KR100886280B1

KR100886280B1 - 화상 가열 장치

Info

Publication number: KR100886280B1
Application number: KR1020067012622A
Authority: KR
Inventors: 지로 시라까따; 쇼오헤이 다께다; 고끼 와따나베; 신이찌로 와까하라; 고지 다께마쯔; 고이찌로 니시무라
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2009-03-04
Also published as: CN101950145A; WO2005062133A1; CN1882885A; CN101950145B; KR20060107560A; CN1882885B; EP1700171A4; EP1700171B1; US7462804B2; EP1700171A1; US20080061054A1; JP4448016B2; JP2005208596A

Abstract

전자기 유도 가열 부재(1)의 시트 비통과 영역 내에서 발생하는 시트 비통과부 온도 상승을 방지하기 위해, 가열 부재(1)의 퀴리 온도를 수용가능한 상부 한계 온도보다 작게 설정하고, 퀴리 온도 도달 영역(P1-P2)의 두께가 최소 통과 크기를 갖는 피가열 재료의 반송 영역인 퀴리 온도 비도달 영역(P2)의 두께(tn) 보다 크도록 가열 부재의 두께를 설정하는 것에 의해 자속의 누설이 감소된다.

자속 누설, 퀴리 온도, 정착 롤러, 화상 가열 정착, 전자기 유도 가열, 시트 통과부 두께

Description

화상 가열 장치 {IMAGE HEATING APPARATUS}

본 발명은 유도 가열되는 가열 소자의 발열에 의해 가열 및 반송될 재료를 가열하기 위한 가열 장치 및 가열 장치를 사용하는 화상 형성 장치에 관한 것이다.

일본 특허 공개 공보 소59-33787호에는 가열원으로서 고주파 유도 가열을 이용하는 전자기 유도 가열식 가열 장치가 개시되어 있다.

이러한 가열 장치에서, 코일은 금속 도체(유도 가열 소자)를 포함하는 중공 정착 롤러에 동심적으로 배치된다. 고주파 전류는 코일을 통하여 진행하여 고주파 자기장을 발생시킨다. 자기장은 유도 와전류를 발생시켜, 정착 장치 자체는 표피 저항으로 인한 줄열을 발생시킨다. 전자기 유도 가열식 정착 장치에 따르면, 전기-열 변환 효율이 상당히 향상되어, 워밍업 시간을 감소시킬 수 있다.

그러나, 이러한 전자기 유도 가열식 정착 장치는 피가열 재료로서 반송되거나 통과될 수 있는 최대 크기의 기록재 전체가 소정의 정착 온도로 가열되어 토너 화상 정착을 수행하도록 작동된다. 이러한 이유 때문에, 실제 토너 화상 정착을 위해 필요한 것보다 높은 에너지가 소모되었다. 또한, 통과될 기록재가 작은 크기이며 가열 장치를 통해 연속적으로 통과되는 경우, 정착부에서 시트 통과 영역 이외의 영역(시트 비통과 영역)이 토너 화상의 정착 온도보다 높은 온도로 가열되어 (과열되어) 피가열 재료의 내부 온도 상승 또는 열적 열화를 유발하였다.

이러한 문제를 해결하도록, 예컨대 일본 특허 공개 공보 평09-171889호와, 평10-74009호와, 제2003-123957호에 개시된 바와 같이 자속 차폐 수단을 사용하는 것이 효과적이다.

그러나, 자속 차폐 수단을 구비하는 이러한 전자기 유도 가열식 가열 장치에서는, 가열되어 통과될 재료의 크기에 따라 자속 차폐 수단의 차폐 영역을 변화시키는 기구를 사용할 필요가 있다.

또한, 시트 비통과부에서의 온도 상승을 방지하기 위한 다른 수단으로서, 시트 통과 속도를 낮추거나(처리량을 낮추거나) 또는 방열 수단을 인접시키는 것이 효율적일 수 있지만, 기계의 생산성 저하, 방열 수단의 추가로 인한 장치의 복잡화 및 생산 비용의 증가와 같은 문제가 수반된다.

이러한 이유 때문에, 비통과부 온도 상승을 방지하기 위한 대안으로서, 전자기 유도 가열 부재의 퀴리 온도를 정착 온도 부근으로 설정하여, 전자기 유도 가열 부재의 온도가 퀴리 온도까지 제한되어 과열(퀴리 온도를 초과하는 온도 상승)을 방지하는 방법이 공지되어 있다.

또한, 에너지 절약 및 빠른 기동 시간에 대한 최근의 요구의 관점에서, 전자기 유도 가열식 가열 장치의 전자기 유도 가열 부재는 낮은 열량을 제공하도록 더 얇아지고 있다. 이러한 이유 때문에, 전자기 유도 가열 부재의 두께는 가열 부재의 온도가 퀴리 온도에 도달한 후의 자력선(magnetic lines of force)의 침투 깊이 (δ)보다 더 작은 것이 고려될 수 있다. 이러한 경우, 도5의 (b)에 도시된 바와 같이, 자기장 발생 수단으로부터 발생된 자력선(F)은 전자기 유도 가열 부재(1)를 관통하여 누설된다. 이러한 누설 자속(F')은 가열 장치의 외부에 영향을 미치진 않지만, 발열에 의해 손상되기 쉬운 신호선 또는 다른 부재가 가열 부재(1)의 부근에 배치된 경우에는 거리를 두거나 또는 자속 차폐를 고려할 필요가 있다. 그 결과, 결과적인 가열 장치는 대형화되거나 복잡성이 증가한다.

본 발명의 목적은 가열 소자의 부근에 배치된 전기 부품 등에의 누설 자속의 영향을 제거하도록 가열 소자의 온도가 가열 소자의 퀴리 온도에 도달하는 부분에서 누설 자속이 감소되는, 전자기 유도 가열식의 가열 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 가열 소자의 온도가 가열 소자의 퀴리 온도에 도달하지 않아 전체 가열 소자의 열량을 감소시킴으로써, 따라서 전자기 유도 가열 부재의 온도의 신속한 기동 시간을 허용하는 영역인, 반송되고 가열될 최소 크기의 재료의 반송 영역에 대응하는 영역에서 가열 소자의 두께가 작은, 전자기 유도 가열식의 가열 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 코일과, 상기 코일을 포함하고, 상기 코일로부터의 자속의 작용에 의해 발열하여 피가열 재료 상의 화상을 가열하는 가열 소자를 포함하되, 상기 가열 소자는 정착 온도보다 높고 상기 가열 장치의 내열 온도보다 낮은 퀴리 온도를 갖고, 피가열 재료의 소정의 크기에 대응하는 영역 외부의 영역에서, 피가열 재료의 소정의 크기에 대응하는 영역에서의 두께보다 큰 두께를 갖는 가열 장치가 제공된다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 목적, 구성 및 효과는 첨부되는 도면과 결합하여 취해진 본 발명의 양호한 실시예의 이하의 설명을 고려하면 더욱 명확하게 될 것이다.

도1은 제1 실시예의 화상 형성 장치의 개략적인 구조도이다.

도2는 제1 실시예에 사용된 정착 장치의 주요 부분의 개략적인 정면도이다.

도3은 제1 실시예에 사용된 정착 장치의 개략적인 확대 단면도이다.

도4의 (a), 도4의 (b), 도4의 (c)는 종방향에서 정착 롤러의 두께 분포를 각각 도시하는 도면이다.

도5의 (a)는 전자기 유도 가열 부재의 온도가 가열 부재의 퀴리 온도보다 낮은 경우의 작용 자력선의 상태를 도시한 개략도이며, 도5의 (b)는 가열 부재의 온도가 퀴리 온도보다 작지 않은 경우의 작용 자력선의 상태를 도시하는 개략도이다.

도6은 제2 실시예에 사용된 정착 장치의 개략적인 확대 단면도이다.

도7의 (a)는 정착 필름의 층구조를 도시하는 개략도이며, 도7의 (b)는 정착 닙부의 상태를 도시하는 개략적인 종단면도이다.

본 발명의 따른 가열 장치는 미정착 토너 화상이 피반송 기록재 상에 형성되어 가열 장치에 의해 가열 정착되는 복사기, 프린터 등에 사용되기 위한 정착 장치로서 양호하게는 사용될 것이다.

(제1 실시예)

이하에서, 본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 설명된다.

(1) 화상 형성 장치의 실시예

도1은 본 발명에 따른 전자기 유도 가열식의 가열 장치를 갖는 화상 가열 정착 장치로서 제공된 화상 형성 장치의 실시예의 개략적인 구조도이다.

본 실시예에서, 화상 형성 장치(100)는 전사식 전자사진 프로세스를 이용하는 레이저 주사 노광식 화상 형성 장치(복사기, 프린터, 팩시밀리, 이러한 기계들의 복합기 등)이다.

원고 지지 유리판(101) 위에는, 원고(O)가 소정의 장착 기준에 따라 아래쪽을 향하여 놓여지며, 원고 누름판(102)으로 덮여진다. 복사 시작 키가 눌려지면, 이동 광학계를 포함하는 화상 광전기 리더(리더 유닛)(103)가 작동되어 원고 지지 유리판(101) 상에 위치된 원고(O)의 하향 화상면의 화상 정보의 광전기 판독 처리가 수행된다. 또한, 원고 지지 유리판(101)에 원고 자동 급송기(ADF, RDF)를 장착함으로써 원고 지지 유리판(101) 상에 원고(O)를 자동 공급할 수 있다.

회전 드럼형 전자사진 감광체(이하, "감광 드럼"이라 함)(104)가 화살표로 표시된 시계 방향으로 소정 원주 속도로 회전 구동된다. 회전하는 동안, 감광 드럼(104)은 대전 장치(105)에 의해 소정의 극성 및 소정의 전위로 균일하게 전기적으로 대전된다. 감광 드럼(104)의 균일하게 대전된 표면은 노광부에서 전위가 감소될 화상 기록 장치(106)에 의해 화상 방향으로(imagewise) 광(L)에 노출되어, 노광 패턴에 대응하는 정전 잠상이 감광 드럼(104)의 표면상에 형성된다. 본 실시예에서 사용된 화상 기록 장치(106)는 레이저 스캐너이며, 도시되지 않은 제어기로부터의 지시에 따라 광전기 리더(103)에 의해 광전기적으로 판독된 원고 화상 정보에 대한 시계열(time-series) 전기 디지털 화소 신호로 변조된 레이저광(L)을 출력함으로써, 회전하는 감광 드럼(104)의 균일하게 대전된 표면을 노광시 스캔하여 원고 화상 정보에 대응하는 정전 잠상을 형성한다.

그 다음, 정전 잠상이 현상 장치(107)에 의해 토너로 토너 화상으로서 현상된다. 토너 화상은, 소정의 타이밍으로 시트(기록재) 공급 기구부로부터 감광 드럼(104)에 대향하는 전사 대전 장치(108)의 전사부(T)에 공급된 기록재 상에 감광 드럼(104)의 표면으로부터 정전기적으로 전사된다.

본 실시예의 화상 형성 장치의 시트 공급 기구부는 제1 내지 제4 시트 공급 카세트부(109 내지 112), 다용도 트레이(MP 트레이)(113), 반전 시트 재공급부(114)를 포함하며, 이 부분들로부터, 기록재(S)가 레지스트레이션 롤러(115)를 통해 소정의 타이밍으로 전사부로 선택 공급된다.

전사부에서 감광 드럼(104) 표면으로부터 토너 화상이 그 위에 전사된 기록재(S)가 감광 드럼(104) 표면으로부터 분리되어 미정착 토너 화상을 기록재(P) 상에 정착시키는 정착 장치(116)로 이송되며, 그 다음 방출 롤러(117)에 의해 화상 형성 장치의 외측에 위치된 출력 트레이(118) 상으로 방출된다.

한편, 기록재(S)의 분리 후 감광 드럼(104)의 표면은, 감광 드럼(105) 상에 남아 있는 잔류 토너를 제거하도록 클리닝 장치(119)에 의해 세정된다. 그 후, 감광 드럼(105)은 반복적으로 화상 형성된다.

양면 복사 모드의 경우, 일면 복사되고 정착 장치(116)로부터 공급된 기록재 는 반전 시트 재공급부(114)로 도입되어, 기록재의 다른 면 상에 토너 화상의 전사를 수행하는 전사부로 다시 공급된다. 결과로 생긴 기록재가 정착 장치(116)를 다시 통과하여, 방출 롤러(117)에 의해 화상 형성 장치 외측에 위치된 출력 트레이(118) 상에 방출된다.

(2) 가열 장치(정착 장치)(116)

도2는 정착 장치(116)의 주요부의 정면도이고, 도3은 주요부의 확대 단면도이다.

이 정착 장치(116)는 가열 롤러식이며, 전자기 유도 가열식 가열 장치이다. 정착 장치(116)는 주로 수직으로 평행하게 배치되어 있으며 서로에 대해 가압되어 정착 닙부(N)를 형성하는 한 쌍의 가열 롤러(1)와 가압 롤러(2)를 포함한다.

가열 롤러(1)(이후 "정착 롤러"라 칭함)는 유도 가열 소자로 형성된 중공(실린더형) 롤러(전자기 유도 가열 부재)이다. 롤러의 외측 주연면에는 토너 이형층(1a)이 형성된다. 본 실시예에서, 토너 이형층(1a)은 두께가 30 ㎛인 PTFE로 형성된다.

정착 롤러(1)는 양 단부에서 각각 베어링(23)을 통해 측판(21, 22)들 (정착 장치의 전방측 및 후방측에 위치됨) 사이에서 회전 가능하게 지지된다. 또한, 정착 롤러(1)의 내부 중공부에, 자장(자속) 발생 수단으로서 가열 조립체(3; 여자 코일 유닛)가 삽입되어, 비회전 상태로 정착 장치의 전방측 및 후방측에 위치한 유지 부재(24, 25)에 의해 고정식으로 지지되도록 배치된다.

가압 롤러(2)는 철 코어 샤프트(2a)와, 철 코어 샤프트(2a) 둘레에 일체식으로 동심적으로 감긴 실리콘 고무 내열성 탄성층(2b)과, 탄성층(2b)의 외면에 형성된 토너 이형층(2c)을 포함하는 탄성 롤러이다. 토너 이형층(2c)은 전술된 정착 롤러(1)의 토너 이형층(1c)과 유사하다. 가압 롤러(2)는 정착 롤러(1) 아래에 이와 평행하게 배치되며 양 단부에서 각각 베어링(26)을 통해 측판(21, 22)들 (정착 장치의 전방 및 인접 측에 위치됨) 사이에 회전 가능하게 유지된다. 가압 롤러(2)는 탄성층(2b)의 탄성에 대항하면서 미도시된 바이어스 수단에 의해 정착 롤러(1)의 하부면에 대해서 더 가압되어, 소정의 폭을 갖는 정착 닙부(N)를 형성한다.

전자기 유도 가열 부재로서 정착 롤러(1)를 구성하는 유도 가열 소자의 예시는 니켈, 철, 강자성 SUS, 철-니켈 합금, 철-니켈-크롬 합금 및 니켈-코발트 합금 등의 자성 금속 또는 합금(도전체 또는 자성체)과, 일본 특허 공개 공보 제2000-39797호에 개시된 바와 같이 필요에 따라 퀴리 온도(Curie temperature) 내로 조절된 자성-조절 합금을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 220 ℃로 설정된 퀴리 온도(합금이 자성을 잃어버리는 온도)를 갖는 철-니켈 합금이 사용된다.

퀴리 온도는 허용 가능한 상한보다 작게 설정되며, 예를 들어, 가열 장치(정착 장치)의 온도가 롤러 내에 배치된 코일을 위한 코팅 수지(재료)의 내열 온도 또는 정착 성능을 향상시키기 위해서 코어 금속에 표면 실리콘 고무층을 접착시켜 준비된 가열 롤러의 표면 고무층과 롤러 코어 금속 사이의 접착 내구성 온도 등의 내열 온도로 도달하지 않도록 장치 부품의 내열 온도보다 작게 설정될 수 있다. 롤러의 퀴리 온도는 고온 오프셋이 발생되는 온도보다 낮게 설정될 수 있다.

정착 롤러(1)는 바람직하게 철, 니켈 또는 코발트 등의 금속으로 형성될 수 있다. (투자율이 큰) 강자성 금속을 사용하여, 강자성 금속 내에서 자장 발생 수단으로부터 발생된 많은 양의 자속을 제한하는 것이 가능하다. 환언하면, 자속 밀도를 증가시키는 것이 가능하다. 그 결과, 강자성 금속의 표면에서 와전류가 효과적으로 생성되어 열을 발생시킨다. 정착 롤러(1)의 표면에서 토너 이형층(1a)은 일반적으로 두께가 10 내지 50 ㎛인 PTFE 또는 PFA의 층으로 형성될 수 있다. 또한, 토너 이형층(1a) 내에 배치된 고무층을 제공하는 것도 가능하다.

정착 롤러(1)의 중공부 내에 삽입되는 가열 조립체(3)는 홀더(외부 케이싱)(4)와, 여자 코일(5)과, 자기 코어(61, 62) 등의 조립체인 자장 발생 수단이다. 여자 코일(5)과 자기 코어(61, 62)가 홀더(4) 내에 수용 및 유지된다. 가열 조립체(3)는 소정 각도로 소정 위치에 배치되도록 정착 롤러(1)의 내부 중공부 내로 삽입되며, 비접촉식으로 정착 롤러(1)와 가열 조립체(3) 사이에 소정의 갭을 유지하는 상태로 정착 장치의 전방 및 후방측에 위치한 양 단부에서 유지 부재(24, 25)에 의해 비회전 방식으로 가열 조립체(3)가 고정식으로 지지되도록 한다.

홀더(4)용 재료로서, PPS계 수지, PEEK계 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 세라믹, 액정 폴리머 5 및 불소함유 수지와 같은 내열 및 비자기 재료를 적절히 사용하는 것이 가능하다.

여자 코일(5)에는 가열을 위한 충분한 교류 자속의 발생이 요구되어서, 낮은 저항 구성요소와 높은 인덕턴스 구성요소를 제공할 필요가 있다. 여자 코일(5)의 코어 와이어처럼, 리츠 와이어(litz wire)는 0.1 내지 0.3 ㎜의 직경을 갖는 대략 80 내지 160개의 가는 와이어 다발을 포함한다. 가는 와이어는 절연 전기 케이블 을 포함한다. 가는 와이어는 홀더(4)의 내측 하부의 형상에 따라 기다란 보드 형상으로 자기 코어(61, 62) 둘레에 복수회 권취되어, 여자 코일(5)을 제공한다. 여자 코일(5)은 정착 롤러(1)의 종방향으로 권취되고 홀더(4)의 내측벽 및 자기 코어에 의해 유지되며, 외부로 이어져서 전력 제어 장치(여자 회로, 52)에 연결되는 두 개의 리드(lead) 와이어(코일 공급 와이어; 5a, 5b)를 추가로 구비한다.

정착 롤러(1)의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 수단으로서의 서미스터(7)는, 탄성 부재를 사용하여 정착 롤러 표면에 대해 가압됨으로써 정착 롤러(1)의 표면과 탄성 접촉되도록 배열된다.

서미스터(7)에 의해 검출된 온도 신호는 제어 회로(51)로 입력된다. 온도 제어 수단(7)은 서미스터에 제한되지 않으며 접촉 타입 또는 비접촉 타입인 다른 온도 검출 장치일 수 있다.

가이드판(8)은 화상 형성 기구로부터 정착 장치(116)로 반송된 기록재(S)를 정착 롤러(1)가 정착 닙부(N)의 입구부로 가이드하기 전에 배치된다. 분리 클로(separation claw; 9)는 정착 닙부(N)로 유입되어 이를 통과하는 기록재(S)의 정착 롤러(1) 둘레에 대한 권취를 억제함으로써 정착 롤러(1)로부터 기록재(S)를 분리하는 수단으로서 작용한다. 가이드판(10)은 닙부(N)를 통과한 기록재(S)를 정착 롤러(1)가 출력 트레이 쪽으로 가이드한 후에 배치된다.

화상 형성 장치의 주 전력 스위치가 켜지면, 제어 회로(51)는 구동원(모터; M)을 작동시킨다. 구동원의 회전 구동력은 전력 전달 시스템을 거쳐 정착 롤러(1)의 일 단부에 고정된 정착 롤러 기어(G)에 전달되어, 정착 롤러(1)는 도3에 도시된 바와 같이 소정의 원주 속도(peripheral speed)로 화살표(A)의 시계 방향으로 회전 구동된다. 가압 롤러(2)는 화살표(B)의 반시계 방향으로 정착 롤러(1)의 회전에 의해 회전된다.

또한, 제어 회로(51)는 전력 제어 장치(52)로부터 코일 공급 라인(5a, 5b)을 거쳐 정착 롤러(1) 내에 제공된 가열 조립체(3)의 여자 코일(5)로 전기 전력(5; 본 실시예에서, 10kHz 내지 100㎑ 범위의 고주파 전류)를 공급하도록 전력 제어 장치(52)를 작동시킨다.

그 결과, 가열 조립체(3)로부터 발생된 자속(교류 자장) 및 작용에 의해, 유도 가열 부재로서의 정착 롤러(1)는 열[와전류 손실(eddy-current loss)에 의한 줄 열(Joule heat)]을 발생시킨다. 이런 정착 롤러(1)의 온도는 서미스터(7)에 의해 검출되고 검출된 온도 신호는 제어 회로(51)로 입력된다. 제어 회로(51)는 전력 제어 조립체(52)로부터 가열 조립체(3)의 여자 코일(5)로 공급되는 전력을 제어함으로써 정착 롤러의 온도를 조절하여, 소정의 정착 온도(이 실시예에서는 200℃)로 유지되도록 한다.

전술된 바와 같이, 정착 롤러(1)와 가압 롤러(2)가 회전 구동되고 정착 롤러(1)는 소정의 온도로 온도가 제어되도록 전력 공급에 의해 가열 조립체(3)의 여자 코일(5)에 열을 발생시키는 상태에서, 화상 형성 장치의 전사부에 정전식으로 전사된 미정착 토너 화상(t)을 담지한 기록재(S)는 정착 닙부(N)로 유입되어 협지 반송된다. 이런 닙 반송 프로세스 동안에, 기록재(S) 상의 미정착 토너 화상(t)은 열과 닙 압력에 의해 영구 정착 화상으로서 기록재 표면상에 정착된다.

(3) 정착 장치의 시트 비통과 영역의 과열 방지

정착 롤러(1)는 서미스터(7)에 의해 표면에서 200℃로 온도 제어되므로, 정착 롤러 온도는 대기 상태 또는 시트 통과 중 시트 통과 영역에서 상술된 220℃의 퀴리 온도를 초과하지 않는다. 이 상태에서, 자기장 발생 수단으로부터 발생한 자력선(F)은 도5의 (a)에 도시된 바와 같이 유도 가열 소자인 정착 롤러(1)의 표면부에 집중되어, 유도 가열 소자(1)의 내부에 침투할 때 밀도가 지수적으로 저하되는 상태로 표면부를 따라 통과한다 (표피 효과).

여기서, 자속 밀도가 정착 롤러(1)의 표면의 0.368 배까지 감소하는 깊이를 침투 깊이(δ)로 나타내며, 이는 일반적으로 아래의 식으로 나타낸다.

δ=(Π×f×μ×σ)^-1/2

여기서, f는 자기장 발생 수단의 여자 전류 주파수를 나타내고, μ는 유도 가열 소자의 투자율을 나타내고, σ는 유도 가열 소자의 도전율을 나타낸다.

표피 저항(Ｒs)은 Ｒs=Π/δ(Π: 비저항)에 의해 나타내진다. 정착 롤러(1)는 표피 저항에 의한 줄 열에 의해 가열된다.

한편, 작은 크기의 종이가 연속해서 통과되는 경우, 시트 비통과 영역에서는 시트에 대한 열 손실이 없으므로, 정착 롤러(1)의 온도는 상술된 줄 열에 의해 상승된다. 정착 롤러(1)의 상승된 온도가 정착 롤러(1)의 퀴리 온도인 220℃에 도달하면, 정착 롤러(1)의 자성은 손실된다(투자율은 1이 된다).

이러한 경우, 상기 식에 의해 나타내어지는 침투 깊이(δ)는 신속하게 증가 되어, 표피 저항(Ｒs)은 급격하게 저하된다. 이러한 이유로, 정착 롤러 온도가 220℃에 도달하면, 정착 롤러(1)의 후속 가열이 실행되지 않는다. 따라서, 시트 비통과부 온도 상승을 220℃에서 억제하는 것이 가능하다.

상술된 바와 같이, 유도 가열 소자인 정착 롤러(1)의 퀴리 온도를 시트 비통과부(영역)에서 발생하는 온도 상승에 대한 미리 결정된 값으로 설정함으로써, 복잡한 구조를 이용하여 생산성을 저하시키지 않으면서, 시트 비통과부 온도 상승에 관련된 문제점을 해결하는 것이 가능해진다.

보다 구체적으로, 본 실시예에서, 기록재의 통과 작업은 정착 장치(116)에서 중앙 기준 반송으로 이루어진다. 도2에서, C는 중앙 기준선을 나타낸다. 이 실시예에서, 최대 시트 통과폭(P1)은 320mm이고, 시트가 일반적인 작업량으로 반송되는 최소 시트 통과폭(P2)은 150mm이다.

정착 롤러(1)에 대한 온도 검출 수단인 서미스터(7)는 최소 시트 통과폭(P2)의 영역내의 위치에 대응하는 정착 롤러의 표면부를 검출하도록 배치된다. 서미스터(7)를 포함하는 제어 시스템(51, 52)은 여자 코일(5)에 대한 전력 공급을 제어하여, 정착 롤러(1)는 이 영역에서 미리 결정된 표면 온도(본 실시예에서 200℃)를 가져 정착 롤러(1)의 온도 제어가 상기 온도에서 유지되도록 기동된다.

(최소 시트 통과폭(P2)보다 작지 않고 최대 시트 통과폭(P1)보다 작은 시트폭을 갖는) 작은 크기의 종이가 연속하여 반송될 때, 정착 롤러(1)의 작은 크기의 종이 통과 영역에 대응하는 부분에서의 정착 롤러(1)의 온도는 서미스터(7)를 포함하는 제어 시스템(51, 52)에 의한 온도 제어에 의해 미리 결정된 정착 온도인 200 ℃로 유지된다. 그러나, 최대 시트 통과폭(P1)과 작은 크기의 종이 통과 영역 사이의 차이 영역인 시트 비통과 영역에 대응하는 정착 롤러(1)의 부분에서는, 정착 롤러 온도가 시트 비통과부 온도 상승 현상으로 인해 200℃(미리 결정된 정착 온도) 이상으로 증가된다.

그러나, 본 실시예에서는, 전자 유도 가열 부재인 정착 롤러(1)의 퀴리 온도가 220℃로 설정되므로, 시트 비통과 영역에 대응하는 정착 롤러부의 온도가 220℃에 도달하면, 정착 롤러부의 자성이 급격하게 저하되어, 정착 롤러부의 온도가 퀴리 온도 220℃ 이상으로 증가되는 것이 방지된다. 즉, 시트 비통과 영역의 온도 상승은 최대 퀴리 온도 220℃로 제한되어, 온도가 상기 퀴리 온도 이상으로 더욱 증가되는 과열이 방지될 수 있다.

(4) 정착 롤러(1)의 두께 설정

(전자기 유도 가열 부재인) 정착 롤러(1)의 종방향의 두께 분포 형상은 도4의 (ａ)에 도시되어 있다. 정착 롤러(1)의 두께에 있어서, 퀴리 온도 도달 영역(정착 롤러의 온도가 시트 비통과 부분의 온도 상승에 의해 퀴리 온도에 도달하는 최대 시트 통과 영역(P1)과, 최소 시트 폭(P2) 이상이고 최대 시트 폭(P1)보다 작은 시트 통과 폭을 가지는 소형 종이의 시트 통과 영역 사이의 차이 영역)에서의 정착 롤러(1)의 두께(tk)는 정착 롤러의 온도가 퀴리 온도에 도달하지 않도록 온도 조절에 의해 항상 소정의 정착 온도인 200℃로 유지되는 최소 시트 폭(P2) 영역에 대응하는 부분에서의 정착 롤러(1)의 두께(tn)보다 두껍게 설정된다.

본 실시예에서, 전술한 바와 같이, 정착 롤러(1)의 퀴리 온도(자성 손실 온 도)는 예컨대 철과 니켈의 배합 비율의 설정에 의해 220℃로 설정된다. 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달하기 전의 투자율(μ)은 100×4∏×10^-7[H/m]이고, 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달한 후의 투자율(μq)은 4∏×10^-7[H/m]이다. 또한, 도전율(σ)은 1.3×10⁶ [S/m]이다.

본 실시예에서, 정착 롤러(1)의 내면 형상을 변경함으로써, 상기 P2 영역에서의 두께(tn)는 최소 시트 폭(P2)보다 작지 않으며 최대 시트 폭(P1)보다 작은 영역에서의 두께(tk)보다 작고, 정착 롤러의 온도가 퀴리 온도에 도달하지 않도록 온도 조절에 의해 항상 소정의 정착 온도인 200℃로 유지되는 최소 시트 폭(P2) 영역에 대응하는 부분에서의 정착 롤러(1)의 두께(tn)보다 두껍게 설정된다. 다시 말해, 소정 크기의 종이에 대응하는 영역 바깥의 영역에서의 롤러 두께는 소정 크기의 종이에 대응하는 영역에서의 롤러 두께보다 크다.

여기서,“소정 크기의 종이에 대응하는 영역”은 소정 크기의 종이의 폭을 가지는 영역 뿐만 아니라, 종이 통과 영역의 교차, 롤러의 재료, 및 반송 속도에 의해 결정되는 온도 상승 영역에 따라 적절하게 변경될 수 있는 대응 폭을 가지는 영역을 의미한다.

또한 본 실시예에서, 소정 크기의 종이는 최대 반송 가능 크기보다 작은 크기를 가지지만, 최대 반송 가능 크기와 동일한 크기를 가질 수도 있다. 후자의 경우에, 최대 시트 반송 영역이 아닌 다른 영역에서의 자속 누설을 감소시킬 수 있다.

본 실시예에서, 전술한 바와 같이, 정착 롤러(1)의 퀴리 온도(자성 손실 온도)는 예컨대, 철과 니켈의 배합 비율의 설정에 의해 220℃로 설정된다. 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달하기 전의 투자율(μ)은 100×4∏×10^-7[H/m]이고, 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달한 후의 투자율(μq)은 4∏×10^-7[H/m]이다. 또한 도전율(σ)은 1.3×10⁶ [S/m]이다.

본 실시예에서, 정착 롤러(1)의 내면 형상을 변경함으로써, 상기 P2 영역에서의 두께(tn)는 P2 영역 외측에 있는 영역에서의 두께(tk)보다 작다. 본 실시예에서, 두께(tn)는 0.5 mm이고, 두께(tk)는 1.5 mm이다.

또한, 정착 롤러(1)는 예컨대, 시트 반송 작동 중의 시트 주름 방지 등의 관점에서 약간의 역캠버 형상(약 100㎛의 직경차)을 가지는 외주연면을 구비한다.

정착 롤러(1)는 서미스터(7)에 의해 200℃의 표면 온도를 가지도록 온도 제어되므로, 대기시나 시트 통과시에 시트 통과 영역에서의 정착 롤러 온도가 220℃의 퀴리 온도를 넘지 않는다. 따라서, 자장 발생 수단(3)으로부터 발생한 자력선은 다음 식에서 나타난 침투 깊이(δ) 만큼 정착 롤러(1)를 관통하여 정착 롤러(1) 내부를 통과한다.

δ = (Π×f×μ×σ)^-1/2

= 0.00014 (m) = 0.14 (mm)

여기서, f는 자장 발생 수단의 여자 전류 주파수이고, μ는 유도 가열 소자 의 투자율이며, σ는 유도 가열 소자의 도전율이다.

표피 저항(Rs)은 Rs = ∏/δ (∏ : 비저항)으로 나타난다. 정착 롤러(1)는 표피 저항에 의한 줄 열에 의해 가열된다.

한편, 작은 크기 종이를 연속적으로 통과하는 경우에는, 시트 비통과 영역에서 시트에 대한 열 손실이 없어서, 정착 롤러(1) 온도는 상술한 줄 열에 의해 상승된다. 정착 롤러(1)의 상승된 온도가 정착 롤러(1)의 퀴리 온도인 220℃에 도달하면, 정착 롤러(1)의 자성이 사라진다. 특히, 투자율은 4Π × 10^-7이 된다. 이 경우, 침투 깊이(δ)는 이하의 식을 만족하도록 빠르게 증가된다

δ = (Π×f×μq×σ)^-1/2

= 0.0014 (m) = 1.4 (mm)

그 결과, 표피 저항이 급격하게 저하되고, 정착 롤러 온도가 220℃(퀴리 온도)에 도달되면 정착 롤러(1)의 후속 가열이 실행되지 않는다. 따라서, 시트 비통과 영역에서 온도 상승을 220℃에서 억제할 수 있다.

한편, 작은 크기 종이가 연속적으로 통과할 때 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달하는 P2 영역 외측의 영역에서 두께(tk)는 1.5mm이어서, 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달한 후의 자력선의 침투 깊이인 1.4mm보다 크다. 따라서, 정착 롤러(1)의 온도가 작은 크기 종이의 연속 통과시 퀴리 온도에 도달하는 경우에도, 거의 모든 자력선이 정착 롤러(1)에 잔류한다. 그 결과, 정착 롤러 외측으로의 자속의 누설이 거의 발생하지 않는다. 이러한 이유로, 예컨대 상술된 가열 소자의 온 도를 제어하는 제어 회로 등에 연결된 신호선에 대한 전자기적 영향을 방지할 수 있다.

또한, 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달하지 않는 P2 영역에서 두께(tn)는 얇아서(0.5mm), 전체 정착 롤러의 열용량은 감소될 수 있다. 그 결과, 예컨대 정착 롤러의 신속한 기동 시간의 실현이 가능하다.

정착 롤러 두께(tn, tk)의 변화는 정착 롤러의 상응하는 내부 직경(φdk)을 변화시킴으로써 제공되기 때문에, 정착 롤러의 외면 형상이 종이 반송에 적합한 바람직한 형상으로 제공될 수 있다. 그 결과, 시트 반송에 악영향을 미치지 않는다. 따라서, 정착 롤러의 열용량의 저감과 상술한 누설 자속을 방지하는 효과 모두를 달성할 수 있다.

또한, 두께가 도4의 (a)에 도시된 단계적 변화 형태와는 다르게, 도4의 (b)에 도시된 바와 같이 연속적으로 변화하는 두께 분포 형상을 사용한 경우에도 유사한 효과가 기대될 수 있다. 또한, 시트 반송이 일측 기준 반송에 의해 수행되는 경우에는, 도4의 (c)에 도시된 바와 같이 두께 분포 형상의 변화는 각 크기의 시트의 위치를 기초로 제공될 수 있다. 도4의 (c)에서, D는 일측 기준 선을 나타낸다.

본 실시예에서, 정착 롤러의 시트 비통과부에 상응하는 부분의 두께(tk)는 정착 롤러 온도가 퀴리 온도에 도달한 후의 침투 깊이보다 크게 설정되었지만, 이러한 두께 관계가 만족되지 않은 경우에도 자속의 감쇠 효과는 두께에 대해 지수적으로 얻어질 수 있다. 이러한 이유로, 두께가 침투 깊이보다 두껍지 않은 경우에도, 두께가 크면 클수록 큰 효과가 얻어질 수 있다.

또한, 실제 시장에서 사용되는 가열 장치의 경우에는, 다양한 종이(시트) 크기가 존재하기 때문에, 정착 롤러의 두께는 명확하게 시트 통과부 및 시트 비통과부에 일치하도록 변화될 필요는 없다. 온도 상승을 유발하는 시트 비통과부의 두께가 적어도 작은 크기 종이가 통과될 때 시트 통과 영역의 중심부에서의 두께보다 두꺼운 경우에는, 자속 누설 감소 효과가 달성될 수 있다. 이러한 효과면에서 볼 때, 양호한 실시예에서는 시트 비통과 영역에서의 정착 롤러의 두께는 최소 크기 시트 통과 영역에서의 두께보다 크다. 그 결과, 자속 누설 감소 효과는 모든 종이에 대해 얻어질 수 있다.

(제2 실시예)

도6은 본 발명에 따른 전자기 유도 가열식의 가열 장치로서의 정착 장치(116)의 개략 단면도이다.

본 실시예에서, 정착 장치(116)는 정착 롤러(1)가 가요성 정착 필름(1A)으로 변경된 점을 제외하고는 (도3에 도시된) 제1 실시예의 정착 장치(116)와 동일한 구성이다.

도6에 도시된 바와 같이, 필름 가이드 부재(13) 및 여자 코일(5)은 가열 조립체(3)로서 일체로 배치되며, 전자기 유도 가열 부재로서의 무단 벨트형 정착 필름(1A)은 필름 가이드 부재(13), 구동 롤러(14) 및 텐션 롤러(15) 주위를 인장 상태로 연장한다. 가열 조립체(3)의 필름 가이드 부재(13)의 하면부 및 정착 필름(1A)의 이동에 의해 회전되는 탄성 가압 롤러(2)는 정착 필름(1A)을 통해 서로 압접되어서, 정착 닙부(N)를 형성한다. 중앙 기준 반송에 의해, 기록재(S)는 정착 닙부(N)로 도입되어 그 후 협지 반송되어서, 전기 유도 발열 및 닙 압력에 의해 기록재(S) 상에 미정착 토너 화상(t)을 정착한다. 다른 구성의 부재 및 온도 제어 시스템의 구성은 제1 실시예의 정착 장치(116)와 동일하다.

(시트 통과 방향에 직교하는) 길이 방향으로의 확대된 단면도인 도7의 (a)에 도시된 바와 같이, 정착 필름(1A)은 철-니켈 합금의 유도 가열 소자층(a)의 표면이 200 ㎛ 두께의 실리콘 고무의 탄성층(b)으로 피복되고 또한 30 ㎛ 두께의 플루오르 함유 수지의 이형층(c)으로 피복되는 층 구성을 갖는다. 유도 가열 소자층(a)은 종방향 중앙부의 두께가 50 ㎛이고 단부 부분에서의 두께가 200 ㎛이어서, 두께가 종방향으로 점진적으로 변한다.

유도 가열 소자층(a)은 220℃의 퀴리 온도를 갖도록 자성 조절 합금(magnetism-adjusted alloy)으로 형성된다. 작은 치수의 종이를 중앙 기준 반송을 통해 연속적으로 통과시키는 경우에, 시트 비통과부에 대응하는 유도 가열 소자층(a)의 일부는 온도가 220 ℃에 도달하지만 220 ℃ 이상으로 상승되지 않는다. 그 결과, 작은 치수의 종이를 통과시킬 때 시트 비통과부에서의 온도 상승(과열)이 억제된다.

길이 방향 단면도인 도7의 (b)에 도시된 바와 같이, 필름 가이드 부재(13)의 하면부 및 종동 회전 가압 롤러(2)를 정착 필름(1A)을 통해 서로 압접시킴으로써 정착 닙부(N)가 형성된다. 필름 가이드 부재(13)의 하면부는 중앙부에서의 볼록한 두께가 100 ㎛이도록 하향 볼록 형상을 가지며, 이에 의해 전술된 정착 필름(1A)의 두께 변화 형상은 필름 가이드 부재(13)의 하향 볼록 형상에 의해 상쇄되어, 시트 반송에 적절한 50 ㎛의 하향 볼록 두께를 갖는 형상을 갖는 정착 닙부(N)에서의 정착 필름(1A)을 제공한다.

제1 실시예에서와 유사하게, 전술된 정착 장치를 사용함으로써, 유도 가열 소자층(a)의 두께에 의해 시트 비통과부에서의 온도 상승 시에 자속 누설을 저감하면서 적절한 종이(시트) 반송을 실현할 수 있다.

[다른 실시예]

1) 본 발명에 따른 전자기 유도 가열식의 가열 장치는, 전술된 실시예에서와 같은 화상 가열 정착 장치로서 이용되는데 한정되지 않고, 미정착 화상을 기록 시트에 가정착하는 가정착 장치, 또는 정착 화상을 담지한 기록 시트를 재가열함으로써 광택과 같은 화상 표면성을 개질하는 표면 개질 장치와 같은 화상 가열 장치로서도 유효하다. 또한, 본 발명의 가열 장치는 지폐 등의 주름 제거용 열 프레스 장치, 열 라미네이팅 장치 또는 종이 등의 함수분을 증발시키는 가열 건조 장치 등의 시트형 부재를 가열 처리하는 가열 장치로서도 유효하다.

2) 유도 가열 부재는 단일 유도 가열 부재, 또는 유도 가열층과 내열성 플라스틱, 세라믹 등의 다른 재료 층을 포함하는 2개 이상의 층을 갖는 다층 부재로 구성될 수 있다.

3)자기장 발생 수단에 의한 유도 가열 부재(소자)의 유도 가열 방식은 내부 가열 방식으로 한정되지 않으며, 자속 발생 수단이 유도 가열 부재의 외측에 배치된 외부 가열 방식일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자기 유도 가열식의 가열 장치에 따르면, 가열 소자의 온도가 가열 소자의 퀴리 온도에 도달하는 부위에서 누설 자속이 감소되어, 가열 소자의 근방에 배치된 전기 부품 등에 대한 누설 자속의 영향이 제거된다.

본 발명의 가열 장치에서는, 가열 소자의 온도가 가열 소자의 퀴리 온도에 도달하지 않은 영역인, 반송되고 가열될 최소 크기 재료의 반송 영역에 대응하는 영역에서 가열 소자의 두께가 얇아 전체 가열 소자의 열량이 감소되기 때문에, 전자기 유도 가열 부재의 온도의 신속한 기동 시간을 허용한다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
자속을 발생하는 코일과,

기록재 상의 화상을 가열하기 위해 상기 코일로부터의 자속에 의해 발열하는 발열층을 포함하는 발열 부재와,

상기 발열 부재의 온도가 기록재 상의 화상을 가열하기 위한 화상 가열 온도가 되도록 상기 코일로의 전력 공급을 제어하는 제어 수단을 포함하고,

상기 발열 부재는 화상 가열 온도보다 높고 상기 화상 가열 장치의 내열 온도보다 낮은 퀴리 온도를 갖고,

상기 발열층의 중심 두께는 퀴리 온도에서 침투 깊이보다 작고 상기 발열층의 단부 두께는 상기 발열층의 중심 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 발열층의 중심 두께는 화상 형성 온도에서 침투 깊이보다 큰 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 발열층의 단부 두께는 퀴리 온도에서 침투 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 화상 가열 장치는 10kHz 내지 100kHz의 주파수를 가지는 고주파 전류를 상기 코일에 공급하는 전력 공급원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 발열 부재는 롤러인 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제10항에 있어서, 상기 롤러는 롤러 중심부의 내경보다 작은 단부 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제10항에 있어서, 상기 롤러는 롤러 중심부의 외경보다 큰 단부 외경을 가지는 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 발열 부재는 벨트인 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 화상 가열 장치는 상기 발열 부재의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 부재를 더 포함하고, 상기 제어 수단은 상기 온도 검출 부재의 출력에 따라 상기 코일로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.
제6항에 있어서, 상기 화상 가열 장치는 상기 코일을 포함하는 코일 유닛을 더 포함하고, 상기 코일 유닛은 상기 발열 부재 내측에 제공되는 것을 특징으로 하는 화상 가열 장치.