JP6272000B2 - 定着装置 - Google Patents
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Description
図1は電子写真記録技術を用いたレーザプリンタ(画像形成装置)100の断面図である。プリント信号が発生すると、画像情報に応じて変調されたレーザ光を半導体レーザ22が出射する。レーザ光はポリゴンミラー23で偏向され、反射鏡24を介してスキャナユニット21から出射する。このレーザ光で帯電ローラ16によって所定の極性に帯電された感光体19を走査する。これにより感光体19には静電潜像が形成される。この静電潜像に対して現像器17からトナーが供給され、感光体19上に画像情報に応じたトナー画像が形成される。一方、給紙カセット11に積載された記録材Pはピックアップローラ12によって一枚ずつ給紙され、ローラ13によってレジストローラ14に向けて搬送される。さらに記録材Pは、感光体19上のトナー画像が感光体19と転写ローラ20で形成される転写位置に到達するタイミングに合わせて、レジストローラ14から転写位置へ搬送される。記録材Pが転写位置を通過する過程で感光体19上のトナー画像は記録材Pに転写される。その後、記録材Pは定着器200で加熱されてトナー画像が記録材Pに加熱定着される。定着済みのトナー画像を担持する記録材Pは、ローラ26、27によってプリンタ上部のトレイに排出される。なお、18は感光体19を清掃するクリーナ、30は定着器200等を駆動するモータである。上述した、感光体19、帯電ローラ16、スキャナユニット21、現像器17、転写ローラ20が、記録材Pに未定着画像を形成する画像形成部を構成している。15は、帯電ローラ16、現像器17、感光体19、クリーナ18を収容するカートリッジであり、このカートリッジは画像形成装置本体に対して着脱可能となっている。
図6(a)を用いて本実施例の定着装置の発熱メカニズムについて説明する。コイルに交番電流を流して生じた磁力線は、磁性コア2の内部を導電層1aの母線方向(S極からN極に向かう方向)に通過し、磁性コア2の一端(N極)から導電層の外側に出て磁性コア2の他端(S)に戻る。導電層1aには、コイルにより発生した磁束を打ち消す磁束を発生させるように誘導起電力が生じ、導電層の周方向に電流が誘導される。この誘導電流によるジュール熱で導電層が発熱する。導電層1aに生じる誘導起電力Vの大きさは、下記の式(1)のように、導電層1aの内部を通過する単位時間当たりの磁束の変化量(Δφ/Δt)及びコイルの巻き数Nに比例する。
ところで、図6(a)の磁性コア2はループを形成しておらず端部を有する形状である。図6(b)のような磁性コア2が導電層1aの外でループを形成している定着装置における磁力線は、磁性コアに誘導されて導電層の内側から外側に出て内側に戻る。しかしながら、本実施例のように磁性コア2が端部を有する構成の場合、磁性コア2の端部から出た磁力線を誘導するものはない。そのため、磁性コア2の一端を出た磁力線が磁性コアの他端に戻る経路(N極からS極)は、導電層の外側を通る外側ルートと、導電層の内側を通る内側ルートがある。以後、導電層の外側を通って磁性コア2のN極からS極に向かうルートを外側ルート、導電層の内側を通って磁性コア2のN極からS極に向かうルートを内側ルートと呼ぶ。
そこで、外側ルートを通る磁力線の割合を、磁力線の通り易さを示すパーミアンスという指標を用いて表す。まず、一般的な磁気回路の考え方について説明する。磁力線が通る磁路の回路を電気回路に対して磁気回路という。磁気回路において磁束を計算する際、電気回路の電流の計算に準じて行うことができる。磁気回路は、電気回路に関するオームの法則が適用可能である。電気回路の電流に対応する磁束をΦと、起電力に対応する起磁力をVと、電気抵抗に対応する磁気抵抗をRと、すると、次の式(2)を満たす。
Φ=V/R・・・(2)
しかし、ここでは原理をより理解しやすく説明するために磁気抵抗Rの逆数であるパーミアンスPを用いて説明する。パーミアンスPを用いると、上式(2)は次の式(3)のように表せる。
Φ=V×P・・・(3)
更に、このパーミアンスPは、磁路の長さをBと、磁路の断面積をSと、磁路の透磁率をμと、すると下記の式(4)のように表せる。
P=μ×S/B・・・(4)
パーミアンスPは、断面積S及び透磁率μに比例し、磁路の長さBに反比例する。
φc=φa_in+φs+φa_out・・・(5)
また、φc、φa_in、φs、φa_outはそれぞれ以下の式(6)〜(9)で表される。
φc=Pc×Vm ・・・(6)
φs=Ps×Vm ・・・(7)
φa_in=Pa_in×Vm ・・・(8)
φa_out=Pa_out・Vm ・・・(9)
よって、式(5)に式(6)〜(9)を代入するとPa_outは次の式(10)に示すように表される。
Pc×Vm=Pa_in×Vm+Ps×Vm+Pa_out×Vm
=(Pa_in+Ps+Pa_out)×Vm
∴Pa_out=Pc−Pa_in−Ps ・・・(10)
図7(b)より、磁性コア2の断面積をSc、導電層1aの内側の断面積をSa_in、導電層1a自身の断面積をSs、とすると、パーミアンスは以下のように、「透磁率×断面積」で表すことができ、単位は[H・m]である。
Pc=μ1・Sc=μ1・π(a1)2 ・・・(11)
Pa_in=μ0・Sa_in=μ0・π・((a2)2−(a1)2) ・・・(12)
Ps=μ2・Ss=μ2・π・((a3)2−(a2)2) ・・・(13)
これらの(11)〜(13)を式(10)に代入すると、Pa_outは式(14)で表せる。
Pa_out=Pc−Pa_in−Ps
=μ1・Sc−μ0・Sa_in−μ2・Ss
=π・μ1・(a1)2
−π・μ0・((a2)2−(a1)2)
−π・μ2・((a3)2−(a2)2) ・・・(14)
上記の式(14)を使用することによって導電層1aの外側を通る磁力線の割合であるPa_out/Pcを計算することができる。
Pc=3.5×10−7[H・m]
Pa_in=1.3×10−10+2.5×10−10[H・m]
Ps=1.9×10−12 [H・m]
これらの値を用いて、次の式(15)からPa_out/Pc計算することができる。
Pa_out/Pc=(Pc−Pa_in−Ps)/Pc=0.999(99.9%)・・・(15)
尚、磁性コア2を長手方向で複数に分割し、分割した各磁性コア同士の間に空隙(ギャップ)を設ける場合もある。この場合、この空隙が空気又は比透磁率が1.0とみなせるものや磁性コアの比透磁率よりもずっと小さいもので満たされている場合、磁性コア2全体の磁気抵抗Rは大きくなり磁力線を誘導する機能が劣化することになる。
Rm_all=(Rm_c1+Rm_c2+・・・・・+Rm_c10)+(Rm_g1+Rm_g2+・・・・・+Rm_g9)・・・(16)
本構成の場合は、磁性コアの形状と材質、ギャップ幅は一様であるので、Rm_cの足し合わせた合計をΣRm_c、Rm_gの足し合わせた合計をΣRm_gとすると、次の式(17)〜(19)のように表せる。
Rm_all=(ΣRm_c)+(ΣRm_g)・・・(17)
Rm_c=Lc/(μc・Sc)・・・(18)
Rm_g=Lg/(μg・Sg)・・・(19)
式(17)に式(18)及び式(19)を代入して、長手全体の磁気抵抗Rm_allは次の式(20)のように表せる。
Rm_all=(ΣRm_c)+(ΣRm_g)
=(Lc/(μc・Sc))×10+(Lg/(μg・Sg))×9・・・(20)
ここで、単位長さ当たりの磁気抵抗Rmは、Lcの足し合わせた合計をΣLc、Lgの足し合わせた合計をΣLgとすると次の式(21)となる。
Rm=Rm_all/(ΣLc+ΣLg)
=Rm_all/(L×10+Lg×9)・・・(21)
よって、単位長さあたりのパーミアンスPmは、以下の式(22)ように求められる。
Pm=1/Rm=(ΣLc+ΣLg)/Rm_all
=(ΣLc+ΣLg)/[{ΣLc/(μc+Sc)}+{ΣLg/(μg+Sg)}]・・・(22)
ギャップLgを大きくすることは、磁性コア2の磁気抵抗の増加(パーミアンスの低下)につながる。本実施例の定着装置を構成する上で、発熱原理上、磁性コア2の磁気抵抗が小さく(パーミアンスが大きく)なるように設計することが望ましいため、ギャップを設けることはあまり望ましくない。しかし、磁性コア2の破損防止のために磁性コア2を複数に分割してギャップを設ける場合がある。
次に、本実施例の定着装置で必要な電力の変換効率について述べる。例えば、電力の変換効率が80%である場合、残り20%の電力は導電層以外のコイルやコア等で熱エネルギーに変換されて消費される。電力の変換効率が低い場合は、磁性コアやコイル等の発熱すべきでないものが発熱し、それらを冷却するための対策を講じる必要性がある場合がある。
電力の変換効率=導電層で消費される電力/励磁コイルに供給した電力・・・(23)
励磁コイルに供給して導電層以外で消費される電力は、励磁コイルの抵抗による損失、磁性コア材料の磁気特性による損失などがある。
ZA=R1+jωL1 ・・・・・(24)
この回路に流れる電流は、R1により損失する。即ちR1はコイル及び磁性コアによる損失を表している。
Mは励磁コイルと導電層の相互インダクタンスを表す。
式(28)から式(29)を導出できる。
効率(電力の変換効率)は、抵抗R2の消費電力/(抵抗R1の消費電力+抵抗R2の消費電力)で表されるから式(30)のように表せる。
本構成は、磁性コアの断面積が26.5mm2(5.75mm×4.5mm)で、導電層の直径が143.2mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は64%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は54.4%であった。電力の変換効率は定着装置に投入した電力のうち、導電層の発熱に寄与した分を示すパラメータである。従って、最大1000W出力可能な定着装置として設計しても約450Wが損失となり、その損失はコイル及び磁性コアの発熱となる。
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じで、導電層の直径が127.3mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は71.2%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は70.8%である。定着装置のスペックによっては、コイル及びコアの昇温が課題になる場合がある。本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置にすると、導電層の回転速度は330mm/secとなり、導電層の温度を180℃に維持する必要がある。導電層の温度を180℃に維持しようとすると、磁性コアの温度は20秒間で240℃を超える場合がある。磁性コアとして用いるフェライトのキュリー温度は通常200℃〜250℃程度であるから、フェライトがキュリー温度を超えて磁性コアの透磁率は急激に減少し、磁性コアで磁力線を適切に誘導することができなくなる場合がある。その結果、周回電流を誘導して導電層を発熱させることが難しくなる場合がある。
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じであり、導電層の直径が63.7mmの場合である。この装置のインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は83.9%である。磁性コア及びコイル等に定常的に熱量が発生するものの、冷却手段が必要なレベルではない。本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置にすると導電層の回転速度は330mm/secとなり導電層の表面温度を180℃に維持する場合があるものの、磁性コア(フェライト)の温度は220℃以上に上昇することはない。従って、本構成において、定着装置を前述した高スペックする場合は、キュリー温度が220℃以上のフェライトを用いることが望ましい。
本構成は、磁性コアの断面積がP1と同じであり、円筒体の直径が47.7mmの場合である。この装置でインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は94.7%である。本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置(導電層の回転速度は330mm/sec)で導電層の表面温度を180℃に維持する場合であっても、励磁コイルやコイル等は、180℃以上に達することはない。従って、磁性コアやコイル等を冷却する冷却手段及び特別な耐熱設計は不要である。
導電層の外側ルートを通過する磁束の割合が72%以上であることは、導電層のパーミアンスと導電層の内側(導電層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コアのパーミアンスの28%以下であることと等価である。従って、本実施例の特徴的な構成の一つは、磁性コアのパーミアンスをPc、導電層の内側のパーミアンスをPa、導電層のパーミアンスPsとした時に、次の式(31)を満足することである。
0.28×Pc≧Ps+Pa・・・(31)
また、パーミアンスの関係式を磁気抵抗に置き換えて表現すると下記の式(32)になる。
ただし、RsとRaの合成磁気抵抗Rsaは以下の式(33)ように計算する。
Rc:磁性コアの磁気抵抗
Rs:導電層の磁気抵抗
Ra:導電層と磁性コアとの間の領域の磁気抵抗
Rsa:RsとRaの合成磁気抵抗
上記のパーミアンスもしくは磁気抵抗の関係式を、定着装置の記録材の最大搬送領域全域で、円筒形回転体の母線方向に直交する方向の断面において満足することが望ましい。
0.08×Pc≧Ps+Pa ・・・(34)
上記のパーミアンスの関係式を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(35)ようになる。
更に、本実施例のレンジR3の定着装置は導電層の外側ルートを通過する磁束の割合が95%以上である(表3から正確には71.2%以上であるが測定誤差等を考慮して94.7%とする)。パーミアンスの関係式は以下の(36)ようになる。導電層の外側ルートを通過する磁束の割合が95%以上であることは、導電層のパーミアンスと導電層の内側(導電層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コアのパーミアンスの5%以下であることと等価である。パーミアンスの関係式は以下の式(36)になる。
0.05×Pc≧Ps+Pa・・・(36)
上記のパーミアンスの関係式(36)を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(37)になる。
ところで、定着装置の最大の画像領域内の部材等が長手方向で均一な断面構成を有している定着装置についてパーミアンス及び磁気抵抗の関係式を示した。ここでは、長手方向で定着装置を構成する部材が不均一な断面構成を有する定着装置について説明する。図14は、導電層の内側(磁性コアと導電層の間の領域)に温度検知部材240を有している。定着装置は導電層を有するフィルム1と、磁性コア2と、バックアップ部材(フィルムガイド)9と、を備える。
rc1=2.9×106[1/(H・m)]
ここで、導電層と磁性コアとの間の領域の単位長さ当たりの磁気抵抗raは、フィルムガイドrfの単位長さ当たりの磁気抵抗と導電層の内側の磁気抵抗rairの単位長さ当たりの磁気抵抗との合成磁気抵抗である。従って、下記の式(38)を用いて計算できる。
計算の結果、領域1における磁気抵抗ra1、及び、領域1における磁気抵抗rs1は下記のようになる。
ra1=2.7×109[1/(H・m)]
rs1=5.3×1011[1/(H・m)]
また、領域3は領域1と同じであるから下記のようになる。
rc3=2.9×106[1/(H・m)]
ra3=2.7×109[1/(H・m)]
rs3=5.3×1011[1/(H・m)]
次に、領域2における各部品の単位長さ当たりの磁気抵抗を下記の表5に示す。
rc2=2.9×106[1/(H・m)]
導電層と磁性コアの間の領域の単位長さ当たりの磁気抵抗raは、フィルムガイドrfの単位長さ当たりの磁気抵抗と、サーミスタrtの単位長さ当たりの磁気抵抗と、導電層の内側の空気rairの単位長さ当たりの磁気抵抗と、の合成磁気抵抗である。従って下記の式(39)で計算できる。
計算の結果、領域2のおける単位長さ当たりの磁気抵抗ra2及び単位長さ当たりの磁気抵抗rc2は下記のようになる。
ra2=2.7×109[1/(H・m)]
rs2=5.3×1011[1/(H・m)]
領域3の計算方法は領域1と同じであるので省略する。
従って、記録材の最大搬送領域の一端から他端までの区間におけるコアの磁気抵抗Rc[H]は下記の式(41)ように計算できる。
また、記録材の最大搬送領域の一端から他端までの区間における導電層と磁性コアとの間の領域の合成磁気抵抗Ra[H]は、下記の式(42)ように計算できる。
記録材の最大搬送領域の一端から他端までの区間における導電層の合成磁気抵抗Rs[H]は次の式(43)のようになる。
上記の計算を、それぞれの領域において行ったものを以下表6に示す。
Rc=6.2×108[1/H]
Ra=5.8×1011[1/H]
Rs=1.1×1014[1/H]
RsとRaの合成磁気抵抗Rsaは以下の式(44)計算できる。
上の計算から、Rsa=5.8×1011[1/H]となるので、下記の式(45)を満たしている。
このように、導電層の母線方向で不均一な横断面形状を有している定着装置の場合は、導電層の母線方向で複数の領域に分けて、その領域毎に磁気抵抗を計算し、最後にそれらを合成したパーミアンス又は磁気抵抗を計算すればよい。ただし、対象となる部材が非磁性体である場合は、透磁率がほぼ空気の透磁率と等しいため、空気とみなして計算して良い。次に、上記計算に計上すべき部品について説明する。導電層と磁性コアとの間の領域にあり、少なくとも一部が記録材の最大搬送領域(0〜Lp)のに入っている部品に関しては、パーミアンス又は磁気抵抗を計算することが望ましい。逆に、導電層の外側に配置された部材は、パーミアンス又は磁気抵抗を計算する必要はない。なぜなら、前述したようにファラデーの法則において誘導起電力は回路を垂直に貫く磁束の時間変化に比例するものであり、導電層の外側の磁束とは無関係だからである。また、導電層の母線方向における記録材の最大搬送領域外に配置した部材は、導電層の発熱には影響しないため、計算する必要はない。
2 磁性コア
3 励磁コイル
4 ステー
5 フィルムフランジ
6 摺動板
7 加圧ローラ
8 コイルカバー
9 ガイド部材(バックアップ部材)
Claims (6)
- 筒状の定着フィルムと、
前記定着フィルムの内面に接触し前記定着フィルムをバックアップするバックアップ部材と、
前記定着フィルムの外面に接触しており、前記定着フィルムを介して前記バックアップ部材と共に定着ニップ部を形成するニップ部形成部材と、
前記バックアップ部材の前記定着フィルムと接触する面とは反対側の面に設けられており、前記バックアップ部材を補強する金属板と、
を有し、前記金属板と前記ニップ部形成部材の間には前記定着ニップ部を形成するための圧力が掛っており、前記定着ニップ部で未定着画像を担持する記録材を挟持搬送しつつ記録材に未定着画像を加熱定着する定着装置において、
前記定着フィルムは導電層を有し、
前記定着装置は更に、螺旋軸が前記定着フィルムの母線方向と略平行である螺旋形状部を有し、前記導電層を電磁誘導発熱させる交番磁界を形成するためのコイルと、前記螺旋形状部の中に配置され、前記交番磁界の磁力線を誘導するためのコアと、を有し、
前記交番磁界により前記定着フィルムの周方向における前記導電層全域に前記周方向に電流が流れて前記定着フィルムが発熱し、
前記金属板は、前記定着フィルムの母線方向一端から見た時の断面がU字形状となっており、U字の底部が平面部となっていて、前記平面部が前記バックアップ部材に押し当てられており、
前記定着装置を前記母線方向一端から見た時の装置断面において、前記U字形状の前記底部及び二つの脚部で囲われた領域に、前記コアが入り込むように前記コアが配置されていることを特徴とする定着装置。 - 前記U字形状の前記底部及び二つの脚部で囲われた領域に、前記コアの面積の20%以上が入り込むように前記コアが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記領域に占める前記コアの面積の割合が20%以上となるように前記コアが配置されていることを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
- 前記定着フィルムの前記周方向の長さに対して、前記平面部を広げた仮想平面よりも前記定着ニップ部側の前記定着フィルムの長さが20%以上であることを特徴とする請求項1〜3いずれか一項に記載の定着装置。
- 前記導電層は、銀、アルミニウム、オーステナイト系ステンレス、銅、またはこれらの合金で形成されていることを特徴とする請求項1〜4いずれか一項に記載の定着装置。
- 前記金属板は、オーステナイト系ステンレス、アルミニウム、またはこれらの合金で形成されていることを特徴とする請求項1〜5いずれか一項に記載の定着装置。
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