JP2013061469A - 像加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 像加熱部材の回転方向において局所的に像加熱部材を加熱する加熱手段を有する構成であっても、像加熱部材の端部の温度低下を抑制しながらも像加熱部材の昇温のための回転時間を短縮すること
【解決手段】 前記像加熱部材の回転方向において前記像加熱部材を局所的に加熱する加熱手段と、前記像加熱部材を停止した状態で前記抵抗発熱層への給電を行うよう前記給電手段を制御する制御手段と、を有し、前記像加熱部材の回転方向と直交する幅方向における加熱手段の長さは、前記幅方向における抵抗発熱層の長さ以下であって、通紙可能な最大サイズの記録材の幅よりも大きい。
【選択図】 図６

Description

本発明は、複合機、複写機、プリンタ、ファックス等の記録材上に画像形成可能な電子写真方式により記録材上に形成されたトナー像を加熱する像加熱装置に関する。

近年、電子写真方式を用いた画像形成装置では省エネルギー化の観点から、像加熱装置の回転方向において像加熱部材を局所的に加熱する像加熱装置が提案され、実用化されている。

特許文献１には、加熱手段としてのセラミックヒータ（以下ヒータと称す）が像加熱部材である定着ベルトを介して加圧部材を加圧することでニップ部を形成し、記録材上の画像を加熱するベルト定着方式が記載されている。

しかしながら、特許文献１のベルト定着装置のヒータは局所加熱する構成であるため、定着ベルト全周を加熱するために回転駆動を行いながらウォームアップをする必要がある。そのため、ウォームアップするための定着ベルトの回転数が多くなり、定着ベルトの摩耗が大きくなりやすいという問題があった。

そのため、局所加熱を行わず、像加熱部材を加熱する構成として、像加熱部材に発熱層を設ける構成が提案されている。
特許文献２には、通電により発熱する抵抗発熱層を有する定着ベルトが提案されている。このような定着ベルトを用いることで、定着ベルトを回転させなくても、定着ベルトの発熱を可能とすることができる。

特開２００６−２９３２２５号公報 特開２０１１−１１８０９３

加熱手段により像加熱部材を局所加熱する像加熱装置において、抵抗発熱層を有する像加熱部材を採用することにより、回転しなくても像加熱部材を加熱することができる。その結果、ウォームアップ時にヒータに通電して像加熱部材を回転させる時間を短縮できる。

このような構成を用いる際に、像加熱部材の回転方向と直交する方向（幅方向）におけるヒータ（加熱手段）の長さが抵抗発熱層の長さよりも長い構成にすると、ウォームアップ時にヒータの端部領域に相当する部分の昇温が不十分となる。特にウォームアップ時は端部の温度の低下が顕著になりやすい。その結果、その領域はヒータによる加熱が必要となり、像加熱部材の回転時間を十分に短縮することができない。

そこで、本発明は、通電により発熱する抵抗発熱層を有する回転可能なベルト部材と、ベルト部材と当接し、記録材に形成された画像を加熱するニップ部を形成する加圧部材と、前記抵抗発熱層に通電するための給電手段と、を有する像加熱装置において、前記ベルト部材の回転方向において前記ベルト部材を局所的に加熱する加熱手段と、前記ベルト部材を停止した状態で前記抵抗発熱層への給電を行うよう前記給電手段を制御する制御手段と、を有し、前記ベルト部材の回転方向と直交する幅方向における加熱手段の長さは、前記幅方向における抵抗発熱層の長さ以下であって、通紙可能な最大サイズの記録材の幅よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、像加熱部材の回転方向において局所的に像加熱部材を加熱する加熱手段を有する構成であっても、像加熱部材の端部の温度低下を抑制しながらも像加熱部材の昇温のための回転時間を短縮することができる。

本実施例における画像形成装置を示す図 本実施例における定着装置の断面図 本実施例における定着装置の概略構成図 本実施例における定着ベルトの断面図である。 本発明の定着ベルトへの通電経路を説明する図 定着装置の立ち上げ動作後の長手温度分布を表す図 本実施例に定着装置の動作のフローチャート図である。 定着装置の長手長さの関係を示した概略図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
（１）画像形成装置
図１は、本実施形態の画像形成装置の一例であるカラー電子写真プリンタ（以下、プリンタと称す）の断面図であり、記録材の搬送方向に沿った断面図である。

記録材は、トナー像が形成されるものである。記録材の具体例として、普通紙、普通紙の代用品である樹脂製のシート状のもの、厚紙、オーバーヘッドプロジェクター用などがある。

図１に示すプリンタは、画像形成部１０Ｙ（イエロ）、１０Ｍ（マゼンタ）、１０Ｃ（シアン）、１０Ｂｋ（ブラック）の各色の画像形成部を備えている。本実施例では、それぞれの画像形成部はトナーの色以外は構成が同じである。代表して画像形成部１０Ｙにおける画像形成動作について説明する。像担持体であるドラム１１は、帯電器１２によってあらかじめ帯電される。その後、感光ドラム１１は、レーザースキャナ１３によって、静電潜像を形成されている。静電潜像は、現像器１４によって現像されトナー像が形成される。感光ドラム１１のトナー像は、一次転写部材である一次転写ブレード１７によって、中間転写体である中間転写ベルト３１に転写される。転写後、感光ドラム１１に残ったトナーは、クリーナ１５によって除去される。この結果、感光ドラム１１の表面はクリーニングされ、次の画像形成に備える。この画像形成動作が各画像形成部で行われ、中間転写ベルト３１上にはカラートナー像が形成される。

一方、記録材Ｐは、給紙カセット２０、又はマルチ給紙トレイ２５から、１枚ずつ送り出されてレジストレーションローラ対２３に送り込まれる。レジストレーションローラ対２３は、記録材Ｐを一旦受け止めて、記録材が斜行している場合、真っ直ぐに直す。そして、レジストレーションローラ対２３は、中間転写ベルト３１上のトナー像と同期を取って、記録材を中間転写ベルト３１と二次転写ローラ３５との間に送り込む。中間転写ベルト上のカラートナー像は、二次転写部材である二次転写ローラ３５によって記録材Ｐに転写される。その後、記録材のトナー像は、記録材が定着器４０によって、加熱加圧されることで記録材に定着される。

記録材の片面だけにトナー像を形成する場合、切り換えフラッパ６１の切り換えにより記録材を排紙ローラ６３を介して記録材を画像形成装置１の側面に配置されている排紙トレイ６４に排出するか、画像形成装置１の上面に配置されている排紙トレイ６５に排出される。切り換えフラッパ６１が破線の位置にある場合には、記録材Ｐはフェイスアップ（トナー像が上側）で排紙トレイ６４上に排出され、切り換えフラッパ６１が実線の位置にある場合には、記録材Ｐは、フェイスダウン（トナー像が下側）で排紙トレイ６５に排出される。

記録材の両面にトナー像を形成する場合、定着器４０によってトナー像を定着された記録材Ｐは、実線の位置にいるフラッパ６１によって上方へ案内されて、後端が反転ポイントＲに達したとき、搬送路７３によってスイッチバック搬送されて表裏反転される。その後、記録材Ｐは、両面搬送路７０を搬送されて、片面画像形成と同様の過程をへて他方の面にトナー像を形成されて、排紙トレイ６４または排紙トレイ６５上に排出される。フラッパ６１、スイッチバック搬送路７３等で構成される部分は、反転手段の一例である。

（２）定着装置
次に、実施例１の記録材上の画像を加熱する像加熱装置としての定着装置について説明する。図２は定着装置４０の断面図、図３は定着装置４０の概略構成図である。

先ず、図２を用いて説明する。２０は記録材上の画像を加熱する像加熱部材としての円筒状の定着ベルトである。２２は定着ベルトとの間で記録材上画像を加熱する定着ニップ部を形成する加圧部材としての加圧ローラである。１００は、定着ベルトの回転方向において局所的に定着ベルトを加熱する加熱手段としてのセラミックヒータ（以下、ヒータと記す）である。本実施例では、ヒータ１００は、定着ベルト２０を介して加圧ローラ２２を圧し、定着ニップ部を形成する。１７は定着ベルト２０内部に配置された支持ステーであり、定着ベルト２０を加圧ローラ２２方向へ加圧付勢するバックアップ部材１６を支持する。

このヒータ１００は、定着ベルトの回転方向と直交する幅方向（定着ベルトの回転軸線方向）を長手とする細長薄板状のセラミック基板と、この基板面に具備させた抵抗体を基本構成とするものである。そして、抵抗体に対する通電により全体に急峻な立ち上がり特性で昇温する低熱容量のヒータである。本実施例においては、厚み６００μｍのセラミック基板上に発熱抵抗層を形成させている。１６はヒータ１００を固定支持させたニップ形成部材である。このニップ形成部材１６は横断面略半円弧状樋型で、図面に垂直な方向を長手とする耐熱性樹脂等の断熱性部材である。ヒータ１００はこのニップ形成部材１６の下面に前記幅方向に沿って形成具備させた溝部にヒータ表面側を下向きに露呈させて嵌め入れて耐熱性接着剤等により固定して配設してある。加圧ローラ２２は、ステンレス製の芯金上に、厚み約３ｍｍのシリコーンゴム層、さらに厚み約５０μｍのＰＦＡ樹脂チューブが順に積層された多層構造とされている。この加圧ローラ２２の芯金の両端部が装置フレーム２４の不図示の奥側と手前側の側板間に回転可能に軸受保持されている。１８は温度検知手段としてのサーミスタである。サーミスタ１８は支持ステー１７の上方において、定着ベルト２０の内面に弾性的に接触するように設置され、定着ベルト２０の内面の温度を検知する機能を担っている。具体的には、支持ステー１７に固定支持させたステンレス製のアームの先端にサーミスタが取り付けられている。そして、アームが弾性揺動することにより、定着ベルト２０の内面の動きが不安定になった状態においても、サーミスタが定着ベルト２０の内面に常に接する状態に保たれる。そして、後述する定着ベルトの抵抗発熱層への給電は、ベルト給電部１０１から給電が行われる。また、ヒータ１００への給電は、ヒータ給電部１０２から給電が行われる。ベルト給電部１０１から抵抗発熱層への給電及びヒータ給電部１０１からヒータ１００への給電は、制御部２００によりサーミスタ１８により検知された定着ベルトの温度が目標温度になるように制御される。
次に、定着ベルト２０の支持構成について図３を用いて説明する。
４０は定着ベルト２０の長手方向移動および周方向の形状を規制する規制部材としての左右の定着フランジである。定着ベルト２０はバックアップ部材１６の外側にルーズに被せられ、支持ステー１７の左右の外方延長腕部１７ａにそれぞれ左右の定着フランジ４０を嵌着する。そして、左右の定着フランジ４０の加圧部４０ｂと加圧アーム４１との間に加圧バネ４２を縮設する。これにより、左右の定着フランジ４０、支持ステー１７、バックアップ部材１６を介して定着ベルト２０が加圧ローラ２２の上面に対して所定の押圧力で加圧され、所定幅の定着ニップＮが形成される。支持ステー１７は高い圧力を掛けられても撓みにくい材質であることが望ましく、本実施例においてはＳＵＳ３０４を用いている。本実施例に於ける加圧力は一端側が１５６．８Ｎ、総加圧力が３１３．６Ｎ（３２ｋｇｆ）である。

次に、定着ベルトの回転動作について説明する。
加圧ローラ２２は矢印の方向に所定の周速度でモータからの駆動力により回転する。これと圧接している定着ベルト２０は加圧ローラ２２が回転すると、加圧ローラ２２に従動し所定の速度で回転する。定着ベルト２０の内面にはグリスが塗布され、バックアップ部材１６と定着ベルト２０内面との摩擦を低減する。

加圧ローラ２２が回転駆動され、それに伴って円筒状の定着ベルト２０が従動回転すると、ヒータ１００の発熱層に通電が行われる。そして、定着ベルト２０の温度が設定温度に立ち上がると、定着ニップ部Ｎに未定着トナー像を担持した記録材Ｐが入り口ガイド２３に沿って案内されて導入される。
定着ニップ部Ｎにおいて、記録材Ｐのトナー像担持面側が定着ベルト２０の外面に密着し、記録材が定着ベルト２０と同じ速度で移動する。定着ニップ部Ｎでの挟持搬送過程において、抵抗体で発生した熱が記録材Ｐに付与され、未定着トナー像ｔが記録材Ｐ上に熱と圧により定着される。定着ニップ部Ｎを通過した記録材Ｐは定着ベルト２０から曲率分離され、定着排紙ローラ２６で排出される。

（３）定着ベルト
次に、定着ベルト２０の構成を図４を用いて詳細に説明する。図４（ａ）は定着ベルト中央部の層構成模式図であり、矢印Ａ方向が内周側である。本実施例における定着ベルト２０は、内周側から外周側へ順に、基層２０ａ、抵抗発熱層２０ｂ、弾性層２０ｃ、離型層２０ｄの４層複合構造である。

基層２０ａは熱容量を小さくしてクイックスタート性を向上させるために、厚さが１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下２０μｍ以上の耐熱性材料を使用できる。例えば、ポリイミド、ポリイミドアミド、ＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等の樹脂ベルト、更にはニッケルなどの金属ベルトを使用できる。本実施例では、厚さが３０μｍ、直径が２５ｍｍの円筒状ポリイミドベルトを用いた。尚、基層２０ａとして導電性を有する材料を用いる場合は、基層２０ａと発熱層２０ｂとの間にポリイミドなどの絶縁層を設ける必要がある。

弾性層２０ｃは、ゴム硬度１０度（ＪＩＳ−Ａ）、熱伝導率１．３Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ３００μｍのシリコーンゴムを用いた。

離型層２０ｄは厚さ２０μｍのＰＦＡチューブを用いた。離型層としてはＰＦＡコートを用いても良く、必要な厚さ、機械的及び電気的強度に応じてＰＦＡチューブとＰＦＡコートを使い分けることが出来る。また、離型層２０ｄはシリコーン樹脂から成る接着剤により弾性層２０ｃと接着されている。

抵抗発熱層２０ｂは、導電粒子としてのカーボンを含有したポリイミド樹脂を均一な厚さで基層２０ａ上に塗布した抵抗発熱体である。発熱層の総抵抗値は１０．０Ωである。従って、電圧が１００Ｖの交流電源を通電する際に発生する電力は１０００Ｗである。尚、この抵抗値は定着装置として必要な発熱量によって適宜決定すればよく、カーボンの混合比率により適宜調整することができる。

更に、図４（ｂ）は定着ベルト２０の両端部の層構成模式図であり、矢印Ａ方向が内周側である。定着ベルトの両端部には給電電極部７１が形成されており、給電電極部７１は発熱層２０ｂの両端と電気的に接続される。給電電極部７１は銀・パラジウムを含んだ導電特性を有する材料を用いている。

図５は定着装置９の電源供給部から抵抗発熱層までの電気的経路を説明する図である。給電電極部７１は、電源供給部７９と電気的に接続される給電部材８１と接触する。給電部材８１はステンレスの板ばね形状の部材であり、バックアップ部材８３が給電部材８１を給電電極部７１に押圧することで電気的接続も良好に維持される。

（４）定着装置の立ち上げ動作後の長手温度分布
幅方向に対して異なるサイズの長さの記録材を搬送することができるが、本実施例においては最大幅３２０ｍｍ、搬送方向長さ２２７ｍｍが通紙可能な最大サイズの記録材である定着装置においての定着ベルトの温度分布について説明する。

本実施例において、記録材は、定着ベルトと加圧ローラの幅方向（長手方向）の中心を搬送中心として通紙される。したがって１ｍｍ程度の機械的な寸法の公差は、あるが、定着ベルト、加圧ローラは、長手中心位置は略一致して設計され、定着ニップ部を形成している。同様にセラミックヒータの長手中心位置も、定着ベルト、加圧ローラの長手中心位置と略一致している。
図６に、実施例１、比較例１における抵抗発熱層とセラミックヒータの長手長さの関係と朝一立ち上がり時の定着ベルトの長手温度分布を表す。

本実施例においては、通紙可能な最大の記録材幅よりもセラミックヒータの発熱幅を広くとり、さらに抵抗発熱層の発熱幅を長くとっている。

つまり、長手長さの関係は、本実施例における実際の数値とともに書くと、以下の通りになっている。
（抵抗発熱層長手長さ＝３４０ｍｍ）＞（セラミックヒータ長手長さ＝３３０ｍｍ）＞（最大記録材幅＝３２０ｍｍ）
ここでいうセラミックヒータ長手長さとは、セラミック基板上に線状に設けられた、抵抗体の長手長さ（発熱幅）である。

一方、比較例１において、長手長さの関係は以下の通りになっている。
（抵抗発熱層長手長さ＝３３０ｍｍ）＝（セラミックヒータ長手長さ＝３３０ｍｍ）＞（最大記録材幅＝３２０ｍｍ）
ここで、実施例１の場合の長手温度分布と比較例１の場合の長手温度分布とを比較してみる。

一方で、本実施例における画像形成動作を開始するプリント信号（画像形成信号）が入力されてからの定着装置の動作について説明する。

本実施例では、プリント信号が入力されるのと待機しているスタンバイ状態では、セラミックヒータと定着ベルトの抵抗発熱層への給電は行っていない。また、加圧ローラと定着ベルトとは離間している状態である。なお、加圧ローラの脱着機構は、図６の加圧ばね４２を、圧縮、解放することで行う。

プリント信号が入力されてからの定着装置の動作について図７のフローチャートを用いて説明する。

プリント信号が入力される（Ｓ０１）と、加圧ローラ、定着ベルトから離間された状態で、定着ベルトの回転を停止した状態で抵抗発熱層に通電し定着ベルトを加熱する（Ｓ０２）。ベルト給電部から定着ベルトへの給電は、定着ベルトの温度ｔが第一目標温度Ｔである１３０℃になるように、制御部により制御される（Ｓ０３）。定着ベルトの温度が１３０℃に達すると、定着ベルトと加圧ローラとが離間状態から当接状態に移行し、ヒータ１００への通電が開始される（Ｓ０４）。ヒータ１００への通電が開始されると、抵抗発熱層への通電は停止し（Ｓ０５）、定着ベルトの回転が開始される（Ｓ０６）。そして、記録材の通紙が開始される（Ｓ０７）。なお、ヒータ１００への通電は、定着ベルトが第二目標温度である１９０℃になるように、制御部２００により制御される。この第二目標温度は、記録材上の画像を加熱する像加熱温度である。なお、本実施例では、記録材上の画像を加熱する像加熱動作を行う場合には、抵抗発熱層への通電をＯＦＦとし、ヒータ１００への通電により行うものとする。

図６は、サーミスタの温度が２５℃である状態から、図７のフローチャートによるサーミスタによる検知温度が１９０℃に達した時の温度分布を示すものである。

図６に示す様に、比較例１では、抵抗発熱層の長手長さと、ヒータ１００の発熱幅とを同等に設定している。サーミスタの温度が１９０℃に達した時の長手温度分布は、定着ベルトの端部からの放熱が、記録材搬送時に比べて大きくなるため、最大記録材幅よりも狭くなってしまっている。そのため、通紙１枚目の記録材の幅方向における端部領域でグロスの低下といった画像不良が発生する可能性がある。この現象は、抵抗発熱層の長手長さが、ヒータ１００の発熱幅よりも小さい場合に生ずる。

一方、実施例１においては、抵抗発熱層の長手長さを、記録材搬送時使う必要なヒータ１００の発熱幅よりも長くしている。具体的には、抵抗発熱層の端部の位置をヒータ１００の発熱幅の端部位置よりも１０ｍｍ外側に配置した。本発明は、この数値に限定されるものではなく、３ｍｍ以上外側に配置すると記録材の幅方向における端部領域のグロスの低下を低減することができた。抵抗は発熱層の幅とヒータの幅とをこのような関係にすることで、最大記録材幅全域にわたって、温度の均一性を保つことができた。

（５）定着装置の連続通紙後の長手温度分布
次に、単位時間当たりの加熱枚数を５０枚で、最大幅３２０ｍｍ、搬送方向長さ２２７ｍｍが通紙可能な最大サイズの記録材上に形成された画像を連続して加熱したときの長手温度分布について説明する。
図８（ａ）、図８（ｂ）に、抵抗発熱層とセラミックヒータの長手長さの関係及び、５００枚連続通紙後の定着ベルトの長手温度分布を示す。

本実施例における長手長さの関係は、以下の通りになっている。
（抵抗発熱層長手長さ＝３４０ｍｍ）＞（加圧ローラ長さ３３６ｍｍ）＞（セラミックヒータ長手長さ＝３３０ｍｍ）＞（最大記録材幅＝３２０ｍｍ）
比較例２における抵抗発熱体とセラミックヒータの長手長さの関係を表す。
（抵抗発熱層長手長さ＝３４０ｍｍ）＝（セラミックヒータ長手長さ＝３３０ｍｍ）＞（加圧ローラ長さ３２４ｍｍ）＞（最大記録材幅＝３２０ｍｍ）
比較例２においては、図８（ｂ）に示す様に、加圧ローラの端部の位置がセラミックヒータの発熱領域の端部位置よりも外側に配置されている。そのため、連続通紙をした場合には、最大通紙幅の外側のセラミックヒータ端部領域の加圧ローラが押圧していない領域（図８（ｂ）（ア）の領域）のベルト温度が過昇温してしまう。

そこで、本実施例では、加圧ローラの端部の位置をセラミックヒータの端部位置よりも外側に配置する構成とした。この構成により、最大通紙幅の外側のセラミックヒータの発熱領域の熱は、加圧ローラに移動するため、定着ベルトの昇温は比較例２に比べて小さくすることができる。具体的には、図８（ａ）に示す様に、最大通紙幅外側のセラミックヒータ部の定着ベルト温度は、通紙領域に比べて比較例２と同様に昇温する。しかし最も昇温する最大通紙幅の外側のセラミックヒータ対応部（イ）の定着ベルトは、加圧ローラに当接しているので、加圧ローラに熱を奪わる。そのため（イ）部分の温度の昇温を小さく抑えることができる。

なお、本実施例では、像加熱部材である定着ベルトを回転方向に局所的に加熱する構成として、セラミックヒータを用いて説明した。しかし、本発明は、セラミックヒータに限定されるものではなく、例えば、コイルを像加熱部材の一部に対向して配置し、像加熱部材を局所的に誘導加熱する構成であっても、同様の効果をえることができる。

また、本実施例では、スタンバイ中は、抵抗発熱層への通電を行わない構成であったが、スタンバイ中に定着ベルトの温度が設定した温度になるように抵抗発熱層への通電を行う構成であっても、同様の効果をえることができる。

１１ 感光ドラム
１２ 帯電器
１３ レーザースキャナ
１４ 現像器
１６ バックアップ部材
１７ 支持ステー
１８ サーミスタ
２０ 定着ベルト
２２ 加圧ローラ
４０ 定着フランジ
７１ 給電電極部
７９ 電源供給部
８１ 給電部材
８３ バックアップ部材
１００ セラミックヒータ

Claims (2)

1. 通電により発熱する抵抗発熱層を有する回転可能な像加熱部材と、像加熱部材と当接し、記録材に形成された画像を加熱するニップ部を形成する加圧部材と、前記抵抗発熱層に通電するための給電手段と、を有する像加熱装置において、
   前記像加熱部材の回転方向において前記像加熱部材を局所的に加熱する加熱手段と、前記像加熱部材を停止した状態で前記抵抗発熱層への給電を行うよう前記給電手段を制御する制御手段と、を有し、前記像加熱部材の回転方向と直交する幅方向における加熱手段の長さは、前記幅方向における抵抗発熱層の長さ以下であって、通紙可能な最大サイズの記録材の幅よりも大きいことを特徴とする像加熱装置。
2. 前記幅方向における前記加圧部材の長さが、前記幅方向における加熱手段の長さよりも長く、前記幅方向における抵抗発熱層の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。

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