JP2014085579A

JP2014085579A - 定着装置と画像形成装置

Info

Publication number: JP2014085579A
Application number: JP2012235508A
Authority: JP
Inventors: Jun Okamoto; 岡本潤; Satoshi Ueno; 上野智志; Tetsuo Tokuda; 徳田哲生; Takeshi Yamamoto; 山本武志; Naoto Suzuki; 鈴木直人
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】外部電磁誘導加熱手段を有する定着ユニットにおいて、ユニットの大型化を抑制しつつ、立ち上がり時間の短縮化を図る。
【解決手段】記録媒体上のトナー像に熱を与えて前記トナー像を溶融する加熱ローラを有する定着回転体と、前記記録媒体を前記定着回転体に押圧する加圧回転体と、前記定着回転体を加熱する外部電磁誘導加熱手段とを有する定着装置であって、前記加熱ローラの内部に、前記外部電磁誘導加熱手段に対向する磁束遮断部材と補助加熱手段を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、あるいはこれらの機能を併せ持った複合機等の画像形成装置、特に、帯電・書込み・現像・転写のプロセスを経てトナー画像を普通紙やＯＨＰフィルム等の記録材（記録媒体）に記録する画像形成装置に関する。本発明はまた、画像形成装置に搭載され加熱された定着部材と加圧部材の間に記録媒体を通して記録材上のトナー画像を定着する定着装置、特に電磁誘導加熱方式の定着装置に関する。

近年、省エネルギーの観点から、定着装置の通紙可能状態までの高速立ち上げによる立ち上がり時間の短縮が必要になってきている。そのため、従来のハロゲンヒータよりも熱変換効率が高い電磁誘導加熱を用いたＩＨヒータを熱源としてローラやベルトの外側に配置した定着装置が提案され、使用されている。そして、定着装置の熱容量をできる限り小さくすることも省エネルギー対策として採られており、ＩＨ定着装置においても低熱容量化が図られている。

しかしながら、このような低熱容量化は、特に立ち上がり直後等、定着装置が十分に暖まっていない場合は定着部材（ローラやベルト）表面の温度落ち込みが大きく、定着性の点で不利となる。温度落ち込みのケースとして典型的なものは、立ち上がり直後の連続通紙時に、未だ十分に暖まっていない加圧部材や記録材に定着部材の熱が奪われるケースである。通紙開始から数枚あるいは数十枚で定着下限温度を割ってしまう場合もある。通紙枚数を重ねると定着部材の非通紙範囲から加圧部材に熱が伝わり、加温され、その結果、定着部材から奪われる熱量が低減することで定着性が復活する。

ところで、ＩＨヒータでは、高周波を使用する構成上、商用電源を直接取り込めないので、インバータを使用して高周波を作り出している。しかし、定着使用最大電力に合わせてインバータを作成すると、インバータも大型化し、それ以外にもＩＨヒータのコイル部も大型化しなければならず、ＩＨヒータ構成が大型化してしまう。

ＩＨヒータ構成の大型化を抑制しながら温度落ち込みに対応するために、例えば特許文献１に開示された構成が考えられる。これは、ＩＨ定着ベルト方式において定着ベルト内のテンションローラに、主熱源であるＩＨヒータだけでは不足する熱量を補填する補助熱源を設けるもので、仕向け地等で定着使用可能電源が変化しても同じＩＨヒータ構成のままで済む。しかしながら、このような構成では定着ベルトを定着ローラと加熱ローラ以外にテンションローラにも掛け回すことになり、ユニットの大きさや熱容量がその分、増加してしまう。

また、高速立ち上げを実現するに当たり加圧ローラへ熱が逃げる現象を抑制するために、加圧ローラにヒータを備えて、そのヒータを補助電源としてのキャパシタによって駆動することが特許文献２に開示されている。これも定着ベルトの温度落ち込みを防止する構成といえる。しかしながら、この開示構成では、加圧ローラ内部からの発熱であるため、加圧ローラの熱容量を小さくしなければ立ち上がりの早い装置における立ち上がり直後の連続通紙による急激な温度低下には十分な対応とならない。

本発明の課題は、ＩＨヒータである外部電磁誘導加熱手段を有する定着ユニットにおいて、ユニットの大型化を抑制しつつ、立ち上がり時間の短縮化を図ることにある。

上記課題は、記録媒体上のトナー像に熱を与えて前記トナー像を溶融する加熱ローラを有する定着回転体と、前記記録媒体を前記定着回転体に押圧する加圧回転体と、前記定着回転体を加熱する外部電磁誘導加熱手段とを有する定着装置であって、前記加熱ローラの内部に、前記外部電磁誘導加熱手段に対向する磁束遮断部材と補助加熱手段を設けることによって、解決される。

本発明によれば、加熱ローラの内部に、外部電磁誘導加熱手段に対向する磁束遮断部材と補助加熱手段を設けるので、定着ユニットの大型化を抑制しつつ、立ち上がり時間の短縮化を図ることができる。

画像形成装置としてのデジタル複写機の全体的な概略構成図である。装置本体に設置される定着装置の全体的な概略構成図である。加熱ローラが整磁合金の場合とアルミニウム材で熱源がハロゲンヒータの場合における端部温度の差を示す。補助ヒータの有無（電源としてキャパシタを用いるか否か）による温度推移を示すグラフである。本発明に係る定着装置におけるキャパシタによる補助加熱システムの回路図である。補助加熱ヒータの輻射熱の反射状態を説明する図である。磁束遮蔽板の反射加工を説明する斜視図である。本発明に係る定着装置の別例を示す概略図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の形態について説明する。図１を用いて、画像形成装置であるデジタル複写機の全体構成および動作を説明する。デジタル複写機の装置本体１には、原稿の画像情報を光学読み取りするスキャナ５０、原稿を連続してスキャナ５０に搬送するＡＤＦ１０、画像形成部５１、記録媒体である用紙を収容する給紙部１１が備えられている。しかしながら、その基本構成はよく知られているので、簡単に述べるにとどめる。

画像形成部５１は、カラー画像に対応するため、黒用画像形成部５１ＢＫ、マゼンタ用画像形成部５１Ｍ、イエロー用画像形成部５１Ｙ、シアン用画像形成部５１Ｃに分かれて存在する。そして、それぞれスキャナ画像情報や外部画像情報に基づいて露光光を書き込み部５９から照射される。色の違いを除いて構成は同じであるので、図中シアンについてのみ符号を付し、以下に説明する。

シアンの露光光を照射される感光体ドラム５５Ｃは反時計まわりに回転し、帯電部５７Ｃで帯電された後、露光光が照射されたドラム部分を現像部５６Ｃでトナー付着されて、トナー像が形成される。そのトナー像は１次転写されて各色を重ね合わせることにより中間転写部５３上に画像形成され、転写後の感光体ドラム５５Ｃの残留トナーはクリーニング部５８Ｃで回収される。

また、給紙部１１から給紙された用紙は、レジスト部６０に搬送され、レジスト部６０でスキュー補正されるとともに中間転写部５３のトナー像とのタイミングを取って２次転写部５２に送り込まれ、２次転写部５２にてトナー像を転写される。転写工程後の用紙は、搬送経路を経て定着装置２０に達する。定着装置２０に達した用紙は、加熱回転体たる定着ベルト２２と加圧回転体たる加圧ローラ３０との間の定着ニップに挿入され、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を定着される。トナー像が定着された用紙は、定着ニップから送出された後に、出力画像として装置本体１から排出されて、一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、装置本体１に設置される定着装置２０の全体概略構成を示す図２を用いて、定着装置２０の構成および動作を詳述する。定着装置２０は、主として、定着ローラ２１、定着ベルト２２、加熱ローラ２３、ＩＨヒータの外部誘導加熱部２４、加圧ローラ３０、分離ユニット３６等で構成される。

ここで、定着ローラ２１は、その表面にシリコーンゴム等の弾性層が形成されており、外周に定着ベルト２２を介して加圧ローラ３０が押し当てられて定着ニップが形成されている。そして、不図示の駆動部によって加圧ローラ３０が図２の反時計方向に回転して、定着ローラ２１や定着ベルト２２も圧接回転する。

定着ベルト２２は、ポリイミド樹脂等から成る層厚９０μｍのベース層上に、弾性層、離型層（表面層）が順次積層された多層構造のエンドレスベルトであり、加熱ローラ２３と定着ローラ２１とに掛け回されている。本例では、定着ベルト２２、加熱ローラ２３、定着ローラ２１をもって定着回転体が構成されている。弾性層は、層厚が２００μｍ程度であって、シリコーンゴム、フッ素ゴム、発泡性シリコーンゴム等の弾性材料で形成されている。離型層は、層厚が２０μｍ程度であって、ＰＦＡ（４フッ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂）、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＳ（ポリエーテルサルファイド）等で形成されている。定着ベルト２２の離型層によって、トナーに対する離型性（剥離性）が担保されている。

加熱ローラ２３には整磁合金が発熱部材として用いられ、整磁合金製回転体を構成し、図２の時計方向に回転する。整磁合金は鉄−ニッケル系の合金であり、キュリー温度に達すると磁性を失って、その結果、発熱を抑制し、それ以上の昇温を抑制する作用がある。図３は、加熱ローラが整磁合金の場合とアルミニウム材で熱源がハロゲンヒータの場合における端部温度の差を示す。小サイズ通紙を行うと、従来のハロゲンヒータだと加熱ローラがアルミニウム材のような金属の場合、非通紙部の温度が破線のように上昇する。これに対してＩＨヒータにより整磁合金を加熱（発熱）させる場合、Ｋｒ（キュリー温度）で磁性を失うため発熱が抑制され、非通紙部の温度上昇が抑えられる。キャンセルコイル等の余計な部品を備える必要もない。

加熱ローラ２３の内部には、厚みが０．４〜１．６ｍｍ程度でアルミニウムや銅等の透磁性の低い材料から成る磁束遮蔽板４０が、磁束遮断部材として、外部誘導加熱部２４の幅部分と対向する位置に配置されている。磁束遮蔽板４０は加熱ローラ２３の内周面と所定の一定間隔を保っている。磁束遮蔽板４０の内周面側は反射加工が施されている。つまり、磁束遮蔽板の内面はメッキ等のコーティングが施され、あるいは鏡面仕上げされている。その結果、補助加熱ヒータ４１の輻射熱は図６における矢印のように反射され、加熱ローラ２３の一点鎖線部分ａを加熱する。図７は磁束遮蔽板４０の反射加工を説明する斜視図である。

定着ベルト２２を定着ローラ２１と加熱ローラ２３の２軸によってのみ張架すれば、テンションローラを備えるベルト構成に比べて熱容量を抑えることができ、立ち上がり時間の短縮化に有利である。

外部誘導加熱部２４は、コイル２５、コア２６、コイルガイド２９等で構成され、加熱ローラ２３を部分的に取り囲むように、定着ベルト２２を介して加熱ローラ２３に対向している。ここで、コイル２５は、加熱ローラ２３に掛け回される定着ベルト２２の一部を覆うように、細線を束ねたリッツ線をローラ軸方向（図２の紙面垂直方向）に延ばしたものである。コイルガイド２９は、耐熱性の高い樹脂材料等から成り、コイル２５を保持する。コア２６は、フェライト等の透磁性の高い材料から成り、ローラ軸方向に延ばしたコイル２５に対向するように設置されている。なお、ＩＨヒータの「コア部」とは、電磁誘導加熱に寄与する対向する双方のコア部をいう。したがって、外部誘導加熱部２４のコア２６と、加熱ローラ２３の整磁合金とである。

また、加圧ローラ３０は、芯金上にフッ素ゴムやシリコーンゴム等の弾性層を形成させたものであり、定着ベルト２２を介して定着ローラ２１に圧接する。この加圧ローラ３０は加圧・脱圧可能に構成され、表面にはクリーニング手段３３が当接している。加圧ローラ３０の内部には、ハロゲンヒータ３５が設けられ、ローラ外周に対向して配置されたサーミスタ３９により温度検知されて、オンオフ制御されている。

定着ベルト２２と加圧ローラ３０との当接部である定着ニップに用紙Ｐが搬送されるので、定着ニップの入口側には、用紙Ｐの搬送を案内するガイド板が設けられている。定着ニップの出口側には、用紙Ｐの搬送を案内するとともに用紙Ｐを定着ベルト２２から分離する分離板を備えた分離ユニット３６が配設されている。

更に加熱ローラ２３の内部には補助加熱ヒータ４１が配置されている。補助加熱ヒータとしては、ハロゲンヒータやセラミックヒータが想定されるが、内部ＩＨヒータであってもよい。また補助加熱ヒータは複数個存在することも可能である。既述のように、磁束遮蔽板４０の内周面に反射加工が施されているので、補助加熱ヒータ４１の輻射熱は磁束反射板の内周面で反射して、反対側の加熱ローラ内周部分を加熱し、外部誘導加熱部２４と相俟って加熱ローラ２３を効率的に加熱する。

図４に、補助加熱ヒータ４１の有無による温度推移を示す。ハロゲンヒータである補助加熱ヒータ４１の電源は図示しないキャパシタであり、キャバシタから電力が供給される。キャパシタは画像形成装置が最大電力未満で稼動している間、例えば立ち上がり後の待機時等に充電が行われ、所定タイミングで放電することにより補助加熱ヒータ４１へ電力供給する。図４では、立ち上がりと同時にキャパシタから補助加熱ヒータへ電力供給が行われる場合と補助加熱ヒータを備えない場合（補助加熱ヒータを備えても電源をキャパシタとしない場合も含む）の温度推移を示している。キャパシタからの電力供給が行われている場合は立ち上がり時間は時間ｔ１となり、補助加熱ヒータがない場合（補助加熱ヒータに電力供給できない場合）は立ち上がり時間は時間ｔ２となっていてｔ１＜ｔ２なる関係にある。その後、直ちに連続通紙を行うと、補助ヒータ４１は時間Δｔ分の電力補填によって定着下限温度ＴＬ以上を維持している。一方、補助ヒータ４１がない場合（補助加熱ヒータに電力供給できない場合）は立ち上がり後の連続通紙で定着ベルト２の温度はどんどん落ち込み、定着下限温度Ｔ_Ｌを下回り、コールドオフセットとなってしまう場合がある。つまり、補助加熱ヒータの電源をキャパシタにすることで、立ち上がり時に機械本体の定格電力で制限されるヒータ電力に電力補填することが可能で、立ち上がり時間の短縮と連続通紙初期時の温度落ち込みを防止することができる。図５は本発明に係る定着装置におけるキャパシタによる補助加熱システムの回路図である。

また、誘導加熱部２４の近傍には、非接触の第１温度検知手段２８が設置され、加熱ローラ２３に掛け回された定着ベルト２２上の表面温度（定着温度）を検知して、ＩＨヒータ温度の制御を行っている。定着ベルト２２の内側で加熱ローラ２３表面に配置された第２温度検知手段４２は、補助加熱ヒータ４１による加熱ローラ２３の定着ベルト２内側の温度検知を行う。補助加熱ヒータ４１は加熱ローラ２３の回転と同時に、または回転中に電力供給され、加熱ローラ２３が停止中は電力供給が一切行われない構成となっている。具体的には図示しない加熱ローラ２３の回転検知部材（フォトセンサ等）を設けて、回転有無を検出し、電力供給を許可する制御を行っている。第２温度検知手段４２を定着ベルト２２の内側で加熱ローラ２３表面に配置することで、万一、非回転時に電力供給が行われても、ＩＨヒータのための第１温度検知手段２８とは独立して高温を検知でき、安全性を確保できる。

以上のように構成された定着装置２０は、以下のように動作する。加圧ローラ３０の回転駆動によって、定着ベルト２２は図２中の矢印方向に回転するとともに、加熱ローラ２３も時計方向に回転して、定着ローラ２１も矢印方向に回転する。コイル２５に高周波の交番電流を流すことで、加熱ローラ２３表面に渦電流が生じて、加熱ローラ２３自体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、加熱ローラ２３に掛け回される定着ベルト２２が誘導加熱部２４との対向位置で加熱される。また、補助加熱ヒータ４１によっても加熱ローラ２３が内部から加熱され、定着ベルト２２を加熱する。このように加熱された定着ベルト２２は、定着ニップに達する。一方、既述の作像プロセスを経てトナー像Ｔを担持した用紙Ｐが、ガイド板に案内されながら定着ニップに送入される。定着ニップでは、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溶融されたトナー像Ｔが用紙Ｐに押圧されて、定着し、用紙Ｐは定着ニップから送出される。

図８に、第２実施形態に係る定着装置を示す。この定着装置は、主として、定着ローラ７１、ＩＨヒータの外部誘導加熱部７４、加圧ローラ８０、磁束遮蔽板９０等で構成される熱ローラ式定着装置である。分離ユニット等も備え、図２に示すベルト式定着装置と比べて、定着ベルトや加熱ローラを有していない点で相違するものである。

定着ローラ７１は、整磁合金で成る発熱層、シリコーンゴム等で成る弾性層、フッ素樹脂等で成る離型層（表面層）等で構成される。定着ローラ７１の内部は、中空構造になっており、アルミニウムや銅等の透磁性の低い材料から成る磁束遮蔽板９０が、外部誘導加熱部７４の幅部分と対向する位置に配置されている。磁束遮蔽板９０の内周面側は反射加工が施されている。更に定着ローラ７１の内部には、補助電源装置のキャパシタからの電力で駆動される補助加熱ヒータ９１が配置されており、磁束遮蔽板９０の反射加工によって定着ニップ側の定着ローラ７３内周部分を加熱することができる。

外部電磁誘導加熱部７４は、図２の実施形態と同様に、コイル７５、コア７６、コイルガイド７９等で構成される。
誘導加熱部７４の近傍には、非接触の第１温度検知手段７８が設置され、ＩＨヒータ温度の制御を行う。また誘導加熱部７４とは離れた定着ローラ７３の周辺位置に、第２温度検知手段９２が配置され、補助加熱ヒータ９１による加熱ローラ７３の温度検知を行うようになっている。補助加熱ヒータ９１は図２における補助加熱ヒータ４１と同じように動作する。

芯金上にフッ素ゴムやシリコーンゴム等の弾性層を形成させた加圧ローラ８０は加圧・脱圧可能に構成され、その内部には、図２の実施形態と同様に、主電源装置からの電力で駆動されるハロゲンヒータ８５が配置されている。そして、ローラ外周に対向して配置されたサーミスタ８９により温度検知されて、オンオフ制御されている。

２１定着ローラ
２２定着ベルト
２３加圧ローラ
２４外部誘導加熱部
３０加圧ローラ
３６分離ユニット
４０磁束遮蔽板
４１補助加熱ヒータ

特開２００９−１３９６７４号公報特開２００７−７９１４２号公報

Claims

記録媒体上のトナー像に熱を与えて前記トナー像を溶融する加熱ローラを有する定着回転体と、前記記録媒体を前記定着回転体に押圧する加圧回転体と、前記定着回転体を加熱する外部電磁誘導加熱手段とを有する定着装置であって、前記加熱ローラの内部に、前記外部電磁誘導加熱手段に対向する磁束遮断部材と補助加熱手段を設けることを特徴とする定着装置。
前記定着回転体が、前記外部電磁誘導加熱手段に部分的に取り囲まれた前記加熱ローラと、定着ベルトと、定着ベルトを介して前記加圧回転体に接して定着ニップを形成する定着ローラとで構成されている、請求項１に記載の定着装置。
前記定着回転体が前記加熱ローラで構成され、前記加熱ローラが前記加圧回転体に接して定着ニップを形成する、請求項１に記載の定着装置。
前記加熱ローラが整磁合金製回転体を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の定着装置。
前記補助加熱手段の電源がキャパシタである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置。
前記定着ベルトの内側に温度検知手段が配置され、前記補助加熱手段の温度検知を行う、請求項１〜５のいずれか一項に記載の定着装置。
前記磁束遮断部材の、前記補助加熱手段に面した側に反射加工が施されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の定着装置。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の定着装置を備えた画像形成装置。