JP5188059B2 - 像加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置の定着部特に誘導加熱方式を用いた加熱定着部及び定着部内に設けられる加熱回転体に関するものである。

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においては以下のような画像工程により記録材上に画像が形成される。帯電された像担持体である感光体に露光することで形成される静電潜像にトナーにより現像される。そして、感光体上に形成されたトナー像は搬送される記録材上に転写手段により転写される。この記録材上のトナーは、円筒状芯金の表面に離型性樹脂被膜を形成して成る加熱ローラと、これに圧接し、弾性体層を表面に有する加圧ローラとにより形成されるニップ部を通過することで、圧と熱により記録材上に定着される。定着装置としては、加熱ローラの内部にハロゲンヒータを設けて、ハロゲンヒータの輻射熱により加熱ローラが加熱するような定着装置が広く使用されている。

近年においては熱交換効率性や立ち上げ時間の観点から、磁束により生ずる誘導電流により、加熱ローラ自身が発熱する誘導加熱方式の定着装置の提案がされている。

例えば、特許文献１のように高周波電源により高周波電圧がコイルに印加されて生ずる磁束により、磁性を有する鉄系金属からなる加熱ローラの芯金部に渦電流が発生して発熱するものが提案されている。

また、上記の方式においては加熱ローラ温度の温度を検知する温度検知部材を設け、この温度検知部材の出力に基づいてコイルへの通電を制御する温度制御が採用されている。

一方、特許文献２のように強磁性体にはキュリー点という比透磁率が大幅に低下する特性を利用して、加熱ローラの表面温度を制御する構成が提案されている。この構成によると、特許文献１のような温度検知部材を用いる必要がないというメリットを有するものである。

しかし、加熱ローラのキュリー温度を像加熱温度にすると以下の問題が発生する。即ち、中央部に比べて端部の加熱ローラからの放熱は大きいために、端部の温度が像加熱温度よりも低下する。その結果、通紙可能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定着不良が発生する。

これを防止するために、加熱ローラ端部の温度低下を見越した温度でキュリー点温度を設定し、なおかつ特許文献３のように端部の加熱効率を改善したコイルを使用する構成がある。しかし、この場合には、キュリー点温度と像加熱温度とが異なるため、中央部の温度制御が難しいという難点がある。

そのため、中央部のキュリー温度を像加熱温度に近い温度の材料を用い、端部のキュリー温度を温度低下を考慮した温度の材料を用いることで、上記の問題を解決できる。
特公平５−９０２７号 特許２９７５４３５号 特開２０００−０２９３３２

しかし、キュリー温度が異なる材料を一体のローラにして、温度検知部材を設けずに自己温調させると、端部側の温度が高くなる。特に、キュリー温度が高い領域の端部からの距離がある部分は、端部よりも放熱量が少ないため、温度が端部よりも高くなる。そして、熱移動が、異なる材料の接合部だけにすると、熱移動量が少ないために、その温度差を大幅に小さくすることはできない。その結果、その部分だけ周りに比べて像加熱が十分に行われ、画像の加熱ムラが発生する。

そこで、本発明は、磁束を発生するコイルを有し前記コイルの磁束により発熱する像加熱部材を有し、前記像加熱部材の熱により記録材上の像を加熱する像加熱装置において、前記像加熱部材は、前記像加熱部材の回転軸線方向における中央部側に配置され、キュリー温度が第一キュリー温度である第一部材と、前記回転軸線方向における端部側に配置され、キュリー温度が第一キュリー温度より高い第二キュリー温度である第二部材と、前記第一及び第二部材と一体で形成され、前記第一及び第二部材の外周側に配置される金属部材とを備えて、前記像加熱部材は、前記第一キュリー温度近傍の温度で記録材上の像を加熱して、待機状態において、前記像加熱部材の端部側の温度は中央部側の温度より高くなることを特徴とする。

本発明によると、キュリー温度が異なる材料を中央部と端部に用いても、キュリー温度が異なることで生ずる温度差を小さくすることができる。

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本発明における最良の実施の形態の一例ではあるものの、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
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は加熱ローラ対７４で転写されたトナー像が予め設定された像加熱温度である定着温度で加熱定着され、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。

図２（ａ）は、本発明に係る像加熱装置の像加熱部材としての加熱ローラ１の長手方向断面図である。

図２（ｂ）は同加熱ローラの周方向断面図である。

加熱ローラ１の断面について以下に説明する。

一番内層の芯金３００、４００，５００は鉄系金属を用いられ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たそれぞれ独立の薄肉空芯ローラである。

さらに各芯金は、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各々異なるキュリー点を設定されている。

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点を変更したものを使用する。

加熱ローラの回転軸方向において加熱ローラ１の中央側に配置される第一部材である芯金３００のキュリー点温度はＴｃ（１８０℃）に調整してある。本実施例では、加熱ローラの温度を検知する温度検知部材を設けない自己発熱制御を行う構成であるため、像加熱温度はキュリー温度近傍の温度なる。より詳しくは、像加熱温度は、（キュリー温度−１０℃）からキュリー温度の範囲で自己発熱制御される構成である。また、加熱ローラの回転軸方向において加熱ローラの端部側にそれぞれ設けられている第二部材である芯金４００、第三部材である芯金５００のキュリー点温度はＴｃより高いＴｓ（２２５℃）になるよう調整してある。このＴｓの設定は、コイルの温度が上昇すると、コイルの電気抵抗が上昇することで、発熱効率が低下する虞のある温度２３５℃よりも低く設定することが好ましい。さらには、像加熱装置の耐熱温度２４５℃よりも低く設定する必要もある。この芯金３００、４００、５００は、それぞれ内径が４５ｍｍ、外径が４６ｍｍの大きさである。

次に金属部材である金属ローラについて説明する。この金属ローラは内径が芯金３００，４００，５００の外径と同じ小さい値である。本実施例では、４５.５ｍｍである。そして、外径は４７.０ｍｍである。この金属ローラ２００に図２（ａ）の順序になるよう圧入することでローラ本体が形成されている。そして、ローラ本体は、これら芯金と金属ローラとが一体となっている。ここで金属ローラ２００は熱伝導性が高い材料であるアルミなどの金属で構成するとする。また、この金属ローラ２００の熱伝導率は、芯金１００、２００、３００の熱伝導率よりも高いことが好ましい。

また、８００はローラ両端に設けられる抜け止めである。

そして、上記構成の金属ローラ２００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６００（ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂）が５０μｍの厚みで設けられている。

この加熱ローラ芯金２００と離型層６００はバインダー層である接着剤７００により結合されている。

本実施例では、金属ローラ上に離型層を設けたが、金属ローラと離型層の間に弾性層を設ける構成であっても問題ない。

図３を用いて上記加熱ローラ１を用いた誘導加熱の構成を説明する。

加熱ローラ１は中空で構成されるので内部に発信用コイルＬ１を備えることができる。

磁束を生ずるコイルＬ１はダイオードＤ１〜４、ノイズフィルターＮＦ、コンデンサＣ１からなる平滑回路およびスイッチング素子ＴＲ１、共振コンデンサＣ２、フライホイルダイオードＤ５などからなる発振回路に接続されている。

この発振回路には商用電源（ＡＣ）が供給されるとともに共振制御回路から発生される２０Ｋ〜３０ＫＨｚ程度のパルス周波数変調制御により高周波発振させられる。そのため、コイルＬ１に高周波電圧が印加されることで交流磁界が生じる。

この磁界が鉄系金属で構成された加熱用薄肉ローラ３００，４００，５００と鎖交することにより各ローラ表面に渦電流が生じ、これにより生じるジュール熱によりローラは加熱せられる。

次に図４に上記ローラを用いた定着装置の構成を示す。

定着器３０１内には定着ローラ１と当接する加圧ローラ３０２で構成されるローラ対が備えられ、不図示の駆動手段により所定の速度で回転する。ここに不図示の搬送手段で搬送された画像転写後の用紙Ｐが定着装置３０１入口より進入し、上記ローラ対により形成されるニップ部を通過することにより、定着ローラによる加熱と該ローラ対による加圧作用によって用紙Ｐ上のトナー画像が用紙Ｐに定着される。

３０３のコアは、コイルＬ１の発生する磁束の向きを規制するために設けられたフェライトコアである。

つぎに上記のような動作時における定着ローラ１の温度分布を図５の温度分布図を用いて説明する。

加熱ローラの回転軸方向構成図で説明に不要なものは省略してある。

第１の用紙通紙可能にするための立ち上げ時には装置を作動させると室温付近から加熱ローラ１の温度は上昇していく。

まず中央の芯金３００のキュリー温度Ｔｃ近傍に達すると芯金３００の比透磁率が急激に低下するので加熱効率も著しく低下する。例えば、室温での比透磁率が１００であったものが、キュリー温度に達すると１となる。したがって、コイルに印加する電力の周波数を大幅に変更する場合を除き、芯金３００が配置された部分の温度はＴｃ近傍で安定させられる。

芯金４００、５００においてはキュリー点ＴｓをＴｃ＜Ｔｓと設定しているため、芯金３００の温度がキュリー温度Ｔｃになっても、芯金４００、５００の温度は上昇し続ける。しかし、本実施例では、芯金４００、５００はローラ端部であることにより放熱量が中央部よりも大きいため、実際のキュリー温度Ｔｓより若干低い温度で安定することになる。

本発明では、芯金３００、４００、５００を熱伝導率が高い金属ローラ２００の内部に配置させることで、芯金３００と芯金４００、５００との温度差を小さくすることができる。ここで、記録材を通紙していないときの待機状態（スタンバイ状態）の温度分布を示す。金属ローラ２００を設けない温度分布を４０４に示す。この場合には、芯金４００、５００と芯金３００の間の熱移動は、接合部だけに限られるために、熱移動量が少なくなる。また、芯金４００と芯金５００の中央部側は放熱量が端部側よりも小さくなるため、温度は上昇しやすい。その結果、温度分布は、芯金間の接合部側は高くなりやすい。そのため、通紙可能な最大幅（Ｗ１）の記録材を通紙したときには、端部側と中央部側の温度差が大きくなるため、画像上に加熱ムラが生ずる。一方、金属ローラ２００を設けた場合には、芯金４００、５００と芯金３００の間の熱移動は、芯金の接合部に限られず、金属ローラ２００からも行われるため、熱移動量を大きくすることができ、温度差を小さくすることができる。Ａは金属ローラ２００を用いない場合の温度差であり、検討の結果３０℃であったが、金属ローラ２００を用いることによりＢの１０℃にすることができた。

４０２と４０５は、通紙可能な最大幅（Ｗ１）の記録材を通紙したときの温度分布である。金属ローラ２００を設けていない場合の温度分布４０５では、芯金４００、５００の端部の温度が上記と同様の理由でＣの部分、即ち、２０℃の温度差が生ずる。これに対して、金属ローラ２００を設けた構成では、用紙がニップ通過時ローラの熱を奪うので用紙が接する部分のローラ温度が一時低下するが、電力投入されることで、Ｔｃ近傍の温度で維持されることになる。連続して記録材を通紙する際には、投入された電力は記録材に再び奪われるため、記録材の通紙領域の端部の温度は待機状態時（４０１）よりも高くならず、記録材通紙領域における温度ムラを小さくすることができる（４０２）。一方、ローラ４，５の部分においては特に用紙Ｐに接していない最端部でＴｓ付近まで温度が上昇する。

４０３は、Ｗ１よりも幅が小さい記録材を通紙したときの温度分布である。用紙幅Ｗ２が中央部ローラ３の長さとほぼ同じ用紙Ｐ’を連続通紙した場合には、中央部では４０２同様にローラ温度が一時低下するが、電力が投入されることでＴｃ近傍の温度で維持されることになる。このとき端部ローラ４，５部ではほとんどの部分で温度がＴｓ付近まで上昇するが、それ以上にはならない（４０３）。これにより、非通紙部昇温が生じても、像加熱装置が破損することを防止できる。

このように本発明により、キュリー温度が異なる材料を中央部と端部に用いても、キュリー温度が異なることで生ずる温度差を小さくすることができる。

（実施例２）
図６は本発明の異なる実施例における定着ローラ断面図とくに芯金３００と芯金４００との当接拡大図を示す。なお、本実施例での芯金５００と芯金３００の当接については、芯金３００と芯金４００と同様である。

図６（ｃ）のように芯金３００と芯金４００が密着して当接していた場合、ローラの加熱状態および放熱状態によっては図６（ｄ）のように当接面近傍で温度が第２のキュリー点Ｔｓより高い温度まで加熱されるため、端部領域の温度が高くなり、温度差が拡大する。

したがって図６（ａ）のように直接当接しないように構成すれば図６（ｂ）で示すように、芯金３００と芯金４００とを非当接状態にすれば、より温度差を小さくすることができる。

また距離ｄが常時一定になるのであれば内部ローラの固定方法は限定しない。

このように、本実施例のように、金属ローラ２００を設けると共に、芯金３００と芯金４００、５００とを非当接状態にした。

この構成により、よりキュリー温度が異なる材料を中央部と端部に用いても、キュリー温度が異なることで生ずる温度差を小さくすることができる。

（その他の実施例）
図７はその他の実施例を説明したローラ断面図である。

上記の実施例では芯金３００、芯金４００、芯金５００の厚み及び外径と内径を同じ厚みであったが、本実施例ではこれらの厚みや外径及び内径を異ならせるものである。図７（ａ）は、芯金３００、と芯金４００（芯金５００）とにおいて、外径と内径を異ならせたものである。また、図７（ｂ）は、芯金３００、と芯金４００（芯金５００）とにおいて、外径と内径を異ならせたものである。本発明は、芯金３００、芯金４００、芯金５００の厚み及び外径と内径を同じ値に限定されるものではない。

また、金属ローラ２００と芯金３００、芯金４００、芯金５００とは接着剤により取り付けられていても問題ない。

実施例１における画像形成装置の断面図 実施例１における加熱ローラの断面図 実施例１における誘導発熱装置の構成図 実施例１における定着装置の断面を表した図 実施例１における加熱ローラの長手方向温度分布図 実施例２における定着ローラ断面図および温度分布図 実施例３における定着ローラ断面図

符号の説明

１ 加熱ローラ
６ 離型層
７ 接着剤
３０１ 像加熱装置
３０２ 加圧ローラ
２００ 金属ローラ
３００ 中央部の芯金ローラ
４００ 端部の芯金ローラ
５００ 端部の芯金ローラ
Ｌ１ 誘導加熱コイル
Ｃ２ 共振コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４ 整流ダイオード
ＴＲ１ スイッチング素子
２０２ 共振制御回路
２０１ 誘導加熱電源

Claims (5)

1. 磁束を発生するコイルを有し前記コイルの磁束により発熱する像加熱部材を有し、前記像加熱部材の熱により記録材上の像を加熱する像加熱装置において、
   前記像加熱部材は、前記像加熱部材の回転軸線方向における中央部側に配置され、キュリー温度が第一キュリー温度である第一部材と、前記回転軸線方向における端部側に配置され、キュリー温度が第一キュリー温度より高い第二キュリー温度である第二部材と、前記第一及び第二部材と一体で形成され、前記第一及び第二部材の外周側に配置される金属部材とを備えて、前記像加熱部材は、前記第一キュリー温度近傍の温度で記録材上の像を加熱して、
   待機状態において、前記像加熱部材の端部側の温度は中央部側の温度より高くなることを特徴とする像加熱装置。
2. 前記金属部材の熱伝導率は、前記第一部材と前記第二部材の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
3. 前記金属部材の厚みは、前記第一部材と前記第二部材の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の像加熱装置。
4. 前記回転軸線方向において、前記第一部材と前記第二部材とは間隔を設けて配置されていることを特徴する請求項１から請求項３のいずれかに記載の像加熱装置。
5. 前記金属部材はローラであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の像加熱装置。

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