JP4277693B2 - 定着装置及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電子複写機やファクシミリなどの電子写真方式等の画像記録装置に用いられる定着装置や転写同時定着装置に適用可能な加熱装置及びこれを用いてウオーミングアップを極めて短い時間で完了（１０ｓｅｃ以下）すると共に、未定着トナー画像を加熱・加圧定着する定着装置、画像記録装置に関し、特に、加熱部材として厚さの薄いベルト状部材を使用した加熱装置及びこれを用いた定着装置、画像記録装置に関する。

特開平１１−３１６５０９号公報 特開２０００−３２１８９５号公報 特開２０００−１８１２５８号公報 特開２０００−２９３３２号公報 特開平０７−２９５４１１号公報 特開平０８−６９１９０号公報 特開平１１−３８８２７号公報 特許第３４２６２２９号公報 特開平０９−３０５０４３号公報

従来、例えば、電子写真方式を採用した複写機やプリンター、あるいはファクシミリ等の画像記録装置において、未定着トナー像を加熱・加圧定着するのに用いられる加熱装置とこれを用いた定着装置としては、少なくとも金属製のコアを有する加熱ロールの内部に、ハロゲンランプ等の加熱源を設けて、加熱ロールを内部から加熱するとともに、この加熱ロールに圧接するように加圧ロールを配設し、これら加熱ロールと加圧ロールとにより形成されたニップ部の間を、未定着トナー像が転写された記録材を通過させることにより、未定着トナー像を記録材上に熱及び圧力で定着させ、定着画像を得るように構成したものが、主に用いられている。

ここで、定着装置の加熱装置においては、省エネルギーの観点や、画像記録装置の使用時にユーザーを待たせない等の観点から、被加熱部材を瞬時に所定の温度に加熱して、待ち時間（ウォームアップタイム）をゼロとすることができる装置が求められているが、上述した加熱ロールをその内部に配設したハロゲンランプ等の加熱源によって加熱する方式では、以下の理由により達成することができない。

すなわち、加熱部材である加熱ロールは、加圧ロール等の加圧部材が圧接されるものであるため、所定の剛性を保つ必要があり、ある厚さ以上の金属製のコアを有している。そのため、上記加熱ロールは、熱容量をあまり減少させることができず、かつ加熱源としてのハロゲンランプは、加熱ロールの内部に設けられており、内部から加熱ロールを加熱することになるので、加熱ロールの表面に熱が伝わるまで時間がかかる。従って、待ち時間が必然的に長くなってしまい、さらには、上記加熱ロールを加熱するハロゲンランプは、通常、ガラス管を有しているため、ハロゲンランプ自体もある程度の熱容量を有しており、ハロゲンランプ自身を温めるのに時間がかかってしまう。

このような理由により、従来の定着装置では、ウォームアップに時間を要してしまい、待ち時間が長くなるという問題点を有していた。また、加熱源として、ハロゲンランプを使用すると、当該ハロゲンランプのＯＮ・ＯＦＦ時に、通電電流が過渡的に流れる、いわゆる”フリッカー”現象が発生するという問題点も有していた。

そこで、近年、このような定着装置において使用される加熱手段として、ハロゲンランプの代わりに、誘導加熱方式を利用した加熱手段が検討されている。これは、導電性層を有する被加熱部材（発熱体）に、磁界発生手段によって発生させた磁界を作用させて、電磁誘導作用により被加熱部材の加熱を行うというものであり、フリッカー等の問題が無く、加熱対象のみを瞬時に加熱することができるので、待ち時間の短い定着装置を提供するために、非常に有効な加熱手段である。

また、上記ハロゲンランプ等の加熱手段は、加熱ロールの内部など３６０°周囲が覆われた状態でしか使用することができないのに対して、誘導加熱方式の場合には、磁界発生手段は、被加熱部材に磁界を作用させることができさえすれば、被加熱部材の内部に限らず、外部に設けても良く、定着装置の構成に応じて、任意の位置に配置することができる。すなわち、上記誘導加熱方式を採用した加熱手段の場合には、任意の位置に配置して、加熱したい部分だけに、磁界を作用させて、所望の部分だけを選択的にしかも瞬時に加熱することができるという利点を有している。

このように、誘導加熱方式における磁界発生手段は、被加熱部材である加熱ロールに対して、任意の位置に配置することができるため、装置の設計の自由度を広げることができる。また、ハロゲンランプ等を加熱源として使用した定着装置と比較すると、加熱対象である加熱ロールのみを選択的に加熱するため、ウォームアップタイムを１０〜３０％程度短縮することができる。

このような誘導加熱方式を採用した定着装置として、例えば、図２４に示されるように、厚さ０．５〜２ｍｍ程度の剛体の鉄ロール３００内部又は外部に非接触でコイル３１０が配置され、そのコイルの形状により、ロールを周方向に亘って、全体的に加熱するか、周方向の一部を局部的に加熱している加熱装置が挙げられる。また、そのコイルの形状により、ロールを周方向にわたって全体的に誘導加熱する加熱装置もある（例えば、特許文献１参照）。また、別の事例として図２５に示されるように、厚さ５０μｍ程度のニッケルを発熱層としたベルト３２０を、ベルト内部に挿入されたコイル３１０により、ベルトの周方向の一部を誘導加熱している加熱装置もある（例えば、特許文献２参照）。さらに、他の事例としては、磁界発生手段により発生する磁場を遮断する磁場遮断手段を設け、磁界発生手段を加熱手段と磁場遮断手段との間に挟まれるように配置した定着装置（例えば、特許文献３参照）や、導電性を有する加熱手段としての加熱ロールに対して、磁界発生手段をその外側または内側に配置した定着装置も提案されている（例えば、特許文献４参照）。さらにまた、定着部材としてエンドレスのフィルム状のベルトを用いた定着装置（例えば、特許文献５〜７参照）や、このような定着装置におけるコイルやコアの配置についても提案されている（例えば、特許文献８〜９参照）。

これらの定着装置に用いられている加熱装置の発熱層は、いずれも磁性金属であり、その厚さは表皮深さと同等程度かそれ以上である。そして、いずれの定着装置においても、ウォームアップタイムを１０ｓｅｃ以下で完了することは実現できていない。

ここで、表皮深さとは電磁界が導体に進入できる深さをいい、具体的には、ある材質に入射した電磁界が１／ｅ＝０．３７に減衰する距離をいう。

一般に、電磁誘導を利用した加熱装置は、従来から知られており、誘導加熱する発熱層の殆どは鉄やニッケル等の磁性金属が用いられている。そして、従来の磁性金属の発熱層厚さとしては、５０μｍ〜２ｍｍ程度のものが採用されている。この厚さは、発熱層を誘導加熱する厚さ、すなわち表皮深さとほぼ同等程度かそれ以上である。このように、表皮深さと同等以上の発熱層厚さを有する場合には、電磁誘導による電磁界が発熱層の内部で収束し、発熱層のコイルと反対側から、磁束がほとんど漏れ出ることはない。しかし、この「磁束がほとんど漏れ出ない」従来の発熱層とは、表皮深さと同等以上の厚さを有している発熱層の場合を指す。

そして、このような電磁誘導を利用した加熱装置においては、さらに、ウォームアップタイムを極めて短くし（１０秒以下）、かつ、加熱領域における温度ムラの発生を防止して、所定の温度を当該加熱領域において均一に維持し、熱エネルギーの使用効率を高めることが望まれており、このためには、いわゆる有効発熱長（所定の温度の均一化領域）を拡大することが必要となっている。

近年の省エネルギー化により、加熱装置は非加熱対象物を必要最小限な熱量で加熱できることが望ましい。ところが、例えば電子写真式の画像記録装置の定着装置においては、被加熱部材の熱容量が大きいため、必要な熱量以上の加熱を行っている。このため、所定の加熱ができる状態になるまでの時間（ウォームアップタイム）が長くなり、加熱装置使用上の利便性が悪いという問題がある。そこで、被加熱部材の発熱層の厚さを薄くして、熱容量を小さくし、さらに軽量化する等が考えられる。

しかしながら、ウォームアップタイムを短縮するために熱容量を小さく、すなわち発熱層（金属）を薄くしていくと、発熱層の固有抵抗値が小さいものが必要となる。例えば鉄やニッケルなどの強磁性金属は固有抵抗値が高いため、１０μｍ程度に薄層化すると電磁誘導加熱が汎用性の高い高周波電源では困難になる。１０μｍ程度の厚さでも電磁誘導加熱が可能な金属を挙げると、ＡＬ，Ｃｕ，Ａｇなどに代表される非磁性金属であるが、この厚さの非磁性発熱層を電磁誘導加熱すると、表皮深さより十分に薄いために発熱層のコイルと反対側に磁界が漏れ出て広がり、効率低下や周囲への電磁誘導による悪影響を及ぼす。

また、電磁誘導加熱を利用した加熱装置は、電磁誘導加熱化に特有な機能部材が多いためコストが高くなるという課題もある。

さらに、従来の定着装置の場合には、次のような問題点を有している。すなわち、例えば特許文献１〜４に開示された定着装置の場合には、誘導加熱方式を採用しているため、ハロゲンランプ等の加熱源を使用した場合に比べて、ウォームアップ時間が速まる。しかし、加熱ロール自体が、剛性を保つためにある厚さ以上の肉厚の金属コアを有しているため、ある程度の熱容量を持っており、これによりウォームアップタイム短縮に対しては限界があり、未定着トナー像を定着する準備が完了するウォームアップタイムを１０秒以下にすることが困難であるという問題点を有している。

一方、特許文献５〜７に開示された定着装置は、定着部材として導電性を有するフィルムを使用しており、フィルム自体の熱容量は、同等クラスの定着装置の定着ロールに対して１／２〜１／１０程度まで小さくなっており、さらに、誘導加熱で直接フィルムを加熱することにより、２０〜３０秒程度で定着部材としてのフィルムを所望の温度にまで立ち上げることができる。

しかしながら、このように励磁コイルによって磁性体金属の発熱層を含む熱容量の小さい像加熱用フィルムを加熱した場合でも、未だウォームアップタイム短縮が十分に達成されていない。

同様に、特許文献８〜９に開示されたコイルやコアの配置を採用した定着装置においても、未だウォームアップタイム短縮が十分に達成されていない。

待機時間を極めて短くして、特に、ウォームアップタイム１０秒以下を達成することは、実際に定着装置や画像記録装置を使用する際に、使用するときにだけ電力を投入すればよい、極めて使用上の利便性が高い装置を提供できることとなる。これは省エネルギーの観点からも重要な要素であり、使わないときに余熱を必要とせず、使うときにだけ、エネルギーを投入する加熱装置及びこれを用いた定着装置、画像記録装置を提供する意義は大きい。

また、以上示したような誘導加熱装置を、定着装置に適用する場合には、加熱する定着部材（加熱定着ベルト）の温度分布を均一にすることが重要となる。すなわち、加熱部におけるコイル長（加熱定着ベルトの回転軸方向に沿った加熱領域）に対する有効発熱長（温度均一化領域）の割合を大きくしなければならない。コイル長に対する有効発熱長は、磁路形成部材であるフェライトを採用しない場合や、またはフェライト小片部材を均等配置した後述する“千鳥配置”の場合においても、コイル長に対して依然として短く、端部の温度はゆるやかに下落している。これは、エネルギー使用の上で無駄な領域となっており、本来はコイル長と有効発熱長とが等しい状態が理想的な状態である。このような状態のときに、熱エネルギーの利用効率が最大化し、こうした理想状態に近づけることで同じ電力（熱エネルギー）における利用効率の向上（複写機やプリンターでは、生産性の向上に寄与し、同じ電力でも１分当たりに定着できるコピー枚数を多くすることができる）を図ることが可能となる。このためには加熱部の端部の温度分布を改善する必要が生じている。

そこで、本発明は上記のような従来技術の問題点に鑑みて、ウォームアップタイムを極めて短くしつつ、安定した誘導加熱状態を確保すると共に、加熱領域における無駄な領域を少なくするために端部温度勾配を大きくして、その有効発熱長を拡大し、熱エネルギーの利用効率を高めることができる加熱装置及びこれを用いた定着装置、画像記録装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の加熱装置は、導電性の発熱層の厚さがその表皮深さよりも薄い発熱層を有し、周方向に移動可能な無端状の被加熱部材を、この被加熱部材と非接触に配置された励磁コイルにより、該発熱層の厚さ方向に沿って変動磁界を発生させて電磁誘導加熱すると共に、この励磁コイルにより生成される変動磁界を、被加熱部材及び励磁コイルを挟んで励磁コイルの長手方向に沿って対向配置された磁路形成部材により遮蔽する加熱装置において、前記励磁コイルは、前記被加熱部材の外側に配置され、この表面に沿いかつ表面形状に倣うように線材を巻回させて形成されており、前記磁路形成部材は、励磁コイル側に配置された励磁コイル側磁路形成部材と、被加熱部材側に、この被加熱部材と非接触に配置された被加熱部材側磁路形成部材とを備え、該励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材のそれぞれは、前記被加熱部材の表面形状に倣うように形成され、前記長手方向において、小片部材が互いに間隙を設けて配置された小片部材郡から形成されていると共に、該被加熱部材側磁路形成部材の前記被加熱部材の移動方向に沿った両端部が、相対向する励磁コイルの両端部を超えてそれぞれ延在しており、かつ、前記励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材の少なくとも一方を形成している小片部材郡における小片部材の配置密度は、前記長手方向において、その中間部よりも端部の方が高いことを特徴とする。

一般に、ウォームアップタイムを限りなく０に近づけて、１０秒以下に短縮するためには、電磁誘導加熱される発熱層（金属）の熱容量を小さくすることが最も重要である。そのためには発熱に寄与する金属の層はトータルで３０μｍ以下、望ましくは２〜２０μｍの範囲内であれば実現可能である。また、主に発熱する層が１層ある場合、その層は製造性（歩留りや層形成の均一性）やコストを考慮すると１０μｍ前後が好適である。

例えば、発熱に寄与する層（金属層）は、製造上の理由または強度補強の理由などから複数存在することがある。電磁誘導作用により発熱する層はコストの観点から１つであることが望ましいが、上記理由等により発熱に寄与する層が複数存在する場合には各層のトータル厚さで３０μｍ以下とすることが望ましい。本発明では、発熱に寄与する層が複数存在しても、全発熱量の５割以上の電磁誘導発熱量を得られる層を主に発熱する層として「主な発熱層」とよび、発熱に寄与するすべての層を総称して単に「発熱層」と呼称する。

発熱に寄与する主な発熱層を１０μｍ程度に薄くした導体、すなわち金属または金属混合物を汎用性が高く低コストの高周波電源（例えば、電磁調理器等で用いられている準Ｅ級並列共振回路電源）で誘導加熱するためには、非磁性金属を用いる必要がある。磁性金属を薄膜化してゆくと、磁性金属は固有抵抗値が高いため誘導渦電流が流れにくくなり加熱が困難になる。流れにくい発熱層を誘導加熱しようとすれば、コイルに高電圧を印加しなくてはならず電源の高電圧化等の問題が生じるため実際に適応することが困難となる。すべての金属に交番電磁界を作用させれば電磁誘導による渦電流は流れるが、ジュール発熱による加熱装置を設計するためには、発熱しやすい条件を与えること重要である。これに対して、特にアルミや銅、銀などに代表される非磁性金属は固有抵抗値が低く、表皮深さより十分に薄くすることで誘導加熱に好適となる、具体的には例えば１０μｍ程度に薄膜化することで加熱しやすくなる。

例えば単一の発熱層として、非磁性金属の銅を例にとると、周波数が２０ｋ〜１００ｋＨｚの周波数帯において、電磁界が銅層に浸入する表皮深さδは、下式により、μ＝１，ρ＝１．６７×１０−８Ωｍで、２００〜５００μｍとなり、発熱層の厚さは十分に表皮深さより小さい。

しかし、アルミや銅、銀などに代表される低固有抵抗値を有する非磁性金属は、発熱層が表皮深さδより薄い金属を誘導加熱する場合、交番磁界発生手段である励磁コイルから発生する磁界と誘導渦電流による反作用磁界は、発熱層を挟んでコイルと反対側から漏れ出る。表１に磁路形成部材であるフェライトがある場合とない場合の磁束密度の違いを示すが、磁路形成部材がない場合には強磁界が発熱層周辺から発生していることがわかる。この磁界は、コイルによる磁界と発熱層に流れる渦電流による磁界によるもので、発熱層から漏れ出ている。

さらに、このような誘導加熱装置において、安定して安全な誘導加熱状態を得るためには、誘導加熱される被加熱部材の温度分布を均一にすることが重要となる。すなわち、コイル長（加熱定着ベルトの回転軸方向の加熱領域）に対する有効発熱長（温度均一化領域）の割合を大きくすることにより、熱エネルギーの利用効率が最大化する。

そこで、上述のように構成された本発明の加熱装置においては、励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材のそれぞれが、長手方向において、小片部材が互いに間隙を設けて配置された小片部材郡から形成され、励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材の少なくとも一方を形成している小片部材郡における小片部材の配置密度は、長手方向において、その中間部よりも端部の方が高いので、磁路形成部材の使用量を少なくしつつ、表皮深さより十分に薄い非磁性金属であっても安全で安定した誘導加熱状態を得ることができると共に、端部における磁束密度を高くして、その温度勾配を大きくすることができる。これにより、従来使用していない端部加熱領域の緩やかに下降していく温度領域を少なくして、端部温度を高めることが可能となり、熱エネルギーの利用効率が向上されると共に、加熱幅（励磁コイルの長手方向における加熱領域）における温度分布の均一性が実現されて、その有効発熱長を増大させることができる。

ここで、前記励磁コイル側磁路形成部材と前記被加熱部材側磁路形成部材との対向距離は、前記長手方向において、その中間部よりも端部の方が短くてもよい。

この場合は、励磁コイル側磁路形成部材と被加熱部材側磁路形成部材との対向距離が、長手方向において、その中間部よりも端部の方が短くなるように構成されているので、さらに加熱領域端部における温度特性が改善され、熱エネルギーの利用効率をより向上させることができる。

また、前記磁路形成部材の前記端部を構成している小片部材は、前記中間部を構成している小片部材よりも、透磁率の高い材質で形成されていてもよい。

この場合は、磁路形成部材の端部を構成している小片部材が、中間部を構成している小片部材よりも、透磁率の高い材質で形成されているので、加熱領域端部における磁束密度を高めることができ、これにより端部における温度下落を防止して、その有効発熱長の増大を図ることができる。

さらに、前記励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材の前記中間部を形成している小片部材のそれぞれは、互いに、対向する相手側の磁路形成部材の前記中間部を形成している小片部材群の各間隙に対応するように配置されていてもよい。。

この場合は、励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材の中間部を形成している小片部材のそれぞれは、互いに、対向する相手側の磁路形成部材を形成している小片部材群の各間隙に対応するように配置されているので、適切な磁路を形成して磁束の集中による温度ムラの発生を防止すると共に、高価な磁路形成部材の使用量を減少させつつ、その効果的な使用を可能とする安価で軽量な加熱装置を提供することができる。

さらにまた、前記被加熱部材は、無端ベルト形状であって、所定の方向に移動可能なように形成されており、その移動方向前後において、少なくとも励磁コイルと対向して被加熱部材側に配置されている前記磁路形成部材の両端部は、相対向する励磁コイルの両端部を越えてそれぞれ延在していてもよい。

この場合は、被加熱部材の所定の移動方向前後において、磁路形成部材の両端部が、相対向する励磁コイルの両端部を越えてそれぞれ延在しているので、磁路形成部材の幅が、コイルの幅（加熱幅）より大きくなり、発熱層が表皮深さδより薄い金属を誘導加熱する場合に、発熱層を挟んで励磁コイルと反対側から漏れ出る反作用磁界による磁束漏れをより効果的に防止し、漏洩の少ない磁束路を形成し、遮蔽効果を向上させることができる。

ここで、前記無端ベルト形状に形成された被加熱部材は、円筒状であってもよい。

以上において、前記磁路形成部材は、ソフトフェライトで形成されていてもよい。

この場合は、磁束を収集し遮蔽するために好適な材質を用いた磁路形成部材を有する加熱装置を提供することができる。

また、前記被加熱部材の発熱層は、主に発熱する層の厚さが２〜１５μｍの銅で形成されており、前記励磁コイルに印加される交流電流の周波数は２０〜１００ｋＨｚであってもよい。

この場合は、銅層厚さと印加周波数との関係において、安定した加熱が可能となる加熱装置を提供することができる。

また、本発明の加熱装置は、導電性の発熱層の厚さがその表皮深さよりも薄い発熱層を有する被加熱部材を、この被加熱部材と非接触に配置された励磁コイルにより、該発熱層の厚さ方向に沿って変動磁界を発生させて電磁誘導加熱すると共に、この励磁コイルにより生成される変動磁界を、被加熱部材及び励磁コイルを挟んで励磁コイルの長手方向に沿って対向配置された磁路形成部材により遮蔽する加熱装置において、前記磁路形成部材は、励磁コイル側に配置された励磁コイル側磁路形成部材と、被加熱部材側に、この被加熱部材と非接触に配置された被加熱部材側磁路形成部材とを備え、該励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材のそれぞれは、前記長手方向において、小片部材が互いに間隙を設けて配置された小片部材郡から形成され、前記励磁コイル側磁路形成部材と前記被加熱部材側磁路形成部材との対向距離は、前記長手方向において、その中間部よりも端部の方が短いことを特徴とする。

このように構成した本発明に係る加熱装置においては、励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材のそれぞれは、長手方向において、小片部材が互いに間隙を設けて配置された小片部材郡から形成され、励磁コイル側磁路形成部材と被加熱部材側磁路形成部材との対向距離は、長手方向において、その中間部よりも端部の方が短いので、磁路形成部材の使用量を少なくしつつ、表皮深さより十分に薄い非磁性金属であっても安全で安定した誘導加熱状態を得ることができると共に、端部における磁束密度を高くして、その温度勾配を大きくすることができる。これにより、従来使用していない端部加熱領域の緩やかに下降していく温度領域を少なくして、端部温度を高めることが可能となり、熱エネルギーの利用効率が向上されると共に、加熱幅（励磁コイルの長手方向における加熱領域）における温度分布の均一性が実現されて、その有効発熱長を増大させることができる。

また、本発明に係る定着装置は、少なくとも最表面に離型層を有すると共に、導電性の発熱層の厚さがその表皮深さよりも薄い発熱層を有し、周方向に移動可能な無端状の被加熱部材としての定着ベルトを、この定着ベルトと非接触に配置された励磁コイルにより、該発熱層の厚さ方向に沿って変動磁界を発生させて電磁誘導加熱すると共に、この励磁コイルにより生成される変動磁界を、定着ベルト及び励磁コイルを挟んで励磁コイルの長手方向に沿って対向配置された磁路形成部材により遮蔽する定着装置において、未定着トナー像を担持した記録材を、加圧部材と前記定着ベルトとの間で加熱加圧して、この未定着トナー像を定着するニップ部と、前記加圧部材と定着ベルトを介して対向配置されて前記ニップ部を形成する押圧部材とを備え、前記励磁コイルは、前記定着ベルトの外側に配置され、この表面に沿いかつ表面形状に倣うように線材を巻回させて形成されており、前記磁路形成部材は、磁性材料からなり、励磁コイル側に配置された励磁コイル側磁路形成部材と、定着ベルト側に、この定着ベルトと非接触に配置された被加熱部材側磁路形成部材とを備え、該励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材のそれぞれは、前記定着ベルトの表面形状に倣うように形成され、前記長手方向において、小片部材が互いに間隙を設けて配置された小片部材郡から形成されていると共に、前記被加熱部材側磁路形成部材は、定着ベルトの内側で、非磁性金属部材からなる支持部材により支持されて前記励磁コイルの長手方向に対し部分的に配置されており、前記定着ベルトの前記励磁コイルと対向する面の反対側の面のうち、前記部分的に配置された被加熱部材側磁路形成部材と対向しない部分は、前記非磁性金属部材からなる支持部材と対向していると共に、該支持部材は、被加熱部材側磁路形成部材を支持している側と反対側で前記押圧部材を支持しており、かつ、前記励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材の少なくとも一方を形成している小片部材郡における小片部材の配置密度は、前記長手方向において、その中間部よりも端部の方が高いことを特徴とする。

さらに、本発明に係る画像記録装置は、上記定着装置と、記録媒体に未定着トナー像を形成する画像形成手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、主な発熱層が非磁性体（金属）で、発熱層がその表皮深さより薄いものを加熱する加熱装置において、熱エネルギーの利用効率が優れ、省エネ性が高く、安全かつ安定した加熱状態が得られる加熱装置を提供でき、これにより、ウォームアップタイムが１０秒以下で、加熱に必要な時にのみエネルギーを投入すればよい省エネルギーでかつ利便性に富んだ定着装置及び画像記録装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
＜第一の実施形態＞

まず、本発明に係る加熱装置が適用される定着装置の第一の実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、本発明に係る定着装置の第一の実施形態を示す模式的断面図である。

本発明に係る定着装置の第一の実施形態１０は、ウォームアップタイムの短縮化による省エネルギー性の向上や、記録媒体の剥離性能の確保を目的とし、トナー像を定着するための定着部材としては、熱容量の小さい柔軟（フレキシブル）なベルト状の部材を使用し、このベルト状部材の内部には、熱を奪う部材を極力配設しないように構成されている。すなわち、無端状のベルト部材（加熱定着ベルト）は、その内側に駆動ロール等の張架部材を設けずに、無張架で配置され、定着ニップ部を形成する加圧部材に対向配置されるパッド部材（押圧部材）のみしか、基本的には設けない構成を採用している。また、加熱対象となるベルト状部材を直接加熱できるように、ベルト状部材内部に発熱層を設け、励磁コイルにより生成される変動磁界によってこの発熱層を誘導加熱させる方式を用いている。

具体的には、図１に示されるように、発熱層を有する薄肉中空円筒状の加熱定着ベルト２０と、この加熱定着ベルト２０の図中下部外表面と圧接するように配設された加圧ロール２８とを備え、この加圧ロール２８と対向している加熱定着ベルト２０の内側には、その内表面と当接する弾性部材２７が、支持部材２６により支持されていると共に、反対側（図中上部）では、加熱定着ベルト２０の内表面と非接触で、この内表面の曲面形状に略沿って、この内表面の一部と対向するように形成されている略半円筒状の被加熱部材側磁路形成部材２４が、この支持部材２６により支持されている。さらに、被加熱部材側磁路形成部材２４と対向している加熱定着ベルト２０の外部には、周回移動する加熱定着ベルト２０の外表面と非接触で、この外表面の一部と対向するように略半円筒状の励磁コイル支持部材２３が配設されている。そして、この励磁コイル支持部材２３の外側には、例えば、中空の渦巻き状に形成された励磁コイル２１を介して、加熱定着ベルト２０の外表面の曲面形状に倣うように形成された略半円筒形の励磁コイル側磁路形成部材２２が配設されている。ここで、励磁コイル支持部材２３は、その中間部の励磁コイル側磁路形成部材２２と対向する側に、突起部２３ａを有し、この突起部２３ａに励磁コイル２１の中空部を配置することにより、励磁コイル２１を励磁コイル側磁路形成部材２２との間で挟み込み、この励磁コイル２１を保持するようになっている。

このように構成された定着装置１０においては、加圧ロール２８と、弾性部材２７とで加熱定着ベルト２０を挟持した状態に保持してニップ部１Ｙが形成され、このニップ部１Ｙに未定着トナー像Ｔが転写された記録媒体１５を通過させることにより、熱及び圧力で未定着トナー像Ｔが記録媒体１５上に定着され、定着画像が形成されるようになっている。そして、発熱層を有する薄肉の加熱定着ベルト２０を、励磁コイル２１により生成される変動磁界によって電磁誘導加熱することにより、未定着トナー像Ｔを定着する際の加熱が行われるように構成されている。

次に、定着装置１０の構成部材の詳細について、以下に説明する。

まず、加熱定着部材としての加熱定着ベルト２０は、発熱層を有する無端状のベルトとして形成されている。詳細には、図１６に示されるように、その内側から、耐熱性の高いシート状部材からなる基材層２０ａと、この基材層２０ａの上に積層された単一の発熱層である発熱層２０ｂと、例えばゴム硬度３５°のシリコンゴム等からなる弾性層２０ｄと、最も上層となる表面離型層２０ｃの少なくとも４層を備え、直径φ３０ｍｍの無端状ベルトとして形成されている。なお、図１７に示されるように、弾性層２０ｄを省略し、基材層２０ａと、発熱層２０ｂと、離型層２０ｃとの３層からなるシート状ベルトを用いてもよい。また、本実施形態においては、図示しないが無端状の加熱定着ベルト２０の両端部をエッジガイドに突き当てることにより、この加熱定着ベルト２０の蛇行を規制して使用するように構成されている。

ここで、加熱定着ベルト２０の基材層２０ａは、例えば、厚さ１０〜１００μｍ、さらに好ましくは厚さ５０〜１００μｍ（例えば、７５μｍ）の耐熱性の高いシートであり、例えばポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアミド等の耐熱性の高い合成樹脂から形成することができる。

また、発熱層２０ｂは、励磁コイル２１によって生成される磁界の電磁誘導作用により、誘導発熱する導電層であり、銅を２〜１５μｍ程度の厚みで形成したものが用いられる。均一な層をめっきや蒸着などで形成しようとすれば、２μ以下であると製造上の歩留りの悪さや膜厚精度の確保、品質管理やコスト面で問題が発生する。また１５μｍ以上であると、熱容量が大きくなり、１０秒以下のウォームアップ達成に影響を及ぼし、発熱層の可撓性が悪化することから、定着装置の剥離性能を得るためにたわめることが困難となるため１５μｍ以下が望ましい。さらに１５μｍ以上の厚さになると、周波数２０ｋ〜１００ｋＨｚにおける誘導加熱性能が悪化する。このことは、表皮深さより十分に薄い厚さの金属層には層全体に渦電流が流れるが、厚さ増加により抵抗値が低くなるため、渦電流によるジュール発熱損が得にくくなることに起因する。つまり、ジュール発熱は渦電流の２乗値と渦電流が流れる主経路の抵抗値の乗算により決定されるため、抵抗値が低すぎれば、いくら大きな渦電流が流れても発熱しない状態に至るためである。

また本実施の形態では、図１６、図１７には図示していないが、銅層である発熱層２０ｂの表面離型層側に厚さがおよそ０．１〜５μｍ程度のニッケル層を設けた加熱定着ベルトでも実施した。ニッケル層は、加熱定着ベルトの強度の向上のために設けたもので、電磁誘導作用による発熱に寄与する層となるが、電磁誘導特性への影響が小さくなる（誘導状態におけるインダクタンスやレジスタンスの変化がおよそ１０％以下となる）厚さで設けている。実際の一例として、１０μｍの銅層に５μｍのニッケル層を設けた２つの発熱に寄与する層を有する加熱定着ベルトと単一の銅層１０μｍを有する加熱定着ベルトの電磁誘導特性を比較したところ、誘導状態におけるインダクタンス、レジスタンスの変化は５％以下で、単一の銅層との差は非常に小さい。このような層を設けても、主に発熱する層は発熱層２０ｂの銅層となるため本発明の実施の形態上ほとんど問題はない。

ここで、銅層厚さと印加周波数との関係について、図１８を参照してさらに説明する。図１８は、周波数に対する力率相当量の変化を示した図であり、銅層厚さ２μ〜１５μｍにおける発熱のし易さを示す特性図である。

図１８において、２０ｋ〜１００ｋＨｚの周波数帯にわたって、力率相当量である発熱のファクターが０．５に達していれば安定した加熱が可能な状態であるが、図に示されるように、厚さが２μｍの場合にはおよそ６０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで、１５μｍではおよそ３０ｋＨｚ以下が適正であることがわかる。

従って、コイルに印可する電流の周波数は、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚであることが望ましい。２０ｋＨｚ以下では、発振ノイズ音が人の可聴領域内に入るために採用できず、また、１００ｋＨｚ以上であると、コイルに電流を印可する誘導加熱電源のスイッチングロスが大きくなり、周辺機器に影響を及ぼす放射ノイズが大きくなると共に、コイルの表皮抵抗が増大し、これらによる損失が顕在化するためである。

また、本実施形態では、パッド部材と加圧ロールとで形成されるニップ部の内部で、加熱定着ベルト２０が当該ニップ部の形状に倣う必要がある。このため、フレキシブルなベルトである必要があり、発熱層２０ｂは、可能な限り薄層にすることが好ましい。そこで、本実施形態においては、発熱層２０ｂとして、導電率の高い銅を、発熱効率が高くなるように１０μｍ程度の極薄い厚さで、上述のポリイミドからなる基材層２０ａ上にめっきしたものが用いられている。

さらに、離型層２０ｃは、記録媒体１５上に転写された未定着トナー像Ｔと、直接接する層であるため、離型性の良い材料を使用する必要がある。この離型層２０ｃを構成する材料としては、例えば、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重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコン共重合体、またはこれらの複合層等が挙げられる。この離型層２０ｃは、これらの材料のうちから適宜選択されたものを、１〜５０μｍの厚さでベルトの最上層に設けたものである。また、離型層２０ｃの厚さは、薄すぎると、耐磨耗性の面で耐久性が悪く、加熱定着ベルト２０の寿命が短くなってしまい、逆に、厚すぎると、ベルトの熱容量が大きくなり、ウォームアップタイムが長くなってしまう。

本実施形態においては、耐磨耗性と、ベルトの熱容量のバランスを考慮して、加熱定着ベルト２０の離型層２０ｃとして、厚さ２０μｍの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重合体（ＰＦＡ）が使用されている。

また、上記の如く構成された加熱定着ベルト２０の内部には、例えば、シリコンゴム等から形成された弾性部材２７が設けられている。この実施形態では、弾性部材２７として、ゴム硬度がＪＩＳ−Ａで３５°のシリコンゴムを、ＳＵＳ・鉄等の金属や、耐熱性の高い合成樹脂等からなる剛性を有する支持部材２６に積層したものが用いられている。このシリコンゴムからなる弾性部材２７は、例えば、均一な厚さのものが使用される。また、支持部材２６は、図示しない定着装置のフレームに固定した状態で配置されているが、弾性部材２７が所定の押圧力で加圧ロール２８の表面に圧接するように、図示しないスプリング等の付勢手段によって、加圧ロール２８の表面に向けて押圧してもよい。

なお、本実施形態においては、加圧ロール２８として、直径φ２６ｍｍの中実の鉄製ロールの表面に、離型層として、厚さ３０μｍの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重合体（ＰＦＡ）を被覆したものが使用されている。そして、この加圧ロール２８は、図示しない加圧手段により、加熱定着ベルト２０を介して弾性部材２７に押圧された状態で、図示しない駆動手段によって回転駆動されている。

また、加圧ロール２８の外側には、熱伝導性の良いアルミニウムやステンレス等の金属からなる金属ロール１８が、加圧ロール２８の外表面と接離可能なように設けられている。この金属ロール１８は、定着装置１０に通電が開始された朝一番などで、加熱定着ベルト２０や加圧ロール２８の温度が室温状態に冷えているときには、加圧ロール２８から離れた位置に停止している。そして、上記定着装置１０において、例えば、小サイズ用紙を連続して定着処理した場合など、当該定着装置が使用されるに伴って、加熱定着ベルト２０や加圧ロール２８に、軸方向に沿った温度差が生じたときには、この金属ロール１８が加圧ロール２８に当接される。

また、被加熱部材である加熱定着ベルト２０は、加圧ロール２８の回転に従動して、所定の方向に循環移動するものである。そこで、この実施形態では、加熱定着ベルト２０と弾性部材２７との間に、摺動性を良好とするため、耐摩擦性が強く、摺動性の良いシート材、例えばテフロン（登録商標）樹脂を含浸させたガラス繊維シート（中興化成工業：ＦＧＦ４００−４等）を介在させ、さらに潤滑剤として、シリコンオイルなどの離型剤を、加熱定着ベルト２０の内面に塗布することで、摺動性を向上させるように構成されている。このようにすることで、実際の加熱時において、加圧ロール２８の空回転時の駆動トルクを、約６ｋｇ・ｃｍから約３ｋｇ・ｃｍにまで低減することができる。従って、加熱定着ベルト２０は、加圧ロール２８と滑ることなく従動し、加圧ロール２８の回転速度と等しい速度で循環移動することが可能となっている。

次に、図１９に示されるように、励磁コイル２１は、強磁性体からなる芯材を有する線状部材を巻回させて薄肉円筒状の加熱定着ベルト２０の外表面に倣うように形成され、加熱定着ベルト２０の回転方向（周方向）と直交する方向を長手方向としてコイル支持部材２３により支持されている。そして、被加熱部材である加熱定着ベルト２０の外表面と０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度のギャップを保持して、加熱定着ベルト２０の外側に設置されている。この励磁コイル２１は、本実施形態においては、コイル支持部材２３により、加熱定着ベルト２０の外表面の形状に倣った湾曲した形状を保持して固定されている。さらに、磁路形成部材は、励磁コイル２１を覆うように配置された励磁コイル側磁路形成部材２２と、加熱定着ベルト２０に対して励磁コイル２１と反対側に、非接触で設けられた被加熱部材側磁路形成部材２４とで構成され、加熱定着ベルト２０及び励磁コイル２１を介して互いに対向するように配置されている（図１参照）。

ここで、励磁コイル２１としては、例えば、相互に絶縁された直径φ０．１６ｍｍの銅線材を９０本束ねたリッツ線を直線状に、所定の本数だけ並列的に配置したものが用いられる。リッツ線の巻き方は、１つの巻き方に限定されるものではなく、例えば、渦巻き状に巻いてもよく、励磁コイル２１に流す交流電流により生じる変動磁界Ｈが発熱層２０ｂに対して図示したように作用すればよい。本実施形態においては、相互に絶縁された直径φ０．１６ｍｍの絶縁被覆された素線（銅線材）を９０本束ねたリッツ線を渦巻き状に１１ターン巻いてプレス成型してコイリングし、励磁コイル支持部材２３により、湾曲した形状が保持されている。また、コイル支持部材２３としては、耐熱性のある非磁性材料を用いるのが望ましく、例えば、セラミックス、耐熱ガラス、ポリカーボネート、ＬＣＰ、ポリイミド、ＰＰＳ等の耐熱性樹脂が用いられる。

この励磁コイル２１に、励磁回路３０を通じて所定の周波数の交流電流が印加されることにより、励磁コイル２１の周囲には変動磁界Ｈが発生し、この変動磁界Ｈが、加熱定着ベルト２０の発熱層２０ｂを横切るときに、電磁誘導作用によって、この磁界Ｈの変化を妨げるように、加熱定着ベルト２０の発熱層２０ｂに渦電流Ｂが生じる。この渦電流Ｂが加熱定着ベルト２０の発熱層２０ｂを流れることにより、当該発熱層２０ｂの抵抗に比例した電力（Ｗ＝Ｉ²Ｒ）でジュール熱が発生し、被加熱部材（発熱体）である加熱定着ベルト２０が加熱される。励磁コイル２１に印加される交流電流の周波数は、例えば、２０〜１００ｋＨｚに設定されるが、この実施の形態では、交流電流の周波数が３０ｋＨｚに設定されている。また、本実施形態においては、励磁回路３０として、低コストの並列共振型の励磁回路電源を用いた場合でも極めて良好に電磁誘導加熱が可能であることが確認されている。このような並列共振型の高周波電源は電磁調理器などで実績があり、電磁誘導加熱用の電源としては安価に構成でき、実用性と汎用性が高いものである。

また、再び図１を参照して、磁路形成部材２２，２４としては、鉄、コバルト、ニッケル、フェライト等の磁性材料を用いることができるが、最も望ましいのはソフトフェライトである。ソフトフェライトは強磁性を有しており、透磁率が高く、電気抵抗値が非常に高いため、電磁誘導作用による渦電流が流れにくい。また交番磁界によるヒステリシス損も小さく、発熱層２０ｂのコイル２１と反対側の磁路を形成するには最も適している。この磁路形成部材２２，２４は、励磁コイル２１により生成された磁界及び渦電流による反作用磁界の磁束密度が高い周辺の磁束を集めて、磁路を形成するものであり、効率の良い加熱を可能とすると同時に、磁束が定着装置１０の外部に漏れて、周辺部材が不本意に加熱されるのを防止するためのものである。

さらに、被加熱部材側磁路形成部材２４を支持している支持部材２６は、非磁性絶縁部材または非磁性金属部材（樹脂またはアルミ・銅など）により形成されている。そして、この支持部材２６は、定着ニップを形成する弾性部材２７からの荷重を受けて支持もしている。そこで、支持部材２６は、このように定着ニップの加圧荷重を併せて支持するため、剛性が高く、耐熱性、耐クリープ性の高い部材であることが必要であり、樹脂材料では困難なため金属部材で形成されることが望ましい。本実施形態では、コストや製造の容易性、剛性を考慮してアルミが使用されている。金属部材として非磁性金属である、アルミや銅などを使用する理由として、支持部材２６は、励磁コイル２１及び加熱定着ベルト２０内の発熱層２０ｂの渦電流が作る磁界が作用しやすい位置にあり、磁性金属であると、この磁界の作用により発熱しやすくなるため、表皮深さの大きい非磁性金属を採用することにより渦電流損を極めて小さくすることができる。

このように励磁コイル側磁路形成部材２２と被加熱部材側磁路形成部材２４とを、励磁コイル２１及び加熱定着ベルト２０を挟んで対向配置することにより、励磁コイル２１で発生する磁束をさらに効率よく収集することができ、加熱効率を向上させることができる。これにより、励磁コイル２１により生成されて、表皮深さよりも薄い発熱層２０ｂを貫通する変動磁界及びこの変動磁界に対して発生する渦電流により生じる反作用磁界のいずれをも効果的に遮蔽し、励磁コイル２１に交流電流を印加する高周波電源の周波数を下げたり、励磁コイル２１の巻き数を減少させたりすることが可能となり、さらに、電源の小型化、励磁コイル２１の小型化を通じて、コストダウンを実現することができる。

次に、励磁コイル２１と磁路形成部材２２，２４の周方向（加熱定着ベルト２０の回転方向）の幅について、図２０を参照して説明する。

図２０に模式的に示されるように、磁路形成部材の幅ｍ２と、励磁コイル２１のコイル幅ｍ１との関係は、ｍ２＞ｍ１となるように設定されている。これは、ｍ２がｍ１よりも短いと、磁路形成が十分に行われず、効率低下や周辺部材への誘導を引き起こす虞が生じるためである。表２に、ｍ１＜ｍ２とｍ１＞ｍ２の場合における加熱領域周辺の磁束密度の測定結果を示す。表２に示されるように、ｍ１＜ｍ２であると漏れ磁束が少なくて、良好な遮蔽効果を得られることがわかる。

そこで、本実施形態においては、少なくとも加熱定着ベルト２０側に配置されたフェライト２４の周方向両端部２４ｅは、励磁コイル２１に対向している領域を越えて、さらにその周方向に延在するように形成されている。言い換えれば、フェライト２４の周方向両端部２４ｅは、相対向する励磁コイル２１の両端部を越えてそれぞれ延在している（図１参照）。

これにより、発熱層２０ｂが表皮深さδより薄い金属を誘導加熱する場合に、発熱層２０ｂを挟んで励磁コイル２１と反対側から漏れ出る反作用磁界による磁束漏れをより効果的に防止し、遮蔽効果を向上させることができる。

なお、より遮蔽効果を向上させるために、励磁コイル２１側に配置されたフェライト２２の周方向両端部を、励磁コイル２１に対向している領域を越えて、さらにその周方向に延在するように形成してもよい。

次に、本発明に係る磁路形成部材２２及び２４の構成配置の詳細について、図２〜図５を参照して説明する。図２は、模式的な側面図であり、図３はＡ−Ａ’線に沿った模式的な断面図、図４はＢ−Ｂ’線に沿った模式的な断面図及び図５はＣ−Ｃ’線に沿った模式的な断面図である。

励磁コイル側磁路形成部材２２は、図２に示されるように、複数の小片弓形部材２２ａに分割され、これらの複数の小片弓形部材２２ａは、回転軸方向（励磁コイル２１の長手方向）に亘って、互いに間隔を空けて配置されている。具体的には、加熱定着ベルト２０の回転軸方向に互いに１６ｍｍの間隔を空けて１４個配置されている。そして、それぞれの小片弓形部材２２ａは、図３、図５の断面図に示されるように、励磁コイル２１の湾曲した外表面に沿って、この外表面を覆うように配置されている。

一方、被加熱部材側磁路形成部材２４は、励磁コイル側磁路形成部材２２と同様に、複数の小片弓形部材２４ａに分割され、各小片の厚さは３ｍｍで、加熱定着ベルト２０の回転軸方向に沿った各小片の幅は１０ｍｍに形成されている。また、この被加熱部材側磁路形成部材２４は、図２に示されるように、両端部に配置された端部小片部材２４ａ（Ｅ）以外は、幅１０ｍｍの小片弓形部材２４ａを２つ組み合わせて１組として形成された中間部小片部材２４ａ（Ｍ）が、互いに約６ｍｍの間隔を空けて１１組分（小片２４ａ合計２２個）、回転軸方向に亘って配置されている。さらに、被加熱部材側磁路形成部材２４の端部については、幅１０ｍｍの小片弓形部材２４ａを３つ組み合わせて１組として形成された端部小片部材２４ａ（Ｅ）が、両端部に（小片２４ａ×３×２＝合計６個）配置されている。そして、それぞれの小片弓形部材２４ａは、図４、図５の断面図に示されるように、加熱定着ベルト２０の内表面の形状に倣うように、この内表面と非接触で配置されている。

ここで、磁路形成部材の端部小片部材とは、最大通紙幅（例えば、図１２参照）の端部に対応している領域に配置されている小片部材をいい、例えば、最大通紙幅±３０ｍｍに対応する領域に配置された小片部材をいう。さらに、中間部小片部材とは、この端部小片部材に挟まれた領域に配置されている小片部材をいう。そして、これら端部領域及び中間部領域は、温度分布を基準に、加熱領域における有効発熱長の端部領域が最大通紙幅の端部領域に対応して、この最大通紙幅をカバーするように設定される。

また、磁路形成部材２２を構成している小片弓形部材２２ａと、磁路形成部材２４を構成している中間部小片部材２２ａ（Ｍ）とは、回転軸方向の配置において、互いの相対的な位置関係を考慮して配置されている。相対的な位置関係とは、互いに対向している磁路形成部材群２２及び２４の間隙が加熱定着ベルト２０に対して非対称となるように、励磁コイル側磁路形成部材群２２の各小片弓形部材２２ａ間の間隙２２ｓを中間部小片部材２４ａ（Ｍ）が略補完するように配置されている。すなわち、小片弓形部材２２ａ及び２４ａのそれぞれの中心位置２２ｃ，２４ｃが、対向する相手側の間隙２４ｓ，２２ｓの中心と略一致するように配置されている。本発明では、このような配置関係を以下で「千鳥配置」なる呼称で示すことがある。

このように磁路形成部材２２，２４を構成している小片弓形部材２２ａ，２４ａを、回転軸方向に間隔を空けて配置したのは、加熱定着ベルト２０の回転軸方向に亘って、均等に磁束を作用させて磁路を形成するためである。そこで、磁路形成部材群２２ａ，２４ａは、それぞれ少ない個数で磁束漏れを防ぎ、周辺金属部材への電磁誘導を防止できればよい。

ただし、前述したように、被加熱部材側磁路形成部材２４の端部については、端部小片部材２４ａ（Ｅ）が配置されているので、この端部領域においては、小片部材２４ａの構成量が中間部領域よりも多く（小片部材２４ａの配置密度が高く）なっており、励磁コイル側磁路形成部材２２の各小片弓形部材２２ａとの位置関係は上述の千鳥配置とはなっていない。

ところで、このように磁路形成部材２２及び２４を複数の小片弓形部材２２ａ及び２４ａに分割して、互いに間隙を設けて配置した場合には、磁界の漏洩による周囲部材への電磁誘導の影響が考えられる。

そこで、小片弓形部材２２ａ，２４ａの個数を変えて間隙を設けて配置した場合の周囲部材への電磁誘導の影響について、以下のような調査を実施した。調査結果を図２１及び図２２に示す。

まず、小片弓形部材２２ａ，２４ａの個数による特性変化について、図２１を参照して説明する。図２１は、励磁コイル２１に一定の交流電流を与えた場合の、励磁コイル２１から５〜１０ｍｍの距離に励磁コイル２１と同等の大きさの鉄やアルミ等の金属部材を近づけたときの、誘導状態におけるインダクタンス値やレジスタンス値、電流と電圧との位相差等の変化情報から、周囲金属部材への電磁誘導の影響度を調査した結果を示すものである。図２１においては、コイル長を覆う割合に対する、周囲金属への誘導度を示す代表的特性として、磁路形成部材使用量に対する、金属部材を近づけたときの誘導状態のインダクタンス値（ａ）とレジスタンス値（ｂ）の変化が示されている。例えば本実施形態では、コイル長３５０ｍｍに対して、幅１０ｍｍの小片弓形部材２２ａを１４個、間隙を与えてコイル２１をカバーしているので、１０ｍｍ×１４個／３５０ｍｍ＝４０％の磁路形成部材使用量（図中では横軸のｓｈａｒｅ ａｒｅａ ４０％に相当）ということになる。ここで、近づけた金属はアルミと鉄である。これらの金属を近づけたとき、図２１（ａ），（ｂ）に示されるように、少なくとも磁路形成部材を４０％以上使用していれば、周囲への影響が無視できるレベルであることがわかった。

次に、励磁コイル側磁路形成部材２２の使用量を４０％とし、同じように被加熱部材側磁路形成部材２４の周囲部材への電磁誘導の影響度を調査した結果を図２２に示す。被加熱部材側磁路形成部材２４の周囲部材への電磁誘導の影響度は、これを保持する支持部材２６をアルミや鉄などの金属とし、励磁コイル２１の磁界や発熱層２０ｂの渦電流Ｂが作る磁界Ｈの支持金属２６への作用を調査した。この図でいう支持部材金属２６への誘導度とは、小さいほど電磁誘導作用を受け、誘導度が１であれば電磁誘導作用の影響をほとんど受けていないということを示す特性である。これは図２１で示した代表的特性とほぼ同じで、金属部材を近づけたときの誘導状態のインダクタンス値とレジスタンス値の変化の割合を調べることで影響度がわかる。ここで、誘導度は、０．９以上であれば、誘導に対する影響は無視できるレベルである。図２２から理解されるように、被加熱部材側磁路形成部材２４は３５％前後の使用量であれば、誘導度が０．９以上となり、周囲部材への電磁誘導の影響を非常に少なくできることがわかった。

さらに、加熱定着ベルト２０の加熱部における回転軸方向の温度分布は、被加熱部材側磁路形成部材２４の端部２４ｅにおいて、小片弓形部材２４ａの配置量を増加（配置密度を高く）させたことにより、有効発熱長を従来より長くすることができた。すなわち、従来は、図１２に示されるように、コイル長に比し、その有効発熱長（温度均一化領域）が短かったのに対し、小片弓形部材２４ａの端部配置量を増加させたことにより、図１３に示されるように、両端部における温度勾配の傾きが大きくなり、有効発熱長がコイル長とほぼ同等となって、有効発熱長を従来より長くすることができた。これにより、従来は無駄に捨てていた熱エネルギーを有効に活用することが可能となり、従来のコイル長より短くしても最大通紙幅の有効発熱長を得ることができ、コイルの小型化も実現できた。

以上、本発明に係る定着装置１０の第一の実施形態について説明してきたが、磁路形成部材を構成する小片弓形部材の端部配置量は、上述に限定されるものではない。例えば、励磁コイル側磁路形成部材２２の端部２２ｅにおいて、小片弓形部材２２ａの配置量を増加させてもよいし、図６の変形例に示されるように、励磁コイル側磁路形成部材２２及び被加熱部材側磁路形成部材２４の双方の両端部２２ｅ及び２４ｅの磁路形成部材群２２ａ，２４ａの配置量を増加させてもよい。

この変形例における定着装置１０Ａは、第一の実施形態における励磁コイル側磁路形成部材２２の両端部２２ｅを、さらに、小片部材２２ａの２つを１組として配置したものであり、それ以外は、第一の実施形態と同じである。

この変形例１０Ａにおける端部の温度分布は、図１４に示すようになり、さらに有効発熱長を広げることが可能となった。これにより、励磁コイル２１の長さを、３〜１０ｍｍ程度短くすることが可能になった。

ここで、端部における温度勾配の変化について、図１５を参照してさらに説明する。図１５は、従来と本発明における磁路形成部材の端部における温度勾配の変化の測定結果を示す図である。

図１５に示されるように、従来は最大通紙幅の中心から片側約１３０ｍｍ程度の位置から緩やかに温度勾配の下落が開始されているのに対し、本発明の加熱装置を適用した定着装置の場合には、中心から片側約１５０ｍｍ程度まで、一定の温度（約１７０℃）が維持され、その後温度勾配の急峻な傾きにより、温度が下降していることがわかる。このことは、すなわち、本願発明を適用することにより、所定の温度を均一に維持する有効発熱長が拡大されていることを示しており、これにより励磁コイル２１の長さを従来に比して、短縮することが可能となる。

本実施形態により、熱エネルギーの利用効率が、３〜５％向上することが確認できた。これにより、例えば、従来の電磁誘導加熱を利用した定着装置の定着時に必要な電力が７００Ｗだとした場合、本発明を適用すれば、従来に比し、およそ２０〜３５Ｗの有効エネルギーが増大する。従って、この増大した有効エネルギーにより、１分当たりの定着枚数を向上させることで生産性を高めた設計にしたり、生産性は変えずに、定着時に使用するエネルギーを減少させることが可能となる。

以上のように構成した本発明の第一の実施形態に係る定着装置１０では、次のように、ウォームアップタイムを１０秒以下のほとんどゼロと同等にすることができると共に、良好な定着性を得ることができ、しかも剥離不良が生じるのを確実に防止することが可能となっている。

すなわち、図１に示されるように、この実施形態に係る定着装置１０では、加圧ロール２８が１００ｍｍ／ｓのプロセススピードで、駆動源により回転駆動される。また、加熱定着ベルト２０は、上記加圧ロール２８に圧接されており、当該加圧ロール２８の移動速度と等しい１００ｍｍ／ｓの速度で循環移動するようになっている。

そして、上記定着装置では、図示しない転写装置により、未定着トナーＴが転写された記録媒体１５が、加熱定着ベルト２０と加圧ロール２８との間に形成されたニップ部１Ｙを通過し、当該ニップ部１Ｙ内を記録媒体１５が通過する間に、加熱定着ベルト２０と加圧ロール２８とによって加熱及び加圧されることにより、トナー画像Ｔが記録媒体１５上に定着されるようになっている。

その際、上記定着装置では、加熱定着ベルト２０の温度が、励磁コイル２１に流す高周波電流の周波数などにより、定着動作時は、ニップ部１Ｙの入口において、１６０℃〜２００℃程度に制御される。

この実施の形態に係る定着装置では、画像形成信号が入力されると同時に、加圧ロール２８が回転を開始すると共に、励磁コイル２１に高周波電流が通電される。上記励磁コイル２１には、例えば、有効電力として１０００Ｗの電力が投入されると、加熱定着ベルト２０の温度は、誘導加熱作用によって、室温から約８秒以下で定着可能温度に達する。すなわち、記録媒体１５が給紙トレイから、定着装置まで移動するのに要する時間内にウォームアップが完了してしまうことになる。よって、上記定着装置においては、ユーザーを待たせること無く、定着処理が可能となる。

また、定着装置のニップ部１Ｙに、６０ｇｍｓ程度の薄紙にカラーのベタ画像などトナーが多量に転写された記録媒体１５が進入した場合には、トナーと加熱定着ベルト２０表面の離型層との間で、引き付け合う力が強くなり、加熱定着ベルト２０の表面から記録媒体１５を剥離するのが難しくなるのが通常である。しかし、この実施の形態の構成では、加熱定着ベルト２０の形状がニップ部１Ｙの外では凸形状であるのに対して、ニップ部１Ｙの内部では凹形状となっている。すなわち、ニップ部１Ｙの内部では記録媒体１５の方向は、加圧ロール２８側に巻き付く方向であり、かつニップ部１Ｙの出口部では、加熱定着ベルト２０の方向が凹形状から凸形状に急激に変化するため、記録媒体は、当該記録媒体自体のこし（剛性）により、加熱定着ベルト２０の急激な形状の変化についていくことができず、加熱定着ベルト２０から自然に剥離される。そのため、この実施の形態に係る定着装置では、記録媒体１５の剥離不良の問題が生じるのを確実に防止することができる。

さらに、小サイズの記録媒体１５を連続して定着した場合には、非通紙領域の加熱定着ベルト２０、弾性部材２７及び加圧ロール２８などの温度が上昇してしまうが、加圧ロール２８側に設けた金属ロール１８を、当該加圧ロール２８の表面に当接させることにより、加圧ロール２８の高温部の熱を金属ロール１８によって吸収することができ、その熱を低温部に移動させるので、軸方向での温度分布は小さくなり、加圧ロール２８の温度及び加熱定着ベルト２０の温度が、所定の温度以上の高温になるのを防止することができる。
＜第二の実施形態＞

次に、本発明に係る定着装置の第二の実施形態について図７〜図１０を参照して説明する。図７は、第二の実施形態の模式的側面図であり、図８はＤ−Ｄ’線に沿った模式的断面図、図９はＥ−Ｅ’線に沿った模式的断面図、図１０はＦ−Ｆ’線に沿った模式的断面図をそれぞれ示す。

この実施の形態に係る定着装置は、図２に示された第一の実施形態の構成と端部の磁路形成部材群の形態が異なり、それ以外の構成は同じであるので、第一の実施形態と同様の機能を有する部材には同様の符号を付し、詳細は省略する。

本実施形態における定着装置５０は、図７に示されるように、被加熱部材側磁路形成部材２４の両端部２４ｅにおける端部小片部材２４ａ（Ｓ）の１組（１０ｍｍ幅２個で１組とした）のみが、加熱定着ベルト２０の厚さ方向に近づけて配置されている。すなわち、励磁コイル側磁路形成部材２２と被加熱部材側磁路形成部材２４との対向距離は、中間部よりも端部の方が短くなるように形成されている。ここで、対向距離とは、励磁コイル側磁路形成部材２２及び被加熱部材側磁路形成部材２４を構成している小片弓形部材２２ａ及び２４ａの各対向面間の径方向に沿った距離をいう。

図８に示される被加熱部材側磁路形成部材２４の中間部小片弓形部材２４ａ（Ｍ）と、図９及び図１０に示される被加熱部材側磁路形成部材２４の端部小片弓形部材２４ａ（Ｓ）の配置位置の違いでおおよそ比較すると、加熱定着ベルト２０までの平均距離で約１．５ｍｍ異なり、端部小片弓形部材２４ａ（Ｓ）の１組の方が加熱定着ベルト２０に接近して配置されている。

このように、磁路形成部材２２，２４間の端部対向距離をその中間部に比し、狭めることにより、図１３に示されるように、有効発熱長が拡大されることを確認できた。さらに、図１１に示される本実施形態の変形例５０Ａのように両端部２４ａ（Ｓ）の端部配置量を増やして（１０ｍｍ幅３個で１組とした）、かつ、加熱定着ベルト２０に接近して配置した場合には、先の実施形態における変形例１０Ａと同様に、発熱分布特性が図１４に示されるようになり、有効発熱長をさらに拡大することができた。これにより、励磁コイル２１の長さを、３〜１０ｍｍ程度短くすることが可能となった。

先の実施形態と同様に、本実施形態においても、熱エネルギーの利用効率が、３〜５％向上することが確認できた。これにより、例えば、従来の電磁誘導加熱を利用した定着装置の定着時に必要な電力が７００Ｗだとした場合、本発明を適用すれば、従来に比し、およそ２０〜３５Ｗの有効エネルギーが増大する。従って、この増大した有効エネルギーにより、１分当たりの定着枚数を向上させることで生産性を高めた設計にしたり、生産性は変えずに、定着時に使用するエネルギーを減少させることが可能となる。

以上説明したように、第二の実施形態に係る定着装置５０，５０Ａにおいても、端部における温度勾配の傾きを大きくすることで、有効発熱長を広げ、無駄な発熱領域を少なくすることが可能となり、省エネルギーで熱エネルギーの利用効率に優れた加熱装置・定着装置の構成を提供することができる。

なお、以上の実施形態においてはいずれも、磁路形成部材端部における小片弓形部材の物理的な配置構成（配置量、対向距離）を変化させることにより、コストの低減を考慮して簡易に有効発熱長の拡大を図っているが、例えば、端部小片弓形部材２２ａ（Ｅ），２４ａ（Ｅ）の材質を中間部小片弓形部材２２ａ（Ｍ）の材質（例えば、初透磁率が２０００）よりも、より透磁率の高い材質（例えば、初透磁率５０００）により形成してもよい。これにより、配置量を増加させた場合、あるいは対向距離を狭めた場合と同様な作用・効果を得ることができる。

次に、本発明が適用される画像記録装置の一実施形態について、図２３を参照して説明する。図２３は、本発明の一実施形態に係る画像記録装置１００の概略構成を示す図である。

図２３に示されるように、この画像記録装置１００は、例えば、図中矢印方向に回転する感光体ドラム１２１と、この感光体ドラム１２１を予め帯電するコロトロン等の帯電器１２２と、各色成分画像情報に基づいて感光体ドラム１２１上に各色成分に対応した静電潜像を書き込む不図示のレーザ走査装置（ＲＯＳ）などの画像書込装置（本例では同装置からのビームに符号を付す）１２３と、イエロ（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｋ）の各色に対応した現像器２４１〜２４４が回転ホルダ２４５に搭載されたロータリー型現像装置１２４とを備え、感光体ドラム１２１上にイエロ、マゼンタ、シアン、ブラックの各色成分毎の静電潜像を形成し、ロータリー型現像装置１２４における各現像器２４１〜２４４の対応する色トナーにて各静電潜像を可視像化した後、中間転写ベルト１３０に順次一次転写し、中間転写ベルト１３０上の各色成分トナー像の重ね転写像を記録媒体Ｐ上に二次転写し、定着装置１６０にて定着するようにしたものである。

ここで、記録媒体Ｐは、記録媒体トレイ１５０からフィードロール１５１にて所定の搬送経路へ向けて搬送され、搬送経路中のレジストレーションロール（レジストロール）１５２で一旦位置決め停止された後に、所定のタイミングで二次転写位置１４０へと搬送され、この記録媒体Ｐは二次転写後に搬送ベルト１５３へと導かれ、この搬送ベルト１５３にて定着装置１６０へと搬送されるようになっている。なお、二次転写工程が終了した時点では、感光体ドラム１２１上の残留トナーはドラムクリーナ１２５にて清掃され、中間転写ベルト１３０上の残留トナーはベルトクリーナ１４１にて清掃される。

このように構成した画像記録装置１００において、加熱部や定着部に本発明に係る加熱装置及び定着装置を適用することにより、ウォームアップタイムが短く、かつ、安定して加熱定着が可能な画像記録装置を提供することができる。

なお当然に、本発明が適用可能な画像記録装置は、上述のロータリー型に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内で種々の画像記録装置に適用可能である。例えば、いわゆるタンデム型の画像記録装置に適用しても同様の作用効果を得ることができる。

以上説明してきたように、本発明の加熱装置を定着装置に備えることにより、ウォームアップタイムを１０秒以下にすることが可能な省エネルギーの定着装置を設計することが可能となる。また、低コスト化を実現できる実用性の高い加熱装置の設計も可能とする。また、このような加熱装置及び定着装置を備えることにより、定着加熱の際の安定性や安全性に優れ、ウォームアップタイムの極めて短い画像記録装置を提供することができる。

本発明に係る加熱装置を適用した定着装置の第一の実施形態を示す模式的断面図である。 本発明に係る加熱装置を適用した定着装置の第一の実施形態を示す模式的側面図である。 図２のＡ−Ａ’線に沿った模式的断面図である。 図２のＢ−Ｂ’線に沿った模式的断面図である。 図２のＣ−Ｃ’線に沿った模式的断面図である。 本発明に係る加熱装置を適用した定着装置の第一の実施形態の変形例を示す模式的側面図である。 本発明に係る加熱装置を適用した定着装置の第二の実施形態を示す模式的側面図である。 図７のＤ−Ｄ’線に沿った模式的断面図である。 図７のＥ−Ｅ’線に沿った模式的断面図である。 図７のＦ−Ｆ’線に沿った模式的断面図である。 本発明に係る加熱装置を適用した定着装置の第二の実施形態の変形例を示す模式的側面図である。 従来の定着装置における温度分布と有効発熱長を示す図である。 本発明に係る加熱装置を適用した定着装置における温度分布と有効発熱長を示す図である。 本発明に係る加熱装置を適用した定着装置の変形例における温度分布と有効発熱長を示す図である。 端部における従来の定着装置と本発明の定着装置との温度勾配の変化を示す図である。 加熱定着ベルトの構成を示す模式図である。 加熱定着ベルトの別の構成を示す模式図である。 発熱層の厚さと印加周波数との関係を示す特性図である。 本発明の加熱構成を示す模式的断面図である。 磁路形成部材と励磁コイルの加熱幅との関係を示す図である。 磁路形成部材の使用量に対する、金属部材を近づけたときの誘導状態のインダクタンス値（ａ）とレジスタンス値（ｂ）の変化を示す図である。 磁路形成部材の使用量と支持部材への誘導度との関係を示す図である。 本発明に係る画像記録装置の概略構成を示す模式図である。 従来の定着装置の構成を示す模式図である。 従来の定着装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１Ｙ：ニップ部、１０，１０Ａ：定着装置、１５：記録媒体、１８：金属ロール、２０：加熱定着ベルト、２０ａ：基材層、２０ｂ：発熱層、２０ｃ：表面離型層、２０ｄ：弾性層、２１：励磁コイル、２２：励磁コイル側磁路形成部材、２２ａ：小片弓形部材、２２ｓ：間隙、２２ｅ：端部、２３：コイル支持部材、２３ａ：突起部、２４：被加熱部材側磁路形成部材、２４ａ：小片弓形部材、２４ａ（Ｅ），２４ａ（Ｓ）：端部小片部材、２４ａ（Ｍ）：中間部小片部材、２６：支持部材、２７：弾性部材、２８：加圧ロール、３０：励磁回路、５０，５０Ａ：定着装置、１００：画像記録装置、１２１：感光体ドラム、１２２：帯電器、１２４：ロータリー型現像装置、１２５：ドラムクリーナ、１３０：中間転写ベルト、１４０：二次転写位置、１４１：ベルトクリーナ、１５０：記録媒体トレイ、１５１：フィードロール、１５３：搬送ベルト、１６０：定着装置、２４１-２４４：現像器、２４５：回転ホルダ、Ｈ：変動磁界、Ｂ：渦電流、Ｐ：記録媒体、Ｔ：トナー画像

Claims (9)

1. 少なくとも最表面に離型層を有すると共に、導電性の発熱層の厚さがその表皮深さよりも薄い発熱層を有し、周方向に移動可能な無端状の被加熱部材としての定着ベルトを、この定着ベルトと非接触に配置された励磁コイルにより、該発熱層の厚さ方向に沿って変動磁界を発生させて電磁誘導加熱すると共に、この励磁コイルにより生成される変動磁界を、定着ベルト及び励磁コイルを挟んで励磁コイルの長手方向に沿って対向配置された磁路形成部材により遮蔽する定着装置において、
   未定着トナー像を担持した記録材を、加圧部材と前記定着ベルトとの間で加熱加圧して、この未定着トナー像を定着するニップ部と、前記加圧部材と定着ベルトを介して対向配置されて前記ニップ部を形成する押圧部材とを備え、
   前記励磁コイルは、前記定着ベルトの外側に配置され、この表面に沿いかつ表面形状に倣うように線材を巻回させて形成されており、
   前記磁路形成部材は、磁性材料からなり、励磁コイル側に配置された励磁コイル側磁路形成部材と、定着ベルト側に、この定着ベルトと非接触に配置された被加熱部材側磁路形成部材とを備え、
   該励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材のそれぞれは、前記定着ベルトの表面形状に倣うように形成され、前記長手方向において、小片部材が互いに間隙を設けて配置された小片部材郡から形成されていると共に、
   前記被加熱部材側磁路形成部材は、定着ベルトの内側で、非磁性金属部材からなる支持部材により支持されて前記励磁コイルの長手方向に対し部分的に配置されており、
   前記定着ベルトの前記励磁コイルと対向する面の反対側の面のうち、前記部分的に配置された被加熱部材側磁路形成部材と対向しない部分は、前記非磁性金属部材からなる支持部材と対向していると共に、該支持部材は、被加熱部材側磁路形成部材を支持している側と反対側で前記押圧部材を支持しており、かつ、
   前記励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材の少なくとも一方を形成している小片部材郡における小片部材の配置密度は、前記長手方向において、その中間部よりも端部の方が高いことを特徴とする定着装置。
2. 前記励磁コイル側磁路形成部材と前記被加熱部材側磁路形成部材との対向距離は、前記長手方向において、その中間部よりも端部の方が短いことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記磁路形成部材の前記端部を構成している小片部材は、前記中間部を構成している小片部材よりも、透磁率の高い材質で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記励磁コイル側及び被加熱部材側磁路形成部材の前記中間部を形成している小片部材のそれぞれは、互いに、対向する相手側の磁路形成部材の前記中間部を形成している小片部材群の各間隙に対応するように配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の定着装置。
5. 前記定着ベルトは、円筒状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の定着装置。
6. 前記磁路形成部材は、ソフトフェライトで形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の定着装置。
7. 前記定着ベルトの発熱層において、主に発熱する層の厚さが２〜１５μｍの銅で形成されており、前記励磁コイルに印加される交流電流の周波数は２０〜１００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の定着装置。
8. 前記励磁コイル側磁路形成部材と前記被加熱部材側磁路形成部材との対向距離は、前記長手方向において、その中間部よりも端部の方が短いことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の定着装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の定着装置と、記録媒体に未定着トナー像を形成する画像形成手段とを備えることを特徴とする画像記録装置。

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