に磁性材料を用いると、定着装置における磁気的な負荷が増大してしまう。これに対して、磁束発生手段に対向する発熱部材を、その厚さが表皮深さ(浸透深さ)よりも薄くなるように形成するとともに、第1非磁性材料層と、第1非磁性材料層に比べて体積固有抵抗が小さい第2非磁性材料層と、で構成することにより、磁気的負荷が軽減して発熱部材の昇温効率が格段に向上するとともに、磁束遮蔽部材による磁束の遮蔽効率も向上する。この場合、磁束遮蔽部材は、発熱部材と磁束発生手段との間に介在させるのではなく、磁束発生手段に対向する発熱部材の反対側に対向するコア(内部コア)と発熱部材との間に配設させることができる。
図1〜図4にて、この発明の実施の形態1について詳細に説明する。
まず、図1にて、画像形成装置全体の構成・動作について説明する。
図1において、1は画像形成装置としてのタンデム型カラー複写機の装置本体、2は入力画像情報に基づいたレーザ光を発する書込み部、3は原稿Dを原稿読込部4に搬送する原稿搬送部、4は原稿Dの画像情報を読み込む原稿読込部、7は転写紙等の記録媒体Pが収容される給紙部、9は記録媒体Pの搬送タイミングを調整するレジストローラ、11Y、11M、11C、11BKは各色(イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック)のトナー像が形成される感光体ドラム、12は各感光体ドラム11Y、11M、11C、11BK上を帯電する帯電部、13は各感光体ドラム11Y、11M、11C、11BK上に形成される静電潜像を現像する現像部、14は各感光体ドラム11Y、11M、11C、11BK上に形成されたトナー像を記録媒体P上に重ねて転写する転写バイアスローラ、15は各感光体ドラム11Y、11M、11C、11BK上の未転写トナーを回収するクリーニング部、を示す。
まず、原稿Dは、原稿搬送部3の搬送ローラによって、原稿台から図中の矢印方向に搬送されて、原稿読込部4のコンタクトガラス5上に載置される。そして、原稿読込部4で、コンタクトガラス5上に載置された原稿Dの画像情報が光学的に読み取られる。
書込み部2において、4つの光源から画像信号に対応したレーザ光が各色に対応してそれぞれ射出される。各レーザ光は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの色成分ごとに別の光路を通過することになる(露光工程である。)。
その後、現像工程後の感光体ドラム11Y、11M、11C、11BK表面は、それぞれ、転写ベルト17との対向部に達する。ここで、それぞれの対向部には、転写ベルト17の内周面に当接するように転写バイアスローラ14が設置されている。そして、転写バイアスローラ14の位置で、転写ベルト17上の記録媒体Pに、感光体ドラム11Y、11M、11C、11BK上に形成された各色のトナー像が、順次重ねて転写される(転写工程である。)。
その後、感光体ドラム11Y、11M、11C、11BK表面は、不図示の除電部を通過して、感光体ドラム11Y、11M、11C、11BKにおける一連の作像プロセスが終了する。
その後、転写ベルト17表面は、転写ベルトクリーニング部16の位置に達する。そして、転写ベルト17上に付着した付着物が転写ベルトクリーニング部16に回収される。
詳しくは、記録媒体Pを収納する給紙部7から、給紙ローラ8により給送された記録媒体Pが、不図示の搬送ガイドを通過した後に、レジストローラ9に導かれる。レジストローラ9に達した記録媒体Pは、タイミングを合わせて、転写ベルト17の位置に向けて搬送される。
そして、定着工程後の記録媒体Pは、不図示の排紙ローラによって、装置本体1外に出力画像として排出されて、一連の画像形成プロセスが完了する。
図2は定着装置を示す断面図であって、図3は定着ローラ20の一部を示す断面図であって、図4は定着ローラの内部を幅方向にみた概略図である。
ここで、定着ローラ20(定着部材)は、SUS304等の非磁性材料からなる中空構造の芯金23の表面に、弾性層22、発熱層21(発熱部材)等を形成したものである。
弾性層22は、シリコーンゴム等の弾性材料からなり、その厚さは50〜500μmになっている。これにより、熱容量がそれ程大きくなく、良好な定着画像を得ることができる。
第1非磁性材料層21a及び第2非磁性材料層21bは、誘導加熱部24(磁束発生手段)から発せられる磁束によって誘導加熱される発熱部材(発熱層)として機能する。
離型層20aは、PFA等のフッ素化合物で形成され、その厚さは30μmになっている。離型層20aは、トナー像(トナー)Tが直接的に接する定着ローラ20表面のトナー離型性を高めるためのものである。
内部コア28は、定着ローラ20を介してコイル部25に対向していて、定着ローラ20の発熱層21(発熱部材)に効率的に磁束を透過させる。
磁束遮蔽部材29は、厚さが1mm以上の銅等の良導体からなる。磁束遮蔽部材29は、その厚さが表皮深さ(材料の体積固有抵抗及び比透磁率と、誘導加熱部24の交番電流の周波数と、によって定まる。)よりも大きくなるように設定されていて、誘導加熱部24から発熱層21に達する磁束を必要に応じて低下させることができる。
不図示の駆動モータによって、定着ローラ20が図2の時計方向に回転駆動されると、加圧ローラ30も反時計方向に回転する。そして、定着部材としての定着ローラ20は、誘導加熱部24との対向位置で、誘導加熱部24から発生される磁束によって加熱される。
詳しくは、先に説明した作像プロセスを経てトナー像Tを担持した記録媒体Pが、不図示のガイド板に案内されながら定着ローラ20と加圧ローラ30との間に送入される(矢印Y1の搬送方向の移動である。)。そして、定着ローラ20から受ける熱と加圧ローラ30から受ける圧力とによってトナー像Tが記録媒体Pに定着されて、記録媒体Pは定着ローラ20と加圧ローラ30との間から送出される。
このような一連の動作が連続的に繰り返されて、画像形成プロセスにおける定着工程が完了する。
図4は、図2の定着装置20に設置された定着ローラ20を誘導加熱部24側から幅方向にみた図であって、定着ローラ20の内部を示している。
図4に示すように、定着ローラ20の内部には、内部コア28と磁束遮蔽部材29とが回転自在に設置されている。
これに対して、内部コア28及び磁束遮蔽部材29を周方向にさらに所定角度回転させて、磁束遮蔽部材29がセンターコア26aに対向しないようにする。このとき、磁束が低下される調整範囲がゼロになって、すべての範囲(幅L1の領域である。)が定着ベルト22の主たる加熱範囲となる。
なお、本実施の形態1では、内部コア28の外周面を端面側から遮蔽する範囲を段階的(3段階である。)に増減するように磁束遮蔽部材29を形成したが、内部コア28の外周面を端面側から遮蔽する範囲を連続的に増減するように磁束遮蔽部材29を形成することもできる。具体的には、磁束遮蔽部材29の展開形状は、三角形になる。
δ=503・〔ρ/(μf)〕1/2
上式において、ρは材料の体積固有抵抗であり、μは材料の比透磁率であり、fは材料を励磁する交番電流の周波数である。
また、図11は、材料ごとの表皮深さと交番電流の周波数との関係を示す表図である。図11からも表皮深さは、誘導加熱部24に入力される交番電流の周波数に依存することがわかる。
これらの構成によって、定着ローラ20の発熱層21の昇温効率が格段に向上するとともに、磁束遮蔽部材29による磁束の遮蔽効率も向上する。これらの効果を確認する実験例については後で詳しく説明する。
これによって、上述の昇温効率及び遮蔽効率を確保しつつ、定着ローラ20が加圧ローラ30との当接部で変形(ニップ形成による変形である。)が繰り返されても発熱層21a、21bが破断しにくく高い耐久性を維持することができる。
これにより、発熱層21の昇温効率が向上する。具体的には、発熱層21全体のインピーダンスが低下して、定着装置20の立ち上げ時間(ウォームアップ時間)が短縮される。このとき、第1非磁性材料層21aのみで発熱層21を形成する場合に比べて、第2非磁性材料層21bを発熱層21に追加することで、発熱層21全体の熱容量は増加するが、発熱量が向上するために立ち上げ時間は短縮される。
これにより、第1非磁性材料層21aと第2非磁性材料層21bとをプライマ等の接着剤で接着した場合や、第1非磁性材料層21aと第2非磁性材料層21bとの間に非発熱体(体積固有抵抗が1Ω・cm以上の非磁性材料で形成することができる。)を介在した場合、に比べて、層間の剥がれを軽減することができる。
図5及び図6にて、この発明の実施の形態2について詳細に説明する。
図5は実施の形態2における定着装置19を示す断面図であって、図6は定着装置19に設置される定着ベルト60を示す断面図である。本実施の形態2の定着装置19は、定着部材として定着ベルト60を用いている点が、定着部材として定着ローラ20を用いている前記実施の形態1のものとは相違する。
支持ローラ41は、図5の時計方向に回転する。そして、支持ローラ41の第1非磁性材料層41a及び第2非磁性材料層41bは、誘導加熱部24から発せられる磁束によって誘導加熱される。
図6を参照して、定着ベルト60は、内周面側から、発熱層(第1非磁性材料層61a、第2非磁性材料層61b)、ニッケルからなる酸化防止層60b、シリコーンゴム等からなる弾性層62、フッ素化合物からなる離型層60a、が形成されている。定着ベルト60の各層の構成(層厚、材料、体積固有抵抗等である。)は、前記実施の形態1における定着ローラ20の各層の構成とほぼ同等である。
定着ベルト60は、図5の時計方向に走行する。そして、定着ベルト60の第1非磁性材料層41a及び第2非磁性材料層41bは、誘導加熱部24から発せられる磁束によって誘導加熱される発熱層(発熱部材)として機能する。
内部コア28は、定着ベルト60及び支持ローラ41を介してコイル部25に対向していて、支持ローラ41と定着ベルト60の発熱層61a、61bとに効率的に磁束を透過させる。
磁束遮蔽部材29は、その厚さが表皮深さよりも大きくなるように設定されていて、誘導加熱部24から支持ローラ41と定着ベルト60の発熱層61a、61bとに達する磁束を必要に応じて低下させることができる。
定着補助ローラ50の回転駆動によって、定着ベルト60は図5中の時計方向に周回するとともに、支持ローラ41も時計方向に回転して、加圧ローラ30も反時計方向に回転する。定着ベルト60は、誘導加熱部24との対向位置で加熱される。
定着位置を通過した定着ベルト60表面は、その後に再び誘導加熱部24との対向位置に達する。
このような一連の動作が連続的に繰り返されて、画像形成プロセスにおける定着工程が完了する。
図7にて、この発明の実施の形態3について詳細に説明する。
図7は、実施の形態3における定着装置19に設置される定着ベルト60を示す断面図である。本実施の形態3の定着装置19は、定着ベルト60の発熱層61が3層構造になっている点が、発熱層60の発熱層61が2層構造になっている前記実施の形態2のものとは相違する。
このように、非磁性ステンレスからなる第1非磁性材料層41aの両側に、銅メッキ層(第2非磁性材料層41b)を形成することで、発熱層の生産効率が向上する。具体的には、第1非磁性材料層41aの片側のみに銅メッキ層(第2非磁性材料層41b)を形成する際に必要なマスキング工程が不要になる。
図8及び図9にて、この発明の実施の形態4について詳細に説明する。
図8は実施の形態4における定着装置19を示す断面図であって、図9は定着装置19に設置される定着ローラ20を示す断面図である。本実施の形態4の定着装置19は、定着ローラ20の内周面に誘導加熱部24が対向している点が、定着ローラ20の外周面に誘導加熱部24が対向している前記実施の形態1のものとは相違する。
本実施の形態4における定着装置19は、誘導加熱部24、外部コア75、磁束遮蔽部材29の配置が異なるだけで、電磁誘導加熱方式のメカニズムは前記実施の形態1のものとほぼ同等である。
図10にて、前記各実施の形態で述べた効果を確認するための実験例について説明する。
実験は、前記実施の形態2における定着装置19と、従来の定着装置(実施の形態2における定着装置19において発熱層をSUS304のみで構成したものである。)と、を用いて、それぞれの装置の立ち上げ時間を測定したものである。図10は、その結果を示すグラフであって、横軸が時間を示し、縦軸が定着ベルトの温度(定着温度)を示す。また、図10において、グラフS1は前記実施の形態2における定着装置19の実験結果を示し、グラフS2は従来の定着装置19の実験結果を示す。
19 定着装置、
20 定着ローラ(定着部材)
20a、60a 離型層、 20b、60b 酸化防止層、
21 発熱層(発熱部材)、
21a、41a、61a 第1非磁性材料層、
21b、41b、61b 第2非磁性材料層、
22 弾性層、 23 芯金、
24 誘導加熱部(磁束発生手段)、 25 コイル部、 26 コア部、
26a センターコア、 26b サイドコア、 27 コイルガイド、
28 内部コア(コア)、 29 磁束遮蔽部材、
30 加圧ローラ、
41 支持ローラ(発熱部材)、 50 定着補助ローラ、
60 定着ベルト(定着部材)、 75 外部コア(コア)。
Claims (25)
- トナー像を加熱して当該トナー像を記録媒体に定着する定着装置であって、
交番電流が入力されて磁束を発生させる磁束発生手段と、
前記磁束によって誘導加熱される発熱部材と、
前記発熱部材に達する前記磁束の一部又は全部を低下させて当該発熱部材における幅方向の加熱範囲を調整する磁束遮蔽部材と、を備え、
前記発熱部材は、その厚さが前記交番電流に対応した表皮深さよりも薄くなるように形成されるとともに、非磁性材料からなる第1非磁性材料層と、非磁性材料からなるとともに該第1非磁性材料層に比べて体積固有抵抗が小さい第2非磁性材料層と、を具備したことを特徴とする定着装置。 - 前記第1非磁性材料層は、前記第2非磁性材料層に比べて機械的強度が大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記機械的強度は、靱性、弾性、せん断強さのうち少なくとも1つに係わる強度であることを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
- 前記第1非磁性材料層は、その体積固有抵抗が1.0×10-7Ω・cm以上となるように形成され、
前記第2非磁性材料層は、その体積固有抵抗が3.0×10-8Ω・cm以下となるように形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の定着装置。 - 前記第1非磁性材料層は、その厚さが200μm以下となるように形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の定着装置。
- 前記第2非磁性材料層は、その厚さが5μm以上となるように形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の定着装置。
- 前記第2非磁性材料層は、前記第1非磁性材料層よりも前記磁束発生手段に近い位置に配設されたことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の定着装置。
- 前記第2非磁性材料層は、前記第1非磁性材料層を挟む位置にそれぞれ配設されたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の定着装置。
- 前記第1非磁性材料層と前記第2非磁性材料層とは、重ねて配設されたことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれかに記載の定着装置。
- 前記第1非磁性材料層は、非磁性ステンレスで形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の定着装置。
- 前記第2非磁性材料層は、銅又は銀で形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれかに記載の定着装置。
- 前記発熱部材における前記磁束発生手段に対向する側の反対側に対向するとともに強磁性体からなるコアを備えたことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれかに記載の定着装置。
- 前記磁束遮蔽部材は、前記発熱部材と前記コアとの間に配設されたことを特徴とする請求項12に記載の定着装置。
- 前記磁束遮蔽部材は、前記発熱部材に対向する前記コアの対向面を覆う幅方向の範囲を連続的又は段階的に増減できるように形成されたことを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の定着装置。
- 前記発熱部材は、トナー像を溶融する定着部材と一体化されたことを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれかに記載の定着装置。
- 前記定着部材は、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに当接する定着ローラであって、
前記磁束発生手段は、前記定着ローラの外周面又は内周面に対向するように配設されたことを特徴とする請求項15に記載の定着装置。 - 前記定着ローラの内周面又は外周面に対向するとともに強磁性体からなるコアを備え、
前記磁束遮蔽部材は、前記コアと前記定着ローラの内周面又は外周面との間に配設されたことを特徴とする請求項16に記載の定着装置。 - 前記定着部材は、定着ベルトであって、
前記磁束発生手段は、前記定着ベルトに対向するように配設されたことを特徴とする請求項15に記載の定着装置。 - 前記定着ベルトは、支持ローラと定着補助ローラとに張架され、
前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたことを特徴とする請求項18に記載の定着装置。 - 前記支持ローラの内周面に対向するとともに強磁性体からなるコアを備え、
前記磁束遮蔽部材は、前記コアと前記支持ローラの内周面との間に配設されたことを特徴とする請求項19に記載の定着装置。 - 前記発熱部材は、トナー像を溶融する定着部材を加熱することを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれかに記載の定着装置。
- 前記定着部材は、定着ベルトであって、
前記発熱部材は、定着補助ローラとともに前記定着ベルトを張架する支持ローラであって、
前記磁束発生手段は、前記定着ベルトを介して前記支持ローラに対向するように配設されたことを特徴とする請求項21に記載の定着装置。 - 前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたことを特徴とする請求項22に記載の定着装置。
- 前記支持ローラの内周面に対向するとともに強磁性体からなるコアを備え、
前記磁束遮蔽部材は、前記コアと前記支持ローラの内周面との間に配設されたことを特徴とする請求項22又は請求項23に記載の定着装置。 - 請求項1〜請求項24のいずれかに記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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