(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し前記検出温度に基づき前記交流電流を制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記定着ローラを、記録紙が通紙する領域の外側部分に段差を設けて中央部の外径より小径化し、前記コイルを、渦巻状にして前記定着ローラの外周に沿って軸方向に前記段差部まで近接配置したことを特徴とする定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタの定着装置、特に電子写真方式のプリンタの定着装置、さらにはインクジェットプリンタの溶媒を乾燥させる定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４はハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置の例を示す図であり、１は定着ローラ、２は加圧ローラ、３１はハロゲンランプ、４はトナー像、５は記録紙、７はバネ、８は温度検出手段を示す。
【０００３】
プリンタの定着装置には、ハロゲンランプを加熱源にしたものや電磁誘導加熱装置を熱源としたものがある。ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置は、図４に示すように中空状の定着ローラ１の中心に略円筒状のハロゲンランプ３１が配置され、電流を流すことによってハロゲンランプ３１から赤外線を主体とした電磁波が放射され、定着ローラ１の内側に到達し熱に変わる。その熱は、定着ローラ１の外側に伝達され、加圧ローラ２との挟まれたマーキング材（トナー像４）を持つ記録紙５を加圧しながら加熱し、マーキング材４を定着する。なお、定着ローラ１の外側の温度は、温度検出手段８により検出され、制御回路が所定の温度になるようにハロゲンランプ３１の電流を調整することにより制御される。
【０００４】
定着ローラ１は、通常鉄系又はアルミニウム系のパイプ状芯金に、表面にはマーキング材のオフセットを防止するための離型層が施される。必要に応じて弾性層（シリコンゴムなど）がパイプ状芯金の外周に形成される。その場合には、記録紙５の凹凸に対しても適切な圧力でトナー像４を記録紙５に加圧できるので、定着後の画像は均一にトナーが溶融され良好な画質が得られる。しかし弾性層は通常熱伝導率が芯金の金属に比べて劣るため、定着ローラ１の表面が所定の温度になるまでに時間がかかり、しかも熱応答性が悪くなる。
【０００５】
加圧ローラ２は、鉄、ステンレス、アルミニウムなどの芯金の外周にシリコンゴムなどの弾性層を設け、両面印刷の場合には、加圧ローラ２にも離型層を設ける。加圧ローラ２は、バネ７によってニップ荷重が与えられて定着ローラ１との間でニップを形成する。
【０００６】
一方、電磁誘導加熱装置を熱源とした従来の定着装置には、例えば定着ローラの温度を均一にするために複数のコイルを渦巻き状に分割して巻き、定着ローラの軸方向に配置して外側のコイルを密に巻き、内側のコイルを疎に巻くもの（特開平７−２９５４１４号公報参照）、定着ローラの内部にコイルを巻き、そのコイルを、定着ローラの両端部近傍は定着ローラに近づけて巻き、中央部は定着ローラから放して巻くことによって、渦電流の発生に両端部と中央部で違いを設けて、定着ローラの温度を均一にするもの（特開平８−１７９６４７号公報参照）、定着ローラの肉厚を両端部で厚くし、電気抵抗を両端部で大きくし、発熱を大きくすることによって定着ローラの温度分布を均一にするもの（特開平９−３０６６５２号公報参照）などがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ハロゲンランプや誘導加熱からの熱源によって加熱される場合に、定着ローラの温度分布を不均一にする原因として次のことが考えられる。熱源からの供給される熱量には、定着ローラを加熱する有効な熱量だけでなく、その他にも、軸受けや構造体に伝導する熱量、定着ローラ表面などから滞留で放出する熱量、定着ローラ表面などから熱放射する熱量など、熱損失として逃げていく熱量も含まれる。特に軸受けや構造体に熱を伝導する熱量が大きく、そのため定着ローラ表面の温度分布が両端部で低下するという問題があった。
【０００８】
その対策として、従来の定着装置では、上記のようにいずれも熱源の分布を定着ローラの両端部で大きくして、熱伝導による損失を補う方式が採用されている。しかしながら、本来、熱伝導による損失が原因であるからには、その熱伝導を抑制することも同時に行うことが定着ローラの温度分布を均一にするのに有効な方法であるが、そのような方法を採用した従来の定着装置は見当たらない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、定着ローラの両端部での熱損失を低減し、定着ローラの温度分布を均一にするものである。
【００１０】
そのために本発明は、定着ローラ、加圧ローラ、前記定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、前記定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及び前記コイルに交流電流を流し前記検出温度に基づき前記交流電流を制御することにより前記定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、前記定着ローラを、記録紙が通紙する領域の外側部分に段差を設けて中央部の外径より小径化し、前記コイルを、渦巻状にして前記定着ローラの外周に沿って軸方向に前記段差部まで近接配置したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る定着装置の実施の形態を示す図であり、１は定着ローラ、２は加圧ローラ、３はコイル、４はトナー像、５は記録紙、６は磁束、７はバネ、８は温度検出手段、９は温度均一化手段、１１は芯金、１３は離型層を示す。
【００１３】
図１において、定着ローラ１は、導電性を有する加熱層となる芯金１１、離型層１３から構成される。芯金１１の加熱層は、炭素鋼、ステンレスなどの強度を有し、かつ渦電流を効率的に発生させる材料が適している。離型層１３の下には、必要に応じて弾性層が設けられる。弾性層は、記録紙５の凹凸に対してもトナーに十分なニップ圧力を与えることができるので、記録紙５の凹凸でも均一にトナーを加熱溶融し、溶融後のトナー層がしっかり定着され、定着後の画像がムラなく仕上げられる。弾性層には、耐熱性があり定着ローラと加圧ローラとの間でニップを形成するのに十分な弾性を有する材料が適しており、熱伝導率が低いシリコンゴムやフッ素ゴムなどが用いられる。そのため、定着ローラ１の加熱立ち上がり時間を長くする傾向があるので、離型層１３の下に弾性層を設ける場合には、数１０μｍ程度に薄くしたものが望ましい。
【００１４】
離型層１３は、溶融したトナーが定着ローラから剥離し易くするため最外周に設けるものであり、オフモット防止が目的である。離型層１３としては、フッ素樹脂（ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＰＥＰ）、シリコン樹脂、フッ素ゴム、シリコンゴムなどの表面エネルギーの小さく可撓性のある材質がよく、その厚さは数μｍ〜１００μｍの範囲が好ましい。例えば数μｍより薄くなると記録紙との摩耗で破損してしまい、逆に１００μｍより厚くなると、上記のような離型層に適する材料は、熱伝導率が小さいため、加熱層からの熱が効率的に伝達できなくなる。つまり、加熱層からの熱を伝達するのに時間がかかることになる。
【００１５】
温度検出手段８は、定着ローラ１の表面に接触して又は一定の距離を持って保持され、温度を検出し温度検出回路を介して制御回路へ信号を伝達する。制御回路は、インバータ回路を制御することにより、制御指示温度に対して定着ローラ１の温度が低い場合には、図１に示すように渦巻状にして定着ローラ１の外周に沿って軸方向に近接配置したコイル３に流す交流電流を大きくし、誘導加熱を強めて定着ローラ１の温度を上げ、逆に制御指示温度に対して定着ローラ１の温度が低い場合には、コイル３に流す交流電流を小さくし、誘導加熱を弱めて定着ローラ１の温度を下げる。こうして定着ローラ１の温度はほぼ一定に保たれる。
【００１６】
加圧ローラ２は、芯金、弾性層から構成され、さらに両面印刷用の場合には離型層が表面に形成され、定着ローラ１と対向配置されバネ７によって加圧されニップを形成し、定着ローラ１との摩擦で従動する。弾性層には、定着ローラと釣り合う程度の弾性が求められ、このバランスによってニップ形成が決まる。
【００１７】
定着ローラ１と加圧ローラ２の両端は、軸受けで側板に保持される。回転トルクを伝達するために歯車１３が取り付けられ、歯車１３を介してモータによって回転駆動される。加圧ローラ２の両端の軸受けはレバーを介してバネ７で定着ローラ１側に引っ張られてニップ荷重を形成する。このバネ７は、両方とも同じ荷重になるように設定される。定着ローラ１と加圧ローラ２との間で形成するニップ荷重が大きいとニップ幅が広くなり、ニップ荷重が小さいとニップ幅が狭くなる。ニップ幅は、定着時間を決める重要なパラメータであり、電子写真のプロセス速度やトナーの熱的な性質との関係で決められる。ニップ幅が広くなると定着時間が長くなり、ニップ幅が狭くなると定着時間が短くなる。ただし、定着時間を長く取ろうとしてニップ荷重を大きくすると、回転トルクも大きくなる傾向があり、そうなるとモータが大きくなるので制約もある。
【００１８】
コイル３と定着ローラ１を上から見た図を示したのが図１（ｂ）であり、その中央点線の断面を示したのが図１（ｃ）である。図１（ｃ）に示すように定着ローラ１は、両端部に温度均一化手段９を設けている。温度均一化手段９は、記録紙が通紙する領域の外側部分に段差を設けて中央部の外径より両端部を小径化し、表皮効果の現れる表皮厚さδより図１（ｃ）に示す定着ローラの両端部の外径Ｄ２と中央部の外径Ｄ１との差の半分（Ｄ１−Ｄ２）／２を大きくすることである。交流磁界は、図２に示すように表皮厚さδ付近に集中するので、渦電流による発熱量が増えるという効果だけである場合には、（Ｄ１−Ｄ２）＞δ程度でよいが、定着ローラ１のフランジや軸受けへの熱伝導を抑制する効果を持たせる場合には、（Ｄ１−Ｄ２）／２＞２δ程度が望ましい。
【００１９】
図２は本発明の定着ローラと従来の定着ローラとの違いを説明するための図である。加熱層は、コイル３からの交流磁界によって渦電流が効率的に発生するために、導電性が必要であり、熱容量が小さいほど加熱立ち上がり時間は短くなる。交流磁界の適正周波数は、加熱層の電気抵抗率、透磁率によって決められる。しかしながら、あまり周波数が高くなると共振インバータのスイッチング素子の損失が大きくなるので、概ね２０〜１００ｋＨｚの範囲が好ましい。周波数が２０ｋＨｚ以下の場合には、可聴領域になるので、共振インバータの騒音が聞こえることになる。
【００２０】
コイル３からの交流磁界は表皮効果のため定着ローラの表面近傍に磁束が集中する。定着ローラの加熱層の電気抵抗率をρ、透磁率をμ、交流磁界の周波数をｆ、表皮厚さをδとすると、これらの関係は、
【００２１】
【数１】
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【００２２】
で表される。効率よく加熱するために、コイル１からの交流磁界の周波数ｆを適切に選ぶと、コイル１からの磁束がこの表皮厚さδ近傍に集中し渦電流が効果的に発生することになる。渦電流が発生すると、電気抵抗率ρに応じてジュール熱が発生して、定着ローラの温度が上昇する。この表皮厚さδは、材質が炭素鋼、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０などで、交流磁界の周波数をｆ＝２５ｋＨｚとした場合、数１０μｍ〜数１００μｍになり、炭素鋼では、数１０μｍになる。一方、加熱層５は、適切なニップを形成するために適度な弾性を持っていることが重要であり、数１０μｍ以下になると耐久性が劣ってしまい、逆に数１００μｍ以上になると弾性を失ってしまう。したがって、定着ローラの記録紙が通紙する領域の外側部分の外径Ｄ２と中央部の外径Ｄ１との差（Ｄ１−Ｄ２）は、数１０μｍ以上あればよいことになる。
【００２３】
図２（ａ）に示す本発明の実施の形態の場合と図２（ｂ）に示す従来の場合の磁束の流れと渦電流発生分布を比較すると違いは明らかである。すなわち、従来の場合には、コイルからの磁束は定着ローラの表面近傍を通って図２（ｂ）に示すような渦電流の発生分布になるが、本発明の場合には、磁束分布が温度均一化手段９である小径化のところで回避するので、交流磁界によって生じる渦電流の発生分布が図２（ａ）に示すように端部に新しい渦電流の発生部分ができることになる。そのため、定着ローラの端部の発熱量が多くなり、しかも、外側への熱の伝導が低減されるので、定着ローラの端部での温度の低下を少なく温度分布が均一になるように作用する。
【００２４】
図３は本発明に係る定着装置の他の実施の形態を示す図であり、１２は加熱層を示す。導電性の金属でも透磁率の大きい方が磁気抵抗は小さくなるので、その分磁束が通り易くなる。一方、熱伝導率の大きい金属の方が発生した熱は同じでも熱伝導によって温度差ができ難い。この両者を考慮して構成したのが図３に示す実施の形態である。渦電流による発熱は透磁率の高い材料、例えば炭素鋼、ＳＵＳ４３０、電解ニッケルなどで構成し、その下地層には熱伝導性の良い材料、例えばアルミニウム、銅などで構成する。コイル３からの交流磁界は、主に加熱層１２を通るが、芯金１１には少ししか通らない。したがって渦電流による発熱は主に加熱層１２で生じ、その熱は、熱伝導の良い芯金１１で伝導され定着ローラ１が均一に加熱され、温度分布が一定になる。
【００２５】
上記実施の形態では、加熱層１２と芯金１１を機能分離することによって更に効果を高めたものであり、加熱層１２は、透磁率の高い材料で、芯金１１は透磁率が高くなく、望ましくは熱伝導率の高い材料で構成する。このことにより、コイル３からの磁束は、表皮効果によってほぼ加熱層１２の厚さ程度に集中し、渦電流が効率的に加熱層１２で発生することになる。しかも、芯金１１に熱伝導率の高い材料を選択すれば、定着ローラの温度均一性が高まる。
【００２６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、温度均一化手段として外径を小径化したが、その小径化した部分を熱抵抗の大きい他の部材で覆い中央部と外径との差を埋めるようにしてもよい。つまり、従来の定着ローラに比べ本発明では温度均一化手段における熱抵抗を大きくすることにより、熱流速が流れ難くなり、フランジ、軸受けや構造体への熱伝導が減少すればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、定着ローラ、加圧ローラ、定着ローラに対して交流磁界を与えて誘導加熱するコイル、定着ローラの温度を検出する温度検出手段、及びコイルに交流電流を流し検出温度に基づき交流電流を制御することにより定着ローラの温度を制御する制御手段を備えた誘導加熱定着装置において、定着ローラを、記録紙が通紙する領域の外側部分に段差を設けて中央部の外径より小径化し、コイルを、渦巻状にして定着ローラの外周に沿って軸方向に段差部まで近接配置したので、定着ローラの両端部に渦電流による発熱部ができ、定着ローラの温度分布を均一化することができる。しかも、軸受けや構造体への熱伝導による損失が少なくなるので、定着ローラが所定温度まで加熱される加熱時間が短くなり、印刷開始から実際に印刷されるまでの町時間を短縮することができる。その結果、定着装置の消費電力も低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る定着装置の実施の形態を示す図である。
【図２】  本発明の定着ローラと従来の定着ローラとの違いを説明するための図である。
【図３】  本発明に係る定着装置の他の実施の形態を示す図である。
【図４】  ハロゲンランプを加熱源にした従来の定着装置の例を示す図である。
【符号の説明】
１…定着ローラ、２…加圧ローラ、３…コイル、４…トナー像、５…記録紙、６…磁束、７…バネ、８…温度検出手段、９…温度均一化手段、１１…芯金、１３…離型層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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