JP2006215143A - 加熱定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱定着装置を通過する記録媒体のしわ発生を抑制する。
【解決手段】加熱ローラ１と加圧ローラ２との間で記録媒体Ｓにトナー像を加熱定着させる加熱定着装置１００及びこれを備えた画像形成装置。ローラ１は、媒体Ｓの幅に対応した配熱特性を有する複数のヒータ３、４を有している。ローラ２は耐熱離型層２２で被覆した発泡弾性体層２１を表層としたローラである。装置１００は、加熱ローラ１の温度分布検出のための複数の温度検出センサ５、６と、該センサによる温度検出結果に基づいて、ヒータ３、４のうち１又は２以上に発熱動作させるように制御を行う制御部Ｃｏｎｔを含んでいる。制御部Ｃｏｎｔは、最大サイズ記録媒体Ｓへのトナー像定着にあたり、加熱ローラ１をその中央部より端部を高温に加熱するようにヒータ発熱動作を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、記録媒体上に形成されたトナー像を該記録媒体に加熱定着させる加熱定着装置及びかかる加熱定着装置を備えた画像形成装置（複写機、プリンタ等）に関する。

記録媒体上に形成されるトナー像を該記録媒体に定着装置で加熱定着させる、電子写真方式の複写機、プリンター等の画像形成装置では、その多くが、熱効率と安全性の面から、かかる定着装置として、熱ローラ定着方式の定着装置を採用している。

かかる熱ローラ方式の定着装置は、加熱ローラとこれに圧接される加圧ローラとを有している。加熱ローラは、通常、アルミニウム、鉄等からなる金属芯金の表面に耐熱離型層（フッ素樹脂層、シリコーンゴム層等）を被覆したものであり、ヒータ（赤外線ランプ等）を内蔵している。
加圧ローラは、通常、同じくアルミニウム、鉄等の金属芯金の表面に耐熱性を有する弾性層（シリコーンゴム層、シリコーンスポンジ層）を形成し、該弾性層表面に耐熱離型層（フッ素樹脂層等）を被覆したものである。

加圧ローラはバネ等を含む押圧手段で加熱ローラに圧接される。両ローラ間に形成される定着ニップでトナー像を担持した記録媒体（例えば記録紙）を挟持しつつ搬送することにより、熱と圧力でトナー像を記録媒体に定着させる。

このような定着装置では、記録媒体を定着ニップにて加熱、加圧搬送することから、記録媒体のしわの発生が大きな解決すべき課題となる。
なお、以下では、記録媒体には記録紙が採用されることが多いから、記録媒体のしわは「紙しわ」、記録媒体を通すことを「通紙」と称することがある。

かかる紙しわを解消するため、一般的には、駆動側の剛体ローラである加熱ローラを、いわゆる逆クラウン形状（換言すれば、鼓形状或いは中凹み形状）とし、それによりローラ端部の周速を中央部のそれより若干速くして記録媒体に張力を与え、ローラ端部方向に引っ張るようにして紙しわを抑制している。

また、省エネルギーや画像形成装置の使い勝手の良さの観点から、定着装置の待ち時間短縮のため、加熱ローラには、熱容量の小さい薄肉の金属芯金が用いられることが多くなっている。その場合、連続通紙したとき、記録媒体サイズにより記録媒体が熱を奪わない加熱ローラの非通紙部の温度が、薄肉のためにローラ横方向（幅方向）での熱移動が抑制されることで、過度に高温になってしまうことがある。

そこで、加熱ローラの加熱手段として、加熱ローラの幅方向（ローラ長手方向）において配熱特性（発熱分布）が異なる複数のヒータを用い、これらヒータの発熱動作を制御することで、非通紙部の好ましくない温度上昇を抑制することが行われている（例えば、特公平１−４０３５０号公報、特開２００４−１２６１３４号公報参照）。

定着ローラ対は、様々の条件下でも一定の温度を維持することが理想的ではあるが、実際には、記録媒体の通紙により、すなわち、通紙負荷、記録媒体厚さ、材質等の差により、温度を一定に維持するのは困難である。一定の温度を維持するうえでは、加熱加圧ローラ両方にヒーターを内蔵し、熱供給するのが有利であるが、コストや、定着装置の小型化という観点から、加熱ローラにのみヒーターを内蔵する構成が多い。特に、記録媒体へのトナー付着量が多くなく、記録媒体にトナー像を定着する機能があれば足りるモノクロ画像形成用の定着装置では、それが一般的となっている。

加圧ローラには、既述のとおり、耐熱弾性層材料としてシリコーンゴム、シリコーンスポンジ等が用いられているが、加熱ローラから加圧ローラへの熱の移動抑制と、低荷重で大きい定着ニップが得られることから、シリコーンスポンジに耐熱離型層（フッ素樹脂層）を被覆したものが一般的になっている。

特公平１−４０３５０号公報 特開２００４−１２６１３４号公報

しかしながら、上記した、加熱ローラの加熱手段として、加熱ローラの幅方向（ローラ長手方向）において配熱特性（発熱分布）が異なる複数のヒータを用い、これらヒータの発熱動作を制御することで、非通紙部の温度上昇を抑制する定着装置においても、例えば、連続通紙時、記録媒体間では加圧ローラは加熱ローラに接触し、加熱ローラから加圧ローラに熱が供給され、加圧ローラにヒータが内蔵されていない場合には、加圧ローラの温度は一定とならず徐々に温度上昇していき、そのため加圧ローラは膨張する。

特に、耐熱弾性層にシリコーンスポンジを用いている加圧ローラでは、弾性層内の気泡が熱膨張し、それがため加圧ローラーが熱膨張しやすい。シリコーンスポンジは芯金に接着されているため、膨張は規制のかからないローラ周方向と、長手方向に発生し、結果的に加圧ローラは中央が端部より大径となるクラウン形状（換言すれば、太鼓形状或いは中高形状）になる。

そうなった場合、前述の紙しわ対策のため、加熱ローラを逆クラウン形状として、記録媒体の両端の搬送量を速く設定していることとのバランスが崩れ、記録媒体は中央部が端部より速く送られ、紙しわが発生する。特に加圧ローラ全体が暖まり、搬送方向の長さが長く、搬送バランスの崩れが蓄積される大サイズの記録媒体を通紙している場合に、この問題が顕著になる。

そこで本発明は、トナー像を担持した記録媒体を加熱ローラと該加熱ローラに圧接される加圧ローラとの間に通して、該トナー像を該記録媒体に加熱定着させることができ、該加熱ローラは、該加熱ローラと該加圧ローラとの間に通過させる記録媒体の幅に対応した配熱特性を有する複数のヒータを有しており、該加圧ローラは発泡弾性体層を表層に有している加熱定着装置であって、加圧ローラの熱膨張によるクラウン形状化を抑制して、記録媒体のしわ発生を抑制できる定着装置を提供することを課題とする。

また、本発明は、トナー像を担持した記録媒体を加熱ローラと該加熱ローラに圧接される加圧ローラとの間に通して、該トナー像を該記録媒体に加熱定着させることができ、該加熱ローラは、該加熱ローラと該加圧ローラとの間に通過させる記録媒体の幅に対応した配熱特性を有する複数のヒータを有しており、該加圧ローラは発泡弾性体層を表層に有している加熱定着装置によりトナー像を記録媒体に定着させる画像形成装置であって、加熱定着装置における加圧ローラの熱膨張によるクラウン形状化を抑制して、トナー像定着動作における記録媒体のしわ発生を抑制できる画像形成装置を提供することを課題とする。

本発明は前記課題を解決するため、
トナー像を担持した記録媒体を加熱ローラと該加熱ローラに圧接される加圧ローラとの間に通して、該トナー像を該記録媒体に加熱定着させることができ、該加熱ローラは、該加熱ローラと該加圧ローラとの間に通過させる記録媒体の幅に対応した配熱特性を有する複数のヒータを有しており、該加圧ローラは発泡弾性体層を表層に有しているローラである加熱定着装置であって、
前記加熱ローラにおける温度分布を検出するための複数の温度検出センサと、
該温度検出センサによる温度検出結果に基づいて、前記複数のヒータのうち１又は２以上に発熱動作させるように制御を行う制御部とを含んでおり、
該制御部は、トナー像の加熱定着処理が可能な記録媒体サイズのうち、最大サイズの記録媒体にトナー像を加熱定着するにあたり、前記加熱ローラの中央部より端部を高温に加熱するように前記ヒータ発熱動作を制御する加熱定着装置を提供する。

前記加圧ローラの発泡弾性体層としては、代表例としてシリコーンスポンジからなるものを挙げることができる。いずれにしても、発泡弾性体層はフッソ系樹脂等からなる耐熱離型層で被覆してもよい。

本発明に係る加熱定着装置においても、例えば、連続通紙時、記録媒体間では加圧ローラは加熱ローラに接触し、加熱ローラから加圧ローラに熱が供給され、加圧ローラの温度は一定とならず徐々に温度上昇していき、そのため、加圧ローラーが熱膨張する。

しかし本発明に係る加熱定着装置においては、従来紙しわが発生しやすかった、トナー像の加熱定着処理が可能な記録媒体サイズのうち、最大サイズの記録媒体にトナー像を加熱定着するときには、加熱ローラの中央部より端部を高温に加熱するように前記ヒータ発熱動作が制御される。

これにより、加圧ローラがクラウン形状に膨張することが抑制され、加圧ローラは各部の外径が等しいストレート形状又はそれに近い状態、或いは、逆クラウン形状となり、かくして、記録媒体端部（耳部）の通紙速度が記録媒体中央部より若干速くなり、それにより記録媒体がローラ端部方向に引っ張られようにして紙しわ発生が抑制される。

本発明に係る画像形成装置における加熱定着装置においても同様の利点があり、それだけ良好な画像形成が可能である。
本発明に係る加熱定着装置はモノクロ画像形成、カラー画像形成のいずれにでも適用でき、本発明に係る画像形成装置は、モノクロ画像、カラー画像のいずれを形成する画像形成装置にも適用でき、複写機、プリンタ等の各種画像形成装置に適用できる。

以上説明したように本発明によると、トナー像を担持した記録媒体を加熱ローラと該加熱ローラに圧接される加圧ローラとの間に通して、該トナー像を該記録媒体に加熱定着させることができ、該加熱ローラは、該加熱ローラと該加圧ローラとの間に通過させる記録媒体の幅に対応した配熱特性を有する複数のヒータを有しており、該加圧ローラは発泡弾性体層を表層に有している加熱定着装置であって、加圧ローラの熱膨張によるクラウン形状化を抑制して、記録媒体のしわ発生を抑制できる定着装置を提供することができる。

また、本発明は、トナー像を担持した記録媒体を加熱ローラと該加熱ローラに圧接される加圧ローラとの間に通して、該トナー像を該記録媒体に加熱定着させることができ、該加熱ローラは、該加熱ローラと該加圧ローラとの間に通過させる記録媒体の幅に対応した配熱特性を有する複数のヒータを有しており、該加圧ローラは発泡弾性体層を表層に有している加熱定着装置によりトナー像を記録媒体に定着させる画像形成装置であって、加熱定着装置における加圧ローラの熱膨張によるクラウン形状化を抑制して、トナー像定着動作における記録媒体のしわ発生を抑制できる画像形成装置を提供することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る加熱定着装置１００を採用した画像形成装置の１例の概略構成を示す図である。
図１に示す画像形成装置は、デジタル方式のモノクロ画像形成装置である。

この画像形成装置は、上部に原稿を読みとるリーダ部を有するとともに、下部に画像形成を行うプリンタ部を備えている。リーダ部においては、原稿台２０の原稿台ガラス２１に置かれた原稿が露光ランプ２４により露光され、それによる原稿からの反射光は第１ミラー２５、第２ミラー２２、第３ミラー２３を経由して、レンズ２６を介してＣＣＤユニット２７のＣＣＤセンサへ縮小結像される。

ＣＣＤセンサは入射される原稿からの反射光を電気信号に変換し、画像信号として図示省略の画像処理回路へ出力する。画像処理回路では電気信号をデジタル画像信号にＡ／Ｄ変換し、様々な補正処理を行った後、画像信号としてＰＨユニット（露光ユニット）３６へ送出する。ＰＨユニット３６は、画像信号に基づいてレーザ光を発光するレーザ出力部とレーザ光を反射してイメージングカートリッジ３５内の感光体ドラムＰＣに結像するとともに走査露光するポリゴンミラーとレンズを備えている。感光体ドラムＰＣは感光特性を持つ感光材の層がアルミ管上に形成されており、この層の上に露光されることにより静電潜像が形成される。

イメージングカートリッジ３５内には、感光体ドラムＰＣを帯電する回転帯電ブラシ３５１と、感光体ドラムＰＣ上の静電潜像にトナーを付着させ可視トナー像を形成する現像部３５２と、該トナー像が記録紙Ｓ上に転写された後の感光体ドラムＰＣ上の残留トナーを清掃するクリーニング部３５３と、感光体ドラムＰＣからトナー像転写された記録紙Ｓを分離させる分離爪３５４が設置されている。

イメージングカートリッジ３５内の感光体ドラムＰＣは回転帯電ブラシ３５２により表面にＤＣ（−）の電荷層を形成される。前記のＰＨユニット３６のレーザ出力部より感光体の該電荷層に画像信号が露光され、静電潜像が形成される。そしてイメージングカートリッジ３５内の現像部３５２にて該静電潜像に（−）帯電したトナーを付着させ可視トナー像を形成する。

一方、給紙カセット３８に積載された記録紙Ｓが、給紙ローラ３４及びその下の紙捌きパッド３７により1 枚ずつ捌かれて引き出され、タイミングローラ対３３へ供給される。 タイミングローラ対３３は、画像信号と同期した信号により回転開始し、それにより記録紙Ｓを、感光体ドラムＰＣ上のトナー像と同期をとって、感光体ドラムＰＣに圧接された転写ローラ３２のニップ部へと搬送する。

前述の感光体ドラムＰＣ上に形成された可視トナー像は、（＋）に電荷が与えられた転写ローラ３２により記録紙Ｓ上に転写される。転写後、記録紙Ｓは分離爪３５４で分離され機内温度冷却兼用の記録紙吸引搬送用フアン３１により転写後ガイド４０方向に吸引されて案内され、加熱定着装置１００に送られる。

加熱定着装置１００は赤外線ヒータ３、４を内蔵した加熱ローラ１及びこれに図示省略のバネ等を含む押圧手段で圧接された加圧ローラ２を備えている。この定着装置１００に送り込まれてきた、トナー像担持記録紙Ｓは、ヒータ３及び（又は）４で加熱された加熱ローラ１と加圧ローラ２らなる定着ニップに通され、且つ、記録紙Ｓの幅方向（搬送方向に直交する方向）における中央が、ローラ１、２の定着ニップの幅方向中央に一致する状態で定着ニップに通され、熱と圧力によりトナー像が紙Ｓに溶融定着される。さらに、定着ローラ対１、２にて上方に送られ、排紙ローラ対４１にて機外に排出され、かくして複写画像が得られる。

加熱定着装置１００について、図２及び図３を参照してさらに説明する。
加熱ローラ１は、外径３０ｍｍ、肉厚０．６ｍｍのアルミニウムのパイプ芯金の表面に厚さ２０μｍでフッ素樹脂をコーティングしたものである。
加熱ローラ１は内部に、図３に示すような配光分布（発熱分布）を持つ赤外線ランプヒータ３、４を内蔵している。

赤外線ヒータ３は、小サイズ紙用ヒータ（中央重点配光）であり、このヒータの中央部に対応する加熱ローラ表面部位に対して小サイズ紙使用温度センサ５を配置してあり、該センサ５による検出温度情報が加熱ローラ中央部の温度制御に供される。
小サイズ紙とは、本例ではＡ４Ｔサイズ紙である。「Ｔ」はＡ４サイズ紙を縦長に通紙することを示している。

赤外線ヒータ４は、大サイズ紙用ヒータ（両端部重点配光）であり、このヒータの片側の端部に対応する加熱ローラ表面部位に対して大サイズ紙用温度センサ６を配置してあり、該センサ６による検出温度情報は加熱ローラ端部の温度制御に供される。
大サイズ紙とは、本例ではＡ３Ｔサイズ紙である。「Ｔ」はＡ３サイズ紙を縦長に通紙することを示している。

温度センサ５、６による検出温度情報は、温度制御部Ｃｏｎｔ（図４参照）に入力され、制御部Ｃｏｎｔは、入力された温度情報に基づいて、加熱ローラ１表面各部の温度を所定温度に設定するように、ヒータ３、４それぞれへの通電を制御する。制御部Ｃｏｎｔは、小サイズ紙を通紙するにあたって、小サイズ紙用ヒータ３の発熱制御を行い。大サイズ紙を通紙するにあたって、小サイズ紙用ヒータ３及び大サイズ紙用ヒータ４の発熱制御を行う。制御部Ｃｏｎｔは、大サイズ紙を通紙するにあたっては、加熱ローラ１の端部が中央部より高温に加熱されるようにヒータ制御を行う。制御部Ｃｏｎｔには、通紙サイズ情報等も入力される。

加熱ローラ１は図示省略の軸受けで支持されており、図示省略のギヤ伝動機構を介して画像形成装置本体から駆動力を提供され、図１及び図２中、反時計方向に回転される。
加熱ローラ１は中央部より端部が０．１ｍｍ外径が大きい逆クラウン形状（鼓形状）に形成されている。約０．３％程度中央より端部による搬送速度が速い設定となっている。

加圧ローラ２は鉄芯金２０の上にシリコーン発泡スポンジからなる耐熱弾性層２１が厚さ７ｍｍ、外径３０ｍｍで形成され、該弾性層の表面が耐熱離型層として厚さ３０μｍのＰＦＡチューブ２２で被覆されたものである。
加圧ローラ２も、図示省略の軸受けにて支持され、図示省略のスプリングを含む押圧装置で加熱ローラ１に、全圧１００Ｎで圧接され、加熱ローラ１の回転に従動する。

トナー像が転写形成された記録紙Ｓは、突入ガイド７により案内されて加熱ローラ１と加圧ローラ２で構成される定着ニップにより狭持搬送され、トナー像は記録紙Ｓ上に定着される。トナー像が定着された記録紙Ｓは、加熱ローラ１に接触するように設けられた分離爪８により加熱ローラ１から剥離され、排紙ガイド９により案内され、排紙ローラ対４１にて機外へ搬出される。

次に、加熱定着装置１００により従来の温度制御を行った場合と、本発明に係る温度制御を行った場合とについて説明する。
＜従来の温度制御＞
図６に従来の温度制御を行った場合の加熱ローラ１、加圧ローラ２の温度特性を示す。 加熱ローラ１は、待機中は、中央及び端部とも１９０℃に制御し、大サイズ紙Ａ３Ｔへの複写（ＣＯＰＹ）時にも、中央及び端部をともに１９０℃に温度制御した。図６は、画像形成装置本体のメインスイッチＯＮ後約１０分程度待機状態にしておき、その後に大サイズ紙を間欠（１０秒間隔）で連続通紙した場合の温度特性である。

加熱ローラ１は、複写を開始すると、初期のヒータ点灯遅れ、温度センサのレスポンスの遅れにより、若干温度低下し、その後温調温度の１９０℃に温度制御される。加圧ローラ２は，通紙間の加熱ローラ１との接触による伝熱で温度上昇し、約１２０℃から徐々に温度上昇し、２００枚連続通紙で１５０℃程度まで温度上昇する。ローラ中央と端部はほぼ同様の温度変化を示す。

このときの加圧ローラ２の形状を図７に示す。加圧ローラ２は端部より中央部の外径が大きいクラウン形状（太鼓形状）になっている。このときの２００枚連続通紙の残り５０枚のうち約６０％の約３０枚に紙後端中央に紙しわが発生した。

＜本発明による温度制御＞
図５に本発明による温度制御を行った場合の加熱ローラ１、加圧ローラ２の温度特性を示す。加熱ローラ１は、待機中は、中央部及び端部とも１９０℃に制御し、大サイズ紙Ａ３Ｔへの複写（ＣＯＰＹ）時には、中央は１９０℃に、端部は２１０℃にそれぞれ制御した。
ここで、あまり加熱ローラ端部の温度を高く設定すると、高温オフセットが発生するおそれがあるので、離型層（フッ素樹脂層）の耐熱性からして、２３０℃以下に抑えるのが好ましい。

図５は、画像形成装置本体のメインスイッチＯＮ後約１０分程度待機状態にしておき、その後に大サイズ紙を間欠（１０秒間隔）で連続通紙した場合の温度特性である。
加熱ローラ１は、複写を開始すると、初期のヒータ点灯遅れ、温度センサのレスポンスの遅れにより、若干温度低下し、その後、中央部、端部それぞれの設定温度で制御される。 加圧ローラ２の温度は、加熱ローラ温度に比例して上昇し、２００枚連続通紙で中央は１４５℃、端部は１６０℃程度まで温度上昇する。そのときの加圧ローラ形状を図７に示す。加圧ローラ２の形状は、略ストレート形状を維持している。このとき、２００枚連続通紙で紙しわの発生は皆無であった。

本発明は、トナー像を記録媒体に定着装置で加熱定着させる画像形成の分野において、紙しわ発生を抑制することに利用できる。

本発明に係る画像形成装置の１例の概略構成を示す図である。 図１の画像形成装置における加熱定着装置を示す図である。 記録紙サイズに応じたヒータ配向分布（発熱分布）、温度検出センサの位置等の関係を示す図である。 加熱定着装置の制御回路の概略を示すブロック図である。 本発明に係る定着ローラ温度特性例を示す図である。 従来の定着ローラ温度特性例を示す図である。 大サイズ紙間欠連続通紙時の加圧ローラ形状変化を示す図である。

符号の説明

１００ 加熱定着装置
１ 加熱ローラ
２ 加圧ローラ
３ 小サイズ紙用ヒータ
４ 大サイズ紙用ヒータ
５、６ 温度掲出センサ
７ 突入ガイド
８ 分離爪
９ 排紙ガイド
２０ 原稿台
２１ 原稿台ガラス
２４ 露光ランプ
２５、２２、２３ ミラー
２６ レンズ
２７ ＣＣＤユニット
３６ ＰＨユニット（露光ユニット）
３５ イメージングカートリッジ
ＰＣ 感光体ドラム
３５１ 回転帯電ブラシ
３５２ 現像部
３５３ クリーニング部
３５４ 分離爪
３８ 給紙カセット
３４ 給紙ローラ
３７ 紙捌きパッド
Ｓ 記録紙
３２ 転写ローラ
３３ タイミングローラ対
３１ フアン
４０ 転写後ガイド
４１ 排紙ローラ対

Claims (2)

1. トナー像を担持した記録媒体を加熱ローラと該加熱ローラに圧接される加圧ローラとの間に通して、該トナー像を該記録媒体に加熱定着させることができ、該加熱ローラは、該加熱ローラと該加圧ローラとの間に通過させる記録媒体の幅に対応した配熱特性を有する複数のヒータを有しており、該加圧ローラは発泡弾性体層を表層に有しているローラである加熱定着装置であり、
   前記加熱ローラにおける温度分布を検出するための複数の温度検出センサと、
   該温度検出センサによる温度検出結果に基づいて、前記複数のヒータのうち１又は２以上に発熱動作させるように制御を行う制御部とを含んでおり、
   該制御部は、トナー像の加熱定着処理が可能な記録媒体サイズのうち、最大サイズの記録媒体にトナー像を加熱定着するにあたり、前記加熱ローラの中央部より端部を高温に加熱するように前記ヒータ発熱動作を制御することを特徴とする加熱定着装置。
2. 請求項１記載の加熱定着装置を備えた画像形成装置。