JP2017021104A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベルト発熱タイプの定着において、発熱する筒状の発熱体の屈曲疲労による破損を抑制する定着装置を提供する。【解決手段】定着ユニット７と対向回転体としての加圧ローラ８とからなる定着装置Ｆであって、定着ユニット７は、発熱する筒状の発熱体１と、発熱体１の内部側に位置する磁性コア３と、励磁コイル４と、ステイ５と、ステイ５を保持したニップ形成部材６と、発熱体１の周囲側に位置する筒状の回転体２と、から構成され、発熱する筒状の発熱体１を固定とし、発熱体１の周囲を筒状の回転体２を発熱体１と接触しながら回転させる。【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真プリンタや電子写真複写機などの画像形成装置に搭載する電磁誘導加熱方式の定着装置に関する。

電子写真式のプリンタや複写機に搭載する電磁誘導加熱方式の定着装置として、加圧ローラと共にニップ部を形成する筒状のベルトを電磁誘導発熱させるベルト発熱タイプの装置が知られている。

特許文献１は、導電層を有するベルトの回転軸方向に磁界を発生させベルトの周回方向に電流を形成することでベルトを発熱させる定着装置を開示している。特許文献２は、発熱層を有するベルトに対して垂直な方向に磁界を発生させ発熱層に渦電流を形成することでベルトを発熱させる定着装置を開示している。

特許文献１、２の定着装置では、湾曲するベルトを直接加熱することができる。このため、セラミックヒータを用いた従来のオンデマンド定着装置よりも、湾曲形状などのニップ形状設計の自由度が高いという特徴がある。自由度の高さから、定着性に有利なニップ形状とすることができ、従来よりも低温定着の実現が可能となっている。

特開２０１４−２６２６７号公報 特許第４６５０１６６号公報

ベルト発熱タイプの定着装置において、ベルト上に流れる電流の向きと垂直な方向にベルト破損が発生した場合、破損端部で発熱が集中し、局所的に温度が上昇するという課題がある（特許文献２の段落００２１参照）。局所的な温度上昇は、破損部分を本来流れる垂直な方向の電流量に比例して大きくなる。局所発熱により、画像ムラやホットオフセット等の画像弊害を引き起こす可能性があるため、電流の向きと垂直な方向へのベルト破損は回避する必要がある。

ところが、ベルト発熱タイプのベルトとして利用可能な金属ベルトやカーボン入りポリイミドベルトは屈曲疲労に弱い。このため、これらのベルトを用いて定着性に有利なように急峻な曲面をもつニップ形状とした場合に、ベルトの使用期間が長くなるに従ってベルトの母線方向（回転軸方向に平行な方向）に屈曲疲労が蓄積し、ベルトが母線方向で破損を起こす恐れがある。

特に、特許文献１のように、周回方向に電流を形成することで発熱するベルトは、屈曲疲労による破損の方向と電流の向きが垂直の関係となるため、特許文献２の装置に用いるベルトよりも屈曲疲労による破損に対して注意を要する。即ち、周回方向に電流を形成することで発熱するベルトはベルト破損の懸念があるために特許文献２の装置に比べてニップ設計の自由度に制限がかかってしまうのである。

屈曲疲労による破損の方向と電流の向きが垂直の関係となるのは、ベルトの回転軸方向に磁界を発生させベルトの周回方向に電流を形成することで全周にわたり発熱する定着装置に特有のものである。渦電流によりベルトを発熱させる装置では破損部を流れる電流量の垂直成分が少ないこと、ベルトが回転し破損部がコイルに接近したときのみ発熱すること、などから局所発熱は発生しにくい。これに対し、ベルトの周回方向に電流を流しベルトを発熱させる装置では、常に電流が破損部を垂直方向に流れるため、局所発熱による画像弊害が出やすい。

本発明の目的は、発熱する筒状の発熱体の屈曲疲労による破損を抑制することができる定着装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の定着装置は、導電層を有し固定された筒状の発熱体と、前記発熱体の外周面と少なくとも一部が接触した状態で回転可能に設置された筒状の回転体と、前記発熱体と対向して配置され、前記発熱体に対して圧接された状態で回転することで前記回転体が前記発熱体の外周を摺動する駆動力を前記回転体に与える対向回転体と、前記発熱体の中空部に挿通され前記発熱体の母線方向に沿って配置された磁性芯材と、前記磁性芯材に対し、前記回転体の回転軸線に交差する方向に巻き線を施すことによって形成される励磁コイルと、前記励磁コイルへ交番電流を供給するインバータ回路と、を有し、前記発熱体が電磁誘導により発熱することを特徴とする。

本発明によれば、発熱する筒状の発熱体の屈曲疲労による破損を抑制することができる定着装置の提供を実現できる。

実施例１に係る定着装置の断面図 定着装置の正面図 定着ユニットの内部構造を示す斜視断面図と、発熱部材とベルトの層構成を示す断面図 磁性コアと励磁コイルによる発熱部材の電磁誘導加熱を説明するための図 励磁コイルの巻き方を示した図 実施例２に係る定着装置の断面図 実施例３に係る定着装置の断面図 実施例４に係る定着装置の断面図 画像形成装置の断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の好適な実施形態は、本発明における最良の実施形態の一例ではあるものの、本発明は以下の実施例により限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において他の構成に置き換えることは可能である。

［実施例１］
（１）画像形成装置１１１
図９を参照して、本発明に係る定着装置を搭載する画像形成装置を説明する。図９は電子写真記録技術を用いた画像形成装置（本実施例ではモノクロプリンタ）１１１の一例の概略構成を示す断面図である。

画像形成装置１１１において、記録材Ｓにトナー画像を形成する画像形成部ＩＦは、像担持体としての感光体ドラム１００と、帯電部材１０２と、レーザスキャナ１０３と、を有する。更に画像形成部ＩＦは、現像器１０４と、感光体ドラムの外周面（表面）をクリーニングするクリーナ１０１と、転写部材１０６と、を有する。感光体ドラム１００と、帯電部材１０２と、現像器１０４、クリーナ１０１は、画像形成装置本体１１１Ａに取り外し可能に装着されるカートリッジＣａとして一体的に構成されている。以上の画像形成部ＩＦの動作は周知であるので詳細な説明は割愛する。

画像形成装置本体１１１Ａ内のカセット１０５に収納された記録材Ｓは、ローラ１０８の回転によって１枚ずつ繰り出された後に、ローラ１０９の回転によって感光体ドラム１００と転写部材１０６とで形成された転写部に搬送される。転写部でトナー画像が転写された記録材Ｓは定着装置（定着部）Ｆに送られ、トナー画像は定着装置Ｆで記録材に加熱定着される。定着装置Ｆを出た記録材Ｓはローラ１１０の回転によってトレイ１０７に排出される。

（２）定着装置Ｆ
図１、図２、図３を参照して、本実施例に係る定着装置Ｆを説明する。本実施例に示す定着装置Ｆは電磁誘導加熱方式の装置である。図１は本実施例に係る定着装置Ｆの概略構成を示す断面図である。図２は定着装置Ｆを記録材Ｓの搬送方向ａの上流側から見たときの正面図である。図３の（ａ）は定着ユニット７の内部構造を示す斜視断面図、（ｂ）は発熱部材１とベルト２の層構成を示す断面図である。

本実施例の定着装置Ｆは、定着ユニット７と、対向回転体としての加圧ローラ８と、を有する。図１に示すように、加圧ローラ８は、芯金８ａと、芯金８ａの外周面上にローラ状に設けられた弾性層８ｂと、弾性層８ｂの外周面上に設けられた離型層８ｃと、を有する。弾性層８ｂの材質は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム等で耐熱性がよいものが好ましい。

記録材Ｓの搬送方向ａと直交する方向Ｘ（図２参照）について、加圧ローラ８の芯金８ａの両端部は定着装置Ｆのフレーム（不図示）に軸受けを介して回転自由に保持されている。また、ステイ５の両端部と、フレーム側のバネ受け部材１８ａ，１８ｂとの間に、それぞれ、加圧バネ１７ａ，１７ｂを縮設することでステイ５に押し下げ力を作用させている。本実施例の定着装置Ｆでは、図１のようにニップ形成部材６の加圧ローラ８とは反対側の上面６ａに保持させたステイ５に総圧約２５０Ｎ（約２５ｋｇｆ）の押圧力を与えている。

耐熱性樹脂ＰＰＳ等で構成されたニップ形成部材６の加圧ローラ８と対向する下面６ｂには、記録材Ｓの搬送方向ａについて、下面６ｂの中央に、加圧ローラ８とは反対側に窪む湾曲面６ｂ１（図1参照）が設けられている。また、下面６ｂの湾曲面６ｂ１の両側には、加圧ローラ８側に膨らむ弧状の曲面６ｂ２が設けられている。

ステイ５を保持したニップ形成部材６の外周には、筒状の発熱体としての発熱部材１が設けられている。そして、この発熱部材１の外周には、発熱部材１の外周面と少なくとも一部が接触した状態で回転可能に設置された筒状の回転体としてのベルト２が設けられている。本実施例では発熱部材１の外周面にベルト２の内周面全域を接触させている。

ステイ５に押圧力を与えると、ニップ形成部材６の湾曲面６ｂ１と加圧ローラ８の外周面の一部とが、発熱部材１の外周面とベルト２の内周面とを圧接する。これにより、ベルト２の内周面と加圧ローラ８の外周面とで湾曲面６ｂ１の形状に応じた急峻な曲面を持つ湾曲形状のニップ部Ｎ（図１参照）が形成される。

発熱部材１はニップ形成部材６に固定され、回転不可能である。加圧ローラ８はモータ（不図示）により矢印方向に回転駆動し、この加圧ローラ８の回転に追従してベルト２はベルト２の内周面が発熱部材１の外周面に摺動しながら矢印方向に回転する。つまり、発熱部材１と対向して配置された加圧ローラ８は、発熱部材１に対してベルト２を圧接させた状態で回転することでベルト２が発熱部材１の外周を摺動する駆動力をベルト２に与える。

ベルト２の回転時にベルト２の内周面と発熱部材１の外周面に発生する摺動抵抗を低減するために、発熱部材１の外周面、又はベルト２の内周面にグリスを塗布することが望ましい。

記録材Ｓの搬送方向ａと直交する方向Ｘについて、ニップ形成部材６の両端部にはフランジ部材１２ａ，１２ｂが外嵌されている。フランジ部材１２ａ，１２ｂは、それぞれ、規制部材１３ａ，１３ｂによりステイ５に固定されている。各フランジ部材１２ａ，１２ｂは、ベルト２の回転時にベルト２の端部を受けて、ベルト２の母線方向に沿う寄り移動を規制する役目をする。フランジ部材１２ａ，１２ｂの材質としては、ＬＣＰ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ：液晶ポリマー）樹脂等の耐熱性の良いものが好ましい。

発熱部材１は、例えばスピニング加工された筒状のＳＵＳからなり、ＳＵＳが導電層として発熱する。また、後述のように周回方向に電流を流し発熱する発熱部材１は周回方向への抵抗値ムラがあると発熱ムラが生じてしまう。このため、導電層は周回方向で接続部分がないシームレスな筒状である必要がある。本実施例では、発熱部材１として厚み４０μｍに成型したＳＵＳを用いた。

加圧ローラ８と共にニップ部Ｎを形成するベルト２は、筒状に成型された基層２ａと、その基層２ａの外周面上に積層した離型層２ｂの複合構造の部材である（図３（ｂ）参照）。本実施例では厚み７０μｍのポリイミド樹脂を基層２ａとして用いており、その基層２ａの外周面上に厚み２０μｍのフッ素樹脂を離型層２ｂとして塗布して用いている。

発熱部材１に対し、交番磁束を作用させ、周回方向への誘導電流を発生させることで発熱部材１が発熱し、この発熱部材１の熱がベルト２へ伝わる。未定着のトナー画像Ｔが形成された記録材Ｓはニップ部Ｎで搬送されつつ加熱され、これによりトナー画像Ｔは記録材Ｓ上に定着される。

発熱部材１に対し、交番磁束を作用させ、誘導電流を発生させる原理と構成について詳述する。図４は磁性コア３と励磁コイル４による発熱部材１の電磁誘導加熱を説明するための図である。

磁性芯材としての磁性コア３は、不図示の固定手段で発熱部材１の中空部に貫通して配置させ、磁極ＮＰ，ＳＰを持つ直線状の開磁路を形成している。つまり、磁性コア３は、発熱部材１の中空部に挿通され発熱部材１の母線方向（方向Ｘと平行な方向）に沿って配置されている。磁性コア３の材質は、ヒステリシス損が小さく比透磁率の高い材料、例えば、焼成フェライト、フェライト樹脂、非晶質合金（アモルファス合金）や、パーマロイ等の高透磁率の酸化物や合金材料で構成される強磁性体が好ましい。本実施例においては、比透磁率１８００の焼成フェライトを用いる。形状は直径１２ｍｍの円柱形状をしている。

図５は励磁コイル４の巻き方を示した図である。励磁コイル４は、通常の単一導線を発熱部材１の中空部において、磁性コア３に螺旋状に巻き回して発熱部材１の母線方向と略平行な螺旋形成部４ｃを形成している。記録材Ｓの搬送方向ａと直交する方向Ｘについて、磁性コア３の長さは３４０ｍｍである。本実施例では、長さ３４０ｍｍの磁性コア３に対し、励磁コイル４は巻間隔が均等に２０ｍｍピッチで１８回巻きつけている。この励磁コイル４はベルト２の回転軸線Ａに交差する方向に巻き回されている。

この励磁コイル４に給電接点部４ａ，４ｂを介してインバータ回路としての高周波コンバータ１６から高周波電流（交番電流）を供給し、磁性コア３の記録材Ｓの搬送方向ａと直交する方向Ｘに交番磁束を発生させる。この交番磁束により発熱部材１の周回方向に誘導電流が流れ、発熱部材１自身の電気抵抗によってジュール熱を発生させることで、発熱部材１を発熱させる。このとき発熱部材１は発熱部材１の外周全域で発熱する。

（３）制御
図１、図２に示すように、非接触型サーミスタによって構成される検温素子９，１０，１１は、記録材Ｓの搬送方向ａに関し、ニップ部Ｎの上流側でベルト２に対向させて配設してある。記録材Ｓの搬送方向ａと直交する方向Ｘに関し、ベルト２の中央に配設された検温素子９は、大サイズ記録材と小サイズ記録材が必ず通過するベルト中央部の温度を検知する。この検温素子９の検出温度に基づきベルト２は表面の温度が所定の定着温度（目標温度）に維持・調整される。

ベルト２の両端部に配設された検温素子１０，１１では、大サイズ記録材が通過し小サイズ記録材が通過しないベルト端部の昇温具合を検知することができる。

図４に、プリンタ制御部４０のブロック図を示す。プリンタ制御部４０において、プリンタコントローラ４１は後述するホストコンピュータ４２との間で通信と画像データの受信、及び受け取った画像データをプリンタが印字可能な情報に展開する。更にプリンタコントローラ４１はエンジン制御部４３との間で信号のやり取り及びシリアル通信を行う。エンジン制御部４３はプリンタコントローラ４１との間で信号のやり取りを行い、更にシリアル通信を介して定着温度制御部４４、周波数制御部４５、電力制御部４６の制御を行う。

定着温度制御部４４は検温素子９，１０，１１によって検出された温度を基に定着装置Ｆの温度制御を行うと共に、定着装置Ｆの異常温度の検出等を行う。周波数制御部４５は高周波コンバータ１６の駆動周波数の制御を行い、電力制御部４６は励磁コイル４に印加する電圧を調整して高周波コンバータ１６の電力の制御を行う。

このようなプリンタ制御部４０を有するプリンタシステムにおいて、ホストコンピュータ４２はプリンタコントローラ４１に画像データを転送し、ユーザからの要求に応じて記録材サイズなどの様々なプリント条件を設定する。

（４）実験
本実施例の定着装置Ｆを搭載する画像形成装置１１１について、下記の設定で動作確認実験を行った。記録材Ｓのニップ部Ｎにおける搬送速度を２４０ｍｍ／ｓｅｃとし、ベルト２の表面温度（定着温度）を１９５℃に設定した。実験は坪量７５ｇ／ｍ^２のＬＴＲ−Ｐサイズ紙で行い、スループットは４０ｐｐｍとした。上記の条件で、トナー画像Ｔが形成された記録材Ｓをニップ部Ｎに連続５０枚通過させて記録材Ｓ上のトナー画像を確認したところ、良質な定着画像を得ることができた。

（５）発熱部材１の破損抑制作用
本実施例の定着装置Ｆは、固定された発熱部材１の外周面に接触するベルト２がニップ部Ｎで加圧ローラ８から摩擦力を受けて回転する。発熱部材１は非回転であるために、回転に伴う屈曲疲労の影響を受けることがなくなる。その結果、湾曲形状などのニップ形状設計の自由度を保つことができ、更に屈曲疲労によって発熱部材（導電層）１が母線方向で破損することを抑制できるため、従来のような局所発熱に伴う画像不良の発生を抑制することができる。

［実施例２］
定着装置Ｆの他の例を説明する。本実施例では実施例１の定着装置Ｆと異なる構成のみを説明する。図６は本実施例に係る定着装置Ｆの概略構成を示す断面図である。

実施例１の定着装置Ｆは、発熱部材１の外周面にベルト２の内周面全域を接触させた構成とした。しかしながら、発熱部材１の外周面の一部がベルト２の内周面と接触する構成であってもかまわない。例えば、定着装置Ｆの加圧ローラ８とベルト２の回転数をアップする高速化に伴いステイ５に与える押圧力を上昇させた場合、ベルト２と発熱部材１の摺動抵抗が上昇してベルト２を回転させるための回転トルクが増大することが考えられる。

そこで、回転トルク低減のために、図６のように、発熱部材１とベルト２を、ニップ部Ｎ、及びニップ部Ｎの記録材Ｓの搬送方向ａ上流側と下流側のみ接触させる構成とする。

ベルト２は、ベルト２の内周長が発熱部材１の外周長に対して長く、ベルト２の内周面の少なくとも一部が発熱部材１の外周面に接触するように形成してある。

ステイ５に押圧力を与えると、実施例１で説明したようにベルト２の外周面と加圧ローラ８の外周面とでニップ部Ｎが形成される。また、記録材Ｓの搬送方向ａについて、ニップ形成部材６の湾曲面６ｂ１の上流側と下流側の曲面６ｂ２が発熱部材１の内周面を押圧して発熱部材１の外周面をベルト２の内周面に圧接する。これにより、発熱部材１とベルト２とで曲面６ｂ２の形状に応じた弧状の圧接部Ｃがニップ部Ｎの上流側と下流側に形成される。つまり、ベルト２は、発熱部材１の外周面と少なくとも一部（ニップ部Ｎ及び圧接部Ｃ）が接触した状態で回転可能に設置されている。

本実施例の定着装置Ｆにおいても、発熱部材１は非回転であるために、回転に伴う屈曲疲労の影響を受けることがなくなる。よって、実施例１と同様な作用効果を得ることができる。

［実施例３］
定着装置Ｆの他の例を説明する。本実施例では実施例１の定着装置Ｆと異なる構成のみを説明する。図７は本実施例に係る定着装置Ｆの概略構成を示す断面図である。

実施例１の定着装置Ｆは、発熱部材１とニップ形成部材６を別部材とする構成とした。しかしながら、発熱部材１が剛体でありニップ形成部材６を兼ねる構成であってもかまわない。図７に示すように、発熱部材１を周方向の厚みが均等に１．５ｍｍになるよう成形し、更に加圧ローラ８と対向する部位にニップ形成部材６の湾曲面６ｂ１及び曲面６ｂ２と同じ形状の湾曲面１ａ１及び曲面１ａ２を設ける。そして、その発熱部材１をステイ５が直接押し下げる構成とする。

ステイ５に押圧力を与えると、発熱部材１の湾曲面１ａ１と加圧ローラ８の外周面の一部とが、発熱部材１の外周面とベルト２の内周面とを圧接する。これにより、ベルト２の内周面と加圧ローラ８の外周面とで湾曲面１ａ１の形状に応じた急峻な曲面を持つ湾曲形状のニップ部Ｎが形成される。

本実施例の定着装置Ｆにおいても、発熱部材１は非回転であるために、回転に伴う屈曲疲労の影響を受けることがなくなる。よって、実施例１と同様な作用効果を得ることができる。

［実施例４］
定着装置Ｆの他の例を説明する。本実施例では実施例３の定着装置Ｆと異なる構成のみを説明する。図８は本実施例に係る定着装置Ｆの概略構成を示す断面図である。

実施例３の定着装置Ｆは、発熱部材１の外周面にベルト２の内周面全域を接触させる構成とした。しかしながら、発熱部材１の外周面の一部がベルト２の内周面と接触する構成であってもかまわない。

ベルト２は、ベルト２の内周長が発熱部材１の外周長に対して長く、ベルト２の内周面の少なくとも一部が発熱部材１の外周面に接触するように形成してある。

ステイ５に押圧力を与えると、実施例３で説明したようにベルト２の外周面と加圧ローラ８の外周面とでニップ部Ｎが形成される。また、記録材Ｓの搬送方向ａについて、発熱部材１の湾曲面１ａ１の上流側と下流側の曲面１ａ２が発熱部材１の内周面を押圧して発熱部材１の外周面をベルト２の内周面に圧接する。これにより、発熱部材１とベルト２とで曲面１ａ２の形状に応じた弧状の圧接部Ｃがニップ部Ｎの上流側と下流側に形成される。つまり、ベルト２は、発熱部材１の外周面と少なくとも一部（ニップ部Ｎ及び圧接部Ｃ）が接触した状態で回転可能に設置されている。

本実施例の定着装置Ｆにおいても、発熱部材１は非回転であるために、回転に伴う屈曲疲労の影響を受けることがなくなる。よって、実施例１と同様な作用効果を得ることができる。

１ 発熱部材、２ ベルト、３ 磁性コア、４ 励磁コイル、８ 加圧ローラ、
１６ 高周波コンバータ

Claims (2)

1. 導電層を有し固定された筒状の発熱体と、前記発熱体の外周面と少なくとも一部が接触した状態で回転可能に設置された筒状の回転体と、前記発熱体と対向して配置され、前記発熱体に対して圧接された状態で回転することで前記回転体が前記発熱体の外周を摺動する駆動力を前記回転体に与える対向回転体と、前記発熱体の中空部に挿通され前記発熱体の母線方向に沿って配置された磁性芯材と、前記磁性芯材に対し、前記回転体の回転軸線に交差する方向に巻き線を施すことによって形成される励磁コイルと、前記励磁コイルへ交番電流を供給するインバータ回路と、を有し、前記発熱体が電磁誘導により発熱することを特徴とする定着装置。
2. 前記対向回転体は前記回転体と接触してニップ部を形成し、前記ニップ部でトナー画像が形成された記録材を搬送しつつ加熱してトナー画像を記録材に定着することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。