JP4150837B2

JP4150837B2 - 誘導加熱定着装置

Info

Publication number: JP4150837B2
Application number: JP22949999A
Authority: JP
Inventors: 隆浩辻本; 幸宣井口; 亮高須
Original assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Current assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: JP2001051531A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子写真式の複写機、プリンタおよびファクシミリなどに用いられる定着装置に関し、さらに詳しくは、低周波誘導加熱を利用してトナー像を記録媒体に定着する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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は、記録媒体である用紙ないし転写材などのシート上に保持されたトナー像をシートに定着させる定着装置が設けられている。
【０００３】
定着装置には種々の方式があるが、近年の省エネルギー化の要請に応えるべく、ハロゲンランプを熱源とする定着装置よりも変換効率の高い誘導加熱方式の定着装置が提案されている。
【０００４】
従来の誘導加熱方式の定着装置の分野では、例えば特開平１０−２０７２６５号公報に示されるように、非回転の状態に固定され中空形状をなすガイド盤と、このガイド盤に支持された、固定されもしくは移動させられる中空形状をなす導電性部材と、この導電性部材の中空部に一部が挿通され、閉磁路を形成する閉磁路鉄心と、この閉磁路鉄心に巻回された誘導コイルと、を有し、誘導コイルに電流を流すことにより、導電性部材に周方向に沿う誘導電流を生じさせる磁束を生成し、これにより電導性部材を誘導加熱するようにした誘導加熱定着装置が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の誘導加熱定着装置では、シートに接触して該シートを搬送する機能を有する中空形状をなす導電性部材は、一般に比較的薄肉形状を呈しており、したがって、熱容量が小さく、シートが通過するときに熱が奪われ、温度降下が著しいという問題があった。このため、定着装置に多数のシートが高速で連続的に通紙されると、導電性部材は定着品質の確保に必要な温度を維持するのが困難になる。
【０００６】
一方、導電性部材の温度降下を補うためには、誘導コイルへ供給される電力をアップさせる方法があるが、電力をアップさせたのでは省エネルギー化の要請に反する結果になってしまう。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、中空形状をなす導電性部材を複数設けて熱容量を増大させると同時に、通紙されるシートに接触する導電性部材にトナーを溶融させるのに十分な熱量を発生させることにより、シートに接触する導電性部材が比較的薄肉形状であっても、供給電力をアップさせることなく、シートに接触する導電性部材のトナー溶融に必要な温度を適切に確保し、かつシートの通紙による温度降下を抑制することができる誘導加熱定着装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記する手段により達成される。
【０００９】
（１）固定されもしくは移動させられる中空形状をなす複数の導電性部材と、前記導電性部材に、トナーを保持した記録媒体を直接的もしくは間接的に密着させる加圧部材と、前記導電性部材内の中空部に一部が挿通され、閉磁路を形成する閉磁路鉄心と、前記閉磁路鉄心に鎖交するように巻回され、前記導電性部材に周方向に沿う誘導電流を生じさせる磁束を生成する誘導コイルと、前記誘導コイルへ交流電力を供給する電源と、前記複数の導電性部材の内の少なくとも１つの導電性部材の抵抗値を変化させることで、複数の前記導電性部材の各々で発生するジュール熱の配分を調節可能な抵抗値変化手段と、を有することを特徴とする誘導加熱定着装置。
【００１０】
（２）前記複数の導電性部材は、第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材の外側に配置され、前記記録媒体に接触する第２の導電性部材と、からなることを特徴とする上記（１）に記載の誘導加熱定着装置。
【００１１】
（３）前記抵抗値変化手段は、前記第１の導電性部材に付加される所定の抵抗値を有する抵抗体であって、前記第１の導電性部材は、前記抵抗体が付加されることにより、抵抗値が増大されることを特徴とする上記（２）に記載の誘導加熱定着装置。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る誘導加熱定着装置を組み込んだ画像形成装置としての複写機を示す概略構成図である。
【００１４】
複写機１００は、図示するように、原稿を読み取るイメージスキャナ部１０１と、信号処理を行う信号処理部１０２と、イメージスキャナ部１０１で読み取られた原稿画像に対応した画像を記録媒体としてのシート１０にプリント出力するプリンタ部１０３と、これら各部を配置ないし収納するケーシング１０４とを有する。
【００１５】
イメージスキャナ部１０１において、プラテンガラス１０５上に載置された原稿は、プラテンカバー１０６で押さえられるが、図示しない自動原稿送り装置を装着するときには、プラテンカバー１０６に代えて自動原稿送り装置が取り付けられる。プラテンガラス１０５上の原稿はランプ１０７で照明され、原稿で反射した光は、ミラー１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃおよび集光レンズ１０９を経てＣＣＤラインイメージセンサ１１０上に像を結び、イメージ情報に変換されて信号処理部１０２に送られる。第１スライダ１１２および第２スライダ１１３は、スキャナモータ１１１を駆動することにより、ラインイメージセンサ１１０の電気的走査方向（主走査方向）に対して垂直方向（副走査方向）に機械的に動き、原稿全面を走査する。このとき第１スライダ１１２は速度ｖで移動し、第２スライダ１１３は速度ｖ／２で移動する。
【００１６】
信号処理部１０２は、ラインセンサ１０９で読み取った信号を電気的に処理し、プリンタ部１０３に送る。
【００１７】
プリンタ部１０３は、レーザ発生器１１５と、像担持体としての感光体ドラム１１６と、を備え、回転する感光体ドラム１１６の周辺には、帯電装置としての帯電ローラ１１７と、現像装置１１８と、転写装置としての転写ローラ１１９と、シート１０の除電および分離装置である除電針１２０と、感光体ドラム１１６上の残留トナーを除去するクリーニング装置１２１と、が配置されている。レーザ発生器１１５は、信号処理部１０２から送られてくる画像信号のレベルに応じて半導体レーザを駆動変調する。レーザ光は、図示しないポリゴンミラー、ｆ−θレンズおよび折り返しミラーなどを経由し、帯電ローラ１１７と現像装置１１８との間の位置で、感光体ドラム１１６に照射される。感光体ドラム１１６上に形成された静電潜像は、現像装置１１８においてトナーで現像される。
【００１８】
一方、ケーシング１０４に着脱自在に取り付けられる給紙カセット１２５には、複数枚のシート１０が積層した状態で収納されている。給紙カセット１２５内のシート１０は、給紙ローラ１２６により１枚ずつ捌かれて給紙され、タイミングローラ１２７により所定のタイミングで、感光体ドラム１１６と転写ローラ１１９との間の転写位置に向けて送り込まれる。感光体ドラム１１６上に現像された像は、転写ローラ１１９によってシート１０に転写される。転写後のシート１０は、感光体ドラム１１６から分離され、定着装置１２８に向けて搬送ベルト１２９により搬送される。シート１０上に転写された未定着のトナーが定着装置１２８において固定され、トナーが定着されたシート１０は、排紙トレー１２９に排紙される。なお、本実施形態の定着装置１２８は低周波誘導加熱方式によるものであり、構成については後述する。
【００１９】
転写ローラ１１９によってシート１０への転写が終了すると、感光体ドラム１１６上は、図示しないクリーナ前チャージャーでマイナス極性に帯電され、クリーニング装置１２１にて残留トナーが除去され、イレーサによって残留電荷が除電される。その後、感光体ドラム１１６上は、帯電ローラ１１７によって再度帯電され、レーザ光による潜像形成を受け、現像装置１１８によって現像され、図示しない転写前イレーサによって非現像領域の電荷が除電される。
【００２０】
図２は、誘導加熱定着装置を示す断面図、図３は、同定着装置の要部を示す断面図、図４は、同定着装置の回路構成を示す図である。
【００２１】
誘導加熱定着装置１２８は、シート１０上に保持されたトナー１１を加熱溶融して当該シート１０に定着させるものであり、本実施形態では特に、固定されもしくは移動させられる中空形状をなす複数の導電性部材を有している。これら複数の導電性部材は、非回転の状態に固定された第１昇温部材（第１の導電性部材に相当）１２と、この第１昇温部材１２の外側に配置され、シート１０に接触する第２昇温部材（第２の導電性部材に相当）２０と、から構成される。
【００２２】
また、誘導加熱定着装置１２８は、トナーを保持したシート１０を、第１昇温部材１２に間接的に、第２昇温部材２０に直接的に密着させる加圧ローラ（加圧部材に相当）１３と、昇温部材１２，２０を誘導加熱する誘導コイル（以下、単にコイルと称する）１４と、を有している。ここで、第２昇温部材２０は、固定された第１昇温部材１２と加圧ローラ１３との間に介在されてシート１０を搬送する機能をも果たす。
【００２３】
第２昇温部材２０は、図２中矢印ａ方向に移動可能に設けられ、加圧ローラ１３は、第２昇温部材２０およびシート１０の移動に伴って図２中矢印ｃ方向に従動回転する。
【００２４】
第１昇温部材１２は、導電性の中空パイプであり、例えば、炭素鋼管、ステンレス合金管あるいはアルミニウム管、鉄などによって形成され、加圧ローラ１３からの圧接力に対して十分な機械的強度を確保できる範囲内で、かつ、熱容量を確保できる肉厚で形成されている。第１昇温部材１２の両端は、図示しない定着ユニットのフレームに固定されている。特に、第１昇温部材１２を矩形形状に形成し、加圧ローラ１３に対向する面を平坦部２１にしてある。この平坦部２１により、昇温部材１２，２０と加圧ローラ１３との間でシート１０を挟持するニップ幅ないしニップ領域Ｎを拡大している。
【００２５】
また、本実施形態の誘導加熱定着装置１２８は特に、第１昇温部材１２の抵抗値を変化させる抵抗値変化手段を有している。この前記抵抗値変化手段は、第１昇温部材１２に付加される所定の抵抗値を有する抵抗体２５である。抵抗体２５は、図２及び図３に示すように、第１昇温部材１２の軸方向に沿って帯状を呈しており、第１昇温部材１２の図２中上部に設けられている。抵抗体２５の第１昇温部材１２への固定は、例えば溶接などにより行われる。第１昇温部材１２は、抵抗体２５が付加されることにより、抵抗値が増大されるようになっている。
【００２６】
加圧ローラ１３は、軸芯１５と、当該軸芯１５の周囲に形成されたシリコンゴム層１６とから構成されている。シリコンゴム層１６は、表面からシート１０が離れ易い離型性を有すると共に、耐熱性を有するゴム層である。加圧ローラ１３は、図示しないばね材により、第１昇温部材１２に向かう方向に押圧されている。
【００２７】
第２昇温部材２０は、導電性を有するベルトであり、例えば、炭素鋼管、ステンレス合金管、あるいは、アルミニウム管、鉄、ニッケルなどにより、薄肉形状を呈して形成されている。この第２昇温部材２０は、矩形形状の第１昇温部材１２の外周面に巻き付けられ、図示しない駆動ローラが当接している。この駆動ローラに接続されたモータなどの図示しない駆動源により、第２昇温部材２０は、第１昇温部材１２をガイド盤としながら回転移動する。また、第２昇温部材２０の外周表面には、シート１０を分離し易くするために、フッ素樹脂をコーティングして、トナーに対して良好な離型性と耐熱性とを有する離型層が形成されている。
【００２８】
この誘導加熱定着装置１２８はさらに、閉磁路を形成する矩形状のコア１７（閉磁路鉄心に相当する）を有し、このコア１７の一部が昇温部材１２，２０内の中空部２３を貫通している。コア１７は、通常のトランスなどに用いられているいわゆる鉄心であり、例えば、珪素鋼板積層鉄心のように高透磁率のものが好ましい。
【００２９】
コイル１４は、コア１７により挿通され、昇温部材１２，２０の内部に配置されている。また、コイル１４は、巻線１８を螺旋状に巻回して形成されており、巻線１８は表面に融着層と絶縁層を持つ通常の単一導線が用いられる。なお、コイル１４の中には断熱層２２が設けられ、昇温部材１２，２０やコイル１４で生じた熱がコア１７に伝達されないようにしてある。
【００３０】
このような定着装置の基本的な動作は、次の通りである。まず、電源５０から、例えば５０〜６０Ｈｚ程度の交流電力がコイル１４に印加されて通電すると、昇温部材１２，２０に周方向に沿う誘導電流を生じさせる磁束がコア１７に生成される。これにより、昇温部材１２，２０は、シート１０に接触する表面が定着に適した温度（例えば、１５０〜２００℃）になるまで、低周波誘導によって加熱される。未定着のトナー１１を保持したシート１０は、図２中矢印ｂで示すように右方向から搬送され、昇温部材１２，２０と加圧ローラ１３との接触部であるニップ部１９に向けて送り込まれる。シート１０は、加熱された昇温部材１２，２０の熱と、加圧ローラ１３から作用する圧力が加えられながら、ニップ部１９で挟持されつつ搬送される。これにより、未定着トナー１１がシート１０上に定着される。トナー１１は、シート１０の両面のうち、第２昇温部材２０と接触する側に保持されている。ニップ部１９を通過したシート１０は、シート自体のコシの強さで第２昇温部材２０から自然に分離し、図２中左方向に搬送される。このシート１０は、排紙ローラによって搬送され、排紙トレイ１２９上に排出される。
【００３１】
以上のように構成された誘導加熱定着装置の動作原理はトランスと同様であり、コイル１４が入力側の１次側コイル（Ｎ巻き）に相当し、昇温部材１２，２０が出力側の２次側コイル（１巻き）に相当する。そして、１次側コイル（コイル１４）に交流電圧Ｖ１を印加すると、１次側コイルに電流Ｉ１が流れる。これにより生じた磁束φが閉磁路を形成するコア１７に流れ、その磁束φによって２次側コイル（昇温部材１２，２０）に誘導起電力Ｖ２が生じ、昇温部材１２，２０の周方向に沿って電流Ｉ２が流れる。コア１７によって閉磁路が形成されているため原理的には漏れ磁束がなく、１次側エネルギーＶ１×Ｉ１と、２次側エネルギーＶ２×Ｉ２とがほぼ等しくなる。
【００３２】
この誘導加熱が行われる系において発熱する部分は、一つ目は、１次側コイルの銅線内の銅損によるコイルの発熱すなわちコイル１４自体の発熱、二つ目に２次側コイルの銅線内の銅損によるコイルの発熱すなわち昇温部材１２，２０の誘導加熱による発熱、三つ目にコア内部に生じるジュール熱損とヒステリシス損によるコア１７の発熱である。誘導加熱定着装置は、上記一つ目と三つ目の発熱がエネルギーロスとなるためこれらの発熱を極力抑える一方、二つ目の銅損を利用して昇温部材１２を発熱させるようにしたものである。
【００３３】
本実施形態の誘導加熱定着装置１２８は、前述したように、複数の導電性部材としての第１昇温部材１２と第２昇温部材２０とを有しているので、双方の昇温部材１２，２０とも誘導加熱される点で、従来の定着装置と相違する。したがって、昇温部材全体としての熱容量が増すため、シート１０が通過して第２昇温部材２０からいくらか熱が奪われても、第１昇温部材１２も誘導加熱されているので、シートに接触する第２昇温部材２０の温度降下を抑制することができる。このため、高速でプリント出力可能な複写機において、シートの搬送速度が増し、シートが昇温部材から奪う熱が多くなったとしても、本実施形態の誘導加熱定着装置１２８は十分追随することができる。
【００３４】
図２に示されるように、通常、第１昇温部材１２は、肉厚が比較的厚いことから抵抗値が低く、第２昇温部材２０は、肉厚が比較的薄いことから抵抗値が高くなる。すなわち、第１昇温部材１２の抵抗体２５を除く部分の抵抗値をＲ１、第２昇温部材２０の抵抗値をＲ２とすると、
Ｒ１＜Ｒ２ ……（１）
という関係が成り立つ。
【００３５】
今仮に、抵抗体２５を無視すれば、前述したように、昇温部材１２，２０には誘導起電力Ｖ２が双方に生じ、昇温部材１２，２０の周方向に沿って、それぞれ電流Ｉ２１，Ｉ２２（Ｉ２＝Ｉ２１＋Ｉ２２）が流れる。
【００３６】
したがって、第１及び第２昇温部材１２，２０でそれぞれ発生するジュール熱Ｊ２１，Ｊ２２は、
Ｊ２１＝Ｉ２１²・Ｒ１ ……（２）
Ｊ２２＝Ｉ２２²・Ｒ２ ……（３）
となる。
【００３７】
ここで、
Ｉ２２＝（Ｒ１／Ｒ２）・Ｉ２１ ……（４）
と表され、上記（１）式とあわせて考えれば、
Ｊ２１＞Ｊ２２ ……（５）
となる。
【００３８】
このように、第１昇温部材１２で発生するジュール熱が大きくなってしまい、一方、第２昇温部材２０で発生するジュール熱が比較的小さくなってしまうので、第２昇温部材２０と接触するシート上のトナーに付与される熱量が、該トナーを溶融させ得る熱量以下となってしまう虞れがある。
【００３９】
そこで、本願発明は、昇温部材１２に抵抗体２５を付加することにより、昇温部材１２の抵抗値を変化させ、各々の昇温部材１２，２０で発生するジュール熱の配分を調整するようにしたものである。
【００４０】
すなわち、図４の回路図に示す通りに、抵抗体２５を考慮した場合の第１及び第２昇温部材１２，２０でそれぞれ発生するジュール熱Ｊ２１′，Ｊ２２′は、抵抗体２５の抵抗値をＲとすると、
Ｊ２１′＝Ｉ２１′²・（Ｒ１＋Ｒ） ……（６）
Ｊ２２′＝Ｉ２２′²・Ｒ２ ……（７）
となり、また
Ｉ２２′＝（（Ｒ１＋Ｒ）／Ｒ２）・Ｉ２１′ ……（８）
と表される。
【００４１】
上記式（６）〜（８）からわかるように、抵抗値Ｒを有する抵抗体２５の付加により、第２昇温部材２０で発生するジュール熱が、該第２昇温部材２０と接触するシート上のトナーを溶融させ得る熱量となるように、各々の昇温部材１２，２０で発生するジュール熱の配分を調整することが可能となる。また、定着装置の設計の自由度が大きくなる。
【００４２】
このように本実施形態によれば、中空形状をなす複数の導電性部材として、第１及び第２昇温部材１２，２０を設けることにより、熱容量を増大させることができ、しかも、第１昇温部材１２に抵抗体２５を付加することにより、昇温部材１２の抵抗値を変化させ、各々の昇温部材１２，２０で発生するジュール熱の配分を調整して、シートに接触する第２昇温部材２０にトナーを溶融させるのに十分な熱量を発生させることが可能となる。
【００４３】
したがって、シートに接触する第２昇温部材２０が比較的薄肉形状であっても、供給電力をアップさせることなく、シートに接触する第２昇温部材２０のトナー溶融に必要な温度を適切に確保し、かつシートの通紙による温度降下を抑制することができる。これにより、省電力化が図ることができ、また、複写機の高速プリントに対しても十分対応可能となる。
【００４４】
図５は、他の実施形態に係る誘導加熱定着装置を示す断面図である。
【００４５】
この誘導加熱定着装置１２８ａは、複数の導電性部材として、回転する金属ローラ（第１の導電性部材に相当する）１２ａと、この金属ローラ１２ａ及び支持ローラ２７に張り渡され、シート１０に接触する金属ベルト（第２の導電性部材に相当する）２０ａと、から構成される。また、金属ローラ１２ａには、抵抗体２５ａが付加されている。シート１０は、支持ローラ２７上を移動されられる金属ベルト２０ａと加圧ローラ１３との間に送り込まれるようになっている。なお、図２に示す部材と共通する部材には、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４６】
この誘導加熱定着装置１２８ａによっても、金属ローラ１２ａ及び金属ベルト２０ａを同時に誘導加熱するので、熱容量が増大し、金属ローラ１２ａに、別途、抵抗体２５ａを付加したので、金属ローラ１２ａ及び金属ベルト２０ａでの発熱配分を調整することができ、前述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、当業者が本発明の技術思想の範囲内において、適宜変更できることはいうまでもない。
【００４８】
例えば、第１昇温部材１２の抵抗値を変化させる抵抗値変化手段として、第１昇温部材１２に帯状の抵抗体２５を付加するようにしたが、抵抗体２５の形状や大きさは変更可能である。また、例えば、第１昇温部材１２への抵抗体２５の付加の方法も、溶接に限られるものではなく、機械的に接合したり、第１昇温部材１２に孔や凹溝を設け、抵抗体２５を溶融して充填させたりすること等、種々の方法を採用することができる。さらには、第１昇温部材１２に凹溝等の切欠きを設けて断面積を変えることにより抵抗値を変化させることも可能である。
【００４９】
また、２つの導電性部材を同時に誘導加熱するものについて説明したが、３つ以上の導電性部材を同時に誘導加熱するように構成することもできる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、中空形状をなす複数の導電性部材を設けることにより、熱容量を増大させることができ、しかも、抵抗値変化手段により、導電性部材の抵抗値を変化させ、複数の導電性部材の各々に発生するジュール熱の配分を調整して、通紙されるシートに接触する導電性部材にトナーを溶融させるのに十分な熱量を発生させることが可能となる。
【００５１】
したがって、シートに接触する導電性部材が比較的薄肉形状であっても、供給電力をアップさせることなく、シートに接触する導電性部材のトナー溶融に必要な温度を適切に確保し、かつシートの通紙による温度降下を抑制することができる。これにより、省電力化が図ることができ、また、複写機の高速プリントに対しても十分対応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る誘導加熱定着装置を組み込んだ画像形成装置としての複写機を示す概略構成図である。
【図２】上記誘導加熱定着装置を示す断面図である。
【図３】上記誘導加熱定着装置の要部を示す断面図である。
【図４】上記誘導加熱定着装置の回路構成を示す図である。
【図５】他の実施形態に係る誘導加熱定着装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…シート（記録媒体）、
１１…トナー、
１２，１２ａ…第１昇温部材（第１の導電性部材）、
１３…加圧ローラ（加圧部材）、
１４…誘導コイル、
１７…コア（閉磁路鉄心）、
２０，２０ａ…第２昇温部材（第２の導電性部材）、
２３…中空部、
２５，２５ａ…抵抗体（抵抗値変化手段）、
５０…電源、
１２８，１２８ａ…定着装置。

Claims

固定されもしくは移動させられる中空形状をなす複数の導電性部材と、
前記導電性部材に、トナーを保持した記録媒体を直接的もしくは間接的に密着させる加圧部材と、
前記導電性部材内の中空部に一部が挿通され、閉磁路を形成する閉磁路鉄心と、
前記閉磁路鉄心に鎖交するように巻回され、前記導電性部材に周方向に沿う誘導電流を生じさせる磁束を生成する誘導コイルと、
前記誘導コイルへ交流電力を供給する電源と、
前記複数の導電性部材の内の少なくとも１つの導電性部材の抵抗値を変化させることで、複数の前記導電性部材の各々で発生するジュール熱の配分を調節可能な抵抗値変化手段と、を有することを特徴とする誘導加熱定着装置。
前記複数の導電性部材は、第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材の外側に配置され、前記記録媒体に接触する第２の導電性部材と、からなることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱定着装置。
前記抵抗値変化手段は、前記第１の導電性部材に付加される所定の抵抗値を有する抵抗体であって、前記第１の導電性部材は、前記抵抗体が付加されることにより、抵抗値が増大されることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱定着装置。