JP4250309B2 - 像加熱装置 - 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等の画像形成装置に搭載する加熱定着装置として用いれば好適な像加熱装置に関する。特に磁束を生ずるコイルを有するコイルユニットと、コイルユニットを内部に有し、磁束により発熱する芯金を有する回転可能な発熱ローラと、を有し、記録材上の像を加熱する電磁誘導加熱方式の像加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の加熱定着装置（以下、加熱装置と記す）としては、熱ローラ方式、フィルム加熱方式などの接触加熱方式が広く用いられている。その中でも、電磁誘導発熱機能を有する加熱ローラに磁束を作用させ、電磁誘導作用によって加熱ローラに渦電流を発生させ、その渦電流と加熱ローラ自体の表皮抵抗によるジュール熱によって加熱する加熱装置が提案されている。
【０００３】
このように、電磁誘導作用による渦電流の発生を利用することで発熱位置を被加熱材としてのシート通過位置に近くすることができ、ハロゲンランプを用いた熱ローラ方式の加熱装置よりも消費エネルギーの効率アップが達成できる。
【０００４】
図７はこのような電磁誘導作用を利用した加熱装置を適用した加熱定着装置の横断面模式図、図８はその縦断面模式図である。図中１１０はスリーブ状の加熱ローラであり、外表面に導電性の発熱層１１０ａを有している。この加熱ローラ１１０は、両端部を断熱ブッシュ１１１、ベアリング１１２を介して装置側板１１３に回動可能に支持されている。コイル１２０はコア１２１に巻き付けられ、このコア１２１はステー１２２を介して加熱ローラ１１０内に位置決め支持されている。
【０００５】
加圧ローラ１３０は加熱ローラ１１０に当接しばね１２３により加圧される。加熱ローラ１１０の駆動は該加熱ローラに装着されたギア１４０により図示しない入力ギアから与えられる駆動力で行われる。励磁コイル１２０により発生された磁束を加熱ローラ１１０の発熱層１１０ａに作用させ、この磁束による電磁誘導作用により加熱ローラ１１０の発熱層１１０ａに渦電流を発生させ、その渦電流と加熱ローラ自体の表示抵抗によるジュール熱によって発熱させることにより、加熱ローラ１１０と加圧ローラ１３０のニップ部Ｎに導入された被加熱材としてのシートＳを挟持搬送しつつ、発熱層１１０ａの熱をシートに付与して加熱する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の加熱装置では、加熱ローラ両端部が開口になっているため、加熱ローラの発熱により暖められた空気が自然対流によって該加熱ローラの外に漏れ、代わって加熱ローラ内に冷たい空気が流れ込む。この結果
（１）加熱ローラを加熱する効率が低下し、加熱ローラを所定の温度にするのに時間が掛かり、大きな電力供給が必要である。
（２）自然対流により外部に漏れた空気が、この加熱装置を搭載した画像形成装置内の温度を上昇させる。
という弊害があった。
【０００７】
本発明の目的は、磁束を生ずるコイルを有するコイルユニットと、コイルユニットを内部に有し、磁束により発熱する芯金を有する回転可能な発熱ローラと、を有する像加熱装置において、発熱効率を上げるために、発熱ローラの芯金で発熱ローラの一端部を覆っている発熱ローラの内部にコイルユニットを設ける構成であっても、コイルユニットの位置の安定性及び発熱ローラの回転の安定性を高めるようにする。
【０００８】
上記目的を達成するための構成は、磁束を生ずるコイルを有するコイルユニットと、コイルユニットを内部に有し、磁束により発熱する芯金を有する回転可能な発熱ローラと、を有し、記録材上の像を加熱する像加熱装置において、
前記芯金で覆われている発熱ローラの一端部に設けられた発熱ローラの内部から外部に向かって突出する凸部と、前記芯金よりも熱伝導率が小さく、前記発熱ローラの他端部に設けられた開口部を閉鎖するための蓋状部材と、前記凸部に嵌合する第一軸受部材と、前記蓋状部材に嵌合する第二軸受部材と、を有し、前記コイルユニットは前記第一軸受部材と前記第二軸受部材とに嵌合して支持されると共に、前記コイルユニットの前記第二軸受部材で支持される軸部の先端は前記蓋状部材の外側で像加熱装置の枠体に取り付けられている回転止め部と嵌合することで前記コイルユニットは前記発熱ローラと間隙を有して固定されていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を添付図面について説明する。
[実施の形態１]
図１は実施の形態１に係る加熱定着装置（像加熱装置）の一例の概略縦断面図である。図２は図１に示す加熱定着装置の要部の分解斜視図である。図３は加熱定着装置の加熱ローラ、加圧ローラの層構成模型図である。図４は加熱定着装置の加熱原理の説明図である。
図１〜図４において、この実施の形態１における加熱定着装置( 以下、加熱装置と記す）は、芯金としての導電層（発熱層）を有する加熱ローラ（発熱ローラ）１５と、この導電層に磁場を作用させることで渦電流を発生させて発熱させるための交番磁場発生手段( コイルユニット）１０を有し、加熱ローラ１５と加圧ローラ２０の圧接部Ｎにシート( 記録材）Ｓを挟持搬送させる。
【００１０】
交番磁場発生手段１０は、高透磁率コア１７とこれに巻いた励磁コイル( コイル）１８からなり、ホルダーステー１１に支持させ、横断面Ｔ型の高透磁率コア１７の中央脚部１７ａの下端を定着ニップ部Ｎに対応接近させている。１９はコイル１８に接続した通電回路（励磁回路）である。
【００１１】
加熱ローラ１５は矢示の時計方向に所定の速度で回転駆動される。この加熱ローラ１５の回転に伴い、アイドルローラである加圧ローラ２０は反時計方向に従動回転する。そして、この加熱ローラ１５と加圧ローラ２０との圧接部ＮにシートＳが導入されることで、このシートＳは加熱ローラ１５に密着して該ローラと一緒に圧接部Ｎを挟持搬送される。
【００１２】
加熱ローラ１５、加圧ローラ２０の層構成模型図を示す図３において、１５ａは加熱ローラ１５の基層となる金属ローラ等でできた導電層であり、より好ましくはニッケル・鉄・ステンレスといった強磁性体の金属を用いると良い。金属の厚みは厚すぎると、熱容量が大きくなるので立ち上がり時間がかかり、薄すぎると、加圧による撓みが大きくなり、交番磁場発生手段１０とのギャップが加熱ローラ１５の母線方向に不均一になったり紙しわが発生するので、０．４ｍｍから１ｍｍぐらいがよい。
【００１３】
１５ｂはこの導電層１５ａの外面側を被覆させたシリコーン樹脂、フッ素樹脂、フッ素樹脂シリコーンゴム、フッ素ゴム等の離型性かつ耐熱性の良い耐熱樹脂層である。
【００１４】
加圧ローラ２０は、芯金２０ａの周囲にシリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性の良い弾性層２０ｂを設け、最外層にはフッ素樹脂やシリコン樹脂という耐熱性かつ離型性の優れた樹脂層２０ｃを被覆して設けてある。交番磁場発生手段１０の高透磁率コア１７はフェライトやパーマロイといったトランスのコアに用いられる材料を用いるが、より好ましくは、１００ｋＨｚ以上でも損失の少ないフェライトを用いるのがよい。
【００１５】
励磁回路１９は２０ｋＨｚから５００ｋＨ２の高周波をスイッチング電源で発生させるようになっている。交番磁場発生手段１０のコイル１８に励磁回路１９から高周波電流を供給することで、圧接部Ｎの加熱ローラ１５の導電層１５ａの部分に磁場が作用し、その導電層１５ａに渦電流が発生してジュール発熱を生じ、圧接部Ｎが加熱される。
【００１６】
従って、加熱ローラ１５と加圧ローラ２０との間の圧接部ＮにシートＳを導入して挟持搬送させることで、シートＳ上のトナー像が加熱定着される。このような構成で磁気誘導加熱定着を行うことによって熱容量が少なく、熱伝導に時間を要さないため、立ち上がり時間の大幅な短縮ができる。
【００１７】
この圧接部Ｎ内での加熱原理を図４について説明する。励磁回路１９によってコイル１８に高周波電流を供給すると、高透磁率コア１７に導かれて圧接部Ｎ内で加熱ローラ１５の導電層１５ａに磁束２３と渦電流２４を発生させる。この渦電流２４と導電層１５ａの固有抵抗によってジュール熱が発生する。この熱をシートＳに供給し、トナーＴを溶融させた後、冷却して永久固着像とする。
【００１８】
加熱ローラ１５の導電層１５ａは、非磁性の金属でも良いが、より好ましくは磁束の吸収の良いニッケル、鉄、磁性ステンレス等の金属がよい。加熱ローラ１５の外面側の耐熱樹脂層１５ｂは５μｍ以上２５μｍまでの離型性の良いものを用いる。２５μｍ以上厚くする事は、熱伝導を悪化させ、また塗膜の強度が低下したり、一回の工程で作れない、材料が多くかかるといった問題の割りにメリットがなくなる。一方、５μｍ以下は塗膜ムラで離型性の悪い部分ができたり、耐久性が不足するといった問題が生じる。
（構成詳細）（加熱ローラおよび蓋状部材）
実施の形態１では加熱ローラ１５の導電層１５ａとして、内径３０ｍｍ・肉厚０．５ｍｍ・長さ３２０ｍｍの鉄の芯金の表面にＮｉメッキを施し、外周面に耐熱樹脂層１５ｂとしてＰＦＡ／ＰＴＦＥの被覆層を形成したものを使用した。
【００１９】
実施の形態１の特徴的構成として、加熱ローラ１５の一端（図１の左端）は導電層１５ａが袋状に形成され該端部からの空気の出入りができない。この端部の中心部内側に加熱ローラ１５の内部から外部に向かって突出する凸部１５ｃを中心部内側に形成し、この凸部１５ｃに軸受( 第一軸受部材）２８を嵌合させて装着し、その軸受２８にホルダーステー１１の支持軸４１を嵌合することで該ホルダーステーに加熱ローラ１５の一端を回転自在に支持する。
【００２０】
一方、加熱ローラ１５の他端側（図１右端）に設けられた開口部には、キャップ状の蓋状部材２１が圧入装着され、その蓋状部材２１によって開口部は閉鎖（閉塞）されている。この蓋状部材２１は加熱ローラ側に切られた切欠溝１５ｄに該蓋状部材から出された突起部２１ａを係合させて回転不能に固定される。また、この蓋状部材２１は断熱性、耐熱性に優れたポリアミドイミド樹脂でできており、この材質の熱伝導係数は加熱ローラ１５の導電層１５ａの材質である鉄の熱伝導係数より小さく、断熱効果を有する。
【００２１】
蓋状部材２１はボールベアリング２２と嵌合し、加熱ローラ１５をユニット側板４３に対して回転自在に支持する軸受支持部２１ｂを有する。この軸受支持部２１ｂを介して加熱ローラ１５を支持するので、ボールベアリング２２は加熱ローラ１５の熱を直接受けず、熱によるベアリングの故障（ベアリング内におけるグリスの劣化、焼き付き等）を防止する。
【００２２】
また、蓋状部材２１には先端部の円筒面にギア２１ｃが切られており、図示しない入力ギアより加熱ローラ１５への駆動入力を受ける。一方、蓋状部材２１の中央部には貫通穴２１ｄが設けられ、この貫通穴２１ｄの加熱ローラ１５に対する組み付け側端部には軸受（第二軸受部材）２７が嵌合装着されている。この軸受２７でホルダーステー１１の円筒部２６を加熱ローラ１５に対して回転自在に支持する。軸受２７およびヒーターホルダの円筒部が蓋状部材２１の穴部２１ｅ，２１ｆに装着されることにより、円筒内の電線を通したあとの隙間を除いて、加熱ローラ１５の右端部も外部と遮断される。
（加圧ローラ）
加圧ローラ２０として、外径３０ｍｍの芯金２０ａの上に、耐熱弾性層２０ｂとして層厚２ｍｍ・面長３２０ｍｍのシリコーンゴム層を設け、その上に耐熱樹脂層２０ｃとしてＰＦＡ／ＰＴＦＥの被覆層を形成したものを用いた。加圧ローラ２０は加圧手段としてのばね５０により加熱ローラ１５へ１０Ｋｇｆの力で付勢され加熱ローラ１５の回転に伴い従動回転する。
（交番磁場発生手段）
ホルダーステー１１はフェノール、ＰＰＳ，ＰＩ，ＰＡＩ，ＰＢＴ等の耐熱樹脂でできており、コイル１８、ホルダーステー１１、コア１７、およびガイドステー（図示せず）で１ユニット１０を構成している。コイル１８はコア１７に固着したＰＰＳのガイドステーの外面に沿って円弧状の断面を形成するように７回巻かれている。
【００２３】
また、このコイル１８には１４０Ｖの直流電圧が２５０ｋＨの周期で、オンデューティーが５０％になるように印加される。ホルダーステー１１の両端部は前記したように軸受２７，２８により支持される。コイル電線（コイルの導線）を引き出す右端部は、パイプ状の円筒部( 軸部）１１ａを持ち、外径部を軸受２７が支持し、円筒部内を電線が通っている。円筒部１１ａの先端部は円弧の一部が切り取られたＤカット形状２６をしており、そのＤカット形状２６はステー（回転止め部）４２に開けられたＤ形穴４２ａと嵌合している。そのステー４２は、蓋状部材２１の外側で加熱装置の枠体４３に取り付けられ、ホルダーステー１１の回転止めとして機能する。これにより交番磁場発生手段１０は加熱ローラ１５の内周面と間隙Ｓｐを有して固定される ( 図４）。
【００２４】
上記構成により、加熱ローラ１５は他端側に最小限の開口部しか持たないため、加熱ローラ内部の熱を持った空気が自然対流により外部に逃げるのを最小限に抑えることができる。その結果
１．加熱ローラの加熱効率（発熱効率）が良くなり、加熱ローラの温度上昇がすばやくなされ、消費電力の低減、ウエイトタイムの短縮が可能である。
２．逃げた熱気が加熱装置の外部の温度を上げることがなくなるので、この加熱装置を搭載した画像形成装置内の昇温を抑えることができる。
また、交番磁場発生手段１０を加熱ローラ１５の内周面と間隙Ｓｐを有して固定できるので、交番磁場発生手段１０の位置の安定性及び加熱ローラ１５の回転の安定性を高めることができる。
【００２５】
蓋状部材が加熱ローラの芯金としての導電層より熱伝導率が低くしたことにより、
１．加熱ローラの熱気を外部に出さない加熱機能。
２．加熱ローラの導電層の熱をボールベアリングに直接伝えない断熱機能。
３．加熱ローラに駆動を与える駆動力伝達機能。
の３つの機能を挙ねることで部品点数を減らし、装置の簡略化をはかることができる。
[ 参考例 ]
図５は参考例の加熱装置の概略断面図を示すもので、前記第１の実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図５において、加熱ローラ１５（ｂ）はスリーブ状で両端が開放されている。この一端側開口は前記第１，２図に示した蓋状部材２１で密閉し、他端側開口は外部から蓋状部材２９（ｂ）で密閉する。この蓋状部材２９（ｂ）の材質はポリアミドイミドであり、蓋状部材２９（ｂ）の中心部内側で軸受２８を保持し、ホルダーステー１１の一端を支持する。この蓋状部材２９（ｂ）は加熱ローラ１５（ｂ）を支持するベアリング２２（ｂ）と該加熱ローラの間に狭まることで断熱部材を兼ねる。この第２の実施例による効果は、第１の実施例と同じである。
[ 画像形成装置例 ]
図６は画像形成装置の一例の概略構成図である。この画像形成装置は電子写真方式を採用した複写機である。
この複写機は走査光学系を有するリーダー部１で読み取った画像情報を、光電変換して画像形成部２に転送し、給紙部３によって給送されたシートＳに画像形成部２において画像形成が行われる。画像形成後のシートＳは加熱装置４に搬送され、熱および圧力を印加されてシート上の未定着トナー像が該シートに定着される。以下、各部を詳細に説明する。
【００２６】
（リーダー部１）
原稿台ガラス１ａに載置された原稿Ｄは、光源及び反射ミラー群を有する走査光学系１ｂにより光照射され、その反射光は縮小レンズ１ｃを介してＣＣＤ１ｄに結像され光電変換がなされ、この画像情報は画像形成部２に転送される。
【００２７】
（画像形成部２）
上記リーダー部１によって読み取られた画像情報に基づき、レーザー発光部２ａはレーザー光を発光し、ポリゴンミラー２ｂの回転によって感光ドラム２ｃの母線方向に走査させ、予め帯電器２ｄによって帯電させてある感光ドラム２ｃの表面に潜像を形成する。この潜像は感光ドラム２ｃの周囲に設けた現像機２ｅによって現像され、レジストローラ対２ｆによって、感光ドラム２ｃに対するトナー像形成と同期取りして搬送されたシートＳに、転写帯電器２ｇによって未定着のトナー像が転写される。画像転写後に感光ドラム２ｃの表面に残留するトナーはクリーニング器２ｈによって除去され該感光ドラムは順次画像形成に供される。尚本実施例では露光部レーザービームプリンタ方式を採用しているが、照明光学方式を用いてよい。
【００２８】
（給送部３）
複写機の下部にはサイズの異なるシートＳを積載収納した給紙カセット３ａ、３ｂが着脱可能に装着されており、ピックアップローラ３ｃ，３ｄによって１枚づつ給送を行なう。仮に複数枚のシートＳをピックアップしてしまった場合でも、搬送ローラ３ｅ，３ｇ及びリタードローラ３ｆ，３ｈに挟持されたときに、図示しないトルクリミッタを介して搬送方向とは逆方向に駆動するリタードローラ３ｆ，３ｈによって最上側の１枚のみが給送され重送されることはない。
【００２９】
（定着部４）
画像形成部２においてトナー像を転写されたシートＳは、搬送ベルト８によって前記第１、第２の実施例に示した加熱装置を熱源とする加熱定着装置４に導かれ、加熱ローラ１５と加圧ローラ２０間を通過する際に熱および圧力が印加されてトナー像をシートＳに融着させる。
【００３０】
（排出部５）
画像定着後のシートＳは、排出ローラ対５ａ，５ｂを介して装置外へ排出される。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、磁束を生ずるコイルを有するコイルユニットと、コイルユニットを内部に有し、磁束により発熱する芯金を有する回転可能な発熱ローラと、を有する像加熱装置において、発熱効率を上げるために、発熱ローラの芯金で発熱ローラの一端部を覆っている発熱ローラの内部にコイルユニットを設ける構成であっても、コイルユニットの位置の安定性及び発熱ローラの回転の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る加熱定着装置の一例の概略縦断面図である。
【図２】図１に示す加熱定着装置の要部の分解斜視図である。
【図３】加熱定着装置の加熱ローラ、加圧ローラの層構成模型図である。
【図４】加熱定着装置の加熱原理の説明図である。
【図５】参考例の加熱定着装置の縦断面図である。
【図６】画像形成装置の一例の概略構成図である。
【図７】従来の加熱定着装置の横断面模式図である。
【図８】従来の加熱定着装置の縦断面模式図である。
【符号の説明】
４ 加熱定着装置
１０ 交番磁場発生手段
１５ 加熱ローラ
１５ａ 芯金（導電層）
１５ｃ 凸部
１８ 励磁コイル
２０ 加圧ローラ
２１ 蓋状部材
２７ 軸受
２８ 軸受
４２ ステー
４３ 枠体

Claims (3)

1. 磁束を生ずるコイルを有するコイルユニットと、コイルユニットを内部に有し、磁束により発熱する芯金を有する回転可能な発熱ローラと、を有し、記録材上の像を加熱する像加熱装置において、
   前記芯金で覆われている発熱ローラの一端部に設けられた発熱ローラの内部から外部に向かって突出する凸部と、
   前記芯金よりも熱伝導率が小さく、前記発熱ローラの他端部に設けられた開口部を閉鎖するための蓋状部材と、
   前記凸部に嵌合する第一軸受部材と、
   前記蓋状部材に嵌合する第二軸受部材と、
   を有し、
   前記コイルユニットは前記第一軸受部材と前記第二軸受部材とに嵌合して支持されると共に、前記コイルユニットの前記第二軸受部材で支持される軸部の先端は前記蓋状部材の外側で像加熱装置の枠体に取り付けられている回転止め部と嵌合することで前記コイルユニットは前記発熱ローラと間隙を有して固定されていることを特徴とする像加熱装置。
2. 前記蓋状部材は前記発熱ローラと一体で回転することを特徴とする請求項１の像加熱装置。
3. 前記コイルの導線は、前記軸部を通して前記発熱ローラの内部から外部に配線されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の像加熱装置。

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