JP5879988B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、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設置される定着装置及びこれを備えた画像形成装置に関し、特に電磁誘導加熱方式を用いた定着装置及び画像形成装置に関する。

従来から、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することを目的として、電磁誘導加熱方式の定着装置を用いたものが広く知られている。

特許文献１では、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、定着ベルトを介して支持ローラに対向する誘導加熱部（誘導加熱手段）、定着ベルトを介して定着補助ローラに当接する加圧ローラ等で構成される。誘導加熱部は、その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）、それらを保持するケース等で構成される。

定着ベルトは誘導加熱部との対向位置で加熱される。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する。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て、支持ローラ表面近傍に渦電流が生じる。支持ローラ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って、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的に加熱されるため、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、少ないエネルギーで短い立ち上げ時間で定着ベルトの表面温度（定着温度）を所望の温度まで昇温できるものとして既に知られている。

一方、特許文献２では、電磁誘導加熱方式の定着装置において、装置の発熱効率を向上させるために、励磁コイルに対向するコア（背面コア）をＣ形コアと中心コアとで構成する技術が開示されている。

電磁誘導加熱方式の定着装置は、効率的な誘導加熱を行うためにコイルからの漏れ磁束の発生を防止するため、磁気回路を閉回路化させる必要がある。特許文献１ではフェライトコアや遮蔽板等を追加することにより、磁気回路を閉回路化させている。一方、特許文献２では、励磁コイルに対向するＣ形コア及び中心コアを設けることで発熱部材の発熱効率を向上しようとするものであるが、その目的の達成が不十分となる可能性があった。

また、これらの装置では、励磁コイルから発せられる磁束を発熱体に導く磁性体コアと発熱体との距離が離れているため、発熱体に効率的に磁束を導くことができず、所望の温度まで発熱体を熱するのに要する時間が長くなる、つまり定着装置の立ち上がり時間が長くなるという問題があった。

そこで、本発明は、誘導加熱方式の定着装置の加熱効率を従来よりも向上させ、より短時間での立ち上がりが実現される定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

この課題は、本発明によれば、発熱層を有する定着部材と、当該定着部材の外周面に対向して当該定着部材に鎖交する磁束を発生する励磁コイルと、当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前記磁性体コアを保持する保持体と、前記定着部材を押圧して定着ニップ部を形成する加圧部材と、を有する誘導加熱方式の定着装置において、前記磁性体コアは、前記定着部材の外周面に対向し且つ前記励磁コイルを挟むように配設された複数のアーチコアと、当該アーチコアに接して前記励磁コイルの側面に配設され且つ前記定着部材に対向する複数のサイドコアと、巻き回された前記励磁コイルの中心部に配設され且つ前記定着部材と対向する複数のセンターコアと、で構成されており、前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方を前記定着部材に近づけるために、前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方が、前記保持体とのインサート一体成形により前記保持体の壁に埋め込まれており、前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方と、前記保持体とをインサート一体成形する際に、固定手段で前記保持体の外側から前記サイドコアを固定するための開口部が、前記保持体に設けられることにより解決される。

また、前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方を挿入するためのスリットが前記保持体に形成され、前記スリットの形成による前記保持体の軟化を防止するための複数の補強部材が前記保持体に設けられ、前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方は、前記保持体内でその長手方向に前記補強部材によって離間されて配設されていると好ましい。
また、前記定着部材は定着ローラであり、前記加圧部材は搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラであると好ましい。

また、前記定着部材は、支持ローラと定着補助ローラとこれらに張架された定着ベルトを有し、前記加圧部材は、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラであり、前記定着補助ローラは、前記定着ベルトを介して前記加圧ローラに当接すると好ましい。
また、本発明に従う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、定着部材の側から見て磁性体コアを保持体の壁から露出させ又は埋め込み、磁性体コアを保持体の壁を越えて定着部材に近づけたので、磁気回路を確実に閉回路化させたうえで、励磁コイルから発せられる磁束を効率的に定着部材に導くことが可能となる。これにより、部品点数の増加に伴うコスト増を回避し、定着部材の発熱効率を向上させることができ、定着装置及び画像形成装置の立ち上がり時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。

本発明に従う画像形成装置の概略図である。 本発明の第１実施形態における定着装置の概略断面図である。 アーチコアを通るケースの概略断面図である。 励磁コイル等が配置されているケースの裏側の斜視図である。 コアを接着固定した場合における、定着ローラ側から見たケースの表側の斜視図である。 励磁コイル、アーチコア、センターアーチコア、サイドコア及びセンターコアを取り外したときのケースの裏側の斜視図である。 アーチコアとセンターアーチコアを取り外したときのケースの裏側の平面図である。 アーチコアとセンターアーチコアを取り付けたときのケースの裏側の平面図である。 第１実施形態における定着装置と従来の定着装置の昇温特性の実験結果を示す図である。 サイドコアのみを露出させたときの定着装置の概略断面図である。 センターコアのみを露出させたときの定着装置の概略断面図である。 本発明の第２実施形態における定着装置の概略断面図である。 本発明の第３実施形態における定着装置の概略断面図である。 本発明の第４実施形態における定着装置の概略断面図である。 第４実施形態における誘導加熱部の断面図である。 インサート一体成形した場合の、定着ローラ側から見たケースの表側の斜視図である。 インサート一体成形時にコアを固定する固定手段の概略図である。 インサート一体成形時にコアを金型に固定したときの概略図である。 サイドコアのみをインサートしたときの誘導加熱部の断面図である。 センターコアのみをインサートしたときの誘導加熱部の断面図である。 本発明の第５実施形態における定着装置の概略図であり、第１実施形態における誘導加熱部を定着ベルトに適用した例を示す図である。 本発明の第５実施形態における定着装置の概略図であり、第４実施形態における誘導加熱部を定着ベルトに適用した例を示す図である。 定着ベルトの断面図である。 従来の定着装置の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
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、像形成手段としての電子写真方式の４組の画像形成部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記録媒体としての用紙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に回転接触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、後述する本発明の実施形態に係る定着装置４０が配設されている（この図中では、励磁コイル等は省略）。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し、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。そして、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されて、一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、画像形成装置に配置される定着装置４０の構成について詳述する。
図２は、本発明の第１実施形態における定着装置４０の断面図であり、定着装置４０は、磁束発生手段としての誘導加熱部５０、発熱部材・定着部材としての定着ローラ４１、加圧ローラ４２等により構成される。ここで、発熱部材としての定着ローラ４１は、ステンレス、炭素鋼等の中空構造の芯金４１ａ表面に、弾性層４１ｂ、発熱層４１ｃ等を形成した多層構造体である。詳しくは、定着ローラ４１は、その外径が３０〜４０ｍｍ程度であって、芯金４１ａ上に、弾性層４１ｂ、発熱層４１ｃが積層されて構成されている。

芯金４１ａは、ＳＵＳ３０４等で形成され、その肉厚は１ｍｍ程度の円筒状のものや中実のものからなる。弾性層４１ｂとしては、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４１ａを被覆した肉厚が３〜１０ｍｍ程度であって、硬度が１０〜５０°（ＪＩＳ−Ａ）程度のものである。

発熱層４１ｃは、内周側から、基材層、主発熱層、弾性層、離型層の順で構成されている。
発熱層４１ｃの基材はニッケル（Ｎｉ）を厚さ３〜１５μｍ程度で形成することで、発熱効率を高めることができる。他の例として、ＳＵＳ材やキュリー点１６０〜２２０℃程度を有する整磁合金を用いることもできる。整磁合金内部にはアルミ部材を配置し、これによってキュリー点近傍での昇温停止が可能となる。また、基材層にポリイミドを用いることもできる。これにより基材に金属を使うよりも発熱層の熱容量を小さくすることができて、昇温に必要なエネルギーが小さくなる。

発熱層４１ｃの主発熱層は銅（Ｃｕ）で形成され、その厚さは５μｍ以下になるように設定されている。酸化防止のため、Ｃｕ層の表層にＮｉ層を積層することもよい。

発熱層４１ｃの弾性層は、シリコーンゴムで構成され、その厚さは１００〜５００μｍとなっている。弾性層は、定着ローラ４１の紙への追従性を向上させるためのものである。

発熱層４１ｃの離型層は、ＰＦＡ等のフッ素化合物で形成され、その厚さは１０〜１００μｍとなっている。離型層は、トナー像（トナー）Ｔが直接的に接する定着ローラ４１表面のトナー離型性を高めるためのものである。

このように、第１実施形態における定着ローラ４１は、トナー像を融解する定着部材として機能するとともに、誘導加熱部５０によって直接的に加熱される発熱部材としても機能することになる。

なお、発熱層４１ｃの基材は磁性金属材料からなる単層構造とすることもできる。発熱層を形成する磁性金属材料としては、層厚が１０μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）を用いることができ、鉄、コバルト、銅又はそれらの合金等を用いることもできる。

加圧ローラ４２は、アルミニウム、銅等からなる円筒部材４２ａ上にフッ素ゴム、シリコーンゴム等の弾性層４２ｂが形成されたものである。加圧ローラ４２の弾性層４２ｂは、肉厚が０．５〜２ｍｍで、アスカー硬度が２０〜５０°程度となるように形成されている。加圧ローラ４２は定着ローラ４１に圧接している。そして、定着ローラ４１と加圧ローラ４２との当接部（定着ニップ部Ｎ）に、記録媒体Ｐが搬送される。

図３に示すように、本発明の特徴部である誘導加熱部５０は、定着ローラ４１の外周面に対向するように配設され、励磁コイル５１、磁性体コア５２、これらの保持体としてのケース５３等で構成される。
ここで、励磁コイル５１は、絶縁被覆を施したφ０．０５〜０．２ｍｍ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り、ケース５３内で定着ローラ４１の最大加熱領域の全体に渡って延在し、定着ローラ４１に鎖交する磁束を発生する。リッツ線の表面には融着層が備えられており、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を用いる。

巻き終えた励磁コイル５１はケース５３にシリコーン接着剤等を用いて接着する。ケース５３は、定着温度以上の耐熱性が必要になるため、耐熱性が高い樹脂材料等（例えば、樹脂ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等が好ましい）からなり、定着ローラ４１との対向面の側で励磁コイル５１を保持する。なお、ケース５３は絶縁性（ＵＬ１４４６等の電気絶縁システム）や製品安全規格、樹脂の成形性を満足するためにある程度の厚さが必要であることから、本発明では耐熱性と絶縁性、成形性を兼ね備えた液晶ポリマー（ＬＣＰ）を採用している。

図３は、本発明の特徴部を示す図であり、図３ａはアーチコア５２ａを通るケース５３の断面図、図３ｂは励磁コイル５１等が配置されているケース５３の裏側の斜視図である。
図３ａに示されるように、磁性体コア５２は、定着ローラ４１の外周面に対して励磁コイル５１を挟むように配設されているアーチコア５２ａと、アーチコア５２ａに接し、励磁コイル側面に配設され、定着ローラ４１の外周面に対向するサイドコア５２ｂと、巻き回された励磁コイル５１の中心部に配設されたセンターコア５２ｃと、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃと接触し、定着ローラ４１の外周面に対して励磁コイル５１を挟むように配設されたセンターアーチコア５２ｄからなる。このように構成することで、磁性体コア５２は、励磁コイル５１を取り囲んで励磁コイル５１からの磁束を定着ローラ４１へ導くための閉磁路を形成しており、磁気回路が確実に閉磁路として形成されるため、定着ローラの発熱効率を向上させることができる。

そして、図示のように、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃは、定着ローラ４１に向かう側で保持体としてのケース５３から露出している。詳しくは、本発明ではケース壁にスリットを形成しておき、これにサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース外側又は内側から挿入し接着固定することで、これらのコアを定着ローラ４１の側から見てケース５３の壁から露出させ、ケース壁を越えて定着ローラ４１に近づけている。このように構成することで、サイドコア及びセンターコアは従来の誘導加熱部であればケース壁の内側までしか定着ローラ４１に近づけることができなかったが、本発明ではコア５２ｂ，５２ｃがケース５３の壁よりも定着ローラ４１側に又は従来であればケースがあった部分まで近づいているため、その分コア５２ｂ，５２ｃを定着ローラ４１に近づけることができる。従って、励磁コイル５１からの磁束を定着ローラ４１へ導くための磁路も定着ローラ４１に近づくため、定着ローラ４１の発熱効率を向上させることができ、立ち上げ時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。

ここで、アーチコア５２ａ、サイドコア５２ｂ、センターコア５２ｃ及びセンターアーチコア５２ｄの材質としては、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト等の軟磁性材料であって、電気抵抗率の高いものを用いることが好ましい。
磁性体コア５２は、粉体を圧縮成型し、焼結することで加工されている。焼結の過程で磁性体コア５２は収縮するため、形状が複雑になると反り等により形状が安定しない。よって、磁性体コア５２はできるだけ簡素な形状である方が好ましい。

このようにして、アーチコア５２ａ、サイドコア５２ｂ、センターコア５２ｃ及びセンターアーチコア５２ｄを別体として構成し、組み付け時に連結させることにより、各コアの形状が簡素化されるため、低コスト化と組立性の向上を達成できる。

図４は、各コア５２を接着固定した場合における、定着ローラ４１側から見たケース５３の表側の斜視図である。
定着ローラ４１側から見て、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃは露出しており、定着ローラ４１に対向するコアの面がケース壁を越えて又は従来であればケースがあった部分まで定着ローラ４１に近づいている。ケース５３の中央部は定着ローラ４１表面の形状に対応して窪んでいる。サイドコア５２ｂ，５２ｃの露出部分のケース長手方向の幅は、図示のような長さに限られず、コアを分離し且つケースの強度を維持するためにケースに設けられた補強部材としてのリブの幅等を調節することで任意に選択することができる。

図５は、励磁コイル５１、アーチコア５２ａ、センターアーチコア５２ｄ、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃを取り外したときのケース５３の裏側の斜視図である。図３ｂに示すように、本実施形態では、定着ローラ４１の幅方向の長さと略等しい範囲に間隙をあけて１０個のアーチコア５２ａが配設されている。同様にして、図５に示すように、２０個のサイドコア５２ｂが、ケース５３の側方に設けられた補強部材としてのリブ５５を挟んで、ケース長手方向に離間して不連続に配設されている。リブ５５はケース長手方向と直交する方向に設けられている。また、６個のセンターコア５２ｃが、ケース５３の中央部に設けられた補強部材としてのリブ５６を挟んで、ケース長手方向に離間して不連続に配設されている。リブ５５，５６は、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃを挿入するためにケース壁に形成されたスリットによるケースの軟化・弱体化を防止するものである。図中、センターコア５２ｃは、円筒状の定着ローラ４１の形状に適合するように形成されたケース５３の膨隆部（湾曲部）に配置されているため、サイドコア５２ｂよりも高い位置にある。そして、図３ｂに示すように、３個のセンターアーチコア５２ｄが、サイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃに接して、誘導加熱部の中心部に配設されている。

図６ａは、アーチコア５２ａとセンターアーチコア５２ｄを取り外したときのケース５３の裏側の平面図であり、図６ｂは、これらを取り付けたときのケース５３の裏側の平面図である。図６ａに示すように、複数のリブ５５とリブ５６が、それぞれサイドコア５２ｂの間とセンターコア５２ｃの間にケース５３に形成されている。また、図６ｂに示すように、３個のセンターアーチコア５２ｄが、サイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃに接して、誘導加熱部の中心部に配設されており、１０個のアーチコア５２ａが、サイドコア５２ｂに接して、誘導加熱部の中心部から端部にかけて配設されている。なお、ケース５３の中央部に開口部５８が設けられているが、これは温度センサ（不図示）の設置に供するものであり、無くてもよい。センターコア５２ｃとセンターアーチコア５２ｄは、定着ローラ４１の外周面に適合するようなアーチ型・弓型の形状をしている。

このように、ケース５３の内側にリブ５５，５６を設けることで、ケースにサイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃを挿入するためのスリット５７を設けたことによるケース５３の強度低下を防ぐことができ、これらのコアをケース５３から露出させた場合にも充分な強度を確保することができる。なお、サイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃは、定着ローラ４１側から見てケース５３から露出しているが、他のコアは露出していない。

第１実施形態では、接着によりサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース５３に固定している。これにより、組立作業が簡素化でき、組立工数の削減も可能となる。接着のために、シリコーン接着剤を用いた固定や耐熱性の高いテープを用いた固定が可能である。

また、本願発明者の調べにより、このようにサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃを離間して配設した場合でも、これらを隙間なくケース長手方向に連続的に配設した場合に比べて磁気結合の低下や発熱効率の低下は殆ど生じないことが分かっている。第１実施形態では、ケース５３の成形性や強度を考慮してリブの幅・間隔を２ｍｍとしたが、離間距離をより大きくすることで、コア数を削減できるためコストダウンも可能となる。

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ローラ４１が反時計方向に回転駆動されると、加圧ローラ４２も時計方向に回転する。そして、定着部材としての定着ローラ４１は、誘導加熱部５０との対向位置（対向面）で、誘導加熱部５０から発生される磁束によって加熱される。

詳しくは、不図示の電源部から励磁コイル５１に２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ（好ましくは、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである）の高周波交番電流を流すことで、励磁コイル５１から発熱層４１ｃに向けて磁力線が双方向に交互に切り替わるように形成される。こうして、定着ローラ４１は、自身の発熱層４１ｃの誘導加熱によって加熱される。

その後、誘導加熱部５０によって加熱された定着ローラ４１表面は、加圧ローラ４２との当接部に達する。そして、搬送される記録媒体Ｐのトナー像Ｔを加熱して溶解する。
詳しくは、先に説明した作像プロセスを経てトナー像Ｔを担持した記録媒体Ｐが、不図示のガイド板に案内されながら定着ローラ４１と加圧ローラ４２との間に送入される。そして、定着ローラ４１から受ける熱と加圧ローラ４２から受ける熱によってトナー像Ｔが記録媒体Ｐに定着されて、記録媒体Ｐは定着ローラ４１と加圧ローラ４２との間から送出される。

定着位置を通過した定着ローラ４１表面は、その後に再び誘導加熱部５０との対向位置に達する。
このような一連の動作が連続的に繰り返されて、画像形成プロセスにおける定着工程が完了する。

次に、上述した第１実施形態の定着装置４０の効果の実験による検証結果を説明する。
図７は、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース５３から露出させた第１実施形態における定着装置４０と従来の定着装置の昇温特性の実験結果を示す図である。実線で示されたグラフＱ１は、第１実施形態における定着装置４０の昇温特性を示し、破線で示されたグラフＱ０は従来の定着装置（図１８参照）の昇温特性を示す。なお、図１８に示すように、従来の定着装置は、コイルガイド８４内に配置された励磁コイル８１、センターコア８５、サイドコア８６及びアーチコア８７からなる誘導加熱部と、加熱ローラ８２と、加圧ローラ８３とからなり、センターコア８５及びサイドコア８６はコイルガイド８４から露出もしていないし、埋め込まれてもいない。

実験では、それぞれの定着装置について、電力投入と同時に定着ローラ４１を回転、昇温させて、定着ローラ４１表面の温度の経時変化を測定した。なお、２つの定着装置は誘導加熱部の構成以外は同じ構成であり、加熱初期の投入電力もそれぞれ同等になるように調整した。ここで、「昇温特性」は、定着ローラ４１がトナーを定着するために必要な温度（第１実施形態では１８０℃）まで昇温する時間の長短を表し、昇温時間が短いほどユーザの待ち時間が短くて使い易い装置ということになる。

図７から、第１実施形態における定着装置４０では、昇温特性が従来の定着装置よりも向上していることが分かる。具体的には、従来の定着装置では１８０℃に達するまでの立ち上げ時間が１７．４秒であったのに対して、第１実施形態における定着装置４０では立ち上げ時間が１２．２秒であり、立ち上がり時間を５秒程度早めることができた。このように、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース５３から露出させ、これらを定着ローラ４１により近付けたことによる本発明の効果が実験から実証された。

以上、第１実施形態ではサイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃの両方をケース５３から露出させ、定着ローラ４１に近づけた例を示したが、図８ａや図８ｂに示すようにどちらか一方を露出させ、定着ローラ４１に近づける構成でも良い。つまり、図８ａの例ではサイドコア５２ｂのみを露出させており、図８ｂの例ではセンターコア５２ｃのみを露出させている。この場合にも、磁気回路が閉磁路として形成されるため、定着ローラ４１の発熱効率を向上させることができ、従来よりも立ち上げ時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。

次に、図９を用いて本発明の第２実施形態における定着装置４０について説明する。
図９に示されるように、第２実施形態は、第１実施形態におけるセンターコア５２ｃを無くした形態である。第２実施形態では、定着ローラ４１と対向していたアーチコア５２ａの面の高さを低くすることで、本来であればセンターコア５２ｃが定着ローラ４１に近づいて配置されていた箇所にアーチコア５２ａが存在することになる。よって、第１実施形態と同様に磁気回路が閉磁路として形成でき、定着ローラ４１の発熱効率を向上させ、立ち上げ時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。また、センターコア５２ｃが無くなった分、第１実施形態に比べ部品点数削減及び組立工数削減による低コスト化を実現できる。

次に、図１０を用いて本発明の第３実施形態における定着装置４０について説明する。
図１０に示されるように、第３実施形態は、第１実施形態におけるサイドコア５２ｂを無くした形態である。第３実施形態では、ブロック状のセンターコア５２ｃをケース５３中心部に露出させて配置し、その分励磁コイル５１がセンターコア５２ｃに近づくように励磁コイル５１の中心部分を狭くし、励磁コイル５１全体の幅を狭めている。励磁コイル５１の幅が狭くなった分、アーチコア５２ａの幅方向を狭めることができ、本来であればサイドコア５２ｂが定着ローラ４１に近づいて配置されていた箇所にアーチコア５２ａの足部分が配置される。よって、第１実施形態と同様に磁気回路が閉磁路として形成でき、定着ローラ４１の発熱効率を向上させ、立ち上げ時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。また、サイドコア５２ｂが無くなった分、第１実施形態に比べ部品点数削減及び組立工数削減による低コスト化を実現できる。また、アーチコア５２ａの幅を狭めているため、ケース５３の幅方向も狭められ、ケース５３の小型化が実現でき、装置全体として省スペース化が可能となる。

次に、図１１〜１３を用いて本発明の第４実施形態における定着装置について説明する。
図１１は、本発明の第４実施形態における定着装置４０の断面図であり、図１２は、第４実施形態における誘導加熱部５０の断面図であり、図１３は、定着ローラ４１側から見たケース５３の表側の斜視図である。第４実施形態における定着装置４０は、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃとケース５３とがインサート一体成形されている点が第１実施形態と相違する。他のコアは接着固定されている。

図１１に示すように、第４実施形態における定着装置４０も、第１実施形態と同様に、磁束発生手段としての誘導加熱部５０、発熱部材・定着部材としての定着ローラ４１、加圧ローラ４２等で構成される。また、誘導加熱部５０は、励磁コイル５１、アーチコア５２ａ、サイドコア５２ｂ、センターコア５２ｃ、ケース５３等で構成される。

図１２に示すように、第４実施形態では、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃとケース５３とがインサート一体成形されている。インサート一体成形では、磁性体であるサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃを鋳型に設置してケース５３の材料である樹脂を流し込むことで、これらのサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃとケース５３とを一体に形成している。このように構成することで、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース５３から露出させ、コアを従来よりも定着ローラ４１に近づけることができる。従って、本実施形態においても非常に効率の良い定着ローラ４１の誘導加熱を行うことができる。

ところで、接着によりサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース５３に固定する第１実施形態の場合、ケース壁とこれらコアの間に僅かな隙間が形成されてしまうため、なるべく隙間を埋めるようにコアを配置したり、コアの形状を変形させたりすることが好ましかった。ここで、隙間を埋めるのは、励磁コイル５１等が加熱により高温になり過ぎて不具合が生じないようにケース５３の裏面側ではエアを流通させているが、隙間があるとエアが定着ローラ４１側に漏れて冷却効果が薄れてしまうことと、漏れたエアが定着のために一定の高温を維持したい定着ローラ４１表面をも冷却する恐れがあることによる。

しかしながら、図１２のインサート部５４に示すように、インサート一体成形によればケース壁とコアの間の隙間は完全に埋められるため、これらの恐れは排除される。
なお、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース５３から露出させながらインサート一体成形する例を示したが、これらコアを定着ローラ４１側により近付けてケース壁で覆う（埋め込む）ようにインサート一体成形してもよい。発熱効率に実質的に寄与するのは、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃと定着ローラ４１との距離であって、樹脂で構成されたケース５３がこれらの間に介在しても、励磁コイル５１により発生された磁束はケース５３を貫通していくため、ケース５３の存在は発熱効率に寄与しないからである。これにより、コアをケース壁に埋め込む分だけコアを定着ローラ４１に対して近付けることができ、この場合もコアを露出させた場合と同様に、定着ローラ４１の発熱効率を向上させることができる。

図１３は、インサート一体成形した場合の、定着ローラ４１側から見たケース５３の表側の斜視図である。
定着ローラ４１側から見て、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃは露出しており、定着ローラ４１に対向するコアの面が従来よりも定着ローラ４１に近付けられている一方、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃとケース壁との間に隙間は形成されていない。ここで、サイドコア５２ｂの露出部分のケース長手方向の幅は、サイドコア５２ｂ自体の長手方向の幅よりもかなり狭くなっているが、露出部分の幅は任意に選択することができる。すなわち、インサート一体成形されるケース壁部分を多くして露出部分の幅を短くすれば、その分ケース５３の強度を高めることができる。同様に、センターコア５２ｃの露出部分の長手方向の幅は、センターコア５２ｃ自体の長手方向の幅よりも少し狭くなっているが、露出部分の幅は任意に選択することができる。

また、ケース壁には２０個のサイドコア５２ｂに対応して２０個の開口部５９が形成されている。これらの開口部５９は、インサート一体成形時に各サイドコア５２ｂのケース５３に対する位置がずれないように、図１４ａに示す金型６０に設けたマグネット６１（固定手段）でケースの外側からサイドコア５２ｂを固定するために必要となる。図１４ｂでは、マグネット６１によりサイドコア５２ｂが固定されている。図１１から分かるように、開口部５９は定着ローラ４１に対向する位置にないため、開口部５９の有無は定着ローラ４１の発熱効率の向上には寄与しないが、開口部５９は、サイドコア５２ｂを正確に位置決めする必要があるケース製造時（インサート一体成形時）に役立つ。なお、必要に応じて、センターコア５２ｃ用の開口部を形成してもよい。

以上のように、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃとケース５３とをインサート一体成形することにより、ケースの成形とコアの組立を同時に行うことができるため組立工数を大幅に短縮することができる。また、ケース壁と露出したコアの間の隙間が完全に埋まるため、ケース裏側におけるエア流通による励磁コイル５１等の冷却効果を確保するとともに、ケース表側においては定着ローラ４１側からの熱も遮断されるため定着ローラの蓄熱性も確保され、さらにはケース５３の充分な剛性・強度も確保できる。

以上、第４実施形態ではサイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃとケース５３とをインサート一体成形し、定着ローラ４１に近づけた例を示したが、図１５ａや図１５ｂに示すようにどちらか一方をインサート一体成形させても良い。つまり、図１５ａの例ではサイドコア５２ｂのみをインサート一体成形しており、図１５ｂの例ではセンターコア５２ｃのみをインサート一体成形している。この場合にも、磁気回路が閉磁路として形成されるため、定着ローラ４１の発熱効率を向上させることができ、立ち上げ時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。また、磁性体であるサイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃと樹脂では熱収縮量が違うため、サイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃがインサートされた箇所は樹脂のみの箇所と比較して、成形後の冷却時間に差が生じ、反りが発生しやすくなる。しかし、サイドコア５２ｂ、センターコア５２ｃのどちらか一方のみをケース５３とインサート一体成形することにより、成形後の製品の反りを低減させ、安定した形状の製品を製造することができるため、歩留まりを向上させることができる。

次に、図１６を用いて本発明の第５実施形態における定着装置４０について説明する。
図１６は、本発明の第５実施形態における定着装置４０を示す断面図であり、この定着装置４０は、定着部材として定着ベルト４３を用いている点で定着ローラ４１を用いている第１実施形態及び第２実施形態のものと相違する。
図１６ａは、第１実施形態におけるサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃとケース５３が接着により固定された誘導加熱部５０を定着ベルト４３に適用した例を示し、図１６ｂは、第４実施形態におけるサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃとケース５３がインサート一体成形により固定された誘導加熱部５０を定着ベルト４３に適用した例を示す。

図示のように、第５実施形態における定着装置４０は、誘導加熱部５０、発熱部材・定着部材としての定着ベルト４３、発熱・加熱部材としての支持ローラ４４、定着補助ローラ４５、加圧ローラ４２等で構成される。
支持ローラ４４はＳＵＳ芯金厚さ０．２〜１ｍｍ程度を用いる。芯金表面には銅（Ｃｕ）を厚さ３〜１５μｍ程度形成し、発熱効率を高めることができる。この場合、Ｃｕ表層には防錆目的にＮｉめっきを施すことも好適である。他の例として、キュリー点１６０〜２２０℃程度を有する整磁合金を用いることもできる。整磁合金内部にはアルミ部材を配置し、これによって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４５は、例えばステンレス、炭素鋼等の金属製の芯金４５ａ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を被覆した弾性部材４５ｂとからなる。そして、加圧ローラ４２からの押圧力で加圧ローラ４２と定着補助ローラ４５の間に所定幅の接触部（定着ニップ部Ｎ）を形成する。その外径は３０〜４０ｍｍ程度、弾性部材は肉厚を３〜１０ｍｍ程度、硬度を１０〜５０°（ＪＩＳ−Ａ）程度としている。

次に、定着ベルト４３の断面図である図１７を用いて、定着ベルト４３について詳細に説明する。
図示のように、基材４３ａの上に弾性層４３ｂと離型層４３ｃが積層している。
基材４３ａに求められる特性として、ベルトを貼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等が挙げられる。本発明では、支持ローラ４４を誘導加熱するため基材４３ａは絶縁性の耐熱樹脂材料、ポリイミド、ポリイミドアミド、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳ、フッ素樹脂等が適している。基材４３ａの厚さは熱容量や強度の関係から３０〜２００μｍ程度が望ましい。

弾性層４３ｂは、光沢ムラ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、ゴム硬度は５〜５０°（ＪＩＳ−Ａ）、厚さは５０〜５００μｍが望ましい。また、定着温度における耐熱性から、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。
離型層４３ｃ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、もしくはこれらの樹脂の混合物、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。

弾性層４３ｂを離型層４３ｃが被覆すると、シリコーンオイル等を使用しなくともトナー離型性、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持たないことから、弾性層４３ｂ上に厚く離型層４３ｃを形成するとベルト表面の柔軟性を損ない光沢ムラを発生させてしまう。離型性と柔軟性を両立させるため、離型層４３ｃの膜厚は５〜５０μｍ、望ましくは１０〜３０μｍである。

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４３ａ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４２は、前記第１実施形態と同様の構成で、アルミニウム、銅等からなる円筒部材４２ａ上にフッ素ゴム、シリコーンゴム等の弾性層４２ｂが形成されたものである。加圧ローラ４２の弾性層４２ｂは、肉厚が０．５〜２ｍｍで、アスカー硬度が２０〜５０°程度となるように形成されている。
定着ベルト４３は図１６の反時計方向に周回する。そして、定着ベルト４３の発熱層は、誘導加熱部５０から発せられる磁束によって直接的に誘導加熱される。

図１６に示すように、誘導加熱部５０は、前記第１実施形態のものと同様に、励磁コイル５１、アーチコア５２ａ、サイドコア５２ｂ、センターコア５２ｃ、センターアーチコア５２ｄ、ケース５３等で構成される。そして、前記第１実施形態と同様に、アーチコア５２ａは、サイドコア５２ｂに接しながら、支持ローラ４４の外周面に対して励磁コイル５１を介して周方向に対向するように配設され、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃは幅方向に複数配設されている。このとき、サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃは連結していても、間隙をあけて配設していてもよい。サイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃは定着補助ローラ４５に対向するとともに、ケースの幅方向に延設され、ケース５３から露出するように配設されている。このときのサイドコア及びセンターコアの保持方法は接着方式（図１６ａ参照）でも、インサート一体成形（図１６ｂ参照）でもよい。また、インサート一体成形の場合、露出に代えてこれらコアをケース５３に埋め込んでもよい。

このように構成された定着装置４０は、次のように動作する。
定着補助ローラ４５の回転駆動によって、定着ベルト４３は図１６中の反時計方向に周回するとともに、支持ローラ４４は反時計方向に回転し、加圧ローラ４２は時計方向に回転する。定着ベルト４３は、誘導加熱部５０との対向位置で誘導加熱される。

詳しくは、不図示の電源部から励磁コイル５１に２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ（好ましくは、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の高周波交番電流を流すことで、励磁コイル５１から支持ローラ４４及び定着ベルト４３に向けて磁力線が交互に切り替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、支持ローラ４４表面と定着ベルト４３の発熱層とに渦電流が生じて、支持ローラ４４及び発熱層の電気抵抗によってジュール熱が発生して、支持ローラ４４及び発熱層が加熱される。こうして、定着ベルト４３は、発熱した支持ローラ４４から受ける熱と自身の発熱層の発熱とによって直接的に加熱される発熱部材として機能するとともに、誘導加熱部５０によって支持ローラ４４を介して間接的に加熱される発熱部材としても機能する。

その後、誘導加熱部５０によって加熱された定着ベルト４３表面は、加圧ローラ４２との当接部に達する。そして、搬送される記録媒体Ｐのトナー像Ｔを加熱して溶解する。定着位置を通過した定着ベルト４３表面は、その後再び誘導加熱部５０との対向位置に達する。
このような一連の動作が連続的に繰り返されて、画像形成プロセスにおける定着工程が完了する。

以上説明したように、第５実施形態においては、定着ベルト４３及び支持ローラ４４の外周面に対して励磁コイル５１を介して周方向に対向するアーチコア５２ａに加えて、アーチコア５２ａよりも近傍に定着ベルト４３及び支持ローラ４４の外周面に対向して幅方向にサイドコア５２ｂ及びセンターコア５２ｃをケース５３から露出又は埋め込むように配設しているので、従来よりもコア５２ｂ，５２ｃを定着ベルト４３及び支持ローラ４４に近づけることができる。よって、誘導加熱部５０の部品点数を増加させることなく、定着ベルト４３及び支持ローラ４４の発熱効率を向上させることができ、定着装置の立ち上げ時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。

なお、第５実施形態では、定着ベルト４３と支持ローラ４４の両方とも誘導加熱部によって電磁誘導加熱される構成としたが、定着ベルト４３と支持ローラ４４の一方のみを誘導加熱部５０によって電磁誘導加熱される構成としてもよい。例えば、定着ベルト４３に発熱層を設けない場合には、支持ローラ４４のみが誘導加熱部５０によって電磁誘導加熱される発熱部材として機能するとともに、定着ベルト４３を加熱する加熱部材として機能することになる。この場合も前記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第５実施形態では、定着ベルト４３を介して支持ローラ４４の外周面に対向する位置に誘導加熱部５０を配設したが、支持ローラ４４の外周面に直接的に対向するように誘導加熱部５０を配設することもできる。すなわち、定着ベルト４３を介さずに、誘導加熱部５０を支持ローラ４４に直接対向させることができる。その場合にも第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、第５実施形態では、サイドコア５２ｂとセンターコア５２ｃをケース５３より露出もしくは埋め込むことによりこれらを定着ベルト４３に近づけた例を示したが、どちらか一方を露出もしくは埋め込むことで定着ベルト４３に近づける構成でも良い。この場合にも、磁気回路が閉磁路として形成されるため、定着ベルト４３の発熱効率を向上させることができ、従来よりも立ち上げ時間の短縮と省エネルギー化を達成することができる。

なお、本発明が前記実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において前記実施形態の構成が適宜変更され得ることは明らかである。例えば、サイドコアやセンターコアの数、位置、形状等は、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

４０ 定着装置
４１ 定着ローラ（定着部材）
４２ 加圧ローラ（加圧部材）
５０ 誘導加熱部
５１ 励磁コイル
５２ａ アーチコア（磁性体コア）
５２ｂ サイドコア（磁性体コア）
５２ｃ センターコア（磁性体コア）
５２ｄ センターアーチコア（磁性体コア）
５３ ケース（保持体）
５５，５６ リブ（補強部材）
５７ スリット
６０ 金型
６１ マグネット（固定手段）

特開２００９−１４９７２号公報 特許第３５１９４０１号公報

Claims (5)

1. 発熱層を有する定着部材と、当該定着部材の外周面に対向して当該定着部材に鎖交する磁束を発生する励磁コイルと、当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前記磁性体コアを保持する保持体と、前記定着部材を押圧して定着ニップ部を形成する加圧部材と、を有する誘導加熱方式の定着装置において、
   前記磁性体コアは、前記定着部材の外周面に対向し且つ前記励磁コイルを挟むように配設された複数のアーチコアと、当該アーチコアに接して前記励磁コイルの側面に配設され且つ前記定着部材に対向する複数のサイドコアと、巻き回された前記励磁コイルの中心部に配設され且つ前記定着部材と対向する複数のセンターコアと、で構成されており、
   前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方を前記定着部材に近づけるために、前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方が、前記保持体とのインサート一体成形により前記保持体の壁に埋め込まれており、
   前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方と、前記保持体とをインサート一体成形する際に、固定手段で前記保持体の外側から前記サイドコアを固定するための開口部が、前記保持体に設けられることを特徴とする定着装置。
2. 前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方を挿入するためのスリットが前記保持体に形成され、前記スリットの形成による前記保持体の軟化を防止するための複数の補強部材が前記保持体に設けられ、
   前記サイドコアと前記センターコアの少なくとも一方は、前記保持体内でその長手方向に前記補強部材によって離間されて配設されていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記定着部材は定着ローラであり、前記加圧部材は搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラであることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記定着部材は、支持ローラと定着補助ローラとこれらに張架された定着ベルトを有し、前記加圧部材は、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラであり、前記定着補助ローラは、前記定着ベルトを介して前記加圧ローラに当接することを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
   

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