JP2004094253A - 電子写真画像形成装置の定着装置装置 - Google Patents

電子写真画像形成装置の定着装置装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 電子写真画像形成装置の定着装置を提供する。
【解決手段】 両端が密封されており,その内部空間に所定量の作動流体を収容した管状のヒートパイプと,上記ヒートパイプ上に配置されて上記ヒートパイプを加熱する発熱部及び上記発熱部上で所定幅の定着ニップの形成のための所定厚さのゴムローラを備える定着ローラと,上記定着ローラとの間を通過する用紙を上記定着ローラに密着させる加圧ローラと,を備えることを特徴とする電子写真画像形成装置の定着装置。これにより,初期駆動時に必要なワーミングアップ時間を短縮し,35〜50mm直径の定着ローラを使用して所定幅の定着ニップを形成することによってカラーレーザープリンタ及び高速レーザープリンタに適用できる。
【選択図】  図3

Description

 本発明は電子写真画像形成装置の定着装置に関する。
 電子写真画像形成装置は,トナー画像が転写された用紙を加熱してその用紙上の粉末状態のトナー画像を溶融させてその用紙に融着させる定着装置を備える。定着装置は,トナーを紙に融着させる定着ローラと,前記定着ローラに向けて前記用紙を押す加圧ローラとを備える。
 図1は,ハロゲンランプが熱源として適用された場合の従来における定着ローラの概略的な横断面図であり,図2は図1の定着ローラを採用した定着装置の概略的な縦断面図である。
 図1に示すように,定着ローラ10は,円筒ローラ11及びその内部中央に設置されたハロゲンランプ12を備える。上記円筒ローラ11の表面にはテフロン(登録商標)コーティング層11aが形成されている。上記ハロゲンランプ12が円筒ローラ11の内部から熱を発生し,円筒ローラ11はハロゲンランプ12からの輻射熱によって加熱される。
 次に,図2に示すように,定着ローラ10の下部には用紙14を介して定着ローラ10と対向するように加圧ローラ13が配置されている。上記加圧ローラ13は,バネ13aによって弾力的に支持されて定着ローラ10と加圧ローラ13間を通過する用紙14を定着ローラ10に所定の圧力で密着させる。この時,粉末状の複数のトナー14aにより,トナー画像として形成されている用紙14は定着ローラ10と加圧ローラ13間を通過しつつ所定の圧力及び熱によって用紙14に融着される。
 上記定着ローラ10の一側には定着ローラ10の表面温度を測定するサーミスタ15と,定着ローラ10の表面温度が設定値を超えた時,ハロゲンランプ12への電源を遮断するサーモスタット16が設置されている。サーミスタ15は,定着ローラ10の表面温度を測定してプリンタ(図示せず。)の制御部(図示せず。)に測定された電気信号を伝送し,制御部は測定温度によってハロゲンランプ12に供給する電力を制御して定着ローラ11の表面温度を与えられた範囲内で維持させる。また,上記サーモスタット16は,上記サーミスタ15及び制御部による定着ローラ10の温度調節が失敗して定着ローラ10の温度が限界設定値より高い場合等,サーモスタット16のコンタクト(図示せず)をオープンしてハロゲンランプ12に流れる電源を遮断する。
 上記ハロゲンランプ12を熱源として使用する従来における定着装置は,電力消耗が多くて,特に電源をオフした後に画像形成のために電源を再びオンした時,非常に長いウォーミングアップ時間を必要とする(特許文献1参照)。
米国特許公開第2002−118984号公報
 しかしながら,定着装置は,熱源からの輻射熱によって定着ローラが加熱されるために熱伝達速度が遅く,用紙に接触しつつ発生する温度低下による温度偏差の補償が遅いので,定着ローラ10の温度を一定に維持し難い。
 したがって,定着装置は,カラーレーザープリンタまたは毎分25枚以上の高速に印刷する白黒レーザープリンタ等のように迅速な定着熱の供給を必要とする印刷機には適用し難い問題点があった。
 また,上記構造の定着装置をカラーレーザープリンタや高速レーザープリンタに使用する場合,定着ローラの直径が大きくなり,これにより定着ローラの両端で,熱を損失していた。
 本発明は,上記問題点に鑑みてなされたものであり,本発明の目的は,ウォーミングアップ時間を短縮し,定着ローラに定着ニップの形成が容易に可能な,新規かつ改良された電子写真画像形成装置の定着装置を提供することである。
 上記課題を解決するため,本発明の第1の観点によれば,電子写真画像形成装置の定着装置は,両端が密封されており,その内部空間に所定量の作動流体を収容した管状のヒートパイプと,ヒートパイプ上に配置されて前記ヒートパイプを加熱する発熱部及び前記発熱部上で所定幅の定着ニップの形成のための所定厚さのゴムローラを備える定着ローラと,定着ローラとの間を通過する用紙を定着ローラに密着させる加圧ローラと,を備えることを特徴とする。
 ゴムローラは,シリコン材質で製造され,1〜3mm厚さであることが望ましい。また,前記定着ローラの外径が35〜50mmであることが望ましい。一方,ゴムローラ及び発熱部はそれら間に塗布された耐熱性接着剤によって固定されることが望ましい。
 以上説明したように,本発明によれば,電子化上形成装置の定着装置は,初期駆動時に必要なウォーミングアップ時間を短縮し,所定幅の定着ニップが容易に形成される。
 以下,本発明の好適な実施の形態について,添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお,以下の説明及び添付図面において,略同一の機能及び構成を有する構成要素については,同一符号を付することにより,重複説明を省略する。この過程で図面に示された層や領域の厚さは,明細書の明確性のために誇張して示されたものである。
 図3は,第1の実施の形態にかかる電子写真画像形成装置の定着装置の概略的な横断面図であり,図4は,図3のIV−IV線断面図である。
 図3及び図4に示すように,定着装置100は,排出されることでトナー画像として印刷されるトナー151が形成された用紙150が排出される方向(矢印A方向)に回転する円筒ローラ113を含む定着ローラ110と,用紙150を介して定着ローラ110と対向するように設置されて用紙150を定着ローラ110に加圧しつつ矢印B方向に回転する加圧ローラ160とを備える。
 図4に示すように,上記定着ローラ110に含まれる円筒ローラ113の外側には所定厚さ,例えば1〜3mm厚さのシリコンゴムローラ112が設けられており,上記シリコンゴムローラ112上には20〜30μm厚さのテフロン(登録商標)材質のトナー離形層111が形成されている。
 また,上記円筒ローラ113の内側には発熱部114が配置されており,さらに上記発熱部114の内側には,両端が密閉されたヒートパイプ115が配置されている。
 一方,図4に示す上記定着ローラ110の上部には定着ローラ110の表面温度を測定するサーミスタ118が設置されている。また,上記定着ローラ110の表面温度が急上昇する場合に上記発熱部114に供給される電源を遮断して過熱を防止するサーモスタット119が設置されている。
 上記発熱部114は,外部電源から供給された電気によって熱を発生するNi−Cr抵抗コイル114aと,抵抗コイル114aを取り囲むように形成される酸化マグネシウム層114bと,酸化マグネシウム層114cと,発熱部114の両端の抵抗コイル114aに電気を流すリ―ド線117とを備える。なお,第1の実施の形態にかかる抵抗コイル114aは,Ni−Cr抵抗コイルを使用する場合を例に挙げて説明するが,かかる例に限定されず,例えば,Cr−Feなどの抵抗コイルを使用する場合であってもよい。
 また,図3,図4に示すように,上記ヒートパイプ115は,管状よりなり,その両端は密閉されている。その内部には作動流体116が所定量収容されている。上記作動流体116は,発熱部114から発生した熱が伝達されることで,気化し,気化されたその熱が円筒ローラ113に伝達して円筒ローラ113の表面の温度偏差を防止し,円筒ローラ113の全体を速く加熱させる熱媒体(heating medium)などの熱的媒体(thermal medium)の役割をする。作動流体116は,ヒートパイプ115の体積に対して5〜50%の体積比を占め,5〜15%体積比を占めることが望ましい。一方,上記作動流体116が占める体積比が5%未満である場合にはドライアウト現象(dry out)が発生する可能性が非常に高いので,これを避けることが望ましい。
 上記作動流体116は,上記ヒートパイプ115の材質によって選択的に使われる。すなわち,上記ヒートパイプ115の材質がステンレススチールである場合は,上記作動流体116として水を除外した周知のほとんどの作動流体を使用でき,その中でも「FC−40」(3M(登録商標)社製品)が最も望ましい。
 上記ヒートパイプ115の材質がCuである場合は,ほとんどの周知の作動流体が適用されうるが,その中でも水,すなわち,蒸溜水が最も望ましい。作動流体116として水または蒸溜水を使用する時,作動流体コストが節減され,環境汚染を惹起しない利点がある。
 上記トナー離形層111を通じてトナー画像が転写された用紙150と直接接触するシリコンゴムローラ112の表面は約175℃に維持されなければならないが,円筒ローラ113と接触する内面は最大230〜240℃までも維持される。したがって,高温に耐えることが可能なシリコン材質が利用される。このようなシリコンゴムローラ112には,高速レーザープリンタで高速に通過される用紙の定着現象を助けるように所定長さの定着ニップが形成される。また,カラーレーザープリンタでは重複されたトナー画像の定着を助ける。
 上記円筒ローラ113は,上記発熱部114から発生した熱が伝えられたり,上記ヒートパイプ115に収容されている作動流体116による気化熱によって加熱されて上記シリコンゴムローラ112に熱を伝達して上記用紙150に形成されている粉末状のトナー151を融着する役割をするものであって,その材質はステンレススチール,AlまたはCuである。
 上記定着ローラ110の両端には第1エンドキャップ120及び第2エンドキャップ130が挿し込まれている。第2エンドキャップ130は,その構造においてほとんどが第1エンドキャップ120と同じである。ただし,第2エンドキャップ130は,第2エンドキャップ130の外周面に沿ってギヤ131が形成されて電動装置のギヤ(図示せず。)と噛み合って回転する点で異なる。また,定着ローラ110の両端上には回転する定着ローラを支持するベアリング133が設置されている。
 図5A及び図5Bは,図3の第1エンドキャップ120の概略を示す斜視図であり,図6A及び図6Bは図3の第2エンドキャップ130の概略を示す斜視図である。
 図5A,図5B,図6A,および図6Bに示すように,第1エンドキャップ120及び第2エンドキャップ130には,抵抗コイル114aの端部に連結された図3に示すリ―ド線117が通過するリ―ド線ホール122,リード線ホール132が各々形成されている。ヒートパイプ115の両端に対向する第1エンドキャップ120,第2エンドキャップ130の内側の中央部にはヒートパイプ115の両端部が一部挿入可能な凹部125,凹部135が形成されており,凹部125,凹部135の反対側に位置する第1エンドキャップ120,第2エンドキャップ130の外側の中央部には電極210が挿し込まれる電極ホーム126,電極ホーム136が形成されている。上記電極210は,リ―ド線ホール122,リード線ホール132を介して挿入されたリ―ド線117に電気を供給する。なお,第1エンドキャップの内部は,中空形状ではないため,電極ホーム126と凹部125とは貫通していない。同様に第2エンドキャップの内部も,電極ホーム136と凹部135とは貫通していない。
 図7は,第2エンドキャップ130に連結される電源連結部200の分解斜視図である。図7を参照すれば,電源連結部200に備わる,第2エンドキャップ内に嵌合する電極210と,図3に示すフレーム170内に設置されるブラシ220,スペーサ230,弾性手段240,および絶縁プレート250により,外部から供給される電源をリード線117を介し,上記発熱部114に伝達する。電源連結部200は,上記電極ホーム126,電極ホーム136に挿し込まれる電極210と,上記電極210と接触されるように設置されるブラシ220と,スペーサ230と,上記ブラシ220が上記電極210側に密着されて電気接続させる弾性手段240を少なくとも備える。
 上記ブラシ220は,リード線ホール252を介して挿入される外部電源からのリ―ド線254(図3のリード線254,参照)と連結し,電極210に電気を伝達する。
 上記弾性手段240は,上記ブラシ220が電極210に密着されるようにスペーサ230に弾性力をもたらすことで,上記定着ローラ110が作動中に熱膨張または熱収縮が反復的に起る場合にも,その変形を吸収して上記ブラシ220が電極210から離れることを防止する。したがって,上記弾性手段240は,例えば圧縮バネ等を使用することが望ましい。この時,上記ブラシ220には外部電源からリ―ド線ホール252を通じてリ―ド線254(図3に示すリード線254)が連結されるが,上記リ―ド線254及び上記弾性手段240が接触してスパークが発生するおそれがある。したがって,このような危険を防止するために,上記ブラシ220が後方に押されて上記第2エンドキャップ130がフレーム170に着くことを防止するスペーサ230が設置されている。
 上記弾性手段240の一端は,絶縁プレート250によって上記フレーム170内に限定される。上記絶縁プレート250は上記弾性手段240を支持する役割をする。したがって,フレーム170の中央部に形成された貫通孔に,まずブラシ220を設置し,その次にスペーサ230と,弾性手段240とを設置する。その次に上記弾性手段240が後で抜けないように絶縁プレート250を設置する。
 上記第1エンドキャップ120,第2エンドキャップ130は,高温でも熱変形が少ないガラス繊維の充填材を入れたPPS(Poly Phenylene Sulfide),PBT(Poly Butylene Terephthalate),ナイロンのようなレジンを使用できる。
 上記加圧ローラ160は,上記定着ローラ110と接触しつつ定着ニップを形成する弾性ローラ161と,上記弾性ローラ161の中心部に上記弾性ローラ161を支持するシャフト162とを備える。上記シャフト162の両端部の外周にはベアリング163が設けられて加圧ローラ160を支持する。
 上記説明の電子写真画像形成装置に備わる各部の構造から処理される電子写真画像形成装置の定着装置の動作について,図3〜図7の図面を参照して詳細に説明する。まず,外部のリ―ド線254から供給された電気がブラシ220,電極210を通じて発熱部114に備わるリ―ド線117に流れることで,その電気は抵抗コイル114aに熱を発生させる。発生した熱の一部は上記円筒ローラ113に伝達し,残りの熱は上記ヒートパイプ115に伝達する。上記ヒートパイプ115に収容されている上記作動流体116は,伝達された熱によって加熱されて気化し,気相の作動流体が有する熱はヒートパイプ115の表面に設置された発熱部114を通じて上記円筒ローラ113に伝達される。上記円筒ローラ113の表面温度は,上記発熱部114から発生した熱と,上記作動流体116の熱とが伝えられて230℃程度に上昇する。円筒ローラ113の熱はシリコンゴムローラ112に伝えられて定着ローラ110の表面温度が用紙150に形成されている粉末状のトナー151を融着するのに必要な目標温度まで早く到達する。円筒ローラ113,シリコンゴムローラ112などの材質,各ローラの厚さ等を適当にすることで,熱伝達を速め,融着するのに必要な目標温度まで早く到達できる。
 次いで,印刷モードとなれば,印刷用紙150に粉末状のトナー151が転写され,この用紙150は上記定着ローラ110及びこれに対向して設置されている加圧ローラ160間を通過しつつ,一定の温度の定着ローラ110によってトナー151は用紙150に融着される。
 一方,上記定着ローラ110が上記トナー151を用紙150に融着させることで,用紙150に熱を奪われれば,上記ヒートパイプ115内に収容されている上記作動流体116は熱を奪われて再び液化する。これにより,再び上記発熱部114によって熱が伝達された上記作動流体116は気化しつつ上記定着ローラ110の表面温度を上記トナー151を融着させるのに適当な目標温度に維持させられる。
 一般的で,正常なトナー画像の定着温度は160〜190℃であり,第1の実施の形態にかかる定着装置100は約10秒以内に目標温度に到達することが可能である。そして,サーミスタ118が上記定着ローラ110の表面温度を測定し,電子写真画像形成装置に備わる制御部(図示せず。)は表面温度を上記トナー151を融着させるのに適当な所定の範囲内で維持させるように制御する。もし,表面温度の調節が失敗して定着ローラ110の表面温度が急上昇すれば,上記サーモスタット119が,サーモスタット119に連結している電源連結部200から流れる外部からの電気の流れを機械的な作動で遮断し,定着ローラ110の表面温度の急上昇を防止する。このような電源供給動作は,設定温度によって随時設定変更であり,電源供給も周期的に電気を流したり(オン),電気を止めたりする(オフ)オン/オフタイプや,パルス幅の変調方式,あるいはPI動作(Proportional and Integral)などのような制御方式を適用できる。
 図8は,第2の実施の形態にかかる電子写真画像形成装置の定着装置300の縦断面図であり,図9は図8のIX−IX線による断面図であり,第1の実施の形態にかかる電子写真画像形成装置と同じ構成要素には同じ名称または図面符号を使用し,ここで詳細な説明は省略する。
 図8及び図9に示すように,第2の実施の形態にかかる定着装置300は,融着することでトナー画像として成るトナー151が形成された用紙150が排出される方向(矢印A方向)に回転する定着ローラ310と,用紙150を介して定着ローラ310と対向して設置されて用紙150を定着ローラ310に加圧しつつ矢印B方向に回転する加圧ローラ360とを備える。
 上記定着ローラ310は,表面から内側にトナー離形層311,シリコンゴムローラ312,発熱部314及びヒートパイプ315が順次に配置されており,ヒートパイプ315の内部には作動流体316が含まれている。なお,上記定着ローラ310には第1の実施の形態にかかる定着ローラ110に含まれている円筒ローラ113が構成されない点で第1の実施の形態にかかる定着ローラ110と相違する。また,ゴムローラ312を含む定着ローラ310ではゴムローラ312の表面温度よりゴムローラ312の内面での温度が40〜60℃程度高く維持されなければならない。したがって,発熱部314の急な温度上昇によるゴムローラ312の過熱を防止するために,発熱部314から発生する熱によりゴムローラ312の表面の昇温速度を下げなければならない。
 一方で,第2の実施の形態にかかる定着ローラ310では,第1の実施の形態にかかる円筒ローラ113を除去しているため,発熱部314から発生する熱が直接的にシリコンゴムローラ312に伝達されるので,第1の実施の形態にかかるシリコンゴムローラ112に伝達される伝熱速度よりも速い。したがってシリコンゴムローラ312の昇温速度をさらに高められる長所がある。
 上記シリコンゴムローラ312の両端には,第1の実施の形態と同様,第1の実施の形態にかかる第1エンドキャップ120及び第2エンドキャップ130が挿し込まれる。第2エンドキャップ130は,その構造は,ほぼ第1エンドキャップ120と同じであるが,ただし,第2エンドキャップ130の外周面に沿ってギア131が形成されて電動装置のギア(図示せず)と噛み合って回転する点で異なる。また,定着ローラ310の両端部の上には回転する定着ローラ310を支持するベアリング333が設置されている。
 上記加圧ローラ360は,上記定着ローラ310と接触しつつ定着ニップを形成する弾性ローラ361と,上記弾性ローラ361の中心で上記弾性ローラ361を支持するシャフト362とを備える。上記シャフト362の両端の外周にはベアリング363が設けられて加圧ローラ360を支持する。このような加圧ローラ360は,定着ローラ310に密着するように設置されるか,または上記シャフト362を定着ローラ310側に加圧する別途のバネ(図示せず。)を備えて定着ローラ310の回転に従動するように回転される。
 上記のような構造の定着ローラ310の製造のためには,シリコンゴムローラ312の内部に発熱部314を覆い包むヒートパイプ315を挿し込んだ後,上記ヒートパイプ315の内部に100〜150の気圧を加えて拡管させる。これにより,上記発熱部314はヒートパイプ315の外周面及びゴムローラ312の内周面に効率的に密着する。この時,シリコンゴムローラ312の熱等による溶解,変形などで,発熱部314及びシリコンゴムローラ312間の流動を防止するために発熱部314の表面に耐熱性接着剤を塗布した後に上記拡管工程を行うことが望ましい。
 上記第2の実施の形態にかかる定着装置310は,上記第1の実施の形態にかかる定着装置110に比べて,所定の温度までに昇温する速度,ウォーミングアップ時間を短縮できる長所がある。また,定着装置に備わる定着ローラの熱損失を減らすことができる。
 以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例を想定し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
 本発明の連続的に定着熱を供給する大型定着ローラを備えた電子写真画像形成装置の定着装置は,カラーまたは高速レーザープリンタに適用されうる。
従来における定着ローラの概略的な構成を示す断面図である。 図1に示す定着ローラを含む定着装置の概略的な構成を示す断面図である。 第1の実施の形態にかかる定着装置の概略的な構成を示す断面図である。 図3に示すIV−IV線の断面図である。 図3に示す第1エンドキャップの斜視図である。 図3に示す第1エンドキャップの斜視図である。 図3に示す第2エンドキャップの斜視図である。 図3に示す第2エンドキャップの斜視図である。 図3に示す電源連結部の分解斜視図である。 第2の実施の形態にかかる電子写真画像形成装置の定着装置の断面図である。 図8に示すIX−IX線断面図である。
符号の説明
 111   トナー離形層
 112   シリコンゴムローラ
 113   円筒ローラ
 113a  円筒部
 113b  円筒部
 113c  段差部
 114   発熱部
 114a  抵抗コイル
 114b  酸化MgO層
 114c  酸化MgO層
 115   ヒートパイプ
 116   作動流体
 117   リード線
 254   リード線
 120   第1エンドキャップ
 130   第2エンドキャップ
 131   ギヤ
 160   加圧ローラ
 161   弾性ローラ
 162   シャフト
 133   ベアリング
 163   ベアリング
 170   フレーム
 210   電極
 220   ブラシ
 230   スペーサ
 240   弾性手段
 250   絶縁プレート

Claims (5)

  1.  両端が密封され,内部空間に所定量の作動流体を収容した管状のヒートパイプと,
     前記ヒートパイプよりも外側に配置されて前記ヒートパイプを加熱する発熱部及び前記発熱部よりも外側に配置されて所定幅の定着ニップの形成のための所定厚さからなるゴムローラを少なくとも備える定着ローラと,
     前記定着ローラ上を通過する用紙を前記定着ローラに密着させる加圧ローラと,
     を備えることを特徴とする,電子写真画像形成装置の定着装置。
  2.  前記ゴムローラは,シリコン材質であることを特徴とする,請求項1に記載の電子写真画像形成装置の定着装置。
  3.  前記ゴムローラのゴムの厚さは,略1〜3mmであることを特徴とする,請求項1または2に記載の電子写真画像形成装置の定着装置。
  4.  前記定着ローラの外径が35〜50mmであることを特徴とする,請求項1に記載の電子写真画像形成装置の定着装置。
  5.  前記ゴムローラ及び発熱部は,該ゴムローラと発熱部との間に塗布された耐熱性接着剤によって固定されることを特徴とする,請求項1に記載の電子写真画像形成装置の定着装置。
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