(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、定着部材の内側への輻射を低減させ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。【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低輻射部材層１３とを設ける。低輻射部材層１３を銅で構成する場合、その厚さは２．０μｍから６．０μｍの範囲であることとし、低輻射部材層１３の内面は平滑に仕上げる。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。【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を設け、この磁性金属層を発熱させる励磁コイルを定着部材の内部に配置するとともに、定着部材の内面に低輻射部材層を設けることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記低輻射部材層を、前記磁性金属層の内面に密着して設け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】
前記励磁コイルを、前記定着部材と加圧部材が当接する箇所の近傍に配置することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の定着装置。
【請求項４】
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４に記載の定着装置。
【請求項６】
前記定着部材の低輻射部材層の内面が平滑であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の定着装置。
【請求項７】
前記定着部材の低輻射部材層が銅で構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の定着装置。
【請求項８】
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７に記載の定着装置。
【請求項９】
前記定着部材の低輻射部材層がアルミニウムで構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の定着装置。
【請求項１０】
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９に記載の定着装置。
【請求項１１】
前記定着部材の内面と前記励磁コイルとの間に、そのいずれからも間隔をあけて、断熱部材を配置することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の定着装置。
【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し、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】
熱ローラ定着方式には、定着ローラに内蔵された励磁コイルによって、定着ローラ自体を発熱させる誘電加熱方式という加熱方法がある。誘電加熱方式では、励磁コイルを内蔵した定着ローラの内側は、加熱された定着ローラからの輻射熱により、非常に高温となる。これにより、励磁コイルの線抵抗が上昇し、励磁コイルの自己損失が大きくなる。また、励磁コイルを構成する巻線の被覆が焼け、短絡が発生するなどの悪影響を及ぼす。さらに、磁界を強めるため、励磁コイルとともに広く用いられているフェライトは、温度により特性が変化するものであり、２００°Ｃを超えると、その高い透磁性能を喪失してしまう。
【０００４】
このような定着ローラの内側の温度上昇を改善するために、定着ローラの内周面に断熱塗料を塗布した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２０００−２７５９９６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の定着装置は、断熱塗料を塗布していても、長時間加熱すれば断熱塗料自体が高温となり、断熱塗料からの輻射が発生する。つまり、断熱特性が高い材料を塗布又は貼付等する構造は、輻射対策としては効果が低い。また、断熱塗料の色を白色等とすることによって、この輻射を抑制しようとしているものの、輻射は空気に接する定着ローラ内面の物質の輻射率が大きく関与しているので、その効果が十分であるとは言えない。したがって、定着ローラの内側の温度上昇を十分に改善しているとは言えない。
【０００７】
また、断熱塗料の塗膜厚を０．３８ｍｍと設定しているが、これでは定着ローラの肉厚が非常に厚くなるため、定着ローラの熱容量が大きく増加してしまう。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必要となるなどといった問題が発生する。
【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、定着部材の内側への輻射を低減させ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。
【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を設け、この磁性金属層を発熱させる励磁コイルを定着部材の内部に配置するとともに、定着部材の内面に低輻射部材層を設けることとした。
【００１０】
ここで、「低輻射」とは、「熱輻射率が低い」という意味である。上記の構成によれば、誘電加熱によって加熱された定着部材の、定着部材の内側への輻射を抑制することができる。その結果、定着部材からの不必要な放熱を低減させることができるので、定着装置としての高い加熱効率が得られる。また、定着部材の内側の温度上昇を抑制することができるので、励磁コイルの自己損失等の問題を解消することができる。その結果、高い加熱効率で、安定した定着性を得ることが可能となる。さらに、励磁コイルの巻線の耐熱特性を下げることができ、コイルのコストを低減することが可能となる。
【００１１】
また、前記低輻射部材層を、前記磁性金属層の内面に密着して設けることとした。
【００１２】
この構成によれば、メッキ等によって容易に低輻射部材層を形成することができる。その結果、定着部材の内側への輻射を抑制できる構造を、より簡単に製作することが可能となる。
【００１３】
また、前記励磁コイルを、前記定着部材と加圧部材が当接する箇所の近傍に配置することとした。
【００１４】
この構成によれば、定着部材と加圧部材が当接する箇所に磁束が集中することになるので、ニップに挿通される用紙の近傍を加熱することができる。その結果、装置の定着性能をより高めることが可能となる。また、前記低輻射部材層を非磁性金属で構成する場合、この低輻射部材層の発熱と磁性金属層の発熱とが同時に生じる。その結果、一つの励磁コイルで二つの部材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。
【００１５】
また、前記定着部材内に、高透磁部材を配置することとした。
【００１６】
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。
【００１７】
また、前記高透磁部材が、フェライトであることとした。
【００１８】
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。
【００１９】
また、前記定着部材の低輻射部材層の内面が平滑であることとした。
【００２０】
この構成によれば、定着部材の内面の表面積が小さくなり、定着部材の内面からの輻射をさらに抑制することができる。その結果、定着部材の内側の温度上昇をさらに抑制することが可能であり、定着装置としてより高い加熱効率を得ることが可能である。
【００２１】
また、前記定着部材の低輻射部材層が銅で構成されることとした。
【００２２】
このように、低輻射部材を銅とすることによって、定着部材の内側への輻射をさらに低減することが可能で、より高い加熱効率が得られる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
また、前記定着部材の低輻射部材層がアルミニウムで構成されることとした。
【００２６】
このように、低輻射部材をアルミニウムとすることによって、定着部材の内側への輻射をさらに低減することが可能で、より高い加熱効率が得られる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、前記定着部材の内面と前記励磁コイルとの間に、そのいずれからも間隔をあけて、断熱部材を配置することとした。
【００３０】
この構成によれば、定着部材の内面からの輻射熱だけでなく、空気対流による熱伝達も防止することができる。その結果、定着部材の内側の温度上昇を抑制する効果、及び定着装置の加熱効率をさらに高めることが可能となる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、定着部材の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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、定着部材の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。
【００３７】
【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。
【００３８】
図１は、本発明の第１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。
【００３９】
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、厚さ０．５ｍｍの鉄管（ＳＴＫＭ：日本工業規格による鋼管の品種）により構成される磁性金属層１２がその主体をなす。定着ローラ１１の内側には、磁性金属層１２の内面に密着する形で低輻射部材層１３が設けられている。なお、前述のように、「低輻射」とは、「熱輻射率が低い」ということを意味する。低輻射部材層１３が、例えば銅である場合、５μｍの厚さのメッキで形成されている。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。
【００４０】
ここで、低輻射部材層１３の内面は、例えば研磨により、鏡面仕上げのように平滑に仕上げられている。これにより、上記のように、低輻射部材層１３が銅である場合、その研磨面の輻射率は０．０２、また、アルミニウムの場合は０．０４となり、非常に小さい輻射率とすることが可能である。ちなみに、断熱効果のある塗料として使用されるアルミペイントの輻射率は０．２７であり、銅の約１４倍、アルミニウムの約７倍である。このように、低輻射部材層１３を銅又はアルミニウムとすることによって、定着ローラ１１の内側への輻射をより低減することが可能である。
【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３０ｍｍで、芯金２２の外側に、弾性層２３を構成す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】
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、低輻射部材層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及び低輻射部材層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、磁束Ｍが通過して発熱する磁性金属層１２の内側に低輻射部材層１３を設けてあるので、定着ローラ１１の内側への輻射を低減することができる。これにより、定着ローラ１１の内側の温度上昇を抑制することができるので、励磁コイル３１の自己損失等の問題を解消することが可能である。
【００５１】
さらに、低輻射部材層１３が銅やアルミニウムのような非磁性金属である場合、通常、誘電加熱方式による加熱が困難な非磁性金属であっても、層の厚さを限定することによって容易に加熱可能となる。したがって、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の発熱と低輻射部材層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。
【００５２】
図４は、定着ローラの低輻射部材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、低輻射部材層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、低輻射部材層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。
【００５３】
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、磁性金属層１２の内側に、低輻射部材層１３を非磁性金属で構成し、これらを組み合わせて用いるほうが加熱効率は向上する。そして、銅の厚さを上記の範囲に設定することによって、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の低輻射部材層１３である銅の厚さを５μｍとしている。
【００５４】
図５は、低輻射部材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。表の左側の低輻射部材層条件の欄は、銅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、低輻射部材層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のグラフを数値化したものである。
【００５５】
図５から、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、低輻射部材層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、低輻射部材層１３を構成する非磁性金属の渦電流負荷Ｒがこの範囲であれば、前述の銅以外の金属でも高い加熱効率が得られることになる。
【００５６】
すなわち、低輻射部材層１３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。
【００５７】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図である。定着装置１の基本的な構成は、前記図１に示す第１の実施形態と同じである。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。
【００５８】
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、厚さ０．５ｍｍの鉄管により構成される磁性金属層１２がその主体をなす。定着ローラ１１の内側には、磁性金属層１２の内面に密着する形で低輻射部材層１３が設けられている。低輻射部材層１３が、例えば銅である場合、その厚さは５μｍとする。磁性金属層１２の外側にはＰＦＡによる離型層１４を設け、トナーの離型性を高める。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。
【００５９】
この定着ローラ１１の内側であって、定着ローラ１１と、後述する励磁コイル３１が組み込まれた電磁誘導部３０との間に、そのいずれからも間隔をあけて、断熱部材１６を配置する。断熱部材１６には、耐熱温度が高いフェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等が使用される。さらに断熱効果を向上させるためには、耐熱性フェルトを使用する。なお、断熱部材１６は、電磁誘導部３０の支持部材３３と一体化して形成しても構わない。
【００６０】
加圧部２０は、加圧部材である加圧ローラ２１で構成される。加圧ローラ２１は直径が３０ｍｍで、芯金２２の外側に、弾性層２３を構成す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。
【００６１】
ここで、前記第１の実施形態と同様に、上記定着部１０及び加圧部２０の構成は、両方ともローラ、一方がローラで他方がベルト、両方ともベルト、のいずれの構成であっても良い。
【００６２】
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、支持部材３３に設けられたフェライト収納部３３ａを囲むように巻かれ、高周波電源３４と接続されている。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。そして、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。
【００６３】
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。
【００６４】
このように、定着ローラ１１の内側に断熱部材１６を配置することによって、定着ローラ１１の内面からの輻射熱だけでなく、空気対流による熱伝達も防止することができる。その結果、定着ローラ１１の内側の温度上昇を抑制する効果、及び定着装置１の加熱効率をさらに高めることが可能である。
【００６５】
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。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の上記構成によれば、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低輻射部材層とを設けているので、誘電加熱によって加熱された定着部材の、定着部材の内側への輻射を抑制することができる。その結果、定着部材からの不必要な放熱を低減させることができるので、定着装置としての高い加熱効率が得られる。また、定着部材の内側の温度上昇を抑制することができるので、励磁コイルの自己損失等の問題を解消することができる。その結果、高い加熱効率で、安定した定着性を得ることが可能となる。さらに、励磁コイルの巻線の耐熱特性を下げることができ、コイルのコストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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】低輻射部材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
【図６】本発明の第２の実施形態に係る定着装置を示す模型的断面図
【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  低輻射部材層
１６  断熱部材
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】
2004233508.tif 000003
【図２】
2004233508.tif 000004
【図３】
2004233508.tif 000005
【図４】
2004233508.tif 000006
【図５】
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【図６】
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