JP2008014966A - 定着装置及びその温度分布調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に用いられる誘導加熱式定着装置における定着ローラの温度分布を好ましいものとすること。
【解決手段】定着ローラ（１）と、該定着ローラに圧接して回転する加圧ローラ（２）とを備えた定着装置において、中空の定着ローラ（１）の内部に磁性体コアと励磁コイルを有する誘導加熱用コイルユニット（５）を設けるとともに、該定着ローラ（１）の端部における該定着ローラと前記コイルユニット（５）との間隔部に、該定着ローラの外側から定着ローラ内へ軸方向に挿入可能な磁気遮蔽板を設け、該磁気遮蔽板の挿入もしくは引き抜きにより、定着ローラ端部の加熱温度を調節可能とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に装着されて、記録紙上の未定着トナー画像を記録紙上に溶融定着させる定着装置と、その温度分布の調節方法に関するものである。

電子写真方式による複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の定着装置としては、トナー溶融のために定着ローラ（ヒートローラ）に設けられるヒータとして、ハロゲンヒータを熱源とするものが従来広く使用されてきた。しかしながら、ハロゲンヒータを熱源とするものは、ウォーミングアップに時間がかかり、エネルギー損失も大きいので、ウォーミングアップの短縮、省エネの見地から最近はＩＨ（誘導加熱）方式の熱源を用いるものが提案されている。

ＩＨ方式の加熱装置は、定着ローラの近傍に誘導コイルを配設し、該誘導コイルに高周波電流を流して誘導磁束を発生させ、この誘導磁束によって定着ローラに渦電流を発生させて、これに伴うジュール熱で定着ローラを発熱させるものである。

上記誘導加熱される定着ローラは、端部を支持する軸受けから装置フレームへの伝熱が生じることや、空気中への放熱の比率が大きいこと等により、中央部に比べて温度が低下しやすく、定着ローラの軸方向の温度分布が不均一となるという問題点があった。

上記定着ローラの軸方向の温度分布に大きく影響する要因としては、次の３点が考えられる。

（１）定着ローラの小熱容量化（ローラ小径化、薄肉化）
（２）定着ローラに使用する材料の熱伝導率
（３）熱源への投入電力
上記（１）については、近年、ショートウォームアップをねらって、定着ローラ等の小容量化（ローラ小径化、薄肉化）が進んでおり、これによってローラ軸方向の伝熱性能が低下するため、軸方向温度分布の差はより顕著となっている。

また、上記（２）については、アルミニウム等、熱伝導率の高い材料の場合は、軸方向温度分布が均一にならされる傾向が強いが、鉄、ステンレス鋼等の熱伝導率の低い材料の場合は、温度分布が均されにくい。さらに、上記（３）については、例えば、ウォームアップ時や印字時には熱源への投入電力が大きいため、中央部から端部への熱供給も相対的に大きくなるが、待機状態では投入電力が小さいため、中央部から端部への熱供給も相対的に小さくなり、ローラ端部の温度低下がより大きくなる。

なお、この明細書では、「ウォームアップ」とは、例えば複写機を例にとると、装置のメインスイッチをオンしてからプリント受付可能状態となるまでの状態をさし、「印字」とはプリント中の状態をさし、「待機」とはウォームアップ後、プリント受付可能状態となるまでの状態をさす。

上記のとおり、コピー機やレーザープリンタ等の複写装置用の定着器の熱源として、ＩＨ方式の熱源が提案されているが、ＩＨ方式では、定着ローラの材質として熱伝導性の良好なアルミニウム等を使用すると、十分な発熱量が得られないため、熱伝導率の低い鉄やＳＵＳを使用するのが一般的である。このように、鉄やＳＵＳを用いたローラでは、待機状態で軸方向のローラ温度分布が最適になるようにコイル巻き数等を設計すると、ウォームアップ時や印字時に熱源の配熱設計の端部の補正分が過剰となり、端部の温度が高くなり過ぎるという問題がある。逆に、ウォームアップ時や印字時におけるローラの温度分布を最適化しようとすると、待機中のローラ端部温度の低下が大きくなってしまうという問題があり、温度分布の均一化の面で問題があった。

さらに、小サイズの用紙を通紙する場合は、非通紙部の温度上昇が大きな問題となり、例えば、ハロゲンヒータを熱源とする場合は、小サイズ用のヒータを用意する等の対応が行われているが、スペース等の制約から、設置できる小サイズ用ヒータは１本が限度であり、十分な対応ができなかった。加熱方式がＩＨ方式の場合は、「コイルを分割駆動する」、「コア移動を行う」、「磁気シールド部材で磁束制御する」、「整磁合金を使用する」等の解決法が提案されている。

定着ローラの端部温度低下と小サイズ用紙での非通紙部温度上昇の対応策を例示すれば、下記特許文献１に開示されているものがある。この文献で開示されている方法は、定着ローラ用の熱源として、長手方向で配熱分布が異なる２本のヒータを設け、定着ローラの使用状態に応じて前記２本のヒータを制御する方法である。

また、ＩＨ加熱方式における制御方法としては、下記特許文献２に開示されているものがある。この文献に記載されているのは、誘導加熱用の励磁コイルの磁束を遮蔽する磁気遮蔽手段を設けたもので、該磁気遮蔽手段は、非通紙部の幅が通紙部の幅よりも大きい金属板で形成し、この磁気遮蔽手段の金属部分を励磁コイルの片側に対向させることにより、温度分布を均一化するものである。
特開平５−１３４５７５号公報 特開２００５−３２６７４７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法は、ハロゲンヒータには適用できるが、ＩＨ方式の定着ローラには適用することができない。また、上記特許文献２に記載の方法は、非通紙部と通紙部との幅を異ならせた異形の金属部材をコイルと定着ローラとの間で回転自在に支持し、使用状態に応じて所定量回転させる必要があるので、構造的に煩雑になりやすいという問題があるほか、用紙の大きさに応じて異なる遮蔽手段を用意する必要があるので、部品数が多くなるという問題があった。

そこで、本発明は、例えば、磁束を遮蔽する手段を用いて、より簡単に定着ローラの温度分布を均一化することができる定着装置、及びその温度分布調節方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、次のような構成を採用した。

すなわち、第１の本発明の定着装置は、加熱手段が設けられた定着ローラと、該定着ローラに圧接して回転する加圧ローラとを備えた定着装置において、前記加熱手段として、中空の定着ローラの内部に磁性体コアと励磁コイルを有する誘導加熱用コイルユニットを該定着ローラの軸方向に沿って設けるとともに、該定着ローラの端部における該定着ローラと前記コイルユニットとの間隔部に、該定着ローラの外側から定着ローラ内へ軸方向に挿入可能な磁気遮蔽板を設け、該磁気遮蔽板の挿入もしくは引き抜きにより、定着ローラ端部の加熱温度を調節可能としたことを特徴としている。

また、第２の本発明は、上記第１の本発明の定着装置を用い、該定着装置の使用状態に応じて磁気遮蔽板の挿入又は引き抜きを行うことにより定着ローラの温度分布を調節することを特徴とする定着ローラの温度分布調節方法である。

また、第３の本発明は、上記定着ローラのウォームアップ時には該定着ローラの端部に磁気遮蔽板を所定量挿入し、定着装置の待機状態では磁気遮蔽板を定着ローラ端部から引き抜き、印字時には定着ローラ端部に磁気遮蔽板を所定量挿入するかもしくは引き抜いた状態とすることにより、定着ローラの温度分布を均一となるように調節する上記第２の本発明の定着ローラの温度分布調節方法である。

また、第４の本発明は、上記定着ローラの材質として整磁合金を使用し、印字時には前記磁気遮蔽板を前記定着ローラの端部から引き抜く上記第３の本発明の定着ローラの温度分布調節方法である。

本発明によれば、定着ローラ（ヒートローラ）の軸方向の端部から該定着ローラ内面と励磁コイルとの隙間に磁気遮蔽板を挿入することによって、定着ローラの加熱範囲を制御するもので、ウォームアップ時、印字時、待機時等で前記磁気遮蔽板の挿入量を適宜調節することにより、軸方向における温度分布を容易に均一化することが可能となる。

また、ウォームアップ時にローラ端部に余計な電力を投入する必要がなくなり、ウォームアップ時間の短縮が可能となる。

以下、本発明に係る定着装置の実施形態について具体的に説明するが、この定着装置が用いられる画像形成装置、例えば複写機等の全体構成は周知であるから説明を省略する。図１は、一般的なモノクロ用の定着装置を表すもので、この定着装置は、１対のローラ、すなわち、ヒートローラ（定着ローラ）１と加圧ローラ２とを備え、これらヒートローラ１と加圧ローラ２との間（ニップ部）で記録紙を加熱・加圧し、トナー像を定着するようになっている。

ヒートローラ１は、外径が数十ｍｍの中空円筒体で、その肉厚部は、内側に磁性金属層１１が設けられ、その外側にフッ素樹脂層１２が形成されている。また、加圧ローラ２は、内側に非磁性金属層２１が設けられ、その外側にシリコンゴム層２２とフッ素樹脂層２３が形成されている。

ヒートローラ１の中空部には、誘導加熱用のコイルユニット５が設けられている。コイルユニット５は、ボビン５１の外面にコイル線を巻回したコイル５２を設けたもので、ボビン５１の内部にはコア５３が設けられている。コイルユニット５は、前記ヒートローラ１とほぼ等しい長さを備え、ヒートローラ１の内周面との間に所定の間隔をおいて、該ヒートローラ１の中心軸に平行に配置されている。なお、図示例の定着装置におけるヒートローラ１の冷却方式としては、ヒートローラ１内を流通する冷却媒体で冷却する方式等、適当な冷却方式を採用することができる。

中空のヒートローラ１の軸方向の両端部における該ヒートローラ１内面とコイルユニット５の外面との隙間には、図２以下に示すように、磁気遮蔽板１０が挿入されるようになっている。この磁気遮蔽板１０は、ヒートローラ１の端部から所定範囲内で任意の深さに出し入れ自在となっている。

磁気遮蔽板１０は、アルミニウム、銅等の導電率の高い非磁性金属で形成されている。磁気遮蔽板１０は、定着ローラであるヒートローラ１の内部に挿入した場合に、コイル５２をその周方向に沿って覆うような形状であり、図示例では円筒状となっている。磁気遮蔽板１０は、通紙時に記録紙の両側部までコイル５２を覆うことができるようなもので、その軸方向の長さは、定着装置における最小の通紙部に対応する長さとなっている。

図３、図４は、上記磁気遮蔽板１０の取り付け構造を表すもので、ヒートローラ１の端部が軸受け２０を介して装置フレーム（側板）１２１に支承され、この装置フレーム１２１から外向きに屈曲したコイル支持部材１２２が突設されて、このコイル支持部材１２２にコイルユニット５の支持軸５ａが支持されている。ヒートローラ１とコイルユニット５との隙間には、円筒状の磁気遮蔽板１０が配置されているが、この磁気遮蔽板１０の支持部材１２３に側面に歯列を有するストレートギヤ２５が接続されていて、このストレートギヤ２５には、機枠に設置されているステッピングモータ３０の回転軸に設けたギヤ３２が噛合している。

上記ステッピングモータ３０は、制御装置３１からのパルス出力を受けて所定量づつ回転するようになっている。この回転により、ストレートギヤ２５とギヤ３２の噛合を介して磁気遮蔽板１０が軸方向に往復移動する。図中の３６は、磁気遮蔽板１０のホーム位置（磁気遮蔽板１０を抜き取った位置）を検出するセンサ（図示例ではフォトセンサ）であり、ストレートギヤ２５に設けた板状検出子２８がセンサ３６の位置に移動して光を遮蔽することにより、磁気遮蔽板１０がホーム位置にあることが検出される。このような板状検出子２８を設けるかわりに、磁気遮蔽板１０自体をセンサで直接検出するようにしてもよい。なお、図中の２９は、磁気遮蔽板１０に設けた溝状の切り欠き部であり、磁気遮蔽板１０が移動するときに、前記コイル支持部材１２２がこの切り欠き部２９に嵌り込んだ状態で相対移動する。

上記のとおり、磁気遮蔽板１０の位置は、ステッピングモータ３０に供給される駆動パルスによって駆動制御されるが、その位置としては、例えばつぎのようにすればよい。まず、ヒートローラ１が整磁金属で作られている場合は、ウォームアップ時はコイル端部から５〜２０ｍｍ挿入した状態とし、印字時と待機時はホーム位置とする。ヒートローラ１が整磁金属以外の材料で作られている場合は、ウォームアップ時はコイル端部から５〜２０ｍｍ挿入した位置とし、印字時は用紙幅に応じて用紙端部±２０ｍｍ程度まで移動し、待機時はホーム位置とする。

つぎに、図５は上記と異なる例を表すもので、この実施形態では、ヒートローラ１の両端部に磁気遮蔽板１０を設け、これらを一つのモータで駆動する構造となっている。すなわち、ステッピングモータ３０とギヤ３２とストレートギヤ２５が設けられ、これらで一方の磁気遮蔽板１０を移動させる点は上記実施形態と同じであるが、図５の実施形態では、さらにストレートギヤ２５のギヤ３２と反対側にも歯列が形成されているとともに、この歯列にアイドルギヤ３５が噛合している。

また、上記ストレートギヤ２５と平行に第２のストレートギヤ２５’が設けられていて、前記アイドルギヤ３５がこのストレートギヤ２５’にも噛合している。この第２のストレートギヤ２５’には、ヒートローラ１の反対側の端部に設けた磁気遮蔽板１０が接続されている。ギヤ３２が所定方向に回転すると、一方のストレートギヤ２５が所定方向に移動するが、この動きがアイドルギヤ３５を介して第２のストレートギヤ２５’に伝達され、該第２のストレートギヤ２５’が同じ距離だけ逆向きに移動する。したがって、ヒートローラ１の両端部に設けた磁気遮蔽板１０，１０が互いに逆向きに同量だけ移動するのであり、これによって、両側の磁気遮蔽板１０，１０の挿入と引き抜きを同時に行うことができるのである。

なお、以上の実施形態では、モータとギヤを使用して移動機構を構成したが、ヒートローラ１の材質が整磁材料である場合は、後述のように、用紙サイズに応じた細かい移動量の制御が不要になるので、例えばソレノイドとバネを使用した構造等、簡単な構造とすることも可能である。

定着ローラであるヒートローラ１を整磁金属材料で構成した場合は、キューリー点以上にローラ温度が上昇することはないので、小サイズ通紙時の非通紙部の温度上昇の問題は、磁気遮蔽板１０を使わずに解決可能である。この場合は、磁気遮蔽板１０の機能は、ウォームアップ時と待機時のヒートローラ１の軸方向温度分布のバランスをとることだけに限定できるので、磁気遮蔽板１０のヒートローラ１への挿入量（ストローク）を最小限にすることが可能である。

表１は、上記磁気遮蔽板１０の移動の制御を表すものである。同表に示されているように、この磁気遮蔽板１０の動作はつぎのとおりである。まず、ヒートローラ１の材質が整磁金属ではない場合は、ウォームアップ時は磁気遮蔽板１０をヒートローラ１端部へ所定量挿入する。また、印字時には、磁気遮蔽板１０をヒートローラ端部へ所定量（通紙サイズでの非通紙部幅に対応する量）だけ挿入する。さらに、待機時には、磁気遮蔽板１０をヒートローラ１から抜き取っておく。

ヒートローラ１の材質が整磁金属である場合は、ウォームアップ時は磁気遮蔽板１０をヒートローラ端部へ所定量挿入する。また、印字時には、磁気遮蔽板１０をヒートローラ１の端部から抜き取っておく。さらに、待機時には、磁気遮蔽板１０をヒートローラ１の端部から抜き取っておく。

コイルユニット５におけるコイル５２の配熱設計では、始めに待機時の温度分布が満足できるものであるように設計する。そのままでは、ウォームアップ時にはローラ端部の温度が必要以上に高くなるので、ウォームアップ時、ローラ端部へ磁気遮蔽板１０を挿入して、端部のコイル磁束を調整し、温度分布を最適化する。ヒートローラが整磁金属の場合は、印字時の磁気遮蔽板１０は、抜き取った状態のままでよい。これは、整磁金属製のローラは、印字時に端部の非通紙部は温度上昇していくが、キューリー温度で上限が規制されるので、磁気遮蔽板１０は抜き取ったままでよいのである。ヒートローラが整磁金属ではない場合は、通紙サイズの非通紙部領域に応じて磁気遮蔽板のローラ端部層入量を設定する。

なお、以上の説明では、ヒートローラ１の内部にコイル５２を配置する構成について説明したが、特にこの構成に限定する必要はなく、コイル５２をヒートローラ１の外部に配置する構成や、定着ベルトを組み合わせる構成等においても、同様の考え方を適用し、磁気遮蔽板１０でコイル外周面の必要な範囲を覆うことにより、ヒートローラ１等の加熱部材の温度分布を好ましいものとする構成とすることが可能である。

本発明に係る定着装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置用の定着装置として効果的に利用することができる。

定着装置の概略を模式的に表す断面図である。 定着ローラ（ヒートローラ）とコイルユニットの間に遮蔽板を挿入した状態を模式的に表す正面図である。 磁気遮蔽板駆動装置を表す要部の一部断面正面図である。 磁気遮蔽板駆動装置を表す要部の斜視図である。 磁気遮蔽板駆動装置を表す要部の側面図である。

符号の説明

１ ヒートローラ（定着ローラ）
２ 加圧ローラ
５ コイルユニット
１０ 磁気遮蔽板
３０ モータ
５２ コイル

Claims (4)

1. 加熱手段が設けられた定着ローラと、該定着ローラに圧接して回転する加圧ローラとを備えた定着装置において、
   前記加熱手段として、中空の定着ローラの内部に磁性体コアと励磁コイルを有する誘導加熱用コイルユニットを該定着ローラの軸方向に沿って設けるとともに、該定着ローラの端部における該定着ローラと前記コイルユニットとの間隔部に、該定着ローラの外側から該定着ローラ内へ軸方向に挿入可能な磁気遮蔽板を設け、該磁気遮蔽板の挿入もしくは引き抜きにより、前記定着ローラの端部の加熱温度を調節可能としたことを特徴とする定着装置。
2. 請求項１に記載の定着装置を用い、該定着装置の使用状態に応じて磁気遮蔽板の挿入又は引き抜きを行うことにより前記定着ローラの温度分布を調節することを特徴とする定着ローラの温度分布調節方法。
3. 前記定着ローラのウォームアップ時には該定着ローラの端部に前記磁気遮蔽板を所定量挿入し、前記定着装置の待機状態では磁気遮蔽板を前記定着ローラの端部から引き抜き、印字時には前記定着ローラの端部に前記磁気遮蔽板を所定量挿入するかもしくは引き抜いた状態とすることにより、前記定着ローラの温度分布を均一となるように調節する請求項２に記載の定着ローラの温度分布調節方法。
4. 前記定着ローラの材質として整磁合金を使用し、印字時には前記磁気遮蔽板を前記定着ローラの端部から引き抜く請求項３に記載の定着ローラの温度分布調節方法。