JP2005258042A

JP2005258042A - 定着装置

Info

Publication number: JP2005258042A
Application number: JP2004069111A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hara; 謙治原; Noriyuki Miyoshi; 則行三好
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】温度制御の高速化が可能であると共に、温度制御の不安定性に起因する悪影響を防止し、定着安定性に優れた定着装置を提供する。
【解決手段】加圧ロールと互いに圧接しながら回転する略円筒形状の加熱ロールと、該加熱ロールの内部に収容された発熱部材と、該加熱ロール外周側面上に設けられた温度検知素子とを備えた定着装置において、前記発熱部材は該加熱ロール軸方向に並んで配置された多数の発熱セグメントと、該発熱セグメント間の分割部とを有し、前記発熱部材が、該加熱ロールの外周側面に、該発熱セグメントに対応する山部、及び、該分割部に対応する谷部を有する配熱分布を形成せしめ、前記温度検知素子は前記山部が形成される位置の温度を検知するように設けられたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、発熱部材を内部に収容する加熱ロールと温度検知素子とを備えた定着装置に関する。

特開昭６２−２６４０８４号公報

電子写真方式を採用した複写機等の画像形成装置では、一般に、記録紙に転写されたトナー像を定着させるために加熱加圧式定着装置が設けられている。この種の定着装置は、互いに圧接しながら回転する加熱ロールと加圧ロールとを備え、未定着トナー像が形成された記録紙をこれらロール間に挿通させて未定着トナー像の定着を行うように構成されている。

このようなロールタイプの加熱加圧式定着装置においては、通常、加熱ロールの表面温度を検知する温度検知素子を設けて、定着温度が一定になるように加熱ロールの加熱源を温度制御し、定着条件を均一に保つようにする手法が採用される。

特許文献１には、定着の立ち上がり時間を短縮すること、及び、正確な温度制御を可能にする目的で、加熱ロールの外周側面のうち、立ちあがり時の最高温度部に温度検知素子を設置した定着装置が開示されている。

しかしながら、加熱ロール外周側面の温度は、発熱ランプの点灯本数や走行する用紙サイズの違い等により、時々刻々変化するものであって、立ち上がり時の最高温度位置が、必ずしも、常に、加熱ロール外周側面の最高温度位置とは云えない。すなわち、立ち上がり時の最高温度位置が、必ずしも温度検知素子を設置するに際して最も好ましい位置とは云えない。

さらに、昨今の省電力化の要請、復帰時間短縮化対応のため、加熱ロールの薄肉化が要請されている。特に、芯材が肉厚０．５mm以下に薄肉化した鉄系金属の加熱ロールの場合、省電力化が図られるものの、ロール軸方向での熱伝導が悪く、温度制御の不安定性に起因して、オーバーシュートによるホットオフセット、安全の為の通電時間制限のためのタイマー値のバラツキ、ロール軸方向配熱分布のバラツキによる定着不良等種々の障害があった。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、温度制御の高速化が可能であると共に、温度制御の不安定性に起因する悪影響を防止し、安定性に優れた定着装置を提供することにある。

なお、発熱部材（例えば発熱ランプ）の固定には、通常、その発熱部材の熱膨張や寸法公差を考慮して、加熱ロールの軸方向に約３ｍｍ程度の「ガタ」が設けられる。

また、加熱ロールの外周側面が所定の配熱分布をもつように、発熱部材内の複数の発熱セグメントは加熱ロールの軸方向に並んで配置されているが、加熱ロールが薄肉の芯材からなる場合、加熱ロール表面の配熱分布は巨視的にはなめらかであるが、微視的には、多数の発熱セグメントとそれらの間の分割部に対応してバラツキが生じている。

本発明者等は、鋭意検討の結果、上記の微視的な配熱分布のバラツキのため、発熱部材の位置が極わずかずれただけで、温度検知素子が検知する温度にバラツキを生じ、加熱ロールの温度制御に悪影響を及ぼしていることを見出した。そして、この問題を防ぐためには、それらの発熱セグメントと温度検知素子との位置関係を工夫することによって、「ガタ」の範囲内で温度検知素子の測定部位と発熱セグメントとの位置関係がずれても、加熱ロールの温度制御の悪影響を防止できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、加圧ロールと互いに圧接しながら回転する略円筒形状の加熱ロールと、該加熱ロールの内部に収容された発熱部材と、該加熱ロール外周側面上に設けられた温度検知素子とを備えた定着装置において、
前記発熱部材は該加熱ロール軸方向に並んで配置された多数の発熱セグメントと、該発熱セグメント間の分割部とを有し、前記発熱部材が、該加熱ロールの外周側面に、該発熱セグメントに対応する山部、及び、該分割部に対応する谷部を有する配熱分布を形成せしめ、前記温度検知素子は前記山部が形成される位置の温度を検知するように設けられたことを特徴とする定着装置である。

請求項２に記載の発明は、前記多数の発熱セグメントがそれぞれサポート部材によって該発熱部材に固定され、前記発熱部材が前記配熱分布に該サポート部材に対応する窪み部を形成せしめ、前記温度検知素子は前記窪み部を避けるように設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の定着装置であり、
請求項３に記載の発明は、前記加熱ロールが前記発熱部材を複数並列に収容し、前記温度検知素子は、それぞれの発熱部材の発熱セグメントが重複する位置に設けられたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の定着装置であり、
請求項４に記載の発明は、前記発熱部材が、該加熱ロール軸方向に並んで配置された多数の発熱セグメントと、該発熱セグメント間の分割部とを有する発熱ランプであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の定着装置である。

また、請求項５に記載の発明は、前記加熱ロールの芯材は、肉厚０．５mm以下の鉄系金属で形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の定着装置である。

本願明細書において、「加熱ロール外周側面上」とは、略円筒形状の加熱ロールの外側の側面に接した位置、又は、その近傍の位置であって温度検知素子がその側面に接した位置の温度を正確に測定することのできる位置を云う。

「加熱ロール外周側面上の発熱セグメントに対応した位置」とは、発熱セグメントと交わり加熱ロールの軸方向と垂直な面を想定し、その面が加熱ロール外周側面上で交わる位置を云う。

「加熱ロール外周側面上のサポート部材に対応した位置」とは、サポート部材と交わり加熱ロールの軸方向と垂直な面を想定し、その面が加熱ロール外周側面上で交わる位置を云う。

「加熱ロール外周側面上のセグメント間の分割部に対応した位置」とは、セグメント間の分割部と交わり加熱ロールの軸方向と垂直な面を想定し、その面が加熱ロール外周側面上で交わる位置を云う。

「それぞれの発熱部材の発熱セグメントが重複する位置」とは、複数の発熱部材のうち、一方の発熱部材に収容された発熱セグメントに対応する位置であって、他方の発熱部材に収容された発熱セグメントにも対応する位置を云う。

本発明によれば、温度制御の高速化に際して、オーバーシュート現象を軽減し、温度制御の不安定性に起因する悪影響を防止し、安定した定着性の確保ができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明に係る定着装置３０を含む画像形成装置１の概略構成について、図１を参照して説明する。

図１は、本発明の定着装置３０を適用した画像形成装置１の一例を示す概略構成図である。図１中の一点鎖線は、記録シートＰの搬送経路を示す。この画像形成装置１は、図１に示すように、矢印方向に回転する潜像担持体としての感光体ドラム１４が帯電装置１６により一様に帯電され、その帯電された感光体ドラム１４の表面に、像露光装置１３から所定の画像情報（複写機であれば原稿の読み取り画像、プリンタであれば外部機器から入力される入力画像）に応じた光像が露光されて静電潜像が形成された後、その静電潜像が現像装置１５から供給される現像剤により現像されることにより、感光体ドラム１４上にトナー像が形成されるようになっている。

次いで、このトナー像の形成プロセスに合わせて、給紙トレイ２６から記録シートＰが感光体ドラム１４と転写装置２５との間の転写部に給送され、この給送された記録シートＰに感光体ドラム１４上のトナー像が静電転写されるようになっている。この際、記録シートＰは、給紙トレイ２６から搬送ロール２７により送り出された後、レジロール２９により所定のタイミングで前記転写部に送り込まれる。転写後の感光体ドラム１４は、クリーニング装置１７によりそのドラム表面に付着する残留トナー等が除去されて清掃される。

そして、転写後の記録シートＰは、直接感光体ドラム１４からトナー像が転写された後、定着装置３０に送りこまれ、その定着装置３０により記録シート上に転写されたトナー像が定着されると、搬送ロール２８によりシート排出口から排出される。以上の動作を繰り返すことにより、基本的な画像形成が行われる。

定着装置３０は、互いに圧接しながら回転する加熱ロール３１及び加圧ロールを備えて、記録シート上のトナー画像を加熱圧着して定着するように構成されている。定着装置３０は、略円筒形上の加熱ロール３１と、該加熱ロール３１の内部に収容された発熱ランプ（発熱部材）５２と、該加熱ロール３１の外周側面上に設けられた温度検知素子５３と、温度検知素子５３から該加熱ロール３１の表面温度情報を受けて、発熱部材５２への通電を制御する温度制御手段とを備える。そして、フリッカー対応のため位相制御、波数制御等を使用して温度制御を行っている。

次に、本実施の形態に係る定着装置３０の構成を、図２を参照して説明する。

図２は、この定着装置３０のうち、略円筒形状の加熱ロール３１と、この加熱ロール３１の内部に収容された発熱ランプ５２と、この加熱ロール３１の外周側面上に設けられた温度検知素子５３との、それぞれの位置関係を示す要部断面概略図である。図２中の一点鎖線は、発熱セグメント５２ａと交わり、加熱ロールの軸方向と垂直な面を表す。また、その面は加熱ロール外周側面上で、温度検知素子５３とも交わっている。

加熱ロール３１の外径は約２５mmである。加熱ロール３１の芯材として鉄系金属を用いているが、構造用炭素鋼や高張力鋼が好適である。加熱ロール３１の肉厚が約０．４mmの薄肉になっており、熱容量が小さく、省電力性に優れ、一定時間で速やかに所定の温度に上昇させることができる。

加熱ロール３１の内部に収容された発熱ランプ５２には、ガラス管に収容されるフィラメントをコイル状に形成した多数の発熱セグメント５２ａ（発熱部）と、前記コイルを飛ばし巻きにすることで多数の分割部（非発熱部）５２ｃとが形成され、発熱セグメント５２ａの長さ及び分割部５２ｃの長さは、加熱ロール軸方向の巨視的温度分布が所望の分布になるように設定されている。又、発熱セグメント５２ａはガラス管内面に接触しないようにサポート部材によって固定されている。

図３に示す如く、この発熱セグメント５２ａ及び分割部５２ｃのフィラメントの配列によって、加熱ロール３１の外周側面に、加熱ロール軸方向に対して図３下に示すような発熱ランプ５２の配熱分布が形成されている。この配熱分布には、発熱セグメント５２ａに対応した山部と、分割部５２ｃに対応した谷部とが交互にある。温度検知素子５３が加熱ロール外周側面上の発熱セグメント５２ａに対応した位置であって、発熱分布が略均一な山部に設けられているので、温度の立ち上がりを早く検出することができ、温度制御の高速化に対応可能で、かつ、オーバーシュート現象を軽減し、温度制御の不安定性に起因する悪影響を防止し、安定した定着性の確保ができる。

また、それぞれの山部の略中央には、サポート部材５２ｂに対応した窪み部がある。そして、温度検知素子５３が、配熱分布のより均一な、配熱分布の山部のうち窪み部を避けた位置に設けられているので、温度制御の再現性を更に優れたものにすることができる。

ここで、配熱分布の微視的な様子の詳細を明らかにする目的で、温度検知素子５３の位置を変化させたときの、検知温度の変化を調べた実験について説明する。

図４は、図３における円IIで囲まれた部分について、温度検知素子５３の位置を変化させた様子を拡大して示すものである。図４に示す如く、温度検知素子５３を加熱ロール３１の外周側面に沿って発熱セグメント５２ａの軸方向の中心に対応する位置（Ｘ＝０mm）から、発熱セグメント５２ａ間の分割部５２ｃの中心に対応する位置（Ｘ＝４０mm）まで移動させて、それぞれの位置で次に説明する温度測定実験をおこなった。

図５のグラフに示す如く、室温（Ｔ_A）から定着装置３０を開始し（Ａ）、フリッカー対応の為、位相制御、波数制御等を使用して、約２１０℃の所定温度まで、約３０秒以内の短時間に、且つ一定時間で上昇させるようにして実験をおこなった。ウォームアップ状態の時は、発熱ランプ５２に1000Wの電力を供給し、温度検知素子５３が160℃を検知したときに、加熱ロール３１及び加圧ロールの空回転を始める。この空回転は加熱ロール円周方向の温度ムラを解消させる為である。空回転が15秒間経過した時の温度(Ｔ_B)を測定し、空回転を止める。ここで、定着装置３０がウォームアップを完了（Ｂ）して、待機状態へ遷移する。待機状態時は発熱ランプ５２に240Wの電力を供給し、待機状態への遷移時から２０秒後（Ｃ）の温度(Ｔ_C)を測定した。センサー位置（Ｘ）が０〜４０mmまでの結果を、表１に示す。また、センサー位置（Ｘ）に対する温度Ｔ_B及びＴ_Cをグラフ化して、図６に示す。

図６から分かるように、図３に示された発熱ランプ５２の配熱分布の詳細として、発熱セグメント５２ａに対応する山部は高く、また、発熱セグメント５２ａ間の分割部５２ｃに対応する谷部は深い。すなわち、加熱ロール外周側面上の発熱セグメント５２ａに対応した位置の温度は高く、それからはずれて、加熱ロール外周側面上のセグメント間の分割部５２ｃに対応した位置の温度はそれに比べて低い。更に、この大きな山部の中の、加熱ロール外周側面上のサポート部材５２ｂに対応した位置に、温度の窪み部がある。

センサー位置がＸ＝１５〜２５mmの範囲、及び、対称性からＸ＝−５〜＋５mmの範囲は、山部が形成された位置であって窪み部を避けた位置であり、Ｘ＝３０〜４０mmの範囲は、谷部が形成された位置であると云える。また、Ｘ＝１５〜２５mmの範囲における、待機状態遷移20秒後の、センサー位置に対する温度のムラは０．５℃程度であるが、Ｘ＝３０〜４０mmの範囲における、同じ温度のムラは５℃程度である。Ｘ＝１５〜２５mmの範囲、即ち、山部が形成された位置であって窪み部を避けた位置に温度検知素子５３を設けることによって、その位置は比較的温度が高いので温度の立ち上がりを早く検出することができ、温度制御の高速化が可能であると共に、かつ温度のムラが小さいので、適正な温度制御が可能となる。一方、Ｘ＝３０〜４０mmの範囲の位置に温度検知素子５３を設けた場合、温度制御のズレが生じ易い。又、サポート部材５２ｂに対応した位置（Ｘ＝１０）付近に温度検知素子５３を設けた場合も同様に温度制御のズレが生じ易い。

本実施例の定着装置３０では、加熱ロールの軸方向に、発熱部材の熱膨張や寸法公差を考慮して「ガタ」が設けられているが、温度検知素子５３が、発熱ランプ５２の配熱分布のうち、微視的に略均一な位置に設けられているので、温度検知素子５３の測定部位と発熱セグメント５２ａとの位置関係が「ガタ」の範囲内でずれても、加熱ロール３１の温度制御の悪影響を防止し、薄肉の加熱ロール３１を用いることで立ち上がりの時間を短縮できると共に、過昇温を軽減し、ホットオフセット等によるディフェクトの発生を防止することができた。

ウォームアップタイムの観点からも温度検知素子５３をＸ＝１５〜２５mmの範囲、すなわち、山部が形成された位置であって窪み部を避けた位置に設けることで、温度制御の安定性を確保できる。また、本実験結果から温度検知素子５３をＸ＝２０mm付近、即ち、配熱分布の山部のうち窪み部を避けた領域の中央付近に設けることで、定着装置３０の製品間バラツキを吸収できることが分かった。

発熱部材５２への通電を制御する温度制御手段が位相制御、波数制御等により、通常のフル通電時より供給電力を削減して制御する場合や、発熱部材５２自体の電力が極めて低い場合、及び熱伝導の悪い鉄系金属からなる薄肉の加熱ロール３１を使用した場合には、発熱セグメント５２ａと温度検知素子５３との位置関係の規制の影響は大きい。

本発明に係る他の実施の形態の例を、図７を参照して説明する。

この実施の形態の定着装置３０では、図７に示すように、加熱ロール３１の内部に複数の発熱ランプ（５２Ａ及び５２Ｂ）を並列に収容し、それぞれの発熱ランプ（５２Ａ又は５２Ｂ）は、実施例１で説明したと同様に、加熱ロール軸方向に並んで配置された多数のコイル状発熱セグメント５２ａを収容し、それぞれのコイル状発熱セグメント５２ａが、フィラメントによって繋がれている。複数のコイル状発熱セグメント５２ａはそれぞれの略中央の位置でサポート部材５２ｂによって発熱ランプ（５２Ａ又は５２Ｂ）に固定されている。

また、実施例１と同様、加熱ロール３１の芯材として鉄系金属を用い、加熱ロール３１の肉厚も約０．４mmで薄肉である。

少なくとも一方の発熱ランプ（５２Ａ）は、内部に収容する複数のコイル状発熱セグメント５２ａのそれぞれの長さが必ずしも均一ではない。したがって、それぞれのコイル状発熱セグメント５２ａが重複する位置は、加熱ロール３１の外周側面のうち極わずかである。

複数のコイル状発熱セグメント５２ａは、それぞれの中央付近で、サポート部材５２ｂによって発熱ランプ（５２Ａ又は５２Ｂ）に固定されている。本実施の形態の定着装置３０では、加熱ロール外周側面上の、それぞれの発熱セグメント５２ａが重複する位置であって、かつ、加熱ロール外周側面上のサポート部材５２ｂに対応する位置を避けるように、温度検知素子５３が設けられている。

それぞれの発熱ランプ（５２Ａ又は５２Ｂ）は、実施例１と同様に、加熱ロール外周側面に発熱セグメント５２ａに対応する山部、及び、該分割部５２ｃに対応する谷部を有する配熱分布を形成せしめる。そして、温度検知素子５３は、加熱ロール外周側面上の、一方の発熱ランプ５２Ａが形成する発熱セグメント５２ａに対応する山部であって、他方の発熱ランプ５２Ｂが形成する発熱セグメント５２ａに対応する山部に、一方の発熱ランプ５２Ａが形成するサポート部材５２ｂに対応する窪み部を避け、かつ、他方の発熱ランプ５２Ｂが形成するサポート部材５２ｂに対応する窪み部を避けるように設けられている。

温度検知素子５３の配置としてこれらの構成を選択することにより、一方の発熱ランプ５２Ａのみで温度制御する場合のみでなく、他方の発熱ランプ５２Ｂのみで温度制御する場合、両方の発熱ランプ（５２Ａ及び５２Ｂ）を用いて温度制御する場合にも、必要最小限の数の温度検知素子５３で、高速かつ安定した温度制御が可能となった。

図１は、本発明に係る定着装置３０を適用した画像形成装置１の概略図である。図２は、本発明に係る定着装置３０の主要部を示す断面概略図である。図３は、発熱ランプ５２の配熱分布を、加熱ロール３１に収容された発熱セグメント５２ａに対応して示す説明図である。図４は、センサー位置Ｘを示す説明図であって、図３における円IIで囲まれた定着装置３０の部分を拡大して示した断面概略図である。図５は、立ち上がり時の、加熱ロール３１の表面温度上昇を表すグラフである。図６は、センサー位置Ｘに対する加熱ロール３１の表面温度の関係を表すグラフである。図７は、本発明の実施例２に係る定着装置３０の主要部を示す断面概略図である。

符号の説明

１…画像形成装置、１３…像露光装置、１４…感光体ドラム、１５…現像装置、１６…帯電ロール（帯電装置）、１７…クリーニング装置、２５…転写ドラム（転写装置）、２６…給紙トレイ、２７、２８…搬送ロール、２９…レジロール、３０…定着装置、３１：加熱ロール、３２：加圧ロール、５２：発熱ランプ（発熱部材）、５２Ａ：一方の発熱ランプ（発熱部材）、５２Ｂ：他方の発熱ランプ（発熱部材）、５２ａ：コイル状発熱セグメント、５２ｂ：サポート部材、５２ｃ：発熱セグメント間の分割部、５３：温度検知素子

Claims

加圧ロールと互いに圧接しながら回転する略円筒形状の加熱ロールと、該加熱ロールの内部に収容された発熱部材と、該加熱ロール外周側面上に設けられた温度検知素子とを備えた定着装置において、
前記発熱部材は該加熱ロール軸方向に並んで配置された多数の発熱セグメントと、該発熱セグメント間の分割部とを有し、前記発熱部材が、該加熱ロールの外周側面に、該発熱セグメントに対応する山部、及び、該分割部に対応する谷部を有する配熱分布を形成せしめ、前記温度検知素子は前記山部が形成される位置の温度を検知するように設けられたことを特徴とする定着装置。
前記多数の発熱セグメントがそれぞれサポート部材によって該発熱部材に固定され、前記発熱部材が前記配熱分布に該サポート部材に対応する窪み部を形成せしめ、前記温度検知素子は前記窪み部を避けるように設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の定着装置。
前記加熱ロールが前記発熱部材を複数並列に収容し、前記温度検知素子は、それぞれの発熱部材の発熱セグメントが重複する位置に設けられたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の定着装置。
前記発熱部材が、該加熱ロール軸方向に並んで配置された多数の発熱セグメントと、該発熱セグメント間の分割部とを有する発熱ランプであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の定着装置。
前記加熱ロールの芯材は、肉厚０．５mm以下の鉄系金属で形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の定着装置。