JP2000188177A5

JP2000188177A5 -

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Publication number: JP2000188177A5
Application number: JP1998363204A
Authority: JP
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2004-09-02

Description

【０００８】
更に、磁性コア３については単一の構成でも差し支えないが、電磁誘導加熱装置２による発熱むらをより細かく調整するには、磁性コア３を複数ブロックに分割形成し、少なくとも一つのコアブロック３ａに可動コア５を具備させる態様が好ましい。
そして、励磁コイル４については各コアブロック毎に巻回しても差し支えないが、励磁コイル４への通電を制御する励磁回路の構成をより簡略化するという観点からすれば、励磁コイル４については各コアブロック３ａの少なくとも二以上に跨って巻回する態様が好ましい。
このとき、励磁コイル４の巻回については、自動巻き線機で巻くことができ、容易に製造することができる。

【００１４】
更に、上記画像記録装置において、上記像担持搬送体６としては、例えば中間転写体とし、感光ドラム等の外周面上で形成されたトナー像を、この中間転写体上に一旦転写し、更にこのトナー像を上記電磁誘導加熱装置２で加熱溶融して記録材９に転写及び定着するものとすることができる。
また、像担持搬送体６を、この外周面上で潜像の形成及び現像が行われる像担持体とすることもできる。このような画像記録装置では、像担持体の周面付近に電磁誘導発熱層１ａを有するものとし、この周面上に直接潜像を形成し、トナーを現像装置から転移してトナー像を形成する。そして、このトナー像を電磁誘導加熱装置２によって溶融し、記録材９に転写・定着するものである。
上記像担持体としては外周面を形成する部材に絶縁性材料を用い、イオン流照射装置によって潜像形成する、いわゆるイオノグラフィーとすることができる。また、上記像担持体として、外周面に感光体層を有するものとし、像光の照射によって潜像を形成するゼログラフィーとすることもできるが、感光体層は加熱によって特性が著しく変化することがないものを用いる必要がある。

【００１６】
次に、上述した技術的手段の作用について説明する。
図１（ａ）に示す電磁誘導加熱装置２において、励磁コイル４に通電すると、磁性コア３から変動磁界Ｈが生成され、この変動磁界Ｈが加熱対象物１の電磁誘導発熱層１ａを貫き、この電磁誘導発熱層１ａ内に渦電流Ｂが生じ発熱する。
このとき、可動コア５が例えば電磁誘導発熱層１ａから離間する方向へ移動すると、磁性コア３からの変動磁界Ｈ強度が変化し、これに伴って、電磁誘導発熱層１ａ内の渦電流Ｂも変化し、その発熱の程度が変化する。

【００１７】
また、図１（ｂ）に示す画像記録装置にあっては、電磁誘導加熱装置２によって発生される変動磁界Ｈが像担持搬送体６の電磁誘導発熱層１ａを貫くことによって、この層１ａ内に、渦電流Ｂが生じ発熱する。これにより、像担持搬送体６上の未定着像Ｔ（トナー像）は加熱され、溶融する。
溶融したトナーは給紙装置から供給される記録材９に定着手段８（加圧装置に相当）によって圧接される。このとき、記録材９は加熱されておらず、常温に維持されているので圧接されたトナーの温度は瞬間的に低下するが、充分に加熱されていることにより溶融したトナーが記録材９の繊維を取り込み又は繊維間に侵入して付着する。
また、定着手段８（加圧装置）で記録材９が像担持搬送体６と圧接されるニップ部を通過する間にトナーの温度は更に低下し、流動性が小さくなってニップ部の出口では、トナーの全量が一体となって記録材９に付着した状態となる。このため、記録材９を像担持搬送体６から剥離したときに、トナーが分断されて一部が像担持搬送体６側に残る、いわゆるオフセットを生じることがなく、極めて高い効率で転写が行われ、同時に定着される。

【００２５】
上記中間転写ベルト１５は、駆動ロール２０により駆動されて周回移動するので、中間転写ベルト１５における加圧ロール２１との圧接部分は駆動ロール２０の回転に伴い記録材と同じ速度で移動する。
このとき、記録材が加圧ロール２１と中間転写ベルト１５とのニップ中に存在している時間が１０ｍｓ〜５０ｍｓとなるように、ニップ幅及び記録材の移動速度が設定されている。このニップ中に存在している時間、つまり溶融したトナーが記録材に押し付けられた時から、記録材が中間転写ベルト１５から剥離されるまでの時間が、上記のように５０ｍｓ以下となっていることによって、トナーが記録材に付着するのに充分な温度まで加熱されていても、ニップの出口では、オフセットが生じない程度までトナーの温度が低下されるものである。

【００２７】
このとき、励磁コイル２２２に交流電流が印加されると、励磁コイル２２２の周囲に矢印Ｈで示される磁界が生成消滅を繰り返す。この磁界Ｈが中間転写ベルト１５の導電層１５ｂを横切るように電磁誘導加熱装置２２が配置されている。
そして、変動する磁界Ｈが導電層１５ｂ中を横切るとき、その磁界Ｈの変化を妨げる磁界を生じるように、導電層１５ｂ中には矢印Ｂで示される渦電流が発生する。この渦電流Ｂは表皮効果のためにほとんど導電層１５ｂの励磁コイル２２２側の面に集中して流れ、導電層１５ｂの表皮抵抗Ｒｓに比例した電力で発熱を生じる。

【００２８】
ここで、角周波数をω、透磁率をμ、固有抵抗をρとすると、表皮深さδは次式（１）で示される。
δ＝√（２ρ／ωμ） ……（１）
更に、表皮抵抗Ｒｓは次式（２）で示される。
Ｒｓ＝ρ／δ＝√（ωμρ／２） ……（２）
更にまた、中間転写ベルト１５の導電層１５ｂに発生する電力Ｐは、中間転写ベルト１５中を流れる電流をＩｆとすると次式（３）で表せる。
Ｐ＝Ｒｓ∫｜Ｉｆ｜２ｄＳ ……（３）

【００２９】
従って、表皮抵抗Ｒｓを大きくするか、あるいは、中間転写ベルト１５中を流れる電流Ｉｆを大きくすれば、電力Ｐを増すことができ、発熱量を増やすことが可能となる。表皮抵抗Ｒｓを大きくするには、周波数ωを高くするか、透磁率μの高い材料又は固有抵抗ρの高いものを用いればよい。
上記のような加熱原理からすると、非磁性金属を導電層１５ｂに用いると、加熱しづらいことが憶測されるが、導電層１５ｂの厚さｔが表皮深さδより薄い場合には、次式（４）のようになるので、加熱が可能となる。
Ｒｓ≒ρ／ｔ ……（４）

【００３０】
また、励磁コイル２２２に印加する交流電流の周波数は１０〜５００ｋＨｚが好ましい。１０ｋＨｚ以上となると、導電層１５ｂへの吸収効率がよくなり、５００ｋＨｚまでは安価な素子を用いて励磁回路２２３を組むことができる。更に、２０ｋＨｚ以上であれば可聴域をこえるため、通電時に音がすることなく、また２００ｋＨｚ以下では、励磁回路２２３で生じるロスも少なく、周辺への放射ノイズも小さい。
また、１０〜５００ｋＨｚの交流電流を導電層１５ｂに印加した場合には、表皮深さは数μｍ〜数百μｍ程度である。実際に導電層１５ｂの厚さを１μｍより小さくすると、ほとんどの電磁エネルギが導電層１５ｂで吸収しきれないため、エネルギ効率が悪くなる。また、漏れた磁界が他の金属部を加熱するという問題も生じる。

【００３１】
一方、導電層１５ｂの厚さが５０μｍを超えると、中間転写ベルト１５の熱容量が大きくなりすぎると共に、導電層１５ｂ中の熱伝導によって熱が伝わり、表面離型層１５ｃが暖まりにくくなるという問題が生じる。従って、導電層１５ｂの厚さは１μｍ〜５０μｍが好ましい。
また、導電層１５ｂの発熱を増すためには、中間転写ベルト１５中を流れる電流Ｉｆを大きくすればよく、そのためには励磁コイル２２２によって生成される磁束を強くするか、あるいは、磁束の変化を大きくすればよい。この方法としては、励磁コイル２２２の巻き線数を増やすか、或いは励磁コイル２２２の鉄芯２２１をフェライト、パーマロイといった高透磁率で残留磁束密度の低いもので構成するとよい。

【００３２】
また、導電層１５ｂの抵抗値が小さすぎると、渦電流が発生したときの発熱効率が悪化するため、導電層１５ｂの固有体積抵抗率は２０℃の環境で１．５×１０^-8Ωｃｍ以上が好ましい。
尚、本実施の形態では、導電層１５ｂをメッキ処理等で形成したが、真空蒸着、スパッタリング等で形成してもよい。これにより、メッキ処理できないアルミニウムや金属酸化物合金を導電層１５ｂに用いることができる。但し、メッキ処理では所望の膜厚すなわち１〜５０μｍの層厚を得易いため、メッキ処理が好ましい。

【００３６】
更に、可動コア２２４の駆動機構２３０としては、例えば図８に示すように、前記コアブロック２２１(1)又は２２１(4)の可動コア２２４の背面を中央寄りの一端を揺動点とした揺動アーム２３１に支持し、各揺動アーム２３１をソレノイドなどのアクチュエータ２３２にて直接若しくは図示外のリンク機構を介して揺動させることで、可動コア２２４を揺動後退させ、磁束の集中を回避させるようにしたものである。尚、符号２３３はアクチュエータ２３２を解除した際に可動コア２２４をセット位置に復帰させるための復帰スプリングである。
本態様においては、制御装置２３４は、記録材サイズを信号として取り込み、記録材サイズが例えば２分した小サイズ（ｋ1：中央寄りのコアブロック２２１(2),２２１(3)に対応した発熱領域で足りる寸法に相当）である場合には、コアブロック２２１(1)又は２２１(4)の可動コア２２４を後退させる駆動信号をアクチュエータ２３２に送出し、一方、大サイズ（ｋ2：４つのコアブロック２２１(1)〜２２１(4)の全てに対応した発熱領域に対応する寸法に相当）である場合には、コアブロック２２１(1)又は２２１(4)の可動コア２２４を後退させる駆動信号をアクチュエータ２３２に送出しないで、夫々の可動コア２２４を通常のセット位置のままに保つようにしたものである。

【００４２】
一方、中間転写ベルト１５上に転写された４色分のトナー像は、二次転写部Ｙの上流側で、電磁誘導加熱装置２２と対向する加熱領域Ａを通過する。加熱領域Ａでは、励磁回路２２３から励磁コイル２２２に交流電流が印加されており、中間転写ベルト１５の導電層１５ｂが電磁誘導加熱により発熱する。これにより導電層１５ｂは急激に加熱され、この熱は時間経過と共に表層に伝達され、二次転写部Ｙに到達するときには中間転写ベルト１５上のトナーが溶融した状態となる。
中間転写ベルト１５上で溶融したトナー像は、二次転写部Ｙで記録材の搬送に合わせて圧接される加圧ロール２１の圧力により、記録材と密着される。加熱領域Ａでは中間転写ベルト１５は局所的に表面近傍だけが加熱されており、溶融したトナーは室温の記録材と接触して急激に冷却される。つまり、溶融したトナーは二次転写部Ｙのニップを通過するときに、トナーが持っている熱エネルギと圧接力とで瞬時に記録材に浸透して転写定着され、記録材はトナー及び表面近傍だけ加熱された中間転写ベルト１５の熱を奪いながらニップ出口に向かって搬送される。このとき、ニップ幅及び記録材の移動速度が適切に設定されていることにより、ニップ出口でのトナーの温度は軟化点温度よりも低くなる。このため、トナーの凝集力が大きくなり、トナー像はオフセットを生じることなく、そのまま略完全に記録材上に転写定着される。
その後、トナー像が転写定着された記録材は、排出ロール２９を通って排出用トレイ３０上に排紙され、フルカラーの画像形成が終了する。

【００５７】
上記のような４つの画像形成ユニット５７Ｙ〜５７Ｋを配列したタンデム方式の装置では、実施の形態１に示す１つの感光ドラム１１を４サイクルする方式に比べて約４倍の生産性を有しており、高速でカラー画像を得ることが可能である。しかし、４サイクル方式の場合は記録材への転写定着は４サイクルに１度であるが、タンデム方式では連続して記録材が送られてくるため、中間転写ベルト５５への熱負荷が大きくなり、感光ドラム５１を昇温させるという問題を発生し易くなる。このため、従来のタンデム方式の装置では、なかなかこの問題を解決することができなかった。しかし、本実施の形態の画像記録装置では、電磁誘導加熱装置６２により中間転写ベルト５５を局所的且つ選択的に加熱できるため、高速で画像を形成しても熱の蓄積が生じにくいといった利点がある。また、中間転写ベルト５５上のトナー像を迅速に加熱することができるため、消費エネルギを低く抑えることができる。

【００５９】
上記記録ドラム１０１は、表面のトナー像が直接加熱により溶融されるため、耐熱性とトナー離型性とが要求されており、これらを満足するために絶縁性の記録ドラムが採用されている。
本実施の形態では、図２１に示すように、基材ロール１０１ａの周面上に断熱層１０１ｂと、その上に積層された厚さ１μｍ〜５０μｍのベース層１０１ｃと、更にその上に積層された厚さ１μｍ〜５０μｍの導電層１０１ｄと、最も上層となる厚さ１μｍ〜１００μｍの記録層１０１ｅとを備えている。断熱層１０１ｂには、例えば有機材料又は無機材料からなる発泡体、セラミックス、セルロースなど、熱伝導率が５×１０^-4cal/sec.cm.sec以下のものが用いられる。ベース層１０１ｃには、例えばポリイミド、ポリアミドイミド等が用いられる。導電層１０１ｄには、例えばニッケル、鉄、コバルト、アルミニウム、銅など、固有体積抵抗率が１．５×１０^-8Ωｍ以上のものが用いられる。記録層１０１ｅには、例えばポリテトラフルオロエチレン（誘電率２〜３）及び他のフルオロカーボン重合体、シリコーンゴム（誘電率２．６〜３．３）など、抵抗率が１０¹²Ω・ｃｍ以上で誘電率が１．５〜４０のものが用いられる。
上記加圧ロール１０６は、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の耐熱性弾性体が被覆された弾性ロールである。
上記記録ヘッド１０３は、画素毎に針状電極（本実施の形態では３００ｄｐｉのピット程度）を多数配列し、該針状電極から画像信号に応じて選択的に放電を生じさせるスタイラス方式のものであり、この放電により生じるイオン流を記録ドラムに付着させることによって静電潜像を形成するようになっている。

【００６０】
この画像記録装置では、記録ドラム１０１は帯電装置１０２によりほぼ一様に帯電された後、記録ヘッド１０３からのイオン流の射出により記録ドラム上に静電潜像が形成され、この静電潜像は現像装置１０４によって現像される。その後、電磁誘導加熱装置１０５により記録ドラム１０１の導電層１０１ｄが発熱され、記録ドラム上のトナー像が加熱により溶融される。溶融したトナー像は、加圧ロール１０６により室温の記録材Ｐと圧接され、記録材Ｐ上にトナー像が転写されると同時に定着される。
このような画像記録装置では、電磁誘導加熱装置１０５によって記録ドラム１０１が局所的に加熱されるため、装置全体の消費エネルギを削減することができる。また、この方式では中間転写体を用いていないため、画像記録の行程が簡素化され、装置の小型化が達成されるといったメリットを有する。
尚、画像データに応じてイオン流を射出する記録ヘッドとしては、様々な方式のものがある。上記記録ヘッド１０３に代えて、例えば、イオン発生室内におけるコロナ放電によって生じたイオンを、画像データに基づいて微細なノズルからイオン流として射出するイオンプロジェクション方式などを用いることもできる。

【００６２】
また、本発明に係る画像記録装置によれば、像担持搬送体の周面近傍に設けた電磁誘導発熱層に変動磁界を作用させ、この電磁誘導発熱層に発生する渦電流による発熱によって熱エネルギを付与しているので、像担持搬送体の周面近傍を選択的に加熱して未定着層（トナー像）を溶融することができ、像担持搬送体の昇温に伴う装置内の熱の蓄積を防止することができる。
このため、像担持搬送体の特性変化を生じることなく、安定した出力画像を得ることができる。
また、熱エネルギの利用効率が非常に優れるため、装置全体の消費エネルギを削減することができ、限られた電力で高速の画像形成を行うことが可能となる。そして、ウオームアップタイムが実質的になくなるため、従来のような、装置の待機時に加熱部材を設定温度に維持するために投入していた電力を省略することができる。
更に、転写定着時に記録材が冷却部材として作用し、像担持搬送体の温度が急激に低下するので、大がかりな冷却装置を設ける必要がなくなり、装置全体の小型化が可能となる。また、記録材の加熱量が少ないため、転写定着性が記録材の厚みや熱容量にほとんど影響されず、装置の条件設定が容易となり、また記録材のカールやしわ等の発生も少ない。
特に、電磁誘導加熱装置の磁性コアを複数のブロックに分割し、少なくとも一つのコアブロックに可動コアを具備させ、記録材サイズなどに対応して像担持搬送体を加熱するようにすれば、画像サイズに応じて必要最小限の発熱領域を規定し、画像のある部分のみの局部加熱を容易に実現することができる。

【図２１】上記画像記録装置で用いられる記録ドラムの概略断面図である
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