JP2007058195A - 像加熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 定着装置が制御不能となり、ヒータに大電力が連続して投入された際に、ヒータへの機械的な応力の集中を抑制し、ヒータのせん断破壊を防止する。
【解決手段】 発熱抵抗体を形成するヒータ長手領域をヒーターホルダのヒータ支持面により支持する一方で、発熱抵抗体を形成していないヒータ長手領域と対面するヒータホルダの対向面をヒータと非接触とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、複写機やプリンタに搭載される加熱定着器として用いれば好適な像加熱装置に関し、特に、基板上に発熱抵抗体が形成されたヒータと、ヒータと協同して画像を担持する記録材を搬送するニップ部を形成する弾性ローラと、を有する像加熱装置に関する。
複写機やプリンタに搭載される定着器として、セラミック製のヒータと、内周面にこのヒータが接触するポリイミドやステンレス等の材質の定着フィルムと、定着フィルムを介してヒータと定着ニップ部を形成する加圧ローラと、を有するフィルム方式の定着装置が実用化されている(特許文献1)。
このフィルム方式の定着装置の一形態として、定着フィルムにシリコーンゴム等の弾性層を設けたものもある。定着フィルムに弾性層を設けているので、記録材上のトナー像を包み込むように定着できる。したがってこの定着装置は、主にフルカラープリンタに搭載する定着装置として利用されている。
ところで、近年、画像形成装置のさらなる高速化が求められている。高速化に際しては、より短い時間でより多くの熱量を記録材に与える必要があるため、ヒータに、より大電力を投入し、発熱量を全体的に大きくする必要が生じている。
このように、画像形成装置の高速化やカラー化に伴い、ヒーターに投入される電力が大きくなると、定着装置が制御不能となり大電力が連続して投入されるトラブルが発生した際に、ヒーターが割れる、という問題が顕在化する。定着装置には、ヒータが過度に昇温した時にヒータへの給電を遮断するサーモスイッチ等の感熱素子(安全素子)が設けられており、ヒータの異常昇温時にこの素子が即座に作動すれば問題はない。しかしながら、ヒータに投入される電力が大きくなると、ヒータの昇温速度に感熱素子が追従できずに作動遅れが発生することがある。このような作動遅れが生じた時、ヒータ割れが発生しやすい。
特開平6−282200号公報
ヒーター割れが発生する主な原因として、機械的せん断破壊が挙げられる。図4は樹脂製のヒータホルダに保持されているセラミック製ヒータ149が割れた状態を示している。図4に示すようにヒーター149のセラミック製基板上に形成されている発熱抵抗体150に大電力が連続して投入されるとヒーター149が過剰に温度上昇する。その結果、ヒーターと接触しているヒーターホルダのヒーター支持面は耐熱温度を越え、溶融してしまう。
更に、ヒーターは加圧ローラ側から加圧力を受けているのでヒーター支持面ごとヒーターホルダ側へと押し込まれる。一方、セラミック基板上の発熱抵抗体150が形成されていない領域は、大電力が連続して投入された場合でもさほど温度上昇することは無い。このため、この領域のヒーターホルダ支持面の溶融は起こらないので、ヒーターがヒーターホルダ側へと押し込まれることはない。従って、図4に示すように、ヒータの発熱抵抗体150が形成された領域を支持するヒータホルダの支持面(溶融面)151と、発熱抵抗体150が形成されていない領域を支持する支持面152に段差が生じる。この段差部分により、ヒーター149への応力集中が起こる。その結果、ヒーター149のせん断破壊が起きる。ヒータホルダが軟化する前に、サーモスイッチのような感熱素子が作動すればヒータの割れは防止できるが、上述のように感熱素子の作動遅れが生じると、このヒータ割れを抑えることができない。
このように、ヒーター割れが生じた場合、ヒーターが使用不能となり、リサイクル性に劣ることに加え、ヒーターに設置されたサーミスタ等を介して、一次電圧が印加される部位と、二次側回路やGND部位との距離を十分に取れなくなり、場合によっては二次側回路が破壊され、修理費用が余計にかかる、という問題があった。
上述の課題を解決するための本発明は、基板と前記基板上に形成されている発熱抵抗体と前記基板上に形成されており前記発熱抵抗体に電力を供給するための電極とを有するヒータと、長手方向端部に前記電極に繋がれる給電コネクタを取り付けるためのコネクタ取り付け部を有し前記ヒータをその長手方向に亘って保持する樹脂製のホルダと、前記ヒータと協同してニップ部を形成する弾性ローラと、を有し、前記ニップ部で記録材に形成された画像を加熱する像加熱装置において、前記ヒータの長手方向において、前記ヒータの前記発熱抵抗体は前記ニップ部内に配置されており、前記ホルダの前記コネクタ取り付け部は前記ニップ部外に配置されており、前記ヒータの前記ニップ部側の面とは反対側の面と対向する前記ホルダの面は、前記ヒータと接触する座面領域と、前記座面領域よりも前記長手方向端部側に設けられており前記ヒータの短手方向に亘って前記ヒータと接触しない凹部領域と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、ヒータ割れを抑えることができる。
(実施例1)
(画像形成装置構成の説明)
図8に、本実施例の定着装置を搭載した画像形成装置の断面図を示す。本実施例における画像形成装置は、電子写真方式を用いて、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの4色のトナー像を重ね合わせることでフルカラー画像を得る。本実施例の画像形成装置のプロセススピードは、122mm/sec、一分間の印字枚数はUSレターサイズ紙で22枚である。また、一枚目プリント(First Page Out)までの時間(FPOT)は約13秒である。本実施例の画像形成装置においては、感光ドラム(1Y、1C、1M、1K)、帯電ローラ(2Y、2C、2M、2K)、静電潜像を顕像化するための現像ローラ(3Y、3C、3M、3K)、感光体ドラムのクリーニングブレード(4Y、4C、4M、4K)等をひとつの容器にまとめた、いわゆるオールインワンカートリッジを4つ使用している。イエロー(Y)トナーを現像器に充填したイエローカートリッジ、マゼンタ(M)トナーを現像器に充填したマゼンタカートリッジ、シアン(C)トナーを現像器に充填したシアンカートリッジ、そしてブラック(K)トナーを現像器に充填したブラックカートリッジの4つのカートリッジを使用している。本実施例の画像形成装置においては、感光体ドラム(1Y、1C、1M、1K)に露光を行うことにより静電潜像を形成する光学系5が、上記4色のトナーカートリッジに対応して設けられている。光学系としては、レーザー走査露光光学系を用いている。
画像データに基づき光学系5から出射する走査光が、帯電ローラ(2Y、2C、2M、2K)により一様に帯電された感光体ドラム(1Y、1C、1M、1K)上を露光することにより、感光体ドラム(1Y、1C、1M、1K)表面に画像データに対応する静電潜像が形成される。不図示のバイアス電源より現像ローラ(3Y、3C、3M、3K)に印加される現像バイアスを、帯電電位と露光部電位の間の適切な値に設定することで、負の極性に帯電されたトナーが、感光体ドラム(1Y、1C、1M、1K)上の静電潜像に付着し現像が行われる。感光体ドラム(1Y、1C、1M、1K)上に現像された単色トナー画像は、感光体ドラム(1Y、1C、1M、1K)と同期して略等速で回転する中間転写体6上へ転写される。本実施例においては、中間転写体として、中間転写ベルト6を用いており、駆動ローラ7によって駆動され、テンションローラ8によって張架されている。中間転写ベルト6へ感光体ドラム(1Y、1C、1M、1K)上のトナー像を転写する、一次転写手段としては、一次転写ローラ(9Y、9C、9M、9K)を用いている。一次転写ローラ(9Y、9C、9M、9K)に対して、不図示のバイアス電源より、トナーと逆極性の一次転写バイアスを印加することにより、感光体ドラムから中間転写ベルト6へトナー像が一次転写される。一次転写後、感光体(1Y、1C、1M、1K)上に残ったトナーは、クリーニングブレード(4Y、4C、4M、4K)により除去される。本実施例においては、クリーニングブレードとして、ウレタンブレードを用いている。上記工程を中間転写ベルト6の回転に同調して、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色に対して行い、中間転写ベルト6上に、各色の一次転写トナー画像を順次重ねて形成していく。単色のみの画像形成(単色モード)時には、上記工程は、目的の色についてのみ行われる。
また、記録材供給部となる記録材カセット10にセットされた記録材Pは給送ローラ11により給送される。その後、所定のタイミングで、レジストローラ12から中間転写ベルト6と二次転写手段とのニップ部に搬送される。中間転写ベルト6上に形成された一次転写トナー像は、二次転写手段たる二次転写ローラ13によって記録材P上に一括転写される。二次転写ローラ13には不図示のバイアス印加手段よりトナーと逆極性のバイアスが印加されている。14は、二次転写ローラ対向ローラである。二次転写後、中間転写ベルト6上に残ったトナーは、中間転写ベルトクリーニング手段15により除去される。本実施例においては、感光体ドラムのクリーニング手段と同様、ウレタンブレードによる中間転写体クリーニングを行っている。記録材P上に二次転写されたトナー画像は、定着手段たる定着装置を通過することで、記録材P上に溶融定着され、画像形成装置の出力画像となる。
(ヒーター構成の説明)
図5は、本発明の実施例1の定着装置に搭載したヒーター100を、上面より見た図である。また、図6は、ヒーター100を長手方向に垂直な面で切断した際の断面図である。ヒーター100は、基板101、発熱抵抗体102、電極103、絶縁コート層104、導体パターン105よりなる。基板101は、アルミナや窒化アルミ等の絶縁性のセラミック製のもの、あるいはSUS(ステンレス)等の金属板にガラスコートを施して絶縁性を確保したもの、を用いることが出来る。本実施例においては、アルミナよりなる厚み1.0mm基板を用いた。基板の長さは285mm、幅は7.5mmである。発熱抵抗体102については、導電ペーストを基板101上に塗布したり、ニクロム線等を基板101上に接着等既知の方法で固定したものを用いても良い。また、発熱抵抗体は、基板上に直接形成される必要は無く、例えば、基板への熱の拡散を防止するためのグレーズ層を介しても良い。本実施例においては、アルミナ基板101に、銀・パラジウム合金を含んだ導電ペーストをスクリーン印刷法によって図5に示す形状に形成した。厚みは20μmである。その後、焼成を行うことにより、発熱抵抗体102を形成した。本実施例に用いた発熱抵抗体102の抵抗値は14Ωとした。これにより、120Vの電圧が投入された際の定着ヒーター100の消費電力は、1029Wとなる。発熱抵抗体102の長手中央部は1.5mmの太さで、この太さの発熱抵抗体が二本、直列に形成されている。二本の発熱抵抗体間の距離は0.7mmである。発熱抵抗体102は、長手両端部において、他の部分よりも幅の狭い領域を持つ。発熱抵抗体102の幅を狭く絞ることによって、絞り部で発熱抵抗体102の抵抗が大きくなり、同じ値の電流が流れた際の発熱量が大きくなる。これにより、基板101を通じて長手端部方向へ逃げる熱を補い、長手に均一な温度分布になるようにしている。本実施例においては、絞り部分の抵抗体幅をその他の部分に対して7%狭くし、抵抗体幅を1.395mmとしている。電極103は、定着装置や画像形成装置の電源より、発熱抵抗体102に電力を供給するための接点として機能するものである。ここに給電コネクタ301の端子が繋がれる。本実施例においては、銀ペーストを、発熱抵抗体102と同様、スクリーン印刷法により均一に、厚み20μmの膜状に塗布した後に焼成を行うことにより、形成した。電極103は、基板101上に二箇所形成され、それぞれ発熱抵抗体102に接続されることにより、電極103を通してAC電圧が発熱抵抗体102に印加される。絶縁コート層104は、ガラスや樹脂等の絶縁物により形成され、発熱抵抗体102や電極103の絶縁耐圧を確保するために設けられる。本実施例においては、絶縁ガラスによるコート層を80μmの厚みでスクリーン印刷を行うことにより設けている。導体パターン105は電極103と発熱抵抗体102を接続する役割をしている。
(定着装置構成の説明)
図7に、本実施例における定着装置の断面図を示す。本実施例における定着装置は、ヒーター100、ヒーターホルダ17、サーミスタ18、定着ベルト(可撓性スリーブ)20、加圧ローラ(弾性ローラ)22、入り口ガイド23により構成される。ヒーターホルダ17は、耐熱性の高い液晶ポリマー樹脂で形成し、ヒーター100を保持し、定着ベルト20をガイドする役割を果たす。本実施例においては、液晶ポリマーとして、デュポン社のゼナイト7755M(商品名)を使用した。ゼナイト7755Mの最大使用可能温度は、約270℃である。サーミスタ18は、定着ベルト20内面の温度を検知し、温調制御を行うために配設されている。その構造は、ステンレス製のアーム先端にサーミスタ素子を取り付けたものである。定着ベルト20の回転時の揺れに追従してアームが揺動することにより、定着ベルト20内面の動きが不安定になった状態においても、サーミスタ素子が定着ベルト20内面に常に接する状態に保たれる。また、サーミスタ18は、CPU117に接続されている。CPU117は、サーミスタ18の出力をもとにヒーター100の温調制御内容を決定し、電源501からヒーター100への通電を制御する。定着ベルト20は、SUS(ステンレス)の素管を引き抜き加工により、厚さ30μmの厚みのシームレスベルト状に形成したベース層と、ベース層上にリングコート法により形成したシリコーンゴム層と、更にその上の厚み30μmのPFA樹脂チューブ層を有する。シリコーンゴム層には、極力熱伝導率の高い材質を用い、定着ベルト20の熱容量を小さくすることが望ましい。これにより、定着装置を定着可能な温度まで素早く立ち上げることができる。本実施例においては、熱伝導率が約1.0×10−3cal/sec・cm・Kと、シリコーンゴムとしては、熱伝導率が高い部類に属する材質を用いた。一方、OHT(overhead transparency)透過性や、画像上の微小なグロスムラを抑えるといった、画質の観点からは、定着ベルト20のゴム層を極力厚くすることが望ましい。検討によれば、満足のいくレベルの画質を得るためには、200μm以上のゴム厚みが必要であることが分かっている。本実施例におけるシリコーンゴム層は、厚み270μmとした。さらに、定着ベルト20表面にフッ素樹脂層を設けることで、表面の離型性が向上し、定着ベルト20表面にトナーが一旦付着し、再度記録材Pに移動することで発生するオフセット現象を防止することができる。
また、定着ベルト20表面のフッ素樹脂層を、PFAチューブとすることで、より簡便に、均一なフッ素樹脂層を形成することが可能となる。加圧ローラ22は、ステンレス製の芯金に、射出成形により、厚み約2mmのシリコーンゴム層を形成し、その上に厚み約40μmのPFA樹脂チューブを被覆してなる。入り口ガイド23は、二次転写ニップを抜けた記録材Pが、定着ニップ部に正確にガイドされるよう、記録材Pを導く役割を果たす。本実施例の入り口ガイドは、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂により形成されている。加圧ローラ22、入り口ガイド23は、それぞれフレーム24に組みつけられ、その上にヒーターホルダ17に支持された定着ヒーター100を内蔵した定着ベルト20が配置され、加圧機構(実施例2の図18参照)により、22kgf(215.6N)(片側11kgf(107.8N))の力で加圧されている。加圧機構は、不図示の圧解除機構を有し、ジャム処理時等に、加圧を解除し、記録材Pの除去が容易な構成となっている。また、本実施例の定着装置においては、加圧ローラ22が回転することによって定着ベルト20が従動回転する。その際、定着ベルト20の内面とヒーターホルダ17は摺動する構成となっている。定着ベルト20内面にはグリスが塗布され、ヒーターホルダ17と定着ベルト20内面との摺動性を確保している。通常使用においては、加圧ローラ22の回転開始とともに定着ベルト20の従動回転が開始し、ヒーター100の温度の上昇とともに定着ベルト20の内面温度も上昇していく。本実施例の定着装置にはヒーター100の裏面に安全装置としてのサーモスイッチ119が設置されている。サーモスイッチ119は、定着装置が制御不能な状態となった際に、ヒーター100への通電が停止されず、電力が投入されつづけることによる定着装置の破壊を防止するために設けられている。ヒーター100の温度が一定以上になった場合(異常昇温した場合)、その熱によりサーモスイッチが作動し、ヒーター100への通電を遮断する。また、定着ベルト20を介してヒータ100と加圧ローラ22によってニップ部が形成されている。トナー像を担持する記録材Pはニップ部で挟持搬送される。これにより記録材P上のトナー像が記録材Pに加熱定着される。
(ヒーターホルダ構成の説明)
図1は本実施例におけるヒーターホルダ17、ヒーター100及び加圧ローラ22の長手位置関係を示す図である。Aで示される領域はヒーターにおける発熱抵抗体102を形成する領域であり、Bで示される領域はそれ以外の領域、すなわち、ヒーターにおける発熱抵抗体102を形成しない領域を示している。ヒーターホルダ17におけるa1で示される面はヒータ100の発熱抵抗体102の領域Aに対する支持面(座面)を示しており、ヒーターホルダ17におけるb1で示される面はヒータ100の発熱抵抗体102を形成していない部分との対向面(凹部領域)を示している。
ヒータホルダ17の領域Bには、ヒータ100の電極103に繋がれる給電コネクタ301を取り付けるためのコネクタ取り付け部302が設けられている。また、本実施例では、加圧ローラ22の長さ(即ちニップ部の長さ)と、発熱抵抗体102の長さと、座面a1の長さと、が略同じになっている。更に、ヒータの長手方向において、ヒータ100の発熱抵抗体102は定着ニップ部内に配置されており、ヒータホルダ17のコネクタ取り付け部302は定着ニップ部外に配置されている。
図2は図1におけるA領域をヒーター面に垂直な面で切断した際の断面図である。ヒーター100はヒーターホルダ支持面a1により、加圧ローラ22から定着ベルト20を介して加えられる加圧力に対向して支持されている。図3は図1におけるBの領域を長手方向に垂直な面で切断した際の断面図である。ヒーター100とヒーターホルダ17は非接触となっており、ヒーター裏面とヒーターホルダ対向面b1間はギャップGが0.7mmとなるように設計されている。つまり、ヒータ100の定着ニップ部側の面とは反対側の面と対向するヒータホルダ17の面は、ヒータ100と接触する座面領域a1と、座面領域a1よりも長手方向端部側に設けられた凹部領域b1と、を有する。また、凹部領域b1はヒータの短手方向(記録材搬送方向)に亘ってヒータ100と接触しない領域である。
本設計値はヒーターホルダの耐熱温度、ヒーターの発熱量、加圧ローラから加えられる加圧力等に応じて変えられるべきものである。
上述のように、本実施例では、加圧ローラ22の長さ(即ちニップ部の長さ)と、ヒータホルダ17の座面a1の長さと、が略同じになっている。このため、ヒータ100がヒータホルダ17と加圧ローラ22の間に挟まれた状態の時に、ヒータ100が撓んでしまうような負荷がヒータ100に加わらないようになっている。
(電力供給回路、電力制御回路)
図9を用いて、ヒータ100への電力供給回路及び電力制御回路について詳述する。
電力供給回路(AC回路)は、交流電源501と、リレー502と、トライアック118と、ヒータ100と、安全装置としてのサーモスイッチ119と、が直列に接続されて構成されている。
電力制御回路(DC回路)は、CPU117や定着ベルト20の温度を検知するサーミスタ18等から構成されている。CPU117は、定着ベルト20の温度を検知するサーミスタ18からの温度情報を基に、ヒータ100に投入する電力を決定し、トライアック118を制御する。本実施例の定着装置は、サーミスタ18の検知温度が制御目標温度(設定温度)を維持するようにCPU117がトライアック118を制御する。
リレー502は、ヒータ100が異常昇温した際などにCPU117からの指令信号によって作動し、電力供給回路を遮断するものである。
サーモスイッチ119は、ヒータ100の異常昇温に反応して作動し、電力供給回路を遮断するものである。
(過剰電力投入試験)
この定着装置を用いて、過剰電力投入試験を実施した。この試験により、ヒータ100に掛かるストレスを検証した。過剰電力投入試験条件としては、ヒーター100の昇温が最も急速になる試験条件を選択した。すなわち、制御回路のトライアック118を双方向導通状態となるように、故意に破壊し、さらにリレー502をショートさせた。この状態で、AC電源501からの通電を行い、最大電力が連続してヒータに入力される状態とした。電圧は120V圏で最も電圧の高い地域の定格127Vに対し、10%増しの電圧、すなわち、140Vを印加した。なお、定着装置を設置した環境は、室温25℃、湿度50%である。また、定着装置は、回転状態でなく、回転停止状態で実験した。回転停止状態で実験する理由は、ヒーター100に投入されたエネルギーが加圧ローラ22に奪われにくいことから、回転状態よりも定着装置に対するダメージが大きいためである。
(過剰電力投入試験結果)
上記条件にて、5回の過剰電力投入試験を実施したところ、いずれの試験においても、ヒーター100の割れは発生しなかった。つまり、ヒータ100が異常発熱することによってヒータホルダ17の座面a1が軟化しヒータ100がヒータホルダ17に埋没しても、ヒータ100の基板101にストレスは殆ど掛からなかった。
本実施例の定着装置は、図1に示したように、加圧ローラ22の長さ(即ちニップ部の長さ)と、発熱抵抗体102の長さと、座面a1の長さと、が略同じで、且つこれらの領域は略完全にオーバーラップしている。このため、座面a1が軟化しても、軟化後の座面a1の高さはヒータホルダ17の対向面b1の高さと略同じになるので、ヒータ100に過度のストレスが掛からなかったのである。
また、ヒータ100の異常発熱が続いてヒータ100の発熱抵抗体102形成領域がヒータホルダ17の座面a1に更に埋没する前に、サーモスイッチ119が作動しヒータ100への給電がストップした。このためヒータ100が割れるのを防止できている。
このとき、ヒータへ通電開始した後サーモスイッチ119が作動するまでの時間、即ち、ヒータへ通電開始した後ヒーター100への通電が遮断されるまでの時間を計測したところ、最大6.0秒、最小5.2秒、平均5.5秒であった。
また、本実施例のヒータホルダにヒータを取り付けた状態でサーモスイッチ119をわざとショートさせ、ヒータに過剰電力を投入する試験を3回実施した。この結果、何れのヒーターにおいてもヒーター割れが発生する以前に、発熱抵抗体102間にリークが発生し、その直後、回路がオープンとなった。つまり、本実施例のヒータホルダを利用したことによりヒータが割れるまでの時間が延びたために、ヒータが割れるよりも先にリークが発生した。ヒータへ通電開始した後回路がオープンとなるまでの時間はそれぞれ、8.4秒、7.9秒、8.0秒、平均8.1秒であった。このことから、本実施例の定着装置においては、ヒータ割れに対して最も厳しい条件においても、サーモスイッチが作動するまでの時間が、ヒータ割れ或いはリークが発生するまでの時間(本実施例ではリーク発生までの時間)よりも約2.6秒(8.1秒−5.5秒)早いことが分かる。つまり、本実施例の定着装置では、ヒーター割れやリークが発生する前にサーモスイッチ119が動作する可能性が極めて高く、十分な安全性が確保されていると言える。
(比較例1)
図10は本比較例におけるヒーターホルダ170、ヒーター100、の長手位置関係を示す図である。
ヒーターは本実施例と同様のヒーターを用いている。本比較例におけるヒーターホルダ170は、発熱抵抗体102を形成していないヒーター長手領域Bにおいてもヒーターホルダ支持面b2がヒーター裏面と接触している。
本ヒーターホルダ170を、実施例1と同様の定着装置にセットし、実施例1と同様に5回の過剰電力投入試験を実施した。その結果、全ての試験において、実施例1同様、ヒータが割れる前に平均5.5秒でサーモスイッチが作動した。
また、過剰電力投入試験時に、ヒーター100が割れるまでの時間を計測するため、サーモスイッチ119をわざとショートさせ、ヒーター100が割れるまで電力投入を継続する試験を3回実施した。この結果、ヒーター100が割れるまでの時間はそれぞれ、7.1秒、6.7秒、6.4秒、平均6.7秒であり、サーモスイッチは先に動作し、安全性は確保されるものの、マージンは約1.2秒(6.7秒−5.5秒)に短縮している。割れの生じた箇所は、何れも発熱抵抗体102を形成している領域Aと発熱抵抗体102を形成していない領域Bの境界領域部分であった。
すなわち、実施例1のヒーターホルダ17を用いることにより、本比較例のヒーターホルダ170を用いた場合と比較して、ヒーター割れを防止するだけでなく、安全性のマージンを1.4秒(2.6秒−1.2秒)長く確保することが出来る。
図11は過剰電力投入試験前後のヒーターホルダ170の形状を比較した図である。本比較例における過剰電力投入試験後のヒーターホルダ170を観察したところ、座面a2でヒーターホルダの溶融が確認された。これは大電力が連続で投入されると、ヒータ100の長手方向において発熱抵抗体102の領域が過剰に発熱し、ヒーターホルダ170のヒーター支持面a2が耐熱温度を越える為である。一方、ヒーターホルダの対向面b2はほぼ溶融せずに原型を留めていた。これはヒータの発熱抵抗体102を形成していない領域、即ち導体パターン105や電極103が設けられた領域では大電力が連続で投入されてもさほど発熱しないので、ヒーターホルダの耐熱温度を越えることは無い為である。
又、何れのヒーターも図11の矢印で示される発熱抵抗体102を形成するヒーターの長手領域Aと発熱抵抗体を形成しない部分の長手領域Bの境界領域部分で割れていた。これはヒータホルダ170の座面a2が溶融すると、加圧ローラ22側から受ける加圧力によりヒーター100がヒーターホルダ170側に押し込まれ、ヒーターホルダ溶融面a4とヒーター支持面b2の間に段差が生じる。その結果、この段差部分でヒーター100は応力集中を受けることになり、ヒーター割れが発生する。
同様に、本実施例のヒーターホルダ17の過剰電力投入試験後の形状を観察した。この結果、支持面a1でヒーターホルダの溶融が確認された。
図12は過剰電力投入試験前後のヒーターホルダ17の形状を比較した図である。a3は座面a1が溶融した後のヒーターホルダ溶融面を示しており、b1は発熱抵抗体を形成しないヒーター長手領域と対向する面を示している。比較例とは異なり、ヒーター割れの発生は無かった。
本実施例では図12の上図に示すように、あらかじめヒーター裏面とヒータホルダのb1面間に所定の空間(図3のギャップG)を設けることで、支持面a1が溶融してヒーターホルダ溶融面a3がヒーターホルダ側に押し込まれた時に、図12の下図に示すように溶融面a3とヒーター支持面b1がほぼ同じ高さとなり、溶融面a3と支持面b1間に段差が生じない。その結果、比較例で起きたような、長手領域Aと長手領域Bの境界領域部分でのヒーターへの応力集中は抑えられ、ヒーター割れは発生しなくなる。
以上の様に、実施例1におけるヒーターホルダ17を使用することにより、定着装置が制御不能となり、ヒーターに大電力が連続して投入されても、ヒーター割れを防止することができ、より安全性・リサイクル性に優れた定着装置を提供することが可能となる。また、ヒーターに設置されたサーミスタ等を介して、一次電圧が印加される部位と、二次側回路やGND部位との距離を十分に取れなくなり、場合によっては二次側回路が破壊され、修理費用が余計にかかるということがなくなる。
(実施例2)
本実施例は実施例1と比較し、形状の異なるヒーターホルダ99を用いることを特徴とする。ヒータホルダ以外の定着装置の構成部品は実施例1と同様のものを用いる。
図14に本実施例におけるヒーターホルダ99及び、ヒーター100、加圧ローラ22との長手位置関係を示す。また、図18に本実施例の定着装置の長手方向を表す断面図を示す。図18の307は定着装置のフレーム、306は金属製のステー、305はフレーム307とステー306の間に掛けられており定着ニップ部に圧力を掛けるためのバネ、であり、これらの部品により加圧機構が構成されている。ステー306は定着ベルト(可撓性スリーブ)20の内部に通してあり、ヒータホルダ99を加圧ローラ22に向けて押さえつけている。また、加圧ローラ22の軸の端部には加圧ローラ22に動力を伝えるためのギア308が取り付けられている。
実施例1のヒーターホルダ17のヒータ支持面a1が長方形であるのに対し、本実施例におけるヒータホルダ99のヒーター支持面(座面領域)a6は、図14に示すようにヒータ支持面a6の長手方向両端部の中央をくり抜いた形状をしており、且つ、ヒーターを記録材搬送方向上流と下流の支持面a61でのみ支持している。つまり、本実施例では、支持面a6の領域a62(第2領域)は領域a61(第1領域)よりホルダ長手方向に短く(第1領域と第2領域の差は図14の領域Cで示している)、且つ領域a61は領域a62より若干高い面になっている。よって、ヒータ支持面(座面領域)a6のうち、領域a62はヒータと接触しない。この領域a62は、ヒータ100とヒータホルダ99の間の空気層(断熱層)の厚み分布を最適化するために設けられている。これにより、ヒータ100の温度分布を最適化している。なお、領域a61の高さと領域a62の高さを同じにして、領域a62(第2領域)もヒータ100と接触する構成にしても構わない。なお、図18は領域a61部分で定着装置を長手方向に切断した断面図である。
実施例1のヒーターホルダ17と同様に、ヒーター支持面a6よりも長手方向外側にはヒータの短手方向に亘ってヒータの裏面と接触しないヒーターホルダ対向面(凹部領域)b6が設けられている。また、ヒータホルダ99の領域b6には、ヒータ100の電極103に繋がれる給電コネクタ301を取り付けるためのコネクタ取り付け部302が設けられている。このヒータホルダ対向面b6とヒーター裏面は0.7mmの間隔に設計されている。領域a62(第2領域)とヒータ裏面は0.2mmの間隔に設計されている。また、本実施例において支持面a6の長手幅は231mm、加圧ローラ長手幅は230mm、発熱抵抗体幅229mmと設計されており、
(支持面の長手幅D)≧(加圧ローラ長手幅E)≧(発熱抵抗体長手幅F)・・・(1)
の関係を満たしている。このように、定着装置長手方向において、ニップ部の領域(加圧ローラの領域)Eは第1領域a61(領域D)に含まれており、発熱抵抗体の領域Fはニップ部の領域(加圧ローラの領域)Eに含まれている。
領域Eが領域Dに含まれている理由、換言すると、領域Dが領域Eより広い理由は、ヒータ100が加圧ローラ22から力を受ける領域よりもヒータ100を支える領域を広くしてヒータ100に(ヒータ基板101に)ストレスが掛かりにくいようにするためである。また、仮に領域Fが領域Eからはみ出ている場合、はみ出た領域では発熱抵抗体102で発生する熱が加圧ローラ22側に流れずヒータ100の基板101に熱がこもり高温になる。一方、はみ出ていない領域では、加圧ローラ22に熱が伝わりやすくヒータ100の基板101は高温になりにくい。この温度差のために、ヒータ基板101に熱応力が発生し、通常使用時にもヒーター割れが起きてしまう可能性が高くなる。よって本実施例では領域Fが領域Eに含まれる構成にしている。
以上の理由により、上述した式(1)が満たされる必要がある。実施例1では(支持面の長手幅D)=(加圧ローラ長手幅E)=(発熱抵抗体長手幅F)となるように設計されており、関係式(1)を満たしている。しかし、部品交差、製造バラツキ、また、各部品の熱膨張を考慮した場合には必ずしも関係式(1)は成立しない。一方、実施例2では、部品交差、製造バラツキ、また、各部品の熱膨張を考慮しており、いかなる部品の組み合わせ、温度条件においても関係式(1)が成立しており、通常使用時にヒーター割れが発生することを防止している。
しかしながら、式(1)が満たされるだけではヒータ割れを抑えきれない場合がある。本実施例のように、領域D>領域E>領域Fという構成の場合、領域Dと領域F間(領域C)のヒータ支持面a6が異常昇温時のヒータの熱によって軟化せず、残ってしまう可能性がある。そこで本実施例では、支持面a6の領域a62(第2領域)が領域a61(第1領域)よりホルダ長手方向に短い構成になっている。この構成により、領域Dと領域F間(領域C)の支持面の面積(領域a61と領域Cで囲まれた部分)が小さくなるので、この部分はヒータの異常発熱時の熱により軟化し、ヒータ100の基板101に掛かるストレスを抑えることができる。
なお、長手方向において、第2領域は発熱抵抗体の領域に含まれているのが好ましい。また、長手方向において、第1領域の一方の端部と第2領域の一方の端部との距離(領域Cの長さ)は0.5mm以上10mm以下であるのが好ましい。
(過剰電力投入試験結果)
上記条件にて、実施例1と同様に、5回の過剰電力投入試験を実施したところ、いずれの試験においても、ヒーター100の割れは発生しなかった。このとき、サーモスイッチ119が切れ、ヒーター100への通電が遮断されるまでの時間を計測したところ、最大6.1.秒、最小5.0秒、平均5.5秒であった。また、本実施例のヒータホルダにヒータを取り付けた状態でサーモスイッチ119をわざとショートさせ、ヒータに過剰電力を投入する試験を3回実施したところ、何れのヒーターにおいてもヒーター割れは発生ぜず、それ以前に、発熱抵抗体間にリークが発生し、その直後、回路がオープンとなった。回路がオープンとなるまでの時間はそれぞれ、8.2秒、7.7秒、7.8秒、平均7.9秒であった。このことから、本実施例の定着装置においては、ヒータ割れに対して最も厳しい条件においても、ヒーター割れは発生せずに、リークが発生する前に約2.4秒のマージンを持ってサーモスイッチ119が動作し、十分な安全性が確保されていると言える。
(比較例2)
図15は本比較例におけるヒーターホルダ98、ヒーター100及び加圧ローラ22の長手位置関係を示す図である。本比較例におけるヒーターホルダ98は、領域D>領域E>領域Fという構成であるが、図のCで示される領域、すなわち、領域Dと領域Fの差分領域において実施例2のヒーターホルダ99と異なり、中央をくり抜いてなく、ヒーター支持面a7は実施例1と同様に長方形状をしている。
本ヒーターホルダ98を、実施例1と同様の定着装置および画像形成装置にセットし、実施例1と同様に5回の過剰電力投入試験を実施した。その結果、全ての試験において、実施例1同様、ヒータが割れる前に平均5.5秒でサーモスイッチが作動した。
また、過剰電力投入試験時に、ヒーター101が割れるまでの時間を計測するため、サーモスイッチ119をわざとショートさせ、ヒーター101が割れるまで電力投入を継続する試験を3回実施したところ、ヒーター101が割れるまでの時間はそれぞれ、7.3秒、6.9秒、6.6秒、平均6.9秒であり、サーモスイッチは先に動作し、安全性は確保されるものの、マージンは1.4秒に短縮している。すなわち、実施例3のヒーターホルダ99を用いることにより、本比較例のヒーターホルダ98を用いた場合と比較して、ヒーター割れを防止するだけでなく、安全性のマージンを約1秒長く確保することが出来る。
図16は過剰電力投入試験前後のヒーター100及びヒーターホルダ98の様子を示した図である。本比較例における過剰電力投入試験後のヒーターホルダ98を観察したところ、いずれのヒーターホルダにおいても、ヒータの発熱抵抗体102形成領域に対応するヒータホルダのヒーター支持面の溶融が確認された。一方、発熱抵抗体が無い領域Cのヒーター支持面は表面のみ溶融し、ほぼ原型を留めていた。これは発熱抵抗体102を形成していない部分、すなわち導体パターン105や電極103が形成されているだけの領域では大電力が連続で投入されても、さほど発熱しないものの、隣接する発熱抵抗体形成領域からの熱により、若干表面が溶融する為である。
又、何れのヒーターも図16の矢印で示される位置で割れていた。これは領域F部分のヒーターホルダが溶融すると、加圧ローラ22側から受ける加圧力によりヒーター100がヒーターホルダ98側に押し込まれ、ヒーターホルダ溶融面と領域Cにおけるヒーター支持面の間に段差が生じる。その結果、この段差部分でヒーター100は応力集中を受けることになり、ヒーター割れが発生する。
図17は過剰電力投入試験前後のヒーター100及びヒーターホルダ99の様子を示した図である。同様に、本実施例における過剰電力投入試験後のヒーターホルダ99を観察したところ、比較例と同様に何れのヒーターホルダにおいても、領域Fのヒーターホルダの溶融が確認された。また、比較例とは異なり、領域Cで同様に支持面の溶融が確認された。ヒーター割れの発生は無かった。
本実施例においては、領域Cのヒーター支持面の接触面積はは中央をくり抜いている分、比較例の接触面積と比べ小さくなっている(領域Cと領域a61で囲まれた部分)。よって隣接する発熱抵抗体から領域Cに流入してくる熱が支持面に集中し易くなり、支持面の溶融を促進している。ここで、領域Cにおける支持面が溶融すると領域Cと領域F及び領域b6の間に段差が生じないので、比較例で起きたような、ヒーターへの応力集中は抑えられ、ヒーター割れは発生しなくなる。
また、本実施例のように領域Cのヒーター支持面の接触面積を小さくしなくとも、領域Cにおけるヒーター支持面の材質を他の部分と変え、過剰電力が投入された場合に溶け易くすることで領域Cと領域F及び領域b6の間に段差を生じなくすることは可能であり、ヒーターへの応力集中は抑えられることは実証済である。
以上述べた様に、実施例2におけるヒーターホルダ99を使用することにより、通常使用時におけるヒーター割れを防止することが出来るとともに、定着装置が制御不能となり、ヒーターに大電力が連続して投入されても、ヒーター割れを防止することができ、より安全性・リサイクル性に優れた定着装置を提供することが可能となる。また、ヒーターに設置されたサーミスタ等を介して、一次電圧が印加される部位と、二次側回路やGND部位との距離を十分に取れなくなり、場合によっては二次側回路が破壊され、修理費用が余計にかかるということがなくなる。
(実施例3)
図19は実施例3を示す図であり、実施例2と異なるのは、ヒータホルダ95の長手方向端部にヒータの裏面を保持する座面(端部座面領域)Hを設けたことである。その他は実施例2と同じであり、領域b6はヒータホルダがヒータ裏面を全く支持しない領域である。座面a6の形状も実施例2と同じである。
この実施例3では、コネクタ取り付け部302が領域Hに配置されているので、コネクタ301の姿勢が安定するというメリットがある。
なお、実施例3の場合、ヒータが異常発熱しても座面Hは殆ど溶融しない。しかしながら、座面Hは領域b6よりもヒータホルダ95の長手方向端部に設けられているので、座面a6が溶融してヒータに加圧ローラから力が掛かっても、ヒータの反りを小さく抑えることが出来、ヒータに掛かるストレスを小さく抑えることができる。
(実施例4)
本実施例は、実施例1〜3の定着装置よりも、低消費電力、高速画像定着に適した定着装置を用いることを特徴とする。
(定着装置構成の説明)
図13は本実施例における定着装置の概略構成図である。110は加熱ローラ(弾性ローラ)、120は加熱ローラ110とニップ部Nを形成する加圧ローラ、133は加熱ローラ110をローラ外側から加熱する外部加熱手段である。この加熱ローラ110は外径25mmであり、ローラ基体140がセラミック多孔質体であり、φ8mmのアルミ製芯金130はローラ基体140の内径部にエポキシ樹脂系接着剤で固定してある。ローラ基体140の外周面には、弾性層として厚さ1mmのシリコーンゴム層122を形成具備させ、更にその外周面に離型層(表層)としてフッ素ゴム層111を形成具備している。
上記の加熱ローラ110は芯金130の両端部を軸受を介して、装置側板間に回転自在に軸受保持させてあり、不図示の駆動系により矢印の時計方向に所定の周速度にて回転駆動される。
加圧ローラ120は外径25mmであり、外径11mmのアルミ製芯金230と、この芯金周りに同心一体にローラ状に形成した厚さ7mmの中実のシリコーンゴム層220からなる耐熱性・弾性ローラである。外周には離型層210として30μmのPFAチューブが被せてある。なお、加圧ローラ120の表面硬度は60°(ASKER−C、500g荷重時)とした。
この加圧ローラ120は加熱ローラ110の下側に並行して配列し、芯金230の両端部を回転自在に軸受保持させるとともに、不図示の付勢手段により加熱ローラ110の下面に25Kgf(245N)の加圧力をもって圧接ニップ部(定着ニップ部)Nを形成している。
加圧ローラ120は前記の加熱ローラ110の回転に従動回転し、ニップ部Nに記録材Pが導入されると、加熱ローラ110と協働して記録材Pを挟持搬送する。外部加熱手段133はフィルム加熱方式のヒータユニット(熱供給ユニット)である。310は外径20mm、厚み60μmのエンドレス(円筒状)の耐熱性フィルム(可撓性スリーブ)、320は窒化アルミからなる厚さ0.7mmの基板を採用している。ヒーターホルダ330は実施例1〜3と同様に液晶ポリマー(デュポン社のゼナイト7755M(商品名))からなる。形状は実施例1〜3のいずれかとほぼ同様である。実施例1と同様のヒータホルダの場合、発熱抵抗体を形成するヒーター長手領域Aはヒーター支持面a1により支持され、それ以外の発熱抵抗体を形成していないヒーター長手領域Bと対向する対向面b1は支持面a1より低くなっており、ヒーター裏面と対向面b5間に0.8mmの空間を設けるように設計されている。
エンドレスフィルム310は、ヒーター320を含むヒーターホルダ330にルーズに外嵌させてある。フィルム310は熱容量を小さくしてクイックスタート性を向上させるために、フィルム膜厚は30μmのポリイミドを用いており、外周表面にPTFEをコーティングしている。上記のフィルム310・ヒーター320・フィルムガイド部材330等で外部加熱手段としてのヒータユニット133が構成されており、このヒータユニット133のヒーター320側を加熱ローラ110に対向させて不図示の付勢手段にて所定の押圧力で押圧している。フィルム310は、加熱ローラ110の回転に伴い、ヒーター320と摺動しながら図の矢印で示す反時計方向に加熱ローラ110の回転周速度に略対応した周速度をもって回転する。
ヒーター320には、サーミスタ360が裏面より当接され、ヒーター320の温度を検知しており、CPU117に接続されている。CPU117は、サーミスタ113からの情報をもとにヒーター320に投入する電力を決定し、トライアック118を制御する。CPU117で決定・制御された電力がヒータに投入されることにより、加熱ローラ110が所定の定着温度に加熱され、加熱ローラ110と加圧ローラ120のニップ部Nに未定着のトナー像を担持した記録材Pが導入され、挟持搬送されることによって、記録材P上の未定着トナー像の加熱定着が行われる。
また、ヒーター320裏面には、安全装置として、不図示のサーモスイッチがヒーター320に接触して設置されている。万一、定着装置が制御不能な状態となり、ヒーター320への通電が停止されず、ヒーター320の温度が一定以上になった場合、通電を遮断し、安全に定着装置を停止させることを目的としている。本構成の特徴としては、基体がセラミック多孔質体130である低熱容量の加熱ローラ110と、外部加熱手段として加熱効率の良いフィルム加熱方式のヒータユニット130を用いている。そのためウォームアップ時や通紙時も、素早く加熱ローラ110表面を所定温度に温めることが可能であり、ウォームアップタイムの短縮、また消費電力の低減を実現することができる。また、フィルム加熱方式と比較すると、セラミック多孔質体130の剛性により、強い加圧力をかけることができるため、その分定着に必要な熱エネルギーを抑えることができ、熱ローラ方式と同等の定着スピードを実現できる。
本実施例の定着装置に実施例1〜3に示したようなヒータホルダを適用しても、ヒータの割れを抑えることができる。
本発明は上述した例にとらわれるものではなく、技術思想内の変形を含むものである。
実施例1における、ヒータホルダ、ヒータ及び加圧ローラの長手位置関係を示す図である。 実施例1のA領域におけるヒータホルダとヒータの位置関係を説明するための断面図である。 実施例1のB領域におけるヒータホルダとヒータの位置関係を説明するための断面図である。 ヒーター割れを説明するための図である。 実施例1で用いたヒータの上面図である。 図5のヒータの断面図である。 実施例1の定着装置の断面図である。 画像形成装置の概略断面図である。 実施例1における電力制御回路図である。 比較例1のヒータホルダとヒータの長手位置関係を示す図である。 比較例1における、過剰電力投入試験前後のヒータホルダ形状を説明するための図である。 実施例1における、過剰電力投入試験前後のヒータホルダ形状を説明するための図である。 本発明の実施例4の定着装置の断面図である。 本発明の実施例2における、ヒーターホルダ、ヒーター及び加圧ローラの長手位置関係を示す図である。 比較例2における、ヒーターホルダ、ヒーター及び加圧ローラの長手位置関係を示す図である。 比較例2における、過剰電力投入試験前後のヒータホルダ形状を説明するための図である。 実施例2における、過剰電力投入試験前後のヒータホルダ形状を説明するための図である。 実施例2の定着装置の長手方向を示す断面図である。 実施例3の定着装置の長手方向を示す断面図である。
符号の説明
17 ヒータホルダ
20 定着ベルト
22 弾性ローラ
100 ヒータ
101 ヒータ基板
102 発熱抵抗体
103 電極
301 給電コネクタ
302 コネクタ取り付け部
a1 座面領域
b1 凹部領域

Claims (9)

  1. 基板と前記基板上に形成されている発熱抵抗体と前記基板上に形成されており前記発熱抵抗体に電力を供給するための電極とを有するヒータと、長手方向端部に前記電極に繋がれる給電コネクタを取り付けるためのコネクタ取り付け部を有し前記ヒータをその長手方向に亘って保持する樹脂製のホルダと、前記ヒータと協同してニップ部を形成する弾性ローラと、を有し、前記ニップ部で記録材に形成された画像を加熱する像加熱装置において、
    前記ヒータの長手方向において、前記ヒータの前記発熱抵抗体は前記ニップ部内に配置されており、前記ホルダの前記コネクタ取り付け部は前記ニップ部外に配置されており、前記ヒータの前記ニップ部側の面とは反対側の面と対向する前記ホルダの面は、前記ヒータと接触する座面領域と、前記座面領域よりも前記長手方向端部側に設けられており前記ヒータの短手方向に亘って前記ヒータと接触しない凹部領域と、を有することを特徴とする像加熱装置。
  2. 前記発熱抵抗体の長さと、前記ホルダの前記座面領域の前記長手方向の長さと、前記ニップ部の前記長手方向の長さは同じであることを特徴とする請求項1に記載の像加熱装置。
  3. 前記座面領域は、前記短手方向の両端に設けられた第1領域と、前記第1領域の間に設けられており前記第1領域よりも前記長手方向に短い第2領域と、を有し、前記長手方向において、前記ニップ部の領域は前記第1領域に含まれており、前記発熱抵抗体の領域は前記ニップ部の領域に含まれていることを特徴とする請求項1に記載の像加熱装置。
  4. 前記長手方向において、前記第2領域は前記発熱抵抗体の領域に含まれていることを特徴とする請求項3に記載の像加熱装置。
  5. 前記長手方向において、前記第1領域の一方の端部と前記第2領域の一方の端部との距離は0.5mm以上10mm以下であることを特徴とする請求項3に記載の像加熱装置。
  6. 前記ホルダが軟化していない状態で、前記第1領域は前記ヒータに接触しており、前記第2領域は前記ヒータと非接触であることを特徴とする請求項3に記載の像加熱装置。
  7. 前記ホルダは、前記凹部領域よりも端部側に前記ヒータと接触する端部座面領域を有することを特徴とする請求項1に記載の像加熱装置。
  8. 前記コネクタ取り付け部は前記端部座面領域に設けられていることを特徴とする請求項7に記載の像加熱装置。
  9. 前記装置は更に、内周面に前記ヒータが接触しつつ回転する可撓性のスリーブを有し、前記ニップ部は前記スリーブを介して前記ヒータと前記弾性ローラによって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の像加熱装置。
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