JP2010262044A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速印刷でかつ高品質のカラー画像の形成が可能であると共に、熱エネルギーを有効に利用して省エネルギー化を図ることのできる定着装置を提供することである。また、封筒、ハガキ等の小サイズの記録紙であっても、転写部から定着装置に確実に搬送することにある。
【解決手段】 熱源を持つ定着部材と、前記定着部材に当接して記録紙が通過するニップ部を形成する熱源を持つ加圧ローラと、前記加圧ローラの外周面に当接して従動回転する熱伝導ローラと、回転自在に支持されたプレヒート部材とを備えた定着装置において、前記プレヒート部材の表面が熱伝導ローラの外周面に当接回転しながら、前記記録紙を搬送し、その裏面を予備的に加熱することを特徴とする定着装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば電子写真方式、静電記録方式を用いた画像形成装置にて用いられる定着装置に関する。

従来、複写機、プリンターなどに用いられる電子写真方式の画像形成装置において、一般的にはローラ状の定着部材（定着ローラ）の内面からヒータ加熱を行う方法がとられている。そして、加熱される定着部材と、これに圧接される加圧部材（加圧ローラ）とで形成する加圧ニップにて記録材を挟持搬送して、記録材にトナー画像を定着させる。定着ローラおよび加圧ローラは、アルミニウムやステンレスの中空芯金の中にハロゲンランプ等の加熱体を設け、中空芯金の外側面にシリコンゴムで形成された弾性層を形成し、外表面にはトナーのオフセットを防止するためのフッ素樹脂等の耐熱離型材料から成る離型層を備えている。

ハロゲンランプと定着ローラおよび加圧ローラを用いた場合では、ハロゲンランプのガラス表面が２００℃をはるかに越える高温に達するが、実際の温調はローラの表面温度を検知して１８０℃前後で行っている。

一方、近年製品化されているセラミックヒータと定着フィルムを用いて直接記録材表面を加熱するオンデマンド系の構成では、ヒータ温度は１９０〜２００℃程度の低温で前者と同等の定着性を得ている。このことから、トップ温度をほぼ定着温度まで下げることができる後者のシステムは、より放熱ロスが少なく効率的であると言える。

しかしながら、前述のローラ定着には、例えばフィルム定着と比べてニップ部の圧を高めてもスリップするなどの問題がなく機械的に安定しており、構成が簡単であるという利点がある。従来例として、下記特許文献１をあげることが出来る。

特開２００４−１５１４７５号公報

近年、カラー複写機やカラープリンター等で、高画質化、高速印刷化、省エネルギー化という課題の重要性が増してきた。しかしながら、従来の定着ローラを用いた構成では、３色以上のカラートナーを載せた用紙を高速で印刷する場合、定着時間が短くなり、用紙およびトナーへの熱伝播が十分行なわれず、定着不良が発生する。更に、定着ローラ及び加圧ローラの表面温度を１８０℃前後にするためには、中空芯金と弾性層の界面は２２０℃程度に加熱する必要があり、弾性層を成すシリコンゴムの耐熱温度を超えるため、耐久性が低化する問題があった。従来の定着ローラの構成では、消費電力の低減、さらには高速、高画質といったすべてにおいて優れた性能を両立させることは非常に困難であり、定着ローラの耐久性にも課題があった。

一方、フィルム定着を用いた構成では、立ち上り時間の短縮と、消費電力の低減に関しては、非常に優れているが、３色以上のカラートナーを載せた用紙を高速で印刷する場合に次のような問題がある。まず、定着フィルムにポリイミド等の有機性耐熱樹脂を用いているため熱伝導性が低く、高速化した際に用紙およびトナーへの熱伝播が十分行なわれず、定着不良が発生する。つまり実用上問題のない可能な限り多くの熱量を加熱ヒータにより発熱させても、その熱がフィルムにより遮断されてしまい、用紙およびトナー上に効率的に伝達できない。このため、モノクロ画像では実用上問題がないが、高速で高品質なカラー画像を得るのには課題があった。

また本発明の他の目的は、記録紙として、普通サイズ紙（ＬＴＲ・Ａ４サイズ）の他に、これよりも幅（記録紙搬送方向と直交する幅方向の長さ）の狭い小サイズ紙（封筒、ハガキなど）を含む印刷が行なわれる際、転写部から出てきた短サイズ紙の先端が定着装置に搬送できない課題があった。

そこで、本発明者は、定着装置の高速印刷化、定着性向上、省エネルギー化を達成するべく鋭意検討を行った。そして、本発明の目的は、高速印刷でかつ高品質のカラー画像の形成が可能であると共に、熱エネルギーを有効に利用して省エネルギー化を図ることのできる定着装置を提供することである。また、封筒、ハガキ等の小サイズの記録紙であっても、転写部から定着装置に確実に搬送することにある。

上記目的は本発明に係る定着装置にて達成される。要約すれば、本発明は、熱源を持つ定着部材と、前記定着部材に当接して記録紙が通過するニップ部を形成する熱源を持つ加圧ローラと、前記加圧ローラの外周面に当接して従動回転する熱伝導ローラと、回転自在に支持されたプレヒート部材とを備えた定着装置において、前記プレヒート部材の表面が熱伝導ローラの外周面に当接回転しながら、前記記録紙を搬送し、その裏面を予備的に加熱することを特徴とする定着装置である。

本発明において、前記定着部材は、内部に発熱手段を有した円筒状の芯金の外側面に弾性層を成し，更に外側面に離型層からなるローラであることが好ましい。

本発明において、前記定着部材はフィルム加熱方式であり、少なくとも固定された発熱体と、この発熱体の内面が対向圧接されて摺動移動可能な耐熱性フィルムとからなることが好ましい。

本発明の一実施態様によると、前記プレヒート部材が金属の芯金の外側面に離型層を形成した金属ローラであることが好ましい。

本発明の一実施態様によると、プレヒート部材が金属の芯金の外側面に弾性発泡体層を形成した弾性ローラであることが好ましい。

本発明の一実施態様によると、前記プレヒート部材が記録紙の搬送ベルトで、その内側から複数の従動ローラで支持されていることが好ましい。

本発明の一実施態様によると、前記プレヒート部材にバイアス電圧を印加する手段を有していることが好ましい。

本発明の定着装置は、プレヒート部材表面が、熱伝導ローラに当接して連れ回りし、加圧ローラからの熱を、熱伝導ローラを通してプレヒート部材に伝えて、熱エネルギーを有効に活用している。それにより、本発明の定着装置は、３色以上のカラートナーを載せた用紙を高速で印刷する場合でも、プレヒート部材によって、記録用紙を予備加熱することで、定着部材および加圧ローラの表面温度を従来の定着装置に比較して低温で定着性の良い画像を印刷できる。更に約1分間、連続印刷した後は、プレヒート部材の表面温度が高まり、記録用紙の予備加熱の効果が高まることで、更に低温で定着性の良い画像を印刷でき、省エネルギー化が可能になる。それにより、高速印刷でかつ高品質のカラー画像の形成が可能であると共に、熱エネルギーを有効に利用して省エネルギー化できる。

また、記録紙として、普通サイズ紙（ＬＴＲ・Ａ４サイズ）の他に、これよりも幅（記録紙搬送方向と直交する幅方向の長さ）の狭い小サイズ紙（封筒、ハガキなど）を含む印刷が行なわれる際でも、記録紙を転写部から定着装置に確実に搬送することができる。

実施例1の定着装置の概略構成図。 実施例2の定着装置の概略構成図。 実施例３の定着装置の概略構成図。 比較例1の定着装置の概略構成図。 比較例2の定着装置の概略構成図。

以下、本発明を図面に示した形態例により詳細に説明する。

「実施態様１」
図１は本発明の実施態様１の定着装置の概略構成図であり、この定着装置は、内部にヒータ6を備えた加熱ローラ１と、加熱ローラ1に圧接して連れ回りする加圧ローラ2と、加圧ローラ２に連れ回りする熱伝導ローラ3と、熱伝導ローラ3に連れ回りするプレヒートローラ3とを有し、未定着トナーＴを保持した転写紙Ｐを矢印方向から両ローラのニップ部に進入させることにより定着を行う。

加熱ローラ１は直径46mm、長手方向長さ310mmで、Ａｌ、Ｆｅ等の金属で形成された円筒状の芯金の外側面にシリコンゴムで形成された弾性層1ｂを4mmの厚みで形成し，更にその外側面にＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の耐熱離型材料から成る離型層1aを約30μｍ備え、芯金の中心部には、芯金を加熱する為のヒータ6が配置されている。このヒータ6は、芯金を軸方向全長に渡って均等に加熱するための構成を備えており、加熱ローラの軸方向端部に当接されたサーミスタ7からの温度検知信号を受けた制御部がヒータへの通電を制御して定着設定温度を維持する。

加圧ローラ２も加熱ローラ１と同様な構成であり、加圧ローラ２に当接されたサーミスタ7によって、加圧ローラの表面温度が制御される。加圧ローラ2は該加熱ローラ１に当接されてニップ部を形成し、転写紙Ｐ上の未定着トナーＴを定着させる。この加圧ローラ３は加熱ローラ１に圧接し、加熱ローラの回転に従って自在に回転する。

斯かる層構成にて、定着ローラ１に対して加圧ローラ２が圧接して両者間に加圧ニップ部を形成した状態で定着ローラ１が駆動回転される。本実施例では、定着ローラ１と加圧ローラ2との加圧ニップ部における加圧力は４０ｋｇｆ（≒３９２Ｐａ）とした。静止時の加圧ニップ部のニップ幅（記録材Ｐの搬送方向）は中央部７．６ｍｍであった。

熱伝導ローラ3は直径12mm、長手方向長さ310mmで、Ａｌ、Ｃｕ等の熱伝導率の良い金属で形成された円筒状の芯金の外側面に、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の耐熱離型材料から成る離型層を積層形成した構成で、その外周面で加圧ローラ2の軸方向ほぼ全長に渡って当接し、加圧ローラの回転に従って自在に回転する。

プレヒートローラ4は直径23mm、長手方向長さ310mmで、Ａｌ、Ｃｕ等の熱伝導率の良い金属で形成された円筒状の芯金の外側面に、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の耐熱離型材料から成る離型層を約30μｍ備えている。このプレヒートローラ4は、回転自在に支持されていて、熱の伝達性に優れており、熱伝導ローラ3に圧接することで追従して回転し、用紙Pの裏面と接触して、用紙を搬送させながら、予備加熱を行なう。また、プレヒートローラ4の芯金に＋３００Ｖのバイアス電圧を印加する手段を設け、記録用紙とプレヒートローラ4との密着性を高め、転写部から定着部までの搬送力を上げている。プレヒートローラ4が、熱伝導ローラ3に当接して連れ回りし、加圧ローラ２からの熱を熱伝導ローラ3を通してプレヒートローラ4に伝える点が特徴的である。また、この様なプレヒートローラ4の構成をとることで、封筒、ハガキ等の小サイズの記録紙であっても、転写部から定着装置に確実に搬送することができる。

「実施態様2」
図１は本発明の実施態様2の定着装置の概略構成図である。本実施態様は前記実施態様１の定着装置において、プレヒートローラの層構成を変えたものである。

本実施態様のプレヒートローラ4は直径23mm、長手方向長さ310mmで、Ａｌ、Ｃｕ等の熱伝導率の良い金属で形成された円筒状の芯金の外側面に、シリコンゴムの弾性体層を2mmの厚さで形成し、更にその外側面にＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の耐熱離型材料から成る離型層を約30μｍ備えている。このプレヒートローラ４は、回転自在に支持されていて、表面が軟質なので、用紙Pの裏面との接触面積が増加し、用紙Pの搬送性に優れている。その他は実施態様１の定着装置と同じである。

図２は本発明の一形態例の定着装置の概略構成図である。本実施例は前記実施例１の定着装置において、プレヒートローラ4の代わりにプレヒート搬送ベルト8を用いたものである。図2に示すように、プレヒート搬送ベルト8は耐熱ベルト8bと自在に回転する２本の従動ローラ8aとで構成されている。耐熱ベルト8bは厚みが数百μｍで、無端状のポリイミドの耐熱ベルトの表面に、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の耐熱離型材料から成る離型層を約30μｍ備えており、平行に配置された2本の従動ローラ8aとで内側から支持されている。また、図２に示すように、プレヒート搬送ベルト8の従動ローラ8aに＋３００Ｖのバイアス電圧を印加する手段を設け、記録用紙とプレヒート搬送ベルト8との密着性を高め、転写部から定着部までの搬送力を上げている。

プレヒート搬送ベルト8は、熱伝導ローラ3に圧接することで追従して回転し、用紙Pの裏面と接触して、用紙を搬送し、予備加熱を行なう。プレヒート搬送ベルト8が熱伝導ローラ3に当接させて従動回転し、加圧ローラ２からの熱を熱伝導ローラ3を通してプレヒート搬送ベルト8に伝える点が特徴的である。また、この様なプレヒート搬送ベルト8の構成をとることで、封筒、ハガキ等の小サイズの記録紙であっても、転写部から定着装置に確実に搬送することができる。その他は実施例１の定着装置と同じである。

図３は本発明の一形態例の定着装置の概略構成図である。本実施例は前記実施例１の定着装置において、定着ローラ１の代わりに定着フィルム9を用いたものである。図３に示すように、定着ベルト9はフィルムガイド9ｂに取り付けられたセラミックヒーター9ｃと、フィルム9aおよびサーミスタ７とで構成されている。また、実施例１と異なる点は、加圧ローラが駆動モーターにより回転駆動することである。加圧ローラ２が図示しない駆動モーターにより回転駆動され、これに従動してフィルム9aもフィルムガイド9ｂの周囲を回転する。本実施例では、定着フィルム9と加圧ローラ2との加圧ニップ部における加圧力は１５ｋｇｆ（≒１４７Ｐａ）とした。静止時の加圧ニップ部のニップ幅（記録材Ｐの搬送方向）は中央部８ｍｍであった。

セラミックヒーター7はアルミナ等のセラミック基板の表面に導電発熱層を設け、この誘電発熱層を保護する耐熱ガラスの絶縁層を設けたものである。またフィルム9aに当接されたサーミスタ7によって、セラミックヒーター9cの温度が調節され、フィルム9a表面の温度が制御される。フィルムガイド9ｂの周囲に摺動可能に設けられたフィルム9aは、薄膜のポリイミド樹脂などから成るエンドレスの耐熱性フィルムの表面に、シリコーンゴムまたはフッ素ゴムを主体とした弾性体層を形成し、この弾性体層の表面にフッ素樹脂などの離型層を形成したものである。

本実施例のおいて、フィルム9aは、内径46mm、長手方向長さ310mmで、薄膜のポリイミド樹脂の厚みが40μｍ、弾性体層を４００μｍ、離型層を約30μｍ形成したものである。その他は実施例１の実施態様１の定着装置と同じである.
〈比較例１〉
本比較例の概略構成図を図4に示す。本比較例は、実施例１の構成から熱伝導ローラ3とプレヒートローラ4とを取り除いた構成で、実施例１と同じ電力のハロゲンヒータを内蔵した定着ローラ1及び加圧ローラ2から構成されている。その他の構成は実施例1の定着装置と同じである。

〈比較例２〉
本比較例の概略構成図を図５に示す。本比較例は、実施例3の構成から熱伝導ローラ3とプレヒートローラ4とを取り除いた構成で、実施例3と同じ電力のハロゲンヒータ6を内蔵した加圧ローラ2とセラミックヒーター9cとから構成されている。その他の構成は実施例3の定着装置と同じである。

〔評価〕
トナー定着性の評価
24℃／40%RHの常温常湿において、プロセススピード120 ｍｍ／ｓｅｃで、定着部材の表面温度と加圧ローラの表面温度とが同じになるように制御し、上記の実施例及び比較例のトナー定着性の評価を行った。その結果を表1、表2にまとめて示した。

用紙はＡ４紙（坪量105ｇ/ｍ²）を用い、20 ｍｍ角のベタ黒トナー画像を用紙上にトナーのり量（1.5 ｍg/cm²）で印字して、未定着画像の評価用紙を作成した。そして評価用紙を定着装置に通過した後、このベタ黒部を不織布により１０ｇ／ｃｍ²の圧力で擦った前後の濃度を測定することにより求め判定を行った。濃度測定には、反射濃度計（マクベス社製RD914）を用いた。次の基準を設けてトナー定着性のレベルを3段階評価した。

○・・・・・・濃度低下率 5％以下
△・・・・・・濃度低下率 5％〜10％
×・・・・・・濃度低下率 10％以上
表１の結果は、定着部材と加圧ローラとが目的の温度に立ち上がった直後に、評価用紙を定着装置に通過させて、その用紙を評価した結果である。

表２の結果は、定着部材と加圧ローラとが目的の温度に立ち上がった後、1分間にトナーを印字していない用紙のみを10枚連続通紙し、その直後、11枚目に５ｍｍ角のベタ黒トナー画像を印字した評価用紙を定着装置に通過させて、その用紙を評価した結果である。

表１の結果より、比較例1では定着部材の表面温度が180℃で定着性が低かったが、実施例1の実施態様1及び実施態様2は、本発明により、定着部材の表面温度が180 ℃で定着性が良好になり、定着性が改善された。今回の評価結果では、実施態様1と実施態様2との評価結果が同じであった。その理由として、実施態様１のプレヒートローラ4は芯金の外側面に、約30μｍの離型層のみを備えた構成で、熱の伝達性に優れているが、プレヒートローラ4の熱容量が小さいため、通紙することで温度が低下しやすい。一方、実施態様2のプレヒートローラ4は芯金の外側面に、約2mmのシリコンゴムの弾性体層を備えた構成で、実施態様１と比べて熱の伝達性には優れていないが、実施態様１のプレヒートローラと比べて熱容量が大きく、通紙しても温度が低下しにくいからだと考えられる。実施例2においても、定着部材の表面温度が180 ℃で定着性が良好で、定着部材の表面温度が170℃の定着性評価は、実施例１のものよりも更に改善されている。これは実施例２のプレヒート搬送ベルト８の方が、実施例１のプレヒートローラ4に比べて、用紙との接触面積が広く、用紙の予備加熱の効果が高いからである。

比較例2では定着部材の表面温度が180℃でも定着性が良くなかったが、実施例3では、は、本発明により、定着部材の表面温度が180 ℃、190℃で定着性が良好だった。

表2の結果は、定着部材と加圧ローラとが目的の温度に立ち上がった直後、1分間渡りトナーを印字していない用紙のみを10枚連続通紙した後、定着性の評価を行なったが、比較例１及び比較例２は、表１の定着性の結果と同じであった。一方、実施例では表１の結果に比べて約１０℃低い定着温度で良好な定着性を得ている。これは連続的に定着装置を稼動することで、加熱部材及び加圧ローラの表面の熱が、熱伝導ローラを通してプレヒートローラ及びプレヒート搬送ベルトに与えられ、プレヒートローラ及びプレヒート搬送ベルトの温度が徐々に上昇し、用紙の予備加熱の効果が高まるからである。

１ 定着ローラ（定着部材）
２ 加圧ローラ（加圧部材）
３ 熱伝導ローラ
４ プレヒートローラ
５ 入り口ガイド
６ ハロゲンヒーター（発熱体）
７ サーミスタ（温度検知手段）
８ プレヒート搬送ベルト
９ 定着フィルム（定着部材）

Claims (7)

1. 熱源を持つ定着部材と、前記定着部材に当接して記録紙が通過するニップ部を形成する熱源を持つ加圧ローラと、前記加圧ローラの外周面に当接して従動回転する熱伝導ローラと、回転自在に支持されたプレヒート部材とを備えた定着装置において、前記プレヒート部材の表面が熱伝導ローラの外周面に当接回転しながら、前記記録紙を搬送し、その裏面を予備的に加熱することを特徴とする定着装置。
2. 前記定着部材は、内部に発熱手段を有した円筒状の芯金の外側面に弾性層を成し，更に外側面に離型層からなるローラであることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
3. 前記定着部材は、フィルム加熱方式であり、少なくとも固定された発熱体と、この発熱体の内面が対向圧接されて摺動移動可能な耐熱性フィルムとからなることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
4. 前記プレヒート部材が金属の芯金の外側面に離型層を形成した金属ローラであることを特徴とする請求項１〜請求項3のいずれかに記載の定着装置。
5. 前記プレヒート部材が金属の芯金の外側面に弾性発泡体層を形成した弾性ローラであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の定着装置。
6. 前記プレヒート部材が記録紙の搬送ベルトで、その内側から複数の従動ローラで支持されていることを特徴とする請求項１〜請求項3のいずれかに記載の定着装置。
7. 前記プレヒート部材にバイアス電圧を印加する手段を有していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の定着装置。