JP2008165152A - 定着器およびそれを有する電子写真装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
加熱ローラの軸方向の温度分布を均一にし、連続通紙時における加熱ローラ端部の軸受けや駆動ギヤ部の温度上昇を低減し、小型、高速定着を実現する。
【解決手段】
ヒートローラが用紙と接触する部分とヒートローラ端部の軸受け部との間の位置に、外縁に折り返しを有する円盤状でバネ性を有する金属の反射板をヒートローラ内部に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特にハロゲンヒータを加熱源にして、円筒形のヒートローラを加熱することにより未定着画像を加熱定着する定着装置およびそれを有した電子写真技術を利用した複写機やプリンタなどの電子写真装置に関するものである。

電子写真装置では、未定着画像を加熱定着するための定着装置からの熱によって装置本体内の温度上昇を防ぐため、例えば定着装置の上方に排気ファンを設けて、冷却流を形成している（例えば、特許文献１および２参照）。そのため、定着装置では、その冷却流によって、定着装置のヒートローラ表面温度分布が変化するため、ヒートローラ軸方向の温度分布を一定に保つ必要がある。一般に、定着装置ではヒートローラの熱源として、低価格の点からハロゲンヒータを用いるのが主流であり、ヒートローラの軸方向に対して、ハロゲンヒータ端部の発熱量を多くして、冷却流によるヒートローラ端部の温度低下を押さえる方法がとられている。

また、ヒートローラ端部の開口部に反射板を設けることで、ハロゲンヒータからの熱がヒートローラ開口部から放散することを防止し、端部でのハロゲンヒータの発熱量が少なくてもヒートローラ端部での温度低下が防止できる方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

また、ヒートローラ端部の温度低下を防止する別の方法としては、ヒートローラと用紙が接触する部分のみ発熱するハロゲンヒータの他に、ヒートローラ端部のみを発熱するハロゲンヒータを設けることで、ヒートローラ端部の温度を一定に保つ方式が実用化されている。

特開平６−４３７８８号公報 特開２００２−６２７７１号公報 特開昭６２−１１５６８４号公報

上述した従来の方式では、連続通紙の場合、用紙と接触しないヒートローラ端部の温度が上昇してしまい、その結果、ヒートローラ端部に設けられている軸受けや駆動ギヤが熱劣化する。すなわち、連続通紙の場合、加熱ローラの通紙部ではヒートローラの熱が用紙に奪われてもヒートローラ表面温度がある一定温度になるようハロゲンヒータは多く発熱するため、通紙による熱の奪われがなく用紙と接触しないヒートローラ端部においては、ハロゲンヒータの発熱の影響で温度が急激に上昇することになる。

通常、定着装置に用いられる軸受けは、内部にフッ素グリースが封入された転がり軸受けであり、フッ素グリースの耐熱温度は２５０〜２６０℃である。また、駆動ギヤとしては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）など耐熱性樹脂が用いられ、その耐熱温度は２５０〜２６０℃である。したがって、少なくとも軸受けおよび駆動ギヤの温度は、２５０℃以下にする必要があり、電子写真装置の高速印字を行う場合、ヒートローラ端部の温度上昇がより大きくなり、その結果、軸受けや駆動ギヤが熱劣化することが大きな障害となっている。

一方、前述した端部のみを発熱するハロゲンヒータを別に設ける方式では、高速の連続印字でもヒートローラ端部の温度上昇を防止することができるが、ハロゲンヒータが２本必要であり、さらにそれぞれのハロゲンヒータの発熱を制御するために温度検知手段も２つ必要となることから、装置の小型化、低価格化が問題となっている。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、小型で安価な構成でヒートローラ端部の軸受けや駆動ギヤの温度上昇を防止し、小型で高速印字が実現できる定着装置とそれを用いた電子写真装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第一の特徴は、ヒートローラが用紙と接触する部分とヒートローラ端部の軸受け部との間の位置に、外縁に折り返しを有する円盤状でバネ性を有する金属の反射板をヒートローラ内部に設けることにある。
上記目的を達成するための本発明の第二の特徴は、ヒートローラの芯金部に１個ないしは２個の穴を設け、該穴に対して嵌合する爪を有し且つバネ性を有する金属の反射板をヒートローラ内部に設けることにある。

本発明によれば、少ない部品点数で安価な構成でヒートローラ端部の軸受けや駆動ギヤの温度上昇を防止でき、小型で高速の定着器およびそれを有した電子写真装置を実現することができる。

小型で高速の電子写真装置におけるヒートローラ端部の軸受けや駆動ギヤの温度上昇を防止するという目的を、ヒートローラが用紙と接触する部分とヒートローラ端部の軸受け部との間の位置に、外縁に折り返しを有する円盤状で且つバネ性を有する金属の反射板をヒートローラ内部に設けることにより実現した。

先ず、本発明に係わる電子写真装置の概要について、図４、図５を用いて説明する。図４は、本発明によるカラー電子写真装置の概略断面図である。図５は、図４に示した装置の上面図である。

図４において、装置中央部に中間転写装置１１が配置されており、中間転写装置１１の周辺には、感光装置１２、転写装置１３、用紙剥離手段１４、中間転写装置清掃手段１５が配置されている。また、感光装置１２の周辺には、帯電器１６、感光体清掃手段１７、残像除去手段１８が配置されている。４色の異なる色の微少着色粉体であるトナーを封入した現像器１９Ｋ、１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃは重ねられて配置されて、その下方には露光手段２０、また更にその下方には用紙を溜めておく用紙保持手段２１、用紙供給装置２２が配置されている。電子写真装置上部には、定着装置１０、用紙排出装置２３が配置されている。

このような構成において、帯電器１６は感光装置１２の表面を一様に帯電させる。次にパソコン、イメージスキャナ等による画像、文字の情報を露光手段２０によりドット単位で露光が行われ、感光装置１２の表面に静電潜像を形成させる。

その後、静電潜像は、現像装置１９Ｋ、１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃのいずれかによりトナーが供給、現像されることにより、トナー像として可視化され、第一転写位置Ｔ１へ搬送される。第一転写位置Ｔ１では、図示しない電源から供給される感光装置１２と中間転写装置１１との電位差により、トナー像が中間転写装置１１の表面へ転写される。

第一転写位置Ｔ１を通過した後、感光装置１２の表面は残像除去手段１８による光照射で電位を一定以下に落とされ、静電潜像が消去され、また、感光体清掃手段１７により第一転写位置Ｔ１にて転写されずに残留した表面の残トナーが清掃され、次のトナー像の形成が可能な状態になる。上記工程を各現像装置１９Ｋ〜１９Ｃにより必要数繰返すことにより、中間転写装置１１の表面には、画像、文字の情報に見合うトナー像が形成される。

その後、トナー像は第二転写位置Ｔ２で転写装置１３によって、用紙供給装置２２により用紙保持手段２１から供給された用紙に転写される。トナー像を転写された用紙は、用紙剥離手段１４により中間転写装置１１より剥離され、定着装置１０に運ばれ、トナー像を用紙に定着し、用紙排出装置２３にて排出される。

次に図５において、排気ファン３２が、定着装置１０の幅方向側端部で且つ定着装置１０の上方に配置されるよう、本体フレーム３０Ｌに取り付けられている。また、定着装置１０のもう一方の側端は、駆動ユニット３１が取り付けられた本体フレーム３０Ｒであり、その外装に吸気孔３３を設けている。排気ファン３２の回転により、吸気孔３３から常に外気を吸引し、図中の矢印で示す方向に気流が形成され、定着装置１０の上方周辺を冷却する構成となっている。

この構成によって、気流は、定着装置１０においては駆動ギヤ５１から反対側へ、用紙に対しては平行に流れるため、高速の連続印字でも常に気流が安定し、定着装置１０の上部周辺の熱を安定して確実に機外に排出することができる。なお、図中１１は中間転写装置、図中１２は感光装置であり、図中１９Ｋは、図４で説明したように、最上段に位置する黒色の現像装置である。

次に本発明の電子写真装置における定着器について、その概略断面を示す図２を用いて説明する。定着装置は、加熱ローラ１、加圧ベルト２、入口ガイド３、剥離ガイド４、加圧パッド６、出口ガイド７、下ケース４２から構成される。加熱ローラ１は、厚さ０．５ｍｍのパイプ状の鉄芯金１ａの上に、厚さ０.８ｍｍ、ＪＩＳ硬度２０度のシリコーンゴム層１ｂで被覆された外径φ２６．６の弾性ローラであり、その表面にはトナーとの離型性を確保するため厚さ３０μｍのＰＦＡ（四弗化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）が被覆されている。

また加熱ローラ１内部にはハロゲンヒータ５を有しており、この熱によってトナーを溶融する。さらに、ハロゲンヒータ５の輻射熱によって加熱ローラ１の軸端部が必要以上に温度上昇するのを防止するため、加熱ローラ１の内部には、芯金１ａと嵌合する反射板８を設けている。反射板８の形状および機能に関しては、後述する。

加熱ローラ１は、図示していない転がり軸受けにより回転支持されており、ギヤにより矢印Ａ方向へ回転する。

加圧ベルト２は、厚さ８０μｍ、内径φ３０のシームレスのポリイミドベルトであり、その表面にはトナーとの離径性を確保するため、厚さ３０μｍのＰＦＡが被覆されている。また、加圧ベルト２は、表面が加熱ローラの曲率に対応して湾曲形状を有する加圧パッド６によって、加熱ローラに当接し、トナー９を溶融するための接触部ｈを形成している。そのため、加熱ローラ１が小径でも定着する速度に必要な接触幅ｈが形成できるため、定着装置の小型化が図れる一方、高速定着が可能となる。本実施例では、接触幅ｈ＝１１ｍｍで定着速度２００ｍｍ／ｓ、カラー８ｐｐｍ、モノクロ３２ｐｐｍを実現している。

加熱ローラ１の周囲には、用紙４３を案内するガイド機能を有する耐熱性の樹脂で成形された下ケース４２と、加熱ローラ１の通紙部に当接して加熱ローラ１の表面温度を高精度に検知することでハロゲンヒータ５の発熱を制御するための接触式サーミスタ４１と、加熱ローラ１の表面とギャップＧを形成して定着後の用紙４３を加熱ローラ１から剥離して案内する剥離ガイド４が配置されている。

以上の構成により、未定着のトナー９が転写された用紙４３は、入口ガイド３および下ケース４２のガイドにより矢印Ｂ方向へ搬送され、加熱ローラ１と接触部ｈで当接し、そこでトナー９が用紙に溶融定着されたのち、剥離ガイド４により加熱ローラ１から剥離されて排出される構成となっている。

次に、本発明に係わる加熱ローラ１の形状と反射板８との支持構造について、図１を用いて説明する。図１は本発明に係わる加熱ローラ１の軸方向断面図であり、まず構成について述べる。

加熱ローラ１の芯金１ａはストレート形状の外径φ２５、長さ３１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの鉄パイプである。転がり軸受け５２は、外輪の外径がφ３２、内輪の内径がφ２５、呼び記号６７０５の単列深溝軸受けである。側板５０は、厚さ１．２ｍｍの鋼板であり、転がり軸受けの外輪と嵌合し、加熱ローラ１を回転支持している。駆動ギヤ５１は、耐熱性のギヤであり、転がり軸受け５２の内輪と接するとともに、加熱ローラ１の芯金１ａと嵌合することで、加熱ローラ１を回転駆動する。なお、駆動ギヤ５１の材質は、芯金１ａと直接接触するため、芯金１ａの熱を吸収しにくくさらに放熱しにくい材質が望ましい。なぜなら、先に図５で説明したように、定着装置の上方には駆動ギヤ５１から、常に外気からの冷却流が形成されているため、芯金１ａの熱が駆動ギヤ５１を伝わって放散されるからである。芯金１ａの熱が吸収し放熱されると、芯金１ａ端部の温度が低下し、その影響で芯金１ａの表面に被覆されている弾性層１ｂの温度分布が一定にならない。さらに、駆動ギヤ５１が吸収し放熱する熱は、定着装置の熱損失となり、ウォームアップ時間の短縮化やハロゲンヒータ５の低消費電力化の障害となる。

そこで本実施例では、駆動ギヤ５１の材質として、１．８２［Ｍｐａ］の荷重における熱変形温度が２６０℃の耐熱性を有し、熱伝導率が０.３３[Ｗ／ｍ／Ｋ]であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂を用いている。

ハロゲンヒータ５の発熱長さは、芯金１ａ端部への熱拡散によって通紙幅端部の温度が低下するのを防止するため、加熱ローラ１の用紙と接触する通紙幅Ｌ１よりもδ１長くし、さらに端部の発熱量は、加熱ローラ１の表面温度を検出する接触式サーミスタ４１がある通紙部中央の発熱量よりも大きくしている。本実施例では、δ１＝１０ｍｍとし、さらにハロゲンヒータ５の端部の発熱量は、中央部の発熱量に対して３０〜４０％大きくしている。

反射板８は、詳細形状は後述するが、外縁に複数の折り返しがある円盤状でバネ性の金属であり、芯金１ａの内部に挿入されている。また、外縁の折り返し部には複数の爪があり、芯金１ａに設けた穴と嵌合することで、芯金１ａに対して傾くことなく、位置決めされる構造となっている。これにより、図中矢印で示すように、ハロゲンヒータ５の輻射が反射板８によって遮られ、芯金１ａ端部からの熱放散を防止している。

また、反射板８の位置δ２は、加熱ローラ１の弾性層１ｂが用紙と接触する通紙幅Ｌ１に対する側板５０の位置δ３の間で、且つハロゲンヒータ５の発熱長さδ１よりも長いδ２の位置にあり、δ１＜δ２＜δ３としている。これにより、通紙幅Ｌ１全体をある一定の温度にするとともに、連続印字時での転がり軸受け５２および駆動ギヤ５１の温度上昇が低減でき、転がり軸受けおよび駆動ギヤの熱劣化を防止できる構成としている。

連続通紙における加熱ローラ端部の温度上昇は、ハロゲンヒータを用いる定着装置では避けられない現象であり、そのため、定着装置においては高速の連続通紙に限界があった。なぜなら、そのメカニズムは、加熱ローラ表面温度の検知は通紙部にあり、連続通紙によって、通紙部の加熱ローラの熱が用紙に奪われても加熱ローラの通紙部の表面温度がある一定温度になるようハロゲンヒータは多く発熱することとなる。

そのため、用紙と接触しないヒートローラ端部においては、通紙による熱の奪われがなく、その結果、ハロゲンヒータの発熱の影響で温度が急激に上昇することになるからである。これを解決する方法としては、従来、ハロゲンヒータを２本とし、１本は加熱ローラの通紙部のみを加熱し、もう１本は加熱ローラの端部のみを発熱するハロゲンヒータを用いて、さらに温度検知も通紙部と端部の非通紙部の２個使用する方法があるが、定着装置が大型化しコストも嵩むことから、大型の高速の複写機やプリンタにしか実用化されていない。

したがって、本発明によれば、反射板８を加熱ローラ１に挿入することで、少ない部品点数で小型で高速の印字を実現することができる。

次に、本発明における反射板８の形状と加熱ローラ１との組立性について説明する。図３に、反射板８および加熱ローラ１の分解斜視図を示す。反射板８は、厚さ０．２ｍｍのバネ性を有するＳＵＳ３０４−ＣＳＰ１／２Ｈ材であり、その形状は、外縁に複数の折り返しを有する円盤形状となっている。また、折り返し部には、そのバネ性によって芯金１ａの内面に当接して反射板を保持する２本の足８２と、芯金１ａの穴１ｃと嵌合する爪を先端部に有する２本の足８１を有している。

この４本の足８１、８２で形成される外接円直径は、芯金１ａの内径よりも１〜３ｍｍ大きくなっており、図中の矢印Ｃの方向へ反射板８を芯金１ａに挿入することで、それぞれの足が矢印方向へ弾性変位し、その結果、芯金１ａ内面で反射板８が保持される構成としている。芯金１ａの穴１ｃと嵌合する爪を２ケ所（図３では２つの足８１の先端）にする利点は、以下による。爪が１個の場合では挿入時あるいは加熱ローラの回転によって反射板８が傾いてしまう可能性があり、爪が３個以上の場合では芯金１ｃとの嵌合を３ケ所以上同時に行うこととなり組み立てが困難になるからである。それゆえ、本実施例では、芯金１ａに嵌合する穴を２ケ所としている。

また、反射板８における４本の足８１、８２の芯金１ａへのそれぞれの当接力は、４．９〜１９．６Ｎ（０．５〜２ｋｇｆ）が望ましく、本実施例では、９．８Ｎ（１．０ｋｇｆ）としている。なぜなら、この当接力が大きすぎると、反射板８を芯金１ａに挿入する際に大きな力が必要となり、場合によっては、薄肉の芯金１ａを変形させる可能性があるからである。また反対に、当接力が小さいと、加熱ローラ１の回転や本体装置の搬送の衝撃によって反射板８が芯金１ａ内部で傾き、ハロゲンヒータ５を破損することとなる。したがって、本発明の反射板構造によって、反射板８が加熱ローラ１で傾斜することなく、容易に反射板８を組み付けることができる。

次に、本発明の効果について検証した結果を図６、図７を用いて説明する。図６は、待機時における加熱ローラの軸方向の温度分布であり、図７はモノクロ連続通紙における加熱ローラの軸方向の温度分布を示している。それぞれの図において、曲線Ａ、Ｂ、Ｃは、以下の条件での温度分布であり、曲線Ｃが本実施例での温度分布である。また、一点鎖線および矢印で示す範囲が１５０〜１８０℃の定着可能な温度範囲である。
（条件Ａ）：反射板なし。
ハロゲンヒータの発熱比＝１２５％（反駆動側）：１００％（中央）：１２５％（駆動ギヤ側）、ハロゲンヒータの長さ（通紙部長さＬ１からの位置）δ１＝５ｍｍ
（条件Ｂ）：反射板なし。
ハロゲンヒータの発熱比＝１２５％（反駆動側）：１００％（中央）：１４５％（駆動ギヤ側）、ハロゲンヒータの長さ（通紙部長さＬ１からの位置）δ１＝１０ｍｍ
（条件Ｃ）：反射板あり。
反射板の位置（通紙部長さＬ１からの位置）δ２＝１６ｍｍ、ハロゲンヒータの発熱比＝１２５％（反駆動側）：１００％（中央）：１３５％（駆動ギヤ側）、ハロゲンヒータの長さ（通紙部長さＬ１からの位置）δ１＝１０ｍｍ
なお、いずれの場合も側板の位置は、通紙部長さＬ1に対してδ３＝３０ｍｍとしている。また、モノクロ連続印字での評価は以下の条件にて行った結果である。

用紙：ＲＩＣＯＨ−６２００ （Ａ４サイズ、縦目、坪量６９ｇ／ｍ^２）
印字モード：黒化率５％、モノクロ５０枚
環境（Ｎ／Ｎ）：２２℃、５５％ＲＨ
まず、条件Ａの場合について述べる。条件Ａでは、反射板のない従来構成での結果であり、図６の示す待機時においては、駆動ギヤ側の温度低下が大きく、通紙部Ｌ１端部では定着に必要な温度１５０℃以下となっている。これは、先の図５で説明したように、定着器の上方では駆動ギヤ側から反駆動側へ冷却流があるため、その影響で駆動ギヤ側が反駆動側よりも冷やされるからである。したがって、待機直後の印字では、用紙の駆動ギヤ側のトナーが十分定着できない定着不良が発生する。その反対に図７の連続通紙では、駆動ギヤ側の温度が２３０℃であり、軸受けおよび駆動ギヤの耐熱温度以下となっている。

次に条件Ｂの場合について述べる。条件Ｂでは、反射板のない別の従来構成での結果であり、ハロゲンヒータの駆動ギヤ側の発熱比を１４５％とするともに、ハロゲンヒータの長さを通紙部から１０ｍｍ長くすることで待機時における駆動ギヤ側の温度低下を防止し、図６のように、待機時の加熱ローラの通紙部における温度分布をほぼ均一にしている。しかし一方で、図７に示すように、連続通紙した場合、非通紙部での温度上昇が大きく、軸受けや駆動ギヤ部における芯金温度が軸受けおよび駆動ギヤの耐熱温度２５０℃を超える２６０℃となってしまう。

したがって、反射板を有さない従来構成では、待機時での温度分布均一化と連続通紙時の非通紙部すなわち軸受けや駆動ギヤ部の温度低減を両立することが難しいものとなっている。

これに対して、本発明による反射板８を有する条件Ｃでは、図６に示すように待機時の通紙部の温度をほぼ均一にするとともに、図７で示すように連続通紙時における芯金部の温度をそれらの耐熱温度２５０℃以下にすることができる。したがって、本発明によれば、加熱ローラ１における待機時での温度分布均一化と連続通紙時での非通紙部の温度上昇低減の両立が達成でき、小型で高速の定着器および電子写真装置が実現できる。

本発明における定着装置の軸方向の概略端面構成図である。 本発明における定着装置の概略構成図である。 本発明における加熱ローラと反射板の分解斜視図である。 本発明における電子写真装置の概略断構成図である。 本発明における電子写真装置の上面図である。 本発明における待機時の加熱ローラの軸方向温度分布図である。 本発明における連続通紙時の加熱ローラの軸方向温度分布図である。

符号の説明

１：加熱ローラ、１ａ：芯金、１ｂ：弾性層、1ｃ：穴、２：加圧ベルト、３：入り口ガイド、４：剥離ガイド、５：ヒータ、６：加圧パッド、７：出口ガイド、８：反射板、９：トナー、１０：定着装置、１１：中間転写装置、１２：感光装置、１３：転写装置、１４：用紙剥離手段、１５：中間転写装置清掃手段、１６：帯電器、１７：感光体清掃手段、１８：残像除去手段、１９Ｋ、１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃ：現像器、２０：露光手段、２１：用紙保持手段、２２：用紙供給装置、２３：用紙排出装置、３０Ｌ：本体フレームＬ、３０Ｌ：本体フレームＲ、３１：駆動ユニット、３２：排気ファン、３３：通気孔、４１：接触式サーミスタ、４２：下ケース、４３：用紙、８１：反射板爪、８２：反射板の足。

Claims (5)

1. 芯金の周囲に形成したトナー離型性と耐熱性を兼ね備えたローラと、該ローラを側板に回転支持する転がり軸受けと、該ローラの内部に配置される発熱体とから構成され、該ローラが未定着のトナー像が転写された用紙と接触して回転することでトナー像を用紙に定着させるとともに用紙を搬送する定着器において、前記芯金の内部で且つ前記ローラが用紙と接触する通紙部と側板との間に、前記発熱体からの輻射を反射する反射板を設けたことを特徴とする定着器。
2. 請求項１記載の定着器において、前期反射板は外縁に折り返しを有する円盤状でバネ性を有する金属であることを特徴とする定着器。
3. 請求項１記載の定着器において、前記ローラの芯金部に１個ないしは２個の穴を設け、該穴に対して嵌合する爪を有し且つバネ性を有する金属の反射板を芯金内部に設けることを特徴とする定着器。
4. 請求項１記載の定着器において、前記定着器の上方で定着器の駆動ギヤ側から反対側に、用紙に平行して冷却流が形成されることを特徴とする定着器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の定着器を有する電子写真装置。

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