KR100538246B1 - 화상형성장치의 정착장치 - Google Patents

화상형성장치의 정착장치 Download PDF

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Abstract

화상형성장치의 정착장치가 개시된다. 개시된 화상형성장치의 정착장치는 정착되는 인쇄매체와 접촉되는 직선부를 구비한 도전성 부재와, 상기 도전성 부재의 외측면에 슬라이딩하는 정착필름과, 상기 정착필름과 상기 직선부 영역에서 접촉하여 정착닙 영역을 형성하며 상기 정착필름을 회전시키는 가압롤러와, 상기 도전성 부재를 유도가열하여 발열시키는 유도가열부를 구비하며, 상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 두께는 다른 영역의 상기 도전성 부재의 두께 보다 얇게 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

화상형성장치의 정착장치{Fusing device of image forming apparatus}
본 발명은 화상형성장치의 정착장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도가열부로 가열되는 정착닙 영역의 도전성 부재의 두께를 얇게 형성하여 정착닙 영역을 국부적으로 가열하는 화상형성장치의 정착장치에 관한 것이다.
일반적으로 복사기, 프린터, 팩시밀리 혹은 이들의 기능을 하나의 장치를 통해 복합적으로 구현하는 복합기 등은 공통적으로 인쇄기능을 구비하며, 이러한 기기들을 통칭하여 화상형성장치라 한다.
화상형성장치는 토너화상이 전사된 용지를 가열, 가압하여 그 용지 상의 분말 상태의 토너화상을 일시적으로 용융시켜서 그 용지에 융착시키는 정착 장치를 구비한다. 정착 장치는 열을 발생시키는 가열부와, 상기 가열부와 정착닙을 형성하며 압력을 가하여 토너 용융을 돕는 가압롤러를 구비한다.
상기 정착부는 소정의 온도, 예컨대 180 ℃ 로 가열된 상태에서 토너를 용융시킨다. 이러한 정착부를 가열시키는 수단으로는 할로겐 램프, 발열 코일 또는 유도 가열 코일을 사용한다.
도 1 및 도 2는 미국특허 제6,341,211호에 개시된 유도가열형 정착장치의 구조를 보여주는 단면도로서, 도 1은 유도가열형 정착장치의 종단면도이며, 도 2는 도 1의 유도가열형 정착부의 횡단면도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 정착장치는 비회전상태로 고정된 중공 구조로서 용지(10) 상의 토너(11)를 열용융시키는 도전성 부재(12)와, 토너(11)를 지닌 용지(10)를 도전성 부재(12)에 밀착시키는 가압롤러(13)와, 고정된 도전성 부재(12)와 가압롤러(13) 사이에 개재되어서 용지(10)를 반송시키는 반송벨트(20)와, 도전성 부재(12)를 유도가열시키는 코일(14)을 구비한다. 가압롤러(13)는 화살표 B 방향으로 이동하며, 반송벨트(20)는 가압롤러(13)의 이동에 따라 화살표 A 방향으로 회전된다.
도전성 부재(12)는 중공 파이프로서 탄소강관, 스테인레스 합금관 또는 알루미늄관, 철 등으로 형성된다.
가압롤러(13)는 축심(15)과, 상기 축심(15)의 원주에 형성된 실리콘 고무층(16)으로 구성되어 있다. 가압롤러(13)는 도시되지 않은 스프링 부재에 의해 도전성 부재(12) 방향으로 압압되어 있다.
참조번호 17은 사각형상의 코아로서 폐자로(closed magnetic circuit)를 형성하며, 그 일부가 도전성 부재(12)의 중공부(12a)를 관통하고 있다. 코일(14)은 코아(17)에 감겨져 있다. 코아(17)를 통전하면, 도전성 부재(12)의 원주방향을 따라 유도전류를 발생시키는 자속이 생성된다. 코아(17)는 통상의 변압기(transformer)에 사용되는 철심으로서, 고투자율인 것이 바람직하다.
참조번호 22는 단열층으로, 도전성 부재(12) 및 코일(14)에서 발생하는 열이 코아(17)에 전달되는 것을 방지한다.
한편, 도 3은 미국특허 제6,341,211호에 개시된 다른 실시예의 유도가열형 정착장치의 구조를 보여주는 도면이며, 종래의 발명과 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호를 사용하고 상세한 설명을 생략한다.
도 1 및 도 2의 실시예에서는 코아(17) 및 도전성 부재(12)가 사각형상인 반면에 도 3에서는 도전성 부재(12')가 실린더형 롤러(cylindrical roller)인 점이 다르며, 다른 구성요소는 실질적으로 동일한 것이므로 동일한 부재를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
상기 종래 발명의 정착장치는 유도가열로 도전성 부재(12)(12')를 고르게 발열시키므로 정착작용에 필요한 온도 유지를 위해 가열부 전체를 가열시키므로 열손실이 크다. 또한, 정착장치의 양단에서의 열손실로 균일한 정착성을 확보하기 어렵다.
본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 유도가열에 의한 도전성 부재의 열이 정착닙 영역에 편중되게 하는 화상형성장치의 정착장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 정착부가 길이방향에서 균일하게 가열되는 화상형성장치의 정착장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 화상형성장치의 정착장치는, 정착되는 인쇄매체와 접촉되는 직선부를 구비한 도전성 부재;
상기 도전성 부재의 외측면에 슬라이딩하는 정착필름;
상기 정착필름과 상기 직선부 영역에서 접촉하여 정착닙 영역을 형성하며 상기 정착필름을 회전시키는 가압롤러; 및
상기 도전성 부재를 유도가열하여 발열시키는 유도가열부;를 구비하며,
상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 두께는 다른 영역의 상기 도전성 부재의 두께 보다 얇게 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 유도가열부는,
상기 도전성 부재의 중공부를 관통하여 자로를 형성하는 코아;
상기 코아의 외주를 나선형으로 감싸는 코일; 및
상기 코일의 양단에 소정의 교류전압을 인가하는 교류전압원;을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 코일 및 상기 코아 사이에는 단열층이 더 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 부재의 길이방향에서 상기 코일의 권선수는 중앙부 보다 양단부에서 더 많다.
상기 도전성 부재의 외측면 상에는 상기 정착필름과의 마찰력을 감소시키는 코팅층이 더 형성된 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 두께는 상기 도전성 부재의 길이방향에서 중앙부 보다 양단부가 더 얇다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 폭은 상기 도전성 부재의 길이방향에서 중앙부 보다 양단부에서의 폭이 더 넓다.
상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 상부에 온도측정센서가 접촉되게 설치되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자사진 화상형성장치의 정착장치의 개략적인 횡단면도이고, 도 5는 도 4의 정착장치의 종단면도이다.
정착장치(100)는 토너화상(111)이 형성된 용지(110)가 배출되는 방향(화살표 C 방향)으로 회전하는 가압롤러(130)와, 용지(110)를 사이에 두고 가압롤러(130)와 대향되게 설치되어 상기 가압롤러(130)와의 사이에 형성된 정착닙(N)에서 용지(110)에 형성된 토너화상(111)을 용지(110) 상에 융착하는 가열부(120)를 구비한다.
상기 가열부(120)는, 그 양단이 고정되며, 내부에 가열요소를 포함하는 고정부와, 상기 고정부의 표면에서 슬라이딩되는 정착필름(121)을 구비한다. 상기 정착필름(121)은 50~1000 ㎛ 두께의 폴리이미드이며, 토너화상과 접촉하는 면에는 토너이형층인 테프론 코팅(미도시)이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 고정부는, 일면에 정착닙(N)과 대응되는 영역에 직선부(122a)를 포함하며, 직선부(122a)를 제외한 영역은 대략 원통 형상인 중공구조의 도전성 부재(122)와, 상기 도전성 부재(122)를 유도가열하는 유도가열부를 구비한다.
상기 유도가열부는, 상기 도전성 부재(122)의 중공 내에 일측이 관통하는 코아(123)와, 코아(123)의 외주에 감겨서 도전성 부재(122)를 유도가열하는 코일(125)과, 상기 코일(125)의 양단에 소정의 교류전압을 인가하는 교류전압원(미도시)을 구비한다.
도전성 부재(122)는 탄소강관, 스테인레스 합금관 또는 알루미늄관, 철 등의 도전성 금속으로 제조된다. 도전성 부재(122)의 외측면에는 필름(121)과의 마찰력을 감소시키도록 코팅층(122c)이 형성되는 것이 바람직하다. 이 코팅층은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 테드라 플루오르에틸렌-페르플루오트 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테드라 플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP) 등의 불소수지 계열 또는 실리콘 수지로 대략 0.1 mm 이내로 코팅이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 코아(123)는 폐자로(closed magnetic circuit)를 형성한다. 가열부(120)의 중공(122b)을 관통하는 코아(123)의 원주에는 코일(125)이 수백 내지 수천회 감겨있으며 코아(123) 및 코일(125) 사이에는 단열층(124) 예컨대 운모 시트가 감겨져 있다. 이 단열층(124)은 코아(123) 및 코일(125) 사이의 전기적 연결을 막을 뿐만 아니라 도전성 부재(122) 및 코일(125)에서 발생하는 열이 코아(123)에 전달되는 것을 방지한다.
상기 코일(125)에 미도시된 교류전압원으로부터 교류전압이 인가되면, 도전성 부재(122)의 원주방향을 따라 유도전류를 발생시키는 자속이 생성된다. 코아(123)는 통상의 변압기(transformer)에 사용되는 철심으로서, 고투자율인 것이 바람직하다. 상기 도전성 부재(122)는 유도전류에 의해서 가열된다.
필름(121)은 화살표 D 방향으로 회전되며, 별도의 구동부에 의해서 구동되는 것보다는 가압롤러(130)와의 마찰력으로 가압롤러(130)에 종동회전되는 것이 바람직하다.
상기 가압롤러(130)는 상기 필름(121)과 접촉하면서 정착닙(N)을 형성하는 탄성롤러(131)와, 상기 탄성롤러(131)의 중심에서 상기 탄성롤러(131) 지지하며 미도시된 구동부에 의해 회전되는 샤프트(132)를 구비한다. 상기 샤프트(132)는 스프링 부재(133)에 의해 대향하는 가열부(120)로 탄성 바이어스되어 있다. 상기 탄성롤러(131)는 내열성의 실리콘 고무로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 탄성롤러(131)의 회전에 따라서 정착필름(121)은 도전성 부재(122)의 둘레를 따라서 종동회전된다.
상기 정착닙(N) 영역의 직선부(122a)의 상부에 정착닙(N) 영역의 온도를 측정하는 써미스터(127)가 설치되어 있다. 상기 정착닙(N)의 온도는 상기 코일(125)의 권선수, 상기 교류전압원으로부터의 주파수 및 전압 등에 의해 정해진다.
한편, 도전성 부재(122)는 정착닙(N)에 해당되는 부분의 두께(t1)와 다른 영역의 두께(t2)가 서로 다르다. 교류전압원으로부터 코일(125)에 수십~수백 Hz의 교류가 가해지면 코아(123)와 코일(125) 주변에 교류 자기장이 축방향으로 형성되어서 도전성 부재(122)의 원주방향으로 유도전류가 흐르게 한다. 이때 전류가 생기는 스킨 깊이(skin depth)는 식 1과 같이 표현될 수 있다.
여기서, δ는 스킨 깊이, ω는 각 주파수(angular frequency), μ는 투자율, σ는 전기전도율이다. 전기 도전성 부재(122)의 두께가 얇은 정착닙(N) 부분에서의 두께(도 4의 t)가 스킨 깊이 δ 보다 작으면 원주방향으로 흐르는 유도전류가 정착닙(N) 영역에서 두께(t1)가 두꺼운 다른 영역(두께 t2) 보다 많은 발열을 하게 된다. 이는 원주방향으로 흐르는 전류가 정착닙(N) 영역에서 좁은 단면적으로 흐르게 된다. 정착닙(N) 영역에서의 저항은 상기 단면적에 반비례하여 증가되고, 정착닙(N) 영역에서의 줄 열(Joule's heat)은 상기 저항에 비례하므로, 정착닙(N) 영역의 두께(t1)를 조절하면 정착닙(N) 영역에서의 온도를 국부적으로 증가시킬 수 있게 된다.
수 십 Hz ~ 수 백 Hz 주파수의 교류를 사용하면, 스킨 깊이는 2~20 mm 가 되므로, 정착닙(N) 영역의 두께는 스킨 깊이 이하로 하고, 기타 다른 영역의 두께는 스킨 깊이 이상으로 하여 가열부(120)의 강성을 유지한다.
한편, 정착닙(N) 영역의 두께(t1)는 중앙부에서 양단부로 가면서 점진적으로 얇아진다. 이와 같이 양단부의 정착닙(N) 영역의 도전성 부재(122)을 얇게 하는 것은 양단부에서의 손실을 보전함으로써 정착영역의 길이방향에서의 온도를 일정하게 유지하는 것이다.
상기 구조의 정착장치의 작용을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도시되지 않은 교류전압원으로부터 수십 내지 수백 Hz 정도의 교류가 코일(125)에 인가되면 코일(125)이 감싸고 있는 코아(123)에 교류 자속이 발생된다. 이 자속은 인접한 도체인 전기 도전성 부재(122)의 원주방향으로 유도전류를 발생시키며, 이 유도전류에 의해 주울 열(Joule's heat)이 발생된다. 이때 정착닙(N) 영역의 전기도전성 부재(122)의 두께가 스킨 깊이 이하로 다른 영역의 두께(t2) 보다 얇은 정착닙(N) 영역이 국부적으로 더 가열되어 정착에 적당한 온도, 예컨대 150~200 ℃ 로 신속하게 가열된다. 또한, 정착닙(N)에서 양단부에서의 두께가 중앙부 보다 얇으므로 가열부의 양단부가 더 가열되어서 양단부에서의 온도가 저하되는 것이 보상된다. 따라서, 가열부 길이방향에서 균일한 온도 분포를 가진다.
소정의 정착온도로 유지된 정착장치로 미정착된 토너(111)가 놓인 용지(110)가 진입하면, 용지(110)가 가열부(120) 및 가압롤러(130) 사이로 진입되면서 미정착된 토너(111)가 정착닙(N)에서 열을 받아서 용융되면서 가압롤러(130)의 압력을 받아서 용지(110) 상에 정착된다.
이러한 가열부의 온도는 정착닙(N) 영역의 도전성 부재(122)의 온도를 측정하는 써미스터를 이용하여 교류전원 제어회로로 피드백하여 코일(125)에 인가되는 교류전압 및 주파수를 조절함으로써 정착닙(N)의 표면온도를 조절할 수 있는 장점이 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 정착닙(N) 영역의 도전성 부재(122) 두께는 일정하게 유지하고 그 폭을 중앙부에서 양단부로 가면서 점진적으로 넓게 형성하여 정착장치의 양단부에서의 열손실을 보전할 수도 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 중앙부로부터 양단부로 가면서 점진적으로 코일(125)의 권선수를 증가시킴으로서 양단부에서의 온도 저하를 보상할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 화상형성장치의 정착장치는 정착닙에서의 도전성 부재의 두께를 스킨 깊이 이하로 하여 국부가열하므로 다른 영역에서의 열손실을 줄일 수 있다. 또한, 정착닙에 대응하는 영역의 도전층의 두께 및 폭을 조절하여 정착장치의 양단부에서의 열손실을 보상함으로써 정착장치의 길이방향에서의 온도를 균일하게 유지하며, 따라서 화상 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 미국특허 제6,341,211호에 개시된 유도가열형 정착장치의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 미국특허 제6,341,211호에 개시된 다른 실시예의 유도가열형 정착장치의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자사진 화상형성장치의 정착장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 5는 도 4의 개략적인 종단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 용지 111: 토너
120: 가열부 121: 정착필름
122: 도전성 부재 122a: 직선부
122b: 중공 122c: 코팅층
123: 코아 124: 단열층
125: 코일 127: 써미스터
130: 가압롤러 131: 탄성롤러
132: 샤프트 133: 스프링 부재

Claims (8)

  1. 정착되는 인쇄매체와 접촉되는 직선부를 구비한 도전성 부재;
    상기 도전성 부재의 외측면에 슬라이딩하는 정착필름;
    상기 정착필름과 상기 직선부 영역에서 접촉하여 정착닙 영역을 형성하며 상기 정착필름을 회전시키는 가압롤러; 및
    상기 도전성 부재를 유도가열하여 발열시키는 유도가열부;를 구비하며,
    상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 두께는 다른 영역의 상기 도전성 부재의 두께 보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 전자사진 화상형성장치의 정착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유도가열부는,
    상기 도전성 부재의 중공부를 관통하여 자로를 형성하는 코아;
    상기 코아의 외주를 나선형으로 감싸는 코일; 및
    상기 코일의 양단에 소정의 교류전압을 인가하는 교류전압원;을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치의 정착장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코일 및 상기 코아 사이에는 단열층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 화상형성장치의 정착장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 부재의 길이방향에서 상기 코일의 권선수는 중앙부 보다 양단부에서 더 많은 것을 특징으로 하는 화상형성장치의 정착장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재의 외측면 상에는 상기 정착필름과의 마찰력을 감소시키는 코팅층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 화상형성장치의 정착장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 두께는 상기 도전성 부재의 길이방향에서 중앙부 보다 양단부가 더 얇은 것을 특징으로 하는 화상형성장치의 정착장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 폭은 상기 도전성 부재의 길이방향에서 중앙부 보다 양단부에서의 폭이 더 넓은 것을 특징으로 하는 화상형성장치의 정착장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 정착닙 영역의 상기 도전성 부재의 상부에 온도측정센서가 접촉되게 설치된 것을 특징으로 하는 화상형성장치의 정착장치.
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