JPH1074005A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱効率が高くて昇温特性に優れ、中速・高
速の画像形成装置に用いた場合でも、定着不良が発生し
ない定着装置を提供する。 【解決手段】 誘導加熱定着装置のコイルアセンブリ１
３は、定着スリーブ１２のニップ部１６に誘導電流を生
じさせると共にニップ部１６以外の領域にも誘導電流を
生じさせる磁束を発生する。さらに以下の３つの条件を
満たすように構成されている。 条件１； Ｓ1 ＋Ｓ2
≧０．３×Ｓ3 条件２； ０．２≦Ｓ2 ／（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）≦０．８ 条件３； １ｍｍ≦Ｄmax ≦５ｍｍ ここに、Ｓ1 はホルダ１４の軸直交面におけるコア１８
の断面積、Ｓ2 はコイル２０の断面積、Ｓ3 は定着スリ
ーブ１２の内径断面積、Ｄmax はホルダ１４外周面と定
着スリーブ１２内周面との間に形成される間隙の最大距
離である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子写真式の複写
機、プリンタおよびファクシミリなどの画像形成装置に
用いられる定着装置に関し、より詳しくは、シート上に
保持されたトナーを加熱溶融して該シートに定着させる
誘導加熱方式の定着装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子写真式の複写機などには、記録媒体
である記録紙ないし転写材などのシート上に転写された
トナー像を熱によって溶解して当該シートに定着させる
定着装置が設けられている。この定着装置の加熱方式に
は、ヒートローラ定着装置で用いられるようなハロゲン
ランプ加熱方式や、フィルム定着装置で用いられるよう
な誘導加熱方式などがあるが、近年では、昇温速度が速
いという利点から、誘導加熱方式が注目されている。

【０００３】誘導加熱方式を採用した従来の定着装置と
して、例えば特開平７−１１４２７６号公報および特開
平８−１６００７号公報に示されるような昇温特性に優
れたフィルム定着装置が提案されている。このフィルム
定着装置は、回転体であるフィルムと、フィルムの内方
に配置される励磁コイルと、加圧ローラとを有し、励磁
コイルで発生した磁束によってフィルムに渦電流を生じ
させて当該フィルムを誘導加熱する。そして、加熱され
たフィルムとともにシートを移動させつつ、シートに保
持されたトナーを加熱溶融して定着させている。上記公
報に示される定着装置では、フィルム全周のうち加圧ロ
ーラに接触するニップ部のみを局所的に加熱すること
で、定着装置の昇温速度を高めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の定着装
置はニップ部のみを局所的に加熱する構成であるので、
シートがニップ部を通過するごく僅かな時間において、
回転体であるフィルムの加熱と、当該フィルムからシー
トへの熱伝達との両方を行わなければならない。１枚の
シートがニップ部を通過する時間が比較的長い低速の複
写機やプリンターにあっては、ニップ部でフィルムを十
分に加熱できるため、所定の定着機能を発揮する。しか
しながら、シート１枚あたりの通過時間が比較的短い中
速・高速の複写機やプリンターにあっては、シートおよ
びフィルムの移動速度が速いのでニップ部でフィルムを
十分に加熱できず、定着不良、特にシートの搬送方向に
沿う後端側において定着不良が発生する虞がある。

【０００５】本発明者らは、中速・高速の複写機やプリ
ンターに用いても定着不良が発生しない誘導加熱方式の
定着装置を提供すべく鋭意研究した結果、ニップ部を形
成する箇所のみならず回転体のほぼ全体を誘導加熱する
ように構成すれば、ニップ部でシートと接することによ
り低下した回転体の温度を、回転により再びニップ部に
到達するまでの間に加熱して高めることができ、シート
後端部における定着不良の発生を防止できることに着目
して、本発明を完成させるに至った。さらに、回転体の
ほぼ全体を誘導加熱するのに適し、定着スリーブの発熱
効率に優れ昇温速度の速い定着装置を実現する条件をも
見出だした。

【０００６】そこで、本発明は、発熱効率が高くて昇温
特性に優れ、中速・高速の画像形成装置に用いた場合で
も、定着不良が発生しない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】上記目的を達成するため
の請求項１に記載の発明は、記録媒体上に保持されたト
ナーを加熱溶融して当該記録媒体に定着させる定着装置
であって、金属材料により形成された回転体と、前記回
転体に誘導電流を生じさせて前記回転体を誘導加熱する
磁束発生手段と、前記磁束発生手段を保持すると共に前
記回転体の内方に固定設置される絶縁性の保持部材と、
前記回転体を介して前記保持部材に圧接すると共に、未
定着トナーを保持した前記記録媒体を前記回転体との間
に挟持しつつ前記回転体とともに移動せしめる加圧部材
と、を有する定着装置において、前記磁束発生手段は、
芯材と、当該芯材の周囲に巻線を巻回して形成されたコ
イルとを備え、前記回転体における前記加圧部材との接
触部に誘導電流を生じさせると共に前記接触部以外の領
域にも誘導電流を生じさせる磁束を発生するように構成
され、さらに以下の３つの条件を満たすように構成され
ていることを特徴とする定着装置である。

【０００８】条件１； Ｓ1 ＋Ｓ2 ≧０．３×Ｓ3 条件２； ０．２≦Ｓ2 ／（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）≦０．８ 条件３； １ｍｍ≦Ｄmax ≦５ｍｍ ここに、 Ｓ1 ；保持部材の軸直交面における芯材の断面積 Ｓ2 ；保持部材の軸直交面におけるコイルの断面積 Ｓ3 ；保持部材の軸直交面における回転体の内径断面
積 Ｄmax ；保持部材外周面と回転体内周面との間に形成さ
れる間隙の最大距離である。

【０００９】このように回転体における加圧部材との接
触部を形成する箇所のみならず回転体のほぼ全体を誘導
加熱するように構成したので、前記接触部で記録媒体と
接することにより低下した回転体の温度を、回転により
再び接触部に到達するまでの間に加熱して高めることが
できる。このため、中速・高速の画像形成装置に用いて
も、記録媒体の後端部において定着不良が発生すること
がない。

【００１０】この際、３つの条件を満たすようにコイル
の断面積などを規定したことから、回転体のほぼ全体を
誘導加熱するのに適し、回転体の発熱効率が高くて昇温
速度も速い定着装置となる。

【００１１】具体的には、条件１を満たすことにより、
回転体の内径断面積に占める芯材およびコイルの断面積
が十分に確保され、回転体全体を加熱するのに十分な磁
束が発生する。

【００１２】条件２を満たすことにより、コイルの断面
積が十分に確保され、コイルの巻き数を十分に確保でき
る。このため、コイルを形成する巻線を並列的に束ねて
配置でき、巻線１本当たりの抵抗を小さくして流れる電
流を削減できる。この結果、コイルの温度上昇が抑制さ
れ、発熱に伴うエネルギ（印加電力）の損失が抑えられ
る。また、条件２を満たすことで、磁束発生手段のイン
ダクタンスが適正な領域に収まり、この点からも磁束が
十分に発生し、可聴音域以上での使用が可能で異音を感
じなくなる。さらに、芯材の鉄損も増加せず、回転体の
発熱効率が低下しない。

【００１３】条件３を満たすことにより、前記接触部以
外の回転体と保持部材との間に適度な隙間が確保され、
回転体の熱が保持部材側に移動することが制限され、回
転体の昇温速度が低下しない。また、回転体の温度制御
も不安定にならない。

【００１４】また、請求項２に記載の発明では、前記保
持部材は、繊維強化熱硬化性樹脂より形成され、かつ、
成形後に定着温度以上の温度で焼き入れ処理が施されて
いることを特徴とする。

【００１５】このように構成すれば、高耐熱・高強度の
保持部材を得ることができ、保持部材の変形量が低減
し、定着装置は定着温度において安定して稼働する。

【００１６】また、請求項３に記載の発明では、前記保
持部材は、前記焼き入れ処理により、前記加圧部材に向
けて凸となる弓形状に形成されていることを特徴とす
る。

【００１７】このように構成すれば、定着装置稼動時に
保持部材に生じるベンディングが補正され、接触部にお
いて回転体と保持部材との間に隙間が生じることがな
く、回転体の回転不良や破損、あるいは記録媒体の搬送
不良がなくなる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係
る定着装置を概略で示す断面図である。

【００１９】本実施の形態に係る誘導加熱を利用した定
着装置は、コイルに高周波電流を流して生じた高周波磁
界により金属導体に誘導渦電流を誘起させ、金属導体自
体の表皮抵抗によって金属導体そのものをジュール発熱
させるようになっている。この種の誘導加熱定着装置
は、高周波誘導の利用により電気−熱変換効率が向上す
るので、定着装置の省エネルギ化（低消費電力化）と、
ユーザの操作性向上（クイックプリント）との両立を図
り得る。

【００２０】詳述すると、図１に示すように、誘導加熱
定着装置は、記録媒体１０上に保持されたトナーを加熱
溶融して当該記録媒体１０に定着させるものであり、ト
ナーに対する離型性を有する離型層１１を表面に備え、
金属材料により形成された定着スリーブ１２（回転体に
相当する）と、定着スリーブ１２に誘導電流を生じさせ
て定着スリーブ１２を誘導加熱するコイルアセンブリ１
３（磁束発生手段に相当する）と、コイルアセンブリ１
３を保持すると共に定着スリーブ１２の内方に固定設置
される絶縁性のホルダ１４（保持部材に相当する）と、
定着スリーブ１２を介してホルダ１４に圧接すると共に
未定着トナーを保持した記録媒体１０を定着スリーブ１
２との間に挟持しつつ定着スリーブ１２とともに移動せ
しめる加圧ローラ１５（加圧部材に相当する）と、を有
する。加圧ローラ１５は図１中矢印ａ方向に回転可能に
設けられ、中空円筒形状をなす定着スリーブ１２は、加
圧ローラ１５とホルダ１４との間に挟持され、加圧ロー
ラ１５の回転に伴って従動回転する。

【００２１】未定着のトナーを保持した記録媒体１０つ
まりシートは、図１中矢印ｂで示すように左方向から搬
送され、定着スリーブ１２と加圧ローラ１５との接触部
であるニップ部１６に向けて送り込まれる。シート１０
は、誘導加熱された定着スリーブ１２の熱と、加圧ロー
ラ１５から作用する圧力とが加えられながら、ニップ部
１６で挟持されつつ搬送される。これにより、未定着ト
ナーがシート１０上に定着され、シート１０上には定着
トナー像が形成される。トナーは、シート１０の両面の
うち、定着スリーブ１２と接触する側に保持されてい
る。ニップ部１６を通過したシート１０は、シート自体
のコシの強さで定着スリーブ１２から自然に曲率分離
し、図１中右方向に搬送される。このシート１０は、図
示しない排紙ローラによって搬送され、排紙トレイ上に
排出される。

【００２２】前記定着スリーブ１２は、可撓性を有する
薄肉の中空金属導体であり、例えばニッケル、鉄、ＳＵ
Ｓ４３０などの導電性を有する強磁性材を基材１７とし
て形成するのが好ましい。定着スリーブ１２を強磁性体
から形成すれば、多くの磁束がこの定着スリーブ１２内
を通過するので、発熱効率が一層良くなる。定着スリー
ブの基材１７の外周表面には、シート１０を分離し易く
するために、フッ素樹脂をコーティングして、トナーに
対して良好な離型性と耐熱性とを有する離型層１１が形
成されている。離型層１１を形成するフッ素樹脂として
は、ポリ４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、ペルフルオロ
アルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、４フッ化エチレン６
フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）などが用いられ
る。

【００２３】定着スリーブ１２の金属製基材１７の肉厚
は、例えば２０μｍ〜６０μｍ程度の厚さが好ましい。
定着スリーブは厚さが薄ければ薄いほど熱容量が小さく
なるので、当該定着スリーブを発熱させるのに要する消
費電力が少なくなるが、定着スリーブの厚さをあまりに
薄くすると、定着スリーブの強度が弱くなって破損しや
すくなり、耐久性の点で問題が生じる。また、定着スリ
ーブの製造の際に、厚みを均一にすることが困難で、製
造コストが高くなってしまう。逆に、定着スリーブの厚
さをあまりに厚くすると、曲げの力に対して弱くなり、
柔軟性がなくなる。このため、広いニップ部を形成しよ
うとして定着スリーブの曲率を部分的に変化させること
が困難になる。また、製造の際に材料を多く必要とする
ので、材料コストが高くなる。さらに、「クイック定
着」といわれる時間は、一般的に、給電を開始してから
１０秒以内が望ましく、定着装置には、この１０秒以内
に、定着可能な温度範囲（例えば、１８０〜２００℃）
まで、定着スリーブを昇温することが要求される。そこ
で、前記肉厚が異なる定着スリーブを用いて昇温特性を
実験により調べたところ、定着スリーブの前記肉厚が２
０μｍより薄い１５μｍの場合には、「クイック定着」
における許容限度時間（１０秒）が経っても、定着スリ
ーブの温度は定着可能温度に達しなかった。ウォームア
ップ時間が長くなる理由は、定着スリーブが薄すぎる
と、定着スリーブにおける電力吸収が悪くなり、電気−
熱変換効率が悪くなるからである。また、定着スリーブ
の前記肉厚が６０μｍを越える６５μｍの場合にも、定
着スリーブの熱容量が増すため、許容限度時間以内に定
着スリーブを定着可能温度まで昇温することができなか
った。このような実験結果と前述した製造上などの問題
点を考慮すると、定着スリーブ１２の金属製基材１７
は、２０μｍ〜６０μｍ程度の厚さが好ましい。定着ス
リーブ１２の金属製基材１７の肉厚を２０μｍ〜６０μ
ｍ内にすれば、耐久性、昇温特性およびコストの面で優
れた定着装置を実現できる。

【００２４】定着スリーブ１２の内方には、当該定着ス
リーブ１２に誘導渦電流を誘起させてジュール発熱させ
るために、高周波磁界を生じるコイルアセンブリ１３が
配置されている。このコイルアセンブリ１３は、ホルダ
１４の内部に保持され、ホルダ１４は、図示しない定着
ユニットフレームに固定され非回転となっている。ま
た、ホルダ１４の両端には、定着スリーブ１２がホルダ
１４の長手方向にずれないように規制するつば（不図
示）が設けられている。

【００２５】コイルアセンブリ１３は、磁性材からなり
Ｉ型形状を有するコア１８（芯材に相当する）と、コア
１８の周囲に巻線を巻回して形成された誘導コイル２０
とを備え、定着スリーブ１２におけるニップ部１６に誘
導渦電流を生じさせると共にニップ部１６以外の領域に
も誘導渦電流を生じさせる磁束を発生するように構成さ
れている。本実施の形態では、コイルアセンブリ１３
は、中央部に通孔が形成されたボビン１９をさらに有
し、このボビン１９の周りに銅線を複数回巻き付けて前
記コイル２０を形成してある。ボビン１９の通孔には、
コイル２０の銅線と直交するようにコア１８が挿入され
ている。コイルアセンブリ１３は、ボビン１９とは別体
に形成した前記ホルダ１４の中に、コア１８がシート搬
送方向に対して平行となり、また外部に露呈しないよう
に収納保持されている。

【００２６】コア１８は、例えばフェライトコアまたは
積層コアからなる。コア１８の形状は単純なＩ型形状で
あるため、コア１８の製造コストは安く、ボビン１９の
通孔に挿入する作業も簡単になる。さらに、コイルアセ
ンブリ１３がホルダ１４内に保持された状態では、コア
１８の断面長手方向に位置する端面はホルダ１４の内壁
に近接している。このようにコア１８を配置すれば、定
着スリーブ１２との間のエアギャップが狭くなり、定着
スリーブ１２との磁気的結合が強くなることから、高い
電力伝達効率が得られる。なお、コア１８の前記端面
を、ホルダ１４の内面に沿うように、例えば弧状に形成
してもよい。

【００２７】ボビン１９は、誘導コイル２０の熱や周囲
からの熱伝導により加熱されるため、少なくとも定着温
度すなわち定着スリーブ１２の表面温度に耐え得る耐熱
性を必要とする。このため、ボビン１９は、例えば、セ
ラミックや、耐熱性および絶縁性を有するエンジニアリ
ング・プラスチックから形成されている。エンジニアリ
ング・プラスチックとしては、ＰＰＳ（ポリフェニレン
サルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケト
ン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、フェノールなどが挙げ
られる。

【００２８】また、コイル２０を構成する銅線として
は、表面に融着層と絶縁層とを持つ単一またはリッツ銅
線を用いることが好ましい。なお、ホルダ１４は絶縁性
を有する材料から所定の形状に形成されているが、それ
らの詳細は後述する。

【００２９】コイルアセンブリ１３が銅線を巻き付ける
ボビン１９を備えることにより、コイル巻き製造工程が
容易になるほか、安定した巻き付けが可能となる。ま
た、ボビン１９がコア１８と誘導コイル２０とを電気的
に絶縁する絶縁部として機能しており、両者１８，２０
間の電気的絶縁が確実になるため、この定着装置は、故
障の発生が少なく、信頼性が高くなる。

【００３０】加圧ローラ１５は、軸芯２１と、当該軸芯
２１の周囲に形成されたシリコンゴム層２２とから構成
されている。シリコンゴム層２２は、表面からシート１
０が離れ易い離型性を有すると共に、耐熱性を有するゴ
ム層である。また、加圧ローラ１５の両端には、図示し
ないスベリ軸受部が形成され、定着ユニットフレームに
回転自在に取り付けられている。加圧ローラ１５は、図
示しないばね材により、定着スリーブ１２を間に挟んで
ホルダ１４に向かう方向に押圧される。さらに、加圧ロ
ーラ１５は、その片端に図示しない駆動ギアが固定さ
れ、この駆動ギアに接続されたモータなどの図示しない
駆動源によって回転駆動される。

【００３１】また、定着装置には、定着スリーブ１２の
温度を検出するために、サーミスタなどからなる温度セ
ンサ（不図示）が定着スリーブ１２の表面あるいは内周
面に圧接するように設けられている。この温度センサで
定着スリーブ１２の温度を検出しつつ、定着スリーブ１
２の温度が最適温度となるように、誘導コイル２０への
通電が制御されている。

【００３２】図２は、誘導加熱定着装置における定着ス
リーブ１２の加熱原理を説明する説明図である。コイル
２０に高周波（数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）の電流が流され
ると、「アンペアの右ネジの法則」に従って、図示する
ように、コア１８から、定着スリーブ１２の長手軸方向
に対し直交する磁束２５ａが発生する。この磁束２５ａ
もまた高周波磁束である。

【００３３】導電体の定着スリーブ１２に到達した磁束
２５ｂは、定着スリーブ１２に沿って曲り、導電体の比
透磁率に依存した比率で定着スリーブ１２の円周面内を
通る磁束２５ｃとなる。定着スリーブ１２の周面に集中
した磁束２５ｃは、コイル２０に対向する部分で密度が
最大となる。

【００３４】この集中した磁束２５ｃの作用により、定
着スリーブ１２には、「レンツの法則」に従って、前記
磁束２５ｃを妨げる前記磁束２５ｃと逆方向の磁束を生
じるような渦状の誘導電流が内部で発生する。この誘導
渦電流は、定着スリーブ１２の表皮抵抗によりジュール
熱に変換される。これにより定着スリーブ１２が発熱す
る。なお、定着スリーブ１２の内方にコイルアセンブリ
１３が配置されているので、定着スリーブ１２の内面側
の方が外面側に比べて、表皮効果によって一層発熱し易
い。

【００３５】この構成にあっては、定着スリーブ１２の
Ｐ，Ｒ点で円周面内の磁束密度が極大になり、逆に、
Ｑ、Ｓ点で極小になる。よって、誘導電流密度も同様の
傾向になるので、定着スリーブ１２の発熱は、円周面内
において均一ではなく、前記Ｐ，Ｒ点が発熱極大点にな
り、２点鎖線で囲んだ部分２６ａ、２６ｂが局所的に発
熱する。この局所的に発熱する部分２６ａ、２６ｂは、
図１において示せば、定着スリーブ１２の上部領域と下
部領域に相当する。したがって、ニップ部１６と一方の
発熱箇所（領域）とは、少なくとも一部で重複してい
る。図示する実施の形態では、コイル２０が周囲に形成
されるコア１８をシート１０の搬送方向に対して平行に
配置したことで、上述したように、定着スリーブ１２の
一方の発熱領域とニップ部１６とが重複することにな
り、定着スリーブ１２の熱が十分かつ無駄なくトナーに
伝わることになる。

【００３６】図２に示したように、定着スリーブ１２
は、周方向に沿う２か所に発熱極大点Ｐ，Ｒを有してい
る。このことをコイル側から見れば、コイル２０は、定
着スリーブ１２が２か所の発熱極大点Ｐ，Ｒを有するよ
うに、定着スリーブ１２に誘導渦電流を生じさせてい
る。

【００３７】本実施の形態の定着装置は、以下の３つの
条件を満たすように構成されている。図３は、各条件の
理解を容易にするための概念図である。なお、ボビン１
９は磁束発生手段としてのコイルアセンブリ１３を構成
するための必須要素ではないため、図３ではボビン１９
を図示省略してある。

【００３８】条件１； Ｓ1 ＋Ｓ2 ≧０．３×Ｓ3 条件２； ０．２≦Ｓ2 ／（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）≦０．８ 条件３； １ｍｍ≦Ｄmax ≦５ｍｍ ここに、 Ｓ1 ；ホルダ１４の軸直交面におけるコア１８の断面
積 Ｓ2 ；ホルダ１４の軸直交面における誘導コイル２０
の断面積 Ｓ3 ；ホルダ１４の軸直交面における定着スリーブ１
２の内径断面積 Ｄmax ；ホルダ１４の外周面と定着スリーブ１２の内周
面との間に形成される間隙の最大距離 である。以下、各条件について順次説明する。

【００３９】《条件１について》条件１は、ホルダ１４
の軸直交面において、定着スリーブ１２の内径断面積に
占めるコイル２０およびコア１８の断面積の比率を規定
したものである。なお、説明の便宜上、コイル２０およ
びコア１８を総称して、以下、「コイル・コア」とい
う。

【００４０】図４は、条件１の説明に供するグラフであ
る。このグラフでは、横軸に前記比率（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）／
Ｓ3 を、縦軸にコイル・コアの温度上昇値［℃］をとっ
ている。コイル２０への印加電力に対して定着スリーブ
１２の発熱効率が悪いと、エネルギの損失分でコイル・
コアが発熱し、コイル・コアの温度が上昇する。したが
って、縦軸は損失エネルギの大きさを表すことになる。

【００４１】損失エネルギを次ぎの実験条件で測定し
た。７５０Ｗ印加し、Ａ４普通紙（６４ｇ／ｍ2 ）を３
０枚／分の速さで、横向きに連続通紙して、コイル・コ
アの温度上昇値ΔＴを測定した。誘導コイル２０を形成
する銅線としては、経済性の観点から、耐熱温度が２２
０℃のＡＩＷ（アミドイミドワイヤ）を用いた。また、
定着温度は、一般的な１５０〜１８０℃に設定した。

【００４２】上記実験条件で損失エネルギを測定したと
ころ、図４に示すように、定着スリーブ１２の内径断面
積に占めるコイル・コアの断面積の比率（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）
／Ｓ3 が小さくなるにつれて、磁束の発生不足によって
損失エネルギが増加することが分かる。コイル・コアの
温度上昇値が４０℃（２２０℃−１８０℃）を越える
と、ＡＩＷの耐熱温度を越えてしまう。

【００４３】したがって、磁束を十分に発生させて損失
エネルギを低減すると共にＡＩＷの耐熱温度を越えない
ようにするためには、定着スリーブ１２の内径断面積に
占めるコイル・コアの断面積の比率（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）／Ｓ
3 は、０．３以上でなければならず、 条件１；Ｓ1 ＋Ｓ2 ≧０．３×Ｓ3 を満たす必要があることが分かった。

【００４４】この条件１を満たすようにコイルアセンブ
リ１３を構成することにより、定着スリーブ１２の内径
断面積に占めるコア１８およびコイル２０の断面積が十
分に確保され、定着スリーブ１２全体を加熱するのに十
分な磁束を発生させることができる。

【００４５】《条件２について》条件２は、ホルダ１４
の軸直交面において、コイル・コアの断面積に占めるコ
イル２０の断面積の比率を規定したものである。

【００４６】図５は、条件２の説明に供するグラフであ
る。このグラフでは、横軸に前記比率Ｓ2 ／（Ｓ1 ＋Ｓ
2 ）を、縦軸にコイル・コアの温度上昇値［℃］をとっ
ている。図４に示すグラフと同様に、縦軸は損失エネル
ギの大きさを表している。

【００４７】条件１で示した実験条件で損失エネルギを
測定したところ、図５に示すように、コイル・コアの断
面積に占めるコイル２０の断面積の比率Ｓ2 ／（Ｓ1 ＋
Ｓ2）が約５０％のときを最小に、ここから前記比率が
大きくなるにつれ、または、小さくなるにつれて、損失
エネルギが増加することが分かる。コイル・コアの温度
上昇値が４０℃を越えると、ＡＩＷの耐熱温度を越えて
しまう。

【００４８】コイル２０の断面積が多すぎる（よって、
コア１８の断面積が少なすぎる）場合は、自己インダク
タンスはコイルの巻数の二乗に比例するため、自己イン
ダクタンスが増加し、使用周波数帯が下がり、可聴音が
発生する。また、コイル２０の断面積が多くコイルの抵
抗は下がるものの、使用周波数帯が下がってしまうの
で、コイルに流れる電流が一方向に流れている時間が長
くなる結果、実効電流が大きくなる。このため、コイル
２０の銅損が増加する。

【００４９】逆に、コイル２０の断面積が少なすぎる
（よって、コア１８の断面積が多すぎる）場合は、上記
理由により自己インダクタンスが減少し、使用周波数帯
が上がり、コイル２０およびコア１８の鉄損が増加し、
発振回路における回路損失が増加する。

【００５０】なお、上記インダクタンスと使用周波数帯
との関係については、レンツの法則ｅ＝−Ｌ・（ΔＩ／
Δｔ）より、インダクタンスＬが大きい場合には、起電
力ｅを目標の値にするために、ΔＩ／Δｔ（時間に対す
る電流の変化＝発振周波数）が小さくなり、逆に、イン
ダクタンスＬが大きい場合には、ΔＩ／Δｔが大きくな
る関係がある。これより、上述のように、自己インダク
タンスが増加すると使用周波数帯が下がり、自己インダ
クタンスが減少すると使用周波数帯が上がることにな
る。

【００５１】上記より、コイル・コアのインダクタンス
を適正な領域に収めて損失エネルギを低減すると共にＡ
ＩＷの耐熱温度を越えないようにするためには、コイル
・コアの断面積に占めるコイル２０の断面積の比率Ｓ2
／（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）は、０．２以上、０．８以下でなけれ
ばならず、 条件２；０．２≦Ｓ2 ／（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）≦０．８ を満たす必要があることが分かった。

【００５２】前記条件１を満たすことで発生する磁束が
増加し、電流が多く流れるためコイル２０の温度が上昇
するが、条件２を満たすようにコイルアセンブリ１３を
構成することにより、コイル２０の断面積が十分に確保
され、コイルの巻き数を十分に確保できる。このため、
コイル２０を形成する巻線を並列的に束ねて配置でき、
巻線１本当たりの抵抗を小さくして流れる電流を削減で
きる。この結果、コイル２０の温度上昇を抑制して、発
熱に伴うエネルギ（印加電力）の損失を抑えることがで
きる。

【００５３】また、条件２を満たすことで、コイルアセ
ンブリ１３のインダクタンスが適正な領域に収まるの
で、この点からも磁束が十分に発生し、可聴音域以上で
の使用が可能で異音を感じなくなる。さらに、コア１８
の鉄損も増加せず、定着スリーブ１２の発熱効率の低下
も防止できる。

【００５４】《条件３について》条件３は、ホルダ１４
の外周面と定着スリーブ１２の内周面との間に形成され
る間隙の最大距離を規定したものである。

【００５５】図６は、条件３の説明に供するグラフであ
る。このグラフでは、横軸に前記最大距離Ｄmax を、縦
軸に定着スリーブ１２の昇温速度をとっている。

【００５６】前記最大距離を変化させながら定着スリー
ブ１２の昇温速度を測定したところ、図６に示すよう
に、ホルダ１４の外周面と定着スリーブ１２の内周面と
の間に形成される間隙距離が５ｍｍより大きくなると、
定着スリーブ１２とコイル・コアとの間に形成される磁
気回路の結合が弱まって発熱効率が悪くなるため、定着
スリーブ１２の昇温速度が急激に低下する。定着スリー
ブ１２とコイル・コアとの間の磁気的結合を強くする観
点からみれば、両者１２，１４の間隙をできるだけ小さ
くすればよい。しかしながら、間隙距離が１ｍｍより小
さくなると、定着スリーブ１２は発熱し易いものの、ホ
ルダ１４外周面に接触する面積が大きいので定着スリー
ブ１２の熱の大部分がホルダ１４側に移動してしまい、
結果として、定着スリーブ１２の昇温速度が急激に低下
する。

【００５７】したがって、定着スリーブ１２の昇温速度
を好適に維持するためには、ホルダ１４の外周面と定着
スリーブ１２の内周面との間に形成される間隙距離Ｄma
x は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下でなければならず、 条件３；１ｍｍ≦Ｄmax ≦５ｍｍ を満たす必要があることが分かった。

【００５８】この条件３を満たすように、ニップ部１６
以外の定着スリーブ１２とホルダ１４との間に適度な隙
間を確保することで、定着スリーブ１２の熱がホルダ１
４側に移動することを制限でき、定着スリーブ１２の昇
温速度が低下することを防止できる。また、定着スリー
ブ１２の温度制御が不安定になることもない。

【００５９】《作用》次に作用を説明する。図７（Ａ）
〜（Ｄ）は、作用の説明に供する図であり、（Ａ）〜
（Ｃ）は、ニップ部直後位置、ニップ部とは反対側の上
方位置およびニップ部直前位置における定着スリーブの
温度変化を示し、同図（Ｄ）は、シートの温度変化を示
している。これらの温度変化は、条件１で示した実験条
件で測定したものである本実施の形態のコイルアセンブ
リ１３は、周囲に誘導コイル２０が形成されたコア１８
の両端部が定着スリーブ１２の近傍に配置され、定着ス
リーブ１２のニップ部１６に誘導電流を生じさせると共
にニップ部１６以外の領域にも誘導電流を生じさせる磁
束を発生している。この磁束によって、定着スリーブ１
２は、そのほぼ全体が誘導加熱されて、所定の定着温度
に昇温している。

【００６０】この状態からシート１０の先端がニップ部
１６に突入すると、定着スリーブ１２とシート１０とが
接し、定着スリーブ１２の熱がシート１０およびトナー
に奪われる。このため、図７（Ａ）に示すように、ニッ
プ部１６の直後位置では、定着スリーブ１２の温度は大
きく下がる。

【００６１】シート１０の搬送に伴って回転する定着ス
リーブ１２は、そのほぼ全体が誘導加熱されているの
で、ニップ部１６で温度が低下してもすぐに昇温し始め
る。このため、同図（Ｂ）に示すように、ニップ部１６
とは反対側の上方位置では、定着温度より低いものの、
ニップ部１６の直後位置に比べて定着スリーブ１２の温
度は上昇している。

【００６２】定着スリーブ１２は回転しつつさらに誘導
加熱されるため、同図（Ｃ）に示すように、ニップ部１
６に突入する直前の位置では、定着スリーブ１２の温度
は所定の定着温度に復帰している。

【００６３】このようにシート１０の温度は、同図
（Ｃ）に示すように、３０枚／分という比較的中高速の
通紙を行っても、ほぼ一定でムラがない。したがって、
この定着装置を中高速の画像形成装置に用いても、ニッ
プ部１６における定着スリーブ１２の加熱不足が生じる
ことはなく、シート１０の搬送方向に沿う後端側におけ
る定着不良の発生を防止できる。

【００６４】また、本実施の形態のコイルアセンブリ１
３では、コイル２０が巻かれたコア１８の両端部を定着
スリ−ブ１２にできるだけ近接するように配置したの
で、定着スリ−ブ１２とコイルアセンブリ１３との間の
磁気的な結合が十分に確保され、磁気的結合力の低下に
よる発熱効率の低下が生じない。さらに、条件１および
条件２を満たすようにコイルアセンブリ１３を構成した
ので、当該コイルアセンブリ１３により十分な磁束が発
生し、かつ、定着スリーブ１２において磁束を効率良く
熱に変換される。また、条件３を満たすように定着装置
を構成したので、定着スリーブ１２からの熱の逃げが防
止される。これらより、定着装置の発熱効率が向上し、
定着スリーブ１２の昇温速度が速くなる。

【００６５】《ホルダの材質について》誘導加熱定着装
置を定着温度において安定して使用するためには、高耐
熱・高強度の薄肉パイプ状のホルダが必要である。そこ
で、本実施の形態では、ホルダ１４は、繊維強化熱硬化
性樹脂より形成し、かつ、成形後に定着温度以上の温度
で焼き入れ処理を施してある。

【００６６】熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂および繊維強
化熱硬化性樹脂より形成した３種のホルダを用いて、連
続加熱した場合の当該ホルダのたわみ変形量（塑性変形
量）を測定した。測定条件は次の通りである。 定着スリーブの内径；φ４０ｍｍ （厚さ ３０μｍ） ホルダの外径 ；φ３８ｍｍ （厚さ ３．５ｍｍ） 定着温度 ；１５０℃ 加圧力 ；１０ｋｇｆ／ｃｍ2 である。熱可塑性樹脂としてＰＥＥＫを、熱硬化性樹脂
としてフェノール樹脂（フィラーレス）を、繊維強化熱
硬化性樹脂としてフェノール樹脂（ガラスファイバー入
り）を用いた。測定結果を表１に示す。ここで、ホルダ
変形量が０．１ｍｍ以上の場合には定着スリーブの回転
およびシートの搬送に支障をきたすので「×（不可）」
で表し、０．１ｍｍ未満の場合には「○（可）」で表し
てある。また、熱硬化性樹脂製および繊維強化熱硬化性
樹脂製ホルダについては、ａ）焼き入れなし、ｂ）定着
温度未満の温度で焼き入れを行う低温焼き入れ、ｃ）定
着温度以上の温度で焼き入れを行う高温焼き入れ、の３
種について測定した。

【００６７】

【表１】

【００６８】ホルダは押出成形されるが、製造時の精度
出し等の観点から、成形時の樹脂温度は定着温度程は高
くされていない。そして、上記表１から明らかなよう
に、繊維強化熱硬化性樹脂製のホルダ１４に使用温度
（定着温度）以上の高温焼き入れ処理を施すことで、当
該温度における熱硬化性樹脂の架橋未反応部分の反応が
促進され、使用温度に対する強度が増加することがわか
った。繊維強化熱硬化性樹脂製のホルダ１４に高温焼き
入れ処理を施すと、焼き入れ処理をしないホルダに比べ
て、変形量は１／１０に低減した。

【００６９】なお、本実施の形態の定着装置は電磁誘導
加熱を行うため、磁束発生手段としてのコイルアセンブ
リ１３を内部に収納するホルダ１４は、定着スリーブ１
２とコイル２０との短絡防止のため、絶縁体である必要
がある。このことから、成形時の精度に優れる樹脂製ホ
ルダを採用してある。樹脂製のほかガラス製ホルダも考
えられるが、ガラス製ホルダは、振れに対する強度や真
直度の精度が樹脂製のものに比べると悪い。

【００７０】《ホルダの形状について》上記のように繊
維強化熱硬化性樹脂より形成され、かつ、成形後に定着
温度以上の温度で焼き入れ処理が施されたホルダ１４で
あっても、図８（Ａ）に示すように、定着装置稼動時の
加熱・加圧状態の下では、ベンディングが発生する虞が
ある。かかる場合、金属製の定着スリーブ１２がストレ
ートパイプ形状をなしているため、ニップ部１６におい
て、ベンディングしたホルダとの間に隙間が生じてしま
い、定着スリーブ１２の回転不良や破損、あるいはシー
ト１０の搬送不良を招く虞がある。

【００７１】そこで、本実施の形態のホルダ１４は、図
８（Ｂ）に示すように、前記焼き入れ処理により、加圧
ローラ１５に向けて凸となる弓形状に形成してある。す
なわち、加圧時あるいは加圧加熱時に、ホルダ１４にお
ける加圧ローラ１５と対向する面が定着スリーブ１２に
対して平行となるように、ホルダ１４を予め弓形状に成
形してある。予め反らせる量の一例は、５〜１５ｋｇｆ
／ｃｍ2 程度の加圧力が作用する場合において、ホルダ
長Ｌ＝３３ｃｍ、反らせ量ΔL ＝０．０５〜０．１ｍｍ
である。

【００７２】ホルダ１４をこのような形状に形成するこ
とで、定着装置稼動時にホルダ１４に生じるベンディン
グが補正され、ニップ部１６において定着スリーブ１２
とホルダ１４との間に隙間が生じることがなく、定着ス
リーブ１２の回転不良や破損、あるいはシート１０の搬
送不良を招くことがなくなった。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
定着装置によれば、回転体をニップ部のみならず他の領
域においても誘導加熱するようにしたので、発熱効率が
高くて昇温特性に優れており、中速・高速の画像形成装
置に用いた場合であっても、記録媒体の搬送方向に沿う
後端側に定着不良が発生することを防止できる。この
際、３つの条件を満たすようにコイルの断面積などを規
定したことから、回転体のほぼ全体を誘導加熱するのに
適し、回転体の発熱効率に優れ昇温速度の速い定着装置
を実現できた。

【００７４】また、請求項２に記載の定着装置によれ
ば、保持部材を、繊維強化熱硬化性樹脂より形成し、か
つ、成形後に定着温度以上の温度で焼き入れ処理を施し
たので、高耐熱・高強度の保持部材を得ることができ、
保持部材の変形量が低減し、定着装置を定着温度におい
て安定して使用することが可能となる。

【００７５】また、請求項３に記載の定着装置によれ
ば、保持部材を、焼き入れ処理により加圧部材に向けて
凸となる弓形状に形成したので、定着装置稼動時に保持
部材に生じるベンディングが補正され、ニップ部におい
て回転体と保持部材との間に隙間が生じることがなく、
回転体の回転不良や破損、あるいは記録媒体の搬送不良
を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係る定着装置を概略で
示す断面図である。

【図２】 誘導加熱定着装置における定着スリーブ１２
の加熱原理を説明する説明図である。

【図３】 定着装置が備える３つの条件の理解を容易に
するための概念図である。

【図４】 条件１の説明に供するグラフである。

【図５】 条件２の説明に供するグラフである。

【図６】 条件３の説明に供するグラフである。

【図７】 図７（Ａ）〜（Ｄ）は、実施の形態の作用の
説明に供するグラフである。

【図８】 図８（Ａ）（Ｂ）は、ホルダ形状を示す概念
図である。

【符号の説明】

１０…シート（記録媒体） １１…離型層 １２…定着スリーブ（回転体） １３…コイルアセンブリ（磁束発生手段） １４…ホルダ（保持部材） １５…加圧ローラ（加圧部材） １６…ニップ部（回転体と加圧部材との接触部） １７…定着スリーブの金属製基材 １８…コア（芯材） １９…ボビン ２０…誘導コイル Ｓ1 …ホルダの軸直交面におけるコアの断面積 Ｓ2 …ホルダの軸直交面における誘導コイルの断面積 Ｓ3 …ホルダの軸直交面における定着スリーブの内径断
面積 Ｄmax …ホルダ外周面と定着スリーブ内周面との間に形
成される間隙の最大距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 剛 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 大西 泰造 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 記録媒体上に保持されたトナーを加熱溶
   融して当該記録媒体に定着させる定着装置であって、 金属材料により形成された回転体と、 前記回転体に誘導電流を生じさせて前記回転体を誘導加
   熱する磁束発生手段と、 前記磁束発生手段を保持すると共に前記回転体の内方に
   固定設置される絶縁性の保持部材と、 前記回転体を介して前記保持部材に圧接すると共に、未
   定着トナーを保持した前記記録媒体を前記回転体との間
   に挟持しつつ前記回転体とともに移動せしめる加圧部材
   と、を有する定着装置において、 前記磁束発生手段は、芯材と、当該芯材の周囲に巻線を
   巻回して形成されたコイルとを備え、前記回転体におけ
   る前記加圧部材との接触部に誘導電流を生じさせると共
   に前記接触部以外の領域にも誘導電流を生じさせる磁束
   を発生するように構成され、さらに以下の３つの条件を
   満たすように構成されていることを特徴とする定着装
   置。 条件１； Ｓ1 ＋Ｓ2 ≧０．３×Ｓ3 条件２； ０．２≦Ｓ2 ／（Ｓ1 ＋Ｓ2 ）≦０．８ 条件３； １ｍｍ≦Ｄmax ≦５ｍｍ ここに、 Ｓ1 ；保持部材の軸直交面における芯材の断面積 Ｓ2 ；保持部材の軸直交面におけるコイルの断面積 Ｓ3 ；保持部材の軸直交面における回転体の内径断面
   積 Ｄmax ；保持部材外周面と回転体内周面との間に形成さ
   れる間隙の最大距離である。
2. 【請求項２】 前記保持部材は、繊維強化熱硬化性樹脂
   より形成され、かつ、成形後に定着温度以上の温度で焼
   き入れ処理が施されていることを特徴とする請求項１に
   記載の定着装置。
3. 【請求項３】 前記保持部材は、前記焼き入れ処理によ
   り、前記加圧部材に向けて凸となる弓形状に形成されて
   いることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。