JP2007079131A - Fixing device and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、又は、それらの複合機等の画像形成装置とそこに設置される定着装置とに関し、特に、電磁誘導加熱方式の定着装置及び画像形成装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE
従来から、複写機、プリンタ等の画像形成装置において、装置の立ち上げ時間を低減して省エネルギー化することを目的として、電磁誘導加熱方式の定着装置を用いたものが多く用いられている(例えば、特許文献1参照。)。 2. Description of the Related Art Conventionally, in an image forming apparatus such as a copying machine or a printer, an apparatus using an electromagnetic induction heating type fixing device is often used for the purpose of reducing the start-up time of the apparatus and saving energy (for example, , See Patent Document 1).
特許文献1等において、電磁誘導加熱方式の定着装置は、発熱部材としての支持ローラ(発熱ローラ)、定着補助ローラ(定着ローラ)、支持ローラと定着補助ローラとによって張架された定着ベルト、支持ローラに定着ベルトを介して対向する誘導加熱部、定着補助ローラに定着ベルトを介して対向する加圧ローラ、等で構成される。誘導加熱部は、幅方向(記録媒体の搬送方向に直交する方向である。)に延設されたコイル部(励磁コイル)や、コイル部に対向するコア部等で構成される。
In
そして、定着ベルトは、誘導加熱部との対向位置で加熱される。加熱された定着ベルトは、定着補助ローラ及び加圧ローラの位置に搬送される記録媒体上のトナー像を加熱して定着する。詳しくは、コイル部に高周波の交番電流を流すことで、コイル部の周囲に磁界が形成されて、支持ローラ表面近傍に渦電流が生じる。支持ローラに渦電流が生じると、支持ローラ自身の電気抵抗によってジュール熱が発生する。このジュール熱によって、支持ローラに巻装された定着ベルトが加熱される。
このような電磁誘導加熱方式の定着装置は、少ないエネルギー消費で短い立ち上げ時間にて、定着ベルトの表面温度(定着温度)を所望の温度まで昇温できるものとして知られている。
The fixing belt is heated at a position facing the induction heating unit. The heated fixing belt heats and fixes the toner image on the recording medium conveyed to the positions of the auxiliary fixing roller and the pressure roller. Specifically, by applying a high-frequency alternating current to the coil portion, a magnetic field is formed around the coil portion, and an eddy current is generated in the vicinity of the support roller surface. When an eddy current is generated in the support roller, Joule heat is generated by the electrical resistance of the support roller itself. The fixing belt wound around the support roller is heated by the Joule heat.
Such an electromagnetic induction heating type fixing device is known as being capable of raising the surface temperature (fixing temperature) of the fixing belt to a desired temperature with a small energy consumption and a short start-up time.
一方、特許文献2等には、電磁誘導加熱方式を用いた定着装置であって、定着ベルトを挟むようにコア部を形成する技術が開示されている。すなわち、誘導加熱部のコア部は、定着ベルトの外周面及び内周面に対向するように配設されている。この技術は、定着ベルトにおける発熱効率を向上することを目的としたものである。
On the other hand,
また、特許文献3等には、電磁誘導加熱方式を用いた定着装置であって、誘導加熱部のコア部(磁性体コア)のキューリー点を幅方向で調整する技術が開示されている。詳しくは、幅方向両端部におけるコア部のキューリー点が、幅方向中央部のキューリー点に比べて小さくなるように形成している。この技術は、小サイズの記録媒体を通紙した場合に定着ベルトの幅方向両端部に生じる昇温を抑止することを目的としたものである。
Further,
また、特許文献4等には、電磁誘導加熱方式を用いた定着装置であって、定着ローラ(加熱ローラ)の軸芯が加熱されて軸受が劣化するのを抑止することを目的として、定着ローラの発熱層を、磁性材料からなる第1発熱層と、非磁性材料からなる第2発熱層と、で構成する技術が開示されている。
詳しくは、第1発熱層は、その固有抵抗が第2発熱層のものより高く、その肉厚が第2発熱層のものより厚くなるように形成されている。この技術は、非磁性材料からなる第2発熱層を主たる発熱層として、磁性材料からなる第1発熱層を設けることで磁束発生手段から発せられた磁束が定着ローラの軸芯に達しないようにするものである。
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 and the like describe a fixing device using an electromagnetic induction heating method, and for the purpose of preventing the shaft core of the fixing roller (heating roller) from being heated and deteriorating the bearing. A technique is disclosed in which the heat generating layer is composed of a first heat generating layer made of a magnetic material and a second heat generating layer made of a nonmagnetic material.
Specifically, the first heat generating layer is formed such that its specific resistance is higher than that of the second heat generating layer and its thickness is thicker than that of the second heat generating layer. In this technique, the second heat generating layer made of a nonmagnetic material is used as a main heat generating layer, and the first heat generating layer made of a magnetic material is provided so that the magnetic flux generated from the magnetic flux generating means does not reach the axis of the fixing roller. To do.
上述した従来の定着装置は、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や、紙詰まり等により装置が突発的に駆動停止した場合に、定着部材の一部又は全部が過昇温することがあった。 In the conventional fixing device described above, when a small-sized recording medium is continuously fixed, or when the device suddenly stops driving due to a paper jam or the like, a part or all of the fixing member overheats. was there.
詳しくは、次の通りである。
一般的な画像形成装置は、幅方向のサイズが異なる数種類の記録媒体に対して、画像形成ができるように構成されている。ここで、幅方向サイズの異なる記録媒体とは、JIS寸法のA列やB列における種々の定形サイズの記録媒体の他に、不定形サイズの記録媒体も含まれる。また、同一サイズ(例えば、A4サイズである。)の記録媒体であっても、長手方向を搬送方向にした場合と、短手方向(長手方向に直交する方向である。)を搬送方向にした場合とでは、幅方向サイズの異なる記録媒体を扱っていることになる。
Details are as follows.
A general image forming apparatus is configured to form an image on several types of recording media having different sizes in the width direction. Here, the recording media having different sizes in the width direction include recording media of irregular sizes in addition to recording media of various regular sizes in the A and B rows of JIS dimensions. Even in the case of recording media of the same size (for example, A4 size), the transport direction is the short direction (the direction perpendicular to the longitudinal direction) when the longitudinal direction is the transport direction. In some cases, recording media having different sizes in the width direction are handled.
このような幅方向サイズの異なる記録媒体を定着装置で定着する場合には、記録媒体の幅方向サイズに応じて、定着ベルトの幅方向の熱分布が変動して、温度ムラが生じてしまう場合があった。例えば、幅方向サイズの小さな記録媒体を通紙して定着する場合には、その記録媒体の幅方向サイズに対応する定着ベルトの位置(通紙領域である。)では熱が多く奪われて、その他の位置(非通紙領域である。)に比べて定着温度が低くなる。このような現象は、幅方向サイズの小さな記録媒体を連続的に通紙するような場合に、特に顕著になる。 When fixing such a recording medium having a different size in the width direction with the fixing device, the heat distribution in the width direction of the fixing belt fluctuates according to the width direction size of the recording medium, resulting in temperature unevenness. was there. For example, when fixing by passing a recording medium having a small size in the width direction, a lot of heat is taken away at the position of the fixing belt corresponding to the size in the width direction of the recording medium (the paper passing area). The fixing temperature is lower than at other positions (non-sheet passing area). Such a phenomenon becomes particularly prominent when a recording medium having a small size in the width direction is continuously fed.
したがって、定着ベルトの幅方向中央部の定着温度を基準として定着ベルトの幅方向全域の定着温度を制御しようとすると、定着ベルトの幅方向中央部の定着温度は所望の温度に制御できるものの、幅方向両端部の定着温度が上昇(過昇温)してしまうことになる。このように、定着ベルトの幅方向両端部の定着温度が上昇した状態で、幅方向サイズの大きな記録媒体を定着すると、温度上昇位置に対応した記録媒体上にホットオフセットが発生してしまう。さらに、幅方向両端部の定着温度が定着ベルトの耐熱温度を超えた場合には、定着ベルトに熱的破損が生じることも考えられる。 Therefore, when trying to control the fixing temperature in the entire width direction of the fixing belt with reference to the fixing temperature in the center portion in the width direction of the fixing belt, the fixing temperature in the center portion in the width direction of the fixing belt can be controlled to a desired temperature. The fixing temperature at both ends in the direction will rise (overheated). As described above, when a large recording medium in the width direction is fixed in a state where the fixing temperature at both ends in the width direction of the fixing belt is increased, a hot offset occurs on the recording medium corresponding to the temperature increase position. Furthermore, when the fixing temperature at both ends in the width direction exceeds the heat resistance temperature of the fixing belt, it is considered that the fixing belt is thermally damaged.
これに対して、定着ベルトの幅方向両端部の定着温度を基準として定着ベルトの幅方向全域の定着温度を制御しようとすると、定着ベルトの幅方向両端部の定着温度は所望の温度に制御できるものの、幅方向中央部の定着温度が下降してしまうことになる。このように、定着ベルトの幅方向中央部の定着温度が下降した状態で記録媒体を定着すると、温度下降位置に対応した記録媒体上にコールドオフセットが発生してしまう。 On the other hand, if it is attempted to control the fixing temperature in the entire width direction of the fixing belt based on the fixing temperature at both ends in the width direction of the fixing belt, the fixing temperature at both ends in the width direction of the fixing belt can be controlled to a desired temperature. However, the fixing temperature at the center in the width direction is lowered. As described above, when the recording medium is fixed in a state where the fixing temperature at the center portion in the width direction of the fixing belt is lowered, a cold offset occurs on the recording medium corresponding to the temperature lowered position.
また、画像形成装置内の搬送経路中に紙詰まり(ジャム)が発生した場合等には、定着装置における駆動が突発的に停止される。このような場合には、誘導加熱部への通電が遮断されるまでの僅かな時間に、誘導加熱部に対向する定着ベルトの部分が瞬時に過昇温してしまう。これによって、定着ベルトや誘導加熱部のコイル部等の構成部材に熱的破損が生じることも考えられる。 Further, when a paper jam (jam) occurs in the conveyance path in the image forming apparatus, the driving of the fixing device is suddenly stopped. In such a case, the portion of the fixing belt facing the induction heating unit instantaneously overheats in a short time until the energization to the induction heating unit is cut off. As a result, it is also conceivable that thermal damage occurs to components such as the fixing belt and the coil portion of the induction heating unit.
このような問題を解決するために、発熱部材としての支持ローラを、キューリー点を有する材料(自己温度制御が可能な材料である。)にて形成する方策が考えられる。すなわち、発熱部材のキューリー点をホットオフセットが発生しない温度近傍(例えば、250℃である。)に設定することで、発熱部材の過昇温を制限してホットオフセットの発生を抑止する効果が期待できる。
しかし、その場合、発熱部材の昇温はキューリー点近傍で鈍化してしまうために、キューリー点が目標の定着温度(例えば、180℃である。)に対してはるかに高くなっている磁性材料(例えば、軟鉄のキューリー点は790℃である。)を用いた発熱部材に比べて、目標の定着温度に達するまでの立ち上げ時間が長くなってしまうという問題が生じる。
In order to solve such a problem, it is conceivable to form a support roller as a heat generating member with a material having a Curie point (a material capable of self-temperature control). That is, by setting the Curie point of the heat generating member near the temperature at which hot offset does not occur (for example, 250 ° C.), an effect of limiting the excessive temperature rise of the heat generating member and suppressing the occurrence of hot offset is expected. it can.
However, in this case, since the temperature rise of the heat generating member slows down near the Curie point, the magnetic material whose Curie point is much higher than the target fixing temperature (for example, 180 ° C.) ( For example, the rise time until reaching the target fixing temperature is longer than that of a heat generating member using soft iron having a Curie point of 790 ° C.).
一方、上述の特許文献2等の技術は、定着ベルトを挟むように配設するコア部の形状を最適化することで、定着ベルトにおける発熱効率を向上させるものである。したがって、上述の定着ベルトの過昇温を抑止する効果は期待できない。
On the other hand, the technology disclosed in
また、上述の特許文献3等の技術は、誘導加熱部のコア部のキューリー点を幅方向で調整している。しかし、誘導加熱部によって加熱される定着部材の過昇温は、コア部に過昇温が生じる前に発生するために、上述の定着ベルトの過昇温を直接的に抑止する効果は期待できない。
Moreover, the above-mentioned techniques such as
また、特許文献4等の技術は、定着ローラの軸芯が加熱されるのを抑止するために、定着ローラの発熱層を磁性材料からなる第1発熱層と非磁性材料からなる第2発熱層とで構成するものであって、発熱部材(定着ローラ)の幅方向両端部における過昇温を防止する効果は期待できない。 In addition, in the technique of Patent Document 4 or the like, in order to prevent the shaft core of the fixing roller from being heated, the heat generating layer of the fixing roller is divided into a first heat generating layer made of a magnetic material and a second heat generating layer made of a nonmagnetic material. The effect of preventing excessive temperature rise at both ends in the width direction of the heat generating member (fixing roller) cannot be expected.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、自己温度制御性を有する発熱部材を用いた場合であっても、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止される電磁誘導加熱方式の定着装置及び画像形成装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems. Even when a heat-generating member having self-temperature controllability is used, the start-up time is short without reducing the heat-generating efficiency, and the To provide an electromagnetic induction heating type fixing device and an image forming apparatus in which excessive temperature rise is reliably suppressed even when a recording medium of a size is continuously fixed or when the apparatus is suddenly stopped. It is in.
本願発明者は、前記課題を解決するために研究を重ねた結果、次の事項を知るに至った。
すなわち、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層に加えて、第1発熱層に比べて体積抵抗率が低い第2発熱層を発熱部材に設けることによって、第1発熱層のみで発熱部材を構成するときに比べて、発熱部材における発熱効率を低下させることなく、高い自己温度制御能力(自己温度制御性)を維持することができる。特に、発熱部材の表裏面を挟むようにコイル部を配設する場合には、コイル部を発熱部材の片面側にのみ対向させて配設したときに比べて、その発熱効率及び自己温度制御性が高められる。さらに、第1発熱層と第2発熱層とを発熱部材に設けることによって、磁束発生手段に交番電流を供給する電源部が安定化する。
The inventor of the present application has come to know the following matters as a result of repeated studies to solve the above-mentioned problems.
That is, in addition to the first heat generating layer having a Curie point of 300 ° C. or lower, the heat generating member includes only the first heat generating layer by providing the heat generating member with the second heat generating layer having a volume resistivity lower than that of the first heat generating layer. As compared with the case of configuring the above, it is possible to maintain a high self-temperature control capability (self-temperature controllability) without reducing the heat generation efficiency of the heat generating member. In particular, when the coil part is disposed so as to sandwich the front and back surfaces of the heat generating member, the heat generation efficiency and self-temperature controllability are compared to when the coil part is disposed facing only one side of the heat generating member. Is increased. Furthermore, by providing the first heat generating layer and the second heat generating layer on the heat generating member, the power supply unit that supplies the alternating current to the magnetic flux generating means is stabilized.
この発明は以上述べた事項に基づくものであり、すなわち、この発明の請求項1記載の発明にかかる定着装置は、トナー像を記録媒体に定着する定着装置であって、交番電流が印加されて磁束を発生させる磁束発生手段と、前記磁束によって発熱する発熱部材と、を備え、前記発熱部材は、キューリー点が300℃以下になるように形成された第1発熱層と、該第1発熱層の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する第2発熱層と、を具備するものである。 The present invention is based on the above-described matters. That is, the fixing device according to the first aspect of the present invention is a fixing device for fixing a toner image on a recording medium, to which an alternating current is applied. A heat generating member for generating magnetic flux; and a heat generating member for generating heat by the magnetic flux, wherein the heat generating member includes a first heat generating layer formed to have a Curie point of 300 ° C. or less, and the first heat generating layer. And a second heat generating layer having a volume resistivity lower than the volume resistivity.
また、請求項2記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1に記載の発明において、前記第2発熱層は、非磁性材料からなるものである。 The fixing device according to a second aspect of the present invention is the fixing device according to the first aspect, wherein the second heat generating layer is made of a nonmagnetic material.
また、請求項3記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記第2発熱層は、その厚さが前記交番電流の周波数に対応した浸透深さよりも薄くなるように形成されたものである。 According to a third aspect of the present invention, in the fixing device according to the first or second aspect, the thickness of the second heat generating layer is greater than a penetration depth corresponding to the frequency of the alternating current. Is also formed to be thin.
また、請求項4記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1〜請求項3のいずれかに記載の発明において、前記第2発熱層は、銅又はニッケルからなるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fixing device according to any one of the first to third aspects, the second heat generating layer is made of copper or nickel.
また、請求項5記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1〜請求項4のいずれかに記載の発明において、前記発熱部材は、前記第2発熱層に対して前記磁束発生手段の側にニッケル層を具備したものである。 The fixing device according to a fifth aspect of the present invention is the fixing device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the heat generating member is closer to the magnetic flux generating means than the second heat generating layer. Are provided with a nickel layer.
また、請求項6記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1〜請求項5のいずれかに記載の発明において、前記第1発熱層は、ニッケル、鉄、クロムの合金からなるものである。 The fixing device according to a sixth aspect of the present invention is the fixing device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the first heat generating layer is made of an alloy of nickel, iron, and chromium. .
また、請求項7記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1〜請求項6のいずれかに記載の発明において、前記磁束発生手段を、前記発熱部材の表裏面を挟むように配設されたコイル部としたものである。 A fixing device according to a seventh aspect of the present invention is the fixing device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the magnetic flux generating means is disposed so as to sandwich the front and back surfaces of the heat generating member. It is a coil part.
また、請求項8記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項7に記載の発明において、前記発熱部材は、前記第1発熱層に対して前記表裏面の側にそれぞれ前記第2発熱層を具備したものである。 The fixing device according to an eighth aspect of the present invention is the fixing device according to the seventh aspect, wherein the heat generating member has the second heat generating layer on the front and back sides with respect to the first heat generating layer. It is equipped.
また、請求項9記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項7又は請求項8に記載の発明において、前記第1発熱層は、その温度が前記キューリー点よりも低いときの前記交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して3倍以上であって17倍以下の厚さとなるように形成されたものである。 According to a ninth aspect of the present invention, in the fixing device according to the seventh or eighth aspect, the first heat generating layer has the alternating current when the temperature is lower than the Curie point. The penetration depth is 3 times or more and 17 times or less the penetration depth corresponding to the frequency.
また、請求項10記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項7〜請求項9のいずれかに記載の発明において、前記コイル部は、前記発熱部材の前記表裏面を1回又は複数回挟むように離間して巻回されたものである。 According to a tenth aspect of the present invention, in the fixing device according to any one of the seventh to ninth aspects, the coil portion sandwiches the front and back surfaces of the heat generating member once or a plurality of times. Thus, they are wound apart.
また、請求項11記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1〜請求項6のいずれかに記載の発明において、前記磁束発生手段を、前記発熱部材の片面側のみに対向するように配設されたものである。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the fixing device according to any one of the first to sixth aspects, the magnetic flux generating means is arranged so as to face only one side of the heat generating member. It was established.
また、請求項12記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項11に記載の発明において、前記第1発熱層と前記第2発熱層とは、互いに離間して配設されたものである。 A fixing device according to a twelfth aspect of the present invention is the fixing device according to the eleventh aspect, wherein the first heat generating layer and the second heat generating layer are spaced apart from each other.
また、請求項13記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項12に記載の発明において、前記第1発熱層に対して前記第2発熱層と対向しない側に非磁性導電層を備えたものである。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the fixing device according to the twelfth aspect of the present invention, a nonmagnetic conductive layer is provided on the side of the first heat generation layer that does not face the second heat generation layer. It is.
また、請求項14記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項13に記載の発明において、前記非磁性導電層は、その体積抵抗率が前記第1発熱層の体積抵抗率よりも低くなるように形成されたものである。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the fixing device according to the thirteenth aspect, the volume resistivity of the nonmagnetic conductive layer is lower than the volume resistivity of the first heat generating layer. It is formed.
また、請求項15記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項13又は請求項14に記載の発明において、前記非磁性導電層を、アルミニウムからなる芯金としたものである。 A fixing device according to a fifteenth aspect of the present invention is the fixing device according to the thirteenth or fourteenth aspect, wherein the nonmagnetic conductive layer is a cored bar made of aluminum.
また、請求項16記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項13〜請求項15のいずれかに記載の発明において、前記非磁性導電層は、その厚さが前記交番電流の周波数に対応した浸透深さよりも厚くなるように形成されたものである。 According to a sixteenth aspect of the present invention, in the fixing device according to any one of the thirteenth to fifteenth aspects, the thickness of the nonmagnetic conductive layer corresponds to the frequency of the alternating current. It is formed to be thicker than the penetration depth.
また、請求項17記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項12〜請求項16のいずれかに記載の発明において、前記第1発熱層と前記第2発熱層との間に、電気絶縁性を有する弾性層を備えたものである。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the fixing device according to any one of the twelfth to sixteenth aspects, an electrical insulating property is provided between the first heat generating layer and the second heat generating layer. It is provided with the elastic layer which has.
また、請求項18記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項12〜請求項17のいずれかに記載の発明において、前記第1発熱層は、そのキューリー点が100℃以上250℃以下になるように形成されたものである。
Further, in the fixing device according to
また、請求項19記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項12〜請求項18のいずれかに記載の発明において、前記第1発熱層は、その厚さが前記交番電流の周波数に対応した浸透深さと同等になるように形成されたものである。 According to a nineteenth aspect of the present invention, in the fixing device according to any one of the twelfth to eighteenth aspects, the thickness of the first heat generating layer corresponds to the frequency of the alternating current. It is formed so as to be equivalent to the penetration depth.
また、請求項20記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1〜請求項19のいずれかに記載の発明において、前記発熱部材を、トナー像を溶融する定着部材を加熱する加熱部材としたものである。 A fixing device according to a twentieth aspect of the present invention is the fixing device according to any one of the first to nineteenth aspects, wherein the heating member is a heating member that heats a fixing member that melts a toner image. Is.
また、請求項21記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項20に記載の発明において、前記定着部材は、定着ベルトであって、前記加熱部材は、定着補助ローラとともに前記定着ベルトを張架する支持ローラであって、前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたものである。 According to a twenty-first aspect of the present invention, in the fixing device according to the twentieth aspect, the fixing member is a fixing belt, and the heating member stretches the fixing belt together with a fixing auxiliary roller. The supporting auxiliary roller is disposed so as to come into contact with the pressure roller that presses the conveyed recording medium via the fixing belt.
また、請求項22記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項1〜請求項19のいずれかに記載の発明において、前記発熱部材を、トナー像を溶融する定着部材としたものである。 A fixing device according to a twenty-second aspect of the present invention is the fixing device according to any one of the first to nineteenth aspects, wherein the heat generating member is a fixing member that melts a toner image.
また、請求項23記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項22に記載の発明において、前記定着部材は、支持ローラと定着補助ローラとに張架された定着ベルトであって、前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたものである。 The fixing device according to a twenty-third aspect of the present invention is the fixing device according to the twenty-second aspect, wherein the fixing member is a fixing belt stretched between a support roller and a fixing auxiliary roller. The roller is disposed so as to come into contact with the pressure roller that presses the conveyed recording medium via the fixing belt.
また、請求項24記載の発明にかかる定着装置は、前記請求項22に記載の発明において、前記定着部材を、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに当接する定着ローラとしたものである。 A fixing device according to a twenty-fourth aspect of the invention is the fixing device according to the twenty-second aspect, wherein the fixing member is a fixing roller that contacts a pressure roller that presses a recording medium to be conveyed. .
また、この発明の請求項25記載の発明にかかる画像形成装置は、請求項1〜請求項24のいずれかに記載の定着装置を備えたものである。 An image forming apparatus according to a twenty-fifth aspect of the present invention includes the fixing device according to any one of the first to twenty-fourth aspects.
本発明は、電磁誘導加熱方式の定着装置において、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層に加えて、第1発熱層に比べて体積抵抗率が低い第2発熱層を発熱部材に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、電源部が安定化する定着装置及び画像形成装置を提供することができる。 According to the present invention, in the electromagnetic induction heating type fixing device, in addition to the first heat generating layer having a Curie point of 300 ° C. or less, the heat generating member is provided with a second heat generating layer having a volume resistivity lower than that of the first heat generating layer. ing. As a result, the start-up time is short without reducing the heat generation efficiency, maintaining high self-temperature controllability, and fixing a small size recording medium continuously, or when the device suddenly stops driving, etc. Even in such a case, it is possible to provide a fixing device and an image forming apparatus in which excessive temperature rise is reliably suppressed and the power supply unit is stabilized.
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same or it corresponds, The duplication description is simplified or abbreviate | omitted suitably.
実施の形態1.
図1〜図16にて、この発明の実施の形態1について詳細に説明する。
まず、図1にて、画像形成装置全体の構成・動作について説明する。
図1において、1は画像形成装置としてのレーザープリンタの装置本体、3は画像情報に基いた露光光Lを感光体ドラム18上に照射する露光部、4は装置本体1に着脱自在に設置される作像部としてのプロセスカートリッジ、7は感光体ドラム18上に形成されたトナー像を記録媒体Pに転写する転写部、10は出力画像が載置される排紙トレイ、11、12は転写紙等の記録媒体Pが収納された給紙部、13は記録媒体Pを転写部7に搬送するレジストローラ、15は手差し給紙部、18は像担持体としての感光体ドラム、20は記録媒体P上の未定着画像を定着する定着装置を示す。
A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
First, the configuration and operation of the entire image forming apparatus will be described with reference to FIG.
In FIG. 1, 1 is a main body of a laser printer as an image forming apparatus, 3 is an exposure unit that irradiates a
図1を参照して、画像形成装置における、通常の画像形成時の動作について説明する。
まず、露光部3から、画像情報に基づいたレーザ光等の露光光Lが、プロセスカートリッジ4の感光体ドラム18上に向けて発せられる。感光体ドラム18は図中の反時計方向に回転しており、所定の電子写真プロセス(帯電工程、露光工程、現像工程)を経て、感光体ドラム18上に画像情報に対応したトナー像が形成される。
その後、感光体ドラム18上に形成されたトナー像は、転写部7で、レジストローラ13により搬送された記録媒体P上に転写される。
With reference to FIG. 1, an operation during normal image formation in the image forming apparatus will be described.
First, exposure light L such as laser light based on image information is emitted from the
Thereafter, the toner image formed on the
一方、転写部7に搬送される記録媒体Pは、次のように動作する。
まず、画像形成装置本体1の複数の給紙部11、12、15のうち、1つの給紙部が自動又は手動で選択される(例えば、最上段の給紙部11が選択されたものとする。)。そして、給紙部11に収納された記録媒体Pの最上方の1枚が、搬送経路Kの位置に向けて搬送される。その後、記録媒体Pは、搬送経路Kを通過してレジストローラ13の位置に達する。そして、レジストローラ13の位置に達した記録媒体Pは、感光体ドラム18上に形成されたトナー像と位置合わせをするためにタイミングを合わせて、転写部7に向けて搬送される。
On the other hand, the recording medium P conveyed to the transfer unit 7 operates as follows.
First, one of the plurality of
そして、転写工程後の記録媒体Pは、転写部7の位置を通過した後に、搬送経路を経て定着装置20に達する。定着装置20に達した記録媒体Pは、定着ベルトと加圧ローラとの間に送入されて、定着ベルトから受ける熱と加圧ローラから受ける圧力とによってトナー像が定着される。トナー像が定着された記録媒体Pは、定着ベルトと加圧ローラとの間から送出された後に、出力画像として画像形成装置本体1から排出されて、排紙トレイ10上に載置される。
こうして、一連の画像形成プロセスが完了する。
After the transfer process, the recording medium P passes through the position of the transfer unit 7 and then reaches the fixing
Thus, a series of image forming processes is completed.
次に、画像形成装置本体1における定着装置20の構成・動作について詳述する。
図2に示すように、定着装置20は、主として、定着補助ローラ21、定着ベルト22、支持ローラ23、誘導加熱部24、加圧ローラ30、サーミスタ38、ガイド板35、分離板36等で構成される。
Next, the configuration and operation of the fixing
As shown in FIG. 2, the fixing
ここで、定着補助ローラ21は、ステンレス鋼等からなる芯金の表面に、シリコーンゴム等の弾性層を形成したものである。定着補助ローラ21の弾性層は、肉厚が3〜10mmで、アスカー硬度が10〜50度となるように形成されている。定着補助ローラ21は、不図示の駆動部によって図2の反時計方向に回転駆動される。
Here, the fixing
加熱部材(発熱部材)としての支持ローラ23は、直径が20mmの円筒状に形成されている。支持ローラ23は、磁性導電性材料からなる第1発熱層23aと、導電性材料からなる第2発熱層23bと、で構成されている。詳しくは、図4に示すように、第1発熱層23aに対して表裏面の側(内周面側と外周面側とである。)にそれぞれ第2発熱層23bが設けられている。
The
ここで、支持ローラ23の第1発熱層23aは、キューリー点が300℃以下となる材料で形成されている。第1発熱層23aの材料として、ニッケル、鉄、クロム、又は、それらの合金等の磁性導電性材料を用いることができる。本実施の形態1では、第1発熱層23aの材料として、キューリー点が定着可能温度以上であって300℃以下となる整磁合金を用いている。具体的には、ニッケル、鉄、クロムの合金であって、各材料の添加量と加工条件とが調整されてキューリー点が250℃に設定されている。
このように、キューリー点が定着ベルト22の定着温度近傍となる整磁合金からなる第1発熱層23aを支持ローラ23に設けることで、支持ローラ23は電磁誘導によって過昇温されることなく加熱されることになる。
Here, the first
As described above, the
なお、第1発熱層23aの厚さ(層厚)D1は、第1発熱層23aの温度がキューリー点以下であるときの浸透深さ(第1発熱層の体積抵抗率及び比透磁率と、コイル部25に印加される交番電流の周波数と、で定まる。)をδ1としたときに、
3×δ1≦D1≦17×δ1 …式(1)
なる関係が成立するように設定されている。これによって、支持ローラ23における発熱効率及び自己温度制御性が向上することになる。
The thickness (layer thickness) D1 of the first
3 × δ1 ≦ D1 ≦ 17 × δ1 Formula (1)
Is set to hold. As a result, the heat generation efficiency and the self-temperature controllability of the
一方、支持ローラ23の第2発熱層23bは、第1発熱層23aの体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する導電性材料で形成されている。第1発熱層23aの体積抵抗率が8.0×10-7Ω・mであるために、第2発熱層23bは体積抵抗率が8.0×10-7Ω・mよりも低い材料にて形成されている。具体的には、体積抵抗率が3.0×10-8Ω・m以下となる、銅、アルミニウム、金、銀、等を第2発熱層23bとして用いることが好ましい。本実施の形態1では、第2発熱層23bの材料として、非磁性材料の銅を用いている。
On the other hand, the second
なお、第2発熱層23bの厚さ(層厚)D2は、第2発熱層23bの浸透深さ(第2発熱層の体積抵抗率及び比透磁率と、コイル部25に印加される交番電流の周波数と、で定まる。)をδ2としたときに、
D2≦δ2 …式(2)
なる関係が成立するように設定されている。これによって、支持ローラ23における発熱効率及び自己温度制御性が向上することになる。
The thickness (layer thickness) D2 of the second
D2 ≦ δ2 Formula (2)
Is set to hold. As a result, the heat generation efficiency and the self-temperature controllability of the
このように構成された支持ローラ23は、図2の反時計方向に回転する。支持ローラ23の表裏面(外周面及び内周面である。)に対向するように、コイル部25が配設されている(図3を参照できる。)。磁束発生手段としてのコイル部25から発生される磁束によって、第1発熱層23aが主たる発熱層(発熱主層)として電磁誘導加熱され、第2発熱層23bが従たる発熱層(発熱補助層)として電磁誘導加熱されることになる。
なお、本実施の形態1では、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで構成したが、支持ローラ23の発熱層23a、23b上に補強層、弾性層、断熱層等を設けることもできる。
The
In the first embodiment, the
以下、定着ベルト22について詳述する。
図2を参照して、定着部材としての定着ベルト22は、支持ローラ23と定着補助ローラ21とに張架・支持されている。
定着ベルト22は、基材(内周面側に配設される。)上に、弾性層、離型層が順次形成された、多層構造のエンドレスベルトである。基材は、絶縁性の耐熱樹脂材料からなり、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、PEEK、PES、PPS、フッ素樹脂等を用いることができる。基材の層厚は、熱容量及び強度の点から、30〜200μmに形成されている。
Hereinafter, the fixing
Referring to FIG. 2, a fixing
The fixing
定着ベルト22の弾性層は、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム等からなり、層厚が50〜500μmでアスカー硬度が5〜50度となるように形成されている。これにより、出力画像において、光沢ムラのない均一な画質を得ることができる。
The elastic layer of the fixing
定着ベルト22の離型層は、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂(PFA)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)等のフッ素樹脂、これらの樹脂の混合物、又は、これらの樹脂を耐熱性樹脂に分散させたものである。離型層の層厚は、5〜50μm(好ましくは、10〜30μmである。)に形成されている。これにより、定着ベルト22上のトナー離型性が担保されるとともに、定着ベルト22の柔軟性が確保される。
なお、定着ベルト22の各層の間に、プライマ層等を設けることもできる。
The release layer of the fixing
A primer layer or the like can be provided between the layers of the fixing
図2及び図3を参照して、磁束発生手段としての誘導加熱部24は、ループ状に形成されたコイル部25で構成される。
ここで、コイル部25は、定着ベルト22及び支持ローラ23の表裏面(内周面及び外周面である。)を挟むように配設された励磁コイルである。定着ベルト22及び支持ローラ23の一部は、ループ状のコイル部25のループ内に挟入されている。
詳しくは、図3に示すように、コイル部は、定着ベルト22及び支持ローラ23(発熱部材)の表裏面を1回挟むように離間して巻回されている。また、コイル部25は、定着ベルト22及び支持ローラ23の幅方向に平行に延設されている。コイル部25の幅方向の一端は内周面側と外周面側とを結ぶ折返し部になっていて、他端には高周波電源部40が接続されている。
Referring to FIGS. 2 and 3, the
Here, the
Specifically, as shown in FIG. 3, the coil portion is wound apart so as to sandwich the front and back surfaces of the fixing
ここで、高周波電源部40は、周波数が10k〜1MHz(好ましくは、10k〜300kHzである。)の範囲の交番電流をコイル部25に印加することになる。しかし、高周波電源部40から印加される交番電流の周波数が高くなるほど、支持ローラ23の発熱効率は大きくなるが、高周波電源部40が大型化、高コスト化してしまう。その点を考慮して、本実施の形態1では、高周波電源部40における使用周波数帯を20k〜40kHzの範囲として、主として周波数が30kHzの交番電流をコイル部25に印加している。
Here, the high frequency
なお、本実施の形態1では、コイル部25を1本のループ状の励磁コイルとしたが、複数本のループ状のコイル部とすることもできる。すなわち、コイル部を、定着ベルト22及び支持ローラ23(発熱部材)の表裏面を複数回挟むように離間して巻回させることもできる。
In the first embodiment, the
図2を参照して、加圧ローラ30は、アルミニウム、銅等からなる円筒部材上にフッ素ゴム、シリコーンゴム等の弾性層が形成されたものである。加圧ローラ30の弾性層は、肉厚が1〜5mmで、アスカー硬度が20〜50度となるように形成されている。加圧ローラ30は、定着ベルト22を介して定着補助ローラ21に圧接している。そして、定着ベルト22と加圧ローラ30との当接部(定着ニップ部である。)に、記録媒体Pが搬送される。
Referring to FIG. 2, the
定着ベルト22と加圧ローラ30との当接部の入口側には、記録媒体Pの搬送を案内するガイド板35が配設されている。
定着ベルト22と加圧ローラ30との当接部の出口側には、記録媒体Pの搬送を案内するとともに記録媒体Pが定着ベルト22から分離するのを促進する分離板36が配設されている。
A
A
定着ベルト22の外周面上であって定着ニップ部の上流側には、熱応答性の高い感温素子としてのサーミスタ38が当接されている。そして、サーミスタ38によって、定着ベルト22上の表面温度(定着温度)が検知されて、誘導加熱部24の出力が調整される。
On the outer peripheral surface of the fixing
このように構成された定着装置20は、次のように動作する。
定着補助ローラ21の回転駆動によって、定着ベルト22は図2中の矢印方向に周回するとともに、支持ローラ23も反時計方向に回転して、加圧ローラ30も矢印方向に回転する。定着ベルト22は、支持ローラ23によって加熱される。
The fixing
By the rotation driving of the
詳しくは、高周波電源部40からコイル部25に上述した周波数の高周波交番電流を流すことで、コイル部25のループ内に磁力線が双方向に交互に切り替わるように形成される。このように交番磁界が形成されることで、支持ローラ23の温度がキューリー点以下である場合に、支持ローラ23の表裏面にそれぞれ渦電流が生じて、支持ローラ23の電気抵抗によってジュール熱が発生して、支持ローラ23が加熱される。そして、定着ベルト22は、発熱した支持ローラ23から受熱して加熱される。
Specifically, the magnetic field lines are alternately switched in both directions in the loop of the
その後、加熱された定着ベルト22表面は、サーミスタ38の位置を通過して、加圧ローラ30との当接部に達する。そして、搬送される記録媒体P上のトナー像Tを加熱して溶融する。
詳しくは、先に説明した作像プロセスを経てトナー像Tを担持した記録媒体Pが、ガイド板35に案内されながら定着ベルト22と加圧ローラ30との間に送入される(矢印Yの搬送方向の移動である。)。そして、定着ベルト22から受ける熱と加圧ローラ30から受ける圧力とによってトナー像Tが記録媒体Pに定着されて、記録媒体Pは定着ベルト22と加圧ローラ30との間から送出される。
Thereafter, the surface of the
Specifically, the recording medium P carrying the toner image T through the image forming process described above is fed between the fixing
加圧ローラ30の位置を通過した定着ベルト22表面は、その後に再びコイル部25との対向位置に達する。このような一連の動作が連続的に繰り返されて、画像形成プロセスにおける定着工程が完了する。
The surface of the fixing
このような定着工程において、支持ローラ23の温度が自身のキューリー点を超えた場合には、支持ローラ23の発熱が制限されることになる。
すなわち、誘導加熱部24によって誘導加熱された支持ローラ23(第1発熱層23a)の温度がキューリー点を超えた場合には、支持ローラ23(第1発熱層23a)が磁性を失うことにより、支持ローラ23(第1発熱層23a)の発熱が制限される。これにより、支持ローラ23におけるジュール熱の発生量が低下して、過昇温が抑止される。
In such a fixing process, if the temperature of the
That is, when the temperature of the support roller 23 (first
このような自己温度制御能力(自己温度制御性)は、本実施の形態1のように発熱部材23に対してコイル部25をループ状に配設した場合、発熱部材23の片側(例えば、外周面側である。)にのみにコイル部25が対向するように配設した場合に比べて、特に高くなる。
Such self-temperature control capability (self-temperature controllability) is obtained when the
以下、自己温度制御能力について詳述する。
図4は支持ローラ23とコイル部25とを示す断面図であって、図5及び図6は、支持ローラ23とコイル部25とを幅方向にみた断面図である。図5及び図6中の破線矢印は、コイル部25に交番電流が流れたときに発生する磁力線を示している。
図4に示すように、コイル部25は支持ローラ23の表裏面を挟むように配設されている。これにより、図5に示すように、支持ローラ23外周面に対向するコイル部25と支持ローラ23内周面に対向するコイル部25とには、互いに逆向きのコイル電流Hが常に流れることになる。したがって、支持ローラ23を挟む双方のコイル部25によって発生される磁力線B1、B2も互いに逆の方向に回転する。そして、発熱部材としての支持ローラ23の表面と裏面とには、逆向きの渦電流A1、A2が流れて、表裏面の双方でジュール損による発熱が生じることになる。
Hereinafter, the self-temperature control capability will be described in detail.
4 is a cross-sectional view showing the
As shown in FIG. 4, the
ここで、交番電流によって生じる交番磁束が発熱層(金属)に誘導する渦電流は、発熱層の表面に近くなるほど大きくなって、表面から離れるにつれて指数関数的に小さくなる。発熱層が磁性体である場合には、誘導される渦電流はさらに発熱層表面に集中する。
また、渦電流が表面における電流密度の0.368倍に減少した位置における表面からの深さを電流の浸透深さδと呼ぶ。なお、浸透深さδは次式で求まる。
δ(m)=503・〔ρ/(μf)〕1/2 …式(3)
上式(3)において、ρは発熱層の体積抵抗率(Ω・m)であり、μは発熱層の比透磁率であり、fは発熱層を励磁する交番電流の周波数(Hz)である。
浸透深さより発熱層表面から遠い位置に流れる渦電流は、発熱層表面近傍のものと比較して、非常に小さく誘導加熱にほとんど影響を与えない。発熱層の厚さが浸透深さ以上であれば、発熱層表面から進入した磁束は発熱層中でエネルギーを消失して、発熱層をほとんど透過することができなくなる。
Here, the eddy current induced in the heat generating layer (metal) by the alternating magnetic flux generated by the alternating current increases as it approaches the surface of the heat generating layer, and decreases exponentially as the distance from the surface increases. When the heat generating layer is a magnetic material, the induced eddy current is further concentrated on the surface of the heat generating layer.
The depth from the surface at the position where the eddy current is reduced to 0.368 times the current density at the surface is referred to as the current penetration depth δ. The penetration depth δ is obtained by the following equation.
δ (m) = 503 · [ρ / (μf)] 1/2 Formula (3)
In the above equation (3), ρ is the volume resistivity (Ω · m) of the heat generating layer, μ is the relative permeability of the heat generating layer, and f is the frequency (Hz) of the alternating current that excites the heat generating layer. .
Eddy currents that flow farther from the surface of the heat generating layer than the penetration depth are very small compared to those near the surface of the heat generating layer and have little effect on induction heating. If the thickness of the heat generating layer is equal to or greater than the penetration depth, the magnetic flux that has entered from the surface of the heat generating layer loses energy in the heat generating layer, and can hardly pass through the heat generating layer.
本実施の形態1では、支持ローラ23の第1発熱層23aの材料として整磁合金を用いている。整磁合金(第1発熱層23a)の温度がキュリー点以下であって交番電流の周波数が30kHzのとき、図5に示すように、支持ローラ23の表面側と裏面側とに流れる渦電流はそれぞれ表裏面から近い位置に集中して、互いの渦電流が干渉することなく支持ローラ23は誘導加熱されることになる。
In the first embodiment, a magnetic shunt alloy is used as the material of the first
これに対して、整磁合金の温度がキュリー点以上(比透磁率が1となる。)であって交番電流の周波数が30kHzのとき、支持ローラ23外周面に対向するコイル部25と支持ローラ23内周面に対向するコイル部25とによって発生する交番磁束は、整磁合金(第1発熱層23a)を貫いて干渉してしまう。そのため、整磁合金に流れる渦電流A1、A2は相殺されて、支持ローラ23の発熱量が著しく低下してしまう。
On the other hand, when the temperature of the magnetic shunt alloy is equal to or higher than the Curie point (the relative permeability is 1) and the frequency of the alternating current is 30 kHz, the
このように、支持ローラ23(発熱部材)の表裏面を挟むようにコイル部25を配設することで、非常に高い自己温度制御能力と発熱効率とを得ることができる。
その際、コイル部25によって表裏面を挟まれるように配設される第1発熱層23aの厚さが、式(1)の関係を満足することで、上述の効果が確実なものになる。
As described above, by arranging the
At that time, the thickness of the first
具体的に、第1発熱層23aの厚さを薄くしていくと、コイル部25に等しい電圧をかけたとき、第1発熱層23aの温度がキュリー点以下であるときの第1発熱層23aの発熱量が低下していく。この発熱量低下は第1発熱層23aの厚さが所定値よりも薄くなったところで急激に大きくなって、支持ローラ23の発熱効率が低下する。本願発明者は、研究を重ねた結果、第1発熱層23aの温度がキューリー点以下であるときの交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して3倍以上の厚さ(D≧3×δ)となるように、第1発熱層23aを形成することで、支持ローラ23における良好な発熱効率と自己温度制御性とを維持できることを知得した。
さらに、第1発熱層23aの厚さを厚くしていくと、第1発熱層23の温度がキュリー点よりも高くなったときの発熱量が大きくなるために、第1発熱層23aの温度がキュリー点以下のときの発熱量に対する発熱量の低下率が低くなって、第1発熱層23aの自己温度制御性が低下してしまう。本願発明者は、研究を重ねた結果、第1発熱層23aの温度がキューリー点以下であるときの交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して17倍以下の厚さ(D≦17×δ)となるように、第1発熱層23aを形成することで、支持ローラ23における高い自己温度制御性を維持できることを知得した。
Specifically, as the thickness of the first
Further, as the thickness of the first
以上述べた自己温度制御能力は、第1発熱層23aのみで支持ローラ23を構成した場合であっても発現するものである。しかし、第1発熱層23aのみで支持ローラ23を構成した場合には、支持ローラ23における発熱効率が低下しまう。これに対して、本実施の形態1のように、第1発熱層23aに加えて第2発熱層23bを支持ローラ23に設けることで、支持ローラ23における発熱効率を低下させることなく、高い自己温度制御能力を維持することができる。
The self-temperature control capability described above is manifested even when the
以下、実験結果やシミュレーション結果に基いて詳しく説明する。
図7は、本実施形態1における定着装置20において、支持ローラ23をキュリー点が250℃の整磁合金のみで形成した場合(グラフQ1である。)と、支持ローラ23を磁性ステンレス(SUS430)のみで形成した場合(グラフQ0である。)と、の定着装置の昇温特性(立ち上げ特性)を比較した実験結果である。具体的には、それぞれの定着装置について、電力投入と同時に支持ローラ23を回転させて定着ベルト22を昇温させて、定着ベルト22の表面温度の経時変化を測定した。なお、加熱初期の投入電力は、それぞれ同等になるように調整した。
ここで、昇温特性とは、定着ベルト22がトナーを定着するために必要な温度(本実施の形態1では180℃である。)まで昇温する時間の長短であって、昇温時間が短いほどユーザーにとって使いやすい装置ということになる。
Hereinafter, a detailed description will be given based on experimental results and simulation results.
FIG. 7 shows a case where the
Here, the temperature rise characteristic is the length of time for raising the temperature to the temperature required for fixing
図7のグラフQ0から、支持ローラ23をSUS430のみで形成した場合には、自己温度制御性がないために、電力を投入しつづけると定着ベルト22の温度が定着可能温度(180℃)を超えても昇温を続けてしまう。そのために、過昇温を防止するためには、温度センサ等を用いた温度制御が必要になる。
なお、グラフQ0から、昇温速度が時間とともに緩やかに低下していくことがわかる。これは、SUS430の体積抵抗率が、温度が上昇するにつれて高くなることに起因している。体積抵抗率が大きくなることによって、定着装置全体のインピーダンスが大きくなり、発熱に使用される電力が小さくなることが原因である。
From the graph Q0 in FIG. 7, when the
It can be seen from the graph Q0 that the rate of temperature increase gradually decreases with time. This is due to the fact that the volume resistivity of SUS430 increases as the temperature increases. This is because the increase in the volume resistivity increases the impedance of the entire fixing device and reduces the power used for heat generation.
図7のグラフQ1から、支持ローラ23を整磁合金のみで形成した場合には、支持ローラがキュリー点(250℃)まで昇温すると、それ以上温度が上がらない。そのため、定着ベルト22の温度は、低下した整磁合金の発熱量と定着ベルト22の放熱量とがつりあう温度(約230℃である。)で停止する。このような整磁合金の自己温度制御能力によって、温度センサ等がなくても支持ローラ22(又は定着ベルト22)の過昇温を防止することができる。
From the graph Q1 in FIG. 7, when the
ところが、支持ローラ23を整磁合金のみで形成した場合には、支持ローラ23をSUS430のみで形成した場合と比較して、昇温特性(立ち上げ時間)が低下している。これは、整磁合金における透磁率の経温変化によるものである。
整磁合金は、その温度がキュリー点以上になると急峻に透磁率が減少して非磁性になる合金ではあるが、温度がキュリー点になった瞬間に非磁性になるわけではない。キュリー点以下の温度のときであっても、その温度がキュリー点近傍であれば昇温するに連れて徐々に磁性は弱くなっていく。そのため、SUS430のように体積抵抗率が高くなるだけではなく、透磁率が低くなる現象も重なって、温度上昇による昇温速度の低下率がSUS430よりも大きくなる。結果として、定着可能温度までの昇温時間がSUS430よりも長くなってしまう。
この問題を解決するために、整磁合金のキュリー点を高く設定して、定着可能温度近傍の温度では透磁率の減少が生じないようにする方策も考えられる。しかし、その場合、整磁合金による自己温度制御能力が低下してしまい、過昇温を防止するためには温度センサ等を用いた温度制御が必要になる。
However, when the
A magnetic shunt alloy is an alloy that becomes nonmagnetic due to a sharp decrease in magnetic permeability when its temperature rises above the Curie point, but does not become nonmagnetic at the moment when the temperature reaches the Curie point. Even at a temperature below the Curie point, if the temperature is in the vicinity of the Curie point, the magnetism gradually weakens as the temperature rises. Therefore, not only does the volume resistivity increase as in SUS430, but also the phenomenon in which the magnetic permeability decreases, the rate of decrease in temperature rise rate due to temperature increase becomes greater than that of SUS430. As a result, the temperature rise time to the fixing possible temperature becomes longer than SUS430.
In order to solve this problem, a measure can be considered in which the Curie point of the magnetic shunt alloy is set high so that the magnetic permeability does not decrease at a temperature near the fixable temperature. However, in that case, the self-temperature control ability by the magnetic shunt alloy is reduced, and temperature control using a temperature sensor or the like is necessary to prevent overheating.
本願発明者は、鋭意検討の結果、発熱部材である支持ローラ23を、整磁合金からなる第1発熱層23aと、第1発熱層23aよりも体積抵抗率の低い導電性材料からなる第2発熱層23bと、によって構成することで、上述の問題を解決できることを知得した。
電磁誘導加熱の発熱効率を高めるためには、差交する磁束量を多くするとともに、発熱部材の導電率を大きくしてやるとよい。支持ローラ23を上述の構成とすることで、支持ローラ23の導電率が大きくなって、発熱効率と自己温度制御性とが高められる。
As a result of diligent study, the inventor of the present application divides the
In order to increase the heat generation efficiency of electromagnetic induction heating, it is desirable to increase the amount of magnetic flux to be crossed and increase the conductivity of the heat generating member. By configuring the
具体的に、図4を参照して、整磁合金からなる第1発熱層23aは、その層厚が0.3mmに設定されている。第1発熱層23aの両側に形成された銅メッキの第2発熱層23bは、それぞれの層厚が5μm(合計層厚10μmである。)に設定されている。
このように、第1発熱層23aの両側に第2発熱層23bを設けることで、支持ローラ23を挟み込む双方のコイル部25から発生する磁束を双方の第2発熱層23bに鎖交させることができるために、支持ローラ23の発熱効率が向上する。
Specifically, referring to FIG. 4, the thickness of the first
As described above, by providing the second
なお、本実施の形態1では、第1発熱層23aの両側に第2発熱層23bを設けたが、第1発熱層23aの片側(内周面側又は外周面側である。)のみに第2発熱層23bを設けることもできる。この場合でも、支持ローラ23の発熱効率の低下を軽減しつつ、高い自己温度制御性を維持して支持ローラ23の過昇温を防止することができる。
また、第2発熱層23bの工法は、メッキ工法に限定されることなく、蒸着、溶着、金属箔の接着、等の他の工法を用いることもできる。
In the first embodiment, the second
Moreover, the construction method of the second
図8は、支持ローラ23をキュリー点が250℃で厚さが0.3mmの整磁合金のみで形成した場合(グラフQ1である。)と、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成した場合(本実施の形態1の構成であって、グラフS1である。)と、の定着装置の昇温特性(立ち上げ特性)を比較した結果である。
図8から、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成した場合には、昇温特性が著しく向上していることがわかる。具体的に、定着ベルト22の表面温度が定着可能温度(180℃)まで昇温する時間は、グラフQ1が50秒であるのに対して、グラフS1が30秒であった。
また、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成した場合には、自己温度制御能力も向上していることがわかる。具体的に、定着ベルト22の表面温度が制御維持される温度は、グラフQ1が230℃であるのに対して、グラフS1が220℃であった。
FIG. 8 shows a case where the
From FIG. 8, it can be seen that when the
It can also be seen that when the
図9は、交流磁場解析シミュレーションによって計算した支持ローラ23の発熱量を、本実施の形態1のものと従来のものとで比較した結果である。図9は、支持ローラ23をキュリー点が250℃で厚さが0.3mmの整磁合金のみで形成したときの支持ローラ23の発熱量を100とした場合の、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成したとき(本実施の形態1の構成である。)の支持ローラ23の発熱量の比率を表示している。なお、双方の定着装置において、コイル部25に入力する電圧の大きさは等しくしている。
FIG. 9 is a result of comparing the heat generation amount of the
図9から、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成した場合には、支持ローラ23を整磁合金のみで形成した場合に比べて、発熱量が164%に向上していることがわかる。この結果は、図8にて昇温効率が向上した結果とも一致している。
計算結果からも発熱量が向上した理由としては、整磁合金に銅メッキを施すことによって支持ローラ23(発熱部材)の導電率が向上したことがあげられる。具体的には、支持ローラ23のインダクタンスが低下して、実効抵抗が増加することによって、コイル部25に同じ電圧をかけたときに得られる有効電力が大きくなるとともに、磁気結合も向上して電力の熱変換効率も向上する。
From FIG. 9, when the
The reason why the calorific value is improved also from the calculation result is that the conductivity of the support roller 23 (heat generating member) is improved by applying copper plating to the magnetic shunt alloy. Specifically, when the inductance of the
図10も、交流磁場解析シミュレーションによって計算した支持ローラ23の発熱量を、本実施の形態1のものと従来のものとで比較した結果である。図10(A)は、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成したとき(本実施の形態1の構成である。)、支持ローラ23の温度がキューリー点以下であるときの発熱量を100とした場合の、支持ローラ23の温度がキューリー点以上であるときの発熱量の比率を表示している。図10(B)は、支持ローラ23を整磁合金のみで形成したとき、支持ローラ23の温度がキューリー点以下であるときの発熱量を100とした場合の、支持ローラ23の温度がキューリー点以上であるときの発熱量の比率を表示している。
FIG. 10 is also a result of comparing the heat generation amount of the
図10から、支持ローラ23の温度がキュリー点以下からキュリー点以上になることで、整磁合金の磁性が失われて発熱量が低下するのがわかる。そして、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成した場合には、発熱量の低下率が大きくなることがわかる。具体的に、温度がキューリー点以下からキューリー点以上になった場合の発熱量低下率は、支持ローラ23を整磁合金のみで形成した場合には32%であるのに対して、支持ローラ23を整磁合金(第1発熱層23a)及び銅メッキ(第2発熱層23b)で形成した場合には12%であった。すなわち、本実施の形態1の構成によって、定着装置における自己温度制御能力が向上していることが確認できる。
From FIG. 10, it can be seen that when the temperature of the
これは、第2発熱層23bの材料として用いた銅が、非磁性かつ低抵抗の金属であることによる。すなわち、非磁性かつ低抵抗の金属は、渦電流が流れやすいが、実効抵抗が低いためジュール熱があまり発生せずにコイル部25からの磁界に対する反作用磁界が多く発生する。したがって、支持ローラ23の温度がキュリー点以下のときには、銅メッキにより支持ローラ23全体に渦電流が流れやすくなって、整磁合金の発熱量が大きくなる。これに対して、支持ローラ23の温度がキュリー点以上のときには、整磁合金が誘導加熱されにくい材料になるとともに、銅の反作用磁界を発生する効果によってコイル部25からの磁束が弱められて発熱量が非常に小さくなる。
このように、支持ローラ23を、整磁合金からなる第1発熱層23aと、第1発熱層23aよりも体積抵抗率の低い導電性材料からなる第2発熱層23bと、によって構成することにより、発熱効率が良好で、自己温度制御能力の高い定着装置を提供することができる。
This is because the copper used as the material of the second
Thus, the
図11は、本実施の形態1の支持ローラ23における第1発熱層23a及び第2発熱層23bの発熱の割合を、交流磁場解析シミュレーションによって計算した結果である。図11に示すように、整磁合金(第1発熱層23a)の発熱量N1は支持ローラ23全体の発熱量の78%であって、銅(第2発熱層23b)の発熱量N2は全体の22%であった。図11から、整磁合金(第1発熱層23a)が主たる発熱層として機能して、銅(第2発熱層23b)が支持ローラ23全体の導電率を大きくして従たる発熱層として機能することがわかる。そして、支持ローラ23の温度がキュリー点以上のときには、銅(第2発熱層23b)は発熱せずに、自己温度制御機能を向上させることになる。
FIG. 11 shows the result of calculation of the ratio of heat generation of the first
図12は、第1発熱層23a及び第2発熱層23bからなる本実施の形態1の支持ローラ23の構成において、第2発熱層23b(銅)の厚さを変更したときの、第1発熱層23a及び第2発熱層23bの発熱の割合を交流磁場解析シミュレーションによって計算した結果である。図13は、第1発熱層23a及び第2発熱層23bからなる本実施の形態1の支持ローラ23の構成において、第2発熱層23b(銅)の厚さを変更したときの、支持ローラ23の総発熱量の変化を交流磁場解析シミュレーションによって計算した結果である。なお、図12及び図13における交流磁場解析シミュレーションは、整磁合金の外周のみに銅メッキを施した支持ローラを計算モデルとしている。
FIG. 12 shows the first heat generation when the thickness of the second
図12及び図13から、銅(第2発熱層23b)の厚さが厚くなるほど、整磁合金(第1発熱層23a)の発熱の割合N1が増加して、銅の発熱の割合N2が低下していき、支持ローラ23全体の発熱量が増加していくことがわかる。これは、銅を厚くすることによって支持ローラ23全体の導電率が大きくなることによる。したがって、銅(第2発熱層23b)の厚さは、コイル部25に印加される交番電流の周波数が30kHzのときの浸透深さ(380μm)よりも薄い範囲であれば、厚いほど良いことになる。なお、銅(第2発熱層23b)の厚さが浸透深さ(380μm)よりも厚くなってしまうと、コイル部25の磁束が整磁合金にまで届かなくなってしまうために、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで構成する技術的意義がなくなってしまう。
From FIG. 12 and FIG. 13, as the thickness of copper (second
また、図13から、銅メッキの厚さが所定値よりも厚くなると、支持ローラ23全体の発熱量の増加率が減少することがわかる。支持ローラ23を素早く昇温させるためには発熱量の増大と熱容量の低下とが必要であるために、実際に使用する銅(第2発熱層23b)の厚さは10〜60μmとすることが好ましい。なお、この値は整磁合金(第1発熱層23a)の片側に施す銅メッキの最適な厚さを示している。したがって、図4に示すように整磁合金(第1発熱層23a)の両側に第2発熱層23bを設ける場合には、両側の第2発熱層23bの厚さをそれぞれ10〜60μmとすることになる。
Further, FIG. 13 shows that when the thickness of the copper plating becomes larger than a predetermined value, the rate of increase in the amount of heat generated by the
なお、本実施の形態1では、第2発熱層23bを銅にて形成したが、第2発熱層23bをニッケルにて形成することもできる。
図14は、交流磁場解析シミュレーションによって計算した支持ローラ23の発熱量を、従来のものと比較した結果であって、先に説明した図9に対応するものである。図14は、支持ローラ23をキュリー点が250℃で厚さが0.3mmの整磁合金のみで形成したときの支持ローラ23の発熱量を100とした場合の、支持ローラ23を第1発熱層23a(整磁合金)及び第2発熱層23b(ニッケル)で形成したときの支持ローラ23の発熱量の比率を表示している。第1発熱層23a及び第2発熱層23bの層厚や、交番電流の周波数は、本実施の形態1のものと同等である。
In the first embodiment, the second
FIG. 14 shows the result of comparison of the heat generation amount of the
図14から、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23b(ニッケル)で形成した場合には、支持ローラ23を整磁合金のみで形成した場合に比べて、発熱量が125%に向上していることがわかる。これは、第2発熱層23b(ニッケル)の体積抵抗率が7.24×10-8Ω・mであって、第1発熱層23a(整磁合金)の体積抵抗率(8.0×10-7Ω・m)よりも低いことによるものである。このように、磁性体であるニッケルを第2発熱層23bに用いた場合であっても、第1発熱層23aよりも体積抵抗率の低い導電性材料であれば、本実施の形態1とほぼ同等の効果を得ることができる。
From FIG. 14, when the
また、第2発熱層23b(ニッケル)の厚さは、コイル部25に印加される交番電流の周波数が30kHzのときの浸透深さ以下であれば自己温度制御機能が充分に発揮されることから、10〜30μm程度が好ましい。
このように第2発熱層23bとしてニッケルメッキを使用することによって、発熱量の向上効果は銅メッキよりも減少するものの、支持ローラ23に対する防錆性や耐磨耗性が向上して、長寿命な定着装置を提供することができる。
Further, since the thickness of the second
By using nickel plating as the second
また、本実施の形態1における定着装置は、コイル部25に交番電流を印加する高周波電源部40が安定化する効果を得ることができる。
図15及び図16は、本実施形態1における定着装置において、第1発熱層23aに用いる整磁合金のキュリー点を250℃よりも低く220℃に設定したときの、定着ベルト22の表面温度変化(支持ローラ23の昇温特性である。)と電源部40の消費電力特性とを確認した実験結果である。なお、定着ベルト22の表面を180℃に制御するとき、支持ローラ23から定着ベルト22を経由して定着装置を構成する周辺部材への伝熱による損失があるために、整磁合金は制御温度以上のキュリー点を有さなければならない。
Further, the fixing device according to the first embodiment can obtain an effect of stabilizing the high frequency
15 and 16 show changes in the surface temperature of the fixing
図15は、支持ローラ23を上述の整磁合金のみで構成した場合の、定着ベルト22の表面温度変化と電源部40の消費電力特性とを確認した実験結果である。図16は、支持ローラ23を上述の整磁合金(第1発熱層23a)と銅(第2発熱層23b)とで構成した場合の、定着ベルト22の表面温度変化と電源部40の消費電力特性とを確認した実験結果である。なお、図16に係わる第1発熱層23a及び第2発熱層23bの層厚や配置は、本実施の形態1のものと同等である。また、図15及び図16の定着装置に交番電流を供給する高周波電源部40には、どちらも同等のものを用い、その消費電力が1200Wとなるように制御した。
FIG. 15 shows experimental results in which the change in surface temperature of the fixing
図15に示すように、支持ローラ23を整磁合金のみで構成した場合には、定着ベルト22の表面温度が180℃に到達する前に、電源部40の許容電流・電圧を超過して電源部40が非常停止してしまった。
これに対して、図16に示すように、支持ローラ23を整磁合金(第1発熱層23a)と銅(第2発熱層23b)とで構成した場合には、定着ベルト22の表面温度が定着温度まで加熱されて、さらに定着ベルト22の昇温が所望の200℃程度で抑えられた。また、電源部40の非常停止がなくて、電源部40が安定的に動作していることが確認された。
As shown in FIG. 15, when the
On the other hand, as shown in FIG. 16, when the
以下、電源部40の非常停止について説明する。
定着ベルト22表面を180℃に加熱するとき、支持ローラ23はキュリー点近傍まで発熱している。このとき、第1発熱層23aの磁性が低下するために、コイル部25と組み合わせたときの電気特性が変化する。具体的には、インダクタンス及び抵抗が低下して、インピーダンスが低下することから、電源部40(インバータ電源)から見ると、コイル部へ電流・電圧を給電しやすい状態になる。このとき、第1発熱層23aの磁性が低下する前と同じ電圧をコイル部25に加えていると、電源部40から給電可能な電流を超えようとするために、予め回路の過電流を防止するために具備されている安全装置が働いて、非常停止が発生する。すなわち、整磁合金のキュリー点と制御温度との差が小さくなることによって、支持ローラ23が制御温度近傍に昇温したときの電気特性の変化が大きくなるために、電源部40の許容電流・電圧に対して余裕度が低下してしまう。
Hereinafter, an emergency stop of the
When the surface of the fixing
整磁合金(第1発熱層23a)に第2発熱層23bを付加したときに電源部40の非常停止が生じないのは、第2発熱層23bとして非磁性材料(又は、キュリー点が制御温度よりも充分に高い磁性材料)が使用されることによって、第1発熱層23aのキュリー点近傍で第1発熱層23aの電気特性が変化しても第2発熱層23bの電気特性が変化しないことによる。そのため、支持ローラ23全体(第1発熱層23a及び第2発熱層23b)の電気特性の変化が抑制される。
このように、本実施の形態1における定着装置20は、支持ローラ23の昇温特性及び自己温度制御能力の向上に加えて、電源部40の許容電流・電圧に対する余裕度が向上して電源部40の安定化が達成される。
When the second
As described above, in the fixing
以上説明したように、本実施の形態1では、電磁誘導加熱方式の定着装置20において、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層23aに加えて、第1発熱層23aに比べて体積抵抗率が低い第2発熱層23bを発熱部材としての支持ローラ23に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、さらには電源部40を安定化することができる。
As described above, in the first embodiment, in the electromagnetic induction heating
なお、本実施の形態1では、第1発熱層23a及び第2発熱層23bを有する支持ローラ23を発熱部材として用いた。これに対して、定着ベルト22に第1発熱層及び第2発熱層を設けて、支持ローラの代わりに定着ベルトを発熱部材として用いることもできる。また、定着ベルト22と支持ローラ23とを発熱部材として用いることもできる。その場合も、発熱部材として用いる部材に本実施の形態1と同様の第1発熱層及び第2発熱層を設けることで、本実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
In the first embodiment, the
実施の形態2.
図17〜図19にて、この発明の実施の形態2について詳細に説明する。
図17は、実施の形態2における定着装置の支持ローラ及びコイル部を示す断面図であって、前記実施の形態1における図4に対応する図である。本実施の形態2における定着装置は、支持ローラ23が第2発熱層23bに対してコイル部25側にニッケル層を具備している点が、前記実施の形態1のものとは相違する。
A second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating the support roller and the coil portion of the fixing device according to the second embodiment, and corresponds to FIG. 4 according to the first embodiment. The fixing device according to the second embodiment is different from that according to the first embodiment in that the
図17に示すように、本実施の形態2における、発熱部材としての支持ローラ23は、第1発熱層23aと、第1発熱層23aの両側にそれぞれ配設された第2発熱層23bと、第2発熱層23b上にそれぞれ形成されたニッケル層23cと、で構成されている。
第1発熱層23aは、前記実施の形態1と同様の整磁合金からなり、厚さが0.3mmになるように形成されている。第2発熱層23bは、銅メッキ層であって、それぞれの厚さが7.5μm(合計の厚さが15μmである。)になるように形成されている。ニッケル層23cは、ニッケルメッキ層であって、それぞれの厚さが0.5μm(合計の厚さが1μmである。)になるように形成されている。
As shown in FIG. 17, the
The first
本実施の形態2の定着装置も、前記実施の形態1のものと同様に、支持ローラ23の表裏面を挟むように、コイル部25が配設されている。そして、コイル部25から発生される磁束によって、支持ローラ23が電磁誘導加熱されることになる。
In the fixing device according to the second embodiment, the
図18は、交流磁場解析シミュレーションによって計算した支持ローラ23の発熱量を、前記実施の形態1のものと本実施の形態2ものとで比較した結果である。図18は、前記実施の形態1における第2発熱層の厚さをそれぞれ7.5μmとしたときの支持ローラ23の発熱量を100とした場合の、本実施の形態2における支持ローラ23の発熱量の比率を表示している。なお、交流磁場解析シミュレーションによる計算条件は、先に説明した図9、図14のものと同様である。
FIG. 18 shows a result of comparing the heat generation amount of the
図18から、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23b及びニッケル層23cで形成した場合の発熱量は、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23bで形成した場合の発熱量の99%であって、双方にほとんど差異がないことがわかる。
本実施の形態2では、比較的錆や磨耗が生じやすい銅メッキ層(第2発熱層23b)上にニッケル層23cを設けているために、支持ローラ23の防錆性や耐磨耗性が向上されて、定着装置を長寿命化することができる。また、図18の結果から、ニッケル層23cを設けることによる支持ローラ23の発熱効率の低下もほとんど生じないことがわかる。
From FIG. 18, when the
In the second embodiment, since the
図19は、本実施の形態2の支持ローラ23において、温度がキューリー点以下であるときの発熱量を100とした場合の、支持ローラ23の温度がキューリー点以上であるときの発熱量の比率を示した計算結果である。
図19から、支持ローラ23の温度がキュリー点以上になることでキュリー点以下のときの24%まで発熱量が低減して、支持ローラ23の自己温度制御性が充分に確保されていることがわかる。
FIG. 19 shows the ratio of the heat generation amount when the temperature of the
From FIG. 19, when the temperature of the
これらの結果から、図17に示すように、支持ローラ23を第1発熱層23a及び第2発熱層23b及びニッケル層23cで形成することで、発熱効率及び自己温度制御性が高く、長寿命化された定着装置を提供することができる。この場合、ニッケル層23cは、誘導加熱に影響を与えないような厚さとすることが必要である。具体的に、ニッケル層23cの厚さは片側10μm以下にすることが望ましい。
From these results, as shown in FIG. 17, the
以上説明したように、本実施の形態2でも、前記実施の形態1と同様に、電磁誘導加熱方式の定着装置20において、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層23aに加えて、第1発熱層23aに比べて体積抵抗率が低い第2発熱層23bを発熱部材としての支持ローラ23に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、さらには電源部40を安定化することができる。
さらに、本実施の形態2では、第2発熱層23bに対してコイル部25側にニッケル層23cを設けているために、支持ローラ23に錆や磨耗が生じるのを軽減することができる。
As described above, in the second embodiment, as in the first embodiment, in the electromagnetic induction heating
Furthermore, in the second embodiment, since the
実施の形態3.
図20にて、この発明の実施の形態3について詳細に説明する。
図20は、実施の形態3における画像形成装置の要部を示す断面図である。本実施の形態3の画像形成装置は、主として、タンデム型のカラー画像形成装置である点と、発熱部材及び定着部材として定着ローラ31を用いている点とが、前記実施の形態1のものとは相違する。
The third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating a main part of the image forming apparatus according to the third embodiment. The image forming apparatus of the third embodiment is mainly the tandem type color image forming apparatus, and the point that the fixing
本実施の形態3における画像形成装置は、タンデム型のカラー画像形成装置である。図20に示すように、作像部には、複数の感光体ドラム18BK、18Y、18M、18Cが転写ベルト8上に並設されている。図示は省略するが、複数の感光体ドラム18BK、18Y、18M、18Cの外周には、帯電部、露光部、現像部、クリーニング部、除電部が配設されている(図1のプロセスカートリッジ4を参照できる。)。そして、各感光体ドラム18BK、18Y、18M、18C上で、各色(ブラック、イエロー、マゼンタ、シアン)のトナー像が形成される。 The image forming apparatus according to the third embodiment is a tandem color image forming apparatus. As shown in FIG. 20, a plurality of photosensitive drums 18BK, 18Y, 18M, and 18C are arranged in parallel on the transfer belt 8 in the image forming unit. Although not shown, a charging unit, an exposure unit, a developing unit, a cleaning unit, and a charge eliminating unit are disposed on the outer periphery of the plurality of photosensitive drums 18BK, 18Y, 18M, and 18C (process cartridge 4 in FIG. 1). Can be referred to.) Then, a toner image of each color (black, yellow, magenta, cyan) is formed on each photosensitive drum 18BK, 18Y, 18M, 18C.
転写部7は、記録媒体Pを搬送する転写ベルト8、各感光体ドラム18BK、18Y、18M、18Cに対して転写ベルト8を介して対向するバイアスローラ9、転写ベルト8表面を清掃するクリーニングローラ14、等で構成される。
転写ベルト8は、矢印方向から搬送される記録媒体Pを、各感光体ドラム18Y、18M、18C、18BKとの対向位置に順次搬送する。このとき、バイアスローラ9に印加される転写バイアスによって、記録媒体P上に各色のトナー像が重ねて転写される。こうして、記録媒体P上にフルカラーのトナー像が形成される。その後、フルカラーのトナー像が形成された記録媒体Pは、転写ベルト8から分離されて、定着装置20に向けて搬送されることになる。
The transfer unit 7 includes a transfer belt 8 that transports the recording medium P, a bias roller 9 that faces each of the photosensitive drums 18BK, 18Y, 18M, and 18C via the transfer belt 8, and a cleaning roller that cleans the surface of the transfer belt 8. 14, etc.
The transfer belt 8 sequentially conveys the recording medium P conveyed from the direction of the arrow to a position facing each of the
一方、本実施の形態3の定着装置20は、主として、発熱部材としての定着ローラ31(定着部材)、加圧ローラ30、誘導加熱部24等で構成される。
定着ローラ31は、整磁合金からなる第1発熱層31a、銅からなる第2発熱層31b、シリコーンゴム等からなる弾性層、フッ素化合物等からなる離型層、等で構成される。定着ローラ31の第1発熱層31aは、前記実施の形態1と同様に、キューリー点が定着可能温度以上であって300℃以下となる整磁合金によって形成されるとともに、その厚さが上式(1)の関係を満足するように形成されている。定着ローラ31の第2発熱層31bは、前記実施の形態1と同様に、第1発熱層31aの体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する導電性材料で形成されるとともに、その厚さが上式(2)の関係を満足するように形成されている。
On the other hand, the fixing
The fixing
また、誘導加熱部24は、前記実施の形態1と同様に、ループ状に形成されたコイル部25で構成される。すなわち、コイル部25は、定着ローラ31の表裏面(内周面及び外周面である。)を挟むように配設されている。
そして、コイル部25に所望の周波数の交番電流が供給されることで、コイル部25のループ内に磁力線が形成されて、電磁誘導により定着ローラ31の発熱層31a、31bが加熱される。そして、発熱層31a、31bの発熱によって、定着ローラ31全体が加熱される。このようにして、加熱された定着ローラ31は、矢印方向から搬送される記録媒体P上のトナー像を加熱・溶融して記録媒体Pに定着する。
Moreover, the
When an alternating current having a desired frequency is supplied to the
本実施の形態3においても、定着ローラ31の第1発熱層31aの温度がキューリー点を超えた場合には、前記実施の形態1と同様に、発熱部材(定着ローラ31)の発熱が効率よく制限されることになる。
Also in the third embodiment, when the temperature of the first
以上説明したように、本実施の形態3では、電磁誘導加熱方式の定着装置20において、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層31aに加えて、第1発熱層31aに比べて体積抵抗率が低い第2発熱層31bを発熱部材としての定着ローラ31に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、さらには電源部を安定化することができる。
As described above, in the third embodiment, in the electromagnetic induction heating
なお、本実施の形態3では、誘導加熱部24に対向する定着部材として定着ローラ31を用いたが、誘導加熱部24に対向する定着部材として円筒状の定着ベルト(定着フィルム)を用いることもできる。この場合、定着ベルトを円筒状に保持する保持部材を、定着ベルトの内周面の一部に当接させることになる。さらに、定着ベルトと加圧ローラ30との適正な定着ニップを形成するために、定着ベルトの内周面であって加圧ローラ30に対向する位置に加圧部材を当接させることになる。このような定着装置20に対しても、発熱部材としての定着ベルトにおける発熱層の表裏面を挟むようにコイル部25を配設するとともに、定着ベルトに第1発熱層及び第2発熱層を設けることで、本実施の形態3と同様の効果を得ることができる。
In the third embodiment, the fixing
実施の形態4.
図21にて、この発明の実施の形態4について詳細に説明する。
図21は実施の形態4における定着装置を示す断面図であって、前記実施の形態1の図2に相当する図である。本実施の形態4の定着装置は、誘導加熱部24の位置が、前記実施の形態1のものとは相違する。
Embodiment 4 FIG.
A fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing the fixing device according to the fourth embodiment, and corresponds to FIG. 2 of the first embodiment. In the fixing device of the fourth embodiment, the position of the
本実施の形態4における定着装置20は、主として、定着部材としての定着ベルト22、発熱部材としての発熱板28、誘導加熱部24、支持ローラ23、加圧ローラ30等で構成される。
発熱板28は、キューリー点が定着可能温度以上であって300℃以下となる整磁合金からなる第1発熱層28aと、第1発熱層28aよりも低い体積抵抗率を有する第2発熱層28bと、で構成されている。発熱板28は、定着ベルト22の内周面に、所定の圧力で当接している。
The fixing
The
図21に示すように、本実施の形態4の誘導加熱部24は、支持ローラ23から定着補助ローラ21に至る定着ベルト22及び発熱板28の外周面及び内周面に対向する位置に配設されたループ状のコイル部25である。すなわち、コイル部25は、定着ベルト22及び発熱板28を挟さむように配設されている。
As shown in FIG. 21, the
このように構成された定着装置20において、ループ状のコイル部25に所望の周波数の交番電流が供給されることで、定着ベルト22及び発熱板28を挟むコイル部25の間に磁力線が形成されて、電磁誘導により発熱板28が誘導加熱される。そして、発熱板28の発熱によって、定着ベルト22が加熱される。
本実施の形態4においても、発熱板28における第1発熱層28aの温度がキューリー点を超えた場合には、前記実施の形態1と同様に、発熱部材(発熱板28)の発熱が効率よく制限されることになる。
In the fixing
Also in the fourth embodiment, when the temperature of the first heat generating layer 28a in the
以上説明したように、本実施の形態4では、電磁誘導加熱方式の定着装置20において、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層28aに加えて、第1発熱層28aに比べて体積抵抗率が低い第2発熱層28bを発熱部材としての発熱板28に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、さらには電源部を安定化することができる。
As described above, in the fourth embodiment, in the electromagnetic induction heating
実施の形態5.
図22〜図26にて、この発明の実施の形態5について詳細に説明する。
図22は、実施の形態5における定着装置20を示す断面図である。図23は第1発熱層の温度がキューリー点以下であるときに支持ローラに作用する磁束の状態を示す概略図であって、図24は第1発熱層の温度がキューリー点以上であるときに支持ローラに作用する磁束の状態を示す概略図である。
本実施の形態5における定着装置は、磁束発生手段としての誘導加熱部24が定着ローラ31の外周面側のみに対向するように配設されている点が、磁束発生手段としての誘導加熱部24が定着ローラ31の表裏面に対向するように配設されている前記実施の形態3のものとは相違する。
A fifth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing
In the fixing device according to the fifth embodiment, the
図22に示すように、磁束発生手段としての誘導加熱部24は、定着ローラ31の外周面側のみに対向するように配設されている。誘導加熱部24は、コイル部25、コア部26、コイルガイド27、等で構成される。コイル部25は、定着ローラ31の外周の一部を覆うように配設されたコイルガイド27上に細線を束ねたリッツ線を巻回して幅方向(図22の紙面垂直方向である。)に延設したものである。コイルガイド27は、耐熱性の高い樹脂材料等からなり、コイル部25を保持する。コア部26は、フェライト等の強磁性体(比透磁率が1000〜3000程度である。)からなり、発熱層31a、31bに向けて効率のよい磁束を形成するためにセンターコア26aやサイドコア26bが設けられている。コア部26は、幅方向に延設されたコイル部25に対向するように設置されている。
As shown in FIG. 22, the
定着ローラ31は、厚さが1mmのアルミニウムからなる芯金31d上に、弾性層31c、第1発熱層31a、第2発熱層31b、離型層(不図示である。)、が順次積層されたものである。
弾性層31cは、シリコーンゴム等の弾性材料からなり、その厚さは50〜500μmになっている。これにより、熱容量がそれ程大きくなく、良好な定着画像を得ることができる。
In the fixing
The
第1発熱層31aは、キューリー点が300℃以下になる整磁合金からなり、その厚さは50μmになっている。
第2発熱層31bは、第1発熱層31aに比べて体積抵抗率が低い銅からなり、その厚さは15μmになっている。
離型層は、PFA等のフッ素化合物で形成され、その厚さは30μmになっている。離型層は、トナー像(トナー)Tが直接的に接する定着ローラ20表面のトナー離型性を高めるためのものである。
なお、本実施の形態5では、第2発熱層31bを第1発熱層31aの外周面側に配設したが、第2発熱層31bを第1発熱層31aの内周面側又は両側に配設することもできる。
The first
The second
The release layer is formed of a fluorine compound such as PFA and has a thickness of 30 μm. The release layer is for improving the toner release property on the surface of the fixing
In the fifth embodiment, the second
このように構成された定着装置20は、次のように動作する。
不図示の駆動モータによって、定着ローラ31が図22の時計方向に回転駆動されると、加圧ローラ30も反時計方向に回転する。そして、定着部材としての定着ローラ31は、誘導加熱部24との対向位置で、誘導加熱部24から発生される磁束によって加熱される。
The fixing
When the fixing
詳しくは、不図示の電源部からコイル部25に10kHz〜1MHz(好ましくは、20kHz〜800kHzである。)の高周波交番電流を流すことで、発熱層31a、31bの近傍に磁力線が双方向に交互に切り替わるように形成される。このように交番磁界が形成されることで、定着ローラ20の発熱層31a、31bに渦電流が生じて、発熱層31a、31bはその電気抵抗によってジュール熱が発生して誘導加熱される。こうして、定着ローラ20は、自身の発熱層31a、31bの誘導加熱によって加熱される。
Specifically, by supplying a high-frequency alternating current of 10 kHz to 1 MHz (preferably 20 kHz to 800 kHz) from the power supply unit (not shown) to the
その後、誘導加熱部24によって加熱された定着ローラ31表面は、加圧ローラ30との当接部に達する。そして、搬送される記録媒体P上のトナー像T(トナー)を加熱して溶融する。定着位置を通過した定着ローラ31表面は、その後に再び誘導加熱部24との対向位置に達する。
このような一連の動作が連続的に繰り返されて、画像形成プロセスにおける定着工程が完了する。
Thereafter, the surface of the fixing
Such a series of operations is continuously repeated to complete the fixing step in the image forming process.
図23は、整磁合金からなる第1発熱層31aの温度がキュリー点以下であるときにコイル部25から発生する磁束の状態を破線矢印で示したものである。
第1発熱層31aの温度がキュリー点以下であるとき、コイル部25から発生する磁束は、コア部26を経路として第2発熱層31b、第1発熱層31aを通り、再びコア部26に戻る。これは、整磁合金からなる第1発熱層31aが磁性体となって、浸透深さが非常に浅くなることによる。そのため、磁束は、第1発熱層31aを透過しない磁気回路を形成する。そして、定着ローラ31に誘導電流が流れてジュール熱によって発熱する。
本実施の形態5でも、第1発熱層31a上に第2発熱層31bを設けているために、良好な発熱効率を得ることができる。
FIG. 23 shows the state of the magnetic flux generated from the
When the temperature of the first
Also in the fifth embodiment, since the second
図24は、整磁合金からなる第1発熱層31aの温度がキュリー点以上であるときにコイル部25から発生する磁束の状態を破線矢印で示したものである。
第1発熱層31aの温度がキュリー点以上であるとき、コイル部25から発生する磁束は、コア部26を経路として第2発熱層31b、第1発熱層31aを透過して、芯金31dに達した後に、再びコア部26に戻る。これは、整磁合金からなる第1発熱層31aが非磁性体となって、浸透深さが非常に深くなることによる。そのため、磁束は、第2発熱層31b、第1発熱層31a、芯金31dを含めた磁気回路を形成する。
FIG. 24 shows the state of the magnetic flux generated from the
When the temperature of the first
ここで、芯金31dは、非磁性かつ低抵抗であるアルミニウムにて形成されているために、コイル部からの磁界に対する反作用磁界が多く発生して、定着ローラ31全体のインダクタンスが増大して、実効抵抗が小さくなるためにジュール熱による発熱が非常に小さくなる。すなわち、本実施の形態5では、芯金31dが、定着ローラ31の剛性を保つ機能のほかに、磁束を遮蔽する機能を有することになる。なお、芯金31dの材料としては、アルミニウムの他に、金、銀、銅、マグネシウム、又は、それらの合金、等の非磁性・低抵抗材料を用いることができる。
このように、図23及び図24における磁束の違いから、整磁合金(第1発熱層31a)がキュリー点以上に昇温すると、発熱量が非常に小さくなって自己温度制御が働くことになる。本実施の形態5でも、第1発熱層31a上に第2発熱層31bを設けているために、良好な自己温度制御性を得ることができる。
Here, since the cored
Thus, due to the difference in magnetic flux between FIGS. 23 and 24, when the magnetic shunt alloy (first
以下、本実施の形態5における効果を示すシミュレーション結果について説明する。
図25は、交流磁場解析シミュレーションによって計算した定着ローラ31の発熱量を、従来のものと本実施の形態5のものとで比較した結果である。図25は、本実施の形態5における第1発熱層を設けなかったとき(従来の構成である。)の定着ローラ31の発熱量を100とした場合の、本実施の形態5における定着ローラ31の発熱量の比率を表示している。なお、交流磁場解析シミュレーションによる計算条件として、大きさが等しく周波数が30kHzの交番電圧をコイルに印加したこととした。
Hereinafter, simulation results showing the effects in the fifth embodiment will be described.
FIG. 25 is a result of comparing the heat generation amount of the fixing
図25から、定着ローラ31の発熱層として第1発熱層31a及び第2発熱層31bを形成した場合の発熱量は、定着ローラ31の発熱層として第2発熱層31bのみを形成した場合の発熱量の約120%であって、昇温効率が向上していることがわかる。
From FIG. 25, the heat generation amount when the first
図26は、本実施の形態5の定着ローラ31において、温度がキューリー点以下であるときの発熱量を100とした場合の、定着ローラ31の温度がキューリー点以上であるときの発熱量の比率を示した計算結果である。
図26から、定着ローラ31(第1発熱層31a)の温度がキュリー点以上になることで、第1発熱層31aの磁性が失われるとともにアルミニウムからなる芯金31dが磁束を遮蔽するために、キュリー点以下のときの16%まで発熱量が低減して、定着ローラ31の自己温度制御性が充分に確保されていることがわかる。なお、定着ローラ31に第1発熱層31aを設けないとき(従来の構成である。)には、このような自己温度制御性が確保されないことになる。
FIG. 26 shows the ratio of the heat generation amount when the temperature of the fixing
26, since the temperature of the fixing roller 31 (first
以上説明したように、本実施の形態5では、電磁誘導加熱方式の定着装置20において、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層31aに加えて、第1発熱層31aに比べて体積抵抗率が低い第2発熱層31bを発熱部材としての定着ローラ31に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、さらには電源部を安定化することができる。
As described above, in the fifth embodiment, in the electromagnetic induction heating-
なお、本実施の形態5では、定着部材として定着ローラ31を用いたが、定着部材として定着ベルト22を用いた場合であっても本実施の形態5と同様の効果を得ることができる。その場合、定着装置は、定着ベルト22の片面側(例えば、外周面側である。)に誘導加熱部24が配設されることになる。
In the fifth embodiment, the fixing
実施の形態6.
図27にて、この発明の実施の形態6について詳細に説明する。
図27は、実施の形態6における定着装置20を示す断面図であって、前記実施の形態5における図22に対応する。本実施の形態6における定着装置は、磁束発生手段としての誘導加熱部24が定着ローラ31の内周面に対向するように配設されている点が、磁束発生手段としての誘導加熱部24が定着ローラ31の外周面に対向するように配設されている前記実施の形態5のものとは相違する。
Embodiment 6 FIG.
27, the sixth embodiment of the present invention will be described in detail.
FIG. 27 is a cross-sectional view showing
図27に示すように、実施の形態6における定着装置20は、定着ローラ31の内部に誘導加熱部24が設置されている。誘導加熱部25は、コイル部25、コア部26等で構成される。
また、定着ローラ31の外周面に対向するように磁束遮蔽部材50が設置されている。磁束遮蔽部材50は、アルミニウム、金、銀、銅、マグネシウム、又は、それらの合金等の非磁性で低抵抗な材料で形成されている。定着ローラ31を介して誘導加熱部24に対向するように磁束遮蔽部材50を設置することで、定着ローラ31の昇温効率と自己温度制御性とが高められることになる。
As shown in FIG. 27, in the fixing
A magnetic
ここで、本実施の形態6における定着ローラ31は、非磁性ステンレス(SUS304)からなる芯金31d上に、弾性層31c、第2発熱層31b、第1発熱層31a、離型層(不図示である。)、が順次積層されたものである。なお、定着ローラ31における各層の材料や構成等については、第2発熱層31bと第1発熱層31aとの積層順位が異なる以外は、前記実施の形態5のものとほぼ同等である。
Here, the fixing
以上説明したように、本実施の形態6でも、前記実施の形態5と同様に、電磁誘導加熱方式の定着装置20において、キューリー点が300℃以下になる第1発熱層31aに加えて、第1発熱層31aに比べて体積抵抗率が低い第2発熱層31bを発熱部材としての定着ローラ31に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、さらには電源部を安定化することができる。
As described above, in the sixth embodiment, in the same manner as in the fifth embodiment, in the electromagnetic induction heating
実施の形態7.
図28〜図34にて、この発明の実施の形態7について詳細に説明する。
図28は、実施の形態7における定着装置20を示す断面図であって、前記実施の形態5における図22に対応する。本実施の形態7における定着装置は、第1発熱層31aと第2発熱層31bとが互いに離間して配設されている点が、第1発熱層31aと第2発熱層31bとが互いに隣接して配設されている前記実施の形態5のものとは相違する。
Embodiment 7 FIG.
A seventh embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 28 is a cross-sectional view showing
図28に示すように、本実施の形態7における定着装置20も、前記実施の形態5のものと同様に、誘導加熱部24が定着ローラ31の外周面側のみに対向するように配設されている。
そして、本実施の形態7における定着装置20においては、定着ローラ31が、アルミニウムからなる芯金31d(非磁性導電層)上に、第1発熱層31a、弾性層31c、第2発熱層31b、離型層(不図示である。)、が順次積層されたものになっている。すなわち、整磁合金からなる第1発熱層31aと、銅からなる第2発熱層31bと、が電気的絶縁性を有する弾性層31cを挟んで互いに離間して配設されている。
As shown in FIG. 28, the fixing
In the fixing
本実施の形態7において、非磁性導電層としての芯金31dは、第1発熱層31aに対して第2発熱層31bと対向しない側(内周面側である。)に配設されている。芯金31dは、アルミニウムからなり、その厚さが0.5mm以上になるように形成されている。詳しくは、芯金31dは、その体積抵抗率が第1発熱層31aの体積抵抗率よりも低くなるように形成され、その厚さがコイル部25に印加される交番電流の周波数に対応した浸透深さよりも厚くなるように形成されている。
これによって、芯金31d自身の発熱を抑えつつ、磁束を遮蔽する効果を得ることができる。なお、本実施の形態7では、芯金31dの厚さを1mmにした。また、本実施の形態7では、芯金31dの材料としてアルミニウムを用いたが、銅、銀、マグネシウム、又は、それらの合金を用いることもできる。
In the seventh embodiment, the cored
Thereby, the effect of shielding the magnetic flux can be obtained while suppressing the heat generation of the cored
第1発熱層31aは、キューリー点が100〜250℃になる整磁合金からなる。これにより、定着ローラ31が電磁誘導によって過昇温することなく加熱される。なお、本実施の形態7では、第1発熱層31aのキューリー点が150℃に設定されている。
また、第1発熱層31aは、その厚さがコイル部25に印加される交番電流の周波数に対応した浸透深さとほぼ同等になるように形成されている。これにより、電磁誘導加熱によるエネルギーを第2発熱層31bに集中させることができる。なお、本実施の形態7では、第1発熱層31aの厚さが50μmになっている。
The first
The first
弾性層31cは、電気的絶縁性を有する発泡シリコーンゴム等の弾性材料からなり、その厚さは3mmになっている。これにより、定着ローラ31の表面側に配置されている第2発熱層31bの熱が定着ローラ31内部に流れ込まずに昇温効率が向上する。
The
第2発熱層31bは、第1発熱層31aに比べて体積抵抗率が低い良伝導材料としての銅からなり、その厚さは15μmになっている。また、離型層は、PFA、PTFE、FEP等のフッ素化合物で形成され、その厚さは5〜50μm(好ましくは、10〜30μmである。)になっている。
The second
電磁誘導加熱に適した金属としては、一般的に、磁性を有し高抵抗のものが知られている。これに対して、本実施の形態7では、良伝導材料を薄層化することにより、第2発熱層31bの実質的な抵抗を任意に設定することができて発熱量を向上させることができる。なお、第2発熱層31bの材料として、銅以外にも、銀、アルミニウム、マグネシウムを用いることもできるし、磁性良伝導材料であるニッケル等を用いることもできる。
As a metal suitable for electromagnetic induction heating, a metal having magnetism and high resistance is generally known. On the other hand, in the seventh embodiment, by thinning the highly conductive material, the substantial resistance of the second
なお、本実施の形態7では、図示は省略するが、第2発熱層31bが、絶縁性の耐熱樹脂材料からなる基材上にメッキにより形成されている。基材としては、ポリイミド、ポリアミドイミド、PEEK、PES、PPS、フッ素樹脂等を用いることができる。基材の層厚は、熱容量及び強度の点から、30〜200μmに形成されている。
さらに、基材として、非磁性ステンレス(SUS304)等のように誘導加熱に大きな影響を与えない高抵抗・非磁性金属材料を用いることもできる。SUS304を基材とすることで、熱容量を小さくするとともに、電磁誘導加熱のエネルギーを第2発熱層31bに集中させることができる。この場合、SUS304の厚さは、薄ければ薄いほど良く(例えば、50μm以下である。)、少なくとも印加する交流電流の周波数に対応する浸透深さ以下の厚みであることが望ましい。これにより、電磁誘導加熱のエネルギーを第2発熱層31bに集中させることができる。なお、第2発熱層31bの工法は、メッキ工法に限定されることなく、蒸着、溶着、金属箔の接着等の他の工法を用いることもできる。
In the seventh embodiment, although not shown, the second
Furthermore, a high-resistance nonmagnetic metal material that does not significantly affect induction heating, such as nonmagnetic stainless steel (SUS304), can also be used as the base material. By using SUS304 as a base material, the heat capacity can be reduced and the energy of electromagnetic induction heating can be concentrated on the second
このように第1発熱層31aと第2発熱層31bとを互いに離間して配設した構成では、コイル部25から発生される磁束によって、第2発熱層31bが主たる発熱層として電磁誘導加熱される。電磁誘導加熱によって主として加熱される部位を第2発熱層31bに限定する構成をとることにより、立上時に第2発熱層31bを加熱して定着ローラ31表面を180℃まで昇温させても、弾性層31cの存在により第1発熱層31aの温度はキュリー点以下のままになる。したがって、整磁合金を用いていても立上速度の鈍化を防止することができる。
また、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合には、定着ローラ31表面の熱が弾性層31cを介して第1発熱層31aに伝熱して、第1発熱層31aの温度がキュリー点を超えることでその磁性を失い、定着ローラ31の発熱量が低下することになる。
As described above, in the configuration in which the first
Further, when a small-sized recording medium is continuously fixed or when the apparatus suddenly stops driving, the heat on the surface of the fixing
図29は、整磁合金からなる第1発熱層31aの温度がキュリー点以下であるときにコイル部25から発生する磁束の状態を破線矢印で示したものである。
第1発熱層31aの温度がキュリー点以下であるとき、コイル部25から発生する磁束は、コア部26を経路として第2発熱層31b、第1発熱層31aを通り、再びコア部26に戻る。これは、整磁合金からなる第1発熱層31aが磁性体となって、浸透深さが非常に浅くなることによる。そのため、磁束は、芯金31dを透過しない磁気回路を形成する。このとき、渦電流は、浸透深さとほぼ同等の厚さに形成された第1発熱層31aには流れずに、体積抵抗率の低い第2発熱層31bにほとんど流れる。これにより、第2発熱層31bが集中的に加熱される。
FIG. 29 shows the state of the magnetic flux generated from the
When the temperature of the first
図30は、整磁合金からなる第1発熱層31aの温度がキュリー点以上であるときにコイル部25から発生する磁束の状態を破線矢印で示したものである。
第1発熱層31aの温度がキュリー点以上であるとき、コイル部25から発生する磁束は、コア部26を経路として第2発熱層31b、第1発熱層31aを透過して、芯金31dに達した後に、再びコア部26に戻る。これは、整磁合金からなる第1発熱層31aが非磁性体となって、浸透深さが非常に深くなることによる。そのため、磁束は、第2発熱層31b、第1発熱層31a、芯金31dを含めた磁気回路を形成する。
FIG. 30 shows the state of the magnetic flux generated from the
When the temperature of the first
ここで、芯金31dは、非磁性かつ低抵抗であるアルミニウムにて形成されているために、コイル部からの磁界に対する反作用磁界が多く発生して、定着ローラ31全体のインダクタンスが増大して、実効抵抗が小さくなるためにジュール熱による発熱が非常に小さくなる。
このように、図29及び図30における磁束の違いから、整磁合金(第1発熱層31a)がキュリー点以上に昇温すると、発熱量が非常に小さくなって自己温度制御が働くことになる。ここで、本実施の形態7における整磁合金(第1発熱層31a)は、発熱層としての機能がほとんどなく、その温度がキューリー点以上になったときに芯金31dまで磁気回路を形成するための機能を有することになる。
Here, since the cored
Thus, due to the difference in magnetic flux in FIGS. 29 and 30, when the magnetic shunt alloy (first
以下、本実施の形態7における効果を示す、実験結果及びシミュレーション結果について説明する。
図31は、定着ローラ31の発熱層をキューリー点が250℃で厚さが0.4mmの整磁合金のみで形成した場合(グラフQ10である。)と、定着ローラ31に第1発熱層31a及び第2発熱層31bを設けた場合(本実施の形態7の構成であって、グラフS10である。)と、の定着装置の昇温特性(立ち上げ特性)を比較した結果である。
図31から、定着ローラ31に第1発熱層23a及び第2発熱層23bを形成した場合には、昇温特性が著しく向上していることがわかる。具体的に、定着ローラ31の表面温度が定着可能温度(180℃)まで昇温する時間は、グラフQ10が30秒であるのに対して、グラフS10が10秒であった。
Hereinafter, experimental results and simulation results showing the effects of the seventh embodiment will be described.
FIG. 31 shows a case where the heat generating layer of the fixing
From FIG. 31, it can be seen that when the first
このように定着ローラ31の立上時間が短縮されたのは、2つの理由による。第1の理由は、第1発熱層31aを整磁合金で形成することにより、立上時には第2発熱層31bによってローラ表面のみが急速に加熱されて、第1発熱層31aの温度がキューリー点(本実施の形態7では150℃に設定している。)に上昇するまでに立上が完了することによる。そのため、整磁合金の透磁率の低下による立上速度の鈍化が起こらない。第2の理由は、第2発熱層31bとして非常に薄い銅を使用することにより、第2発熱層31bの熱容量が非常に小さくなるためである。
Thus, the rise time of the fixing
図31から、第1発熱層31aを整磁合金で形成するとともに、そのキューリー点を最適化することにより、自己温度制御能力が作用していることがわかる。具体的に、定着ローラ31の表面温度が制御維持される温度は、グラフQ10が230℃であるのに対して、グラフS10が260℃であった。定着ローラ31が定着不良や熱的破損が生じる温度まで上昇する前に、第1発熱層31aの温度は表面側からの伝熱によりキューリー点以上の温度になって発熱量は減少する。
From FIG. 31, it can be seen that the self-temperature control ability is acting by forming the first
図32は、本実施の形態7の定着ローラ31において、温度がキューリー点以下であるときの発熱量を100とした場合の、定着ローラ31の温度がキューリー点以上であるときの発熱量の比率を示した計算結果である。
図32から、定着ローラ31(第1発熱層31a)の温度がキュリー点以上になることで、第1発熱層31aの磁性が失われるために、キュリー点以下のときの36%まで発熱量が低減して、定着ローラ31の自己温度制御性が充分に確保されていることがわかる。
FIG. 32 shows the ratio of the heat generation amount when the temperature of the fixing
From FIG. 32, since the temperature of the fixing roller 31 (first
図33は、本実施の形態7の定着ローラ31における第1発熱層31a及び第2発熱層31b及び芯金31dの発熱の割合を、交流磁場解析シミュレーションによって計算した結果である。図33に示すように、銅(第2発熱層31b)の発熱量N2は定着ローラ31全体の発熱量の98.27%であって、整磁合金(第1発熱層31a)の発熱量N1は全体の発熱量の1.7%であって、アルミニウム(芯金23d)の発熱量は全体の0.03%であった。したがって、銅(第2発熱層31b)が主たる発熱層として機能していることがわかる。以上の結果から、立上時間(昇温時間)が短縮され、自己温度制御性が作用することがわかる。
FIG. 33 is a result of calculating the ratio of heat generation of the first
図34は、本実施の形態7における定着ローラ31の構成において、芯金23d(アルミニウム)の厚さを変更したときであって、第1発熱層31a(整磁合金)の温度がキューリー点以上であるときの、定着ローラ31の発熱量の変動を交流磁場解析シミュレーションによって計算した結果である。グラフは、芯金31dの厚さが0.1mmのときの定着ローラの発熱量を100としている。また、交流磁場解析シミュレーションによる計算条件として、大きさが等しく周波数が30kHzの交番電圧をコイルに印加したこととした。
FIG. 34 shows a case where the thickness of the core metal 23d (aluminum) is changed in the configuration of the fixing
図34から、芯金31dの厚さが0.1mmから厚くなるにしたがって、定着ローラ31の発熱量が小さくなることがわかる。30kHzの交番電流に対するアルミニウム(芯金31d)の浸透深さは約0.5mmであることから、芯金31dの厚さが浸透深さよりも薄いときには、芯金31dの磁束遮蔽部材としての効果が充分でないことがわかる。具体的に、芯金31dの厚さが浸透深さ以下であるときには、厚さが薄くなるにしたがって整磁合金の温度がキューリー点以上である場合の発熱量が大きくなり、自己温度制御能力が低下することがわかる。これに対して、芯金31dの厚さが浸透深さ(0.5mm)以上であるときには、厚さが厚くなるほど発熱量が大きくなるが、発熱量の増加率はそれほど大きくならないことがわかる。そして、芯金31dの厚さが1.0mmを越えた時点で、発熱量はほぼ一定となる。これらのことから、芯金31dの厚さは、浸透深さ以上であることが望ましいことがわかる。
FIG. 34 shows that the heat generation amount of the fixing
以上説明したように、本実施の形態7では、電磁誘導加熱方式の定着装置20において、キューリー点が300℃以下(100℃以上250℃以下である。)になる第1発熱層31aと、第1発熱層31aに比べて体積抵抗率が低い第2発熱層31bと、を互いに離間するように定着ローラ31に設けている。これによって、発熱効率が低下することなく立ち上げ時間が短く、高い自己温度制御性を維持して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等であっても過昇温が確実に抑止され、さらには電源部を安定化することができる。
As described above, in the seventh embodiment, in the electromagnetic induction heating
なお、本発明が前記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、前記各実施の形態の中で示唆した以外にも、前記各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、前記構成部材の数、位置、形状等は前記各実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and within the scope of the technical idea of the present invention, the embodiments can be modified as appropriate in addition to those suggested in the embodiments. Is clear. In addition, the number, position, shape, and the like of the constituent members are not limited to the above embodiments, and can be set to a number, position, shape, and the like that are suitable for carrying out the present invention.
1 画像形成装置本体(装置本体)、
20 定着装置、 21 定着補助ローラ、
22 定着ベルト(定着部材)、
23 支持ローラ(発熱部材、加熱部材)、
23a 第1発熱層、 23b 第2発熱層、 23c ニッケル層、
24 誘導加熱部(磁束発生手段)、
25 コイル部、 26 コア部、
26a センターコア、 26b サイドコア、 27 コイルガイド、
28 発熱板(発熱部材、加熱部材)、
28a 第1発熱層、 28b 第2発熱層、
30 加圧ローラ、
31 定着ローラ(発熱部材、定着部材)、
31a 第1発熱層、 31b 第2発熱層、
31c 弾性層、 31d 芯金、
40 高周波電源部。
1 image forming apparatus body (apparatus body),
20 fixing device, 21 fixing auxiliary roller,
22 fixing belt (fixing member),
23 Support roller (heating member, heating member),
23a first heat generating layer, 23b second heat generating layer, 23c nickel layer,
24 induction heating part (magnetic flux generating means),
25 coil section, 26 core section,
26a center core, 26b side core, 27 coil guide,
28 heating plate (heating member, heating member),
28a first heat generating layer, 28b second heat generating layer,
30 pressure roller,
31 fixing roller (heating member, fixing member),
31a first heat generating layer, 31b second heat generating layer,
31c elastic layer, 31d cored bar,
40 High frequency power supply.
Claims (25)
交番電流が印加されて磁束を発生させる磁束発生手段と、
前記磁束によって発熱する発熱部材と、を備え、
前記発熱部材は、キューリー点が300℃以下になるように形成された第1発熱層と、該第1発熱層の体積抵抗率よりも低い体積抵抗率を有する第2発熱層と、を具備することを特徴とする定着装置。 A fixing device for fixing a toner image on a recording medium,
Magnetic flux generating means for generating a magnetic flux when an alternating current is applied;
A heating member that generates heat by the magnetic flux,
The heat generating member includes a first heat generating layer formed to have a Curie point of 300 ° C. or less, and a second heat generating layer having a volume resistivity lower than the volume resistivity of the first heat generating layer. A fixing device.
前記加熱部材は、定着補助ローラとともに前記定着ベルトを張架する支持ローラであって、
前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたことを特徴とする請求項20に記載の定着装置。 The fixing member is a fixing belt,
The heating member is a support roller that stretches the fixing belt together with a fixing auxiliary roller,
21. The fixing device according to claim 20, wherein the fixing auxiliary roller is disposed so as to come into contact with a pressure roller that presses a conveyed recording medium via the fixing belt.
前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたことを特徴とする請求項22に記載の定着装置。 The fixing member is a fixing belt stretched between a support roller and a fixing auxiliary roller,
23. The fixing device according to claim 22, wherein the fixing auxiliary roller is disposed so as to come into contact with a pressure roller that presses a conveyed recording medium via the fixing belt.
An image forming apparatus comprising the fixing device according to any one of claims 1 to 24.
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