JP4956065B2 - 誘導加熱方式を用いた像加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真複写機、静電プリンタ、ファクシミリ等の電子写真プロセスを利用した装置の誘導加熱方式を用いた像加熱装置に関するものである。

円筒状芯金の表面に離型層を有する加熱ローラと、これに圧接し、弾性体層を有する加圧ローラとを備え、記録材上の画像を定着する定着装置が広く使用されている。これは、加熱ローラの表面温度が所定の定着温度で、ニップ部を通過する記録材を熱と圧力によりトナー像を記録材に定着するものである。

従来、この加熱ローラの加熱方式としては、ハロゲンランプを加熱ローラの内部に挿入して、ハロゲンランプをオン・オフ制御して加熱ローラの温度が定着温度に保持する方式があげられる。

しかし、この方式の場合、装置本体の電源投入から定着装置の加熱ローラ表面温度が所定の定着温度に達する迄の立上り時間が長くなる。

また、ハロゲンランプの熱により加熱ローラを間接的に加熱するために、消費電力が大きくなりやすい。

一方、近年においては誘導加熱方式と呼ばれる方式を用いた定着装置が考案されている。この加熱方式は、磁束により定着ローラ自体が発熱するために、立ち上げ時間や熱交換効率でハロゲン方式より優れているとの提案がなされている。

例えば、特許文献１のように高周波電圧が印加されるとコイルから発生する磁束により、磁性を有する鉄系金属からなる加熱ローラの芯金部が発熱する構成が知られている。

また、この誘導加熱方式において特許文献２のように前記加熱ローラ芯金部はキュリー温度が概ね前記定着温度に設定されているものがある。これは、前記加熱ローラ芯金部がキュリー温度に達すると磁性を失うことにより、前記磁性部は昇温せず、一定の定着温度を保持されるというものである。

このような加熱方式であっても、通紙領域の端部は加熱ローラの中央部温度に対して端部温度が極度に低くなるという端部温度ダレが生じる。その結果、通紙される最大サイズ紙を連続で通紙すると加熱ローラ端部では十分な熱量が与えらずトナー像融着不良が発生する。

このため、最大サイズ紙が通紙される領域では、最大加熱ローラ端部の温度ダレを見越した温度でキュリー温度を設定する必要がある。そのためには、最適な定着温度よりも高めのキュリー温度に設定する必要がある。
特公平５−９０２７号公報 特登録０２９７５４３５号公報

一方、コイルは記録材の最大サイズ幅の端部の温度が定着温度を確保できるように、最大サイズ幅よりも広い領域となるように設定される。

しかし、このようにコイルを設定することで、最大サイズ幅よりも外側の領域も同等に加熱されることになる。その結果、定着ローラの端部に配置されているギア等の樹脂部品や電気部品を加熱することなる。その結果、これらの部品が消耗しやすい問題が生じる。

そこで、本発明は、像加熱部材の通紙領域外の部分が発熱しても像加熱部材の端部近傍にある部品への熱の影響を小さくすることを目的とする。

上記目的を達成するために、磁束を生ずるコイルと、前記コイルにより生ずる磁束により発熱し、記録材上の画像を加熱する前記像加熱部材と、前記像加熱部材の温度が予め設定された画像を加熱するための設定温度になるようにコイルへの通電を制御する通電制御手段と、を有する像加熱装置において、前記像加熱部材は、キュリー温度が前記設定温度よりも高い第一領域と、前記第一領域の外側に設けられ、キュリー温度が前記キュリー温度と前記設定温度よりも低い第二領域とを有し、前記第一領域の記録材の搬送方向と直交する方向における幅は、通紙される最大サイズの記録材の幅以上の大きさであり、前記第二領域で磁束により発熱するように前記コイルは前記第二領域内まで延伸して配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、像加熱部材の通紙領域外の部分が発熱しても像加熱部材の端部近傍にある部品への熱の影響を小さくすることができる。

以下に、本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

まず、本発明の像加熱装置が用いられる画像形成装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明に像加熱装置が用いられるデジタルフルカラー複写機の概略図である。以下に図１を用いてデジタルフルカラー複写機のコピー動作について説明する。図中８０は原稿読み取り部で、１０はフルカラー画像形成部である。フルカラー画像形成部１０には４つの画像ステーションが配置され、各画像形成ステーションは像担持体として感光ドラム１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを有する。

また、その周りには専用の帯電手段（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）、画像情報に応じた光を感光ドラムに照射するためのレーザ走査ユニット（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）が配置されている。形成された静電潜像を現像する現像手段（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ）が配置されている。また、転写後に感光ドラム上に残留したトナーを除去するドラムクリーニング手段（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）が配置されている。また、感光ドラム上のトナー像を中間転写体又は記録材に転写するための転写手段（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ）がそれぞれ配置されている。また、５１ａ〜ｄは現像手段１４ａ〜ｄの夫々１対１に対応した現像剤容器で、レーザ走査ユニット１１ａ〜ｄの水平部の直下で、かつ、垂直部に並んで設けられている。円柱形状の現像剤カートリッジを着脱することにより現像剤の補給を行うものである。ここで画像形成ステーションＰａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは夫々シアン画像、マゼンタ画像、イエロー画像、ブラック画像を形成するところである。

一方、各画像形成ステーションＰａ〜Ｐｄを通過する態様で感光ドラム１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの下方に無端ベルト状の中間転写ベルト６１が配置されている。その中間転写ベルト６１は駆動ローラ６２と従動ローラ６３及び６５に張架され、さらに、その表面を清掃するクリーニング手段６４が設けられている。

かかる構成において、まず第１画像形成ステーションＰａの帯電手段１３ａ、レーザ走査ユニット１１ａによる露光により感光ドラム１２ａ上に静電潜像を形成される。該静電潜像は現像手段１５ａでシアントナーを有する現像剤によりシアントナー像として可視像化され転写手段１６ａでシアントナー像が中間転写ベルト６１の表面に転写される。

一方、上記シアントナー像が中間転写ベルト６１上に転写されている間に第２の画像形成ステーションＰｂでは同様にマゼンタトナー像が形成される。そして、先の第１画像形成ステーションＰａで転写が終了した中間転写ベルト６１に転写手段１６ｂにて精度よくマゼンタトナー像が重ねて転写される。

以下、イエロー像、ブラック像についても同様な方法で画像形成が行われ、中間転写ベルト６１に４色のトナー像の重ね合せが行われる。中間転写ベルト上の４色トナー像は２次転写ローラ６６にて、給紙カセット７０内にあって給紙ローラ７１及び搬送ローラ対７２、レジストローラ対７３によりタイミングを合せて搬送された記録材Ｓ上に転写（２次転写）される。そして、２次転写が終了した記録材材Ｓは定着ローラ対７４で転写されたトナー像が加熱定着され、記録材材Ｓにフルカラー画像が得られる。

なお、転写が終了した夫々の感光ドラム１２ａ〜ｄはクリーニング手段１４ａ〜ｄで各ドラムから残留トナーが除去され、引き続き行われる像形成に備えられる。

次に、図２を用いて像加熱部材である加熱ローラ１の断面について以下に説明する。

加熱ローラの導電層である加熱ローラ芯金２は鉄系金属を用いられている。肉厚が薄い場合の加熱ローラ芯金２は通常、平面板の端部を溶接することにより円筒形状にした後、引き伸ばし加工、研磨工程を経て所定の形状に加工される。本実施例においても第一領域である長手方向中央部用加熱ローラ芯金５と第二領域である長手方向端部用芯金６を上記加工法で作製した。

このとき長手方向中央部用加熱ローラ芯金５と長手方向端部用芯金６は同じ鉄系金属であるが、各々異なるキュリー温度を有している。

このキュリー温度は一般的にその母材の化学成分の配合を変更することにより可能である。本実施例においては主に鉄系金属内のＮｉの配合量を変更することによりキュリー温度を変更した。

図４に示すように、記録材の搬送方向と直交する方向における通紙される最大サイズの記録材の通紙領域の幅よりも広い幅である長手方向中央部用加熱ローラ芯金５を設けた。この長手方向中央部用加熱ローラ芯金５の幅は、最大サイズの記録材の通紙領域と同じでもいいが、端部の定着性を確保するためにこの通紙領域よりも広い構成が好ましい。そして、長手方向中央部用加熱ローラ芯金５の領域外で、その両端に長手方向中央部用加熱ローラ芯金６を設けた。本実施例では、両端部の長手方向中央部用加熱ローラ芯金は主に鉄系金属内のＮｉの配合量を同じにして、キュリー温度を等しくするようにした。両端部の芯金のキュリー温度を等しくすることで、左右で通紙領域の温度ムラが生ずることを防止できる。なお、両端のキュリー温度はＮｉの配合量により差が出てくるが、通紙領域の端部の温度差による画像ムラへの影響を小さくするために以下の条件が望ましい。

上記のように第二領域は第一領域の両端に設けられており、一方側の第二領域のキュリー温度をＴＱｅ１、他方側のキュリー温度をＴＱｅ２とし、かつ第一領域のキュリー温度をＴＱｃとする。
０℃≦｜ＴＱｅ１−ＴＱｅ２｜≦１０℃
より好ましくは、
０℃≦｜ＴＱｅ１−ＴＱｅ２｜≦５℃
である。

次に、長手方向端部用芯金６キュリー温度ＴＱｅ１が１００℃になるよう調整してある。ＴＱｅ１は、後述する予め設定された画像を加熱するための設定温度である像加熱温度である１８０℃よりも低い温度である。同様に長手方向中央部用加熱ローラ芯金５のキュリー温度ＴＱｃは２００℃になるように調整した。このキュリー温度ＴＱｃは、非通紙部昇温に備え、像加熱装置の耐熱温度、本実施例ではコイルの被膜の耐熱温度よりも低い温度に設定した。ＴＱｃは、像加熱温度である１８０℃よりも高い温度である。像加熱温度とキュリー温度とを等しい、或いは低くすると、像加熱温度近傍の透磁率は低くなり、発熱効率が低下する問題が生ずるためである。

長手方向中央部用加熱ローラ芯金５と長手方向端部用芯金６との結合４は上記円筒形状化工程と同様に長手方向中央部用加熱ローラ芯金５の両端部と長手方向端部用芯金６の端部を溶接にて加工する。

以後上記同様に引き伸ばし加工、研磨工程を経て所定の形状に加工される。

長手方向中央部用加熱ローラ芯金５と長手方向端部用芯金６はＮｉの配合量のみが異なるだけで、基本的に同じ鉄系金属で構成されているため、お互いの相性がよく溶接強度に劣化は見られない。このようにして、加熱ローラ芯金２は作られる。

上記構成の加熱ローラ芯金２の外周には未定着トナーを溶融させた際に加熱ローラ芯金自身に付着することを防止した離型層３ＰＴＦＥなどが配されている。この加熱ローラ芯金２と離型層３はバインダー層である接着剤１１０により結合されている。

場合により、離型層２と加熱ローラの間に薄ゴム層を有した構成であっても問題ない。

尚、キュリー温度の測定方法は以下のように測定することができる。本実施例では岩通計測株式会社製のＢ−Ｈアナライザー（型番：ＳＹ−８２３２）を用いて測定した。測定試料である定着ローラの一部を測定装置の所定の一次コイルと二次コイルを巻きつけて周波数２０ｋＨｚで測定する。測定試料はコイルが巻きつけられる形状であれば構わない（形状が異なることで透磁率の絶対値は異なるが、キュリー温度は殆ど変わらない）。

試料にコイルを設定したら、恒温室に試料を入れて温度を飽和させ、その温度における透磁率をプロットする。恒温室の温度を変えてやることで透磁率の温度依存性曲線が得られる。このとき透磁率が１となる温度をキュリー温度とする。ここで、透磁率が１となる温度は以下のように求める。恒温室の温度を上昇させていき、ある温度で透磁率が変化しなくなる。この温度を透磁率が１となった温度（キュリー温度）とみなす。

次に、図４の加熱ローラの長手方向におけるコイルと通紙する最大サイズ記録材の幅と長手方向中央部芯金長さとの幅関係について説明する。ここで、通紙する最大サイズ記録材とは、画像形成装置の仕様書等に記載されている記録材のサイズである。本実施例では、コイル幅＞長手方向部芯金長さ＞通紙可能領域の関係となっている。コイル幅と長手方向中央部芯金の長さを通紙可能領域よりも大きくすることで、通紙可能領域の端部の温度だれを防止することができる。更に、コイル幅が長くても、長手方向中央部芯金の長さがコイル幅よりも短い。長手方向端部用芯金はコイルにより発熱しても、キュリー温度が低い温度であるため、大きな温度上昇はないと考えられる。

つまり、本実施例における通紙可能最大寸法は３０５ｍｍであるため、端部の加熱を十分に行えるように両端を５ｍｍずつ長くし、最終的に長手方向中央部用加熱回転体芯金５の長手方向長さは合計３１５ｍｍとした。また、コイル幅はそれぞれ端部の方向に５ｍｍ長くして、３２５ｍｍとした。本実施例においては、通紙可能領域以下であれば様々なサイズの紙を通紙することが可能であるが、紙のサイズが変わっても紙の中央部は常に同一ポイントを通るように設計されている（中央基準）。

次に、図３を用いて誘導発熱体および加熱ローラの関係を説明する。

上記のようにして構成された加熱ローラ１は誘導発熱体として電磁誘導によって加熱ローラ１自体を発熱させる構成となっている。

この加熱ローラ１を発熱させるために、加熱ローラ１の内部に励磁コイル７と磁性体コア８を有する磁束発生手段（コイルユニット）を配置する。そして、この励磁コイル７に高周波電源９aから高周波交流電圧が印加される。また、加熱ローラ１の表面の温度を検知する温度検知部材であるサーミスタ３０４が取り付けられている。このサーミスタの出力がＣＰＵ等の制御部９ｂに送られ、加熱ローラ１の表面温度が予め設定された画像を加熱する設定温度、本実施例では１８０℃になるようにコイルへの通電が制御される。即ち、本実施例では、通電制御手段は、高周波電源９aと制御部９ｂから構成される。こうすることにより磁束発生手段から磁束が発生し、加熱ローラの導電層に渦電流を発生させ、加熱ローラが発熱する。そして、通電制御手段により加熱ローラ１の温度を設定温度に維持することができる。

本実施例では像加熱装置として定着装置とした。加熱ローラ１は記録材を挟持搬送するニップ部１６を形成する加圧部材である加圧ローラ３０２と圧接している。記録材は給送手段により搬送され、トナー像が転写された記録材は定着入口ガイド３０３により上記ニップ部１６に進入する。そして、記録材上のトナー画像が熱と圧力により記録材上に定着される。本実施例の加圧ローラ３０２は、鉄、アルミ等の芯金の上層に弾性層が設けられ、その上層に表面層であるＰＴＦＥ等の離型層が設けられている。

加熱ローラ１は、図６のモータ１７０から発生られた動力をギア１８０を介して回転する。加熱ローラギア１８０から入力された動力は加熱ローラを介し他端の加熱ローラギアを介して他の部品を駆動させている場合もある。

この加熱ローラ１に接続された加熱ローラギア１８０は従来技術のハロゲン方式の場合だと耐熱温度が２３０℃程度のものを要求されていたが、本発明により耐熱温度が１００℃の樹脂を使用することが可能となった。同様に、前記加熱ローラ駆動用モータおよびその周辺電気部品においても同様なことが言えるだけでなく、像加熱装置との距離を近づけることができた。

本実施例では、加熱ローラ１の材質の一例として鉄系金属を挙げたが、強磁性の物質を用いることも可能である。鉄系金属のほかに例えばニッケル、コバルトなどの金属が適している。これらの強磁性の物質（透磁率の大きい金属）を用いることで、磁束発生手段から発生する磁束を、強磁性の金属内により多く拘束、即ち磁束密度を高くすることができる。これにより、効率的に強磁性金属の表面に渦電流を発生させ、発熱させられる。

加熱ローラの製法は上記の製法に限らず、以下の製法であってもいい。肉厚が極端に薄い場合の加熱回転体の芯金２は通常、電鋳法という製法で作られる。例えば、純度の高い金属原料、本実施例においてはＮｉ原料を電気炉で完全に溶融し，耐火性の鋳型に注入して所定の形状に鋳造することによって成形した。本実施例においては長手方向中央部用加熱回転体芯金５と長手方向端部用芯金６との結合は接着にて行う。

次に、本実施例と従来例の温度分布のデータを図５として表す。

このデータは特登録０２９７５４３５号を従来例１とし、キュリー温度を高めに設定したものを従来例２とし、磁束発生手段を広げかつ加熱領域を広げる構成にしたものを従来例３と本発明との比較データである。横軸に加熱ローラ長手位置、縦軸に各ポイントの加熱ローラ表面温度を表したものである。

（従来例１の場合）
本実験結果によれば、従来例１の場合中央部の温度を１８０℃に設定すると通紙最大領域においては１５５℃前後となり、定着不良を起こす温度にまで低下している。

（従来例２の場合）
通紙最大領域の温度を１８０℃を維持しようとした場合、中央部の温度が２０５℃必要になり、不必要に温度が高くなり、高温オフセットと呼ばれる現象が出た場合もあった。この高温オフセットとは、溶け過ぎたトナーが定着ローラ側に付着してしまう現象で、次の用紙の画像汚れを引き起こす。

（従来例３の場合）
磁束発生手段を広げかつ加熱領域を広げることにより、中央部の温度および通紙最大領域の温度は適切な温度を維持することが可能となった。しかし、加熱ローラギア締結部の温度が１８０℃程度にまで上昇している。この高温度環境下で摺動性を有する樹脂および電気部品は非常に高価なものとなり、今日のローコストに対するニーズに合わない。加熱ローラギアの取り付け位置を、本発明で求めている温度にまで温度が下がる領域まで変更した場合、画像形成装置本体の大きさが極めて大きくなる。

上記従来例に対して本実施例の場合、磁束発生手段（コイル）を広げかつ加熱領域を広げることにより、中央部の温度および通紙最大領域の温度は適切な温度を維持することが可能となった。

また、加熱ローラギア締結部の温度が１００℃程度で抑えることが可能となり、比較的安価な樹脂材および電気部品を選定することが可能となった。

本実施例では、設定温度を１８０℃とした構成あるが、複数の設定温度を有する場合には、第一領域のキュリー温度は一番高い設定温度よりも高くする構成がいい。また、第二領域のキュリー温度は一番低い設定温度よりも低い温度にしても問題ない。

また、本願発明は第二領域として長手方向端部用芯金６を用いたが、更に第一領域のキュリー温度よりも低い温度のキュリー温度を持つ第三領域を第一領域外に新たに設ける構成であっても問題ない。

以上本発明によれば、像加熱部材の通紙領域外の部分が発熱しても像加熱部材の端部近傍にある部品への熱の影響を小さくすることができる。

また、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の技術思想内であらゆる変形が可能である。

本実施例における画像形成装置の概略図 本実施例における加熱ローラの断面図 本実施例における定着装置の断面を表した図 本実施例における加熱ローラの長手断面図 本実施例および従来例における定着ローラ表面温度を示したグラフ 本実施例における定着装置の長手方向を表した図

符号の説明

１ 加熱ローラ
２ 加熱ローラ芯金
３ 離型層
４ 第一部材と第二部材との溶接部
５ 長手方向中央部芯金（第二部材、第三部材）
６ 長手方向端部芯金（第一部材）
７ 励磁コイル
８ 磁性体コア
９ａ 高周波電源
９ｂ 制御部
１６０ ニップ部
１７０ モータ
１８０ 加熱ローラギア

Claims (3)

1. 磁束を生ずるコイルと、前記コイルにより生ずる磁束により発熱し、記録材上の画像を加熱する前記像加熱部材と、前記像加熱部材の温度が予め設定された画像を加熱するための設定温度になるようにコイルへの通電を制御する通電制御手段と、を有する像加熱装置において、
   前記像加熱部材は、キュリー温度が前記設定温度よりも高い第一領域と、前記第一領域の外側に設けられ、キュリー温度が前記キュリー温度と前記設定温度よりも低い第二領域とを有し、前記第一領域の記録材の搬送方向と直交する方向における幅は、通紙される最大サイズの記録材の幅以上の大きさであり、前記第二領域で磁束により発熱するように前記コイルは前記第二領域内まで延伸して配置されていることを特徴とする像加熱装置。
2. 前記第二領域は前記第一領域の両端に設けられることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
3. 前記第二領域は前記第一領域の両端に設けられており、一方側の第二領域のキュリー温度をＴＱｅ１、他方側のキュリー温度をＴＱｅ２とし、かつ前記第一領域のキュリー温度をＴＱｃとした場合、前記ＴＱｅ１とＴＱｅ２およびＴＱｃとの関係が、
   ０℃≦｜ＴＱｅ１−ＴＱｅ２｜≦１０℃、かつＴＱｅ１＜ＴＱｃおよびＴＱｅ２＜ＴＱｃを満たすことを特徴とする請求項１または請求項１または請求項２に記載の像加熱装置。

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