JP2006267894A

JP2006267894A - 定着装置

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Publication number: JP2006267894A
Application number: JP2005089175A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Nanjo; 譲南條
Original assignee: Kyocera Mita Corp
Current assignee: Kyocera Document Solutions Inc
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05
Also published as: US20060213896A1; US7489896B2

Abstract

【課題】定着ローラの両端部の異常な過加熱を有効に抑制することができるようにする。
【解決手段】誘導コイル３４からの磁気による誘導加熱によって昇温される定着部材３０と、この定着部材３０に当接して用紙Ｐを通過させるニップ部Ｎを形成する加圧部材４０とを備えてなる定着装置３０であり、当該定着部材３０の構成要素である加熱層３２は、誘導コイル３４側に形成された感温金属からなる感温金属層３２１と、この感温金属層３２１に積層された非磁性金属からなる非磁性金属層３２２とから構成されている。非磁性金属層３２２は、比抵抗値が小さい金属であるアルミニウム（Ａｌ）によって形成され、かつ、厚み寸法が誘導加熱で実質的に温度を上昇させることのない５０μｍに設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、複写機やファクシミリ装置、プリンタ等の画像形成装置に適用される定着装置に関するものであり、特に誘導加熱によってトナー像の被転写材に対する定着処理を施す定着装置に関するものである。

画像形成装置は、画像情報に基づく光線を回転している感光体ドラムの周面に照射し、これによって前記周面に形成された静電潜像に現像剤としてのトナーを供給してトナー像を形成させるようになされている。感光体ドラムの周面に形成されたトナー像は、搬送されてきた被転写材としての用紙に転写され、定着装置において加熱による用紙への定着処理が施されるようになっている。定着処理済みの用紙は装置本体から外部に排出される。

定着装置は、通常、高温に加熱される定着ローラと、周面がこの定着ローラの周面に当接状態で対向配置された加圧ローラとを備えて構成され、これら両ローラ間のニップ部に用紙を供給することによって定着処理を施すようになっている。従来、定着ローラの加熱源として当該定着ローラに内装されたハロゲンランプが採用されていたが、熱効率が劣り、かつ、ウォームアップ（加熱の立ち上がり）に長時間を要することから迅速性に欠けるという欠点がある。かかる欠点を解消するべく定着ローラの低熱容量化や薄肉化が図られているが、それにも限界がある。

そこで、近年、特許文献１に記載されているような誘導加熱により定着ローラを加熱する誘導加熱方式の定着装置が注目されている。この誘導加熱方式の定着装置は、定着ローラが良熱伝導性でかつ非磁性の中空金属ローラと、この中空金属ローラ外周に形成された磁性金属からなる磁性金属薄層とから構成されている。かかる定着ローラの内部に誘導コイルが設けられ、この誘導コイルの励起によって磁性金属薄層に渦電流を発生させることによるジュール熱で定着ローラを加熱するようになっている。

かかる誘導加熱方式の定着装置を採用することにより、従来のハロゲンランプ方式のものに比べて定着ローラの昇温速度が格段に速くなるため、定着装置のウォームアップの迅速化が実現するが、あまりに迅速に昇温するため定着ローラが過加熱されるという新たな問題点が提起される。かかる問題点を解消するために、定着ローラの温度をサーミスタやサーモスタット等の温度センサで検出し、予め設定された温度以上に高温になった場合に誘導コイルへの電力の供給を遮断するフィードバック制御が採用されるが、タイムラグによってこれら温度センサの検出信号の出力が誘導加熱による温度上昇に追随することができず、定着ローラが過加熱されてしまうことがあるという不都合が存在する。

また、薄肉化に伴い定着ローラは、長手方向に向かう熱の移動がスムーズに行われ難くなる傾向となるため、加熱幅より小さい用紙を連続通紙した場合、用紙の通過する頻度が少ない両端部に熱がこもりがちになり、この状態で幅広の用紙に定着処理を施すと、当該用紙のトナー像が定着ローラに融着してしまって次の用紙に転写される、いわゆるオフセット現象が生じるなどの画像不良を引き起こすという不都合も発生する。

このような不都合を解消するために、特許文献２には、定着ローラを筒状の感温金属製の感温金属層と、この感温金属層の外周面に同心で積層されてなる非磁性金属製の非磁性金属層とから構成し、筒状を呈した感温金属層の内部には磁気を発生させる誘導コイルの設けられたものが記載されている。かかる定着ローラにおいて、感温金属層の厚み寸法ｔ（ｍ）は、以下の不等式を満足するように設定されている。

５０３×√（ρ／（μｓ×ｆ））＜ｔ＜５０３×√（ρ／（１×ｆ））
（但し、ρ：整磁合金の固有抵抗（Ω・ｍ）、ｆ：誘導コイル電源周波数（Ｈｚ）、μｓ：整磁合金のキュリー温度以下の比透磁率）。

なお、この式において「５０３×√（ρ／（μｓ×ｆ））」は、感温金属層がキュリー温度（転移温度）以下のときの磁気の浸透深さであり、「５０３×√（ρ／（１×ｆ））」は、感温金属層がキュリー温度以上のときの磁気の浸透深さである。

そして、このように構成された定着ローラを採用することにより、感温金属層がキュリー温度以下のときは、磁界の浸透深さが感温金属層の厚みより小さくなるため、これによって発生する渦電流に対する負荷（電気抵抗）が増大し（すなわち、狭い領域に電流が流れることにより渦電流密度が増大して負荷が増大し）、磁気の流れが電気抵抗の大きな感温金属層内を軸方向に走るようになり、これによって渦電流に起因した負荷による大きな発熱量（ジュール熱）により感温金属層は速やかに加熱されることになる。

この加熱によって感温金属層の温度がキュリー温度を越えると、磁気の浸透深さが感温金属層の厚みより大きくなるため、磁気は、非磁性でかつ感温金属層より低抵抗率の非磁性金属層にまで到達して当該低抵抗率の非磁性金属層を軸心方向に向けて走ることになり、これよって発熱量が抑えられて定着ローラの過加熱が抑制されることになる。

従って、このような定着ローラを採用すれば、定着ローラの温度をサーミスタやサーモスタット等の温度センサで検出して当該定着ローラの温度を抑える制御を行うことなく（すなわち、制御を行った場合には検出信号の出力遅れによるタイムラグが生じるが、かかるタイムラグのない状態で）、定着ローラが過加熱するのを防止することが可能になるという作用効果が得られる。

因みに、特許文献１に記載の定着ローラにあっては、感温金属層として鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との合金が採用されていると共に、非磁性金属層としてアルミニウム（Ａｌ）が採用されている。
特開平９−１２７８１０号公報特開２００４−１５１４７０号公報

しかしながら、たとえ上記の不等式を満足させるべく定着ローラの材質および寸法を設定すると共に、アルミニウム（Ａｌ）によって非磁性金属層（以下アルミニウム層という）を形成したとしても、定着処理のための誘導コイルの励磁で感温金属層の温度がキュリー温度を越えた場合、磁気が感温金属層を越えて低抵抗率のアルミニウム層を軸心方向に縦断するため、なるほど渦電流によるジュール熱の発生を低く抑えることはできるものの、必ずしも発熱が生じなくなる訳ではなく、引用文献２の図６に示された「経過時間に対する定着ローラの加熱温度の状態を示すグラフ」で明らかなように、時間の経過と共に定着ローラの温度は上昇を続けるのである。

従って、たとえ引用文献２の誘導加熱方式の定着装置を採用しても、定着処理を継続し続けると、その継続時間がそれ程長くなくても定着ローラが過加熱されてしまい、特に用紙の通過で熱が逃される中央部を除いた定着ローラの両端部の温度上昇が著しくなってしまうという問題点を有している。

かかる問題点を解消するために、比抵抗の値が低い非磁性金属製のアルミニウム層の厚み寸法を、当該アルミニウム層を構成するアルミニウムの最深浸透深さにまで厚くすることが考えられる。その理由は、渦電流負荷（Ω）は、アルミニウム層が磁気の浸透深さを越える厚み寸法である場合には、当該磁気の浸透深さによって決まるのであるが、アルミニウム層の厚み寸法が磁気の浸透深さ未満の場合にはアルミニウム層の厚み寸法に反比例するため、アルミニウム層の厚み寸法を薄くしていけば、渦電流負荷が大きくなってジュール熱による発熱量が多くなり、これによって定着ローラの過加熱を有効に防止することが困難になるからである。

実際、引用文献２の発明においては、アルミニウム層の厚み寸法は、磁気の浸透深さを大きく越えた０．７ｍｍに設定されている。

しかしながら、アルミニウム層の厚み寸法を０．７ｍｍなどという厚い寸法に設定すると、定着ローラの全体的な熱容量が大きくなり過ぎ、これによって定着ローラを迅速に昇温させる上でネックになるという新たな問題点が提起される。

本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、非磁性金属としてアルミニウムを用いることを前提とし、その厚み寸法を磁気の浸透深さより相当薄くすることによっ定着部材の加熱立ち上がり時の昇温速度の迅速化を達成した上で定着ローラの過加熱（特に両端部の過加熱）を有効に抑制することができる定着装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、転写されたトナー像を被転写材に熱処理で定着させる定着部材と、この定着部材に当接して被転写材を通過させるニップ部を形成する加圧部材とを備えてなる定着装置であって、前記定着部材は、表面側に被転写材が当接される円筒状の金属層と、この金属層に向けて磁気を供給して誘導加熱する誘導コイルとを備え、前記金属層は、前記誘導コイル側に形成された感温金属からなる感温金属層と、この感温金属層に積層された非磁性金属からなる非磁性金属層とからなり、前記非磁性金属層は、アルミニウムによって形成され、かつ、誘導加熱で実質的に温度が上昇しない厚み寸法に設定されていることを特徴とするものである。

かかる構成によれば、定着部材と加圧部材とが互いに当接したニップ部へ被転写材が供給されることにより、当該被転写材は、誘導コイルからの磁気を得て誘導加熱で昇温した定着部材によって加熱され、これによって被転写材に転写されているトナーが溶融して被転写材に溶着した状態になる定着処理が被転写材に施される。

そして、定着部材の構成要素である金属層は、誘導コイル側に形成された感温金属からなる感温金属層と、この感温金属層に積層された非磁性金属からなる非磁性金属層とから構成されているため、感温金属層の厚み寸法を、キュリー温度以下の条件下における磁気の浸透深さを表す「５０３×√（ρ／（μ×ｆ））」（但し、ρ：感温金属の固有抵抗（Ω・ｍ）、ｆ：誘導コイル電源周波数（Ｈｚ）、μ：感温金属のキュリー温度以下の比透磁率）以上に設定すると共に、キュリー温度以上の条件下における磁気の浸透深さを表す「５０３×√（ρ／（１×ｆ））」以下に設定することにより、キュリー温度以下の条件下（すなわち、誘導コイルの励起によって定着ローラが昇温しつつある状態で）において磁気は感温金属層内で感温金属層内を走ることになり、これによる感温金属層内での渦電流の発生で金属層の迅速な温度上昇が実現する。

これに対し、感温金属層の温度がキュリー温度を越えると、磁気の浸透深さは感温金属層の厚み寸法を越えた「５０３×√（ρ／（１×ｆ））」になるため、磁気は感温金属層を越えて非磁性金属層に到達し、この非磁性金属層内を走ることになる。そして、この状態において、アルミニウムにより形成された非磁性金属層は、誘導加熱で実質的に温度が上昇しない厚み寸法に設定されているため、従来のようにアルミニウムの厚み寸法を磁気の浸透深さ近辺の厚さに設定した場合に比較し、定着部材の誘導加熱における迅速な昇温速度を確保した上で、当該定着装置が所定の温度にまで到達した後の昇温をさらに効果的に抑えることが可能になる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記非磁性金属層は、厚み寸法の下限値が５０μｍに設定されていることを特徴とするものである。

かかる構成によれば、アルミニウムにより形成された非磁性金属層は、誘導加熱による過加熱を抑え得る、種々の確認試験の結果得られた５０μｍを下限値としているため、金属層の温度上昇を抑えた上で、非磁性金属層の厚み寸法を最大限の薄さにすることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記金属層は、筒心回りに回転可能に構成された定着ローラによって構成されていることを特徴とするものである。

かかる構成によれば、円筒状の定着ローラの内部に誘導コイルを配設することで定着部材のコンパクト化が実現する。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記金属層は、周回可能な張設される定着ベルトによって構成されていることを特徴とするものである。

かかる構成によれば、定着部材の構成要素である定着ベルトに構造的な強度が要求されないため、感温金属層の厚み寸法を可能な限り薄肉化することができ、これによって定着ベルトの昇温速度の可能な限りの迅速化が達成される。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記定着ベルトは、前記感温金属によって形成され、かつ、所定の支持ローラ間に張設され、前記支持ローラの一方の周面に前記非磁性金属層が形成され、前記誘導コイルは、前記一方の支持ローラの周面と前記定着ベルトを介して対向配置されていることを特徴とするものである。

かかる構成によれば、感温金属によって形成された定着ベルトは、外側で当該定着ベルトと対向した誘導コイルからの磁気によって誘導加熱されつつ所定の支持ローラ間を周回し、ニップ部において被転写材に対しトナーの定着処理を施すことになる。そして、感温金属からなる定着ベルトがキュリー温度以上になると、誘導コイルからの磁気は、定着ベルトを透過して一方の支持ローラの周面に形成された低抵抗の被磁性金属層にまで浸透するため、以後のジュール熱の発生が抑制され、定着ベルトの過加熱が抑制される。

このように、金属層を感温金属からなる定着ベルトと、この定着ベルトが張設される支持ローラの周面に形成された非磁性金属層とに別けることにより、両者が一体的に積層されている場合に比較して定着ベルトの厚み寸法をさらに薄くすることが可能であり、これによって定着ベルトの弾性撓み量を大きくすることができるため、ベルト方式の定着部材のコンパクト化に貢献する。

請求項１記載の発明の発明によれば、アルミニウムにより形成された非磁性金属層は、誘導加熱による過加熱を抑え得る、種々の確認試験の結果得られた５０μｍを下限値としているため、従来のようにアルミニウムの厚み寸法を磁気の浸透深さ近辺の厚さに設定した場合に比較し、定着部材の誘導加熱における迅速な昇温速度を確保した上で、当該定着装置が所定の温度にまで到達した後の昇温をさらに効果的に抑えることが可能になり、かかる異常高温に起因したオフセット現象の発生を確実に防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、定着部材の構成要素である金属層として、筒心回りに回転可能に構成された円筒状の定着ローラが採用されているため、当該円筒状の定着ローラの内部に誘導コイルを配設することで定着部材のコンパクト化を実現することができる。

請求項４記載の発明によれば、定着部材の構成要素である金属層として所定の支持ローラ間に周回可能に張設される定着ベルトが採用されているため、かかる定着ベルトに構造的な強度が要求されることはなく、これによって感温金属層の厚み寸法を可能な限り薄肉化することが可能になり、定着ベルトの昇温速度の可能な限りの迅速化を達成することができる。

請求項５記載の発明によれば、定着部材の構成要素である金属層を感温金属からなる定着ベルトと、この定着ベルトが張設される支持ローラの周面に形成された非磁性金属層とに別けることにより、両者が一体的に積層されている場合に比較して定着ベルトの厚み寸法をさらに薄くすることが可能であるため、定着ベルトの弾性撓み量を大きくすることができ、これによってベルト方式の定着部材のコンパクト化に貢献することができる。

まず、本発明に係る現像装置が適用された画像形成装置の一例であるプリンタについて図１を基に説明する。図１は、プリンタの一実施形態を示すその内部構造の概要を説明するための正面断面視の説明図である。この図に示すように、プリンタ１０（画像形成装置）１０は、印刷処理に供する用紙（被転写材）Ｐを貯留する用紙貯留部１２と、この用紙貯留部１２に貯留された用紙束Ｐ１から繰り出された１枚ずつの用紙Ｐに対して画像の転写処理を施す転写部１３と、この転写部１３で転写処理の施された用紙Ｐに対して定着処理を施す定着部１４とが装置本体１１に内装されると共に、定着部１４で定着処理の施された用紙Ｐが排紙される排紙部１５が装置本体１１の頂部に設けられることによって構成されている。

前記用紙貯留部１２には、所定数（本実施形態では１つ）の用紙カセット１２１が装置本体１１に対して挿脱自在に設けられている。用紙カセット１２１の上流端（図１の右方）には、用紙束Ｐ１から１枚ずつの用紙Ｐを繰り出させるピックアップローラ１２２が設けられている。このピックアップローラ１２２の駆動によって用紙カセット１２１から繰り出された用紙Ｐは、給紙搬送路１２３およびこの給紙搬送路１２３の下流端に設けられたレジストローラ対１２４を介して転写部１３に給紙されるようになっている。

前記転写部１３は、コンピュータ等から電送された画像情報に基づき用紙Ｐに転写処理を施すものであり、前後方向（図１の紙面と直交する方向）に延びるドラム心回りに回転可能に設けられた感光体ドラム１３１の周面に沿うように、当該感光体ドラム１３１の直上位置から時計方向に向けて帯電器１３２、露光装置１３３、現像装置１３４、転写ローラ１３５およびクリーニング装置１３６が配設されることによって形成されている。

前記感光体ドラム１３１は、周面に静電潜像およびこの静電潜像に沿ったトナー像を形成させるためのものであり、周面にアモルファスシリコン層が積層され、これによってこれらの像を形成させるのに適したものになっている。

前記帯電器１３２は、ドラム心回り時計方向に回転している感光体ドラム１３１の周面に一様な電荷を形成させるものであり、図１に示す例では、コロナ放電によって感光体ドラム１３１の周面に電荷を付与する方式が採用されている。なお、感光体ドラム１３１の周面に電荷を付与する部材として帯電器１３２に代えて周面が感光体ドラム１３１の周面と当接しながら従動回転しつつ電荷を付与する帯電ローラを採用してもよい。

前記露光装置１３３は、コンピュータ等の外部の機器から電送されてきた画像データに基づき強弱の付与されたレーザー光を回転している感光体ドラム１３１の周面に照射し、これによる感光体ドラム１３１周面のレーザー光が照査された部分の電荷の消去によって当該感光体ドラム１３１の周面に静電潜像を形成させるものである。

前記現像装置１３４は、感光体ドラム１３１の周面にトナーを供給することによって周面の静電潜像が形成された部分にトナーを付着させ、これによって感光体ドラム１３１の周面にトナー像を形成させるものである。

前記転写ローラ１３５は、感光体ドラム１３１の直下位置に送り込まれた用紙Ｐに対して当該感光体ドラム１３１の周面に形成されているプラスに帯電したトナー像を用紙Ｐに転写させるものであり、トナー像の電荷と逆極性であるマイナスの電荷を用紙Ｐに付与するようになっている。

従って、感光体ドラム１３１の直下位置に到達した用紙Ｐは、転写ローラ１３５と感光体ドラム１３１とによって押圧挟持されつつ、プラスに帯電した感光体ドラム１３１周面のトナー像がマイナスに帯電した用紙Ｐの表面に向けて引き剥がされ、これによって用紙Ｐに対し転写処理が施されることになる。

前記クリーニング装置１３６は、転写処理後の感光体ドラム１３１の周面に残留しているトナーを取り除いて清浄化するためのものである。この転写ローラ１３６によって清浄化された感光体ドラム１３１の周面は、次の画像形成処理のために再び帯電器１３２へ向かうことになる。

前記定着部１４は、転写部１３によって転写処理の施された用紙Ｐのトナー像に加熱による定着処理を施すものであり、用紙Ｐに熱を加える定着部材３０と、この定着部材３０の下部に対向配置された加圧部材４０とを有する定着装置２０備えて構成されている。そして、転写処理後の用紙Ｐは、定着部材３０と加圧部材４０との間に形成されたニップ部Ｎへ向けて送り込まれ、当該ニップ部Ｎを通過することによって、定着部材３０からの熱を得て定着処理が施されるようになっている。定着処理の施された用紙Ｐは、排紙搬送路１４３を通って排紙部１５へ排出されることになる。

前記排紙部１５は、装置本体１１の頂部が凹没されることによって形成され、この凹没した凹部の底部に排紙された用紙Ｐを受ける排紙トレイ１５１が形成されている。

図２は、定着装置２０の第１実施形態を示す一部切り欠き斜視概略図である。また、図３は、そのＡ−Ａ線断面図であり、図４は、そのＢ−Ｂ線断面図である。これらの図においては、定着ローラ３１および加圧ローラ軸４１の厚み寸法を誇張して示している。まず、図２に示すように、定着装置２０は、箱形を呈した筐体２１内に定着部材３０および加圧部材４０が装着されることによって形成されている。

前記定着部材３０は、筐体２１内の上部位置に装着された筒状の定着ローラ３１と、この定着ローラ３１に内装された誘導コイル３４とを備えている。前記定着ローラ３１は、筐体２１内の上部に、用紙搬送方向（図２に白抜き矢印で表示）と直交する用紙幅方向に延びた筒心３１０（図３）回りに回転可能に装着されている。かかる定着ローラ３１は、筐体２１の外部に設けられた図略の駆動モータの駆動で筒心３１０回りに時計方向に向けて駆動回転されるようになっている。かかる定着部材３０は、本実施形態においては、外径寸法が４０ｍｍに設定されているが、定着部材３０の外径寸法が４０ｍｍであることい限定されるものではなく、状況に応じて最適の径寸法を設定することができる。

前記加圧部材４０は、筐体２１内の下部において外周面を定着ローラ３１の外周面に当接させた状態で当該定着ローラ３１と平行に配設されている。かかる加圧部材４０は、筐体２１の両側壁間に軸心回りに回転自在に架設された加圧ローラ軸４１と、この加圧ローラ軸４１回りに回転可能に同心で軸支された加圧ローラ４２とを備えて構成されている。

前記加圧ローラ４２は、弾力性を有するシリコンゴム等のエラストマーによって形成され、これによって周面が、図３に示すように、定着ローラ３１の周面に押圧当接された状態で径方向の内方に向けて弾性変形するようになっている。かかる加圧ローラ４２は、定着ローラ３１の筒心３１０回りの駆動回転に従動して回転するようになっている。加圧ローラ軸４１の定着ローラ３１に対して当接する位置には、用紙Ｐをニップして通過させるニップ部Ｎが形成されている。従って、定着ローラ３１および加圧ローラ４２が互いに逆方向に回転した状態で画像形成部１３から送り込まれた用紙Ｐは、弾性変形している加圧ローラ軸４１により表面が定着ローラ３１に押圧されつつニップ部Ｎを通過しながら定着ローラ３１により加熱され、これによって溶融したトナーが用紙Ｐの表面に溶着される定着処理が施されるようになっている。

前記誘導コイル３４は、図２に示すように、定着ローラ３１内に長手方向に延びるように装着された磁性材料性のコア３４１における上下の鍔部間に長手方向に向かうように巻回されている。かかる各誘導コイル３４に誘導加熱用電源としての図略の高周波発生回路からの電力が供給されるようになっている。そして、誘導コイル３４に誘導加熱用電力が供給されることにより、誘導コイル３４のコア３４１の一方の鍔部から出力された磁力線の束（磁束）が、図５に矢印で示すように、定着ローラ３１内を走り、誘導コイル３４のコア３４１の他方の鍔部へ向かうことになる。そして、このような磁束の流れによって定着ローラ３１内には渦電流が励起され、これによるジュール発熱で定着ローラ３１が加熱されるようになっている。

前記定着ローラ３１は、誘導加熱により当該定着ローラ３１を加熱する金属製の加熱層（金属層）３２と、この加熱層３２の周面に積層された樹脂層３３とを備えて構成されている。樹脂層３３は、加熱層３２の周面を保護するためと、用紙Ｐに対する剥離性を確保するために設けられるものであり、シリコンゴム等の弾性材料によって形成された弾性層３３１と、この弾性層３３１の周面に積層されたＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー）等からなる剥離層３３２とからなっている。本実施形態においては、弾性層３３１は、厚み寸法が略１００μｍに設定されていると共に、剥離層３３２は、厚み寸法が略５０μｍに設定されている。

前記加熱層３２は、図３および図４に示すように、感温金属からなる環状の感温金属層３２１と、この感温金属層３２１の外周面に積層された非磁性金属からなる非磁性金属層３２２（前記引用文献２の金属層に対応）とからなっている。前記感温金属は、温度により磁気特性が変化する金属のことであり、本実施形態においては鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との合金によって形成されたものが採用されている。このような感温金属は、磁気特性が変化する磁気転移温度（キュリー温度）を境にして、磁気の浸透深さが変化する性質を有している。本実施形態においては、感温金属を構成する鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との合金比率を調節することによってキュリー温度を略２００℃になるようにしている。そして、本発明においては、感温金属のこのような性質を利用することによって定着ローラ３１の誘導加熱による過加熱を防止するようになされている。

以下、感温金属における磁気の浸透深さについて説明する。まず、キュリー温度以下において感温金属の磁気の浸透深さσは、以下の（ｉ）式によって表現される。
σ＝５０３×√（ρ／（μ×ｆ））・・・（ｉ）
（但し、σ：磁気の浸透深さ（ｍ）、ρ：比抵抗（Ω・ｍ）、ｆ：誘導加熱電源周波数（Ｈｚ）、μ：キュリー温度以下の比透磁率）
（ｉ）式から判るように、磁気の浸透深さσは、感温金属の固有抵抗ρの平方根に比例する一方、比透磁率μおよび誘導加熱電源周波数ｆの平方根に反比例するようになっている。従って、感温金属において比抵抗ρの値が大きくなる程磁気の浸透深さσは深くなる一方、比透磁率μおよび誘導加熱電源周波数ｆが大きくなればなる程磁気の浸透深さσが浅くなるのが判る。通常、金属のキュリー温度以下の比透磁率μの値は１より相当大きい。

これに対し、感温金属の温度がキュリー温度を越えると、当該感温金属の磁気の浸透深さσは、以下の（ｉｉ）のようになる。
σ＝５０３×√（ρ／（１×ｆ））・・・（ｉｉ）
（但し、σ：磁気の浸透深さ（ｍ）、ρ：比抵抗（Ω・ｍ）、ｆ：誘導加熱電源周波数（Ｈｚ）、μ＝１：キュリー温度以上の比透磁率）
すなわち、感温金属においては、キュリー温度を越えると、比透磁率μの値が最小の「１」になってしまうため、その分磁気の浸透深さσが深くなることになる。なお、本実施形態においては、誘導加熱電源周波数ｆは、２５ｋＨｚに設定されている。

つぎに、金属が磁界中に存在することにより励起される渦電流負荷について説明する。因みに、「渦電流負荷」という概念は、本発明をより適確に表現するために本発明者が導入したものである。渦電流負荷Ｒは、以下の（ｉｉｉ）式によって表現される。
Ｒ＝ρ／ｚ・・・（ｉｉｉ）
（但し、Ｒ：渦電流負荷（Ω）、ρ：比抵抗（Ω・ｍ）、ｚ：渦電流が発生する深さ（ｍ））
すなわち、渦電流負荷Ｒは、その金属の比抵抗ρに比例する一方、渦電流発生深さｚに反比例するため、同一の比抵抗ρを有する金属については、渦電流発生深さｚが深くなる程渦電流負荷Ｒは小さくなることが判る。

ところで、渦電流発生深さｚは、前記（ｉ）式および（ｉｉ）式における磁気の浸透深さσと同一（ｚ＝σ）であるため、磁気の浸透深さσが大きくなると、渦電流負荷Ｒが小さくなる。このことは、感温金属の厚み寸法を（ｉｉ）式における磁気の浸透深さσより厚くすることにより、当該感温金属の温度がキュリー温度を越えるまで加熱されると、渦電流負荷Ｒが（ｉｉｉ）式によって規定され、これによって渦電流負荷Ｒを小さくすることができるため、渦電流に起因したジュール熱による発熱量を小さく抑え得る（すなわち、定着ローラ３１の過加熱を防止できる）ことが期待されるが、このようにすると感温金属層３２１が相当厚い厚み寸法になってしまい、定着ローラ３１の薄肉化に逆行することになる。

そこで、感温金属層３２１の厚み寸法を渦電流発生深さｚ（すなわち磁気の浸透深さσ）より薄くすると、渦電流負荷Ｒは、以下の（ｉｖ）式のようになる。
Ｒ＝ρ／ｄ・・・（ｉｖ）
（但し、ｄ：感温金属層の厚み寸法ｄ（ｄ＜ｚ＝σ））
すなわち、定着ローラ３１の薄肉化を達成するために感温金属層３２１の厚み寸法を薄くしていくと、渦電流負荷Ｒが大きくなり、これによるジュール熱の増大で定着ローラ３１の過加熱を有効に抑制することができなくなるのである。さらに、これに加えて、感温金属は、本来的に比抵抗の値が大きいため、感温金属層３２１内で渦電流が発生する限り効果的な過加熱防止効果を望むことができない。

そこで、本発明においては、図３に示すように、鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との合金からなる感温金属層３２１の厚み寸法を可能な限り薄くした上で（具体的には、前記（ｉ）式により求めた磁気の浸透深さσより厚めに設定（本実施形態においては２５０μｍ）した上で）、当該感温金属層３２１の外周面に、非磁性金属であるアルミニウム（Ａｌ）製の非磁性金属層３２２を積層し、しかも、このアルミニウム製の非磁性金属層３２２の厚み寸法を最下限値である５０μｍに設定している。これによって感温金属層３２１がキュリー温度を越えた状態で、磁気を比抵抗の小さい非磁性金属層３２２へ導き、磁気を比抵抗の値が小さい非磁性金属層３２２内で走らせるようにしている。

こうすることによって、加熱層３２の温度がキュリー温度を越えた状態（具体的には２００℃を越えた状態）で、比抵抗の値が大きい感温金属層３２１内でジュール熱が発生することはなく、非磁性金属層３２２内でジュール熱が発生することになるが、非磁性金属層３２２を構成しているアルミニウム（Ａｌ）は、５０μｍに設定されている。この「５０μｍ」という数値は、種々の効果確認試験を実施した結果、実質的に定着ローラ３１の温度を上昇させない温度として得られた値である。

なお、本実施形態においては、感温金属層３２１の厚み寸法を、前記（ｉ）式によって計算される厚み寸法（略２５μｍ）の１０倍に設定しているが、その理由は、感温金属層３２１に定着ローラ３１がローラとして機能するための機械的な強度を維持させるためである。

図５は、本発明の作用を説明するための模式化した定着部材３０の正面断面視の説明図であり、（イ）は、加熱層３２の温度がキュリー温度未満の状態、（ロ）は、加熱層３２の温度がキュリー温度以上の状態をそれぞれ示している。なお、図５では、樹脂層３３の図示を省略している。

まず、加熱層３２の温度がキュリー温度未満の図５の（イ）に示す状態においては、誘導コイル３４からの磁気の浸透深さσ（前記（ｉ）式参照）が感温金属層３２１の厚み寸法ｄを越えていないため、誘導コイル３４からの磁束は、矢印で示すように、非磁性金属層３２２へ到達することはなく、感温金属層３２１内を走るため、感温金属層３２１内で励起された渦電流に基づくジュール熱が発生し、これによって感温金属層３２１は速やかに加熱される。

ついで、感温金属層３２１がキュリー温度として設定された２００℃を越えると、誘導コイル３４からの磁気の浸透深さσ（前記（ｉｉ）式参照）が非磁性金属層３２２の厚み寸法ｄを越えるため、誘導コイル３４からの磁束は、図５の（ロ）に示すように、感温金属層３２１を通り越して非磁性金属層３２２へ到り、この非磁性金属層３２２内を走ることになる。

そして、この場合も非磁性金属層３２２内で渦電流によるジュール熱が発生するが、非磁性金属層３２２を構成する非磁性金属として比抵抗の値が低いアルミニウム（Ａｌ）が採用され、しかも非磁性金属層３２２内におけるキュリー温度以下の部分に磁界が集中してジュール熱による加熱パワーが落ちたり、高周波電源に設けられた負荷検知手段による過負荷の検知で誘導コイル３４への電力供給が遮断されたりすることにより、定着ローラ３１がキュリー温度を大幅に越えるような過加熱が有効に防止される。

その後、加熱層３２の温度がキュリー温度である２００℃未満になると、誘導コイル３４からの磁気の浸透深さσが感温金属層３２１の厚み寸法ｄより浅くなるため、図５の（イ）の状態に戻り、再度感温金属層３２１におけるジュール熱による加熱が行われる。

このようなキュリー温度を境にした磁束通路の切り換えによって定着ローラ３１の加熱および冷却が繰り返されることにより、特に温度センサを用いたフィードバック制御を行わなくても、定着ローラ３１は、許容範囲内でばらついた温度制御が実現するため、その分装置コストの低減化に貢献することができる。

図６は、第２実施形態の定着装置２０′の概略を説明するための説明図であり、（イ）は、定着装置２０′の断面視の正面図、（ロ）は、定着ベルト３７の拡大断面図である。まず、図６の（イ）に示すように、第２実施形態の定着装置２０′においては、定着部材３０′がテンションローラ（一方の支持ローラ）３５と、下部でこのテンションローラ３５に対向配置された定着ローラ（他方の支持ローラ）３６と、これらテンションローラ３５と定着ローラ３６との間に張設された定着ベルト３７と、前記テンションローラ３５の上方位置で定着ベルト３７と対向配置された誘導コイル３４′とを備えて構成されている。定着装置２０′のその他の構成は第１実施形態のものと同様である。

前記テンションローラ３５は、テンションローラ軸３５１と、このテンションローラ軸３５１回りに同心で一体回転可能に形成された筒状の非磁性金属筒体３５２とからなっている。前記テンションローラ軸３５１は、図略の駆動モータの駆動で時計方向に向けて回転され、これによって非磁性金属筒体３５２がテンションローラ軸３５１と一体回転するようになっている。本実施形態においては、非磁性金属筒体３５２として厚み寸法が０．１ｍｍに設定されたステンレススチール（ＳＵＳ３０４）が採用されている。

前記定着ローラ３６は、前記テンションローラ軸３５１と同一方向に向けて平行に配された定着ローラ軸３６１と、この定着ローラ軸３６１の周面に同心で一体的に形成された定着ローラ本体３６２とからなっている。定着ローラ本体３６２は、本実施形態においては、シリコンゴムの発泡体からなる、いわゆるシリコンスポンジが採用され、これによって定着ローラ本体３６２が定着ベルト３７を介し加圧ローラ４２に押圧当接された状態で当該定着ローラ本体３６２が径方向に向けて圧縮弾性変形するようになっている。

前記定着ベルト３７は、図６の（ロ）に示すように、内面側に形成された金属層３８と、この金属層３８の外面側に積層された樹脂層３９とを備えて構成されている。前記金属層３８は、内面側のアルミニウム（Ａｌ）からなる非磁性金属層３８１と、この非磁性金属層３８１の外面側に積層された感温金属である鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との合金製の感温金属層３８２とからなっている。本実施形態においては、アルミニウム（Ａｌ）からなる非磁性金属層３８１の厚み寸法が５０μｍに設定されていると共に、感温金属層３８２の厚み寸法が前記（ｉ）式によって計算される磁気の浸透深さσ（２４．６μｍ）より僅かに大きい２５μｍに設定されている。これら非磁性金属層３８１および感温金属層３８２は、第１実施形態の非磁性金属層３２２および感温金属層３２１と同様の機能を有している。

前記樹脂層３９は、第１実施形態の弾性層３３１と同様の機能を有し、かつ、同様の厚み寸法（１００μｍ）に設定されたシリコンゴム製の弾性層３９１と、第１実施形態の剥離層３３２と同様の機能を有し、かつ、同様の厚み寸法（５０μｍ）に設定されたＰＦＡ性の剥離層３９２とからなっている。

このように構成された第２実施形態の定着装置２０′によれば、定着ベルト３７がテンションローラ３５の駆動回転により当該テンションローラ３５と定着ローラ３６との間で周回されている状態で、誘導コイル３４′からの磁束が定着ベルト３７の表面側に供給されることにより、その金属層３８がキュリー温度（２００℃）に到達していない状態では、感温金属層３８２が渦電流の励起によるジュール熱で速やかにキュリー温度にまで加熱される。

従って、この状態で用紙Ｐがニップ部Ｎに供給されると、当該用紙Ｐは、定着ローラ本体３６２が圧縮弾性変形した状態で周回している定着ベルト３７と加圧ローラ４２との間で押圧挟持されつつ図６における左方に向けて移動させられ、この移動中に用紙Ｐに対し定着ベルト３７からの加熱による定着処理が施される。

そして、感温金属層３８２の温度がキュリー温度を越えると、誘導コイル３４′からの磁気は、感温金属層３８２を越えて比抵抗が小さい非磁性金属層３８１に到達するため、ジュール熱による発熱量が少なくなると共に、非磁性金属層３８１における未だキュリー温度に到達していない部分に磁界が集中して加熱パワーが落ちたり、さらには高周波電源サイドでの負荷検知により誘導コイル３４への電力供給が遮断されることで定着ベルト３７の過加熱が防止される。定着ベルト３７がキュリー温度以下になると、感温金属層３８２が再び誘導加熱されるため、以後、定着ベルト３７はキュリー温度を境にして許容範囲内で上下にばらつきながら推移することになる。

そして、第２実施形態においては、定着ベルト３７に機械的な強度が要求されないため、感温金属層３８２を極限の薄さ（２５ミクロン）にまで薄くすることが可能になり、これによってより迅速な昇温速度を確保することができる。

以上詳述したように、本発明に係る定着装置２０，２０′は、誘導コイル３４，３４′からの磁気による誘導加熱によって昇温される定着部材３０，３０′と、この定着部材３０，３０′に当接して用紙Ｐを通過させるニップ部Ｎを形成する加圧部材４０とを備えてなるものであるため、定着部材３０，３０′と加圧部材４０とが互いに当接したニップ部Ｎへ用紙Ｐが供給されることにより、当該用紙Ｐは、誘導コイル３４，３４′からの磁気を得て誘導加熱で昇温した定着部材３０，３０′によって加熱され、これによって転写されているトナーが溶融して用紙Ｐに溶着した状態になる定着処理を当該用紙Ｐに施すことができる。

そして、定着部材３０，３０′の構成要素である加熱層３２，３８は、誘導コイル３４，３４′側に形成された感温金属からなる感温金属層３２１，３８２と、この感温金属層３２１，３８２に積層された非磁性金属からなる非磁性金属層３２２，３８１とから構成されているため、感温金属層３２１，３８２の厚み寸法ｄを、キュリー温度以下の条件下における磁気の浸透深さを表す前記（ｉ）式によって計算された値（σ_１＝５０３×√（ρ／（μ×ｆ））以上に設定する（ｄ＞σ_１）と共に、キュリー温度以上の条件下における磁気の浸透深さを表す前記（ｉｉ）式によって計算された値（σ_２＝５０３×√（ρ／（１×ｆ））以下に設定する（ｄ＜σ_２）ことにより、キュリー温度以下の条件下（すなわち、誘導コイル３４，３４′の励起によって定着ローラが昇温しつつある状態で）において磁気は感温金属層３２１，３８２内で感温金属層３２１，３８２内を走ることになり、これによる感温金属層３２１，３８２内での渦電流の発生で加熱層３２，３８の迅速な温度上昇を実現させることができる。

これに対し、感温金属層３２１，３８２の温度がキュリー温度を越えると、磁気の浸透深さは感温金属層３２１，３８２の厚み寸法を越えるため、磁気は感温金属層３２１，３８２を越えて非磁性金属層３２２，３８１に到達し、この非磁性金属層３２２，３８１内を走ることになる。そして、非磁性金属層３２２，３８１は、比抵抗値が小さい金属であるアルミニウム（Ａｌ）によって形成され、かつ、厚み寸法が誘導加熱で実質的に温度を上昇させることのない５０μｍに設定されているため、従来のように非磁性金属層３２２，３８１の厚み寸法を磁気の浸透深さと略同一の厚み寸法（略５００μｍ）に設定した場合に比較し、加熱層３２，３８の立ち上がり時の昇温速度の迅速化に貢献することができる。

そして、上記の第１実施形態においては、加熱層３２は、筒心３１０回りに回転可能に構成された円筒状の定着ローラ３１の構成要素とされているため、円筒状の定着ローラの内部に誘導コイル３４を配設することで定着部材３０のコンパクト化を実現することができる。

これに対し、上記の第２実施形態においては、加熱層３８は、テンションローラ３５と定着ローラ３６との間に張設された定着ベルト３７の構成要素とされているため、当該定着ベルトに構造的な強度が要求されることがないため、感温金属層３８２の厚み寸法を可能な限り薄肉化することができ、これによって定着ベルト３７の昇温速度の可能な限りの迅速化を達成することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下の内容をも包含するものである。

（１）上記の実施形態においては、画像液製装置としてプリンタ１０が採用されているが、本発明は、画像形成装置がプリンタ１０であることに限定されるものではなく、スキャナーによって読み取った画像情報に基づくトナー像を用紙Ｐに転写する複写機や、電送されてきた画像情報に基づくトナー像を用紙Ｐに転写するファクシミリ装置であってもよい。

（２）上記の第２実施形態において、定着ベルト３７を感温金属層３８２のみによって構成する一方、テンションローラ３５の周面に非磁性金属であるアルミニウム（Ａｌ）によって非磁性金属層を形成してもよい。かかる構成によれば、感温金属のみによって形成された定着ベルト３７は、外側で当該定着ベルト３７と対向した誘導コイル３４′からの磁気によって誘導加熱されつつテンションローラ３５と定着ローラ３６との間を周回し、ニップ部Ｎにおいて用紙Ｐに対しトナーの定着処理を施すことになる。

そして、感温金属のみからなる定着ベルト３７がキュリー温度以上になると、誘導コイル３４′からの磁気が当該定着ベルト３７を透過してテンションローラ３５の周面に形成された低抵抗のアルミニウム（Ａｌ）にまで浸透するため、以後のジュール熱の発生が抑制され、定着ベルト３７の過加熱を抑制することができる。

このように、加熱層を感温金属のみからなる定着ベルト３７と、この定着ベルト３７が張設されるテンションローラ３５の周面に形成された非磁性金属層とに別けることにより、両者が一体的に積層されている場合に比較して定着ベルト３７の厚み寸法をさらに薄くすることが可能であり、これによってベルト方式の定着部材３０′のさらなる昇温速度の迅速化を達成することができると共に、定着ベルト３７の撓み量を大きくすることが可能になり、これによるテンションローラ３５および定着ローラ３６の小径化で定着装置２０′のコンパクト化に貢献することができる。

非磁性金属層３２２，３８１にアルミニウム（Ａｌ）を採用した場合、定着部材３０，３０′の過加熱を防止した上で当該非磁性金属層３２２，３８１の厚み寸法をどの程度にまで薄くすることが可能であるかを確認するために、以下の効果確認試験を実施した。

図７は、効果確認試験に用いた試験装置の概要を説明するための説明図である。この図に示すように、試験装置５０は、内部に負荷検出回路５１１を有する誘導加熱用電源５１と、この誘導加熱用電源５１から供給される誘導加熱用の電力によって高周波の磁力を発生する誘導加熱コイル５２とから構成されている。かかる試験装置５０において、誘導加熱コイル５２には、誘導加熱用電源５１から周波数が２５ｋＨｚの高周波電力を供給するようにした。

このような試験装置５０において、誘導加熱コイル５２の上方位置にテストピース５３を配置した状態で誘導加熱用電源５１の駆動により当該テストピース５３に磁力を供給し、これによるテストピース５３の温度の上昇状況を測定することによって温度上昇抑止効果を確認した。

テストピース５３は、平面寸法が１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形状に設定した厚み寸法が２５μｍの鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）との合金からなる感温金属層５３１と、この感温金属層５３１に積層されたアルミニウム（Ａｌ）からなる非磁性金属層５３２とを備えてなるものを採用した。そして、非磁性金属層５３２の厚み寸法については、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍおよび６０μｍの６種類を設定した。そして、各種類のテストピース５３について、誘導加熱を実行し、負荷検出回路５１１によるテストピース５３の負荷の検出結果が通常負荷（感温金属層５３１の負荷）の３０％以下になったときに温度上昇の抑止効果が認められるかを判定した。なお、３０％を判断基準にした理由は以下のとおりである。すなわち、３０％程度の負荷における誘導加熱による発熱量は、実際の定着装置２０における放熱量とバランスしており、定着ローラ３１がキュリー温度（本実施形態では略２００℃）を大幅に越えて昇温されないことが各種の機種を対象とした実機試験の結果確認されたからである。試験結果は、表１に示すとおりである。

表１に示すように、非磁性金属層５３２の厚み寸法が５０μｍ以上で温度上昇の抑止効果が認められ、これによって感温金属層５３１としてアルミニウムを採用した場合、その厚み寸法を５０μｍ以上に設定することにより、定着部材３０，３０′の過加熱を防止し得ることを確認することができた。

プリンタの一実施形態を示すその内部構造の概要を説明するための正面断面視の説明図である。定着装置の第１実施形態を示す一部切り欠き斜視概略図である。図１に示す定着装置のＡ−Ａ線断面図である。図１に示す定着装置のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の作用を説明するための模式化した定着部材の正面断面視の説明図であり、（イ）は、加熱層の温度がキュリー温度未満の状態、（ロ）は、加熱層の温度がキュリー温度以上の状態をそれぞれ示している。第２実施形態の定着装置の概略を説明するための説明図であり、（イ）は、定着装置の断面視の正面図、（ロ）は、定着ベルトの拡大断面図である。効果確認試験に用いた試験装置の概要を説明するための説明図である。

符号の説明

１０プリンタ（画像形成装置）
１１装置本体１２用紙貯留部
１２１用紙カセット１２２ピックアップローラ
１２３給紙搬送路１２４レジストローラ対
１３画像形成部１３１感光体ドラム
１３２帯電器１３３露光装置
１３４現像装置１３５転写器
１３６クリーニング装置１４定着部
１５排紙部１５１排紙トレイ
２０，２０′ 定着装置２１筐体
３０，３０′ 定着部材３１０筒心
３１定着ローラ３２加熱層（金属層）
３２１感温金属層３２２非磁性金属層
３３樹脂層３３１弾性層
３３２剥離層３４，３４′ 誘導コイル
３５テンションローラ（一方の支持ローラ）
３５１テンションローラ軸３５２非磁性金属筒体
３６定着ローラ（他方の支持ローラ）
３６１定着ローラ軸３６２定着ローラ本体
３７定着ベルト３８金属層
３８１非磁性金属層３８２感温金属層
３９樹脂層３９１弾性層
３９２剥離層４０加圧部材
４１加圧ローラ軸４２加圧ローラ
５０試験装置５１誘導加熱用電源
５１１負荷検出回路５２誘導加熱コイル
５３テストピース５３１感温金属層
５３２非磁性金属層Ｎニップ部
Ｐ用紙

Claims

転写されたトナー像を被転写材に熱処理で定着させる定着部材と、この定着部材に当接して被転写材を通過させるニップ部を形成する加圧部材とを備えてなる定着装置であって、
前記定着部材は、表面側に被転写材が当接される円筒状の金属層と、この金属層に向けて磁気を供給して誘導加熱する誘導コイルとを備え、
前記金属層は、前記誘導コイル側に形成された感温金属からなる感温金属層と、この感温金属層に積層された非磁性金属からなる非磁性金属層とからなり、
前記非磁性金属層は、アルミニウムによって形成され、かつ、誘導加熱で実質的に温度が上昇しない厚み寸法に設定されていることを特徴とする定着装置。
前記非磁性金属層は、厚み寸法の下限値が５０μｍに設定されていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
前記金属層は、筒心回りに回転可能に構成された定着ローラによって構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の定着装置。
前記金属層は、周回可能な定着ベルトによって構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の定着装置。
前記定着ベルトは、前記感温金属によって形成され、かつ、所定の支持ローラ間に張設され、前記支持ローラの一方の周面に前記非磁性金属層が形成され、前記誘導コイルは、前記一方の支持ローラの周面と前記定着ベルトを介して対向配置されていることを特徴とする請求項４記載の定着装置。