JP2007293083A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ニップ部への悪影響を及ぼす要因となる撓みの発生を防止し得てニップ部の略全長に渡って均一な圧接状態を確保することができるうえ、材料コスト並びにエネルギー消費量を削減することができる定着装置を提供する。
【解決手段】加熱ローラ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、加熱ローラ１８の内部に加熱ローラ１８を加熱する熱源２０が設けられ、加熱ローラ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種類の板状熱変形部材２２，２３の重合体から構成する。
【選択図】 図２

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、加熱ローラ（又は無端ベルト状の加熱ベルト）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、この加熱ローラ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、加熱ローラ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。

加熱ローラは、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、内部から加熱ローラの表面を加熱している。

尚、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（又は低加熱状態）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ローラを瞬時に定着温度にまで加熱することが望ましい。

そこで、加熱ローラには、その芯金に熱伝導性及び剛性を確保するため、アルミニウム合金を素材として用いている。尚、加熱ローラの一般的な構成は、筒状で薄肉のローラ芯金を基体とし、その外周面にフッ素皮膜等を粉体塗装し焼成して離型層をコーティングしている。

一方、近年において、加熱ローラのローラ芯金は、熱伝導性を向上させるために、さらなる薄肉化が要求されている。すなわち、上述したウォームアップ時間のさらなる短縮によって省電力化を進めることが望まれている。

しかしながら、加熱ローラは、その機能上、高剛性であることが必要であり、いたずらに加熱ローラ（ローラ芯金）の肉厚を落とすことはできない。

即ち、加熱ローラ（ローラ芯金）をさらに薄肉化した場合には、加圧ローラによって加圧された加熱ローラは、回転軸方向に沿う長手方向の略中央部が加圧ローラから離間する方向に撓みが発生する。

このような撓みは、加熱ローラを薄肉にするほど大きく撓んでしまい、ニップ部におけるシート搬送方向に沿うニップ幅が狭くなり、しかもニップ部における加圧力もニップ全長方向に不均一で小さくなってしまうばかりでなく、定着性の損失、搬送シートの皺・折り目・カール等の発生要因ともなっていた。

そこで、このような加熱ローラにおける撓みの発生を防止するため、中空円筒形状の加熱ローラの内壁面に複数条の補強用の突出リブを環状に形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この加熱ローラは、厚肉のローラ素材を回転させながら外表面側から転造ローラで窪みを形成することにより、ローラ素材の内面に凸状の元リブを形成した後、ローラ素材の外表面を切削加工して薄肉化することでローラ素材の外表面側の窪みが除去され、内面に変形防止用の突出リブを有する薄肉の加熱ローラ（ローラ芯金）が得られる。

また、このようなドラム状の加熱ローラに代わる無端ベルトを用いた加熱ベルトの場合、もともと変形性を具備していることから、加熱ベルトのニップ部に対応する裏面に加熱ベルトの回転軸方向に沿うニップ幅の板状の押圧支持体を配設したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

そして、このような押圧支持体を備えた加熱ベルトの場合、押圧支持体の撓みを防止するために厚肉としている。
特開２００２−１２６８２４号公報 特開２００５−３３８７２４号公報

ところで、上記の如く構成された定着装置にあっては、例えば、加熱ローラの内壁面に突出リブを形成したものにあっては、窪みが無くなるまで厚肉のローラ素材の外表面を切削加工する必要があることから、厚肉なローラ素材のもともとの原価が割高なうえ、切削加工費や大量に発生した切削屑の処分費等の諸費用が部品単価に上乗せされるといったように、部品コストが高騰してしまうばかりでなく、省材料・省エネルギーといった地球環境の観点からも無駄が多いという問題が生じていた。

また、無端ベルト状の加熱ベルトに設けた押圧支持体の肉厚を厚くしたものにあっては、加熱ベルトの内部からハロゲンヒータ等の熱源により加熱ベルトを加熱する際、押圧支持体の熱伝導によりニップ部付近の加熱ベルトを加熱するための熱容量が大きくなってしまうため、加熱ベルト並びに押圧支持体を定着温度にまで加熱する時間が長くなってしまうばかりでなく、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。

そこで、本発明は、上記事情を考慮し、ニップ部への悪影響を及ぼす要因となる撓みの発生を防止し得てニップ部の略全長に渡って均一な圧接状態を確保することができるうえ、材料コスト並びにエネルギー消費量を削減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種類の板状熱変形部材の重合体から構成されてい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定着時には圧力の均一なニップ部を形成することができる。

本発明の定着装置は、前記押圧支持体は、前記２種類の板状熱変形部材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他方の回転体からの圧力に伴って前記一方の回転体に発生する撓みを相殺するように変形することが望ましい。このような構成によれば、一方の回転体に発生する撓みを確実に相殺することができる。

本発明の定着装置は、前記２種類の板状熱変形部材は、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大きい材料から板状とされた第１板状熱変形部材と、該第１板状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小さい材料から板状とされた第２板状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、一方の回転体に発生する撓みを相殺する方向へ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。

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、ニップ部への悪影響を及ぼす要因となる撓みの発生を防止し得てニップ部の略全長に渡って均一な圧接状態を確保することができるうえ、材料コスト並びにエネルギー消費量を削減することができる。

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は定着装置の縦断面図、図４は押圧支持体の説明図である。

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ローラ（加熱ベルトでも良い）１８と加圧ローラ１９とを備えている。

加熱ローラ１８は、この実施の形態では、外径約４０ｍｍとなるように略円筒形とされている。また、加熱ローラ１８は、略円筒形で薄肉（例えば、厚さ約０．３ｍｍ）なアルミ製のローラ芯金を基体とし、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（例えば、膜厚約２０μｍ）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、加熱ローラ１８は図３の時計回り方向に回転可能（例えば、外周速度：４００ｍｍ／ｓｅｃ）とされている。さらに、加熱ローラ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、これにより加熱ローラ１８の表面が加熱（例えば、定着温度：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、加熱ローラ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種類の板状熱変形部材２２，２３の重合体から構成されている。また、押圧支持体２１の加熱ローラ１８との接触面側には、加熱ローラ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。

一方の板状熱変形部材２２は、その表面側が加熱ローラ１８の内面に摺接してニップ幅を規定すると共に加熱ローラ１８の軸線方向に沿う長手方向に延びる板状とされている。また、他方の板状熱変形部材２３は、板状熱変形部材２２の裏面側に位置し、板状熱変形部材２２の長手方向に沿って延在されている。

また、加熱ローラ１８は可動フレーム２４に軸受２５を介して保持され、板状熱変形部材２２，２３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、板状熱変形部材２２，２３の両端２２ａ，２３ａはニップ幅方向の略中央に位置し且つニップ幅以下の幅で側板部２４ａに支持されている。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ローラ１８が加圧ローラ１９側に付勢されている。

ここで、一方の板状熱変形部材２２と他方の板状熱変形部材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５は主だった金属の熱膨張係数の一覧を示す図表、図６は一方の板状熱変形部材２２と他方の板状熱変形部材２３との材料の組み合わせ例を示す図表である。

図６に示すように、一方の板状熱変形部材２２は他方の板状熱変形部材２３よりも熱膨張係数の大きい材料が選択されている。この実施の形態では、板状熱変形部材２２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、板状熱変形部材２２にアルミニウムを使用した場合には板状熱変形部材２３にはステンレスやチタンが用いられる。また、板状熱変形部材２２にマグネシウムを使用した場合には板状熱変形部材２３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（本実施の形態では約０．３ｍｍ）や長手方向の長さ（本実施の形態では約３４０ｍｍ）、或いはニップ幅（本実施の形態では約１０ｍｍ）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。

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と圧接する加熱ローラ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４の上方に示すように、押圧支持体２１は長さ方向で水平形状をなしており、加熱ローラ１８と加圧ローラ１９とで形成されるニップ部１７のニップ幅方向では図３に示すように加熱ローラ１８の円筒形状に沿うように円弧形状をなしている。また、押圧支持体２１は、加熱時（印字可能状態）には、図４の下方に示すように、押圧支持体２１は長手方向中央が加圧ローラ１９側に突出するように変形する。

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、押圧支持体２１は長さ方向で水平形状をなしている。

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、押圧支持体２１は長手方向中央が加圧ローラ１９側に突出するように変形する。

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、加熱ローラ１８の回動移動（図３の時計回り方向）と加圧ローラ１９の回転（図３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。

尚、このトナー定着時において、加熱ローラ１８に付着したトナー等は分離爪２５によって掻き取られる。

また、このトナー定着時において、加熱ローラ１８には、図７の上方に示すように、その長手方向中央が加圧ローラ１９から離間する方向に撓みが発生する。

しかしながら、熱源２０の加熱によって、押圧支持体２１には、図４の下方に示すような撓みが発生しているため、加熱ローラ１８には、図７の中央に示すように、その長手方向中央が加圧ローラ１９を押し出すような逆撓みが発生する。従って、この加熱ローラ１８の撓みと押圧支持体２１の熱膨張に伴う逆撓みとによって、双方の撓みが相殺され、図７の下方に示すように、加熱ローラ１８の撓みが抑制され、ニップ部１７の略全長に渡って均一な圧接状態を確保することができる。

このように、本発明の定着装置１０にあっては、加熱ローラ１８の内部に、この加熱ローラ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つの板状熱変形部材２２，２３から構成したことにより、加熱ローラ１８の撓みが抑制され、ニップ部１７の略全長に渡って均一な圧接状態を確保することができる。

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縦断面図である。 本発明の一実施の形態に係る押圧支持体の作用を示す模式図である。 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の熱変形部材の組み合わせの図表である。 本発明の一実施の形態に係る要部の作用を示す模式図である。

符号の説明

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

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種類の板状熱変形部材の重合体から構成されていることを特徴とする定着装置。
2. 前記押圧支持体は、前記２種類の板状熱変形部材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他方の回転体からの圧力に伴って前記一方の回転体に発生する撓みを相殺するように変形することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記２種類の板状熱変形部材は、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大きい材料から板状とされた第１板状熱変形部材と、該第１板状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小さい材料から板状とされた第２板状熱変形部材とを備えていることを特徴とする請求項１又は請求項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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