JP2007047297A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定着ローラに対して給送方向と直交する方向の長さが比較的小さいサイズ幅の記録用紙を搬送する時の端部昇温による定着ローラ自身もしくはその近傍の部材の寿命への影響を防止する。
【解決手段】 キュリー点到達後にローラを貫通して外部に漏れる磁束を利用して電気エネルギーに変換し、冷却ファンの負荷を駆動させて、定着ローラ及び／または定着ローラ近傍の昇温を抑制し、定着ローラ自身や定着ローラ近傍部材の寿命の短縮を防止する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、加熱溶融性のトナーを用いて転写材上に画像を形成し、これを電磁誘導方式の定着装置によって加熱定着処理する画像形成装置に関するものである。

電子写真式の複写機などには、記録媒体である記録紙ないし転写材などのシート上に転写されたトナー像をシートに定着させる定着装置が設けられている。この定着装置は、例えば、シート上のトナーを熱溶融させる加熱ローラとも指称される定着ローラと、当該定着ローラに圧接してシートを挟持する加圧ローラとを有している。定着ローラは中空状に形成され、この定着ローラの中心軸上には、発熱体が保持手段により保持されている。発熱体は、例えば、ハロゲンランプなどの管状発熱ヒータより構成され、所定の電圧が印加されることにより発熱するものである。このハロゲンランプは定着ローラの中心軸に位置しているため、ハロゲンランプから発せられた熱は定着ローラ内壁に均一に輻射され、定着ローラの外壁の温度分布は円周方向において均一となる。定着ローラの外壁は、その温度が定着に適した温度（例えば、１５０〜２００℃）になるまで加熱される。この状態で定着ローラと加圧ローラは圧接しながら互いに逆方向へ回転し、トナーが付着したシートを挟持する。定着ローラと加圧ローラとの圧接部（以下、ニップ部ともいう）において、シート上のトナーは定着ローラの熱により溶解し、両ローラから作用する圧力によりシートに定着される。

しかし、ハロゲンランプなどから構成される発熱体を備えた上記定着装置においては、ハロゲンランプからの輻射熱を利用して定着ローラを加熱するため、電源を投入した後、定着ローラの温度が定着に適した所定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）に、比較的長時間を要していた。その間、使用者は複写機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。その一方、ウォームアップタイムの短縮を図ってユーザの操作性を向上すべく多量の電力を定着ローラに印加したのでは、定着装置における消費電力が増大し、省エネルギー化に反するという問題が生じていた。このため、複写機などの商品の価値を高めるためには、定着装置の省エネルギー化（低消費電力化）と、ユーザの操作性向上（クイックプリント）との両立を図ることが一層注目され重視されてきている。

かかる要請に応える装置として、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、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。

また、特許文献２では、給送方向と直交する方向の長さが比較的小さい第１のサイズの被加熱材を定着装置に連続して給送した後に、第１のサイズの被加熱材よりも大きい給送方向と直交する方向の長さを有する第２のサイズの被加熱材を該画像定着加熱手段に給送する場合に、キュリー点に達したかどうかの判断と、誘導コイルのコア材の温度状態に応じて給送間隔を変更している。
特開昭５９−３３７８７号公報 特開平１０−１０４９７４号公報

しかしながら、参考文献１による発明では、電磁誘導加熱方式の定着装置であっても、最大転写材の全域を定着温度で温めて定着するように作動するために、実際にトナーを定着する以上のエネルギーを消費し、また、転写材のサイズによっては、通紙域ではない領域が異常昇温して機内昇温や被加熱部材の熱劣化などを引き起こしていた。この対応手段として、定着温度近辺にキュリー点を持つ定着ローラが提案されている。

しかし、キュリー点を持つローラは製造工程においてキュリー点のばらつきが発生する可能性がある。キュリー点がばらつくことにより、周囲の耐熱温度よりも高いキュリー点を持つ定着ローラが使用される可能性もあり、万が一制御不可能になった場合、温度が上昇し続けると、周囲の部品の寿命への影響がある。

また、参考文献２による発明では、給送間隔を変更することで、非通紙領域と通紙領域における定着ローラの温度ムラを解消しているが、それでは本来画像形成装置のスペックである生産性を満足することができない。

よって、生産性を保ちつつ、定着ローラを温度ムラを防止することが必要である。

本出願に係る第１の発明は、転写材にトナーを定着する定着手段を持つ画像形成装置で、前記定着手段は磁束発生手段と、前記磁束発生手段の発生磁束の作用により電磁誘導発熱する誘導発熱体を有し、前記誘導発熱体の発熱で前記像担持体上の現像剤を転写した転写材を加熱定着させる電磁誘導加熱方式の定着装置において、前記定着手段は少なくとも一つのキュリー点を有し、前記定着手段の温度がキュリー点に達した際に前記定着手段を貫通して外部に漏れる磁束を利用して電気エネルギーに変換する少なくとも１つの磁束電気エネルギー変換手段を有し、前記磁束電気エネルギー変換手段により得られた前記電気エネルギーを動力として前記定着装置及び／または前記定着装置近傍の温度を冷却する冷却手段を有することを特徴とする画像形成装置を提供するものである。

本出願に係る第2の発明は、前記定着手段近傍に配置され、前記定着手段の温度がキュリー点に達した際に前記定着手段を貫通して外部に漏れる磁束から誘導された起電力を整流回路に直流電圧に変換する前記磁束電気エネルギー変換手段を有することを特徴とする画像形成装置を提供するものである。

本出願に係る第3の発明は、前記冷却手段は、ファンであることを特徴とする画像形成装置を提供するものである。

定着ローラの通紙領域は被加熱材との摩擦により放熱を行うので昇温は発生しないが、非通紙領域は被加熱材による放熱がないので昇温が発生する。定着ローラの昇温により、定着ローラ自身や定着ローラ近傍の部材の寿命に対して影響を与える可能性がある。また、昇温後に非通紙領域にも通紙されるサイズの記録用紙が通紙される場合、温度ムラが発生するので定着不良の原因にもなってしまう。よって、キュリー点到達後にローラを貫通して外部に漏れる磁束を利用して電気エネルギーに変換し、冷却ファンの負荷を駆動させて定着ローラ及び／または定着ローラ近傍の昇温を抑制し、定着ローラ自身や定着ローラ近傍部材の寿命の短縮を防止する。また、漏洩磁束により電気エネルギーを発生するので、冷却ファンを駆動するための電源、配線を必要とせず、省エネ、低コストを実現できる。

一般的な画像形成装置の定着部の簡単な構成を図1に示す。記録用紙に原稿画像を出力する本体画像出力部10と、原稿画像のデータを読み取る本体画像入力部11、また、本体画像入力部11の上部に自動原稿送り装置12を備えている。表示部14によってユーザがコピーモードを設定するなどのオペレーションが可能である。さらに、装置の各種設定値や現在のジョブ状況を表示させることができる。

本体画像出力部10には、記録用紙が格納される、給紙段34,35,36,37が設けられており、各々、記録用紙の用紙サイズによってユーザが自由に記録用紙を振り分けられる。また、本体画像出力部10の外部に大容量のペーパーデッキ15が接続可能である。記録用紙は図示しないモータによって駆動される給紙搬送ローラ38,39,40,41,42によって画像形成部へ搬送される。

本体画像入力部11では、図示しない入力部上面の原稿台に置かれた原稿に図1の左右方向に走査する光源21から光を照射される。光は原稿によって反射され、光学像がミラー22,23,24及びレンズ25を通してCCD26に結像される。CCD26では結像された画像が電気信号に変換され、デジタルの画像データとなる。画像データは、ユーザの要求に応じて拡大縮小等の画像変換が行われ画像メモリ(図外)に格納される。

画像の出力時には、本体画像出力部10において該画像メモリに格納された画像データを呼び出し、デジタル信号からアナログ信号に再変換し、光学照射部27よりレーザービームの光信号として、スキャナ28,レンズ29及びミラー30を介して感光ドラム31上に照射され、感光ドラム31上を走査する。

この感光ドラム31から定着ローラ32付近の拡大図を図2に示して詳細に説明する。感光ドラム31は表面に有機光導電体からなる光導電層を有し、コピージョブ中は一定の速度で矢印Aの方向に回転駆動されている。現像および転写の方法について説明すると、まず露光装置52によって感光ドラム31上に残っている電荷を除去した後、一次帯電器51によって感光ドラム31上に一様に電荷が付与される。レーザースキャナユニット50から、画像入力装置11によって得られたデジタル画像データに従い変調されたレーザービームが出力され、感光ドラム31上の光導電層に静電潜像が打ち出される。その後現像器33から感光ドラム31上の静電潜像にトナーを付着させ、静電潜像を可視画像にする。一方、記録用紙58は給紙部34,35,36,37から紙搬送路を通って運ばれ、可視画像に合わせて感光ドラム31の下側を通過する。転写帯電器55は記録用紙58を帯電させ、感光ドラム31上の可視画像を記録用紙58に写しとる。その後、感光ドラム31と記録用紙58との分離性を上げる為に、分離帯電器54によって記録用紙58を帯電させる。感光ドラム31と分離された記録用紙58は、搬送ベルト59によって搬送され、定着ローラ32と加圧ローラ43の間に導入される。未定着のトナー画像は溶着され、排紙センサ56を通って出力装置10外に排出される。一方、転写されずに感光ドラム31上に残ったトナーは、ドラムクリーナー53によって掻き取られ、感光ドラム上の電荷は前露光装置52によって一様に零にされ、次のコピーに備える。

図3に電磁誘導加熱方式を用いた定着ローラ32の断面図を示す。

本発明の定着ローラ32の加熱手段は電磁誘導加熱方式である。定着ローラ32内には磁性コア61〜63と励磁コイル64が内蔵されたホルダー66が入っている。ホルダー66内にはT字型に磁性コア61〜63が配置されている。磁性コア61〜63は高磁率の部材であり、損失の少ない材料で選別することが好ましい。励磁コイル64は図4に示したように定着ローラ32の長手方向に巻かれており、ホルダー66の内壁と磁性コア61,62によって保持されている。定着ローラ32の外側には、ローラ面に接するようにサーミスタ56と磁気コイル65が配置されている。サーミスタ56と磁気コイル65の配置位置は図3のように近接していることが望ましいが、それに限らない。

サーミスタ56はサーミスタに限らず、温度検知素子であればよく、また接触式のサーミスタでも非接触式のサーミスタでも構わないがここではサーミスタとして説明をする。

次に本発明の実施例における画像形成装置の制御を説明する。

図5は給送方向と直交する方向の長さが比較的小さいサイズ幅の記録用紙を定着ローラ32と加圧ローラ43によって熱定着を行っている時の定着ローラ32の温度分布を表した図である。通常熱定着を行う場合、定着ローラ32の表面温度は設定温度Temp1に設定される。定着ローラ32における通紙部Area3は記録用紙との摩擦により、その熱を奪われ設定温度Temp1よりも低くなる。低くはなるものの、定着性を満たす最低ラインの温度TempMinよりは定着ローラ32の表面温度が低くなる事はない。

しかし、定着ローラ32における非通紙部Area1,2は熱は奪われないどころか、次第に昇温を起こしてしまう。定着ローラ32がキュリー点特性を持っていれば、強磁性体の透磁率は、加熱中でどんどん低下してゆくがキュリー点に達した場合に急激に低下するので、それ以上誘導渦電流によるジュール発熱を抑える事ができるが、高温になった定着ローラ32の近傍の部材の寿命等に与える影響は少なくない。

更に、図6はキュリー点における定着ローラ32の温度分布を示しているが、キュリー点特性を有する定着ローラ32は製造工程においてキュリー点のばらつきが発生する可能性がある。故に、図6に示すようにキュリー点の温度がTEMPcenter、TEMPmax、TEMPminによって定着ローラの温度分布は温度分布1,2,3のようになる。よって、キュリー点が設定以上に高ければ高いほど定着ローラ32の近傍の部材の寿命等に与える影響は大きくなる。

図7は給送方向と直交する方向の長さが比較的小さいサイズ幅の第1の記録用紙を定着ローラ32と加圧ローラ43によって熱定着を行っている直後に第1の記録用紙よりも給送方向と直交する方向の長さが大きいサイズ幅の第2の記録用紙の熱定着を行う時の定着ローラ32の温度分布を表した図である。

小サイズ幅の第1の記録用紙が定着ローラ32と加圧ローラ43を通過している時の定着ローラ32の温度分布であった場合、大サイズ幅の第2の記録用紙が定着ローラ32と加圧ローラ43を通過する場合、定着ローラ32の表面の温度ムラが発生するため、定着不良を起こす可能性がある。

以上の問題を解決するための回路構成と手段を以下に説明する。

図8は電磁誘導加熱装置の制御回路のブロック図を示す。

電磁誘導加熱装置の制御回路は、AC入力を整流する整流回路101と励磁コイル64への通電をドライブするドライブ回路102と、ドライブ回路102へドライブ信号を与える共振出力制御回路103と、共振出力制御回路103へ投入電力値や回路のオン・オフ信号を与える投入電力制御回路104がある。共振制御回路103はドライブ回路102によって通電された電圧波形の位相を検出して共振周波数を制御している。

また、サーミスタ56の検知温度は投入電力制御回路104へ入力されており、一定の温度になるように共振出力制御回路103へオン・オフ信号や電力制御信号を生成している。

磁気コイル65は定着ローラ32が電磁誘導加熱によってキュリー点に達した時に漏洩磁束を誘導するものである。キュリー点とは、強磁性体等の磁性体が常磁性へ転移する温度である。強磁性体の透磁率は、加熱中はゆっくりと低下してゆくが、キュリー点に達した場合には急激に低下する。その為、磁束は定着ローラ32をすり抜けて定着ローラ32外部へ漏洩する。漏洩磁束によって磁気コイルに誘導電流が流れる。この誘導電流は清流回路105にて直流電圧に変換し、そのエネルギーを用いてファンモータを駆動させ端部昇温で加熱された定着ローラ32やその近傍を冷却する。

図9はファンにより定着ローラ32とその近傍を冷却した時の温度分布を示しており、一様に定着ローラの温度を低下させている。ここでは定着ローラ32の端部を集中的に冷却しているが、温度ムラを補正する目的から昇温している箇所に対して冷却を行ってもよい。冷却された定着ローラ32の表面温度がキュリー点以下になるので、定着ローラ32外部へ漏洩していた漏洩磁束は漏れなくなり、それまで流れていた誘導電流も発生しなくなるのでファンモータは駆動されなくなる。

以上のことより、定着ローラ32に対して給送方向と直交する方向の長さが比較的小さいサイズ幅の記録用紙を搬送する時の端部の昇温による定着ローラ32自身もしくはその近傍の部材の寿命への影響を防止することができる。また、小サイズ幅記録用紙の通紙後の大サイズ幅記録用紙の通紙に起こる温度ムラも、生産性を落とすことなく解消することができる。

一般的な画像形成装置の全体概略図である。 一般的な画像形成装置の転写部から定着部付近の拡大図である。 本発明で用いられる電磁誘導加熱装置を含む定着ローラの拡大断面図である。 本発明で用いられる定着ローラの長手方向の内部透視図である。 小さいサイズ幅記録用紙の通紙時の定着ローラ温度分布を表した図である。 キュリー点における定着ローラの温度分布を表した図である。 小さいサイズ幅記録用紙の通紙直後に大きいサイズ幅の記録用紙の通紙を行う時の温度分布を表した図である。 本発明の実施例1における電磁誘導加熱装置の制御回路ブロック図である。 ファンにより定着ローラとその近傍を冷却した時の温度分布を示した図である。

符号の説明

32 定着ローラ
43 加圧ローラ
56 サーミスタ
61〜63 磁性コア
64 励磁コイル
65 磁気コイル
66 ホルダー
105 漏洩磁束により発生した誘導電流を直流電圧に変換する清流回路

Claims (3)

1. 磁束発生手段の発生磁束の作用により電磁誘導発熱する誘導発熱体を有し、前記誘導発熱体の発熱で像担持体上の現像剤を転写した転写材を加熱定着させる定着手段を含む画像形成装置において、前記定着手段は少なくとも一つのキュリー点を有し、前記定着手段の温度がキュリー点に達した際に、前記定着手段を貫通して外部に漏れる磁束を利用して電気エネルギーに変換する少なくとも１つの磁束電気エネルギー変換手段を有し、前記磁束電気エネルギー変換手段により得られた前記電気エネルギーを動力として前記定着手段及び／または前記定着手段近傍の温度を冷却する冷却手段を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記磁束電気エネルギー変換手段は、前記定着手段の温度がキュリー点に達した際に、前記定着手段を貫通して外部に漏れる磁束から誘導された起電力を直流電圧に変換する整流回路を有することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記冷却手段は、ファンであることを特徴とする請求項１、２に記載の画像形成装置。

Images