JP5175648B2 - 画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、トナー画像を担持した用紙を加熱したローラ対や加熱ベルトとローラとのニップ間に通しながら、未定着トナーを加熱溶融させて用紙に定着させる定着ユニットを備えた画像形成装置に関するものである。
この種の画像形成装置においては近年、定着ユニットでのウォームアップ時間の短縮や省エネルギー等の要望から、熱容量を少なく設定できるベルト方式が注目されている(例えば、特許文献1参照。)。また近年、急速加熱や高効率加熱の可能性をもった電磁誘導加熱方式(IH)が注目されており、カラー画像を定着させる際の省エネルギー化の観点から、電磁誘導加熱をベルト方式と組み合わせたものが多数製品化されている。ベルト方式と電磁誘導加熱とを組み合わせる場合、コイルのレイアウト及び冷却の容易さ、さらにはベルトを直接加熱できるメリット等から、ベルトの外側に電磁誘導器具を配置するケースが多く採用されている(いわゆる外包IH)。
上記の電磁誘導加熱方式においては、定着ユニットに通紙される用紙サイズの幅(通紙幅)に合わせて、非通紙域での過昇温を防止するために各種の技術が開発されており、特に外包IHにおけるサイズ切り替え手段として以下の先行技術がある(例えば、特許文献2,3参照)。
第1の先行技術(特許文献2)は、磁性部材を複数に分割して通紙幅方向に並べておき、通紙する用紙サイズ(通紙幅)に合わせて、磁性部材の一部を励磁コイルに対して離接させるものである。この場合、非通紙域では磁性部材を励磁コイルから離隔させることで発熱効率が下がり、最小通紙幅の用紙に対応する領域よりも発熱量が小さくなると考えられる。
また第2の先行技術(特許文献3)は、発熱ローラの内部で最小通紙幅の外側に別の導電性部材を配置し、この導電性部材の位置を磁界の範囲内又は範囲外に切り替えるものである。この先行技術では、先ず導電性部材を磁界の範囲外に位置させて発熱ローラを電磁誘導加熱しておき、発熱ローラが昇温によってキュリー温度近傍まで上昇すると、導電性部材を磁界の範囲内に移動させることで、最小通紙幅の外側で発熱ローラから磁束を漏れさせて過昇温を防止する。
特開平6−318001号公報 特開2003−107941号公報(図2、図3) 特許第3527442号公報(図10)
しかしながら、第1の先行技術は磁性部材の可動範囲が大きく、それだけ余計なスペースを必要とするため、装置全体を不用意に大型化させるという問題がある。一方、第2の先行技術は、発熱ローラ内部にサイズ切り替え用の部材を配置している分、省スペース化が可能である。しかしながら、発熱ローラ内部は高温環境であり、そこに何らかの部材を配置する場合はキュリー温度を高く設定する必要がある上、なにより熱容量の大きな部材はウォームアップタイムを長引かせるという問題がある。
そこで本発明は、加熱部材の内部に配置する部材を削減して低熱容量化を図り、ウォームアップタイムを削減するとともに省スペース化を実現できる技術を提供するものである。
本発明は、画像形成部でトナー画像が転写された用紙を加熱部材と加圧部材との間に挟み込んで搬送し、この搬送過程で、少なくとも加熱部材からの熱によりトナー画像を用紙に定着させる定着ユニットを備えた画像形成装置である。特にその定着ユニットは、加熱部材の外面に沿って配置され、加熱部材を誘導加熱するための磁界を発生させるコイルと、コイルを挟んで加熱部材の反対側に配置され、コイルの周囲にて磁路を形成するべく磁性材料で構成された第1のコアと、コイルによる磁界の発生方向でみて第1のコアと加熱部材との間に固定して設けられ、第1のコアとともに磁路を形成するべく磁性材料で構成された第2のコアと、第2のコアの外側に設けられ、コイルの発生させる磁界内で磁気を遮蔽するべく良導電材料で構成された遮蔽部材と、固定された状態の第2のコアに対し、その外側で遮蔽部材を移動させることにより、遮蔽部材が磁気を遮蔽する遮蔽位置か、又は磁気の通過を許容する退避位置かのいずれかに切り替える磁気調整手段とを備えたことを特徴とする。
上記のように本発明では、コイルで発生させた磁界により加熱部材を誘導加熱してトナー画像の加熱溶融を行う方式(外包IH)を採用するため、加熱部材の内側には特段の部材を設ける必要がない。また第1のコアは、コイルの発生させる磁界を導く磁路を形成するためにコイルの周囲に配置されており、第2のコアも第1のコアと加熱部材との間に配置されているだけであるので、全体として占めるスペースが不用意に大型化することはない。
特に本発明では、遮蔽部材が第2のコアの外側を移動するだけで加熱部材の発熱量の調整を行うことができる。すなわち、磁気調整手段が遮蔽部材を退避位置に移動させると、コイルの発生させる磁界が第1のコア、第2のコアに導かれて加熱部材に渦電流を発生させ、磁気誘導加熱を行う。一方、磁気調整手段が遮蔽部材を遮蔽位置に移動させると、磁路内の磁気抵抗が増大して磁界強度が低下し、加熱部材の発熱量を低減させることができる。したがって、加熱部材の発熱量の調整に際してコアを加熱部材から離隔させる必要がなく、それだけ省スペース化が図られる。また、加熱部材の内側に磁気誘導用のコアや磁界調整用の導電性部材を設ける必要がないので、熱容量の増加を抑えてウォームアップタイムの削減に寄与することができる。
また磁気調整手段は、第2のコアの外周に沿って遮蔽部材を回転させることにより、遮蔽位置と退避位置との切り替えを行うことができる。
この場合、遮蔽部材の移動範囲が第2のコアの外周近傍だけになるので、それだけ省スペース化を図ることができる。また、遮蔽部材の移動を回転運動によって実現できるため、それだけ構造を簡素化することができる。
本発明では、各種の用紙サイズに対応するため、加熱部材は定着ユニットにより搬送される用紙の幅方向でみて、その最大通紙領域にわたってコイルにより誘導加熱されるものとなっている。このとき第2のコアは、加熱部材の幅方向でみた全域で磁路を形成するべく用紙の幅方向に延びており、遮蔽部材は、定着ユニットにより搬送される用紙の幅方向でみて、少なくともその最小通紙領域の外側に設けられていることが好ましい。
このような構成により、用紙サイズに合わせて磁気調整手段により遮蔽部材を遮蔽位置と退避位置とに切り替えれば、最小通紙領域の外側を加熱する必要がない場合に加熱部材等の過昇温を防止することができる。
また遮蔽部材の回転移動の方向でみて、その一周分の長さに占める遮蔽部材の長さの割合を被覆率としたとき、この被覆率が用紙の幅方向で異なり、かつ、最小通紙領域の近傍では被覆率が比較的小さく設定されていることが好ましい。
上記の構成であれば、遮蔽部材を遮蔽位置に切り替えたとき、その被覆率の小さいところでは磁気の遮蔽量がそれだけ小さくなり、逆に被覆率の大きいところでは磁気の遮蔽量がそれだけ大きくなる。このように、被覆率を用紙の幅方向(通紙幅方向)に異ならせて設定することで、磁気の遮蔽量を幅方向で変化させることができる。特に、被覆率が段階的又は無段階に異なっていれば、遮蔽部材の回転角を細かく調整することで、加熱部材を誘導加熱する範囲を段階的又は無段階に変更することができる。
また遮蔽部材は、第2のコアの外周方向に沿って配置された複数のリング形状の非磁性金属で構成されていてもよい。
この場合、遮蔽部材を構成する複数のリングは、それぞれ内側の面に垂直な磁界(錯交磁束)が貫通すると、リング周方向に誘導電流が発生し、そこから貫通磁界と逆向きの反磁界を発生させる。この反磁界がリングの内側を垂直方向に貫通する磁界(錯交磁束)をキャンセルすることで、遮蔽部材は磁気を遮蔽することができる。その一方で、リングの内側を磁界が双方向に行き交って通過したり、Uターンするように通過したりする場合は誘導電流が発生せず、磁気の遮蔽効果を発揮しない。
本発明の発明者等は、上記のような遮蔽部材の性質に着目し、遮蔽位置ではリング内を磁気が貫通する配置とすることで磁気の遮蔽効果を発生させる一方、退避位置ではリング内を磁気が通過しない配置とすることで磁気の通過を許容することができる省スペース型の機構に想到したものである。また遮蔽部材がリング形状であれば、それだけ全体を軽量化することができるため、遮蔽部材の移動させる際に必要な動力(消費電力)も軽減することができる。
本発明は外包IH方式を採用する。すなわち、コイルが加熱部材を外包するべく外側に配置されており、かつ、コイルの中心を挟んで両側に第1のコアが分割して配置されている。そして第2のコアは、両側の第1のコアを経てコイルの中心に磁路が合流する位置に設けられている構成である。この場合、第2のコア及び遮蔽部材が磁路の中心に位置することになるため、1つの遮蔽部材だけで効率的に磁気の遮蔽や通過を切り替えることができる。
また本発明において、上記の外包IH方式を採用する場合、コイルが加熱部材を外包するべく外側に配置された構成であって、かつ、加熱部材が非磁性金属で構成されており、加熱部材の内側に遮蔽部材が配置されていることが好ましい。
この場合も同様に、遮蔽部材を加熱部材の内側で遮蔽位置と退避位置とに移動させることにより、磁気の遮蔽効果を発揮させ、また遮蔽を行わない場合は良好なウォームアップ環境を実現することができる。
なお遮蔽部材は、銅を材料として構成されていることが望ましい。銅は電気抵抗が小さく、透磁率が低いため、これを遮蔽部材に用いることで良好な磁気遮蔽効果を発揮することができる。
また遮蔽部材を銅で構成した場合、その厚みは0.5mm〜3mmの範囲内であることが望ましい。すなわち、遮蔽部材は、自己のジュール発熱を抑制して効率よく磁気を遮蔽するため、なるべく部材の固有抵抗(電気抵抗)を小さくする必要がある。上記の厚みであれば、遮蔽部材の固有抵抗を充分に小さくすることで良好な導電性を確保し、充分な磁気遮蔽効果を得ることができるし、遮蔽部材の軽量化を図ることができる。
本発明の画像形成装置は、外包IH方式を採用した場合に加熱部材の内部に磁気遮蔽用の機構を設ける必要がなく、それだけ低熱容量化できるので、定着ユニットのウォームアップタイム削減を実現することができる。また、外包IHであっても可動物は遮蔽部材だけであるため、全体として可動範囲を小さくすることができる。さらに可動物の質量を軽減することができるので、それだけ定着ユニット、ひいては画像形成装置全体の小型化を図ることができる。また、外包IH方式で加熱部材の内部に磁気遮蔽用の機構を設けた場合であっても、コイル等は加熱部材の外部に配置されているため、やはり熱容量を抑えることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図1は、一実施形態の画像形成装置1の構成を示した概略図である。画像形成装置1は、例えば外部から入力された画像情報に基づいて印刷用紙等の印刷媒体の表面にトナー画像を転写して印刷を行うプリンタ、複写機、ファクシミリ装置、それらの機能を併せ持つ複合機等としての形態をとることができる。
図1に示される画像形成装置1は、例えばタンデム型のカラープリンタである。この画像形成装置1は、内部で用紙にカラー画像を形成(プリント)する四角箱状の装置本体2を備え、この装置本体2の上面部には、カラー画像が印刷された用紙を排出するための用紙排出部(排出トレイ)3が設けられている。
装置本体2内において、その下部には、用紙を収納する給紙カセット5が配設されている。また装置本体2内の中央部には、手差しの用紙を供給するスタックトレイ6が配設されている。そして装置本体2の上部には画像形成部7が設けられており、この画像形成部7は、装置外部から送信されてくる文字や絵柄などの画像データに基づいて用紙に画像を形成する。
図1中でみて装置本体2の左部には、給紙カセット5から繰り出された用紙を画像形成部7に搬送する第1の搬送路9が配設されており、右部から左部にかけては、スタックトレイ6から繰り出された用紙を画像形成部7に搬送する第2の搬送路10が配設されている。また装置本体2内の左上部には、画像形成部7で画像が形成された用紙に対して定着処理を行う定着ユニット14と、定着処理の行われた用紙を用紙排出部3に搬送する第3の搬送路11とが設けられている。
給紙カセット5は、装置本体2の外部(例えば図1中の手前側)に引き出すことにより用紙の補充を可能にする。この給紙カセット5は収納部16を備えており、この収納部16には、給紙方向のサイズが異なる少なくとも2種類の用紙を選択的に収納可能である。なお収納部16に収納されている用紙は、給紙ローラ17及び捌きローラ18により1枚ずつ第1の搬送路9側に繰り出される。
スタックトレイ6は、装置本体2の外面にて開閉可能であり、その手差し部19には手差し用の用紙が1枚ずつ載置されるか、又は複数枚が積載される。なお、手差し部19に載置された用紙はピックアップローラ20及び捌きローラ21により1枚ずつ第2の搬送路10側に繰り出される。
第1の搬送路9と第2の搬送路10とはレジストローラ22の手前で合流しおり、レジストローラ22に供給された用紙はここで一旦待機し、スキュー調整とタイミング調整を行った後、二次転写部23に向けて送出される。送出された用紙には、二次転写部23で中間転写ベルト40上のフルカラーのトナー画像が用紙に二次転写される。この後、定着ユニット14でトナー画像が定着された用紙は、必要に応じて第4の搬送路12で反転され、最初とは反対側の面にも二次転写部23でフルカラーのトナー画像が二次転写される。そして、反対面のトナー画像が定着ユニット14で定着された後、第3の搬送路11を通って排出ローラ24により用紙排出部3に排出される。
画像形成部7は、ブラック(B)、イエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)の各トナー画像を形成する4つの画像形成ユニット26〜29を備える他、これら画像形成ユニット26〜29で形成した各色別のトナー画像を合成して担持する中間転写部30を備えている。
各画像形成ユニット26〜29は、感光体ドラム32と、感光体ドラム32の周面に対向して配設された帯電部33と、帯電部33の下流側であって感光体ドラム32の周面上の特定位置にレーザビームを照射するレーザ走査ユニット34と、レーザ走査ユニット34からのレーザビーム照射位置の下流側であって感光体ドラム32の周面に対向して配設された現像部35と、現像部35の下流側であって感光体ドラム32の周面に対向して配設されたクリーニング部36とを備えている。
なお、各画像形成ユニット26〜29の感光体ドラム32は、図示しない駆動モータにより図中の反時計回り方向に回転する。また、各画像形成ユニット26〜29の現像部35には、各トナーボックス51にブラックトナー、イエロートナー、シアントナー及びマゼンタトナーがそれぞれ収納されている。
中間転写部30は、画像形成ユニット26の近傍位置に配設された後ローラ(駆動ローラ)38と、画像形成ユニット29の近傍位置に配設された前ローラ(従動ローラ)39と、後ローラ38と前ローラ39とに跨って配設された中間転写ベルト40と、各画像形成ユニット26〜29の感光体ドラム32における現像部35の下流側の位置に中間転写ベルト40を介して圧接可能に配設された4つの転写ローラ41とを備えている。
この中間転写部30では、各画像形成ユニット26〜29の転写ローラ41の位置で、中間転写ベルト40上に各色別のトナー画像がそれぞれ重ね合わせて転写されて、最後にはフルカラーのトナー画像となる。
第1の搬送路9は、給紙カセット5から繰り出されてきた用紙を中間転写部30側に搬送するものであり、装置本体2内で所定の位置に配設された複数の搬送ローラ43と、中間転写部30の手前に配設され、画像形成部7における画像形成動作と給紙動作とのタイミングを取るためのレジストローラ22とを備えている。
定着ユニット14は、画像形成部7でトナー画像が転写された用紙を加熱及び加圧することにより、未定着トナー画像を用紙に定着させる処理を行うものである。定着ユニット14は、例えば加熱式の加圧ローラ44と定着ローラ45からなるローラ対を備え、このうち加圧ローラ44が例えば金属製の芯材と弾性体の表層(例えばシリコンゴム)を有するものであり、定着ローラ45が金属製の芯材と弾性体の表層(例えば、シリコンスポンジ)及び離型層(例えば、PFA)を有するものである。また定着ローラ45に隣接してヒートローラ46が設けられており、このヒートローラ46と定着ローラ45には加熱ベルト48が掛け回されている。なお、定着ユニット14の詳細な構造についてはさらに後述する。
用紙の搬送方向でみて、定着ユニット14の上流側及び下流側にはそれぞれ搬送路47が設けられており、中間転写部30を通って搬送されてきた用紙は上流側の搬送路47を通じて加圧ローラ44と定着ローラ45との間のニップに導入される。そして、加圧ローラ44及び定着ローラ45間を通過した用紙は下流側の搬送路47を通じて第3の搬送路11に案内される。
第3の搬送路11は、定着ユニット14で定着処理の行われた用紙を用紙排出部3に搬送する。このため第3の搬送路11には、適宜位置に搬送ローラ49が配設されるとともに、その出口には上記の排出ローラ24が配設されている。
〔定着ユニットの詳細〕
次に、本実施形態の画像形成装置1に適用された定着ユニット14の詳細について説明する。
図2は、定着ユニット14の構造例を示す縦断面図である。なお図2では、画像形成装置1に実装した状態から向きを約90°反時計回りに転回させて示している。したがって、図1中でみて下方から上方への用紙搬送方向は、図2でみると右方から左方となる。なお、装置本体2がより大型(複合機等)である場合、図2に示される向きで実装されることもある。
定着ユニット14は、上記のように加圧ローラ44、定着ローラ45、ヒートローラ46及び加熱ベルト48を備えている。上記のように定着ローラ45の表層には、シリコンスポンジの弾性層が形成されていることから、加熱ベルト48と定着ローラ45との間にはフラットニップが形成されている。
加熱ベルト48は、その基材が強磁性材料(例えばNi)であり、その表層に薄膜の弾性層(例えばシリコンゴム)が形成されており、その外面には離型層(例えばPFA)が形成されている。なお、加熱ベルト48に発熱機能を持たせない場合はPI等の樹脂ベルトであってもよい。またヒートローラ46は芯金が磁性金属(例えばFe、SUS)であり、その表面には離型層(例えばPFA)が形成されている。
また加圧ローラ44についてより具体的には、金属製の芯材に例えばFe、Al等を用いており、この芯材上にSiゴム層を形成し、さらにその表層にフッ素樹脂層を成形したものである。なお加圧ローラ44の内側には、例えばハロゲンヒータ44aが設けられている構成であってもよい。
この他に定着ユニット14は、ヒートローラ46及び加熱ベルト48の外側にIHコイルユニット50を備えている(図1には示されていない)。IHコイルユニット50は、誘導加熱コイル52をはじめ一対のアーチコア54、同じく一対のサイドコア56及びセンタコア58から構成されている。
〔コイル〕
図2の例では、ヒートローラ46及び加熱ベルト48の円弧状の部分で誘導加熱を行うため、誘導加熱コイル52は円弧状の外面に沿う仮想的な円弧面上に配置されている。実際には、ヒートローラ46及び加熱ベルト48の外側に例えば樹脂製のボビン(図示していない)が配置されており、このボビン上に誘導加熱コイル52が巻線状に配置される構成である。なお図示しないボビンは、ヒートローラ46の外面に沿って半円筒形状に成形されている。またボビンの材質は、耐熱性樹脂(例えばPPS、PET、LCP)であることが好ましい。
〔第1のコア〕
図2でみてセンタコア58は中央に位置し、その両側で対をなすように上記のアーチコア54及びサイドコア56が配置されている。このうち両側のアーチコア54は、互いに対称をなす断面アーチ形に成形されたフェライト製コア(第1のコア)であり、それぞれ全長は誘導加熱コイル52の巻線領域よりも長い。また両側のサイドコア56は、ブロック形状に成形されたフェライト製のコア(第1のコア)である。両側のサイドコア56は各アーチコア54の一端(図2では下端)に連結して設けられており、これらサイドコア56は誘導加熱コイル52の巻線領域の外側を覆っている。このうちアーチコア54は、例えばヒートローラ46の長手方向に間隔をおいて複数箇所に配置されている。またサイドコア56は、ヒートローラ46の長手方向に間隔をあけずに連続して配置されており、その全長は誘導加熱コイル52の巻線領域の長さに対応している。これらコア54,56の配置は、例えば誘導加熱コイル52の磁束密度(磁界強度)分布に合わせて決定されており、アーチコア54がある程度の間隔をおいて配置されている分、その抜けた箇所でサイドコア56が磁界の集束効果を補い、長手方向での磁束密度分布(温度差)を均している。アーチコア54及びサイドコア56の外側には、例えば図示しない樹脂製のコアホルダが設けられており、このコアホルダによりアーチコア54及びサイドコア56が支持される構造である。コアホルダの材質もまた、耐熱性樹脂(例えばPPS、PET、LCP)であることが好ましい。
また図2の例では、ヒートローラ46の内側にサーミスタ62が設置されている。サーミスタ62は、ヒートローラ46の特に誘導加熱による発熱量の大きい箇所の内側に配置することができる。この他に、ヒートローラ46の内側に図示しないサーモスタットを配置し、異常温度上昇時の安全性を向上することもできる。
〔第2のコア〕
センタコア58は、例えば断面T字形状をなすフェライト製コア(第2のコア)である。センタコア58はヒートローラ46と略同様に、用紙の最大通紙幅に対応するだけの長さを有している。センタコア58は、両側のアーチコア54とヒートローラ46との間(誘導加熱コイル52が発生させる磁路の途中)に固定して配置されている。なお図2には示されていないが、センタコア58は上述した樹脂製のコアホルダに支持されている。
〔遮蔽部材〕
センタコア58の外側には、その外周に沿って遮蔽部材60が取り付けられている。遮蔽部材60は薄板形状であり、全体的に円弧状に湾曲して形成されている。なお遮蔽部材60は、センタコア58とは非接触の状態で図示しない回転機構により支持されており、この回転機構により図2中の矢印に示されているように、センタコア58の外周に沿って回転移動することができる。なお、遮蔽部材60の支持や回転機構の構成についてはさらに後述する。
遮蔽部材60の構成としては、非磁性かつ良導電部材が好ましく、例えば無酸素銅などが用いられる。遮蔽部材60はその面に垂直な磁界が貫通することによる誘導電流で逆磁界を発生させ、錯交磁束(垂直な貫通磁界)をキャンセルすることで遮蔽する。また、良導電性部材を用いることで誘導電流によるジュール発熱を抑制し、効率よく磁界を遮蔽することができる。導電性を向上するには、例えば(1)なるべく固有抵抗の小さい材料を選定すること、(2)部材の厚みを厚くすること、等の方法が有効である。具体的には、遮蔽部材60の板厚は0.5mm以上が好ましく、本実施形態では例えば1mmのものを用いている。
〔磁気調整手段〕
図2に示されるように遮蔽部材60が加熱ベルト48の表面に近接する位置(遮蔽位置)にあると、誘導加熱コイル52の周囲で磁気抵抗が増大して磁界強度が低下する。一方、図2に示される状態から遮蔽部材60が180°回転移動(方向は特に限定しない)し、遮蔽部材60が加熱ベルト48から最も離隔した位置(退避位置)に移動すると、誘導加熱コイル52の周囲で磁気抵抗が低下し、センタコア58を中心として両側のアーチコア54及びサイドコア56を通じて磁路が形成され、加熱ベルト48やヒートローラ46に磁界が作用する。
〔構造例(1)〕
図3は、遮蔽部材60の構造例(1)を示す斜視図である。図3中(A)は遮蔽部材60を退避位置で斜め上方から示し、図3中(B)は斜め下方から示している。遮蔽部材60は主に、曲面形状をなす遮蔽板61及び扇形状をなす側板63から構成されている。遮蔽板61の曲率はセンタコア58の外周を回転移動可能な大きさに設定されている。また側板63は遮蔽板61の一側端縁の内側に取り付けられており、その扇形の要に相当する位置に駆動軸70が連結されている。駆動軸70の中心軸線は遮蔽板61の曲率中心に合致しており、駆動軸70が図示しないモータの動力で回転すると、これに連動して遮蔽部材60が中心軸線の回りに回転移動する。なお、図3では遮蔽部材60(遮蔽板61の部分)の幅が長手方向で均一となっているが、以下に示すように遮蔽部材60の幅が長手方向で異なっていてもよい。
図4は、構造例(1)において長手方向で幅を異ならせた遮蔽部材60とその配置例を示した図である。図4中(A)が上記の遮蔽位置に対応し、図4中(B)が退避位置に対応する。また、図4中(A),(B)は、それぞれセンタコア58の側面図及び平面図を表したものである。なお図中、センタコア58の外面には網点を施している。
上記のように、センタコア58は用紙の最大通紙幅W2と略同等か、それよりも長い全長を有している。このとき、遮蔽部材60はセンタコア58の長手方向で2つに分割されており、これらが互いに対称の形状となっている。各遮蔽部材60は、図4中(B)に示されているように平面視で台形状をなしており、センタコア58の中央に近い位置では、その周方向でみた遮蔽部材60の長さ(長手方向でみた幅)が最も短く、そこから遮蔽部材60は、センタコア58の両側端に向かって次第に周方向の長さが拡張されている。
また遮蔽部材60は、通紙方向と直交する最小通紙幅W1の両外側に設けられており、最小通紙幅W1の範囲内には僅かしか遮蔽部材60が設けられていない。そして遮蔽部材60は、センタコア58の両端において、用紙の最大通紙幅W2よりも僅かに外側にまで達している。なお最小通紙幅W1や最大通紙幅W2は、画像形成装置1で印刷できる最小サイズ又は最大サイズの用紙によって決定される。
〔磁気調整手段〕
上記のように本実施形態では、遮蔽部材60の回転方向でみて、その一周分の長さに占める遮蔽部材60の長さの割合は通紙幅方向に異なっている。このとき、遮蔽部材60が回転する経路の一周分の長さ(L)に占める遮蔽部材60の長さ(Lc)の割合を被覆率(=Lc/L)とすると、被覆率はセンタコア58の内側では小さく、そこから通紙幅方向の外側(両端)に向かうほど大きくなっている。具体的には、被覆率は最小通紙領域(最小通紙幅W1の範囲)の近傍で最小となり、逆にセンタコア58の両端では最大となっている。
用紙サイズ(通紙幅)への対応は、遮蔽部材60の位置を無段階又は段階的に変化させながら発生磁束を部分的に抑制することで実現される。例えば、用紙サイズ(通紙幅)に応じて遮蔽部材60の回転角(回転変位量)を異ならせ、大きい用紙サイズになるほど磁気の遮蔽量を小さくし、逆に小さい用紙サイズになるほど遮蔽量を大きくすることで、ヒートローラ46や加熱ベルト48の両端部分が過昇温するのを防止することができる。なお、図4には時計回り方向と反時計回り方向への回転をそれぞれ矢印で示しているが、遮蔽部材60は一方向にのみ回転するものであってもよい。また、通紙方向は図4に示される方向と反対であってもよい。
〔回転機構〕
次に、遮蔽部材60をセンタコア58の外側で回転移動させる機構について説明する。図5は、遮蔽部材60の回転機構64の構成を示す側面図及びその動作を示す部分的な断面図(B−B線に沿う縦断面)である。
図5中(A):回転機構64は、例えばステッピングモータ66の回転を減速機構68によって減速し、駆動軸70を駆動して遮蔽部材60を回転させるものである。減速機構68には、例えばウォームギアが用いられているが、その他のものであってもよい。また、遮蔽部材60の回転角(基準位置からの回転変位量)を検出するため、駆動軸70の端部にスリット付ディスク72が設けられており、これにフォトインタラプタ74が組み合わされている。
図5中(B):上記のように駆動軸70は側板63に連結されており、この側板63を介して遮蔽板61を含む遮蔽部材60全体を支持している。遮蔽部材60の回転角は、例えばステッピングモータ66に印加する駆動パルス数によって制御することができ、回転機構64にはそのための制御回路(図示していない)が付属する。制御回路は、例えば制御用ICと入出力ドライバ、半導体メモリ等によって構成することができる。フォトインタラプタ74からの検出信号は入力ドライバを通じて制御用ICに入力され、これに基づいて制御用ICが現在の遮蔽部材60の回転角(位置)を検出する。一方、制御用ICには、図示しない画像形成制御部から現在の用紙サイズに関する情報が通知される。これを受けて制御用ICは、半導体メモリ(ROM)から用紙サイズに適した回転角の情報を読み出し、その目標とする回転角に到達する分の駆動パルスを一定周期で出力する。駆動パルスは出力ドライバを通じてステッピングモータ66に印加され、これを受けてステッピングモータ66が作動する。
図6は、遮蔽部材60の回転に伴う動作例を示す図である。以下、それぞれについて説明する。
図6中(A):回転機構64により遮蔽部材60を退避位置に切り替えた場合の動作例を示す。この場合、誘導加熱コイル52の発生させる磁界がサイドコア56、アーチコア54及びセンタコア58を通じて加熱ベルト48及びヒートローラ46を通過する。このとき強磁性体である加熱ベルト48及びヒートローラ46に渦電流が発生し、それぞれの材料の持つ固有抵抗によりジュール熱が発生して加熱が行われる。
図6中(B):回転機構64により遮蔽部材60を遮蔽位置に切り替えた場合の動作例を示す。この場合、最小通紙領域の外側では磁気経路上に遮蔽部材60が位置するため、磁界の発生が部分的に抑制される。これにより、最小通紙領域の外側で発熱量が抑えられ、加熱ベルト48やヒートローラ46の過昇温を防止することができる。また、このとき遮蔽部材60の回転角を少しずつ変えていくことで、磁界の遮蔽量を調整することができる。例えば、図6中(B)の位置から反時計回り方向に遮蔽部材60の回転角を増加していくと、図中の左側では遮蔽が行われなくなって磁界が発生するが、図中の右側では引き続き磁界が遮蔽される。この場合、図6中(A)の位置と比較すると全体として発生する磁界強度が低下するので、その分、発熱量を低減することができる。
〔構造例(2)〕
次に図7は、遮蔽部材60をリング形状とした構造例(2)を示す斜視図である。遮蔽部材60をリング形状とした場合、その四辺は幅方向で対向する一対の直線部60a及び長手方向で対向する一対の円弧部60bで構成される。この例でも同様に、センタコア58の両端部(最小通紙領域の外側)にそれぞれ遮蔽部材60が配置されている。
またこの場合、遮蔽部材60は、例えば長手方向の一端で支持部材65によって支持されている。支持部材65は、例えば扇形状の側板65a及び円弧形状の天板65bからなり、このうち天板65bが遮蔽部材60の一方の円弧部60bの下面に宛うようにして連結されている。側板65aは、図7中でみて天板65bから下方に延び、その要部分には上記の駆動軸70が取り付けられている。なお、駆動機構64については上記と同様である。
〔磁気遮蔽効果の原理〕
図8は、リング形状の遮蔽部材60による磁気遮蔽効果の原理を説明するための概念図である。なお図8中、遮蔽部材60は単なるワイヤモデルとして簡略化されている。
図8中(A):リング形状の遮蔽部材60に対し、そのリング面(仮想的な平面)を垂直方向(一方向)に貫通磁界(錯交磁束)が発生すると、それによって遮蔽部材60の周方向に誘導電流が生じる。すると、電磁誘導によって貫通磁界と逆向きの磁界(反磁界)が発生するので、これらが互いに打ち消しあい、磁界をキャンセルする。遮蔽部材60をリング形状とした場合、この磁界のキャンセル効果を用いて磁気を遮蔽することができる。
図8中(B):上段に示されているように、リング形状の遮蔽部材60に対し、そのリング面に双方向に貫通磁界が発生し、このとき錯交磁束の総和が概ね差し引き0(±0)の場合を想定する。この場合、遮蔽部材60にはほとんど誘導電流が発生しない。したがって、遮蔽部材60はほとんど磁界のキャンセル効果を発揮せず、双方向への磁界は遮蔽部材60を素通りする。これは、下段に示されるように遮蔽部材60の内側をUターンする方向に磁界が通過した場合も同様となる。なお退避位置では、磁界がどの方向にも貫通しない位置に遮蔽部材60が退避することで磁界を通過させることができる。
図8中(C):リング形状の遮蔽部材60に対し、そのリング面と略平行に磁界(錯交磁束)が発生した場合である。この場合も同様に、遮蔽部材60には誘導電流がほとんど発生せず、したがって磁界のキャンセル効果も発生しない。本実施形態の中では採用していないが、誘導加熱コイル52の周囲でこのような磁界環境を得るには遮蔽部材60を大きく変位させる必要があり、それだけ可動スペースが大きくなる。
遮蔽部材60をリング形状とした構造例(2)の場合、図8中(A)によって磁気遮蔽の効果が得られる。したがって図6に示される例と同様に、リング形状の遮蔽部材60を遮蔽位置と退避位置とに変位させることで、構造例(1)と同様に最適な磁気の遮蔽を行うことができる。
〔構造例(3)〕
次に図9は、遮蔽部材60の構造例(3)を示す斜視図である。構造例(3)の遮蔽部材60は、全体としてリールのような形状をなしている。すなわち、構造例(3)では遮蔽部材60が長手方向でみて両端位置に一対のリング部60cを有しており、これらの間を3本の直線部60aで連結した構造である。直線部60aは、リング部60cの周方向に間隔をおいて配置されている。また構造例(3)では、一方のリング部60cの内側に円形状の側板67が取り付けられており、その中心位置に駆動軸70が連結されている。これにより、遮蔽部材60全体が駆動軸70によって支持されるとともに、駆動軸70の回転にともなって遮蔽部材60全体が回転可能となっている。なお構造例(3)においても、遮蔽部材60はセンタコア58の一端部(最小通紙領域の外側)と他端部にそれぞれ配置されている。
このような構造例(3)においては、リング形状の部分が周方向に3箇所にわたって形成されている。すなわち、周方向で隣り合う2本の直線部60aとこれらを連結するリング部60cによって1つのリング部分が形成されるため、遮蔽部材60が全体として3つのリング部分を有することになる。
〔構造例(3)の動作〕
図10は、構造例(3)の遮蔽部材60を用いた動作例を示す図である。
図10中(A):駆動機構64により遮蔽部材60を退避位置に切り替えた場合の動作例を示す。構造例(3)の場合、遮蔽部材60を退避させた状態で図8中(B)の下段に示した原理を適用している。すなわち、3本あるうちの1本の直線部60aをコイル52の中心線上に位置付けることで、ヒートローラ46と反対側(図中上方)に位置する1つのリング部分を磁界の外側に退避させ、その他の2つのリング部分については、その内側に磁界をUターンする方向に通過させることで、磁気遮蔽効果を発生しない状態を実現している。したがって、磁界はサイドコア56、アーチコア54及びセンタコア58を通じて加熱ベルト48及びヒートローラ46を通過する。このとき強磁性体である加熱ベルト48及びヒートローラ46に渦電流が発生し、それぞれの材料の持つ固有抵抗によりジュール熱が発生して加熱が行われる。
図10中(B):遮蔽部材60を遮蔽位置に切り替えた場合の動作例を示す。この場合、最小通紙領域の外側では磁気経路上に遮蔽部材60の1つのリング部分が位置し、磁界がそのリング内を貫通するため、図8中(A)に示した原理で磁界の発生が部分的に抑制される。これにより、最小通紙領域の外側で発熱量が抑えられ、加熱ベルト48やヒートローラ46の過昇温を防止することができる。
〔構造例(4)〕
次に図11は、遮蔽部材60の構造例(4)を示す斜視図である。構造例(4)の遮蔽部材60は、構造例(3)をさらに発展させた形態である。すなわち、構造例(4)では遮蔽部材60が長手方向でみて一端位置に穴あき形状の円盤60Aを有する他、長手方向に間隔をおいて同形状の円盤60Bを有している。この円盤60Bに続いて、遮蔽部材60は長手方向に間隔をおいて約3分の2円で穴あき形状の円盤60Cを有し、他端位置には約3分の1円で穴あき形状の円盤60Dを有している。なお、ここでは図示していないが、一端位置の円盤60Aには構造例(3)と同様に円形状の側板67が取り付けられており、そこに駆動軸70が連結されている。
上述した4枚の円盤60A〜60Dのうち、3枚の円盤60A,60B,60Cは、互いに3本の直線部60aを介して連結されている。そして、残る他端位置の円盤60Dについては、隣接する円盤60Cと2本の直線部60aを介して連結されている。
また図12は、構造例(4)の遮蔽部材60をセンタコア58の外側に配置した状態を示す図である。図12中(A)はセンタコア58の平面図及び側面図に相当し、図12中(B),(C),(D)はそれぞれ図中のB−B断面、C−C断面、D−D断面に相当する。
図12中(A):構造例(4)の遮蔽部材60もまた、センタコア58の長手方向でみた両端部(図には一端部のみを示す。)にそれぞれ設けられている。このとき、最小通紙領域から最も離れた円盤60Aは最大サイズP1(例えばA3,A4R)に対応する位置にあり、次の円盤60Bは中サイズP2(例えばB4R)に対応する位置にあり、その次の円盤60Cは中小サイズP3(例えばB4)に対応する位置にある。そして、最小通紙領域近傍の円盤60Dは最小サイズP4(例えばA5R)に対応した位置にある。
図12中(B):円盤60A,60Bは、上記のように穴あき形状をなしていることが分かる。
図12中(C):また円盤60Cは、上記のように約3分の2円の穴あき形状である。円盤60Cの欠けた部分は非磁性材料が存在しない中空である。
図12中(D):円盤60Dは、上記のように約3分の1円の穴あき形状である。円盤60Dについても、その欠けた部分には非磁性材料が存在していない。
〔構造例(4)の動作例〕
次に、構造例(4)の遮蔽部材60を適用した場合の動作例について説明する。図13から図18は、構造例(4)の遮蔽部材60を用いた6通りの動作例を順番に示す斜視図である。各図中に太線で示される矢印は、発生する誘導電流又は通過する磁界を示している。また、これら図13〜図18では側板67や駆動軸70等の図示を省略している。以下、それぞれについて説明する。
〔全面遮蔽(0°)〕
先ず図13は、遮蔽部材60により全面遮蔽を行った場合の動作例を示す斜視図である。各動作例においては、遮蔽部材60に対して上方から下方へ貫通する方向に磁界が発生することを想定している。また以下の説明では、図13に示す全面遮蔽の状態を0°とし、そこからの回転角で遮蔽部材60の変位量を表すものとする。
円盤60Dが下方に位置する回転角(0°)に遮蔽部材60を移動させると、遮蔽部材60の長手方向の全面で磁気遮蔽効果を発揮させることができる。すなわち、一端位置の円盤60Aと他端位置の円盤60D、そしてこれらを連結する直線部60aによって最大形状のリング部分が形成されるため、その全体で磁気遮蔽を行うことができる。この場合、最小サイズP4に対応して加熱ベルト48やヒートローラ46の過熱を防止することができる。
〔遮蔽なし(60°)〕
図14は、図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材60を60°回転させたときの動作例を示す斜視図である。この場合、直線部60aがコイル52の中心線上に位置するので(図8中(A)の状態)、遮蔽部材60は退避位置となり、磁気の遮蔽効果が発生しない。
〔中小サイズ遮蔽(120°)〕
図15は、図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材60を120°回転させたときの動作例を示す斜視図である。この場合、円盤60Aと円盤60Cとの間に形成される1つのリング部分で磁気遮蔽効果を発揮させることができる。この動作例では、例えば中小サイズP3に対応して加熱ベルト48やヒートローラ46の過熱を防止することができる。
〔遮蔽なし(180°)〕
図16は、図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材60を180°回転させたときの動作例を示す斜視図である。この場合、図14と同様に直線部60aがコイル52の中心線上に位置するので(図8中(A)の状態)、遮蔽部材60は退避位置となり、磁気の遮蔽効果が発生しない。
〔中サイズ遮蔽(240°)〕
図17は、図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材60を240°回転させたときの動作例を示す斜視図である。この場合、円盤60Aと円盤60Bとの間に形成される1つのリング部分で磁気遮蔽効果を発揮させることができる。この動作例では、例えば中サイズP2に対応して加熱ベルト48やヒートローラ46の過熱を防止することができる。
〔遮蔽なし(300°)〕
図18は、図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材60を300°回転させたときの動作例を示す斜視図である。この場合、図14,図16と同様に直線部60aがコイル52の中心線上に位置するので(図8中(A)の状態)、遮蔽部材60は退避位置となり、磁気の遮蔽効果が発生しない。なお、遮蔽なし(60°),(180°),(300°)の場合、最大サイズP1に対応して加熱ベルト48やヒートローラ46を誘導加熱することができる。
〔他の構造例〕
図19は、定着ユニット14の他の構造例を示す図である。この構造例では、上記の加熱ベルトを用いずに定着ローラ45と加圧ローラ44とでトナー画像を定着する。定着ローラ45の外周には、例えば上記の加熱ベルトと同様の磁性体が巻かれており、誘導加熱コイル52によって磁性体を誘導加熱する構成である。この場合、サーミスタ62は定着ローラ45の外側で、磁性体層に対向する位置に設けられる。なお、ここでは遮蔽部材60の構造例(3),(4)を例示しているが、その他の構造例(1),(2)の遮蔽部材60を適用してもよい。その他については上記と同様であり、遮蔽部材60を回転移動させることで、各構造例(1)〜(4)に応じた遮蔽位置と退避位置にそれぞれ切り替えることができる。
図20は、さらに定着ユニット14の他の構造例を示す縦断面図である。この構造例では、ヒートローラ46が非磁性金属(例えばSUS:ステンレス鋼)の材料で構成されており、センタコア58及び遮蔽部材60がヒートローラ46の内部に配置されている点がこれまでと異なっている。また、合わせてアーチコア54が中央で連結されており、その下部に中間コア55が設置されている。
ヒートローラ46を非磁性金属とした場合、誘導加熱コイル52により発生した磁界はサイドコア56、アーチコア54及び中間コア55を通り、ヒートローラ46を貫通して内部のセンタコア58に至る。このとき加熱ベルト48は貫通磁界により誘導加熱される。
このような構造例において、図20に示されているように遮蔽部材60のリング部分を中間コア55に対向する位置(遮蔽位置)に切り替えると磁気が遮蔽され、通紙領域の外側で過昇温が抑制される。一方、遮蔽部材60のリング内を磁気が貫通しない状態が退避位置となり、この場合は磁気の遮蔽効果が働かずに最大通紙領域で加熱ベルト48が誘導加熱される。ここでも遮蔽部材60の構造例(3),(4)を例示しているが、その他の構造例(1),(2)の遮蔽部材60を適用してもよい。
次に図21は、IHコイルユニット50の他の構造例を示す図である。この構造例では、加熱ベルト48の円弧状の位置ではなく、ヒートローラ46と定着ローラ45との間の平面状の位置で誘導加熱する構成である。この場合も同様に、遮蔽部材60を回転させて磁気の遮蔽を行うことができる。なお、ここでは構造例(1)の遮蔽部材60を示しているが、その他の構造例(2)〜(4)を適用してもよい。
本発明は上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施可能である。例えば、遮蔽部材60の平面視での形状は台形や矩形に限らず、三角形状であってもよい。また、リング形状の遮蔽部材60が通紙幅の方向に複数の分割されていてもよい。
上記の実施形態では遮蔽部材60の材料として銅(無酸素銅)を挙げているが、遮蔽部材60はその他の非磁性金属(例えば非磁性SUS、アルミニウム)であってもよい。
その他、アーチコア54やサイドコア56を含めた各部の具体的な形態は図示のものに限らず、適宜に変形可能である。
一実施形態の画像形成装置の構成を示した概略図である。 定着ユニットの構造例を示す縦断面図である。 遮蔽部材の構造例(1)を示す斜視図である。 長手方向で幅を異ならせた遮蔽部材とその配置例を示した図である。 遮蔽部材の回転機構の構成を示す側面図及びその動作を示す部分的な断面図(B−B断面)である。 構造例(1)の遮蔽部材の回転に伴う動作例を示す図である。 遮蔽部材をリング形状とした構造例(2)を示す斜視図である。 リング形状の遮蔽部材による磁気遮蔽効果の原理を説明するための概念図である。 遮蔽部材の構造例(3)を示す斜視図である。 構造例(3)の遮蔽部材を用いた動作例を示す図である。 遮蔽部材の構造例(4)を示す斜視図である。 構造例(4)の遮蔽部材をセンタコアの外側に配置した状態を示す図である。 遮蔽部材により全面遮蔽を行った場合の動作例を示す斜視図である。 図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材を60°回転させたときの動作例を示す斜視図である。 図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材を120°回転させたときの動作例を示す斜視図である。 図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材を180°回転させたときの動作例を示す斜視図である。 図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材を240°回転させたときの動作例を示す斜視図である。 図13の状態から時計回り方向に遮蔽部材を300°回転させたときの動作例を示す斜視図である。 定着ユニット14の他の構造例を示す図である。 さらに定着ユニット14の他の構造例を示す図である。 IHコイルユニットの他の構造例を示す図である。
符号の説明
1 画像形成装置
14 定着ユニット
50 IHコイルユニット
52 誘導加熱コイル
54 アーチコア
56 サイドコア
58 センタコア
60 遮蔽部材
62 サーミスタ
64 回転機構
66 ステッピングモータ
68 減速機構
70 駆動軸

Claims (8)

  1. 画像形成部でトナー画像が転写された用紙を加熱部材と加圧部材との間に挟み込んで搬送し、この搬送過程で、少なくとも前記加熱部材からの熱によりトナー画像を用紙に定着させる定着ユニットを備えた画像形成装置であって、
    前記定着ユニットは、
    前記加熱部材の外面に沿って配置され、前記加熱部材を誘導加熱するための磁界を発生させるコイルと、
    前記コイルを挟んで前記加熱部材の反対側に配置され、前記コイルの周囲にて磁路を形成するべく磁性材料で構成された第1のコアと、
    前記コイルによる磁界の発生方向でみて前記第1のコアと前記加熱部材との間に固定して設けられ、前記第1のコアとともに磁路を形成するべく磁性材料で構成された第2のコアと、
    前記第2のコアの外側に設けられ、前記コイルの発生させる磁界内で磁気を遮蔽するべく良導電材料で構成された遮蔽部材と、
    固定された状態の前記第2のコアに対し、その外側で前記遮蔽部材を移動させることにより、前記遮蔽部材が磁気を遮蔽する遮蔽位置か、又は磁気の通過を許容する退避位置かのいずれかに切り替える磁気調整手段とを備え
    前記遮蔽部材は、
    前記第2のコアの外周方向に沿って配置された複数のリング形状の非磁性金属で構成されていることを特徴とする画像形成装置。
  2. 請求項1に記載の画像形成装置であって、
    前記磁気調整手段は、
    前記第2のコアの外周に沿って前記遮蔽部材を回転させることにより、前記遮蔽位置と前記退避位置との切り替えを行うことを特徴とする画像形成装置。
  3. 請求項1又は2に記載の画像形成装置であって、
    前記加熱部材は、
    前記定着ユニットにより搬送される用紙の幅方向でみて、その最大通紙領域にわたって前記コイルにより誘導加熱されるものであり、
    前記第2のコアは、
    前記加熱部材の幅方向でみた全域で磁路を形成するべく用紙の幅方向に延びており、
    前記遮蔽部材は、
    前記定着ユニットにより搬送される用紙の幅方向でみて、少なくともその最小通紙領域の外側に設けられていることを特徴とする画像形成装置。
  4. 請求項2又は3に記載の画像形成装置であって、
    前記遮蔽部材の回転移動の方向でみて、その一周分の長さに占める前記遮蔽部材の長さの割合を被覆率としたとき、この被覆率が用紙の幅方向で異なり、かつ、最小通紙領域の近傍では被覆率が比較的小さく設定されていることを特徴とする画像形成装置。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載の画像形成装置であって、
    前記コイルが前記加熱部材を外包するべく外側に配置されており、かつ、前記コイルの中心を挟んで両側に前記第1のコアが分割して配置されており、
    前記第2のコアは、両側の前記第1のコアを経て前記コイルの中心に磁路が合流する位置に設けられていることを特徴とする画像形成装置。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の画像形成装置であって、
    前記コイルが前記加熱部材を外包するべく外側に配置された構成であって、かつ、前記加熱部材が非磁性金属で構成されており、前記加熱部材の内側に前記遮蔽部材が配置されていることを特徴とする画像形成装置。
  7. 請求項1から6のいずれかに記載の画像形成装置であって、
    前記遮蔽部材は、銅を材料として構成されていることを特徴とする画像形成装置。
  8. 請求項7に記載の画像形成装置であって、
    前記遮蔽部材は、厚みが0.5mm〜3mmの範囲内であることを特徴とする画像形成装置。
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