JP6135245B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置および画像形成装置に関し、さらに詳しくは、電磁誘導加熱方式を用いる加熱機構に関する。

周知のように、電子写真方式を用いる画像形成装置においては、感光体などの像担持体から記録紙などの記録媒体に転写されたトナー像が熱・圧力による融解・浸透作用によって定着されて複写物として得られるようになっている。

定着装置に用いられる加熱方式の一つとして、電磁誘導加熱方式が知られている。
この方式は、一般に知られている熱ローラ定着方式と違って、加熱ローラなどの加熱機構を要することなく、定着に用いられる定着ローラやベルトなどの部材自体に生起される渦電流による発熱が可能である。このため、定着部材自体を加熱源とすることができ、昇温に要する時間も短縮できる利点がある。

ところで、上述した電磁誘導加熱方式を用いた場合、発熱部材である電磁誘導発熱性層が比較的薄いことに起因して、定着ローラの長手方向あるいはベルトの幅方向での温度分布を均一化することが難しい場合がある。
つまり、定着ローラの長手方向あるいはベルトの幅方向において、例えば、幅方向センター基準方式で記録媒体として用いられる記録紙が搬送される場合、記録紙の幅方向中央部が対応する通紙領域では熱が奪われて温度が低下する。
これに対し、幅方向両端部に対応する非通紙領域では熱が奪われないことにより温度の低下が少なくなる。

非通紙領域の発生状態が異なる要因には、記録紙サイズや記録紙の搬送形態がある。
例えば、ＪＩＳ寸法のＡ版サイズやＢ版サイズなどというように定型サイズにおいても種々サイズの記録紙が用いられる。また、搬送形態においても同一サイズの記録紙の搬送方向に平行する長手方向の向きを異ならせることもある。
このため、上述した通紙領域と非通紙領域が存在することにより定着ローラの長手方向やベルトの幅方向での温度ムラが発生しやすい。
特に、小サイズの記録紙を連続通紙した直後に大サイズの記録紙を通紙するような場合には、大サイズの記録紙における幅方向での温度分布が一様でないことにより、画像の光沢度などに悪影響が出る虞がある。

従来、定着に用いられるローラの長手方向やベルトの幅方向での温度ムラ解消のための構成として次の構成が提案されている。
第１に、キューリー温度を境にして磁性と非磁性とに切り替わる特性を有した整磁合金と金属板を発熱層と金属板との間に配置した構成である（例えば、特許文献１，２）。
特許文献１には、導電性層を有した発熱層が表面に設けられているベルトが捲装される透磁可能な支持体の内側に周方向に移動することで磁路を遮断／解放可能な磁気遮蔽体を配置し、磁気遮蔽体が非磁性体領域に対向できる構成が開示されている。
特許文献２には、磁性体が用いられて誘導発熱層を構成するベルトの内面と隙間を持たせた位置に非磁性・良導電体の磁束抑制部材を配置し、磁束抑制部材を非通紙領域ができる記録紙サイズ毎に準備しておき、非通紙領域に移動させる構成が開示されている。
これらの構成では、整磁合金がキューリー温度以上に達した時点で金属板への磁束の透過を可能にすることで金属板に励磁コイルからの磁束に対する反発磁束を生成して励磁コイルによる誘導磁束を打ち消すことができる自己温度制御機能を利用している。

ところで、整磁部材による自己温度制御機能を発揮させるには、整磁合金の温度がキューリー点以上に達して時点で磁束抑制部材、いわゆる消磁部材による消磁効果が発熱層に充分及ぶことが条件となる。
このため、励磁コイルと整磁合金とを近接させることが重要となる。
しかし、励磁コイルと整磁合金との間には発熱層が存在しているため、磁束抑制部材、いわゆる消磁部材を発熱層に近接して配置せざるを得なくなる。
このため、高温となった整磁合金から磁束抑制部材、いわゆる消磁部材への熱の対流や輻射により消磁部材への伝熱が発生する。これにより、発熱層での目標温度までの昇温に必要とされるウォームアップ時間が消磁部材の熱容量分だけ増加してしまい、ウォームアップ時間が増加することになる。換言すれば、発熱層での発熱効率が消磁部材への伝熱分だけ低下することになる。
従来、このような現象を解消する構成として、消磁部材の一部、つまり、発熱層への消磁効果の影響が小さい少磁束部分に対向する位置を発熱層から離し、この部分で生じる伝熱を抑えることにより発熱層での発熱効率を高める構成がある（例えば、特許文献３）。
また、励磁コイルが対向する磁性コアと消磁部材との対向関係を１８０℃の位相で反転させて発熱層に対する消磁部材への磁束反転の影響を抑えて発熱層での昇温を促進する構成もある（例えば、特許文献４）。

消磁部材を用いる場合には、消磁部材が磁性コイルから離れるほど消磁部材による自己温度制御機能が機能しにくくなり、励磁コイルに対して消磁部材を近づけていくと上述した伝熱による発熱効率低下が生じやすくなるというトレードオフの関係となる。
特に、整磁合金は、キューリー点未満で磁束を殆ど透過させないものの、僅かではあるが漏れ磁束として磁束を通過させることがある。このため、消磁部材表面で漏れ磁束による渦電流が発生し、渦電流による反発磁束の影響により発熱層での発熱が阻害される。このような現象は、消磁部材が発熱層に近いほど顕著となる。
また、発熱層での温度分布の不均一を避けるためには、消磁部材による反発磁束を利用することが必要となるため、消磁部材を発熱層に近づけることが必要となる。
このように、発熱効率の向上と消磁効率による温度分布の均一化を実現するには、消磁部材と発熱層との距離がトレードオフの関係となることを考慮しなければならない。このため、消磁部材の設置構造が極めて難しい条件下に置かれることになる。

本発明の目的は、上記従来の定着装置における問題に鑑み、発熱効率および自己温度制御機能のいずれをも満足できる構成を備えた定着装置および画像形成装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は、無端状のベルトと、前記ベルトの外周に対向し、磁束を発生させて誘導加熱を行う励磁コイルと、前記ベルトを張架する加熱ローラと、前記加熱ローラを介して前記ベルトに対向する消磁部材を有する定着装置において、前記加熱ローラは、発熱層および感温性磁性体が一体に形成され、前記励磁コイルと前記消磁部材とが最も近接して対向する位置での距離が、４．２ｍｍ以上８．２ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする定着装置にある。

本発明によれば、上記構成により、発熱効率と消磁効率とを満足させることが可能となることで、発熱層を持たないベルトでは、加熱ローラによる発熱効率を用いてウォーミングアップ時間の短縮ができ、温度分布において過昇温領域での昇温停止効果を良好に得ることができる。

本発明の実施形態に係る定着装置の構成を示す模式図である。 図１に示した定着装置に用いられる励磁コイルと消磁部材との間の距離規定に基づく発熱効率および消磁効率（自己温度制御機能）に関する実験結果を示す線図である。 図１に示した定着装置の要部変形例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る定着装置を用いる画像形成装置の構成を説明するための模式図である。

以下、図示実施例により本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る定着装置の構成を説明するための図である。
図１において定着装置１は、ローラで構成された発熱体２および加圧ローラ３に対向当接可能な定着ローラ４との間に掛け回された定着ベルト５を備えたベルト定着方式が採用されている。
発熱体２は、回転可能な加熱ローラ２Ａの外側に励磁コイル２Ｂ、アーチコア部材２Ｃ、コイル支持体２Ｄが配置され、内側に消磁部材２Ｅが配置されている。

加熱ローラ２Ａは、図１（Ｂ）に示すように、励磁コイル２Ｂからの磁束による誘導加熱によって発熱可能な発熱層２Ａ１および発熱層２Ａ１を挟んで励磁コイル２Ｂに対向する感温性磁性体２Ａ２を備えている。
発熱層２Ａ１は、感温性磁性体２Ａ２の表面に設けられた、厚さが３〜２０μｍのＣｕメッキ等の導電性メッキで構成されて渦電流を生成しやすくして発熱性を向上させている。なお、発熱層２Ａ１に用いられる材質としては、上述した銅（Ｃｕ）に限らず、金（Ａｕ）を用いることも可能である。さらに、上述した厚さに関しては、上限値を３０μｍとして、３〜３０μｍとすることも、反発磁束を生成しやすくする渦電流の発生度合いを高める上で可能である。

感温性磁性体２Ａ２には、整磁合金が用いられている。整磁合金としては、組成の調整により、キューリー温度が例えば１００〜３００°Ｃになるように形成された磁性体（例えば鉄、ニッケルを含む整磁合金材料）が用いられている。
感温性磁性体２Ａ２は、キューリー温度を境に磁性・非磁性に切り替わる特性を有し、磁性・非磁性の切り替わりにより発熱層２Ａ１に対する透磁状態を制御して発熱層２Ａ１での加熱領域および被加熱領域を選択できる部材である。感温性磁性体２Ａ２としては、上述したローラ状の他に、フィルム状、エンドレスベルト状などが選択可能である。
このため、定着ベルト５は、ポリイミド樹脂からなる基材のみで構成され、自身には発熱層を備えていなくても加熱ローラ２Ａによる加熱により所定温度に加熱されるようになっている。

励磁コイル２Ｂは、折り返された両端、いわゆるターン部に連続する延長部を備えている。その延長部の長さは、定着に用いられる記録紙のうちで大きいサイズ、この場合にはＡ３版サイズ（２９７ｍｍ）の幅方向全域を覆うことができる長さとされている。

アーチコア部２Ｃには、中央にセンターコア２Ｃ１が、そして両端部に側部コア２Ｃ２が設けられ、励磁コイル２Ｂが、センターコア２Ｃ１に対して捲き回されている。

消磁部材２Ｅは、支軸６の外周側で発熱層２Ａ１、感温性磁性体２Ａ２を備えた加熱ローラ２Ａの内面形状に倣った面を有する断面円弧状に形成された非磁性体からなる部材が用いられている。
消磁部材２Ｅとしては、感温性磁性体２Ａ２よりも電気抵抗率が低いアルミニウムまたはその合金あるいは銅を用いた非磁性導電体が用いられている。
消磁部材２Ｅは、円筒形状の加熱ローラ２Ａの断面形状に倣う形状として、図１に示すように、パイプ形状が用いられ、さらに、加熱ローラ２Ａの円状周方向で励磁コイル２Ｂに対向する部分以上の中心角（図１において符号θで示す角度）を持つ形状とされている。なお、図１では断面形状が円となっているが、円弧状であってもよい。
消磁部材２Ｅでは、感温性磁性体２Ａ２による加熱領域および非加熱領域が選択された場合に透過した磁束による渦電流を生じさせて内側に位置する回転軸への透磁を避けるようになっている。

消磁部材２Ｅは、図示しないが、発熱層内側、つまり、加熱ローラ２Ａの内側に配置された保持部材により加熱ローラ２Ａの軸方向に平行する幅方向両端が支持されている。

図示の定着装置１は、励磁コイル２Ｂに接続されているインバータ（図示されず）により高周波駆動することにより高周波磁界（磁束）を発生させ、この磁界により加熱ローラ２Ａの発熱層２Ａ１に渦電流が流れるようにしてローラ温度を上昇させる。
トナーＴｎを担持した記録用紙Ｐは、トナー担持面を加熱ローラ２Ａに掛け回されている定着ベルト５と加圧ローラ３との間を挟持搬送される間に加熱および加圧されてトナーＴｎを融解・浸透される。

一方、加圧ローラ３は、定着ベルト５の駆動ローラとして用いられ、加熱ローラ２Ａとの当接面に定着ニップを形成して記録用紙Ｐを挟持搬送する際に定着ベルト５を駆動する。ことができる。

以上の構成を対象として本実例での特徴を説明する。
本実施例の特徴は、加熱ローラ２Ａ側に発熱層２Ａ１および感温性磁性体２Ａ２を用いることにより定着ベルト５側には発熱層を備えていない構成を前提とした場合に、上述した発熱効率および消磁効率を満足させる条件を見出した点にある。

本実施例では、上述した条件として、励磁コイル２Ｂと消磁部材２Ｅとが最も近接して対向する位置での距離が４．２ｍｍ以上８．２ｍｍ以下に設定されて消磁部材２Ｅが位置決めされている。

本実施例は以上のような構成であるから、上述した励磁コイル２Ｂと消磁部材２Ｅとの間の距離に基づき、発熱効率および自己温度制御機能への影響を実験したところ、図２に示す結果を得た。
図２に示す自己温度制御機能（パーセント）は、端部温度上昇時、端部温度が２１０℃で止まる場合を１００％とし、式（１）に基づき求めたものである。
自己温度制御機能（％）＝２１０℃／端部温度上昇停止時温度×１００・・・（式１）
例えば、端部温度＝２３０℃が上昇温度である場合、式（１）に基づき、自己温度制御機能（パーセント）は、９１．３％となる。

図２に示す使用可能領域は、端部温度が２１４．７℃以上で上述した２３０°以下で温度上昇が止まる範囲に相当している。これは、発熱効率をハロゲンヒータでの発熱効率が９０％未満であることを考慮して、この発熱効率を９０％とした場合の定着特性を良好に得られる範囲としている。
なお、発熱効率に関しては、使用範囲内で定着特性が良好である場合の発熱効率９０％として端部温度が２１４．７℃になることを対象としている。

図２の結果から、発熱効率および自己温度制御機能を両方満足する条件として、上述した励磁コイル２Ｂと消磁部材２Ｅとの間の距離が４．２ｍｍ以上８．２ｍｍ以下にあることで、発熱層を持たない定着ベルト５を用いることが可能となる。つまり、定着ベルト５では、加熱ローラ２Ａによる発熱効率を用いてウォーミングアップ時間の短縮ができ、さらには、温度分布において過昇温領域での昇温停止効果を良好に得ることができる。

次に、上述した定着装置の要部変形例について説明する。
図３は、消磁部材の構成を説明するための図１相当の図である。
図３に示す定着装置１では、消磁部材（便宜上、符号２Ｅ’で示す）の形状として、励磁コイル２Ｂに対向する面が直線形状を有している。
この構成においては、折り曲げのみで形成でき、消磁部材２Ｅ’を加熱ローラ２Ａの内面に倣った円弧状とする加工が必要ないので、加工コストの低減が可能となる。なお、折り曲げ部を図３の１箇所に加え更に複数箇所に設け、より円弧形状に近い形としてもよい。

上述した定着装置は、一例として図４に示す画像形成装置に適用される。
以下、図４において画像形成装置の構成を説明する。
図４には、胴内排紙型画像形成装置が示されており、装置の略中央には画像形成部Ａが配置され、この画像形成部Ａのすぐ下方に給紙部Ｂが配置されている。なお、必要に応じ別の給紙装置を下部に増設することができる。

画像形成部Ａの上方には、排紙収納部Ｄを隔てて原稿を読み取る、読み取り部Ｃが配設されている。排紙収納部Ｄには、画像形成された用紙が排紙収納される。図４内の矢印は用紙の通紙経路を示している。

画像形成部Ａでは、ドラム状をした感光体Ａ１の周囲に画像形成処理を行うために次の装置が配置されている。
感光体Ａ１の表面に帯電処理を行う帯電装置Ａ２、画像情報を感光体表面にレーザ光で照射する露光装置Ａ１０、感光体Ａ１の表面に露光されて形成された静電潜像を可視化する現像装置Ａ３が配置されている。

また、各感光体Ａ１の近傍には、複数の感光体Ａ１上でそれぞれ現像されたトナー像を重ね合わせる中間転写装置Ａ４、用紙に転写する転写装置Ａ５が配置されている。
転写後の未転写トナー除去ができる位置には、転写後、感光体表面および中間転写装置Ａ４さらには転写装置Ａ５に残留するトナーを除去回収するクリーニング装置Ａ６が配置されている。
クリーニング装置Ａ６には、感光体Ａ１および中間転写装置Ａ４での像担持体表面の摩擦係数を下げるための潤滑剤塗布装置Ａ７も配置されている。

一方、転写装置Ａ５を通過した記録用紙に担持されているトナー像を定着するために、図１乃至図３において説明した定着装置（便宜上、符号Ａ８で示す）が用紙の搬送経路で転写装置Ａ５の下流に配置されている。

メンテナンスを容易にするため、感光体Ａ１、帯電装置Ａ２、現像装置Ａ３、クリーニング装置Ａ６等は、プロセスカートリッジによる１つのユニットに組み込まれ、本体装置に対して着脱可能に設けられている。
また、同様の理由からクリーニング装置Ａ６と潤滑剤塗布装置Ａ７とが一つのユニット内に収容され、中間転写装置Ａ４に対して着脱可能とされている。さらに、クリーニング装置Ａ６と潤滑剤塗布装置Ａ７と転写装置Ａ５に用いられる転写部材とを一体的に収容し、本体装置に対して着脱可能にしている。定着装置を通過した用紙は排紙ローラＡ９を経て排紙収納部Ｄに排紙収納される。

給紙部Ｂにおいては、未使用の用紙が収容されており、給紙ローラＢ１の回転により、最上紙は給紙カセットから送り出され、レジストローラＡ１１へと送られる。レジストローラＡ１１は用紙の搬送を一時止め、感光体表面のトナー像と用紙の先端との位置関係が所定の位置になるよう、タイミングをとって回転が開始するよう制御される。

読み取り部ＣではコンタクトガラスＣ２上に積置される原稿不図示の読み取り走査を行うために、原稿照明用光源とミラーとによりなる読み取り走行体Ｃ１が往復移動する。この読み取り走行体Ｃ１により走査された画像情報は、レンズＣ３の後方に設置されているＣＣＤ Ｃ４に画像信号として読み込まれる。

この読み込まれた画像信号は、デジタル化され画像処理される。画像処理された信号に基づいて、露光装置Ａ１０のレーザダイ一ド不図示の発光により感光体Ａ１の表面に静電潜像が形成される。レーザダイオードからの光信号は、公知ポリゴンミラーやレンズを介して感光体に至る。

帯電装置Ａ２は主に帯電部材とそれを感光体Ａ１に所定の圧力で加圧する付勢部材からなる。帯電部材は、導電性のシャフトの周りに導電性弾性層を有する。電圧印加装置不図示により導電性シャフトを介して導電性弾性層と感光体Ａ１との空隙に所定の電圧を印加し、感光体表面に電荷を付与する。

現像装置Ａ３では、図示しない攪拌スクリューにより現像剤を十分攪拌し、現像ローラに磁気的に付着させる。付着した現像剤は現像ドクターにより現像ローラ上に薄層化される。薄層化された現像剤により感光体Ａ１上の静電潜像を顕像化する。

顕像化されたトナー像は、図示しない転写バイアスローラにより電気的に中間転写ベルトＡ４上に付着する。中間転写ベルトＡ４上に転写されなかった残留トナーはクリーニング装置Ａ６により感光体Ａ１から除去される。潤滑剤塗布部材は金属シャフトにブラシを巻きつけローラ状に形成されている。

固形潤滑剤Ａ７２は自重により潤滑剤塗布部材に付勢されており、潤滑剤塗布部材を回転させることで固形潤滑剤Ａ７２を微粉状に削り取り、感光体Ａ１の表面に潤滑剤を塗布する。このときに、潤滑剤が塗布される澗滑剤塗布領域は、感光体Ａ１の略全面であり、クリーニング領域より広<する。
これは、有効クリーニング領域は、クリーニング性等によって決定されるが、潤滑剤はクリーニングブレードに接触している全体に塗布することが必要になる。

潤滑剤塗布装置Ａ７とクリーニング装置Ａ６が一体的に筐体内に具備され転写カートリッジを形成している。固形潤滑剤Ａ７２は、付勢部材Ａ７３によりブラシローラからなる潤滑剤塗布部材へ所定の圧力で付勢されている。潤滑剤塗布部材の回転により固形潤滑剤Ａ７２が削り取られ中間転写装置Ａ４の表面へ塗布される。その上流にはクリーニング装置Ａ６が設置されており、クリーニング用ブラシローラと、クリーニングブレードから成る。

ブラシローラは中間転写装置Ａ４の回転方向に対して同方向に回転し、表面の異物を拡散する。クリーニングブレードは、中間転写装置Ａ４に対して所定の角度・圧力で当接されており、中間転写装置Ａ４上の残留トナーを除去する。

クリーニング装置Ａ６と転写装置Ａ５とが一体的に装置内に具備され転写カートリッジを彫成している。図のようにクリーニング装置Ａ６が設置されており、転写装置Ａ５上の残留トナーを除去する。

１ 定着装置
２ 発熱体
２Ａ 加熱ローラ
２Ａ１ 発熱層
２Ａ２ 感温性磁性体
２Ｂ 励磁コイル
２Ｅ、２Ｅ’ 消磁部材
３ 加圧ローラ
４ 定着ローラ
５ 定着ベルト

特開２００１−１３５４７０号公報 特開２０００−３０８５０号公報 特開２０１３−００３５１１号公報 特開２００９−０５８８２９号公報

Claims (10)

1. 無端状のベルトと、
   前記ベルトの外周に対向し、磁束を発生させて誘導加熱を行う励磁コイルと、
   前記ベルトを張架する加熱ローラと、
   前記加熱ローラを介して前記ベルトに対向する消磁部材を有する定着装置において、
   前記加熱ローラは、発熱層および感温性磁性体が一体に形成され、
   前記励磁コイルと前記消磁部材とが最も近接して対向する位置での距離が、４．２ｍｍ以上８．２ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする定着装置。
2. 前記発熱層は、金または銅が用いられていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記発熱層の厚みは、３〜３０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の定着装置。
4. 前記消磁部材は、非磁性導電体が用いられることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
5. 前記非磁性導電体として、アルミニウムあるいは銅が用いられることを特徴とする請求項４記載の定着装置。
6. 前記消磁部材は、前記発熱層および前記感温性磁性体の内面形状に倣った面を有していることを特徴とする請求項１，４，５のうちのいずれか一つに記載の定着装置。
7. 前記消磁部材は、前記発熱層および前記感温性磁性体の断面形状が円状である場合に、断面がパイプ形状または前記円状の周方向で前記励磁コイルに対向する部分以上の中心角を持つ形状であることを特徴とする請求項１，請求項４乃至６のうちのいずれか一つに記載の定着装置。
8. 前記消磁部材は、断面形状において前記励磁コイルに対向する面が直線形状を有していることを特徴とする請求項１，請求項４乃至７のうちのいずれか一つに記載の定着装置。
9. 前記消磁部材は、前記励磁コイルに対向する前記発熱層の内側に配置された保持部材により支持されていることを特徴とする請求項１，請求項４乃至８のうちのいずれか一つに記載の定着装置。
10. 請求項１乃至９のうちのいずれか一つに記載の定着装置を用いることを特徴とする画像形成装置。

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