KR100565078B1 - 정착롤러 및 이를 적용한 정착장치 - Google Patents

정착롤러 및 이를 적용한 정착장치 Download PDF

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Abstract

정착롤러 및 이를 적용한 정착장치가 개시된다. 개시된 정착롤러는 소정의 교류전류에 의해 저항발열되고, 교류전류에 의해 교번자속을 생성하는 코일부와, 교번자속에 의해 유도전류가 생성되고, 생성된 유도전류에 의해 유도발열되는 가열롤러부 및 정착롤러 내부에 존재하며 가열롤러부와 대향되는 쪽에서 코일부와 밀착되어 있는 비자성체로 이루어진 밀착부를 구비한다.

Description

정착롤러 및 이를 적용한 정착장치{Fusing roller and fusing apparatus adopting the same}
도 1은 종래의 할로겐램프를 열원으로 사용하는 정착장치를 도시한 횡단면도,
도 2는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'를 따라 본 종단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정착롤러를 도시한 횡단면도,
도 4는 도 3의 일부분을 확대하여 도시한 부분확대도,
도 5는 본 발명에 따른 정착롤러의 전원공급부를 도시한 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 정착롤러에서 유도전류에 의하여 가열롤러부에서 발생되는 열을 도식적으로 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 정착롤러에서 열을 발생하는 발열원을 도식적으로 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110...정착롤러 111...코팅층
112...가열롤러부 113...절연층
114...코일부 115...밀착부
116...리드부 117...내부공간
120...엔드캡 121...동력전달용엔드캡
122...숨구멍 123...전극
130...가압롤러 140...전원공급부
본 발명은 정착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가열부를 피가열체에 밀착시킴으로써 자속밀도의 집중에 의한 유도발열효율을 극대화시킨 정착롤러를 구비하는 정착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저프린터 및 디지털복사기 등과 같은 전자사진방식에 의한 화상형성장치는 일정한 전위로 대전된 감광매체에 광을 주사하여 정전잠상을 형성하고, 현상기를 이용하여 정전잠상을 소정 색상의 토너(toner)로 현상한 후 이를 용지에 전사 및 정착시켜 단색화상 또는 칼라화상을 인쇄하는 장치를 말한다.
이러한 전자사진방식 인쇄기는 사용되는 현상제에 따라 습식과 건식 전자사진방식 인쇄기로 대별된다. 습식 전자사진방식 인쇄기는 액상의 캐리어에 분말상의 토너가 분산된 현상제를 사용한다. 건식 전자사진방식 인쇄기는 분말상의 캐리어와 토너가 혼합된 이성분 현상제 또는 캐리어가 없는 일성분 현상제를 사용한다. 이하에서는 건식 전자사진방식 인쇄기에 관하여 설명하며, 편의상 현상제는 토너로 칭한다.
도 1은 종래의 할로겐램프를 열원으로 사용하는 정착장치를 도시한 횡단면도 이고, 도 2는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'를 따라 본 종단면도이다.
정착장치(10)는 그 양단이 각각 베어링(14)에 의하여 지지되어 서로 대향되게 길이방향을 따라 접촉하도록 설치된 알루미늄으로 이루어진 두 개의 원통형 정착롤러(11)(12)를 구비한다. 정착롤러(11)(12)의 표면에는 화상으로의 열전달이 이루어지는 닙(NIP)을 형성하기 위할 뿐만 아니라 화상과의 이형성을 좋게 하기 위하여 코팅층(13)이 형성되어 있다.
정착롤러(11)(12)의 내부에는 외부전원(미도시)에 연결되어 열을 발생하는 열원으로서 할로겐램프를 사용하는 발열부(15)가 각각 설치되어 있다. 발열부(15)와 정착롤러(11)(12)사이는 서로 이격되어 있으며 그 사이에는 공기로 채워져 있다.
외부전원(미도시)으로부터 공급된 전류가 발열부(15)의 양단에 인가되면 발열부(15)에서 복사에너지를 발생한다. 발생된 복사에너지는 공기를 통하여 정착롤러(11)(12)의 내벽에 전달되고, 흑체로 이루어진 광열변환층에서 열에너지로 변환되어 전도에 의하여 정착롤러(11)(12)와 코팅층(13)을 거쳐 정착롤러(11)(12)의 접촉부인 닙(NIP)을 통과하는 기록매체(20)위의 화상(21)에 전달된다. 따라서, 화상(21)은 열에너지에 의하여 용융되어 기록매체(20)위에 융착된다.
위와 같이 할로겐램프를 열원으로 사용하는 정착장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 인쇄작업을 위해 전원을 공급하였을 때 상온으로부터 정착온도에 도달할 때까지 상당한 웜-업시간(Warm-up Time)이 필요하다. 사용자는 정착롤러의 온 도가 정착목표온도까지 올라가 인쇄가능해 질 때까지 기다려야 한다.
둘째, 할로겐램프와 정착롤러는 서로 이격되어 그 사이에 공기가 개재되어 있기 때문에 할로겐램프로부터 발생된 열은 복사에 의하여 정착롤러를 가열하고, 전도에 의하여 정착롤러를 통과하기 때문에 열 전달속도가 느리며, 열효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 유도발열과 저항발열을 동시에 이용하여 웜-업시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 가열부를 피가열체에 밀착시킴으로써 열효율을 향상시킬 수 있는 정착롤러 및 이를 적용한 정착장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 정착롤러는 토너를 인쇄용지에 정착시키기 위한 정착롤러에 있어서,
소정의 교류전류에 의해 저항발열되고, 상기 교류전류에 의해 교번자속을 생성하는 코일부;
상기 교번자속에 의해 유도전류가 생성되고, 상기 생성된 유도전류에 의해 유도발열되는 가열롤러부; 및
상기 정착롤러 내부에 존재하며 상기 가열롤러부와 대향되는 쪽에서 상기 코일부와 밀착되어 있는 비자성체로 이루어진 밀착부를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 코일부와 상기 가열롤러부 사이에는 절연층이 설치 되어 상기 절연층에 의하여 상호 이격되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 코일부에는 저주파 교류전류 또는 고주파 교류전류 중 어느 하나가 입력된다.
본 발명에 따르면, 상기 가열롤러부는
구리 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 철 합금 및 크롬 합금 중 어느 하나로 이루어진 자성체이다.
본 발명에 따르면, 상기 밀착부는 소정압력이 가해지면 소성변형하여 상기 코일부를 상기 가열코일부의 내측면에 밀착시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 밀착부는 그 두께가 1㎜이하이다.
본 발명에 따르면, 저주파 교류전류 또는 고주파 교류전류 중 어느 하나를 발생하는 전원공급부를 더 구비한다.
본 발명에 다른 특징에 따르면, 기록매체에 화상을 융착시키기 위한 열을 발생하는 정착롤러와, 상기 정착롤러에 대향되어 접촉하도록 설치되어 상기 기록매체를 상기 정착롤러쪽으로 가압하는 가압롤러를 구비하는 정착장치에 있어서,
상기 정착롤러는
소정의 교류전류에 의해 저항발열되고, 상기 교류전류에 의해 교번자속을 생성하는 코일부;
상기 교번자속에 의해 유도전류가 생성되고, 상기 생성된 유도전류에 의해 유도발열되는 가열롤러부; 및
상기 정착롤러 내부에 존재하며 상기 가열롤러부와 대향되는 쪽에서 상기 코 일부와 밀착되어 있는 비자성체로 이루어진 밀착부를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 코일부와 상기 가열롤러부 사이에는 절연층이 설치되어 상기 절연층에 의하여 상호 이격되어 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정착롤러를 도시한 횡단면도이고, 도 4는 도 3의 일부분을 확대하여 도시한 부분확대도이고, 도 5는 본 발명에 따른 정착롤러의 전원공급부를 도시한 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 정착롤러에서 유도전류에 의하여 가열롤러부에서 발생되는 열을 도식적으로 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 정착롤러에서 열을 발생하는 발열원을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 정착장치(100)는 토너화상을 기록매체에 융착시키는 열을 발생하는 정착롤러(110)와 상기 정착롤러(110)에 대향되어 길이방향으로 접촉하도록 설치되어 접촉부(NIP)를 통과하는 기록매체를 상기 정착롤러(110)쪽으로 가압하는 가압롤러(130)를 구비한다.
상기 가압롤러(130)는 관상의 몸체(131)가 축(133)에 회전 가능하게 지지되어 있으며, 상기 몸체(131)의 외주면에는 토너화상과의 이형성이 좋게 하기 위하여 코팅층(132)이 형성되어 있다. 경우에 따라서는 가압롤러 대신에 정착롤러를 사용하여 가압과 동시에 열을 발생하게 할 수도 있다.
상기 정착롤러(110)는 가열롤러부(112), 코일부(114), 밀착부(115) 및 전원 공급부(140)로 이루어져 있다.
상기 가열롤러부(112)는 속이 빈 관상으로 자성체로 이루어져 있다. 그 표면에는 테트라플루오르에틸렌(Tetrafluoruethylene)등으로 코팅되어 토너화상과의 이형성을 좋게 하는 코팅층(111)이 형성되어 있다. 상기 가열롤러부(112)는 자기장에 의해 자화되는 성질을 가지며 또한 소정의 전류를 흐르게 할 수 있는 도체성질을 가지는 것으로, 예를 들어, 철 합금, 구리 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 크롬 합금 등과 같은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 코일부(114)는 상기 가열롤러부(112)의 내측면에 나선형으로 밀착되도록 설치되어 상기 전원공급부(140)로부터 입력된 전류에 상응하여 변화하는 교번자속(alternating magnetic flux)을 발생한다. 상기 코일부(114)는 구리재질의 리번(ribbon)코일이 사용되는 것이 바람직하다.
상기 코일부(114)와 상기 가열롤러부(112)사이에는 절연층(113)이 개재되어 있어, 상기 코일부(114)에 입력되는 교류전류에 의하여 절연파괴가 일어나지 않으며 누설전류가 상기 가열롤러부(112)로 흐르지 않도록 상기 코일부(114)를 절연시킨다.
상기 절연층(113)은 소정의 내전압 특성과 내절연 파괴특성을 지니고 있어야 한다. 내전압 특성은 소정 외부전원이 걸려도 이를 견뎌낼 수 있는 특성을 나타내는 것이고, 내절연 파괴특성은 최대 내전압 하에서 1분 동안 누설전류가 10㎃이상이 발생하지 않고 절연파괴가 되지 않는 특성을 나타낸다. 상기 절연층(113)은 마이카(mica), 폴리이미드(polyimide), 세라믹(ceramic), 실리콘(silicon), 폴리우레 탄(polyurethane), 유리(glass) 또는 PTFE(polytetrafluoruethylene)로 제작될 수 있다.
상기 밀착부(115)는 관상으로 상기 가열롤러부(112)의 내측에 설치되어 소정 확관압을 가하면 확관되면서 상기 코일부(114)를 상기 절연층(113) 및 상기 가열롤러부(112)에 밀착시킨다. 상기 밀착부(115)는 확관되어 소성변형되므로 상기 코일부(114), 절연층(113) 및 상기 가열롤러부(112)는 서로 밀착된 상태를 유지한다. 즉, 상기 밀착부(115)는 상기 코일부(114)를 상기 가열롤러부(112)에 밀착시키는 결합계수를 극대화시킴으로써 교번자속의 손실 없이 유도전류를 발생하는데 사용하도록 한다.
상기 밀착부(115)를 확관하기 위하여 가해지는 압력은 상기 밀착부(115)의 원주방향으로 가해지는 압력이 상기 밀착부(115)재질의 항복응력(σY)까지 도달하여 영구 소성변형이 발생하는 수준에서 결정된다. 상기 밀착부(115)에 가해지는 확관압(P)은 아래의 [수학식1]에 의해 결정된다.
[수학식1]
P= σ
여기서,P: 확관압
σ: 항복응력
t: 확관 파이프의 두께
r: 확관 파이프의 반경
상기 유도 코일부(114)는 상기 가열 롤러부(112)에 상기 밀착부(115)에 의하여 밀착되어 있으므로 상기 가열 롤러부(112)와 함께 회전한다.
상기 밀착부(115)는 폴리머 또는 고무와 같은 비자성체로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 상기 코일부(114)로부터 발생되는 교번자속에 의하여 상기 밀착부(115)에는 유도전류가 발생하지 않고, 상기 가열롤러부(112)에만 유도전류가 발생하여 이에 의한 저항발열을 화상을 기록매체에 융착시키는데 사용함으로써 효율을 높이기 위해서이다.
또한, 상기 밀착부(115)는 열손실을 최소화하기 위해서 그 두께를 1㎜이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 코일부(114)의 양단은 상기 전원공급부(140)와 전류가 통하기 위하여 리이드부(116)에 각각 연결되어 있다.
상기 코일부(114)에 소정 교류전류가 입력되면, 상기 코일부(114)에서는 교번자속이 발생되며, 교번자속은 상기 가열롤러부(112)에 소정의 유도전류(eddy current)를 발생시킨다. 이때, 상기 가열롤러부(112)는 자체고유저항을 가지고 있으므로, 상기 유도전류에 상응하여 저항발열한다.
상기 가열롤러부(112)의 양단에는 각각 엔드캡(120)과 동력전달용 엔드캡(121)이 설치되어 있다. 상기 동력전달 엔드캡(121)은 상기 엔드캡(120)과 구성은 유사하며 다만 전동장치(미도시)에 연결되어 상기 정착롤러(110)를 회전시키기 위해서 기어 등 동력전달수단(미도시)이 마련되어 있다.
상기 엔드캡(120)에는 숨구멍(air vent, 122)이 형성되어 있다. 상기 숨구멍 (122)은 상기 엔드캡(120)이 상기 가열롤러부(112)에 설치된 후 상기 가열롤러부(112)의 내부공간(117)과 외부를 공기가 통하도록 하여 상기 내부공간(117)의 압력이 대기압으로 유지되도록 한다.
따라서, 상기 코일부(114)로부터 전달된 열에 의하여 상기 가열롤러부(112)가 가열되더라도 상기 내부공간(117)은 상기 숨구멍(122)을 통하여 외부공기가 통하므로 대기압이 유지된다. 상기 숨구멍(122)은 상기 동력전달 엔드캡(121)에 마련될 수 있다. 또한, 상기 숨구멍(122)은 상기 엔드캡(120)과 동력전달 엔드캡(121)에 모두 마련될 수도 있다.
상기 엔드캡(120)과 동력전달 엔드캡(121)에는 전극(123)이 각각 설치된다. 상기 전극(123)은 리드부(116)와 전기적으로 연결되어 있다. 외부전원으로부터 입력된 전류는 상기 전원공급장치(150)→ 전극(123)→ 리드부(116)를 거쳐 상기 코일부(114)에 공급된다.
상기 전원공급부(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전원부(141), 라인 필터부(142), 정류부(143), 고주파 전류 생성부(144)를 구비한다.
상기 전원부(141)는 소정 크기와 주파수를 가지는 교류 전류를 제공한다.
상기 라인 필터부(142)는 인덕터(L)와 커패시터(C)를 구비하고 있으며, 전원부(141)로부터 교류 전원을 입력받아 교류 전류에서 포함되어 있는 고주파 성분을 제거한다. 즉, 상기 전원부(141)에서 제공되는 교류전류를 스무딩(smoothing)한다.
상기 정류부(143)는 상기 라인 필터부(142)에서 제공된 교류 전류를 정류하 여 직류 성분의 전류를 생성한다. 상기 정류부(143)는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성된 브리지 정류기이며, 4개의 다이오드 극성에 따라 교류 전류를 직류 성분의 전류로 정류한다.
상기 고주파 전류 생성부(144)는 상기 정류부(143)에서 제공된 직류 성분의 전류를 입력받아 고주파의 교류 전류를 생성한다. 상기 고주파 전류 생성부(144)는 2개의 커패시터(C2, C3)와 2개의 스위치(SW1, SW2)로 구성되어 있으며, 스위치의 개폐에 의해 상기 정류부(143)에서 정류된 직류 전류를 고주파의 교류 전류로 변환시켜 준다. 상기 고주파 전류생성부(144)대신에 저주파 전류생성부가 사용될 수도 있다. 상기 전원공급부(140)는 본 발명을 설명하기 위한 하나의 예이며, 다양한 변형예가 적용될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 정착롤러에서 열이 발생하는 동작을 도면을 참조하여 설명한다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 상기 전력공급부(140)로부터 상기 코일부(114)에 교류전류가 입력되면, 상기 코일부(114)는 그 주변에 실선으로 도시된 교번자속(A)을 발생한다. 상기 코일부(114)에서 발생한 상기 교번자속(A)은 상기 가열롤러부(112)를 쇄교하며, 상기 가열롤러부(112)를 쇄교하는 상기 교번자속(A)의 변화에 의해 상기 가열롤러부(112)에서는 서로 다른 방향의 유도전류(B)(C)가 발생한다. 이때 상기 코일부(114)에는 지면으로부터 나오는 방향으로 전류가 흐르는 것으로 가정한다.
이때, 상기 가열롤러부(112)는 자체 고유저항을 가지고 있기 때문에, 상기 유도전류(B)(C)는 상기 가열롤러부(112)에 줄열(Juole heat, 이하 유도줄열이라 한다, G)을 발생한다. 상기 유도줄열(G)은 상기 가열롤러부(112)에 의하여 전도되어 상기 보호층(111)을 거쳐 토너화상에 전달된다.
뿐만 아니라, 상기 코일부(112)도 자체 저항을 가지고 있기 때문에 입력되는 교류전류에 의하여 저항발열되어 줄열(이하 저항줄열이라 한다, H)을 발생한다. 상기 저항줄열(H)은 상기 절열층(113)→코일부(112)→보호층(111)을 거쳐 토너화상(미도시)에 전달된다.
그러므로, 상기 코일부(114)에 교류전류가 입력되면, 상기 코일부(114)자체에서 발생되는 저항줄열(H)과 상기 코일부(112)의 주위에 발생되는 상기 교번자속(A)에 의하여 상기 가열롤러부(112)에 발생되는 상기 유도전류(B)(C)에 의한 유도줄열(G)에 의하여 기록매체(미도시)에 전사된 토너화상(미도시)이 융착된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 정착롤러는
첫째, 비자성체로 이루어진 밀착부가 코일부를 가열롤러부에 밀착시킴으로써 가열코일부에 자속밀도를 집중시켜 유도발열효율을 증가시킬 수 있으며,
둘째, 코일부에 의한 저항발열과 유도발열을 함께 이용하여 가열롤러부를 가열함으로써 정착목표온도까지의 웜-업시간을 단축할 수 있는 효과가 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.

Claims (14)

  1. 토너를 인쇄용지에 정착시키기 위한 정착롤러에 있어서,
    소정의 교류전류에 의해 저항발열되고, 상기 교류전류에 의해 교번자속을 생성하는 코일부;
    상기 교번자속에 의해 유도전류가 생성되고, 상기 생성된 유도전류에 의해 유도발열되는 가열롤러부; 및
    상기 정착롤러 내부에 존재하며 상기 가열롤러부와 대향되는 쪽에서 상기 코일부와 밀착되어 있는 비자성체로 이루어진 밀착부를 구비하는 것을 특징으로 하는 정착롤러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 코일부와 상기 가열롤러부 사이에는 절연층이 설치되어 상기 절연층에 의하여 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 정착롤러.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코일부에는 저주파 교류전류 또는 고주파 교류전류 중 어느 하나가 입력되는 것을 특징으로 하는 정착롤러.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가열롤러부는
    구리 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 철 합금 및 크롬 합금 중 어느 하나로 이루어진 자성체인 것을 특징으로 하는 정착롤러.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 밀착부는 소정압력이 가해지면 소성변형하여 상기 코일부를 상기 가열코일부의 내측면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 정착롤러.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 밀착부는 그 두께가 1㎜이하인 것을 특징으로 하는 정착롤러.
  7. 제 1항에 있어서,
    저주파 교류전류 또는 고주파 교류전류 중 어느 하나를 발생하는 전원공급부를 더 구비하는 것을 특징으로 정착롤러.
  8. 기록매체에 화상을 융착시키기 위한 열을 발생하는 정착롤러와, 상기 정착롤러에 대향되어 접촉하도록 설치되어 상기 기록매체를 상기 정착롤러쪽으로 가압하는 가압롤러를 구비하는 정착장치에 있어서,
    상기 정착롤러는
    소정의 교류전류에 의해 저항발열되고, 상기 교류전류에 의해 교번자속을 생성하는 코일부;
    상기 교번자속에 의해 유도전류가 생성되고, 상기 생성된 유도전류에 의해 유도발열되는 가열롤러부; 및
    상기 정착롤러 내부에 존재하며 상기 가열롤러부와 대향되는 쪽에서 상기 코일부와 밀착되어 있는 비자성체로 이루어진 밀착부를 구비하는 것을 특징으로 하는 정착장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 코일부와 상기 가열롤러부 사이에는 절연층이 설치되어 상기 절연층에 의하여 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 정착장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 코일부에는 저주파 교류전류 또는 고주파 교류전류 중 어느 하나가 입력되는 것을 특징으로 하는 정착장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 가열롤러부는
    구리 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 철 합금 및 크롬 합금 중 어느 하나 로 이루어진 자성체인 것을 특징으로 하는 정착장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 밀착부는 소정압력이 가해지면 소성변형하여 상기 코일부를 상기 가열코일부의 내측면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 정착장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 밀착부는 그 두께가 1㎜이하인 것을 특징으로 하는 정착롤러.
  14. 제 8항에 있어서,
    저주파 교류전류 또는 고주파 교류전류 중 어느 하나를 발생하는 전원공급부를 더 구비하는 것을 특징으로 정착롤러.
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