JP4832637B2

JP4832637B2 - 定着装置

Info

Publication number: JP4832637B2
Application number: JP2000390091A
Authority: JP
Inventors: 政博醒井; 和徳松尾; 智之野口; 幸範原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2001242732A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機やファクシミリ、プリンタなどの静電記録式画像形成装置に使用される定着装置に関し、より具体的には電磁誘導加熱方式を使用したトナー画像の定着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ・複写機・ファクシミリなどの画像形成装置に対し、近年、省エネルギー化・高速化についての市場要求が強くなってきている。これらの要求性能を達成するためには、画像形成装置に用いられる定着装置の熱効率の改善が重要である。
【０００３】
画像形成装置では、電子写真記録・静電記録・磁気記録等の画像形成プロセスにより、画像転写方式もしくは直接方式により未定着トナー画像が記録材シート・印刷紙・感光紙・静電記録紙などの記録材に形成される。未定着トナー画像を定着させるための定着装置としては、熱ローラ方式、フィルム加熱方式、電磁誘導加熱方式等の接触加熱方式の定着装置が広く採用されている。
【０００４】
熱ローラ方式の定着装置は、内部にハロゲンランプ等の熱源を有して所定の温度に温調される定着ローラと、これに圧接された加圧ローラとの回転ローラ対を基本構成としている。これらの回転ローラ対の接触部いわゆる定着ニップ部に記録材を導入して搬送させ、定着ローラおよび加圧ローラからの熱および圧力により未定着トナー画像を溶融させて定着させる。
【０００５】
また、フィルム加熱方式の定着装置は、たとえば特開昭６３−３１３１８２号公報や特開平１−２６３６７９号公報等に提案されている。
【０００６】
この装置は、支持部材に固定支持された加熱体に耐熱性を有する薄肉の定着フィルムを介して記録材を密着させ、定着フィルムを加熱体に対して摺動移動させながら加熱体の熱をフィルム材を介して記録材に供給するものである。この定着装置は、加熱体として、例えば、耐熱性・絶縁性・良熱伝導性等の特性を有するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基板上に抵抗層を備えたセラミックヒータを使用する。この定着装置は、定着フィルムとして薄膜で低熱容量のものを用いることができるために、熱ローラ方式の定着装置よりも伝熱効率が高く、ウォームアップ時間の短縮が図れ、クイックスタート化や省エネルギー化が可能になる。
【０００７】
電磁誘導加熱方式の定着装置として、特開平８−２２２０６号公報では、交番磁界により磁性金属部材に発生した渦電流でジュール熱を生じさせ、金属部材を含む加熱体を電磁誘導発熱させる技術が提案されている。
【０００８】
以下に電磁誘導加熱方式の定着装置の構成について説明する。
【０００９】
図５は従来の電磁誘導加熱方式による定着装置を示す模式図である。
【００１０】
図５に示すように、従来の定着装置は、励磁コイルユニット１８と加熱部である磁性金属部材１９とからなる加熱体２０が装着されたフィルム内面ガイド２１と、磁性金属部材１９を内壁に当接した状態でフィルム内面ガイド２１を包む耐熱性を備えた円筒状のフィルム１７と、磁性金属部材１９の位置でフィルム１７に圧接してこのフィルム１７との間に定着ニップ部Ｎを形成するとともに当該フィルム１７を回転させる加圧ローラ２２とから構成されている。
【００１１】
フィルム１７は、膜厚が１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下２０μｍ以上の耐熱性を有するＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰの等の単層フィルム、あるいはポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳ等のフィルムの外周表面にＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等をコーティングした複合層フィルムが使用されている。
【００１２】
また、フィルム内面ガイド２１はＰＥＥＫ、ＰＰＳ等の樹脂より形成された剛性・耐熱性を有する部材からなり、加熱体２０はこのようなフィルム内面ガイド２１の長手方向の略中央部に嵌め込まれている。
【００１３】
加圧ローラ２２は、芯２２ａと、その周囲に設けられたシリコーンゴム等の離型性の良い耐熱ゴム層２２ｂからなり、軸受や付勢手段（何れも図示せず）により所定の押圧力を持ってフィルム１７を挟んで加熱体２０の磁性金属部材１９に圧接するように配設されている。そして加圧ローラ２２は駆動手段（図示せず）により反時計回りに回転駆動される。
【００１４】
加圧ローラ２２の回転駆動により、加圧ローラ２２とフィルム１７との間に摩擦力が発生してフィルム１７に回転力が作用し、フィルム１７は加熱体２０の磁性金属部材１９に密着しながら摺動回転する。
【００１５】
加熱体２０が所定の温度に達した状態において、定着ニップ部Ｎのフィルム１７と加圧ローラ２２との間に、画像形成部（図示せず）で形成された未定着トナー画像Ｔを有する記録材１１を導入する。記録材１１は加圧ローラ２２とフィルム１７とに挟まれて定着ニップ部Ｎを搬送されることにより磁性金属部材１９の熱がフィルム１７を介して記録材１１に付与され、未定着トナー像Ｔが記録材１１上に溶融定着される。なお、定着ニップ部Ｎの出口においては、通過した記録材１１はフィルム１７の表面から分離されて排紙トレイ（図示せず）に搬送される。
【００１６】
このように、電磁誘導加熱方式の定着装置では、渦電流の発生を利用することで、誘導加熱手段としての磁性金属部材１９をフィルム１７を介して記録材１１のトナー像Ｔに近くに配置することができ、フィルム加熱方式の定着装置よりもさらに加熱効率がアップする。
【００１７】
画像形成装置の中でも、フルカラー画像形成装置における定着装置では、４層以上に積層された厚みのあるトナー粒子層を十分に加熱溶融させる能力が要求される。そして、この要求を達成するためには、電磁誘導加熱方式の定着装置では、トナー像を十分包み込んで均一に加熱溶融するためにフィルムの表面に２００μｍ程度のゴム弾性層が必要となる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィルムの表面にシリコンゴムなどの弾性層を２００μｍ程度被覆した場合、弾性層の低い熱伝導性のために熱応答性が悪くなり、加熱体から加熱されるフィルムの内面とトナーに接する外面とでは温度差が非常に大きくなる。
【００１９】
このため、トナーの定着性能を大きく左右するトナー加熱媒体であるフィルム表面の温度制御が難しくなってしまう。
【００２０】
本発明は、トナー加熱媒体の温度制御を安定して行うことのできる電磁誘導加熱方式の定着装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の定着装置は、磁性金属から構成されて、誘導加熱手段による電磁誘導により加熱される加熱ローラと、加熱ローラと平行に配置された定着ローラと、加熱ローラと定着ローラとに張り渡され、加熱ローラにより加熱されかつ誘導加熱手段による電磁誘導により自体が発熱するとともにこれらのローラによって回転される無端帯状のトナー加熱媒体と、定着ローラに圧接されるとともに、トナー加熱媒体に対して順方向に回転して定着ニップ部を形成する加圧ローラとを有し、加熱ローラの外周面とトナー加熱媒体の内面とはギャップのない接触領域を持って接しており、誘導加熱手段は、加熱ローラの外周面に対向する接触領域に配設されている構成としたものである。
【００２２】
更に本発明によれば、トナー加熱媒体の基材に磁性金属を使用することにより、さらに効率良くトナー加熱媒体の誘導加熱を行なうことができる。
【００２３】
本発明の構成によれば、トナー加熱媒体はその表裏面の温度の差が小さくなった状態で定着ニップ部に送り込まれる。このため、トナー加熱媒体の温度制御を安定して行うことが可能になり、トナー画像の定着を安定して行なうことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００２５】
図１に示す定着装置は、誘導加熱手段６の電磁誘導により加熱される加熱ローラ１と、加熱ローラ１と平行に配置された定着ローラ２と、加熱ローラ１と定着ローラ２とに張け渡され、加熱ローラ１により加熱されるとともに少なくともこれらの何れかのローラの回転により矢印Ａ方向に回転する無端帯状の耐熱性ベルト（トナー加熱媒体）３と、ベルト３を介して定着ローラ２に圧接されるとともにベルト３に対して順方向に回転する加圧ローラ４とから構成されている。
【００２６】
加熱ローラ１はたとえば鉄、コバルト、ニッケルまたはこれら金属の合金等の中空円筒状の磁性金属部材からなり、外径をたとえば２０ｍｍ、肉厚をたとえば０．３ｍｍとして、低熱容量で昇温の速い構成となっている。
【００２７】
定着ローラ２は、たとえばステンレススチール等の金属製の芯金２ａと、耐熱性を有するシリコーンゴムをソリッド状または発泡状にして芯金２ａを被覆した弾性部材２ｂとからなる。そして、加圧ローラ４からの押圧力でこの加圧ローラ４と定着ローラ２との間に所定幅の接触部を形成するために外径を３０ｍｍ程度として加熱ローラ１より大きくしている。弾性部材２ｂはその肉厚を３〜８ｍｍ程度、硬度を１５〜５０°（Ａｓｋｅｒ硬度：JIS A の硬度では６〜２５による）程度としている。この構成により、加熱ローラ１の熱容量は定着ローラ２の熱容量より小さくなるので、加熱ローラ１が急速に加熱されてウォームアップ時間が短縮される。
【００２８】
加熱ローラ１と定着ローラ２とに張り渡されたベルト３は、誘導加熱手段６により加熱される加熱ローラ１との接触部位Ｗ１で加熱される。そして、ローラ１，２の回転によってベルト３の内面が連続的に加熱され、結果としてベルト全体に渡って加熱される。
【００２９】
図３に示すように、ベルト３は、鉄、コバルト、ニッケル、等の磁性を有する金属またはそれらを基材とする合金を基材とした発熱層３ａと、その表面を被覆するようにして設けられたシリコーンゴム、フッ素ゴム等の弾性部材からなる離型層３ｂとから構成された複合層ベルトである。
【００３０】
上記複合層ベルトを使用すれば、仮に何らかの原因で、例えばベルト３と加熱ローラ１との間に異物が混入してギャップが生じたとしても、ベルト３の発熱層３ａの電磁誘導による発熱でベルト３自体が発熱するので、温度ムラが少なく定着の信頼性が高くなる。
【００３１】
なお、発熱層３ａの厚さは、２０μｍから５０μｍ程度が望ましく、特に３０μｍ程度が望ましい。
【００３２】
発熱層３ａの厚さが５０μｍより大きい場合には、ベルト回転時に発生する歪み応力が大きくなり、剪断力によるクラックの発生や機械的強度の極端な低下を引き起こす。また、発熱層３ａの厚さが２０μｍより小さい場合には、ベルト回転時の蛇行が原因で発生するベルト端部へのスラスト負荷により複合層ベルトにクラックや割れ等の破損が発生する。
【００３３】
一方、離型層３ｂの厚さとしては、１００μｍから３００μｍ程度が望ましく、特に２００μｍ程度が望ましい。このようにすれば、記録材１１上に形成されたトナー像Ｔをベルト３の表層部が十分に包み込むため、トナー像Ｔを均一に加熱溶融することが可能になる。
【００３４】
離型層３ｂの厚さが１００μｍよりも小さい場合には、ベルト３の熱容量が小さくなってトナー定着工程においてベルト表面温度が急速に低下し、定着性能を十分に確保することができない。また、離型層３ｂの厚さが３００μｍよりも大きい場合には、ベルト３の熱容量が大きくなってウォームアップにかかる時間が長くなる。さらに加えて、トナー定着工程においてベルト表面温度が低下しにくくなって、定着部出口における融解したトナーの凝集効果が得られず、ベルトの離型性が低下してトナーがベルトに付着する、いわゆるホットオフセットが発生する。
【００３５】
発熱層３ａの内側表面は、金属の酸化防止、加熱ロール１との接触性改良の目的で、樹脂コートしても良い。
【００３６】
なお、ベルト３の基材として、上記金属からなる発熱層３ａの代わりに、フッ素系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＳ樹脂、ＰＰＳ樹脂などの耐熱性を有する樹脂層を用いてもよい。
【００３７】
基材が耐熱性の高い樹脂部材である樹脂層から構成されれば、ベルト３が加熱ローラ１の曲率に応じて密着しやすいため、加熱ローラ１の保有する熱がこのベルト３に効率良く伝達される。
【００３８】
この場合、樹脂層の厚さとしては、２０μｍから１５０μｍ程度が望ましく、特に７５μｍ程度が望ましい。樹脂層の厚さが２０μｍよりも小さい場合には、ベルト回転時の蛇行に対する機械的強度が得られない。また、樹脂層の厚さが１５０μｍより大きい場合には、樹脂の熱伝導率が小さいため、加熱ローラ１からベルト３の離型層３ｂへの熱伝播効率が低下し、定着性能の低下が発生する。
【００３９】
加圧ローラ４は、たとえば銅またはアルミ等の熱伝導性の高い金属製の円筒部材からなる芯金４ａと、この芯金４ａの表面に設けられた耐熱性およびトナー離型性の高い弾性部材４ｂとから構成されている。芯金４ａには上記金属以外にＳＵＳを使用しても良い。
【００４０】
加圧ローラ４はベルト３を介して定着ローラ２を押圧して定着ニップ部Ｎを形成しているが、本実施の形態では、加圧ローラ４の硬度を定着ローラ２に比べて硬くすることによって、加圧ローラ４が定着ローラ２（及びベルト３）へ食い込む形となり、この食い込みにより、記録材１１は加圧ローラ４表面の円周形状に沿うため、記録材１１がベルト３表面から離れやすくなる効果を持たせている。この加圧ローラ４の外径は定着ローラ２と同じ３０ｍｍ程度であるが、肉圧は２〜５ｍｍ程度で定着ローラ２より薄く、また硬度は２０〜６０°（Ａｓｋｅｒ硬度：JIS A の硬度では６〜２５°による）程度で前述したとおり定着ローラ２より硬く構成されている。
【００４１】
電磁誘導により加熱ローラ１を加熱する誘導加熱手段６は、図１および図２Ａ、Ｂに示すように、磁界発生手段である励磁コイル７と、この励磁コイル７が巻き回されたコイルガイド板８とを有している。コイルガイド板８は加熱ローラ１の外周面に近接配置された半円筒形状をしており、図２Ｂに示すように、励磁コイル７は長い一本の励磁コイル線材をこのコイルガイド板８に沿って加熱ローラ１の軸方向に交互に巻き付けたものである。コイルを巻き付ける長さはベルト３と加熱ローラ１とが接する領域と同じにされている。
【００４２】
この構成によれば、誘導加熱手段６により電磁誘導加熱される加熱ローラ１の領域が最大となり、発熱している加熱ローラ１表面とベルト３とが接する時間も最大となるので、ベルト３への伝熱効率が高くなる。
【００４３】
なお、励磁コイル７は、発振回路が周波数可変の駆動電源（図示せず）に接続されている。
【００４４】
励磁コイル７の外側には、フェライト等の強磁性体よりなる半円筒形状の励磁コイルコア９が、励磁コイルコア支持部材１０に固定されて励磁コイル７に近接配置されている。なお、本実施の形態において、励磁コイルコア９は比透磁率が２５００のものを使用している。
【００４５】
励磁コイル７には駆動電源から１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波交流電流、好ましくは２０ｋＨｚ〜８００ｋＨｚの高周波交流電流が給電され、これにより交番磁界を発生する。そして、加熱ローラ１と耐熱性ベルト３との接触領域Ｗ１およびその近傍部においてこの交番磁界が加熱ローラ１およびベルト３の発熱層３ａに作用し、これらの内部では交番磁界の変化を妨げる方向Ｂに渦電流Ｉが流れる。
【００４６】
この渦電流Ｉが加熱ローラ１および発熱層３ａの抵抗に応じたジュール熱を発生させ、主として加熱ローラ１とベルト３との接触領域およびその近傍部において加熱ローラ１および発熱層３ａを有するベルト３が電磁誘導加熱される。
【００４７】
このようにして加熱されたベルト３は、定着ニップ部Ｎの入口側近傍においてベルト３の内面側に当接して配置されたサーミスタなどの熱応答性の高い感温素子からなる温度検出手段５により、ベルト内面温度が検知される。
【００４８】
上記構成によれば、温度検出手段５がベルト３の表面を傷付けることがないので、定着性能が継続的に確保されるとともに、ベルト３の定着ニップ部Ｎに入る直前の温度が検知される。そして、この温度情報を基に出される信号に基づき誘導加熱手段６への投入電力を制御することにより、ベルト３の温度がたとえば１８０℃に安定維持される。
【００４９】
このように、本実施の形態によれば、誘導加熱手段６で加熱された加熱ローラ１で加熱されるベルト３と加圧ローラ４とで定着ニップ部Ｎを形成しているので、画像形成部（図示せず）において記録材１１上に形成されたトナー像Ｔが定着ニップ部Ｎに導入される際には、ベルト３はその表面温度と裏面温度との差が小さくなった状態で定着ニップ部Ｎに送り込まれる。そのため、ベルト表面温度が設定温度に対して過度に高くなる、いわゆるオーバシュートが抑制され、トナー加熱媒体であるベルト３の温度制御を安定して行うことが可能になる。
【００５０】
したがって、定着工程では一定温度に維持されたベルト３がトナー像Ｔと接触するようになり、安定した定着品質を確保することができる。
【００５１】
次に、本実施形態の第２の定着装置について説明する。
【００５２】
図４に示すように、第２の定着装置において、誘導加熱手段１２は、励磁コイル１３と、この励磁コイル１３が巻き回されたコイルガイド板１４と、励磁コイルコア支持部材１６に固定され、励磁コイル１３の外側に近接配置された励磁コイルコア１５とから構成されている。
【００５３】
本装置においては加熱領域は、誘導加熱手段１２は略４分の１円筒形状とし、半円筒状の場合の接触領域よりも短い略半分の領域Ｗ２とされている。
【００５４】
このようにすれば、誘導加熱手段１２を小さくすることができるため、定着装置が小型になって部品コストを削減することができる。
【００５５】
以上のように、本発明によれば、誘導加熱手段で加熱された加熱ローラで加熱されるトナー加熱媒体と加圧ローラとで定着ニップ部を形成しているので、トナー加熱媒体はその表裏面温度の差が小さくなった状態で定着ニップ部に送り込まれることになり、トナー加熱媒体の温度制御を安定して行うことが可能になるという有効な効果が得られる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の効果を総括すれば以下の通りである。
【００５７】
ベルト状のトナー加熱媒体の基材を磁性を有する金属部材で構成すれば、トナー加熱媒体と加熱ローラとの間にギャップが生じてもトナー加熱媒体自体が電磁誘導により発熱するので、温度ムラが少なく高い定着信頼性を得ることが可能になる。
【００５８】
トナー加熱媒体の基材を耐熱性を有する樹脂部材で構成すれば、トナー加熱媒体が加熱ローラの曲率に応じて密着しやすくなるので、加熱ローラの保有する熱をトナー加熱媒体に効率良く伝達することが可能になる。
【００５９】
トナー加熱媒体において、基材を１００μｍから３００μｍの厚さの弾性を有する離型層で被覆すれば、記録材上に形成されたトナー像をトナー加熱媒体の表層部が十分に包み込むようになるので、トナー像を均一に加熱溶融することが可能になる。
【００６０】
誘導加熱手段を加熱ローラとトナー加熱媒体との接触領域と略同じ長さにわたって加熱ローラの外周面に沿って配設すれば、誘導加熱手段により電磁誘導加熱される加熱ローラの領域が最大となり、発熱している加熱ローラ表面とトナー加熱媒体とが接する時間も最大となるので、伝熱効率が高くなる。
【００６１】
誘導加熱手段を加熱ローラとトナー加熱媒体との接触領域より短い長さにわたって加熱ローラの外周面に沿って配設すれば、誘導加熱手段を小さくすることができるので、定着装置が小型になって部品コストを削減することが可能になる。
【００６２】
加熱ローラの外径を定着ローラの外径より小さくすれば、加熱ローラの熱容量が定着ローラの熱容量より小さくなるので、加熱ローラが急速に加熱されてウォームアップ時間を短縮することが可能になる。
【００６３】
定着ニップ部の入口近傍のトナー加熱媒体の内面側に、トナー加熱媒体の温度を検出する温度検知手段を当該トナー加熱媒体と当接して配設すれば、トナー加熱媒体の表面を傷付けることがないので、定着性能が継続的に確保される。さらにトナー加熱媒体の定着ニップ部に入る直前の温度が検知されため、トナー加熱媒体の温度を安定して維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の定着装置を示す説明図
【図２】（ａ）本発明の定着装置における誘導加熱手段の励磁コイルの配置を示す断面図
（ｂ）本発明の定着装置における誘導加熱手段の励磁コイルの配置を示す側面図
【図３】本発明のの定着装置における交番磁界と渦電流の発生を示す説明図
【図４】本発明の他の実施の形態の定着装置を示す説明図
【図５】従来の電磁誘導加熱方式による定着装置を示す模式図
【符号の説明】
１加熱ローラ
２定着ローラ
３ベルト
４加圧ローラ
５温度検出手段
６誘導加熱手段
７励磁コイル
８コイルガイド板
９励磁コイルコア
１０励磁コイルコア支持部材
１１記録材

Claims

磁性金属から構成されて誘導加熱手段による電磁誘導により加熱される加熱ローラと、前記加熱ローラと平行に配置された定着ローラと、前記加熱ローラと前記定着ローラとに張り渡され、前記加熱ローラにより加熱されかつ前記誘導加熱手段による電磁誘導により自体が発熱するとともにこれらのローラによって回転される無端帯状のトナー加熱媒体と、前記定着ローラに圧接されるとともに、前記トナー加熱媒体に対して順方向に回転して定着ニップ部を形成する加圧ローラとを有し、前記加熱ローラの外周面と前記トナー加熱媒体の内面とはギャップのない接触領域を持って接しており、前記誘導加熱手段は、前記加熱ローラの外周面に対向する前記接触領域に配設されていることを特徴とする定着装置。
前記トナー加熱媒体は、基材が磁性を有する金属で構成されていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
前記トナー加熱媒体は、基材が耐熱性を有する樹脂部材で構成されていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
前記トナー加熱媒体は、前記基材の表面が、１００μｍから３００μｍの厚さの弾性層で被覆されていることを特徴とする請求項２または３記載の定着装置。
前記弾性層は離型性を有することを特徴とする請求項４記載の定着装置。
前記誘導加熱手段は、前記加熱ローラと前記トナー加熱媒体との接触領域と略同じ長さにわたって前記加熱ローラの外周面に沿って配設されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の定着装置。
前記誘導加熱手段は、前記加熱ローラと前記トナー加熱媒体との接触領域より短い長さにわたって前記加熱ローラの外周面に沿って配設されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の定着装置。
前記加熱ローラの外径は前記定着ローラの外径より小さく設定されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の定着装置。
前記トナー加熱媒体の表面温度と裏面温度との差が小さくなる前記定着ニップ部の入口近傍の前記トナー加熱媒体の内面側には、温度検知手段が前記トナー加熱媒体と当接して配設されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の定着装置。