JP4212383B2 - 定着装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱したローラ対のニップに、未定着トナー画像を担持した用紙を挿入して、未定着トナーを加熱、溶融し、用紙に定着する定着装置に関する。特に、誘電加熱方式により加熱する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式の画像形成装置においては、ニップを形成するローラ対の少なくとも一方のローラに熱源を内蔵させ、この熱源によって加熱されたローラ対のニップに未定着トナー画像を担持した用紙を挿通することによって用紙にトナーを定着する熱ローラ定着方式が広く用いられている。
【０００３】
このような熱ローラ定着方式では、定着ローラに内蔵されたハロゲンランプなどの熱源から、ローラ表面までの熱伝達の効率が低く、熱の損失が大きい。また、ローラ表面まで熱が伝達するのに長い時間が必要である。その結果、加熱効率が悪いために消費電力が多く、ローラ表面が定着可能な温度に達するまでのウォームアップ時間に幾分も要するなどといった問題があった。
【０００４】
これを改善するために、励磁コイルと、非磁性金属で構成した定着ローラと、を用いた誘電加熱方式により、未定着トナー画像を溶融、定着させる定着装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２６８９５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の定着装置は、定着部材を加熱するものであって、加圧部材を加熱する手段を有しない。その結果、通紙中の用紙に熱が奪われることにより、加圧部材の温度低下が発生する。したがって、加熱効率が悪くなり、消費電力も増大する。さらに、加圧部材の温度変動により、安定した定着性を得ることが困難になる。
【０００７】
また一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされている。しかしながら、 非磁性金属の厚さを薄くすることで、磁性金属よりも高い加熱効率が得られることが知られている。特許文献１記載のような定着装置は、この高い加熱効率が得られる非磁性金属を定着ローラに適用しているものの、本来加熱が非常に困難である非磁性金属の特性を十分に改善して利用しているとは言えない。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、誘電加熱方式により加熱する定着装置において、高い加熱効率が得られる構造を提案し、ウォームアップ時間の短縮及び消費電力の低減が可能な定着装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、渦電流負荷が２．４×１０ −３ Ω以上であって非磁性金属からなる発熱層を前記定着部材に設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱するものとした。
【００１０】
この構成によれば、励磁コイルによって加圧ベルトを直接加熱するので、通紙中においても加圧ベルトを加熱することができる。その結果、用紙に熱が奪われることによる加圧ベルトの温度低下を低減することが可能となり、高い加熱効率が得られるとともに、消費電力の低減を図ることができる。そして、加圧ベルトの温度変動が少ないので、安定した定着性を得ることが可能である。
【００１２】
また、磁束は非磁性金属層を通り抜けるので、その外側に磁性金属層があれば、その磁性金属層も発熱させることが可能である。その結果、一つの励磁コイルで二つの部材を同時に発熱させることができるので、高い加熱効率が得られる。また、定着部材と加圧ベルトを加熱する手段を単一のものにすることができ、部品点数の削減によるコストダウンや構造の簡素化を図ることが可能である。
【００１４】
また、励磁コイルから発生する磁束のほとんどが高透磁部材を通過するようになるので、磁界を強めることができるとともに、磁束の通る場所を把握し易くなる。その結果、定着部材及び加圧ベルトにおける発熱箇所をコントロールすることが可能である。また、高透磁部材によってインダクタンスを向上させることができるので、励磁コイルを小型化することができる。
【００１５】
ここで、渦電流負荷とは、材料固有の電気抵抗率を、電磁誘導により渦電流が発生する深さで割った値であり、Ｒ＝ρ／ｚで表す（式中のＲは渦電流負荷、ρは電気抵抗率、ｚは渦電流が発生する深さを示す）。通常、渦電流が発生する深さｚは、磁界浸透深さδと同じであるので、ｚ＝δである。しかしながら、使用する金属層の厚さｄが、この磁界浸透深さδよりも薄い場合には、ｚ＝ｄとなる。したがって、渦電流負荷ＲはＲ＝ρ／ｄとなり、電気抵抗率ρと金属層の厚さｄで決定される。また、逆に、渦電流負荷Ｒが決定されている場合には、この渦電流負荷Ｒと電気抵抗率ρから金属層の厚さｄを導出することが可能である。
【００１６】
一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされているが、この構成によれば、定着部材の表面を磁性金属で構成するよりも高い加熱効率を得ることができる。また、定着部材の表面を構成する非磁性金属がどのような金属であっても、高い加熱効率が得られる。その結果、それらの金属における適切な層の厚さを決定することが可能であり、実際に製作するのが容易である。また、これ以外の数値に基づいて製作されたものより加熱性能が良い。
【００１７】
また、前記高透磁部材が、フェライトであることとした。
【００１８】
この構成によれば、高透磁部材として広く用いられているフェライトを採用し、簡単な構成で、加熱効率を高めることが可能である。
【００２０】
また、前記渦電流負荷が、２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることとした。
【００２１】
このように、定着部材の非磁性金属層の渦電流負荷を限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００２２】
また、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、前記定着部材の非磁性金属層が、銅で構成され、この銅の層を７．０μｍ以下の厚さで設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することとした。
【００２３】
このように、非磁性金属である銅の層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００２４】
また、前記銅の層の厚さが、２．０μｍから６．０μｍの範囲であることとした。
【００２５】
このように、銅の層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００２６】
また、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、前記定着部材の非磁性金属層が、アルミニウムで構成され、このアルミニウムの層を１１．０μｍ以下の厚さで設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することとした。
【００２７】
このように、非磁性金属であるアルミニウムの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００２８】
また、前記アルミニウムの層の厚さが、３．３μｍから９．５μｍの範囲であることとした。
【００２９】
このように、アルミニウムの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００３０】
また、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、前記定着部材の非磁性金属層が、非磁性ステンレスで構成され、この非磁性ステンレスの層を３００μｍ以下の厚さで設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することとした。
【００３１】
このように、非磁性金属である非磁性ステンレスの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００３２】
また、前記非磁性ステンレスの層の厚さが、９０μｍから２５７μｍの範囲であることとした。
【００３３】
このように、非磁性ステンレスの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００３４】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層の渦電流負荷が、３．０×１０−４Ωから２．０×１０−２Ωの範囲であることとした。
【００３５】
このように、加圧ベルトの磁性金属層の渦電流負荷を限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００３６】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層が、ニッケルで構成され、このニッケルの層を３．５μｍから１００μｍの範囲の厚さで設けることとした。
【００３７】
このように、磁性金属であるニッケルの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。さらに、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることがないので、定着性能がより高い定着装置を提供することが可能である。
【００３８】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層が、鉄で構成され、この鉄の層を５．０μｍから１００μｍの範囲の厚さで設けることとした。
【００３９】
このように、磁性金属である鉄の層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。さらに、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることがないので、定着性能がより高い定着装置を提供することが可能である。
【００４０】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層の厚みが、磁界浸透深さよりも大きいこととした。
【００４１】
加圧ベルトの磁性金属層の厚みが磁界浸透深さよりも小さいと、励磁コイルから発生する磁束が磁性金属層を通過し、さらにその内側に漏洩してしまう。上記の構成によれば、磁束が加圧ベルトを通過することがない。その結果、磁性金属層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。これにより、加圧ベルトの磁性金属層の内側に他の金属部材が存在する場合、この金属部材を不必要に加熱することがなく、加熱エネルギの浪費を抑制することが可能となる。
【００４２】
また、前記ニッケルの層の厚さが、４３．７μｍから１００μｍの範囲であることとした。
【００４３】
このように、ニッケルの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、ニッケルの層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。 また、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【００４４】
また、前記鉄の層の厚さが、４０．５μｍから１００μｍの範囲であることとした。
【００４５】
このように、鉄の層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、鉄の層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。また、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【００４６】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層の内側に、断熱層を設けることとした。
【００４７】
この構成によれば、加圧ベルトの低熱容量化を図ることができる。その結果、加圧ベルト表面が定着に好適な温度に達するまでの時間を、より短くすることが可能である。また、消費電力の低減を図ることが可能である。
【００５０】
また、前記定着部材がローラで構成されることとした。
【００５１】
この構成によれば、定着部材及び加圧部材の両方がローラである場合と比較して、加圧部材をベルトで構成していることにより、低熱容量化を図ることができる。また、適切なニップ時間を設定することができる。その結果、定着部材表面が定着可能な温度に達するまでの時間を、より短くすることが可能である。また、安定した定着性を得ることが可能である。
【００５２】
また、前記定着部材がベルトで構成されることとした。この構成によれば、定着部材及び加圧部材を、さらに低熱容量化させることができる。その結果、定着部材表面が定着可能な温度に達するまでの時間を、さらに短くすることが可能である。
【００５３】
また、前記定着部材はローラで構成されるとともに、前記加圧ベルトは、用紙が進入する側の第１ローラと用紙が排出される側の第２ローラとに懸架され、第１ローラは前記加圧ベルトを介して前記定着部材に当接し、前記加圧ベルトは第１、第２ローラ間で前記定着部材に当接し、第２ローラは前記定着部材から離れていることとした。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
【００５５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図である。図２は、図１に示す定着装置の電磁誘導部を示す概略部分斜視図である。定着装置１には、定着部１０と加圧部２０が備えられ、定着部１０の定着部材である定着ローラ１１内には電磁誘導部３０が配置されている。また、用紙が進入してくる箇所には、用紙進入ガイド４０が設けられている。
【００５６】
定着部１０は、定着部材である定着ローラ１１で構成される。定着ローラ１１は直径が４０ｍｍで、耐熱樹脂等の芯材１２の表面に発熱層である非磁性金属層１３が設けられている。非磁性金属層１３が、例えばＳＵＳ３０４である場合、その厚さは２５０μｍとする。非磁性金属層１３の外側には、厚さ２０μｍの離型層１４を設け、トナーの離型性を高める。離型層１４は、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パー−フルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素系樹脂が用いられ、吹き付けによるコーティングやチューブを被せることによって設けられている。また、弾性層として、シリコンゴム層を離型層１４のすぐ内側に設けてもよい。
【００５７】
加圧部２０は、加圧部材である加圧ベルト２１と、主ローラ２２と、副ローラ２３で構成される。定着ローラ１１と当接する加圧ベルト２１は、ポリイミドフィルム（図示せず）に、発熱層である磁性金属層２４としてニッケルが５０μｍの厚さのメッキで形成されている。その外側には、弾性層２５である厚さ１００μｍのシリコンゴム層が設けられている。弾性層２５の外側には、５０μｍの厚さのＰＦＡチューブが離型層２６として被せられている。この加圧ベルト２１に、主ローラ２２及び副ローラ２３によって所定の張力が与えられ、加圧ベルト２１が定着ローラ１１と当接することで用紙を挿通させるニップを形成する。
【００５８】
ここで、上記定着ローラ１１及び加圧部２０の構成は、定着ローラ１１をベルトに代え、加圧部２０をローラのみにするといった構成でも良い。また、両方ともローラ、或いは両方ともベルトであるといった構成でも良い。いずれの場合においても、後述する励磁コイル３１を、定着部材内の、定着部材と加圧部材とが当接する箇所の近傍に配置する。定着ローラ１１をベルトに代える場合は、ポリイミドフィルムに非磁性金属層をメッキ、或いは圧延処理にて設け、その外側にＰＦＡ等のフッ素系樹脂のコーティングを施す。
【００５９】
電磁誘電部３０は、励磁コイル３１、フェライト３２、支持部材３３で構成される。励磁コイル３１は、直径０．１ｍｍのエナメル線３００本を寄り合わせたリッツ線が、定着ローラ１１の軸線に沿う方向に巻かれたものである。このようにして巻かれた励磁コイル３１の内側に、磁界を強めるためのフェライト３２が備えられている。支持部材３３は、耐熱性樹脂で構成され、フェライト収納部３３ａと、定着ローラ１１の曲率に基づいて形成された湾曲部３３ｂとを備えている。励磁コイル３１は、このフェライト収納部３３ａを囲み、湾曲部３３ｂに沿うように巻かれている。励磁コイル３１には、定格電力１５００Ｗ、周波数２０〜５０ｋＨｚの高周波電源３４が接続されている。なお、フェライト３２は、高い透磁率を有する部材であれば、フェライト以外の部材で代替することが可能である。
【００６０】
この電磁誘電部３０は、定着ローラ１１と加圧ベルト２１が当接する箇所に磁束が通るように、その当接箇所に励磁コイル３１を近づけて定着ローラ１１内に配置されている。
【００６１】
また、定着ローラ１１内の、定着ローラ１１と加圧ベルト２１が当接する箇所の近傍で、定着ローラ１１内壁と電磁誘電部３０の間にはサーミスタ１５が備えられている。このサーミスタ１５により加熱部の温度を検知し、高周波電源３４の出力を制御して温度制御を行う。
【００６２】
なお、これまでに登場した寸法等の数値は、一つの好適例の例示であり、発明の範囲を限定するものではない。
【００６３】
図３は、図１に示す定着装置による加熱状態を示す模型的断面図である。定着装置１は、次のように加熱動作を行う。
【００６４】
励磁コイル３１に高周波電流を流すと磁界が発生する。発生した磁界の磁束Ｍは、そのほとんどが高透磁部材であるフェライト３２を通過するので、磁界を強くすることができる。発生した磁束Ｍが、定着ローラ１１の非磁性金属層１３を通り抜ける時に、通過領域Ａ及びＢにおいて金属に渦電流が流れ、金属の電気抵抗により発熱する。特に通過領域Ａは、磁性金属層２４が存在することにより、通過領域Ｂよりも磁界が集中するので発熱量が大きい。また、この磁束Ｍは定着ローラ１１の非磁性金属層１３を通り抜け、加圧ベルト２１にまで達するので、同時に、加圧ベルト２１の磁性金属層２４でも発熱する。
【００６５】
このように、定着ローラ１１だけでなく加圧ベルト２１も直接加熱することができるので、ニップを挿通する用紙の上下から熱の供給が可能で、定着ローラ１１の温度を低く設定することが可能である。これにより、余分な熱を供給することがないので、高い加熱効率が得られる。
【００６６】
また、通紙中においても加圧ベルト２１を加熱することができるので、通紙方向に対して長尺の用紙を通紙した場合でも用紙後端部における温度低下が少なく、安定した定着性が得られる。
【００６７】
図４は、定着ローラの非磁性金属層を構成する銅の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフである。グラフの横軸は、非磁性金属層１３を構成する銅の厚さを示し、縦軸は、磁性金属層２４のみを加熱した時を１とした場合の、非磁性金属層１３、磁性金属層２４、及び双方を総合した発熱量を示す。ここでは磁性金属層２４に、ＳＵＳ４３０を用いている。図４によると、銅の厚さが７．０μｍ以下である時に、総発熱量が１．０を超えているのが分かる。また、特に、銅の厚さが２．０μｍから６．０μｍの範囲で総発熱量がピークに近い値に達しているのが分かる。したがって、磁性金属のみを用いて定着ローラ１１及び加圧ベルト２１を製作するよりも、非磁性金属と磁性金属とを組み合わせて用いるほうが加熱効率は向上する。銅の厚さをこの範囲に設定することで、加熱効率が１０％向上する。
【００６８】
図５は、定着ローラの非磁性金属層を構成するＳＵＳ３０４の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフである。グラフの構成は、前記図４の銅の場合と同様であり、磁性金属層２４も同様にＳＵＳ４３０を用いている。図５によると、ＳＵＳ３０４の厚さが３００μｍ以下である時に、総発熱量が１．０を超えているのが分かる。また、特に、ＳＵＳ３０４の厚さが９０μｍから２５７μｍの範囲で総発熱量がピークに近い値に達しているのが分かる。これらの効果についても、前記銅の場合と同様に、磁性金属のみを用いて定着ローラ１１及び加圧ベルト２１を製作するよりも、加熱効率が１０％向上する。このことを考慮に入れ、前記図１に示す定着装置１では、定着ローラ１１の非磁性金属層１３であるＳＵＳ３０４の厚さを２５０μｍとしている。
【００６９】
図６は、非磁性金属層の渦電流負荷と厚さとの関係、及び発熱量への影響を示す表である。表の左側の非磁性金属層条件の欄は、銅及びＳＵＳ３０４の渦電流負荷と層の厚さの関係を示している。表の右側は、磁性金属層のみを加熱した時を１とした場合の、非磁性金属層１３、磁性金属層２４、及び双方を総合した発熱量を示している。発熱量は、前記図４及び図５のグラフを数値化したものである。総発熱量が１．０以上である高い加熱効率が得られる条件を判断すると、非磁性金属層１３の渦電流負荷は、２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることが好ましいことが分かる。したがって、非磁性金属層１３の渦電流負荷がこの範囲であれば、前述の銅やＳＵＳ３０４以外の金属でも高い加熱効率が得られることになる。
【００７０】
すなわち、非磁性金属としてアルミニウムを用いた場合、アルミニウムの電気抵抗率が２．６６×１０-8Ω・ｍであるので、これを上記渦電流負荷の値で割ると、高い加熱効率が得られる層の厚さは、１１．０μｍ以下、特に３．３μｍから９．５μｍの範囲であることが好ましいことになる。
【００７１】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図である。なお、この実施形態の基本的な構成は、前記図１に示す第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、説明は省略するものとする。
【００７２】
定着装置１には、定着部１０と加圧部２０が備えられ、定着部１０の定着部材である定着ローラ１１内には電磁誘導部３０が配置されている。また、用紙が進入してくる箇所には、用紙進入ガイド４０が設けられている。加圧部２０の加圧部材は、加圧ローラ２７で構成される。
【００７３】
加圧部２０は、加圧部材である加圧ローラ２７で構成される。加圧ローラ２７は直径が４０ｍｍで、耐熱樹脂等の芯材２８の表面に断熱層２９であるシリコンスポンジ層が設けられている。その外側には、発熱層である磁性金属層２４としてニッケルが５０μｍの厚さのメッキで形成されている。ニッケル層の外側には、弾性層２５である厚さ１００μｍのシリコンゴム層が設けられている。そして、その外側には、５０μｍの厚さのＰＦＡチューブが離型層２６として被せられている。この加圧ローラ２７が定着ローラ１１と当接することで用紙を挿通させるニップを形成する。
【００７４】
ここで、前記第１の実施形態と同様に、上記定着部１０及び加圧部２０の構成は、両方ともローラ、一方がローラで他方がベルト、両方ともベルト、のいずれの構成であっても良い。
【００７５】
このように、加圧ローラ２７の磁性金属層２４の内側に断熱層２９を設けることによって、加圧ローラ２７の低熱容量化を図ることができる。その結果、加圧ローラ２７の表面が定着に好適な温度に達するまでの時間を、より短くすることが可能である。
【００７６】
次に、加圧部材の磁性金属層の厚さについて、図８を用いて説明する。図８は、定着部材と加圧部材を構成する金属の厚さと渦電流負荷の関係を示すグラフである。グラフの横軸は金属の厚さを示し、縦軸はその金属の渦電流負荷を示す。金属の種類としては、非磁性金属である銅、アルミニウム、ＳＵＳ３０４と、磁性金属である鉄、ニッケルを挙げている。
【００７７】
図中、領域Ｃは、誘電加熱方式によって容易に加熱可能な金属の渦電流負荷の範囲を示している。すなわち、定着部材と加圧部材を構成する金属の渦電流負荷が、３．０×１０-4Ωから２．０×１０-2Ωの範囲であれば、誘電加熱方式によって容易に加熱可能である。例えば磁性金属であるニッケルの場合、渦電流負荷が２．０×１０-2Ω以下、つまり、その厚さが３．５μｍ以上であると加熱可能である。また、鉄の場合は、その厚さが５．０μｍ以上であると加熱可能である。
【００７８】
しかしながら、加圧部材のニッケルや鉄のような磁性金属層の厚さを必要以上に厚くすると、その剛性により、好適なニップを形成するための弾力が得られない。したがって、加圧部材の磁性金属層は１００μｍ以下とすることが望ましい。これにより、前記第１および第２の実施形態において、加圧部材の磁性金属層であるニッケル層の厚さを５０μｍとしている。
【００７９】
このようにして加圧部材の磁性金属層の厚さを定めることにより、高い加熱効率が得られる。さらに、上記のような厚さであれば加圧部材の弾性を損ねることがないので、定着性能がより高い定着装置を提供することが可能である。
【００８０】
なお、非磁性金属である銅、アルミニウム、ＳＵＳ３０４の場合は、前記図４〜図６に示すように、渦電流負荷が２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることが好ましいことが分かっている。
【００８１】
ここで、加圧部材の磁性金属の磁界浸透深さについて考える。加圧部材の磁性金属層の厚みが磁界浸透深さよりも小さいと、励磁コイルから発生する磁束が磁性金属層を通過し、さらにその内側に漏洩してしまう。これにより、加圧部材の磁性金属層の内側に他の金属部材が存在する場合、この金属部材を不必要に加熱してしまい、加熱エネルギを浪費するという問題が発生する。
【００８２】
したがって、加圧部材の磁性金属層の厚みを、磁界浸透深さよりも大きくする必要がある。磁界浸透深さは、δ＝５０３√（ρ／ｆμ）で表される（式中のδは磁界浸透深さ、ρは電気抵抗率、ｆは周波数、μは比透磁率を示す）。磁性金属層としてニッケルを用いた場合、周波数ｆを３０ｋＨｚとして、ニッケルの電気抵抗率ρが６．８０×１０-8Ω・ｍ、比透磁率μが３００であるので、磁界浸透深さδは４３．７μｍとなる。鉄を用いた場合も同様に、周波数ｆを３０ｋＨｚとして、鉄の電気抵抗率ρが９．７１×１０-8Ω・ｍ、比透磁率μが５００であるので、磁界浸透深さδは４０．５μｍとなる。
【００８３】
これにより、ニッケルは４３．７μｍ以上の厚みが、鉄は４０．５μｍ以上の厚みが必要となるが、前述のように、好適なニップを形成する弾力を得るためには、加圧部材の磁性金属層は１００μｍ以下とすることが望ましい。
【００８４】
このようにして、加圧部材の磁性金属層であるニッケルの層の厚さを４３．７μｍから１００μｍの範囲に、また鉄の層の厚さを４０．５μｍから１００μｍの範囲に限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、磁性金属層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。また、上記のような厚さであれば加圧部材の弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【００８５】
上記のように本発明の実施形態を示したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の上記構成によれば、励磁コイルによって加圧ベルトを直接加熱するので、通紙中においても加圧ベルトを加熱することができる。その結果、用紙に熱が奪われることによる加圧ベルトの温度低下を低減することが可能となり、高い加熱効率が得られるとともに、消費電力の低減を図ることができる。そして、加圧ベルトの温度変動が少ないので、安定した定着性を得ることが可能である。
【００８７】
そして、磁束は非磁性金属層を通り抜けるので、その外側に磁性金属層があれば、その磁性金属層も発熱させることが可能である。その結果、一つの励磁コイルで二つの部材を同時に発熱させることができるので、高い加熱効率が得られる。また、定着部材と加圧ベルトを加熱する手段を単一のものにすることができ、部品点数の削減によるコストダウンや構造の簡素化を図ることが可能である。
【００８８】
また、一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされているが、定着部材の非磁性金属層の渦電流負荷を２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲にすることによって、磁性金属を使用するよりも高い加熱効率を得ることができる。また、定着部材の表面を構成する非磁性金属がどのような金属であっても、高い加熱効率が得られる。
【００８９】
さらに、加圧ベルトの磁性金属層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、磁性金属層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。また、加圧ベルトの弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図
【図２】 図１に示す定着装置の電磁誘導部を示す概略部分斜視図
【図３】 図１に示す定着装置による加熱状態を示す模型的断面図
【図４】 銅の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフ
【図５】 ＳＵＳ３０４の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフ
【図６】 非磁性金属層の渦電流負荷と厚さとの関係、及び発熱量への影響を示す表
【図７】 本発明の第２の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図
【図８】 金属の厚さと渦電流負荷の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 定着装置
１０ 定着部
１１ 定着ローラ
１３ 非磁性金属層
２０ 加圧部
２１ 加圧ベルト
２２ 主ローラ
２４ 磁性金属層
２７ 加圧ローラ
２９ 断熱層
３０ 電磁誘導部
３１ 励磁コイル
３２ フェライト
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱したローラ対のニップに、未定着トナー画像を担持した用紙を挿入して、未定着トナーを加熱、溶融し、用紙に定着する定着装置に関する。特に、誘電加熱方式により加熱する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式の画像形成装置においては、ニップを形成するローラ対の少なくとも一方のローラに熱源を内蔵させ、この熱源によって加熱されたローラ対のニップに未定着トナー画像を担持した用紙を挿通することによって用紙にトナーを定着する熱ローラ定着方式が広く用いられている。
【０００３】
このような熱ローラ定着方式では、定着ローラに内蔵されたハロゲンランプなどの熱源から、ローラ表面までの熱伝達の効率が低く、熱の損失が大きい。また、ローラ表面まで熱が伝達するのに長い時間が必要である。その結果、加熱効率が悪いために消費電力が多く、ローラ表面が定着可能な温度に達するまでのウォームアップ時間に幾分も要するなどといった問題があった。
【０００４】
これを改善するために、励磁コイルと、非磁性金属で構成した定着ローラと、を用いた誘電加熱方式により、未定着トナー画像を溶融、定着させる定着装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２６８９５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の定着装置は、定着部材を加熱するものであって、加圧部材を加熱する手段を有しない。その結果、通紙中の用紙に熱が奪われることにより、加圧部材の温度低下が発生する。したがって、加熱効率が悪くなり、消費電力も増大する。さらに、加圧部材の温度変動により、安定した定着性を得ることが困難になる。
【０００７】
また一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされている。しかしながら、 非磁性金属の厚さを薄くすることで、磁性金属よりも高い加熱効率が得られることが知られている。特許文献１記載のような定着装置は、この高い加熱効率が得られる非磁性金属を定着ローラに適用しているものの、本来加熱が非常に困難である非磁性金属の特性を十分に改善して利用しているとは言えない。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、誘電加熱方式により加熱する定着装置において、高い加熱効率が得られる構造を提案し、ウォームアップ時間の短縮及び消費電力の低減が可能な定着装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、渦電流負荷が２．４×１０ −３ Ω以上であって非磁性金属からなる発熱層を前記定着部材に設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱するものとした。
【００１０】
この構成によれば、励磁コイルによって加圧ベルトを直接加熱するので、通紙中においても加圧ベルトを加熱することができる。その結果、用紙に熱が奪われることによる加圧ベルトの温度低下を低減することが可能となり、高い加熱効率が得られるとともに、消費電力の低減を図ることができる。そして、加圧ベルトの温度変動が少ないので、安定した定着性を得ることが可能である。
【００１２】
また、磁束は非磁性金属層を通り抜けるので、その外側に磁性金属層があれば、その磁性金属層も発熱させることが可能である。その結果、一つの励磁コイルで二つの部材を同時に発熱させることができるので、高い加熱効率が得られる。また、定着部材と加圧ベルトを加熱する手段を単一のものにすることができ、部品点数の削減によるコストダウンや構造の簡素化を図ることが可能である。
【００１４】
また、励磁コイルから発生する磁束のほとんどが高透磁部材を通過するようになるので、磁界を強めることができるとともに、磁束の通る場所を把握し易くなる。その結果、定着部材及び加圧ベルトにおける発熱箇所をコントロールすることが可能である。また、高透磁部材によってインダクタンスを向上させることができるので、励磁コイルを小型化することができる。
【００１５】
ここで、渦電流負荷とは、材料固有の電気抵抗率を、電磁誘導により渦電流が発生する深さで割った値であり、Ｒ＝ρ／ｚで表す（式中のＲは渦電流負荷、ρは電気抵抗率、ｚは渦電流が発生する深さを示す）。通常、渦電流が発生する深さｚは、磁界浸透深さδと同じであるので、ｚ＝δである。しかしながら、使用する金属層の厚さｄが、この磁界浸透深さδよりも薄い場合には、ｚ＝ｄとなる。したがって、渦電流負荷ＲはＲ＝ρ／ｄとなり、電気抵抗率ρと金属層の厚さｄで決定される。また、逆に、渦電流負荷Ｒが決定されている場合には、この渦電流負荷Ｒと電気抵抗率ρから金属層の厚さｄを導出することが可能である。
【００１６】
一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされているが、この構成によれば、定着部材の表面を磁性金属で構成するよりも高い加熱効率を得ることができる。また、定着部材の表面を構成する非磁性金属がどのような金属であっても、高い加熱効率が得られる。その結果、それらの金属における適切な層の厚さを決定することが可能であり、実際に製作するのが容易である。また、これ以外の数値に基づいて製作されたものより加熱性能が良い。
【００１７】
また、前記高透磁部材が、フェライトであることとした。
【００１８】
この構成によれば、高透磁部材として広く用いられているフェライトを採用し、簡単な構成で、加熱効率を高めることが可能である。
【００２０】
また、前記渦電流負荷が、２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることとした。
【００２１】
このように、定着部材の非磁性金属層の渦電流負荷を限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００２２】
また、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、前記定着部材の非磁性金属層が、銅で構成され、この銅の層を７．０μｍ以下の厚さで設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することとした。
【００２３】
このように、非磁性金属である銅の層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００２４】
また、前記銅の層の厚さが、２．０μｍから６．０μｍの範囲であることとした。
【００２５】
このように、銅の層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００２６】
また、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、前記定着部材の非磁性金属層が、アルミニウムで構成され、このアルミニウムの層を１１．０μｍ以下の厚さで設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することとした。
【００２７】
このように、非磁性金属であるアルミニウムの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００２８】
また、前記アルミニウムの層の厚さが、３．３μｍから９．５μｍの範囲であることとした。
【００２９】
このように、アルミニウムの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００３０】
また、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、前記定着部材の非磁性金属層が、非磁性ステンレスで構成され、この非磁性ステンレスの層を３００μｍ以下の厚さで設け、前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することとした。
【００３１】
このように、非磁性金属である非磁性ステンレスの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００３２】
また、前記非磁性ステンレスの層の厚さが、９０μｍから２５７μｍの範囲であることとした。
【００３３】
このように、非磁性ステンレスの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００３４】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層の渦電流負荷が、３．０×１０−４Ωから２．０×１０−２Ωの範囲であることとした。
【００３５】
このように、加圧ベルトの磁性金属層の渦電流負荷を限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００３６】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層が、ニッケルで構成され、このニッケルの層を３．５μｍから１００μｍの範囲の厚さで設けることとした。
【００３７】
このように、磁性金属であるニッケルの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。さらに、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることがないので、定着性能がより高い定着装置を提供することが可能である。
【００３８】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層が、鉄で構成され、この鉄の層を５．０μｍから１００μｍの範囲の厚さで設けることとした。
【００３９】
このように、磁性金属である鉄の層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。さらに、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることがないので、定着性能がより高い定着装置を提供することが可能である。
【００４０】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層の厚みが、磁界浸透深さよりも大きいこととした。
【００４１】
加圧ベルトの磁性金属層の厚みが磁界浸透深さよりも小さいと、励磁コイルから発生する磁束が磁性金属層を通過し、さらにその内側に漏洩してしまう。上記の構成によれば、磁束が加圧ベルトを通過することがない。その結果、磁性金属層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。これにより、加圧ベルトの磁性金属層の内側に他の金属部材が存在する場合、この金属部材を不必要に加熱することがなく、加熱エネルギの浪費を抑制することが可能となる。
【００４２】
また、前記ニッケルの層の厚さが、４３．７μｍから１００μｍの範囲であることとした。
【００４３】
このように、ニッケルの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、ニッケルの層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。 また、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【００４４】
また、前記鉄の層の厚さが、４０．５μｍから１００μｍの範囲であることとした。
【００４５】
このように、鉄の層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、鉄の層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。また、この厚さであれば加圧ベルトの弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【００４６】
また、前記加圧ベルトの磁性金属層の内側に、断熱層を設けることとした。
【００４７】
この構成によれば、加圧ベルトの低熱容量化を図ることができる。その結果、加圧ベルト表面が定着に好適な温度に達するまでの時間を、より短くすることが可能である。また、消費電力の低減を図ることが可能である。
【００５０】
また、前記定着部材がローラで構成されることとした。
【００５１】
この構成によれば、定着部材及び加圧部材の両方がローラである場合と比較して、加圧部材をベルトで構成していることにより、低熱容量化を図ることができる。また、適切なニップ時間を設定することができる。その結果、定着部材表面が定着可能な温度に達するまでの時間を、より短くすることが可能である。また、安定した定着性を得ることが可能である。
【００５２】
また、前記定着部材がベルトで構成されることとした。この構成によれば、定着部材及び加圧部材を、さらに低熱容量化させることができる。その結果、定着部材表面が定着可能な温度に達するまでの時間を、さらに短くすることが可能である。
【００５３】
また、前記定着部材はローラで構成されるとともに、前記加圧ベルトは、用紙が進入する側の第１ローラと用紙が排出される側の第２ローラとに懸架され、第１ローラは前記加圧ベルトを介して前記定着部材に当接し、前記加圧ベルトは第１、第２ローラ間で前記定着部材に当接し、第２ローラは前記定着部材から離れていることとした。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
【００５５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図である。図２は、図１に示す定着装置の電磁誘導部を示す概略部分斜視図である。定着装置１には、定着部１０と加圧部２０が備えられ、定着部１０の定着部材である定着ローラ１１内には電磁誘導部３０が配置されている。また、用紙が進入してくる箇所には、用紙進入ガイド４０が設けられている。
【００５６】
定着部１０は、定着部材である定着ローラ１１で構成される。定着ローラ１１は直径が４０ｍｍで、耐熱樹脂等の芯材１２の表面に発熱層である非磁性金属層１３が設けられている。非磁性金属層１３が、例えばＳＵＳ３０４である場合、その厚さは２５０μｍとする。非磁性金属層１３の外側には、厚さ２０μｍの離型層１４を設け、トナーの離型性を高める。離型層１４は、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パー−フルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素系樹脂が用いられ、吹き付けによるコーティングやチューブを被せることによって設けられている。また、弾性層として、シリコンゴム層を離型層１４のすぐ内側に設けてもよい。
【００５７】
加圧部２０は、加圧部材である加圧ベルト２１と、主ローラ２２と、副ローラ２３で構成される。定着ローラ１１と当接する加圧ベルト２１は、ポリイミドフィルム（図示せず）に、発熱層である磁性金属層２４としてニッケルが５０μｍの厚さのメッキで形成されている。その外側には、弾性層２５である厚さ１００μｍのシリコンゴム層が設けられている。弾性層２５の外側には、５０μｍの厚さのＰＦＡチューブが離型層２６として被せられている。この加圧ベルト２１に、主ローラ２２及び副ローラ２３によって所定の張力が与えられ、加圧ベルト２１が定着ローラ１１と当接することで用紙を挿通させるニップを形成する。
【００５８】
ここで、上記定着ローラ１１及び加圧部２０の構成は、定着ローラ１１をベルトに代え、加圧部２０をローラのみにするといった構成でも良い。また、両方ともローラ、或いは両方ともベルトであるといった構成でも良い。いずれの場合においても、後述する励磁コイル３１を、定着部材内の、定着部材と加圧部材とが当接する箇所の近傍に配置する。定着ローラ１１をベルトに代える場合は、ポリイミドフィルムに非磁性金属層をメッキ、或いは圧延処理にて設け、その外側にＰＦＡ等のフッ素系樹脂のコーティングを施す。
【００５９】
電磁誘電部３０は、励磁コイル３１、フェライト３２、支持部材３３で構成される。励磁コイル３１は、直径０．１ｍｍのエナメル線３００本を寄り合わせたリッツ線が、定着ローラ１１の軸線に沿う方向に巻かれたものである。このようにして巻かれた励磁コイル３１の内側に、磁界を強めるためのフェライト３２が備えられている。支持部材３３は、耐熱性樹脂で構成され、フェライト収納部３３ａと、定着ローラ１１の曲率に基づいて形成された湾曲部３３ｂとを備えている。励磁コイル３１は、このフェライト収納部３３ａを囲み、湾曲部３３ｂに沿うように巻かれている。励磁コイル３１には、定格電力１５００Ｗ、周波数２０〜５０ｋＨｚの高周波電源３４が接続されている。なお、フェライト３２は、高い透磁率を有する部材であれば、フェライト以外の部材で代替することが可能である。
【００６０】
この電磁誘電部３０は、定着ローラ１１と加圧ベルト２１が当接する箇所に磁束が通るように、その当接箇所に励磁コイル３１を近づけて定着ローラ１１内に配置されている。
【００６１】
また、定着ローラ１１内の、定着ローラ１１と加圧ベルト２１が当接する箇所の近傍で、定着ローラ１１内壁と電磁誘電部３０の間にはサーミスタ１５が備えられている。このサーミスタ１５により加熱部の温度を検知し、高周波電源３４の出力を制御して温度制御を行う。
【００６２】
なお、これまでに登場した寸法等の数値は、一つの好適例の例示であり、発明の範囲を限定するものではない。
【００６３】
図３は、図１に示す定着装置による加熱状態を示す模型的断面図である。定着装置１は、次のように加熱動作を行う。
【００６４】
励磁コイル３１に高周波電流を流すと磁界が発生する。発生した磁界の磁束Ｍは、そのほとんどが高透磁部材であるフェライト３２を通過するので、磁界を強くすることができる。発生した磁束Ｍが、定着ローラ１１の非磁性金属層１３を通り抜ける時に、通過領域Ａ及びＢにおいて金属に渦電流が流れ、金属の電気抵抗により発熱する。特に通過領域Ａは、磁性金属層２４が存在することにより、通過領域Ｂよりも磁界が集中するので発熱量が大きい。また、この磁束Ｍは定着ローラ１１の非磁性金属層１３を通り抜け、加圧ベルト２１にまで達するので、同時に、加圧ベルト２１の磁性金属層２４でも発熱する。
【００６５】
このように、定着ローラ１１だけでなく加圧ベルト２１も直接加熱することができるので、ニップを挿通する用紙の上下から熱の供給が可能で、定着ローラ１１の温度を低く設定することが可能である。これにより、余分な熱を供給することがないので、高い加熱効率が得られる。
【００６６】
また、通紙中においても加圧ベルト２１を加熱することができるので、通紙方向に対して長尺の用紙を通紙した場合でも用紙後端部における温度低下が少なく、安定した定着性が得られる。
【００６７】
図４は、定着ローラの非磁性金属層を構成する銅の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフである。グラフの横軸は、非磁性金属層１３を構成する銅の厚さを示し、縦軸は、磁性金属層２４のみを加熱した時を１とした場合の、非磁性金属層１３、磁性金属層２４、及び双方を総合した発熱量を示す。ここでは磁性金属層２４に、ＳＵＳ４３０を用いている。図４によると、銅の厚さが７．０μｍ以下である時に、総発熱量が１．０を超えているのが分かる。また、特に、銅の厚さが２．０μｍから６．０μｍの範囲で総発熱量がピークに近い値に達しているのが分かる。したがって、磁性金属のみを用いて定着ローラ１１及び加圧ベルト２１を製作するよりも、非磁性金属と磁性金属とを組み合わせて用いるほうが加熱効率は向上する。銅の厚さをこの範囲に設定することで、加熱効率が１０％向上する。
【００６８】
図５は、定着ローラの非磁性金属層を構成するＳＵＳ３０４の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフである。グラフの構成は、前記図４の銅の場合と同様であり、磁性金属層２４も同様にＳＵＳ４３０を用いている。図５によると、ＳＵＳ３０４の厚さが３００μｍ以下である時に、総発熱量が１．０を超えているのが分かる。また、特に、ＳＵＳ３０４の厚さが９０μｍから２５７μｍの範囲で総発熱量がピークに近い値に達しているのが分かる。これらの効果についても、前記銅の場合と同様に、磁性金属のみを用いて定着ローラ１１及び加圧ベルト２１を製作するよりも、加熱効率が１０％向上する。このことを考慮に入れ、前記図１に示す定着装置１では、定着ローラ１１の非磁性金属層１３であるＳＵＳ３０４の厚さを２５０μｍとしている。
【００６９】
図６は、非磁性金属層の渦電流負荷と厚さとの関係、及び発熱量への影響を示す表である。表の左側の非磁性金属層条件の欄は、銅及びＳＵＳ３０４の渦電流負荷と層の厚さの関係を示している。表の右側は、磁性金属層のみを加熱した時を１とした場合の、非磁性金属層１３、磁性金属層２４、及び双方を総合した発熱量を示している。発熱量は、前記図４及び図５のグラフを数値化したものである。総発熱量が１．０以上である高い加熱効率が得られる条件を判断すると、非磁性金属層１３の渦電流負荷は、２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることが好ましいことが分かる。したがって、非磁性金属層１３の渦電流負荷がこの範囲であれば、前述の銅やＳＵＳ３０４以外の金属でも高い加熱効率が得られることになる。
【００７０】
すなわち、非磁性金属としてアルミニウムを用いた場合、アルミニウムの電気抵抗率が２．６６×１０-8Ω・ｍであるので、これを上記渦電流負荷の値で割ると、高い加熱効率が得られる層の厚さは、１１．０μｍ以下、特に３．３μｍから９．５μｍの範囲であることが好ましいことになる。
【００７１】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図である。なお、この実施形態の基本的な構成は、前記図１に示す第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、説明は省略するものとする。
【００７２】
定着装置１には、定着部１０と加圧部２０が備えられ、定着部１０の定着部材である定着ローラ１１内には電磁誘導部３０が配置されている。また、用紙が進入してくる箇所には、用紙進入ガイド４０が設けられている。加圧部２０の加圧部材は、加圧ローラ２７で構成される。
【００７３】
加圧部２０は、加圧部材である加圧ローラ２７で構成される。加圧ローラ２７は直径が４０ｍｍで、耐熱樹脂等の芯材２８の表面に断熱層２９であるシリコンスポンジ層が設けられている。その外側には、発熱層である磁性金属層２４としてニッケルが５０μｍの厚さのメッキで形成されている。ニッケル層の外側には、弾性層２５である厚さ１００μｍのシリコンゴム層が設けられている。そして、その外側には、５０μｍの厚さのＰＦＡチューブが離型層２６として被せられている。この加圧ローラ２７が定着ローラ１１と当接することで用紙を挿通させるニップを形成する。
【００７４】
ここで、前記第１の実施形態と同様に、上記定着部１０及び加圧部２０の構成は、両方ともローラ、一方がローラで他方がベルト、両方ともベルト、のいずれの構成であっても良い。
【００７５】
このように、加圧ローラ２７の磁性金属層２４の内側に断熱層２９を設けることによって、加圧ローラ２７の低熱容量化を図ることができる。その結果、加圧ローラ２７の表面が定着に好適な温度に達するまでの時間を、より短くすることが可能である。
【００７６】
次に、加圧部材の磁性金属層の厚さについて、図８を用いて説明する。図８は、定着部材と加圧部材を構成する金属の厚さと渦電流負荷の関係を示すグラフである。グラフの横軸は金属の厚さを示し、縦軸はその金属の渦電流負荷を示す。金属の種類としては、非磁性金属である銅、アルミニウム、ＳＵＳ３０４と、磁性金属である鉄、ニッケルを挙げている。
【００７７】
図中、領域Ｃは、誘電加熱方式によって容易に加熱可能な金属の渦電流負荷の範囲を示している。すなわち、定着部材と加圧部材を構成する金属の渦電流負荷が、３．０×１０-4Ωから２．０×１０-2Ωの範囲であれば、誘電加熱方式によって容易に加熱可能である。例えば磁性金属であるニッケルの場合、渦電流負荷が２．０×１０-2Ω以下、つまり、その厚さが３．５μｍ以上であると加熱可能である。また、鉄の場合は、その厚さが５．０μｍ以上であると加熱可能である。
【００７８】
しかしながら、加圧部材のニッケルや鉄のような磁性金属層の厚さを必要以上に厚くすると、その剛性により、好適なニップを形成するための弾力が得られない。したがって、加圧部材の磁性金属層は１００μｍ以下とすることが望ましい。これにより、前記第１および第２の実施形態において、加圧部材の磁性金属層であるニッケル層の厚さを５０μｍとしている。
【００７９】
このようにして加圧部材の磁性金属層の厚さを定めることにより、高い加熱効率が得られる。さらに、上記のような厚さであれば加圧部材の弾性を損ねることがないので、定着性能がより高い定着装置を提供することが可能である。
【００８０】
なお、非磁性金属である銅、アルミニウム、ＳＵＳ３０４の場合は、前記図４〜図６に示すように、渦電流負荷が２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることが好ましいことが分かっている。
【００８１】
ここで、加圧部材の磁性金属の磁界浸透深さについて考える。加圧部材の磁性金属層の厚みが磁界浸透深さよりも小さいと、励磁コイルから発生する磁束が磁性金属層を通過し、さらにその内側に漏洩してしまう。これにより、加圧部材の磁性金属層の内側に他の金属部材が存在する場合、この金属部材を不必要に加熱してしまい、加熱エネルギを浪費するという問題が発生する。
【００８２】
したがって、加圧部材の磁性金属層の厚みを、磁界浸透深さよりも大きくする必要がある。磁界浸透深さは、δ＝５０３√（ρ／ｆμ）で表される（式中のδは磁界浸透深さ、ρは電気抵抗率、ｆは周波数、μは比透磁率を示す）。磁性金属層としてニッケルを用いた場合、周波数ｆを３０ｋＨｚとして、ニッケルの電気抵抗率ρが６．８０×１０-8Ω・ｍ、比透磁率μが３００であるので、磁界浸透深さδは４３．７μｍとなる。鉄を用いた場合も同様に、周波数ｆを３０ｋＨｚとして、鉄の電気抵抗率ρが９．７１×１０-8Ω・ｍ、比透磁率μが５００であるので、磁界浸透深さδは４０．５μｍとなる。
【００８３】
これにより、ニッケルは４３．７μｍ以上の厚みが、鉄は４０．５μｍ以上の厚みが必要となるが、前述のように、好適なニップを形成する弾力を得るためには、加圧部材の磁性金属層は１００μｍ以下とすることが望ましい。
【００８４】
このようにして、加圧部材の磁性金属層であるニッケルの層の厚さを４３．７μｍから１００μｍの範囲に、また鉄の層の厚さを４０．５μｍから１００μｍの範囲に限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、磁性金属層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。また、上記のような厚さであれば加圧部材の弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【００８５】
上記のように本発明の実施形態を示したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の上記構成によれば、励磁コイルによって加圧ベルトを直接加熱するので、通紙中においても加圧ベルトを加熱することができる。その結果、用紙に熱が奪われることによる加圧ベルトの温度低下を低減することが可能となり、高い加熱効率が得られるとともに、消費電力の低減を図ることができる。そして、加圧ベルトの温度変動が少ないので、安定した定着性を得ることが可能である。
【００８７】
そして、磁束は非磁性金属層を通り抜けるので、その外側に磁性金属層があれば、その磁性金属層も発熱させることが可能である。その結果、一つの励磁コイルで二つの部材を同時に発熱させることができるので、高い加熱効率が得られる。また、定着部材と加圧ベルトを加熱する手段を単一のものにすることができ、部品点数の削減によるコストダウンや構造の簡素化を図ることが可能である。
【００８８】
また、一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされているが、定着部材の非磁性金属層の渦電流負荷を２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲にすることによって、磁性金属を使用するよりも高い加熱効率を得ることができる。また、定着部材の表面を構成する非磁性金属がどのような金属であっても、高い加熱効率が得られる。
【００８９】
さらに、加圧ベルトの磁性金属層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られるとともに、磁性金属層の内側への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、加熱エネルギの浪費を抑えた高い加熱効率の定着装置を提供することが可能である。また、加圧ベルトの弾性を損ねることもないので、定着性能を高めることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図
【図２】 図１に示す定着装置の電磁誘導部を示す概略部分斜視図
【図３】 図１に示す定着装置による加熱状態を示す模型的断面図
【図４】 銅の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフ
【図５】 ＳＵＳ３０４の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフ
【図６】 非磁性金属層の渦電流負荷と厚さとの関係、及び発熱量への影響を示す表
【図７】 本発明の第２の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図
【図８】 金属の厚さと渦電流負荷の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 定着装置
１０ 定着部
１１ 定着ローラ
１３ 非磁性金属層
２０ 加圧部
２１ 加圧ベルト
２２ 主ローラ
２４ 磁性金属層
２７ 加圧ローラ
２９ 断熱層
３０ 電磁誘導部
３１ 励磁コイル
３２ フェライト
Claims (19)
- 用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、
前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、渦電流負荷が２．４×１０ −３ Ω以上であって非磁性金属からなる発熱層を前記定着部材に設け、
前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、
前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、
前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、
前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することを特徴とする定着装置。 - 前記高透磁部材が、フェライトであることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
- 前記渦電流負荷が、２．８×１０−３Ωから８．０×１０−３Ωの範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の定着装置。
- 用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、
前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、
前記定着部材の非磁性金属層が、銅で構成され、この銅の層を７．０μｍ以下の厚さで設け、
前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、
前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、
前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、
前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することを特徴とする定着装置。 - 前記銅の層の厚さが、２．０μｍから６．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の定着装置。
- 用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、
前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、
前記定着部材の非磁性金属層が、アルミニウムで構成され、このアルミニウムの層を１１．０μｍ以下の厚さで設け、
前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、
前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、
前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、
前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することを特徴とする定着装置。 - 前記アルミニウムの層の厚さが、３．３μｍから９．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項６に記載の定着装置。
- 用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、前記定着部材の下方に配されるとともに前記定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧ベルトと、を備えた定着装置において、
前記加圧ベルトに磁性金属からなる発熱層を設けるとともに、前記定着部材に非磁性金属からなる発熱層を設け、
前記定着部材の非磁性金属層が、非磁性ステンレスで構成され、この非磁性ステンレスの層を３００μｍ以下の厚さで設け、
前記定着部材内の、定着部材と加圧ベルトとが用紙搬送方向に幅をもって当接する箇所の近傍からその当接箇所の近傍に達する手前側位置にかけて、高透磁部材の近傍で該高透磁部材を囲むように励磁コイルを巻き、
前記高透磁部材は支持部材に支持されるとともに前記定着部材の長手方向に延設され、
前記励磁コイルは前記支持部材に支持されるとともに、内側に前記高透磁部材を備えるように前記定着部材の長手方向に沿う方向に巻かれ、
前記励磁コイルは、前記当接箇所の用紙搬送方向の略全幅において、前記定着部材および前記加圧ベルトの両方を同時に加熱することを特徴とする定着装置。 - 前記非磁性ステンレスの層の厚さが、９０μｍから２５７μｍの範囲であることを特徴とする請求項８に記載の定着装置。
- 前記加圧ベルトの磁性金属層の渦電流負荷が、３．０×１０−４Ωから２．０×１０−２Ωの範囲であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の定着装置。
- 前記加圧ベルトの磁性金属層が、ニッケルで構成され、このニッケルの層を３．５μｍから１００μｍの範囲の厚さで設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の定着装置。
- 前記加圧ベルトの磁性金属層が、鉄で構成され、この鉄の層を５．０μｍから１００μｍの範囲の厚さで設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の定着装置。
- 前記加圧ベルトの磁性金属層の厚みが、磁界浸透深さよりも大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の定着装置。
- 前記ニッケルの層の厚さが、４３．７μｍから１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の定着装置。
- 前記鉄の層の厚さが、４０．５μｍから１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１２に記載の定着装置。
- 前記加圧ベルトの磁性金属層の内側に、断熱層を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載の定着装置。
- 前記定着部材がローラで構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の定着装置。
- 前記定着部材がベルトで構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の定着装置。
- 前記定着部材はローラで構成されるとともに、前記加圧ベルトは、用紙が進入する側の第１ローラと、用紙が排出される側の第２ローラとに懸架され、
第１ローラは前記加圧ベルトを介して前記定着部材に当接し、
前記加圧ベルトは第１、第２ローラ間で前記定着部材に当接し、
第２ローラは前記定着部材から離れていることを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の定着装置。
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