JP2008040359A - 定着装置及びこれを使用する画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】余熱なしの状態からの高速立ち上がりによる省エネルギ化及び高画質化を同時に達成することのできる定着装置及びこれを備える画像形成装置を提供する。
【解決手段】転写紙Ｐ上の未定着画像を定着する定着装置において、定着ローラ１の転写紙Ｐの搬送方向下流側に弾性層３ａを有する押圧手段３と、この押圧手段３の表層を加熱するための外部加熱手段５とを備え、定着ローラ１自体は弾性層を有していない。
【選択図】図１

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置において転写紙上の未定着画像を定着する定着装置及びこの定着装置を使用する画像形成装置に関するものである。

複写機、プリンタ、ファクシミリ、あるいはそれらの機能を複数備える複合機等の画像形成装置においては、熱ローラ（ヒートロール）方式の定着装置が広く用いられている。
特にカラー機では定着ローラ、加圧ローラともに弾性層（主にシリコンゴム）を有する構成とし、ローラ内部に配置したハロゲンヒータにより内部から加熱を行う定着装置が主流である。

ところで、近年の環境規制、環境保護意識の高まりから、これらの各種画像形成装置にも消費電力の低減が望まれている。その１つの手段として、画像形成装置が待機時の時には定着ヒータへの通電を遮断し、必要な時のみに通電するという温度制御が行われている。
一方、ユーザーの利便性から考えると、このような省エネルギ型の画像形成装置においても、待機時から印刷時までの立ち上がり時間は短縮されることが望ましい。そして、立ち上がり時間を短縮するためには定着ローラの表面温度が迅速に設定温度まで達するように加熱される必要がある。
このため、従来の定着装置では、自己発熱体と熱融着ローラの後方に弾性層を有する押圧手段を設けたり、加熱ローラの弾性層を加熱するために外部加熱手段を設けたりする技術が知られている（例えば、特許文献１乃至８参照）。

モノクロの画像形成装置においては特許文献５及び６に記載される薄肉定着ローラを用いることで、定着ローラの熱容量を低減し、余熱なしの状態からの高速立ち上がりを達成した。
しかし、カラー画像形成装置の主流である表面に弾性層を有するローラ定着方式では熱容量が膨大なものとなってしまう上、ローラ内部から表層への伝熱性が悪くなってしまうので、立ち上がりは著しく遅くなる。従って、高速立ち上がりを達成するためには、待機時に余熱を与えて室温以上に保つ必要があるので、省エネルギと両立することはできない。
その対策として、近年、カラー画像形成装置において様々な定着方式が検討されている（特許文献１、３及び４）。例えば、特許文献２及び７には、誘導加熱を利用する技術が開示されている。

特許文献７では、磁場の作用で電磁誘導発熱する発熱層を含む加熱用フィルムであり、少なくとも上記発熱層、弾性層、離型層がこの順で積層されて構成されていることを特徴とする加熱用フィルムと、このフィルムに圧接してニップ部を形成する加圧部材と、磁場を作用させて加熱用フィルムの発熱層部分を電磁誘導発熱させる磁場発生手段とを有し、ニップ部のフィルムと加圧部材との間に被加熱材を導入してフィルムと一緒に搬送させることで被加熱材を加熱するようにした加熱装置が提案されている。
また、特許文献８では、導電層を有する薄肉の加熱ベルトを、磁界発生手段が発生する磁界によって誘導加熱し、その加熱ベルトと相対して設けられる加圧部材とのニップ部で、記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置において、加熱ベルトのループ内側に弾性層を有する押圧部材を配置し、この押圧部材を、加熱ベルトを介して加圧部材に押圧することにより、定着のためのニップ部を形成するようにした定着装置が提案されている。
特開平０７−１１０６３３号公報 特開２００３−０１７２２１公報 特開２００２−０４９２５８公報 特開２００２−２７８３３４公報 特開２００２−０５５５５２公報 特開平０９−２１２０２６号公報 特開平０９−４４０１４号公報 特開２００２−１４８９８３公報

しかしながら、一般的に定着装置が十分な弾性層を有していない場合、接触面が記録媒体上の凹部に対して追従できないので、凹部に落ち込んだトナーは潰されずに残ってしまう。一方、凸部に乗っているトナーは完全に押し潰され、表面が平滑となる。
このトナーの潰れ具合の差が、画像の微小な光沢ムラと現れることが分かっており、「梨地画像」あるいは「柚子肌画像」と呼ばれている。文字情報が多くを占めていたモノクロ画像形成装置においては、このような梨地画像は問題にならなかったが、画像情報をプリントアウトする機会の多いカラー画像形成装置においては、梨地画像ではなく、均一な光沢をもった画像の形成が求められている。

例えば、特許文献７に記載の技術は、加熱フィルムを挟んで加圧部材に相対する励磁コイル支持体は弾性体でないため、加熱用フィルムに弾性層を有していても、良好な画質を得るための効果が発揮しきれておらず、また、ニップ内部の圧力分布も規定されていないため、梨地画像が発生するおそれがある。それを防ぐために、加熱フィルムの弾性層を厚くすると、フィルム自体の熱容量が増大してしまい、立ち上がり時間が著しく増大されてしまう。
また、特許文献８の技術は、立ち上がり時間をほとんどゼロにするとともに、ニップ部の圧力分布によりカラー画像においても良好な用紙剥離性能が得られるが、定着ベルト自体には弾性層を有していないため、梨地画像が発生するという問題がある。

本発明は、上述した実情を考慮して、余熱なしの状態からの高速立ち上がりによる省エネルギ化及び高画質化を同時に達成することのできる定着装置及びこれを備える画像形成装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、転写紙上の未定着画像を定着する定着装置において、定着ローラの前記転写紙の搬送方向下流側に弾性層を有する押圧手段と、該押圧手段の表層を加熱するための外部加熱手段とを備え、前記定着ローラ自体は弾性層を有していない定着装置を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記外部加熱手段は、前記定着ローラと前記押圧手段との間に設けられ、前記押圧手段の温度が所定の温度に達した時には、前記外部加熱手段は前記定着ローラの加熱に切り換わる請求項１記載の定着装置を特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記外部加熱手段として、ハロゲンヒータと反射板を用いる請求項１記載の定着装置を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記外部加熱手段として、誘導加熱を用いる請求項１記載の定着装置を特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記定着ローラとして、薄肉管を用いる請求項１記載の定着装置を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項記載の定着装置を用いた画像形成装置を特徴とする。

本発明によれば、高速立ち上げを可能とするために定着ローラを低熱容量化した場合にできる微細な光沢ムラ（梨地画像）を２段目の押圧手段によって矯正することができる。また、押圧手段は梨地矯正に必要な温度（約８０℃）まで外部（表層）加熱手段により加熱されるので、定着ローラの高速立ち上がりと同程度の早さで加熱が完了する。さらに、定着ローラ自体には弾性層がないので立ち上がりが速くなり、定着装置の余熱なし状態からの高速立ち上げと高画質の両立が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明による定着装置の第１の実施形態を示す概略図である。図２は図１の第１の実施形態における通紙時の動作を示す概略図である。
図１及び図２を参照して、定着装置は、従来、用いられている２ロール方式による定着装置と基本的に同様の構成であり、薄肉管を定着ローラ１とし、スポンジローラを加圧ローラ２とする。薄肉管は厚さ０．５ｍｍのアルミニウムからなる管であり、表面には離型性を上げるためにＰＦＡ層を有する。これにより、構成が簡略、且つ低コストとなる。
また、強度を保つために内側にはリブ（図示せず）がついている。加圧ローラ２をスポンジにすることでニップ幅を広く取ることができ高速通紙時にも、トナーに十分な熱量を与えることができる。

定着ローラ１の表面にはサーミスタ１１、内部にはハロゲンヒータ１５が設置されている。サーミスタ１１で定着ローラ１の表面温度を読み取り、温度に対応してハロゲンヒータ１５をオン／オフすることで温度制御を行う。
定着ローラ１の表面には、この定着ローラ１に巻き付いた転写紙を分離するための分離爪１３と定着ローラ１にオフセットしたトナーを除去するためのクリーニングウェブ７が設置されている。また、離型性を向上させるために定着ロール１にオイル塗布ローラ等のオイル塗布手段（図示せず）を設けてもよい。

定着ローラ１の後方、図１の右方には押圧ローラ３が設置されている。この押圧ローラ３は、定着ローラ１により軟化ないし溶融状態となった未定着トナー画像のトナーが、外力により変形し得る状態が維持されている範囲内に設置されなければならない。押圧ローラ３はアルミニウム又はＳＵＳで作られた芯金のまわりにシリコンゴム等の弾性層３ａを有し、さらにその外側にはＰＦＡ等の離型層を有している。
押圧ローラ３は上下関係に配置された押圧ローラ４と同じ構成をしており、荷重を掛けることでニップを形成する。トナー画像と接する側の押圧ローラ３表面にはサーミスタ１６とクリーニングウェブ１７が設置されている。また、離型性を向上させるためにオイル塗布ローラ等のオイル塗布手段（図示せず）を設けてもよい。
定着ローラ１と押圧ローラ３との間にはハロゲンヒータ５と反射板６が設置されている。待機時から立ち上がり時の間は反射板６の開口部６ａは押圧ローラ３側を向いており、押圧ロール３の表面を輻射熱により加熱する。

立ち上げ時の動作について、待機時には省エネルギのためにハロゲンヒータ１５及び５の通電は遮断されており、定着ローラ１、加圧ローラ２、押圧ローラ３、４の温度は室温と同程度になっている。この時、反射板６の開口部６ａは図１に示すように押圧ローラ３の方を向いている。
待機時から作像モードになりヒータに通電が始まると、定着ローラ１はハロゲンヒータ１５によって１３０℃〜１６０℃まで加熱され、押圧ローラ３はハロゲンヒータ５によって６０℃〜８０℃に加熱される。押圧ローラ３が所定の温度に達した場合には、反射板６が駆動されて開口部６ａは定着ローラ１の方を向く（図２）。

通紙時の動作について、電子写真、静電記録、あるいは磁器記録等任意の画像形成プロセス手段によって、トナーを像様に担持させることにより未定着トナー画像Ｔが形成された転写紙（被記録材）Ｐは、図１及び図２の示してない搬送ガイド（図面上の左方）から、矢印Ｅ方向に進行し、定着ローラ１−加圧ローラ２間の定着ニップ部に挿通される。
そして、定着ローラ１の表面で、熱及び圧力が加えられてトナー画像が転写紙に定着された後、分離爪１３、１４で定着ローラ１及び加圧ローラ２から剥離されて、定着ローラ１−加圧ローラ２間の定着ニップ部から排出される。

転写紙（記録紙）Ｐの矢印Ｅ方向への進行に伴い、前記定着ニップ部の入り口から出口にかけて、未定着トナー画像Ｔのトナーの温度は上昇を続け、前記定着ニップ部の出口で最高温度になる。
この時のトナーの前記温度は、一般に１１０〜１５０℃となり、前記定着ニップ部から排出された転写紙Ｐ表面の半定着トナー画像Ｔ’のトナーは、溶融状態で、外力により変形し得る状態となっている。また、定着ローラ１が完全な剛体であり、転写紙の凹凸に追従しないので、トナー画像Ｔ’には梨地ができている状態である。

トナーが溶融状態から軟化状態となっている間に転写紙Ｐは押圧ローラ３、４によって形成されるニップ部に挿通される。押圧ローラ３は転写紙Ｐの凹凸に追従し、転写紙Ｐ上のトナーを均一に押圧するので、一度形成された梨地が消えて均一な光沢を持った画像Ｔ”が形成される。
この時、反射板６の開口部６ａは、図２のように、定着ローラ１の方向を向いており、ハロゲンヒータ５は定着ロール１の表面を加熱している。こうすることで、転写紙Ｐへの熱移動による定着ローラ１の表面温度の低下を防止することができる。

図３は本発明による定着装置の第２の実施形態を示す概略図である。この第２の実施形態では、押圧ローラ３の加熱手段以外は第１の実施形態と同等なので、ここで必要以外の説示は省略する。
定着ローラ１と押圧ローラ３の間に配置されるハロゲンヒータ５は、図３に示す遮蔽板付き反射板２１によって囲まれている。立ち上げ時には、図３のように、押圧ローラ３方向が開放されており、押圧ローラ３の表面を加熱する。

高速通紙時は定着ローラ１側の遮蔽板２３を開放し、遮蔽板２２を遮蔽することによって定着ローラ１の表面温度低下を防ぐ。高速通紙の場合、内側からの加熱だけでは定着ローラ１表面の温度上昇が間に合わなくなる。
高速通紙時に、定着ローラ１の転写紙搬送方向の下流の押圧ローラ（押圧手段）３が所定の温度に達した時には、ハロゲンヒータ（外部加熱手段）５の加熱対象を押圧ローラ３から定着ローラ１に切り換えることで、定着ローラ１の表面温度の低下を補う。ここで、押圧ローラ３は転写紙から熱を吸って温度が上昇するので、所定の温度になった時点で押圧ローラ３の加熱は必要なくなる。

図４は本発明による定着装置の第３の実施形態を示す概略図である。この第２の実施形態では、押圧ローラ３の加熱手段以外は第２の実施形態と同等なので、ここで必要以外の説示は省略する。
図４には押圧ローラ３の表層加熱として誘導加熱手段を用いた場合を図示している。フェライトコア２５の周りにＩＨコイル２４を巻き付けたものが定着ローラ１と押圧ローラ３の間に設置されている。
磁場を遮断するために、フェライトで作られた遮蔽板２６がＩＨコイル２４の横に取り付けられている。図４は立ち上がり時であり、フェライトコア２５は定着ローラ１側に設置されている。通紙時は遮蔽板２６が押圧ローラ３側に移動し、定着ローラ１を加熱するのに用いられる。

図１乃至図４に関連して上述した本発明による定着装置の構成によれば、以下のような理由で、室温からの高速立ち上がり及び梨地のない均一な光沢画像形成を両立することができる。
定着装置を高速に立ち上がらせるためには、定着ローラに弾性層を用いることができず、その結果、紙の凹部と凸部でのトナーの表面平滑性に差ができ、梨地画像が形成されるということは前述のとおりである。
本発明では、定着ローラ１の後方に弾性層３ａを有する押圧手段（押圧ローラ）３を配置することで、この梨地を矯正し、均一な光沢画像の形成を可能とした。まず、この構成で梨地矯正が可能となるメカニズムを以下で説明する。

定着ローラ１で加熱されかつ押圧された直後のトナーは外部圧力で変形可能な状態であり、その状態の時に押圧されることによって、トナーは、再び、押し潰される。
定着ローラ１の後方、即ち、転写紙（記録材）Ｐの搬送方向下流の押圧手段３は、上述のごとく、弾性層３ａを有するので転写紙Ｐの凹凸に追従し、凹部のトナーも押し潰される。
また、凸部のトナーはさらに押し広げられて凹部を埋める働きも果たす。その結果、凹部と凸部でのトナーの表面平滑性が均一になり、微小な光沢ムラ、即ち、梨地が消える。

この時、トナーが冷えて固化しないように、押圧手段３は６０℃から８０℃に加熱されている必要がある。これは、押圧手段３が室温程度であると、この押圧手段３がトナーに触れた瞬間にトナーが冷却固化してしまい、トナーへの上記の効果がみられないからである。
本発明では押圧手段３の加熱手段として外部（表層）加熱手段５を用いたことと、目標とする温度が６０℃から８０℃程度と低いことから、定着ローラ１の高速立ち上がりに遅れることなく、余熱なしの状態から押圧手段３を所定の温度に加熱することができる。

図５は本発明による定着装置を適用し得る画像形成装置の全体構成を示す概略図である。最後に、定着装置を備える画像形成装置について概略を説明する。
図５を参照して、この画像形成装置１０における画像形成は次のような構成及び動作で行なわれる。
まず、感光体３０は図５の紙面に対し時計回りに回転する。感光体３０は帯電装置３１によって一様に帯電された後、露光装置３２で画像部に露光を行い潜像が形成される。
その後、現像装置３３により潜像を現像して可視像化され、基準パターンが図示してない給紙装置からレジストローラ３４を通って給紙された転写紙Ｐに転写ローラ３５により転写され、定着装置３６の定着ローラ１１と加圧ローラ１２のニップ部に搬送されて定着される。

上述した画像形成装置１０の定着装置として、図１乃至図４の何れかに記載の本発明による定着装置を搭載すれば、押圧ローラ３は梨地矯正に必要な温度（約８０℃）まで表層加熱手段５により加熱されるので、定着ローラ１の高速立ち上がりと同程度の早さで加熱が完了し、定着ローラ１に弾性層がないので立ち上がりが速くなり、均一な光沢画像の形成を可能とする画像形成装置が得られることになる。

本発明による定着装置の第１の実施形態を示す概略図である。 第１の実施形態における通紙時の動作を示す概略図である。 本発明による定着装置の第２の実施形態を示す概略図である。 本発明による定着装置の第３の実施形態を示す概略図である。 本発明による定着装置を適用し得る画像形成装置の全体構成を示す概略図である。

符号の説明

１…定着ローラ、２…加圧ローラ、３、４…押圧ローラ、３ａ…弾性層、５、１５…ハロゲンヒータ、６…反射板、１０…画像形成装置、２１…遮蔽板付き反射板、２２、２３…遮蔽板、２４…ＩＨコイル、２５…フェライトコア、２６…フェライト遮蔽板、３６…定着装置、Ｐ…転写紙（記録媒体、記録紙、記録材）

Claims (6)

1. 転写紙上の未定着画像を定着する定着装置において、定着ローラの前記転写紙の搬送方向下流側に弾性層を有する押圧手段と、該押圧手段の表層を加熱するための外部加熱手段とを備え、前記定着ローラ自体は弾性層を有していないことを特徴とする定着装置。
2. 前記外部加熱手段は、前記定着ローラと前記押圧手段との間に設けられ、前記押圧手段の温度が所定の温度に達した時には前記外部加熱手段は前記定着ローラの加熱に切り換わることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記外部加熱手段として、ハロゲンヒータと反射板を用いることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
4. 前記外部加熱手段として、誘導加熱を用いることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
5. 前記定着ローラとして、薄肉管を用いることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項記載の定着装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

Images