JP6381336B2 - 像加熱装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
1.定着装置を備えた画像形成装置の概略説明
図1は本実施例1に係る像加熱装置を定着装置(定着器)として搭載している画像形成装置100の概略構成図である。この画像形成装置100は、電子写真方式のレーザービームプリンタである。
本実施例1において、定着装置Aは電磁誘導加熱方式の装置である。図2は定着装置Aの要部の横断側面模型図、図3は要部の正面模型図、図4は要部の斜視図である。
図15の(a)を用いて本実施例の定着装置Aの発熱メカニズムについて説明する。励磁コイル3に交流電流を流して生じた磁力線が筒状の導電層1aの内側の磁性コア2の内部を導電層1aの母線方向(SからNに向かう方向)に通過し、磁性コア2の一端(N)から導電層の外側に出て磁性コア2の他端(S)に戻る。その結果、導電層1aの内側を導電層1aの母線方向に貫く磁束の増減を妨げる方向の磁力線を発生させる誘導起電力が導電層1aに生じて導電層の周方向に電流が誘導される。
N: 励磁コイル巻き数
ΔΦ/Δt: 微小時間Δtでの回路を垂直に貫く磁束の変化
4、導電層の外側を通る磁束の割合と電力の変換効率との関係
ところで、図15の(a)の磁性コア2はループを形成しておらず端部を有する形状である(開磁路)。図15の(b)のような磁性コア2が導電層1aの外でループ(閉磁路)を形成している定着装置における磁力線は、磁性コア2に誘導されて導電層1aの内側から外側に出て内側に戻る。
そこで、定着装置Aにおける外側ルートを通る磁力線の割合を磁力線の通り易さをパーミアンスという指標を用いて表す。まず、一般的な磁気回路の考え方について説明する。磁力線が通る磁路の回路を電気回路に対して磁気回路という。磁気回路において磁束を計算する際、電気回路の電流の計算に準じて行うことができる。磁気回路は、電気回路に関するオームの法則が適用可能である。電気回路の電流に対応する磁束をΦと、起電力に対応する起磁力をVと、電気抵抗に対応する磁気抵抗をRと、すると、次の式(501)を満たす。
しかし、ここでは原理をより理解しやすく説明するために磁気抵抗Rの逆数であるパーミアンスPを用いて説明する。パーミアンスPを用いると、上式(501)は次の式(502)ように表せる。
更に、このパーミアンスPは、磁路の長さをBと、磁路の断面積をSと、磁路の透磁率をμと、すると下記の式(503)のように表せる。
で表される。パーミアンスPは、断面積S及び透磁率μに比例し、磁路の長さBに反比例する。
また、φc、φa_in、φs、φa_outはそれぞれ以下の式(505)〜(508)で表される。
φs=Ps×Vm ・・・(506)
φa_in=Pa_in×Vm ・・・(507)
φa_out=Pa_out・Vm ・・・(508)
よって、式(504)に(505)〜(508)を代入するとPa_outは次の式(509)示すように表される。
=(Pa_in+Ps+Pa_out)×Vm
∴Pa_out=Pc−Pa_in−Ps ・・・(509)
図16の(b)より、磁性コア2の断面積をSc、導電層1aの内側の断面積をSa_in、導電層1a自身の断面積をSs、とすると、は以下のように、「透磁率×断面積」で表すことができ、単位は[H・m]である。
Pa_in=μ0・Sa_in=μ0・π・((a2)2−(a1)2)
・・・(511)
Ps=μ2・Ss=μ2・π・((a3)2−(a2)2) ・・・(512)
これらの(510)〜(512)を式(509)に代入すると、Pa_outは式(513)で表せる。
=μ1・Sc−μ0・Sa_in−μ2・Ss
=π・μ1・(a1)2
−π・μ0・((a2)2−(a1)2)
−π・μ2・((a3)2−(a2)2) ・・・(513)
上記の式(513)を使用することによって導電層1aの外側を通る磁力線の割合であるPa_out/Pcを計算することができる。
Pa_in=1.3×10-10+2.5×10-10[H・m]
Ps=1.9×10-12 [H・m]
これらの値を用いて、次の式(514)からPa_out/Pc計算することができる。
=0.999(99.9%) ・・・(514)
尚、磁性コア2を長手方向で複数に分割し、分割した各磁性コア同士の間に空隙(ギャップ)を設ける場合もある。この場合、この空隙が空気又は比透磁率が1.0とみなせるものや磁性コアの比透磁率よりもずっと小さいもので満たされている場合、磁性コア2全体の磁気抵抗Rは大きくなり磁力線を誘導する機能が劣化することになる。
(Rm_g1+Rm_g2+・・・・・+Rm_g9)
・・・(515)
本構成の場合は、磁性コアの形状と材質、ギャップ幅は一様であるので、Rm_cの足し合わせた合計をΣRm_c、Rm_gの足し合わせた合計をΣRm_gとすると、次の式(516)〜(518)のように表せる。
Rm_c=Lc/(μc・Sc)・・・(517)
Rm_g=Lg/(μg・Sg)・・・(518)
式(516)に式(517)及び式(518)を代入して、長手全体の磁気抵抗Rm_allは次の式(519)のように表せる。
=(Lc/(μc・Sc))×10+(Lg/(μg・Sg))×9
・・・(519)
ここで、単位長さ当たりの磁気抵抗Rmは、Lcの足し合わせた合計をΣLc、Lgの足し合わせた合計をΣLgとすると次の式(520)となる。
=Rm_all/(L×10+Lg×9) ・・・(520)
以上から、単位長さあたりのパーミアンスPmは、以下の式(521)ように求められる。
=(ΣLc+ΣLg)/[{ΣLc/(μc+Sc)}+{ΣLg/(μg+Sg)}]
・・・(521)
ギャップLgを大きくすることは、磁性コア2の磁気抵抗の増加(パーミアンスの低下)につながる。本実施例の加熱装置を構成する上で、発熱原理上、磁性コア2の磁気抵抗が小さく(パーミアンスが大きく)なるように設計することが望ましいため、ギャップを設けることはあまり望ましくない。しかし、磁性コア2の破損防止のために磁性コア2を複数に分割してギャップを設ける場合がある。
次に、本実施例の定着装置で必要な電力の変換効率について述べる。例えば、電力の変換効率が80%である場合、残り20%の電力は導電層以外の励磁コイルや磁性コア等で熱エネルギーに変換されて消費される。電力の変換効率が低い場合は、磁性コアや励磁コイル等の発熱すべきでないものが発熱し、それらを冷却するための対策を講じる必要性がある場合がある。
本構成は、磁性コアの断面積が26.5mm2(5.75mm×4.5mm)で、導電層の直径が143.2mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は64%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は54.4%であった。電力の変換効率は装置に投入した電力のうち、導電層の発熱に寄与した分を示すパラメータである。従って、最大1000W出力可能な装置として設計しても約450Wが損失となり、その損失は励磁コイル及び磁性コアの発熱となる。
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じで、導電層の直径が127.3mmであり、外側ルートを通る磁束の割合は71.2%である。この装置のインピーダンスアナライザによって求めた電力の変換効率は70.8%である。定着装置のスペックによっては、励磁コイル及び磁性コアの昇温が課題になる場合がある。本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置にすると、導電層の回転速度は330mm/secとなり、導電層の温度を180℃に維持する必要がある。導電層の温度を180℃に維持しようとすると、磁性コアの温度は20秒間で240℃を超える場合がある。
本構成は、磁性コアの断面積はP1と同じであり、導電層の直径が63.7mmの場合である。この装置のインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は83.9%である。磁性コア及び励磁コイル等に定常的に熱量が発生するものの、冷却手段が必要なレベルではない。
本構成は、磁性コアの断面積がP1と同じであり、円筒体の直径が47.7mmの場合である。この装置でインピーダンスアナライザによって求められる電力の変換効率は94.7%である。本構成の定着装置を60枚/分の印字動作ができる高スペックな装置(導電層の回転速度は330mm/sec)で導電層の表面温度を180℃に維持する場合であっても、磁性コアや励磁コイル等は、180℃以上に達することはない。従って、磁性コアや励磁コイル等を冷却する冷却手段及び特別な耐熱設計は不要である。
導電層の外側ルートを通過する磁束の割合が72%以上であることは、導電層のパーミアンスと導電層の内側(導電層と磁性コアの間の領域)のパーミアンスとの和が磁性コアのパーミアンスの28%以下であることと等価である。従って、本実施例の特徴的な構成の一つは、磁性コアのパーミアンスをPc、導電層の内側のパーミアンスをPa、導電層のパーミアンスPsとした時に、次の式(522)を満足することである。
また、パーミアンスの関係式を磁気抵抗に置き換えて表現すると下記の式(523)になる。ただし、RsとRaの合成磁気抵抗Rsaは以下の式(524)ように計算する。
Rs:導電層の磁気抵抗
Ra:導電層と磁性コアとの間の領域の磁気抵抗
Rsa:RsとRaの合成磁気抵抗
上記のパーミアンスもしくは磁気抵抗の関係式を、加熱装置の記録材の最大搬送領域全域で、円筒形回転体の母線方向に直交する方向の断面において満足することが望ましい。
上記のパーミアンスの関係式を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(526)ようになる。
上記のパーミアンスの関係式(527)を磁気抵抗の関係式に変換すると以下の式(528)になる。
ここで、導電層と磁性コアとの間の領域の単位長さ当たりの磁気抵抗raは、フィルムガイドrfの単位長さ当たりの磁気抵抗と導電層の内側の磁気抵抗rairの単位長さ当たりの磁気抵抗との合成磁気抵抗である。従って、下記の式(529)を用いて計算できる。
rs1=5.3×1011[1/(H・m)]
また、領域3は領域1と同じであるから下記のようになる。
ra3=2.7×109[1/(H・m)]
rs3=5.3×1011[1/(H・m)]
次に、領域2における各部品の単位長さ当たりの磁気抵抗を下記の表4に示す。
導電層と磁性コアの間の領域の単位長さ当たりの磁気抵抗raは、フィルムガイドrfの単位長さ当たりの磁気抵抗と、サーミスタrtの単位長さ当たりの磁気抵抗と、導電層の内側の空気rairの単位長さ当たりの磁気抵抗と、の合成磁気抵抗である。従って下記の式(530)で計算できる。
rs2=5.3×1011[1/(H・m)]
領域3の計算方法は領域1と同じであるので省略する。
Ra=5.8×1011[1/H]
Rs=1.1×1014[1/H]
RsとRaの合成磁気抵抗Rsaは以下の式(535)で計算できる。
図2に示すように定着装置Aの検温素子9、10、11は、記録材Pが定着装置Aに搬送されてくる上流側に配置する。長手方向は、図3に示すように中央および両端部の定着スリーブ対向位置に配設する。検温素子9、10、11は非接触型サーミスタなどによって構成される。これにより、定着スリーブ1は表面の温度が所定の目標温度に維持・調整される。
本項目では、後述する実施例1との比較をするために、比較例1として磁性コア2の周囲に、グラファイトシート4を設置しなかった場合の説明を行う。
本項目では、実施例1の構成について説明する。図2は、実施例1における、定着スリーブ1、磁性コア2、励磁コイル3、熱伝導部材4の断面図である。図2に示す比較例1と同じ作用をするものには同一の番号を付している。また、図7に、実施例1における定着スリーブ1の長手方向の発熱分布を示している。
本実施例は、定着スリーブ1内の中空部に閉磁路を形成する磁性コア2の一部を挿通している構成を開示するものである。定着装置A以外の画像形成装置構成は実施例1における図1の電子写真方式のレーザービームプリンタと同様であるから再度の説明は省略する。
図9は本実施例2の定着装置Aの要部の斜視図、図10は図9に示すB−Bにおける断面図を示す。図11は定着装置Aの正面図及びプリンタ制御部40のブロック図である。
図12は、励磁コイル3に矢印I1の向きに電流が増加している瞬間の磁界と誘導電流を示す図である。磁性コア2は、励磁コイル3にて生成された磁力線を内部に誘導し、磁路を形成する部材として機能する。そのため磁力線は、磁路に集中して通って、閉磁路を形成する。ここでこの磁路を垂直に囲むように、定着スリーブ1の発熱層1aを設置させた。磁性コア2の内部には交番磁界(時間と共に大きさと方向が変化を繰り返す磁界)が形成される。
以下の式(4−1)で表される。
N: 励磁コイル巻き数
ΔΦ/Δt: 微小時間Δtでの回路を垂直に貫く磁束の変化
励磁コイル3にI1を流すと、磁性コア2内部には交番磁界が形成され、発熱層1aには長手全体に周回方向の誘導起電力がかかり、長手全域に周回電流I2が流れる。発熱層1aは電気抵抗を有するので、この周回電流I2が流れることによりジュール発熱する。この電流I2を誘導する動作原理は、同心軸トランスの磁気結合と等価である。
本項目では、後述する実施例2との比較をするために、比較例2として磁性コア2の周囲に、グラファイトシート4を設置しなかった場合の説明を行う。図13は、比較例2における、定着スリーブ1、磁性コア2、励磁コイル3の断面図であり、グラファイトシート4は設置されていない。磁性コア2の温度上昇に影響を及ぼす要因は実施例1の9.項に記載したとおりである。
本項目では、後述する実施例2の構成について説明する。図10は、実施例2における、定着スリーブ1、磁性コア2、励磁コイル3、高熱伝導部材4の断面図である。図13に示す比較例2と同じ作用をするものには同一の番号を付している。また、図14に、実施例2における定着スリーブ1の長手方向の発熱分布を示している。
(1)像加熱装置には、未定着トナー画像を固着像として定着する以外にも、記録材に仮定着されたトナー画像あるいは一度加熱定着されたトナー像を再度加熱加圧して光沢度を向上させる装置も包含される。
Claims (6)
- 導電層を有する筒状の回転体と、前記回転体の中空部に挿通され前記回転体の母線方向に長い磁性コアと、前記中空部において前記磁性コアの外周面に前記磁性コアに直接もしくは他物を介して前記磁性コアの長手方向に沿ってコイル線材を螺旋状に巻き回して形成されている励磁コイルと、を有し、前記励磁コイルに交番電流を流すことで前記導電層が電磁誘導により発熱し、この熱を利用して記録材に担持されているトナー像を加熱する像加熱装置において、
前記磁性コアよりも熱伝導率が高い高熱伝導部材であって、前記回転体と前記磁性コアの間において前記磁性コアの長手方向に沿って前記磁性コアを覆うように配設されており、周方向の一部に不連続部を有する高熱伝導部材が設けられており、
前記高熱伝導部材はグラファイトを用いた可撓性のあるシート状の部材であり、シート面方向の熱伝導率が前記磁性コアの熱伝導率より高いことを特徴とする像加熱装置。 - 前記高熱伝導部材が前記回転体と前記励磁コイルとの間に配置されていることを特徴とする請求項1に像加熱装置。
- 前記磁性コアは磁路の一部が断絶した開磁路を形成していることを特徴とする請求項1または2に記載の像加熱装置。
- 前記磁性コアは閉磁路の一部を形成していることを特徴とする請求項1または2に記載の像加熱装置。
- 前記回転体に当接して前記記録材を挟持搬送するニップ部を形成するニップ形成部材を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の像加熱装置。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の像加熱装置を搭載していることを特徴とする画像形成装置。
Priority Applications (1)
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