JP2002214945A - 定着方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い周波数の超音波を使用してかつ実用的な
定着幅を確保しながら効率的にトナーを加熱溶融して定
着する。 【解決手段】 超音波振動子１を有する超音波付与ユニ
ット１０と支持手段としての加圧ローラ９との間のニッ
プ部１１に被定着シート８を移動させ、トナー７に超音
波エネルギーを負荷して加熱溶融し、被定着シート８に
トナー７を定着する定着方法及び装置において、超音波
付与ユニット１０を、超音波振動子１で発生した超音波
エネルギーを音響レンズ２又は音響反射体により超音波
伝搬媒体３並びにシール材４を介して被定着シート８近
傍に収束するように構成し、超音波エネルギーの密度を
高めて効率的にトナーを加熱溶融するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動エネル
ギーをトナーに付与して加熱溶融させ、記録紙などの被
定着シートに定着する定着方法及び装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来から、超音波振動エネルギーをトナ
ーに付与して加熱溶融し、記録紙などの被定着シートに
定着させる方法は、例えば特開昭５６−９９３６８号公
報、特開昭６０−３６６６３号公報、特開昭６０−９１
３７８号公報などで知られている。

【０００３】また、本出願人は先に特願２０００−６６
７２８号において、トナーの飛散を確実に防止するとと
もに効率的にトナーを加熱溶融して定着できるようにし
た定着装置を提案している。同様の定着装置について、
図６を参照して説明すると、３１は超音波振動子、３２
は超音波振動の振幅を拡大して伝達するホーン、３３は
ホーン３２に対向して配置され、ホーン３２との間のニ
ップ部３４に加圧力を発生させる加圧ローラ、３５はホ
ーン３２と加圧ローラ３３間をホーン３２に接して移動
する無端状で外周にゴム層を形成した中間ベルト、３６
はトナー３７が付着されてトナー画像が形成された記録
紙、３８はニップ部の手前側に振動が伝達するのを防止
するため、中間ベルト３５に接するように配設された振
動伝播防止手段である。

【０００４】以上の構成において、記録紙３６は搬送手
段（図示せず）にてニップ範囲３４の手前で中間ベルト
３５に接するように供給され、加圧ローラ３３の回転駆
動により中間ベルト３５との間でトナー３７を飛散しな
いように保持した状態で中間ベルト３５とともにニップ
部３４を通過する。このニップ部３４を通過する間に、
ホーン３２から中間ベルト３５外周のゴム層及び記録紙
３６上のトナー３７に超音波振動エネルギーが付与さ
れ、トナー３７がゴム層と自身が加熱されることで効率
的に加熱溶融されて記録紙３６に定着され、ニップ部３
４でトナー３７が定着された記録紙３６が外部に排出さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波振動
エネルギーの吸収効果を高めてトナーの発熱効果を高め
るには、超音波振動の周波数を高くすれば良いことが知
られているが、周波数を高くすると振幅が小さくならざ
るを得ず、超音波エネルギー密度の向上率を大きくでき
ないという問題がある。

【０００６】また、上記のような構成の定着装置では、
超音波振動を機械振動として利用するため、振動子とし
て機械共鳴を利用するが、高周波になると機械共鳴体自
体の寸法が小さくなり、定着装置に必要な定着幅の振動
体を設計、製作することが難しくなるという問題があ
る。

【０００７】本発明は、上記従来の問題に鑑み、実用的
な定着幅に対して周波数の高い超音波を効果的に付与で
き、効率的にトナーを加熱溶融して定着することができ
る定着方法及び装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の定着方法は、被
定着シート上のトナーに超音波エネルギーを負荷して加
熱溶融し、被定着シートに定着する定着方法において、
超音波振動源から送波された超音波エネルギーを音響レ
ンズ又は音響反射体により収束し、超音波エネルギーの
収束した部分でトナーを加熱溶融するものであり、超音
波振動源から送波される超音波のエネルギー密度を、超
音波を収束させることにより高くでき、トナーを効率的
に加熱溶融させて定着することができる。

【０００９】また、音響レンズ又は超音波振動源から超
音波エネルギーの収束部近傍まで液体又はゲル状材料の
超音波伝搬媒体を介して超音波を伝搬させると、伝搬す
る超音波を縦波だけにすることができ、超音波エネルギ
ーの収束効率を高めることができる。

【００１０】また、１００ｋＨｚ以上、好適には５００
ＫＨｚ以上の周波数の超音波を用いると、トナーの音波
吸収特性が良く、効率的に加熱溶融することができる。

【００１１】また、幅寸法が所要長の超音波振動源と音
響レンズ又は音響反射体とを用いて超音波エネルギーを
直線状に収束させることにより、実用的な定着幅を確保
することができる。

【００１２】また、本発明の定着装置は、対向配置され
た超音波付与ユニットと支持手段の間に被定着シートを
移動させ、トナーに超音波エネルギーを負荷して加熱溶
融し、被定着シートにトナーを定着する定着装置におい
て、超音波付与ユニットは、超音波発生源の発生した超
音波エネルギーを被定着シートの移動経路上の所定位置
付近に収束させる音響レンズを備えたものであり、上記
定着方法を実施でき、高い周波数の超音波を使用して効
率的にトナーを加熱溶融して定着することができる。

【００１３】また、音響レンズに代えて、超音波発生源
の発生した超音波エネルギーを被定着シートの移動経路
上の所定位置付近に収束させる音響反射体を備えても同
様の作用効果が得られる。その音響反射体は、放物面の
反射面を備えたものでも、放物面と平面の反射面を２つ
以上組み合わせて備えたものでもよい。

【００１４】また、音響レンズ又は超音波振動源と超音
波エネルギーの収束部近傍との間に液体又はゲル状材料
の超音波伝搬媒体を配設することによって、伝搬する超
音波を縦波だけにすることができ、超音波エネルギーの
収束効率を高めることができる。

【００１５】また、幅寸法が所定長の超音波振動源及び
音響レンズ又は音響反射体にて超音波エネルギーの収束
部を定着幅に対応する長さの直線状とすることにより、
実用的な定着幅を確保することができる。

【００１６】また、超音波付与ユニットは、超音波振動
源と、音響レンズ又は音響反射体と、超音波伝搬媒体
と、超音波伝搬媒体を充填する密閉空間を形成するシー
ル材とを備え、支持手段は超音波付与ユニットのシール
材との間に互いに加圧されるニップ部を形成するように
配置し、音響レンズ又は音響反射体はニップ部に超音波
エネルギーを収束するように構成し、ニップ部に被定着
シートを供給するように構成すると、シール材にて超音
波伝搬媒体が保持されるとともに安定したニップ部が形
成され、超音波伝搬媒体を用いて効率的に定着できる。

【００１７】さらに、ニップ部に無端状の中間ベルトを
通し、中間ベルトと支持手段の間に被定着シートを供給
するように構成すると、中間ベルトにてトナーの飛散を
防止しかつその一部の加熱により効率的に定着すること
ができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の定着装置の第１の実施形態について、図１、図２を参
照して説明する。

【００１９】図１において、１は超音波を送波する超音
波振動源しての超音波振動子、２は超音波を収束させる
音響レンズ、３は超音波を伝搬させる超音波伝搬媒体、
４は超音波伝搬媒体３の充填配置空間を密閉形成するシ
ール材、５はハウジングであり、これらによって超音波
付与ユニット１０が構成されている。

【００２０】超音波付与ユニット１０のシール材４と対
向して支持手段としての加圧ローラ９が配設されてい
る。加圧ローラ９は矢印Ａ方向に回転駆動可能に構成さ
れている。また、シール材４と加圧ローラ９が相互に押
圧され、それらの間に定着が行われるニップ部１１が形
成されている。音響レンズ２はこのニップ部１１に超音
波を収束させる。１２は音響レンズ２から放射され超音
波伝搬媒体３中を伝搬する超音波を示している。

【００２１】ニップ部１１にトナー７を搬送する無端状
の中間ベルト６が通され、加圧ローラ９の回転駆動によ
り移動するように構成されている。記録紙などの被定着
シート８は、搬送手段（図示せず）により中間ベルト６
と加圧ローラ９の間に向けて供給され、中間ベルト６と
加圧ローラ９の間で挟持されて中間ベルト６とともにニ
ップ部１１を通過するように構成されている。

【００２２】以下、詳しく説明すると、超音波振動子１
は、圧電セラミック単体あるいは圧電セラミックと高分
子層などで構成されたコンポジット圧電材料にて構成さ
れ、音響レンズ２に接着あるいはねじ（図示せず）など
の締結機構により強固に密着されている。ハウジング５
は超音波振動子１と音響レンズ２を支持し、かつ音響レ
ンズ２並びにシール材４とともに密封容器を構成し、そ
の内部に超音波伝搬媒体３が充填されている。

【００２３】超音波振動子１は、駆動回路（図示せず）
から連続あるいは間欠的に高周波電力の供給を受けなが
ら電気エネルギーを機械振動に変換し、その結果として
超音波１２を音響レンズ２に向けて送波する。送波され
る超音波１２の周波数は、超音波パワーとして通常使用
される周波数である２０ｋＨｚから７５ｋＨｚよりも高
い周波数の音波であり、１００ｋＨｚ以上、できれば５
００ｋＨｚ以上であることがトナーの音波吸収特性から
望ましい。

【００２４】また、トナー定着装置では、通常２００ｍ
ｍ以上の定着幅が必要となる。圧電セラミックやそのコ
ンポジット材料を超音波振動子１として利用する場合に
は、数１０ｍｍ角程度のものを数個から数１０個程度並
べて使用することにより２００ｍｍ以上の大きな定着幅
に対応することができる。

【００２５】音響レンズ２は、超音波伝搬媒体３との界
面が一定の曲率を有する円筒形状で内部の伝搬経路の長
短により、超音波伝搬媒体３中に放射される超音波１２
の位相関係を変化させ、その結果としてシール材４の近
傍に超音波を収束させて焦域を形成するように曲率、音
速が選択される。この場合、音響レンズ２は共振体とし
ての作用はなく、超音波の位相関係を制御するだけであ
るため、２００ｍｍ以上の幅のものを一体構造として作
成して使用することができる。

【００２６】超音波振動子１と音響レンズ２による超音
波エネルギーの収束効果を図２に模式的に示す。図２に
おいて、１３は超音波エネルギーの収束部を表してい
る。図示のように、定着幅方向に長い超音波振動子１と
音響レンズ２を組み合わせることにより、定着幅方向に
直線的に超音波エネルギーの収束部１３を作ることがで
き、実用的な定着幅を持つ定着装置を構成することがで
きる。

【００２７】なお、図１、図２に示した構成では、音響
レンズ２は凹型であり、音響レンズ２の音速が超音波伝
搬媒体３の音速よりも大きな場合の構成である。音響レ
ンズ２の音速が超音波伝搬媒体３の音速よりも小さい場
合には、凸型の音響レンズ２を構成すればよい。

【００２８】音響レンズ２の材質は、セラミック、ガラ
ス、アルミ、各種のプラスチックが利用できるが、超音
波に対して低吸収特性を示すものが望ましい。また、超
音波伝搬媒体３と音響レンズ２の音響インピーダンスの
差が大きい場合には、音響レンズ２の表面に中間の音響
インピーダンスを有し、使用周波数における超音波の波
長の１／４の厚みを有する音響整合層を形成し、超音波
の伝達効率を改善することができる。

【００２９】超音波伝搬媒体３としては、水、オイル等
の液体、あるいは高分子ゲルなどが使用できるが、超音
波に対しては低吸収性を示すものが望ましい。

【００３０】シール材４は、超音波伝搬媒体３を伝搬し
てきた超音波１２に対して良好な透過特性を示し、超音
波伝搬媒体３と音響インピーダンスの差が小さく、定着
時に発生する熱に対する耐性を有し、定着時に加えられ
る加圧力に対して対抗できる強度を有し、かつ中間ベル
ト６と密着を保ちながら低摩擦で摺動する材料で構成さ
れ、例えばポリイミドシートなどの耐熱高分子シートが
適当である。

【００３１】シール材４と中間ベルト６の界面は、超音
波エネルギーをトナー７に高効率で伝達させるために良
好な密着状態を維持しながら相対摺動できることが必要
であるため、その界面にオイルなどの潤滑材を散布機構
（図示せず）により散布することで、密着と摺動性を改
善することができる。

【００３２】以上の構成において、記録紙などの被定着
シート８が、搬送手段（図示せず）により中間ベルト６
と加圧ローラ９間に向けて供給され、中間ベルト６と加
圧ローラ９の間で挟持されて中間ベルト６とともにニッ
プ部１１を通過する。このニップ部１１には、音響レン
ズ２、超音波伝搬媒体３、及びシール材４により超音波
エネルギーが収束されており、収束された超音波エネル
ギーの一部が中間ベルト６に吸収されるとともに、中間
ベルト６上のトナー７に吸収され、トナー７が自身の加
熱と中間ベルト６からの伝熱にて効率的に加熱溶融され
て被定着シート８に定着する。

【００３３】（第２の実施形態）次に、本発明の定着装
置の第２の実施形態について、図３を参照して説明す
る。なお、第１の実施形態で説明したものと同一の構成
要素については、同一参照符号を付して説明を省略し、
相違点のみを説明する。

【００３４】図３において、本実施形態では、放物面形
状の放物反射面１５を有する音響反射体１４が設けら
れ、この音響反射体１４とハウジング５とシール材４で
囲まれた密封容器内の超音波伝搬媒体３中に超音波振動
子１が配設されている。超音波振動子１は、その両端面
から超音波を送波する構成になっており、超音波の送波
方向に２つの放物反射面１５が配設されている。

【００３５】かくして、超音波振動子１から送波された
超音波は、放物反射面１５によってシール材４の方向に
方向を変えるとともに、その放物面形状による位相変化
に応じてシール材４と加圧ローラ９の間のニップ部１１
付近に超音波エネルギーが収束され、第１の実施形態と
同様にトナー７を加熱溶融し、被定着シート８に定着さ
れる。

【００３６】また、第１の実施形態と同様に超音波振動
子１及び音響反射体１４を定着幅方向に延ばして構成す
ることにより、定着幅方向に直線的な超音波エネルギー
収束部１３を形成することができ、実用的な定着幅を確
保できる。

【００３７】本実施形態においては、放物反射面１５が
２方向に設けられて、超音波振動子１の両端面から放射
された超音波を収束しているが、超音波振動子１の片端
面から送波された超音波を１つの放物反射面１５で収束
する構成でも構わない。また、２つの放物反射面１５を
使用できる場合には、反射面の設計を異なるものとし
て、あるいは同一のものでも、収束位置を変化させるな
どして、超音波の収束域におけるエネルギー密度分布を
制御することもでき、そうすることにより設計の自由度
を上げることができる。

【００３８】また、音響反射体１４の構成としては、図
３に示したように放物反射面１５がニップ部１１に向か
って開いている構成に限らず、図４に示すように、ニッ
プ部１１に向かって狭くなる構成においても同様の効果
が得られる。図４に示した構成では、放物反射面１５を
両側に配設してそれぞれに超音波振動子１をそれぞれに
対応させて配設しているが、放物反射面１５を一側にの
み配置してもよく、また両側に配設する場合には超音波
の収束域におけるエネルギー密度分布を制御すること
で、設計の自由度を上げることができる。

【００３９】（第３の実施形態）次に、本発明の定着装
置の第３の実施形態について、図５を参照して説明す
る。なお、上記第１、第２の実施形態と同一の構成要素
については同一参照符号を付して説明を省略し、相違点
のみを説明する。

【００４０】図５において、音響反射体１４にはシール
材４に対して４５°で傾斜した平面反射面１６と放物反
射面１５とが互いに対向するように組み合わせて配設さ
れるとともに、超音波振動子１がシール材４と平行し、
平面反射面１６に対して４５°の傾斜角で対向するよう
に配設されている。

【００４１】超音波振動子１から送波された超音波は平
面反射面１６によって反射され、方向を変えた後放物反
射面１５により反射され、シール材４方向に方向を変え
るとともに、放物反射面１５の形状による位相変化に応
じてシール材４と加圧ローラ９間のニップ部１１付近に
超音波エネルギーが収束され、第１、第２の実施形態と
同様にトナー７を加熱溶融し、被定着シート８に定着さ
れる。

【００４２】また、第１、第２の実施形態と同様に、超
音波振動子１及び放物反射面１５と平面反射面１６を備
えた音響反射体１４を定着幅方向に延ばして構成するこ
とにより、定着幅方向に直線的な超音波エネルギー収束
部１３を形成することができ、実用的な定着幅を確保で
きる。

【００４３】なお、本実施形態においては、超音波振動
子１がシール材４側に設けられているが、シール材４と
反対側に設けることも可能であり、その場合には平面反
射面１６の向きを反対にするように全体を構成すればよ
い。また、本実施形態において、平面反射面１６及び放
物反射面１５をそれぞれ１つづつ配設したが、複数個配
設する場合も考えられる。さらに、平面反射面１６と放
物反射面１５の配置が逆で、放物反射面１５で先に収束
効果を持たせた超音波を平面反射面１６で反射して、ニ
ップ部１１付近に超音波エネルギーを収束させるように
してもよく、本発明の技術範囲内で種々の構成例が考え
られる。

【００４４】

【発明の効果】本発明の定着方法及び装置によれば、以
上のように超音波振動源から送波された超音波エネルギ
ーを音響レンズ又は音響反射体により収束し、超音波エ
ネルギーの収束した部分でトナーを加熱溶融するので、
超音波振動源から送波される超音波のエネルギー密度
を、超音波を収束させることにより高くでき、トナーを
効率的に加熱溶融させて定着することができる。

【００４５】また、音響レンズ又は超音波振動源から超
音波エネルギーの収束部近傍まで液体やゲル状材料の超
音波伝搬媒体を介して超音波を伝搬させると、伝搬する
超音波を縦波だけにすることができ、超音波エネルギー
の収束効率を高めることができる。

【００４６】また、幅寸法が所要長の超音波振動源と音
響レンズ又は音響反射体とを用いて超音波エネルギーを
直線状に収束させることにより、実用的な定着幅を確保
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の定着装置の概略構成
を示す断面図である。

【図２】同実施形態における超音波エネルギーの収束部
を示す斜視図である。

【図３】本発明の第２の実施形態の定着装置の概略構成
を示す断面図である。

【図４】同実施形態の定着装置の変形構成例の概略構成
を示す断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態の定着装置の概略構成
を示す断面図である。

【図６】従来例の定着装置の要部の概略構成を示す正面
図である。

【符号の説明】

１ 超音波振動子 ２ 音響レンズ ３ 超音波伝搬媒体 ４ シール材 ６ 中間ベルト ７ トナー ８ 被定着シート ９ 加圧ローラ（支持手段） １０ 超音波付与ユニット １１ ニップ部 １３ 超音波エネルギーの収束部 １４ 音響反射体 １５ 放物反射面 １６ 平面反射面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立川 雅一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2H033 BA25 BA26 BB28 BE00

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被定着シート上のトナーに超音波エネル
   ギーを負荷して加熱溶融し、被定着シートに定着する定
   着方法において、超音波振動源から送波された超音波エ
   ネルギーを音響レンズ又は音響反射体により収束し、超
   音波エネルギーの収束した部分でトナーを加熱溶融する
   ことを特徴とする定着方法。
2. 【請求項２】 音響レンズ又は超音波振動源から超音波
   エネルギーの収束部近傍まで液体又はゲル状材料の超音
   波伝搬媒体を介して超音波を伝搬させることを特徴とす
   る請求項１記載の定着方法。
3. 【請求項３】 １００ｋＨｚ以上、好適には５００ＫＨ
   ｚ以上の周波数の超音波を用いることを特徴とする請求
   項１又は２記載の定着方法。
4. 【請求項４】 幅寸法が所要長の超音波振動源と音響レ
   ンズ又は音響反射体とを用いて超音波エネルギーを直線
   状に収束させることを特徴とする請求項１〜３の何れか
   に記載の定着方法。
5. 【請求項５】 対向配置された超音波付与ユニットと支
   持手段の間に被定着シートを移動させ、トナーに超音波
   エネルギーを負荷して加熱溶融し、被定着シートにトナ
   ーを定着する定着装置において、超音波付与ユニット
   は、超音波発生源の発生した超音波エネルギーを被定着
   シートの移動経路上の所定位置付近に収束させる音響レ
   ンズを備えたことを特徴とする定着装置。
6. 【請求項６】 音響レンズと超音波エネルギーの収束部
   近傍との間に液体又はゲル状材料の超音波伝搬媒体を配
   設したことを特徴とする請求項５記載の定着装置。
7. 【請求項７】 所定長さの超音波振動源及び音響レンズ
   にて超音波エネルギーの収束部を定着幅に対応する長さ
   の直線状としたことを特徴とする請求項５又は６記載の
   定着装置。
8. 【請求項８】 対向配置された超音波付与ユニットと支
   持手段の間に被定着シートを移動させ、トナーに超音波
   エネルギーを負荷して加熱溶融し、被定着シートにトナ
   ーを定着する定着装置において、超音波付与ユニット
   は、超音波発生源の発生した超音波エネルギーを被定着
   シートの移動経路上の所定位置付近に収束させる音響反
   射体を備えたことを特徴とする定着装置。
9. 【請求項９】 音響反射体は、放物面の反射面を備えて
   いることを特徴とする請求項８記載の定着装置。
10. 【請求項１０】 音響反射体は、放物面と平面の反射面
    を２つ以上組み合わせて備えていることを特徴とする請
    求項８記載の定着装置。
11. 【請求項１１】 超音波発生源と超音波エネルギーの収
    束部近傍との間に液体又はゲル状材料の超音波伝搬媒体
    を配設したことを特徴とする請求項８〜１０の何れかに
    記載の定着装置。
12. 【請求項１２】 幅寸法が所要長の超音波振動源と音響
    反射体にて超音波エネルギーの収束部を定着幅に対応す
    る長さの直線状としたことを特徴とする請求項８〜１１
    の何れかに記載の定着装置。
13. 【請求項１３】 超音波付与ユニットは、超音波振動源
    と、音響レンズ又は音響反射体と、超音波伝搬媒体と、
    超音波伝搬媒体を充填する密閉空間を形成するシール材
    とを備え、支持手段は超音波付与ユニットのシール材と
    の間に互いに加圧されるニップ部を形成するように配置
    し、音響レンズ又は音響反射体はニップ部に超音波エネ
    ルギーを収束するように構成し、ニップ部に被定着シー
    トを供給するように構成したことを特徴とする請求項５
    〜１２の何れかに記載の定着装置。
14. 【請求項１４】 ニップ部に無端状の中間ベルトを通
    し、中間ベルトと支持手段の間に被定着シートを供給す
    るように構成したことを特徴とする請求項１３記載の定
    着装置。