JP2005043745A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低熱量化と強度アップの両立がより一層進んだ構造の定着ローラや加圧ローラを有する定着装置を提供すること。
【解決手段】上記課題は、回転されるローラと、該ローラに所定圧力をもって当接される加圧部材とを備え、このローラと加圧部材間にトナー像が転写された転写材を挿通することにより、トナー像を加熱溶融して転写材上に融着する定着装置において、前記ローラの芯金が中空円筒状に形成され、且つ、複数個の穴を有する剛体であることで解決される。又、本発明は、前記ローラの穴明き中空芯金を複数の層から構成し、穴の位置をずらすことにより、強度を稼ぎながら表層の温度ムラを改善するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真複写機、レーザプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置において未定着画像を担持した記録媒体に定着処理を施す定着装置に関するものである。

近年、複写機、レーザプリンタ等のＯＡ機器は、コピーの立ち上がり時間（ウォームアップ時間）の短縮化並びに省エネが求められている。そして、これらの機器のエネルギー消費の１／２強は定着機構で費やされていることから、定着機構での省電力化の要望が特に強い。その要望に応えるためには、コピー待機時間の消費エネルギーを短くすることが有効であり、立ち上がり時間の短い定着装置が好ましい。その対応策の１つとして、薄肉の定着ローラのような熱容量の小さな定着ローラが検討されている。

一般的な定着装置における基本構成を図２に示す。

内部にハロゲンランプ１２Ａ，１２Ｂ等の加熱手段を有する定着ローラ１０は、不図示のバネの押圧作用を受けて加圧ローラ１１と接している。炭素と樹脂から構成されたトナーで形成された画像情報（トナー像）を感光体から転写された記録紙Ｐは、定着ローラと加圧ローラの間にトナー像が定着ローラに接するように挿入される。記録紙Ｐが定着ローラと加圧ローラの間を通過する間に、トナー像を形成するトナーが加熱及び加圧されて溶融し、記録紙Ｐに圧着され、それによりトナー像が記録紙に定着する。

ここで、定着装置の立ち上げの概略について説明する。

定着装置は、前述したように、記録紙上に転写されたトナー像を定着ローラの熱により溶融するため、定着ローラ表面温度は重要である。そのため、通常、定着ローラの表面温度を管理するために定着ローラの表面温度を測定する手段１３を持っている。立ち上げ中はローラ内部の加熱手段によって先ずローラの芯金が加熱され、その後、芯金を被覆している表層が加熱され、前記測定手段によるローラ表面検出温度が所定の温度に達した時点で立ち上げを終了とし、定着可能状態となる。よって、芯金の熱容量が大きいと表層に熱が伝わるまでに時間が掛かるため、ウォームアップが終了するまでに長時間を要してしまう。

又、このような問題は定着ローラ１０だけではなく、加圧ローラ１１にも存在する。連続で記録紙を定着しようとするとき、紙間では定着ローラの蓄熱した熱は加圧ローラ１１に伝わり、定着ローラの温度が下がってしまう。温調制御装置１４は、定着ローラ表面温度を一定に保とうとするため、加熱手段に更に加熱するように指示をする。加圧ローラ１１は或る温度に飽和するまで定着ローラ１０の熱を奪い続ける。よって、加圧ローラ１１の熱容量も小さければ飽和が早まり、加熱手段１２が要するエネルギーも削減することができる。

このような理由で立ち上げ時間の短縮や省エネのために薄肉化を進めていくと、加圧機能を満足するための剛性を満足できなくなる限界肉厚の問題に突き当たる。即ち、図３に示すように加圧力を上げていくと、バネの作用により経時的に定着ローラの径方向に潰れや軸方向に撓みを生じて塑性変形してしまう。すると、回転時に定着ローラと加圧ローラとのニップが変化し、定着性の変化や周速度の変化による画像ブレが生じる。

そこで、特許文献１，２においては、加圧ローラの圧接による変形を少なくすると共に軸方向の温度分布の不均一性を少なくするために、定着ローラの内面に内方向に突出する複数個の突条部をローラ軸方向に沿って又はスパイラル状に延長することが提案された。このようにローラ内面にリブを備えることによって、熱伝導率に優れながら必要な強度を備えた軽量ローラを得ることができ、低熱容量ローラ故に立ち上がり時間を短くでき、コピー待機時の消費エネルギーを少なく抑えることができる。

特開昭５９−１５５８７５号公報 特開平１１−１４９２２６号公報

しかしながら、市場の省エネの要求レベルは益々高くなっており、前述したようなリブを内部に持つ薄肉のローラにおいても、リブ無しのローラで問題となったローラ機能上の剛性を満足できなくなる限界肉厚の問題に突き当たる。

本発明は、このような低熱量化と強度アップの両立がより一層進んだ構造の定着ローラや加圧ローラを有する定着装置を提供することを目的とする。

上記課題は、回転されるローラと、該ローラに所定圧力をもって当接される加圧部材とを備え、このローラと加圧部材間にトナー像が転写された転写材を挿通することにより、トナー像を加熱溶融して転写材上に融着する定着装置において、前記ローラの芯金が中空円筒状に形成され、且つ、複数個の穴を有する剛体であることで解決される。

又、本発明は、前記ローラの穴明き中空芯金を複数の層から構成し、穴の位置をずらすことにより、強度を稼ぎながら表層の温度ムラを改善するようにしたものである。

更に、外側の穴明き中空芯金を内側の穴明き芯金よりも薄く設定すれば、最外部の表層（離型層としてのＰＦＡチューブ等）の温度分布ムラを防ぐことができる。

本発明によれば、回転されるローラと、該ローラに所定圧力をもって当接される加圧ローラ又は加圧ベルトのような加圧部材とを備え、このローラと加圧部材との間にトナー像が転写された転写材を挿通することにより、トナー像を加熱溶融して転写材上に融着する定着装置において、該ローラの芯金が、中空円筒状に形成され、且つ、複数個の穴を有する剛体であり、これを複層にすることによって、従来の薄肉の芯金と比較して、同じ強度を得ようとしたとき芯金に使用する材料が少なくて済み、従って、熱容量も減るため、材料コストの削減、低熱容量化による立ち上げ時間の短縮、消費エネルギーの低減が可能となる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図４は本実施の形態の画像形成装置を好適に示す一例たる複写機の概略構成を示す模式的断面図である。

図４において、画像形成装置の本体の上部には、情報提供源たる原稿３０の画像情報を読み取るための画像読取機構が配置されている。

即ち、プラテンガラス（図示せず）上に画像面を下向きに載置された原稿３０を照射する光源３１の反射光は、ミラー５ａ，５ｂ，５ｃから反射された後、画像読取素子及び制御用のＣＰＵを経て画像変調されたデジタル画像信号となる。

次に、前記デジタル画像信号は、レーザ光３５として潜像担持体たる感光ドラム１の外周面の帯電部位に照射され、前記帯電部位に静電潜像が形成されることとなる。

感光ドラム１は、前記感光ドラム１の上方に配置された一次帯電器３により前記感光ドラム１の外周面が一様に帯電された後、レーザ光３５が照射されることにより、前記外周面の帯電部位に静電潜像が形成され、前記静電潜像は、現像装置４の現像剤たるトナーによりトナー画像として現像されることとなる。

次に、感光ドラム１の外周面に形成されたトナー画像が転写帯電器７により記録媒体Ｐに転写された後、前記記録媒体Ｐが感光ドラム１の外周面から分離され、前記外周面から分離された記録媒体Ｐは、搬送ベルト４５により定着装置９に搬送される。

定着装置９に搬送された記録媒体Ｐは、定着装置９からの熱供給及び圧力付与により定着処理が施された後、排紙トレイ４６上に排出される。

尚、転写処理後における感光ドラム１の外周面はクリーニング装置８により残留物の除去等のクリーニングが施された後、次の静電潜像形成に備えられる。

一方、紙及び合成樹脂等で構成される記録媒体Ｐ（以下、本実施の形態にあっては、記録媒体Ｐが紙で構成される場合について説明するに留める）は、画像形成装置本体の下部にて取り外し自在に配置されたカセット４１，４１から給紙ローラ対４２，４２により選択的に給紙された後、給紙ローラ対４２，４２から記録媒体搬送方向下流側に配置されたレジストローラ対４３へと搬送される。

レジストローラ対４３に搬送された記録媒体Ｐは、感光ドラム１の回転に同期して、感光ドラム１及び転写帯電器７の間に形成された転写空間に搬送され、転写処理及び定着処理が施された後、排紙トレイ４６上に排出される。

次に、本発明に係る定着装置９を図２に基づいて説明する。尚、図２は定着装置９の概略構成を示す模式的断面図である。定着装置全体の機構としては従来と基本的に同じであり、加熱手段を付設した定着ローラ１０とこれに並行に圧接する加圧ローラ１１から成り、これらが回転してそのニップ部Ｎを記録紙Ｐが通過することによって、当該記録紙Ｐ上のトナー像が熱と圧力とで定着される。

定着装置９は、図４に示すように、前記転写空間から記録媒体搬送方向下流側に配置され、図２に示すように、定着体たる回転自在な定着ローラ１０及び加圧体たる回転自在な加圧ローラ１１が加圧機構（図示せず）により互いに圧接されている。

即ち、定着ローラ１０は、記録媒体Ｐにおける未定着のトナー画像Ｔ１の担持面に接しながら回転し、一方、加圧ローラ１１は、前記記録媒体Ｐのトナー画像担持面の反対面に接しながら回転することにより、互いに圧接された定着ローラ１０及び加圧ローラ１１の間のニップ部Ｎを前記記録媒体Ｐが通紙されることとなる。

定着ローラ１０は、円筒状体若しくは略円筒状体であって、アルミニウム等を主成分とする円筒状若しくは略円筒状の芯金２（複層から成り、２Ａ，２Ｂの２層）の外周面にフッ素樹脂等のチューブ４で被覆されており、前記芯金に形成された中空部には、加熱手段たるハロゲンヒータ１２Ａ，１２Ｂが互いに略平行に配置されている。

一方、加圧ローラ１１は、円柱状体若しくは略円柱状体であって、ステンレス等を主成分とする円柱状若しくは略円柱状の芯金（図示せず）の外周面にシリコーンゴム等を主成分とする層厚５ｍｍの弾性層（図示せず）及びフッ素樹脂等を主成分とするチューブ状体が順に積層されている。

又、加圧ローラ１１は、定着装置９の外部に配置された加圧機構（図示せず）により定着ローラ１０へと加圧されると共に、前記外部に配置された駆動機構（図示せず）から駆動力を伝達されて回転駆動されるようになっている。

従って、ニップ部Ｎへの突入を開始した記録媒体Ｐは、定着ローラ１０が加圧ローラ１１の回転に従動することにより、定着ローラ１０及び加圧ローラ１１に狭持され搬送され、ニップ部Ｎを通紙されることとなる。

定着ローラ１０の周囲には、定着処理後における定着ローラ１０の外周面を清掃するためのクリーニング機構ＣＭがニップ部Ｎからローラ回転方向下流側の位置に配置されている。

クリーニング機構ＣＭには、シリコーンオイルが含浸された不織布たるウェブ１７を互いに巻回し張架する巻取ローラ１８，１８及びウェブ１７を定着ローラ１０の外周面に押圧するための押圧ローラ１９が備えられている。

即ち、クリーニング機構ＣＭは、押圧ローラ１９によりウェブ１７を定着ローラ１０の外周面に押圧せしめながら巻取ローラ１８，１８により互いに巻回することにより、定着処理後における前記外周面の残留物除去を行うようになっている。

定着ローラ１０の外周面には、温度検知体たるサーミスタ感温検知素子１３（以下、サーミスタ１３と略称する）が当接して配置されており、サーミスタ１３の温度検知による前記サーミスタ１３からの出力（以下、温度出力と称する）が選択切換手段たる温調制御装置１４にフィードバックされるよう設定されている。

尚、本実施の形態にあっては、サーミスタ１３が定着ローラ１０の外周面に当接して配置されることとしたが、前記サーミスタ１３を前記外周面に近接して配置することにより、前記外周面の温度検知が行われる形態であっても良い。

温調制御装置１４は、定着ローラ１０の外周面が目標温度（定着温調温度）に維持されるようサーミスタ１３からの温度出力に応じてハロゲンヒータ１２の点灯及び消灯の選択及び切り換えを行うと共に、本実施の形態にあっては、画像形成装置の諸装置の制御を統括的に行うよう設定されている。

以下、本発明に関する定着ローラの芯金について詳しく説明する。

図１は本発明の特徴構造を端的に示す定着ローラの概略図である。

定着ローラ１０は、前述したように、芯金とそれを被覆するチューブから成っている。この芯金の単層２Ａは、図５に示すように、軸方向長さ３３０ｍｍ、直径３０ｍｍ、厚み１．０ｍｍで、トナー像を定着する軸方向の範囲である中央３００ｍｍにおいて穴が多数に空けられている。材料体積と、塑性変形限界力の相関を本実施の形態で説明している穴開き芯金の系と、従来の薄肉で比較したものを図６に示す。このように、同じ限界力を求めようとしたとき、穴開き芯金は使用する材料体積が少なくて済むので、材料費を抑えることが可能となる。

又、同じ材料を使用したとき、熱容量は体積に比例する。よって、前述したように同じ応力を求める際に使用する材料体積が小さくて済む穴開き芯金は、芯金が蓄熱するための時間も短くなる。加えて穴が開いているため、芯金を介すことなく表層のチューブを裏側から直接加熱することができる。これにより、図８に示すようにウォームアップ時間は飛躍的に早くなる。

図１に示すように、定着ローラ１０は図５に示す芯金の単層２Ａと、同様な構成を持つ内側の芯金２Ｂ及び最外層の離型層としてのＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテル共重合体）のチューブ４から成る。

本発明者等の実験によると、単層芯金の場合よりも強度が向上し、且つ、表面の熱分布も単層の場合よりも均一化する結果が得られた。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２として、複層の芯金の場合で、表層に近い外側の芯金を、内側の芯金よりも薄くした場合の例を示す（不図示）。即ち、芯金２Ａの厚みが芯金２Ｂの厚みよりも大幅に薄い場合である。

この場合、表層のチューブ４は、或る程度外側の芯金２Ａに当接する場合もあり得る。この場合、表面の温度分布の均一性が改善される結果が得られた。尚、本実施の形態では、芯金２層であるが、多層構造にしても同様である。

＜実施の形態３＞
本実施の形態では、実施の形態１と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。以下、芯金について説明する。

本実施の形態では加圧ローラの芯金について図７に従って説明する。

加圧ローラの芯金単層は、軸方向長さ３２０ｍｍ、直径３０ｍｍ、厚み１．０ｍｍで、トナー像を定着する軸方向の範囲において、一辺１．５ｍｍの正六角形の穴が周方向に２６個、軸方向に８０列に蜂の巣状に互い違いに密に整列しており、網目状になっている。因に、外形、変形量、応力を同じにしたリブ無し薄肉芯金の材料体積と比較すると、約９０％で済む。このように、同じ限界応力を求めようとしたとき、穴開き芯金、特に構造上強いハニカム構造の網目状芯金は使用する材料体積が少なくて済むので、材料費を抑えることが可能となる。

又、加圧ローラの熱容量も小さいため、加圧ローラの芯金が蓄熱するための時間も短くなるので、図９に示すように、定着性確保下限温度、加熱手段への最大供給電力量が同じで、構成として異なるのは加圧ローラの芯金が本実施の形態の系と従来の薄肉の系であるとすると、立ち上げ時間、定着ローラが定着温調温度になるまでの時間が短くなる。これにより、連続定着中に加熱手段に投入するエネルギー（電力）も抑えることができる。又、立ち上げ終了温度を低く設定することができるため、定着装置の耐熱性を比較的容易に高めることができる。

このような芯金単層を２層以上組み合わせた場合、更なる強度アップの効果が得られた。

本発明は、電子写真複写機、レーザプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置において未定着画像を担持した記録媒体に定着処理を施す任意の定着装置に対して適用可能である。

本発明に関する定着ローラの概略断面図である。 図４の定着装置の概略断面図である。 加圧力とつぶれ量の相関図である。 画像形成装置の概略断面図である。 本発明の実施の形態１に関する定着ローラ芯金の概略図である。 本発明の実施の形態２に関する芯金材料体積と塑性変形限界力の相関図である。 本発明の実施の形態２に関する加圧ローラ芯金の概略図である。 定着ローラ芯金の違いによる立ち上がり時間の差を示す図である。 加圧ローラの熱容量の違いによる消費エネルギーの差を示す図である。

符号の説明

１ 感光ドラム
２ 芯金
２Ａ 外側芯金
２Ｂ 内側芯金
３ 一次帯電器
４ 表層チューブ
５ａ ミラー
５ｂ ミラー
５ｃ ミラー
６ 開孔部
７ 転写帯電器
８ クリーニング装置
９ 定着装置
１０ 定着ローラ
１１ 加圧ローラ
１３ サーミスタ
１４ 定着制御装置
１７ ウェブ
１８ 巻取ローラ
１９ 押圧ローラ
３０ 原稿台
３１ 光源
３５ レーザ光
４１ カセット
４２ 給紙ローラ
４３ レジストローラ
４５ 搬送ベルト
４６ 排紙トレイ
１２Ａ メインヒータ
１２Ｂ サブヒータ
ＣＭ クリーニング機構
Ｎ ニップ部
Ｐ 記録媒体

Claims (4)

1. 回転されるローラと、該ローラに所定圧力をもって当接される加圧ローラ又は加圧ベルトのような加圧部材とを備え、このローラと加圧部材との間にトナー像が転写された転写材を挿通することにより、トナー像を加熱溶融して転写材上に融着する定着装置において、
   前記ローラの該芯金を中空の円筒状若しくは略円筒状に形成されて複数個の穴を有する複数の層の剛体で構成したことを特徴とする定着装置。
2. 前記芯金内又は芯金外に加熱手段を持つことを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記複数の層の穴あき芯金において、少なくとも外側の芯金の厚みが内側の芯金の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。
4. 前記ローラは少なくとも剛体からなる芯金と、剛性以外の性質を持つ表層の少なくとも２層以上から成ることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の定着装置。

Images