JP2007199282A

JP2007199282A - 定着装置

Info

Publication number: JP2007199282A
Application number: JP2006016523A
Authority: JP
Inventors: Yoshikuni Ito; 善邦伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】外部加熱ローラを用いた定着方式において、小サイズ紙を連続通紙した場合においてもその非通紙部昇温を軽減し、定着装置の生産性をダウンさせず、また、低コスト、装置の小型化を実現する。
【解決手段】熱源を有し回転自在な加熱ローラと、加熱ローラに圧接され回転自在な加圧ローラと、熱源を有し加熱ローラに圧接され回転自在な外部加熱ローラを備えた定着装置において、加熱ローラの回転軸に対する外部加熱ローラの回転軸の成す角度を記録材の幅に応じて可変するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は画像形成装置において転写材上のトナー像を加熱溶融定着する定着装置に関するものである。

電子写真方式を用いた画像形成装置は、通常、転写材と静電的に該転写材に担持された樹脂、磁性体、着色料等からなるトナーとを、互いに圧接・回転している定着ローラと加圧ローラの圧接部で挟持搬送しながら熱と圧力を加えることなどで、溶融定着せしめる定着装置を有している。

このような定着装置において、加熱するための熱源としてハロゲンランプなどが用いられ、定着ローラの内部に配置されて内部から定着ローラを加熱する。また、定着ローラの外周面に加熱ローラを設けて定着ローラを外側から加熱する外部加熱ローラを備えた定着装置もある。

定着ローラを外部から加熱する方式において、その加熱方法にも様々な方式があるが、紙詰まり時の安全性などを考えると、熱源を内蔵し熱伝導率の高い物質を用いたヒーターローラを定着ローラの表面に圧接させて加熱する方式が最も一般的であると思われる。

定着ローラを外部から加熱する方式は、定着ローラ表層を加熱させる構造のため、定着ローラ表面の温度を定着に適当な温度に制御しやすいという特徴がある。

つまり、定着動作中に転写材とトナーとに与えた熱量を定着ローラに熱源から供給する過程で、定着ローラの表面温度を一定に保つため、定着ローラの表面に当接する様に配置される第１温度センサーと、ヒーターローラ表面に当接する様に配置される第２温度センサーと、定着ローラの表面温度が所定の温度となる様に第１及び第２温度センサーの検出信号に応じてヒーターへの通電を制御する温度制御において、定着ローラを内部から加熱するよりも、制御の応答性が良いという特徴もある。

特に、画像形成を高速化して生産性を向上させる場合や、記録材としての紙等の厚みが厚い場合には、定着ローラ表面から奪われる熱量が多いためこのような外部加熱ローラが有効である。

従来例としては、例えば特許文献１と特許文献２をあげることが出来る。
特開平１１−０８４９３４号公報特開２００３−１４０４９９号公報

しかしながら、このような転写材と静電的に該転写材に担持された樹脂、磁性体、着色料等からなるトナーとを、互いに圧接・回転している定着ローラと加圧ローラの圧接部で挟持搬送しながら熱と圧力を加えることなどで、溶融定着せしめる定着装置において、定着ローラの転写材に接触する部分（通紙部）ではニップ部で転写材とトナーとに熱供給するため、ニップ部通過後温度は下がるが、接触しない部分（非通紙部）では熱供給しないので温度が下がらないにもかかわらず熱源からさらに熱を供給されるため所定の目標温度よりも高温になることがある。

さらに、定着ローラの回転軸方向の長さに大きく満たない小サイズの紙を多数連続通紙した場合、外部加熱ローラを使用する構成では、より上記課題が顕著になってくる。その結果、各ローラの非通紙部では表面温度が異常な高温になり、次に大サイズの紙を通紙するためには小サイズ紙の非通紙部の温度が下がるまで、画像形成を中断したり、ファンを設けて冷却する等の生産性が低下するという問題があった。

また、非通紙部の温度が上がり過ぎないように小サイズの紙を連続通紙する場合にはそもそも生産性を低下させるという方法の方がより一般的である。

特許文献１には、外部加熱ローラを２本設け、１本目の外部加熱ローラ内のヒータは、ヒーター中央部で発熱量分布が多くなっており、２本目の外部加熱ローラ内のヒータは、ヒーター両端部で発熱量分布が多くなっている。このような２本の外部加熱ローラを使用して紙サイズに合わせて使い分ける方法も提案されている。しかし、外部加熱ローラの表面温度が所望の温度まで変化するには時間がかかってしまい、やはりダウンタイムは発生してしまう。

特許文献２には、電磁誘導を利用して発熱する外部加熱方式（誘導電流により発熱する加熱ローラと、加熱ローラに供給する磁束を発生させる誘導コイルからなる方式）の定着装置が提案されている。実施例には定着ローラ軸方向に長さの異なる３つの誘導コイルを設け、紙サイズに応じて３つの内の１つの誘導コイルが定着ローラ外周上に近接して加熱する方式が提案されている。しかし、紙サイズに応じて加熱幅を可変とするために３つの誘導コイルを用いているため、そもそもコストの高い誘導コイルをさらにコストアップさせ、また、装置の大型化をも招いている。

本出願に係る発明の目的は、外部加熱ローラを用いた定着方式において、小サイズ紙を連続通紙した場合においてもその非通紙部昇温を軽減し、定着装置の生産性をダウンさせないことである。また、従来方式よりも低コスト、装置の小型化を実現することができるものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第１の構成は、熱源により加熱される加熱部材と、加熱部材に圧接される加圧部材と、加熱部材表面に圧接され熱源により加熱され該加熱部材表面を加熱する１つの外部加熱部材とを設け、転写材に形成されたトナー像を該加熱部材と加圧部材の間に加熱挟圧搬送して溶融定着させる定着装置において、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とするようにしたものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第２の構成は、上記した第１の構成において、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを該転写材の搬送方向と垂直方向の長さに応じて可変とするようにしたものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第３の構成は、上記した第１、第２の構成において、該加熱部材に対して該外部加熱部材の角度を可変とすることで、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とするようにしたものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第４の構成は、上記した第１〜第３の構成において、該加熱部材が回転可能な加熱ローラ、該加圧部材が該加熱ローラに圧接され回転可能な加圧ローラ、該外部加熱部材が該加熱ローラに圧接されて回転可能な外部加熱ローラとするものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第５の構成は、熱源により加熱される加熱部材と、加熱部材に圧接される加圧部材と、加熱部材表面に圧接され熱源により加熱され該加熱部材表面を加熱する複数の外部加熱部材とを設け、転写材に形成されたトナー像を該加熱部材と加圧部材の間に加熱挟圧搬送して溶融定着させる定着装置において、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とするようにしたものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第６の構成は、上記した第５の構成において、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを該転写材の搬送方向と垂直方向の長さに応じて可変とするようにしたものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第７の構成は、上記した第５、６の構成において、該加熱部材に対して該外部加熱部材の角度を可変とすることで、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とするものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第８の構成は、上記した第５〜７の構成において、該加熱部材が回転可能な加熱ローラ、該加圧部材が該加熱ローラに圧接され回転可能な加圧ローラ、該外部加熱部材が該加熱ローラに圧接されて回転可能な外部加熱ローラとするものである。

以上説明したように、本出願に係る発明の目的は、外部加熱ローラを用いた定着方式において、小サイズ紙を連続通紙した場合においてもその非通紙部昇温を軽減し、定着装置の生産性をダウンさせないことである。また、従来方式よりも低コスト、装置の小型化を実現することができるものである。

図１は本発明の第１の実施の形態を示す定着装置の断面の模式図である。なお、本実施の形態の定着装置が装着される画像形成装置は、記録材のサイズに係りなく搬送部の中央を基準として搬送され、不図示の像担持体である感光ドラム上のトナー画像が転写され、記録材のサイズの大小に係りなく定着装置の中央部を基準として、定着装置のニップ部に記録材が通紙されて加熱加圧作用によりトナー画像が定着される。

定着ローラ１は厚さ３［ｍｍ］のアルミニウム製の芯金シリンダに厚さ2［ｍｍ］でＪＩＳ−Ａ硬度３０〜６０度のＨＴＶシリコンゴムを被服し、外径は6０［ｍｍ］である。また表面の離型性を高めるために例えばＰＴＦＥ２０〜７０［μｍ］やＰＦＡ５０〜１００［μｍ］の層を設けても良い。

ヒータ４、５は、定着ローラ１内の中心付近で回転軸方向に沿って配設されたハロゲンランプである。ヒータ４は、図２の様にヒーター中央部で発熱量分布が多くなっており、ヒータ５は、図３の様にヒーター両端部で発熱量分布が多くなっている。

加圧ローラ２は外径５０［ｍｍ］、厚さ２［ｍｍ］のアルミニウム製シリンダで、表層に離型性を高めるためにフッ素樹脂をコーティングしたものを用いる。

外部加熱ローラ３は、外径２８［ｍｍ］、厚さ２〜４［ｍｍ］のアルミニウム製シリンダで、表層には離型性を高めるためにフッ素樹脂をコーティングしたものを用いる。またシリンダ内面は黒塗り塗装されている。

ヒーター６は、外部加熱ローラ３内の中心部で回転軸方向に沿って配設されたハロゲンランプであり、ヒーター発熱量分布は中央から両端で均一になっている。

定着ローラ１の回転軸方向に沿った中央部で、定着ローラ表面に当接するように第１の温度センサー７が配設され、定着ローラ１の回転軸方向に沿った端部で、定着ローラ表面に当接する様に第２温度センサー８が配設され、また外部加熱ローラ３には、ローラ回転軸方向の中央部で外部加熱ローラ３の表面に当接する様に第３温度センサー９が配設されており、これらの各センサーの検出情報は不図示の温度制御装置に入力される。そして、この温度制御装置はヒーター４及びヒーター５を後述するようにして制御する。

ヒーターへ供給される最大電力は合計８００〜２０００［Ｗ］であって、その電力供給は、第１の温度センサー７と、第２温度センサー８と、第３温度センサー９の検出信号をもとに、定着ローラ１の表面が所定の一定温度になるように自動制御される。なお、ヒーター４，５に一対二の割合で電力を供給すると、丁度定着ローラ表面の温度がローラ回転軸方向で均一になるようになっている。また、第１温度センサー７、第２温度センサー８、第３温度センサー９としては、サーミスタまたは熱電対などの素子を用いることができる。

搬送ガイド１０は、未定着のトナー画像１１を担持しながら搬送される転写材１２を定着ローラ１と加圧ローラ２との圧接部（ニップ部）へ案内する位置に配置される。分離爪１３は加圧ローラ２の表面に当接または近接して配置される。

次に各ローラの回転駆動方法、加圧方法について説明する。

各ローラは回転自在に支持されていて、定着ローラ１のみを駆動する構成になっている。しかし加圧ローラ２、外部加熱ローラ３は定着ローラ１の表面に圧接していて、圧接部（ニップ部）での摩擦力で従動回転する様に配置してある。

加圧ローラ２、外部加熱ローラ３は定着ローラ１の回転軸方向にバネなどを用いた不図示の機構によって加圧されている。加圧ローラは約１0０［ｋｇ重］で荷重されており、その場合圧接部の幅（ニップ幅）は約９．０［ｍｍ］となる。

次に外部加熱ローラ３の加圧については、約2０［ｋｇ重］で荷重されており、その場合圧接部の幅（ニップ幅）は約2.０［ｍｍ］となる。

以上の構成で、数多く連続して転写材１２に形成されたトナー像１１を定着ローラ１と加圧ローラ２の間に加熱挟圧搬送して溶融定着させると、定着ローラ１の転写材１２に接触する部分（通紙部）では、ニップ部で転写材１２とトナーとに熱供給するためニップ部通過後温度は下がるが、接触しない部分（非通紙部）では熱供給しないので温度が下がらないにもかかわらず熱源からさらに熱を供給されるため所定の目標温度よりも異常に高温になってしまう。

そこで、前記温度制御装置は、第１温度センサー７で検出された定着ローラ１の回転軸方向中央部での表面温度Ｔ7 と、第２温度センサー８で検出された定着ローラの回転軸方向端部での表面温度Ｔ8 をもとに、ヒーター４，５への電力供給を行う方法を図４のフローチャートに示す。

第１温度センサー７と第２温度センサー８で温度を検出した後、それらの検出温度Ｔ7 ，Ｔ8 と、定着目標温度ＴT との大小を比較する。その結果、ヒーター４，５への供給電力（Ｗ４，Ｗ５）をそれぞれ所定の供給電力Ｗ，２Ｗでオン、オフ制御する。

すなわち、中央の温度Ｔ7 が定着目標温度ＴT よりも低く、端部の温度Ｔ8 が定着目標温度ＴT よりも低いと、ヒーター４，５に電力を供給してローラを全体的に加熱する。また、中央の温度Ｔ7 が定着目標温度ＴT よりも低いが、端部の温度Ｔ8 が定着目標温度ＴT より高い場合には、ヒータ４へ電力を供給して中央部を昇温させる。

一方、中央の温度Ｔ7 が定着目標温度ＴT よりも高いが、端部の温度Ｔ8 が定着目標温度ＴT よりも低い場合には、ヒーター５へ電力を供給する。

このような制御をすることで、各ローラの通紙部と非通紙部の表面温度を均一化させることができる。

定着ローラ１内のヒータ４，５で、ローラ回転軸方向で発熱量分布の異なる各熱源への通電比率を変化させる機構によって、各ローラの通紙部と非通紙部の表面温度を均一化することで、非通紙部の異常高温を防ぐことが出来る。

さらに、外部加熱ローラ３も定着ローラ１と同様に温度センサー９で検出された外部化熱ローラの表面温度Ｔ９をもとに、ヒータ６への電力供給を制御する。

すなわち、温度センサー９で検出された外部加熱ローラの表面温度Ｔ９が外部加熱ローラ目標温度ＴＧよりも低いとヒータ６へ電力を供給して外部加熱ローラ全体を加熱する。一方、外部加熱ローラの表面温度Ｔ９が外部加熱ローラ目標温度ＴＧよりも高いとヒータ６へ電力を供給しない。

次に図５に基づき外部加熱ローラ３の動作について説明する。

外部加熱ローラ３は、両端部をそれぞれ耐熱性の支持部材１５、１６にて支持されている。支持部材１５、１６は不図示のステッピングモータで回転可能なギア１７、１８により各々移動可能となっている。図６に示すように画像形成装置本体に電源が入ったとき外部加熱ローラ３は、定着ローラ１と平行な位置Ａ-Ａのポジションをとる。この位置Ａ-Ａを外部加熱ローラ３のホームポジションとする。このとき定着ローラ１と外部加熱ローラ３のなすニップ（図中太線部、ＮＩＰ）のローラ軸方向の長さは定着ローラ１、外部加熱ローラ３の長さと同じで、本例の場合300ｍｍとなる。また、定着ローラ１と外部加熱ローラ３の成す角θa＝０度である。

画像形成時、記録材のサイズがラージサイズ（Ａ３、ＬＤＲ等の幅）の場合、外部加熱ローラ３はホームポジションのままとなる。

記録材のサイズがスモールサイズ（Ａ４Ｒ、ＬＴＲＲ等の幅）の場合、図５のギア１７は時計方向、ギア１８は反時計方向に各々回転し、支持部材１５は右方向、支持部材１６は左方向へ移動、外部加熱ローラ３は点Ｐを中心として図中時計方向に回転し、図７に示すように定着ローラと角θbを成す位置Ｂ-Ｂのポジションをとる。本例では角θb＝０．２度となり、この場合の定着ローラ１と外部加熱ローラ３のなすニップ（図中太線部、ＮＩＰ）のローラ軸方向の長さは約２００ｍｍとなった。角θbとニップの長さの関係は、定着ローラのゴムの厚み、外部加熱ローラとのニップ部での変形量等に依存するため上記の値に限るものではない。

記録材のサイズがさらに小さいサイズ（Ａ５Ｒ、ＳＴＭＴＲ等の幅）の場合も同様、図８に示すように、外部加熱ローラ３は、定着ローラ１と角θcを成す位置Ｃ-Ｃのポジションをとる。本例では角θc＝０．4度となり、この場合の定着ローラ１と外部加熱ローラ３のなすニップ（図中太線部、ＮＩＰ）のローラ軸方向の長さは約１５０ｍｍとなった。

記録材のサイズが小サイズから大サイズになるときは、ギア１７は反時計方向，１８は時計方向に各々回転することで、支持部材１５は左方向、支持部材１６は右方向へ移動、外部加熱ローラ３は点Ｐを中心として図中反時計方向に回転する。

外部加熱ローラの位置Ａ-Ａ、Ｂ-Ｂ、Ｃ-Ｃは、不図示のステッピングモータの回転を制御することで簡単に、かつ１秒程度の迅速さで移動可能となる。

以上のように構成した定着器を用いて、以下のような実験を行った。

定着ローラの温度を170〜175度、外部加熱ローラの温度を220度に制御、プロセススピードは３００ｍｍ／sec、記録材はノイジドラ250ｇ／ｍ²の各サイズを連続通紙で５００枚通紙した。５００枚通紙時点での通紙部、非通紙部の定着ローラ温度測定、その直後に続けてＡ３サイズの普通紙オフィスプランナ64ｇ／ｍ²を通紙したときのホットオフセットの状態をみた。

比較例１では、外部加熱ローラの位置をＡ-Ａ、連続通紙はＡ４Ｒで行った。

比較例２では、外部加熱ローラの位置をＡ-Ａ、連続通紙はＡ５Ｒで行った。実施例１では、外部加熱ローラの位置をＡ-Ａ、連続通紙はＡ３で行った。

実施例２では、外部加熱ローラの位置をＢ-Ｂ、連続通紙はＡ４Ｒで行った。

実施例３では、外部加熱ローラの位置をＣ-Ｃ、連続通紙はＡ５Ｒで行った。
上記の条件で実験を行った結果を表１に示す。

比較例１および２では、連続通紙後の通紙部温度は定着ローラ１と外部加熱ローラ３の温度制御により１７０−１７５度に維持されているが、非通紙部温度は１９０−１９５度に昇温した。また、比較例１で連続通紙後の直後に通紙した大サイズ紙では、Ａ４Ｒの非通紙部に相当する位置でホットオフセットが発生した。比較例２でも同様にＡ５Ｒの非通紙部に相当する位置でホットオフセットが発生した。

実施例１では、Ａ３サイズで連続通紙しているため、定着ローラ全域で１７０−１７５度に温度が維持されていた。そのため、その直後のホットオフセットも発生しなかった。

実施例２および３では、連続通紙後の通紙部温度は定着ローラ１と外部加熱ローラ３の温度制御により１７０−１７５度に維持されており、非通紙部温度も１７０−１７５度に維持にされた。非通紙部では記録材による温度低下が無く、外部加熱ローラからの加熱も無く、定着ローラ内のヒータ４のみで温度制御されていた。定着ローラ全域で１７０−１７５度に温度が維持されていたため連続通紙後のホットオフセットも発生しなかった。

以上の実験からわかるように、外部加熱ローラ３の位置を移動可能とし、定着ローラ１と外部加熱ローラ３のなすニップの長さを通紙紙幅に合わせることで、非通紙部昇温を軽減し、小サイズ紙を連続通紙した直後でも大サイズ紙を通紙することが可能となった。

本例のように非通紙部昇温を軽減することで、従来発生していた小サイズ連続通紙後のダウンタイムをなくすことができる。また、小サイズ紙を連続通紙するときに生産性を落とす必要も無くなる。

さらにはサイズの異なる記録材を連続で通紙することも可能となる。

本例では、外部加熱ローラの位置をＡ３、Ａ４Ｒ、Ａ５Ｒの位置に合わせてＡ-Ａ、Ｂ-Ｂ、Ｃ-Ｃとしたが、この限りではなく、その他の紙サイズに合わせて更に位置を増やすことも可能である。

また、外部加熱ローラの動作は本例に限らず、定着ローラ１と外部加熱ローラ３の成すニップの長さを１本のローラで可変にできればこれに限るものではない。また、画像形成装置が高速化される場合、図９のように外部加熱ローラ３と同じ機構をもった第２の外部加熱ローラ２０を追加してもよい。このように外部加熱ローラを複数本備えることで、より多くの熱量を定着ローラに付与することができ、より多くの熱量を定着ローラから奪っていく高速な画像形成装置にも対応できる場合がある。

また、定着ローラ、外部加熱ローラの加熱方式としてハロゲンランプを使用したが、この限りではなく電磁誘導タイプやその他のヒータであってもよい。

また、定着ローラと加圧ローラによりその圧接部で記録材にトナーを定着させる方式について説明したが、ローラに限らずベルトニップ方式であっても同様の効果が期待できる。

本実施例における定着装置の断面の模式図である。定着装置の発熱量分布の説明図である。定着装置の発熱量分布の説明図である。電力供給を行う方法を説明するためのフローチャートである。外部加熱ローラの動作について説明するための図である。外部加熱ローラの位置を説明する図である。外部加熱ローラの位置を説明する図である。外部加熱ローラの位置を説明する図である。本実施例における定着装置の変形例の断面の模式図である。

Claims

熱源により加熱される加熱部材と、加熱部材に圧接される加圧部材と、加熱部材表面に圧接され熱源により加熱され該加熱部材表面を加熱する１つの外部加熱部材とを設け、転写材に形成されたトナー像を該加熱部材と加圧部材の間に加熱挟圧搬送して溶融定着させる定着装置において、
該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とすることを特徴とする定着装置。
該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを該転写材の搬送方向と垂直方向の長さに応じて可変とすることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
該加熱部材に対して該外部加熱部材の角度を可変とすることで、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とすることを特徴とする請求項１、２に記載の定着装置。
該加熱部材が回転可能な加熱ローラ、該加圧部材が該加熱ローラに圧接され回転可能な加圧ローラ、該外部加熱部材が該加熱ローラに圧接されて回転可能な外部加熱ローラであることを特徴とする請求項１〜３に記載の定着装置。
熱源により加熱される加熱部材と、加熱部材に圧接される加圧部材と、加熱部材表面に圧接され熱源により加熱され該加熱部材表面を加熱する複数の外部加熱部材とを設け、転写材に形成されたトナー像を該加熱部材と加圧部材の間に加熱挟圧搬送して溶融定着させる定着装置において、
該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とすることを特徴とする定着装置。
該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを該転写材の搬送方向と垂直方向の長さに応じて可変とすることを特徴とする請求項５記載の定着装置。
該加熱部材に対して該外部加熱部材の角度を可変とすることで、該加熱部材と該外部加熱部材のなす圧接部の転写材搬送方向と垂直方向の長さを可変とすることを特徴とする請求項５、６に記載の定着装置。
該加熱部材が回転可能な加熱ローラ、該加圧部材が該加熱ローラに圧接され回転可能な加圧ローラ、該外部加熱部材が該加熱ローラに圧接されて回転可能な外部加熱ローラであることを特徴とする請求項５〜７に記載の定着装置。