JP5181653B2 - 定着装置、画像形成装置、加熱ローラ、および定着制御方法 - Google Patents

定着装置、画像形成装置、加熱ローラ、および定着制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電磁誘導加熱方式の定着装置、加熱ローラ、それを用いた画像形成装置、および定着制御方法に関する。
従来より、プリンタなどの画像形成装置において、熱ローラ方式またはベルト方式などの加熱方式を用いた定着装置が多数提案されている。その中で、加熱ローラの内部にハロゲンヒータなどの熱源を配置し加熱ローラの全体を加熱する定着装置が一般的である。
近年は、定着装置のウォームアップ時間の短縮や省エネルギーなどの要望の観点から、急速加熱および高効率加熱の可能な電磁誘導加熱方式が注目されている。例えば、電磁誘導コイルを加熱ローラの外側に配置し、電磁誘導コイルが発生する磁界により加熱ローラの外周面を直接加熱する方式が採用されている。
電磁誘導加熱方式では、例えばコイル(電磁誘導コイル)とインバータ回路内のキャパシタとで共振回路を形成しておき、商用電源からインバータ回路を介してコイルに高周波電流を供給する。そして、コイルが発生する高周波磁界により、加熱ローラの外周部に設けられた発熱ベルトに含まれる発熱体を誘導加熱し、加熱ローラの外周面を定着温度にまで高める。
ところで、画像形成装置で使用される記録紙のサイズは様々である。そのため、例えば、加熱ローラを通過する記録紙のサイズがその加熱ローラにおいて通過させることのできる記録紙の最大のサイズより小さい場合は、加熱ローラの非通紙部分では熱が記録紙に奪われないので温度が過剰に上昇するという問題がある。
そこで、加熱ローラの内部にハロゲンヒータなどの熱源を配置して構成される定着装置では、ハロゲンヒータの配光を制御することによって非通紙部分の過剰な温度の上昇を抑制する。
このような構成の定着装置では、加熱ローラの内部に配置されている熱源からの熱を加熱ローラの全体に行き渡せるために、加熱ローラの材料として熱伝導性の高いものが使用される。これに対して、上に述べたように、電磁誘導加熱方式の定着装置では、加熱ローラの外周面を直接に加熱する。そして、加熱ローラの外周面の昇温速度をより速くするために、加熱ローラの材料として熱伝導性の低いものが使用されることが多い。したがって、加熱ローラの非通紙部分では、記録紙によって熱が奪われないので、しかも外周部の温度が内部に逃げないので、温度が過剰に上昇してしまうこととなる。
従来より、電磁誘導加熱方式の定着装置において、消磁コイルを利用して加熱ローラの端部の磁束を打ち消し、これによって非通紙部分の温度の上昇を抑制する方法が提案されている。また、特許文献1には、加熱された被加熱材(導体)の温度がキュリー温度を超えると被加熱材の中に生成される磁界が減少しうず電流が減少することを利用して、被加熱材の発熱を抑制する方法が開示されている。
特開2000−75702号公報
しかし、上に述べたように、画像形成装置で使用される記録紙のサイズは様々であるので、記録紙のサイズによって非通紙部分の位置が変わる。そのため、上に述べた消磁コイルを用いる方法では、消磁コイルが複数必要となり、その分、コストがかかりかつ構造が複雑になってしまう。
また、特許文献1に開示される方法では、使用する被加熱材の材質が高価な上、キュリー温度に近づくと被加熱材の温度の上昇がなまってくるという問題がある。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、記録媒体のサイズに対応して発熱分布を変えることを可能とし、従来よりも簡単な構造で加熱ローラの非通紙部分の温度が過剰に上昇するのを抑制することのできる定着装置および加熱ローラなどを提供することを目的とする。
本発明に係る定着装置は、コイルが発生する磁界による電磁誘導によって加熱される加熱ローラにより記録媒体上にトナー像を定着させる定着装置であって、前記加熱ローラには、その外周部に、前記電磁誘導によって発熱する厚さが不均等な円筒状の発熱体を有する発熱部材が設けられており、前記コイルに流れる電流の周波数を変更することによって前記発熱体の軸方向における発熱分布を変更することが可能に構成されており、前記コイルに流れる電流の周波数を高くした場合には前記コイルに供給する電力を減少させるとともに周波数を低くした場合には前記コイルに供給する電力を増加させるように前記コイルに流れる電流の周波数の変更に応じて前記コイルに供給する電力を変更するように制御されている。
好ましくは、前記発熱体は、軸方向の両端部の厚さが中央部の厚さに比べて薄くなるよう構成される。
または、前記発熱体は、軸方向の長さが互いに異なる複数の円筒状の金属層から構成される。
好ましくは、前記複数の円筒状の金属層のそれぞれの軸方向の長さが、当該複数の円筒状の金属層のうちの径方向の中央に位置する層から径方向の外側および内側に位置する層にかけて順に短くなるよう構成される。
また、例えば前記記録媒体のサイズに応じて前記周波数を変更することにより、前記発熱体の軸方向における発熱分布を変更することが可能に構成される。
また、前記加熱ローラの外周面の温度を測定する温度検出装置を設けておき、前記温度検出装置の測定の結果に基づいて前記周波数を変更するように構成してもよい。
本発明によると、構造が簡単でありながら、種々のサイズの記録紙に対して非通紙部分の温度が過剰に上昇するのを抑制することができる。
図1は本発明に係る実施形態の定着装置10の概略の構造を示す図、図2は加熱ローラの正面図、図3は加熱ローラ11の構造を模式的に示す断面図、図4は加熱ローラ11の発熱ベルト部HBの構造を示す断面図である。
なお、図4は、図3に示す加熱ローラ11の発熱ベルト部HBの周方向の一部を、その半径方向に沿って断面して見た図であり、かつ、径方向に拡大してスケールアウトした状態で示してある。後の図11においても同様である。
図1において、定着装置10は、プリンタまたは複写機などの電子写真方式の画像形成装置1(図5参照)に設けられ、記録紙に転写されたトナー像を熱と圧力とで記録紙に定着させる。
定着装置10は、加熱ローラ11、加圧ローラ12、電磁誘導コイル13、温度検出センサ14,14s、および熱定着制御部15などによって構成される。
加熱ローラ11は、図示しない支持部材によって回転可能に支持されており、図示しない駆動源からの駆動力によって回転する。また、加熱ローラ11は、電磁誘導コイル13からの電磁誘導によって加熱される。
加圧ローラ12は、図示しない支持部材によって回転可能にかつ加熱ローラ11に対して接離可能に支持されている。加圧ローラ12は、加熱ローラ11に対して加圧状態で接したときには、加熱ローラ11との間にニップ部NBが形成される。トナー像の載った記録紙PPがニップ部NBを通過するときに、そのトナー像が記録紙PPに定着される。
なお、本実施形態では、記録紙PPは加熱ローラ11の軸方向における中央部を通過するものとする。
電磁誘導コイル13は、加熱ローラ11の外周面の一部に沿って、かつ軸方向の全長に渡って配置されている。後で述べるインバータ52から電磁誘導コイル13に高周波電力が供給(出力)されることによって、電磁誘導コイル13は高周波磁界を発生し、これによって加熱ローラ11を誘導加熱する。
温度検出センサ14,14sは、加熱ローラ11の外周面の温度を検出する。一方の温度検出センサ14は、図2に示すように、加熱ローラ11の軸方向の中央部に対向する位置に配置され、他方の温度検出センサ14sは、加熱ローラ11の軸方向の端部に近い位置に配置される。温度検出センサ14sは、例えば、加熱ローラ11において記録紙PPが通過する軸方向の最小の幅と軸方向の最大の幅との間に配置される。
以下において、温度検出センサ14によって検出される温度を「表面温度」と、温度検出センサ14sによって検出される温度を「端部温度」と、それぞれ記載することがある。
なお、温度検出センサ14sは一個のみを示したが、さらに多くの複数個の温度検出センサ14sを加熱ローラ11の軸方向に配置し、加熱ローラ11の軸方向に沿った温度分布を詳しく検出するようにしてもよい。その場合に、複数の温度検出センサ14sを、使用する記録紙PPのサイズに対応して配置するようにしてもよい。
図3において、加熱ローラ11は、ステンレス鋼製の円筒状または円柱状の軸心部CA、軸心部CAの外周部に設けらた厚さ数センチのウレタン樹脂などからなる円筒状のスポンジ層SL、および、スポンジ層SLの外周部に設けられた発熱部材である円筒状の発熱ベルト部HBからなる。
図4をも参照して、発熱ベルト部HBは、厚さつまり半径方向の寸法が不均等な円筒状の金属層MLと、金属層MLの外周面側および内周面側に合成樹脂をコーティングすることによって形成された非磁性のコーティング層CLとを有する。
金属層MLは、軸方向の長さが互いに異なる複数の円筒状の金属筒から構成され、これによって、軸方向の両端部の厚さが中央部の厚さに比べて薄くなるよう構成されている。
本実施形態において、金属層MLは、7つの金属層ML1〜ML7が重ね合わされて構成されている。これら金属層ML1〜ML7の表面を覆うようにコーティング層CLが設けられている。以下、金属層ML1〜ML7の全部または一部を「金属層ML」と記載することがある。なお、金属層MLは6層以下または8層以上であってもよい。
金属層ML1〜ML7は、軸方向の長さが互いに異なっており、かつ、径方向の中央に位置する層(金属層ML4)から径方向の外側および内側に位置する層(金属層ML1および金属層ML7)にかけて順に短くなるよう構成されている。
各金属層MLの軸方向の長さL1〜L4は、それぞれ、加熱ローラ11を通過する種々の記録紙PPのそれぞれの幅方向のサイズつまり加熱ローラ11の軸方向に沿った長さ(以下、「記録紙PPの幅」と記載する)にほぼ対応している。
金属層ML1〜ML7の材料として、例えば、厚さが数μm〜十数μm程度のNi(ニッケル)合金が用いられる。例えば、Ni、Fe(鉄)、Cu(銅)の合金が用いられる。金属層MLの全体の製作には、これらの金属層ML1〜ML7をそれぞれ加熱して膨張させ同心状に嵌入させた状態で、冷却して収縮させることにより、一体の金属層MLとする。または、中央の金属層ML4の外周面および内周面に、同様な金属をメッキしまたは蒸着し、これによって一体の金属層MLとする。また電鋳により製作することも可能である。金属層MLは、電磁誘導コイル13による被加熱層であり、本発明における「発熱体」に相当する。
コーティング層CLには、例えばPFA(テトラフルオロエチレンの重合体)などの耐熱性を有する合成樹脂が用いられる。コーティング層CLを形成することにより、発熱ベルト部HBの厚さつまり半径方向の寸法を、例えば100μm程度とする。
このように構成された加熱ローラ11は、電磁誘導コイル13に流れる電流の周波数を変更することによって、発熱体である金属層MLの軸方向における発熱分布を変更することが可能である。
次に熱定着制御部15について説明する。
図5は熱定着制御部15を含んだ画像形成装置1の概略の制御回路を示すブロック図、図6は周波数fの変更による加熱ローラ11の発熱分布の例を示す図、図7は記録紙PPのサイズと周波数fとの対応データを格納した周波数テーブルTBを示す図である。
図5において、画像形成装置1は、画像形成部3、制御部5、および熱定着制御部15などからなっている。
画像形成部3は、電子写真方式によって画像を形成するものであり、本発明におけるトナー像形成手段に相当する。また、一般のプリンタまたはプリントエンジンなどが画像形成部3に相当する。なお、定着装置10は画像形成部3の一部である。
制御部5は、画像形成部3を初めとして画像形成装置1の全体を制御し、また、ユーザの指示などに応じて種々の画像処理を実行する。制御部5において、画像形成についての記録紙のサイズを検出し、サイズ信号S4を熱定着制御部15に送る。
熱定着制御部15は、インバータ52および温度制御回路53を有し、温度検出センサ14,14sを含めた制御ループによって、加熱ローラ11が定着に必要な温度となるように制御する。
インバータ52は、温度制御回路53から入力される制御信号S1に基づいて、商用電源51から供給される商用電力を高周波電力に変換し、電磁誘導コイル13に供給する。インバータ52から電磁誘導コイル13に供給する電力Poおよび周波数fは、制御信号S1に基づいて可変調整される。
温度制御回路53は、温度検出センサ14,14sの検出信号S2,S3、および制御部5からのサイズ信号S4に基づいて、インバータ52に対し、電力Poおよび周波数fを決定するための制御信号S1を出力する。
インバータ52が制御信号S1に基づいて動作することにより、制御部5において検出された記録紙のサイズに応じて周波数fおよび電力Poが設定され、発熱ベルト部HBの軸方向における発熱分布が決定される。また、記録紙のサイズが変更されると、それに応じて周波数fおよび電力Poが変更され、発熱ベルト部HBの軸方向における発熱分布が変更される。
なお、熱定着制御部15は、定着装置10における加熱ローラ11の加熱制御またはローラ駆動制御などを行うための独立した回路であってもよく、また、制御部5の一部であってもよい。
次に、加熱ローラ11の発熱動作について説明する。
図4に示す金属層MLは、電磁誘導コイル13が発生する高周波磁界による誘導電流(うず電流)によって発熱する。誘導電流による加熱深度δは次の(1)式で示される。
Figure 0005181653

δ:加熱深度〔cm〕
ρ:被加熱層(金属層)の抵抗率〔μΩ・cm〕
μ:被加熱層(金属層)の比透磁率
f:周波数〔Hz〕
上の(1)式によると、周波数fを変更することにより加熱深度δを変更することができる。周波数fを下げると、その2分の1乗に比例して加熱深度δの値は大きくなり、周波数fを上げると、その2分の1乗に比例して加熱深度δの値は小さくなる。
なお、数値の一例をあげると、抵抗率(固有抵抗)は、常温において、例えば鋼では20程度、銅では3程度である。金属層MLの場合は、常温において例えば3〜20程度の範囲である。比透磁率は、非磁性体ではほぼ1であり、磁性体では、常温において、例えば鋼では5000程度、ニッケルでは600程度である。金属層MLの場合は、常温において例えば50〜1000程度の範囲である。これらの数値は一例であり、金属層MLを構成する材料およびその比率を変更することにより、種々の値とすることができる。
このように、周波数fによって加熱深度δを変更することができ、したがって、金属層MLにおける軸方向に沿った発熱量の分布を可変することができる。例えば、加熱深度δを十分に小さくし、金属層MLの表面(金属層ML1,2,3の側の表面)に沿った浅い部分が軸方向に沿った全域にわたって発熱するようにした場合には、加熱ローラ11の軸方向のほぼ全域にわたってほぼ均一に発熱することとなる。また、加熱深度δを十分に大きくし、金属層MLの最も厚い部分と同じ程度の加熱深度δとした場合には、金属層MLの厚さ方向に渡るほぼ全体が発熱し、加熱ローラ11の軸方向の中央部は厚く端部は薄いので、中央部の温度は高くなり、端部の温度は低くなるような温度分布(発熱分布)となる。加熱深度δをそれらの中間の適当な値とすることによって、それに応じて加熱ローラ11の軸方向の発熱分布を種々変更することができる。
また、発熱分布が変わることによって、加熱ローラ11の表面の各部の温度自体が変化するが、それら表面の温度を定着に必要な所定の温度とするためには、電磁誘導コイル13に供給する電力Poを制御すればよい。つまり、例えば、周波数fを低くして加熱ローラ11の軸方向に沿った全域にわたって発熱するようにした場合には電力Poを増大させ、周波数fを高くして加熱ローラ11の軸方向の中央付近の温度が高くなるようにした場合には電力Poを減少させる。
このように、記録紙のサイズに応じて周波数fを変更することにより、加熱ローラ11の軸方向における発熱分布を変更することができる。
図6に示すように、周波数fをf1、f2、f3、またはf4のように変更することにより、各金属層ML1〜4の軸方向の長さL1〜L4に応じた発熱分布または温度分布が得られる。なお、図6は発熱分布を概念的に示すものであり、発熱分布を正確に示すものではない。
熱定着制御部15には、図7に示すような周波数テーブルTBが格納されており、サイズ信号S4に基づいて、それに対応する周波数fが周波数テーブルTBから読み出される。
したがって、定着装置10においては、検出された記録紙PPのサイズに応じた周波数fを選択し、その記録紙PPのサイズに合った発熱分布とし、記録紙PPの定着に必要な部分のみを定着温度とすることができる。これにより、加熱ローラ11の非通紙部分の過剰な温度の上昇を抑制することができ、また、省電力化を図ることができる。また、加熱ローラ11の構造は簡単であり、サイズに応じて周波数fを選択するだけであるから制御も簡単である。
次に、熱定着制御部15による制御動作をフローチャートを参照して説明する。
図8は熱定着制御部15の定常動作を示すフローチャート、図9は温度制御回路53の周波数変更処理のフローチャート、図10は温度制御回路53の端部温度制御処理を示すフローチャートである。
図8において、温度検出センサ14により検出された温度TMと、温度制御回路53の内部で保持する設定温度TSAとが比較される(#11)。設定温度TSAは、例えば190〜200度C程度である。検出温度TMが設定温度TSAよりも低い場合には、電力Poを増加させ(#12)、検出温度TMが設定温度TSAよりも高い場合には電力Poを減少させる(#13)。設定温度TSAを複数設けておき、それぞれの設定温度TSAとの大小関係に応じて、電力Poの増減量を変更してもよい。
図8に示す制御動作を図9および図10に示す制御動作とは独立して行うことによって、加熱ローラ11は定着のための加熱に必要な温度に高められ、記録紙PPの定着が確実に行われる。
図9において、記録紙PPの用紙サイズが検出され、サイズ信号S4として入力されると(#21)、それに対応した周波数fを周波数テーブルTBから読み出し、制御信号S1の周波数fおよび電力Poを変更する(#22)。
図10において、温度検出センサ14sにより検出された温度THと、温度制御回路53の内部で保持する設定温度TSBとが比較される(#31)。検出温度THが設定温度TSAよりも高い場合には、周波数fを低下させ、加熱ローラ11の中央部を集中的に加熱し、端部の温度を下げる(#32)。検出温度THが設定温度TSAよりも低い場合には、周波数fを上昇させ、加熱ローラ11の加熱範囲を拡げる(#33)。
次に、他の例の発熱ベルト部HBBについて説明する。
図11は他の例の発熱ベルト部HBBの構造を示す断面図である。
図4に示す発熱ベルト部HBでは、複数の金属層ML1〜7が重ね合わされて金属層MLを構成したが、図11に示す発熱ベルト部HBBでは、金属層MLBは一体に構成されている。つまり金属層MLBには図1の金属層MLのような継ぎ目がない。この場合においても、金属層MLBは、その軸方向の両端部の厚さが中央部の厚さに比べて薄くなるよう構成される。
このような発熱ベルト部HBBを用いた場合においても、上に述べた発熱ベルト部HBの場合と同様に、周波数fを変更することにより加熱深度δを変更することができ、これによって加熱ローラ11Bの軸方向の発熱分布を変更することができる。
上に述べた実施形態において、発熱ベルト部HB,HBB、加熱ローラ11,11B、電磁誘導コイル13、熱定着制御部15、定着装置10、または画像形成装置1の構成、構造、形状、寸法、個数、材質、処理の内容、処理の順序またはタイミングなどは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
本発明に係る実施形態の定着装置の概略の構造を示す図である。 加熱ローラの正面図である。 加熱ローラの構造を模式的に示す断面図である。 加熱ローラの発熱ベルト部の構造を示す断面図である。 画像形成装置の概略の制御回路を示すブロック図である。 周波数の変更による加熱ローラの発熱分布の例を示す図である。 周波数テーブルを示す図である。 熱定着制御部の定常動作を示すフローチャートである。 温度制御回路の周波数変更処理のフローチャートである。 温度制御回路の端部温度制御処理を示すフローチャートである。 他の例の発熱ベルト部の構造を示す断面図である。
符号の説明
1 画像形成装置
5 制御部
10 定着装置
12 加圧ローラ
13 電磁誘導コイル
14 温度検出センサ
14s 温度検出センサ
15 熱定着制御部
52 インバータ
53 温度制御回路
HB,HBB 発熱ベルト部(発熱部材)
ML,ML1〜7 金属層(発熱体)
MLB 金属層(発熱体)
CL コーティング層
PP 記録紙

Claims (9)

  1. コイルが発生する磁界による電磁誘導によって加熱される加熱ローラにより記録媒体上にトナー像を定着させる定着装置であって、
    前記加熱ローラには、その外周部に、前記電磁誘導によって発熱する厚さが不均等な円筒状の発熱体を有する発熱部材が設けられており、
    前記コイルに流れる電流の周波数を変更することによって前記発熱体の軸方向における発熱分布を変更することが可能に構成されており、
    前記コイルに流れる電流の周波数を高くした場合には前記コイルに供給する電力を減少させるとともに周波数を低くした場合には前記コイルに供給する電力を増加させるように前記コイルに流れる電流の周波数の変更に応じて前記コイルに供給する電力を変更するように制御されている、
    ことを特徴とする定着装置。
  2. 前記発熱体は、軸方向の両端部の厚さが中央部の厚さに比べて薄くなるよう構成されている、
    請求項1記載の定着装置。
  3. 前記発熱体は、軸方向の長さが互いに異なる複数の円筒状の金属層から構成されている、
    請求項1記載の定着装置。
  4. 前記複数の円筒状の金属層のそれぞれの軸方向の長さが、当該複数の円筒状の金属層のうちの径方向の中央に位置する層から径方向の外側および内側に位置する層にかけて順に短くなるよう構成されている、
    請求項3記載の定着装置。
  5. 前記発熱体は、軸方向の長さが互いに異なる複数の円筒状の金属層から構成され、前記複数の円筒状の金属層のそれぞれの軸方向の長さが、径方向の内側になるに従って短くなるよう構成されている、
    請求項1記載の定着装置。
  6. 前記加熱ローラの外周面の温度を測定する温度検出装置が設けられており、
    前記温度検出装置の測定の結果に基づいて前記周波数を変更することにより前記発熱体の軸方向における発熱分布を変更することが可能に構成されている、
    請求項1ないし5のいずれかに記載の定着装置。
  7. 請求項1ないし6のいずれかの定着装置と、前記記録媒体のサイズを検出するサイズ検出装置と、電子写真方式のトナー像形成手段と、を有し、
    検出された前記記録媒体のサイズに応じて前記周波数を変更することにより前記発熱体の軸方向における発熱分布を変更することが可能に構成されている、
    ことを特徴とする画像形成装置。
  8. コイルが発生する磁界による電磁誘導によって加熱される発熱体を有する加熱ローラにより、当該加熱ローラを通過する記録媒体上にトナー像を定着させるための定着制御方法であって、
    前記コイルに流れる電流の周波数を変更することによって前記発熱体の電磁誘導深さを調整し、前記記録媒体のサイズに応じて前記加熱ローラの軸方向における発熱分布を変更するとともに、
    前記コイルに流れる電流の周波数を高くした場合には前記コイルに供給する電力を減少させるとともに周波数を低くした場合には前記コイルに供給する電力を増加させるように前記コイルに流れる電流の周波数に応じて前記コイルに供給する電力を変更する、
    ことを特徴とする定着制御方法。
  9. 前記発熱体は、軸方向の長さが互いに異なる複数の円筒状の金属層から構成され、前記複数の円筒状の金属層のそれぞれの軸方向の長さが、径方向の内側になるに従って短くなるよう構成されている、
    請求項8記載の定着制御方法。
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