JP2006208908A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転写材を加熱定着させるために必要な温度領域における装置の発熱効率を維持したまま、非通紙部の温度上昇防止による装置の安全性確保の両立を果たすことができる定着装置を提供すること。
【解決手段】励磁コイル及び磁性コアを有する磁束発生手段と、該磁束発生手段の発生磁束の作用により誘導発熱する誘導発熱体と、該誘導発熱体の熱により、被加熱材を加熱する定着装置において、前記誘導発熱体はキュリー点を有する整磁合金であり、前記誘導発熱体のキュリー点温度は、該磁性コアのキュリー点温度より低いことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子写真方式によって画像形成を行う複写機、プリンタ等の画像形成装置に備えられる電磁誘導加熱方式の定着装置に関するものである。

電子写真式の複写機等には、記録媒体である記録紙、転写材等のシート上に転写されたトナー像をシートに定着させる定着装置が設けられている。この定着装置は、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。

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。発熱体は、例えば、ハロゲンランプ等の管状発熱ヒータより構成され、所定の電圧が印加されることにより発熱するものである。このハロゲンランプは、定着ローラの中心軸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。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、トナーが付着したシートを挟持する。

そして、定着ローラと加圧ローラとの圧接部（以下、「ニップ部」とも言う）において、シート上のトナーは、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。

しかし、ハロゲンランプ等から構成される発熱体を備えた上記定着装置においては、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」と言う）に、比較的長時間を要していた。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。

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、定着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、複写機等の商品の価値を高めるためには、定着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。

斯かる要請に応える装置として、加熱源として高周波誘導を利用した誘導加熱方式の定着装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この誘導加熱定着装置は、金属導体から成る中空の定着ローラの内部にコイルが同心状に配置されており、この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誘導渦電流を発生させ、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。この誘導加熱方式の定着装置によれば、電気−熱変換効率が極めて向上するため、ウォームアップタイムの短縮化が可能となる。

このような電磁誘導加熱方式の定着装置であっても、最大転写材の全域を定着温度で温めて定着するように作動するために、実際にトナーを定着する以上のエネルギーを消費し、又、転写材のサイズによっては、通紙域ではない領域が異常昇温して機内昇温や非加熱部材の熱劣化等を引き起こしてしまっていた。この対応手段としては、常に紙が通紙される領域の磁性コアのキュリー温度と、小サイズ通紙時には紙が通らない領域の磁性コアのキュリー温度を変えて配置する手段が有効である。

特開昭５９−０３３７８７号公報 特開２００１−３１８５４５号公報

しかし、磁性コアの昇温は、被加熱物からの伝熱によるところが大きく、定着ローラの場合、被加熱物の違いによって、非通紙部昇温対策用にコアのキュリー温度を低く設定する必要が生じ、機器内部温度が高い時場合、コアの温度も高いため、発熱効率が低下し、エネルギー消費が増えてしまうといった問題点が判明した。

又、機器に異常が生じ、誘導加熱装置に電力が供給され続ける状態になったとき、コアの温度がキュリー点を超えると磁束が発散することで、発熱効率は落ちるが、被加熱物のローラに高周波磁界が完全に届かなくなる訳ではないため、僅かながら、温度上昇を続けるといった問題も挙げられる。

本発明は、転写材を加熱定着させるために必要な温度領域における装置の発熱効率を維持したまま、非通紙部の温度上昇防止による装置の安全性確保の両立を果たすことができる定着装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、励磁コイル及び磁性コアを有する磁束発生手段と、該磁束発生手段の発生磁束の作用により誘導発熱する誘導発熱体と、該誘導発熱体の熱により、被加熱材を加熱する定着装置において、前記誘導発熱体はキュリー点を有する整磁合金であり、前記誘導発熱体のキュリー点温度は、該磁性コアのキュリー点温度より低いことを特徴とする。

本発明によれば、転写材を加熱定着させるために必要な設定温度領域において、電磁誘導加熱方式の特徴である発熱効率を高い水準に維持したまま、小サイズ紙を通紙した際の非通紙部昇温を設定した水準以下に抑えることが可能となる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態に係る画像形成装置の概略で示す断面図、図２は定着装置の断面図、図３は連続通紙時の温度勾配である。

図１の１０１は原稿読取装置である原稿台１０１ａ上に載置した原稿（不図示）を内部に設けた光源等から成る走査照明光学系（不図示）により原稿を走査し、原稿からの反射光をＣＣＤラインセンサ等の光センサ（不図示）により読み取り、電気信号に変換する。１０２は領域指定装置（デジタイザー）であり、原稿の読み取り領域等の設定を行い、信号を出力する。１０３はプリントコントローラであり、不図示のパソコン等の画像データに基づくプリント信号を出力する。

１０４は原稿読取装置１０１、デジタイザー１０２及びプリントコントローラ１０３からの信号に基づき画像を形成する画像出力装置で、誘導加熱定着装置１２０を準備している。１０４は１２は原稿読取装置１及びデジタイザー２からの信号を受けて、各部に指令を送る信号処理及び種々の制御を行う制御部（ＣＰＵ）である。１０５はＣＰＵ１２において信号処理された画像データに従って感光ドラム１０６上に静電潜像を作る例えばレーザから成る画像書き込み装置である。感光ドラム上に作像された静電潜像は、現像手段１０７により顕像化され、転写手段１０８により給紙手段（不図示）より給紙されてきた転写材Ｐ上に未定着画像が作成される。

未定着のトナー像が転写されている転写材Ｐは、図１の矢印ｂ方向から誘導加熱装置１２０へと搬送され、転写材Ｐを挟持するニップ部Ｎに向けて送り込まれる。転写材Ｐは、加熱された定着ローラ４の熱と、加圧ローラ２から作用する圧力とが加えられながら、ニップ部Ｎを搬送される。これにより、未定着トナーが定着され、転写材Ｐ上には定着トナー像が形成される。

ニップ部Ｎを通過した転写材Ｐは、先端部が定着ローラ４の表面に当接する分離爪１６により定着ローラ４から分離され、図１中左方向に搬送される。この転写材Ｐは、図示しない排紙ローラによって搬送され、排紙トレイ上に排出される。

次に、本発明で用いた誘導加熱装置１２０に関して説明する。

図１に示す誘導加熱定着装置１２０は、搬送される記録媒体である転写材Ｐ上に形成された未定着画像のトナー７を、熱によって融解して当該転写材Ｐに融着させるものであり、高周波磁界を生じるコイル・アセンブリ１０と、該コイル・アセンブリ１０によって加熱され転写材Ｐの搬送方向に沿って移動自在に設けられた定着ローラ４（加熱媒体に相当する）と、定着ローラ４とコイル・アセンブリ１０の間に一様のギャップを保持するため不図示の定着ユニットフレームに固定されているステー５（絶縁部材に相当する）と、転写材Ｐの搬送路を介して定着ローラ４に対向してこれらに圧接する加圧ローラ２とを有する。定着ローラ４は、図１中矢印ａ方向に回転可能に設けられ、不図示のモーター等による駆動回路部によって回転駆動する。加圧ローラ２は、定着ローラ４の回転に伴って従動回転する。

１３はＣＰＵ１２からの信号によりコイル・アセンブリ１０に高周波電流を供給する駆動電源である。前記定着ローラ４は、中空金属導体であり、例えば鉄、ニッケル、ＳＵＳ４３０等の導電性磁性材から形成される導電層を有している。そして、定着ローラ４の外周表面には、フッ素樹脂等をコーティングして、耐熱性の離型層が形成されている。定着ローラ４の金属層の厚さは、０．1 ｍｍ〜１．５ｍｍである。

定着ローラ４の中空部には、当該定着ローラ４に誘導電流（渦電流）を誘起させてジュール発熱させるために、高周波磁界を生じるコイル・アセンブリ１０が配設されている。このコイル・アセンブリ１０は、ステー５によって定着ローラ、コイル間に一定のギャップによって保持されている。ステー５は、図示しない定着ユニットフレームに固定され非回転となっている。

コイル・アセンブリ１０は、磁性材から成るコア９（芯材に相当する）と、コア９を挿入するための通孔が形成されたボビン１７と、このボビン１７の周囲に銅線を巻回して形成され定着ローラ４に誘導電流を誘起させて加熱する誘導コイル６（誘導加熱源に相当する）とを有する。

本発明では、誘導コイル６に誘導電流として２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数の電流を供給しており、誘導コイル６に使用される銅線はリッツ線である。被覆には耐熱温度の高いものを使用した方が良く、本例では被覆にポリイミドを使用しており、耐熱温度は２４０℃である。コア９としては、透磁率が大きく自己損失の小さい材料が良く、例えばフェライト、パーマロイ、センダスト等が適している。ボビン１７は、コア９と誘導コイル６とを絶縁する絶縁部として機能している。そして、コイル・アセンブリ１０は、ボビン１７とは別体に形成された前記ステー５に固定され、定着ローラ外部に露呈しないように収納されている。

ステー５、分離爪１６及びボビン１７は、耐熱及び電気絶縁性エンジニアリング・プラスチックから形成されている。

加圧ローラ２は、軸芯１８と、当該軸芯１８の周囲に形成された表面離型性耐熱ゴム層であるシリコンゴム層等１９とから構成されている。

定着ローラ４の外周上には、当該定着ローラ４の温度を検出する中央温度検知装置２０が設けられている。この中央温度検知装置２０は、定着ローラ４を隔てて誘導コイル６に向かい合うように、定着ローラ４の表面に圧接している。中央温度検知装置２０は、例えば、サーミスタより構成され、このサーミスタで定着ローラ４の温度を検出しつつ、定着ローラ４の温度が最適温度となるように誘導コイル６への通電が制御される。

定着ローラ４の上方には、更に、温度異常上昇時の安全機構として、サーモスタット２１が設けられている。このサーモスタット２１は、定着ローラ４の表面に接触しており、予め設定された温度になると接点を開放して誘導コイル６への通電を切断し、定着ローラ４が所定温度以上の高温となることを防止している。

本実施の形態では、通紙は中央基準で行われる。即ち、如何なる転写材サイズでも、転写材の中央部が定着ローラ軸方向中央部を通過することになる。本実施の形態で通紙できる最大サイズはＡ４横である。

図２は本発明に係る定着装置の断面図である。本実施の形態では、定着ローラ４の中央部に中央温度検知装置２０を配し、ここで検知された温度を基に誘導加熱装置を制御して定着ローラ４の温度を制御している。

図３に小サイズ紙（Ｂ５Ｒ）を通紙した場合の定着ローラ中央部と端部（非通紙部）の温度勾配を示したグラフを記載する。

図３において、実線が２００℃に温調された中央部の温度、一点鎖線が本発明における非通紙部の温度であり、点線が従来系の非通紙部温度である。本実施の形態では、定着ローラ４のキュリー点温度は２１０℃、磁性コア９のキュリー点温度は２２０℃である。非通紙部は、小サイズの通紙に伴い温度上昇を始める。従来の磁性コア９よりも定着ローラ４のキュリー点温度が高い構成の場合、定着ローラ４の非通紙部温度は磁性コア９のキュリー点温度２２０℃付近で発熱効率が落ちるが、徐々に上昇を続け機器破壊温度限界の２３０℃を超えてしまう。

一方、本発明の構成では、定着ローラ４のキュリー点温度２１０℃付近で発熱が抑制され、本例では、２１５℃付近で温度上昇が止まる。

図４に磁性コアの透磁率を示したグラフを示す。実線が本発明の実施例の磁性コアの透磁率であり、点線が従来の非通紙部昇温対策用２０５℃のキュリー点の磁性コア透磁率である。

定着装置が長時間温調された場合等、定着装置内部の温度がほぼ飽和している状態のとき、定着ローラ温度と磁性コアの温度はほぼ等しくなるため、例えば定着温度２００℃で通紙を行う場合、従来の磁性コアでは、グラフ上の透磁率の低下している温度部分を使ってしまい、発熱効率が低下してしまう。本発明の場合は、透磁率の低下が少ない温度で使用でき、高い発熱効率を維持できる。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を図５及び図６を用いて説明する。図５は定着ローラ４と磁性コア９の透磁率を示したグラフである。

この場合の定着温調温度は１７０℃、定着ローラ４のキュリー点温度は１９０℃、磁性コア９のキュリー点温度は２０５℃である。励磁コイル６に使用される電線はポリアミド被覆のリッツ線であり、耐熱温度２２０℃である。

図６に小サイズ紙（Ｂ５Ｒ）を通紙した場合の定着ローラ４の中央部と端部（非通紙部）の温度勾配を示したグラフを示す。実線が１７０℃に温調された中央部の温度、点線が本実施の形態における非通紙部の温度である。

定着ローラ４の非通紙部は、小サイズの通紙に伴い温度上昇を始め、キュリー点温度に達すると、発熱に抑制が掛かり、約２００℃で温度上昇が止まる。このとき、磁性コア９よりも定着ローラ４のキュリー点温度が高い構成の場合、定着ローラ４の非通紙部温度は磁性コア９のキュリー点温度以上に上昇してしまうため、励磁コイル６の耐熱温度を超える状態となってしまう。

又、磁性コアの温度を低く設定することで、非通紙部昇温を抑えることもできるが、磁束の発散が出始める温度での使用となるため、定着ローラ４の発熱効率が低下し、消費電力の増加を招いてしまう。

本発明の実施の形態１における画像形成装置例の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る画像加熱定着装置の長手構成図である。 本発明の実施の形態１における定着ローラの温度勾配図である。 本発明の実施の形態１における磁性コアの透磁率勾配図である。 本発明の実施の形態２における定着ローラの透磁率勾配図である。 本発明の実施の形態２における定着ローラの温度勾配図である。

符号の説明

１ 加熱アセンブリ
２ 加圧ローラ
４ 定着ローラ
５ ステー
６ 励磁コイル
７ トナー
８ 磁束遮蔽板
９ コア
１０ コイル・アセンブリ
１２ ＣＰＵ
１３ 駆動電源
１４ 磁気遮蔽駆動手段
１６ 分離爪
２０ 温度センサ
２１ サーモスタット
１０１ 原稿読取装置
１０２ デジタイザー
１０３ プリントコントローラ
１０４ 画像形成装置
１０５ 画像書き込み装置
１０６ 感光ドラム
１０７ 現像装置
１０８ 転写装置
１２０ 定着装置
３０１ 磁束遮蔽手段
４０１ 端部サーミスタ

Claims (4)

1. 励磁コイル及び磁性コアを有する磁束発生手段と、該磁束発生手段の発生磁束の作用により誘導発熱する誘導発熱体と、該誘導発熱体の熱により、被加熱材を加熱する定着装置において、
   前記誘導発熱体はキュリー点を有する整磁合金であり、前記誘導発熱体のキュリー点温度は、該磁性コアのキュリー点温度より低いことを特徴とする定着装置。
2. 前記磁束発生手段は励磁コイルを有し、該励磁コイルの電線はリッツ線であることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記励磁コイルに使用するリッツ線の被覆材料が、ポリイミドであることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。
4. 前記励磁コイルに使用するリッツ線の被覆材料が、ポリアミドであることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。

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