(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体により形成された円筒形状で、中心軸周りに回転可能に保持された中空ローラに近接させてコイルを配設し、このコイルに高周波電力を供給して上記中空ローラに渦電流を生じさせることにより上記中空ローラを加熱し、この加熱された中空ローラを用いて転写紙上に形成されたトナー像を当該転写紙に定着するようにした誘導加熱方式の定着装置であって、上記コイルを中空ローラの外部に配設するとともに、上記中空ローラの両端部に樹脂や弱磁性体材料製の蓋を設け、該蓋は中空ローラ内面に所定深さまで嵌合可能な円筒状の案内部と、上記所定深さを規制するとともに案内部の一端を塞ぐ円板状のフランジ部と、フランジ部の外側に中空ローラと同軸に形成され該中空ローラの軸受け部に回転可能に軸支される回転軸部とから構成されていることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
上記蓋は断熱性材料で形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
上記蓋は空気孔を備えたものであることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真方式の複写機、プリンタ、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するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電子写真方式の画像形成装置では、感光体等からなる像形成部により形成されたトナー像が、給紙部から感光体位置に搬入された転写紙に転写部により転写され、定着部によりそのトナー像が転写紙に定着された後、装置外に排出されるようになっている。
【０００３】
定着部としては、最近では、高速化の点から加熱ローラと加圧ローラにより構成される熱ローラ定着方式を採用することが多い。熱ローラ定着方式では、加圧ローラは加熱ローラに所定の圧力で押し付けられており、トナー像が転写された転写紙は加熱ローラと加圧ローラの間に通されて、加熱ローラからの熱と加圧ローラの圧力によってトナー像が転写紙に定着されるようになっている。
【０００４】
従来の加熱ローラは、ハロゲンランプなどからなるヒータを内蔵し、このヒータからの輻射熱によってローラ表面を加熱するようにしたものが多い。
【０００５】
これに対して、導電性部材で形成された加熱ローラの内部又は外部にコイルが巻回されたコアを配設し、このコイルに高周波電力を供給し、この高周波電力によって生じた高周波磁界がローラに鎖交することによりローラに誘導渦電流を発生させ、この渦電流とローラの抵抗によって生じるジュール熱により、加熱ローラを加熱するようにした誘導加熱方式の定着装置が提案されている（特開昭５４−３９６４５号公報、特開平７−２９５４１４号公報、特開平９−２５８５８６号公報参照）。
【０００６】
この誘導加熱方式の定着装置は、ローラ自体を加熱するので、ヒータにより間接的に加熱する方式に比べて効率がよく、ローラ以外の部分における温度上昇を低減できる。従って、定着可能温度まで上昇するのに要する時間の短縮や装置の省エネルギー化などを実現することが期待されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、加熱ローラの内部にコイルを配置したのでは、このローラからの輻射熱でコイル自身も加熱されてしまう。すると、コイルの抵抗値やインダクタンス値等の特性が変化して効率が低下し、コイル線自身が溶融して絶縁破壊を引き起こし、ひいてはコイルに電力を供給する電源にも多大な影響を与えるおそれがあった。このため、ファン等を用いてコイルを強制的に冷却する必要があり、加熱する一方で冷却するといった非効率的なこととなる。また、強制的に冷却する場合には、ローラの開口部を大きくとらざるをえず、ローラ両端部の温度低下を加速することとなる。
【０００８】
一方、加熱ローラの外部にコイルを配置したとしても、上記コイルの強制的な冷却は不要となるものの、ローラの両端部からの空気の出入りや熱伝導による自然放冷があるため、この場合も、加熱する一方で冷却するといった非効率的なこととなり、特にローラ両端部の温度低下が著しい。
【０００９】
いずれの場合においても、ローラ両端部の温度低下は、ローラ全長に亘る均一な定着性を阻害するので、従来は、コイルの巻回数をローラ端部側でローラ中央側に比べて密にしたり、コイルを分割してそれぞれ独立に制御を行うなど複雑な構成をとらざるをえなかった。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するもので、簡単な構成で加熱効率のさらなる向上を図ることのできる誘導加熱方式の定着装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、強磁性体により形成された円筒形状で、中心軸周りに回転可能に保持された中空ローラに近接させてコイルを配設し、このコイルに高周波電力を供給して上記中空ローラに渦電流を生じさせることにより上記中空ローラを加熱し、この加熱された中空ローラを用いて転写紙上に形成されたトナー像を当該転写紙に定着するようにした誘導加熱方式の定着装置であって、上記コイルを中空ローラの外部に配設するとともに、上記中空ローラの両端部に樹脂や弱磁性体材料製の蓋を設け、該蓋は中空ローラ内面に所定深さまで嵌合可能な円筒状の案内部と、上記所定深さを規制するとともに案内部の一端を塞ぐ円板状のフランジ部と、フランジ部の外側に中空ローラと同軸に形成され該中空ローラの軸受け部に回転可能に軸支される回転軸部とから構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
この構成によれば、上記コイルが中空ローラの外部に配設されたので、コイルは自然放冷される一方、ローラは加熱されるだけとなる。したがって、ローラを加熱する一方で冷却するといった非効率的なことがなくなる。また、上記コイルの両端部に樹脂や弱磁性体材料製の蓋が設けられ、該蓋は中空ローラ内面に所定深さまで嵌合可能な円筒状の案内部と、上記所定深さを規制するとともに案内部の一端を塞ぐ円板状のフランジ部と、フランジ部の外側に中空ローラと同軸に形成され該中空ローラの軸受け部に回転可能に軸支される回転軸部とから構成されているので、ローラ両端部からの空気の出入りによる自然冷却が殆どなくなり、加熱効率が改善される。
【００１３】
また、効率的な誘導加熱が行われるようになるので、加熱効率がさらに改善される。
【００１４】
請求項２記載の発明のように、上記蓋は断熱性材料で形成されたものであれば、ローラ端部からの熱伝導による放熱が少なくなり、加熱効率がさらに改善される。
【００１５】
請求項３記載の発明のように、上記蓋は空気孔を備えたものであれば、ローラ内の空気膨張による昇圧が防止される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る定着装置が適用される複写機の一実施形態における要部を示す構成図である。
【００１７】
この複写機１では、帯電部２により感光体３が一様に帯電され、原稿読取部９０（図３参照）により読み取られた原稿画像に基づく露光部４からの光により感光体３上に静電潜像が形成され、現像部５により静電潜像にトナーが付着してトナー像が形成される。一方、転写紙７が給紙部７０（図３参照）から感光体３に向けて搬送され、転写部６により感光体３表面のトナー像が転写紙７に転写される。
【００１８】
そして、感光体３から分離された転写紙７は定着部８に搬送され、この定着部８においてトナー像が転写紙７に定着された後、転写紙７は排出ローラ対９により図外の排出部に排出される。
【００１９】
定着部８は、加熱ローラ１１及び加圧ローラ１２を備え、複写機本体に固定された定着ユニット１３内に配設されている。
【００２０】
加熱ローラ１１は、導電性部材で形成された直径略４０ｍｍの円筒形状の中空ローラで、速やかに加熱されるようにできるだけ薄肉となっており、その表面には例えばテフロンゴムで形成された離型層が設けられている。また、ローラ１１の外側の所定位置には、フェライトなどからなるコア１４が配設され、この加熱コア１４には例えば銅線からなるコイル１５が巻回されている。上記導電性部材としては、強磁性体である鉄、ニッケルなどが誘電加熱効率の面から好適であり、例えばＳＵＳ４３０に代表されるステンレス鋼などが耐食性の面からさらに好適である。ただし、必要に応じて弱磁性体や非磁性体を用いてもよい。
【００２１】
この加熱ローラ１１は、中心軸１６（図２参照）周りに回転自在に定着ユニット１３に保持され、その一端に駆動ギア（図示省略）が取り付けられており、この駆動ギアに接続されたモータ（図示省略）によって回転駆動されるようになっている。
【００２２】
一方、加圧ローラ１２は、表面が加熱ローラ１１の表面より若干軟らかい、例えばシリコンゴムで形成され、加熱ローラ１１に接触し所定の圧力で押し付けられて定着ユニット１３に回転自在に保持されており、加熱ローラ１１の回転によって従動するように構成されている。
【００２３】
これらのローラ１１，１２間に転写紙７が搬送されてくると、両ローラでこの転写紙７を挟み込んでその転写紙７に転写されたトナー像をその転写紙７に加熱定着する。このとき、定着後の転写紙７が加熱ローラ１１に巻き付いて剥がれないことがあるので、強制的にその剥離を行うべく切片状の分離部材２０が加熱ローラ１１の上記接触位置の下流側に配設されている。
【００２４】
図２はコイルと加熱ローラとの構成を示す斜視図である。なお、図１と同一の要素には同一符号を付している。
【００２５】
コイル１５が巻回されたコア１４は、加熱ローラ１１との間に所定寸法の隙間を保持して加熱ローラ１１の外部に配置され、定着ユニット１３に固定されて回転しないようになっている。この隙間により、コア１４およびコイル１５は加熱ローラ１１と絶縁されている。
【００２６】
コア１４は、加熱ローラ１１に平行に配置され、中心軸１６に直交する断面は加熱ローラ１１に対向する側に２条の平行溝が形成された矩形状をなしており、その寸法はローラ径よりも若干小さいものである。コイル１５は１本の銅線により構成されており、コア１４の上記平行溝内に理想的には１段の渦巻き状に巻回されるが、複数段に巻回されることとしてもよい。図例では、コイル１５は、平行溝内にそれぞれ３重になって収まるように巻回されているが、実際にはさらに多重になって収まるように巻回されている。このような構成により、巻回されたコイル１５を中心として発生した磁界を強めることができる。
【００２７】
図２において、コア１４は加熱ローラ１１の右上側に配設され、加熱ローラ１１の長尺方向とは略同一サイズに設定されており、本実施形態の複写機１は、Ａ３サイズの転写紙７（図１参照）を長辺方向に搬送して複写する際に加熱ローラ１１の全長に亘ってこの転写紙７が接触して定着させることができるようになっている。
【００２８】
また、本実施形態では、加熱ローラ１１の両端部をキャップ（蓋）１７で塞ぐこととしている。キャップ１７は、加熱ローラ１１内面に所定深さまで嵌合可能な円筒状の案内部１７ａと、上記所定深さを規制するとともに案内部１７ａの一端を塞ぐ円板状のフランジ部１７ｂと、フランジ部１７ｂの外側に加熱ローラ１１と同軸に形成された直径略２０ｍｍの円筒状の回転軸部１７ｃとから構成されており、この回転軸部１７が加熱ローラ１１の軸受け部１８に嵌合することにより、図１の定着ユニット１３に回転可能に軸支される構成である。キャップ１７のフランジ部１７ｂで加熱ローラ１１内外の空気入れ替わりが遮断され、加熱ローラ１１端部の温度低下を防いで、加熱効率を向上させることができるようになる。
【００２９】
また、このキャップ１７の案内部１７ａ、フランジ部１７ｂ及び回転軸部１７ｃは、使用される材料として、樹脂、金属、セラミック等があげられるが、中でも、耐熱性に優れ、コイル１５によって誘導加熱されにくく、軸受け部１８へ熱を伝えにくく、耐衝撃性の高いものがよい。例えばＰＢＴ、フェノール系等の耐熱性樹脂や、弱磁性体で熱伝導率が比較的低い金属であるＳＵＳ３０４等が、好適な構成材料としてあげられる。これにより軸受け部１８を加熱ローラ１１の熱から保護しつつ、さらに加熱効率を向上させることができる。
【００３０】
さらに、キャップ１７のフランジ部１７ｂの中心には、直径２〜３ｍｍ以下の貫通孔（空気孔）１９を設けている。これは、キャップ１７を設けたことでローラ内部に閉じこめられた空気が、加熱ローラ１１を加熱した際に熱膨張してローラ内圧が上がり、キャップ１７が脱落したり、飛び出すのを防ぐためである。また、この貫通孔１９を設けておけば、組立工程においてもキャップ１７の圧入が容易になるというメリットもある。この他、軸受け部１８だけを小さくすることも可能であり、軸受け部１８の摺動負荷の低減や軸受け部材のコスト削減にも効果がある。
【００３１】
ところで、本実施形態では、コイル１５を巻回したコア１４を加熱ローラ１１の外部に配設しているが、その配置位置は加熱ローラ１１と圧力ローラ１２との接触部にできるだけ近い加熱ローラ１１の上流部分のみに限定している。その理由は、加熱ローラ１１と圧力ローラ１２との接触は実際には線接触ではなく、略８〜１０ｍｍの幅を持った範囲で行われ、その間で加熱定着を行うためにはできるだけその接触部の上流部分の近い位置にコイル１５を配設し、ここに搬送されてくる転写紙７上に転写されたトナー像を速やかに溶融させる必要があるからである。
【００３２】
その一方、加熱ローラ１１の上記接触部の下流部分には、定着後の転写紙７を引き剥がすための分離部材２０が配設されているが、この分離部材２０で引き剥がされるまでにできるだけ温度を低下させることで一旦溶融したトナー像を冷却して転写紙７上への定着を確実に行う必要があるからである。そのため、本実施形態では、加熱ローラ１１の上記接触部の下流部分にはコイル１５を配設しないこととしている。
【００３３】
図３は複写機１の電気的構成の要部を示すブロック図である。なお、図１、図２と同一の要素には同一符号を付している。
【００３４】
図３において、コイル１５（銅線）に共振用のコンデンサＣ１が並列接続されて共振回路が構成され、この共振回路の一端とアースとの間にスイッチング素子３１が接続されてインバータ回路４１が構成されている。
【００３５】
スイッチング素子３１は、高耐圧・大電流の電力用半導体素子で、制御端子に所定レベルの駆動電圧が印加されると、各共振回路の一端とアースとを導通するものであり、このスイッチング素子３１として、例えばＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどを採用することができる。
【００３６】
共振回路の他端は、ブリッジダイオード５０の一方の直流出力端子５１に接続されている。ブリッジダイオード５０の他方の直流出力端子５２は接地され、交流入力端子５３，５４は接続部５５を介してＡＣ１００Ｖの交流電源５６に接続可能になっている。
【００３７】
ブリッジダイオード５０の交流入力端子５４と接続部５５との間にはカレントトランス５７の１次コイルが介設され、このカレントトランス５７の２次コイルには所定の抵抗値の抵抗５８が並列接続されており、この抵抗５８の両端電圧により交流電源５６から供給される電力、すなわちインバータ回路４１における全消費電力が検出可能になっている。ブリッジダイオード５０および交流電源５６により、インバータ回路４１に直流電力を供給する直流電源が構成されている。スイッチング素子３１の制御端子には駆動回路６１が接続され、駆動回路６１には制御ＩＣ６３が接続されており、この制御ＩＣ６３は、ＣＰＵ６５に接続されている。
【００３８】
駆動回路６１は、所定レベル（例えば24Ｖ）の駆動電圧をスイッチング素子３１の制御端子に印加してスイッチング素子３１をオンにさせるものである。制御ＩＣ６３は、駆動回路６１からスイッチング素子３１に印加する駆動電圧の印加タイミングを指示すべく、周波数が所定以上（例えば20kHz〜50kHz）のパルス電圧信号を駆動回路６１に出力するものである。制御ＩＣ６３から出力されるパルス電圧信号の周波数はＣＰＵ６５により制御される。
【００３９】
また、ＣＰＵ６５には給紙部７０、操作部８０および原稿読取部９０が接続されている。給紙部７０は、種々のサイズの転写紙７を収容するもので、各転写紙７を感光体３（図１参照）に向けて搬送するローラ対やこのローラ対を駆動するモータなどからなる用紙搬送部７１を備えている。
【００４０】
給紙部７０には、本実施形態では、例えばＡ３サイズ、Ｂ４サイズ、Ａ４サイズの転写紙７が搬送方向に向けて収容されている。操作部８０は、複写動作の開始を指示するプリントキーや、各原稿に対する複写部数をセットする部数セットキーなどを備えるとともに、給紙部７０にセットされている各サイズの転写紙７のうちから複写に用いる転写紙７を選択する転写紙選択キー８１、複写倍率を設定する倍率設定キー８２を備えている。
【００４１】
原稿読取部９０は、原稿画像を読み取ってその画像データを露光部４（図１参照）に送るもので、セットされている原稿のサイズを検出する原稿サイズ検出部９１を備えている。
【００４２】
ＣＰＵ６５は、プリントキーが操作されると原稿読取部９０により原稿画像を読み取るとともに、給紙部７０から転写紙７を搬送させて複写動作を開始させるなど複写機１全体の動作を制御するものである。
【００４３】
このような構成により、コイル１５に高周波電力（高周波電流）が供給されると高周波磁界が発生する。例えば図１において、上側の溝内に収まったコイル１５に紙面の後方に向かう方向に高周波電流を流し、下側の溝内に収まったコイル１５に紙面の前方に向かう方向に高周波電流を流したとすると、右ネジの法則に従い、それぞれコイル１５を中心とした高周波磁界が発生する。
【００４４】
この高周波磁界が加熱ローラ１１のコイルに対向する部分に鎖交して加熱ローラ１１に渦電流が発生し、この渦電流によって発生するジュール熱により加熱ローラ１１が加熱され、これによってトナー像の転写紙７への定着が好適に行われることとなる。
【００４５】
このとき、本実施形態によれば、コイル１５が加熱ローラ１１の外部に配設されたので、コイル１５は自然放冷される一方、加熱ローラ１１は加熱されるだけとなる。したがって、加熱ローラ１１を加熱する一方で冷却するといった非効率的なことがなくなる。また、加熱ローラ１１の両端部にキャップ１７が設けられたので、この加熱ローラ１１の両端部からの空気の出入りによる自然冷却が殆どなくなり、加熱効率が改善される。さらに、コイル１５の密度は加熱ローラ１１の全長に亘り均一なものでよく、またコイル１５を分割してそれぞれ単独に制御する必要はないので、非常に簡単な構成ですむ。
【００４６】
なお、上記実施形態では、加熱ローラ１１の両端部を別体のキャップ１７で塞いだが、加熱ローラ１１とキャップ１７とを一体形成し断熱材料をキャップ１７の部分に貼り付け等することとしてもよい。その場合には、さらに簡単な構成となる。また、貫通孔１９はキャップ１７のフランジ部１７ｂの中心に形成する必要はなく、加熱ローラ１１の両端部のキャップ１７の両方に設ける必要もない。加熱ローラ１１の少なくとも一方の端部から空気が出入可能となるものであればよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、コア１４の形状を加熱ローラ１１の中心軸１６に直交する断面が矩形状であるとしたが、加熱ローラ１１の外側表面に沿った曲り形状（鞍型形状）としてもよい。その場合には、このコア１４に巻回されたコイル１５と加熱ローラ１１の表面との隙間を一定のものとすることができるので、さらに加熱効率を向上させることができる。
【００４８】
また、上記実施形態では、複写機を用いて説明しているが、これに限られず、本発明は、ファクシミリやプリンタなど、電子写真方式の画像形成装置に適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ローラを加熱する一方で冷却するといった非効率的なことがなくなるとともに、ローラ両端部からの空気の出入りによる自然冷却が殆どなくなり、加熱効率を向上させることができる。
【００５０】
また、効率的な誘導加熱を行うことにより加熱効率のさらなる向上を図ることができる。
【００５１】
請求項２記載の発明によれば、ローラ端部からの熱伝導による放熱が少なくなり加熱効率をさらに向上させることができる。
【００５２】
請求項３記載の発明によれば、ローラ内の空気膨張による昇圧を防止して、ローラから蓋が脱落したり、飛び出すのを防ぐことができる。また、組立工程においてもローラへの蓋の圧入が容易になるというメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る定着装置が適用される複写機の一実施形態における要部を示す構成図である。
【図２】コイルと加熱ローラとの構成を示す斜視図である。
【図３】複写機の電気的構成の要部を示すブロック図である。
【符号の説明】
８  定着部
１１  加熱ローラ（中空ローラ）
１４  コア
１５  コイル
１６  中心軸
１７  キャップ（蓋）
１７ａ  案内部
１７ｂ  フランジ部
１７ｃ  回転軸部
１８  軸受け部
１９  貫通孔（空気孔）
２０  分離部材
【図１】
0003545996.tif 000002
【図２】
0003545996.tif 000003
【図３】
0003545996.tif 000004