JP5146791B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
このような電磁誘導加熱方式を用いた定着装置は、発熱層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部材(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。
一方、特許文献2等の技術は、励磁コイルに対向するC形コア及び中心コアを設けることで発熱部材の発熱効率を向上することを目的とするものであるが、その目的の達成が不充分となる可能性があった。
すなわち、発熱部材の外周面に対して励磁コイルを介して周方向に対向する第1コアに加えて、第1コアよりも前記発熱部材の外周面に近接して対向して幅方向に延設された複数の第2コアを設けて、複数の第2コアのうち2つの第2コアの周りを周回するように励磁コイルを配設することで、同じ大きさの誘導加熱部であっても、発熱部材の発熱効率が飛躍的に向上する。
L2/L1≧1/3
なる関係が成立するように形成されたものである。
図1〜図10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に示すように、定着装置19は、誘導加熱部24(磁束発生手段)、発熱部材としての定着ローラ20、加圧ローラ30、温度検知手段としての温度センサ55、等で構成される。
ここで、発熱部材としての定着ローラ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等を形成した多層構造体である。
芯金23は、SUS304等の非磁性ステンレスで形成され、その肉厚は0.4mmになっている。これにより、熱容量が小さくなって、電磁誘導加熱のエネルギーが発熱層21に集中しやすくなる。
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非磁性材料層としては、非磁性材料層としてのSUS304、SUS301、SUS316(いずれも非磁性ステンレス)等を用いることができる。
第2非磁性材料層としては、銅(Cu)を用いることができる。第2非磁性材料層は、その層厚が5〜35μmの範囲内になるように、第1非磁性材料層上にめっき処理にて形成されている。第2非磁性材料層の体積抵抗率は1.7×10-8Ω・mとなっていて、第1非磁性材料層の体積抵抗率よりも小さくなっている。なお、第2非磁性材料層としては、銀(Ag)やアルミニウム(Al)等を用いることもできる。
第1非磁性材料層及び第2非磁性材料層からなる発熱層21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電磁誘導加熱される。
定着ローラ20の離型層は、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。
このように本実施の形態1における定着ローラ20は、トナー像を溶融する定着部材として機能するとともに、誘導加熱部24によって直接的に加熱される発熱部材としても機能することになる。
励磁コイル25は、外周面が絶縁被覆された外径0.15mmの銅線が90本束ねられた線束であって、定着ローラ20の外周面に対向するように配設されている。詳しくは、図3及び図4を参照して、励磁コイル25は、2つの第2コア29A、29B(4つの第2コア29A〜29Dのうち、中央に配設された2つの第2コアである。)の周りを周回するように、定着ローラ20の表面を覆うコイルガイド27上の全域にわたって渦巻状に配設されている。励磁コイル25の幅方向の長さは、定着ローラ20の幅方向(回転軸方向)の長さとほぼ等しい。
コイルガイド27は、耐熱性が高く絶縁性の樹脂材料等からなり、定着ローラ20との対向面の側で励磁コイル25を保持する。
また、本実施の形態1において、第1コア28は、励磁コイル25が周回された2つの第2コア29A、29Bを挟むように2つに分割されている。さらに、図4を参照して、第1コア28は、幅方向に間隙をあけて複数配設されている。本実施の形態1では、定着ローラ20の幅方向の長さとほぼ等しい範囲に10個の第1コア28が配設されている。そして、複数の第1コア28は、第2コア29A〜29Dに連結されている。
4つの第2コア29A〜29Dは、2つに分割された第1コア28の両端部にそれぞれ配設されている。詳しくは、図2を参照して、左側に分割された第1コア28の両端部には、中央部側に第1の第2コア29Aが配設され、端部側に第3の第2コア29Cが配設されている。右側に分割された第1コア28の両端部には、中央部側に第2の第2コア29Bが配設され、端部側に第4の第2コア29Dが配設されている。
なお、第2コア29A〜29Dは、一体成型によるものである必要はなく、短いI型のコアを定着ローラ20とほぼ等しい長さになるように連結して構成することもできる。すなわち、第2コア29A〜29Dを、幅方向に複数分割された分割コアが一体化されたものとすることができる。これにより、第2コア29A〜29Dの製造コストがさらに低廉化されることになる。
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(対向面)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。
また、本実施の形態1では、複数の第1コア28を幅方向に間隔をあけて配置して、第2コア29A〜29Dを幅方向にわたって間隔をあけずに配置しているために、定着装置19内の磁気回路を閉磁路としたまま、コア全体の総量を減らすことができる。これにより、コア材の減少によってコストダウンが可能になるとともに、定着装置19全体のインピーダンスが低下することになる。したがって、励磁コイル25に交流電力を供給する電源部を構成するスイッチング素子等の部品として耐電圧の低い安価な部品を使用することが可能になる。
図5は、励磁コイル25によって発生される磁束の状態を示す図である。
図5に示すように、磁束Bは、第1コア28及び第2コア29A〜29Dを経路として発熱層21、弾性層22、芯金層23を透過して再びコア28、29A〜29Dに戻る。その際、磁束Bが発熱層21を透過することによって発熱層21に誘導電流が流れて、ジュール熱により発熱層21が発熱する。ここで、励磁コイル25の背面に第1コア28を配置して、その両端に第2コア29A〜29Dを配置することにより、励磁コイル25から発生する磁束Bが漏れなく発熱層21を透過することになる。したがって、非常に効率のよい誘導加熱をおこなうことができる。
また、定着ローラ20の周方向の温度は励磁コイル25に対向している部分が高く、周方向の温度分布は2つの第2コア29A、29Bの間を軸とした線対称形になる。したがって、温度センサ55を2つの第2コア29A、29Bの間に配設することにより、定着ローラ20の表面温度を精度よく検知することができる。
なお、従来の定着装置(図8(A)を参照できる。)では、磁界ノイズの影響を避けるために、定着ローラ20の外周面に対向する位置であって誘導加熱部24から離れた位置に、温度センサやサーモスタットを設置する必要があった。一方、定着装置には、記録媒体Pを定着ニップ部に案内するためのガイド板や、定着工程後の記録媒体Pの定着ローラ20への巻き付きを抑止するための分離板、等を設置する必要があって、従来は温度センサ等を設置するスペースを確保することが困難であった。これに対して、本実施の形態1の構成によれば、このような問題を解決することができる。
図6において、グラフQ1は本実施の形態1における定着装置19の昇温特性(立ち上げ特性)を示し、グラフQ0は従来の定着装置(図8(A)を参照できる。)の昇温特性を示す。実験は、それぞれの定着装置について、電力投入と同時に定着ローラ20を回転、昇温させて、定着ローラ20表面の温度の経時変化を測定したものである。なお、2つの定着装置は、励磁コイル及びコアの構成以外は同じであって、加熱初期の投入電力もそれぞれ同等になるように調整した。また、「昇温特性」とは、定着ローラ20がトナーを定着するために必要な温度(本実施の形態1では180℃である。)まで昇温する時間の長短であって、昇温時間が短いほどユーザーにとって使いやすい装置ということになる。
図6より、本実施の形態1における定着装置19では、昇温特性が向上していることがわかる。具体的に、従来の定着装置では立ち上げ時間が8.6秒であったのに対して、本実施の形態1における定着装置19では立ち上げ時間が7.7秒であった。
ところが、図8(A)及び図8(B)を参照して、従来の定着装置の構成では、励磁コイル中央部の距離(角度β)を大きくしても、装置の発熱効率が向上しないことを本願発明者は知得した。
図9から、コイル中央部の距離(角度β)が大きくなるほど、発熱量が低下するのがわかる。これは、励磁コイル25と、コイル中央部に配置されるセンターコア28aと、の距離が広がることが原因である。すなわち、センターコア28aは、励磁コイル25から発生する磁束を発熱層21に集中させるために配置されているので、励磁コイル25との距離が広がると、励磁コイル25の磁束が発熱層21以外の領域に漏れてしまう。したがって、従来の定着装置の構成においては、コイル中央部の距離(角度β)を広げることによって装置の発熱効率を高めることはできない。
図10は、2つの第2コア29A、29Bの間隙L2(又は、角度α)を広げたときの、定着ローラの発熱量の変化を示す実験結果である。図10において、縦軸は定着ローラ20の発熱層21の発熱量を示し、横軸は分割された第1コア28の片側の周方向長さL1に対する第2コア29A、29B間の距離L2の比率(L2/L1)を示す。ここで、実験は、励磁コイル25の銅線の面積や、励磁コイル25と第2コア29A〜29Dとの近接距離は一定として、コイル中央部に配置される2つの第2コア29A、29B間の距離のみを可変した。なお、上述した角度α、距離L1、L2については、図5を参照することができる。また、図10における縦軸の発熱量は、比率L2/L1が1/5であるときの定着ローラの発熱量を基準(100%)とした比率である。
図11及び図12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11は、実施の形態2における定着装置19の誘導加熱部を示す上面図であって、前記実施の形態1における図4に相当する図である。本実施の形態2における定着装置19は、複数の第1コア28が幅方向に不均一に間隙をあけて配設されている点が、前記実施の形態1のものとは相違する。
図12から、複数の第1コア28を等間隔に配置した場合には、定着ローラ20の温度が不均一になってしまうことがわかる。特に、定着ローラの幅方向両端部の温度が低くなっている。これは、定着ローラの幅方向中央部に対向する励磁コイルに対して、幅方向両端部に対向する励磁コイルは折り返し部が形成されているために磁束が弱くなることによる。したがって、幅方向両端部に配設される第1コア28の間隙は、幅方向中央部に配設される第1コア28の間隙よりも、狭くする方が好ましい。
図13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13は、実施の形態3における定着装置19を示す断面図であって、前記実施の形態1における図2に相当する図である。本実施の形態3における定着装置19は、第1コア28が2つの第2コア29A、29Bの位置で分割されていない点が、前記実施の形態1のものとは相違する。
また、本実施の形態3でも、第1コア28は、定着ローラ20の外周面に対して励磁コイル25を介して周方向に対向するように配設され、幅方向に間隙をあけて複数配設されている。また、第2コア29A〜29Dは、第1コア28よりも定着ローラ20に近接して対向するとともに、幅方向に延設されている。
図14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14は、実施の形態4における定着装置19を示す断面図である。本実施の形態4における定着装置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14の時計方向に回転する。そして、支持ローラ41の発熱層41a、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。
定着ベルト60は、内周面側から、発熱層(第1非磁性材料層及び第2非磁性材料層で構成されている。)、ニッケルからなる酸化防止層、シリコーンゴム等からなる弾性層、フッ素化合物からなる離型層、が積層されている。定着ベルト60の各層の構成は、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14の時計方向に周回する。そして、定着ベルト60の発熱層は、誘導加熱部24から発せられる磁束によって直接的に誘導加熱される。
誘導加熱部24は、前記実施の形態1のものと同様に、励磁コイル25、第1コア28、4つの第2コア29A〜29D、コイルガイド27、等で構成される。そして、前記実施の形態1と同様に、第1コア28は、定着ローラ20の外周面に対して励磁コイル25を介して周方向に対向するように配設され、2つの第2コア29A、29Bを挟むように2つに分割され、幅方向に間隙をあけて複数配設されている。また、第2コア29A〜29Dは、第1コア28よりも定着ローラ20に近接して対向するとともに、幅方向に延設されている。
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14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。
19 定着装置、
20 定着ローラ(定着部材、発熱部材)、
21 発熱層、 22 弾性層、 23 芯金、
24 誘導加熱部、
25 励磁コイル、
27 コイルガイド、
28 第1コア、
29A〜29D 第2コア、
30 加圧ローラ、 41 支持ローラ(加熱部材)、
50 定着補助ローラ、
55 温度センサ(温度検知手段)、
60 定着ベルト(定着部材、発熱部材)。
Claims (12)
- 発熱層を有する発熱部材と、
前記発熱部材の外周面に対向するとともに、磁束を発生させて当該磁束によって前記発熱層を加熱する励磁コイルと、
前記発熱部材の外周面に対して前記励磁コイルを介して周方向に対向する第1コアと、
前記第1コアに対して連結されて、前記第1コアよりも前記発熱部材の外周面に近接して対向するとともに、幅方向に延設された複数の第2コアと、
を備え、
前記励磁コイルは、前記複数の第2コアのうち2つの第2コアの周りを周回するように配設され、
前記第1コアは、前記励磁コイルが周回された前記2つの第2コアを挟むように分割され、
前記複数の第2コアは、前記分割された第1コアの両端部にそれぞれ配設され、
前記第1コアと前記複数の第2コアとは、それぞれ、強磁性体であって、
分割された前記第1コアの片側の周方向の長さをL1として、前記2つの第2コアの間の周方向の長さをL2としたときに、
L2/L1≧1/3
なる関係が成立するように形成されたことを特徴とする定着装置。 - 前記複数の第2コアは、それぞれ、幅方向の長さが前記発熱部材の幅方向の長さと等しくなるように形成されて、前記発熱部材に対して幅方向の範囲全域にわたって対向するように配設されたことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記第1コアは、幅方向に間隙をあけて複数配設されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の定着装置。
- 前記複数の第1コアは、前記間隙が不均一になるように配設されたことを特徴とする請求項3に記載の定着装置。
- 前記第2コアは、幅方向に複数分割された分割コアが一体化されたものである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。
- 前記発熱部材の温度を検知する温度検知手段を前記2つの第2コアの間に配設し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。
- 前記発熱部材は、トナー像を溶融する定着部材である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ることを特徴とする請求項7に記載の定着装置。
- 前記定着部材は、支持ローラと定着補助ローラとに張架された定着ベルトであって、
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7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加熱部材である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。
- 前記定着部材は、定着ベルトであって、
前記加熱部材は、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、
前記励磁コイルは、前記支持ローラの外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10に記載の定着装置。 - 請求項1〜請求項11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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