(57)【要約】【課題】誘電加熱方式により加熱する定着装置において、ウォームアップ時間の短縮及び消費電力の低減が可能で、さらに装置周辺の金属部分の不必要な加熱を行うことがない定着装置を提供する。【解決手段】定着部材である定着ローラ１１に、磁性金属層１２と、その内面に密着する非磁性金属層１３とを設ける。定着ローラ１１内の、定着ローラ１１と加圧ローラ２１が当接する箇所の近傍に励磁コイル３１を配置する。また、励磁コイル３１による磁界を強めるために、定着ローラ１１内にフェライト３２を配置する。そして、定着ローラ１１の非磁性金属層１３の渦電流負荷を、２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲になるようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、この定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧部材と、を備えた定着装置において、
前記定着部材に、磁性金属層と、この磁性金属層の内面に密着する非磁性金属層とを設けるとともに、この定着部材内の、定着部材と加圧部材が当接する箇所の近傍に励磁コイルを配置することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記定着部材内に、高透磁部材を配置することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記高透磁部材が、フェライトであることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
【請求項４】
前記定着部材の非磁性金属層の渦電流負荷が、２．４×１０-3Ω以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の定着装置。
【請求項５】
前記渦電流負荷が、２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の定着装置。
【請求項６】
前記定着部材の非磁性金属層が、銅で構成され、７．０μｍ以下の厚さの銅の層を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の定着装置。
【請求項７】
前記銅の層の厚さが、２．０μｍから６．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項６に記載の定着装置。
【請求項８】
前記定着部材の非磁性金属層が、アルミニウムで構成され、１１．０μｍ以下の厚さのアルミニウムの層を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の定着装置。
【請求項９】
前記アルミニウムの層の厚さが、３．３μｍから９．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項８に記載の定着装置。
【請求項１０】
前記定着部材の非磁性金属層が、非磁性ステンレスで構成され、３００μｍ以下の厚さの非磁性ステンレスの層を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の定着装置。
【請求項１１】
前記非磁性ステンレスの層の厚さが、９０μｍから２５７μｍの範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の定着装置。
【請求項１２】
前記定着部材及び加圧部材の両方がローラで構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の定着装置。
【請求項１３】
前記定着部材及び加圧部材のうち、一方がローラ、他方がベルトで構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の定着装置。
【請求項１４】
前記定着部材及び加圧部材の両方がベルトで構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱したローラ対のニップに、未定着トナー画像を担持した用紙を挿入して、未定着トナーを加熱、溶融し、用紙に定着する定着装置に関する。特に、誘電加熱方式により加熱する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式の画像形成装置においては、ニップを形成するローラ対の少なくとも一方のローラに熱源を内蔵させ、この熱源によって加熱されたローラ対のニップに未定着トナー画像を担持した用紙を挿通することによって用紙にトナーを定着する熱ローラ定着方式が広く用いられている。
【０００３】
このような熱ローラ定着方式では、定着ローラに内蔵されたハロゲンランプなどの熱源から、ローラ表面までの熱伝達の効率が低く、熱の損失が大きい。また、ローラ表面まで熱が伝達するのに長い時間が必要である。その結果、加熱効率が悪いために消費電力が多く、ローラ表面が定着可能な温度に達するまでのウォームアップ時間に幾分も要するなどといった問題があった。
【０００４】
これを改善するために、非磁性金属で構成した定着ローラと、励磁コイルと、を用いた誘電加熱方式により、未定着トナー画像を溶融、定着させる定着装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２６８９５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされている。しかしながら、 非磁性金属の厚さを薄くすることで、磁性金属よりも高い加熱効率が得られることが知られている。特許文献１記載の定着装置は、この高い加熱効率が得られる非磁性金属を定着ローラに適用しているものの、本来加熱が非常に困難である非磁性金属の特性を十分に改善して利用しているとは言えない。
【０００７】
また、非磁性金属を使用すると、励磁コイルで発生した磁界が定着ローラを透過するため、定着ローラ周辺の不必要な金属部分まで加熱してしまい、加熱エネルギを浪費するとともに、装置内温度を上昇させてしまう。特許文献１記載の定着装置は、定着ローラの外側と内側から、ローラを挟むようにして励磁コイルを配置することで、漏洩磁束の発生を防止しようとしているものの、その効果は十分であるとは言えない。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、誘電加熱方式により加熱する定着装置において、高い加熱効率が得られる構造を提案し、ウォームアップ時間の短縮及び消費電力の低減が可能な定着装置を提供することを目的とする。さらに、漏洩磁束の防止に関して高い効果が得られ、装置周辺の金属部分の不必要な加熱を行うことがない定着装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、用紙上の未定着トナーを定着する定着部材と、この定着部材に当接して用紙を挿通させるニップを形成する加圧部材と、を備えた定着装置において、前記定着部材に、磁性金属層と、この磁性金属層の内面に密着する非磁性金属層とを設けるとともに、この定着部材内の、定着部材と加圧部材が当接する箇所の近傍に励磁コイルを配置することとした。
【００１０】
この構成によれば、定着部材が、磁性金属層と非磁性金属層とを密着して構成されているので、一つの励磁コイルによって二つの金属層を同時に発熱させることができる。その結果、磁性金属層又は非磁性金属層を各々単独で用いる場合よりも容易に安定した加熱状態を得ることができ、高い加熱効率を得ることが可能である。さらに、定着部材の内部に配置された励磁コイルに対して、磁性金属層を非磁性金属層よりも外側に設けているので、定着装置以外の場所への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、定着装置周辺の金属部分の不必要な加熱を行うことがない。
【００１１】
また、前記定着部材内に、高透磁部材を配置するものとした。
【００１２】
この構成によれば、励磁コイルから発生する磁束のほとんどが高透磁部材を通過するようになるので、磁界を強めることができるとともに、磁束の通る場所を限定し易くなる。その結果、定着部材及び加圧部材における発熱箇所をコントロールすることが可能である。また、高透磁部材によってインダクタンスを向上させることができるので、励磁コイルを小型化することができる。
【００１３】
また、前記高透磁部材が、フェライトであることとした。
【００１４】
この構成によれば、高透磁部材として広く用いられているフェライトを採用し、簡単な構成で、加熱効率を高めることが可能である。
【００１５】
また、前記定着部材の非磁性金属層の渦電流負荷が、２．４×１０-3Ω以上であることとした。
【００１６】
ここで、渦電流負荷とは、材料固有の電気抵抗率を、電磁誘導により渦電流が発生する深さで割った値であり、Ｒ＝ρ／ｚで表す（式中のＲは渦電流負荷、ρは電気抵抗率、ｚは渦電流が発生する深さを示す）。通常、渦電流が発生する深さｚは、磁界浸透深さδと同じであるので、ｚ＝δである。しかしながら、使用する金属層の厚さｄが、この磁界浸透深さδよりも薄い場合には、ｚ＝ｄとなる。したがって、渦電流負荷ＲはＲ＝ρ／ｄとなり、電気抵抗率ρと金属層の厚さｄで決定される。また、逆に、渦電流負荷Ｒが決定されている場合には、この渦電流負荷Ｒと電気抵抗率ρから金属層の厚さｄを導出することが可能である。
【００１７】
一般的には、誘電加熱方式によって加熱する場合、発熱体として磁性金属を使用することが望ましいとされているが、非磁性金属層の渦電流負荷を２．４×１０-3Ω以上とすることによって、磁性金属を使用するよりも高い加熱効率を得ることができる。また、定着部材の表面を構成する非磁性金属がどのような金属であっても、高い加熱効率が得られる。その結果、それらの金属における適切な層の厚さを決定することが可能であり、実際に製作するのが容易である。また、これ以外の数値に基づいて製作されたものより加熱性能が良い。
【００１８】
また、前記渦電流負荷が、２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることとした。
【００１９】
このように、定着部材の非磁性金属層の渦電流負荷を限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００２０】
また、前記定着部材の非磁性金属層が、銅で構成され、７．０μｍ以下の厚さの銅の層を設けたこととした。
【００２１】
このように、非磁性金属である銅の層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００２２】
また、前記銅の層の厚さが、２．０μｍから６．０μｍの範囲であることとした。
【００２３】
このように、銅の層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００２４】
また、前記定着部材の非磁性金属層が、アルミニウムで構成され、１１．０μｍ以下の厚さのアルミニウムの層を設けたこととした。
【００２５】
このように、非磁性金属であるアルミニウムの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００２６】
また、前記アルミニウムの層の厚さが、３．３μｍから９．５μｍの範囲であることとした。
【００２７】
このように、アルミニウムの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００２８】
また、前記定着部材の非磁性金属層が、非磁性ステンレスで構成され、３００μｍ以下の厚さの非磁性ステンレスの層を設けたこととした。
【００２９】
このように、非磁性金属である非磁性ステンレスの層の厚さを定めることによって、より高い加熱効率が得られる。
【００３０】
また、前記非磁性ステンレスの層の厚さが、９０μｍから２５７μｍの範囲であることとした。
【００３１】
このように、非磁性ステンレスの層の厚さを限定することによって、さらに高い加熱効率が得られる。その結果、さらに加熱性能が高い定着装置を提供することが可能である。
【００３２】
また、前記定着部材及び加圧部材の両方がローラで構成されることとした。
【００３３】
この構成によれば、定着装置を構成する主な部品が、定着ローラ及び加圧ローラのみになるので、構造の簡素化を図ることができ、装置をよりコンパクトにすることが可能である。さらに、部品点数の削減によるコストダウンが可能である。
【００３４】
また、前記定着部材及び加圧部材のうち、一方がローラ、他方がベルトで構成されることとした。
【００３５】
この構成によれば、定着部材及び加圧部材の両方がローラである場合と比較して、一方にベルトを使用することにより、低熱容量化を図ることができる。また、適切なニップ時間を設定することができる。その結果、定着部材表面が定着可能な温度に達するまでの時間を、より短くすることが可能である。また、安定した定着性を得ることが可能である。
【００３６】
また、前記定着部材及び加圧部材の両方がベルトで構成されることとした。
【００３７】
この構成によれば、定着部材及び加圧部材を、さらに低熱容量化させることができる。その結果、定着部材表面が定着可能な温度に達するまでの時間を、さらに短くすることが可能である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
【００３９】
図１は、本発明の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図である。図２は、電磁誘導部を示す部分斜視図である。定着装置１には、定着部１０と加圧部２０が備えられ、定着部１０の定着部材である定着ローラ１１内には電磁誘導部３０が配置されている。また、用紙が進入してくる箇所には、用紙進入ガイド４０が設けられている。
【００４０】
定着部１０は、定着部材である定着ローラ１１で構成される。定着ローラ１１は直径が４０ｍｍで、磁性金属層１２を構成する厚さ２５０μｍの鉄管（ＳＴＫＭ：日本工業規格による鋼管の品種）の内面に密着する非磁性金属層１３が設けられている。非磁性金属層１３が、例えばＳＵＳ３０４（日本工業規格によるステンレスの品種）である場合、その厚さを２５０μｍとして焼きばめ加工にて設ける。磁性金属層１２の外側には、厚さ２０μｍの離型層１４を設け、トナーの離型性を高める。離型層１４は、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パー−フルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素系樹脂が用いられ、吹き付けによるコーティングやチューブを被せることによって設けられる。また、弾性層として、シリコンゴム層を離型層１４のすぐ内側に設けてもよい。
【００４１】
加圧部２０は、加圧部材である加圧ローラ２１で構成される。定着ローラ１１と当接する加圧ローラ２１は直径が４０ｍｍで、芯金２２の表面に弾性層２３であるスポンジシリコンゴムが設けられている。その外側には、５０μｍの厚さのＰＦＡチューブが離型層２４として被せられている。この加圧ローラ２１が定着ローラ１１と当接することで用紙を挿通させるニップを形成する。
【００４２】
ここで、上記定着部１０及び加圧部２０の構成は、定着ローラ１１或いは加圧ローラ２１の一方をベルトに代えるといった構成でも良い。また、両方ともベルトであるといった構成でも良い。いずれの場合においても、定着部材を、その外側から離型層１４、磁性金属層１２、非磁性金属層１３の順で構成し、後述する励磁コイル３１を、定着部材内の、定着部材と加圧部材とが当接する箇所の近傍に配置する。
【００４３】
電磁誘電部３０は、励磁コイル３１、フェライト３２、支持部材３３で構成される。励磁コイル３１は、直径０．１ｍｍのエナメル線３００本を寄り合わせたリッツ線が、定着ローラ１１の軸線に沿う方向に巻かれたものである。このようにして巻かれた励磁コイル３１の内側に、磁界を強めるためのフェライト３２が備えられている。支持部材３３は、耐熱性樹脂で構成され、フェライト収納部３３ａと、定着ローラ１１の曲率に基づいて形成された湾曲部３３ｂとを備えている。励磁コイル３１は、このフェライト収納部３３ａを囲み、湾曲部３３ｂに沿うように巻かれている。励磁コイル３１には、定格電力１５００Ｗ、周波数２０〜５０ｋＨｚの高周波電源３４が接続されている。
【００４４】
なお、励磁コイル３１を構成するリッツ線は、定着ローラ１１の円周に沿う方向に巻いても良い。また、フェライト３２は、高い透磁率を有する部材であれば、フェライト以外の部材で代替することが可能である。
【００４５】
この電磁誘電部３０は、定着ローラ１１と加圧ローラ２１が当接する箇所に磁束が通るように、その当接箇所に励磁コイル３１を近づけて定着ローラ１１内に配置されている。
【００４６】
また、定着ローラ１１の外側で、励磁コイル３１の近傍にはサーミスタ１５が備えられている。このサーミスタ１５により加熱部の温度を検知し、高周波電源３４の出力を制御して温度制御を行う。
【００４７】
なお、これまでに登場した寸法等の数値は、一つの好適例の例示であり、発明の範囲を限定するものではない。
【００４８】
図３は、定着装置による加熱状態を示す模型的断面図である。定着装置１は、次のように加熱動作を行う。
【００４９】
励磁コイル３１に高周波電流を流すと磁界が発生する。発生した磁界の磁束Ｍは、そのほとんどが高透磁部材であるフェライト３２を通過するので、磁界を強くすることができる。発生した磁束Ｍが、定着ローラ１１の磁性金属層１２及び非磁性金属層１３を通過する時に、通過領域Ａ及びＢにおいて金属に渦電流が流れ、金属の電気抵抗により発熱する。
【００５０】
このように、定着部材である定着ローラ１１に設けられた磁性金属層１２の発熱と非磁性金属層１３の発熱とが同時に生じる。その結果、一つの励磁コイル３１で二つの金属層を同時に発熱させることができるので、高い加熱効率が得られる。さらに、定着ローラ１１の内部に配置された励磁コイル３１に対して、磁性金属層１２を非磁性金属層１３よりも外側に設けているので、定着装置１以外の場所への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、定着装置１周辺の金属部分の不必要な加熱を行うことがない。
【００５１】
図４は、定着ローラの非磁性金属層を構成する銅の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフである。グラフの横軸は、非磁性金属層１３を構成する銅の厚さを示し、縦軸は発熱量を示す。磁性金属層１２のみを加熱した時の発熱量を１とし、非磁性金属層１３単独、磁性金属層１２単独、及び双方を総合した発熱量がグラフ化されている。ここでは磁性金属層１２に、ＳＵＳ４３０を用いている。図４によると、銅の厚さが７．０μｍ以下である時に、総発熱量が１．０を超えているのが分かる。また、特に、銅の厚さが２．０μｍから６．０μｍの範囲で総発熱量がピークに近い値に達しているのが分かる。したがって、磁性金属のみを用いて定着ローラ１１を製作するよりも、非磁性金属と磁性金属とを組み合わせて用いるほうが加熱効率は向上する。銅の厚さをこの範囲に設定することで、加熱効率が１０％向上する。
【００５２】
図５は、定着ローラの非磁性金属層を構成するＳＵＳ３０４の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフである。グラフの構成は、前記図４の銅の場合と同様であり、磁性金属層１２も同様にＳＵＳ４３０を用いている。図５によると、ＳＵＳ３０４の厚さが３００μｍ以下である時に、総発熱量が１．０を超えているのが分かる。また、特に、ＳＵＳ３０４の厚さが９０μｍから２５７μｍの範囲で総発熱量がピークに近い値に達しているのが分かる。これらの効果についても、前記銅の場合と同様に、磁性金属のみを用いて定着ローラ１１を製作するよりも、加熱効率が１０％向上する。このことを考慮に入れ、前記図１に示す定着装置１では、定着ローラ１１の非磁性金属層１３であるＳＵＳ３０４の厚さを２５０μｍとしている。
【００５３】
図６は、非磁性金属層の渦電流負荷と厚さとの関係、及び発熱量への影響を示す表である。表の左側の非磁性金属層条件の欄は、銅及びＳＵＳ３０４の渦電流負荷と層の厚さの関係を示している。表の右側は、磁性金属層のみを加熱した時を１とした場合の、非磁性金属層１３、磁性金属層１２、及び双方を総合した発熱量を示している。発熱量は、前記図４及び図５のグラフを数値化したものである。総発熱量が１．０以上である高い加熱効率が得られる条件を判断すると、非磁性金属層１３の渦電流負荷Ｒは、２．４×１０-3Ω以上、特に２．８×１０-3Ωから８．０×１０-3Ωの範囲であることが好ましいことが分かる。したがって、非磁性金属層１３の渦電流負荷Ｒがこの範囲であれば、前述の銅やＳＵＳ３０４以外の金属でも高い加熱効率が得られることになる。
【００５４】
すなわち、非磁性金属としてアルミニウムを用いた場合、アルミニウムの電気抵抗率が２．６６×１０-8Ω・ｍであるので、これを上記渦電流負荷Ｒの値で割ると、高い加熱効率が得られる層の厚さは、１１．０μｍ以下、特に３．３μｍから９．５μｍの範囲であることが好ましいことになる。
【００５５】
上記のように本発明の実施形態を示したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の上記構成によれば、定着部材が、磁性金属層と非磁性金属層とを密着して構成されているので、一つの励磁コイルによって二つの金属層を同時に発熱させることができる。その結果、磁性金属層又は非磁性金属層を各々単独で用いる場合よりも容易に安定した加熱状態を得ることができ、高い加熱効率を得ることが可能である。さらに、定着部材の内部に配置された励磁コイルに対して、磁性金属層を非磁性金属層よりも外側に設けているので、定着装置以外の場所への磁束の漏洩を防止することが可能である。その結果、定着装置周辺の金属部分の不必要な加熱を行うことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図
【図２】電磁誘導部を示す部分斜視図
【図３】定着装置による加熱状態を示す模型的断面図
【図４】銅の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフ
【図５】ＳＵＳ３０４の厚さが発熱量に及ぼす影響を示すグラフ
【図６】非磁性金属層の渦電流負荷と厚さとの関係、及び発熱量への影響を示す表
【符号の説明】
１    定着装置
１０  定着部
１１  定着ローラ
１２  磁性金属層
１３  非磁性金属層
２０  加圧部
２１  加圧ローラ
３０  電磁誘導部
３１  励磁コイル
３２  フェライト
【図１】
2004198865.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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