JP2004170692A - Image forming apparatus and heat source - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、定着装置を有する画像形成装置及び熱源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、画像形成装置において用いられる定着装置には昇温が高速になる熱源から直接加熱で定着するものが知られている。かかる定着装置において、熱源が接触する接触加熱も考えられるが、熱源の汚れ、被加熱物への汚れなど長期の安定性を考えれば、輻射熱源による非接触加熱が有効である。
【0003】
しかし、輻射熱源による非接触加熱には熱効率の悪さという根本的な欠点を有している。すなわち、輻射加熱は非接触であるため、熱源と被加熱物の間に空間があり、移動する被加熱物を加熱するにはその空間に移動物のための入口と出口が開放されている必要があり、輻射熱源が高温であることによる対流熱がそれら開放部分から外部に放出し、加熱効率が悪くなる。
【0004】
また、直接加熱により加熱する被加熱物の部材・部位としては
1.紙の表面を加熱する。
2.断熱性の定着部材表面を加熱する。
3.ベルト等の可撓性定着部材を加熱する。
4.トナー、インクを加熱する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記1から4のような用途の場合、被加熱物はセルロース、フッ素樹脂、シリコーンゴム、ポリエステル樹脂等の熱伝導率が小さい有機物が主体であり、加熱にあたって、次のような留意すべき点がある。また、金属ベルトやスリーブが基材であっても、該基材にゴムや樹脂の層が形成されている場合も同様である。
【0006】
第1の留意点は、温度ムラのない加熱である。
熱源の点灯が連続的でない場合、加熱時間(加熱幅/被加熱物の移動速度)に対して点灯間隔が充分に小さくないと移動方向に対して直角な方向の縞状の温度ムラが発生する。
【0007】
点灯が連続的な場合、照射パワー自体が可変でないと周囲の部材の温度変化により被加熱物の温度が一定にならずに温度ムラが発生する。
第2の留意点は被加熱物の発火、発煙から回避することである。
【0008】
被加熱体の発火等は、熱源との接触時に起る。輻射熱源からのエネルギーは絶対温度の4乗の差分で被加熱物に伝えられるため、輻射熱源は最低でも1000℃以上と温度が非常に高い。そのため、有機物等の被加熱物あるいは周辺の部材が何かしら異常で熱源に接触すると容易に発火してしまう。
【0009】
さらに、被加熱体の発火等は被加熱物の停止時に起る。輻射熱源の投入エネルギーが大きい場合のみ、これは被加熱物の加熱時間が短くしかできない場合であるが、移動しているに瞬時に昇温するため、何かしらの異常で被加熱物が停止すると、輻射エネルギーを長時間受けるため、高温となって発火に至る。
【0010】
このような問題点があるため、近年の画像形成装置では発火等の危険から直接輻射熱源を用いた定着装置が採用されていないのが現状である。
本発明は、上記した従来の問題を解消し、直接輻射熱源を用いた定着装置であっても、高温であることに由来する対流発生による熱損失を抑えて熱効率がよく、加えて発火等に対して十分な安全性を確保することのできる画像形成装置及び熱源を提供することを課題としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、通電により発光する部材を備えた熱源により移動する熱伝導率の小さい有機物を含む部材である被加熱体を加熱する定着装置を有する画像形成装置において、前記熱源を点灯比率可変または点灯電圧可変で点灯させるとともに、前記熱源と前記被加熱体との間に断熱空間層と該断熱空間層を形成する透明部材と有することを特徴としている。
【0012】
なお、本発明は、前記熱源の点灯を前記被加熱体の停止におおよそ同期して遮断する通電制御手段を具備すると、効果的である。
さらに、本発明は、前記断熱空間層が少なくともほぼ密閉された大気圧の空気層であると、効果的である。
【0013】
さらにまた、本発明は、前記断熱空間層が密閉された気体層であると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記気体層がアルゴン、クリプトン、キセノンを主成分とする気体が封入されていると、効果的である。
【0014】
さらにまた、本発明は、前記断熱空間層が減圧された気体層であると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記断熱空間層が排気される空気層であると、効果的である。
【0015】
さらにまた、本発明は、前記断熱空間層が前記熱源を内包していると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記熱源からの輻射を前記被加熱体側へ反射させる反射手段が設けられていると、効果的である。
【0016】
さらにまた、本発明は、前記反射手段が前記熱源の外面に設けられた反射膜であると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記反射膜が金を主成分とすると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記熱源が、不活性ガスが封入されたガラス管と、前記通電により発光する部材としてフィラメントとを有し、前記ガラス管内には不活性ガスのみが封入され、前記フィラメントがタングステンからなると、効果的である。
【0017】
さらにまた、本発明は、前記不活性ガスがキセノン、クリプトンを主成分とすると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記熱源が、不活性ガスが封入されたガラス管と、前記通電により発光する部材としてタングステンからなるフィラメントとを有し、前記不活性ガスとしてキセノン、クリプトンを主成分に僅かなハロゲン化合物を混入した気体が封入されていると、効果的である。
【0018】
さらにまた、本発明は、前記熱源が、カーボンを主成分とするフィラメントを備えていると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記熱源が定着部材を加熱すると、効果的である。
【0019】
さらにまた、本発明は、前記熱源がベルトを加熱すると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記熱源がトナーを直接加熱すると、効果的である。
【0020】
さらにまた、本発明は、前記熱源が記録媒体を加熱すると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記熱源が前記定着部材または定着ベルトを有する定着ユニットと別々に交換可能なユニットとして構成されていると、効果的である。
【0021】
また、上記課題を解決するため、本発明は、画像形成装置における定着装置に用いる熱源において、通電による発熱するフィラメントを少なくとも不活性ガスを含む封入気体とともにガラス管内に封入し、該ガラス管が大径のガラス管内に封入され、前記ガラス管と大径ガラス管の間に低圧気体の断熱層が設けられていることを特徴としている。
なお、本発明は、前記大径のガラス管内に封入された前記熱源が複数であり、該複数の熱源はフィラメントを封入したガラス管が一体化されていると、効果的である。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態を示す説明図である。
【0023】
図1において、符号1は定着部材としての定着ローラであり、2は定着ローラに圧接された加圧ローラであり、定着ローラ1は図示していない駆動手段によって矢印方向に回転駆動され、加圧ローラ2は従動回転される。定着ローラ1は、基材である芯金3の外周に断熱性ゴム層4を介して離型層5を積層してなり、他方、加圧ローラ2は芯金6の外周にゴム層7を介して離型層8が被覆されて構成されている。なお、定着ローラ1のゴム層4は、画像均一性品質の要求が低い場合は省略可能である。また、基材は芯金3に限らず、薄肉の金属スリーブや樹脂のベルトでも可能であり、そのような低熱容量の基材を用いた場合も、断熱性ゴム層4を省略することができる。さらにまた、断熱性ゴム層4は断熱層とゴム層とに分けた2層以上の積層したものであっても、その機能を発揮することができる。
【0024】
上記定着ローラ1の外側には、熱源10が設けられ、熱源10によって定着ローラ1の表面が加熱される。熱源10は、ガラス管11内に通電により発光する部材としてフィラメント12を配置して不活性ガスを封入して構成され、熱源10は定着ローラ1に対向する面を開放した断面Uの字を傾けた形状の反射部材としての反射板13内に配置されている。この反射板13の開放面には断熱空間層14を形成する透明部材としてのガラス板15が取り付けられている。
【0025】
このガラス板15の装着で形成される断熱空間層14は、熱源10の両側を閉じられていることで密閉空間にすることにより、高温によって発生する対流が外気へ逃げることが防止され、熱効率を高めることができる。さらに、かかる構成では輻射熱源10と本例の被加熱体である定着ローラ1の間に断熱空間層14が存在することにより、ガラス板15の外面側の温度上昇を抑制する断熱効果が得られる。なお、ガラス板15は僅かな輻射熱吸収をなくす意味で、強度が許す限り薄いものが好ましい。
【0026】
このように構成された定着装置は、未定着トナー像を担持した記録媒体としての用紙Pが定着ローラ1と加圧ローラ2のニップに到来と同期して熱源10が定着ローラ1を加熱し、その熱及びローラ間の圧が作用してトナーが用紙Pに定着される。
【0027】
熱源10による被加熱体の加熱は、温度ムラがないように一定温度に制御することが要求され、本実施形態では熱源10の通電を点灯比率可変で点灯している。具体的には、熱源10への電力供給は定着ローラ1を回転させながら行い、室温から160℃までの立ち上げ時はAC100Vを連続通電し、160℃に達する直前からAC100Vを100Hz〜20kHzでスイッチングし、点灯比率を50〜100%とすることで加熱温度を160℃±5℃に保つことができる。また、熱源への通電は点灯電圧可変で行っても点灯比率可変と同様に温度ムラのない良好な制御ができる。この場合、AC電圧自体を70V〜100Vで可変してもよいし、DC電圧を70〜100Vで可変してもよい。
【0028】
また、熱源10の通電時は被加熱体である定着ローラ1が回転時に制限するが、発火、発煙等の問題を防止するため必要不可欠である。このため、定着ローラ1の回転を検知する手段を設けて定着ローラ1の回転停止を検知して熱源10への通電を同期遮断させている。一般的に、定着ローラ1の回転を検知する手段は、ロータリーエンコーダや光センサを使用しているが、これら検知手段は壊れる可能性がある半導体を使用するため、耐久性に十分注意する必要がある。
【0029】
そこで、本実施形態では被加熱体を移動する駆動を利用して発電する発電手段を設け、該発電手段から熱源10へ通電を行うように構成することで、定着ローラ1の停止におおよそ同期して通電を遮断することができる。具体的には、図2に示すように、定着ローラ1を駆動するDCモータ20の起電力発生回路にはこの起電力によりオンオフされるオンオフリレー21がDCモータ20と相対向に設けられている。オンオフリレー21のある電気回路には、電源部22と、熱源10と、温度センサ23と、温度調整器24及びサーモスタッド25等が配設されている。DCモータが回転すると、オンオフリレー21がオンされて熱源10への通電が可能な状態となる。一方、DCモータの回転が停止されると、上記起電力発生回路に起電力が発生しないため、オンオフリレー21がオフ状態となる。このオフ状態において、熱源10が通電されることはない。
【0030】
このように構成すれば、定着ローラ1が停止状態であれば、オンオフリレー21が作動しないため、熱源10が通電されることがない。すなわち、定着ローラ1の回転により発電を行い、その電圧によりオンオフリレー21を作動させて始めて通電が行われるため、オンオフリレー21以外の部品が故障しても熱源10が通電されることはない。なお、オンオフリレー21が故障すると、通電されるが、オンオフリレー21としてUL、CSA等の安全規格を取得したものを使用している限り、基本的に装置の安全性が保障されており、良好な耐久性が得られる。
【0031】
図3は、本発明の他の実施形態を示す断面説明図であり、本実施形態では定着ローラを内部から加熱する定着装置である。
図3において、本実施形態の被加熱体も定着ローラ30であるが、定着ローラ30は肉厚0.4mmのアルミ薄肉スリーブ31にゴム層32とテフロン(商品名)からなる離型層33を積層したものである。また、熱源10は定着ローラ30内に設けられているとともに、外側が透明部材としてのガラス管16によって覆われ二重管の如く構成されている。なお、外側のガラス管16は強度が許す限り薄いものが僅かな輻射熱吸収をなくす意味で好ましい。
【0032】
このように構成された定着装置は、熱源10が間にほぼ密閉された断熱空間層14が形成されるようにしてガラス管16で覆われるので、フィラメント12が2重のガラス管で覆われことになり、熱の対流が抑制されて熱効率が高められる。なお、本例でも熱源10と外側ガラス管16の間に断熱空間層14が存在することにより、ガラス管16の外面側の温度上昇を抑制する断熱効果が得られるが、熱源10が定着ローラ30内にあるので、その効果は必要としない。
【0033】
図4は、本発明のさらに他の実施形態を示す断面説明図であり、本実施形態では定着ベルトを内部から加熱する定着装置である。
図4において、被加熱体として定着ベルト40が用いられており、定着ベルト40はポリイミドの基材41にゴム層42、テフロン層43を被覆して構成されている。加圧ローラ2と対向するベルト内部には、固定部材44が設けられ、この固定部材44によって定着ベルト40と加圧ローラ2が所定圧力で接している。そして、定着ベルト40内には、断熱空間層14を介在させるようにしてガラス管16で覆われた熱源10が配設されている。
【0034】
このように構成された定着装置は、熱源10がほぼ密閉された断熱空間層14を介してガラス管16で覆われるので、あたかもフィラメント12が2重のガラス管で覆われた構造となり、熱の対流が抑制されて熱効率が高められる。なお、定着ベルト40が図示していない駆動手段によって回転するが、定着ベルト40を意図的に切れ目を入れた破損させて回転すると、ベルトの一部が熱源側に接触する。この実験において、本実施形態の2重管構造の熱源では断熱空間層14による断熱効果によって何ら問題が生じなかったが、2重管でない一般的な単管熱源を使用した場合、接触部から発煙が生じた。
【0035】
図5は、本発明のさらに他の実施形態を示す断面説明図であり、本実施形態は熱源でトナーを加熱するシステムである。
図5において、感光体50からトナー像が転写される中間転写体51に対峙した転写定着ベルト53が設けられている。転写定着ベルト53は、ポリイミドの基材54にゴム層55、テフロン層56を被覆してなり、ベルト内部には固定部材57、輻射熱源58及び転写部材59が設けられている。固定部材57は、加圧ローラ2に対向して転写定着ベルト53と加圧ローラ2が所定の加圧力で接している。そして、転写定着ベルト53の外側には対向する面を開放した断面Uの字を傾けた形状の反射部材としての反射板13内に配置された熱源10が設けられている。反射板13の開放面には、断熱空間層14を形成する透明部材としてのガラス板15が取り付けられている。
【0036】
このシステムは、中間転写体51上のトナーを紙ではなく、転写定着ベルト53上に転写されたトナーを充分加熱した後に紙に圧着するものである。このシステムにおいては、定着後の画像上面になるトナー上層部分の温度と、トナー下層・紙界面の温度の両者を制御可能である。トナー下層・紙界面温度はトナーを直接加熱するかつまたは紙を加熱することで制御可能なため、熱源10の反射板13の向きを調整することで、トナーのみを加熱する、紙のみを加熱する、両者を適宜な比率で同時に加熱するなどが一つの熱源10により可能となる。この場合の熱源10もガラス板15を配置したことで伝熱に優れ、安全性も確保することができる。
【0037】
図6は、本発明のさらにまた他の実施形態を示す断面説明図であり、本実施形態は熱源でトナーと紙を加熱するシステムである。
図6において、定着ベルト60は、ポリイミドの基材61にゴム層62、テフロン層63を被覆してなり、ベルト内部には固定部材64、輻射熱源65が設けられている。固定部材64は、加圧ローラ2に対向して定着ベルト60と加圧ローラ2が所定の加圧力で接している。そして、定着ベルト60と加圧ローラ2のニップ近傍で、記録媒体としての用紙Pの搬送方向上流側には反射板13内に配置された熱源10が設けられている。反射板13は、用紙P側の面を開放した断面Uの字を傾けた形状に形成され、反射板13の開放面には断熱空間層14を形成する透明部材としてのガラス板15が取り付けられている。
【0038】
このように構成された定着装置においても、反射板13に断熱空間層14を形成するガラス板15を配置したことで、伝熱に優れ、安全性も十分に確保することができる。また、定着装置が小型化される。なお、熱源10の加熱量は用紙の紙種に応じて調整可能である。
【0039】
上記定着装置では、透明部材によって形成した断熱空間層14が密閉空間にするため、熱源10の両端を含めて閉じ構成としている。密閉する際には、熱源10の両端における熱源10と透明部材のガラスとの線膨張差を吸収するような材料選択が重要で、ガラス、セラミック、金属等の単独または組み合わせで用いることができる。また、このような密閉構造を得る場合、図7に示すように、ガラス板15を内部に空間が形成された2重ガラス板にしたり、図8に示すように、ガラス管16を内部に空間が形成された2重ガラス管にすると、線膨張差に対して有効である。さらに、2重構造のガラス板15やガラス管16は断熱効果をより高める利点もある。
【0040】
ところで、ガラス板15やガラス管16で形成される断熱空間層14は、減圧された気体層、すなわち真空にすると、熱効率及び断熱効果による安全性において有利である。この場合、断熱空間層14を完全な真空にすることは難しいが、完全な真空に近づくほど好ましいと言える。また、断熱空間層14はアルゴン、クリプトン、キセノンを主成分とする高分子ガスを封入することも、熱効率及び断熱効果による安全性において有効である。さらにまた、断熱空間層14が密閉でなくなるが、閉じられた空間層に入口と出口を設け、入口から外部の空気を流入させ、出口から排気するように構成してもよい。かかる構成では、熱効率は悪くなるが、安全性は有効である。
【0041】
本発明者は、上記断熱空間層14が開放された空間の場合、密閉された空気層の場合、真空の場合、高分子ガス封入の場合、空気を流している場合について、熱効率及び安全性について比較する実験を行った。
【0042】
その結果、熱効率については真空が最もよく、次に高分子ガス、密閉空間、開放空間、空気流の順であった。また、安全性については真空が最もよく、次に空気流、高分子ガス、開放空間、密閉空間の順であった。但し、長期に渡って安全性において最も断熱層が維持されやすいのは開放空間で、次に空気流、密閉空間、高分子ガス、真空の順であった。
【0043】
ところで、熱源10の熱効率を高めるため、反射板13は有効であるが、ガラス管16で断熱空間層14を形成している場合、反射板13を設置することが難しい。そこで、ガラス管16で断熱空間層14を形成する装置では図9に示すように、熱源10のガラス管11における外面の一部に反射膜13aを塗装、蒸着等により形成する。このように構成された熱源10は熱効率がアップし、さらに反射膜13aを熱源10の貼りつけ等で配置したものよりも熱効率が上昇した。
【0044】
この反射板の効率的配置について検討したところ、熱源10の外面に反射コートを行うことにより、熱源10の外に配置した場合より熱効率が高いという結果が得られた。これは、反射膜13aがより小さく、熱源に近いため反射せずに吸収された熱量も熱源の輻射に寄与できるためと考えられる。さらに、反射膜13aの材質について検討した結果、熱源10に近いことによる耐熱性、高融点の必要性と酸化等の化学変化に強く反射率が安定して得られることから金が最も優れていることが判明した。よって、反射膜13aは金を主成分とすることが好ましい。
【0045】
また、高速のプリンタ等では様々な紙幅の用紙を用いるときの温度均一性を保つため、発熱幅の配向分布の異なる複数の熱源を用いることが知られている。さらに、被加熱物の性質に応じて波長の異なる熱源を同時または交互に用いることも要求されることがある。そこで、本発明では図10(a),(b)に示すように、1つのガラス管16内に複数の熱源、例えば中央用の熱源10aと、端部用の熱源10bを配置することができる。このように構成すれば、複数の熱源10a,10bが一つの断熱空間14内に包含され、装置の小型化、部品点数の削減が実現できる。さらに、1つのガラス管16内に複数の熱源10a,10bを配置する場合、図11に示すように、熱源10のガラス管11を断面8の字状のように形成して一体化させたガラス管11を用いれば、独立してそれぞれ設けるより、ガラス材料が少なく、強度に優れた熱源構造となる。さらに、大径のガラス管16もより小さくすることができ、熱源部分の全体の小型化が可能となる。なお、複数の熱源は2本に限らず、3本以上であってもよい。
【0046】
上記熱源10は、点灯比率可変または点灯電圧可変で点灯されるため、一般的なハロゲンヒータを用いてもハロゲンサイクルが安定せず、フィラメント12の寿命が低下する。
【0047】
そこで、熱源10としてタングステンのフィラメント12を不活性ガスのみで封入したヒータを用いることで、ハロゲン化合物を含まないことで点灯比率可変または点灯電圧可変の点灯を行ってもフィラメント12の断線が抑制される。なお、不活性ガスとしてはアルゴン、より好ましくはキセノン、クリプトンである。キセノン、クリプトンは、2000Kと言った高温でもフィラメントを化学的に侵食しない不活性ガスであり、放射性元素であるラドンを除く不活性ガスで最も大きな分子であるため、気体の分子運動論でいう衝突断面積が大きくフィラメントのタングステン分子の蒸発を抑制できる。すなわち、タングステンの蒸発原子が他の原子に衝突することなく移動してしまう平均自由工程の低減が可能である。
【0048】
また、熱源10は微量のハロゲン化合物とキセノン、クリプトンを主成分とする不活性ガスを封入したものであってもよい。このように構成された熱源10は、点灯比率可変または点灯電圧可変で点灯しても、キセノン、クリプトンの蒸発抑制効果と、微量のハロゲン化合物によるハロゲンサイクルとによってフィラメントの寿命を延ばすことができる。
【0049】
さらに、上記熱源10は蒸発しにくいカーボンを主成分とするフィラメント12を用いることで寿命を延ばすことができる。しかも、カーボンは遠赤外線の放出が多い熱源であり、熱効率も高まる。
【0050】
なお、不活性ガスを封入した熱源やカーボン化したフィラメントの熱源は点灯比率可変または点灯電圧可変で点灯した場合、ハロゲンヒータでは1000時間程度であった寿命が5000時間と大幅に延びた。また、カーボンをフィラメントとした構成では、立ち上がりがカーボンの熱容量が大きいためやや遅れたが、連続通紙時はわずかに平均電力が小さく色温度が低いことによる赤外線による熱効率向上が見られた。
【0051】
上記したように熱源10と被加熱体との間に断熱空間層を設ける構成は、従来のヒータによるものに比べて複雑なため、その分コストが嵩むが、熱源を有する加熱ユニットと定着部材を有する定着ユニットをそれぞれ独立したユニットで構成することで、別々に交換することができる。よって、高寿命の熱源と加熱、トナー固着等で交換が必要な加圧ローラを含む定着部材を別々に交換でき、ランニングコストを低減することができる。
【0052】
【発明の効果】
請求項1の構成によれば、熱源を点灯比率可変または点灯電圧可変で点灯させるとともに、熱源と被加熱体との間に断熱空間層と該断熱空間層を形成する透明部材と有するので、熱源の点滅間隔が長いことによる被加熱体に温度ムラの発生を抑え、熱源への接触により発火する危険を非常に小さくすることができる。
【0053】
請求項2の構成によれば、熱源の点灯を被加熱体の移動時のみに制限する通電制御手段を具備するので、安全性が飛躍的に向上する。
請求項3の構成によれば、断熱空間層が少なくともほぼ密閉された大気圧の空気層であるので、良好な断熱性を長期に渡って維持することができる。
【0054】
請求項4の構成によれば、断熱空間層が密閉された気体層であるので、気体層は熱を外部に流出しにくいので、熱効率が高まる。
請求項5の構成によれば、気体層がアルゴン、クリプトン、キセノンを主成分とする気体が封入されているので、安全性の高い不活性気体分子中(放射性元素ラドンを除く)で最も動粘度が高く対流が生じにくい、かつ熱伝導率が低い。また、熱伝導率から言えば、塩素、アンモニアなども断熱性が高いが高温で漏れだした場合の危険可能性を考慮すれば上記ガスが適している。したがって、外部との気圧差が小さくでき、万一衝撃が加わった場合でも破損の可能性が低く、熱を外部に流出させず、熱効率が最も高い。
【0055】
請求項6の構成によれば、断熱空間層が減圧された気体層であるので、真空であり、最も断熱性が高い。また、熱を外部に流出させず、熱効率が最も高い。断熱空間層が気体の場合に比べ、加熱時の気体の膨張による圧力増加が発生せず、安定した断熱が得られる。断熱性に関しては、空気であれば0.1Pa以下が好ましいことが魔法瓶などの事例で知られている。
【0056】
請求項7の構成によれば、断熱空間層が排気される空気層であるので、対流熱を排出するため、断熱性は真空と同等に高い。また、熱量を外部に排出するため熱効率はやや悪くなるが、外部との気圧差がなく、万一衝撃が加わった場合でも破損の可能性が低い。
【0057】
請求項8の構成によれば、断熱空間層が熱源を内包しているので、最も小型で断熱による安全性を達成できる。また、配光分布の異なる二本の熱源の内包も可能である。
【0058】
請求項9の構成によれば、熱源からの輻射を被加熱体側へ反射させる反射手段が設けられているので、輻射熱の集中が可能で熱効率が高まる。
請求項10の構成によれば、反射手段が熱源の外面に設けられた反射膜であるので、熱源に最も近い部分で反射するため、大型の反射膜が必ずしも必要でなく、小型化が可能で、熱損失も小さい。
【0059】
請求項11の構成によれば、熱源が、不活性ガスが封入されたガラス管と、前記通電により発光する部材としてフィラメントとを有し、前記ガラス管内には不活性ガスのみが封入され、フィラメントがタングステンからなるので、ハロゲン化合物を含まないヒータ構成のため、点灯比率可変または点灯電圧可変で点灯を行ってもフィラメントの断線が抑制される。
【0060】
請求項12の構成によれば、不活性ガスがキセノン、クリプトンを主成分とするので、ハロゲンサイクルへの依存度を無くし、キセノン、クリプトンのフィラメント蒸発抑制効果により高寿命化が得られる。
【0061】
請求項13の構成によれば、熱源が、タングステンのフィラメントと、キセノン、クリプトンの不活性ガスを主成分に僅かなハロゲン化合物を混入した気体が封入されているので、キセノン、クリプトンのフィラメント蒸発抑制効果と、微量のハロゲン化合物によるハロゲンサイクルとともにフィラメントの断線を抑制できる。
【0062】
請求項14の構成によれば、熱源が、カーボンを主成分とするフィラメントを備えているので、フィラメントにタングステンに比べて蒸発しにくいカーボンを用いることで、寿命が向上し、またカーボンは遠赤外線の放出率が高く、加熱効率も向上できる。
【0063】
請求項15の構成によれば、熱源が定着部材を加熱する定着装置であるので、定着部材が破損などにより一部が熱源側に接触しようとしても、断熱空間層により断熱された発火温度より低い透明性部材で接触が妨げられるため、発火の危険が生じない。輻射熱により定着表面を加熱するため、迅速な昇温が可能となり、画像形成時に瞬時の利用開始が可能となる。
【0064】
請求項16の構成によれば、熱源がベルトを加熱する定着装置であるので、定着部材が破損などにより一部が熱源側に接触しようとしても、断熱空間層により断熱された発火温度より低い透明性部材で接触が妨げられるため、発火の危険が生じない。また、輻射熱により定着部材内面を加熱し、薄い定着部材が熱伝導により昇温するため、迅速な昇温が可能となり、画像形成時に瞬時の利用開始が可能となる。
【0065】
請求項17の構成によれば、熱源がトナーを直接加熱する定着装置であるので、トナーが飛散などにより熱源側に接触しようとしても、断熱空間層により断熱された発火温度より低い透明性部材で接触が妨げられるため、発火の危険が生じない。輻射熱によりトナーを加熱し、迅速な昇温が可能となり、安定した画像形成が可能となる。
【0066】
請求項18の構成によれば、熱源が記録媒体を加熱する定着装置であるので、紙が熱源側に接触しようとしても、断熱空間層により断熱された紙発火温度より低い透明性部材で接触が妨げられるため、発火の危険が生じない。輻射熱により紙表面を加熱するため、迅速な昇温が可能となる。
【0067】
請求項19の構成によれば、熱源が定着部材または定着ベルトを有する定着ユニットと別々に交換可能なユニットとして構成されているので、高寿命な加熱体と、加熱とトナー固着などにより交換が必要となる二次転写定着部材(加圧部材一体も含む)を別々に交換可能なためランニングコストを低減できる。
【0068】
請求項20の構成によれば、通電による発熱するフィラメントを少なくとも不活性ガスを含む封入気体とともにガラス管内に封入し、該ガラス管が大径のガラス管内に封入され、前記ガラス管と大径ガラス管の間に低圧気体の断熱層が設けられているので、高寿命で熱効率のよい熱源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す定着装置の概略構成図である。
【図2】その定着装置に設けられる発電手段の回路構造図である。
【図3】本発明の他の実施形態を示す定着装置の概略構成図である。
【図4】本発明のさらに他の実施形態を示す定着装置の概略構成図である。
【図5】本発明のさらにまた他の実施形態を示す定着装置の概略構成図である。
【図6】本発明のさらにまた他の実施形態を示す定着装置の概略構成図である。
【図7】本発明の熱源の実施形態を示す説明図である。
【図8】本発明の熱源の他の実施形態を示す説明図である。
【図9】本発明の熱源のさらに他の実施形態を示す説明図である。
【図10】(a),(b)は本発明の熱源のさらにまた他の実施形態を示す側面及び正面説明図である。
【図11】図10の示す熱源の変形例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
1,30 定着ローラ
2 加圧ローラ
10 熱源
13 反射板
14 断熱空間層
15 ガラス板
16 ガラス管
40 定着ベルト[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image forming apparatus having a fixing device and a heat source.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a fixing device used in an image forming apparatus, a fixing device that directly fixes by heating from a heat source whose temperature rises rapidly is known. In such a fixing device, contact heating in which a heat source is in contact is also conceivable. However, non-contact heating using a radiant heat source is effective in consideration of long-term stability such as contamination of the heat source and contamination of an object to be heated.
[0003]
However, non-contact heating with a radiant heat source has a fundamental disadvantage of poor thermal efficiency. That is, since radiant heating is non-contact, there is a space between the heat source and the object to be heated, and to heat the moving object to be heated, the space must have an inlet and an outlet for the moving object. The convection heat due to the high temperature of the radiant heat source is released to the outside from these open portions, and the heating efficiency is deteriorated.
[0004]
In addition, as a member / part of the object to be heated by direct heating,
1. Heat the surface of the paper.
2. The surface of the heat-insulating fixing member is heated.
3. A flexible fixing member such as a belt is heated.
4. Heat toner and ink.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the
[0006]
The first point is heating without temperature unevenness.
When the lighting of the heat source is not continuous, unless the lighting interval is sufficiently small with respect to the heating time (heating width / moving speed of the object to be heated), striped temperature unevenness in a direction perpendicular to the moving direction occurs. .
[0007]
In the case of continuous lighting, unless the irradiation power itself is variable, the temperature of the object to be heated will not be constant due to a change in the temperature of the surrounding members, causing temperature unevenness.
The second point is to avoid ignition and smoking of the object to be heated.
[0008]
Ignition of the object to be heated occurs when it comes into contact with a heat source. Since the energy from the radiant heat source is transmitted to the object to be heated with a difference of the fourth power of the absolute temperature, the radiant heat source has a very high temperature of at least 1000 ° C. Therefore, when an object to be heated such as an organic substance or a peripheral member comes into contact with a heat source due to some abnormality, it is easily ignited.
[0009]
Further, ignition of the object to be heated occurs when the object to be heated is stopped. Only when the input energy of the radiant heat source is large, this is the case where the heating time of the heated object can only be shortened, but because the temperature rises instantaneously while moving, if the heated object stops due to some abnormality, Because it receives radiant energy for a long time, it becomes high temperature and leads to ignition.
[0010]
Due to such a problem, a fixing device using a direct radiant heat source has not been adopted in recent image forming apparatuses due to danger such as ignition.
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and even in a fixing device using a direct radiant heat source, suppresses heat loss due to convection generated due to high temperature and has good thermal efficiency, and in addition to ignition, etc. An object of the present invention is to provide an image forming apparatus and a heat source that can ensure sufficient safety.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides an image forming apparatus having a fixing device that heats an object to be heated, which is a member containing an organic substance having a low thermal conductivity and moved by a heat source having a member that emits light when energized. The heat source is turned on with a variable lighting ratio or a variable lighting voltage, and a heat insulating space layer and a transparent member forming the heat insulating space layer are provided between the heat source and the object to be heated.
[0012]
In addition, the present invention is effective when an energization control unit that shuts off the lighting of the heat source substantially in synchronization with the stop of the object to be heated is provided.
Further, the present invention is effective when the heat insulating space layer is at least a substantially sealed air layer at atmospheric pressure.
[0013]
Furthermore, the present invention is effective when the heat insulating space layer is a closed gas layer.
Furthermore, the present invention is effective when the gas layer is filled with a gas mainly containing argon, krypton, and xenon.
[0014]
Furthermore, the present invention is effective when the heat-insulating space layer is a depressurized gas layer.
Furthermore, the present invention is effective when the heat insulating space layer is an air layer to be exhausted.
[0015]
Furthermore, the present invention is effective when the heat insulation space layer includes the heat source.
Still further, the present invention is effective when a reflecting means for reflecting the radiation from the heat source toward the object to be heated is provided.
[0016]
Furthermore, the present invention is effective when the reflection means is a reflection film provided on the outer surface of the heat source.
Furthermore, the present invention is effective when the reflection film contains gold as a main component.
Still further, according to the present invention, the heat source includes a glass tube filled with an inert gas, and a filament as a member that emits light when energized, wherein only the inert gas is filled in the glass tube, Is effective if it is made of tungsten.
[0017]
Furthermore, the present invention is effective when the inert gas contains xenon and krypton as main components.
Still further, according to the present invention, the heat source has a glass tube filled with an inert gas, and a filament made of tungsten as a member that emits light when energized. The inert gas contains xenon and krypton as main components. It is effective if a gas containing a small amount of a halogen compound is sealed.
[0018]
Still further, the present invention is effective when the heat source includes a filament mainly composed of carbon.
Furthermore, the present invention is effective when the heat source heats the fixing member.
[0019]
Furthermore, the present invention is effective when the heat source heats the belt.
Furthermore, the present invention is effective when the heat source directly heats the toner.
[0020]
Furthermore, the present invention is effective when the heat source heats a recording medium.
Furthermore, the present invention is effective when the heat source is configured as a unit that can be separately replaced with a fixing unit having the fixing member or the fixing belt.
[0021]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a heat source used for a fixing device in an image forming apparatus, in which a filament that generates heat by energization is sealed in a glass tube together with a sealing gas containing at least an inert gas. It is sealed in a glass tube having a diameter, and a heat insulating layer of a low-pressure gas is provided between the glass tube and the large-diameter glass tube.
The present invention is effective when the large-diameter glass tube has a plurality of heat sources sealed therein, and the plurality of heat sources are integrated with a glass tube in which a filament is sealed.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing one embodiment of the present invention.
[0023]
In FIG. 1,
[0024]
A
[0025]
The heat insulating
[0026]
In the fixing device configured as described above, the
[0027]
The heating of the object to be heated by the
[0028]
When the
[0029]
Therefore, in the present embodiment, a power generation unit that generates electric power by using a drive that moves the object to be heated is provided, and the power generation unit is configured to supply power to the
[0030]
With this configuration, if the fixing
[0031]
FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view showing another embodiment of the present invention. In this embodiment, a fixing device for heating a fixing roller from the inside is shown.
In FIG. 3, the object to be heated according to the present embodiment is also a fixing
[0032]
In the fixing device configured as described above, since the
[0033]
FIG. 4 is an explanatory sectional view showing still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the fixing device heats a fixing belt from the inside.
In FIG. 4, a fixing
[0034]
In the fixing device configured as described above, the
[0035]
FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view showing still another embodiment of the present invention. This embodiment is a system for heating toner with a heat source.
In FIG. 5, a
[0036]
In this system, the toner on the
[0037]
FIG. 6 is an explanatory cross-sectional view showing still another embodiment of the present invention. This embodiment is a system for heating toner and paper with a heat source.
In FIG. 6, a fixing
[0038]
Also in the fixing device having such a configuration, the
[0039]
The fixing device has a closed configuration including both ends of the
[0040]
By the way, the heat insulating
[0041]
The present inventor has described the thermal efficiency and safety in the case where the heat insulating
[0042]
As a result, vacuum was the best in terms of thermal efficiency, followed by polymer gas, closed space, open space, and air flow. In terms of safety, vacuum was the best, followed by air flow, polymer gas, open space, and closed space. However, in terms of safety, the heat insulating layer is most easily maintained in the open space in the long term, followed by the air flow, the closed space, the polymer gas, and the vacuum.
[0043]
By the way, the
[0044]
When the efficient arrangement of the reflectors was examined, it was found that by applying a reflective coating on the outer surface of the
[0045]
It is also known that a high-speed printer or the like uses a plurality of heat sources having different orientation distributions of heat generation width in order to maintain temperature uniformity when using paper of various paper widths. Furthermore, it may be required to use heat sources having different wavelengths simultaneously or alternately depending on the properties of the object to be heated. Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 10A and 10B, a plurality of heat sources, for example, a
[0046]
Since the
[0047]
Therefore, by using a heater in which the
[0048]
Further, the
[0049]
Further, the life of the
[0050]
In addition, when the heat source in which the inert gas was sealed or the heat source of the carbonized filament was turned on with a variable lighting ratio or a variable lighting voltage, the life of the halogen heater was about 1000 hours, and the life was greatly extended to 5000 hours. In the configuration using carbon as the filament, the rise was slightly delayed due to the large heat capacity of carbon. However, the thermal efficiency was improved by infrared rays due to a small average power and a low color temperature during continuous paper passing.
[0051]
As described above, since the configuration in which the heat insulating space layer is provided between the
[0052]
【The invention's effect】
According to the configuration of the first aspect, the heat source is turned on with a variable lighting ratio or a variable lighting voltage, and the heat source includes the heat insulating space layer and the transparent member that forms the heat insulating space layer between the heat source and the object to be heated. It is possible to suppress the occurrence of temperature unevenness in the object to be heated due to the long flashing interval of, and to greatly reduce the risk of ignition due to contact with the heat source.
[0053]
According to the configuration of the second aspect, since the power supply control means for limiting the lighting of the heat source only when the object to be heated is moved is provided, the safety is dramatically improved.
According to the configuration of the third aspect, since the heat insulating space layer is at least a substantially closed air layer at atmospheric pressure, good heat insulating properties can be maintained for a long time.
[0054]
According to the configuration of the fourth aspect, since the heat insulating space layer is a sealed gas layer, the gas layer does not easily discharge heat to the outside, so that the thermal efficiency increases.
According to the configuration of claim 5, since the gas layer is filled with a gas containing argon, krypton, and xenon as main components, the kinematic viscosity is the highest among inert gas molecules (excluding the radioactive element radon) having high safety. And convection hardly occurs, and the thermal conductivity is low. In terms of thermal conductivity, chlorine, ammonia and the like also have high heat insulating properties, but the above-mentioned gas is suitable in view of the danger of leakage at high temperatures. Therefore, the pressure difference from the outside can be reduced, and even if an impact is applied, the possibility of breakage is low, heat does not flow out, and the thermal efficiency is the highest.
[0055]
According to the configuration of the sixth aspect, since the heat insulating space layer is a depressurized gas layer, it is vacuum and has the highest heat insulating property. In addition, heat does not flow out, and the heat efficiency is highest. As compared with the case where the heat insulating space layer is made of gas, pressure increase due to expansion of the gas at the time of heating does not occur, and stable heat insulation can be obtained. Regarding the heat insulating property, it is known in air bottles and the like that the pressure is preferably 0.1 Pa or less in the case of air.
[0056]
According to the configuration of
[0057]
According to the configuration of claim 8, since the heat insulating space layer contains the heat source, the smallest size and safety by heat insulation can be achieved. Also, it is possible to include two heat sources having different light distributions.
[0058]
According to the configuration of the ninth aspect, since the reflecting means for reflecting the radiation from the heat source to the object to be heated is provided, the radiant heat can be concentrated and the thermal efficiency is increased.
According to the configuration of
[0059]
According to the configuration of
[0060]
According to the twelfth aspect of the invention, since the inert gas contains xenon and krypton as main components, the dependency on the halogen cycle is eliminated, and a long life can be obtained by the effect of suppressing the filament evaporation of xenon and krypton.
[0061]
According to the structure of
[0062]
According to the structure of
[0063]
According to the configuration of the fifteenth aspect, since the heat source is the fixing device that heats the fixing member, even if a part of the fixing member attempts to contact the heat source side due to breakage or the like, it is lower than the ignition temperature insulated by the heat insulating space layer. There is no danger of fire because the transparent member prevents contact. Since the fixing surface is heated by the radiant heat, the temperature can be quickly raised, and the use of the image can be started immediately at the time of image formation.
[0064]
According to the configuration of
[0065]
According to the configuration of claim 17, since the heat source is a fixing device that directly heats the toner, even if the toner tries to come into contact with the heat source due to scattering or the like, a transparent member lower than the ignition temperature insulated by the heat insulating space layer is used. There is no danger of fire since contact is prevented. The toner is heated by the radiant heat, so that the temperature can be quickly raised, and stable image formation is possible.
[0066]
According to the configuration of the eighteenth aspect, since the heat source is a fixing device that heats the recording medium, even if paper tries to contact the heat source side, the contact is made with a transparent member lower than the paper ignition temperature insulated by the heat insulating space layer. There is no danger of ignition because it is prevented. Since the paper surface is heated by the radiant heat, the temperature can be quickly raised.
[0067]
According to the nineteenth aspect, the heat source is configured as a separately replaceable unit with the fixing unit having the fixing member or the fixing belt. The running cost can be reduced because the secondary transfer fixing member (including the integral pressing member) can be replaced separately.
[0068]
According to the configuration of claim 20, the filament that generates heat by energization is sealed in a glass tube together with a sealing gas containing at least an inert gas, and the glass tube is sealed in a large-diameter glass tube. Since the heat-insulating layer of the low-pressure gas is provided between the tubes, it is possible to provide a heat source having a long life and high thermal efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fixing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of a power generation unit provided in the fixing device.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fixing device showing another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fixing device showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fixing device showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a fixing device showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an embodiment of the heat source of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory view showing another embodiment of the heat source of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory view showing still another embodiment of the heat source of the present invention.
FIGS. 10 (a) and (b) are side and front explanatory views showing still another embodiment of the heat source of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory sectional view showing a modification of the heat source shown in FIG. 10;
[Explanation of symbols]
1,30 fixing roller
2 Pressure roller
10. Heat source
13 Reflector
14 Thermal insulation space layer
15 Glass plate
16 Glass tube
40 Fixing belt
Claims (22)
前記熱源を点灯比率可変または点灯電圧可変で点灯させるとともに、前記熱源と前記被加熱体との間に断熱空間層と該断熱空間層を形成する透明部材と有することを特徴とする画像形成装置。An image forming apparatus having a fixing device that heats an object to be heated, which is a member containing an organic substance having a low thermal conductivity and moved by a heat source having a member that emits light when energized,
An image forming apparatus, wherein the heat source is turned on with a variable lighting ratio or a variable lighting voltage, and further comprising a heat insulating space layer between the heat source and the object to be heated and a transparent member forming the heat insulating space layer.
通電による発熱するフィラメントを少なくとも不活性ガスを含む封入気体とともにガラス管内に封入し、該ガラス管が大径のガラス管内に封入され、前記ガラス管と大径ガラス管の間に低圧気体の断熱層が設けられていることを特徴とする熱源。In a heat source used for a fixing device in an image forming apparatus,
A filament that generates heat by energization is sealed in a glass tube together with a sealing gas containing at least an inert gas, and the glass tube is sealed in a large-diameter glass tube, and a heat-insulating layer of a low-pressure gas is provided between the glass tube and the large-diameter glass tube. The heat source characterized in that a heat source is provided.
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