JP2012203346A - 定着装置、画像形成装置および定着用無端ベルト - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流磁界を生成するIHヒータ80と、IHヒータ80により生成された交流磁界により電磁誘導加熱されることで用紙Pにトナーを定着する定着ベルト61と、定着ベルト61の外周面に圧接することでニップ部Nを形成する加圧ロール62と、を備え、定着ベルト61は、金属材料からなる基材層および保護層と、基材層および保護層の間に設けられ電磁誘導加熱される導電層と、を備える少なくとも3層以上積層された金属層を備え、金属層の中立軸は、定着ベルト61の厚み方向断面において、金属層の厚み中心線より保護層側に位置するとともに保護層の内部に位置することを特徴とする定着ユニット60。
【選択図】図3
Description
本発明は、定着部材として金属層を備えるベルト部材を用いた場合でも損傷が生じにくく、より安定して定着動作を行なうことができる定着装置等を提供することを目的とする。
請求項3に記載の発明は、定着ベルトの前記保護層のヤング率は、前記基材層のヤング率より大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の定着装置である。
請求項4に記載の発明は、前記定着ベルトの前記金属層上に形成される弾性層と、当該弾性層上に形成される離型層を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の定着装置である。
請求項5に記載の発明は、前記定着ベルトの前記金属層が、クラッド鋼により形成されることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の定着装置である。
請求項2の発明によれば、金属層を構成する保護層と基材層の厚さを調整することで、金属層の中立軸を保護層の内部に位置するようにすることができる。
請求項3の発明によれば、金属層を構成する保護層と基材層のヤング率を調整することで、金属層の中立軸を保護層の内部に位置するようにすることができる。
請求項4の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、トナー像の全体により均一に熱を供給することができるとともに、記録材との剥離性に優れた定着ベルトが製造できる。
請求項5の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、より耐久性に優れた定着ベルトが製造できる。
請求項6の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、より良好な画像形成を行なうことができる画像形成装置を提供することができる。
請求項7の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、より耐久性に優れた画像形成装置を提供することができる。
請求項8の発明によれば、定着部材として用いた場合でも、損傷が生じにくい定着用無端ベルトを提供できる。
請求項9の発明によれば、本構成を採用しない場合に比較して、より耐久性に優れた定着用無端ベルトが製造できる。
<画像形成装置の説明>
図1は本実施の形態の定着装置が適用される画像形成装置の構成例を示した図である。図1に示す画像形成装置1は、所謂タンデム型のカラープリンタであり、画像データに基づき画像形成を行う画像形成部10、画像形成装置1全体の動作を制御する制御部31を備えている。さらには、例えばパーソナルコンピュータ(PC)3や画像読取装置(スキャナ)4等との通信を行って画像データを受信する通信部32、通信部32にて受信された画像データに対し予め定めた画像処理を施す画像処理部33を備えている。
画像形成ユニット11各々は、現像器15に収納されるトナーを除いて略同様に構成され、それぞれがイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、黒(K)のトナー像を形成する。
一方、一次転写後に感光体ドラム12に付着しているトナー(一次転写残トナー)、および二次転写後に中間転写ベルト20に付着しているトナー(二次転写残トナー)は、それぞれドラムクリーナ16、およびベルトクリーナ25によって除去される。
このようにして、画像形成装置1での画像形成処理がプリント枚数分のサイクルだけ繰り返し実行される。
次に、本実施の形態の定着ユニット60について説明する。
図2および図3は本実施の形態の定着ユニット60の構成を示す図であり、図2は正面図、図3は図2におけるIII−III断面図である。
まず、断面図である図3に示すように、定着ユニット60は、交流磁界を生成するIH(Induction Heating)ヒータ80、IHヒータ80により電磁誘導加熱されて用紙Pにトナー像を定着する定着部材の一例としての定着ベルト61、定着ベルト61に対向するように配置される加圧部材の一例としての加圧ロール62、定着ベルト61を介して加圧ロール62から押圧される押圧パッド63を備えている。
さらに、定着ユニット60は、押圧パッド63等の構成部材を支持するホルダ65、IHヒータ80にて生成された交流磁界を誘導して磁路を形成する感温磁性部材64、感温磁性部材64を通過した磁力線を誘導する誘導部材66、定着ベルト61からの用紙Pの剥離を補助する剥離補助部材70、定着ベルト61の表面に接触して配設され定着ベルト61の温度を検知する温度センサ75を備えている。また詳しくは後述するが、加圧ロール62は、定着を行なうときには定着ベルト61の外周面に圧接することで定着ベルト61との間に未定着トナー像を保持した用紙Pが通過するためのニップ部N(定着加圧部)を形成し、定着を行なわないときには定着ベルト61から離間するように移動する移動機構200を備える。
定着ベルト61は、原形が円筒形状の無端のベルト部材で構成され、例えば原形(円筒形状)時の直径が30mm、幅方向長が370mmに形成されている。また、図4(定着ベルト61の断面層構成図)に示したように、定着ベルト61は、基材層611、基材層611の上に積層された導電発熱層612、導電発熱層612を保護する保護層613、トナー像の定着性を向上させる弾性層614、最上層に被覆された離型層615からなる多層構造のベルト部材である。ここで基材層611、導電発熱層612、および保護層613は、金属材料を張り合わせて形成されるクラッド鋼により形成される金属層となっている。
具体的には、基材層611として、例えば、厚さ30μm〜200μm(好ましくは50μm〜150μm)の非磁性ステンレス等の非磁性金属等が用いられる。
通常、IHヒータ80に交流電流を供給する励磁回路(後段の図6も参照)の電源として、安価に製造できる汎用電源が使用される。そのため、IHヒータ80により生成される交流磁界の周波数は、一般に、汎用電源による20kHz〜100kHzとなる。それにより、導電発熱層612は、周波数20kHz〜100kHzの交流磁界が侵入し通過するように構成される。
そのため、導電発熱層612の厚さは、周波数20kHz〜100kHzの交流磁界が導電発熱層612を侵入し通過するように、(1)式で規定される導電発熱層612の表皮深さ(δ)よりも薄層に構成される。また、導電発熱層612を構成する材料として、例えば、Au,Ag,Al,Cu,Zn,Sn,Pb,Bi,Be,Sb等の金属や、これらの金属合金が用いられる。
また、定着ベルト61が定着設定温度まで加熱されるまでに要する時間(以下、「ウォームアップタイム」)を短縮する観点からも、導電発熱層612は、薄層に構成するのが好ましい。
具体的には、保護層613として、例えば、非磁性ステンレス等の非磁性金属等が用いられる。
(i)まずステンレス板等の基材層611となる材料と、銅板等からなる導電発熱層612となる材料と、ステンレス板等の保護層613となる材料を積層し、圧延等を行なうことにより金属合板とする。
(ii)次にプレス機で円形状に上記金属合板を打ち抜いた後、これを絞り加工により浅いカップ状に成形を行なう。
(iii)そして更に絞り加工を行ない、側壁部を延伸するとともに、薄くする加工を行なう。
(iv)次に予め定められた幅となるように両端部を切断する。これにより基材層611、導電発熱層612、保護層613が積層した円筒形状で無端ベルト状の金属層を製造することができる。
(v)そして金属層に弾性層614と離型層615を順次被覆することで定着ベルト61が製造できる。
本実施の形態において、この中立軸とは、例えば、定着ベルト61を内周面側に曲げ変形を生じさせたときに、定着ベルト61の内部において応力が作用しない箇所である。そして中立軸を境にして、定着ベルト61の内周面側では、圧縮応力が作用し、外周面側では、引張り応力が作用する。なお定着ベルト61を外周面側に曲げ変形を生じさせたときは、中立軸の位置は変化しないが、中立軸を境にして圧縮応力と引張り応力が作用する箇所が逆転する。つまり定着ベルト61の内周面側では、引張り応力が作用し、外周面側では、圧縮応力が作用する。
図5は、金属層を構成する基材層611、導電発熱層612、および保護層613を模式的に表わした断面層構成図である。図5に示すように基準面として保護層613の外周面側の表面を採り、基準面からの金属層の厚さ方向の距離をyとする。このとき金属層がn層からなるとし、このうち基準面から数えてi番目の層のヤング率をEi、断面積をAiとすると、中立軸の位置は、金属層の厚さ方向の距離で表わすことができる。そしてこれをy0とすると、(2)式によりy0が算出できる。なお金属層の中立軸が、保護層613の内部に位置することは、図5において、金属層の中立軸が、保護層613の断面内にあることを意味する。
そのため金属層の中立軸を、保護層613の内部に位置させるためには、例えば、基材層611と保護層613を非磁性ステンレス等からなる同様の材料で構成した場合、保護層613を、基材層611より厚さを厚くすればよい。また基材層611と保護層613を異なる材料で構成した場合でも、保護層613のヤング率を、基材層611のヤング率より大きくすればよい。さらにこの2つの手法を併用してもよい。
押圧パッド63は、液晶ポリマー等の樹脂で構成され、加圧ロール62と対向する位置にてホルダ65に支持される。そして、定着ベルト61を介して加圧ロール62から押圧される状態で配置され、加圧ロール62との間でニップ部N(定着加圧部)を形成する。
また、押圧パッド63は、ニップ部Nの入口側(用紙Pの搬送方向上流側)のプレニップ領域63aと、ニップ部Nの出口側(用紙Pの搬送方向下流側)の剥離ニップ領域63bとで異なるニップ圧が設定されている。すなわち、プレニップ領域63aでは、加圧ロール62側の面がほぼ加圧ロール62の外周面に倣う円弧形状に形成され、より均一で幅の広いニップ部Nを形成する。また、剥離ニップ領域63bでは、剥離ニップ領域63bを通過する定着ベルト61の曲率半径が小さくなるように、加圧ロール62表面から局所的に大きなニップ圧で押圧されるように形成される。それにより、剥離ニップ領域63bを通過する用紙Pに定着ベルト61表面から離れる方向のカール(ダウンカール)を形成して、用紙Pに対する定着ベルト61表面からの剥離を促進させている。
次に、感温磁性部材64は、定着ベルト61の内周面に倣った円弧形状で形成され、定着ベルト61の内周面とは予め定めた間隙(例えば、0.5〜1.5mm)を有するように近接させるが、非接触で配置される。感温磁性部材64を定着ベルト61と近接させて配置するのは、感温磁性部材64の温度が定着ベルト61の温度に対応して変化する、すなわち、感温磁性部材64の温度が定着ベルト61の温度と略同じ温度となるように構成するためである。また、感温磁性部材64を定着ベルト61と非接触で配置するのは、画像形成装置1のメインスイッチがオンされ、定着ベルト61が定着設定温度まで加熱される際に、定着ベルト61の熱が感温磁性部材64に流入するのを抑制して、ウォームアップタイムの短縮を図るためである。
なお、ここでの「透磁率変化開始温度」とは、透磁率(例えば、JIS C2531で測定される透磁率)が連続的に低下を開始する温度であり、例えば感温磁性部材64等の部材を透過する磁束量(磁力線の数)が変化し始める温度点をいう。したがって、透磁率変化開始温度は、物質の磁性が消失する温度であるキュリー点に近い温度となるが、キュリー点とは異なる概念を有するものである。
また、感温磁性部材64は、IHヒータ80により生成された交流磁界(磁力線)に対する表皮深さδ(上記(1)式参照)よりも厚い厚さで形成される。具体的には、例えばFe−Ni合金を用いた場合には50〜300μm程度に設定される。
押圧パッド63を支持するホルダ65は、押圧パッド63が加圧ロール62からの押圧力を受けた状態での撓み量が一定量以下となるように、剛性の高い材料で構成される。それにより、ニップ部Nにおける長手方向の圧力(ニップ圧)の均一性を維持している。さらに、本実施の形態の定着ユニット60では、電磁誘導を用いて定着ベルト61を加熱する構成を採用していることから、ホルダ65は、誘導磁界に影響を与えないか、または与え難い材料であり、かつ、誘導磁界から影響を受けないか、または受け難い材料で構成される。例えば、ガラス混入PPS(ポリフェニレンサルファイド)等の耐熱性樹脂や、例えばAl,Cu,Ag等の非磁性金属材料等が用いられる。
誘導部材66は、感温磁性部材64の内周面に倣った円弧形状で形成され、感温磁性部材64の内周面とは予め定めた間隙(例えば、1.0〜5.0mm)を有する非接触に配置される。また、誘導部材66は、例えばAg,Cu,Alといった固有抵抗値が比較的小さい非磁性金属で構成される。そして、感温磁性部材64が透磁率変化開始温度以上の温度に上昇した際に、IHヒータ80により生成された交流磁界(磁力線)を誘導して、定着ベルト61の導電発熱層612よりも渦電流Iが発生し易い状態を形成する。それにより、誘導部材66の厚さは、渦電流Iが流れ易いように、表皮深さδ(上記(1)式参照)よりも充分に厚い予め定められた厚さ(例えば、1.0mm)で形成される。
続いて、定着ベルト61の導電発熱層612に交流磁界を作用させて電磁誘導加熱するIHヒータ80について説明する。
図6は、本実施の形態のIHヒータ80の構成を説明する断面図である。図6に示したように、IHヒータ80は、例えば耐熱性樹脂等の非磁性体から構成される支持体81、交流磁界を生成する励磁コイル82を備えている。また、励磁コイル82を支持体81上に固定する弾性体で構成された弾性支持部材83、励磁コイル82にて生成された交流磁界の磁路を形成する磁心84を備えている。さらには、磁界を遮蔽するシールド85、磁心84を支持体81側に加圧する加圧部材86、励磁コイル82に交流電流を供給する励磁回路88を備えている。
励磁コイル82は、相互に絶縁された例えば直径0.17mmの銅線材を例えば90本束ねたリッツ線が長円形状や楕円形状、長方形状等の中空きの閉ループ状に巻かれて構成される。そして、励磁コイル82に励磁回路88から予め定めた周波数の交流電流が供給されることにより、励磁コイル82の周囲には、閉ループ状に巻かれたリッツ線を中心とする交流磁界が生成される。励磁回路88から励磁コイル82に供給される交流電流の周波数は、一般に、上記した汎用電源により生成される20kHz〜100kHzが用いられる。
ここで、磁心84は磁路形成による損失が小さい材料が望ましい。具体的には、磁心84は渦電流損を小さくする形態(スリット等による電流経路遮断や分断化、薄板束ね等)での使用が望ましく、ヒステリシス損の小さい材料で形成されることが望ましい。
また、定着ベルト61の回転方向に沿った磁心84の長さは、感温磁性部材64の定着ベルト61の回転方向に沿った長さよりも小さく構成される。それにより、磁力線のIHヒータ80周辺への漏洩が減り、力率が向上する。さらには、定着ユニット60を構成する金属製部材への電磁誘導を抑え、定着ベルト61(導電発熱層612)での発熱効率を高める。
引き続いて、IHヒータ80により生成された交流磁界によって定着ベルト61が発熱する状態を説明する。
まず、上記したように、感温磁性部材64の透磁率変化開始温度は、各色トナー像を定着する定着設定温度以上であって定着ベルト61の耐熱温度以下となる温度範囲内(例えば、140〜240℃)に設定されている。そして、定着ベルト61の温度が透磁率変化開始温度以下の状態にある場合には、定着ベルト61に近接する感温磁性部材64の温度も定着ベルト61の温度に対応して、透磁率変化開始温度以下となる。そのため、感温磁性部材64は強磁性を呈するので、IHヒータ80により生成された交流磁界の磁力線Hは、定着ベルト61を透過した後、感温磁性部材64の内部を広がり方向に沿って通過する磁路を形成する。ここでの「広がり方向」とは、感温磁性部材64の厚さ方向と直交する方向を意味する。
このように、定着ベルト61の温度が透磁率変化開始温度以下の温度範囲にある場合には、磁力線Hが導電発熱層612を横切る領域R1,R2や領域R3において大きな熱が発生する。それにより、定着ベルト61は加熱される。
加圧ロール62は、定着ベルト61に対向するように配置され、図3の矢印D方向に、例えば140mm/sのプロセススピードで回転する。そして、加圧ロール62と押圧パッド63とにより定着ベルト61を挟持した状態でニップ部Nを形成し、このニップ部Nに未定着トナー像を保持した用紙Pを通過させることで、熱および圧力を加えて未定着トナー像を用紙Pに定着する。
加圧ロール62は、例えば直径18mmの中実のアルミニウム製コア(円柱状芯金)621と、コア621の外周面に被覆された例えば厚さ5mmのシリコーンスポンジ等の耐熱性弾性体層622と、さらに例えば厚さ50μmのカーボン配合のPFA等の耐熱性樹脂被覆または耐熱性ゴム被覆による離型層623とが積層されて構成される。そして、例えば20kgfの荷重で定着ベルト61を介して押圧パッド63を押圧している。
図8に示すように加圧ロール62と定着ベルト61とは離間した状態にある。その結果、加圧ロール62は、元の円形形状に形状復元がなされるため、加圧ロール62が変形し元の形状に戻らなくなるおそれが少なくなる。
なお定着を行なう際には、移動機構200により再び加圧ロール62を定着ベルト61と接触させ、図3で説明したニップ部Nを形成する位置に戻すことが可能である。
続いて図2、図3、図8を使用して、本実施の形態の定着ユニット60における加圧ロール62と定着ベルト61の駆動機構について説明する。
(実施例A1〜A6)
図2〜図8で説明を行なった定着ユニット60を使用してトナー像の定着を行ない、定着ベルト61の耐久性について試験を行なった。このとき定着ベルト61の耐久性は、○、△、×の3段階で評価した。なおこの際定着ベルト61の保護層613/導電発熱層612/基材層611を構成する材料および厚さを図9に示すようにした。図9において、SUSはステンレスを表わし、Fe−Niは鉄−ニッケル合金を表わす。
定着ベルト61の保護層613/導電発熱層612/基材層611を構成する材料および厚さを図9に示すようにしたこと以外は、実施例A1〜A6と同様にして試験を行なった。
実施例A1〜A6については、何れも定着ベルト61の耐久性は○となり、耐久性は良好であった。これらの実施例A1〜A6については、定着ベルト61の金属層の中立軸が、(1)保護層613の内部に位置し、かつ(2)金属層の厚み中心線より保護層613側に位置する場合である。図9では、(1)は、保護層613と導電発熱層612の界面から中立軸までの距離で表わしている。つまり(1)を満たす場合は、この値が正の値となり、満たさない場合は、0以下の値となる。また(2)については、保護層613の表面から中立軸までの距離で表わしている。つまり(2)を満たす場合は、この値が金属層の総厚55μmの半分である27.5μm未満となり、満たさない場合は、27.5μm以上となる。
Claims (9)
- 交流磁界を生成する磁界生成部材と、
前記磁界生成部材により生成された交流磁界により電磁誘導加熱されることで記録材にトナーを定着する定着ベルトと、
前記定着ベルトの外周面に圧接することで当該定着ベルトとの間に未定着画像を保持した記録材が通過するための定着加圧部を形成する加圧部材と、
を備え、
前記定着ベルトは、
金属材料からなる基材層および保護層と、
前記基材層および前記保護層の間に設けられ電磁誘導加熱される導電層と、
を備える少なくとも3層以上積層された金属層を備え、
前記金属層の中立軸は、前記定着ベルトの厚み方向断面において、当該金属層の厚み中心線より保護層側に位置するとともに当該保護層の内部に位置することを特徴とする定着装置。 - 前記定着ベルトの前記保護層は、前記基材層より厚さが厚いことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記定着ベルトの前記保護層のヤング率は、前記基材層のヤング率より大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の定着装置。
- 前記定着ベルトの前記金属層上に形成される弾性層と、当該弾性層上に形成される離型層を更に備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の定着装置。
- 前記定着ベルトの前記金属層が、クラッド鋼により形成されることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の定着装置。
- トナー像を形成するトナー像形成手段と、
前記トナー像を記録材に転写する転写手段と、
交流磁界を生成する磁界生成部材と、当該磁界生成部材により生成された交流磁界により電磁誘導加熱されることで記録材にトナーを定着する定着ベルトと、当該定着ベルトの外周面に圧接することで当該定着ベルトとの間に未定着画像を保持した記録材が通過するための定着加圧部を形成する加圧部材と、を備える定着手段と、
を備え、
前記定着手段の前記定着ベルトは、
金属材料からなる基材層および保護層と、
前記基材層および前記保護層の間に設けられ電磁誘導加熱される導電層と、
を備える少なくとも3層以上積層された金属層を備え、
前記定着ベルトの前記金属層の中立軸は、前記定着ベルトの厚み方向断面において、当該金属層の厚み中心線より保護層側に位置するとともに当該保護層の内部に位置することを特徴とする画像形成装置。 - 前記定着ベルトの前記金属層が、クラッド鋼により形成されることを特徴とする請求項6に記載の画像形成装置。
- 金属材料からなる基材層と、当該基材層上に形成され電磁誘導加熱される導電層と、当該導電層上に金属材料により形成され当該導電層を保護する保護層と、を備える少なくとも3層以上積層された金属層と、
前記金属層上に形成される弾性層と、
前記弾性層上に形成される離型層と、
を備え、
前記金属層の中立軸は、当該金属層の厚み方向断面において、当該金属層の厚み中心線より保護層側に位置するとともに当該保護層の内部に位置することを特徴とする定着用無端ベルト。 - 前記金属層が、クラッド鋼により形成されることを特徴とする請求項8に記載の定着用無端ベルト。
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