JP2009251158A - 定着装置、画像形成装置および定着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過熱水蒸気を用いた新たな熱源の供給による定着ローラの加熱を行う構成であり、熱の循環による有効利用によって、省エネルギーを達成する定着装置、画像形成装置および定着方法を提供する。
【解決手段】記録媒体１に転写されたトナー像を加熱、および、搬送を行い記録媒体１に固着させる定着装置６の構造であり、熱源から過熱水蒸気が発生される構造である。定着ローラの両端はフランジにより密封され、中は中空になっており、フランジを通して、過熱水蒸気搬送の為のパイプを通す。パイプは、ローラの外部の過熱水蒸気発生部６４に続く。過熱水蒸気発生部６４からは、過熱された水蒸気が送られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複写機やレーザプリンター、ＦＡＸやその複合機などにおいて、記録媒体に画像を定着する定着装置、画像形成装置および定着方法に関する。

従来から、画像形成装置として、高速性、画像品質、コストなどの面から紙、ＯＨＰなどの記録媒体上に画像を形成する装置として電子写真方式が採用されている。電子写真方式は、電荷を保持する感光体と、それを帯電する帯電装置、帯電した感光体上を露光し潜像を形成する光学装置、潜像を顕像化する現像装置をそなえ、感光体上の顕像を転写装置により記録媒体に転写し記録媒体上の転写したトナーを加熱により定着して画像を得る方法である。

この方式においては、もっともエネルギーを消費する部分として記録媒体上のトナーを加熱し、固着させる定着装置がある。近年は、地球のエネルギー源の減少、地球温暖化問題などに対応するために、電子写真方式を用いた画像形成装置内の熱定着部分の省エネルギー対策が考えられているが、それには、この定着装置でのエネルギー削減を考えることが必要である。

ところで、画像形成装置の定着装置では熱ローラ方式、誘導加熱方式などの加熱方式が行われている。その中で熱ローラ方式では、中空の金属コーラ内にハロゲンランプなどの熱源を入れ、接続した電源により電力を供給して定着ローラを所定の温度に加熱する。この定着ローラと対抗する加圧ローラを圧接し、その圧接部に記録媒体を搬送し、記録材とその上のトナー像を熱することで画像を定着している。

この装置においては定着ローラの熱容量が大きく、温まるまでに時間がかかることで装置が使用可能になるまでの時間が長く、使用者を待たせることになり、さらに熱容量が大きいことで大きな電力を投入しなければならないという欠点があった。その対策としては、定着ローラの肉厚を薄くして、定着ローラの熱容量を低減することが行われているが、薄くしすぎると強度不足となり、また、熱容量が低下することで、長期通紙のときに温度の低下が著しく定着が十分に行われないということが起こっている。

これを解決するためには、特許文献１において、電気二重層キャパシタを使用し、足りない電力をキャパシタに蓄えた分を供給するという方式が開示されている。

さらに近年、電力の投入を少なくするために、薄肉のローラやフィルムなどを用いた定着方法として、電磁誘導加熱による定着装置も発明されている。これは加熱体として電磁誘導発熱体を用い、電磁誘導発熱体に磁場発生手段で磁場を作用させて該電磁誘導発熱体に発生する渦電流に基づくジュール発熱で被加熱材としての記録材に熱を付与して未定着のトナー画像を記録材面に加熱定着処理する装置である。

この方式においては熱容量の低いローラやフィルムを使用しても発熱位置を定着ニップ部に近くすることができるので、効率の良い加熱ができる定着装置にすることができる。しかしこの方式においても、長尺方向（定着ニップ部長手方向）の熱流が阻害されるため、小サイズ記録材を通紙した場合に非通紙部での過昇温（非通紙部昇温）が発生して、フィルムや加圧ローラの寿命を低下させるという問題が発生していた。

これに対する対策として、特許文献２においては、定着回転体の軸方向の熱伝導率が円周方向及び半径方向の熱伝導率より高い熱伝導異方性を有することで解決しようとしている。

また、熱源として水分を使用する開示としては、特許文献３において熱湯を使用する方式があるが。
特許第３５８８００６号公報 特開２００５−２４７２５号公報 特開平２−５５７８９号公報

しかしながら、特許文献１では、上述した電気二重層キャパシタを使用し、足りない電力をキャパシタに蓄えた分を供給する方式においても、エネルギーを蓄え省エネルギーを計ることができるが、キャパシタは大きく、画像形成装置が大きな装置となるという点に関しては、改善の余地がある。

また、特許文献２では、定着回転体の軸方向の熱伝導率が円周方向及び半径方向の熱伝導率より高い熱伝導異方性を有する方式は、ローラ自体の製造を難しくし、コストの上昇や歩留まりの悪さなどが発生してしまうという問題が生じる。

また、特許文献３では、熱源として水分を使用する開示としては、特許文献３において熱湯を使用する方式があるが、これにおいては、その後の記録媒体の乾燥過程でのエネルギー消費が大きく、省エネルギーとは反するという問題が生じる。

上記特許文献１から特許文献３はいずれも、定着装置において、過熱水蒸気が発生する構造とし、これによって、定着ローラの加熱を行うことに関し、何ら示唆されていなく、これによる効果も示唆されていない。

そこで、本発明は、以上のような種々の方式の欠点に変わるものとして、過熱水蒸気を用いた新たな熱源の供給により、定着ローラの加熱を行う定着装置、画像形成装置および定着方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１、および、１１においては、定着装置の熱源に過熱水蒸気を利用することで、投入したエネルギーの利用を高め省エネルギーを実現することを目的とする。

請求項２、３、１２、および、１３においては、過熱水蒸気発生手段の熱源として誘導加熱装置やハロゲンヒータを利用することにより、過熱エネルギー発生のための投入エネルギーの無駄をなくし、省エネルギーを実現することを目的とする。

請求項４、１４においては、発生部（過熱水蒸気発生手段）から送られる過熱水蒸気は、熱源として定着装置の定着ローラを熱するが、利用した過熱水蒸気は、その後再度過熱水蒸気発生部（過熱水蒸気発生手段）へ循環することにより、水蒸気に蓄えた熱をそのまま再利用することができ、エネルギーが定着装置から逃げず有効利用ができること、つまり、エネルギーを過熱水蒸気として熱のまま蓄えてエネルギーの無駄をなくすことを目的とする。

請求項５においては、定着内での過熱水蒸気の排出部を複数有し、加熱する記録媒体の長手方向の大きさに応じて排出口が制御されることで、定着ニップ内での記録媒体以外の端部での温度の上昇を防ぐことを目的とする。

請求項６においては、過熱水蒸気発生部が断熱材で覆われていることにより、過熱水蒸気の温度の低下を防ぎ省エネルギーを実現することを目的とする。

請求項７においては、記録媒体の出入り口以外はカバーで覆われ、定着装置が断熱材で覆われていることにより、定着装置全体内での熱の流出を防ぎ、省エネルギーを実現することを目的とする。

請求項８においては、定着ニップ部で熱せら通過した記録媒体から発生した水蒸気を含む空気は、そのまま定着装置の内外に排出され、断熱材で覆われている定着装置内の発生したくない場所で結露を起こしたりし画像を劣化させる。定着ニップ下流での水蒸気を含んだ空気を積極的に回収すること循環経路を設け、発生する水分を過熱水蒸気として利用することで、定着装置内の水分環境を良好に保つことを目的とする。

請求項９においては、過熱水蒸気は循環して利用するが密閉しても漏れ出すことがある。過熱水蒸気を生成するための水分がなくなることは、画像形成ができないことであるが、それを防ぐために、水分の補給をトナーボトル交換と同時に行ない、このトナーを定着させるための十分な水分をトナー補給と一緒にし、画像形成をとどこおりなく行なうことを目的とする。

請求項１０においては、過熱水蒸気を定着装置の熱源として利用した従来を上回る省エネルギーを達成した画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明は、過熱水蒸気を用いた新たな熱源の供給による定着ローラの加熱を行う構成であり、熱の循環による有効利用によって、省エネルギーを達成する定着装置、画像形成装置および定着方法の提供を可能とする。

以下、本発明に参酌される技術用語を定義する。

（過熱水蒸気）
過熱水蒸気とは、水を蒸発させ、飽和蒸気になったものを、圧力を加えることなくさらに過熱することで得られる１００度以上の水蒸気のことを言う。特徴としては、過熱した空気よりも熱容量が大きく、加熱対象物を急速に加熱することができる。
３００度の過熱水蒸気と過熱空気では、同じ体積におけるエネルギー（Ｋｃａｌ）として、６倍の違いがある。また、空気による伝熱は対流伝熱であるが、過熱水蒸気では、対流に加えて、放射伝熱、凝集伝熱によっても熱を伝えられる。
また、圧力は加えないため、大掛かりな装置がいらない。

（誘導過熱）
誘導過熱とは、コイルに交流電流を流すと、周波数に応じて交番磁界が発生する。その磁界中に導電体が存在すると、導電体に誘導電流が流れジュール熱が発生する。この熱により導電体が発熱する。これを誘導加熱という。

（ハロゲンヒータ）
ハロゲンを満たしたガラス管内で伝熱線があり電流を流すことにより発熱する。これをハロゲンヒータという。

以下、本発明を好適、もしくは最良に実施を行う実施の形態について説明する。
以下に説明する実施の形態は、一例であって、これに限定されることはなく、当業者が容易に想到できる範囲内において、変形、修正可能とする。

以下、本実施形態にかかる定着装置について、図面に基づいて説明する。

図１において、記録媒体１に転写されたトナー像を加熱、および、搬送を行い記録媒体１に固着させる定着装置６の構造を断面図で示し、本構造は、熱源から過熱水蒸気が発生される構造である。

本構造では、定着ユニット６の筐体に定着ローラ６１と加圧ローラ６２を対向、加圧して配置される。２対のローラは駆動機構において、どちらか一方、あるいは両方が回転されるようになっている。

定着ローラ６１は、金属の円筒の表面に、ゴムや、樹脂の基材を形成し、最表面にはテフロン（登録商標）の離型層が形成される。加圧ローラ６２も同様の構造とする。定着ローラの両端はフランジにより密封されている。

中は中空になっており、フランジを通して、過熱水蒸気搬送の為のパイプを通す。パイプは、ローラの外部の過熱水蒸気発生部６４に続く。過熱水蒸気発生部６４からは、過熱された水蒸気が送られる。

また、本構造では、図１に示すように、水溶器６３、熱発生装置６５、ハロゲンヒータ６７、過熱水蒸気噴出部６８を有する。これらの作用は、詳細に後述する。

図２は、過熱水蒸気による定着ローラの加熱を行うシステムの模式図である。

過熱水蒸気は、水容器６３から送られる水を加熱水蒸気発生部に送り、加熱水蒸気発生部に設定されるヒータ（図示せず）で１００度に熱して水蒸気とし、さらに高温の加熱水蒸気に熱する。

加熱水蒸気発生の熱源は誘導加熱方式による熱発生装置６５とする。過熱水蒸気の温度の設定は１２０℃から２００℃とする。温度制御は、定着ローラの表面に温度を感知するセンサーを配し、外部の制御装置をへて過熱水蒸気発生装置内にある誘導加熱装置６５に接続した交番電流９２の出力を制御し、過熱水蒸気の温度を制御する。

熱せられた過熱水蒸気は、過熱水蒸気搬送部６７に送られ、定着ローラ６１内で、定着ローラ６１内のニップ方向に向けて、噴出される。噴出してローラを熱した後の過熱水蒸気は過熱水蒸気循環パイプ６９を通り、過熱水蒸気発生部６４に回収される。

発生部から送られる過熱水蒸気は、熱源として定着装置の定着ローラを熱するが、定着ローラ内の余剰過熱水蒸気は定着ローラ内から、過熱水蒸気発生部へ循環することにより、水蒸気に蓄えた熱は、そのまま再利用することができ、エネルギーが定着装置から逃げず有効利用ができる。エネルギーを過熱水蒸気として熱のまま蓄えてエネルギーの無駄をなくすことができる。

図３、および、図４を用いて過熱水蒸気による定着ローラの加熱を行う別のシステムについて説明する。
図３は、本システムに適用する過熱水蒸気噴出部６８を示す。
図４は、過熱水蒸気による定着ローラの加熱を行う別のシステムの模式図であり、加熱水蒸気発生装置内の加熱装置にハロゲンヒータ６６を利用したものである。

過熱水蒸気は、水容器６３から送られる水を経路途中で１００度に熱して水蒸気とし加熱水蒸気発生部に送り、高温の熱源ハロゲンヒータ６６により熱する。

過熱水蒸気の温度の設定は１２０℃から２００℃にする。

温度制御は、定着ローラの表面に温度を感知するセンサーを配し、外部の制御装置を経て、過熱水蒸気発生装置内にあるハロゲンヒータ６６に接続した電源９３の出力を制御し、過熱水蒸気の温度を制御する。

熱せられた過熱水蒸気は、過熱水蒸気搬送部６７に送られ、定着ローラ６１内で、定着ローラ６１内のニップ方向に向けて噴出される。

噴出してローラを熱した後の過熱水蒸気は過熱水蒸気循環パイプ６９を通り、過熱水蒸気発生部６４に回収される。

過熱水蒸気発生手段の熱源として、誘導加熱装置やハロゲンヒータを利用することにより、過熱エネルギー発生のための投入エネルギーの無駄なくし、省エネルギーが実現できる構成である。

図３に示す、過熱水蒸気噴出部６８では、複数の噴出口があいている。記録媒体の搬送にあわせて、定着ニップ部に過熱水蒸気を噴出するが、記録媒体の通過する幅にあわせて、噴出口の穴を開閉する。

このように、定着内での過熱水蒸気の排出部を複数有し、加熱する記録媒体の長手方向の大きさに応じて排出口が制御される構成を有する。

上記のように、定着内での過熱水蒸気の排出部を複数有し、加熱する記録媒体の長手方向の大きさに応じて排出口が制御される構成を有することで、定着ニップ内での記録媒体以外の端部での温度の上昇を防ぐことができるという効果を有する。

例えば、図４に示す、過熱水蒸気発生部６４は、断熱材で覆われる。また、定着装置全体も記録媒体の出入り口以外を断熱材で覆われる。

このような構成を有することにより、発生した過熱水蒸気の熱が定着装置外に伝わることを極力抑え、省エネルギーを図ることができる。

このように、過熱水蒸気発生部が断熱材で覆われていることにより、過熱水蒸気の温度の低下を防ぎ省エネルギーを実現することができる。

記録媒体の出入り口以外はカバーで覆われ、定着装置が断熱材で覆われていることにより、定着装置全体内での熱の流出を防ぎ、省エネルギーを実現することができる。

定着ニップ部での空気は、記録媒体中の水分が、定着ローラと加圧ローラのあいだで、熱せられ蒸発するために多量の水蒸気を含んで出てくる。この水蒸気は、紙からの水分であり、定着装置６内にためておくと、定着装置内の空間で飽和水蒸気に達して結露し、不具合を生じる。

そこで、定着装置の内部に吸引パイプ７１と吸引ファンを設置して、記録媒体から発生する水蒸気を取り込む。

たとえば図５の様に、この吸引パイプは、定着出口付近で開口し、吸引ファンを設けてある。ファンで吸引した空気はパイプ内部に設けた結露部７２をとおり水滴と空気になる。

水滴は結露部の下方に傾斜した水受けを設けそのまま水容器６３に案内することでためることができる。結露部７２は熱伝導性の良い材料で構成し、表面積が広くなるようにたとえばフィン構造などとする。

放熱部も同様な形状で一体型にする。結露部は水蒸気を含んだ空気よりも低温に維持されるので、温度差ができ結露する。回収した水分は加熱水蒸気に利用する。

加熱水蒸気に利用する水分は、水容器からの水分で成り、かつ定着ローラ内に噴出した過熱水蒸気は再度加熱水蒸気循環パイプ６９により発生部に回収されるが、それでも長期間使用中には水分が抜けていく。

その為、外部からの水容器への水分補給を行うため、画像形成のためのトナーの補給ボトルと一緒に水分を補給する機構を設ける。

図６のトナーボトル４２は、現像装置４へトナー補給のためのボトルであるが、それと一緒に水が入った部分７３を設け、水容器６３と連結する機構を設ける。

水容器６３の水分が規定以下になった場合、水が入った部分７３より、水を補給する。７３に初期保たれる。水分量は、トナーボトル４２で形成される画像を定着するに十分な量を用意すればよい。

定着ニップ部で熱せられながら通過した記録媒体から発生した水蒸気を含む空気は、そのまま定着装置の内外に排出され、断熱材で覆われている定着装置内の発生したくない場所で結露を起こしたりし画像を劣化させる。

定着ニップ下流での水蒸気を含んだ空気を回収すること循環経路を設け、発生する水分を過熱水蒸気として利用することで、定着装置内の水分環境を良好に保つことができる。

過熱水蒸気は循環して利用するが密閉しても漏れ出すことがある。過熱水蒸気を生成するための水分がなくなることは、画像形成ができないことであるが、それを防ぐために、水分の補給をトナーボトル交換と同時に行ない、このトナーを定着させるための十分な水分をトナー補給と一緒にし、画像形成を滞りなく行うことができる。

上述した本実施形態の定着装置を備える画像形成装置としての機能について、上述した図６を用いて説明する。

感光体３上に帯電ローラ２により負の電荷が付与され帯電される。スキャナーやプリンターなどから送り込まれた書きこみ画像信号により、光学装置（図示せず）内よりレーザーダ光が発光され、帯電した感光体３上に光が照射される。

その光の強度に応じて帯電した感光体上の電位が変化し、レーザー光の照射の有無、量に応じた静電潜像が感光体に書きこまれる。感光体３に書きこまれた静電潜像は、帯電したトナーにより顕像化される。

トナーは補充部４２より補給された攪拌ローラにより摩擦帯電用キャリアと混ぜられ，現像装置４内の現像ローラ４０上で帯電したトナーにより現像される。本実施例ではマイナス帯電トナーを使用した反転現像方式を採用している。

一方現像装置の下流には、感光体に接して転写装置５が配置されており、ローラ５１，５２に張架された転写ベルト５０が配置されている。転写ベルトの裏側にはロ−ラ５３が接触され、接続された電源によって電荷が付与される（図示せず）。給紙装置では、設定されたタイミングでカセット内の記録媒体が転写装置方面に給紙される。

搬送ローラ対８４のところで，記録媒体は画像の書きこみに合わせ同期を取り，転写紙を送るタイミングを再調整し転写部に送られ、像担持体上のトナーが給紙された記録媒体に転写される。

画像が転写された記録媒体は、本実施形態の定着装置に送られ、本実施形態で説明した方式により、熱せられ、画像を記録媒体に定着する。

その後、外周面に残留した不要なトナーをクリーニング装置９のクリーニングブレード９０により払拭された後、トナー回収手段９１で回収され、次の画像形成のために待機する。

本実施形態では、定着ローラで説明したが、ベルト状の定着ベルトを利用しても良い。

本実施形態では、１色の画像形成装置により説明したが、フルカラーの画像形成装置においても適用できる。

本実施形態によれば、過熱水蒸気を定着装置の熱源として利用し、従来を上回る省エネルギーを達成した画像形成装置を提供することができる。

本実施形態における定着装置の断面図である。 本実施形態における定着装置の模式図である。 本実施形態における定着ローラ内の過熱水蒸気噴出部を示す図である。 本実施形態における定着装置の別の模式図である。 本実施形態における用紙から発生する水蒸気回収機構模式図である。 本実施形態における水の補給方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 記録媒体
６ 定着ユニット
６１ 定着ローラ
６２ 加圧ローラ
６４ 過熱水蒸気発生部（過熱水蒸気発生手段）
６５ 熱発生装置
６７ ハロゲンヒータ
６８ 過熱水蒸気噴出部

Claims (14)

1. 転写されたトナー像を加熱、および、搬送を行い記録媒体に固着させる定着装置であって、
   熱源から過熱水蒸気が発生される構造であることを特徴とする定着装置。
2. 前記過熱水蒸気が発生される前記構造において、
   過熱水蒸気発生手段が設置され、
   前記過熱水蒸気発生手段の熱源として、誘導加熱装置が用いられていることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記過熱水蒸気が発生される前記構造において、
   前記過熱水蒸気発生手段の熱源として、ハロゲンヒータを用いることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
4. 前記過熱水蒸気発生手段から送られる過熱水蒸気は、定着ローラまたは定着ベルト内に排出され、かつ、前記過熱水蒸気発生手段へ循環されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 定着内での過熱水蒸気の排出口を複数有し、
   加熱する記録媒体の長手方向の大きさに応じて排出口を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 前記過熱水蒸気発生手段が断熱材で覆われていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 記録媒体の出入り口以外はカバーで覆われ、本体装置が断熱材で覆われていることを特徴とする１から６のいずれか１項に記載の定着装置。
8. 過熱搬送手段の下流側に位置して、過熱水蒸気発生装置に連結した循環経路となる構造体を有することを特徴とする１から７のいずれか１項に記載の定着装置。
9. 水蒸気を生成するための水分の補給を、トナーボトル交換と同時に行なうことを特徴とする１から８のいずれか１項に定着装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に装置の定着装置が具備されていることを特徴とする画像形成装置。
11. 転写されたトナー像を加熱、および、搬送を行い記録媒体に固着させる定着方法であって、
    熱源から過熱水蒸気を発生させる工程を有することを特徴とする定着方法。
12. 前記過熱水蒸気が発生させる前記工程において、
    誘導加熱装置を過熱水蒸気発生手段の熱源として用いることを特徴とする請求項１１に記載の定着方法。
13. 前記過熱水蒸気が発生させる前記工程において、
    ハロゲンヒータを前記過熱水蒸気発生手段の熱源として用いることを特徴とする請求項１１に記載の定着方法。
14. 前記過熱水蒸気発生手段から送られる過熱水蒸気を定着ローラまたは定着ベルト内に排出し、かつ、前記過熱水蒸気発生手段へ循環させることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載の定着方法。

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