JP2006309074A - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱効率が高い状態を安定して維持することができる定着装置および画像形成装置を提供すること。
【解決手段】定着装置19は、定着ローラ21と、定着ローラ21に圧接される加圧ローラとを備え、定着ローラ21と加圧ローラとの間に、未定着像を担持した記録媒体を通過させることにより、該記録媒体に未定着像を定着させるものである。定着ローラ21は、筒状をなす第2の筒体215と、該第2の筒体215の外周側に設けられた弾性層216とを有する回転体214と、第2の筒体215の内周面215aに沿って、かつ、回転中心から離間した位置に内周面215aと間隙219を介して配置された面状ヒータ210とを備えている。
【選択図】図6

Description

本発明は、定着装置および画像形成装置に関するものである。
プリンタ、コピー、ファクシミリ等ようなの画像形成装置には、トナーにより形成されたトナー像を未定着状態で担持する記録用紙(記録媒体)を加熱および加圧することにより、前記トナー像を記録用紙に定着させる定着装置が備えられているものがある。
従来、このような定着装置としては、加熱手段を内蔵した定着ローラと加圧ローラとからなる一対のローラのニップ部に、トナー像が転写された用紙を通過させて、定着ローラ(加熱手段)による加熱と2つのローラによる加圧とにより、トナー像を用紙に融着させる定着装置が広く用いられている。
加熱手段としては、ハロゲンヒータで加熱するよう構成されたものがある(例えば、特許文献1(図5)参照)。また、他の構成の加熱手段としては、励磁コイルから発生する高周波磁界によりトナー像に渦電流を発生させて、当該トナー像自体に熱を発生させるよう構成されたものがある(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、特許文献1の図5に記載の加熱手段は、定着ローラの回転軸とほぼ同位置に設置されているとともに、空気を媒体としてローラ本体を加熱するため、熱のロスが生じる、すなわち、熱効率が低いという問題があった。また、この加熱手段では、クイックヒートを行なうことができないという問題や、加熱に有効な赤外線よりも加熱に寄与しない可視光を多く照射するため、消費電力が高いという問題もあった。
また、特許文献2に記載の加熱手段は、クイックヒートは可能となり、さらに消費電力も抑えることができるが、励磁コイル自体も加熱されることとなり、トナー像の温度が不安定になる、すなわち、熱効率が不安定となるという問題があった。
特開2002−351239号公報 特開2003−5577号公報
本発明の目的は、熱効率が高い状態を安定して維持することができる定着装置および画像形成装置を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の定着装置は、定着ローラと、該定着ローラに圧接される加圧ローラとを備え、前記定着ローラと前記加圧ローラとの間に、未定着像を担持した記録媒体を通過させることにより、該記録媒体に前記未定着像を定着させる定着装置であって、
前記定着ローラは、
筒状をなすローラ本体と、該ローラ本体の外周側に設けられた弾性層とを有する回転体と、
前記ローラ本体の内周面に沿って、かつ、回転中心から離間した位置に前記内周面と間隙を介して配置された面状ヒータとを備えることを特徴とする。
これにより、熱効率が高い状態を安定して維持することが可能な定着装置を提供することができる。
本発明の定着装置では、前記面状ヒータは、固定的に設置されていることが好ましい。
これにより、容易かつ安定的に通電を行なうことができる。
本発明の定着装置では、前記面状ヒータは、発熱層と、該発熱層を支持し、少なくとも外周部が絶縁性を有する支持部材とを備えることが好ましい。
これにより、面状ヒータの構成を簡単なものとすることができ、よって、当該面状ヒータの製造コストを低減(抑制)することができる。
本発明の定着装置では、前記発熱層は、自己温度調節機能を有することが好ましい。
これにより、例えばサーモスタット等の温度制御装置等を介することなく温度調節を行なうことができる。
本発明の定着装置では、前記発熱層は、インジウムティンオキサイドを主材料として構成されていることが好ましい。
これにより、例えばサーモスタット等の温度制御装置等を介することなく温度調節を行なうことができる。
本発明の定着装置では、前記発熱層の厚さは、0.01〜3.0μmであることが好ましい。
厚さが前記下限値よりも薄い(小さい)場合、均一な膜形成が難しく膜欠陥を生じることがある。また、厚さが前記上限値よりも厚い(大きい)場合、熱サイクルによりクラックが発生する恐れがある。
本発明の定着装置では、前記間隙に、伝熱媒体が充填されていることが好ましい。
これにより、発熱層からの熱を回転体に確実に伝えることができ、よって、熱効率をより向上させることができる。
本発明の定着装置では、前記伝熱媒体は、熱容量が空気の熱容量よりも小さく、かつ、熱伝導度が空気の熱伝導度よりも大きいものであることが好ましい。
これにより、発熱層からの熱を回転体に確実に伝えることができ、よって、熱効率をより向上させることができる。
本発明の定着装置では、前記弾性層の外表面は、樹脂材料で構成された樹脂層で覆われていることが好ましい。
これにより、未定着像が定着ローラ(樹脂層)に付着するのを防止することができる。
本発明の定着装置では、前記樹脂材料は、フッ素系のものであることが好ましい。
これにより、未定着像が定着ローラ(樹脂層)に付着するのを防止することができる。
本発明の画像形成装置は、本発明の定着装置を備えたことを特徴とする。
これにより、熱効率が高い状態を安定して維持することが可能な画像形成装置を提供することができる。
以下、本発明の定着装置および画像形成装置の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
[画像形成装置]
まず、本発明の画像形成装置の構成について説明する。
図1は、本発明の定着装置を備えた本発明の画像形成装置の全体構成図である。
画像形成装置1の装置本体2内には、感光体ドラムで構成される像担持体3が配設されている。この像担持体3は、図示しない駆動手段によって図示矢印方向に回転駆動される。像担持体3の周囲には、その回転方向に沿って、像担持体3を一様に帯電するための帯電装置4と、像担持体3上に静電潜像を形成するための露光装置5と、静電潜像を現像するためのロータリー現像装置6と、像担持体3上に形成された単色のトナー像を一次転写するための中間転写装置7とが配設されている。
ロータリー現像装置6は、イエロー用現像装置6Y、マゼンタ用現像装置6M、シアン用現像装置6Cおよびブラック用現像装置6Kが支持フレーム8に装着され、支持フレーム8は図示しない駆動モータにより回転駆動される構成になっている。これらの複数の現像装置6Y、6C、6M、6Kは、像担持体3の1回転毎に選択的に1つの現像装置の現像ローラ6aが像担持体3に対向するように回転移動するようにされている。なお、各現像装置6Y、6C、6M、6Kには各色のトナーが収納されたトナー収納部が形成されている。
中間転写装置7は、駆動ローラ9および従動ローラ10と、両ローラにより図示矢印方向に駆動される中間転写ベルト11と、中間転写ベルト11の裏面で像担持体3に対向して配設された一次転写ローラ12と、中間転写ベルト11上の残留トナーを除去する転写ベルトクリーナ13と、駆動ローラ9に対向して配設され、中間転写ベルト11に形成された4色フルカラー像を記録媒体(紙等)上に転写するための二次転写ローラ14とを有している。
装置本体2の底部には給紙カセット15が配設され、給紙カセット15内の記録媒体は、ピックアップローラ16、記録媒体搬送路17、二次転写ローラ14、定着装置19を経て排紙トレイ20に搬送されるように構成されている。
次に、上記のような構成の画像形成装置の作用について説明する。
図示しないコンピュータからの画像形成信号が入力されると、像担持体3、現像装置6の現像ローラ6aおよび中間転写ベルト11が回転駆動し、先ず、像担持体3の外周面が帯電装置4によって一様に帯電され、一様に帯電された像担持体3の外周面に、露光装置5によって第1色目(例えばイエロー)の画像情報に応じた選択的な露光がなされ、イエローの静電潜像が形成される。
像担持体3上に形成された潜像位置には、イエロー用現像装置6Yが回動してその現像ローラ6aが当接し、これによってイエローの静電潜像のトナー像が像担持体3上に形成され、次に、像担持体3上に形成されたトナー像は一次転写ローラ12により中間転写ベルト11上に転写される。このとき、二次転写ローラ14は中間転写ベルト11から離間されている。
上記の処理が画像形成信号の第2色目、第3色目、第4色目に対応して、像担持体3と中間転写ベルト11の1回転による潜像形成、現像、転写が繰り返され、画像形成信号の内容に応じた4色のトナー像が中間転写ベルト11上において重ねられて転写される。そして、このフルカラー画像が二次転写ローラ14に達するタイミングで、記録媒体が搬送路17から二次転写ローラ14に供給され、このとき、二次転写ローラ14が中間転写ベルト11に押圧されるとともに二次転写電圧が印加され、中間転写ベルト11上のフルカラートナー像(未定着像)が記録媒体上に転写される。そして、当該トナー像を担持した記録媒体を、定着ローラ21と加圧ローラ22との間、すなわち、定着装置19を通過させることにより、トナー像が加熱加圧され記録媒体に定着される。中間転写ベルト11上に残留しているトナーは転写ベルトクリーナ13によって除去される。
なお、両面印刷の場合には、定着装置19を出た記録媒体は、その後端が先端となるようにスイッチバックされ、両面印刷用搬送路23を経て、二次転写ローラ14に供給され、中間転写ベルト11上のフルカラートナー像が記録媒体上に転写され、再び定着装置19により加熱加圧され定着される。
定着装置19は、熱源を有する定着ローラ21とこれに圧接される加圧ローラ22とを有し、定着ローラ21と加圧ローラ22の軸を結ぶ線は水平線からθの角度を有するように配置されている。なお、0°≦θ≦30°である。
[定着装置]
以下、本発明の定着装置について、詳細に説明する。
図2〜図6は、図1の定着装置19の詳細を示し、図2は、本発明の定着装置の一部破断面を示す斜視図であり、図3は、図2の定着装置の平面図であり、図4は、図2に示す加圧ローラおよび定着ローラの取付状態を示す側面図であり、図5は、図2に示す加圧ローラの断面図であり、図6は、図2に示す定着ローラの断面図である。
図2および図3において、ハウジング24内には定着ローラ21の回転体214が回動自在に装着され、定着ローラ21(回転体214)の一端には駆動ギヤ28が連結されている。そして、定着ローラ21に対向して加圧ローラ22が回動自在に装着されている。加圧ローラ22の軸方向長さは定着ローラ21のそれよりも短く、その空いたスペースに軸受25が設けられ、加圧ローラ22の両端は軸受25により支持されている。軸受25には加圧レバー26が回動可能に設けられ、加圧レバー26の一端とハウジング24間には加圧スプリング27が配設され、これにより加圧ローラ22と定着ローラ21が加圧されるように構成されている。
ハウジング24の両側面には、支持軸29、30が設けられており、この支持軸29、30にそれぞれ、定着ローラ21側の剥離部材31と、加圧ローラ22側の剥離部材32とが回動自在に装着されている。これにより、定着ローラ21と加圧ローラ22との軸方向でニップ部N(図4参照)の記録媒体搬送方向下流側に剥離部材31、32が配設されることになる。
図6に示すように、加圧ローラ22は、金属製の筒体221と、筒体221に固定された回転軸222と、回転軸222を軸支持する軸受25と、筒体221の外周に設けられたシリコンゴム等で構成された弾性層223と、弾性層223の表面に被覆された表層224とを有している。
表層224は、例えば、フッ素ゴム、フッ素樹脂(例えばパーテトラフロロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA))等から構成される。このよう材料で構成された表層224を設けることにより、トナーが加圧ローラ22(表層224)に付着するのを防止することができる。
なお、回転軸222は、図示のように、中空体で構成されているのに限定されず、中実体で構成されていてもよい。
図6に示すように、定着ローラ21は、回転体214と、回転体214と同心的に、回転体214の内側に設けられた面状ヒータ(面ヒータ)210とを備えている。
面状ヒータ210は、回転体214の第2の筒体(ローラ本体)215の内周面215aに沿って、かつ、回転中心から離間した位置に内周面215aと間隙219を介して配置されている。
この面状ヒータ210は、発熱層213と、該発熱層213を支持する支持部材220とを備えている。これにより、面状ヒータ210の構成を簡単なものとすることができ、よって、面状ヒータ210の製造コストを低減(抑制)することができる。
支持部材220は、金属製の第1の筒体211と、第1の筒体211の外周面(表面)の全周に渡って(沿って)に設けられた絶縁層212とで構成されている。
絶縁層212は、例えば、ポリイミド等の耐熱性樹脂、SiO等から構成することができる。また、絶縁層212の厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜100μmであることが好ましく、30〜50μmであることがより好ましい。
発熱層213は、絶縁層212の表面の全周に渡って形成されている。この発熱層213は、通電により発熱することができる。この通電方法としては、特に限定されないが、例えば、発熱層213の回転軸方向の両端部に電極部を設けて、当該電極を介して行なう方法などが挙げられる。
発熱層213を構成する主材料としては、特に限定されないが、例えば、インジウムティンオキサイド(ITO)、カーボン系材料、チタン酸バリウム系セラミック(BaTiO)、Fe−Cr−Al合金、Ni−Cr合金等が挙げられる。
上述したような材料の中でも、ITO、カーボン系材料、BaTiO等、自己温度調節機能(PTC)を有する材料が好ましい。自己温度調節機能を有する材料を用いることにより、例えばサーモスタット等の温度制御装置等を介することなく温度調節が可能である。また、温度制御装置を省略することができ、よって、定着装置19の小型化、省電力化を図ることが可能になる。
また、自己温度調節機能を有する材料は、電圧を印加すると、ジュール熱により、当該材料自体の温度が上昇するが、一旦所定温度に到達すると電気抵抗が急激に高くなり、すなわち、電流が抑えられ、前記所定温度を維持することができる。このように、自己温度調節機能を有する材料は、所定温度以上に発熱することが防止され、安全性にも優れている。
発熱層213の厚さtは、特に限定されないが、例えば、0.01〜3.0μmであるのが好ましく、0.05〜1.0μmであるのがより好ましい。厚さtが前記下限値よりも薄い(小さい)場合、均一な膜形成が難しく、膜欠陥を生じることがある。また、厚さtが前記上限値よりも厚い(大きい)場合、熱サイクルによりクラックが生じる恐れがある。
また、発熱層213の形成方法としては、特に限定されず、例えば、スプレー熱分解法、スパッタリング、ディッピング法等を用いることができる。
このような構成の面状ヒータ210は、ハウジング24に固定的に設置されている。これにより、定着装置19の駆動時には、面状ヒータ210が回転せずに、回転体214のみが回転することとなり、よって、回転体214に通電するよりも、ノイズの発生が防止され、安定的に通電を行なうことができる。
回転体214は、発熱層213(面状ヒータ210)の外周側に位置する(設けられた)金属製の第2の筒体215と、第2の筒体215の外周面に設けられた弾性層216と、弾性層216の外周面を被覆する表層217とを有し、これらが一体で回転する。
図6に示すように、弾性層216は、第2の筒体215の表面の全周に渡って形成されている。
弾性層216の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、ヒドリンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムのような各種ゴム材料(特に加硫処理したもの)や、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマーが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を混合して用いることができる。
また、弾性層216の厚さは、加圧ローラ22の弾性層223の厚さより小さいのが好ましい。これにより、図4に示すように、加圧ローラ22側が凹状をなすようなニップ部Nを確実に形成することができる。
また、弾性層216の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、例えば、0.1〜3mmであるのが好ましく、0.5〜1.5mmであるのがより好ましい。
弾性層216の表面(外表面)は、その全周に沿って形成された表層(樹脂層)217で覆われている。
この表層217は、樹脂材料で構成されており、その材料としては、特に限定されないが、例えば、フッ素系のもの(例えばパーテトラフロロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA))等が挙げられる。これにより、トナーが定着ローラ21(表層217)に付着するのを防止することができる。
なお、表層217の厚さとしては、特に限定されず、例えば、1〜100μmであるのが好ましく、30〜80μmであるのがより好ましい。
図6に示すように、間隙219には、伝熱媒体218が充填されている。この伝熱媒体218としては、特に限定されないが、例えば、オイル等の液体や、微粒子(固体)等が挙げられ、これらは、熱容量が空気の熱容量よりも小さく、かつ、熱伝導度が空気の熱伝導度よりも大きいのが好ましい。
このような伝熱媒体218が間隙219に充填されていることにより、発熱層213からの熱を回転体214に確実に伝えることができ、よって、熱効率をより向上させることができる。
なお、間隙219の大きさ(厚さ)としては、特に限定されず、例えば、0.5〜10mmであるのが好ましく、0.5〜5mmであるのがより好ましい。間隙219の大きさが前記下限値よりも小さい(薄い)場合、回転体と面状ヒータ210との取り付け位置精度によっては、回転体と面状ヒータ210とが干渉するおそれがある。また、間隙219の大きさが前記上限値よりも大きい(厚い)場合、熱効率が低下するおそれがある。
以上のように、定着装置19では、発熱層213が定着ローラ21の中心から径方向に離間した位置に設置されているため、熱効率を低下させずに発熱層213からの熱を記録媒体に確実に伝えることができる、すなわち、熱効率が高い状態を安定して維持することができる。
また、定着装置19では、発熱層213が定着ローラ21の中心から径方向に離間した位置に設置されているため、定着ローラ21の最外表面を迅速に加熱することができる、すなわち、クイックヒートが可能となる。定着装置19では、1枚の紙(記録媒体)に印刷をする場合、通常、印刷開始から印刷終了までの時間を15秒とすることができる。
また、発熱層213の全体としての形状が筒状をなしていることにより、定着ローラ21の最外表面における温度ムラが生じるのを防止する、すなわち、温度分布を均一にすることができる。これにより、記録媒体に未定着像を安定して定着させることができる、すなわち、印字品質を向上させることができる。
また、定着装置19では、従来のように熱源(加熱手段)としてハロゲンヒータを用いた場合よりも消費電力を抑えることができる。定着装置19では、通常、消費電力を300W程度とすることができる。
また、例えばはがきのような小型の用紙が定着装置19を通過した場合であっても、発熱層213が自己温度制御機能を有する材料で構成されているため、定着ローラ21の中心軸方向の端部が過剰に熱せられるのが防止される。これにより、定着ローラ21の温度調整によるスタンバイ時間を省略することができ、よって、連続通紙(連続印刷)を行なうことができる。
なお、支持部材220は、金属製の第1の筒体211と絶縁層212とで構成されたものであるのに限定されず、例えば、全体として絶縁性材料で構成されたものであってもよい。
また、間隙219には、液体や固体が充填されているのに限定されず、例えば、空気等の気体が充填されていてもよい。
また、面状ヒータ210は、固定的に設置されているのに限定されず、例えば、回転体214と同様に、回転可能に設置されていてもよい。面状ヒータ210が回転可能に設置されている場合、その回転方向は、回転体214と同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、回転速度は、回転体214と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
以上、本発明の定着装置および画像形成装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、定着装置および画像形成装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
本発明の定着装置を備えた本発明の画像形成装置の全体構成図である。 本発明の定着装置の一部破断面を示す斜視図である。 図2の定着装置の平面図である。 図2に示す加圧ローラおよび定着ローラの取付状態を示す側面図である。 図2に示す加圧ローラの断面図である。 図2に示す定着ローラの断面図である。
符号の説明
1……画像形成装置 2……装置本体 3……像担持体 4……帯電装置 5……露光装置 6……ロータリー現像装置 6Y……イエロー用現像装置 6M……マゼンタ用現像装置 6C……シアン用現像装置 6K……ブラック用現像装置 6a……現像ローラ 7……中間転写装置 8……支持フレーム 9……駆動ローラ 10……従動ローラ 11……中間転写ベルト 12……一次転写ローラ 13……転写ベルトクリーナ 14……二次転写ローラ 15……給紙カセット 16……ピックアップローラ 17……記録媒体搬送路 19……定着装置 20……排紙トレイ 21……定着ローラ 210……面状ヒータ 211……第1の筒体 212……絶縁層 213……発熱層 214……回転体 215……第2の筒体(ローラ本体) 215a……内周面 216……弾性層 217……表層 218……伝熱媒体 219……間隙 220……支持部材 22……加圧ローラ 221……筒体 222……回転軸 223……弾性層 224……表層 23……両面印刷用搬送路 24……ハウジング 25……軸受 26……加圧レバー 27……加圧スプリング 28……駆動ギヤ 29、30……支持軸 31……剥離部材 32……剥離部材 N……ニップ部(定着ニップ部)

Claims (11)

  1. 定着ローラと、該定着ローラに圧接される加圧ローラとを備え、前記定着ローラと前記加圧ローラとの間に、未定着像を担持した記録媒体を通過させることにより、該記録媒体に前記未定着像を定着させる定着装置であって、
    前記定着ローラは、
    筒状をなすローラ本体と、該ローラ本体の外周側に設けられた弾性層とを有する回転体と、
    前記ローラ本体の内周面に沿って、かつ、回転中心から離間した位置に前記内周面と間隙を介して配置された面状ヒータとを備えることを特徴とする定着装置。
  2. 前記面状ヒータは、固定的に設置されている請求項1に記載の定着装置。
  3. 前記面状ヒータは、発熱層と、該発熱層を支持し、少なくとも外周部が絶縁性を有する支持部材とを備える請求項1または2に記載の定着装置。
  4. 前記発熱層は、自己温度調節機能を有する請求項3に記載の定着装置。
  5. 前記発熱層は、インジウムティンオキサイドを主材料として構成されている請求項3または4に記載の定着装置。
  6. 前記発熱層の厚さは、0.01〜3.0μmである請求項3ないし5のいずれかに記載の定着装置。
  7. 前記間隙に、伝熱媒体が充填されている請求項1ないし6のいずれかに記載の定着装置。
  8. 前記伝熱媒体は、熱容量が空気の熱容量よりも小さく、かつ、熱伝導度が空気の熱伝導度よりも大きいものである請求項7に記載の定着装置。
  9. 前記弾性層の外表面は、樹脂材料で構成された樹脂層で覆われている請求項1ないし8のいずれかに記載の定着装置。
  10. 前記樹脂材料は、フッ素系のものである請求項9に記載の定着装置。
  11. 請求項1ないし10のいずれかに記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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