JPH10207269A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘導加熱方式を用いて加熱ローラ表面を加熱
する際に、加熱ローラ表面の軸方向に温度ムラが発生す
ることを防止する。 【解決手段】 中空の鉄ローラ３１の外周に高熱伝導率
を有する金属層３２を形成し、鉄ローラの内部に磁場発
生手段１４を配してこの磁場発生手段に高周波電流を印
加し、鉄ローラ表面にジュール熱を発生させる。鉄ロー
ラ表面に発生した熱は金属層を伝導して加熱ローラ表面
に伝達される間に均一化され、ローラ表面においては軸
方向において温度ムラが生じることはない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えば静電複写機や
レーザプリンタ等の画像形成装置に搭載され、用紙上の
トナー像を用紙に加熱定着する定着装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来電子写真装置の定着装置では、加熱
源としてハロゲンランプ等を用い、これを金属ローラの
内側に設置し、このハロゲンランプを加熱することによ
ってローラを内部から加熱し、この加熱ローラに対して
所定の圧力で押圧された加圧ローラとのニップ部に未定
着のトナー像を担持した用紙を導くことによって、用紙
上にトナー像を定着させている。

【０００３】しかしながら、このような従来の定着装置
においては熱源としてランプを用いているため、熱効率
が約７０％という限界があり、さらにランプをローラの
内側に配置しローラを内側から加熱する構造のため、実
際の定着動作に用いられる定着ローラの表面を定着動作
に必要な温度にするためには、ローラの内側はそれ以上
の温度にする必要があるので、エネルギーの損失が大き
いという欠点がある。また、ローラの内側を加熱するた
めにローラの表面が定着可能な温度に達するまでに時間
がかかり、画像形成装置自体の立ち上がり時間の短縮を
妨げる要因になっている。また、ハロゲンランプヒータ
への電力供給機構の関係から、ハロゲンランプヒータは
固定して、その周りに金属ローラを回転させるという複
雑な構造とならざるを得ず、定着器の小型化にも構造的
な限界があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの問題を解決す
るために例えば特開平７−２９５４１４号に見られるよ
うに誘導加熱装置を用いて、磁性体からなる加熱ローラ
の表面に渦電流を発生させ、加熱ローラ自体の抵抗と渦
電流とにより加熱ローラ表面を直接加熱する方法が提案
されている。しかしながら、従来の誘導加熱方法では加
熱ローラが磁性体のみにより構成されているため熱伝導
率が低く、ローラの軸方向に沿ってローラ表面に温度ム
ラが生じていた。そのために均一な定着性能を維持する
ことができず、定着不良が発生したり、加熱ローラ上に
トナーがフィルミングしたりするといった問題点があ
る。

【０００５】また、熱伝導率が低いために、定着する紙
のサイズによって、例えば加熱ローラの幅方向全体を使
用するサイズの用紙を定着する場合と幅方向の一部しか
使わないサイズの用紙を定着する場合、加熱ローラ上に
軸方向に沿って温度ムラが生じ、紙サイズによって提供
できる定着性能が異なるといった問題点があった。

【０００６】そこで本発明では、誘導加熱方式を用いな
がらも加熱ローラ表面の温度ムラの発生を防止し、エネ
ルギー効率が良く、かつ、どんなサイズの用紙に対して
も良好な定着性能を提供できる定着装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願の第１の発明の定着装置は、導電体からなる
中空の加熱ローラと、この加熱ローラの外周に設けられ
た高熱伝導率材料からなる金属層と、前記中空の加熱ロ
ーラの内部に設けられ、加熱ローラ表面に磁束を発生さ
せる磁場発生手段と、この磁場発生手段に対して高周波
電流を印加する電源と、前記加熱のローラに対して所定
のニップ幅を有して接触する加圧ローラとからなること
を特徴とする。

【０００８】また、本願の第２の発明の定着装置は、導
電体からなる中空の加熱ローラと、前記中空の加熱ロー
ラの内部に設けられ、加熱ローラ表面に磁束と渦電流を
発生させることにより加熱ローラ表面を加熱する加熱手
段と、前記加熱ローラ外周に設けられ、前記加熱手段に
より前記加熱ローラ表面に発生した熱を拡散しつつ伝達
する拡散手段と、前記加熱のローラに対して所定のニッ
プ幅を有して接触する加圧ローラとからなることを特徴
とする。

【０００９】また、本願の第３の発明の定着装置は、第
１の金属からなる中空の第１ローラと、この第１のロー
ラ外周に嵌合された前記第１の金属とは別異の第２の金
属からなる第２ローラと、前記中空の第１ローラの内部
に設けられ、前記第１及び第２のローラの軸方向に延在
して配置されたコイルと、このコイルに対して第１の周
波数の電流と、この第１の周波数とは別異の第２の周波
数の電流を選択的に切り換えて印加する電流印加手段
と、前記第２のローラに対して所定のニップ幅を有して
接触する第３ローラとからなることを特徴とする。

【００１０】また、本願の第４の発明の定着装置は、第
１の金属からなる中空の第１ローラと、この第１のロー
ラ外周に嵌合された前記第１の金属とは別異の第２の金
属からなる第２ローラと、前記第１もしくは第２ローラ
表面に選択的に渦電流と磁束を発生させる磁場発生手段
と、前記第２のローラに対して所定のニップ幅を有して
接触する第３ローラとからなることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しながら
本発明の第１の実施例について説明する。まず、図１に
定着装置１の全体構成の断面図を示す。定着装置１は、
所定のニップ幅を保って互いに圧接された加熱ローラ２
（φ３０ｍｍ）と加圧ローラ３（φ３０ｍｍ）からな
り、加熱ローラ２と加圧ローラ３の間を通過する用紙Ｐ
に対して、用紙Ｐ上に担持されているトナー像を加熱及
び加圧することにより、トナー像を用紙Ｐ上に定着させ
るものである。なお、加熱ローラ２は駆動モータ４ａに
より発生する駆動力をギア等からなる伝達機構４ｂを介
して加熱ローラ２と同軸上に取り付けられたギア２ａに
伝達することにより図示矢印方向に回転駆動される。一
方、加圧ローラ３はさらに駆動伝達機構４ｃ、４ｄを介
して加圧ローラ３と同軸上に設けられたギア３ａに駆動
を伝達することにより、加熱ローラ２と同じ周速で図示
矢印方向に回転される。

【００１２】前記加熱ローラ２の周上には、加熱ローラ
２と加圧ローラ３とのニップ部よりも回転方向下流側
に、画像定着済みの用紙を加熱ローラ２から剥離する剥
離爪５ａと、加熱ローラ２上に付着した未定着トナーや
紙粉等を除去するクリーニング部材６と、加熱ローラ２
表面上の温度を検知するサーミスタ７と、加熱ローラ２
表面上にトナーがオフセットすることを防止するために
加熱ローラ２表面上にオイルを塗布するオイルローラ８
とが、加熱ローラ２の外周面に接触するように順に配置
されている。

【００１３】この定着装置１によりトナー像を定着され
た用紙は、加熱ローラ２、加圧ローラ３の回転により下
流へ搬送されて、排紙ローラ９ａ、９ｂにより機体外へ
排出されるものである。なお、加熱ローラ２は上部ケー
シング１０ａにより囲まれ、また加圧ローラ３は下部ケ
ーシング１０ｂにより囲まれており、これによって定着
に必要な温度雰囲気を確保して定着装置外部に極力熱が
逃げないように構成されている。

【００１４】この第１の実施例における定着ローラ対に
ついて図３を用いて説明する。加熱ローラ２は肉厚１ｍ
ｍの導電体（例えば鉄）からなる中空ローラ３１の表面
に高熱伝導率材料からなる金属層３２が形成されてい
る。この実施例では高熱伝導率材料として銅を用いてい
る。金属層３２の外周面には、トナー等の固着を防止す
るための離型層３３が設けられている。本実施例におい
ては鉄ローラ３１にメッキを行って層厚２００μｍの金
属層を形成してある。この金属層を形成する方法とし
て、蒸着法やスパッタリング法を用いた場合には、金属
層の厚さをより薄くすることができる。

【００１５】この加熱ローラ２は加圧ローラ３と所定の
ニップ幅を有して接触している。加圧ローラ３は金属製
の芯金の周囲にシリコンゴム、フッ素ゴム等を被覆して
構成されている。

【００１６】前記加熱ローラ２の中空の鉄ローラ３１の
内部には、加熱手段としての磁場発生手段１４を有して
いる。磁場発生手段１４は、鉄ローラ３１内部の加熱ロ
ーラ２と加圧ローラ３のニップ部に略対向するよう位置
に配置されている。この磁場発生手段１４の形状を図２
に示す。磁場発生手段１４は高透磁率を有するフェライ
トコア２１に、線径０．５ｍｍの銅線材をリッツ線とし
て構成したものを１方向に複数回巻き付けることにより
構成されている。この磁場発生手段１４には図示しない
電源から高周波電流を印加することにより磁束を発生
し、発生した磁束がフェライトコア２１によって加熱ロ
ーラ２と加圧ローラ３とのニップ部近傍に集中する。こ
のとき、加熱ローラ２上では磁束と渦電流が発生し、こ
の渦電流と加熱ローラ２自体の抵抗によってジュール熱
が発生する。本実施例においては磁場発生手段１４のコ
イル部２０に対して周波数１０ｋＨｚ、出力８００ｗの
高周波電流を印加することにより、加熱を行っている。
そして、加熱ローラ２の表面温度は、この加熱ロ−ラ２
の表面に設けられたサ−ミスタ７の検知結果を参照し
て、高周波電流の印加を断続させることによって、表面
温度を１８０°Ｃになるように制御されている。加熱ロ
ーラ２の表面を均等に加熱するために、本実施例におい
てはレディ中に加熱ローラ２と加圧ローラ３を回転させ
ている。

【００１７】本方式で採用した高周波電流印加による渦
電流を発生させる加熱方式は、その発熱の効率が８０％
以上と従来方式と比較すると高く、また定着動作に必要
な部分のみを集中的に加熱できるため立上がり時間が速
く、大変効率の良い定着器を提供することができる。ま
た、本実施例のような構成の加熱ローラ２をジュール熱
を用いて局部的な加熱を行う場合に、コイルの長手方向
において温度ムラが生じるが、本実施例においては導電
体である鉄ローラ３１上においてジュール熱が発生する
が、ここで発生した熱はの鉄ローラ２の周囲に形成され
ている高熱伝導金属層３２に移動しつつ拡散するため、
加熱ローラ表面に達する時点では熱分布は均一化され
る。従って、本実施例の定着装置は、加熱効率が良く、
かつ表面に温度ムラが生じることがなく、常に良好な定
着性能が得られる。

【００１８】つぎに、第２の実施例について説明する。
第２の実施例は、第１の実施例の加熱ローラ２の構成を
変形したものである。定着装置としての他の構成につい
ては第１の実施例と同じ構成に対して適用可能であるの
で、ここでは説明を省略する。図４に第２の実施例の加
熱ローラ２の長手方向断面図を示す。第２の実施例では
加熱ローラ２は軸方向の長さが異なる複数の金属ローラ
により構成されており、軸方向の長さ２１０ｍｍ（用紙
サイズＡ４の短手方向の長さに等しい）、肉厚１ｍｍの
中空の銅製ローラ４０の外側に、軸方向の長さ３１０ｍ
ｍ（用紙サイズＡ４の長手方向、もしくは用紙サイズＡ
３の短手方向の長さよりも若干長い）、肉厚１ｍｍの鉄
製ローラ４１が軸方向の中心が互いに一致するように嵌
合されている。さらに鉄製ローラ４１の外周にはトナー
の固着を防止するための離型層４２がコーティングされ
ている。

【００１９】前記加熱ローラ２の中空の内部には、加熱
手段としての磁場発生手段４４が配置されている。磁場
発生手段４４は、加熱ローラ２と加圧ローラ３のニップ
部に略対向するよう位置に配置されている。磁場発生手
段４４自体の構成は既に図２にて説明した第１の実施例
のものと同様であるのでここでは説明を省略する。この
磁場発生手段４４は電源としての高周波電流発生部４５
に接続されている。この高周波電流発生部４５は少なく
とも２通りの周波数の高周波電流を磁場発生手段４４に
対して印加することができる。この磁場発生手段４４に
高周波電流を印加することにより磁束を発生させ、加熱
ローラ２上に渦電流を発生される渦電流と加熱ローラ２
自体の抵抗によって加熱ローラ２は加熱されるものであ
る。また、前記銅製ローラ４０と鉄製ローラ４１が重な
り合った部分に対応する加熱ローラ２表面の一部分（好
ましくは銅製ローラ４０と鉄製ローラ４１の長手方向中
央部分）には加熱ローラ２表面の温度を検知するための
サーミスタ４３が設けられている。

【００２０】ここで前記高周波電流発生部４５は周波数
１０ｋＨｚ、出力８００Ｗの第１の高周波電流もしくは
周波数２０ｋＨｚ、出力８００Ｗの第２の高周波電流の
２通りの電流が発生され、これらが用紙サイズに応じて
選択的に磁場発生手段４４に印加される。

【００２１】用紙サイズがＡ４横、もしくはＡ３縦の場
合は、加熱ローラ２の軸方向の全体が用紙と接触して定
着を行うため、加熱ローラ２の軸方向全体を加熱する必
要がある。この場合は図示しない制御手段の作用により
高周波電流発生部４５より周波数１０ｋＨｚの第１の電
流が磁場発生手段４４に対して印加される。この場合、
透磁率の違いから銅には渦電流が発生しないが、鉄には
渦電流が発生する。すなわち、第１の電流を印加した場
合には加熱ローラ２のうち鉄製ローラ４１のみが加熱さ
れることになる。これによりＡ４横サイズ、Ａ３縦サイ
ズの全体が加熱、定着することができる。渦電流を用い
た加熱ローラ２の局部加熱（ニップ部のみ）の場合に
は、長手方向の端部において温度ムラが発生しやすい
が、本実施例では鉄製ローラ４１の長さを、定着可能用
紙最大サイズより若干大きめにしてあるので、加熱ロー
ラ２の長手方向端部において温度ムラが発生したとして
も、画像の定着に悪影響を与えることはない。

【００２２】一方用紙サイズがＡ４縦の場合は、図示し
ない制御手段の作用により高周波電流発生部４５により
周波数２０ｋＨｚの第２の電流が磁場発生手段４４に対
して印加される。この場合、透磁率の違いから鉄には渦
電流が発生しないが、銅には渦電流が発生する。すなわ
ち、第２の電流を印加した場合には加熱ローラ２のうち
銅製ローラ４０のみが加熱されることになる。これによ
り、加熱ローラ２のうちＡ４縦サイズに相当する部分の
みが加熱されることになる。上述したように局部加熱を
行った場合は、長手方向端部において温度ムラが発生す
るのであるが、銅製ローラ４０を加熱する場合には、銅
製ローラ４０表面において発生した熱は銅製ローラ４０
の外側に設けられた鉄製ローラ４１と通して加熱ローラ
２表面に伝達されるため、銅製ローラ４０の長手方向端
部に温度ムラが発生した場合でも、この温度ムラは鉄製
ローラ４１に吸収される。そのため、銅製ローラ４０の
長手方向の長さは、定着しようとする用紙のサイズ（例
えばＡ４縦であれば２１０ｍｍ）と一致していても温度
ムラによる定着不良は防止できるものである。すなわ
ち、金属ローラ局部加熱により生じる温度ムラの影響を
防止するためには、外側に配置されるローラは目的の用
紙サイズ（最大サイズ）よりも長く設定しなければなら
ないが、内側に配置されるローラは目的の用紙サイズと
同じ長さでもよい。

【００２３】加熱ローラ２の表面温度は、この加熱ロ−
ラ２の表面に設けられたサ−ミスタ４３の検知結果を参
照して、高周波電流の印加を断続させることによって、
表面温度を１８０°Ｃになるように制御されている。加
熱ローラ２の表面を均等に加熱するために、本実施例に
おいてはレディ中に加熱ローラ２と加圧ローラ３を回転
させている。

【００２４】上記構成とすることにより第２の実施例の
定着装置においては、定着しようとする用紙サイズに合
わせて加熱ローラ２表面の加熱領域を切り換えることが
できるので、従来のように常時定着ローラの軸方向全体
を加熱しておく必要が無く、エネルギーの浪費を防止で
きる。なお、上記実施例では透磁率の異なる２つの材質
で２つの用紙サイズに相当する長さのローラを用いて加
熱ローラを構成したが、上記効果を得るためには上記構
成だけとは限らない。例えば、上記加熱ローラ２の構成
において銅製ローラ４０の長さをＢ５縦サイズに一致さ
せ、鉄製ローラ４１の長さをＢ４縦もしくはＢ５横サイ
ズに合わせた長さに設定しても良い。また、加熱ローラ
２に透磁率の異なる材質のローラをさらに嵌合させ、高
周波電流発生部４５から３通りの周波数の高周波電流を
発生できるようにして、３種類の用紙サイズに相当する
加熱ローラの部分を選択的に加熱できるようにしても良
い。

【００２５】また、本実施例では長さの短い銅製ローラ
４０が内側、長さの長い鉄製ローラ４１を外側に配置し
たが、これらの内側外側を反対にしても良い。この場合
は加熱ローラ２表面に段差が生じるが、離型層４２で段
差を調節すれば問題ない。

【００２６】さらに、銅製ローラ４０の長さを長くして
外側に、鉄製ローラ４１の長さを短くして内側に配置し
ても良い。この場合は、銅製ローラの長さを定着可能最
大サイズよりも若干長く構成し、鉄製ローラの長さは目
的の用紙サイズに一致させておけば、端部に発生する温
度ムラの影響を防止することができる。

【００２７】次に第３の実施例について図５を参照して
説明する。第３の実施例では既に説明した第１乃至第２
の実施例において加熱ローラ２内部に設置されている磁
場発生手段５４の長手方向の長さが加熱ローラ２の長手
方向の長さよりも長く、磁場発生手段５４の両端を加熱
ローラ２の両端から突出させたものである。（図５では
一端側のみ表示してある。）磁場発生手段５４は高透磁
率を有するフェライトコア５３に、線径０．５ｍｍの銅
線材をリッツ線として構成したものを１方向に複数回巻
き付けたコイル５２により構成されている。加熱ローラ
２、加圧ローラ３その他の構成については既に説明した
実施例と同様な構成に対して適用可能である。

【００２８】磁場発生手段５４はその端部において銅線
が折り返されてコイル状にフェライトコア５３に巻き付
けられているので、端部の折り返し部においては他の部
分よりも密に銅線が巻かれており、コイルに通電したと
きに磁場発生手段の両端部においては他の部分よりも発
生する磁束の密度が高くなる。そのため、磁場発生手段
５４の両端部に対向する部分においては加熱ローラ２の
表面温度が他の部分より高くなることがある。

【００２９】この第３の実施例によれば、磁場発生手段
５４の両端部が加熱ローラ２の両端部より突出している
ので、加熱ローラ２表面上の軸方向で温度の差異が生じ
ることがない。この第３の実施例に見られるような構造
は既に説明した第１乃至第２の実施例の定着装置に対し
ても適用することができ、同様の効果を得ることができ
る。

【００３０】

【発明の効果】上述したように本発明の定着装置によれ
ば、加熱源の熱効率が良く、定着に使用される部分のみ
を加熱するのでエネルギー損失が少なく、また定着可能
温度に達するまでの立ち上がりに要する時間を短縮する
ことができる。

【００３１】さらに、定着ローラの軸方向において、定
着に使用する部分と使用しない部分とで加熱の有無を切
り換えることができるので、特に小サイズ用紙の定着等
においてエネルギーの損失を少なくできるうえ、定着ロ
ーラの軸方向での温度ムラの発生を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される定着装置の概略断面図であ
る。

【図２】本発明の磁場発生手段の構造を説明するための
図面である。

【図３】本発明の第１の実施例における加熱ローラの構
造を説明するための図面である。

【図４】本発明の第２の実施例における加熱ローラの構
造を説明するための図面である。

【図５】本発明の第３の実施例における磁場発生手段と
加熱ローラの位置関係を説明するための図である。

【符号の説明】 １…定着装置 ２…加熱ローラ ３…加圧ローラ １４、４４、５４…磁場発生手段 １３、２２、３２…導電層 ３１、４１…鉄ローラ ４０…銅ローラ ４５…高周波発振部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電体からなる中空の加熱ローラと、 この加熱ローラの外周に設けられた高熱伝導率材料から
   なる金属層と、 前記中空の加熱ローラの内部に設けられ、加熱ローラ表
   面に磁束を発生させる磁場発生手段と、 この磁場発生手段に対して高周波電流を印加する電源
   と、 前記加熱のローラに対して所定のニップ幅を有して接触
   する加圧ローラと、からなることを特徴とする定着装
   置。
2. 【請求項２】 導電体からなる中空の加熱ローラと、 前記中空の加熱ローラの内部に設けられ、加熱ローラ表
   面に磁束と渦電流を発生させることにより加熱ローラ表
   面を加熱する加熱手段と、 前記加熱ローラ外周に設けられ、前記加熱手段により前
   記加熱ローラ表面に発生した熱を拡散しつつ伝達する拡
   散手段と、 前記加熱のローラに対して所定のニップ幅を有して接触
   する加圧ローラと、からなることを特徴とする定着装
   置。
3. 【請求項３】 第１の金属からなる中空の第１ローラ
   と、 この第１のローラ外周に嵌合された前記第１の金属とは
   別異の第２の金属からなる第２ローラと、 前記中空の第１ローラの内部に設けられ、前記第１及び
   第２のローラの軸方向に延在して配置されたコイルと、 このコイルに対して第１の周波数の電流と、この第１の
   周波数とは別異の第２の周波数の電流を選択的に切り換
   えて印加する電流印加手段と、 前記第２のローラに対して所定のニップ幅を有して接触
   する第３ローラと、からなることを特徴とする定着装
   置。
4. 【請求項４】 前記第１ローラの軸方向の長さは所定の
   用紙サイズに一致する長さを有し、前記第２ローラの軸
   方向の長さは定着可能な最大用紙サイズよりも若干長い
   長さを有することを特徴とする請求項３記載の定着装
   置。
5. 【請求項５】 前記電流印加手段は定着する用紙のサイ
   ズが前記第１の用紙サイズの時には前記第１の周波数の
   電流を前記コイルに印加し、定着する用紙のサイズが前
   記第２の用紙サイズの時には前記第２の周波数の電流を
   前記コイルに印加することを特徴とする請求項４記載の
   定着装置。
6. 【請求項６】 前記コイルの両端は前記第１及び第２ロ
   ーラの軸方向の端部より突出して配置されていることを
   特徴とする請求項３記載の定着装置。
7. 【請求項７】 前記電流印加手段から印加される第１の
   周波数の電流は前記第１の金属のみに渦電流と磁束を発
   生させ、前記電流印加手段から印加される第２の周波数
   の電流は前記第２の金属のみに渦電流と磁束を発生させ
   ることを特徴とする請求項３記載の定着装置。
8. 【請求項８】 第１の金属からなる中空の第１ローラ
   と、 この第１のローラ外周に嵌合された前記第１の金属とは
   別異の第２の金属からなる第２ローラと、 前記第１もしくは第２ローラ表面に選択的に渦電流と磁
   束を発生させる磁場発生手段と、 前記第２のローラに対して所定のニップ幅を有して接触
   する第３ローラと、からなることを特徴とする定着装
   置。
9. 【請求項９】 前記磁場発生手段は定着する用紙のサイ
   ズに応じて前記第１ローラ表面もしくは前記第２ローラ
   表面に渦電流及び磁束を発生させることを特徴とする請
   求項８記載の定着装置。