JP6123198B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
請求項2の発明によれば、本構成を採用しない場合に比べ、定着部材に局所的に高い温度の箇所が生じることを抑制できる定着装置を提供することができる。また本構成を採用しない場合に比べ、第1の磁路形成部材の間隔の決定をより正確に行なうことができる。さらに本構成を採用しない場合に比べ、定着処理の際に、第2の磁路形成部材の切り欠き部の箇所における定着部材の温度低下を抑制することができる。
請求項3の発明によれば、本構成を採用しない場合に比べ、光沢むらがより少ない画像を形成することができる画像形成装置が提供できる。また本構成を採用しない場合に比べ、第1の磁路形成部材の間隔の決定をより正確に行なうことができる。
<画像形成装置の説明>
図1は、本実施の形態の定着装置が適用される画像形成装置の構成例を示した図である。図1に示す画像形成装置1は、所謂タンデム型のカラープリンタであり、画像データに基づき画像形成を行う画像形成部10、画像形成装置1全体の動作を制御する制御部31を備えている。さらには、例えばパーソナルコンピュータ(PC)3や画像読取装置(スキャナ)4等との通信を行って画像データを受信する通信部32、通信部32にて受信された画像データに対し予め定めた画像処理を施す画像処理部33を備えている。
画像形成ユニット11各々は、現像器15に収納されるトナーを除いてほぼ同様に構成され、それぞれがイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、黒(K)のトナー像を形成する。
一方、一次転写後に感光体ドラム12に付着しているトナー(一次転写残トナー)、および二次転写後に中間転写ベルト20に付着しているトナー(二次転写残トナー)は、それぞれドラムクリーナ16、およびベルトクリーナ25によって除去される。
このようにして、画像形成装置1での画像形成処理がプリント枚数分のサイクルだけ繰り返し実行される。
次に、本実施の形態の定着ユニット60について説明する。
図2および図3は本実施の形態の定着ユニット60の構成を示す図であり、図2は正面図、図3は図2におけるIII−III断面図である。
まず、断面図である図3に示すように、定着ユニット60は、交流磁界を生成する磁界生成手段の一例としてのIH(Induction Heating)ヒータ80、IHヒータ80により電磁誘導加熱されることでトナー像を定着する定着部材の一例としての定着ベルト61、定着ベルト61に対向するように配置された定着加圧部材の一例としての加圧ロール62、定着ベルト61を介して加圧ロール62から押圧される押圧パッド63を備えている。
さらに、定着ユニット60は、押圧パッド63等の構成部材を支持するフレーム65、IHヒータ80にて生成された交流磁界を誘導して磁路を形成する感温磁性部材64、感温磁性部材64と接触配置され、熱を保持するとともに長手方向の温度を均す効果を有する良熱伝導蓄熱部材66、磁路がフレーム65の側に漏洩するのを防止する磁路遮蔽部材73、定着ベルト61からの用紙Pの剥離を補助する剥離補助部材70、定着ベルト61の内周面と接触して定着ベルト61の温度を測定する温度測定手段の一例としての温度センサ100を備えている。
定着ベルト61は、原形が円筒形状の無端のベルト部材で構成され、例えば原形(円筒形状)時の直径が30mm、幅方向長が370mmに形成されている。また、図4(定着ベルト61の断面層構成図)に示したように、定着ベルト61は、基材層611、基材層611の上に積層された導電発熱層612、トナー像の定着性を向上させる弾性層613、最上層に被覆された表面離型層614からなる多層構造のベルト部材である。
具体的には、基材層611として、例えば、厚さ30μm〜200μm(好ましくは50μm〜150μm)の非磁性ステンレススチール等の非磁性金属や、厚さ60μm〜200μmの樹脂材料等が用いられる。
通常、IHヒータ80に交流電流を供給する励磁回路(後段の図6も参照)の電源として、安価に製造できる汎用電源が使用される。そのため、IHヒータ80により生成される交流磁界の周波数は、一般に、汎用電源による20kHz〜100kHzとなる。それにより、導電発熱層612は、周波数20kHz〜100kHzの交流磁界が侵入し通過するように構成される。
そのため、導電発熱層612の厚さは、周波数20kHz〜100kHzの交流磁界が導電発熱層612を侵入し通過するように、(1)式で規定される導電発熱層612の表皮深さ(δ)よりも薄く構成される。また、導電発熱層612を構成する材料として、例えば、Au、Ag、Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Bi、Be、Sb等の金属や、これらの金属合金が用いられる。
また、定着ベルト61が定着設定温度まで加熱されるまでに要する時間(以下、「ウォームアップタイム」)を短縮する観点からも、導電発熱層612は、薄く構成するのが好ましい。
表面離型層614は、用紙P上に保持された未定着トナー像と直接接触するため、離型性の高い材質が使用される。例えば、PFA(テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル重合体)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、シリコーン共重合体、またはこれらの複合層等が用いられる。表面離型層614の厚さとしては、薄すぎると、耐摩耗性の面で充分でなく、定着ベルト61の寿命を短くする。その一方で、厚すぎると、定着ベルト61の熱容量が大きくなりすぎ、ウォームアップタイムが長くなる。そこで、表面離型層614の厚さとして、耐摩耗性と熱容量とのバランスを考慮し、1μm〜50μmが好適である。
次に、定着ベルト61の駆動機構について説明する。
正面図である図2に示したように、フレーム65(図3参照)の軸方向両端部には、定着ベルト61の両端部の断面形状を円形に維持しながら定着ベルト61を周方向に回転駆動するエンドキャップ部材67が固定されている。そして、定着ベルト61は、両端部からエンドキャップ部材67を介した回転駆動力を直接的に受けて、例えば140mm/sのプロセススピードで図3の矢印C方向に回転移動する。
ここで図5は、(a)がエンドキャップ部材67の側面図であり、(b)がVb方向から見たエンドキャップ部材67の平面図である。図5に示したように、エンドキャップ部材67は、定着ベルト61の両端部内側に嵌合される固定部67a、固定部67aより外径が大きく形成され、定着ベルト61に装着された際に定着ベルト61よりも半径方向に張り出すように形成されたフランジ部67d、回転駆動力が伝達されるギヤ部67b、フレーム65の両端部に形成された支持部65aと結合部材166を介して回転自在に結合されたベアリング軸受部67cを備える。そして、上記図2に示したように、フレーム65の両端部の支持部65aが定着ユニット60の筐体69の両端部に固定されることで、エンドキャップ部材67は、支持部65aに結合されたベアリング軸受部67cを介して回転自在に支持される。
エンドキャップ部材67を構成する材質としては、機械的強度や耐熱性の高い所謂エンジニアリングプラスチックスが用いられる。例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、PEEK樹脂、PES樹脂、PPS樹脂、LCP樹脂等が適する。
このように、定着ベルト61が定着ベルト61の両端部から駆動力を直接受けて回転するので、定着ベルト61は安定して回転する。
加圧ロール62は、例えば直径18mmの中実のアルミニウム製コア(円柱状芯金)621と、コア621の外周面に被覆された例えば厚さ5mmのシリコーンスポンジ等の耐熱性弾性体層622と、さらに例えば厚さ50μmのカーボン配合のPFA等の耐熱性樹脂被覆または耐熱性ゴム被覆による離型層623とが積層されて構成される。そして、押圧バネ68(図2参照)により例えば25kgfの荷重で定着ベルト61を介して押圧パッド63を押圧している。
本実施の形態において、透磁率変化開始温度以下の温度範囲において感温磁性部材64は、強磁性体である。そのため電磁誘導加熱により自己発熱する。ここで定着ベルト61は、定着を行なうことで熱を奪われるため、その温度が下がるが、同様に電磁誘導加熱により定着ベルト61から発熱する熱と併せて、この感温磁性部材64により発生した熱により再加熱を行うことができる。そのため定着ベルト61に熱を伝導させ、定着ベルト61の温度を定着設定温度まで速やかに昇温させることが可能である。
感温磁性部材64は、定着ベルト61の内周面に倣った円弧形状で形成され、定着ベルト61の内周面と接触して配設される。感温磁性部材64を定着ベルト61と接触させて配置するのは、電磁誘導加熱により感温磁性部材64から発生した熱を定着ベルト61に供給しやすくするためである。また感温磁性部材64は、定着ベルト61に熱を供給するため、定着ベルト61に対し、20℃〜30℃高い温度に保持される。
なお、ここでの「透磁率変化開始温度」とは、透磁率(例えば、JIS C2531で測定される透磁率)が連続的に低下を開始する温度であり、例えば感温磁性部材64等の部材を透過する磁束量(磁力線の数)が変化し始める温度点をいう。したがって、透磁率変化開始温度は、物質の磁性が消失する温度であるキュリー点に近い温度となるが、キュリー点とは異なる概念を有するものである。
また、感温磁性部材64は、IHヒータ80により生成された交流磁界(磁力線)に対する表皮深さδ(上記(1)式参照)よりも厚い厚さで形成される。具体的には、例えばFe−Ni合金を用いた場合には200μm〜800μm程度に設定される。
本実施の形態において、良熱伝導蓄熱部材66は、感温磁性部材64の内周面に倣った円弧形状で形成され、感温磁性部材64の内周面と接触して配置される。そして、感温磁性部材64が透磁率変化開始温度以上の温度に上昇した際に、感温磁性部材64を通過してきた交流磁界(磁力線)が良熱伝導蓄熱部材66に到達すると、良熱伝導蓄熱部材66にはその磁力線を打ち消す方向の磁力線を発生させる渦電流が流れる。具体的には、良熱伝導蓄熱部材66を渦電流Iが流れ易いように、表皮深さδ(上記(1)式参照)よりも充分に厚い予め定められた厚さ(例えば、1.0mm)で形成すればよい。それにより、良熱伝導蓄熱部材66に渦電流Iが流れても発熱量も極力小さくなる。本実施の形態では、良熱伝導蓄熱部材66を感温磁性部材64に沿うほぼ円形形状の厚さ1mmのAl(アルミニウム)で構成し、感温磁性部材64の内周面と接触して配置している。その他の材料としては、AgやCuが好適である。
続いて、定着ベルト61の導電発熱層612に交流磁界を作用させて電磁誘導加熱するIHヒータ80について説明する。
図6は、本実施の形態のIHヒータ80の構成を説明する断面図である。図6に示したように、IHヒータ80は、例えば耐熱性樹脂等の非磁性体から構成される支持体81、交流磁界を生成する励磁コイル82を備えている。また、励磁コイル82を支持体81上に固定する弾性体で構成された弾性支持部材83、励磁コイル82にて生成された交流磁界の磁路を形成する磁心84を備えている。さらには、磁界を遮蔽するシールド85、磁心84を支持体81側に加圧する加圧部材86、励磁コイル82に交流電流を供給する励磁回路88を備えている。
励磁コイル82は、定着ベルト61の導電発熱層612と交差する交流磁界を生成する励磁部材の一例である。励磁コイル82は相互に絶縁された例えば直径0.17mmの銅線材を例えば90本束ねたリッツ線が長円形状や楕円形状、長方形状等の中空きの閉ループ状に巻かれて構成される。そして、励磁コイル82に励磁回路88から予め定めた周波数の交流電流が供給されることにより、励磁コイル82の周囲には、閉ループ状に巻かれたリッツ線を中心とする交流磁界が生成される。励磁回路88から励磁コイル82に供給される交流電流の周波数は、一般に、上記した汎用電源により生成される20kHz〜100kHzが用いられる。
ここで、磁心84は磁路形成による損失が小さい材料が望ましい。具体的には、磁心84は渦電流損を小さくする形態(スリット等による電流経路遮断や分断化、薄板束ね等)での使用が望ましく、ヒステリシス損の小さい材料で形成されることが望ましい。
また、定着ベルト61の回転方向に沿った磁心84の長さは、感温磁性部材64の定着ベルト61の回転方向に沿った長さよりも小さく構成される。それにより、磁力線のIHヒータ80周辺への漏洩が減り、力率が向上する。さらには、定着ユニット60を構成する金属製部材への電磁誘導を抑え、定着ベルト61(導電発熱層612)での発熱効率を高める。
引き続いて、IHヒータ80により生成された交流磁界によって定着ベルト61が発熱する状態を説明する。
まず、上記したように、感温磁性部材64の透磁率変化開始温度は、各色トナー像を定着する定着設定温度以上であって定着ベルト61の耐熱温度以下となる温度範囲内(例えば、140℃〜240℃)に設定されている。そして、定着ベルト61の温度が透磁率変化開始温度以下の状態にある場合には、定着ベルト61に近接する感温磁性部材64の温度も定着ベルト61の温度に対応して、透磁率変化開始温度以下となる。そのため、感温磁性部材64は強磁性を呈するので、IHヒータ80により生成された交流磁界の磁力線Hは、定着ベルト61を透過した後、感温磁性部材64の内部を広がり方向に沿って通過する磁路を形成する。ここでの「広がり方向」とは、感温磁性部材64の厚さ方向と直交する方向を意味する。
このように、定着ベルト61の温度が透磁率変化開始温度以下の温度範囲にある場合には、磁力線Hが導電発熱層612を横切る領域R1、R2や領域R3において大きな熱が発生する。それにより、定着ベルト61は加熱される。
次に、本実施の形態のIHヒータ80における励磁コイル82の支持体81への固定方法について述べる。
本実施の形態のIHヒータ80では、励磁コイル82を支持体81に支持する弾性支持部材の一例である弾性支持部材83は、例えばシリコーンゴム等やフッ素ゴム等の弾性体で構成される。そして、弾性支持部材83が励磁コイル82を支持体81に対して押圧しながら弾性変形することで、励磁コイル82を支持体81の支持面81aに支持する。すなわち、弾性支持部材83は、ヤング率が低い材質で構成され、弾性支持部材83が励磁コイル82を支持体81に向けて押圧するに際して、ヤング率の低い弾性支持部材83が弾性変形して、励磁コイル82を支持体81に支持する。
図8に示したように、励磁コイル82は、支持体81の支持面81a上にて、励磁コイル82の閉ループ中空部82aが支持面81aの長手方向中心軸に設けられた凸部81bを囲むように設置される。支持面81aは、上記したエンドキャップ部材67(図2参照)に支持されてほぼ円形状の軌跡を描きながら回転移動する定着ベルト61との距離が規定値(設計値)に設定された位置設定面として形成されている。それにより、励磁コイル82が支持面81a上に密着して配置されることで、励磁コイル82と定着ベルト61との距離が設計値に設定されることとなる。
なお、加圧部材86としては、例えばシリコーンゴム等やフッ素ゴム等の弾性体の他に、バネ等の弾性部材を用いてもよい。
次に、温度センサ100について詳細に説明を行う。
図9は、温度センサ100の構造と取り付けられる状態について説明した図である。図9は、図3のIXb方向から温度センサ100を見た場合について図示している。
図9に例示した温度センサ100はサーミスタ式の温度センサであり、温度の変化により抵抗値が変化する材料であるサーミスタを有する温度検知部101と、温度センサ100を定着ユニット60に取り付けるための支持部102とを備える。
しかしながら感温磁性部材64に切り欠き部64aを形成すると、この部分の発熱量や熱容量が他の箇所とは、異なるようになる。そして切り欠き部64aが形成される箇所を通る磁路上に磁心84が存在すると、切り欠き部64aの箇所で定着ベルト61の温度が高くなるという現象が生じる。これは、感温磁性部材64は、切り欠き部64aの箇所で熱容量が減少しているため、感温磁性部材64の温度が上昇しやすくなるためと考えられる。この状態で未定着トナー像を用紙Pに定着すると、画像に光沢度(グロス)の差が生じて光沢むらとなったり、定着度に差が生じたりする。
ここで図11(b)〜(c)、図12(b)〜(c)は、図10(b)〜(c)と同様に、主走査方向における切り欠き部64aの位置および磁心84の配置位置をそれぞれ図示している。また図11(a)および図12(a)は、図10(a)と同様に定着ベルト61の主走査方向における温度分布を図示している。ここで図11(a)は、定着ユニット60のウォーミングアップ動作終了直後の定着ベルト61の温度分布を示している。また図12(a)は、定着ユニット60が定着処理を行なっているときの定着ベルト61の温度分布を示している。
図示するように磁心84は、通常は、予め定められた第1の間隔である12mm間隔で配置する。ただし、切り欠き部64aが形成される箇所に対応する箇所では、第1の間隔より狭い第2の間隔である9mm間隔としている。即ち、周囲の間隔と比べ、この箇所だけ狭くなっている。つまりこの形態では、磁心84は、磁路を形成するために第1の間隔で配されるものと、切り欠き部64aの磁路の生成方向における中心線を挟み第1の間隔より狭い第2の間隔で配されるものがあることになる。これは、磁心84は、主走査方向に予め定められた第1の間隔と第1の間隔より狭い第2の間隔で配列し、感温磁性部材64の切り欠き部64aが形成される箇所に対し、磁路の生成方向に対応する箇所を挟み第2の間隔で配されるとともに、他の箇所では第1の間隔で配されると言い換えることもできる。
図14(b)〜(c)、図15(b)〜(c)では、主走査方向における切り欠き部64aの位置および磁心84の配置位置をそれぞれ示している。また図14(a)、図15(a)では、定着ベルト61の主走査方向における温度分布を図示している。ここで図14(a)は、定着ユニット60のウォーミングアップ動作終了直後の定着ベルト61の温度分布を示している。また図15(a)は、定着ユニット60が定着処理を行なっているときの定着ベルト61の温度分布を示している。
この形態によれば、図14(a)、図15(a)で示すように、定着ベルト61の温度は、切り欠き部64aが形成される箇所においても他の箇所より高くはならない。さらに図15(a)で示すように、定着処理を行なっているときの定着ベルト61の温度分布についても、切り欠き部64aが形成される箇所において他の箇所より低くはならない。これは、この箇所において磁心84の間隔(第2の間隔)を周囲の間隔(第1の間隔)と比べ、狭くすることで、この箇所の磁束密度が高くなる。そのため感温磁性部材64の発熱量が上昇するので、これにより切り欠き部64aを形成することによる熱容量の低下を補っているものと考えられる。よって第2の間隔は、感温磁性部材64に切り欠き部64aを形成することで生ずる感温磁性部材64の熱容量の減少に応じて決定されることが好ましい。
Claims (3)
- 導電層を有し、当該導電層が電磁誘導加熱されることで記録材にトナーを定着する定着部材と、
前記定着部材の前記導電層と交差する交流磁界を生成する励磁部材と、主走査方向に予め定められた第1の間隔と当該第1の間隔より狭い第2の間隔で配列することで当該励磁部材により生成された交流磁界の磁路を形成する第1の磁路形成部材と、を有する磁界生成手段と、
前記定着部材の内周面と接触して当該定着部材の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段を前記定着部材の内周面と接触できるように配するための切り欠き部を有し、当該定着部材の内周面と接触して配設され、前記磁界生成手段で生成された交流磁界の磁路を形成すると共に電磁誘導加熱されることで当該定着部材に熱を伝導する第2の磁路形成部材と、
を備え、
前記第1の磁路形成部材は、前記第2の磁路形成部材の前記切り欠き部が形成される箇所に対し、前記磁路の生成方向に対応する箇所は配されず、当該切り欠き部が形成される箇所に対し、前記磁路の生成方向に対応する箇所を全て含むように挟み前記第2の間隔で配されるとともに、他の箇所では前記第1の間隔で配され、
前記第2の間隔は、前記第2の磁路形成部材に前記切り欠き部を形成することで生ずる当該第2の磁路形成部材の熱容量の減少に応じて決定されることを特徴とする定着装置。 - 導電層を有し、当該導電層が電磁誘導加熱されることで記録材にトナーを定着する定着部材と、
前記定着部材の前記導電層と交差する交流磁界を生成する励磁部材と、主走査方向に予め定められた間隔で配列することで当該励磁部材により生成された交流磁界の磁路を形成する第1の磁路形成部材と、を有する磁界生成手段と、
前記定着部材の内周面と接触して当該定着部材の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段を前記定着部材の内周面と接触できるように配するための切り欠き部を有し、当該定着部材の内周面と接触して配設され、前記磁界生成手段で生成された交流磁界の磁路を形成すると共に電磁誘導加熱されることで当該定着部材に熱を伝導する第2の磁路形成部材と、
を備え、
前記第1の磁路形成部材は、前記切り欠き部の前記磁路の生成方向における当該切り欠き部が形成される箇所に対し、前記磁路の生成方向に対応する箇所には配されず、当該磁路を形成するために第1の間隔で配されるものと、当該切り欠き部が形成される箇所に対し、前記磁路の生成方向に対応する箇所を全て含むように挟み当該第1の間隔より狭い第2の間隔で配されるものがあり、
前記第2の間隔は、前記第2の磁路形成部材に前記切り欠き部を形成することで生ずる当該第2の磁路形成部材の熱容量の減少に応じて決定されることを特徴とする定着装置。 - トナー像を形成するトナー像形成手段と、
前記トナー像形成手段によって形成された前記トナー像を記録材上に転写する転写手段と、
導電層を有し、当該導電層が電磁誘導加熱されることで記録材にトナーを定着する定着部材と、当該定着部材の当該導電層と交差する交流磁界を生成する励磁部材と、主走査方向に予め定められた第1の間隔と当該第1の間隔より狭い第2の間隔で配列することで当該励磁部材により生成された交流磁界の磁路を形成する第1の磁路形成部材と、を有する磁界生成手段と、当該定着部材の内周面と接触して当該定着部材の温度を測定する温度測定手段と、当該温度測定手段を当該定着部材の内周面と接触できるよう配するための切り欠き部を有し、当該定着部材の内周面と接触して配設され、当該磁界生成手段で生成された交流磁界の磁路を形成すると共に電磁誘導加熱されることで当該定着部材に熱を伝導する第2の磁路形成部材と、を備える定着手段と、
を備え、
前記定着手段の前記第1の磁路形成部材は、前記第2の磁路形成部材の前記切り欠き部が形成される箇所に対し、前記磁路の生成方向に対応する箇所は配されず、当該切り欠き部が形成される箇所に対し、前記磁路の生成方向に対応する箇所を全て含むように挟み前記第2の間隔で配されるとともに、他の箇所では前記第1の間隔で配され、
前記第2の間隔は、前記第2の磁路形成部材に前記切り欠き部を形成することで生ずる当該第2の磁路形成部材の熱容量の減少に応じて決定されることを特徴とする画像形成装置。
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