JP3750718B2

JP3750718B2 - 定着装置

Info

Publication number: JP3750718B2
Application number: JP2000044393A
Authority: JP
Inventors: 裕介坂上
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: JP2001235963A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタの定着装置、特に電子写真方式のプリンタの定着装置、さらにはインクジェットプリンタの溶媒を乾燥させる定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４はハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置の例を示す図であり、２１は定着ローラ、２２は加圧ローラ、２３はハロゲンランプ、２４はトナー像、２５は記録紙、２７はバネ、２８は温度検出手段を示す。
【０００３】
プリンタの定着装置には、ハロゲンランプを加熱源にしたものや電磁誘導加熱装置を熱源としたものがある。ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置は、図４に示すように中空状の定着ローラ２１の中心に略円筒状のハロゲンランプ２３が配置され、電流を流すことによってハロゲンランプ２３から赤外線を主体とした電磁波が放射され、定着ローラ２１の内側に到達し熱に変わる。その熱は、定着ローラ２１の外側に伝達され、定着ローラ２１と加圧ローラ２２との挟まれたマーキング材（トナー像２４）を持つ記録紙２５をバネ２７により加圧しながら加熱し、マーキング材２４を定着する。温度検出手段２８により定着ローラ２１の外側の温度を検出し、制御回路によりその検出温度に基づきハロゲンランプ２３の電流を制御して、定着ローラ２１の温度を制御する。
【０００４】
定着ローラ２１は、通常鉄系又はアルミニウム系のパイプ状芯金に、表面にはマーキング材のオフセットを防止するための離型層が施される。必要に応じて弾性層（シリコンゴムなど）がパイプ状芯金の外周に形成される。その場合には、記録紙２５の凹凸に対しても適切な圧力でトナー像２４を記録紙２５に加圧できるので、定着後の画像は均一にトナーが溶融され良好な画質が得られる。しかし弾性層が通常熱伝導率が芯金の金属に比べて劣るため、定着ローラ２１の表面の温度が所定になるまでの時間がかかり、しかも熱応答性が悪くなる。この定着ローラ２１は、両端部を軸受けで構造体に回転支持する。
【０００５】
加圧ローラ２２は、鉄、ステンレス、アルミニウムなどの芯金にシリコンゴムなどの弾性層を外周に設ける。両面印刷の場合には、加圧ローラ２２にも離型層を設ける。定着ローラ２１と加圧ローラ２２は、バネ２７によってニップ荷重が与えられてニップを形成する。
【０００６】
一方、電磁誘導加熱装置を熱源とした従来の定着装置には、例えば定着ローラの温度を均一にするために渦巻き状に分割して巻かれた複数のコイルを定着ローラの軸方向に配置して外側のコイルを密に巻き、内側のコイルを疎に巻くものがある（特開平７−２９５４１４号公報参照）。また、定着ローラの内部にコイルを巻き、定着ローラの両端部近傍は、定着ローラに近づけて巻き、中央部は定着ローラから離して巻くことによって、渦電流の発生に両端部と中央部で違いを設けて、定着ローラの温度を均一にするものがある（特開平８−１７９６４７号公報参照）。さらに、定着ローラの肉厚を両端部で厚くし、電気抵抗を両端部で大きくし、発熱を大きくすることによって温度分布を均一にするものがある（特開平９−３０６６５２号公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電磁誘導加熱装置を熱源とした定着装置で、外側のコイルに対して内側のコイルを疎に巻く定着装置（特開平７−２９５４１４号公報）の場合には、導電膜を渦巻き状に成形して絶縁するというシートコイルで製造されるため、高周波の電流を流すコイルとして表面抵抗が増大し、コイルの導体表面を大きくすることが必要になる。しかし、シートコイルが１層のみでは、コイルの導体の表面積が小さく表面抵抗が大きくなりコイルでの損失が増大するという問題がある。
【０００８】
同様に定着ローラの両端部と中央部でコイルのギャップを変える定着装置（特開平８−１７９６４７号）の場合にも、コイルの導体線がリッツ線でないため表面抵抗が増大してしまう。また、コイルが一体の場合には、記録紙の幅が小さいハガキや封筒などを連続印刷すると、記録紙が通紙する部分では熱が奪われるのに対し、その外側の部分では熱が奪われないため温度が上昇し、定着ローラや加圧ローラの耐熱温度を越えないように温度制御を行うことが必要になる。そのため、記録紙を通紙する部分の温度が制御されにくくなり定着温度が不安定になるという問題が生じていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、高周波電流を流すコイルの表面抵抗を小さくすると共に、両端部の温度低下を防止し、記録紙の通紙部以外の過昇温を防止して安定した定着温度を実現可能とするものである。
【００１０】
そのために本発明は、中空状の定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記コイルは、前記定着ローラの外周の軸方向に複数個に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置し、交流電流を流すと共に、前記定着ローラの中空内周の両端部にリッツ線を渦巻き状に巻いた補助コイルを配置し、該補助コイルに交流電流を流して前記定着ローラを誘導加熱するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、中空状の定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記コイルは、前記定着ローラの外周の軸方向に複数個に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置し、交流電流を流すことにより前記定着ローラを誘導加熱すると共に、前記加圧ローラの外周の両端部にリッツ線を渦巻き状に巻いた補助コイルを配置し、該補助コイルに交流電流を流すことにより前記加圧ローラの両端部を誘導加熱するようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る定着装置の実施の形態を示す図であり、１は定着ローラ、２は加圧ローラ、３はコイル、３Ａは外側コイル、３Ｂは内側コイル、４はトナー像、５は記録紙、６は磁束、７はバネ、８は温度検出手段を示す。
【００１４】
図１において、定着ローラ１は、導電性で熱容量の小さい加熱層と離型層から構成され、必要に応じて離型層の下に数１０μｍ程度の厚さの弾性層が配設される。加熱層には、コイル１からの交流磁界によって渦電流が効率的に発生するために、導電性が必要である。離型層は、溶融したトナーが定着ローラ１から剥離し易くするために設けるものであり、オフセット防止が目的である。離型層の材質としては、フッ素樹脂（ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＰＥＰ）、シリコン樹脂、フッ素ゴム、シリコンゴムなどが適しており、その厚さは、数１０μｍ〜数１００μｍが望ましい。数１０μｍ以下になると記録紙との摩耗でなくなったしまい、数１００μ以上になると熱伝導率が低下して加熱層からの熱が効率的に伝達できなくなる。定着ローラ１は、両端にフランジがあって軸受けで回転可能に支持され、モータからの回転トルクが歯車やベルトなどによって伝達されて一定の角速度で回転する。
【００１５】
定着ローラ１に弾性層がある場合には、記録紙５の凹凸に対してもトナーに十分なニップ圧力が与えられ、定着後の画像がムラなく仕上げられる。しかし、弾性層は、熱伝導率が低いシリコンゴムやフッ素ゴムなどが利用されるため、定着ローラ１の加熱立ち上がり時間を長くする傾向がある。
【００１６】
加圧ローラ２は、芯金、弾性層から構成され、さらに両面印刷用の場合には離型層が表面に形成される。芯金は、炭素鋼、ステンレスなど、強度を有している材料が適し、両端部が軸受けで回転可能に支持され、軸受けを介してバネ７でニップ荷重を与え、通常定着ローラ１との摩擦で従動する。
【００１７】
定着ローラ１と加圧ローラ２との間で形成するニップ荷重が大きいとニップ幅が広くなり、ニップ荷重が小さいとニップ幅が狭くなる。ニップ幅は、定着時間を決める重要なパラメータであり、電子写真のプロセス速度やトナーの熱的な性質との関係で決められる。ニップ幅が広くなると定着時間が長くなり、ニップ幅が狭くなると定着時間が短くなる。ただし、定着時間を長く取ろうとしてニップ荷重を大きくすると、回転トルクも大きくなる傾向があり、そうなるとモータが大きくなるので制約もある。
【００１８】
一定のギャップを維持したコイル３から定着ローラ１に交流磁界６を与えることにより導電性の加熱層に渦電流が発生して加熱されるが、表皮効果のためコイル３からの交流磁界は、定着ローラ１の主に表面近傍に集中することになる。電気抵抗率をρ、透磁率をμ、交流磁界の周波数をｆ、表皮厚さをδとすると、これらの関係は、
【００１９】
【数１】

【００２０】
で表される。効率よく加熱するために、コイル３からの交流磁界の周波数ｆを適切に選ぶと、コイル３からの磁束がこの表皮厚さδ近傍に集中し渦電流が効果的に発生する。渦電流が発生すると、電気抵抗率ρに応じてジュール熱が発生して、定着ローラ１の温度が上昇する。この表皮厚さδは、材質が炭素鋼、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０などで、交流磁界の周波数をｆ＝２５ｋＨｚとした場合、数１０μｍ〜数１００μｍになる。一方、加熱層は、適切なニップを形成するために適度な弾性を持っていることが重要であり、数１０μｍ以下になると耐久性が劣ってしまい、逆に数１００μｍ以上になると弾性を失ってしまう。
【００２１】
コイル３は、高周波電流が流れるため表面抵抗を小さくしてコイルの損失を小さくする必要がある。そのため、絶縁被覆した銅線を複数本束ねて撚ったリッツ線を用いる。例えば直径０．５ｍｍφの絶縁被覆した銅線を８本撚りにして使用して渦巻き状に巻いて、図１（ｂ）に示すように定着ローラ１の外周を覆うように軸方向に分割して一定のギャップを保持して配置される。定着ローラ１では、コイル１の誘導加熱によって発生した熱がフランジ、軸受への熱伝導で逃げるために両端部の温度が低下する傾向にあるためである。そこで、複数個に分割されたコイル１の全長は、定着ローラ１の記録紙の幅より少し長くすることにより、記録紙の幅でできるだけ定着ローラ１の表面温度が一定になるようにする。さらに、本発明では、図１（ｂ）に示すように両端部の外側コイル３Ａの巻数を内側コイル３Ｂの巻数より多くして、同じ交流電流を流しても両端部の外側コイル３Ａによる発熱量を増やすようにする。
【００２２】
温度検出手段８は、保護層、温度センサー、ヒンジ部から構成され、定着ローラ１にバネ性を持って支持することにより、定着ローラ１が回転しても安定に与圧を持って接触して温度を検出できるようにする。温度検出手段８のバネ性は、弱いと温度検出手段８が定着ローラ１に安定に接触しなくなり、強いと定着ローラ１を押し過ぎて変形させてしまうため、定着ローラ１の弾性とバランスする程度でよい。
【００２３】
制御回路／インバータ駆動回路は、電源回路から供給される直流電流をタイミング信号に基づき共振インバータを動作させて交流電流をコイル３に流すものであり。この交流電流によりコイル３で交流磁界を定着ローラ１の加熱層に加えて渦電流を発生させジュール熱により定着ローラ１を加熱する。この定着ローラ１の表面温度を温度検出手段８により検出し、温度検出回路から制御回路／インバータ駆動回路に送り、コイル１に流す交流電流を制御することにより、定着ローラ１における定着温度を所定の温度に保持する。
【００２４】
図２は本発明に係る定着装置の他の実施の形態を示す図、図３は本発明に係る定着装置のさらに他の実施の形態を示す図である。図中、９Ａは外側ギャップ、９Ｂは内側ギャップ、３２は補助コイルを示す。
【００２５】
定着ローラ１の両端部の温度が低下するの防ぎ，定着ローラ１の表面温度が一定になるようにするため、図１に示した上記実施の形態では、外側コイル３Ａと内側コイル３Ｂの巻数で調整したが、図２に示す実施の形態では、外側コイル３Ａと定着ローラ１との外側ギャップ９Ａを内側コイル３Ｂと定着ローラ１との間の内側ギャップ９Ｂを狭くしている。磁束密度は距離の２乗に比例し、渦電流による発熱量は磁束密度の２乗に比例するので、このようにギャップを変えることによって、両端部の外側コイル３Ａによる発熱量を増やすことができる。
【００２６】
また、図３に示す実施の形態では、定着ローラ１の外周軸方向に複数個に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置したコイル３の巻数、定着ローラ１とのギャップはいずれも同じにして、両端部に温度の低下を防ぐために補助コイル３２を配置したものである。この補助コイル３２を定着ローラ１の両端部内周に配置するように構成する例を示したのが図３（ａ）であり、そのために定着ローラ１として、中空状のローラを用いている。また、補助コイル３２を加圧ローラ２の両端部外周に配置するように構成する例を示したのが図３（ｂ）である。したがって、この場合には、外周軸方向に配置するコイル３を分割したが、分割しないものであってもよい。
【００２７】
なお本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、両端部で分割したコイルの巻数、ギャップの大きさを変え、また、両端部に補助コイルを付加したが、両端部の発熱量を増やすものとしては、両端部のコイルに流す交流電流を中央部より大きく設定するようなものであってもよいし、記録紙がハガキや封筒のように小さくなったときには、そのサイズに応じて両側のコイルに電流を流さないようにするなど、交流電流を流すコイルを記録紙の幅に応じて選択するように制御してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、中空状の定着ローラ、加圧ローラ、定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及びコイルに交流電流を流し該交流電流を検出温度に基づき制御することにより定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、コイルは、定着ローラの外周の軸方向に複数個に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置し、交流電流を流すと共に、定着ローラの中空内周の両端部にリッツ線を渦巻き状に巻いた補助コイルを配置し、該補助コイルに交流電流を流して定着ローラを誘導加熱するようにし、あるいはコイルは、定着ローラの外周の軸方向に複数個に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置し、交流電流を流すことにより定着ローラを誘導加熱すると共に、加圧ローラの外周の両端部にリッツ線を渦巻き状に巻いた補助コイルを配置し、該補助コイルに交流電流を流すことにより加圧ローラの両端部を誘導加熱するようにしたので、補助コイルを追加する簡単な構成の変更で定着ローラの温度を均一に制御することができ、しかも、リッツ線を渦巻き状に巻いてコイルを形成するため、高周波の電流を流すことによるコイルの表面抵抗を小さくし、安定した温度制御を行うことができる。
【００２９】
また、中空状の定着ローラ、加圧ローラ、定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及びコイルに交流電流を流し該交流電流を検出温度に基づき制御することにより定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、コイルは、定着ローラの軸方向外周と両端部内周に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置し、あるいは定着ローラの軸方向外周と加圧ローラの両端部外周に分割しリッツ線を渦巻き状にして配置したので、補助コイルを追加する簡単な構成の変更で定着ローラの温度を均一に制御することができる。
【００３０】
さらに、定着ローラ、加圧ローラ、定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及びコイルに交流電流を流し該交流電流を検出温度に基づき制御することにより定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、コイルは、定着ローラの軸方向に分割して配置し、制御手段は、交流電流を流すコイルを記録紙の幅に応じて選択するので、記録紙の幅に応じた定着ローラの加熱を行い、安定した温度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る定着装置の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明に係る定着装置の他の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明に係る定着装置のさらに他の実施の形態を示す図である。
【図４】ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１…定着ローラ、２…加圧ローラ、３…コイル、３Ａ…外側コイル、３Ｂ…内側コイル、４…トナー像、５…記録紙、６…磁束、７…バネ、８…温度検出手段

Claims

中空状の定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、
前記コイルは、前記定着ローラの外周の軸方向に複数個に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置し、交流電流を流すと共に、前記定着ローラの中空内周の両端部にリッツ線を渦巻き状に巻いた補助コイルを配置し、該補助コイルに交流電流を流して前記定着ローラを誘導加熱するようにしたことを特徴とする定着装置。
中空状の定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し該交流電流を前記検出温度に基づき制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、
前記コイルは、前記定着ローラの外周の軸方向に複数個に分割しリッツ線を渦巻き状に巻いて配置し、交流電流を流すことにより前記定着ローラを誘導加熱すると共に、前記加圧ローラの外周の両端部にリッツ線を渦巻き状に巻いた補助コイルを配置し、該補助コイルに交流電流を流すことにより前記加圧ローラの両端部を誘導加熱するようにしたことを特徴とする定着装置。