JP3919400B2 - 像加熱装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真式の複写機、プリンタおよびファクシミリなどの画像形成装置に用いられる像加熱装置及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真式の複写機などには、記録媒体である記録紙ないし転写材などのシート上に転写されたトナー像をシートに定着させる像加熱装置が設けられている。この加熱装置は、例えば、シート上のトナーを熱溶融させる加熱ローラとも称される定着ローラと、当該定着ローラに圧接してシートを挟持する加圧ローラとを有している。定着ローラは中空状に形成され、この定着ローラの中心軸上には、発熱体が保持手段により保持されている。該発熱体は、例えば、ハロゲンランプなどの管状発熱ヒータより構成され、所定の電圧が印加されることにより発熱するものである。
【０００３】
このハロゲンランプは定着ローラの中心軸に位置しているため、ハロゲンランプから発せられた熱は定着ローラ内壁に均一に輻射され、定着ローラの外壁の温度分布は円周方向において均一となる。定着ローラの外壁は、その温度が定着に適した温度（例えば、１５０〜２００℃）になるまで加熱される。この状態で定着ローラと加圧ローラは圧接しながら互いに逆方向へ回転し、トナーが付着したシートを挟持する。定着ローラと加圧ローラとの圧接部（以下、ニップ部ともいう）において、シート上のトナーは定着ローラの熱により溶解し、両ローラから作用する圧力によりシートに定着される。
【０００４】
しかし、ハロゲンランプなどから構成される発熱体を備えた上記加熱装置においては、ハロゲンランプからの輻射熱を利用して定着ローラを加熱するため、電源を投入した後、定着ローラの温度が定着に適した所定温度に達するまでの時間（以下、「ウォームアップタイム」という）に、比較的長時間を要していた。その間、使用者は複写機を使用することができず、長時間の待機を強いられるという問題があった。その一方、ウォームアップタイムの短縮を図ってユーザの操作性を向上すべく多量の電力を定着ローラに印加したのでは、加熱装置における消費電力が増大し、省エネルギー化に反するという問題が生じていた。
【０００５】
このため、複写機などの商品の価値を高めるためには、加熱装置の省エネルギー化（低消費電力化）と、ユーザの操作性向上（クイックプリント）との両立を図ることが一層注目され重視されてきている。
【０００６】
かかる要請に応える装置として、特開昭５９−３３７８７号公報に示されるように、加熱源として高周波誘導を利用した誘導加熱方式の加熱装置が提案されている。この誘導加熱装置は、金属導体からなる中空の定着ローラの内部にコイルが同心状に配置されており、このコイルに高周波電流を流して生じた高周波磁界を、磁界遮断部材である磁性体コアを用いて加熱部に向けて集中させることで、定着ローラに誘導渦電流を発生させ、定着ローラ自体の表皮抵抗によって定着ローラそのものをジュール発熱させるようになっている。この誘導加熱方式の加熱装置によれば、電気−熱変換効率がきわめて向上するため、ウォームアップタイムの短縮化が可能となる。
【０００７】
このような誘導加熱方式の加熱装置にあっては、励磁コイルに発生させ、磁性体コアにより収束させた磁束で、定着ローラ内面に設けた導電層に、渦電流を発生させジュール熱により発熱させるため、励磁コイル及び磁性体コアと定着ローラの導電層の間隔をなるべく安定して配置しなければならないが、コイル線の自重・剛性により、常に同じ位置に安定していることが難しかった。このため本出願人は磁性体コアを保持するホルダーを、励磁コイルとともに非磁性体で一体成形にて構成することを提案している。
【０００８】
ところで、このような誘導加熱方式の加熱装置にあっては、定着ローラの内面への熱放射のために、コイル周辺の温度上昇が大きく、そのためコイルの電気抵抗の上昇が発生し、必要電力が増加してしまうという問題があった。また、樹脂からなるコイルの被覆が熱により溶融し、コイルの絶縁性が損なわれてしまうという問題があった。さらに、磁性体コアのキュリー温度以上の昇温により、発熱が停止してしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、例えば特開昭５４−３９６４５号公報に開示されているように、励磁コイル及び磁性体コアの温度上昇を抑えるために、定着ローラ等の内部への送風手段などの冷却機構を設けるという提案がなされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の誘導加熱方式の加熱装置に冷却機構を設置する場合には、その設置空間が必要となり装置が大型化してしまうばかりか、コストアップにつながるなどの問題が生じていた。また、励磁コイル、磁性体コアばかりでなく定着ローラの内面までも送風により冷却するため、定着能力を損なってしまうという問題点があった。
【００１１】
また、励磁コイルと非磁性体との一体成形にて構成されたホルダーで磁性体コアを保持する場合、定着ローラとホルダー外表面との距離が近く、定着ローラの熱放射の影響を受けやすく、励磁コイル及び磁性体コアの昇温が発生する。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、装置内部の温度上昇を防止し、良好な加熱性能を有しながら、コンパクト化、低電力化を図ることが可能な像加熱装置及びそれを備えた画像形成装置の提供を目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の像加熱装置及び画像形成装置は、以下の構成を特徴とするものである。
【００１４】
〔１〕：磁束を生ずるコイルと、前記コイルと一体成されて前記コイルを支持するコイルユニットと、前記コイルユニットを内部に有し、前記コイルによる磁束により誘導発熱し、熱により記録材上の像を加熱する発熱部材と、を備えた像加熱装置において、
空気層が、前記コイルよりも前記発熱部材の内面に対向する側の前記コイルユニットの内部に設けられたことを特徴とする像加熱装置。
【００２１】
〔２〕：未定着画像を担持した記録材を加熱して該画像を該記録材に定着させることを特徴とする〔１〕に記載の像加熱装置。
〔３〕：記録材上に画像を形成する像形成手段と、該記録材上の画像を加熱する像加熱手段とを有する画像形成装置において、
像加熱手段として〔１〕に記載の像加熱装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【００２２】
〔４〕：記録材上に未定着画像を形成する像形成手段と、該未定着画像を加熱して該記録材上に定着させる定着手段とを有する画像形成装置において、
該定着手段として〔１〕に記載の像加熱装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【００２３】
〈作 用〉
上記〔１〕〜〔５〕の構成によれば、発熱部材で発生した熱が空気層によって遮られるため、コイルや、コイルユニットの昇温が防止される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置（定着装置）を概略で示す断面図である。
【００２５】
図中、１は、発熱部材としての定着ローラであり、外形４０［ｍｍ］、厚さ０．７［ｍｍ］の鉄製の芯金シリンダ等よりなる。該定着ローラ１の表面には、離型性を高めるため例えばＰＴＦＥ１０〜５０μｍや、ＰＦＡ１０〜５０μｍの層を設けてもよい。
【００２６】
２は、加圧ローラであり、中空芯金１４と、その外周面に形成される表面離型性１３、耐熱ゴム層である弾性層１５とからなる。この加圧ローラ２の両端には軸受部が形成され、図示しない定着ユニットフレームに回転自在に取り付けられている。
【００２７】
定着ローラ１と加圧ローラ２は回転自在に保持され、加圧ローラ２がバネなどを用いた図示しない機構によって定着ローラ１の表面に圧接しており、定着ローラ１が回転駆動されると圧接部（ニップ部）Ｎでの摩擦力で該加圧ローラ２が従動回転する様に配置してある。該加圧ローラ２と定着ローラ１は約３０［ｋｇ重］で荷重されており、その場合圧接部Ｎの幅（ニップ幅）は約６［ｍｍ］になる。しかし都合によっては荷重を変え、この他のニップ幅で構成してもよい。
【００２８】
そして、３は励磁手段としての励磁コイル、４は該励磁コイル３により発生する磁界を遮断して前記定着ローラ１の加熱部（ニップ部Ｎ）に向けて磁束を集中させる磁界遮断部材としての磁性体コアである。
【００２９】
図２はこの定着ニップ部内での加熱原理の説明図である。
【００３０】
励磁回路１６によって励磁コイル３に印加される電流で発生する磁束は、高透磁率の磁性体コア４に導かれて定着ニップ部Ｎ内で定着ローラ１の芯金に磁束２３と渦電流２４を発生させる。この渦電流２４と定着ローラ１の固有抵抗によってジュール熱が発生する。
【００３１】
６は温度センサー（サーミスタ）であり、定着ローラ１の表面に当接するように配置されている。該温度センサー６の検出信号をもとに励磁コイル３への電力供給を増減させることで、定着ローラ１の表面温度が所定の一定温度になる様自動制御される。
【００３２】
搬送ガイド７は、未定着のトナー画像９を担持しながら搬送される転写材１９を定着ローラ１と加圧ローラ２との圧接部（ニップ部）へ案内する位置に配置される。分離爪１０は、定着ローラ１の表面に当接または近接して配置される。
【００３３】
このような構成よりなる本形態の定着装置では、例えば後述の像形成手段において像形成が開始された際に、定着ローラ１の回転駆動及び加熱が開始され、該定着ローラ１が、所定の速度で安定して回転すると共に、所定の定着温度に温度調節された状態で、未定着トナー像８を担持した転写材１９がニップ部Ｎに導入されて、該ニップ部Ｎの圧接圧と、定着ローラ１からの熱により該トナー像８を転写材１９に定着（加熱処理）させる。そして該転写材１９を定着ローラ１の回転によって搬送し、ニップ部Ｎを通過後、定着ローラから分離した転写材１９を排紙ガイド２０に沿わせて装置外へ排出して処理を終了する。
【００３４】
次に励磁コイル３と一体成形された保持体（励磁コイルユニット）８について図３〜図５を用いて詳しく説明する。
【００３５】
励磁コイル３は高周波コンバータ等の励磁回路１６に接続され１００〜２０００ｋＷの高周波電力が供給されるため、細い線を数本リッツにしたものを用いており、そのリッツ線を図３のように巻いた状態で樹脂による保持体と一体成形されてコイルユニット８が構成されている。該樹脂の種類としては、ＰＰＳ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＬＣＰ（液晶ポリマー）等の非磁性の樹脂材を用いている。またコイルユニット８は磁性体コア４のホルダーも兼用しており、該コア４の各部４ａ、４ｂ、４ｃが各々８５、８６、８７の位置に設置される。（図４，図５）磁性体コア４にはフェライトのような高透磁率かつ低損失のものを用いる。パーマロイのような合金の場合は、コア内の渦電流損失が高周波で大きくなるため積層構造にしてもよい。磁性体コア４は磁気回路の効率を上げるためと磁気遮断のために用いている。コイルユニット８はステー５に取り付けられ、加熱装置に対して固定される。
【００３６】
本実施形態では、コイルユニット８の定着ローラ内面に対向する側には薄さ５００μｍの空気層１１を設けている。この空気層１１がある場合とない場合とで、１９０℃に定着ローラ１を保ち１０５ｇ／ｍ²紙を１０００枚通紙した場合のコア４とコイル３の昇温の様子を以下に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
上記表に表わされているように、空気層１１が定着ローラ１からコイルユニット８内部に伝わる熱を遮断し、コイル３の温度で約３０℃、コア４の温度で約１５℃の昇温が防止できる。
【００３９】
したがって、ファンなどを設けた場合のように大型化せずに励磁コイル３及びコア４の温度上昇を防止でき、またステイ５等の部品として必要以上に高温での耐熱性に優れた樹脂等を用いなくてもよいので、装置を小型化できるとともにコスト低減が可能となる。
【００４０】
さらに、定着ローラ１で発生した熱をニップ方向に効果的に伝達し、励磁コイル３の昇温による抵抗上昇も生じないため、装置の低電力化や迅速な立ち上げも図れる。
【００４２】
また、定着ローラ１に代えて導電性の発熱層を有したエンドレスフィルムを用い、加圧ローラの駆動により該フィルムを保持体に沿わせて回転させる所謂テンションレス方式の装置であっても良い。
【００４３】
（参考例１）
次に、本発明の参考例１を図面に基づいて説明する。図６は、本参考例１の像加熱装置を概略で示す断面図である。なお、図中前記の実施形態と同一のものは同一番号を付して説明は省略する。
【００４４】
本参考例１ではコイルユニット８の定着ローラ１内面と対向する面に銀メッキを施して赤外輻射を反射する反射面を形成し断熱層１２としてある。これにより、ローラ内面からの輻射熱を反射し、コイルユニット８内部に伝わる熱を減少させるため、コイル３及びコア４の昇温が防止できる。
【００４５】
なお、本参考例１の断熱層１２に加え実施の形態１の空気層１１を設けても良い。
【００４６】
（参考例２）
次に、本発明の参考例２を図面に基づいて説明する。図７は、本参考例２に係る像加熱装置を概略で示す断面図である。本参考例は、ベルトタイプの加熱装置の例である。
【００４７】
図中、１２１は駆動ローラ（定着ローラ）、１２２はテンションローラであり、該駆動ローラ１２１とテンションローラ１２２のあいだにＮｉ電鋳からなる金属ベルト（発熱手段）１０１が懸架され、該金属ベルト１０１を挟んで加圧ローラ２が定着ローラ１２１に対して圧接されてニップ部Ｎが形成されている。
【００４８】
該金属ベルト１０１が駆動ローラ１２１によって回転駆動され、励磁コイル１０３から発生した磁界によって加熱されて所定温度に温調された状態で、ニップ部Ｎに未定着画像９を担持した記録材１９が導入され、該金属ベルト１０１の回転により記録材１９を搬送してニップ部Ｎを通過させることにより、該金属ベルト１０１からの熱とニップ圧とにより該画像９を記録材１９に定着させる。
【００４９】
本参考例では、ホルダーユニット１０８の定着ベルト１０１と対向する面に銀メッキからなる断熱層１１２を設けており、励磁コイル１０３及び磁性体コア１０４の昇温を防止している。
【００５０】
〈画像形成装置例〉
図８は画像形成装置の一例の概略構成図である。本例の画像形成装置は電子写真プロセス利用のレーザービームプリンターである。
【００５１】
３１は第１の像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体（以下、感光ドラムと記す）であり、矢示の時計方向に所定の周速度（プロセススピード）をもって回転駆動され、その回転過程で一次帯電器３２によりマイナスの所定の暗電位Ｖ_D に一様に帯電処理される。
【００５２】
３３はレーザービームスキャナであり、不図示の画像読取装置・ワードプロセッサ・コンピュータ等のホスト装置から入力される目的の画像情報の時系列電気デジタル画像信号に対応して変調されたレーザービームＬを出力し、前記の回転感光ドラム３１の一様帯電処理面を走査露光する。
【００５３】
このレーザービーム走査露光により、回転感光ドラム３１の一様帯電処理面の露光部分は電位絶対値が小さくなって明電位Ｖ_L となり、回転感光ドラム３１面に目的の画像情報に対応した静電潜像が形成されていく。
次いでその潜像は現像器３４によりマイナスに帯電した粉体トナーで反転現像（感光ドラム面のレーザー露光明電位Ｖ_L 部にトナーが付着）されてトナー画像９として顕像化される。
【００５４】
一方、不図示の給紙トレイ上から給紙された記録材１９は、転写バイアスを印加した転写部材としての転写ローラ３５と感光ドラム３１との圧接部（転写部）ｍへ感光ドラム３１の回転と同期どりされた適切なタイミングをもって給送され、該記録材１９の面に感光ドラム３１面側のトナー画像９が順次に転写されていく。
【００５５】
そして、これらの各要素３１，３２，３３，３４，３５等で構成された像形成手段により未定着トナー画像９が形成された記録材１９は、回転感光ドラム３１面から分離され、前記実施形態に示した定着装置（像加熱手段）Ｒに導入されてトナー画像９の定着処理を受け、画像形成物（プリント）として機外へ排紙される。
【００５６】
なお、記録材分離後の回転感光ドラム３１面はクリーニング装置３６で転写残りトナー等の感光ドラム面残留物の除去を受けて清浄面化されて繰り返して作像に供される。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、装置内部の温度上昇を防止し、良好な加熱性能を有しながら、コンパクト化、低電力化を図ることが可能な像加熱装置及びそれを備えた画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態にかかる像加熱装置の概略断面図
【図２】 第１の実施形態にかかる像加熱装置の加熱原理を説明する図
【図３】 励磁コイル３の模式図
【図４】 コイルユニット８の概略斜視図
【図５】 コイルユニット８の拡大断面図
【図６】 参考例１にかかる像加熱装置の概略断面図
【図７】 参考例２にかかる像加熱装置の概略断面図
【図８】 画像形成装置の概略断面図
【符号の説明】
１ 定着ローラ（発熱手段）
２ 加圧ローラ（加圧部材）
３ 励磁コイル
４ コア（芯材：磁界遮断手段）
５ ステー
６ 温度センサー（温度検知素子）
７ 搬送ガイド
８ コイルユニット
９ トナー画像
１０ 分離爪
１１ 空気層（断熱層）
１２ 断熱層
１６ 励磁回路
１９ 記録材（転写材）
２０ 排紙ガイド
３１ 回転感光ドラム
３１ 感光ドラム
３２ 一次帯電器
３４ 現像器
３５ 転写ローラ
３６ クリーニング装置
１０１ 金属ベルト（定着ベルト）
１０３ 励磁コイル
１０４ 磁性体コア
１０８ ホルダーユニット
１１２ 断熱層
１２１ 駆動ローラ（定着ローラ）
１２２ テンションローラ
Ｌ レーザービーム
Ｎ ニップ部

Claims (4)

1. 磁束を生ずるコイルと、前記コイルと一体成形されて前記コイルを支持するコイルユニットと、前記コイルユニットを内部に有し、前記コイルによる磁束により誘導発熱し、熱により記録材上の像を加熱する発熱部材と、を備えた像加熱装置において、
   空気層が、前記コイルよりも前記発熱部材の内面に対向する側の前記コイルユニットの内部に設けられたことを特徴とする像加熱装置。
2. 未定着画像を担持した記録材を加熱して該画像を該記録材に定着させることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
3. 記録材上に画像を形成する像形成手段と、該記録材上の画像を加熱する像加熱手段とを有する画像形成装置において、
   像加熱手段として請求項１に記載の像加熱装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
4. 記録材上に未定着画像を形成する像形成手段と、該未定着画像を加熱して該記録材上に定着させる定着手段とを有する画像形成装置において、
   該定着手段として請求項１に記載の像加熱装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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