JP2007293082A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な昇降装置等を設けることなく、加熱開始時には狭いニップ幅で加熱時間の短縮化に貢献することができ、定着時には広いニップ幅を確保することができる定着装置並びに画像形成装置を提供することができる。
【解決手段】加熱ベルト１８と加圧ローラ１９との圧接によりニップ部１７が形成され、加熱ベルト１８の内部に加熱ベルト１８を加熱する熱源２０が設けられ、ニップ部１７における加熱ベルト１８の回転方向に沿うニップ幅Ｈ１を広げるように加熱ベルト１８の内面に摺接する押圧支持体２１が設けられると共に、押圧支持体２１を熱膨張係数の異なる２種類の熱変形部材２２，２３の重合体から構成することによってその熱膨張係数の差に起因して熱源２０で加熱した際にはニップ部１７のニップ幅Ｈ１が広がるように変形する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等、或いはこれらを組み合わせた複合機といった画像形成装置に設けられて、転写紙等の搬送シートに形成された未定着トナー画像を搬送シートに定着させる定着装置及び画像形成装置に関する。

複写機、ファクシミリ、プリンタ等、或いはこれらを組み合わせた複合機といった画像形成装置においては、転写紙等の搬送シート上へのトナー定着には、加熱ベルト（又は加熱ローラ）と加圧ローラとを当接させた定着装置を用いたものが周知である。

そして、この加熱ベルト等と加圧ローラとが当接することによって形成されるニップ部に未定着トナー画像を表面に形成した搬送シートを挿通することによって、加熱ベルト等の熱と加圧ローラからの圧力とによって搬送シート上のトナーが溶融・定着される。

加熱ベルト等は、内部にハロゲンヒータ等の熱源を有する金属製コアの外周に弾性層や離型層を設けており、内部から加熱ベルト等の表面を加熱している。

また、このような内部加熱方式に拘わらず、定着装置においては、省エネルギー化の観点から常時は非加熱状態とすると共に、使用時にはウォームアップ時間をできるだけ早くしてユーザーを待たせないようにするために加熱ベルト等を瞬時に加熱することが望ましい。

このような加熱ベルト等を瞬時に加熱する手段としては、加熱開始時に加圧ローラを加熱ベルト等から離反させる技術が知られている。

これは、加熱ベルト等と加圧ローラとのニップ部における接触面積を極力小さくすることによって、加熱中の加熱ベルト等から加圧ローラへの熱移動を減らすことを目的としているものである。

しかしながら、このような加熱開始時に加圧ローラを加熱ベルト等から離反させるものにあっては、加熱ベルト等の加熱完了後（又は完了直前）には再び加熱ベルト等に加圧ローラを接近（接触）させる必要があり、そのためのタイミング制御が必要となる。また、搬送シートを搬送するための回転機構に連携された加圧ローラを加熱ベルト等から接近・離反させるためには、モータやカムといった複雑な昇降装置等を設ける必要があり、定着装置の大型化並びに価格高騰化の要因ともなってしまう。

一方、画像形成装置に用いられる定着装置において、無端ベルト状の加熱ベルトを用いた場合、加熱ローラの表面に比べてある程度の変形が許容されることから、加圧ローラからの加圧力によって加熱ベルトを変形させることでシート搬送方向（無端ベルトの回転方向）に沿うニップ幅を確保すると共に、加熱ベルトの裏面側に、その変形に伴うニップ幅分の加熱帯域を確保する押圧支持体を設けたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

この際、加熱ベルトは、その内部に設けられた熱源によって直接加熱されると同時に、その熱源によって押圧支持体を介して熱伝導により加熱される。

また、押圧支持体は、ニップ部の形状を略平面形状とすることを目的として、押圧支持体の加熱ベルト接触部は平面形状をなしている。
特開２００４−０６２０５３号公報 特開２００５−３３８７２４号公報

ところで、上記の如く構成された押圧支持体を備えた定着装置にあっては、常に広いニップ幅を確保することができるといった利点を有するものの、加熱ベルトの加熱開始時においては加熱ベルトから加圧ローラへの熱移動量がニップ幅を広げた分だけ多くなる。

このため、定着装置全体を所定の温度まで温度上昇させるのに時間がかかり、ウォームアップ時間を短縮させることができず、エネルギー消費量も多くなってしまうという問題が生じていた。

また、このような加熱ベルトを採用した定着装置にあっても、加熱ベルトの加熱開始時に加圧ローラを加熱ベルトに対して接近・離反させる構成を採用することは定着装置の大型化並びに価格高騰化を解決することはできないものであった。

そこで、本発明は、上記事情を考慮し、特別な昇降装置等を設けることなく、加熱開始時には狭いニップ幅で加熱時間の短縮化に貢献することができ、定着時には広いニップ幅を確保することができる定着装置を提供することを目的とする。

本発明の定着装置は、互いに圧接してニップ部を形成する一対の回転体と、該回転体の一方の内部に設けられて前記回転体を加熱する熱源と、前記ニップ部における前記回転体の回転方向に沿うニップ幅を広げるように前記一方の回転体の内面に摺接する押圧支持体とを備えた定着装置において、前記押圧支持体は、熱膨張係数の異なる２種類の熱変形部材の重合体から構成されていると共に、その熱膨張係数の差に起因して前記熱源で加熱した際には前記ニップ部のニップ幅が広がるように変形することを特徴とする。

本発明の定着装置によれば、熱源による一方の回転体への加熱開始時には狭いニップ幅でニップ部を形成して一方の回転体の昇温を促進し、定着時等の加熱時には広いニップ幅でニップ部を形成することができる。

本発明の定着装置は、前記２種類の熱変形部材は、前記一方の回転体の内面が摺接すると共に熱膨張係数が小さい材料から板状とされた第１熱変形部材と、該第１熱変形部材の前記熱源側に設けられると共に熱膨張係数の大きい材料から前記ニップ幅と直交する方向に複数に分割配置された第２熱変形部材とを備えていることが望ましい。このような構成によれば、ニップ幅を変更するための押圧支持体の変形を確実且つ安定して行うことができる。

本発明の定着装置は、前記第１熱変形部材には、前記ニップ幅と直交する方向に延びる補強部を備えていることが望ましい。このような構成によれば、ニップ幅を変更するための押圧支持体の変形を、より一層確実且つ安定して行うことができる。

また、本発明は上記した何れかの構成からなる定着装置を採用した画像形成装置とすることができる。このような構成によれば、ウォームアップ時間の短縮化を実現すると共に安定したトナー定着画像を提供することができる。

本発明の定着装置は、特別な昇降装置等を設けることなく、加熱開始時には狭いニップ幅で加熱時間の短縮化に貢献することができ、定着時には広いニップ幅を確保することができる。

次に、本発明の一実施形態に係る定着装置について、画像形成装置としてのタンデム方式のフルカラープリンタに適用し、図面を参照して説明する。

（画像形成装置の全体構成）
図１は本発明の一実施形態に係る画像形成装置の模式図である。

図１において、画像形成装置としてのフルカラープリンタ１は、外部コンピュータからの原稿画像データの色情報に応じてフルカラー画像出力とモノクロ画像出力の何れかが選択される。フルカラープリンタ１の本体２の内部には、図示を略する転写紙等の搬送シートが収納される給紙カセット３と、この給紙カセット３に収納された搬送シートを取り出す給紙部４と、駆動プーリ５と従動プーリ６との間に巻き掛けられていると共にテンションローラ７によって緊張状態が維持される無端ベルト状の搬送ベルト８と、この搬送ベルト８の上方に位置されると共にシート搬送方向（図示右方から左方）に沿って配置された画像形成部としての４つの画像形成ユニット９Ｂ，９Ｙ，９Ｃ，９Ｍと、搬送ベルト８のシート搬送方向終端部に隣接して設けられた定着装置１０と、定着装置１０に隣接する搬送経路１１の終端部に設けられた排出口１２から搬送シートを排出する排出部１３とを備えている。

画像形成ユニット９Ｂ，９Ｙ，９Ｃ，９Ｍは、この実施の形態においては、シート搬送方向上流側から順に、ブラック用の画像形成ユニット９Ｂ、イエロー用の画像形成ユニット９Ｙ、シアン用の画像形成ユニット９Ｃ、マゼンタ用の画像形成ユニット９Ｍの順で配置されている。また、画像形成ユニット９Ｂ，９Ｙ，９Ｃ，９Ｍは、上述した各色毎のトナーを収納するトナー収納部１４Ｂ，１４Ｙ，１４Ｃ，１４Ｍと、感光体ドラムユニット１５Ｂ，１５Ｙ，１５Ｃ，１５Ｍとを備えている。

この感光体ドラムユニット１５Ｂ，１５Ｙ，１５Ｃ，１５Ｍは、トナー収納部１４Ｂ，１４Ｙ，１４Ｃ，１４Ｍに収納されたトナーを必要に応じてアモルファスシリコン等を感光体とする感光体ドラム１６Ｂ，１６Ｙ，１６Ｃ，１６Ｍに担持させ、搬送ベルト８によって搬送されてきた搬送シート上に未定着トナー画像を形成（静電潜像を可視化）する。

その画像形成済みの搬送シートは、定着装置１０によってトナー定着がなされた後、排出口１２からフェイスダウン状態で排出される。

（定着装置１０の構成）
図２乃至図４は本発明の一実施の形態に係る定着装置を示し、図２は定着装置の横断面図、図３は定着装置の加熱前の縦断面図、図４は定着装置の加熱後の縦断面図である。

図において、定着装置１０は、互いに圧接することでニップ部１７を形成する一対の回転体としての加熱ベルト１８と加圧ローラ１９とを備えている。

加熱ベルト１８は、この実施の形態では、外径約４０ｍｍとなるように無端ベルト状のものから略円筒形とされている。また、加熱ベルト１８は、厚さは約３０μｍのニッケル等から形成されており、その表面にはトナーの溶融に伴う搬送シートとの密着を防止するためにＰＦＡ（パーフロロアロキルビニルエーテル共重合体）を主成分とするコーティング膜等からなる表面離型層（図示せず）が形成されている。尚、この表面離型層は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）を主成分とするフッ素系樹脂でも良い。また、加熱ベルト１８は、図３，４の時計回り方向に回動移動可能（例えば、外周速度：３２０ｍｍ／ｓｅｃ）とされている。さらに、加熱ベルト１８の内部には、ハロゲンヒータ（例えば、消費電力８００Ｗ）等の加熱体からなる熱源２０が設けられ、これにより加熱ベルト１８の表面が加熱（例えば、設定温度：１８０℃）される。この熱源２０の両端には電源供給用の配線（図示せず）が接続される。また、加熱ベルト１８の内部には、ニップ部１７を形成する内面に摺接可能な押圧支持体２１が設けられている。

押圧支持体２１は、熱膨張係数の異なる２種類の熱変形部材２２，２３の重合体から構成されている。また、押圧支持体２１の加熱ベルト１８との接触面側には、加熱ベルト１８の内面との断熱性及び摺動性を上げるため、ＰＦＡ樹脂コート処理が施されている。

一方の熱変形部材２２は、その表面側が加熱ベルト１８の内面に摺接する板状とされている。また、一方の熱変形部材２２は、加熱ベルト１８の回動移動方向（搬送シートの搬送方向）に沿う方向をニップ部１７のニップ幅Ｈ１，Ｈ２としたとき、このニップ幅Ｈ１，Ｈ２とは直交する熱変形部材２２の長手方向に沿って立ち上がるフランジ状の補強部２２ａが一体に形成されている。

尚、この補強部２２ａは、熱変形部材２２の長手方向に沿う両縁部を立ち上げたものの他、図５に示すように、その立ち上げた上縁部をさらに折り返し（又は折り曲げ）たものや、図６に示すように、熱変形部材２２とは全く別の部材（例えば、パイプ２２’等）を接続しても良い。ただし、この補強部２２ａは熱変形部材２２の変形をニップ幅Ｈ２に沿う方向での断面形状に反りを発生させ、熱変形部材２２の長手方向に沿う断面形状に反りを発生させない効果を奏する程度の強度や熱膨張係数を備えたものを使用する必要がある。

また、加熱ベルト１８は可動フレーム２４に軸受２５を介して保持され、熱変形部材２２と熱源２０とは可動フレーム２４の両端に位置する側板部２４ａに支持されている。この際、熱変形部材２２の両端２２ｂはニップ幅方向の略中央に位置し且つニップ幅Ｈ１と略同幅若しくはそれ以下の幅で側板部２４ａに支持されており、これにより可動フレーム２４に両端が保持された状態での熱変形部材２２の変形（反り）が許容されている。また、可動フレーム２４は、本体２に設けられた固定部２ａ（詳細構造は省略する）に一端が固定されたスプリング等の付勢部材２６の他端に支持されており、常時はこの付勢部材２６の付勢によって加熱ベルト１８が加圧ローラ１９側に付勢されている。

他方の熱変形部材２３は、熱変形部材２２の裏面側に位置し、ニップ幅Ｈ１，Ｈ２と直交する方向、即ち、熱変形部材２２の長手方向に沿って複数に分割配置されている。

ここで、一方の熱変形部材２２と他方の熱変形部材２３とは、両者間において熱膨張係数の異なる材料が使用されている。図７は主だった金属の熱膨張係数の一覧を示す図表、図８は一方の熱変形部材２２と他方の熱変形部材２３との材料の組み合わせ例を示す図表である。

図８に示すように、一方の熱変形部材２２は他方の熱変形部材２３よりも熱膨張係数の小さい材料が選択されている。この実施の形態では、熱変形部材２３にはアルミやマグネシウムを主たる材料とする金属からなり、熱変形部材２３にアルミニウムを使用した場合には熱変形部材２２にはステンレスやチタンが用いられる。また、熱変形部材２３にマグネシウムを使用した場合には熱変形部材２２には鉄が用いられる。

何れの場合においても、単純な熱膨張係数の差は１０．０〜１５．０の範囲にあるように材料選択をするのが好ましいが、実装状態の押圧支持体２１の厚さ（本実施の形態では０．５ｍｍ）や長手方向の長さ（印刷可能な用紙サイズ、例えば、Ａ４対応かＡ３対応か）等によって適宜熱膨張係数のものを材料選択することができる。

また、熱変形部材２３は、熱変形部材２２の変形方向を規定することができるように分割されているため、その分割数や熱変形部材２３の単体の大きさや厚さ等においても上記熱変形部材２２の材料や大きさ、厚さ、補強部２２ａの強度等によって適宜設計変更可能であり、結果的に、所定以上の温度にて熱変形部材２２，２３の熱膨張係数の差により、押圧支持体２１の全体が一様な曲率で湾曲するように設定される。

加圧ローラ１９は、鉄等を芯金１９ａとすると共にその外層１９ｂをシリコーンゴム等からなる弾性層（図示せず）と厚さ約５０μｍのＰＦＡチューブ等からなる表面離型層とで多層構造とされ、その外径は約３０ｍｍである。また、加圧ローラ１９は、芯金１９ａの軸部１９ｃが軸受２７を介して固定フレーム２８に支持されている。また、軸部１９ｃの一方にはギヤ２９が設けられている。このギヤ２９は、駆動モータ３０の出力ギヤ３１と噛み合っており、駆動モータ３０の駆動によって加圧ローラ１９が回転すると共に、この加圧ローラ１９と圧接する加熱ベルト１８が従動回転する。

上記の構成において、押圧支持体２１は、冷温時（加熱開始時）には、図３に示すように、押圧支持体２１は平面形状をなしており、加熱ベルト１８と加圧ローラ１９とで形成されるニップ部１７のニップ幅Ｈ１は１ｍｍ以下の接触範囲となる。また、押圧支持体２１は、加熱時（印字可能状態）には、図４に示すように、押圧支持体２１は加圧ローラ１９の外周形状に沿うように変形し、ニップ幅Ｈ２は８ｍｍ前後の接触範囲となる。

従って、画像形成装置としてのフルカラープリンタ１のメイン電源が投入されていない時やメイン電源が投入された直後、省エネモード等の待機時、パーソナルコンピュータから印刷指令信号が入力された直後、等にあっては、熱源２０は加熱を停止若しくは冷温時にあるため、ニップ部１７は狭いニップ幅Ｈ１となる。

一方、熱源２０が加熱を開始して押圧支持体２１がその材料特性に応じた熱膨張温度に達すると、ニップ部１７は広いニップ幅Ｈ２となる。

この状態で、画像形成ユニット９Ｂ，９Ｙ，９Ｃ，９Ｍによって表面にトナー画像が形成された搬送シートがニップ部１７にニップされると、加熱ベルト１８の回動移動（図４の時計回り方向）と加圧ローラ１９の回転（図４の反時計回り方向）とによって搬送シートが搬送経路１１の搬送方向下流側へと搬送される。

また、このニップ部１７での搬送中に、熱源２０からの直接輻射熱と押圧支持体２１を介しての伝導熱とによって未定着トナーが定着される。

このように、本発明の定着装置１０にあっては、加熱ベルト１８の内部に、この加熱ベルト１８を介して加圧ローラ１９と対向する位置に熱変形する押圧支持体２１を設けると共に、この押圧支持体２１を熱膨張係数の異なる２つの熱変形部材２２，２３から構成し、特に熱膨張係数の大きい材料からなる熱変形部材２３をニップ幅Ｈ１，Ｈ２と直交する方向に複数に分割配置することで押圧支持体２１の変形方向を安定させたうえで、昇温時は接触ニップ幅Ｈ１を小さくすることができ、加圧ローラ１９を余分に暖めることなく加熱ベルト１８を瞬時に温めることができる。また、印字可能状態では定着可能なニップ幅Ｈ２とすることができ、良好な定着を得ることができる。そのため、ウォームアップタイムの短縮が実現でき、印字時においてもエネルギーの消費量を抑えることができる。

また、ニップ後の用紙搬送方向を加圧ローラ１９側にすることができるため、トナー量の多いカラー画像においても良好な分離性を得ることができる。

ところで、上記実施の形態では、本発明の定着装置を画像形成装置としてのタンデム方式のフルカラープリンタ１に適用して説明したが、複写機やファクシミリ、或いはこれらを組み合わせた複合機のように、画像形成装置全般に適用することができることは勿論である。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置の模式図である。 本発明の一実施の形態に係る定着装置の横断面図である。 本発明の一実施の形態に係る定着装置の加熱前の縦断面図である。 本発明の一実施の形態に係る定着装置の加熱後の縦断面図である。 本発明の一実施の形態に係る定着装置に使用される熱変形部材の変形例１の縦断面図である。 本発明の一実施の形態に係る定着装置に使用される熱変形部材の変形例２の縦断面図である。 主だった金属の熱膨張係数の一覧を示す図表である。 本発明の一実施の形態に係る定着装置に使用される熱変形部材の組み合わせの図表である。

符号の説明

１７…ニップ部
１８…加熱ベルト
１９…加圧ローラ
２０…熱源
２１…押圧支持体
２２…熱変形部材
２３…熱変形部材

Claims (4)

1. 互いに圧接してニップ部を形成する一対の回転体と、該回転体の一方の内部に設けられて前記回転体を加熱する熱源と、前記ニップ部における前記回転体の回転方向に沿うニップ幅を広げるように前記一方の回転体の内面に摺接する押圧支持体とを備えた定着装置において、
   前記押圧支持体は、熱膨張係数の異なる２種類の熱変形部材の重合体から構成されていると共に、その熱膨張係数の差に起因して前記熱源で加熱した際には前記ニップ部のニップ幅が広がるように変形することを特徴とする定着装置。
2. 前記２種類の熱変形部材は、前記一方の回転体の内面が摺接すると共に熱膨張係数が小さい材料から板状とされた第１熱変形部材と、該第１熱変形部材の前記熱源側に設けられると共に熱膨張係数の大きい材料から前記ニップ幅と直交する方向に複数に分割配置された第２熱変形部材とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記第１熱変形部材には、前記ニップ幅と直交する方向に延びる補強部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の定着装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。

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