JP3743608B2

JP3743608B2 - 誘導加熱を用いた定着装置

Info

Publication number: JP3743608B2
Application number: JP2000080815A
Authority: JP
Inventors: 木修高; 聡木野内
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: US6255633B1; US6646239B2; US20010022299A1; US6455824B2; US20030052122A1; JP2001188429A; JP2006079115A; US20040065660A1; US7205512B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電子写真装置、静電複写機、レーザプリンタ等の画像形成装置において、用紙等の被定着材にトナー像等の画像を定着するのに用いられる誘導加熱を用いた定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子写真装置の定着装置では、一般に次のようにしていた。即ち、加熱源としてハロゲンランプ等を用い、これを金属製の加熱ローラの内側に設置し、この加熱ローラを加熱する。この加熱ローラに対向、圧接状態に、少なくとも表面を弾性材とした加圧ローラを設置する。これらの２つのローラによって形成される互いに接触するニップ部の間を被定着物としての用紙を通過させる。この通過時に、用紙上のトナー像を溶融、定着させる。また、これと異なる従来の方法としては、フラッシュランプを用い、用紙をこれに対して非接触で加熱して定着させるものもある。さらに、これらの効率改善策を施したものとして、特開平８−７６６２０号公報に示されるような磁場発生手段とベルトとを組み合わせた定着装置や、特開昭５９−３３４７６号公報に示される加熱部材としてセラミックスを用いた定着装置等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のものには各種の難点がある。即ち、誘導コイルによる誘導加熱を応用した定着装置においては、加熱ローラを均一に加熱するのが実際上非常に困難である。均一な加熱の実現のために発熱効率を最適化するには、誘導コイル自体の構成について工夫して最適なものにする必要があるが、これも実際上に著しく困難である。
【０００４】
加熱ローラの均一な加熱という点に関連し、加熱ローラを軸方向（幅方向）にも温度むらがないようにする必要がある。従来のハロゲンランプヒータを用いた装置にあっては、配光特性を変更することによって対応していた。誘導加熱定着装置においても、これと同様の効果を期待するための何んらかの対策が必要となる。
【０００５】
この誘導加熱用のコイルを、既存のモータ等のコイルと比較すると、使用環境は互いに大きく異なる。このため、モータ等のコイルと異なり、誘導加熱のコイルの形状は、特に耐熱を考慮して選定する必要がある。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、電子写真装置等における定着装置のうち、大きな電力が供給されて高温化するのが避けられない誘導加熱装置（コイル）とそれによって加熱される加熱ローラとに着目し、これを、耐熱性、放熱性、絶縁性に優れ、加熱ローラの加熱が均一に且つ被定着物との位置関係で適正に行われる軽量、安価なものとして提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、導電性の金属層をもつ加熱ローラ本体と、該加熱ローラ本体の内側に、ローラ軸方向に長尺に配設された誘導加熱コイルとを有する定着装置であって、該誘導加熱コイルは、耐熱樹脂製の芯材の外表面に、一液性の樹脂にマイカを５０重量％以下配合し、２００℃以上の耐熱性の被覆層を形成するワニスを塗装、乾燥して、耐熱性被覆層を形成したコイル支持体を有し、耐熱性のポリアミドイミド又はポリイミドで被覆された線材からなるリッツ線で形成された励磁コイルを、前記耐熱性被覆層を形成済みの前記コイル支持体に巻回した後に、前記ワニスを再び塗装して、前記励磁コイルの線材同士及び前記励磁コイルと前記コイル支持体とを固定したことを特徴とする、誘導加熱を用いたものとして構成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【０００９】
図１は、静電複写機等における、被定着材（用紙）へ画像としてのトナー像を定着する定着装置１の全体構成を示した簡略断面図である。図２には、要部（加熱ローラ２と加圧ローラ３）の斜視図を用紙Ｐと共に示している。さらに、図７に、これら２つのローラの位置関係が示される。
【００１０】
この定着装置１は、図１中の右側にある用紙Ｐを、互いに圧接する上側の高温の加熱ローラ（定着ローラ）２と下側の加圧ローラ（プレスローラ）３との間（ニップ部）を右側から左側方向に通すことにより、被定着剤としての用紙Ｐ上のトナーの溶融、定着を行うようにしたものである。
【００１１】
より詳しくは、ボディ（シャーシ）４に対して加熱ローラ２はベアリングＢ（図７）によって回転可能に支持されており、且つ、駆動モータ（図示せず）によって時計回り方向に駆動されるようになっている。加熱ローラ２は、エンドレス部材であり例えば、φ４０ｍｍの円筒に構成される。この加圧ローラ２はエンドレス部材として構成されていればよく、例えば２つのプーリ間に耐熱性のベルトを巻き掛け、内部に後述の誘導加熱装置６を配置するようにすることもできる。この加熱ローラ２に対して、前記加圧ローラ３が、圧接状態にボディ４に対して回転可能に取り付けられている。例えば、図７からわかるように、回転可能に支持した加熱ローラ２をばねＳにより付勢して加熱ローラ２に圧接させることができる。つまり、加圧ローラ３は加熱ローラ２に対して圧接され、一定幅のニップ部８を持つように維持されている。この加圧ローラ３はそれ自体は駆動機構を持たず、前記加熱ローラ２によって反時計回り方向に従動させられる。
【００１２】
さらに加熱ローラ２についていえば、これは２重構造となっており、内側は、鉄製の本体２ａであり、肉厚は例えば１ｍｍとされる。この鉄に代えて、ステンレスや、アルミニウムや、ステンレスとアルミニウムの複合材等を用いることもできる。この本体２ａの外側は、テフロン等によって構成した離型層２ｂによって被覆されてる。また、この加熱ローラ２に圧接される加圧ローラ３は、芯金３ａと、これを被覆する外側のシリコンゴム、フッ素ゴム等の弾性材製の被覆層３ｂと、の２重構造となっている。
【００１３】
上記加熱ローラ２の内部空間には、ボディ４に対して固定状態に誘導加熱装置（磁場発生手段）６が設けられている。この誘導加熱装置６によって加熱ローラ２の鉄製の本体２ａが加熱されるのである。この加熱された加熱ローラ２によって、前記用紙Ｐ上の現像剤（トナー）Ｔが溶融、圧着される。
【００１４】
この加熱ローラ２のまわりには、各種の装置が取り付けられている。即ち、加熱ローラ２と加圧ローラ３との接触位置（ニップ部）８よりも回転方向のやや下流位置に、用紙Ｐを加熱ローラ２から剥離するための剥離爪５が設けられている。この爪５よりもさらに回転方向下流側には、加熱ローラ２の温度を検出するサーミスタ１０が設けられている。さらに下流側には、加熱ローラ２上にオフセットされたトナーや紙屑等のごみを除去するためのクリーニング部材１１が設けられている。さらに下流側、というよりも定着が行われるニップ部８の上流位置には、トナーのオフセットを防止するための離型剤を塗布する離型剤塗布装置１２が設けられている。
【００１５】
次に、前記誘導加熱装置６について詳しく説明する。この装置６は、高耐熱性の工業用プラスチックなどの耐熱性の樹脂製の芯材（コイル支持体）２０に、励磁コイル２１を巻き付けたものである。この励磁コイル２１としては、リッツ線を用いて、交流電流を有効に流し得るようにしている。例えば、このコイル２１としては、耐熱性のポリアミドイミド又はポリイミドで被覆された直径０．５ｍｍの線材（単位線）を１９本束ねたものを用いることができる。前述のように、このコイル２１は非磁性の芯材２０で支持されていることから、磁気的に見ると、フェライトや鉄芯等の磁性芯材のないいわゆる空芯コイルである。このように、複雑な形状の鉄芯材を不要としたので、コストの低減さらには磁気回路全体も安価にできる。なお、図中、２２ａ，２２ｂは、コイル温度センサである。
【００１６】
上記励磁コイル２１には、インバータ回路等の励磁回路（図示せず）からの高周波電流が供給され、加熱ローラ２に磁界の変化に伴う渦電流を発生させる。この渦電流により、加熱ローラ２にはそれ自体の電気抵抗によってジュール熱が発生し、加熱される。例えば、励磁コイル２１には、周波数２５ｋＨｚ、９００Ｗの高周波電流を流すことができる。
【００１７】
次に、上記加熱ローラ２における誘電加熱装置６について詳しく説明する。この誘電加熱装置６としては各種の態様をとることができ、以下にその各例について順次説明する。
【００１８】
図３は、その第１の態様例を示すものである。この図３の誘導加熱装置６においては、耐熱性と絶縁性の向上のために、コイル相互且つコイルと芯材との固定のために、固定用ワニスにマイカを配合して用いている。即ち、この誘導加熱装置６においては、励磁コイル２１同士の固定のために、及び励磁コイル２１とそれの巻芯としての非磁性の芯材２０との接着固定のために、用いられるワニス（固定用材料）中に、耐熱性の向上のために、マイカパウダを配合している。上記固定用材料としては、２００℃以上の耐熱性があるものが望ましく、ポリイミド系樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン系の樹脂などを用いることができ、特に、１液性の樹脂とすることができる。これらの固定用材料中に、上記マイカを重量で５０％以下の配合率で混合すればよい。
【００１９】
上記芯材２０を耐熱樹脂で被覆することができる。即ち、この保持体（芯材）２０としては、素材としての樹脂製の支持体本体（芯材本体）の外表面を塗装材料で塗装している。この塗装材としては、上記のコイル線同士の固定用材料とほぼ同様の固定用材料を用いることができる。このように、芯材（保持体）２０に耐熱樹脂を塗付することで、芯材自体の耐熱性を向上させることができる。これにより、高温雰囲気中における放置によっても、そりやひび割れ等を回避することが可能となる。
【００２０】
さらに、コイル２１の固定を耐熱束線バンド３１，３１，…で行うことができる。即ち、芯材２０に巻回された励磁コイル２１をより強固な固定状態にするために、必要に応じ、図３に示す如くに、耐熱状態の束線バンド３１，３１，…で巻回状態に固定することもできる。この耐熱材としては、芯材２０と同様の材料である、ＰＰＳ、ポリエーテルイミド、ＰＦＡ、不飽和ポリエステル、高耐熱フェノールあるいはポリイミド、などを用いることができる。このように、耐熱束線バンド３１を用いることにより、長期間の運転によるヒートサイクルによりコイルの形状に乱れがあっても、コイル２１と加熱ローラ２の内側との距離の劣化を防ぐことができる。
【００２１】
また、これと同様に、図４からわかるようにコイル２１の巻回成形後に、コイル２１の外側を耐熱素材で成形構成した成形体３２で被うことができる。即ち、励磁コイル２１の外側を、芯材２０と同様の材料でほぼ格子状とした成形体３２で束線することもできる。実際に製造するに当っては、コイルの芯材２０に励磁コイル２１を巻回した後に、全体を芯材２０と同様の材料により成形することもできる。これにより、図４からわかるように、芯材２０の外部への露呈部２０ａと束線体３２とが一体化される。このような構成を採用することにより、前記束線バンド３１を用いたときと同様の効果、つまり、コイル２１と加熱ローラ２の内側の距離を一定とすることができる。
【００２２】
図５は以上とは異なる例を示すものである。即ち、図５は、励磁コイル２１の外側を、コイルの放熱と、絶縁を兼ねた耐熱、絶縁、熱伝導性を有するシート３５で被っている。このシート３５の軸方向への突出部３５ａは軸方向に延成されたもので、冷却効果の向上を図るものである。即ち、これにより、コイル２１の発熱を緩和でき且つ加熱ローラ２の内側とコイル２１との絶縁性を向上することができる。なお、励磁コイル２１が多層に巻回されている場合には、必要に応じ、層間に上記と同様のシートを挟み込むように介在させてもよい。
【００２３】
図６は、加熱ローラ２の発熱分布を考慮して、送られてくる用紙のトナーの定着をより適正に行わせるために、加熱ローラ２と加圧ローラ３との位置を軸方向に互いに少しずらした例を示すものである。
【００２４】
即ち、図中、Ｃ１は加熱ローラの長手方向の中心を示し、Ｃ２は加圧ローラ３の長手方向の中心を示す。加熱ローラ２は、図中左に嵌装されたギアＧによって回転駆動力を受けるものである。このギアＧの分だけ、熱負荷が大きくなっている。さらに、誘導加熱装置６は、加熱ローラ２中において右に偏って内挿されている。このため、加熱ローラ２の発熱部分の中心は、幾何学的な中心Ｃ１よりも図中やや右にずれている。つまり、Ｃ２の位置が、加熱ローラ２の発熱の中心となる。よって、加圧ローラ３は、それの中心Ｃ３が、Ｃ２と重なるように、右側にｄだけずらして配置されている。このようにすることにより、用紙Ｐをその中心が加圧ローラ３の幅方向中心Ｃ３に沿って送れば、この用紙Ｐ上のトナーの定着は、左右対称に位置的に適正に行われることとなる。つまり、加熱ローラ２がギア等の被駆動手段等を有することによる、熱容量が軸方向に不均一であっても、加熱ローラ２の発熱分布を用紙Ｐとの関係で適正化できる。
【００２５】
図７は、コイルの芯材２０の一例を示すものである。コイルの芯材２０に、軸線とほぼ垂直な横方向に複数の貫通孔２０ａ，２０ａ，…を穿けたものである。このように貫通孔２０ａを設けることにより、加熱ローラ２からの輻射熱、コイル２１自体からのジュール熱の蓄熱を防ぎ、発熱を促進でき、さらに当然に保持体２０自体の軽量化さらには材料費の低減化も図り得る。
【００２６】
図８は、上記と同様の目的をもって、芯材２０に対して軸方向に孔２０ｂを穿けた例を示す。この孔２０ｂには、上記孔２０ａと同様の作用効果が得られる。この穴２０ｂは貫通していないものとすることもできる。穴２０ｂは、長手方向に熱を逃すよう機能する。
【００２７】
もちろん、図７と図８の２種類の穴２０ａ，２０ｂを同時に穿けてもよく、これを図９に示す。この場合には、２種類の穴２０ａ，２０ｂは、軸芯部分において互いに連通する。
【００２８】
これらの例において、軸方向に走る穴２０ｂに対しては、さらに送風手段を設けて、より効率的な送風冷却をすることもできる。
【００２９】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、励磁コイル２１と加熱ローラ２との間を２重又はそれ以上の絶縁をすることについての例を示す。より詳しくは、図１０（ｂ）からわかるように、励磁コイル２１は、前述のように、リッツ線を用いている。つまり、細い導線２１ａの外側にポリイミドやエナメル等の被覆２１ｂで絶縁した単位線の複数をよりあわせて１本の太い線の代わりに用いている。このよりあわせた複数の線の外側に、それらをさらに被覆する太い絶縁チューブ２１ｃを設けている。これにより、各細い導線２１ａと加熱ローラ２の本体２ａとは、２重に絶縁されていることになる。このような２重あるいはそれ以上の絶縁により、コイル２１と加熱ローラ２の本体２ａとが接近している状態においても、絶縁破壊によるリークをより確実に防ぐことができる。
【００３０】
以上に説明した上記本発明の実施例によれば、以上にも述べたが、さらにまとめて繰り返えせば、以下のような作用効果が得られる。
【００３１】
・コイルとそれを固定するための芯材の固定用ワニスにマイカを配合して用いる事により、耐熱性と絶縁性能を向上させる事が可能となる。
【００３２】
・コイル巻き芯材に耐熱樹脂を塗布することで、芯材自体の耐熱性を向上させる事が可能になり、高温に放置する事により、そり、ひび割れ等を回避する事が可能となる。
【００３３】
・コイルの固定を耐熱束線バンドで行う事により、コイルの長期間運転によるヒートサイクルでの形状の乱れがあっても被加熱物との距離の変化を防ぐ事が可能となる。
【００３４】
・コイル成形後にこの外側を耐熱素材で成形し、コイルの長期間運転によるコートサイクルでの形状の乱れがあっても被加熱物との距離の変化を防ぐ事が可能となる。
【００３５】
・コイルの放熱と絶縁を兼ねた耐熱、絶縁、熱伝導性シートをコイル表面と被加熱物外側との間に設ける事により、コイルの発熱を緩和するとともに金属製の被加熱物であってもコイルとの絶縁性能を確保する事が可能となる。
【００３６】
・コイルと芯材との間にコイルの放熱と絶縁を兼ねた耐熱、絶縁、熱伝導性シートを設ける事により、コイル及び巻き芯材の放熱が可能となり、安価な材料でシステムを構成する事が可能となる。
【００３７】
・コイルと被加熱物は被定着物搬送方向と垂直方向でそれぞれ中心を揃えずに用いる事により、被加熱物が駆動手段等を持つ事による、熱容量の被定着物搬送方向と垂直方向において不均一であっても発熱分布を最適化する事が可能となる。
【００３８】
・芯材に穴を開けることにより芯材を軽量化でき、また使用する材料を軽減できる。
【００３９】
さらに被加熱物からの輻射熱、電線自身から発生するジュール熱がこもる事を回避する事が可能となり、安価な材料で構成する事が可能となる。
【００４０】
・芯材に穴を開けることにより芯材を軽量化でき、また使用する材料を軽減できる。さらに被加熱物からの輻射熱、電線自身から発生するジュール熱がこもる事を回避する事が可能となり、安価な材料で構成する事が可能となる。さらに長手方向に熱を逃がす事が可能となる。
【００４１】
・２重絶縁を行う事で被加熱物とコイルの距離が近接していても絶縁破壊によるリークを防ぐ事が可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、電子写真装置の定着装置、即ち、少なくとも誘導加熱装置とそれにより加熱される加熱ローラとを有する定着装置を、耐熱性、放熱性、絶縁性に優れ、加熱ローラが均一に加熱され、加熱ローラの熱負荷分布が幾何学的にバランスしてない場合にあっても送られてくる被定着物（用紙）の定着が適正に行われる、軽量、安価なものとして提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の定着装置の全体構成を示す側面概略図。
【図２】図１の定着装置の加熱ローラ、誘導加熱装置、加圧ローラを簡略的に示す斜視図。
【図３】誘導加熱装置の一例の斜視図。
【図４】誘導加熱装置の他の例の斜視図。
【図５】誘導加熱装置のさらに他の例を示す斜視図。
【図６】加熱ローラ、誘導加熱装置、加圧ローラの位置関係を示す説明図。
【図７】電磁誘導コイルの芯材の斜視図。
【図８】電磁誘導コイルの芯材の別の例の斜視図。
【図９】電磁誘導コイルの芯材のさらに別の例の斜視図。
【図１０】誘導加熱装置と加熱ローラの別の例の斜視図及びリッツ線の断面図。

Claims

導電性の金属層をもつ加熱ローラ本体と、
該加熱ローラ本体の内側に、ローラ軸方向に長尺に配設された誘導加熱コイルとを有する定着装置であって、
該誘導加熱コイルは、耐熱樹脂製の芯材の外表面に、一液性の樹脂にマイカを５０重量％以下配合し、２００℃以上の耐熱性の被覆層を形成するワニスを塗装、乾燥して、耐熱性被覆層を形成したコイル支持体を有し、
耐熱性のポリアミドイミド又はポリイミドで被覆された線材からなるリッツ線で形成された励磁コイルを、前記耐熱性被覆層を形成済みの前記コイル支持体に巻回した後に、
前記ワニスを再び塗装して、前記励磁コイルの線材同士及び前記励磁コイルと前記コイル支持体とを固定したことを特徴とする、誘導加熱を用いた定着装置。
前記誘導加熱コイルの長尺方向の中心位置と、
被加熱物としての前記加熱ローラ本体のローラ軸方向の中心位置とを、
前記加熱ローラ本体の駆動部材等を含む熱負荷に応じてずらしていることを特徴とする、請求項１に配載の誘導加熱を用いた定着装置。
前記のローラ軸方向に長尺に配設された誘導加熱コイルは、ローラ軸方向に長尺の非磁性材の耐熱樹脂製の芯材の外表面に、前記ワニスの耐熱性被覆層を形成したコイル支持体に巻回されており、
該芯材は長尺なローラ軸に対してほぼ垂直方向の穴を有することを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱を用いた定着装置。
前記のローラ軸方向に長尺に配設された誘導加熱コイルは、ローラ軸方向に長尺の非磁性材の耐熱樹脂製の芯材の外表面に、前記ワニスの耐熱性被覆層を形成したコイル支持体に巻回されており、
該芯材は長尺なローラ軸に沿った方向の穴を有することを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱を用いた定着装置。
前記誘導加熱コイルは、導線の外側に、耐熱性のポリアミドイミド又はポリイミドからなる第１の絶縁被覆を施した単位線を複数撚り合わせて、さらに、その撚り合わせた外側を第２の絶縁被覆で覆うことにより、前記誘導加熱コイルと前記加熱ローラ本体とが２重に絶縁されていることを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱を用いた定蒲装置。
前記加熱誘導コイルは、前記芯材の長尺なローラ軸に対して垂直な中心軸のまわりに巻回されており、
その巻回されたコイルの外側を、前記芯材の長尺なローラ軸まわりに巻回される耐熱性部材により固定したことを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱を用いた定着装置。
前記加熱誘導コイルは、前記芯材の長尺なローラ軸に対して垂直な中心軸のまわりに巻回されており、
その巻回されたコイルの外側を、前記芯材の長尺なローラ軸まわりを巻回する耐熱素材の成形体で固定していることを特徴とする、請求項１に記載の誘導加熱を用いた定着装置。