JP2007047224A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 磁束によって発熱する発熱層を具備する発熱部材23と、発熱部材23の表裏面を挟むように配設されるとともに交番電流が印加されて磁束を発生させるコイル部25と、を備える。そして、発熱層23は、その温度が発熱層23が有するキューリー点以下であるときの交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して3倍以上の厚さとなるように形成される。
【選択図】 図3
Description
このような電磁誘導加熱方式の定着装置は、少ないエネルギー消費で短い立ち上げ時間にて、定着ベルトの表面温度(定着温度)を所望の温度まで昇温できるものとして知られている。
一般的な画像形成装置は、幅方向のサイズが異なる数種類の記録媒体に対して、画像形成ができるように構成されている。ここで、幅方向サイズの異なる記録媒体とは、JIS寸法のA列やB列における種々の定形サイズの記録媒体の他に、不定形サイズの記録媒体も含まれる。また、同一サイズ(例えば、A4サイズである。)の記録媒体であっても、長手方向を搬送方向にした場合と、短手方向(長手方向に直交する方向である。)を搬送方向にした場合とでは、幅方向サイズの異なる記録媒体を扱っていることになる。
すなわち、キューリー点を有する材料(自己温度制御が可能な材料である。)にて発熱層を形成するとともに、発熱部材の表裏面を挟むようにコイル部を配設することによって、コイル部を発熱部材の片面側にのみ対向させて配設したときに比べて、発熱部材における発熱効率と自己温度制御の能力(自己温度制御性)とを高めることができる。そして、コイル部に挟まれた発熱部材における発熱層の厚さを適正化することによって、発熱部材における発熱効率及び自己温度制御性をさらに高めることができる。
図1〜図6にて、この発明の実施の形態1について詳細に説明する。
まず、図1にて、画像形成装置全体の構成・動作について説明する。
図1において、1は画像形成装置としてのレーザープリンタの装置本体、3は画像情報に基いた露光光Lを感光体ドラム18上に照射する露光部、4は装置本体1に着脱自在に設置される作像部としてのプロセスカートリッジ、7は感光体ドラム18上に形成されたトナー像を記録媒体Pに転写する転写部、10は出力画像が載置される排紙トレイ、11、12は転写紙等の記録媒体Pが収納された給紙部、13は記録媒体Pを転写部7に搬送するレジストローラ、15は手差し給紙部、18は像担持体としての感光体ドラム、20は記録媒体P上の未定着画像を定着する定着装置を示す。
まず、露光部3から、画像情報に基づいたレーザ光等の露光光Lが、プロセスカートリッジ4の感光体ドラム18上に向けて発せられる。感光体ドラム18は図中の反時計方向に回転しており、所定の電子写真プロセス(帯電工程、露光工程、現像工程)を経て、感光体ドラム18上に画像情報に対応したトナー像が形成される。
その後、感光体ドラム18上に形成されたトナー像は、転写部7で、レジストローラ13により搬送された記録媒体P上に転写される。
まず、画像形成装置本体1の複数の給紙部11、12、15のうち、1つの給紙部が自動又は手動で選択される(例えば、最上段の給紙部11が選択されたものとする。)。そして、給紙部11に収納された記録媒体Pの最上方の1枚が、搬送経路Kの位置に向けて搬送される。その後、記録媒体Pは、搬送経路Kを通過してレジストローラ13の位置に達する。そして、レジストローラ13の位置に達した記録媒体Pは、感光体ドラム18上に形成されたトナー像と位置合わせをするためにタイミングを合わせて、転写部7に向けて搬送される。
こうして、一連の画像形成プロセスが完了する。
図2に示すように、定着装置20は、主として、定着補助ローラ21、定着ベルト22、支持ローラ23、誘導加熱部24、加圧ローラ30、サーミスタ38、ガイド板35、分離板36等で構成される。
3×δ≦D≦17×δ …式(1)
なる関係が成立するように設定されたものである。これについては、後で詳しく説明する。
ここで、発熱部材としての支持ローラ23の材料として、ニッケル、鉄、クロム、又は、それらの合金等の磁性導電性材料を用いることができる。本実施の形態1では、支持ローラ23の材料として、キューリー点が定着可能温度以上であって300度以下となる整磁合金を用いている。具体的には、ニッケル、鉄、クロムの合金であって、各材料の添加量と加工条件とを調整することで所望のキューリー点を得ることができる。さらに、ニッケル、鉄、クロムの合金は、比透磁率を調整して浸透深さを小さくすることができるために、熱容量を小さくすることもできる。
なお、本実施の形態1では、支持ローラ23を発熱層のみの構成としたが、支持ローラ23の発熱層上に補強層、弾性層、断熱層等を設けることもできる。
図2を参照して、発熱部材としての定着ベルト22(定着部材)は、支持ローラ23と定着補助ローラ21とに張架・支持されている。
定着ベルト22は、基材(内周面側に配設される。)上に、弾性層、離型層が順次形成された、多層構造のエンドレスベルトである。基材は、絶縁性の耐熱樹脂材料からなり、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、PEEK、PES、PPS、フッ素樹脂等を用いることができる。基材の層厚は、熱容量及び強度の点から、30〜200μmに形成されている。
なお、定着ベルト22の各層の間に、プライマ層等を設けることもできる。
ここで、コイル部25は、定着ベルト22及び支持ローラ23の表裏面(内周面及び外周面である。)を挟むように配設された励磁コイルである。定着ベルト22及び支持ローラ23の一部は、ループ状のコイル部25のループ内に挟入されている。
詳しくは、図3に示すように、コイル部は、定着ベルト22及び支持ローラ23(発熱部材)の表裏面を1回挟むように離間して巻回されている。また、コイル部25は、定着ベルト22及び支持ローラ23の幅方向に平行に延設されている。コイル部25の幅方向の一端は内周面側と外周面側とを結ぶ折返し部になっていて、他端には高周波電源部40が接続されている。
定着ベルト22と加圧ローラ30との当接部の出口側には、記録媒体Pの搬送を案内するとともに記録媒体Pが定着ベルト22から分離するのを促進する分離板36が配設されている。
定着補助ローラ21の回転駆動によって、定着ベルト22は図2中の矢印方向に周回するとともに、支持ローラ23も反時計方向に回転して、加圧ローラ30も矢印方向に回転する。定着ベルト22は、支持ローラ23によって加熱される。
詳しくは、先に説明した作像プロセスを経てトナー像Tを担持した記録媒体Pが、ガイド板35に案内されながら定着ベルト22と加圧ローラ30との間に送入される(矢印Yの搬送方向の移動である。)。そして、定着ベルト22から受ける熱と加圧ローラ30から受ける圧力とによってトナー像Tが記録媒体Pに定着されて、記録媒体Pは定着ベルト22と加圧ローラ30との間から送出される。
すなわち、誘導加熱部24によって誘導加熱された支持ローラ23の温度がキューリー点を超えた場合には、支持ローラ23が磁性を失うことにより、支持ローラ23の発熱が制限される。これにより、支持ローラ23におけるジュール熱の発生量が低下して、過昇温が抑止される。
図4は支持ローラ23とコイル部25とを示す断面図であって、図5及び図6は、支持ローラ23とコイル部25とを幅方向にみた断面図である。各図中の破線矢印は、コイル部25に交番電流が流れたときに発生する磁力線を示している。
図4に示すように、コイル部25は支持ローラ23の表裏面を挟むように配設されている。これにより、図5に示すように、支持ローラ23外周面に対向するコイル部25と支持ローラ23内周面に対向するコイル部25とには、互いに逆向きのコイル電流Hが常に流れることになる。したがって、支持ローラ23を挟む双方のコイル部25によって発生される磁力線B1、B2も互いに逆の方向に回転する。そして、発熱部材としての支持ローラ23の表面と裏面とには、逆向きの渦電流A1、A2が流れて、表裏面の双方でジュール損による発熱が生じることになる。
また、渦電流が表面における電流密度の0.368倍に減少した位置における表面からの深さを電流の浸透深さδと呼ぶ。なお、浸透深さδは次式で求まる。
δ=503・〔ρ/(μf)〕1/2 …式(2)
上式(2)において、ρは発熱層の体積抵抗率(Ω・m)であり、μは発熱層の比透磁率であり、fは発熱層を励磁する交番電流の周波数(Hz)である。
浸透深さより発熱層表面から遠い位置に流れる渦電流は、発熱層表面近傍のものと比較して、非常に小さく誘導加熱にほとんど影響を与えない。発熱層の厚さが浸透深さ以上であれば、発熱層表面から進入した磁束は発熱層中でエネルギーを消失して、発熱層をほとんど透過することができなくなる。
本実施の形態1では、支持ローラ23(発熱層)の厚さを0.5mmに設定している。そのため、交番電流の周波数が30kHzであって、整磁合金の温度がキュリー点以下であれば、図5に示すように、支持ローラ23の表面と裏面とに流れる渦電流はそれぞれ発熱層表面から0.06mm程度の位置に集中して、互いの渦電流が干渉することなく支持ローラ23は誘導加熱されることになる。
その際、コイル部25によって表裏面を挟まれるように配設される発熱層(支持ローラ23)の厚さが、式(1)の関係を満足することで、上述の効果が確実なものになる。
さらに、発熱層の厚さを厚くしていくと、発熱層の温度がキュリー点よりも高くなったときの発熱量が大きくなるために、発熱層の温度がキュリー点以下のときの発熱量に対する発熱量の低下率が低くなって、発熱層の自己温度制御性が低下してしまう。本願発明者は、研究を重ねた結果、発熱層の温度がキューリー点以下であるときの交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して17倍以下の厚さ(D≦17×δ)となるように、発熱層を形成することで、支持ローラ23における高い自己温度制御性を維持できることを知得した。
このような効果を示す実験例については、後で図9〜図13にて説明する。
図7にて、この発明の実施の形態2について詳細に説明する。
図7は、実施の形態2における画像形成装置の要部を示す断面図である。本実施の形態2の画像形成装置は、タンデム型のカラー画像形成装置である点と、発熱部材及び定着部材として定着ローラ31を用いている点とが、前記実施の形態1のものとは相違する。
転写ベルト8は、矢印方向から搬送される記録媒体Pを、各感光体ドラム18Y、18M、18C、18BKとの対向位置に順次搬送する。このとき、バイアスローラ9に印加される転写バイアスによって、記録媒体P上に各色のトナー像が重ねて転写される。こうして、記録媒体P上にフルカラーのトナー像が形成される。その後、フルカラーのトナー像が形成された記録媒体Pは、転写ベルト8から分離されて、定着装置20に向けて搬送されることになる。
定着ローラ31は、磁性導電性材料からなる発熱層31a、シリコーンゴム等からなる弾性層、フッ素化合物等からなる離型層、等で構成される。定着ローラ31の発熱層31aは、前記実施の形態1と同様に、キューリー点が定着可能温度以上であって300℃以下となる整磁合金によって形成されるとともに、その厚さが上式(1)の関係を満足するように形成されている。定着ローラ31は、加圧ローラ30の加圧力に抗するだけの機械的強度をもつ。
そして、コイル部25に所望の周波数の交番電流が供給されることで、コイル部25のループ内に磁力線が形成されて、電磁誘導により定着ローラ31の発熱層31aが加熱される。そして、発熱層31aの発熱によって、定着ローラ31全体が加熱される。このようにして、加熱された定着ローラ31は、矢印方向から搬送される記録媒体P上のトナー像を加熱・溶融して記録媒体Pに定着する。
図8にて、この発明の実施の形態3について詳細に説明する。
図8は実施の形態3における定着装置を示す断面図であって、前記実施の形態1の図2に相当する図である。本実施の形態3の定着装置は、誘導加熱部24の位置が、前記実施の形態1のものとは相違する。
発熱板28は、前記実施の形態1における支持ローラ23と同様に、キューリー点が定着可能温度以上であって300℃以下となる整磁合金によって形成されるとともに、その厚さが上式(1)の関係を満足するように形成されている。発熱板28は、定着ベルト22の内周面に、所定の圧力で当接している。
本実施の形態3においても、発熱板28(発熱層)の温度がキューリー点を超えた場合には、前記実施の形態1と同様に、発熱板28の発熱が効率よく制限されることになる。
図9〜図13にて、上記各実施の形態で述べた効果を確認するための実験例について説明する。
実験は、前記実施の形態1における定着装置20を用いて、支持ローラ23の厚さ(発熱層の厚さである。)を変更して、支持ローラ23の発熱量を計測したものである。
図9及び図10は、周波数が30kHzの交番電流を一定電圧でコイル部25に印加したときの、支持ローラにおける厚さと発熱効率との関係を示すグラフである。図9は支持ローラ23の温度がキューリー点以下であるときのものであって、図10は支持ローラ23の温度がキューリー点以上であるときのものである。図9において、横軸は支持ローラ23の厚さを示し、縦軸は支持ローラ厚さが0.06mmのときの発熱量Q1を基準とした発熱量の増減率((Q−Q1)/Q1)を示す。図10において、横軸は支持ローラ23の厚さを示し、縦軸は支持ローラ厚さが0.06mmのときの発熱量Q2を基準とした発熱量の増減率((Q−Q2)/Q2)を示す。
本実験における定着装置の構成においては、支持ローラの温度がキュリー点以下であるときの発熱効率が重要となる。すなわち、周波数が30kHzの交番電流を用いて支持ローラを誘導加熱する場合、支持ローラの厚さは0.3mm以上にすることが好ましいことがわかる。
これらのことから、発熱層の温度がキューリー点以下であるときの交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して3倍以上の厚さ(D≧3×δ)となるように、発熱層を形成することで、効率の良い誘導加熱定着をおこなうことができることがわかる。
図12は、支持ローラの温度がキューリー点以下からキューリー点以上に変化したときの、支持ローラの発熱量の変化率(発熱低下率)を示したものである。図12において、横軸は支持ローラ厚さを示し、縦軸は発熱低下率を示す。ここで、発熱低下率Mは、支持ローラの温度がキューリー点以下であるときの発熱量をQ1として、支持ローラの温度がキューリー点以上であるときの発熱量をQ2としたときに、
(Q2−Q1)/Q1 …式(3)
で求まる。したがって、発熱低下率の負(−)の値が大きいほど自己温度制御能力が大きいことになる。
したがって、発熱層の厚さを厚くしすぎると、自己温度制御能力が低下して、小サイズの記録媒体を連続的に定着した場合や装置が突発的に駆動停止した場合等に、支持ローラの過昇温を抑止できなくなってしまう。
本実験における定着装置の構成においては、周波数が30kHzの交番電流を用いて支持ローラを誘導加熱する場合、支持ローラの厚さは1.0mm以下にすることが好ましいことがわかる。
これを、交番電流の周波数の依存性をなくすため、支持ローラの温度がキューリー点以下であるときの支持ローラ厚さ/浸透深さとの関係で表すと、支持ローラ厚さが浸透深さの17倍以下なったとき(D≦17×δ)、支持ローラの自己温度制御性が高まることがわかる。
なお、日本国では省エネ法に基づき、複写機等の画像形成装置の立ち上げ時間が30秒以下であれば、使用者がプリントをおこなわない待機時に、定着部材の温度を使用可能温度よりやや低い予熱温度に保つ必要がないとされている。
前記各実施の形態では、発熱層の厚さを0.5mmに設定しているために、立ち上げ時間を30秒以下とすることができて、上述の予熱温度の設定が不要になる。したがって、装置の省エネルギー化がさらに達成されることになる。
4 プロセスカートリッジ(作像部)、 7 転写部、
8 転写ベルト、 9 バイアスローラ、
18、18BK、18Y、18M、18C 感光体ドラム、
20 定着装置、 21 定着補助ローラ、
22 定着ベルト(定着部材)、
23 支持ローラ(発熱部材、加熱部材)、 24 誘導加熱部、
25 コイル部、 28 発熱板(発熱部材、加熱部材)、 30 加圧ローラ、
31 定着ローラ(発熱部材、定着部材)、 31a 発熱層、
40 高周波電源部。
Claims (14)
- トナー像を記録媒体に定着する定着装置であって、
磁束によって発熱する発熱層を具備する発熱部材と、
前記発熱部材の表裏面を挟むように配設されるとともに、交番電流が印加されて前記磁束を発生させるコイル部と、を備え、
前記発熱層は、その温度が当該発熱層が有するキューリー点以下であるときの前記交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して3倍以上の厚さとなるように形成されたことを特徴とする定着装置。 - 前記発熱層は、その温度が前記キューリー点以下であるときの前記交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して17倍以下の厚さとなるように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- トナー像を記録媒体に定着する定着装置であって、
磁束によって発熱する発熱層を具備する発熱部材と、
前記発熱部材の表裏面を挟むように配設されるとともに、交番電流が印加されて前記磁束を発生させるコイル部と、を備え、
前記発熱層は、その温度が当該発熱層が有するキューリー点以下であるときの前記交番電流の周波数に対応した浸透深さに対して17倍以下の厚さとなるように形成されたことを特徴とする定着装置。 - 前記発熱層は、前記交番電流の周波数が30kHzのときに前記浸透深さが0.15mm以下となる金属材料からなることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の定着装置。
- 前記発熱層は、ニッケル、鉄、クロムの合金からなることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の定着装置。
- 前記コイル部は、前記発熱部材の前記表裏面を1回又は複数回挟むように離間して巻回されたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の定着装置。
- 前記発熱部材は、トナー像を溶融する定着部材を加熱する加熱部材であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の定着装置。
- 前記定着部材は、定着ベルトであって、
前記加熱部材は、定着補助ローラとともに前記定着ベルトを張架する支持ローラであって、
前記コイル部は、前記定着ベルトの外周面に対向するとともに、前記支持ローラの内周面に対向するように配設され、
前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたことを特徴とする請求項7に記載の定着装置。 - 前記発熱部材は、トナー像を溶融する定着部材であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の定着装置。
- 前記定着部材は、定着ベルトであって、
前記コイル部は、前記定着ベルトの外周面及び内周面に対向するように配設されたことを特徴とする請求項9に記載の定着装置。 - 前記定着ベルトは、支持ローラと定着補助ローラとに張架され、
前記定着補助ローラは、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに対して前記定着ベルトを介して当接するように配設されたことを特徴とする請求項10に記載の定着装置。 - 前記コイル部は、前記支持ローラを介して前記定着ベルトの内周面に対向するように配設されたことを特徴とする請求項11に記載の定着装置。
- 前記定着部材は、搬送される記録媒体を加圧する加圧ローラに当接する定着ローラであって、
前記コイル部は、前記定着ローラの外周面及び内周面に対向するように配設されたことを特徴とする請求項9に記載の定着装置。 - 請求項1〜請求項13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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