JP5805264B2 - 印刷に有用な装置 - Google Patents

Description

本発明は、印刷装置に関する。

印刷装置の中には、ニップを形成する、対向する部材を含むものがある。かかる装置において、媒体がニップに供給され、対向する部材と接触して、マーキング材料が媒体に定着される。

米国特許公開第２００８００３７０６９号明細書

定着部材の誘導加熱を利用する印刷に有用な装置を提供することが望まれている。

マーキング材料を媒体に定着する、印刷に有用な装置が提供される。

本発明に係る印刷に有用な装置は、第１の表面を有する第１のロールと、１より大きな相対透磁率を有する少なくとも１つの強磁性層を有する第２のロールと、前記第２のロールに接触して設けられた定着ベルトであって、少なくとも１つの電気抵抗金属を有するサセプタ層と、前記第１の表面とともに、媒体を受け取るニップを形成する第２の表面と、を有する定着ベルトと、磁界を生成して、前記定着ベルトを誘導加熱する磁界生成器とを含み、前記サセプタ層はカーボンナノチューブを含む、印刷に有用な装置である。

印刷装置の例示の実施形態を示す図である。 誘導加熱定着ロールを有する定着装置の例示の実施形態を示す図である。 誘導加熱定着ベルトを有する定着装置の例示の実施形態を示す図である。 図３に示す定着装置の定着ベルトの層構造の例示の実施形態を示す図である。 カーボンナノチューブを有するサセプタ層を含む定着ベルトと、フェライト材料を有する層を含むバッカーロールとを含む定着装置において、磁束の流線が付加されたサセプタ層に誘導された渦電流密度のプロットを示す図である。 カーボンナノチューブを有するサセプタ層を含む定着ベルトと、アルミニウムを有する層を含むバッカーロールとを含む定着装置において、磁束の流線が付加されたサセプタ層に誘導された渦電流密度のプロットを示す図である。 カーボンナノチューブを有するサセプタ層を含む定着ベルトと、フェライト材料を有する層を含むバッカーロールとを含む定着装置において、誘導された渦電流加熱のプロットを示す図である。 カーボンナノチューブを有するサセプタ層を含む定着ベルトと、アルミニウムを有する層を含むバッカーロールとを含む定着装置において、誘導された渦電流加熱のプロットを示す図である。 サセプタ層の下にある他の層の相対透磁率の関数としての、定着部材のサセプタ層において誘導された渦電流加熱のプロットを示す図である。 サセプタ層の抵抗率／厚さの比の関数としての、定着部材のサセプタ層における渦電流加熱のプロットを示す図である。 フェライト層を有するバッカーロールと、カーボンナノチューブを有するサセプタ層を含む定着ベルトと、定着ベルトを誘導加熱するために３００アンペアターンを有する誘導コイルとを含む定着装置において、時間の関数としての温度のプロットを示す図であり、温度は、（ａ）加熱ゾーンの端部のサセプタ層、（ｂ）ニップ入口近傍の定着ベルトの外側表面及び（ｃ）３５０ｐｐｍの処理速度でのマーキング材料／媒体界面で測ったものである。 １つの加熱ロール、２つの加熱ロール及び３つの加熱ロールを介した接触加熱により加熱される定着ベルトを有する３つの異なる定着装置及び誘導加熱により加熱された定着ベルトを有する定着装置の処理速度の関数としての定着ベルトの最大温度のプロットを示す図である。 フェライト層を有するバッカーロールと、銅を有するサセプタ層を含む定着ベルトと、定着ベルトを誘導加熱するために１０００アンペアターンを有する誘導コイルとを含む定着装置にいて、時間の関数としての温度のプロットを示す図であり、温度は、（ａ）加熱ゾーンの端部のサセプタ層、（ｂ）ニップ入口近傍の定着ベルトの外側表面及び（ｃ）３５０ｐｐｍの処理速度でのマーキング材料／媒体界面で測ったものである。

本明細書で用いる、「印刷装置」という用語には、いかなる目的についても印刷出力機能を実行するあらゆる装置が含まれる。かかる装置としては、例えば、プリンタ、コピー、ファクシミリ機、多機能機、製本機等を挙げることができる。

図１に、例示の印刷装置１００を示している。印刷装置１００を用いて、異なるサイズ及び重量を有する様々な種類の媒体に印刷を行うことができる。印刷装置１００は、連続して並んだ２つの媒体フィーダモジュール１０２、媒体フィーダモジュール１０２に近接するプリンタモジュール１０６、プリンタモジュール１０６に近接するインバータモジュール１１４及びインバータモジュール１１４に近接して連続して並んだスタッカーモジュール１１６を有する。

印刷装置１００において、媒体フィーダモジュール１０２は、媒体をプリンタモジュール１０６に供給する。プリンタモジュール１０６において、マーキング材料（トナー）が、一連の現像ステーション１１０から、帯電した感光体ベルト１０８へ転写されて、感光体ベルト１０８にトナー画像を形成し、カラープリントを生成する。トナー画像は、用紙搬送路を通して供給された媒体１０４の片側に転写される。媒体は、定着ロール１１３及び圧力ロール１１５を有する定着装置１１２を通して進む。インバータモジュール１１４は、プリンタモジュール１０６から出る媒体を操作して、媒体をスタッカーモジュール１１６に通過させるか、または媒体をプリンタモジュール１０６に反転させて戻すかする。スタッカーモジュール１１６では、印刷媒体は、スタッカーカート１１８上に配置されて、スタック１２０を形成する。

定着ロール１１３及び圧力ロール１１５はともにニップを形成し、そこで、紙シート等の媒体上のマーキング材料に熱及び圧力が印加される。

ハロゲンランプ等のランプで加熱した定着ロール及び定着ベルトの一方または両方を用いたマーキング材料の媒体への高速定着は、定着ロール及び定着ベルトの一方または両方の可能な最大温度により、そして、ランプフィラメントのワット密度限界により、制限されることが分かっている。ロールタイプ定着装置において、定着ロールの追加の加熱は、外部ヒーターロールにより行ってもよい。追加の加熱ロールをまた、ベルトタイプの定着装置に用いて、熱エネルギーを分配し、ロール温度が過剰とならないようにする。しかしながら、追加の加熱ロールを用いると、定着装置のサイズが大きくなり、複雑になる。

誘導加熱が、定着装置を「パッケージング」するという大きな利点を与え、その結果、特に、ベルトタイプの定着装置を加熱するのに使うロールの数を減じることによって、簡略化された定着装置構成となることが分かった。しかしながら、定着ロール及び定着ベルトの一方または両方を、高生産速度でマーキング材料を定着するのに十分に高い温度まで加熱するのに高電流及び高周波数の供給を必要としない誘導加熱定着装置が提供されると望ましい。

これら及びその他の検討事項を考慮し、印刷に有用な装置及びマーキング材料を媒体に定着する方法が提供される。装置の実施形態には、誘導加熱システムを有するロールタイプ定着装置及びベルトタイプ定着装置が含まれる。定着装置は、少なくとも１つの強磁性材料とサセプタとを有する。ロールタイプ及びベルトタイプ定着装置は、ロール及びベルトを誘導加熱するのに用いる印加電流の振幅／周波数を減じて、高定着速度を与えることができる。デバイスはまた、単純な構造とすることができる。

印刷に有用な装置の実施形態は、トナー及びインク（例えば、液体インク、ゲルインク、熱硬化性インク及び放射線硬化性インク）等をはじめとする固体及び液体マーキング材料の様々なタイプを用いることができる。装置は、様々な熱、圧力及びその他条件を用いて、マーキング材料を処理し、画像を媒体に形成することができる。

図２に、印刷に有用な定着装置２００の例示の実施形態を示す。定着装置２００の実施形態は、異なるタイプの印刷装置に用いることができる。例えば、定着装置２００は、定着装置１１２の代わりに、図１に示す印刷装置１００に用いることができる。

図２に示すとおり、定着装置２００は、圧力ロール２１０、定着ロール２２０及び定着ロールに近接する磁界生成器２４０を有する。定着装置の他の実施形態において、ベルト（図示せず）を、圧力ロール２１０の代わりに定着部材として、代替して用いることができる。磁界生成器２４０は、定着ロール２２０を、所望の温度、例えば、マーキング材料を媒体に定着するのに十分な温度まで誘導加熱するのに有効な磁界を生成する。

磁界生成器２４０は、少なくとも１つの誘導コイル２４２及び誘導コイル２４２に接続されたＲＦ電源２４４を有する。コントローラ（図示せず）を、ＲＦ電源２４４に接続することができる。図示した誘導コイル２４２は、定着ロール２２０の外側表面２３２に近接配置される。誘導コイル２４２は、加熱ゾーン入口ＨＺ_Iと加熱ゾーン出口ＨＺ_O間の外側表面２３２周囲に延在するように構成される。例えば、誘導コイル２４２は、約６０°から約１８０°の角度で周囲に延在させることができる。誘導コイル２４２はまた、定着ロール２２０の軸方向に沿っても延在している。誘導コイル２４２は、媒体と接触する定着ロール２２０の外側表面２３２の少なくとも一部を加熱するように構成されている。

ＲＦ電源２４４は交流電流を生成する。交流電流は、典型的に、約１０ｋＨｚから約４００ｋＨｚの周波数ｆを有することができる。交流電流は、誘導コイル２４２を流れ、誘導コイル２４２は磁界を生成する。磁界が、定着ロール２２０の渦電流を誘導し、その結果、定着ロール２２０の誘導加熱がなされる。

図示した圧力ロール２１０は、コア２１２及びコア２１２を覆う外側層２１４を有する。外側層２１４は、外側表面２１６を有する。外側層２１４は、弾性的に変形可能な材料、例えば、シリコーンゴム、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）コポリマー樹脂等を含むことができる。実施形態において、圧力ロール２１０は、任意で、熱エネルギー源により内部または外部加熱することができる。

定着ロール２２０の図示した実施形態は、コア２２２、コア２２２上の強磁性層２２４、強磁性層２２４上のエラストマー層２２６、エラストマー層２２６上のサセプタ層２２８及びサセプタ層２２８上の外側層２３０を有する。外側層２３０の外側表面２３２は、圧力ロール２１０の外側表面２１６とニップ２５０を形成する。媒体は、ニップ２５０に供給されて、熱及び圧力を印加することにより、マーキング材料を媒体に定着する。圧力ロール２１０及び定着ロール２２０は、反対の方向に回転して、処理方向Ａにニップ２５０を通して媒体を搬送する。

定着ロール２２０は、定着ロール２２０のある量の誘導加熱を生じさせるのに誘導コイル２４２に必要な交流電流の振幅／周波数を減じる材料から構築される。定着ロール２２０において、コア２２２は、アルミニウム、鋼等の任意の好適な金属を含むことができる。

強磁性層２２４は、磁界生成器２４０により生成される磁界を増進させる十分に高い相対透磁率を有する少なくとも１つの強磁性材料を含む。磁性材料の透磁率μは、磁束密度Ｂ対磁界強度Ｈの比として定義される。μ＝Ｂ／Ｈ。材料の相対透磁率μ_Rは、透磁率μ対真空の透磁率μ₀の比として定義される（μ_R＝μ／μ₀）（式中、μ₀＝４π×１０^-7Ｈ／ｍ）。真空は、１の相対透磁率μ_Rを有する。例えば、白金及びアルミニウムはそれぞれ、約１の相対透磁率μ_Rを有する。

相対透磁率μ_Rが増大すると、ある印加磁界強度Ｈについて磁束密度が増大する。実施形態において、強磁性層２２４は、１を超える、例えば、少なくとも約１．２５、少なくとも約１．５、少なくとも約２、少なくとも約５、少なくとも約１０、少なくとも約５０、少なくとも約１００、少なくとも約５００、少なくとも約１，０００、少なくとも約１０，０００以上の相対透磁率μ_Rを有する少なくとも１つの材料を含む。

強磁性層２２４を形成するのに用いる強磁性材料は、磁性セラミックス及び金属とすることができる。表１に、１を超える相対透磁率μ_Rを有しており、強磁性層２２４に用いることのできる例示の強磁性材料を示す。表１に示すとおり、例示の材料の相対透磁率値は８から２０，０００の範囲である。

実施形態において、強磁性層２２４は、１を超える相対透磁率μ_Rを有する単一の強磁性材料のみで作製することができる。他の実施形態において、強磁性層２２４は、１を超える相対透磁率μ_Rを有する２つ以上の強磁性材料、例えば、２つ以上の異なるフェライト材料の混合物のみで作製することができる。他の実施形態において、強磁性層２２４は、１を超える相対透磁率μ_Rを有する少なくとも１つの強磁性材料及び少なくとも１つのその他の非強磁性材料を含むことができる。例えば、非強磁性材料は、少なくとも１つの強磁性材料を含有するマトリックスを形成することができる。強磁性層２２４の他の実施形態も提供することができる。実施形態において、強磁性層２２４は、定着ロール２２０に所望の特性を与える組成及び構成を有する。

強磁性層２２４の厚さは、典型的に、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍとすることができる。強磁性層２２４は、コア２２２に適用されたスリーブの形態とすることができる。他の実施形態において、強磁性層２２４は、コア２２２の外側表面に、任意の好適なコーティング技術により適用された１つ以上の層を有するコーティングとすることができる。

定着ロール２２０において、強磁性層２２４は、磁界生成器２４０により生成された磁束を、定着ロール２２０の所望の領域に導き、制限するのに有効である。この磁束制限の結果、誘導加熱の大部分が、定着ロール２２０の所望の領域に制限される。

定着ロール２２０のエラストマー層２２６は、シリコーンゴム等の任意の好適なエラストマー材料等を含むことができる。エラストマー層２２６の厚さは、典型的に、約０．１ｍｍ〜約０．３ｍｍとすることができる。エラストマー層２２６は、定着ロール２２０を、圧力ロール２１０と接触配置させて、ニップ２５０を形成するとき、弾性的に変形する。

サセプタ層２２８を、定着ロール２２０に与えて、電磁エネルギーを吸収し、この吸収したエネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、サセプタ層２２８から外側に伝導して、外側表面２３２を加熱する。サセプタ層２２８は、少なくとも１つの電気抵抗金属材料を含む。磁界生成器２４０が磁界を生成すると、渦電流がサセプタ層２２８に生成される。渦電流に応答して、サセプタ層２２８の電気抵抗が、サセプタ層２２８を加熱する。強磁性層２２４は、サセプタ層２２８に誘導された渦電流を増大する。

サセプタ層２２８は、抵抗率ρ及び厚さｔを有する。サセプタ層２２８のρ／ｔの比を最適化すると、サセプタ層２２８の渦電流加熱が最大となるため、定着ロール２２０の加熱が最大になる。サセプタ層２２８のρ／ｔの比の最適範囲は、ＲＦ電源２４４の周波数に依存しており、この比は、典型的に、高周波数で高い値へとシフトしていく。

サセプタ層２２８は、定着ロール２２０において所望の加熱効果を与える任意の材料で作製することができる。サセプタ層２２８は、１つの材料または複数の材料の１つ以上の層を含むことができる。表２に、サセプタ層２２８に用いることのできる例示の材料を示す。表２に示すとおり、サセプタ材料の抵抗率値は、１．５９×１０^-6〜１．１×１０^-4Ω・ｃｍの範囲である。好適な抵抗率を有するカーボン材料、例えば、カーボンナノチューブ（例えば、カーボンナノチューブテキスタイル材料）以外のカーボン材料の粒子も、サセプタ層２２８に用いることができる。カーボン粒子は、ナノサイズまたはそれより大きなものとすることができる。

実施形態において、サセプタ層２２８は、単一のサセプタ材料のみで作製することができる。他の実施形態において、サセプタ層２２８は、２つ以上のサセプタ材料（例えば、ナノサイズのカーボン粒子等、２つ以上のカーボン材料の混合物）のみで作製することができる。他の実施形態において、サセプタ層２２８は、少なくとも１つのサセプタ材料及び電気抵抗金属でない少なくとも１つの他の材料を含むことができる。例えば、他の材料は、少なくとも１つのサセプタ材料を含有するマトリックスを形成することができる。実施形態において、サセプタ層２２８は、定着ロール２２０に所望の特性を与える組成及び構成を有する。

あるサセプタ材料について、ＲＦ電源２４４の周波数に応じて、定着ロール２２０の最大の加熱を達成するρ／ｔの比の最適値を与えるサセプタ層２２８の厚さは、出力コストを減じるものに決めることができる。ＲＦ電源２４４の周波数が増大するにつれて、サセプタ層２２８の厚さを減じると、最大の加熱を与えるρ／ｔの最適比が得られる。

電源の周波数で異なる抵抗値を有する２つの異なるサセプタ材料については、２つの材料において、それぞれの厚さを制御することにより、ρ／ｔの比の同じ最適値が達成される。

実施形態において、サセプタ層２２８のρ／ｔの比と同じ値を得るのに必要とされる低抵抗率の材料よりも、より厚いサセプタ層２２８の得られる、高抵抗率、例えば、少なくとも約１×１０^-5Ω・ｃｍ（例えば、鉄）、または少なくとも約１×１０^-4Ω・ｃｍ（例えば、カーボンナノチューブ）を有する少なくとも１つの材料からサセプタ層２２８を作製するのが望ましい。

カーボンナノチューブ等の高抵抗率を有する少なくとも１つの材料をサセプタ層２２８に用いると、処理上利点が得られる。例えば、サセプタ層２２８は、厚さ約８０μｍのカーボンナノチューブから作製することができる。一方、カーボンナノチューブでできたサセプタ層２２８と同じ値のρ／ｔ比を有する、銅でできたサセプタ層２２８の厚さは、わずか２μｍ未満となる。僅かなこの厚さの銅層を形成するのは、高い抵抗率の材料の厚い層より難しく、また、銅層の厚さで所望の許容度を満たすのも難しいであろう。サセプタ層２２８の厚さに近い許容度を有するのが望ましい。この理由は、厚さに大きな変動があると、誘導される渦電流加熱の大きな変動となり、サセプタ層２２８にホット及びコールドの一方または両方のスポットができ、定着ロール２２０の加熱が不均一となるからである。

サセプタ層２２８を厚くすると（ρ／ｔの所望の比を得るために）、サセプタ層２２８を、所望の許容度を与えることのできる通常の付着技術、例えば、電気めっき等を用いて形成できるため、処理が簡単になる。

実施形態において、サセプタ層２２８の厚さは、典型的に、異なる材料について、約１０μｍ〜約２００μｍの範囲とすることができる。例えば、同様の抵抗率を有するカーボンナノチューブまたはその他のナノサイズのカーボン粒子を含むサセプタ層２２８の厚さは、約５０μｍ〜約２００μｍの厚さとすることができる。サセプタ層２２８のρ／ｔ比の値は、典型的に、約１０ｋＨｚ〜約４００ｋＨｚの範囲の電流周波数に望ましい加熱効果を与えるために、約０．００５Ω・ｃｍ／ｃｍ〜約０．１Ω／ｃｍ／ｃｍの範囲とすることができる。

定着ロール２２０において、外側層２３０は、媒体及びマーキング材料の外側表面２３２への接合を減じるのに十分な剥離特性を有する任意の好適なポリマー材料を含むことができる。例えば、外側層２３０は、ＤｕＰｏｎｔ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ，Ｌ．Ｌ．Ｃ．，より商標名Ｖｉｔｏｎ（登録商標）で販売されているフルオロエラストマー、ポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡ、パーフルオロアルコキシコポリマー等を含むことができる。外側層２３０の厚さは、典型的に、約１０μｍ〜約３０μｍとすることができる。

図３に、印刷に有用な定着装置３００の他の例示の実施形態を示す。定着装置３００は、圧力ロール３１０と、バッカーロール３２０と、定着ロール３３０と、磁界生成器３４０と、バッカーロール３２０及び定着ロール３３０に装着された定着ベルト３５０とを有する。定着装置の他の実施形態において、ベルト（図示せず）を、圧力ロール３１０の代わりに、定着部材として代替に用いることができる。定着装置３００において、圧力ロール３１０及び定着ベルト３５０は、ニップ３７０を形成して、媒体を供給し、マーキング材料を媒体に定着する。例示の実施形態において、圧力ロール３１０及び定着ロール３３０は、反対の方向に回転して、処理方向Ａにニップ３７０を通して媒体を搬送する。磁界生成器３４０は、回転する定着ベルト３５０を、所望の温度まで誘導加熱するのに有効な磁界を生成する。加熱された定着ベルト３５０は回転して、ニップ３７０で媒体と接触する。

磁界生成器３４０は、ＲＦ電源３４４に接続された少なくとも１つの誘導コイル３４２を有する。コントローラ（図示せず）は、ＲＦ電源３４４に接続することができる。図示した誘導コイル３４２は、定着ベルト３５０の外側表面３５４に近接配置される。誘導コイル３４２は、加熱ゾーン入口ＨＺ_Iと加熱ゾーン出口ＨＺ_O間のバッカーロール３２０の外側表面３２７と接触する定着ベルト３５０の位置周囲に延在している。誘導コイル３４２は、例えば、約６０°から約１８０°の角度で周囲に延在させることができる。誘導コイル３４２は、バッカーロール３２０及び定着ベルト３５０の軸方向に延在している。誘導コイル３４２は、ニップ３７０で媒体と接触する定着ベルト３５０の外側表面３５４の少なくとも一部を加熱するように構成されている。

圧力ロール３１０は、コア３１２及びコア３１２を覆う外側層３１４を有する。外側層３１４は、外側表面３１６を有する。圧力ロール３１０は、例えば、定着装置２００の圧力ロール２１０と同じ構造を有することができる。実施形態において、圧力ロール３１０は、任意で、熱エネルギー源により内部または外部加熱することができる。

バッカーロール３２０の図示した実施形態は、コア３２２、コア３２２上に強磁性層３２４、及び強磁性層３２４上にエラストマー層３２６を有する。エラストマー層３２６は、定着ベルト３５０と接触する外側表面３２７を有する。

バッカーロール３２０は、誘導コイル３４２において、定着ベルト３５０をある量加熱をするのに必要な交流電流の振幅／周波数を減じるように構成される。バッカーロール３２０において、コア３２２は、アルミニウム、鋼等の任意の好適な金属を含むことができる。

強磁性層３２４は、磁界生成器３４０により生成される磁界を増進させる十分に高い相対透磁率を有する少なくとも１つの材料を含む。実施形態において、強磁性層３２４は、１を超える、例えば、少なくとも約１．２５、少なくとも約１．５、少なくとも約２、少なくとも約５、少なくとも約１０、少なくとも約５０、少なくとも約１００、少なくとも約５００、少なくとも約１，０００、少なくとも約１０，０００以上の相対透磁率μ_Rを有する少なくとも１つの材料を含む。強磁性層３２４は、例えば、定着装置２００の定着ロール２２０の強磁性層２２４の実施形態と同じ組成及び寸法を有することができる。

バッカーロール３２０において、強磁性層３２４は、磁界生成器３４０により生成された磁束を、定着ベルト３５０の所望の領域に導き、制限するのに有効であり、この結果、誘導加熱の大部分が、定着ベルト３５０の所望の領域に制限される。

エラストマー層３２６は、例えば、定着装置２００の定着ロール２２０のエラストマー層２２６と同じ組成及び寸法を有することができる。

定着ベルト３５０は、多層構造を有し、内側表面３５２と外側表面３５４を有する。図４に、定着ベルト３５０の例示の層構造を示す。図示するとおり、定着ベルト３５０は、内側表面３５２を有するベース層３５６、ベース層３５６上のサセプタ層３５８、サセプタ層３５８上のエラストマー層３６０及びエラストマー層３６０上の外側層３６２を有する。外側層３６２は、外側表面３５４を有する。

ベース層３５６は、ポリイミド等のポリマー材料を含む。ベース層３５６の厚さは、典型的に、約８０μｍ〜約１２０μｍとすることができる。サセプタ層３５８は、例えば、定着装置２００の定着ロール２２０のサセプタ層２２８の実施形態と同じ組成及び寸法を有することができる。エラストマー層３６０は、シリコーンゴム等を含むことができる。エラストマー層３６０の厚さは、典型的に、約０．１ｍｍ〜約０．３ｍｍとすることができる。外側層３６２は、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡ、パーフルオロアルコキシコポリマー等の十分な剥離特性を有する任意の好適なポリマー材料を含むことができる。外側層３６２の厚さは、典型的に、約１０μｍ〜約３０μｍとすることができる。

定着ベルト３５０は、典型的に、約３５０ｍｍ〜約４５０ｍｍの幅と、約５００ｍｍ〜１０００ｍｍ、または１０００ｍｍ以上の長さとを有するとすることができる。

磁界生成器３４０は、定着ベルト３５０を、所望の温度まで誘導加熱するのに有効な磁界を生成するように操作可能である。磁界生成器３４０が磁界を生成するとき、渦電流がサセプタ層３５８に生成される。渦電流に応答したサセプタ層３５８の電気抵抗によって、サセプタ層３５８が加熱される。強磁性層３２４は、サセプタ層３５８の誘導された渦電流を増大する。熱エネルギーは、サセプタ層３５８から外側に伝導されて、定着ベルト３５０の外側表面３５４を加熱する。

定着ベルト３５０において、サセプタ層３５８の渦電流加熱を最大化して、定着ベルト３５０の加熱を最大化するような材料の選択及び処理により、サセプタ層３５８のρ／ｔ比は、最適化することができる。サセプタ層３５８のρ／ｔ比の最適範囲は、ＲＦ電源３４４の周波数に応じて異なる。

実施形態において、サセプタ層３５８のρ／ｔの比の同じ値を得るのに必要とされる低抵抗率の材料よりも、より厚いサセプタ層３５８の得られる、高抵抗率、例えば、少なくとも約１×１０^-5Ω・ｃｍ、または少なくとも約１×１０^-4Ω・ｃｍ、例えば、カーボンナノチューブ等を有する少なくとも１つの材料からサセプタ層３５８を作製するのが望ましい。高抵抗率のサセプタ層３５８用の材料を用いることにより、定着ベルト３５０の処理自由度が増す。

実施形態において、サセプタ層３５８の厚さは、異なる材料について、典型的に、約１０μｍ〜約２００μｍとすることができる。サセプタ層３５８のρ／ｔ比は、約１０ｋＨｚ〜約４００ｋＨｚの範囲の周波数について定着ベルト３５０を望ましく加熱するために、典型的に、約０．００５Ω・ｃｍ／ｃｍ〜約０．１Ω・ｃｍ／ｃｍの範囲とすることができる。

図５に、磁束の流線が付加された定着装置のバッカーロール及び被覆定着ベルトにおける誘導渦電流密度のモデル化プロットを示す。バッカーロールは、フェライトＮ４１（相対透磁率μ_R＝３０００）で構成された強磁性層を有する。定着ベルトは、厚さ６０μｍのポリイミドで構成されたベース層、ベース層を覆う厚さ８０μｍのカーボンナノチューブで構成されたサセプタ層、サセプタ層を覆う厚さ２００μｍのシリコーンゴム層、及び厚さ３０μｍのＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡで構成された外側層を有する。磁束は、強磁性層を透過して、サセプタ層に急な磁界勾配を生成する。誘導電流密度は、磁界の勾配に比例する。

図６に、磁束の流線が付加された定着装置のバッカーロール及び被覆定着ベルトにおける誘導渦電流密度のモデル化プロットを示す。バッカーロールにおいて、アルミニウム層（相対透磁率μ_R＝１）を、図５に示したバッカーロールのフェライトＮ４１層の代わりにする。定着ベルトは、図５に示した定着ベルトと同じ構成を有する。図６において、磁束は、バッカーロールのアルミニウム層を通過せず、電流は、大半が、アルミニウム層に誘導され、カーボンナノチューブで構成されたサセプタ層には誘導されない。誘導された電流密度もまた、図５に示した定着装置で得られたものよりはるかに小さい。

図７に、バッカーロールにフェライトＮ４１層を有する図５に示した定着装置と同じ構成を有する定着装置で生成される単位体積当たりの渦電流加熱（Ｗ／ｍ³）のモデル化プロットを示す。図７に示すとおり、加熱の大半は、定着ベルトのカーボンナノチューブ（抵抗率１×１０^-4Ω・ｃｍ及び厚さ８０μｍ）で構成されたサセプタ層で誘導される。単位体積当たりの加熱の集積によって、ベルトに誘導される単位長さ当たりの渦電流加熱は、２９１２８Ｗ／ｍとなる。

図８に、バッカーロールにアルミニウム層を有する図６に示した定着装置と同じ構成を有する定着装置で生成される単位体積当たりの渦電流加熱（Ｗ／ｍ³）のモデル化プロットを示す。図８に示すとおり、加熱の大半は、図７に示した定着装置よりも加熱量は大幅に少ない。単位体積当たりの加熱の集積により、この場合、バッカーロールでは１３７Ｗ／ｍ、定着ベルトでは１．５８Ｗ／ｍとなる。

図７に示した定着装置での加熱を、バッカーロールに高相対透磁率のフェライトＮ４１を組み込んだ図８に示した定着装置のものと比べると、定着ベルトのサセプタ層における加熱が大幅に改善される結果となる。この加熱は、電流及び周波数において典型的に単調であるため、これらの結果から、磁界生成器の誘導コイルにおけるアンペアターン及び周波数の一方または両方の大幅な減少は、高相対透磁率を有する材料を含むバッカーロール（または高相対透磁率を有する材料を含む定着ロール）で達成されることが分かる。

図９に、定着ロール（図２）またはバッカーロール（図３）の強磁性層の相対透磁率の、定着ロール（図２）または定着ベルト（図３）のサセプタ層に誘導される渦電流加熱への影響を示すモデル化プロットを示す。プロットには、１よりわずかに大きい相対透磁率を有する材料についての大きな加熱の効果が示されている。図９には、相対透磁率をさらに増大しても、加熱は僅かしか増大しない、１００を超える相対透磁率についての飽和領域が示されている。飽和する相対透磁率は、強磁性層の厚さに応じて異なる。

図１０に、定着ロール（図２）または定着ベルト（図３）のサセプタ層に誘導された渦電流加熱の、サセプタ層を形成する材料の抵抗率／厚さの比を関数としたモデル化プロットを示す。例示したプロットは、５０ｋＨｚの周波数で作動する磁界生成器の電源について示している。図示のように、加熱が最大化するＲ／ｔの最適範囲がある。

図５〜８に示したシミュレートされたプロットについて、カーボンナノチューブで構成されたサセプタ層の抵抗率は１×１０^-4Ω・ｃｍ、厚さは８０μｍで、ρ／ｔ比＝０．０１２５となる。図１０に示すように、３０μｍの厚さのサセプタ層を作製することにより、約０．０３４のρ／ｔ比を有するサセプタ層を用いて、さらに高い加熱が達成される。カーボンナノチューブよりも低抵抗率の銅、ニッケル、銀等の他のサセプタ材料については、厚さが僅か数ミクロン、さらにはサブミクロンのサセプタ層で最適な加熱が達成される。

図１１に、フェライトＮ４１で構成された層を有するバッカーロールを含む定着装置及び幅４００ｍｍでカーボンナノチューブで構成されたサセプタ層を含む定着ベルトにおける時間の関数としての温度のプロットを示す。このシミュレーションでは、磁界生成器の誘導コイルは３００アンペアターンを有しており、電源周波数は５０ｋＨｚ、誘導加熱シミュレーションの結果に基づく渦電流加熱は、２９１２８Ｗ／ｍ×０．４ｍ＝１１．５ｋＷであり、処理速度は３５０ｐｐｍである。

この加熱量で、３次元熱伝達シミュレーションモデルを用いたシミュレーションを、３５０ｐｐｍの高速で動作する定着ベルトで行った。図１１に、定着装置における３つの異なる位置、（ａ）加熱ゾーンの終わり（ＨＺ_O）のサセプタ層、（ｂ）圧力ロールにより形成されたニップの入口近傍の定着ベルトの外側表面、及び（ｃ）マーキング材料−媒体界面での時間の関数としての計算された温度を示す。図示するとおり、定着装置は、約２分でウォームアップされ、３５０ｐｐｍの速度で動く定着ベルトのニップ出口でのマーキング材料−媒体温度は１２５℃である。この温度は、定着装置の典型的なマーキング材料を十分に定着するのに十分に高い。

図１２に、定着ベルトと接触する、１つの加熱ロール、２つの加熱ロール及び３つの加熱ロールをそれぞれ有する複数の接触型定着装置と、同じマーキング材料定着性能を達成するためのバッカーロールにより支持された誘導加熱定着ベルトを有する図３に示す定着装置における処理速度の関数としての最大定着ベルト外側表面温度のモデル化プロットを示す。図１２に示すように、３５０ｐｐｍの処理速度で、誘導加熱定着ベルトでの最大ベルト温度は、３本ロール接触加熱での最大ベルト温度より７℃低く、１本ロール接触加熱より２５℃低い。

図１３に、フェライトＮ４１で構成された層を有するバッカーロール及び幅４００ｍｍで銅で構成されたサセプタ層を有する定着ベルトを有する定着装置における時間の関数としての温度のプロットを示す。このシミュレーションでは、磁界生成器の誘導コイルは１０００アンペアターンを有しており、電源周波数は５０ｋＨｚ、渦電流加熱は、１０．５ｋＷ、処理速度は３５０ｐｐｍである。

図１３のプロットによれば、図１１に示すのと同じ高速定着性能を、銅または銅と同様の抵抗率を有する他の材料で構成されたサセプタ層を有する定着ベルトを用いて得るには、誘導コイルは、３５０ｐｐｍの同じ速度を得るために、カーボンナノチューブ、または同様の高抵抗率を有する他の材料で構成されたサセプタ層を有する定着装置の誘導コイルの３倍を超えるアンペアターン（すなわち、１０００対３００）を必要とすることが分かる。従って、ナノサイズのカーボン粒子等高抵抗率を有する材料を含むサセプタ層を有する定着装置の実施形態において、誘導コイルの総表面積を減じると、定着装置のサイズを減じることができる。

定着装置の実施形態はまた、定着装置の定着ロール及び定着ベルトの一方または両方において達成される制限加熱により、高定着速度も与えることができる。定着装置の実施形態はまた、低電源電流でも操作可能で、定着ロール及び定着ベルトの一方または両方を十分に加熱でき、低コストの電源を装置に組み込むことができる。

１００ 印刷装置、１０２ 媒体フィーダモジュール、１０４ 媒体、１０６ プリンタモジュール、１０８ 感光体ベルト、１１０ 現像ステーション、１１２ 定着装置、１１３ 定着ロール、１１４ インバータモジュール、１１５ 圧力ロール、１１６ スタッカーモジュール、１１８ スタッカーカート、１２０ スタック、２００ 定着装置、２１０ 圧力ロール、２１２ コア、２１４ 外側層、２１６ 外側表面、２２０ 定着ロール、２２２ コア、２２４ 強磁性層、２２６ エラストマー層、２２８ サセプタ層、２３０ 外側層、２３２ 外側表面、２４０ 磁界生成器、２４２ 誘導コイル、２５０ ニップ、３００ 定着装置、３１０ 圧力ロール、３１２ コア、３１４ 外側層、３１６ 外側表面、３２０ バッカーロール、３２２ コア、３２４ 強磁性層、３２６ エラストマー層、３２７ 外側表面、３３０ 定着ロール、３３２ コア、３３４ 強磁性層、３３７ 外側表面、３４０ 磁界生成器、３４２ 誘導コイル、３４４ ＲＦ電源、３５０ 定着ベルト、３５２ 内側表面、３５４ 外側表面、３５６ ベース層、３５８ サセプタ層、３６０ エラストマー層、３６２ 外側層、３７０ ニップ。

Claims (1)

1. 第１の表面を有する第１のロールと、
   １より大きな相対透磁率を有する少なくとも１つの強磁性層を有する第２のロールと、
   前記第２のロールに接触して設けられた定着ベルトであって、
   少なくとも１つの電気抵抗金属を有するサセプタ層と、
   前記第１の表面とともに、媒体を受け取るニップを形成する第２の表面と、を有する定着ベルトと、
   磁界を生成して、前記定着ベルトを誘導加熱する磁界生成器とを含み、
   前記サセプタ層はカーボンナノチューブを含む、印刷に有用な装置。

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