JP4728855B2 - 電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成媒体上のトナーを熱定着させる加熱体であるローラやベルトを電磁誘導作用により発熱させる誘導加熱ユニットを備えた電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置に関するものである。

電子写真プロセスにより記録紙に画像を形成する画像形成装置（プリンタ、ファクシミリ装置、複写機、及び複合機など）では、感光体から記録紙上に転写された未定着のトナーを熱と圧力により記録紙に定着させる定着装置が設けられている。この定着装置では、近年、加熱ローラなどの加熱媒体を電磁誘導作用により生じるジュール熱で加熱する電磁誘導加熱方式によるものが省エネルギーの観点から注目されている。

一方、定着装置では、定着が記録紙の全面に渡って均一に行われるように、軸方向の温度分布を均一化することが望まれるが、加熱ローラの軸端からの放熱により、軸方向中心部に比較して軸方向端部の温度が低下することから、軸方向端部での発熱量を軸方向中心部より大きくして、軸方向の温度分布の均一化を図ることが必要となる。

このような温度分布の均一化の要請は、前記の電磁誘導加熱型の定着装置でも同様であり、軸方向端部での発熱量を軸方向中心部より大きくするため、ローラの周壁と磁性体コアとの間の空隙（エアギャップ）が軸方向中心部より軸方向端部で狭くなるように磁性体コアを設けた構成が知られている（特許文献１参照）。また、軸方向端部での磁性体コアの配置密度を軸方向中心部より高くした構成が知られており（特許文献２参照）、このような構成でも軸方向端部での発熱量を軸方向中心部より大きくして、軸方向の温度分布の均一化を図ることができる。
特開平９−６２１３２号公報（第９図、第１０図、第１１図） 特開２００５−２０３２７２号公報（第２図、第７図）

しかしながら、前記従来の技術では、発熱量を調整するための磁性体コアがローラの内部に収容されているため、ローラの構造や形状に制約されて、磁性体コアの形態や配置位置に関する設計自由度が低くなり、適切な温度分布を得るための調整が難しくなる不都合がある。また発熱量が磁性体コアの取付位置に大きく影響されるため、磁性体コアを高い精度で組み付ける必要があるが、磁性体コアをローラの内部に精度良く固定することは容易ではなく、製造が難しくなる難点がある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、磁性体コアの形態や配置位置に関する設計自由度が高く、適切な温度分布を得るための調整が容易であり、さらに製造が容易になるように構成された電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置を提供することにある。

本発明の電磁誘導加熱定着装置及び画像形成装置は、画像形成媒体上のトナーを熱定着させる加熱体として設けられた、あるいはその加熱体となるベルトを支持するために設けられたローラと、このローラの外周側に対向配置されて前記加熱体を電磁誘導作用により発熱させる電磁誘導加熱ユニットとを有し、この電磁誘導加熱ユニットが、前記ローラの軸方向に延在する励磁コイルと、この励磁コイルを挟んで前記ローラと相反する外側で前記ローラの周方向に延在する磁性体コアとを備え、この磁性体コアが、非磁性の物質中を通過する磁路長が軸方向端部に比較して軸方向中心部で長くなるように軸方向位置に応じて周方向長を変えて設けられた構成とする。

本発明によれば、磁性体コアを軸方向位置に応じて周方向長を変えて設けることにより、軸方向中心部での発熱量を軸方向端部より小さくして、加熱体の温度分布を均一化することができる。そして、磁性体コアが励磁コイルを挟んでローラと相反する外側に配置されているため、磁性体コアの形態や配置位置に関する設計自由度が高く、適切な温度分布を得るための調整が容易になり、さらに製造が容易になる。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、画像形成媒体上のトナーを熱定着させる加熱体として設けられた、あるいはその加熱体となるベルトを支持するために設けられたローラと、このローラの外周側に対向配置されて前記加熱体を電磁誘導作用により発熱させる電磁誘導加熱ユニットとを有し、この電磁誘導加熱ユニットが、前記ローラの軸方向に延在する励磁コイルと、この励磁コイルを挟んで前記ローラと相反する外側で前記ローラの周方向に延在する磁性体コアとを備え、この磁性体コアが、非磁性の物質中を通過する磁路長が軸方向端部に比較して軸方向中心部で長くなるように軸方向位置に応じて周方向長を変えて設けられた構成とする。

これによると、磁性体コアを軸方向位置に応じて周方向長を変えて設けることにより、軸方向中心部での発熱量を軸方向端部より小さくして、加熱体の温度分布を均一化することができる。そして、磁性体コアが励磁コイルを挟んでローラと相反する外側に配置されているため、磁性体コアの形態や配置位置に関する設計自由度が高く、適切な温度分布を得るための調整が容易になり、さらに製造が容易になる。

この場合、軸方向中心部で発熱量を小さくするには、磁性体コアの周方向長を短く形成して空隙を設けるようにすれば良く、その空隙分だけ、非磁性の空気中を通過する磁路長が長くなるため、漏れ磁束の割合が増加して、発熱量が減少する。また合成樹脂材料などの非磁性の材料で空隙を埋めるようにした構成も可能である。

前記課題を解決するためになされた第２の発明は、前記第１の発明において、前記磁性体コアが、前記ローラの軸方向に配列される複数のコア部材を有し、この複数のコア部材が、周方向長が互いに異なる複数種類のものからなり、周方向長が長い前記コア部材が軸方向端部に、周方向長が短い前記コア部材が軸方向中心部にそれぞれ配置された構成とすることができる。

これによると、周方向長が互いに異なる複数種類のコア部材の配置個数及び配置位置を種々に変更することで、温度分布の調整を簡単に且つ精度良く行うことができる。

前記課題を解決するためになされた第３の発明は、前記第１の発明において、前記コア部材が、前記ローラの軸方向に沿った前記加熱体の温度分布状況に応じて、軸方向の配置位置を微調整可能に設けられた構成とすることができる。

これによると、コア部材の配置位置の微調整が可能なため、励磁コイルなどの構成部品の製作精度及び組み付け精度が低い場合でも、加熱体の実際の温度分布状況に応じて、コア部材の配置位置を微調整することで、構成部品の製作精度及び組み付け精度に影響されることなく適切な温度分布に設定することができる。

この場合、コア部材を支持する支持部材を、ローラの軸方向に沿って等断面に形成し、いずれの軸方向位置でもコア部材を固定可能なように構成すれば良い。またコア部材は、周方向長が互いに異なる複数種類のもので、同一の外形を有する保持部材に保持させた上で、支持部材に取り付けるようにすると、コア部材自体の形態の違いに煩わされることなく、コア部材を適切な位置に配置することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明が適用される画像形成装置の概略構成を示す模式的な断面図である。この画像形成装置は、図示しない画像読取装置やＰＣなどのホスト装置から入力される画像データに基づいて所要の画像をトナーで記録紙（画像形成媒体）Ｓ上に形成する画像形成部１と、ここで記録紙Ｓ上に形成されたトナー像を定着させる定着部（定着装置）２とを有し、給紙部３の記録紙Ｓが、レジストローラ４を介して画像形成部１に供給されて画像形成処理が行われ、ついで定着ガイド５に沿って定着部２に搬送されて定着処理が行われた後、排紙ガイド６に沿って搬送されて排紙トレイ７上に排出される。

画像形成部１では、帯電器１１により一様に帯電された感光体ドラム１２に対してレーザ走査ユニット１３からレーザ光が照射されて感光体ドラム１２の像形成面上に静電潜像が形成された後、現像器１４内のトナーが現像ローラ１５を介して感光体ドラム１２に供給されることでその像形成面上の静電潜像が現像され、これにより形成されたトナー像が転写ローラ１６により記録紙に転写される。またクリーニング装置１７により感光体ドラム１２の表面の残留物が除去される。

定着部２は、記録紙Ｓ上のトナーを熱定着させる加熱ベルト（加熱体）２１と、この加熱ベルト２１が巻き掛けられる加熱ローラ２２及び定着ローラ２３と、図示しないばねにより加熱ローラ２２に圧接する向きに付勢された加圧ローラ２４と、加熱ローラ２２に対する加熱ベルト２１の巻き掛け部分に対向配置されて電磁誘導作用により加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２を発熱させる電磁誘導加熱ユニット２５とを有しており、定着ローラ２３に対する加熱ベルト２１の巻き掛け部分と加圧ローラ２４とによるニップ部に記録紙Ｓが送り込まれ、熱及び圧力の作用で記録紙Ｓ上のトナーが記録紙Ｓに定着される。また定着部２の近傍には冷却ファン２６が設けられている。

図２は、図１に示した定着部を詳細に示す断面図である。電磁誘導加熱ユニット２５は、加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２に鎖交する交番磁束を発生する励磁コイル３１と、加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２に鎖交する交番磁束を増加させる磁性体コアとしてのセンタコア３２、サイドコア３３、及びアーチコア（コア部材）３５とを有している。このセンタコア３２、サイドコア３３、及びアーチコア３５は、フェライトやパーマロイなどの強磁性体の材料で形成されている。またここでは、加熱ベルト２１の温度を検出するサーミスタ３９が設けられている。

励磁コイル３１は、加熱ローラ２２を中心にした略半円形の断面領域に渡って加熱ローラ２２の外周側を覆うようにコイルガイド３６に保持されている。このコイルガイド３６は、加熱ローラ２２により円弧状に屈曲する加熱ベルト２１の外面に沿って湾曲した断面形状に形成された樋状部分４１と、この樋状部分４１の両側縁から外向きに突出した一対の庇状部分４２とを有し、電磁誘導作用による発熱を防止するために耐熱性樹脂で形成されている。

コイルガイド３６は、励磁コイル３１の他に、センタコア３２、サイドコア３３及びアーチコア３５をそれぞれ保持し、樋状部分４１の外周面に励磁コイル３１が支持されると共に、樋状部分４１の頂部にセンタコア３２が支持され、また庇状部分４２にサイドコア３３が支持されている。このセンタコア３２及びサイドコア３３は、接着剤によりコイルガイド３６に対して固定される。

アーチコア３５は、励磁コイル３１を挟んで加熱ローラ２２と相反する外側で加熱ローラ２２の周方向に延在し、加熱ローラ２２の軸方向に延在するセンタコア３２及びサイドコア３３を周方向に橋絡する。このアーチコア３５は、コアホルダ（保持部材）４４に収容された状態で接着剤によりセンタコア３２に対して固定される。コアホルダ４４は、コイルガイド３６と同様に電磁誘導作用による発熱を防止するために耐熱性樹脂で形成されている。なお、インサート成形によりアーチコア３５にコアホルダ４４を一体的に形成することも可能である。

コイルガイド３６には、励磁コイル３１、センタコア３２、サイドコア３３及びアーチコア３５を覆うようにハウジング３７が取り付けられており、このハウジング３７は、励磁コイル３１が発生する交番磁界を遮断可能な磁気遮蔽材料（例えばアルミニウム合金）で形成されている。

図３は、図２に示した電磁誘導加熱ユニット２５の分解斜視図である。励磁コイル３１は、加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２の幅に対応する寸法のコイルガイド３６の長手方向の略全長に渡って延在し、被覆導線を多数束ねた構成のリッツ線４７を、コイルガイド３６の樋状部分４１の外周面に沿って軸方向に延設すると共に軸方向端部で折り返すようにセンタコア３２の周囲を周回させて形成されている。

センタコア３２は、コイルガイド３６の樋状部分４１の頂部に、サイドコア３３は、庇状部分４２に、それぞれコイルガイド３６の長手方向の略全長に渡って延設されている。

図４は、図２に示した電磁誘導加熱ユニット２５を詳しく示す断面図である。図２に示したアーチコア３５は、周方向長が互いに異なる複数種類のものがあり、特にここでは、図４（Ａ）に示すように、周方向長が長いアーチコア３５ａと、図４（Ｂ）に示すように、周方向長が短いアーチコア３５ｂとの２種類のものがあり、これら長短２種類のアーチコア３５ａ・３５ｂがコアホルダ４４に収容されてアーチコアアセンブリ４５ａ・４５ｂをそれぞれ構成している。

アーチコアアセンブリ４５ａ・４５ｂは、図３に示したように、軸方向に所要の間隔をおいて配列され、特に図４（Ａ）に示す周方向長が長いアーチコア３５ａを備えたアーチコアアセンブリ４５ａが軸方向端部に配置され、図４（Ｂ）に示す周方向長が短いアーチコア３５ｂを備えたアーチコアアセンブリ４５ｂが軸方向中心部に配置される。

コイルガイド（支持部材）３６は、主要部を軸方向に沿って略等断面に形成されており、また周方向長が異なる２種類のアーチコア３５ａ・３５ｂは、同一の外形輪郭のコアホルダ４４に収容されて、アーチコアアセンブリ４５ａ・４５ｂに外形上の相違がないため、図３に示したように、コイルガイド３６にハウジング３７を固定するために樋状部分４１の頂部に設けられた取付ボス４８の配設位置を除いて、いずれの軸方向位置でもアーチコアアセンブリ４５ａ・４５ｂを取り付けることができる。

このように構成された電磁誘導加熱ユニット２５では、励磁コイル３１に通電すると、図４に示したように、磁束がセンタコア３２からアーチコア３５を経てサイドコア３３に至り、さらにサイドコア３３から加熱ベルト２１を経てセンタコア３２に至るように形成され、このとき、図４（Ｂ）に示す周方向長が短いアーチコア３５ｂでは、周方向端部５１においてコアホルダ４４内に空隙５２が画成され、この空隙５２分だけ、図４（Ａ）に示すアーチコア３５ａの場合よりも、非磁性の空気中を通過する磁路長が長くなるため、漏れ磁束の割合が増加して、加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２内の磁束密度が低くなり、発熱量が減少する。

したがって、周方向長が長いアーチコア３５ａを備えたアーチコアアセンブリ４５ａを軸方向端部に配置すると共に周方向長が短いアーチコア３５ｂを備えたアーチコアアセンブリ４５ｂを軸方向中心部に配置することにより、軸方向中心部での発熱量を軸方向端部より小さくすることができる。そしてアーチコアアセンブリ４５ａ・４５ｂの配置個数及び配置位置を変更する調整を容易に行うことができるため、加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２の実際の温度分布状況に応じて、アーチコアアセンブリ４５ａ・４５ｂの配置位置を微調整することで、温度分布の調整を簡単に且つ精度良く行うことができる。

なお、図４（Ｂ）に示す周方向長が短いアーチコア３５ｂでは、合成樹脂材料によるインサート成形や、空隙５２に合成樹脂材料を充填するなどして空隙５２を埋めるように構成することも可能であり、この場合も、合成樹脂材料が非磁性であるため、漏れ磁束の割合が増加して、発熱量が減少する。

図５・図６は、図２に示した加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２の軸方向の温度分布状況を示している。図５（Ａ）は、アーチコア３５を省略した構成の例を示しており、この場合、加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２を通過する磁束が軸方向に均一となり、加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２が軸方向に均一に発熱するが、加熱ローラ２２の支持部材を介して軸方向端部から放熱するため、軸方向中心部に比較して軸方向端部の温度が低下する。

図５（Ｂ）は、アーチコア３５を設けた構成の例を示しており、特にここでは、アーチコア３５の配置間隔が軸方向中心部に比較して軸方向端部で小さくなるように設定されている。この場合、アーチコア３５の配置間隔が小さく設定された軸方向端部で発熱量が大きくなり、軸方向中心部に比較して軸方向端部の温度が低下する不具合が改善されるが、アーチコア３５の配置間隔が大きい軸方向中心部で温度の変動幅が大きくなる不具合が発生する。

図６（Ａ）の例では、図４に示したように、長短２種類のアーチコア３５ａ・３５ｂが用いられ、周方向長が短いアーチコア３５ｂが軸方向中心部に、周方向長が長いアーチコア３５ａが軸方向端部にそれぞれ配置されている。この場合、周方向長が短いアーチコア３５ｂが配置された軸方向中心部での発熱量が小さくなり、図５（Ｂ）の例に比較して、温度の変動幅が小さくなり、軸方向の温度分布が均一化され、良好な温度分布が得られる。

図６（Ｂ）の例では、周方向長が互いに異なる多数種類のアーチコア３５が用いられ、図５（Ａ）に示した温度分布曲線に応じて、軸方向端部から軸方向中心部に向けて周方向長が次第に短くなるようにアーチコア３５が配列され、またアーチコア３５の配置間隔も短く設定されている。この場合、図６（Ａ）の例に比較して、温度の変動幅が小さくなり、軸方向の温度分布がより一層均一化される。

図７は、図２に示したアーチコア３５の別の例による加熱ベルト２１及び加熱ローラ２２の軸方向の温度分布状況を示している。ここでは、アーチコア３５が、軸方向に連続した形態で、図５（Ａ）に示した温度分布曲線に応じて、軸方向端部から軸方向中心部に向かって周方向長が次第に短くなるように形成されている。この構成では、図６（Ｂ）の例に比較して、さらに軸方向の温度分布が均一化され、最適な温度分布が得られる。

図８は、図１に示した定着部の別の例を示す断面図である。ここでは、前記の例とは異なり、励磁コイル８１の電磁誘導作用により発熱する加熱ローラ８２が、直接記録紙Ｓに接触して、記録紙Ｓ上のトナーを熱定着させる加熱体となっており、加熱ローラ８２と加圧ローラ８３とによるニップ部に記録紙Ｓが送り込まれ、熱及び圧力の作用で記録紙Ｓ上のトナーが記録紙Ｓに定着される。

励磁コイル８１は、前記の例と同様に、加熱ローラ８２を中心にした略半円形の断面領域に渡って加熱ローラ８２の周囲を覆うようにコイルガイド８４に保持されており、また加熱ローラ８２に鎖交する交番磁束を増加させる磁性体コアとしてセンタコア８５、サイドコア８６、及びアーチコア８７が設けられており、アーチコア８７には、周方向長が互いに異なる複数種類のものが用いられる。このアーチコア８７は、コアホルダ８９に収容されてアーチコアアセンブリ９０を構成し、周方向長の短いアーチコア８７を備えたアーチコアアセンブリ９０が軸方向中心部に、周方向長の長いアーチコア８７を備えたアーチコアアセンブリ９０が軸方向端部にそれぞれ配置される。

なお、前記の例では、センタコア及びサイドコアを設けた構成を示したが、このセンタコア及びサイドコアは必須のものではなく、センタコア及びサイドコアを省略した構成も可能である。

本発明にかかる電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置は、磁性体コアの形態や配置位置に関する設計自由度が高く、適切な温度分布を得るための調整が容易であり、さらに製造が容易になる効果を有し、画像形成媒体上のトナーを熱定着させる加熱体であるローラやベルトを電磁誘導作用により発熱させる誘導加熱ユニットを備えた電磁誘導加熱定着装置及びこれを備えた画像形成装置、例えばプリンタ、複写機、ファクシミリ、複合機などとして有用である。

本発明が適用される画像形成装置の概略構成を示す模式的な断面図 図１に示した定着部を詳細に示す断面図 図２に示した電磁誘導加熱ユニットの分解斜視図 図２に示した電磁誘導加熱ユニットを詳しく示す断面図 図２に示した加熱ローラの軸方向の温度分布状況を示す図 図２に示した加熱ローラの軸方向の温度分布状況を示す図 図２に示したアーチコアの別の例による加熱ローラの軸方向の温度分布状況を示す図 図１に示した定着部の別の例を示す断面図

符号の説明

２ 定着部
２１ 加熱ベルト
２２ 加熱ローラ
２３ 定着ローラ
２４ 加圧ローラ
２５ 電磁誘導加熱ユニット
３１ 励磁コイル
３２ センタコア
３３ サイドコア
３５・３５ａ・３５ｂ アーチコア（コア部材）
３６ コイルガイド
４４ コアホルダ
４５・４５ａ・４５ｂ アーチコアアセンブリ
５２ 空隙
８１ 励磁コイル
８２ 加熱ローラ
８３ 加圧ローラ
８４ コイルガイド
８５ センタコア
８６ サイドコア
８７ アーチコア
Ｓ 記録紙（画像形成媒体）

Claims (4)

1. 画像形成媒体上のトナーを熱定着させる加熱体として設けられた、あるいはその加熱体となるベルトを支持するために設けられたローラと、このローラの外周側に対向配置されて前記加熱体を電磁誘導作用により発熱させる電磁誘導加熱ユニットとを有し、
   この電磁誘導加熱ユニットが、前記ローラの軸方向に延在する励磁コイルと、この励磁コイルを挟んで前記ローラと相反する外側で前記ローラの周方向に延在する磁性体コアとを備え、
   この磁性体コアが、非磁性の物質中を通過する磁路長が軸方向端部に比較して軸方向中心部で長くなるように軸方向位置に応じて周方向長を変えて設けられたことを特徴とする電磁誘導加熱定着装置。
2. 前記磁性体コアが、前記ローラの軸方向に配列される複数のコア部材を有し、
   この複数のコア部材が、周方向長が互いに異なる複数種類のものからなり、周方向長が長い前記コア部材が軸方向端部に、周方向長が短い前記コア部材が軸方向中心部にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導加熱定着装置。
3. 前記コア部材が、前記ローラの軸方向に沿った前記加熱体の温度分布状況に応じて、軸方向の配置位置を微調整可能に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の電磁誘導加熱定着装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電磁誘導加熱定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。