JP2006220901A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短い時間でのウォームアップが可能で、安全性の高い定着装置を得る。
【解決手段】 無端状のベルトを用いた加熱回転体１０とローラタイプの加圧回転体２０とローラタイプの外部加熱回転体３０とで構成した定着装置。加熱回転体１０は、その周囲に電磁誘導加熱ヒータ１１を備え、加圧回転体２０との対向部分をバックアップ部材１２にて円弧形状を保持するようにバックアップされている。加圧回転体２０は、芯金２１の表面に弾性層２２を備えたものであり、加熱回転体１０と接触してニップを形成し、矢印Ａ方向に回転駆動される。外部加熱回転体３０は、芯金３１にヒータ３２を内蔵したものであり、加圧回転体２０と接触してニップを形成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、定着装置、特に、複写機やプリンタなどの画像形成装置に組み込まれ、記録材上に形成されたトナー画像を加熱定着するための定着装置に関する。

この種の定着装置においては、従来から、電源投入時などのウォームアップ時間を極力短くするための対策が種々検討され、特許文献１〜６に記載されているような定着装置が提案されている。

従来一般的に用いられている定着装置は、図１２に示すように、ローラタイプの加熱回転体１と同じくローラタイプの加圧回転体５とで構成されている。加熱回転体１は、７００Ｗのヒータ２を内蔵し、表面温度を検出するための接触タイプのサーミスタ３を備えている。加圧回転体５は、芯金６の表面に弾性層７を備えるとともに３００Ｗのヒータ８を内蔵し、表面温度を検出するための接触タイプのサーミスタ９を備えている。回転体１，５のニップ荷重は１００〜５３０Ｎ、ニップの幅は約９ｍｍ、ニップの長さは約２４０ｍｍである。

矢印Ａ方向に回転駆動される加圧回転体５と従動回転する加熱回転体１とのニップに、トナー画像Ｔが転写された記録材１００が矢印Ｂ方向から送り込まれ、回転体１，５のニップに突入してトナー画像Ｔが加熱定着される。

しかしながら、この定着装置にあっては、加熱回転体１がアルミを芯金とするローラタイプであり、熱容量が大きく、ウォームアップに６０秒ほどを要している。また、加圧回転体５（弾性層７）を内部から加熱するために効率的に加熱することができない。

一方、図１３に示すように、加熱回転体１にベルトを用いた定着装置が知られている。ベルトタイプにあっては、加圧回転体５とのニップを保持するために、加熱回転体（ベルト）１の内側にバックアップ部材４を設置している。なお、図１３において図１２と同じ部材には同じ符号が付されている。

ベルトは基材であるポリイミドなどがローラに用いられるアルミや鉄などと比較して柔らかくより薄肉であり、熱容量を小さくすることができる。定着可能な温度が、加熱回転体１で１９０℃、加圧回転体５で７０℃の場合、室温からのウォームアップ時間は３０秒ほどになる。

ところで、複写機やプリンタなどにあっては、プリント開始信号からトナー画像を転写された記録材が定着装置に突入するまでの時間内に、定着装置を室温から定着可能温度まで昇温させることができる性能をオンデマンド定着と称している。オンデマンド定着を可能にするには、ウォームアップ時間を約１０秒ほどに短縮することが必要となる。

図１３に示した定着装置でオンデマンド定着を行うには、ウォームアップ時間をさらに短縮する必要がある。この場合、加圧回転体５（弾性層７）の昇温を補助するために、ウォームアップ時に空回転させることで、ベルトからの熱伝導で熱容量の大きい加圧回転体５（弾性層７）を短い時間で設定温度まで昇温させることが考えられる。しかし、このような設定はベルトを過大な昇温速度で加熱することを意味し、発煙・発火防止などの安全性の観点から、短時間での昇温はできない。
特許第２７５２５４９号公報 特許第３１３９４１６号公報 特開平９−２１２０１８号公報 特開平１０−１６１４５０号公報 特開平１０−２２２００５号公報 特開２００３−２０８０４６号公報

そこで、本発明の目的は、短い時間でのウォームアップが可能で、安全性の高い定着装置を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明に係る定着装置は、記録材上に形成されたトナー画像を加熱定着するための定着装置において、第１の熱源によって加熱される加熱回転体と、該加熱回転体と接触して記録材を搬送するニップを形成する加圧回転体と、第２の熱源によって加熱され、加圧回転体と接触してニップを形成する外部加熱回転体とを備え、加熱回転体、加圧回転体及び外部加熱回転体のうち少なくとも一つが無端状のベルトからなることを特徴とする。

本発明に係る定着装置によれば、加熱回転体、加圧回転体及び外部加熱回転体のうち少なくとも一つにベルトが用いられているため、ベルトを短時間で設定温度まで昇温することができ、かつ、外部加熱回転体にて加圧回転体の表面を直接的に加熱するため、加圧回転体をも短時間で昇温することが可能である。しかも、ウォームアップ時に加熱回転体から加圧回転体へ熱伝導を補助する必要性が小さくあるいはなくなり、加熱回転体を過大な速度で昇温させる必要がないので、発煙・発火のおそれが解消される。

本発明に係る定着装置においては、加圧回転体が無端状のベルトからなることが好ましい。また、ベルトの内側にはバックアップ部材が設置されていることが好ましい。加圧回転体が駆動力を伝達されるローラからなり、該ローラと前記ベルトを挟んでバックアップ部材との間に荷重が作用し、加圧回転体の回転に基づいて前記ベルトが従動回転するように構成することができる。

そして、加熱回転体及び加圧回転体の表面にそれぞれ弾性層を備え、加熱回転体の弾性層は厚みが５０〜２００μｍ、熱伝導率が０．３〜０．８Ｗ／ｍ・Ｋであり、加圧回転体の弾性層は厚みが４〜８ｍｍ、熱伝導率が０．１５〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。

また、各回転体の熱容量が、外部加熱回転体＜加圧回転体、かつ、加熱回転体＜加圧回転体であり、各回転体の熱伝導率が、外部加熱回転体＞加圧回転体、かつ、加熱回転体＞加圧回転体であることが好ましい。

さらに、ウォームアップ時において、外部加熱回転体の設定温度を加熱回転体の設定温度よりも低く設定し、加圧回転体が設定温度に到達するまでの平均回転速度Ｖ１とそれ以降の平均回転速度Ｖ２とが、Ｖ１≧Ｖ２の関係にあることが好ましい。

また、ウォームアップ時において、外部加熱回転体の設定温度を加熱回転体の設定温度よりも低く設定し、外部加熱回転体のほうが加熱回転体よりも先に設定温度に到達する場合、ウォームアップ時の前半の平均回転速度Ｖ１と後半の平均回転速度Ｖ２とが、Ｖ１≧Ｖ２の関係にあるように設定してもよい。

ここで、ウォームアップとは、画像形成装置の電源が投入されてから定着装置がトナー画像を定着可能な温度に達するまでの動作をいい、ジャム処理の復帰時、装置本体のカバーを閉じたときの復帰時、スリープモードからの復帰時などにもウォームアップが実行される。

以下、本発明に係る定着装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例１〜１１を示す各図において共通する部材、部分に関しては同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

（実施例１、図１参照）
本発明の実施例１である定着装置は、図１に示すように、無端状のベルトを用いた加熱回転体１０とローラタイプの加圧回転体２０とローラタイプの外部加熱回転体３０とで構成されている。

加熱回転体１０は、その周囲に電磁誘導加熱ヒータ１１を備え、加圧回転体２０との対向部分をバックアップ部材１２にて円弧形状を保持するように内側からバックアップされている。また、温度検出のために接触タイプのサーミスタ１３が内側面に対向して設置されている。

加圧回転体２０は、芯金２１の表面に弾性層２２を備えたものであり、加熱回転体１０と接触してニップを形成し、矢印Ａ方向に回転駆動される。外部加熱回転体３０は、芯金３１にヒータ３２を内蔵したものであり、加圧回転体２０と接触してニップを形成し、表面温度を検出するために接触タイプのサーミスタ３３が設置されている。

加熱回転体（ベルト）１０は、外径が３０ｍｍを保持するサイズに形成されており、詳しくは、厚さ５０μｍのポリイミドを基材とし、弾性層として厚さ１５０μｍのシリコンゴムがラミネートされ、さらに、厚さ１５μｍのＰＦＡチューブが表層として設けられている。このシリコンゴムの熱伝導率は０．５Ｗ／ｍ・Ｋである。バックアップ部材１２は、樹脂製であり、厚み４ｍｍ、高さ１２ｍｍ、中央部の半径１５．４ｍｍである。また、ヒータ１１の定格は６００Ｗである。

加圧回転体２０は、鉄製の中実芯金２１の表面に弾性層２２として厚さ４ｍｍのシリコンゴムで被覆し、さらに、厚さ３０μｍのＰＦＡチューブが表層として設けられ、外径は３０ｍｍとされている。このシリコンゴムの熱伝導率は０．１５Ｗ／ｍ・Ｋである。加圧回転体２０と加熱回転体１０のニップ荷重は１００〜５３０Ｎ、ニップ幅は約９ｍｍ、ニップ長手方向長さは約２４０ｍｍである。

外部加熱回転体３０は、厚さ０．２ｍｍ、外径３０ｍｍの鉄製芯金３１からなり、熱源であるヒータ３２の定格は４００Ｗである。

以上の構成からなる定着装置において、加圧回転体２０が矢印Ａ方向に回転駆動され、加熱回転体（ベルト）１０及び外部加熱回転体３０が従動回転する。トナー画像Ｔを転写された記録材１００は矢印Ｂ方向から送り込まれ、回転体１０，２０のニップに突入してトナー画像Ｔが加熱定着される。

本実施例１によれば、加熱回転体１０としてベルトが用いられているため、加熱回転体１０を短時間で設定温度まで昇温することができる。かつ、外部加熱回転体３０にて加圧回転体２０の表面を直接的に加熱するため、加圧回転体２０も短時間で昇温することが可能である。

加熱回転体１０と加圧回転体２０とのニップには、３００Ｎ程度の荷重に耐え得る断面形状とカラー画像の品質を満足させるための弾性層が必要となる。この弾性層の作用を加圧回転体２０の弾性層２２に受け持たせ、加熱回転体１０にはベルトをバックアップ部材１２と併用して用いることにより、必要なニップ幅と耐荷重性が得られ、加熱回転体１０をより小型化、小熱容量化でき、ウォームアップがより短い時間で済むことになる。

ところで、図１２及び図１３に示した従来の定着装置で説明したように、オンデマンド定着を可能とするため、ウォームアップ時に回転体１０，２０を空回転させて、加圧回転体２０を加熱回転体１０からの熱伝導のみで昇温させると、加熱回転体（ベルト）１０の昇温速度が速くなって発煙・発火のおそれが生じる。

従って、本実施例１の如く、ウォームアップ時に外部加熱回転体３０にて加圧回転体２０の表面を直接的に加熱すれば、ウォームアップ時間はオンデマンド定着を可能にする約１０秒になり、加熱回転体１０を過大な速度で昇温させる必要がないので、発煙・発火のおそれが解消される。

この場合、表面を外部から加熱される加圧回転体２０の弾性層２２は、熱伝導率ができるだけ小さく、厚さが大きいほうが好ましい。加圧回転体２０の表面温度を高くすることで、加熱回転体１０との温度差が小さくなり、加熱回転体１０からの熱伝導量を減少させることができる。特に、静止状態でのウォームアップ時の昇温速度が小さくて済む。

また、加熱回転体１０は、定着画像の品質を満足させるため、ニップ幅が約９ｍｍ、ニップ荷重が約３００Ｎが必要とされ、熱容量を小さくする必要からも、ベルトと小さなバックアップ部材１２を用いることが好ましい。

一方、外部加熱回転体３０は、加圧回転体２０とのニップ幅が３ｍｍでよく、荷重も５０〜１００Ｎ程度でよいので、ローラタイプを使用することが好ましい。外部加熱回転体３０をローラとすることで、外部加熱回転体３０と加圧回転体２０との関係に、従来の定着装置におけるローラタイプの組合せ技術を転用することができる。

外部加熱手段として接触回転ではなく接触摺動タイプのものを用いると、加圧回転体２０の表層の耐久性能を著しく悪化させてしまう。また、外部加熱方式であっても、非接触タイプのヒータでは温度調整が困難である。そして、加圧回転体２０とのニップには通紙されないので、外部加熱回転体３０に余計な熱容量となる弾性層は必要ない。

ここで、外部加熱回転体３０を設けた実施例１において、定着時の設定温度を加熱回転体１０が１９０℃、加圧回転体２０が１２０℃の場合の諸条件について説明する。

前記実施例１でウォームアップ時間を１０秒とするための加熱回転体１０の昇温速度は、静止時には２５℃／秒、回転時には１５℃／秒である。また、外部加熱回転体３０の昇温速度は、静止時には２０℃／秒、回転時には１０℃／秒である。ちなみに、外部加熱回転体を設けない図１３に示した定着装置において、ウォームアップ時間を１０秒とするための加熱回転体１の昇温速度は、静止時には６０℃／秒、回転時には２０℃／秒である。既存のサーマルスイッチで発火を防止できる昇温速度は３０℃／秒なので、従来の定着装置では発火してしまうが、実施例１では発火することはない。

熱容量の大きい加圧回転体２０の表面を１０秒のウォームアップ時間で１２０℃に昇温させるには、加圧回転体２０の表面の熱伝導率を低下させることで、外部加熱回転体３０と加熱回転体１０との温度差で伝導された熱が内部に伝わりにくくなり、加圧回転体２０の表面温度の上昇が速くなる。加圧回転体２０の内部には熱伝導率が高くて熱容量の大きな芯金２１が設けられているので、弾性層２２の熱伝導率をできる限り低くして、その厚みを極力大きくすることが好ましい。

それゆえ、加圧回転体２０の弾性層２２は、厚みが４〜８ｍ、熱伝導率が０．１５〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。また、加熱回転体（ベルト）１０の弾性層は、定着画像の品質保持の点から、厚みが５０〜２００μｍ、熱伝導率が０．３〜０．８Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。

前述の説明から推察できるように、加熱回転体１０よりも加圧回転体２０の熱容量が大きいことが好ましく、同時に、加圧回転体２０の弾性層２２の熱伝導率が小さいほうが効果的である。また、ウォームアップ時間の短縮化のためには、外部加熱回転体３０の熱容量を加圧回転体２０よりも小さくするとともに、その熱伝導率を加圧回転体２０よりも大きくすることが効果的である。

前記設定温度（加熱回転体１９０℃、加圧回転体１２０℃）の場合、通電を開始して室温から回転により加圧回転体２０に熱を伝えながら昇温させ、１０秒後に設定温度に達するようにすると、常時、加熱回転体１０の温度が加圧回転体２０よりも高くなり、加熱回転体１０の熱が加圧回転体２０に流れることになる。それゆえ、静止時での昇温速度が回転時よりも高くなってしまう。

発煙・発火防止などの安全性を考慮すると、回転時と静止時の昇温速度をできる限り近づけることが望ましい。また、通電時における加熱回転体１０及び外部加熱回転体３０の昇温速度を同程度にすることが望ましい。

加圧回転体２０が設定温度１２０℃に到達するまでは、該回転体２０をある速度で回転させながら、加熱回転体１０と外部加熱回転体３０とを同程度の速度で昇温させ、それ以降は加圧回転体２０の回転速度を低下させるか停止させ、加熱回転体１０はさらに１９０℃まで昇温させ、加圧回転体２０は１２０℃を維持するように温度制御することで、より安全性を確保することができる。

即ち、ウォームアップ時において、外部加熱回転体３０の設定温度を加熱回転体１０よりも低く設定し、加圧回転体２０が設定温度に到達するまでの平均回転速度Ｖ１とそれ以降の平均回転速度Ｖ２とが、Ｖ１≧Ｖ２（回転停止を含む）の関係にあることが好ましい。

実施例１でこのような条件のもとでウォームアップ時間を１０秒をするための昇温速度は、加熱回転体１０にあっては、静止時に２０℃／秒、回転時に１５℃／秒である。また、外部加熱回転体３０にあっては、静止時には２０℃／秒、回転時には１５℃／秒である。

また、ウォームアップ時において、外部加熱回転体３０の設定温度を加熱回転体１０よりも低く設定し、外部加熱回転体３０のほうが加熱回転体１０よりも先に設定温度に到達する場合、ウォームアップ時の前半の平均回転速度Ｖ１と後半の平均回転速度Ｖ２とが、Ｖ１≧Ｖ２（回転停止を含む）の関係に設定してもよい。

（実施例２〜１１、図２〜図１１参照）
次に、実施例２〜１１について実施例１と異なる点を簡単に説明する。

実施例２（図２参照）は、円筒状のバックアップ部材１２ａを設けたものであり、該バックアップ部材１２ａは無端状ベルトである加熱回転体１０とともに加圧回転体２０の回転に従って一体的に従動回転する。

実施例３（図３参照）は、シート状のヒータ１１ａを加熱回転体（ベルト）１０の内側部分に対向して設けたものである。

実施例４（図４参照）は、シート状のヒータ１１ａを加熱回転体（ベルト）１０の内側部分に対向して設けるとともに、径の小さい円筒状のバックアップ部材１２ｂを設けたものである。

実施例５（図５参照）は、加熱回転体（ベルト）１０の内部にハロゲンランプなどのヒータ１１ｂを設置したものである。

実施例６（図６参照）は、加熱回転体（ベルト）１０を円筒状のバックアップ部材１２ａ及び円弧状のバックアップ部材１２ｃで支持して長円状に張り渡し、内部にハロゲンランプなどのヒータ１１ｂを設置したものである。

実施例７（図７参照）は、加熱回転体（ベルト）１０をバックアップ部材１２及び円筒状のバックアップ部材１２ｄで支持して長円状に張り渡し、バックアップ部材１２ｄの内部にハロゲンランプなどのヒータ１１ｂを設置したものである。

実施例８（図８参照）は、加熱回転体（ベルト）１０を円筒状のバックアップ部材１２ａ，１２ｄで支持して長円状に張り渡し、バックアップ部材１２ｄの内部にハロゲンランプなどのヒータ１１ｂを設置したものである。

実施例９（図９参照）は、加熱回転体１０はヒータ１１ｂを内蔵した金属製のローラとし、外部加熱回転体３０にベルトを用い、該ベルトをシート状のヒータ３２ａで加熱するようにしたものである。また、外部加熱回転体（ベルト）３０の加圧回転体２０との圧接部にはバックアップ部材３４が設置されている。

実施例１０（図１０参照）は、加圧回転体２０にベルトを用い、該ベルトはバックアップ部材２３にて加熱回転体１０及び外部加熱回転体３０との圧接部の形状を保持されるようになっている。また、加熱回転体１０はヒータ１１ｂを内蔵した金属製のローラであり、外部加熱回転体３０は実施例１と同様の構成である。

実施例１１（図１１参照）は、加熱回転体（ベルト）１０をバックアップ部材１２及び円筒状のバックアップ部材１２ｄで支持して長円状に張り渡し、バックアップ部材１２ｄの内部にハロゲンランプなどのヒータ１１ｂを設置し、外部加熱回転体３０にもベルトを用い、該ベルトをシート状のヒータ３２ａで加熱するようにしたものである。また、外部加熱回転体（ベルト）３０の加圧回転体２０との圧接部にはバックアップ部材３４が設置されている。

（他の実施例）
なお、本発明に係る定着装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、ベルトに対するバックアップ部材の構成、形状などは任意である。熱源も種々のものを使用することができる。

本発明に係る定着装置の実施例１を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例２を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例３を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例４を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例５を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例６を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例７を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例８を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例９を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例１０を示す断面図である。 本発明に係る定着装置の実施例１１を示す断面図である。 従来の定着装置の第１例を示す断面図である。 従来の定着装置の第２例を示す断面図である。

符号の説明

１０…加熱回転体
１１，１１ａ，１１ｂ…第１の熱源
１２，１２ａ〜１２ｄ…バックアップ部材
１３…サーミスタ
２０…加圧回転体
２２…弾性層
２３…バックアップ部材
３０…外部加熱回転体
３２，３２ａ…第２の熱源
３３…サーミスタ
３４…バックアップ部材

Claims (8)

1. 記録材上に形成されたトナー画像を加熱定着するための定着装置において、
   第１の熱源によって加熱される加熱回転体と、
   加熱回転体と接触して記録材を搬送するニップを形成する加圧回転体と、
   第２の熱源によって加熱され、加圧回転体と接触してニップを形成する外部加熱回転体と、を備え、
   加熱回転体、加圧回転体及び外部加熱回転体のうち少なくとも一つが無端状のベルトからなること、
   を特徴とする定着装置。
2. 加熱回転体が無端状のベルトからなることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記ベルトの内側にバックアップ部材が設置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の定着装置。
4. 加圧回転体が駆動力を伝達されるローラからなり、該ローラと前記ベルトを挟んでバックアップ部材との間に荷重が作用し、
   加圧回転体の回転に基づいて前記ベルトが従動回転すること、
   を特徴とする請求項３に記載の定着装置。
5. 加熱回転体及び加圧回転体の表面にそれぞれ弾性層を備え、加熱回転体の弾性層は厚みが５０〜２００μｍ、熱伝導率が０．３〜０．８Ｗ／ｍ・Ｋであり、加圧回転体の弾性層は厚みが４〜８ｍｍ、熱伝導率が０．１５〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の定着装置。
6. 各回転体の熱容量が、外部加熱回転体＜加圧回転体、かつ、加熱回転体＜加圧回転体であり、
   各回転体の熱伝導率が、外部加熱回転体＞加圧回転体、かつ、加熱回転体＞加圧回転体であること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の定着装置。
7. ウォームアップ時において、外部加熱回転体の設定温度は加熱回転体の設定温度よりも低く設定され、
   加圧回転体が設定温度に到達するまでの平均回転速度Ｖ１とそれ以降の平均回転速度Ｖ２とが、Ｖ１≧Ｖ２の関係にあること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の定着装置。
8. ウォームアップ時において、外部加熱回転体の設定温度は加熱回転体の設定温度よりも低く設定され、外部加熱回転体のほうが加熱回転体よりも先に設定温度に到達し、
   ウォームアップ時の前半の平均回転速度Ｖ１と後半の平均回転速度Ｖ２とが、Ｖ１≧Ｖ２の関係にあること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の定着装置。

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