JP5061672B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、着装置及び画像形成装置に関する。
従来、電子写真方式を用いて画像形成を行うプリンタや複写機等の画像形成装置において、記録用紙上に転写されたトナー像を、ハロゲンヒータ等の熱源を備えた定着ローラ又は定着ベルトと加圧ローラとで形成されるニップ部に通して、熱と圧力の作用でトナーを溶融して定着する定着装置が利用されている。
一方、熱源として、通電により磁界を発生するコイルと、磁界の電磁誘導により渦電流が生じて発熱する発熱体とを用いた電磁誘導発熱方式の定着装置がある。
電磁誘導発熱方式を用いた定着装置の第1例として、所定のキュリー温度を有する感温磁性材料で構成され、励磁コイルで発生する磁界の電磁誘導作用で発熱する発熱ローラと、定着ローラとでベルトを懸架し、発熱ローラ内に回転移動可能な導電性部材を配置した定着装置がある(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の定着装置は、発熱ローラの昇温時には導電性部材を励磁コイルと対向しない位置に移動させ、所定の温度まで上昇したら、導電性部材を励磁コイルと対向する位置に移動させて、特に非通紙部における発熱ローラの温度上昇を防いでいる。
電磁誘導発熱方式を用いた定着装置の第2例として、電磁誘導により発熱する発熱部材の所定領域の温度を低下させる温度低下部材と、所定領域の温度に関する情報を検知する温度検知手段と、温度低下部材を移動させる移動手段と、を有する定着装置がある(例えば、特許文献2参照)。
特許文献2の定着装置は、温度検知手段の検知結果に基いて移動手段が温度低下部材を移動させて温度調整している。
電磁誘導発熱方式を用いた定着装置の第3例として、磁束発生手段で誘導加熱される加熱部材と、加熱部材に作用する磁束を幅方向の所定の調整範囲で低下させる磁束調整部材と、磁束調整部材を駆動する可変手段と、を有する定着装置がある(例えば、特許文献3参照)。
特許文献3の定着装置は、可変手段が、複数の記録媒体に対して連続的に定着をおこなっている間に,磁束調整部材を所定位置に駆動制御して温度調整している。
電磁誘導発熱方式を用いた定着装置の第4例として、発熱幅の異なる複数の摺動面からなる摺動部材を有する定着装置がある(例えば、特許文献4参照)。
特許文献4の定着装置は、摺動部材が、発熱幅の異なる複数の摺動面を回転軸方向に有し、この複数の摺動面を切替えることで温度調整している。
特許3527442 特開2005−208624 特開2006−071960 特開2005−148350
本発明は、設定温度以上の温度上昇を抑えることができる着装置及び画像形成装置を得ることを目的とする。
本発明の請求項1に係る定着装置は、磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁界発生手段と対向配置され、前記磁界の電磁誘導により発熱する発熱層と、前記発熱層の設定温度以上で且つ前記発熱層の耐熱温度以下のキュリー温度を有し、前記発熱層を介して前記磁界発生手段と反対側に該発熱層から熱が伝導されるように配置され、前記キュリー温度より低い温度では前記発熱層から前記磁界を侵入させ、前記キュリー温度以上の温度では前記磁界の磁束を貫通させる感温層と、を有する発熱体と、前記発熱体に内側が接し、両端部が回転可能に支持された無端状の定着部材と、前記定着部材の内側に配置された支持体と、前記定着部材を前記支持体へ加圧し、回転させるとともに該定着部材との間を通過する記録媒体上の現像剤像を該記録媒体へ定着させる加圧回転体と、を備え、前記感温層の前記発熱層側の表面部に、前記定着部材の周方向に沿って形成される溝部又は空隙を設けたことを特徴としている。ここで、キュリー温度とは、キュリー点、キューリー点、キューリー温度とも称され、この温度以上になると磁性が消失し、非磁性体(常磁性体)になる温度を示す。また、発熱層の設定温度とは、加熱動作を開始するときの発熱層の表面温度のことを意味する。また、発熱層の耐熱温度とは、連続して使用したときに、発熱層の構成材料が劣化して機能を損なう温度、あるいは、発熱層の変形が発生する温度である。
本発明の請求項2に係る定着装置は、磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁界発生手段と対向配置され、前記磁界の電磁誘導により発熱する発熱層と、前記発熱層の設定温度以上で且つ前記発熱層の耐熱温度以下のキュリー温度を有し、前記発熱層を介して前記磁界発生手段と反対側に該発熱層から熱が伝導されるように配置された感温層とを有する発熱体と、前記発熱体に内側が接し、両端部が回転可能に支持された無端状の定着部材と、前記定着部材の内側に配置された支持体と、前記定着部材を前記支持体へ加圧し、回転させるとともに該定着部材との間を通過する記録媒体上の現像剤像を該記録媒体へ定着させる加圧回転体と、を備え、前記感温層の前記発熱層側の表面部に、前記定着部材の周方向に沿って形成される溝部又は空隙が設けられ、前記感温層のキュリー温度以下では下記の(A)式および(B)式を満たし、該感温層のキュリー温度をこえる場合には、下記の(A)式および(C)式を満たすことを特徴としている。






(ρ1[Ωm]、t1[m]、μr1はそれぞれ発熱層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、ρ2[Ωm]、δ[m]、μr2はそれぞれ感温層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、f[Hz]は磁界発生手段の交番磁界の周波数)。
本発明の請求項に係る定着装置は、前記無端状の定着部材の内部に前記磁界の電磁誘導により発熱する定着部材内発熱層を有することを特徴としている。
本発明の請求項に係る定着装置は、前記発熱体の発熱層と前記定着部材内発熱層が下記(D)式の関係を満たすことを特徴としている。


(ρ0[Ωm]、t0[m]、μr0はそれぞれ定着部材内発熱層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、ρ1[Ωm]、t1[m]、μr1はそれぞれ発熱層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、f[Hz]は磁界発生手段の交番磁界の周波数)。
本発明の請求項に係る定着装置は、前記発熱体の前記磁界発生手段と反対側に、前記発熱体と非接触で非磁性体からなる非磁性部材を設けたことを特徴としている。
本発明の請求項に係る定着装置は、前記非磁性部材が前記支持体を支持することを特徴としている。
本発明の請求項7に係る定着装置は、前記発熱層及び前記感温層が、前記磁界発生手段と対向する範囲のみに配置されていることを特徴としている。
本発明の請求項に係る画像形成装置は、請求項から請求項のいずれか1項に記載の定着装置と、前記定着装置の前記定着部材の温度を検知する検知手段と、前記検知手段で得られた温度が所定の温度となるように前記磁界発生手段を制御する制御手段と、を有することを特徴としている。
本発明の請求項9に係る画像形成装置は、前記検知手段は前記磁界発生手段と対向しない領域に設けられていることを特徴としている。本発明の請求項10に係る画像形成装置は、前記検知手段は前記定着部材の中央部に配置されたことを特徴としている。
請求項1および請求項2の発明では、本発明の発熱体を有さない場合と比較して、発熱層の設定温度以上の温度上昇を抑えることが可能な定着装置を提供できる。さらに、感温層の自己発熱の抑制や、定着部材を過剰に過熱することがなくなる。
請求項の発明は、定着部材内の発熱層も発熱する為に、定着動作開始から定着可能になるまでの待機時間を短縮できる。
請求項の発明は、本構成を有さない場合に比べて、定着部材内発熱層と発熱体の発熱層の両方を十分発熱させることが可能となる。
請求項の発明は、本構成を有さない場合に比べて、発熱層の過剰な温度上昇を抑制することができる。
請求項の発明は、支持体を支持する部材を別途設ける必要がなくなり、小型化及び低コスト化が可能となる。請求項7の発明は、本構成を有さない場合に比べて、定着部材を過剰に過熱することがなくなる。
請求項8の発明は、本構成を有さない場合に比べて、定着部材の温度が変化しにくく、画像の光沢ムラを小さくすることが可能な画像形成装置を提供することができる。
請求項9の発明は、本構成を有さない場合に比べて、定着部材の温度が変化しにくく、画像の光沢ムラを小さくすることが可能な画像形成装置を提供することができる。請求項10の発明は、本構成を有さない場合に比べて、記録媒体のサイズが小さくなっても定着部材における記録媒体の通過領域と非通過領域の温度差を低減することが可能となる。
本発明の加熱装置、定着装置、及び画像形成装置の第1実施形態を図面に基づき説明する。
図1には、画像形成装置としてのプリンタ10が示されている。
プリンタ10において、プリンタ10の本体を構成する筐体12に光走査装置54が固定されており、光走査装置54に隣接する位置に、光走査装置54及びプリンタ10の各部の動作を制御する制御ユニット50が設けられている。
光走査装置54は、図示しない光源から出射された光ビームを回転多面鏡(ポリゴンミラー)で走査し、反射ミラー等の複数の光学部品で反射して、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、及び ブラック(K)の各トナーに対応した光ビーム60Y、60M、60C、60Kを出射するようになっている。
光ビーム60Y、60M、60C、60Kは、それぞれ対応する各感光体20Y、20M、20C、20Kに導かれる。
プリンタ10の下方側には、記録用紙Pを収納する用紙トレイ14が設けられている。用紙トレイ14の上方には、記録用紙Pの先端部位置を調整する一対のレジストローラ16が設けられている。
プリンタ10の中央部には、画像形成ユニット18が設けられている。画像形成ユニット18は、前述の4つの感光体20Y、20M、20C、20Kを備えており、これらが上下一列に並んでいる。
感光体20Y、20M、20C、20Kの回転方向上流側には、感光体20Y、20M、20C、20Kの表面を帯電する帯電ローラ22Y、22M、22C、22Kが設けられている。
また、感光体20Y、20M、20C、20Kの回転方向下流側には、Y、M、C、Kの各トナーをそれぞれ感光体20Y、20M、20C、20K上に現像する現像器24Y、24M、24C、24Kが設けられている。
一方、感光体20Y、20Mには第1中間転写体26が接触し、感光体20C、20Kには第2中間転写体28が接触している。そして、第1中間転写体26、第2中間転写体28には第3中間転写体30が接触している。
第3中間転写体30と対向する位置には、転写ロール32が設けられている。転写ロール32と第3中間転写体30との間を記録用紙Pが搬送され、第3中間転写体30上のトナー画像を記録用紙Pに転写させる。
記録用紙Pが搬送される用紙搬送路34の下流には、定着装置100が設けられている。定着装置100は、定着ベルト102と加圧ロール104を有しており、記録用紙Pを加熱・加圧してトナー画像を記録用紙P上に定着させる。
トナー画像が定着された記録用紙Pは、用紙搬送ロール36でプリンタ10の上部に設けられたトレイ38に排出される。
ここで、プリンタ10の画像形成について説明する。
画像形成が開始されると、各感光体20Y〜20Kの表面が帯電ローラ22Y〜22Kによって一様に帯電される。
光走査装置54から出力画像に対応した光ビーム60Y〜60Kが、帯電後の感光体20Y〜20Kの表面に照射され、感光体20Y〜20K上に各色分解画像に応じた静電潜像が形成される。
この静電潜像に対して、現像装置24Y〜24Kが選択的に各色、すなわちY〜Kのトナーを付与し、感光体20Y〜20K上にY〜K色のトナー画像が形成される。
その後、マゼンタ用の感光体20Mから第1中間転写体26にマゼンタのトナー画像が一次転写される。また、イエロー用の感光体20Yから第1中間転写体26にイエローのトナー画像が一次転写され、第1中間転写体26上で前記マゼンタのトナー画像に重ね合わされる。
一方、同様にブラック用の感光体20Kから第2中間転写体28にブラックのトナー画像が一次転写される。また、シアン用の感光体20Cから第2中間転写体28にシアンのトナー画像が一次転写され、第2中間転写体28上で前記ブラックのトナー画像に重ね合わされる。
第1中間転写体26へ一次転写されたマゼンタとイエローのトナー画像は、第3中間転写体30へ二次転写される。一方、第2中間転写体28へ一次転写されたブラックとシアンのトナー画像も、第3中間転写体30へ二次転写される。
ここで先に二次転写されているマゼンタ 、イエローのトナー画像と、シアンおよびブラックのトナー画像とが重ね合わされ、カラー(3色)とブラックのフルカラートナー画像が第3中間転写体30上に形成される。
二次転写されたフルカラートナー画像は、第3中間転写体30と転写ロール32との間のニップ部に達する。そのタイミングに同期して、レジストロール16から記録用紙Pが当該ニップ部分に搬送され、記録用紙P上にフルカラートナー画像が三次転写(最終転写)される。
この記録用紙Pは、その後、定着装置100に送られ、定着ベルト102と加圧ロール104とのニップ部を通過する。その際、定着ベルト102と加圧ロール104とから与えられる熱と圧力との作用により、フルカラートナー画像が記録用紙Pに定着する。定着後、記録用紙Pは用紙搬送ロール36によりトレイ38に排出され、記録用紙Pへのフルカラー画像形成が終了する。
次に、本実施形態に係る定着装置100について説明する。
図2aに示すように、定着装置100は、記録用紙Pの進入又は排出を行うための開口が形成された筐体126を備えている。
筐体126の内部には、矢印D方向へ回転する無端状の定着ベルト102が設けられている。
図2bに示すように、定着ベルト102は、内側から外側に向けて基層134、弾性層132、及び離型層130で構成されており、これらが積層され一体となっている。
基層134は、定着ベルト102の機械強度を保持でき、また、それ自体が電磁誘導により発熱しにくい非磁性体(比透磁率が概ね1の常磁性体)で構成されることが好ましい。このため、本実施形態では非磁性SUSを用いており、厚さは50μmとしている。
弾性層132は、優れた弾性と耐熱性が得られる等の観点から、シリコン系ゴム、又はフッ素系ゴムが好ましく、本実施形態ではシリコンゴムを用いている。本実施形態では、弾性層132の厚さを200μmとしている。
離型層130は、記録用紙P上で溶融されたトナーT(図2a参照)との接着力を弱めて、記録用紙Pを定着ベルト102から剥離し易くするために設けられる。優れた表面離型性を得るためには、離型層130として、フッ素樹脂、シリコン樹脂、又はポリイミド樹脂を用いることが好ましく、本実施形態ではPFA(四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂)を用いている。離型層130の厚さは10μmとしている。
図2aに示すように、定着ベルト102の外周面と対向する位置には、絶縁性の材料で構成されたボビン108が配置されている。ボビン108と定着ベルト102との間隔は1〜3mm程度となっている。ボビン108は、定着ベルト102の外周面に倣った略円弧状に形成されており、凸部108Aが突設されている。
ボビン108には、励磁コイル110が、凸部108Aを中心として軸方向(図2aの紙面奥行き方向)に複数回巻き回されている。励磁コイル110は、後述の通電回路144によって通電され、磁界Hを発生するようになっている。
励磁コイル110と対向する位置には、ボビン108の円弧状に倣って略円弧状に形成された磁性体コア112が配置され、ボビン108に支持されている。
一方、定着ベルト102の内側には、定着ベルト102の内周面と面接触し、発熱して定着ベルト102を定着設定温度まで昇温する発熱体118が設けられている。
ここで、励磁コイル110(後述の通電回路144を含む)と発熱体118で、加熱装置200が構成されている。
また、定着ベルト102の内側には、発熱体118と非接触で誘導体114が設けられている。誘導体114と発熱体118との間は1.0〜1.5mm離れている。
誘導体114は、非磁性体であるアルミニウムからなり、発熱体118と対向する円弧部114Aと、円弧部114Aと一体で形成される柱部114Bとで構成され、両端が定着装置100の図示しない筐体に固定されている。また、誘導体114の円弧部114Aは、定着ベルト102を磁界Hの磁束が貫通した場合に、磁界Hの磁束を誘導する位置に予め配置されている。
誘導体114の柱部114Bの端面には、定着ベルト102を所定の圧力で外側に向けて押圧するための押圧部材116が固定されている。これにより、誘導体114と押圧部材116をそれぞれ支持する部材を設ける必要がなく、定着装置100の小型化が可能となっている。
押圧部材116は、ウレタンゴム又はスポンジ等の弾性を有する部材で構成され、一端面が定着ベルト102の内周面と接触して定着ベルト102を押圧している。
一方、定着ベルト102の外周面と対向する位置には、定着ベルト102を押圧部材116に向けて加圧するとともに、図示しないモータ及びギアからなる駆動機構により矢印E方向に回転する加圧ロール104が配置されている。
加圧ロール104は、アルミニウム等の金属からなる芯金106の周囲に、シリコンゴム及びPFAが被覆された構成となっている。また、加圧ロール104は、図示しないソレノイド等の電磁スイッチ、又はカム機構を用いて矢印A、B方向に移動可能となっており、矢印A方向に移動したときは定着ベルト102の外周面と接触して加圧し、矢印B方向に移動したときは定着ベルト102の外周面から離間するようになっている。
ここで、加圧ロール104が定着ベルト102を押圧部材116側に加圧すると、定着ベルト102と加圧ロール104の接触部(ニップ部)において、定着ベルト102に凹部103が形成され、凹部103の両側に凸部105が形成される。
このニップ部の形状は、トナーTが載った記録用紙Pが通過するときに、定着ベルト102から記録用紙Pを剥離させる方向に湾曲した形状となっている。このため、矢印IN方向から搬送されてきた記録用紙Pは、それ自体の腰の強さでニップ部の形状に倣って矢印OUT方向に排出される。
また、押圧部材116は、定着ベルト102を加圧ロール104側に押圧するとともに定着ベルト102の内周面に倣って湾曲し、ニップ部の面積を広げている。
定着ベルト102の表面で、励磁コイル110と対向しない領域で且つ記録用紙Pの排出側の領域には、定着ベルト102表面の温度を測定するサーミスタ124が接触して設けられている。サーミスタ124の接触位置は、記録用紙Pのサイズの大小によって測定値が変わらないように、定着ベルトの軸方向(図2の紙面奥行き方向)の略中央部となっている。
サーミスタ124は、定着ベルト102表面から与えられる熱量に応じて抵抗値が変化することで、定着ベルト102表面の温度を計測する。
図3に示すように、サーミスタ124は、配線138を介して、前述の制御ユニット50(図1参照)の内部に設けられた制御回路140に接続されている。また、制御回路140は、配線142を介して通電回路144に接続されており、通電回路144は、配線146、148を介して前述の励磁コイル110に接続されている。
ここで、制御回路140は、サーミスタ124から送られた電気量に基づいて定着ベルト102表面の温度を測定し、この測定温度と予め記憶させてある定着設定温度(本実施形態では170℃)と比較する。そして、測定温度が定着設定温度よりも低い場合は、通電回路144を駆動して励磁コイル110に通電し、磁気回路としての磁界H(図2a参照)を発生させる。一方、測定温度が定着設定温度よりも高い場合は、通電回路144を停止するようになっている。
通電回路144は、制御回路140から送られる電気信号に基づいて駆動又は駆動停止され、配線146、148を介して励磁コイル110に所定の周波数の交流電流を供給(矢印方向)又は供給停止するようになっている。周波数は20kHz以上が望ましく、20kHz以下であると人間の可聴域内に入るため、振動音の発生が問題になる。また、100kHz以上であると、汎用電源が使用できなくなり、損失やノイズも増えやすくなる点や、電源が大型化するなどの理由から実用的でない。
次に発熱体118について説明する。
図2a及び図2bに示すように、発熱体118は、定着ベルト102の内周面と面接触する発熱層120と、発熱層120の裏側(定着ベルト102と反対側)に配置される感温層122とで構成されており、これらが積層され一体となっている。
発熱層120は、磁界H(図2a参照)を打ち消す磁界を生成するように渦電流が流れる電磁誘導作用により発熱する金属材料であり、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、亜鉛、錫、鉛、ビスマス、ベリリウム、アンチモン、又はこれらの合金の金属材料を用いることができる。本実施形態では、固有抵抗を2.7×10−8Ωcm以下に小さくして必要な発熱量を効率よく得ること、及び低コストの観点から、発熱層120として銅を用いている。
また、発熱層120の厚さは、定着装置100のウォームアップ時間を短くするためにできるだけ薄くした方がよく、2μm〜20μmであることが好ましい。このため、本実施形態では発熱層128の厚さを10μmとしている。
一方、感温層122は、鉄、ニッケル、シリコン、ホウ素、ニオブ、銅、ジルコニウム、コバルト等の金属、又はこれらの合金からなる金属軟磁性材料で構成される。
また、感温層122は、定着ベルト102の耐熱温度(熱による変形が始まる温度)以下で、定着装置100の定着設定温度(定着ベルト102で必要とされる定着温度)以上の温度領域にキュリー温度を有するものが用いられる。本実施形態では、耐熱温度240℃、定着設定温度170℃として、キュリー温度が230℃程度のFe−Ni合金を用いている。
なお、本実施形態では、定着装置100における定着設定温度と、加熱装置200における加熱設定温度は、同様のものとして記載している。
感温層122は、キュリー温度より低い温度では強磁性体となり、磁界H(図2a参照)を侵入させる。また、キュリー温度より高い温度では常磁性体となり、磁界Hの磁束を容易に貫通させるようになっている。さらに、感温層122は、励磁コイル110と反対側へ発熱層120側からの熱が伝導されるように配置されている。
感温層122の厚さは、定着装置100のウオームアップ時間短縮、及び感温機能(定着ベルトや発熱層120の温度がキュリー温度付近に達したことを検知して、その温度付近を境に強磁性体から常磁性体に変化して磁束を弱めて定着ベルト102や発熱層120の温度上昇を抑制する機能)を適切に発現させるため、50μm〜300μmが好ましい(感温磁性金属(整磁合金など)は、Fe−Ni合金や、Fe−Ni−Cr合金などからなるため、固有抵抗は一般に50〜100×10−8Ω・mの範囲にあり、厚さ600μmあれば発熱体118として使用される)。
感温層122は、ウオームアップ短縮の観点から熱容量が小さくなるように薄い方が望ましく、また、感温層122自体は発熱し難いものが望ましい。
感温層122は、300μm以上であるとキュリー温度より高い状態において発熱しやすくなってしまう。本実施形態における感温層122は、定着ベルト102や発熱層120の温度が高くなりすぎる状態を抑制するためのいわゆるセンサーの機能役割を果たすようにするため、自己発熱によって感温層122自体が定着ベルト102や発熱層120より先にキュリー温度に達してしまうような状態がおこらないようにしなければならない。
キュリー温度より高い状態においては、感温層122には磁束が容易に貫通する状態になるため、層厚さが300μmより大きくなれば、感温層122はより発熱しやすい状態になる。
また、感温層122の厚さがあまりに薄すぎると磁束が貫通しやすくなってしまうため、30μm以上が望ましい。
ここで、感温機能が発現するためには、磁界が侵入できるおおよその深さを示す表皮深さδ0が、感温層122の最大厚さ(好ましいとされる最大厚さ)300μm以下が望ましい。
感温層122の表皮深さδ0は(1)式で与えられる。


(1)式において、ρ1は感温層122の固有抵抗(電気抵抗率)、fは周波数、μr2は感温層122の比透磁率(室温)である。
いま、感温層122の表皮深さδ0を300μmとして、感温層122の厚みδが、δ≦300μmとなる固有抵抗と比透磁率をf≧20kHzを必要条件として、(1)式に基づいて求めると、例えばρ1=70×10-8Ωmの場合、少なくとも比透磁率μr2≧100が必要となる。この条件を満たす材料を適宜選定すればよい。
また、感温層122の最小厚さ(好ましいとされる最小厚さ)30μmとするためには、例えばρ1=70×10-8Ωmである材料を使用する場合、f≧20kHzを必要条件として、μr2は10000以上にすればδ≦30μmとなる。例えばρ1=70×10-8Ωmである材料の透磁率が400であった場合、この材料の比透磁率を10000以上にするためには材料を熱処理するなどして高透磁率化できる。
なお、本実施形態における感温層の厚さは100μmとしている。
次に、本発明の第1実施形態の作用について説明する。
図1〜図3に示すように、前述のプリンタ10の画像形成工程を経て、トナーTが転写された記録用紙Pが定着装置100に送られる。
定着装置100において、前述の制御ユニット50の制御により、定着ベルト102表面の温度が定着設定温度に到達するまでは、加圧ロール104が定着ベルト102表面から離間されており、定着ベルト102表面の温度が定着設定温度に到達すると、加圧ロール104が移動して定着ベルト102表面に接触する。
定着ベルト102表面の温度は、加圧ロール104との接触により一時的に低下するが、発熱層128が継続して発熱することで、定着設定温度に到達する。
このように、定着ベルト102の昇温時に加圧ロール104が接触しておらず、定着ベルト102単体で昇温できるので、定着ベルト102と加圧ロール104とが接触した状態で昇温するよりも、ウォームアップ時間を短くすることができる。
続いて、定着装置100では、加圧ロール104が矢印E方向への回転駆動を開始し、定着ベルト100がそれに従動して矢印D方向へ回転する。このとき、前述の制御回路140からの電気信号に基づいて通電回路144が駆動され、加熱装置200の励磁コイル110に交流電流が供給される。
励磁コイル110に交流電流が供給されると、励磁コイル110の周囲に磁気回路としての磁界H(図2a参照)が生成消滅を繰り返す。
そして、磁界Hが加熱装置200における発熱体118の発熱層120を横切ると、磁界Hの変化を妨げる磁界が生じるように発熱層120に渦電流(図示せず)が発生する。
発熱層120は、発熱層120の表皮抵抗、及び発熱層120を流れる渦電流の大きさに比例して発熱し、これによって定着ベルト102が加熱される。
定着ベルト102表面の温度は、図3に示すようにサーミスタ124で検知され、定着設定温度170℃に到達していない場合は、制御回路140が通電回路144を駆動制御して励磁コイル110に所定の周波数(20kHz〜100kHz)の交流電流を通電する。また、定着設定温度に到達している場合は、制御回路140が通電回路144の制御を停止する。
続いて、図2に示すように、定着装置100に送り込まれた記録用紙Pは、発熱層120が発熱して所定の定着設定温度(170℃)となっている定着ベルト102と、加圧ロール104とによって加熱押圧され、トナー画像が記録用紙P表面に定着される。
記録用紙Pは、定着ベルト102と加圧ロール104との間のニップ部から送り出されるとき、それ自体の剛性によってニップ部に沿った方向に直進しようとするため、定着ベルト102から剥離される。
定着装置100から排出された記録用紙Pは、用紙搬送ロール36によりトレイ38に排出される。
ここで、感温層122の作用について説明する。
図4aは、感温層122の温度が感温層122のキュリー温度以下の場合を表しており、図4bは、感温層122の温度が感温層122のキュリー温度を超えた場合を表している。
図4aに示すように、感温層122の温度がキュリー温度以下の場合は、感温層122が強磁性体であるため、発熱層120を貫通した磁界H1は、感温層122に侵入して閉磁路を形成し、磁界H1を強める。これにより、発熱層120の発熱量を十分得られる。
一方、図4bに示すように、感温層122の温度がキュリー温度を超えた場合は、感温層122が磁性体から常磁性体化するため、磁界H2が弱まるとともに、磁界H2は感温層122を容易に貫通できるようになる。
本実施形態の如くキュリー温度を境に発熱層120を貫通した磁界H1の感温層122の貫通状態を異ならせるためには、発熱層120の厚みt1と感温層122の厚みδが、感温層122のキュリー温度以下では下記の(2)式および(3)式を満たし、感温層122のキュリー温度をこえる場合には、下記の(2)式および(4)式を満たすことが必要となる。






(ρ1、t1、μr1はそれぞれ発熱層120の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、ρ2、δ、μr2はそれぞれ感温層122の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、fは磁界発生手段(励磁コイル110)の交番磁界の周波数)。
磁界H2は、感温層122を容易に貫通した後、さらに誘導体114に向かう。磁界H2は、最も渦電流の流れやすい誘導体114に誘導されるため、発熱層120の渦電流量が小さくなる。すなわち、誘導体114が非磁性体で磁界H2が貫通されるので、閉磁路を形成しにくくなり、結果的に磁束密度が減少し、磁界H2がさらに弱まって、発熱層120の発熱量が低減される。これにより、定着ベルト102が感温層122のキュリー温度付近を境に過剰に加熱されることがなくなる。
なお、誘導体114表面では一部の磁束によって渦電流が生じて発熱する場合もあるが、定着ベルト102と非接触のため、発熱体118や、定着ベルト102から熱を奪うことがないため、ウオームアップタイムに影響は及ぼさない。
次に、本発明の加熱装置、定着装置、及び画像形成装置の第2実施形態を図面に基づき説明する。
なお、前述した第1実施形態と基本的に同一の部品には、前記第1実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
図5aは、前述の第1実施形態における発熱層120と感温層122を模式的に平板状に示したものである。なお、感温層122の状態を示すため、発熱層120は想像線で示している。
図5aに示すように、磁界Hが発生すると、感温層122の上部にも渦電流B1が生じる。渦電流B1は、感温層122が連続体となっている範囲で、大きな流路を形成する。
一方、図5bに示すように、本実施形態では、前述の感温層122と同様の材質で構成される感温層154の発熱層120側の表面部153に、前記定着部材の周方向に沿って幅d1の溝部155が形成されている。
溝部155の位置は、定着ベルト102の軸方向における小サイズの記録用紙P(図1参照)の両端部に相当する位置となっている。これにより、感温層154は、中央部と両端部の2つの領域に区分される。
溝部155は、渦電流B2が前述の渦電流B1よりも小さくなるように所定の幅d1及び所定の深さで形成されている。
また、図5cに示すように、感温層156は、前述の感温層122と同様の材質で構成され、小サイズの記録用紙P(図1参照)の両端部に相当する位置に、幅d2の空隙部157が形成されている。これにより、感温層156は、小サイズの記録用紙Pの通過領域に相当する中央部感温層156Bと、小サイズの記録用紙Pの非通過領域に相当する端部感温層156A、156Cに区分される。
空隙部157は、渦電流B3が前述の渦電流B1よりも小さくなるように所定の幅d2で形成されている。本実施形態では2箇所に空隙部を設けたが、用紙サイズに応じて2箇所以上設けてもよく、多く設けた方が渦電流損は小さくできるので感温層122の自己発熱をさらに抑制していく効果は得られる。また、空隙部157により軸方向に熱が移動しにくくなるので、定着ベルト102の温度に感温層122が正確に追従しやすくなるため、感温層122の温度感知効果が鈍ることなく望ましい。
次に、本発明の第2実施形態の作用について説明する。
まず、感温層154を用いた場合について説明する。
図3に示すように、制御回路140が通電回路144を駆動して励磁コイル110に通電する。これにより磁界H(図2参照)が発生する。
図5bに示すように、感温層154の温度がキュリー温度以下の場合は、感温層154が強磁性体であるため、磁界Hに誘導され、感温層154の上面側に渦電流B2が発生する。
ここで、感温層154の渦電流B2は、前述の感温層122の渦電流B1よりも小さくなっているため、感温層154の発熱量は少なく、定着ベルト102(図2参照)を過剰に加熱することがなくなる。
一方、感温層154の温度がキュリー温度以上の場合は、感温層154が常磁性体であるため、磁界Hは感温層154を貫通して磁界Hが弱まり、発熱層120の発熱量を抑制する。
また、小サイズの記録用紙P(図1参照)を連続して定着した場合、記録用紙Pの通過領域にある感温層154は、記録用紙Pに熱量が奪われるために温度が低下してキュリー温度より低くなる。
一方、記録用紙Pの非通過領域にある感温層154では、熱量が奪われないため温度上昇し、キュリー温度より高くなって、感温層154の磁性が消失してこの領域の磁界が弱まり、磁界Hは感温層154を貫通する。これにより、渦電流B2は小さくなるとともに、この領域の発熱層120の発熱量が小さくなり、温度上昇が抑制される。定着ベルト102における記録用紙Pの非通過領域の過剰な昇温を防止する。
なお、感温層154は溝部155を除く領域で一体となっているので、発熱層120から熱を得て蓄熱し、定着ベルト102を保温するのに有効である。
次に、感温層156を用いた場合について説明する。
前述のように、図3に示すように、制御回路140が通電回路144を駆動して励磁コイル110に通電する。これにより磁界H(図2参照)が発生する。
図5cに示すように、感温層156の温度がキュリー温度以下の場合は、感温層156が強磁性体であるため、磁界Hに誘導され、感温層156の上面側に渦電流B3が発生する。
ここで、感温層156の渦電流B3は、前述の感温層122の渦電流B1よりも小さくなっているため、感温層156の発熱量は少なく、定着ベルト102(図2参照)を過剰に加熱することがなくなる。
一方、感温層156の温度がキュリー温度以上の場合は、感温層156が常磁性体であるため、磁界Hは感温層156を貫通して磁界Hが弱まり、発熱層120の発熱量を抑制する。
また、小サイズの記録用紙P(図1参照)を連続して定着した場合、記録用紙Pの通過領域にある感温層156Bは、記録用紙Pに熱量が奪われるために温度が低下してキュリー温度より低くなり、発熱層120の熱エネルギーで定着する。
一方、記録用紙Pの非通過領域にある感温層156A、156Cでは、熱量が奪われないため温度上昇し、キュリー温度より高くなって、磁界Hは感温層154を貫通する。これにより、渦電流B3は小さくなり、感温層156A、156Cが発熱層120から熱を得るようになって、定着ベルト102における記録用紙Pの非通過領域の過剰な昇温を防止する。
なお、感温層156は空隙部157で分断されているので、渦電流B3が感温層156A、156B、及び156Cを跨ぐことがなく、渦電流B1(図5a参照)よりも確実に小さな渦電流量にすることができる。これにより、定着ベルト102を過剰に加熱することがなくなる。
次に、本発明の加熱装置、定着装置、及び画像形成装置の第3実施形態を図面に基づき説明する。
なお、前述した第1、第2実施形態と基本的に同一の部品には、前記第1、第2実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
本実施形態では、定着ベルトに発熱層を設けた場合について説明する。
図6に示すように、定着ベルト158は、内側から外側に向けて基層162、発熱層160、弾性層132、及び離型層130で構成されており、これらが積層され一体となっている。定着ベルト158は、前述の定着ベルト102と交換され、定着装置100内に取りつけられている。
基層162は、ポリイミドで構成され、厚さは60μmとなっている。
発熱層160としての材料は、低熱容量化の観点やコストの点などから銅が好適であるが、発熱層160は、銅で厚さが2〜20μmで構成され、発熱体118の発熱層120も銅で厚さが2〜20μmの範囲である。ここで、定着ベルト158の発熱層160と発熱体118の発熱層120の厚さは、以下の(5)式の関係を満たすように調整される。


(ρ0、t0、μr0はそれぞれ定着ベルト158内発熱層160の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、ρ1、t1、μr1はそれぞれ発熱層120の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、fは磁界発生手段の交番磁界の周波数)。
本実施形態では、定着ベルト158の発熱層160と発熱体118の発熱層120は両層とも銅で構成されている為、厚さが合計で20μm以下になるようにしている。両銅層の合計厚さが20μm以上であると、2つの発熱層がトータルとして発熱しにくくなるため調整が必要である。本実施形態では発熱層160の銅厚さを10μm、発熱体118の発熱層120の銅厚さを5μmとしている。
なお、本実施形態では定着ベルト158は、耐熱温度240℃、定着設定温度170℃としている。
次に、本発明の第3実施形態の作用について説明する。
図3に示すように、制御回路140が通電回路144を駆動して励磁コイル110に通電する。これにより磁界H(図2参照)が発生する。
ここで、図6に示す感温層122の温度が、それぞれのキュリー温度以下の場合は、感温層122が強磁性体であるため、磁界Hに誘導され、発熱層160、発熱層120、及び感温層122が発熱する。これにより、定着ベルト158が十分に加熱される。なお、感温層122は、固有抵抗が高いため、主となる発熱量は、発熱層160及び発熱層120で与えられる。本実施形態では、感温層122は発熱を極力抑制するようにしているが、この層も金属であるため電磁誘導により発熱するが、基本的に感温層は発熱層160と発熱層120の熱により過熱されて温度上昇するため、感温層122自体の発熱でキュリー温度まで到達してしまうことがないようにする。感温層122の発熱量は発熱層160と発熱層120より小さくなるように厚さや透磁率、固有抵抗などの材料設計する。
一方、感温層122の温度が、それぞれのキュリー温度以上の場合は、感温層122が常磁性体となるため、磁界Hが貫通して磁束密度が弱まる。
発熱層160は、磁束密度が弱まることにより渦電流量が減少し、発熱量が低下する。また、感温層122は、磁束密度を弱めるとともに、発熱層120から熱量を奪う。これにより、定着ベルト158の過剰な加熱が抑制される。
また、小サイズの記録用紙P(図2参照)を通紙して定着するとき、定着ベルト158の通紙領域では、記録用紙Pに熱量が奪われて温度が定着設定温度より低下する。しかし、発熱層160、発熱層120、及び感温層122が発熱するので、定着ベルト158に十分な熱量を与えて定着設定温度まで復帰させることができる。
一方、定着ベルト158の非通紙領域では、記録用紙Pに熱量が奪われないまま加熱されるため、温度が上昇して定着設定温度以上の高温となる。しかし、発熱層160及び感温層122の温度が、それぞれのキュリー温度以上となり、磁界Hが弱まって、発熱層160は発熱量が低下し、感温層122は、発熱層120から熱量を奪う。これにより、定着ベルト158の非通紙領域の過剰な加熱が抑制される。
図7に本実施形態の効果を示す。富士ゼロックス製JD紙を500枚連続で通紙した場合の定着ベルト158の非通紙部温度の推移を示す。発熱体を使わない従来の鉄製発熱体と比較すると、本実施形態の発熱体118の感温層122のキュリー温度付近で定着ベルト158の温度上昇が抑制されており、本実施形態の効果を示せた。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。
プリンタ10は、固体の現像剤を用いる乾式の電子写真方式だけでなく、液体現像剤を用いるものであってもよい。
定着ベルト102の温度の検知手段として、サーミスタ124の代わりに熱電対を用いてもよい。
サーミスタ124の取付け位置は、定着ベルト102の表面に限定されず、定着ベルト102の内周面に取付けてもよい。この場合、定着ベルト102の表面が摩耗しにくくなる。また、サーミスタ124は、加圧ロール104の表面に取付けてもよい。
本実施形態の加熱装置は、定着装置として説明したが、例えば、乾燥機のヒータのように空気を加熱させる装置としても使用可能である。
本発明の第1実施形態に係る画像形成装置の全体図である。 (a)本発明の第1実施形態に係る定着装置の断面図である。(b)本発明の第1実施形態に係る定着ベルト及び発熱体の断面図である。 本発明の第1実施形態に係る制御回路及び通電回路の接続図である。 本発明の第1実施形態に係る定着ベルトを磁界が貫通する状態を示した模式図である。 本発明の第2実施形態に係る発熱体の感温層の模式図である。 本発明の第3実施形態に係る定着ベルトの断面図である。 本発明の第3実施形態に係る定着ベルトの非通紙部温度を比較したグラフである。
符号の説明
10 プリンタ(画像形成装置)
104 加圧ロール(加圧回転体)
100 定着装置(定着装置)
102 定着ベルト(定着部材)
110 励磁コイル(磁界発生手段)
114 誘導体(非磁性部材)
116 押圧部材(支持体)
118 発熱体(発熱体)
120 発熱層(発熱層)
122 感温層(感温層)
124 サーミスタ(検知手段)
140 制御回路(制御手段)
144 通電回路
153 表面部
154 感温層(感温層)
155 溝部(溝部)
156 感温層(感温層)
157 空隙部(空隙)
158 定着ベルト(定着部材)
160 発熱層(定着部材内発熱層)
200 加熱装置(加熱装置)
H 磁界(磁界)
P 記録用紙(記録媒体)
T トナー(現像剤)

Claims (10)

  1. 磁界を発生する磁界発生手段と、
    前記磁界発生手段と対向配置され、前記磁界の電磁誘導により発熱する発熱層と、前記発熱層の設定温度以上で且つ前記発熱層の耐熱温度以下のキュリー温度を有し、前記発熱層を介して前記磁界発生手段と反対側に該発熱層から熱が伝導されるように配置され、前記キュリー温度より低い温度では前記発熱層から前記磁界を侵入させ、前記キュリー温度以上の温度では前記磁界の磁束を貫通させる感温層と、を有する発熱体と、
    前記発熱体に内側が接し、両端部が回転可能に支持された無端状の定着部材と、
    前記定着部材の内側に配置された支持体と、
    前記定着部材を前記支持体へ加圧し、回転させるとともに該定着部材との間を通過する記録媒体上の現像剤像を該記録媒体へ定着させる加圧回転体と、
    を備え、
    前記感温層の前記発熱層側の表面部に、前記定着部材の周方向に沿って形成される溝部又は空隙を設けたことを特徴とする定着装置
  2. 磁界を発生する磁界発生手段と、
    前記磁界発生手段と対向配置され、前記磁界の電磁誘導により発熱する発熱層と、前記発熱層の設定温度以上で且つ前記発熱層の耐熱温度以下のキュリー温度を有し、前記発熱層を介して前記磁界発生手段と反対側に該発熱層から熱が伝導されるように配置された感温層とを有する発熱体と、
    前記発熱体に内側が接し、両端部が回転可能に支持された無端状の定着部材と、
    前記定着部材の内側に配置された支持体と、
    前記定着部材を前記支持体へ加圧し、回転させるとともに該定着部材との間を通過する記録媒体上の現像剤像を該記録媒体へ定着させる加圧回転体と、
    を備え、
    前記感温層の前記発熱層側の表面部に、前記定着部材の周方向に沿って形成される溝部又は空隙が設けられ、
    前記感温層のキュリー温度以下では下記の(A)式および(B)式を満たし、該感温層のキュリー温度をこえる場合には、下記の(A)式および(C)式を満たすことを特徴とする定着装置



    (ρ1[Ωm]、t1[m]、μr1はそれぞれ発熱層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、ρ2[Ωm]、δ[m]、μr2はそれぞれ感温層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、f[Hz]は磁界発生手段の交番磁界の周波数。)
  3. 前記無端状の定着部材の内部に前記磁界の電磁誘導により発熱する定着部材内発熱層を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の定着装置。
  4. 前記発熱体の発熱層と前記定着部材内発熱層が下記(D)式の関係を満たすことを特徴とする請求項3に記載の定着装置。

    (ρ0[Ωm]、t0[m]、μr0はそれぞれ定着部材内発熱層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、ρ1[Ωm]、t1[m]、μr1はそれぞれ発熱層の固有抵抗と厚さ及び比透磁率、f[Hz]は磁界発生手段の交番磁界の周波数。)
  5. 前記発熱体の前記磁界発生手段と反対側に、前記発熱体と非接触で非磁性体からなる非磁性部材を設けたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の定着装置。
  6. 前記非磁性部材が前記支持体を支持することを特徴とする請求項に記載の定着装置。
  7. 前記発熱層及び前記感温層が、前記磁界発生手段と対向する範囲のみに配置されていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の定着装置。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の定着装置と、
    前記定着装置の前記定着部材の温度を検知する検知手段と、
    前記検知手段で得られた温度が所定の温度となるように前記磁界発生手段を制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする画像形成装置
  9. 前記検知手段は前記磁界発生手段と対向しない領域に設けられていることを特徴とする請求項8に記載の画像形成装置。
  10. 前記検知手段は前記定着部材の中央部に配置されたことを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の画像形成装置。
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