JP5870569B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を用いた複写機、プリンタ、ファクシミリ又はそれらの複合機等の画像形成装置に用いられる未定着トナー画像を定着させる定着装置及びこれを備えた画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ等の画像形成装置において、装置の立ち上がり時間を低減して省エネルギー化を図るために、電磁誘導加熱方式の定着装置を用いることが広く知られている。
特許文献１等において、電磁誘導加熱方式の定着装置は、発熱体としての支持ローラ（加熱ローラ）、定着補助ローラ（定着ローラ）、支持ローラと定着補助ローラとによって張架された定着ベルト、支持ローラに定着ベルトを介して対向する誘導加熱部（誘導加熱手段）、定着補助ローラに定着ベルトを介して当接する加圧ローラ等で構成される。誘導加熱部は、長手方向に巻き回されたコイル部（励磁コイル）や、コイル部に対向するコア（励磁コイルコア）等で構成される。

定着ベルトは誘導加熱部との対向位置で加熱され、加熱された定着ベルトは、定着補助ローラ及び加圧ローラの位置に搬送される記録媒体上のトナー像を加熱して定着させる。
詳しくは、コイル部に高周波の交番電流を流すことで、コイル部の周囲に交番磁界が形成され、支持ローラ表面近傍に渦電流が生じる。支持ローラ（発熱体）に渦電流が生じると、支持ローラ自身の電気抵抗によってジュール熱が発生する。このジュール熱により支持ローラに巻装された定着ベルトが加熱される。このような電磁誘導加熱方式の定着装置は、発熱体が電磁誘導によって直接加熱されるために、従来のハロゲンヒータ方式等に比べて熱変換効率が高く、少ないエネルギー消費且つ短い立ち上げ時間で定着ベルトの表面温度（定着温度）を所定の温度まで昇温させることができるものとして知られている。

このような誘導加熱に用いるコイルは、励磁コイルと励磁コイルから発生した交番磁界を発熱体に導くためのコアとから構成される。
図２２は、従来技術である特許文献１の定着装置の断面図を示す。コイル２５から長尺なローラ状の発熱体を兼ねた支持ローラ２３まで、コイル長さ方向に複数のアーチ型のコア２６がドーム状にコイルを覆うようにして配置され、連続的な磁路を形成している。また、アーチ型のコア２６だけでは発熱体までの磁路形成が不十分なために、サイドコア２６ｂやセンターコア２６ａを用いて交番磁束の漏れを低減し、発熱効率を向上させている。

この定着装置では、サイドコア２６ｂが、互いに平行に又は定着装置１９の筐体の一部として機能する第２保持部２０と平行になるように設置されており、サイドコア２６ｂは支持ローラ２３の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置されておらず、また、支持ローラ２３の外周面に対向するサイドコア２６ｂの端面は該直線と略垂直になっていない。従って、支持ローラを通らない漏れ磁束が存在するため発熱効率は低下している。

図８に関連して後述するように、本願発明者は研究の末、発熱体の支持ローラに対向するコアの面積が増え且つ支持ローラを通らない漏れ磁束が低減するようにコアを配置することにより、誘導加熱の発熱効率が向上することを見いだした。

また、特許文献２は、発熱体としての定着ローラに対向する磁性体コアの表面積を増やすために、磁性体コアの定着ローラとの対向面を定着ローラに沿うように成形することを開示している。また、これにより、励磁コイルによって生じる磁束を磁性体コアの突起部の先端部の間の空間に集中させ、且つ磁性体コアと定着ローラの導電層で構成される磁気回路から外部への磁界の漏れを減少させている。しかしながら、一般的に磁性体コアの材料に用いられるフェライトコアの場合、磁性体コアの対向面を定着ローラに沿うように成形することは非常に困難であり、コアの製造コストが増大してしまう。

フェライトコアを成形するためには、通常、フェライトの粉末を型の中で焼き固める手法が採られる。しかしながら、この手法で製造されたフェライト部材には焼結の際にコアが収縮する等の製法に起因する問題があり、その寸法精度が低くなってしまう。

一方、発熱体である定着ローラは回転体であるために、定着ローラに対向するコアの面には高い精度寸法が要求され、寸法不良により定着ユニットが組み立てられないという問題が発生し得る。これを回避するため、定着ローラに対向するコアの面に切削等の追加工を施す必要が生じ、これがコアの製造コストを増大させる要因となる。

本発明は、上記のような問題に鑑み、発熱効率の高い電磁誘導加熱方式の定着装置を低コストで提供することを目的とする。

本発明によれば、この課題は、発熱層を有する定着部材と、該定着部材の外周面に対向して配置されて該定着部材を電磁誘導加熱するための励磁コイルと、該励磁コイルにより発生する磁束を前記定着部材に導く連続的な磁路を形成する磁性体コアと、前記励磁コイル及び該磁性体コアを内部に保持する保持体とを有し、該磁性体コアは前記定着部材の外周面に前記励磁コイルを介さずに対向している第１コアを有する、定着装置において、前記第１コアは前記定着部材の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置され、前記定着部材の外周面に対向する前記第１コアの端面は該直線と略垂直になり、前記磁性体コアは、前記第１コアに接触する第２コアをさらに有し、前記第１コアに接触する該第２コアの端面が曲面状に形成されていることにより解決される。

また、前記第１コアが略直方体の形状を有すると好ましい。

また、前記第２コアに接触している１組の前記第１コアは、前記保持体内で互いに平行に配置されていないと好ましい。
また、前記第１コアを設置するためのスペーサーが前記保持体と前記第１コアの間に設けられると好ましい。

また、前記スペーサーは前記保持体に一体成型されたリブとして形成されると好ましい。
また、前記定着部材は加熱ローラであり、前記定着装置は、該加熱ローラ、定着補助ローラ、これらに張架された定着ベルト及び該定着ベルトを介して該定着補助ローラに当接する加圧ローラを有するベルト定着装置であると好ましい。

また、前記定着部材は定着ローラであり、前記定着装置は、該定着ローラ及び該定着ローラに当接する加圧ローラを有するローラ定着装置であると好ましい。
また、本発明に係る画像形成装置は前記定着装置を備えると好ましい。

本発明によれば、電磁誘導加熱方式の定着装置において、第１コアは定着部材の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置され、定着部材の外周面に対向する第１コアの端面は該直線と略垂直になることにより、定着部材に対向する第１コアの面積を増大させて定着部材を通らない漏れ磁束を低減させ、発熱効率を向上させることができる。また、第１コアに接触する第２コアの端面を曲面状に形成することにより、このように第１コアを配置する場合でも第１コアと第２コアの接触面積を均一化させることができ、簡単な構成で定着部材の長手方向の温度分布を均一化させることができる。短時間で立ち上がり、良好な定着が実現される定着装置及び画像形成装置が得られる。

画像形成装置全体の概略構成図である。 定着装置の概略構成図である。 定着ベルトの断面図の一例である。 定着装置の誘導加熱コイルの構成を示す概略断面図である。 励磁コイルの構成を示す概略斜視図である。 サイドコアがケース内で互いに平行に又は共に略垂直に配置されている従来の誘導加熱コイルの構成を示す図である。 従来例の誘導加熱コイルと加熱ローラの部分の概略断面図であって、励磁コイルから発生する磁束の様子を示す図である。 従来例におけるサイドコアと加熱ローラの間の空隙部での磁束の様子を示す図である。 実施例１におけるサイドコアと加熱ローラの間の空隙部の磁束の様子を示す図である。 実施例１と従来例の定着装置の立上特性を加熱実験によって比較した結果を示す図である。 加熱ローラに対向するサイドコアの先端面が加熱ローラの外周面と平行になるようにサイドコアを配置するための具体例を説明する図である。 加熱ローラに対向するサイドコアの先端面が加熱ローラの外周面と平行になるようにサイドコアを配置するための具体例を説明する図である。 加熱ローラに対向するサイドコアの先端面が加熱ローラの外周面と平行になるようにサイドコアを配置するための具体例を説明する図である。 実施例２におけるアーチコアの変形例について説明する図である。 発熱実験に使用した誘導加熱コイルの斜視図である。 アーチコアの端面の曲率半径Ｒを示す図である。 熱電対により観察される装置の駆動開始からの温度変化の典型例を示す図である。 実施例２と比較例１，２における、５０枚通紙完了直後の定着ベルトの長手方向の温度分布を示す図である。 実施例２と実施例３での端面のＲ寸法差の影響を立上特性で比較した結果を説明する図である。 実施例４における定着装置の他の構成を示す概略断面図である。 ローラ定着装置として構成された定着装置の誘導加熱コイルの他の構成を示す概略断面図である。 ベルト定着装置として構成された定着装置の誘導加熱コイルの他の構成を示す概略断面図である。 従来技術である特許文献１の定着装置の断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。先ず、図１にて、画像形成装置全体の構成・動作について説明する。
このプリンタは、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色のトナー像をそれぞれ対応した像担持体としての感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｂｋの表面上に形成するために電子写真方式の４組の像形成手段としての画像形成部１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋを備えている。
これら画像形成部１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋの下方には、各画像形成部を通して用紙（記録材）を搬送するための搬送ベルト２０が張架されている。

各画像形成部１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋの感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｂｋは、搬送ベルト２０にそれぞれ転接配置され，用紙は搬送ベルト２０の表面に静電的に吸着される。
４組の画像形成部１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋは、略同じ構造を有する。よって、ここでは用紙の搬送方向最上流側に配設されたイエロー用の画像形成部１０Ｙについて代表して説明し、他の色用の画像形成部１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂｋについては同一符号を付して詳細な説明を省略する。

画像形成部１０Ｙは、その略中央位置に搬送ベルト２０に転接された感光体ドラム１Ｙを有する。感光体ドラム１Ｙの周囲には、感光体ドラム１Ｙの表面を所定の電位に帯電させる帯電装置２Ｙ、帯電されたドラム表面を色分解された画像信号に基づいて露光し、ドラム表面上に静電潜像を形成する露光装置３Ｙ、ドラム表面上に形成された静電潜像にイエロートナーを供給して現像する現像装置４Ｙ、現像したトナー像を搬送ベルト２０を介して搬送される用紙上に転写する転写装置としての転写ローラ５Ｙ、転写されずにドラム表面に残留した残留トナーを除去するクリーナ６Ｙ、及び図示しないドラム表面に残留した電荷を除去する除電ランプが、感光体ドラム１Ｙの回転方向に沿って順に配設されている。

搬送ベルト２０の図中右下方には、用紙を搬送ベルト２０上に給紙するための給紙機構３０が配設されている。
搬送ベルト２０の図中左側には、後述する本発明に係る定着装置４０が配設されている。搬送ベルト２０によって搬送された用紙は、搬送ベルト２０から連続して定着装置４０を通って延びた搬送路を搬送され、定着装置４０を通過する。

定着装置４０は、搬送された用紙、すなわちその表面上に各色のトナー像が転写された状態の用紙を加熱及び加圧する。そして、各色のトナー像を溶融して用紙に浸透させて定着させる。また、定着装置４０の搬送経路下流側に排紙ローラを介して排紙する。

次に、図２を用いて本発明の定着装置４０を説明する。
この定着装置４０は、ベルト定着装置として構成されており、発熱層を具備した定着部材としての加熱ローラ（支持ローラ）５１、定着補助ローラ５２、加熱ローラ５１と定着補助ローラ５２に張架された定着ベルト５３、定着ベルト５３を介して加熱ローラ５１に対向する誘導加熱コイル５４、及び定着ベルト５３を介して定着補助ローラ５２に当接する加圧ローラ５５からなる。

加熱ローラ５１は、定着ベルト５３を張り渡した際にかかる荷重に耐え得る剛性を有するようにその材質と厚みを選定する必要があり、ステンレス、アルミニウム、鉄等の金属を使用することができる。
また、セラミック等の非磁性且つ絶縁性の材料で芯金層を構成し、電磁誘導加熱に影響を与えられないようにすることもできる。芯金層の厚さは、０．２〜１ｍｍ程度にするとよい。

本実施例１では、加熱ローラ５１には非磁性のステンレス鋼（ＳＵＳ）であって、芯金層の厚さ０．２〜１ｍｍ程度を有するものを用いる。芯金表面には発熱層としての銅（Ｃｕ）を厚さ３〜１５μｍ程度形成し、発熱効率を高めている。この場合、Ｃｕ表層には防錆目的でニッケルめっきを施すことも好適である。

ステンレス鋼以外の例として、１６０〜２２０℃程度のキュリー点を有する整磁合金を用いることもできる。このとき、整磁合金を発熱層としても良いし、整磁合金表層に発熱層としての銅を厚さ３〜１５μｍ程度形成しても良い。整磁合金内部にはアルミニウム部材を配置し、これによって特別な制御機構なしにキュリー点近傍での昇温停止が可能となる。

定着補助ローラ５２は、例えばステンレス、炭素鋼等の金属製の芯金５２ａと、耐熱性を有するシリコーンゴム等をソリッド状又は発泡状にして芯金５２ａを被覆した弾性部材５２ｂとからなる。そして、加圧ローラ５５からの押圧力で加圧ローラ５５と定着補助ローラ５２の間に所定幅の接触部（定着ニップ部Ｎ）を形成する。定着補助ローラ５２の外径は３０〜４０ｍｍ程度、その弾性部材の厚さは３〜１０ｍｍ程度、硬度は１０〜５０°（ＪＩＳ−Ａ）程度とすると好ましい。

図３の断面図を用いて、定着ベルト５３の一例について詳細に説明する。図３に示されるように、定着ベルト５３は、基材３１、この上に積層された弾性層３２、さらにこの上に積層された離型層３３からなる。
基材３１に求められる特性として、ベルトを張り渡した際の機械的強度、柔軟性、定着温度での使用に耐え得る耐熱性が挙げられる。本発明では、加熱ローラ５１を誘導加熱するために、基材３１としては絶縁性の耐熱樹脂材料が好ましい。耐熱樹脂材料としては、例えばポリイミド、ポリイミドアミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルサルファイド（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、フッ素樹脂等が適している。厚さは、熱容量や強度の関係から３０〜２００μｍの範囲にあることが望ましい。

弾性層３２は、光沢むらのない均一な画像を得るためにベルト表面に柔軟性を与える目的で形成され、５〜５０°（ＪＩＳ−Ａ）のゴム硬度を有するエラストマー材料からなり、５０〜５００μｍの厚さを有することが望ましい。また、定着温度における耐熱性の観点から、材質としてはシリコーンゴム、フロロシリコーンゴム等が用いられると好ましい。

離型層３３に使用される材料として、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）及び四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素樹脂、又はこれらの樹脂の混合物、又は耐熱性樹脂にこれらフッ素系樹脂を分散させたものが挙げられる。

離型層３３が弾性層３２を被覆すると、シリコーンオイル等を使用しなくともトナー離型性と紙粉固着防止が可能になる（オイルレス化）。しかし、これらの離型性を有する樹脂は一般にゴム材料のような弾性を有さないことから、弾性層３２上に厚く離型層３３を形成するとベルト表面の柔軟性を損ない光沢むらを発生させてしまう。離型性と柔軟性を両立させるために、離型層３３の膜厚は、５〜５０μｍ、望ましくは１０〜３０μｍの範囲にあると好ましい。

また、必要に応じて各層間にプライマー層を設けても良く、また、基材の内面に摺動時の耐久性を向上させる層を設けても良い。
基材３１には発熱層を具備させることも好適である。例えば、ポリイミド等からなる基層上にＣｕ層を３〜１５μｍ形成し、発熱層として用いることも可能である。

加圧ローラ５５は、金属製の円筒部材からなる芯金５５ａと、耐熱性の高い弾性層５５ｂと、離型層５５ｃから構成され、定着ベルト５３を介して定着補助ローラ５２を押圧して定着ニップ部Ｎを形成している。加圧ローラ５５の外径は３０〜４０ｍｍ程度とし、弾性層５５ｂは、０．３〜５ｍｍ程度の厚さと硬度２０〜５０°（Ａｓｋｅｒ硬度）程度を有している。耐熱性が必要であるため、弾性層５５ｂの材質としてはシリコーンゴムを用いると良い。さらに両面印刷時の離型性を高めるために、弾性部材４ｂ上にフッ素樹脂を使用した離型層５５ｃを１０〜１００μｍ程度形成している。

加圧ローラ５５の弾性層５５ｂの硬度を定着補助ローラ５２の弾性層の硬度に比べて硬くすることによって、加圧ローラ５５が定着補助ローラ５２及び定着ベルト５３へ食い込むことになり、この食い込みにより、記録材Ｐは定着ニップ部Ｎの出口において定着ベルト５３の表面に沿うことができない曲率を有し、記録材Ｐの加圧ローラ５５からの離型性を向上させることができ、ジャム発生等の問題を予め防止することができる。

次に、コイルユニットとして構成された誘導加熱コイル５４について説明する。
図４ａは、本発明の定着装置４０の誘導加熱コイル５４の構成を示す断面図である。誘導加熱コイル５４は、励磁コイル４１と、磁性体コア４２，４３，４４と、これらの保持体としてのケース４５とからなる。

次に、磁性体コアについて説明する。
励磁コイル４１を取り囲むように構成された磁性体コアは、加熱ローラ５１の外周面に対向する位置且つ励磁コイル４１の背後に配置されている第２コアであるアーチコア４２と、励磁コイル４１を介さずに加熱ローラ５１の外周面に対向し、アーチコア４２よりも加熱ローラ５１に近接する位置に配置された第１コアであるサイドコア４４及びセンターコア４３とにより構成されている。磁性体コアは、コイル部４２から発生した磁束を加熱ローラ５１へ集中させる連続的な磁路を形成している。サイドコア４４はケース４５の側部に配置され、センターコア４３はケース４５の中央部に配置され、アーチコア４２はサイドコア４４に接している。

アーチコア４２は、加熱ローラ５１の長手方向（図２における手前及び奥側）の温度分布が均一になるように、長手方向に適当な間隔を空けて複数設置されている。
磁性体コアは、保磁力が小さく透磁率が大きい軟磁性材料であって、電気抵抗率の高いものから構成されるのが望ましい。具体的には、フェライトやパーマロイ等の材料が挙げられる。磁性体コアの材質にはＭｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト等が用いられる。

フェライトコアは、フェライト粉体を圧縮成型し、焼結することで加工しているため、前述のように焼結の際にコアが収縮する等の製法に起因する問題があり、フェライトコアの寸法精度は低くなってしまう。

本実施例１では、サイドコア４４とセンターコア４３は、粉体を圧縮成型する際に圧力を均等にかけることができる形状であるＩ型コア（直方体型コア）として形成し、一定の寸法精度が得られるようにしている。図４ａにおいて、サイドコア４４とセンターコア４３は、紙面手前及び奥側に延在する細長い直方体型コアとして形成されている。また、図８に関連して後述するように、加熱ローラ５１に対向するサイドコア４４の面積を増やすために、サイドコア４４は加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置され、加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａは該直線と略垂直になっている。

次に、励磁コイル４１について説明する。
励磁コイル４１は、絶縁被覆を施した直径０．０５〜０．２ｍｍ程度の導線を５０〜５００本程度撚り合わせたリッツ線を５〜１５回巻き回したものである。リッツ線の表面には融着層を備えており、通電加熱又は恒温槽で加熱することで融着層が固化し、巻き回したコイルの形状保持が可能となる。これに代えて、融着層を保持しないリッツ線を用いてコイルを巻き、それをプレス成型することで形状を与えることも可能である。リッツ線には定着温度以上の耐熱性が必要であることから、素線の絶縁被覆材にはポリアミドイミド、ポリイミド等の耐熱性と絶縁性を兼ね備えた樹脂が用いられる。

このようにして形成された励磁コイル４１はケース４５にシリコーン接着剤等を用いて接着されている。ケース４５には定着温度以上の耐熱性が必要になるため、耐熱性の高い樹脂であるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や液晶ポリマー等が用いられている。

次に、図４ｂを用いて本実施例１の励磁コイル４１の構成をより詳しく説明する。
定着ベルト５３を電磁誘導加熱するための励磁コイル４１は、表面が絶縁された外径０．１５ｍｍの銅製の線材を９０本束ねた線束を周回させることにより構成され、発熱部材・定着部材である加熱ローラ５１の外周面の一部を覆うように成型されているケース４５の表面の全幅にわたって渦巻状に配置されている。また、コイルの形状は、センターコア４３を軸として、定着ベルト５３の円周方向に沿うように回転軸方向に巻き回した形状になっている。

次に、このように構成された定着装置４０の動作について説明する。
不図示の駆動モータによって定着ベルト５３は図２中の矢印Ｘ方向に回転する。加熱ローラ５１は、誘導加熱コイル５４により誘導加熱され、定着ベルト５３を加熱する。
詳しくは、誘導加熱コイル５４に１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波交番電流を流すことで、コイル５のループ内に磁力線が双方向に交互に切り替わるように形成される。このように交番磁界が形成されることで、加熱ローラ５１に渦電流が生じて、ジュール熱が発生し、加熱ローラ５１は誘導加熱される。こうして発熱した加熱ローラ５１からの熱により定着ベルト５３が加熱され、搬送される記録材Ｐと定着ベルト５３が定着ニップ部Ｎで接触し、記録材Ｐ上のトナー像Ｔが加熱され、溶融される。

誘導加熱の発熱効率が向上すれば、定着ベルト５３の表層の温度が迅速に昇温し、立上特性が非常に良好となる。ここで、立上特性は、定着ベルト５３がトナー像Ｔを定着するのに必要な温度までの昇温時間を表し、昇温時間が短いほど良く、ユーザーの使い易い画像形成装置ということになる。

＜実施例１＞
本実施例１では、サイドコア４４は加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置され、加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａを該直線と略垂直にすることで、加熱ローラ５１に対向するサイドコア４４の面を増大させ、加熱ローラ５１を通らない漏れ磁束を低減させ、発熱効率の向上を実現した。以下では、その理由について本発明と従来例を比較しながら説明する。

先ず、図５は、サイドコア４４がケース４５内で互いに平行に又は共に略垂直に配置されている従来の誘導加熱コイル５４の構成を示している。
通常、誘導加熱コイル５４は円筒状に形成された加熱ローラ５１に対向して配置されるが、そのケース４５の形状からサイドコア４４はケース４５内で互いに平行に配置されることが多く、加熱ローラ５１に対向するサイドコア４４の面は加熱ローラ５１の外周面に対して真正面に向いていない。

図６は、従来例の誘導加熱コイル５４と加熱ローラ５１の部分の概略図であって、励磁コイル４１から発生する磁束Ａの様子を示す図である。
図示のように、励磁コイル４１から発生する磁束Ａは、センターコア４３、アーチコア４２、サイドコア４４を経路として加熱ローラ５１を通ってその発熱層を加熱し、再びコアに戻る。この時、磁束Ａは磁性体であるコアを通る時は、コア形状に沿ってコアの内部を流れる。しかしながら、コアの無い、サイドコア４４と加熱ローラ５１の間の空隙部では磁束Ａは拡散する。サイドコア４４の先端部から出る磁場は棒磁石の磁極が作り出す磁場と似ている。

図７は、従来例におけるサイドコア４４と加熱ローラ５１の間の空隙部での磁束Ａの様子を示す。
サイドコア４４の先端部では磁束密度が高く磁力線が集中するが、磁束Ａは、空隙部ではコアから離れるに連れて放物線を描くように拡散していく。従って、図示のように、サイドコア４４を通る磁束のうち、加熱ローラ５１を通らずに漏れ磁束となる磁束が存在していたため、これが発熱効率の低下に繋がっていた。

一方、図８は、本発明におけるサイドコア４４と加熱ローラ５１の間の空隙部の磁束Ｂの様子を示す。
図示のように、サイドコア４４は加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置され、加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａは該直線と略垂直になっている。言い換えれば、加熱ローラ５１に対向するサイドコア４４の先端面４４ａが対向する加熱ローラ５１の外周面と略平行になるように、サイドコア４４を従来の場合に比べて斜めに配置している。

これにより、コアから離れるに連れて放物線を描くように拡散していく磁束Ｂもその殆どが加熱ローラ５１を通る。磁束Ｂが加熱ローラ５１を通れば、加熱ローラ５１を構成している金属発熱層に誘導電流が流れ、ジュール熱により加熱ローラ５１は発熱する。ここで、磁束が漏れることなく加熱ローラ５１を通る割合、すなわち発熱効率はサイドコア４４と加熱ローラ５１の離間距離に依存するため、従来例と本実施例１でのサイドコアと加熱ローラの離間距離が同じであれば、本実施例１の方がより多くの磁束Ｂを加熱ローラに通すことができ、発熱効率も向上させることができる。

このようにして、一定の寸法精度が得られるＩ型形状のサイドコアを用いて、加熱ローラに対向するサイドコアの面積を簡単に増やし、加熱ローラを通らない漏れ磁束を低減させ、発熱効率を高めることができる。

次に、図９を用いて、本実施例１と従来例の定着装置の立上特性を加熱実験によって比較した結果を示す。
実験に用いた定着装置の構成としては、本実施例１は図４ａに示される構成を有するのに対して、従来例は図５に示される構成を有する。すなわち、サイドコア４４の配置方法のみ異なり、その他の構成は同じである。

実験では、定着装置に電力を投入し、定着設定温度である１７０℃まで定着ベルト５３の表面温度を昇温させたときの所要時間を計測した。
温度曲線（ｂ）が示すように、従来例のサイドコアを用いた定着装置は３０秒で立ち上がったのに対して、温度曲線（ａ）が示すように、本実施例１のサイドコアを用いた定着装置は２５秒で立ち上がった。本実施例１の定着装置は従来例よりも５秒立ち上がりが早くなっており、加熱ローラ５１を通過しない漏れ磁束が減少して発熱効率が向上していることが分かった。このように、本実施例１により、簡便な構成であって立上特性の良好な定着装置が実現された。

次に、図１０〜１２を用いて、サイドコア４４を加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置し、加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａを該直線と略垂直にするための具体例を説明する。
図１０（ａ）は、図２、図４ａにも示されているように、Ｉ型のサイドコア４４を斜めに配置することができるように樹脂製のケース４５自体を成型する方法を示している。具体的には、ケース４５の右端部は垂直ではなく斜めに形成されており、これによりＩ型のサイドコア４４も斜めに配置されて、加熱ローラ５１に対向するサイドコア４４の先端面４４ａは対向する加熱ローラ５１の外周面と略平行になる。また、１つのアーチコア４２に接触している１組のサイドコア４４は互いに平行に配置されていない。この方法によれば、高い寸法精度で形成可能なＩ型コアを使用することができるため、コアの寸法のばらつきによる不良が出難く、さらにはＩ型コア自体が特別設計を要しない汎用性の高い部材であるので、低コスト化が図られる。

図１０（ｂ）は、サイドコア４４の変形例を示している。
図示のように、サイドコア４４を加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置した時に加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａが該直線と略垂直になるように、サイドコア４４の断面が五角形や六角形などの多角形になるようにサイドコアを形成しても良い。これによれば、従来のケース４５を使用することができ、ケース４５自体の成型は容易となる。しかしながら、このようなコアの成型はＩ型コアの成型に比べて困難である。

図１１は、サイドコア４４の変形例を示している。
図示のように、サイドコア４４を設置するための楔形状のスペーサー４６をケース４５とサイドコア４４の間に設けることも可能であり、これによりコアの先端面が加熱ローラの外周面と平行になる。なお、スペーサー４６はこのような楔形状に限られず、サイドコア４４を配置した時にコアの先端面が加熱ローラの外周面と平行になるものであれば良い。また、サイドコア４４に接触するアーチコア４２の足の長さは適宜調節することができる。

図１２は、スペーサー４６の変形例であって、ケース４５の内側を示す斜視図である。
ここでは、励磁コイル４１、アーチコア４２、センターコア４３、サイドコア４４等は示されていない。スペーサー４６は、ケース４５にインサート一体成型されたリブ４６として形成されている。２０個のリブ４６が形成されており、これらの上に２０個のサイドコア４４が設置されることになる。また、リブ４６はケース長手方向に離間して配置されており、これによりケース４５の強度を高めることができる。リブ４６によりケース４５の強度が高まるため、ケースの他の部分の壁の厚みを薄くすることができる。そして、コア及び励磁コイル４１を加熱ローラ５１の発熱層に近づければ誘導加熱の発熱効率が高まるため、ケース４５を薄く作製することによりコア及び励磁コイル４１を発熱層により近づけて配置することができ、加熱効率をさらに高められる。このように、サイドコア４４の先端面が加熱ローラの外周面と平行になるようにサイドコア４４を配置し、且つケース４５を薄く作製してコア及び励磁コイル４１を加熱ローラ５１の発熱層により近づけることで、発熱効率が高く、強度も高いコイルユニットが実現される。

＜実施例２＞
次に、図１３を用いてアーチコア４２の変形例について説明する。本実施例２では、アーチコアの形状のみ実施例１と異なり、その他の構成は同一である。
初めにアーチコアの性質について説明する。コアは焼結の過程で収縮するが、アーチコアの両端部は開口しているため又は開口部と連結部で収縮の大きさが異なるため、両端部が外側に台形状に開いて開口部が大きくなる傾向がある。しかし、その程度にはばらつきがあるため、アーチコア４２には個体差が生じ、サイドコア４４との接触状態も個体ごとに異なる。アーチコア４２とサイドコア４４の接触面積が大きいほど、漏れ磁束が減少して発熱効率が高まり、発熱体は昇温し易くなる。逆に言えば、接触状態の異なるアーチコア４２が混在すると、加熱ローラ５１の長手方向の温度均一性が損ねられてしまう。

本発明ではサイドコア４４を斜めに、具体的にはサイドコア４４を加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置し、加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａを該直線と略垂直にしているため、アーチコア４２の形状のばらつきによってアーチコア４２とサイドコア４４の接触面積も大きく変化することになる。つまり、アーチコアとサイドコアが線接触する場合は接触面積は小さくなり、アーチコアの開き具合によりサイドコアとアーチコアの接触面が平行になって面接触する場合は接触面積は大きくなる。

そこで、本発明では、アーチコア４２とサイドコア４４がなるべく面接触して接触面積が均一且つ大きくなるように、アーチコア両端部の端面を曲面形状に形成している（図１３の右上欄及び右下欄）。
図１３は、アーチコア４２をサイドコア４４上に置いた時の模式図であり、サイドコア４４はその先端面が加熱ローラ５１の外周面と平行になるように配置されている。ここでは、便宜上「コ」字状のアーチコア４２を示しているが、これに限られない。

左上欄に示されるように、アーチコアが所期通りに形成されて両端部は外側に開いておらず且つアーチコア両端部は従来通り平面状に形成されるとき、アーチコア４２とサイドコア４４は線接触する。また、左下欄に示されるように、アーチコア両端部が外側に開き且つアーチコア両端部は従来通り平面状に形成されるとき、アーチコア４２とサイドコア４４は面接触する。
また、長手方向（紙面に垂直な方向）にも完全に接触する場合と一部分しか接触しない場合があるため、その接触状態は、アーチコア両端部の開きが小さい場合（左上欄）よりも大きい場合（左下欄）に大きく変化する。従って、アーチコア両端部の開きのばらつきによって、その部分に対向する発熱層の温度が大きく変化することになる。

一方、右上欄及び右下欄に示されるように、本発明によりアーチコア両端部の端面が曲面状に形成されるとき、アーチコア４２はサイドコア４４に曲面で接するため、その接触状態はアーチコア両端部の開きのばらつきによらず安定する。従って、アーチコア両端部の開きのばらつきに起因して加熱ローラの長手方向の温度均一性が損なわれることはない。

さらに、アーチコア両端部の端面を曲面状に形成することで、低コストでコアを得ることができる。すなわち、アーチコア両端部が平面の場合は均一な接触状態を得るために開口部の公差を厳しく設定しなければならず、歩留まり低下によるコスト上昇をもたらす。一方、端面に曲面を設けた本発明では、開口部の公差を厳しく選別することなく歩留まり低下が回避されると共に発熱の均一性が得られる。

次に、実施例２，３及び比較例１，２の発熱実験について説明する。
図１４は、実験に使用した誘導加熱コイル５４の斜視図を示す。両端部の端面が曲面状に形成されたアーチコア以外の構成は、実施例１と同じである。図示のように、１０ｍｍ幅のアーチコア４２が２０ｍｍ間隔で長手方向に１１個配置されている。実施例２におけるアーチコアは、高さ２５ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍとし、端面の曲率半径Ｒを１．２５ｍｍとして形成されている。試作したコアは、その幅寸法に関して６０．５〜６３ｍｍの間でばらついていた。これらの試作したコアの中からアーチコア両端部の開きの最も大きいものを、長手方向中央部を原点（０ｍｍ）として±３０ｍｍの範囲に配置し、他の範囲には６１ｍｍ以下のアーチコアを無作為に配置して誘導加熱コイル５４を作製した。

図１５は、アーチコア４２の端面４２ａの曲率半径Ｒを示す概略図である。
アーチコア４２の両端部の端面４２ａは曲率半径Ｒを有し、その形状は、加熱ローラ５１の回転軸と平行な軸を有する円柱の側面に一致するものとする。
このようにアーチコア４２の両端部の端面４２ａを曲面状に形成することで、アーチコアの両端が開いた場合でもアーチコア４２はサイドコア４４と常に曲面で接触することになり、開きの大きいものと小さいものを厳密に選定する必要なく、長手方向での接触状態のばらつきを無くし、もって加熱ローラの長手方向の温度を均一化させることが可能である。

＜実施例３＞
また、実施例３として、アーチコアを、高さ２５ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ、端面の曲率半径Ｒを５ｍｍとして形成した。これは、曲率が小さく、アーチコアとサイドコアがより平面に近い状態で接するときの効果を確認するものである。他の条件は実施例２と同様として誘導加熱コイル５４を作製した。

＜比較例１＞
また、比較例１として、端面形状が平面のアーチコアを用い、実施例２と同様に誘導加熱コイルを構成した。すなわち、中央から±３０ｍｍの範囲に両端部の開きの大きいアーチコアを配置し、他の範囲には開きの小さいアーチコアを配置して誘導加熱コイルを作製した。

＜比較例２＞
また、比較例２として、比較例１とは逆に、中央から±３０ｍｍの範囲に両端部の端面を所期の寸法で切削仕上げして両端部がサイドコアと面接触するアーチコアを配置して誘導加熱コイルを作製した。これは、精度が良いアーチコアが混ざった場合の効果を確認するものである。

＜評価＞
上記のように作製された誘導加熱コイルを用いて、本実施例２，３及び比較例１，２についての定着装置の加熱実験を行った。
具体的には、リコー社製ｉｍａｇｉｏＣ５０００を用い、複写機本体に備えられた誘導加熱コイルを上記のように作製された誘導加熱コイルと交換し、定着ニップ入口部付近の定着ベルトの表面温度を測定するための熱電対（不図示）を設けて実験を行った。

図１６は、熱電対により観察される装置の駆動開始からの温度変化の典型例を示す。
先ず、駆動開始後、定着目標温度である１７０℃まで昇温し、１７０℃になったときに通紙を開始し、通紙枚数が５０枚になったときに通紙を終了し、加熱及び定着ベルト駆動を停止する。

図１７は、本発明の実施例２と比較例１，２における、５０枚通紙完了直後の定着ベルトの長手方向の温度分布を示している。なお、長手方向中央部を原点（０ｍｍ）としている。
図示のように、実施例２では長手方向の広範囲にわたって均一な温度分布が得られた。これに対して、端面形状が平面のアーチコアを用いた比較例１では、両端部の開きの大きいアーチコアを配置した範囲で温度低下が確認された。逆に、比較例２ではこの範囲で温度上昇が確認された。

次に、図１８を用いて、実施例２と実施例３での端面のＲ寸法差の影響を立上特性で比較した結果を説明する。
図示のように、アーチコアの端面のＲ寸法の大きい実施例３の定着装置の方が立ち上がりが早くなることが分かった。これは、Ｒ寸法が大きいためアーチコアとサイドコアとの接触が面接触に近づくことにより、接触面での漏れ磁束が低減され、発熱効率が向上した結果と考えられる。

以上のように、本発明によれば、サイドコア４４を加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置し、加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａを該直線と略垂直にし、アーチコア両端部の端面を曲面形状に形成することで、定着ベルトの長手方向の温度均一性が確実に得られることが証明された。また、許容される範囲でアーチコア両端部の端面のＲ寸法を大きくすることで、発熱効率をさらに向上させることができる。

＜実施例４＞
本実施例４は、ケース４５と励磁コイル４１と磁性体コア４２，４３，４４からなる誘導加熱コイル５４をローラ定着装置４０に適用した点のみ他の実施例と異なり、その他の構成は同一である。

図１９は、定着装置４０の他の構成を示す断面図である。
定着装置４０は、ローラ定着装置として構成されており、誘導加熱コイル５４、発熱部材・定着部材としての定着ローラ６１、定着ローラに当接して定着ニップ部Ｎを形成する加圧ローラ５５等により構成される。定着ローラ６１は図中矢印方向に回転し、誘導加熱コイル５４により誘導加熱された定着ローラ６１が、搬送される記録材Ｐ上のトナー像Ｔを加熱して溶融する。

図示のように、誘導加熱コイル５４は、定着ローラ６１の外周面に対向するように配設され、発熱層６１ｃを誘導加熱して、定着ローラ６１を加熱する。そして、サイドコア４４を加熱ローラ５１の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置し、加熱ローラ５１の外周面に対向するサイドコア４４の端面４４ａを該直線と略垂直にしている。よって、コアから離れるに連れて放物線を描くように拡散していく磁束もその殆どが定着ローラ６１を通る。このようにして、定着ローラ６１に対向するサイドコア４４の面を増大させ、発熱効率を向上させることができる。

ここで、定着ローラ６１は、内側から芯金６１ａ、弾性層６１ｂ、発熱層６１ｃ等を積層した多層構造体である。詳しくは、定着ローラ６１は、その外径が３０〜４０ｍｍ程度であって、芯金６１ａ上に、弾性層６１ｂ、発熱層６１ｃ、離型層（不図示）等が積層されて構成されている。

定着ローラ６１の最外層には離型層（不図示）が形成されている。
離型層は、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素樹脂、又はこれらの樹脂の混合物、又は耐熱性樹脂にこれらフッ素系樹脂を分散させたものである。離型層の層厚は、５〜５０μｍ（好ましくは、１０〜３０μｍ）に形成されている。これにより、定着ローラ６１上のトナー離型性が担保されるとともに、定着ローラ６１の柔軟性が確保される。

発熱層６１ｃは電気抵抗の低い部材で構成されている。
誘導加熱に適した金属としては一般的には高抵抗のものが知られているが、良伝導性の部材を薄層化することにより、発熱層６１ｃの実質的な抵抗を任意に設定することができ、発熱量を向上させることができる。本実施例４では発熱層６１ｃには１０μｍの厚さの銅層を使用した。発熱層は良好な伝導性を有すれば良いので、銀、アルミニウム、マグネシウム等、若しくは磁性体であるニッケル等の他の金属層を用いても良い。

弾性層６１ｂにはフッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム等の弾性体を使用することができる。
定着ローラ６１に弾性層６１ｂを設けることにより、定着ローラ６１の撓みを許容してニップ領域の幅を増やし、また加圧ローラ５５よりもローラ硬度を小さくして排紙性・記録材分離性能を向上させることができる。

また、弾性層６１ｂをスポンジゴムで構成することにより発熱層６１ｃの発熱を断熱保持することができ、定着ローラ表層側にある弾性層６１ｂや離型層を迅速に加熱するように作用し、定着ローラ表面が定着に必要な温度に迅速に到達するとともに、記録部材に熱が奪われても熱の供給が追いつくことができるようになる。
この構成により、良好なニップ領域を形成することができるとともに、発熱層６１ｃの発熱を断熱保持し、定着ローラ内側に伝熱することを抑止することができる。

本実施例４では、弾性層６１ｂには厚さ９ｍｍの発泡シリコーンゴムを使用した。これにより、定着ローラ６１の表層に配置されている発熱層６１ｃの熱が容易に定着ローラ内部に流れ込まず、効率的な加熱を行うことができる。

芯金層６１ａは、ニップ領域を形成するために定着ローラ６１にかけられる荷重に耐え得る剛性を持たせるために設けられる。従って、アルミニウムや鉄等の金属を使用することができる。また、セラミック等の非磁性且つ絶縁性の材料で芯金層６１ａを構成することで、誘導加熱に影響を与えない材料を使用することもできる。本実施例４ではアルミニウムを使用し、芯金層６１ａは外径２２ｍｍで厚さ２．０ｍｍとした。この厚さは、ニップ領域を形成するために定着ローラ６１にかけられる荷重に耐え得る剛性を有する。

図２０は、ローラ定着装置として構成された定着装置４０の誘導加熱コイル５４の他の構成を示す概略断面図である。ここでは、図１９に示したものと同じ部材についての説明は省略する。
本実施例で用いるアーチコア４２は、回転体である定着ローラ６１の発熱層６１ｃに対向して励磁コイル４１の背後に配置されていればよく、サイドコア４４と接触するアーチコア４２の一端の端面が曲面状に形成されていれば、アーチコア４２の他の部分の形状は問わない。

従って、図示のように、２つのセンターコア４３と、それぞれが２つに分割されたアーチコア４２とが誘導加熱コイル５４に設けられ、それぞれのアーチコア４２の一端が曲面状に形成され、この一端のみがサイドコア４４と接触していてもよい。また、アーチコア４２の他端はセンターコア４３と接触している。サイドコア４４と接触するアーチコア４２の端面を曲面状に形成することにより、定着ローラ６１の長手方向の温度均一性を確実に得ることができる。

図２１は、ベルト定着装置として構成された定着装置４０の誘導加熱コイル５４の他の構成を示す概略断面図である。ここでは、図２に示したものと同じ部材についての説明は省略する。
この場合も、図示のように、２つのセンターコア４３と、それぞれが２つに分割されたアーチコア４２とが誘導加熱コイル５４に設けられ、それぞれのアーチコア４２の一端が曲面状に形成され、この一端のみがサイドコア４４と接触している。また、アーチコア４２の他端はセンターコア４３と接触している。アーチコア４２の一端のみがサイドコア４４と接触する場合であっても、サイドコア４４と接触するアーチコア４２の端面を曲面状に形成することにより、定着ベルト５３の長手方向の温度均一性を確実に得ることができる。

４０ 定着装置
４１ 励磁コイル
４２ アーチコア（第２コア）
４３ センターコア
４４ サイドコア（第１コア）
４５ ケース（保持体）
４６ スペーサー、リブ
５１ 加熱ローラ（定着部材）
５３ 定着ベルト
５５ 加圧ローラ
６１ 定着ローラ（定着部材）

特開２００６−３５００５４号公報 特開２０００−０５６６０３号公報

Claims (8)

1. 発熱層を有する定着部材と、該定着部材の外周面に対向して配置されて該定着部材を電磁誘導加熱するための励磁コイルと、該励磁コイルにより発生する磁束を前記定着部材に導く連続的な磁路を形成する磁性体コアと、前記励磁コイル及び該磁性体コアを内部に保持する保持体とを有し、該磁性体コアは前記定着部材の外周面に前記励磁コイルを介さずに対向している第１コアを有する、定着装置において、
   前記第１コアは前記定着部材の軸から半径方向に延在する直線に沿って配置され、前記定着部材の外周面に対向する前記第１コアの端面は該直線と略垂直になり、
   前記磁性体コアは、前記第１コアに接触する第２コアをさらに有し、前記第１コアに接触する該第２コアの端面が曲面状に形成されていることを特徴とする定着装置。
2. 前記第１コアが略直方体の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記第２コアに接触している１組の前記第１コアは、前記保持体内で互いに平行に配置されていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記第１コアを設置するためのスペーサーが前記保持体と前記第１コアの間に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 前記スペーサーは前記保持体に一体成型されたリブとして形成されることを特徴とする請求項４に記載の定着装置。
6. 前記定着部材は加熱ローラであり、前記定着装置は、該加熱ローラ、定着補助ローラ、これらに張架された定着ベルト及び該定着ベルトを介して該定着補助ローラに当接する加圧ローラを有するベルト定着装置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の定着装置。
7. 前記定着部材は定着ローラであり、前記定着装置は、該定着ローラ及び該定着ローラに当接する加圧ローラを有するローラ定着装置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の定着装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

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