JP2001345166A

JP2001345166A - 加熱装置および加熱定着装置

Info

Publication number: JP2001345166A
Application number: JP2000162067A
Authority: JP
Inventors: Osamu Watanabe; 督渡辺
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却機構を設置した場合には、その設置空間が
必要となり装置が大型化してしまうばかりか、コストア
ップにつながる。また、誘導コイル、コアばかりでなく
定着ローラの内面までも送風により冷却するため、加熱
能力を損なってしまうという問題点があった。【解決手段】電磁誘導作用により発生する渦電流でジュ
ール発熱する加熱部材と、当該加熱部材近傍に配置さ
れ、前記加熱部材に供給する電磁誘導作用の磁束を発生
させる誘導コイルとを有し、少なくとも前記加熱部材と
前記誘導コイルとの間に断熱領域を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁誘導作用によ
り発生する渦電流でジュール発熱する加熱部材と、当該
加熱部材近傍に配置され、前記加熱部材に供給する電磁
誘導作用の磁束を発生させる誘導コイルとを有する加熱
装置および電子写真式の複写機、プリンタおよびファク
シミリなどの画像形成装置により、記録媒体である記録
紙ないし転写材などのシート上に形成されたトナー像
（未定着トナー像）を該シートに加熱定着させる加熱定
着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の加熱定着装置は、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。

【０００３】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。この発熱体は、例えば、ハロゲンランプなど
の管状発熱ヒータにより構成され、所定の電圧が印加さ
れることにより発熱する。このハロゲンランプは定着ロ
ーラの中心軸上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。

【０００４】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、トナー像が付着したシート
を挟持搬送する。シート上のトナー像は定着ローラと加
圧ローラとの圧接部（圧接部）の通過時において、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。

【０００５】しかし、ハロゲンランプなどの発熱体を備
えた加熱装置においては、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）
は、比較的長時問を要していた。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。

【０００６】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、加熱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、加熱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。

【０００７】かかる要請に応える装置として、特開昭５
９−３３７８７号公報に示されるように、加熱源として
高周波誘導を利用した電磁誘導作用により加熱する加熱
装置が提案されている。この加熱装置は、金属導体から
なる中空の定着ローラの内部に誘導コイルが同心状に配
置されており、この誘導コイルに高周波電流を流して生
じた高周波磁界により、定着ローラに電磁誘導作用によ
り渦電流を発生させ、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。この電磁誘導作用による加熱装置によれば、電
気ー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。

【０００８】ところが、このような電磁誘導作用による
加熱装置にあっては、定着ローラの内面への熱放射のた
めに、内部に配置された誘導コイル周辺の温度上昇が大
きく、そのため誘導コイルの電気抵抗の上昇が発生し、
必要電力が増加してしまうという問題があった。

【０００９】また、樹脂からなるコイル被覆が熱により
溶融し、誘導コイルの絶縁性が損なわれてしまうという
問題もあった。さらに定着ローラに代えて、加熱部材と
して、可撓性を有する薄肉の金属スリーブを使用するタ
イプもあるが上記の事情は同じである。

【００１０】そこで、例えば特開昭５４−３９６４５号
公報に開示されているように、誘導コイルの温度上昇を
抑えるために、両端開放のパイプ状の定着ローラ内部へ
送風する送風手段などの冷却機構を設けるという提案が
なされている。

【００１１】図８は送風手段を備えた加熱装置を示す斜
視図であり、図８において、１は加熱部材としての定着
ローラ、２は定着ローラ１に圧接して配置された加圧部
材としての加圧ローラ、３はコア（芯材）４に装着した
誘導コイル、５はコア４を支持する支持部材としてのホ
ルダ、２６は定着ローラ１の開口端面に対向して配置さ
れた送風フアンである。

【００１２】次に動作について説明する。定着ローラ１
の端部に設けたギア１ａを介して不図示の駆動源から該
定着ローラに駆動力が加えられると、定着ローラ１の回
転に従って該定着ローラに圧接した加圧ローラ２が従動
回転し、トナー像が付着したシートＰを両ローラ間で挟
持搬送する。シートＰ上のトナー像８は定着ローラ１と
加圧ローラ２との圧接部の通過時において、定着ローラ
１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Ｐに定着される。この時、送風フアン２６の作動
によって、定着ローラ１の一端から他端に向かって送風
して、コイル３の昇温を防止している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の電磁誘導作用による加熱装置のように冷却機構
を設置した場合には、その設置空間が必要となり装置が
大型化してしまうばかりか、コストアップにつながるな
どの問題が生じていた。また、誘導コイル、コアばかり
でなく、定着ローラの内面までも送風により冷却するた
め、加熱能力を損なってしまうという問題点があった。

【００１４】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、誘導コイルの温度上昇を防
止し、かつ良好な加熱性能を有する低コストでコンパク
トな加熱装置および該加熱装置を熱源として適用し、定
着を確実強固に行って高品質の画像を形成できる加熱定
着装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は下記の構成を有
することを特徴とする加熱装置および加熱定着装置であ
る。（１）電磁誘導作用により発生する渦電流でジュール発
熱する加熱部材と、当該加熱部材近傍に配置され、前記
加熱部材に供給する電磁誘導作用の磁束を発生させる誘
導コイルとを有する加熱装置において、少なくとも前記
加熱部材と前記誘導コイルとの間に断熱領域を設けたこ
とを特徴とする加熱装置。（２）前記加熱部材は、鉄製の芯金シリンダを構成要素
とする加熱ローラであることを特徴とする（１）記載の
加熱装置。（３）前記断熱領域は、断熱部材で構成したことを特徴
とする（１）記載の加熱装置。（４）前記断熱部材は、非磁性体であることを特徴とす
る（３）記載の加熱装置。（５）前記断熱領域は、真空断熱層であることを特徴と
する（１）記載の加熱装置。（６）前記真空断熱層は、内部が外気より低圧に維持さ
れていることを特徴とする（５）記載の加熱装置。（７）加熱部材と加圧部材との圧接部を、表面に未定着
画像を有するシートを通過させ、その通過時に前記加熱
部材からの熱と前記加圧部材の加圧力によって、前記未
定着画像を前記シートに定着させる加熱定着装置におい
て、前記加熱部材として（１）〜（６）のうちのいずれ
か１項に記載の加熱装置を備えたことを特徴とする加熱
定着装置。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を添
付図面について説明する。（実施の形態１）以下、本発明の実施の形態を図１〜図
４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１
に係る電磁誘導作用による加熱装置を熱源として適用し
た加熱定着装置の概略を示す断面図である。加熱部材と
しての定着ローラ１は外形４０［ｍｍ］、厚さ０．７
［ｍｍ］の鉄製の芯金シリンダに表面の離型性を高める
ために例えばＰＴＦＥ１０〜５０［μｍ］や、ＰＦＡ１
０〜５０［μｍ］の層を設けてもよい。

【００１７】図２は定着ローラ１の一部の拡大断面図で
あり、１Ａは例えば、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミ
ド、ＰＥＥＫ、フェノール樹脂等の耐熱樹脂や液晶ポリ
マー、セラミックなどで定着ローラ１の内面に形成され
た内層であり、磁性体を含まないものが望ましい。この
内層１Ａには軸線方向に沿って、断熱領域としての複数
の真空断熱層１００が形成されており、この真空断熱層
１００の内部は外気より低圧に維持され、その内部の気
圧は、望ましくは１Ｔｏｒｒ程度である。

【００１８】加圧ローラ２は、中空芯金１４と、その外
周面に形成される表面離型性耐熱ゴム層である弾性層１
５とからなる。この加圧ローラ２の両端には軸受部が形
成され、図示しない定着ユニットフレームに回転自在に
取り付けられている。定着回一ラ１と加圧ローラ２は回
転自在に支持されていて、定着ローラ１のみを駆動する
構成になっている。加圧ローラ２は定着ローラ１の表面
に圧接していて、圧接部での摩擦力で従動回転する様に
配置してある。

【００１９】また、加圧ローラ２は定着ローラ１の回転
軸方向にバネなどを用いた図示しない機構によって加圧
されている。加圧ローラ２は約３０［Ｋｇ重］で荷重さ
れており、この場合、圧接部の幅（ニップ幅）は約６
［ｍｍ］になる。しかし、都合によっては荷重を変化さ
せてニップ幅を変えてもよい。

【００２０】３は高透磁率のコア（芯材）４に装着した
誘導コイル、５はコア４を支持する支持部材としてのホ
ルダ、６は定着ローラ１に当接するように配置した温度
検出センサ、７は未定着のトナー像８を有するシートＰ
を定着圧接部へ矢印方向に搬送する搬送ガイド、１０は
シートＰを定着ローラ１から分離する分離爪である。

【００２１】誘導コイル３はコア４に巻き付ける様にＰ
ＰＳ，ＰＥＥＫ、フェノール樹脂等の耐熱性樹脂からな
るホルダー５の内部に配設されている。この誘導コイル
３には１０〜１００［ｋＨｚ］の交流電流が印加され
る。この交流電流によって誘導された磁界は、導電層で
ある定着ローラ１の内面に渦電流を流し、ジュール熱を
発生させる。この発熱を増加させるためには誘導コイル
３の巻き数を増やしたり、コア４をフェライト、パーマ
ロイといった高透磁率で残留磁速密度の低いものを用い
たり、交流電流の周波数を高くすると良い。

【００２２】温度検出センサ６は定着ローラ１の表面に
当接するように配置されており、この温度センサー６の
検出信号をもとに誘導コイル３への電力供給を増減させ
ることで、定着ローラ１の表面温度が所定の一定温度に
なる様自動制御される。搬送ガイド７は、未定着のトナ
ー画像８を担持しながら搬送されるシートＰを定着ロー
ラ１と加圧ローラ２との圧接部へ案内する。分離爪１０
は定着ローラ１の表面に当接または近接して配置されて
おり、圧接部Ｎを通過したシートＰを定着ローラ１の表
面から剥離する。

【００２３】図３は圧接部Ｎ内での加熱原理を説明する
図である。励磁回路１６によって誘導コイル３に印加さ
れる電流で発生する磁束２３は、コア４に導かれて圧接
部Ｎ内で定着ローラ１の芯金に作用し、定着ローラ１に
渦電流２４を発生させる。この渦電流２４と定着ローラ
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。

【００２４】図４は実施の形態１に係る定着ローラを従
来のものと比較するために、定着ローラを一定温度にす
るために必要な電力を測定した図である。内面に真空断
熱層（実施の形態１では内部圧力を１Ｔｏｒｒにした）
１００を有する定着ローラの特性（ａ）と従来の定着ロ
ーラの特性（ｂ）また、図８のような小径（φ４０）の
送風ファン２６により内部冷却を行う定着ローラの特性
（ｃ）を準備し、２０ｋＨｚ，１００Ｖ、初期１３００
Ｗの高周波交流電圧を印加し、室温から２００℃まで定
着ローラの表面温度を上昇させた時の温度勾配（経過時
問ー定着ローラ表面温度の関係）を示したものである。

【００２５】なお、従来系の特性（ｃ）では風量３．０
×１０^−２ｍ^３／ｓｅｃの送風を行っている。特性
（ｂ）では、目標温度２００℃まで到達する前に傾きが
小さくなっている。これは、誘導コイル３の昇温により
該誘導コイルの抵抗値Ｒが大きくなり、電源から供給さ
れる電力（Ｗ＝Ｖ²／Ｒ）が小さくなっているためであ
る。これに対し、定着ローラに断熱領域としての真空断
熱層を設けている定着ローラの特性（ａ）や従来の定着
ローラの特性（ｃ）ではほぼ直線的に温度が上昇してい
る。これはコイル昇温防止による効果であり、大電力を
継続して印加できるため、立ち上がり時間を早くするこ
とができる。

【００２６】また、表１に示すように、２００℃に維持
し続けるための電力もの特性（ｂ）、（ｃ）、（ａ）の
定着ローラ順に低くなっている。の特性（ｂ）の定着ロ
ーラは誘導コイル３が昇温するため、温度維持のために
は比較的大きい電力を要する。また、の特性（ｃ）の定
着ローラは誘導コイルの冷却を行っているものの、送風
ファンによる風が定着ローラ内面にもあたり、定着ロー
ラ自体も冷却されているため、特性（ａ）の定着ローラ
に比べて電力の消費量が大きくなる。特性（ａ）の定着
ローラでは、コイルの昇温を防止するとともに、定着ロ
ーラで発生した熱が、定着圧接部Ｎの方向へ効果的に伝
達されるため、小さい電力で温度維持が可能である。

【００２７】表１２００℃に維持するのに必要な電力（ａ）１６０Ｗ（ｂ）２００Ｗ（ｃ）１７０Ｗ真空断熱層の内部圧力は、より低いほうがが望ましい
が、１Ｔｏｒｒ程度から断熱効果が表れ始める。定着ロ
ーラを２００℃に維持するのに必要な電力と圧力の関係
を表２に示す。実施の形態１は、定着ローラ１の内面に断熱領域として
の真空断熱層を形成しているので、誘導コイル３の昇温
を防止し、また、圧接部Ｎ方向へ効果的に発熱されるの
で、加熱効率を高め、定着能力を損なわずに省電力化を
図ることができる。断熱領域を構成するためには、図５
に示すように、定着ローラ１の内部の誘導コイル３をホ
ルダ５で囲い、その定着ローラ内部全体を、真空にする
ことも有効である。（実施の形態２）図６は本発明の実施の形態２に係る加
熱装置の一部を示す概略断面図である。なお、図中前記
実施の形態１と同一部分には同一符号を付して重複説明
は省略する。実施の形態２は鉄製の芯金シリンダを構成
要素とする加熱ローラとしての定着ローラに軸線方向に
複数の真空断熱層１００を設けたものである。

【００２８】定着ローラ１から発生した熱が、外部に配
置した誘導コイル３に伝わり、誘導コイル３が昇温する
と、誘導コイル３の電気低抗値が大きくなり、電源から
供給される電力が少なくなる結果、ウオームアップタイ
ムが長くなる。また、ある温度に維持するのに必要な電
力も大きくなる。

【００２９】これに対し、この実施の形態２のように、
誘導コイル３の周囲を図６のように囲って、内部を真空
にすれば、定着ローラからの誘導コイル３へ伝わる熱を
少なくできる。また、効率良く、定着ローラ１を高温に
維持できる。表３は、定着ローラを２００℃に維持する
のに必要な電力と断熱領域としての真空断熱層１００の
ありなしの関係を示す。実施の形態２のように鉄製の芯金シリンダを構成要素と
する加熱ローラとしての定着ローラに軸線方向に複数の
真空断熱層１００を形成することで、誘導コイルの昇温
を防止し、加熱効率を高め、定着能力を損なわずに省電
力化を図ることができる。また、断熱領域を構成するに
は、図７のように、定着ローラ外部に配置した誘導コイ
ル３、コア４ごと密閉ケース３０で囲み、この密閉ケー
ス３０の内部全体を真空にし、その内部を外気より低圧
に維持し、その内部の気圧を、望ましくは１Ｔｏｒｒ程
度にすることも有効である。

【００３０】なお、上記の実施の形態では、断熱領域と
して定着ローラ１に真空断熱層１００を形成した場合に
ついて説明したが、断熱材によって断熱層を形成するよ
うにしても良い。また、真空断熱層１００は、例えば、
定着ローラ１の軸線方向に空室を形成し、この空室を密
閉した後、真空減圧処理を行う。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、少
なくとも加熱部材と誘導コイルとの間に断熱領域を設け
て構成したので、定着ローラで発生した熱が断熱領域に
よって遮られ、誘導コイルの温度上昇を抑えることがで
きる。したがって、送風ファンなどを設けた場合のよう
に大型化せずに誘導コイルの温度上昇を防止でき、また
ホルダ等の部品に耐熱性に優れた樹脂等を用いなくても
よいので、装置を小型化できるとともにコスト低減が可
能となる。しかも、熱源の昇温が防止されるとともに、
圧接部Ｎの方向に熱が流れるため、加熱装置の省電力化
に寄与する。

【００３２】また、熱源を囲む材料は非磁性体であるの
で、断熱領域における熱の発生がないため、上記効果が
著しいものとなる。

【００３３】また、加熱部材と加圧部材との圧接部を、
表面に未定着トナー像を有するシートを通過させ、その
通過時に前記加熱部材からの熱と前記加圧部材の加圧力
によって、前記未定着トナー像を前記シートに定着させ
る加熱部材として、上記の加熱装置を適用したので、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
上させるとともに、定着を確実強固に行って高品質の画
像を形成できるた加熱定着装置を得ることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る加熱装置の概略断
面図である。

【図２】その加熱装置を構成する定着ローラの一部の拡
大断面図である。

【図３】本発明の実施の形態１に係る加熱装置の加熱原
理を説明する図である。

【図４】定着ローラの断熱領域の有無、ファン冷却の各
モードの立ち上げ時の温度勾配を示す図である。

【図５】誘導コイルに対する断熱の仕方を示す他の構成
図である。

【図６】実施の形態２に係る加熱装置の概略断面図であ
る。

【図７】誘導コイルに対する断熱の仕方を示す他の構成
図である。

【図８】送風ファンを備えた従来の加熱装置を説明する
斜視図である。

【符号の説明】

１：定着ローラ（加熱部材）２：加圧ローラ（加圧部材）３：誘導コイル４：コア（芯材）５，２５：ホルダー（支持部材）６：サーミスタ（温度検知素子）７：搬送ガイド８：トナー画像１０：分離爪１１：放熱板１６：励磁回路２３：磁束２４：渦電流２６：送風ファン３０：密閉ケース１００：真空断熱層（真空断熱層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H033 BA25 BB03 BB18 BB21 BE06 3J103 AA02 AA15 AA41 AA51 AA73 BA04 BA19 BA23 FA01 FA15 FA19 FA20 GA02 HA01 HA03 HA04 HA11 HA41 HA43 HA46 3K059 AA08 AB00 AB19 AB20 AB23 AB27 AB28 AC73 AD03 AD07 AD26 AD28 AD35 AD39 CD44 CD52 CD66 CD72 CD77

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁誘導作用により発生する渦電流でジュ
ール発熱する加熱部材と、当該加熱部材近傍に配置さ
れ、前記加熱部材に供給する電磁誘導作用の磁束を発生
させる誘導コイルとを有する加熱装置において、少なく
とも前記加熱部材と前記誘導コイルとの間に断熱領域を
設けたことを特徴とする加熱装置。
【請求項２】前記加熱部材は、鉄製の芯金シリンダを構
成要素とする加熱ローラであることを特徴とする請求項
１記載の加熱装置。
【請求項３】前記断熱領域は、断熱部材で構成したこと
を特徴とする請求項１記載の加熱装置。
【請求項４】前記断熱部材は、非磁性体であることを特
徴とする請求項３記載の加熱装置。
【請求項５】前記断熱領域は、真空断熱層であることを
特徴とする請求項１記載の加熱装置。
【請求項６】前記真空断熱層は、内部が外気より低圧に
維持されていることを特徴とする請求項５記載の加熱装
置。
【請求項７】加熱部材と加圧部材との圧接部を、表面に
未定着画像を有するシートを通過させ、その通過時に前
記加熱部材からの熱と前記加圧部材の加圧力によって、
前記未定着画像を前記シートに定着させる加熱定着装置
において、前記加熱部材として請求項１〜請求項６のう
ちのいずれか１項に記載の加熱装置を備えたことを特徴
とする加熱定着装置。