JP6529356B2 - 定着装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置が備える定着装置に関する。

電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置として、電磁誘導発熱方式のものが知られている。この定着装置の中で、近年、導電層を有する回転体と、回転体の内部に設けられた螺旋状のコイルと、コイルの螺旋形状部に設けられた有端形状の磁性芯材と、を有し、導電層の全周を発熱させるものが開示されている（特許文献１）。この定着装置は、コイルに高周波電流を流すことで回転体の母線方向に沿った方向の磁束を発生させて、導電層の周方向に流れる誘導電流によって導電層を発熱させるものである。そして、回転体の熱によって記録材に形成されたトナー像を記録材に定着する。

この定着装置は、導電層の全周が発熱するため、定着装置のウォーミングアップに要する時間が短いという利点を有する。

特開２０１４−０２６２６７

しかしながら、特許文献１の定着装置は、回転体の母線方向に関し磁性芯材の中央部から端部に向かうほど磁束密度が減少するので、端部定着性が低下しやすい。また、端部の発熱量を増やそうとすると、非通紙部昇温が悪化する場合がある。そこで、非通紙部昇温を抑制しつつ端部定着性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、導電層を有する回転体と、前記回転体の内部に設けられた螺旋状のコイルであって、その螺旋軸が前記回転体の母線方向に沿った方向であるコイルと、前記コイルの内部に設けられ、有端形状である磁性芯材と、前記回転体と共にニップ部を形成するバックアップ部材と、を備え、前記ニップ部でトナー像が形成された記録材を搬送しながら加熱して前記トナー像を記録材に定着する定着装置において、前記母線方向に関し前記コイルの中央領域、端部領域、前記中央領域と前記端部領域との間にある中間領域、の巻き間隔をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚとすると、Ｙ＜Ｘ＜Ｚを満たすことを特徴とする。

本発明によれば、非通紙部昇温を抑制しつつ端部の定着性を向上させることができる。

画像形成装置の概略構成図 定着装置の側面の断面模型図 定着装置の正面の模型図 （ａ）定着スリーブに磁性コア、コイルを設けた斜視図、（ｂ）磁束が通過する領域を示す図 誘導コイルの巻き間隔と発熱分布を示した図 温度分布を示したグラフ 連続通紙時の非通紙域温度の推移を示したグラフ

〔実施例１〕
１．画像形成装置の概略説明
図１を参照して、本実施例に係る画像形成装置を説明する。図１は電子写真方式の画像形成装置としてのプリンタ１００の一例の概略構成を表わす断面図である。

画像形成装置１００は、記録材Ｐに未定着のトナー像を形成するための画像形成部として、感光体ドラム１０１と、帯電部材１０２と、レーザスキャナ１０３と、現像器１０４と、を有する。更に、画像形成部は、感光体ドラムをクリーニングするクリーナ１１０と、転写部材１０８と、を有する。

画像形成装置１００の本体１００内のカセット１０５に収納された記録材Ｐはローラ１０６の回転によって１枚ずつ繰り出される。その記録材Ｐはローラ１０７の回転によって感光体ドラム１０１と転写部材１０８とで形成された転写ニップ部に搬送される。転写ニップ部でトナー像が転写された記録材Ｐは搬送ガイド１０９を介して定着部（以下、定着装置と称する）Ｃに送られる。記録材Ｐに形成された未定着のトナー像Ｔは定着装置Ａによって記録材Ｐ上に加熱定着される。定着装置Ａを出た記録材Ｐはローラ１１１の回転によってトレイ１１２に排出される。

２．定着装置の概略説明
本実施例において、定着装置Ａは電磁誘導加熱方式の装置である。図２は本実施例の定着装置Ａの側面における断面模型図、図３は正面における模型図である。

定着装置Ａは、導電層を有する定着スリーブ１と、定着スリーブ１と接触して定着ニップ部Ｎ１を形成する加圧ローラと、コイル３と、磁性コア２と、補強ステイ５と、ニップ部形成部材６と、を有する。

回転体としての定着スリーブ１は、基層としての導電層１ａと、導電層１ａの外側に形成された弾性層１ｂと、弾性層１ｂの外側に形成された離型層１ｃと、を有する。定着スリーブ１の外径は１０〜５０ｍｍである。導電層１ａとして、厚さ１０〜２００μｍの金属素管を用いられる。弾性層１ｂとして、厚み０．１〜０．５ｍｍで硬度が２０度（ＪＩＳ−Ａ、１ｋｇ加重）のシリコーンゴムが用いられる。そして、離型層１ｃとして、厚さ１０〜５０μｍのフッ素樹脂が用いられる。本実施例の定着スリーブ１の導電層１ａは、直径２８ｍｍ、厚み４０μｍ、長手方向の長さが２６０ｍｍであるＳＵＳ３０４で形成された素管を用いた。

バックアップ部材としての加圧ローラ８は、芯金８ａと、芯金８の外側に形成された弾性層８ｂと、弾性層８ｂの外側に形成された離型層８ｃと、を有する。弾性層８ｂは、シリコーンゴム、フッ素ゴム等で耐熱性がよい材質が好ましい。

図４（ａ）は定着スリーブ１の内部にコイル３と、磁性コア２と、が設けられた状態を示す斜視図である。図４（ａ）を用いてコイル３及び磁性コア２の構成について説明する。

コイル３は、定着スリーブ１の内部（中空部）において、螺旋軸が定着スリーブ１の母線方向に沿う方向である螺旋状のコイルである。コイル３は、耐熱性のポリアミイミドで被覆された銅線である。

磁性部材としての磁性コア２は、不図示の固定手段で定着スリーブ１の内部（中空部）に設けられている。磁性コア２は、コイル３の螺旋形状部の内部に設けられている。本実施例においては、磁性コア２の周りにコイル３が巻き回されている。磁性コア２を設けることによってコイル３と定着スリーブ１の磁気結合率が高まり、より少ない電圧で導電層１ａを誘導発熱できる。磁性コア２の材質は、ヒステリシス損が小さく比透磁率の高い材料、例えば、焼成フェライト、フェライト樹脂、アモルファス合金、パーマロイ等の高透磁率の酸化物や合金材質で構成される磁性体が好ましい。磁性コア２は、長さが２４０〜３００ｍｍの有端形状であり、横断面は直径５〜１５ｍｍの円である。本実施例の磁性コア２には直径１０ｍｍ、長手寸法２７０ｍｍの比透磁率１８００の焼成フェライトを用いている。また、磁性コア２にはコイル３が１６回巻きつけられている。

補強部材としての補強ステイ５は、ステンレスや鉄などで形成される横断面がＵ字形状の部材である。本実施例の補強ステイはステンレスで形成されている。

ニップ部形成部材６は、定着スリーブ１の内面に接触し、加圧ローラ８と共に定着スリーブ１を介して定着ニップ部Ｎを形成する。ニップ部形成部材６は、耐熱性樹脂で形成されている。

次に、定着装置Ａの加圧構成について図３を用いて説明する。加圧ローラ８の芯金８ａの両端部は、それぞれ、定着装置Ａの２枚のシャーシ側板（不図示）に軸受けを介して回転自由に支持される。更に、補強ステイ５の両端部に設けられたばね受け部材５ａ、５ｂと、シャーシ側板に設けられたばね受け部材１８ａ、１８ｂと、の間にそれぞれ加圧ばね１７ａ、１７ｂを設ける。この加圧ばね１７ａ、１７ｂのばね力によって補強ステイ５がニップ部形成部材６を定着スリーブ１ａを介して加圧ローラ８に向けて押圧する。これにより、ニップ部形成部材６が定着スリーブ１を介して加圧ローラ８と共に所定の幅の定着ニップ部Ｎを形成する。

次に、定着装置Ａの駆動構成について図２を用いて説明する。加圧ローラ８は、駆動源Ｍからの駆動力によって図２における反時計方向に回転する。定着ニップ部Ｎ１において、定着スリーブ１は加圧ローラ８から摩擦力を受けて図２における時計周りに回転する。また、フランジ部材１２ａ・１２ｂはニップ部形成部材６の両端部に設けられ、定着スリーブ１が回転した時に、定着スリーブ１の母線方向に移動することを規制するための部材である。

次に、定着装置Ａに供給する電力制御について説明する。定着装置Ａは、定着スリーブ１の中央部と両端部とに設けられた非接触型の温度検知部材９、１０、１１を有する。温度検知部材９の検知温度が目標温度になるようにコイル３に供給する電力が制御される。

定着装置Ａは、コイル３に高周波電流を流して定着スリーブ１の母線方向に沿った方向の交番磁束を発生させて、導電層１ａに周回方向の電流を誘導する。発生する磁束の通過する領域を図４（ｂ）に示す。磁性コア２の端部から一端から出た磁束は、その少なくとも７０％以上、好ましくは９４％以上が導電層１ａの外側を通過して磁性コア２の他端に戻るように構成する。これによって、励磁コイルと導電層が磁気結合しやすくなり、電力の変換効率（コイル３に投入した電力が導電層１ａで消費される割合）を高くすることができるのである。導電層１ａは、導電層１ａの周回方向に流れる電流のジュール熱によって主に発熱し、回転体の周方向全体が温められる。そして、定着ニップ部Ｎ１でトナー像Ｔが形成された記録材を搬送しながら、回転体の熱でトナー像Ｔを加熱し記録材に定着する。尚、温度検知部材１０、１１は小サイズ記録材を定着する際の非通紙部昇温を検知するためのものである。

３．コイルの巻き間隔と発熱分布との関係
次に本実施例の誘導コイルの巻き間隔と発熱分布との関係について説明する。定着装置Ａにおいては、交番磁束が定着スリーブ１の母線方向に沿った方向で磁性コア２を貫いているため、定着スリーブ１は定着スリーブ１の母線方向における全域で発熱する。ここで定着スリーブ１の長さは２６０ｍｍであり、本実施例の装置で使用可能な最大サイズの記録材（レターサイズ）の幅である２１６ｍｍより大きい。このため、レターサイズやＡ４サイズの記録材を連続プリントする場合でも非通紙部昇温する場合がある。そこで、本実施例では、コイル３の巻き間隔を工夫し、定着スリーブ１の定着スリーブ１の母線方向の発熱分布をレターサイズ記録材に合わせて矩形的な分布に近づける。これによって、非通紙部昇温を抑制しつつ端部定着性を向上させる。

図５に、実施例と比較例とにおけるコイル３の巻き間隔と、定着スリーブ１の発熱分布を示す。この発熱分布は、電磁界シミュレーションを用いて計算したものである。比較例１（Ａ）は、巻間隔を均等な間隔（８．５ｍｍ）としたものである。比較例２（Ｂ）は、定着スリーブ１の母線方向に関し中央領域よりも端部領域の方が巻き間隔が小さいものである。具体的には、中央領域から端部領域にかけての巻き間隔が２０ｍｍ（１２巻き）で、端部領域の巻き間隔が１０ｍｍ（４巻）である。尚、磁性コア２の端部は、定着装置Ａで使用可能な最大幅の記録材であるレターサイズ記録材の端部よりも外側にある。

比較例１は、端部領域は中央領域よりも磁束密度が小さくなるにもかかわらず、コイル３の巻き間隔が中央部と端部とで同じであるため、中央領域から端部領域に向かうにつれて発熱量が減少している。比較例２は、中央領域よりも端部領域におけるコイル３の巻き間隔が小さいため、端部領域の発熱量が比較例１よりも増えている。しかしながら、レターサイズ記録材の非通紙部においても発熱量が大きくなっている。

本実施例のコイル３は、コイル３の中央領域、端部領域、中央領域と端部領域との間にある中間領域、の巻き間隔をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚとすると、Ｙ＜Ｘ＜Ｚを満たすように構成されている。具体的には、中央領域の巻き間隔を１８ｍｍ（１巻き）、端部領域の巻き間隔を８ｍｍ（４巻）、中間領域の巻き間隔を１９ｍｍ〜２３ｍｍ（１１巻き）としている。中央領域の巻き間隔を１．０としたとき、端部領域の巻き間隔は０．８、中央領域から端部領域にかけての巻き間隔は１．１〜１．３とする。また、端部領域と中間領域の境界が定着装置Ａで使用可能な最大幅の記録材であるレターサイズ記録材の幅方向の端部近傍にあるように構成する。中間領域における巻き間隔は、中央領域から端部領域に向かう程大きい。尚、Ｘ、Ｙ、Ｚの値は、本実施例の構成に限定されず、Ｘ＝１．０とすると、０．１＜Ｙ＜１．０及び１．０＜Ｚ＜１．５を満足すれば良い。

本実施例においては、端部領域がレターサイズ記録材の幅（２１６ｍｍ）の外側にある。中間領域の巻き間隔を中央領域、端部領域よりも小さくして中間領域の磁束密度を小さくしつつ端部領域は巻き間隔を中央領域及び中間領域よりも大きくして磁束密度を大きくする。これによって、通紙部の発熱量をほぼ比較例２と同じにしつつ、非通紙部の発熱量を比較例２よりも小さくすることができる。

次に、図６に比較例２と実施例のコイル３を実際に定着装置Ａに組み込んでコイルに電力供給した時の定着スリーブ１の長手方向の温度分布を示す。この温度分布は、ウォームアップ時に、定着スリーブ１の表面を赤外線サーモグラフィで測定して得られたものである。図６から、本実施例の温度分布は、比較例２と比較すると、レターサイズ記録材の通紙部においてはほぼ同等のフラットな分布となり、非通紙部は、より矩形に近い分布となっている。

本実施例の効果を確認するために、実施例と比較例２の定着装置を搭載したプリンタを用いて、非通紙部昇温の程度を比較する実験を行った。スループットは、６０枚／分に設定し、坪量９０ｇ／ｍ^２のレターサイズの記録材を用いた。コイル３に流す電流の駆動周波数は６０ｋＨｚ、サーミスタ９の制御目標温度は１６０℃とした。定着装置Ａの中で耐熱温度がもっとも低い部材は定着スリーブ１であり、定着スリーブ１の弾性層１ｂは２３０℃で溶解する。定着スリーブ１のレターサイズ記録材の非通紙部に対応する位置に設けられたサーミスタ１０、１１を用いて非通紙部昇温をモニターする。

図７は、上記実験の結果を示すグラフである。横軸がプリント時間で、縦軸がサーミスタ１０又は１１でモニターされた温度である。本実施例は、連続プリントを６０分（３６００枚）継続しても定着スリーブ１の非通紙部の温度は２２０℃以下であるのに対し、比較例２は、２５分（１５００枚）で２３０℃に到達した。つまり、比較例２の定着装置は、２５分に到達する前にスループットを６０枚／分よりも小さくする必要があるのに対し、本実施例では、スループットを維持できることがわかった。

以上述べたことから、本実施例においては、コイルの巻き間隔を工夫することによって、非通紙部昇温を抑制しつつ端部定着性を向上させることができるという効果を奏する。

１ 定着スリーブ
２ 磁性コア
３ 誘導コイル
８ 加圧ローラ
Ａ 定着装置

Claims (5)

1. 導電層を有する回転体と、
   前記回転体の内部に設けられた螺旋状のコイルであって、その螺旋軸が前記回転体の母線方向に沿った方向であるコイルと、
   前記コイルの内部に設けられ、有端形状である磁性コアと、
   前記回転体と共にニップ部を形成するバックアップ部材と、
   を備え、前記ニップ部でトナー像が形成された記録材を搬送しながら加熱して前記トナー像を記録材に定着する定着装置において、
   前記母線方向に関し前記コイルの中央領域、端部領域、前記中央領域と前記端部領域との間にある中間領域、の巻き間隔をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚとすると、Ｙ＜Ｘ＜Ｚを満たすことを特徴とする定着装置。
2. 前記母線方向において、前記磁性コアの端部は、前記装置で使用可能な最大幅の記録材の端部よりも外側にあることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記コイルの前記端部領域と前記中間領域との境界は、前記装置で使用可能な最大幅の記録材の端部の近傍にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記中間領域において、前記巻き間隔は、前記中央領域から前記端部領域に向かう程大きくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. Ｘ＝１．０とすると、０．１＜Ｙ＜１．０及び１．０＜Ｚ＜１．５を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。

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