JP2014178509A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通紙時における温度維持のための電力を増大させずに、定着立ち上げ時の端部温度ダレを抑制する。
【解決手段】記録媒体上のトナー像を溶融する加熱回転体と、前記記録媒体を前記加熱回転体に押圧する加圧回転体と、前記加熱回転体を加熱する熱源と、前記加圧回転体を冷却する冷却機構と、前記加熱回転体と前記加圧回転体とを接離する加圧・脱圧機構と、軸方向中央域の温度を検出する第１温度検出手段と軸方向端部域の温度を検出する第２温度検出手段と、通電制御を行う制御部とを有する定着装置であって、前記冷却機構が前記加熱回転体も冷却可能に構成されており、前記第１温度検出手段の検出温度Ａ、前記第２温度検出手段の検出温度Ｂで、通紙前の定着立ち上げ時に、検出温度Ａ＞検出温度Ｂで前記冷却機構による軸方向端部域の冷却を実行し、検出温度Ａ≦検出温度Ｂで前記冷却機構による軸方向端部域の冷却を実行しない。
【選択図】図３

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、あるいはこれらの機能を併せ持った複合機等の画像形成装置、特に、帯電・書込み・現像・転写のプロセスを経てトナー画像を普通紙やＯＨＰフィルム等の記録材（記録媒体）に記録する画像形成装置に関する。更に、本発明は、画像形成装置に搭載され加熱された定着部材と加圧部材の間に記録材を通して記録材上のトナー画像を定着する定着装置、特に定着装置に対する冷却機構に関する。

電子写真記録・静電記録・磁気記録等の画像形成プロセスにより画像転写方式若しくは直接方式により未定着トナー画像を記録材に形成する画像形成装置に対し、近年、省エネルギー化・高速化・高画像化に関する市場要求が強くなってきている。これらの要求を達成するためには、画像形成装置に搭載された定着装置における熱効率の改善及び種々のローラに対する細かな熱コントロールが重要である。

未定着トナー画像を定着させるための定着装置としては、熱ローラ方式、ベルト定着方式、フィルム加熱方式等の接触加熱方式の定着装置が広く採用されている。そして、これら各種方式の熱源として一般的に用いられるハロゲンランプや、或いはセラミックヒータの外に、誘導加熱により熱容量の小さな部材を発熱させる電磁誘導加熱を用いる構成が知られている（例えば特許文献１、特許文献２）。

電磁誘導加熱方式の定着装置は、例えば、加熱ローラと定着ローラとに張架された定着ベルトと、定着ベルトを介して加熱ローラに対向する電磁誘導加熱部と、定着ベルトを介して定着ローラに対向する加圧ローラ等で構成されている。そして電磁誘導加熱部は、記録材の搬送方向に直交する方向に延在するコイル部や、コイル部に対向するコア等で構成されている。そして、電磁誘導加熱部においてコイル部に高周波の交番電流を流すことでコイル部の周囲に磁界が形成され、この磁界により加熱ローラの表面に渦電流が生じ、加熱ローラ自体の電気抵抗によって発生するジュール熱によって、加熱ローラに巻回された定着ベルトが加熱される。

電磁誘導加熱方式のベルト定着装置は、特に定着ベルト、加熱ローラ、定着ローラが低熱容量に構成されており、オンデマンドタイプの装置として、クイックスタート性に優れ、スタンバイ時の消費電力も非常に小さい、といった利点を有している。ただ、このような電磁誘導方式の定着装置においては、特に定着ベルトがフィルム状に薄くなっている場合、熱容量が非常に小さく、放熱による温度低下の度合いが大きくなるため、端部温度ダレの現象が生じ易い。つまり、定着ベルトの幅方向端部は中央域に比べて放熱効果が大きいため、通紙時以外では、ベルト中央域の温度に対してベルト端部の温度が低下して、不均一な温度分布となりがちである。

定着ベルトの幅方向、したがって加熱ローラや定着ローラの軸方向における温度分布を均一にするために、例えば、作動液を封入したヒートパイプを電磁誘導発熱回転体に加圧回転する構成が特許文献３に開示されている。しかしながら、このような構成では、ヒートパイプ分の熱容量が増加し、通紙時に定着温度を維持するための電力が増大してしまい、トータル的な消費電力が悪化する問題があった。

他方、高画像化の要求に伴い、加圧ローラの温度をきめ細かにコントロールするために必要に応じて定着部材から完全に離間させる加圧・脱圧機構を備えた構成や加圧ローラ内外から空冷による冷却機構、外部接触式の冷却機構も知られている。加圧ローラ側の非通紙域を冷却するファンを設ける構成は、例えば特許文献４に記載されている。

本発明者らは、加圧ローラの加圧・脱圧機構や冷却機構を備えた定着装置において、コールドスタート時で所定温度到達後に蓄熱目的で加熱制御する場合やスタンバイ状態から通紙にかけての温度制御における端部温度ダレに着目して、鋭意検討を行った。その結果、コールドスタート後に蓄熱目的で加熱回転を行ったりスタンバイ状態で温度維持を図る際、定着用のヒータの点灯率が低下することで、端部放熱に対して供給エネルギーが追いつかず、端部温度が低下してしまい、点灯率を高くすることが端部温度ダレに有効であることが分かった。端部温度ダレをなくすことで、画像形成初期の温度ムラによる画像品質の低下を回避できる。

なお、連続通紙時における非通紙部の過昇温を防止するための提案は多くなされている。例えば、特許文献５には、複数の発熱体とセンサ、定着フィルム用冷却ファンを備え、冷却ファンによる冷却開始時に発熱分布を変更する構成が開示されている。特許文献６には、非通紙域を冷却する送風手段と、その送風口の開口幅を調節する可動シャッターとを備えて、シャッター制御する構成が開示されている。特許文献７には、移動可能なセンサと可動遮蔽板とを備えて、定着ローラの非通紙域に応じて冷却域を可変とする構成が開示されている。特許文献８には、通紙する用紙サイズに応じてシャッター開閉して冷却ファンによる冷却域を調整する構成が開示されている。特許文献９には、加圧ローラの軸方向両側部分に多数のファンを配置し、各ファンの送風量を個別に調整可能とした構成が開示されている。特許文献１０には、定着ローラの非通紙領域に対して複数の温度センサと空冷ファンを備え、温度センサの検出結果に基づいて、空冷ファンによる冷却動作、加熱・用紙搬送の停止を実行する構成が開示されている。特許文献１１には、加熱ローラ（定着ローラ）の非通紙領域である端部側への送風量を可変とする構成が開示されている。

また、加熱によって加圧ローラにおける熱膨張差が生じることによるクラウン形状化に起因するシワの発生を回避するために、特許文献１２には、通紙前に加圧ローラの中央域を冷却することが提案されている。

本発明の課題は、通紙時における温度維持のための電力を増大させずに、定着立ち上げ時の端部温度ダレを抑制することにある。

上記課題は、記録媒体上のトナー像に接して前記トナー像を溶融する加熱回転体と、前記記録媒体を前記加熱回転体に押圧する加圧回転体と、前記加熱回転体を加熱する熱源と、前記加圧回転体を冷却する冷却機構と、前記加熱回転体と前記加圧回転体とを接離する加圧・脱圧機構と、前記加熱回転体の軸方向中央域の温度を検出する第１温度検出手段と前記加熱回転体の軸方向端部域の温度を検出する第２温度検出手段と、前記熱源や前記冷却機構の通電制御を行う制御部とを有する定着装置であって、前記冷却機構が前記加熱回転体も冷却可能に構成されており、前記第１温度検出手段の検出温度Ａ、前記第２温度検出手段の検出温度Ｂで、前記記録媒体の通紙前の定着立ち上げ時に、検出温度Ａ＞検出温度Ｂで前記冷却機構による軸方向端部域の冷却を実行し、検出温度Ａ≦検出温度Ｂで前記冷却機構による軸方向端部域の冷却を実行しないことによって、解決される。

本発明によれば、熱容量の小さな加熱回転体にあっても、定着立ち上げ時の端部温度ダレを抑制でき、軸方向の温度分布が均一化し、たとえ通紙幅ギリギリの単一熱源を用いるような場合でも、加熱回転体の端部への熱移動が回避でき、通紙時の電力エネルギーを通紙領域にのみ集中させることができる。

画像形成装置としてのデジタル複写機の全体的な概略構成図である。 装置本体に設置される定着装置の全体的な概略構成図である。 加圧・脱圧機構にシャッター開閉をリンクさせる構成を有する定着装置のローラ軸方向の概略構成図である。 加圧・脱圧機構にシャッター開閉をリンクさせる構成の脱圧状態での断面構成図である。 加圧・脱圧機構にシャッター開閉をリンクさせる構成の加圧状態での断面構成図である。 サーミスタの配置位置を説明するためのローラ軸方向の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の形態について説明する。図１を用いて、画像形成装置であるデジタル複写機の全体構成及び動作を説明する。デジタル複写機の装置本体１には、原稿の画像情報を光学読み取りするスキャナ５０、原稿を連続してスキャナ５０に搬送するＡＤＦ１０、画像形成部５１、記録媒体である用紙を収容する給紙部１１が備えられている。その基本構成はよく知られているので、簡単に述べるにとどめる。

画像形成部５１は、カラー画像に対応するため、黒用画像形成部５１ＢＫ、マゼンタ用画像形成部５１Ｍ、イエロー用画像形成部５１Ｙ、シアン用画像形成部５１Ｃに分かれて存在する。そして、それぞれスキャナ画像情報や外部画像情報に基づいて露光光を書き込み部５９から照射される。色の違いを除いて構成そのものは同じであるので、図中シアンについてのみ符号を付し、以下に説明する。

シアンの露光光を照射される感光体ドラム５５Ｃは図中、反時計まわりに回転し、帯電部５７Ｃで帯電された後、露光光が照射されたドラム部分を現像部５６Ｃでトナー付着されて、トナー像が形成される。そのトナー像は１次転写されて各色を重ね合わせることにより中間転写部５３上に画像形成され、転写後の感光体ドラム５５Ｃの残留トナーはクリーニング部５８Ｃで回収される。

また、給紙部１１から給紙された用紙は、レジスト部６０に搬送され、レジスト部６０でスキュー補正されるとともに中間転写部５３のトナー像とのタイミングを取って２次転写部５２に送り込まれ、２次転写部５２にてトナー像を転写される。転写工程後の用紙は、搬送経路を経て定着装置２０に達する。定着装置２０に達した用紙は、加熱回転体たる定着ベルト２２と加圧回転体たる加圧ローラ３０との間の定着ニップに挿入され、定着ベルト２２から受ける熱と加圧ローラ３０から受ける圧力とによってトナー像を定着される。トナー像が定着された用紙は、定着ニップから送出された後に、装置本体１から排出されて、一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、装置本体１に設置される定着装置２０の全体概略構成を示す図２を用いて、定着装置２０の構成及び動作を詳述する。定着装置２０は、主として、定着ローラ２１、定着ベルト２２、加熱ローラ２３、ＩＨヒータの外部誘導加熱部２４、加圧ローラ３０、冷却機構、分離ユニット３６等で構成される。

ここで、定着ローラ２１は、その表面にシリコーンゴム等の弾性層が形成されており、外周に定着ベルト２２を介して加圧ローラ３０が押し当てられて定着ニップが形成されている。そして、不図示の駆動部によって加圧ローラ３０が図２の反時計方向に、また定着ローラ２１が時計方向に回転する。

定着ベルト２２は、ポリイミド樹脂等からなるベース層、シリコーンゴム等の弾性層、フッ素化合物等からなる離型層（表面層）等から成る多層構造のエンドレスベルトであり、定着ローラ２１と加熱ローラ２３とに掛け回されている。定着ベルト２２の離型層によって、トナーに対する離型性が担保されている。定着ベルト２２に導電層を備えていてもよい。

加熱ローラ２３には整磁合金が発熱部材として用いられ、図２の時計方向に回転する。整磁合金は鉄−ニッケル系の合金であり、キュリー温度に達すると磁性を失って、その結果、発熱を抑制し、それ以上の昇温を抑制する作用がある。加熱ローラ２３の内部には、アルミニウムや銅等の透磁性の低い材料から成る磁束遮蔽板４０が、外部誘導加熱部２４の幅部分と対向する位置に配置されている。加熱ローラ２３の素材は整磁合金以外でもよく、例えばＳＵＳ３０４等の非磁性材料から構成され、フェライト等の強磁性材料を内部コアとして備えてもよい。

シングルヒータである外部誘導加熱部２４は、コイル２５、コア２６、コイルガイド２９等で構成され、定着ベルト２２を介して加熱ローラ２３に対向している。ここで、コイル２５は、加熱ローラ２３に掛け回される定着ベルト２２の一部を覆うように、細線を束ねたリッツ線をローラ軸方向（図２の紙面垂直方向）に延在したものである。コイルガイド２９は、耐熱性の高い樹脂材料等から成り、コイル２５を保持する。コア２６は、フェライト等の透磁性の高い材料から成り、ローラ軸方向に延在するコイル２５に対向するように設置されている。なお、ＩＨヒータにおける「コア部」は、電磁誘導加熱に寄与する対向する双方のコア部である。したがって、外部誘導加熱部２４のコア２６と、加熱ローラ２３の整磁合金あるいは内部コアとがある。熱源としては外部ＩＨヒータでなく、内部ＩＨヒータ、ハロゲンヒータあるいはセラミックヒータでも構わない。また、外部誘導加熱部２４の近傍には、非接触温度検出手段であるサーミスタ２８が設置され、加熱ローラ２３に掛け回された定着ベルト２２上の表面温度（定着温度）を検知して、制御部（図示せず）によって外部誘導加熱部２４の通電制御を行っている。サーミスタ２８は定着ベルト２２の幅方向に複数個配置され（図６）、幅方向における表面温度分布を検知できるようになっている。また、サーミスタ２８の検出結果によって、後述する冷却機構のファンをオンオフ制御する。

また、加圧ローラ３０は、芯金上にフッ素ゴムやシリコーンゴム等の弾性層を備えたものであり、定着ベルト２２を介して定着ローラ２１に圧接する。この加圧ローラ３０は加圧・脱圧可能に構成され、表面にはクリーニング手段３３が当接している。加圧ローラ３０の内部には、ハロゲンヒータ３５が設けられ、ローラ外周に対向して配置されたサーミスタ３９により温度検知されて、同じく制御部（図示せず）によってオンオフ制御される。加圧ローラ３０が独自のヒータを有することで、外部誘導加熱部２４で加熱される定着ベルト２２から加圧ローラ３０へ熱移動して定着ベルト２２の温度が低下して定着不良を生じる事態が確実に回避される。サーミスタ３９も加圧ローラ３０の軸方向に複数個配置され、軸方向における表面温度分布を検知できるようになっている。定着ローラ２１／定着ベルト２２に対して加圧ローラ３０を加圧・脱圧する機構は周知であり、例えば加圧・脱圧カムと、この加圧・脱圧カムの偏心回転によって加圧ローラ３０を定着ローラ２１へ加圧し、あるいは脱圧する加圧・脱圧レバーとを備えて構成される。加圧・脱圧機構は、冷却機構と連動するようになっており、それについては後述する。

定着ニップの入口側には、定着ベルト２２と加圧ローラ３０との当接部である定着ニップへの用紙Ｐの搬入を案内するガイド板が設けられている。定着ニップの出口側には、用紙Ｐの搬出を案内するとともに用紙Ｐを定着ベルト２２から分離する分離板を備えた分離ユニット３６が配設されている。

更に、加圧ローラ３０の下方には、冷却機構が備えられている。冷却機構は、加圧ローラ３０にそれぞれ開口し相対した送出側冷却ダクト７０ａ、排気側冷却ダクト７０ｂ、これらに付設されたファン７１，７１’を基本構成とする。冷却ダクトは後述するように加圧ローラ３０の軸方向において分割されている。また、送出側冷却ダクト７０ａは、定着ニップの用紙搬送方向入口側近傍まで延びていて、ファン７１からの空気を定着ベルト２２にまで送ることができるようになっている。排気側にもダクト、ファンを配置することで、送出側ダクトから吹き出した気流を、加圧ローラ冷却後に散逸させずに排気でき、精度高く局所的な冷却を行うことができる。

図３に、冷却ダクト７０が加圧ローラ３０の軸方向において分割され、加圧ローラ３０、定着ベルト２２、定着ローラ２１を選択的に冷却する一例を示す。加圧ローラ３０／定着ベルト２２の端部領域を冷却する分割ダクトに配置されたシャッター７２を変位することで、端部ダクトの開閉を行い、共通の単一ファン（ファン７１）を回転駆動させて、所望領域を冷却する。

シャッター７２の開閉は、定着ベルト２２へ加圧ローラ３０を接離する加圧・脱圧機構にリンクさせているが、その構成を図３〜図６において説明する。図４、図５に示されるように、加圧ローラ３０の軸に加圧スプリング１５を備えた加圧・脱圧レバー１４が当接している。この加圧・脱圧レバー１４と共に加圧・脱圧機構を構成する加圧・脱圧カム１２の軸１３に、リンク型のシャッター７２が連接配置されている。加圧ローラ３０が脱圧状態（図４）では、端部側の分割ダクトはシャッター７２によって閉鎖されており、中央領域の分割ダクトのみが開放されている（図３）。加圧ローラ３０を定着ベルト２２／定着ローラ２１へ加圧すべくカム軸を回転すると、それに伴ってシャッター７２が回転して、端部側の分割ダクトも開放され、加圧ローラ３０の軸方向／定着ベルト２２の幅方向の全域が冷却されるようになる（図５）。なお、中央側の分割ダクトには、加圧・脱圧機構にリンクしないシャッターを設けて個別に開閉可能とすることもできる。

通紙前の定着立ち上げ時には、定着ベルト２２、定着ローラ２１を十分温める必要があるが、加圧ローラ３０は定着ベルトと同じ温度まで上げる必要はなく、時間短縮の観点からも立ち上げ動作はできるだけ短時間にすませたい。そこで、立ち上げ時には、加圧ローラ３０を脱圧状態にして空回転しながらハロゲンヒータ３５によって加熱する一方、定着ベルト２２、定着ローラ２１は外部誘導加熱部２４によって加熱する。定着ベルト２２／定着ローラ２１、加圧ローラ３０はそれぞれの端部域の放熱により、それぞれの温度分布が幅方向／軸方向において山なりとなった温度ムラが発生する可能性がある。特に定着ベルト２２／定着ローラ２１は急速加熱の実現のため、その熱容量が非常に小さく、したがって端部域の放熱による幅方向／軸方向における温度差が大きい。このような温度差を抑制するには、あえて中央部のみを冷却しながら、外部誘導加熱部２４の点灯率をできるだけ高く維持することが有効である。そこで、ベルト中央域に配置された第１のサーミスタ２８（第１温度検出手段）とベルト端部域に配置された第２のサーミスタ２８（第２温度検出手段）の検出結果に応じて、制御部（図示せず）によって、ファン７１のオンオフを制御する。つまり、中央サーミスタの検出温度Ａ、端部サーミスタの検出温度Ｂとし、検出温度Ａ＞検出温度Ｂであればファン７１をオンさせ、検出温度Ａ≦検出温度Ｂであればファン７１をオフする。これによって定着立ち上げ時に蓄熱回転させる場合においても幅方向／軸方向温度を均一化できる。

通紙時には、加圧ローラ３０を定着ベルト２２／定着ローラ２１へ加圧させ、冷却ダクト７０を全域開放し、サーミスタ２８の検知結果に応じて、冷却を要する際にはファン７１，７１’を作動させ、冷却が不要であればファン７１，７１’を停止する。

以上の説明において、定着装置はベルト式定着装置として説明したが、熱ローラ式定着装置やフィルム加熱式定着装置であってもよく、また電磁誘導加熱方式以外の加熱方式でもよい。更に、加圧ローラに代えて加圧ベルト方式で定着ローラを押圧する態様も本発明の対象となり得る。

２１ 定着ローラ
２２ 定着ベルト
２３ 加圧ローラ
２４ 外部誘導加熱部
３０ 加圧ローラ
４０ 磁束遮蔽板
７０ 冷却ダクト
７１，７１’ ファン

特開２００７−７９１４２号公報 特許第４３１９２９９号公報 特開２００１−１４７６０６号公報 特開２０１２−１１８４８７号公報 特開２００９−２８８２７５号公報 特開２００８−３２９０３号公報 特開２００２−２８７５６４号公報 特開２００９−３００８５６号公報 特開平５−１０７９８３号公報 特開平１０−７４０１７号公報 特許第４１７２２５２号公報 特開２０１０−１８１４６８号公報

Claims (5)

1. 記録媒体上のトナー像に接して前記トナー像を溶融する加熱回転体と、前記記録媒体を前記加熱回転体に押圧する加圧回転体と、前記加熱回転体を加熱する熱源と、前記加圧回転体を冷却する冷却機構と、前記加熱回転体と前記加圧回転体とを接離する加圧・脱圧機構と、前記加熱回転体の軸方向中央域の温度を検出する第１温度検出手段と前記加熱回転体の軸方向端部域の温度を検出する第２温度検出手段と、前記熱源や前記冷却機構の通電制御を行う制御部とを有する定着装置であって、前記冷却機構が前記加熱回転体も冷却可能に構成されており、前記第１温度検出手段の検出温度Ａ、前記第２温度検出手段の検出温度Ｂで、前記記録媒体の通紙前の定着立ち上げ時に、検出温度Ａ＞検出温度Ｂで前記冷却機構による軸方向端部域の冷却を実行し、検出温度Ａ≦検出温度Ｂで前記冷却機構による軸方向端部域の冷却を実行しないことを特徴とする、定着装置。
2. 前記冷却機構がファンと、前記加圧回転体、前記加熱回転体へ前記ファンからの空気を送出するダクトとを有しており、前記加圧・脱圧機構による前記加熱回転体と前記加圧回転体の接離に連動して、前記ダクトの軸方向端部域が開閉することを特徴とする、請求項１に記載の定着装置。
3. 前記ダクトが軸方向に分割されており、軸方向端部域のダクトの部分にシャッタが配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の定着装置。
4. 前記熱源が電磁誘導加熱方式によるものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置を備えた画像形成装置。

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