JP2004145368A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　ウオームアップタイムを殆どゼロにすることができるとともに、カラ―画像でトナ―量が多く転写された薄紙などでも、良好な剥離性能が得られる定着装置を提供することを課題とする。
【解決手段】　導電層を有する薄肉の加熱ベルトと、前記薄肉の加熱ベルトの外部から前記導電層を誘導加熱する磁界発生手段と、前記磁界発生手段に対して前記加熱ベルトの反対側に当該加熱ベルトとギャップを介して強磁性体とを有し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着するように構成して課題を解決した。
【選択図】　図１

Description

　この発明は、電子写真方式を採用した複写機やプリンター、あるいはファクシミリ等の画像形成装置において、未定着トナー像を加熱・加圧定着するのに用いられる定着装置に係わり、特に加熱部材としてベルト状部材を使用した定着装置に関するものである。

特開２０００−１８１２５８号公報 特開２０００−２９３３２号公報 特開平７−２９５４１１号公報 特開平８−６９１９０号公報 特開平１１−３８８２７号公報

　従来、上記電子写真方式を採用した複写機やプリンター、あるいはファクシミリ等の画像形成装置において、未定着トナー像を加熱・加圧定着するのに用いられる定着装置としては、少なくとも金属製のコアを有する加熱ロールの内部に、ハロゲンランプ等の加熱源を設けて、加熱ロールを内部から加熱するとともに、前記加熱ロールに圧接するように加圧ロールを配設し、これら加熱ロールと加圧ロールとのニップ部間を、未定着トナー像が転写された記録媒体を通過させることにより、記録媒体上に未定着トナー像を熱及び圧力で定着させ、定着画像を得るように構成したものが、主に用いられている。

　ところで、定着装置においては、省エネルギーの観点や、画像形成装置の使用時にユーザーを待たせない等の観点から、加熱部材を瞬時に所定の温度に加熱することができ、待ち時間（ウオームアップタイム）をゼロとした装置が求められているが、上述した加熱ロールをその内部に配設したハロゲンランプ等の加熱源によって加熱する方式では、以下の理由により達成することができない。

　すなわち、加熱部材である加熱ロールは、加圧ロール等の加圧部材が圧接されるものであるため、所定以上の剛性を保つ必要があり、ある厚さ以上の金属製のコアを有している。そのため、上記加熱ロールは、熱容量をあまり減少させることができず、かつ加熱源としてのハロゲンランプは、加熱ロールの内部に設けられており、内部から加熱ロールを加熱することになるので、加熱ロールの表面に熱が伝わるまで時間がかかるため、待ち時間が必然的に長くなってしまう。さらに、上記加熱ロールを加熱するハロゲンランプは、通常、ガラス管を有しているため、ハロゲンランプ自体もある程度の熱容量を有しており、まずはハロゲンランプ自身を温めるのにも時間がかかってしまう。

　以上の理由により、上記従来の定着装置では、ウオームアップに時間を要してしまい、待ち時間が長くなるという問題点を有している。また、加熱源として、ハロゲンランプを使用すると、当該ハロゲンランプのＯＮ・ＯＦＦ時に、通電電流が過渡的に流れる所謂”フリッカー”現象が発生するという問題点も有している。

　そこで、近年、上記定着装置において使用される加熱手段として、ハロゲンランプの代わりに、誘導加熱方式を利用した加熱手段が検討されている。これは、導電性層を有する加熱部材に、磁界発生手段によって発生させた磁界を作用させて、電磁誘導作用により加熱部材の加熱を行うというものであり、フリッカー等の問題が無く、加熱対象のみを瞬時に加熱することができるので、待ち時間の短い定着装置を提供するために、非常に有効な加熱手段である。

　また、上記ハロゲンランプ等の加熱手段は、加熱ロールの内部など３６０°周囲が覆われた状態でしか、使用することができないのに対して、誘導加熱方式の場合には、磁界発生手段は、加熱部材に磁界を作用させることができさえすれば、加熱部材の内部に限らず、外部に設けても良く、定着装置の構成に応じて、任意の位置に配置することができる。すなわち、上記誘導加熱方式を採用した加熱手段の場合には、任意の位置に配置して、加熱したい部分だけに、磁界を作用させて、所望の部分だけを選択的にしかも瞬時に加熱することができるという利点を有している。

　上記誘導加熱方式を採用した定着装置としては、例えば、特開２０００−１８１２５８号公報や特開２０００−２９３３２号公報に開示されたものがある。

　この特開２０００−１８１２５８号公報に係る定着装置は、導電性を有する加熱手段と、この加熱手段に圧接する圧接手段と、導電性線材によりコイル状に形成され、発生する磁場を前記加熱手段に作用させる磁場発生手段と、この磁場発生手段より発生する磁場を遮断する磁場遮断手段と、からなり、前記磁場発生手段が前記加熱手段と前記磁場遮断手段との間に挟まれるように配置したものである。

　上記特開２０００−１８１２５８号公報に係る定着装置は、導電性を有する加熱手段としての加熱ロールに対して、磁場発生手段をその外側または内側に配置した例である。このように、磁場発生手段は、加熱部材である加熱ロールに対して、任意の位置に配置することができるため、装置の設計の自由度が広がる。また、ハロゲンランプ等を加熱源として使用した定着装置を比較すると、加熱対象である加熱ロールのみを選択的に加熱するため、ウオームアップが１０〜３０％程度速くなる。

　しかしながら、上記従来技術の場合には、次のような問題点を有している。すなわち、上記特開２０００−１８１２５８号公報や特開２０００−２９３３２号公報等に係る定着装置の場合には、誘導加熱方式を採用しているため、ハロゲンランプ等の加熱源を使用した場合に比べて、ウオームアップ時間が速まるものの、加熱ロール自体が、剛性を保つためにある厚さ以上の肉厚の金属コアを有しているため、ある程度の熱容量を持っており、ウオームアップ短縮に対しては限界があり、ウオームアップタイム０秒を達成することはできないという問題点を有している。

　一方、特開平７−２９５４１１号公報や特開平８−６９１９０号公報、あるいは特開平１１−３８８２７号公報のように、定着部材としてエンドレスのフィルムを用いた定着装置も提案されている。

　上記特開平７−２９５４１１号公報に係る像加熱装置は、金属フィルムを備えた像加熱用フィルムと、この像加熱用フィルムの一方の面側に設けられた励磁コイルと、この励磁コイルにより発生する磁束により前記像加熱用フィルムを発熱させ、この像加熱用フィルムの熱により記録材上に担持された未定着トナー像を加熱する像加熱装置において、前記像加熱用フィルムは、前記金属フィルムの前記励磁コイル側の面に低熱導電性樹脂層を、他方の面に離型性樹脂層を有するように構成したものである。

　また、上記特開平８−６９１９０号公報に係る定着装置は、用紙搬送加熱部と、この用紙搬送加熱部に送り込まれる未定着トナーが付着した用紙を当該用紙搬送加熱部と共に所定の押圧力をもって挟持する加圧ローラ部とを備えた定着装置において、前記用紙搬送加熱部を、外部駆動されて移動するベルト状の耐熱性無端薄肉体を内側から保持すると共に、当該耐熱性無端薄肉体が前記加圧ローラ部に当接した状態を維持し且つその回転移動を案内する金属性支持体と、この金属性支持体に前記耐熱性無端薄肉体が介して対向装備された誘導加熱コイルとを備え、この誘導加熱コイルを前記加圧ローラ部の外部に装備するように構成したものである。

　さらに、上記特開平１１−３８８２７号公報に係る定着装置は、導電性材料から構成され、回転駆動される第１の転接部材と、この第１の転接部材に対して加圧状態で転接され、この転接部間に現像剤像が形成されて被定着部材を介在して通過させる第２の転接部材と、上記第１の転接部材側に配設され、第１の転接部材の上記転接部を集中して誘導加熱し、転接部に介在される被定着材の現像剤像を定着像に換える誘導加熱手段を備えた定着装置において、予め、上記被定着材の種類に対応する上記誘導加熱手段の熱量データを記憶する記憶手段と、上記転接部に搬送される被定着材の種類を検出する検出手段と、この検出手段の検出信号を受けて検出された被検出材の種類に対応する熱量データを上記記憶手段から読み出し、この読み出した熱量データに応じて上記誘導加熱手段を制御する制御手段と、を具備するように構成したものである。

　これらの定着装置は、定着部材として導電性を有するフィルムを使用しており、フィルム自体の熱容量は、同等クラスの定着装置の定着ロールに対して１／２〜１／１０程度まで小さくなっており、さらに、誘導加熱で直接フィルムを加熱することにより、瞬時に定着部材としてのフィルムを所望の温度にまで立ち上げることができる。

　しかし、これらの提案に係る定着装置の場合には、それぞれ以下に示すような問題点を有している。

　まず、上記特開平１１−３８８２７号公報に係る定着装置の場合には、第１の転接部材としての定着ベルトが停止していれば、定着ベルトそのものは瞬時に温まるものの、定着ベルトの内部で当該定着ベルトを張架している２本のローラがベルトの熱を奪ってしまうため、ベルトが定着に必要な温度に温まるまで、待ち時間が生じてしまうという問題点を有している。また、定着ニップ内でのベルトの形状は、２本のローラに張架された状態であるため、ほぼ直線状であり、ニップ内部とニップ出口部で、ベルトに急激な曲率の変化を持たせることが出来ず、カラ―画像でトナ―が多く転写された薄紙などでは、用紙がベルトから離れることができず、剥離不良が生じてしまうという問題点を有している。

　しかも、上記特開平１１−３８８２７号公報に係る定着装置の場合には、２本のロールによって定着ベルトを張架しているので、定着ベルトの片寄りを制御する複雑な機構が必要になってしまうという問題点をも有している。

　また、上記特開平７−２９５４１１号公報に係る像加熱装置の場合には、励磁コイルによって像加熱用フィルムを瞬時に加熱することができるものの、ガイド部材はＲ形状の剛体であるため、ガイド部材のＲ形状の曲率にベルトが追従できず、さらにはベルトの曲げ方向をニップ内部と外部とで反転させることができず、カラ―画像でトナ―が多く転写された薄紙などでは、用紙を像加熱用フィルムから剥離することができず、剥離不良が生じてしまうという問題点を有している。

　さらに、上記特開平８−６９１９０号公報に係る定着装置の場合も上記と同様に、ベルト状の耐熱性無端薄肉体を張架するロールが無く、ベルト状の耐熱性無端薄肉体の内部で熱を奪う部材は、金属製支持体のみなので、ウオームアップを短縮することができる。しかし、金属製支持体の形状がベルト状の耐熱性無端薄肉体の曲率に沿った、Ｒ形状となっているため、カラ―画像でトナ―量が多く転写された薄紙などでは、剥離不良が生じてしまうという問題点を有している。

　そこで、この発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ウオームアップタイムを殆どゼロにすることができるとともに、カラ―画像でトナ―量が多く転写された薄紙などでも、良好な剥離性能が得られる定着装置を提供することにある。

　すなわち、請求項１に記載の発明は、導電層を有する薄肉の加熱ベルトと、前記薄肉の加熱ベルトの外部から前記導電層を誘導加熱する磁界発生手段と、前記磁界発生手段に対して前記加熱ベルトの反対側に当該加熱ベルトとギャップを介して強磁性体とを有し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着するように構成したものである。

　上記ベルトの導電層を形成する材料としては、例えば、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなどの種々の材料を用いることができるが、その中でも銅は、導電率が高いため、薄層化することによって、単位面積あたりの抵抗値を所定の値に設定することができ、発熱効率を向上させることができる。

　すなわち、上記導電層を有する薄肉の加熱ベルトは、磁界の強度及び周波数を一定とすれば、単位面積あたりの抵抗値によって発熱量が決まり、鉄やニッケルなどの比較的導電率が低い材料を用いた場合には、導電層の厚さをある程度（約５０〜７０μｍ程度）に厚く設定しないと、所定の抵抗値が得られない。このように、鉄やニッケルなどからなる導電層の厚さをある程度厚くすると、必然的に加熱ベルト自体の剛性が高くなり、当該加熱ベルトは、柔軟性（フレキシビリティ）を失うことになる。上記加熱ベルトは、剛性が高くなり、柔軟性（フレキシビリティ）を失うと、前記加熱ベルトの内部に、弾性層を有する押圧部材を設け、当該押圧部材を加熱ベルトを介して加圧部材に押圧することにより、定着のためのニップ部を形成する際に、加熱ベルトが加圧部材の表面形状に沿って変形し難くなる。その結果、加熱ベルトと加圧部材との間に形成されるニップ部の内部において、圧力が局所的に高くなったり、圧力分布が意に反して不均一となるため、ニップ部における用紙等の記録媒体の搬送不良や、ニップ部の出口における剥離不良などが発生する虞れがある。

　更に説明すると、上記加熱ベルトの剛性については、例えば、当該加熱ベルトの基材として用いられるポリイミドの物性値（ヤング率Ｅ）は、各メーカ・各種類により異なるが、２〜６Ｇｐａ程度である。ちなみに、ニッケルのヤング率Ｅは、２０５Ｇｐａである。これに対して、銅の物性値（ヤング率Ｅ）は１２３Ｇｐａであるが、ポリイミド層の厚さが例えば７５μｍに対して、銅からなる導電性層の厚みは、５μｍ程度であるため、剛性（ＥＩ：Ｉは厚さの３乗で効く）に対しては、たかだか１〜２％の寄与であり、加熱ベルトの剛性は、基材であるポリイミド層などによって決まる。

　また、上記加圧部材としては、例えば、加圧ロールが用いられるが、この加圧ロールは、金属製コアの外周に弾性体層を有しないものであっても、弾性体層を有するものであっても何れでも良い。

　さらに、上記押圧部材としては、例えば、加熱ベルトの内部に固定して配置されるパッド部材が用いられ、このパッド部材は、シリコンゴム等からなる弾性層と、当該弾性層を支持する金属等からなる支持部材などから構成されたものが用いられる。また、上記押圧部材としては、加熱ベルトの内部に回転自在に配置され、加圧部材に圧接するロール状の押圧部材を用いても良い。このロール状の押圧部材は、例えば、加圧ロールが金属製コアの外周に弾性体層を有しないものである場合には、金属製コアの表面に弾性体層を有するものを用いるのが望ましく、加圧ロールが金属製コアの外周に弾性体層を有するものである場合には、金属製コアの表面に弾性体層を有するものであっても、弾性体層を有しないものであっても何れでも良い。

　さらに、上記押圧部材として、例えば、シリコンゴム等からなる弾性層と、当該弾性層を支持する金属等からなる支持部材などから構成されたパッド部材を用いた場合には、弾性層と支持部材の厚みを一定に設定して、ニップ部内の圧力分布を対象に設定したり、ニップ部の出口側の弾性層の厚みを薄く設定するとともに、相対的にニップ部の出口側の弾性層の厚みを厚く設定することにより、ニップ部内の圧力分布を、前記加熱ベルトの移動方向に沿って当該ニップ部の出口側の圧力が大きくなるように非対称に設定することもできる。

　また、請求項２に記載の発明は、前記加熱ベルトは柔軟性を有する基材に前記導電層を設け、当該導電層は、厚さが約５μｍの銅であり、磁界発生手段に印加する交流電流の周波数が１０乃至５０ｋＨｚであるように構成したものである。

　さらに、この発明では、例えば、ニップ部内の圧力分布が、当該ニップ部の入口と出口とで非対称であり、出口部の圧力が入口部に対して高くなるように非対称に設定するように構成される。

　また更に、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記押圧部材によって加熱ベルトを加圧部材に押圧することにより、前記ニップ部の内部とニップ部の外部とで、加熱ベルトの曲率を反転させるように構成される。

　さらに、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加熱ベルトが、基材層、導電層、表面離型層の少なくとも３層からなる、可撓性を有するベルトからなるように構成される。

　更にまた、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記押圧部材によって加熱ベルトを加圧部材に押圧することにより、前記ニップ部の内部において、加熱ベルトの曲率を反転させるように構成される。

　また、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加熱ベルトの両端に、当該加熱ベルトの端部をガイドするベルトガイド部材を設けるように構成される。

　さらに、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加熱ベルトと押圧部材の間に潤滑剤を介在させるように構成される。

　また更に、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加熱ベルトと押圧部材との間に、摺動性の良いシート材を介在させるように構成される。

　さらに、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加圧部材の非通紙部に、当該加圧部材の表面に接触する金属ロールを設けるように構成される。

　又、この発明では、例えば、導電性を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加圧部材に、当該加圧部材の表面に接触する金属ロールを設け、当該金属ロールを加圧部材の表面に対してリトラクト可能とするように構成される。

　更に、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加熱ベルトの内部に、当該加熱ベルトと所定のギャップを介して強磁性体などからなる磁性コアを設けるように構成される。

　また、この発明では、例えば、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加熱ベルトの内部に、弾性層を有する内部加圧ロールを設け、当該内部加圧ロールを加熱ベルトを介して外部加圧ロールに押圧することにより、前記内部加圧ロール側を凹形状に変形させた定着のためのニップ部を形成するように構成される。

　上記請求項１及び２に記載の発明については、導電層を有する薄肉の加熱ベルトと、前記薄肉の加熱ベルトの外部から前記導電層を誘導加熱する磁界発生手段と、前記磁界発生手段に対して前記加熱ベルトの反対側に当該加熱ベルトとギャップを介して強磁性体とを有し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加熱部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着するように構成したので、定着装置の加熱部材の熱容量が極めて小さくなり、ウオームアップタイムが短縮され、さらに、当該ニップ部において、十分な加熱及び加圧を行うことができ、良好な定着性を得ることができる。

　また、加熱ベルトの内部に押圧部材を設け、加熱ベルトを挟んで押圧部材と加圧部材とで定着ニップ部を形成することで、ニップ部内部の加熱ベルトの曲率を、ニップ以外の部分と反転させることができる。

　すなわち、ニップ部の内部では、記録媒体は加熱ベルトの方向と同様に加圧部材側に巻き付く方向であり、ニップ部の出口部では、加熱ベルトが急激に曲率を変えるため、記録媒体は、加熱ベルトの曲率の変化について行けず、加熱ベルトから離れる。よって、カラー画像でトナーが多く載った薄紙でも、剥離不良が生じることが無くなる。

　また、上記押圧部材に弾性層を設けることで、トナーを包み込むように定着することが出来、画質が向上する。

　この発明においては、例えば、押圧部材の加熱ベルトと接触する部分を、弾性層と、非弾性層（支持部材）との組み合わせとすることで、ニップ部の内部で、加熱ベルトの曲率を反転させることが可能となり、ニップ部の内部で加熱ベルトの曲率を急激に変化させることで、加熱ベルトと記録媒体を分離させやすくなり、かつ両面定着時に加圧部材側に記録媒体が巻く付くことを防止できるようになる。また、ニップ部の内部で溶融しているトナーに、ニップ部の出口で高い圧力を加えることが出来るので、トナーが用紙の繊維間に入り込み、定着性を向上させることができる。

　さらに、この発明においては、例えば、加熱ベルトの両端部にエッジガイドを設けることで、加熱ベルトの蛇行や座屈等を防止することができるので、張架ロールを設ける必要が無くなり、すなわち，加熱ベルト内部の熱容量を小さくすることが出来、ウオームアップが短縮できる。

　また、この発明においては、例えば、本定着装置では、加熱ベルトを張架しないので、駆動源は、加圧ロール側に持たせて、加熱ベルトはそれに対して従動する構成であり、加熱ベルトと押圧部材の間の摺動性が悪いと、押圧部材がブレーキとなり、加熱ベルトが所定の速度で移動しなくなり、画像ずれや紙しわなどのトラブルが生じる。そこで、加熱ベルトと押圧部材の間の摺動性を良くするために、加熱ベルト・押圧部材間に，潤滑剤を介在させたり、摺動性の良いシート部材を介在させたり、両者を同じに介在させたりすることで、加熱ベルトが、加圧部材の速度に対して遅れることがなくなり、上述のトラブルが防止できる。

　また、この発明においては、例えば、小サイズの用紙を連続で通紙したときなど、非通紙部の温度が上昇してしまう。そこで、加圧部材に熱伝導性の良い金属のロールを接触させ、従動させることで、非通紙部領域の高温部の熱を奪い、軸方向で温度の低い部分に熱を移動させることが出来る。すなわち、小サイズの連続通紙時の非通紙部領域の温度上昇を抑え、軸方向の温度分布を均すことが出来る。また、リトラクトを可能にすることで、朝一番などの加圧部材が冷えているときや、最大サイズの用紙などのときは、加圧部材から離しておくことができるので、結果として、加圧部材側の熱容量を小さくすることができ、ウオームアップを短縮することができる。

　さらに、この発明においては、例えば、加熱ベルトの内部に強磁性体からなるコアを設けることで、磁束を効率よく集めることができるようになり、電源の力率がアップする。よって、電源の周波数を下げることができ、電源の小型化・低コスト化につながる。

　以上説明してきた様に、この発明によれば、加熱部材として導電層を有する薄肉の無端ベルトを無張架で使用し、ベルト内部には張架ロールなどを設けず、ニップを形成するのに、熱容量の小さいパッドを使用するので、ベルト内部の熱容量を可能な限り小さくでき、また誘導加熱で被加熱体であるベルト自体を直接加熱できるので、ウオームアップタイムを可能な限り０秒に近づけることができる。

　また、弾性層を有するパッドで、定着ニップを形成しており、かつフレキシブルなベルトを使用しているので、ベルトはニップ内ではパッドの形状に倣い、すなわち、ニップ内部とニップ以外の部分とで、曲率を変化させたり、ニップ内部においても、曲率を変化させたりできるので、トナーが大量に載った薄い記録材の剥離も容易になる。さらに、弾性層の効果により、トナーを包み込むように定着できるので、画質が良化する。

　以下に、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１
　まず、この実施の形態１に係る定着装置の構成と、当該定着装置を構成する部材について説明する。

　この実施の形態に係る定着装置は、ウオームアップタイムの短縮化、及び記録媒体の剥離性能の確保を目的とし、定着部材としては、熱容量の小さい柔軟（フレキシブル）なベルト状の部材を使用し、このベルト状部材の内部には、熱を奪う部材を極力少なくする（極力部材を配設しない）ように構成されている。すなわち、上記ベルト状部材（加熱ベルト）の内部には、加圧部材に対向して、定着ニップ部を形成する弾性層を有するパッド部材（押圧部材）のみしか、基本的には設けない構成を採用している。また、加熱対象となるベルト状部材を直接加熱できるように、ベルト状部材に導電性層を持たせ、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱させる方式を用いている。

　図１はこの発明の実施の形態１に係る定着装置を示す概略構成図である。

　図１において、１は加熱定着部材としての加熱ベルトを示すものであり、この加熱ベルト１は、導電層を有する無端状のベルトから構成されている。上記加熱ベルト１は、図２に示すように、その内側から、耐熱性の高いシート状部材からなる基材層２と、当該基材層２の上に積層された導電層３と、最も上層となる表面離型層４の少なくとも３層を基本に備えている。この実施の形態では、加熱ベルト１として、シート状の基材層２と、導電層３と、表面離型層４の３層からなる直径φ３０ｍｍの無端状ベルトが使用されている。

　上記加熱ベルト１の基材層２は、例えば、厚さ１０〜１００μｍ、更に好ましくは厚さ５０〜１００μｍ（例えば、７５μｍ）の耐熱性の高いシートであることが好ましく、例えばポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアミド等の耐熱性の高い合成樹脂からなるものが挙げられる。

　また、この実施の形態では、図３に示すように、無端状のベルトからなる加熱ベルト１の両端部を、エッジガイド５に突き当てることによって、当該加熱ベルト１の蛇行を規制して使用するように構成されている。このエッジガイド５は、加熱ベルト１の内径よりも若干小さな外径を有する円筒状部６と、当該円筒状部６の端部に設けられたフランジ部７と、当該フランジ部７の外側に突設された円筒状あるいは円柱状の保持部８とから構成されている。上記エッジガイド５は、両フランジ部７の内壁面間の距離が、加熱ベルト１の軸方向に沿った長さよりも若干長くなるように、当該加熱ベルト１の両端部に固定した状態で配設されている。そのため、上記基材層２としては、加熱ベルト１の回転中に、ニップ部以外の部分では、直径φ３０ｍｍの円形状を保ち、当該加熱ベルト１の端部がエッジガイド５に突き当たった場合でも、この加熱ベルト１に座屈等が生じない程度の剛性を有する必要があり、例えば、厚さ５０μｍのポリイミド製のシートが使用されている。

　また、上記導電層３は、後述の磁界発生手段によって生じる磁界の電磁誘導作用により、誘導発熱する層であり、鉄・コバルト・ニッケル・銅・クロム等の金属層を１〜５０μｍ程度の厚みで形成したものが用いられる。ただし、この実施の形態では、後述するパッドと加圧ロールとで形成されるニップ部の内部で、加熱ベルト１が当該ニップ部の形状に倣う必要があるため、フレキシブルなベルトである必要があり、金属層３は、可能な限り薄層にすることが好ましい。

　この実施の形態では、導電層３として、導電率の高い銅を、発熱効率が高くなるように５μｍ程度の極薄い厚さで、上述のポリイミドからなる基材層２上に蒸着させたものが用いられている。

　さらに、上記表面離型層４は、記録媒体９上に転写された未定着トナー像１０と、直接接する層であるため、離型性の良い材料を使用する必要がある。この表面離型層４を構成する材料としては、例えば、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重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコン共重合体、またはこれらの複合層等が挙げられる。上記表面離型層４は、これらの材料のうちから適宜選択されたものを、１〜５０μｍの厚さでベルトの最上層に設けたものである。この表面離型層４の厚さは、薄すぎると、耐磨耗性の面で耐久性が悪く、加熱ベルト１の寿命が短くなってしまい、逆に、厚すぎると、ベルトの熱容量が大きくなってしまう、つまりウオームアップが長くなってしまうため、望ましくない。

　この実施の形態では、耐磨耗性と、ベルトの熱容量のバランスを考慮して、加熱ベルト１の表面離型層４として、厚さ１０μｍの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重合体（ＰＦＡ）が使用されている。

　また、上記の如く構成される加熱ベルト１の内部には、例えば、シリコンゴム等の弾性層１１を有する押圧部材としてのパッド部材１２が設けられている。この実施の形態では、パッド部材１２として、ゴム硬度がＪＩＳ−Ａで３５°のシリコンゴム１１を、ＳＵＳ・鉄等の金属や、耐熱性の高い合成樹脂等からなる剛性を持つ支持部材１３に積層したものが用いられている。上記シリコンゴムからなる弾性層１１は、例えば、均一な厚さのものが使用される。また、上記パッド部材１２の支持部材１３は、図示しない定着装置のフレームに固定した状態で配置されているが、弾性層１１が所定の押圧力で後述する加圧ロールの表面に圧接するように、図示しないスプリング等の付勢手段によって、加圧ロールの表面に向けて押圧してもよい。

　そして、上記定着装置は、パッド部材１２と加熱ベルト１を介して対向する部分に、加圧部材１４が設けられている。この加圧部材１４は、当該加圧部材１４とパッド部材１２とで加熱ベルト１を挟持した状態に保持してニップ部１５を形成し、当該ニップ部１５を未定着トナー像１０が転写された記録媒体９を通過させることにより、熱及び圧力で未定着トナー像１０を記録媒体９上に定着して、定着画像を形成するようになっている。

　上記加圧部材１４として、この実施の形態では、直径φ２６ｍｍの中実の鉄製ロール１６の表面に、離型層１７として、厚さ３０μｍの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重合体（ＰＦＡ）を被覆した加圧ロールが使用されている。

　また、上記加圧ロール１４には、図１に示すように、熱伝導性の良いアルミニウムやステンレス等の金属からなる金属ロール１８が、離接可能に設けられている。この金属ロール１８は、定着装置に通電が開始された朝一番などで、加熱ベルト１や加圧ロール１４の温度が冷えているときには、加圧ロール１４から離れた位置に停止している。そして、上記定着装置において、例えば、小サイズ用紙を連続して定着処理した場合など、当該定着装置が使用されるに連れて、加熱ベルト１や加圧ロール１４に軸方向に沿った温度差が生じたときには、上記金属ロール１８を加圧ロール１４と当接させるように構成されている。なお、上記金属ロール１８は、加圧ロール１４に当接した際に、当該加圧ロール１４と従動するようになっている。この実施の形態では、金属ロール１８として、直径φ１０ｍｍのアルミニウム製の中実ロールが使用されている。

　この実施の形態では、上記加圧ロール１４は、図示しない加圧手段により、加熱ベルト１を介してパッド部材１２に押圧された状態で、図示しない駆動手段によって回転駆動されている。

　加熱部材である加熱ベルト１は、加圧ロール１４の回転に従動して、循環移動するものである。そこで、この実施の形態では、加熱ベルト１とパッド部材１２の間に、摺動性を良好とするため、耐摩擦性が強く、摺動性の良いシート材、例えばテフロン（登録商標）樹脂を含浸させたガラス繊維シート（中興化成工業：ＦＧＦ４００−４等）を介在させ、さらに潤滑剤として、シリコンオイルなどの離型剤を、加熱ベルト１の内面に塗布することで、摺動性を向上させるように構成されている。このようにすることで、実際の加熱時において、加圧ロール１４の空回転時の駆動トルクが、約６ｋｇ・ｃｍから約３ｋｇ・ｃｍにまで低減することができる。従って、上記加熱ベルト１は、加圧ロール１４と滑ること無く従動し、加圧ロール１４の回転速度と等しい速度で循環移動することが可能となっている。

　また、上記加熱ベルト１は、上述したように、その軸方向の両端部において、図３に示すように、エッジガイド５により、軸方向の動きが規制されており、当該加熱ベルト１に蛇行などが発生するのが防止されている。

　ところで、この実施の形態では、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱するように構成されている。

　上記磁界発生手段２０は、加熱ベルト１の回転方向と直交する方向を長手方向とする横長に形成された部材であり、被加熱部材である加熱ベルト１と０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度のギャップを保持して、加熱ベルト１の外側に設置されている。この磁界発生手段２０は、本実施例では、励磁コイル２１と、当該励磁コイル２１を保持するコイル支持部材２２と、励磁コイル２１の中心部に設けられる強磁性体からなる芯材２３と、励磁コイル２１に対して加熱ベルト１の反対側に設けられる磁場遮蔽手段２４とで形成されている。

　上記励磁コイル２１としては、例えば、相互に絶縁された直径φ０．５ｍｍの銅線材を１６本束ねたリッツ線を直線状に、所定の本数だけ並列的に配置したものが用いられる。

　この励磁コイル２１には、図４に示すように、励磁回路２５によって、所定の周波数の交流電流を印加することにより、当該励磁コイル２１の周囲には変動磁界Ｈが発生し、この変動磁界Ｈが、加熱ベルト１の導電層３を横切るときに、電磁誘導作用によって、その磁界Ｈの変化を妨げる磁界を生じるように、加熱ベルト１の導電層３に渦電流Ｂが生じる。上記励磁コイル２１に印加する交流電流の周波数は、例えば、１０〜５０ｋＨｚに設定されるが、この実施の形態では、交流電流の周波数が３０ｋＨｚに設定されている。すると、この渦電流Ｂが加熱ベルト１の導電層３を流れることにより、当該導電層３の抵抗に比例した電力（Ｗ＝ＩＲ² ）でジュール熱が発生し、加熱部材である加熱ベルト１を加熱するものである。

　上記コイル支持部材２２としては、耐熱性のある非磁性材料を用いるのが望ましく、例えば、耐熱ガラスや、ポリカーボネート等の耐熱性樹脂が用いられる。

　また、上記磁界遮蔽手段２４としては、鉄、コバルト、ニッケル、フェライト等の磁性材料が用いられる。この磁界遮蔽手段２４は、励磁コイル２１で発生した磁束を集めて、磁路を形成するものであり、効率の良い加熱を可能とすると同時に、磁束が定着装置外に漏れて、周辺部材が不本位に加熱されるのを防止するためのものである。

　また、上記励磁コイル２１の中心部には、強磁性体であるフェライト等からなる芯材２３が設けられている。このように構成することで、励磁コイル２１で発生する磁束を効率よく集めることが出来、加熱効率を上昇させることができる。そのため、励磁コイル２１に交流電流を印加する高周波電源の周波数を下げたり、励磁コイル２１の巻き数を減少させたりすることが可能となり、電源の小型化、励磁コイル２１の小型化、コストダウンを可能とすることができる。

　以上の構成において、この実施の形態に係る定着装置では、次のように、ウオームアップタイムを殆どゼロにすることができるとともに、良好な定着性を得ることができ、しかも剥離不良が生じるのを確実に防止することが可能となっている。

　すなわち、この実施の形態に係る定着装置では、図１に示すように、加圧ロール１４が１００ｍｍ／ｓのプロセススピードで、図示しない駆動源により回転駆動される。また、加熱ベルト１は、上記加圧ロール１４に圧接しており、当該加圧ロール１４の移動速度と等しい１００ｍｍ／ｓの速度で循環移動するようになっている。

　そして、上記定着装置では、図１に示すように、図示しない転写装置により、未定着トナー１０が転写された記録媒体９が、加熱ベルト１と加圧ロール１４との間に形成されたニップ部１５を通過し、当該ニップ部１５内を記録媒体９が通過する間に、加熱ベルト１と加圧ロール１４とによって加熱及び加圧されることにより、トナー像１０が記録媒体９上に定着されるようになっている。

　その際、上記定着装置では、加熱ベルト１の温度が、励磁コイル２１に流す高周波電流の周波数などにより、定着動作時は、ニップ部１５の入口において、１８０℃〜２００℃程度に制御される。

　この実施の形態に係る定着装置では、画像形成信号が入力されると同時に、加圧ロール１４が回転を開始すると共に、励磁コイル２１に高周波電流が通電される。上記励磁コイル２１には、例えば、有効電力として７００Ｗの電力が投入されると、加熱ベルト１の温度は、誘導加熱作用によって、室温から約２秒で定着可能温度に達する。すなわち、記録用紙９が給紙トレイから、定着装置まで移動するのに要する時間内にウオームアップが完了してしまうことになる。よって、上記定着装置においては、ユーザーを待たせること無く、定着処理が可能となる。

　いま、上記定着装置のニップ部１５に、６０ｇｍｓ程度の薄紙に、カラーのベタ画像などトナーが多量に転写された記録媒体９が進入した場合には、トナーと加熱ベルト１表面の離型層４との間で、引き付け合う力が強くなり、加熱ベルト１の表面から記録媒体９を剥離するのが難しくなるのが通常である。しかし、この実施の形態の構成では、加熱ベルト１の形状がニップ部１５の外では凸形状であるのに対して、ニップ部１５の内部では凹形状となっている。すなわち、ニップ部１５の内部では記録媒体９の方向は、加圧ロール１４側に巻き付く方向であり、かつニップ部１５の出口部では、加熱ベルト１の方向が凹形状から凸形状に急激に変化するため、記録媒体９は、当該記録媒体９自体のこし（剛性）により、加熱ベルト１の急激な形状の変化についていくことができず、加熱ベルト１から自然に剥離される。そのため、この実施の形態に係る定着装置では、記録媒体９の剥離不良の問題が生じるのを確実に防止することができる。

　また、小サイズの記録媒体９を連続して定着した場合には、非通紙領域の加熱ベルト１、パッド部材１２及び加圧ロール１４などの温度が上昇してしまうが、加圧ロール１４側に設けた金属ロール１８を、当該加圧ロール１４の表面に当接させることにより、加圧ロール１４の高温部の熱を金属ロール１８によって吸収することができ、その熱を低温部に移動させるので、軸方向での温度分布は小さくなる方向に移動し、加圧ロール１４の温度および加熱ベルト１の温度は、ある温度以上の高温になるのを防止することができる。

　さらに、この実施の形態１の定着装置は、ニップ部１５の加熱部材１側に、厚さ６５μｍの加熱ベルト１を挟んで、弾性層１１を有するため、定着時にトナーを包み込んで定着する効果が得られ、良好なカラー画質が得られる。また、より良好なカラー画質を得るために、加熱ベルトの導電層と離型層との間に数１０μｍのシリコンゴムなどの弾性層を設けても良いが、ウオームアップタイムが長くなってしまうことは避けられない。

　実施の形態２
　図５はこの発明の実施の形態２を示すものであり、前記実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付して説明すると、この実施の形態２では、ニップ部内の圧力分布が、当該ニップ部の入口と出口とで非対称であり、出口部の圧力が入口部に対して高くなるように非対称に設定するように構成されている。

　また、この実施の形態２では、押圧部材によって加熱ベルトを加圧部材に押圧することにより、前記ニップ部の内部において、加熱ベルトの曲げ方向を反転させるように構成されている。

　さらに、この実施の形態３では、加熱ベルトの内部に、当該加熱ベルトと所定のギャップを介して強磁性体などからなる磁性コアを設けるように構成されている。

　すなわち、この実施の形態２では、基本的な部分は、前記実施の形態１と同じであるので、異なる部分についてのみ説明する。

　磁界発生手段２０は、直径φ０．５ｍｍの互いに絶縁された導線を１６本束ねたリッツ線からなる励磁コイル２１と、励磁コイル２１を覆っている断面形状がＥ型の、フェライト等の強磁性体からなる磁性コア３０からなり、加熱ベルト１と０．５〜２．０ｍｍ程度のギャップを介して設けられている。

　また、加熱ベルト１の内部に当該加熱ベルト１と１ｍｍ〜４ｍｍ程度のギャップを持って、第２の磁性コア３１を設ける。この構成とすることで磁束の漏れが減り、効率の良い加熱が可能となる。よって、電源周波数を下げることができ、電源の小型化・低コスト化が可能となる。

　さらに、加熱ベルト１の内部に設けたパッド部材１２は、弾性層１１の部分と、剛性を持った支持部材１３とからなっている。例えば、弾性層１１としては、ゴム硬度３５°のシリコンゴムを使用し、弾性層１１と隣接して、記録媒体９の走行方向下流側に剛性を持ったパッド部３２を使用する。剛性を持ったパッド部３２としては、例えば、アルミなどの熱伝導性の良い金属を使用したり、逆に熱を奪いにくい耐熱性の樹脂等を使用したりしても良い。前者は、軸方向の温度分布を良化させる効果を有するし、後者は、加熱ベルト１から熱を奪いにくいので、ウオームアップ短縮の妨げにならない。

　加圧部材１４には、厚さ０．１〜２ｍｍ程度の弾性層３３が設けられている。この時、定着ニップ部１５の形状は、入口側の弾性層１１からなるパッド部では上側に凸形状となり、出口側の剛性パッド部３２では下側に凸形状になる。パッド部材１２をこのように２段構成とすることで、ニップ部１５内で加熱ベルト１の曲げ方向を変化させることができ、さらにニップ部１５内の圧力分布は、図６に示すように、入口側に対して、出口側が高くなった非対称となっており、この高い圧力がニップ部１５を出た瞬間に、一気に開放されるので、記録媒体９の加熱ベルト１からの剥離がいっそう容易になる。

　さらに、両面定着時においても、ニップ部１５内の出口側で高い圧力をかけ、加圧ロール１４側の弾性層３３を歪ませることができるので、加圧ロール１４側への用紙９の巻き付きが防止できる。

　また、ニップ部１５の出口側で高い圧力をかけるので、ニップ部１５内で溶融したトナーが、用紙９の繊維間に入り込み、定着性が上がる。

　その他の構成及び作用は、前記実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

　実施の形態３
　図７はこの発明の実施の形態３を示すものであり、前記実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付して説明すると、この実施の形態３では、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、前記加熱ベルトの内部に、弾性層を有する内部加圧ロールを設け、当該内部加圧ロールを加熱ベルトを介して外部加圧ロールに押圧することにより、前記内部加圧ロール側を凹形状に変形させた定着のためのニップ部を形成するように構成したものである。

　すなわち、この実施の形態３では、電磁誘導作用を利用したベルト方式の定着装置において、剥離手段を使用しないセルフストリッピングを実現するための定着装置を提案するものである。

　加熱部材である加熱ベルト１は、ベルトの内側から順に、ポリイミドなどからなる基材層２（厚さ数１０μｍ）、銅などからなる導電層３（厚さ数μｍ）、そして、そして一番外側にはフッ素樹脂などからなる離型層４（厚さ数μｍ）が形成されている。上記導電性層３と離型層４の間に、シリコンゴムやフッ素ゴムなどからなる弾性層（厚さ数１０μｍ）を設けるように構成しても良い。

　また、この定着装置では、上述したように、導電層３が厚さ数μｍの薄層で形成されている点が特徴となっている。上記導電層３の厚さを非常に薄くすることで、加熱ベルト１を自在に変形させることができるので、図７に示すように、当該加熱ベルト１の内部に配設された押圧部材としての内部加圧ロール４０を、凹形状に変形させて、ニップ部１５を形成することが可能となる。このニップ部１５の構成によると、ニップ部１５における内部加圧ロール４０の歪みを、当該ニップ部１５の出口Ｂで回復させることで、用紙を剥離する方式であるセルフストリッピング方式が採用できるようになり、剥離爪を用いることによるトナー画像の傷つきを防ぐことができる。しかし、このようなニップ部１５の形成を、厚さ数１０μｍの金属製の導電層を有する加熱ベルトで実現しょうとすると、ニップ部１５の入口部分Ａとニップ部１５の出口部分Ｂで、金属製の導電層が折れた状態となるため、クラックが生じてしまい、使用不可能となる。その結果、厚さ数１０μｍの金属製の導電層を有する加熱ベルトでは、セルフストリッピング方式を採用することができず、剥離爪を設置しなければならない。

　上記のようなニップ部１５を形成するためには、内部加圧ロール４０の表面材質としてフッ素ゴムなどの弾性材料を用い、外部加圧ロール１４の表面材質としてフッ素樹脂などの内部加圧ロール４０よりも硬い材質を用いれば良い。

　また、上記加熱ベルト１をニップ部１５以外では、周辺部材とできるだけ接触させないようにすることで、周辺部材によって熱を加熱ベルトから奪われないようにしている。本発明では、発熱部材として非常に薄肉の加熱ベルト１を用いているため、大きい熱容量を持つ内部加熱ロール４０と加熱ベルト１を接触させないようにしなくてはならない。そのため、図７に示したように、加熱ベルト１と内部加熱ロール４０との間に、ベルト支持部材４１が配置されている。ここで、加熱ベルト１は、ベルト支持部材４１によって張架されているのではなく、できるだけ両者が接触しない状態になっている。ベルト支持部材４１の材質としては、熱容量が小さく耐熱性もあり、強度的にも問題のない液晶ポリマーやフェノール樹脂などが用いられる。

　なお、コイル・アセンブリ２０は、図示しないホルダに支持され、加熱ベルト１との間に所定寸法の隙間を隔てて定着装置のフレームに固定されている。

　また、外部加圧部材１４は、熱伝導性の良いアルミニウムなどの金属ロール１８を当接させることで、軸方向の温度を均一に保つことができる。

　その他の構成及び作用は、前記実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

図１はこの発明の実施の形態１に係る定着装置を示す構成図である。 図２はこの発明の実施の形態１に係る定着装置で使用する加熱ベルトを示す断面構成図である。 図３は加熱ベルトの支持構造を示す構成図である。 図４は加熱ベルトの加熱原理を示す説明図である。 図５はこの発明の実施の形態２に係る定着装置を示す構成図である。 図６はこの発明の実施の形態２に係る定着装置のニップ部における圧力分布を示すグラフである。 図７はこの発明の実施の形態３に係る定着装置を示す構成図である。

符号の説明

１：加熱ベルト、２：基材層、３：導電層、４：表面離型層、５：エッジガイド、１２：パッド部材、１４：加圧ロール、２０：磁界発生手段。

Claims (2)

1. 導電層を有する薄肉の加熱ベルトと、
   前記薄肉の加熱ベルトの外部から前記導電層を誘導加熱する磁界発生手段と、
   前記磁界発生手段に対して前記加熱ベルトの反対側に当該加熱ベルトとギャップを介して強磁性体とを有し、
   前記加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着することを特徴とする定着装置。
2. 前記加熱ベルトは柔軟性を有する基材に前記導電層を設け、
   当該導電層は、厚さが約５μｍの銅であり、磁界発生手段に印加する交流電流の周波数が１０乃至５０ｋＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。

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