高周波誘電加熱定着装置及び画像形成装置

【課題】高周波電界を用いて記録材の温度を上昇させ、その温度でトナーを溶融定着し良好な定着画像と共に省エネルギを実現する高周波誘電加熱定着装置及び画像形成装置を提供すること。
【解決手段】記録材の搬送手段を具え、記録材に担持されるトナー像を複数の電極群によって発生する高周波電界により定着させる高周波誘電加熱定着装置において、複数の電極群２５，２６は、搬送手段の記録材の載置面を挟んで一方の側の電極が同じ極性で、他方の側の電極が一方の側の電極と極性が異なる同じ極性になっており、かつ記録材Ｐの搬送方向においては極性が互い違いとなるように配列されていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複写機、レーザープリンター等の画像形成装置用の定着装置、特に現像剤を胆持した記録材を高周波電界により定着させる高周波誘電加熱定着装置及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、複写機、レーザープリンター等の画像形成装置用の定着装置は、ヒータを有する加熱ローラによって加熱された定着ベルト又はヒータを有する加熱ローラと、これに圧接して回転する加圧ローラとで形成されるニップ部によって、現像剤であるトナーを溶融定着する加熱定着方式や、カプセルトナーを用いて圧力のみで加圧定着する加圧定着方式が知られている。
【０００３】
しかしながら、前者のいずれの方式も熱源としてヒータが用いられており、電源を投入してヒータが温まるまでヒータは点滅を繰り返して電力を消費すると共に、起動直後に使用できないという問題がある。これに対して、後者は、ヒータを使用しないため、前者の消費電力等の問題は解消されたが、幅の小さい記録材に対しては過大な圧力によって記録材の端部に、例えば半透明化、高光沢化などの変質を生じたり、幅の大きな記録材に対しては圧力不足によって定着不良が生じたりするという画像品質の問題がある。
【０００４】
そこで、前述の方式を廃して、省エネルギを実現でき、且つ良好な画像を得るべく高周波誘導加熱方式を採用した高周波誘電加熱定着装置が提案されている。
【０００５】
例えば、図１４に示すように、トナー像が担持された記録材Ｐに噴霧装置３１から水などの誘電損失の大きい液体を噴きつけ、高周波発信機３２に接続された平行平板電極３３ａ，３３ｂの間に記録材Ｐを通過させることにより、液体を発熱させてトナー像を定着させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、図１５に示すように、平行平板電極３３ａ，３３ｂの内側に誘電損失の高い物質で形成された板材３４ａ，３４ｂを貼付し、高周波発信機３２に接続する。そして、数十メガサイクル以上の高周波を印加し、トナー像が担持された記録材Ｐを矢印方向に回転する搬送ローラ３８によって高周波電界中を搬送する。これにより、記録材Ｐに含まれている水分、トナーｔ等を発熱させて定着を行う技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、これらの方式では電極が平板であるため電力ロスが大きく、また電極間でのアークも起きやすいがゆえ、システムがダウンし易いという問題がある。したがって、製品化には至っていない。
【０００７】
一方、図１６に示すように、家具や建材の接着剤を乾かす目的で高周波が用いられている。すなわち、駆動ローラ３９と従動ローラ３７の作用によって矢印方向に移動するベルトコンベア３５ａ，３５ｂの下部に導電性金属の棒材で形成された正電極２５及び負電極２６を複数配置し、ベルトコンベア３５ａ，３５ｂの上を搬送するワーク３６の接着剤に数十ＭＨｚの高周波を印加して短時間に硬化させる装置が実用化されている。すなわち、ワーク３６を挟んで上下対称に配設された環状のエンドレスベルト２４ａ，２４ｂと正電極２５ａ，２５ｂ及び負電極２６ａ，２６ｂを設け、正電極２５ａ，２５ｂ及び負電極２６ａ，２６ｂの間で高周波を引加する。そして、上下に配設された２本のエンドレスベルト２４ａ，２４ｂでワーク３６を挟み込みながら搬送するとワーク３６が搬送しながら、接着材は硬化する。なお、ワーク３６は住宅用ドアパネルやフローリングの化粧貼り等である（例えば、特許文献３参照）。この技術は、電極列の可及的近傍にワーク３６を搬送させ、ワーク３６で使用されている接着剤に誘電損失が高い物質を混合し、この接着剤を選択的に加熱することで乾燥硬化させるものである。しかしながら、この技術を複写機の定着装置として使用すると、実用化に至らない。現在、機能性トナーの性能を維持させる混合可能な誘電損失の高い材料は見つかっておらず、このような物質がトナーに混合されていないため、通常の電極と記録材間の距離ではトナーが溶融定着される温度まで温度上昇しない。また、この従来技術はワークが厚いため、２本のエンドレスベルト２４ａ，２４ｂでワーク３６を挟んで、上下対称に配設された正電極２５ａ，２５ｂ及び負電極２６ａ，２６ｂにより加熱する方式である。これに対して、一般に記録材Ｐは薄いため、理論上トータルの印加電圧を上げない限り、トナーが溶融定着される温度まで温度上昇しない。
【特許文献１】特公昭４３−２７５８４号公報
【特許文献２】特公昭４９−３８１７１号公報
【特許文献３】特開平８−９６９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、現像剤のトナーはポリエステルやポリオールが主成分であるため、高周波誘電加熱定着装置によってトナー自体が選択的に加熱されることはなく、トナーの溶融は起こらない。
【０００９】
そこで、この発明は、前記のような従来のものが有する問題点を解決し、現在主流のポリエステルやポリオールを主成分とするトナーを、高周波電界を用いて記録材の温度を上昇させ、その温度でトナーを溶融定着し良好な定着画像と共に省エネルギを実現する高周波誘電加熱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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、記録材の搬送手段を具え、記録材に担持されるトナー像を複数の電極群によって発生する高周波電界により定着させる高周波誘電加熱定着装置において、前記複数の電極群は、前記搬送手段の記録材の載置面を挟んで一方の側の電極が同じ極性で、他方の側の電極が一方の側の電極と極性が異なる同じ極性になっており、かつ記録材の搬送方向においては極性が互い違いとなるように配列されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、複数の電極群は、記録材の搬送方向において、記録材の進入側及び排出側で隣接する電極との間隔が中間部より次第に広くなっていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、複数の電極群は、記録材の搬送方向と交叉する方向において、記録材の進入側及び排出側で隣接する電極との間隔が中間部より次第に広くなっていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、複数の電極群は、記録材の搬送方向と交叉する方向において、記録材の進入時には搬送手段の記録材の載置面に接近し、記録材の排出時には搬送手段の記録材の載置面から離間するように接離可能になっていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、複数の電極群に対して記録材の搬送方向の下流側に、電極群によって加熱された記録材を加圧する加圧部材を具えていることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の高周波誘電加熱定着装置を装備していることを特徴とする画像形成装置である。
【発明の効果】
【００１６】
この発明は、前記のようであって、複数の電極群が、前記搬送手段の記録材の載置面を挟んで一方の側の電極が同じ極性で、他方の側の電極が一方の側の電極と極性が異なる同じ極性になっており、かつ記録材の搬送方向においては極性が互い違いとなるように配列されているので、高周波加熱により良好な定着画像が得られると共にヒータを熱源として使わないため省エネルギを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明を実施するための最良の形態を、添付図面に示す実施形態を参照して説明する
【００１８】
図１は、第１実施形態としての高周波誘電加熱定着装置を具えた画像形成装置（フルカラー複写機）の概略全体構成を示す正面図である。
【００１９】
フルカラー複写機１は、記録材Ｐが積載された箱状の給紙カセット２ａ〜２ｄを垂直方向に並列して具える給紙部３、露光装置４により帯電された感光体５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上に光書き込みにより静電潜像を形成し、トナーにより顕像化する画像形成部６、画像形成部６によって顕像化されたトナー像を記録材Ｐに定着させる高周波誘電加熱定着装置７、シート状の原稿を原稿読み取り部に搬送する原稿搬送部８、光を反射させて原稿を読み取る原稿読取部９を具えている。
【００２０】
画像形成部６は、カラートナー像を形成する画像形成ユニット１１を具えている。画像形成ユニット１１は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色に対応して感光体５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋが具えてい。画像形成ユニット１１は、トナーの色のみが相違し他の部分は同一である。感光体５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの周囲には、該感光体上に形成された静電潜像を現像剤たるトナーにより顕像化する現像装置１２、レーザー照射器１３及びミラー１４等を具える露光装置４、感光体との間でコロナ放電を発生させ感光体の表面を一様に帯電する帯電ローラ１５、所定の電圧をかけて感光体の表面を初期状態にする除電装置（図示せず）、記録材Ｐに転写しきれず、感光体の表面上に残留したトナーを除去するクリーニング装置１６、感光体とで中間転写ベルト１７を挟時し、中間転写ベルト１７の上にトナー像を転写する１次転写ローラ２１等が配設されている。
【００２１】
ユーザーは、原稿を原稿搬送部８に載置して不図示のコピースイッチを押下する。すると、原稿は原稿読取部９に搬送されると共に、記録材Ｐが給紙カセット２から画像形成部６に搬送される。そして、画像形成部６で画像形成された記録材Ｐは、転写、定着というプロセスを経て排紙トレイ１０に排紙される。コピーが終了すると、原稿は原稿搬送部８により原稿読取部９に排出される。
【００２２】
図２は、第１実施形態に係る高周波誘電加熱定着装置７の外観を示す斜視図、図３は、図２に示す高周波誘電加熱定着装置７の概略側面図である。この高周波誘電加熱定着装置７は、駆動ローラ２２と、該駆動ローラと予め設定された所定距離離れて配設される従動ローラ２３を具え、駆動ローラ２２と従動ローラ２３にはエンドレスベルト２４が懸架されている。エンドレスベルト２４は、誘電損失の少ない材質、例えばリプロピレンやテフロン（登録商標）からなっている。感光体側であって記録材Ｐの載置面２４ｃの上側を跨ぐように、導電性金属の棒材をコ字状に形成した正電極２５がエンドレスベルト２４の幅方向を跨ぐように配設される。正電極２５の搬送方向の下流側であってエンドレスベルト２４の載置面２４ｃの下側に、導電性金属の棒材をコ字状に形成した負電極２６がエンドレスベルト２４の幅方向を跨ぐように配設される。同様に負電極２６の搬送方向下流には、正電極２５、負電極２６が順に配設される。したがって、画像形成部６でトナー像が担持された記録材Ｐは、エンドレスベルト２４の記録材Ｐの載置面２４ｃに載置される。すなわち、複数の電極群２５，２６は、エンドレスベルト２４の記録材の載置面を挟んで一方の側の電極が同じ極性で、他方の側の電極が一方の側の電極と極性が異なる同じ極性になっており、かつ記録材Ｐの搬送方向においては極性が互い違いとなるように配列されている。
【００２３】
画像形成部６で画像形成された記録材Ｐが矢印方向に搬送され、不図示のセンサにより検知されるとそれまで停止していたエンドレスベルト２４が駆動を始める。それと共に、負電極２６及び正電極２５は、図示しない高周波発生手段から数十ＭＨｚの高周波電圧が印加される。高周波電圧が印加されると、図４に示すように、隣接する正電極２５と負電極２６の間に、図中破線で示すように電界が生じる。トナーが担持された記録材Ｐは、負電極２６及び正電極２５の電極間によって発生する高周波電界を通過するので、電界強度の一番強い部分、すなわち異極電極の中心を結ぶ線を突破することになり、トナー像が担持された記録材Ｐに強い電界が印加される。前述した通り、トナーは誘電損失が低いため、選択的に加熱されることはないが、記録材Ｐである紙は比較的この周波数付近における誘電損失が高いため加熱され、画像を形成するトナーは記録材Ｐから伝わる熱で溶融し定着される。
【００２４】
ついで、この発明者らの行った実験について説明する。
【００２５】
この発明者らの実験によれば、図４において、搬送方向と交差する方向における正電極２５及び負電極２６の間の距離が２ｍｍ、隣り合う負電極２６と正電極２５の搬送方向の距離が１０ｍｍ、棒状電極の数が１９本、印加電力が２ｋｗ、周波数が４０ＭＨｚ、記録材の搬送速度５０ｍｍ／ｓと設定すると、記録材Ｐの上に担持されたポリエステル系トナー及びポリオール系トナーのいずれを使用しても、記録材Ｐから伝わる熱で溶融し充分な定着強度が得られた。定着時の印加電圧は２ｋｗと従来のハロゲンヒータによる加熱定着方式に比べて３〜４割高いが、待機時は高周波誘電加熱定着装置に通電する必要がない。すなわち、従来の定着装置のように電源投入直後ヒータを暖める必要がないため、省エネルギを図ることができる。
【００２６】
一方、図５に示すように、正電極２５及び負電極２６を、エンドレスベルト２４の記録材Ｐの載置面２４ｃを挟んで一方の側のみに並列させ、正電極２５及び負電極２６に近接させてトナーｔが担持された記録材Ｐを通過させ、溶融定着させようと試みた。この場合、負電極２６及び正電極２５はエンドレスベルト２４の表面から等距離に配設される。この距離は電界強度に大きな影響を与える。この発明者らの実験によると、実用上必要であろうと考える２ｍｍ程度では、トナーが担持された記録材Ｐはトナーが溶融定着される温度まで上昇しなかった。トナーに誘電損失の高い物質を混ぜれば結果は異なったであろうが、機能性トナーの性能を維持しつつ混合可能な高誘電損失の材料は見つかっていない。
【００２７】
また、図６に示すように正電極２５及び負電極２６を、エンドレスベルト２４の記録材Ｐの載置面２４ｃを挟んで対向配設し、未定着トナーを担持した記録材Ｐを、複数の正電極２５及び負電極２６の間を搬送させた。この場合、電界強度の強い部分を記録材Ｐが通過するので電力ロスは少ない。定着画像の態様を詳述すると、図７に示すように、電極間に高周波電界が発生すると記録材Ｐの正電極２５と負電極２６で挟まれた部分が加熱される。そのため、記録材Ｐが停止していると仮定すると、被加熱部分２７は、電極の数と等しい数の縞模様となる。すなわち、エンドレスベルト２４により矢印方向に搬送されると、この被加熱部分２７が連続的に移動して記録材Ｐの全体が定着される。
【００２８】
図８は、図９に示す各方式における電界強度の比をシミュレーションによる計算結果に基づくグラフである。図８の（１）は図９の（１）、図８の（２）は図９の（２）、図８の（３）は図９の（３）にそれぞれ対応する。図９の（１）は、搬送方向の隣り合う電極間の距離ｌ_１、それと交差する方向の隣り合う電極間の距離ｌ_２とすると、ｌ_１＝ｌ_２＝２ｍｍ、図９の（２）及び（３）は、搬送方向の隣り合う電極間の距離ｌ_１及びそれと交差する方向の電極間の距離ｌ_２とすると、ｌ_１＝２ｍｍ、ｌ_１／２＝ｌ_２＝１ｍｍである。図８を参照すると、電極中心間距離を任意の値に仮定すると、電界強度は（１）の最大値と最上値とでは約３０％の強弱の差があることが判る。この場合、実際の定着後の画像には若干縞模様が残り易い。これに対しこの発明の図８（２）ではＭＡＸ値(１００％とする)は（１）に対して１１％程度落ちる（８９％）が、強度差は小さく約６％程度しかないため定着画像には縞模様は現れ難い。また、（３）の構成は、（１）のＭＡＸ値と比較して５０％以下の電界強度しか得られないことが判る。以上のことより、図８（２）で示されるこの発明の構成が効率も良く、また均一な定着が得られることが判る。
【００２９】
ところで、図９に示す複数の正電極２５及び負電極２６を使用した方式の全ては、記録材Ｐの進入側及び排出側において、電界は所定値よりも強く引加されてしまうという現象が起きる。つまり、高周波誘電加熱定着装置７に記録材Ｐのすべてが進入している状態に比べて、記録材Ｐの一部が高周波誘電加熱定着装置７に進入直後又は排出直前で記録材Ｐの温度が急激に上がってしまう。この現象は、進入している部分に電力が集中してしまうからであり、均一な定着という観点からは好ましい現象ではない。
【００３０】
図１０乃至図１２は、この現象の解決を図ったものである。
【００３１】
図１０に示す第２実施形態において、複数の電極群２５，２６は、記録材Ｐの搬送方向において、記録材の進入側及び排出側で隣接する電極２５，２６との間隔が中間部より次第に広くなっている。この構成であれば、記録材Ｐが高周波誘電加熱定着装置７に進入した時、電極間の間隔が広いため印加される電圧は低くなり、中央部では所定の電圧が印加されるため、結果的に記録材Ｐの全面は一様な温度で加熱される。
【００３２】
図１１に示す第３実施形態は、複数の電極群２５，２６は、記録材Ｐの搬送方向と交叉する方向において、記録材Ｐの進入側及び排出側で隣接する電極２５，２６との間隔が中間部より次第に広くなるもので、図１０と同様の効果が得られる。
【００３３】
図１２に示す第４実施形態は、複数の電極群２５，２６は、記録材Ｐの搬送方向と交叉する方向において、記録材Ｐの進入時には不図示の電極群接離手段によりエンドレスベルト２４の記録材Ｐの載置面に接近し、記録材Ｐの排出時には搬送手段の記録材Ｐの載置面から離間するように接離可能になっている。図１２（１）は、搬送される記録材Ｐが正電極２５及び負電極２６に差しかかる状態を示す図で、電極２５，２６とエンドレスベルト２４とは予め設定された所定距離よりも離れている。この状態では前述の電界の集中は起きるものの、電極２５，２６間の距離が離れているため記録材Ｐの上では必要以上に加熱されない。図１２（２）は、記録材Ｐの全体が電極２５，２６に進入した状態を示す図で、電極２５，２６は予め設定された所定距離まで近接している。この状態で所定の電界が印加される。図１２（３）では図１２（１）と同様に電界の集中が起きても電極２５，２６が離間しているため、電界集中による過加熱は起きない。図１０乃至図１３に示す構成は、いずれも記録材Ｐは均一な定着が行われることが確認された。
【００３４】
また、図１３に示す第５実施形態は、電極群２５，２６に対して記録材Ｐの搬送方向の下流側に、電極群２５，２６によって加熱された記録材を加圧する加圧部材としての金属ローラ２８を具えている。すなわち、金属ローラ２８を通過した転写材Ｐに所定の圧力ｆを矢印方向に印加して、高周波誘電加熱定着されたトナー画像に圧力を印加する。これにより、高周波誘電加熱定着されたトナーｔはフィルム化し、光沢のある画像を得ることができる。
【００３５】
なお、前記各実施の形態で示した高周波誘電加熱定着装置の構成部品であるエンドレスベルト、電極の数は、好ましい一例を示したにすぎず、実施に際してはこれら部品を特許請求の範囲に記載した範囲内で適宜に変更、修正等をすることができることは言うまでもなく、また、この発明は、例えばインクジェットプリンタの乾燥装置にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の高周波誘電加熱定着装置を具えた画像形成装置を示し、概略の全体構成を示す正面図である。
【図２】この発明に係る高周波誘電加熱定着装置の外観を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図４】第１実施形態に係る高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図５】発明者らが行った実験の態様の概略を示す側面図である。
【図６】発明者らが行った実験の態様の概略を示す側面図である。
【図７】発明者らが行った実験で得られた定着画像を示す図である。
【図８】様々な方式を用いてシミュレーションした電界強度の比の計算結果に基づくグラフである。
【図９】様々な方式を用いた高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図１０】第２実施形態に係る高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図１１】第３実施形態に係る高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図１２】第４実施形態に係る高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図１３】第５実施形態に係る高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図１４】従来の高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図１５】従来の高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【図１６】従来の高周波誘電加熱定着装置の概略を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１フルカラー複写機２給紙カセット
３給紙部４露光装置
５感光体６画像形成部
７高周波誘導加熱定着装置８原稿搬送部
９原稿読取部１０排紙トレイ
１１画像形成ユニット１２現像装置
１３レーザ照射器１４ミラー
１５帯電ローラ１６クリーニング装置
１７中間転写ベルト２１１次転写ローラ
２２駆動ローラ２３従動ローラ
２４ａ，２４ｂエンドレスベルト（搬送手段）２４ｃ載置面
２５，２５ａ，２５ｂ正電極２６，２６ａ，２６ｂ負電極
２７被加熱部分２８金属ローラ
Ｐ記録材ｔトナー

【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録材の搬送手段を具え、記録材に担持されるトナー像を複数の電極群によって発生する高周波電界により定着させる高周波誘電加熱定着装置において、
前記複数の電極群は、前記搬送手段の記録材の載置面を挟んで一方の側の電極が同じ極性で、他方の側の電極が一方の側の電極と極性が異なる同じ極性になっており、かつ記録材の搬送方向においては極性が互い違いとなるように配列されていることを特徴とする高周波誘電加熱定着装置。
【請求項２】
複数の電極群は、記録材の搬送方向において、記録材の進入側及び排出側で隣接する電極との間隔が中間部より次第に広くなっている請求項１に記載の高周波誘電加熱定着装置。
【請求項３】
複数の電極群は、記録材の搬送方向と交叉する方向において、記録材の進入側及び排出側で隣接する電極との間隔が中間部より次第に広くなっている請求項１又は２に記載の高周波誘電加熱定着装置。
【請求項４】
複数の電極群は、記録材の搬送方向と交叉する方向において、記録材の進入時には搬送手段の記録材の載置面に接近し、記録材の排出時には搬送手段の記録材の載置面から離間するように接離可能になっている請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波誘電加熱定着装置。
【請求項５】
複数の電極群に対して記録材の搬送方向の下流側に、電極群によって加熱された記録材を加圧する加圧部材を具えている請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波誘電加熱定着装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の高周波誘電加熱定着装置を装備していることを特徴とする画像形成装置。

【図１】