JP2005292714A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着ロールと無端ベルトの接触領域内での無端ベルトの温度低下を防いで定着ロールへの熱伝導量を増大させることができる定着装置を提供すること。
【解決手段】加熱源を有する定着部材と、定着部材に圧接する加圧部材と、複数のロールによって張架された無端ベルト１１とロール若しくは無端ベルトを加熱する加熱源から成る外部加熱部材１０と、を有し、定着部材と加圧部材との圧接部に未定着トナー像を担持した転写材を通過させることにより、熱及び圧力によって定着処理を行う定着装置において、外部加熱部材の加熱源が輻射熱による熱供給手段であるとともに、加熱源の少なくとも１つが張架ロールの間に設けられており、無端ベルトを直接輻射加熱し、外部加熱部材の温度を検知する手段から得られた結果に応じて外部加熱部材の加熱源を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、未定着トナー像を有する像支持体に定着処理を施す一対の定着部材の少なくとも一方を外部から加熱処理して定着像を形成する電子写真複写機、プリンタ等の電子写真プロセスを利用した画像形成装置の定着装置に関するものである。

従来、電子写真方式を利用した複写機やプリンタ等の画像形成装置においては、潜像形成された感光体上にトナー像を形成し、このトナー像を転写用紙上に転写するか、若しくは中間転写体上に多重転写し、その後、一括して転写用紙上に転写することで、転写用紙上にトナー像を形成し、その後、熱圧定着処理を施すことで画像形成するように構成されている。

従来の最も一般的な定着装置であるロール式定着装置を図７を用いて説明する。

図７において、１は定着ロールで、アルミニウムや鉄等の金属でできた芯金１ａを基層とし、その表面にシリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性の弾性層１ｂを被覆し、更にその表層にフッ素コートやフッ素チューブ等の耐熱性の離型層１ｃを被覆してできている。又、所謂オイル塗布式のロール定着装置においては、離型層１ｃを持たず、弾性層１ｂの表層にシリコーンオイル等の離型剤を塗布する構成を採っているものも多い。定着ロール１は、不図示の駆動装置によって回転制御されるようになっている。２は定着ロール１に内包された加熱源であり、ごく一般的にはハロゲンヒータ等の輻射熱を用いたものが多く採用されている。

３は定着ロール１の表面温度を検知する温度検知手段である接触式のサーミスタである。定着ロール１の加熱源２は、サーミスタ３の検知した結果に基づいて温度制御装置４によって適切な温度になるよう制御される。５は定着ロール１に加圧圧接している加圧ロールであり、芯金５ａの表層に弾性層５ｂ及び離型層５ｃを被覆して形成されている。加圧ロール５は、芯金５ａ内部に加熱源を有するものと有さないものが存在するが、ここでは簡略化のため加熱源を有さないものを紹介する。ここで、定着ロール１と加圧ロール５との加圧圧接部分を定着ニップと呼び、加熱された定着ロール１を回転させることで、加圧ロール５が従動回転し、両ローラを１，５回転させてこの定着ニップ部に未定着トナー像を担持した転写用紙を通過させることで、ニップ内部でトナー像を加圧加熱処理して転写用紙に定着させる。

ここで、全ての電子写真装置の定着装置の熱圧処理の工程において最も問題になるのは、未定着トナー像を担持した転写用紙に対して必要な熱量をどのように確保するか、という点にある。

即ち、転写用紙の進行速度、所謂プロセススピードが速ければ速いほど、又、転写用紙の坪量、即ち体積に対する重量が重ければ重いほど、定着処理に必要な熱量が増大するからである（それ以外にも、画像形成装置の設置温度や湿度等にも影響を受ける）。

ここで、例えば定着ロール１の温度を上昇させることでこの問題に対応しようとすると、定着ロール１表面の温度を上げるために必然的に芯金１ａ、弾性層１ｂの温度を上げなければならない。

しかし、弾性層１ｂは金属に比べ熱伝導率が低いため、弾性層１ｂの厚さに比例して定着ロール１の表層の温度と、定着ロール１の芯金１ａの温度の差が大きくなり、弾性層１ｂと芯金１ａの界面を繋ぐプライマー層が熱的破壊を起こしたり、又、弾性層１ｂ自体のゴム劣化等の問題が発生することで、定着ロール１の耐久性を低下させる原因となる可能性が高くなってしまう。

又、転写用紙上のトナーは或る一定の使用可能な温度域を持っているため、定着ロール１の温度を上げることでは根本的解決にならない場合も多い。

このような問題に対して、特許文献１において開示されているように、定着ロールの表面に外部加熱部材を接触させるように配設し、定着ロール表面を加熱するという解決方法が提示されている。

即ち、図７のようなロール定着装置においては、加熱源２の放射する輻射熱によって先ず基層である芯金１ａが加熱され、芯金１ａの熱が弾性層１ｂ及び離型層１ｃを熱伝導によって移動することで定着ロール１の表面が温度制御されるが、外部加熱方式を用いた定着装置においては、内部からの熱伝導に加えて外部加熱部材からの熱伝導が定着ロール１の表層の温度を制御するようになっているため、定着ロール１の弾性層１ｂや芯金１ｃの厚みに依存することなく、熱の伝導量を増大させることが可能となっている。

又、特許文献２において開示されているように、定着ロールの外部加熱部材が無端状のベルトで形成されていることにより、熱伝導を行う領域の接触面積を増やし、更に熱伝導量を増大させることが可能となっている。このような技術方式を今後ベルト式外部加熱装置と呼ぶ。

特開平１−０５２１８４号公報 特許第３１３９４１６号公報

しかしながら、上記従来のベルト式外部加熱の場合には、次のような問題を有している。即ち、前記特許文献２の提案に係る技術によれば、定着ロールの表面に加熱された無端ベルトを接触させ、外部加熱ニップを形成することで定着ローラの表面温度を温度制御するようになっているものの、外部加熱ニップにおいて熱伝導される熱量は、無端ベルトの熱保持量、即ち熱容量に依存しているため、無端ベルトの熱容量がそもそも小さい場合、熱伝導を行う領域の接触面積が広くても最終的な熱移動量は増大しづらいという問題があった。これに対する解決策として、例えば無端ベルトの熱容量を上げるという方法があるが、これは同時に無端ベルトの温度を外部加熱源によって上昇させづらくなるため、結果として余り熱伝導量の増大に寄与しないという問題があり、又、無端ベルトの熱容量を上げるために厚みを増やすことにより、無端ベルトの製造が困難になるという問題もあった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、定着ロールと無端ベルトの接触領域内での無端ベルトの温度低下を防いで定着ロールへの熱伝導量を増大させることができる定着装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、加熱源を有する定着部材と、前記定着部材に圧接する加圧部材と、複数のロールによって張架された無端ベルトと前記ロール若しくは前記無端ベルトを加熱する加熱源から成る外部加熱部材と、を有し、前記定着部材と加圧部材との圧接部に未定着トナー像を担持した転写材を通過させることにより、熱及び圧力によって定着処理を行う定着装置において、前記外部加熱部材の加熱源が輻射熱による熱供給手段であるとともに、加熱源の少なくとも１つが前記張架ロールの間に設けられており、無端ベルトを直接輻射加熱し、外部加熱部材の温度を検知する手段から得られた結果に応じて前記外部加熱部材の加熱源を制御することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記外部加熱部材の加熱源の少なくとも１つ以上が張架ロール内に設けられ、少なくとも１つ以上が張架ロール外且つ無端ベルト内に設けられていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記外部加熱部材の温度を検知する手段が、加熱源を内包する張架ロールに接しているか、若しくは加熱源を内包する張架ロールに巻き付けられた無端ベルトに接していることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記外部加熱部材の温度を検知する手段が、定着ロールと無端ベルトを介して接する複数の張架ロールのうち、無端ベルトの回転方向下流側の張架ロールに接しているか、若しくは張架ロールに巻き付けられた無端ベルトに接していることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記無端ベルトが金属ベルトであることを特徴とする。

本発明によれば、外部加熱部材の加熱源が輻射熱による熱供給手段であるとともに、加熱源の少なくとも１つが前記張架ロールの間に設けられており、無端ベルトを直接輻射加熱し、外部加熱部材の温度を検知する手段から得られた結果に応じて前記外部加熱部材の加熱源を制御することにより、定着ロールと無端ベルトの接触領域内での無端ベルトの温度低下を防止することが可能な定着装置を提供することができる。

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。

図１は本発明に係る定着装置の一実施の形態を示す構成図である。

図１において、１は定着ロールであり、アルミニウムや鉄等の金属でできた芯金１ａを基層とし、その表面にシリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性の弾性層１ｂを被覆し、更にその表層にフッ素コートやフッ素チューブ等の耐熱性の離型層１ｃを被覆してできている。定着ロール１は、不図示の駆動装置によって回転制御されるようになっている。２は定着ロール１に内包されたハロゲンヒータ等の加熱源である。３は定着ロール１の表面温度を検知する温度検知手段である接触式のサーミスタである。加熱源２はサーミスタ３の検知した結果に基づいて温度制御装置４によって制御され、或る一定の温度になるように制御される。サーミスタ３は、定着ロール１の表面温度を正確に検知できるものであれば、例えば赤外線検知型の非接触サーミスタであっても良い。

５は定着ロール１に加圧圧接している加圧ロールであり、定着ロール１と同様に芯金５ａの表層に弾性層５ｂ及び離型層５ｃを被覆して形成されている。加圧ロール５は、芯金５ａ内部に加熱源を有するものであっても、有さないものであっても良いが、本実施の形態では簡略化のため加熱源を有さないものを紹介する。

又、本実施の形態において加圧部材５はロールタイプのものであるが、定着ロール１に圧接して定着ニップを形成できるものであれば、無端ベルトを用いたベルト式加圧部材であっても良い。

１０は定着ロール１の表面に接触する外部加熱ユニットである。外部加熱ユニット１０は、無端ベルト１１と、該無端ベルト１１を張架する２つのロール１２，１３とから構成されている。無端ベルト１１の材質は、本実施の形態ではステンレス製の厚さ５０μｍの無端ベルトを採用しているが、高耐熱性及び可撓性を持つ材質であれば、ポリイミドやポリアミドイミド等の耐熱性樹脂であっても良く、ステンレス以外のニッケル真鍮等の金属であっても良い。

２つの張架ロール１２，１３は、無端ベルトを定着ロール１に接触させるため所定のニップ幅に亘って一定の圧で圧接するように配置されており、無端ベルト１１の回転方向上流側が張架ロール１２、下流側が張架ロール１３となっている。張架ロール１２，１３は厚さ１ｍｍ、直径２０ｍｍのステンレス鋼製である。本実施の形態では、外部加熱ユニット１０によって形成される外部加熱ニップは約５０ｍｍである。

１４ａ及び１４ｂは外部加熱ユニット１０の輻射加熱式の加熱源であるハロゲンヒータであり、外部加熱ヒータ１４ａは、無端ベルト１１の内部で且つ張架ロール１２，１３の外部に配置されており、外部加熱ヒータ１４ｂは張架ロール１２の内部に配置されている。１５ａは無端ベルト１１の表面温度を検知するサーミスタであり、外部加熱ニップ領域内の無端ベルト１１の内側面の或る位置を検知するように設置されている。ここで、ベルトサーミスタ１５ａは、外部加熱ニップの中でも回転方向下流側である張架ロール１３の近傍に設けられている方がより望ましい。１５ｂは張架ロール１２の表面温度を検知するサーミスタである。

ベルトサーミスタ１５ａ及び１５ｂの検知結果に基づき、温度制御装置４によって外部加熱ヒータ１４ａ及び１５ｂが制御され、外部加熱ユニットの表面温度が或る所定の温度になるように制御され、更に外部加熱ニップでの熱伝導によって定着ロール１の表面温度が制御される。

以上の構成において、この実施の形態に係る定着装置では、次のようにして、定着ロール１を外部加熱ユニット１０によって加熱することにより、定着ロール１の温度低下を効果的に防止することができるのは勿論のこと、定着ロール１の温度低下を応答性良く補償することが可能となっている。

即ち、上記定着装置においては、画像形成装置の電源が投入されると、定着ロール１が回転駆動すると共に、温度制御装置４が定着ロール１の表面温度をサーミスタ３によって検知し、ウォームアップ目標温度Ｔ１（例えば１５０℃）以下であれば定着ロール１内の加熱源２を点灯し、Ｔ１以上であれば消灯することで、ウォームアップ目標温度Ｔ１になるように定着ロール１の温度制御を行う。

又、外部加熱ユニット１０の温度制御は、定着ロール１に従動して回転する無端ベルト１１に設けられた２つのサーミスタであるベルトサーミスタ１５ａと張架ロールサーミスタ１５ｂの検知結果を持って行い、ベルトサーミスタ１５ａのウォームアップ目標温度をＴ２（例えば１８０℃）、張架ロールサーミスタ１５ｂのウォームアップ目標温度をＴ３（例えば１８０℃）としたときに、温度制御装置４はベルトサーミスタ１５ａの検知結果に応じて外部加熱ヒータ１４ａのオンオフ制御を行い、張架ロールサーミスタ１５ｂの検知結果に応じて外部加熱ヒータ１５ｂのオンオフ制御を行って目標温度となるように制御を行う。

以上の制御を通じて、定着ロール１及び外部加熱ユニット１０がそれぞれウォームアップ目標温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に達した時点で、温度制御装置４はウォームアップ終了の信号を画像形成装置に送り、画像形成装置は定着装置のウォームアップ終了に加え、それ以外の様々なウォームアップ処理が終了したことをもって画像形成可能な状態であることを判別する。

そして、画像形成装置に対して所定の転写用紙を連続通紙するプリント開始命令が行われたとすると、不図示の画像形成装置から図１で表される定着装置に対して未定着トナー像が担持された転写用紙が一定の間隔で送られ、次々と定着ニップを通って定着処理が施されることにより、定着ロール１の表面温度が変化していく。

ここで、外部加熱ユニット１０の内部の加熱源の配置に応じて、どのように定着ロール１の温度推移が変化するかを検証したものを図２の表で示した。

加熱源の配置方法はタイプ１からタイプ４まで４種類を実験しており、何れの配置方法においても、外部加熱ユニット１０の内部に配置されたハロゲンヒータの総ワッテージは８００Ｗとなっている。又、定着ロール１の定着処理時の目標温調温度Ｔ４は全ての条件で１６０℃、プロセススピードは２００ｍｍ／ｓ、連続通紙する間隔は１分間に４０枚、転写用紙は坪量２００ｇのカラー用厚紙である。

以上述べた以外の諸条件及び装置も、外部加熱ユニット１０以外に関しては全て同じで行った。即ち、定着ロール１の連続通紙時の温度推移を見ることで、加熱源の配置方法の差による定着能力の優位性が判別できる。

図３はタイプ１での外部加熱ユニット１０のヒータの配置方法であり、タイプ１は従来のベルト式外部加熱ユニットで採用されているもので、張架ロール１２の内部にのみ８００Ｗのハロゲンヒータ１４ｂを配置した。無端ベルト１１を介して張架ロール１２の表面温度を検知するサーミスタ１５ｂの検知結果から、定着処理時の目標温調温度Ｔ５を１８０℃から２２０℃まで２０℃刻みで振ったときの通紙Ｎ枚目での定着ロール１の表面温度が図２である。

図４はタイプ２での外部加熱ユニット１０のヒータの配置方法であり、張架ロール１２と１３の内部にそれぞれ４００Ｗのハロゲンヒータ１４ｂと１４ｃを配置した。無端ベルト１１を介して張架ロール１２及び張架ロール１３の表面温度を検知するサーミスタ１５ｂ，１５ｃの検知結果から、定着処理時のそれぞれの目標温調温度Ｔ５を１８０℃から２２０℃まで２０℃刻みで振ったときの通紙Ｎ枚目での定着ロール１の表面温度が図２である。

図５はタイプ３での外部加熱ユニット１０のヒータの配置方法であり、本発明による張架ロール１２と１３の外部で且つ無端ベルト１１の内部に８００Ｗのハロゲンヒータを配置した。無端ベルト１１の外部加熱ニップ部での温度を検知するサーミスタ１５ｂの検知結果から、無端ベルト１１の定着処理時の目標温調温度Ｔ５を１８０℃〜２２０℃まで２０℃刻みで振ったときの通紙Ｎ枚目での定着ロール１の表面温度が図２である。

図６はタイプ４での外部加熱ユニット１０のヒータの配置方法であり、本発明による張架ロール１２の内部に４００Ｗのハロゲンヒータを、張架ロール１２と１３の外部で且つ無端ベルト１１の内部に４００Ｗのハロゲンヒータ１４ａと１４ｂを配置した。無端ベルト１１を介して張架ロール１２と無端ベルト１１の外部加熱ニップ部での温度を検知するサーミスタ１５ａと１５ｂの検知結果から、それぞれの定着処理時の目標温調温度Ｔ５を１８０℃から２２０℃まで２０℃刻みで振ったときの通紙Ｎ枚目での定着ロール１の表面温度が図２である。

図２において、表中の升目内が暗転している部分は、本実験中で定着ロール１の表面温度が１３０℃を下回り、定着性ＮＧと判断された領域である。この図で示される実験結果から、外部加熱ユニット１０の内部に配置されたヒータの総ワッテージが同等であっても、定着ロール１の表面温度推移は従来例でのタイプ１、タイプ２の配置では所望の温度を下回り、一方で本発明におけるタイプ３及びタイプ４の配置では所望の温度以上に維持することが可能であることが判明した。

これは、従来例のようなタイプ１若しくはタイプ２のような張架ロール内部にのみ加熱源を配置した構成においては、加熱源からの熱伝達が先ず張架ロール１２，１３を介して無端ベルトに伝わる構成になっているため、そこで熱的ロスが生じること、又、熱容量の低い無端ベルト１１が保持する熱量が少ないため、外部加熱ニップが広くても定着ロール１に伝えられる熱量に限りがあること等の原因に起因している。又、タイプ１やタイプ２のような従来例の構成において、目標温度Ｔ５を上げることにより熱量の補償を行う場合、張架ロール１１や１２の温度を上げざるを得なくなり、結果として張架ロール１１や１２の支持部分の材質の温度補償範囲を超えてしまう場合があり、熱的劣化による耐久性の低下や、それを補うための材質変更によるコストアップ等の問題を抱えてしまうため、有効な対策となり得ない。

このような従来の構成に比べ、本発明で提示している構成においては、先ず、無端ベルト１１を加熱源が輻射熱をもって直接熱伝達させることが可能であること、又、同時に外部加熱ニップ内部において無端ベルト１１が定着ロール１に伝えた熱量を補償することが可能であるため、耐久性の低下やコストアップ等の問題を発生させずにより効率良く定着ロール１の温度低下を防止することが可能となった。

本発明は、電子写真複写機、プリンタ等の電子写真プロセスを利用した画像形成装置の定着装置に対して適用可能である。

本発明に係る定着装置の構成断面図である。 本発明の実施の形態におけるハロゲンヒータの配置に応じた定着ロールの表面温度の推移を示した表である。 本発明の実施の形態におけるハロゲンヒータの配置のタイプ１を表した構成断面図である。 本発明の実施の形態におけるハロゲンヒータの配置のタイプ２を表した構成断面図である。 本発明の実施の形態におけるハロゲンヒータの配置のタイプ３を表した構成断面図である。 本発明の実施の形態におけるハロゲンヒータの配置のタイプ４を表した構成断面図である。 従来のロール式定着装置の構成断面図である。

符号の説明

１ 定着ロール
２ ハロゲンヒータ
３ サーミスタ
４ 温度制御装置
５ 加圧ロール
１０ 外部加熱ユニット
１１ 無端ベルト
１２ 張架ロール（回転方向上流側）
１３ 張架ロール（回転方向下流側）
１４ａ 外部加熱ヒータ
１４ｂ 外部加熱ヒータ
１４ｃ 外部加熱ヒータ
１５ａ 外部加熱サーミスタ
１５ｂ 外部加熱サーミスタ
１５ｃ 外部加熱サーミスタ

Claims (5)

1. 加熱源を有する定着部材と、前記定着部材に圧接する加圧部材と、複数のロールによって張架された無端ベルトと前記ロール若しくは前記無端ベルトを加熱する加熱源から成る外部加熱部材と、を有し、前記定着部材と加圧部材との圧接部に未定着トナー像を担持した転写材を通過させることにより、熱及び圧力によって定着処理を行う定着装置において、
   前記外部加熱部材の加熱源が輻射熱による熱供給手段であるとともに、加熱源の少なくとも１つが前記張架ロールの間に設けられており、無端ベルトを直接輻射加熱し、外部加熱部材の温度を検知する手段から得られた結果に応じて前記外部加熱部材の加熱源を制御することを特徴とする定着装置。
2. 前記外部加熱部材の加熱源の少なくとも１つ以上が張架ロール内に設けられ、少なくとも１つ以上が張架ロール外且つ無端ベルト内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記外部加熱部材の温度を検知する手段が、加熱源を内包する張架ロールに接しているか、若しくは加熱源を内包する張架ロールに巻き付けられた無端ベルトに接していることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。
4. 前記外部加熱部材の温度を検知する手段が、定着ロールと無端ベルトを介して接する複数の張架ロールのうち、無端ベルトの回転方向下流側の張架ロールに接しているか、若しくは張架ロールに巻き付けられた無端ベルトに接していることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。
5. 前記無端ベルトが金属ベルトであることを特徴とする請求項１又は２記載の定着装置。

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